淺析空分裝置下塔液空氧純度范圍的確定

史斌豪，宋 寧，陳 雁

(蘭州石化公司化肥廠空分車間，甘肅 蘭州 730060)

對(duì)于采用雙級(jí)精餾塔的空分裝置而言，下塔塔釜的液空是來(lái)自下塔第一塊塔板流下的液體。一直以來(lái)，我們都認(rèn)為，下塔液空中的氧純度受進(jìn)塔空氣中氧濃度(20.9%)的限制，總要比他的平衡濃度低一些。例如：當(dāng)下塔壓力為0.55 MPa時(shí)，與含氧量20.9%的氣相平衡的液體中氧濃度為40.8%，而實(shí)際液空中氧濃度應(yīng)低于這個(gè)值[1]。

表1 液空中氧純度分析超標(biāo)表

也就是說(shuō)，在目前下塔壓力458 kPa的工況下，其液空中氧純度的理論上限就在40%(體積分?jǐn)?shù))左右，即便超標(biāo)也不會(huì)超出太多。而2019年2.20日的兩次分析均超出上限達(dá)到51.0%、61.0%(見(jiàn)表1)，而當(dāng)日其余中控餾出口指標(biāo)均正常。那么，如果分析是準(zhǔn)確的，液空氧純度范圍是如何確定的就值得深入研究。

1 液空中氧純度受什么因素影響

下塔液空作為整個(gè)精餾系統(tǒng)的塔釜液，它的純度能反應(yīng)下塔的精餾工況。同時(shí)，液空回流液通過(guò)LCV-1閥送入上塔參與精餾，將直接影響上塔提餾段的回流比，進(jìn)而影響產(chǎn)品氧氣純度和主冷液氧液面。可見(jiàn)，下塔液空純度的高低對(duì)于整個(gè)空分裝置而言有著重要的意義。

影響下塔液空氧純度的因素有三種：下塔壓力、裝置冷損、下塔回流比。下塔壓力決定了氧、 氮?dú)獾姆悬c(diǎn)和平衡濃度，壓力越高，沸點(diǎn)越高。相應(yīng)的平衡濃度越低，液空中氧含量也隨之降低[3]。

當(dāng)裝置正常生產(chǎn)時(shí)，主冷液面、液空液面均能穩(wěn)定，膨脹空氣量也可保持不變，進(jìn)下塔空氣溫度TI-6可保持在-172.4 ℃(含濕量一定)，說(shuō)明裝置的冷損不變，維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)，下塔壓力PI-1在458 kPa保持穩(wěn)定，下塔頂部的液氮回流閥V-6一般也保持固定開(kāi)度(85%)，去上塔的液氮節(jié)流閥HV-1也保持固定開(kāi)度，說(shuō)明下塔回流比和下塔壓力也保持一定。

可見(jiàn)，當(dāng)裝置正常生產(chǎn)時(shí)，下塔壓力、裝置冷損、下塔回流比均保持穩(wěn)定，下塔液空氧純度是在這一穩(wěn)定工況下僅與溫度、壓力有關(guān)的函數(shù)，用計(jì)算的方法可以算出液空氧純度的范圍。

2 液空中氧純度范圍如何確定

由于，液空液氧純度是僅與壓力和溫度有關(guān)的函數(shù)，整個(gè)下塔可視為氧-氮雙組分理想物系的汽液相平衡。在一定壓力溫度下，汽液平衡時(shí)，一定的液相濃度對(duì)應(yīng)固有的氣相濃度值[4]。所以，可以分別利用泡點(diǎn)方程及露點(diǎn)方程分別求出液空氧純度的上、下限。

2.1 確定當(dāng)前工況下液空氧純度下限

裝置工況如下：下塔壓力PI-1：458 kPa;空氣進(jìn)下塔溫度TI-6：-172.4 ℃；空氣中氧含量為20.9%(體積分?jǐn)?shù))。

引入露點(diǎn)方程[5]：

(1)

解：已知：p=458 kPa ①；T=-172.4 ℃；求x氧

∵進(jìn)塔空氣中氧含量為20.9%(體積分?jǐn)?shù))，由于氣體摩爾體積y氧為一常數(shù)(22.4)，

∴摩爾分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)相等，即：y氧= 0.209 ②；

將①、②、③帶入公式(1)，得：

x氧的含義為：當(dāng)下塔壓力為458 kPa，溫度為-172.4 ℃時(shí)，與含氧20.9%的空氣相平衡的液空中的氧純度為35.19%。而且當(dāng)空氣進(jìn)入下塔后，不會(huì)直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)空氣，需要與下塔底部第一塊塔板上的液體進(jìn)行換熱，大部分氮組分因沸點(diǎn)較低而氣化上升，大部分氧組分因沸點(diǎn)較高而液化下降，也就是說(shuō)實(shí)際液空純度應(yīng)大于35.19%，這就是當(dāng)前工況下的液空氧純度的理論下限。

2.2 確定當(dāng)前工況下液空氧純度上限

之前，已計(jì)算出液空氧純度下限，且已得知，經(jīng)過(guò)換熱后液空中氧純度肯定比35.19%要高。那么通過(guò)泡點(diǎn)方程就可以算出液空氧純度的上限。

裝置工況如下：下塔壓力PI-1：458 kPa;空氣進(jìn)下塔溫度TI-6：-172.4 ℃；空氣中氧含量為20.9%(體積分?jǐn)?shù))。

引入泡點(diǎn)方程[6]：

(2)

解：已知：p=458 kPa ④；T=-172.4 ℃；求x氧

將④、⑤帶入公式(2)，得：

將⑤、⑥帶入公式(1)，得

∴在當(dāng)前工況下，液相中氧純度的上限x氧為68.43%，而與其平衡的氣相中氧純度上限y氧則為40.64%。

2.3 液空氧純度范圍設(shè)置是否合理

4#空分裝置液空中氧純度指標(biāo)AE-1范圍為：37.0%～40.0%，而計(jì)算出的范圍為35.19%～68.43%，對(duì)照4#空分裝置使用說(shuō)明書查得液空中氧純度原始指標(biāo)為大于37.0%[7]即可，并未設(shè)置指標(biāo)上限。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于受到平衡濃度的限制，液空中氧純度的實(shí)際值應(yīng)低于40.64%而高于35.19%，即：35.19%～40.64%。可見(jiàn)，通過(guò)計(jì)算得出的液空中氧純度范圍與裝置實(shí)際設(shè)定范圍基本相吻合。設(shè)定值下限稍高于計(jì)算值是考慮了上塔氧氣純度的原因，液空純度高一些，相應(yīng)氧氣純度也高一些，有利于生產(chǎn)。

所以，液空中氧純度指標(biāo)AE-1的指標(biāo)范圍設(shè)定為37.0%～40.0%是合理的。

3 探討質(zhì)檢分析數(shù)據(jù)是否合理正確

既然指標(biāo)范圍是合理的，那么，液空中氧純度是否有超過(guò)指標(biāo)上限40%的可能。

質(zhì)檢采用的液空中氧純度的分析方法為GB/T 3863-2008 工業(yè)氧國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(銅氨液吸收法)[8]，同時(shí)，采用GC-2010型氣相色譜分析儀數(shù)據(jù)做對(duì)照。2.10日兩次分析均作了比對(duì)并留樣，數(shù)據(jù)相一致且誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，我們可以認(rèn)為質(zhì)檢分析是正確的，液空氧純度AE-1的確達(dá)到了61%、51%。

之前通過(guò)計(jì)算，我們得出了在4#空分當(dāng)前工況下的液空氧純度范圍，其中，液相中的氧純度上限是68.43%，而平衡氣相上限是40.64%。取樣時(shí)，一般取氣體樣。假設(shè)，如果在取樣時(shí)取出了液體或氣液夾帶，那么分析數(shù)據(jù)就很有可能超過(guò)40%，處在40%～68.43%，這一范圍內(nèi)。

同時(shí)，2.20日期間，裝置下塔液空排放閥有一定程度的泄漏(圖1)，而取樣管線剛好在閥門前，且距離較近(圖2)。這樣，造成液空從此處不斷氣化泄漏，而取樣小閥是關(guān)閉的，在取樣時(shí)，打開(kāi)小閥稍加排放就有可能造成氣液夾帶，最終造成分析數(shù)據(jù)偏高。

圖1 液空排放閥泄漏圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)位置

4 解決辦法及改進(jìn)措施

4.1 解決辦法

得出分析數(shù)據(jù)偏高的原因后，目前采取了以下措施，在大檢修時(shí)消除閥門漏點(diǎn)，同時(shí)，取樣時(shí)保證充分排放，防止氣液夾帶，采取此方法后液空中氧純度AE-1均分析正常。

4.2 改進(jìn)措施

詢問(wèn)廠家技術(shù)人員后得知，當(dāng)前工況下液空氧純度的上限即為40%，與理論計(jì)算相符。當(dāng)分析數(shù)據(jù)超過(guò)40%應(yīng)沒(méi)有參考意義，此時(shí)應(yīng)對(duì)照其他參數(shù)查找原因再次取樣分析。同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)以調(diào)節(jié)下塔液氮回流閥為主，去上塔液氮節(jié)流閥對(duì)液空純度影響不大。

此外，質(zhì)檢還可以考慮佩戴高含量便攜式氧分析儀(HGAS-OEB型)，可以直接測(cè)算被測(cè)氣體中10%～99.99%的氧濃度值，不僅可以用在液空中氧含量的測(cè)定上，還可用在產(chǎn)品氧氣的測(cè)定上。HGAS-OEB便攜式氧分析儀采用離子流氧傳感器為測(cè)量單元，測(cè)定工業(yè)氧的純度，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)法(漢氏氧分析儀)，有分析自動(dòng)化程度高和操作簡(jiǎn)便化的特點(diǎn)[9]。為減少了因超標(biāo)而頻繁加樣的來(lái)回奔波，提高了時(shí)效性，對(duì)于質(zhì)檢和生產(chǎn)裝置來(lái)說(shuō)都是利大于弊的。

5 結(jié) 論

通過(guò)計(jì)算確定了液空中氧純度的范圍、找到了純度超標(biāo)的可能性。在今后的生產(chǎn)中，若AE-1分析再次超標(biāo)，應(yīng)及時(shí)查找工藝自身原因，對(duì)照其他餾出口純度是否發(fā)生變化。不可盲目認(rèn)為液空純度不能超過(guò)40%，并配合質(zhì)檢分析加樣，避免正常生產(chǎn)時(shí)液空氧純度超標(biāo)情況的發(fā)生。