空氣分離裝置提取粗氖氦稀有氣體研究

陳和林，費 玲

1 氖、氦氣應用

氖(Ne)是一種無色、無嗅、非易燃的稀有氣體。氖僅以單質的形式存在，一般從空氣中分離獲得。氖在放電時發出橘紅色輝光，通常用于特種燈具制造。此外，還可用于低溫冷卻劑、電壓調節以及激光混合氣等領域。

氦（He）是一種無色、無味的惰性稀有氣體，是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。在工業中，可由含氦達7%的天然氣中提??；也可從空氣中用精餾法制得。氦的用途廣泛，在軍工、科研、醫療、航空等領域均有應用。氦的應用主要是作為保護氣體、氣冷式核反應堆的工作流體和超低溫冷凍劑。

2 空氣分離裝置粗氖氦提取工藝流程簡介

在空氣分離裝置內，由于氖、氦、氫沸點（0.103 MPa）分別為：-246.05 ℃、-268.93 ℃、-252.78 ℃，相對于氧（-182.96℃）、氮（-195.8℃）等組分屬于低沸點組分，以不凝性氣體的狀態集中于主冷蒸發器的氮側。從主冷蒸發器氮側取出，送入粗氖氦提取裝置，作為原料氣。來自下塔的污液氮經過過冷器與返流氣體換熱冷卻，經過節流降壓后送入上部換熱器，作為粗氖氦提取裝置的冷源，工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

粗氖氦提取裝置主要由粗氖氦塔K70和粗氖氦冷凝蒸發器E75組成，V75為緩沖罐。來自下塔頂部的不凝氣在粗氖氦塔中精餾，上升氣體在頂部被過冷、節流后的污液氮冷凝，將相對高沸點的氮組分部分冷凝至塔釜，返回到下塔；頂部達到含氖氦較高的粗氖氦氣（含氖約43%，氦11%，氫約2%，其余為氮氣）。蒸發器E75的污液氮被蒸發后返回到上塔的污氮氣中。

分離后的粗氖氦氣作為精制氖氦系統原料氣，在那里經過加氧除氫、吸附除氮、以及冷凝分離等方法得到氖氦的分離。

3 調試運行時出現的問題及注意事項

3.1 在調試中粗氖氦純度達不到要求

按照設計要求，將氖氦塔上部蒸發器的壓力通過調節閥FV5502控制在32 kPa；下塔的污液氮經過節流閥LV5505節流后，送入緩沖罐V75，作為上部蒸發器的冷源；控制粗氖氦氣FI5507在5 m3/h。這樣從下塔頂部來的原料氣（FI5502）比較大，始終超過FI5502流量計的量程（量程上限為2000 m3/h），V75 的進液閥（LV5505）即使全開，液位始終無法建立。氖氦氣純度不能達到設計要求，大約He為9%，Ne為31%，H2為2.3%。

通過多次試驗分析，原料氣FI5502超量程，說明氖氦塔下部冷凝循環量比較大，上部冷凝器V75液位不能建立，說明蒸發量比較大，結合二者，說明E95冷凝蒸發器的溫差較大。檢查V75的設計承載壓力可以達到800 kPa，因此，采取提高蒸發器上部壓力，降低溫差，來減少循環量。隨著V75壓力的提高，循環蒸發量FI5502逐漸降低，上部冷凝器的液位逐漸增加。通過調整，將V75的壓力控制在125 kPa左右，V75的液位也能夠穩定地控制住40%左右，E75換熱比較穩定，氖氦氣純度也達到了設計要求：Ne的含量為44.9%,He的含量為12%,H2的含量為1.6%。

經過數據分析，如果蒸發器E75的溫差過大，由于從下塔頂部取出原料氣沒有閥門控制，原料氣會增加，造成整個氖氦塔的上升蒸氣大，氖氦塔的回流比會很小，精餾不能充分的進行，因此純度無法達到設計要求。如果降低蒸發量，增加塔的回流比，可以使精餾進行的更充分，有利于提高氖氦氣與氮氣的分離。因此將蒸發器E75的壓力從32 kPa提高到125 kPa，蒸發器的溫度從-193.5℃提高到-189.2℃，雖然減少了換熱器溫差，但是，循環蒸發量FI5502從原來的2200 m3/h下降到1800 m3/h，減少了氖氦塔K70的上升蒸氣，上部蒸發器也能保持有一定的的液位，保證了塔頂的冷卻回流液，使塔的精餾進行較完善，每塊塔板的上升氣體濃度差增大，最終產品反而達到設計要求。圖2為調整成功后粗氖氦提取系統的流程數據。

圖2 調整后粗氖氦提取系統的流程數據

3.2 粗氖氦提取對主塔影響

氖、氦、氫氣以不凝性氣體的狀態集中于主冷蒸發器的氮側，如果不能及時排放，聚集到一定程度就會影響主冷凝蒸發器的換熱，導致主塔的工況紊亂。因此當附有氖氦提取系統的空氣分離裝置，在投運和操作時，一定要注意粗氖氦氣提取量，在保證純度達標的情況下，盡量增加提取量。當氖氦提取量太低時，會影響主冷凝蒸發器的換熱，這時首先表現在下塔的工況變化。下塔壓力逐漸上漲，如果長時間沒有引起注意，可能比正常值高20 kPa左右，空壓機的排壓也會增加，進空分裝置的流量會減少。上塔的餾分含氧量會出現不穩定。根據實際觀察發現，內壓縮流程空分裝置，去往上塔液氮量首先表現不足；外壓縮流程空分裝置，下塔液空液位會顯著降低。因此在在空分裝置啟動后，要首先將氖氦氣提取，而且提取量要比正常值大，然后在進行空分裝置各部位的調純；在運行過程，要監視氖氦氣提取量，防止影響主塔的工況。因為一旦提取量偏小，它的反應過程比較滯后，一般在2～3 h左右主塔工況才會有影響。另外，主塔的工況不穩定時，也要首先考慮氖氦氣的提取量是否合適，這時可以參考下塔壓力、空氣流量，液氮量或液空液位等參數進行判斷。一旦發生氖氦氣偏小，引起主塔工況的變化，應立即增大氖氦氣的取出量，減少對主冷凝蒸發器影響，恢復主冷凝蒸發器換熱效果，工況即可迅速恢復。

3.3 在運行時含氫量超標影響因素

在精制氖氦系統中，一般采取加氧除氫的方法去除氖氦混合氣中的氫。氫與氧氣混合，氫氣容積比百分含量在4%～94%范圍內，燃燒劇烈引起爆炸。因此送入精制氖氦系統的混合氣含氫量一般要求在3%以下。在實際運行時，有時會出現氖氦純度達標，但是氫含量超標的現象。有時甚至高達7%的含氫量，對精制生產安全帶來極大的威脅。通過長時間的調整發現，氫含量的高低與裝置周圍的環境有關系，尤其在霧氣比較濃厚的時候，含氫量超標的頻率和幅度更大。表1是對空氣質量監測數據。

表1 空氣質量監測數據

經過數據監測，和日常的觀察發現，當空氣質量發生變化時，尤其是霧霾和周圍高爐放散時，含氫量會明顯升高，因此，在實際運行時要注意天氣變化帶來的影響，尤其對精制系統生產安全影響。

為了保證精制系統的安全，一般采取方法是：在粗氖氦提取裝置的出口閥處，并行增加一個放空調節閥，當氫氣含量超標時，控制出口閥關閉，放空閥打開，保持粗氖氦氣的流量不變。這樣既能保證空分系統運行的穩定，也能保證精制系統的安全。經過在精制系統的試驗，原料氣含氫量在5%以下時，加氧除氫系統反應爐溫度能夠在安全值以下，可以不必放散。

4 調試總結

氖、氦氣屬于稀有氣體，提取難度較大，因此經濟價值較高。從空分裝置提取氖氦氣，可以增加空分裝置副產品的利潤，但是，在提取時一定注意對主塔的影響。氖氦不凝氣提取量降低時，對主塔的影響滯后時間長，不易被發現，但是破壞力強，因此給工藝操作帶來難度，操作人員應該加強預防提取氖氦氣對主塔影響能力，保證整體工況的穩定。