氩产量偏低的原因分析及对策.doc

氩产量偏低的原因分析及对策孙全海（扬子石化烯烃厂空分车间，南京大厂区，210048）摘要：针对扬子20000m3/h空分设备在原MPC控制下氩产量偏低这一事实，利用汽液相平衡和相对挥发度的概念，分析指出了造成氩产量偏低的主要原因是氩馏分中的氩含量过低，提出应将氩馏分中的氩含量提高至1010-2以上。通过更改MPC的控制策略和数据，使得氩提取率达到了9010-2的设计指标，年经济效益500万元以上。图1表2参2。关键词： 空分设备 氩产量 分析 MPC1 问题的提出扬子20000m3/h空分设备是我公司从美国Praxair引进的，它采用的是膨胀空气进下塔的内压缩流程，上塔和氩塔使用了规整填料塔，利用全精馏的方法从空气中提取氩产品。一般来说，采用上述几种先进技术的空分设备应当可以得到较高的氩提取率。但实际上，这套空分设备在原MPC控制下的氩提取率尚不到6010-2，远低于9010-2的设计指标。氩在空气中的含量虽不多（0.93210-2），扬子各化工生产装置也不需要用氩，但它是一种较有价值的产品，在当今的气体市场上一直供不应求。因此，如果能设法将氩提取率提高至接近或达到设计指标，增加这种副产品的产量，则其经济效益是很明显的。而本文通过计算和分析认为，只要对原运行工况作某些调整，达到9010-2左右的的氩提取率是完全可能的。2 对原运行工况的分析2.1 氩系统简介扬子20000m3/h空分设备氩塔示意图见图1所示。从空分设备上塔的下部抽出几乎不含氮的氧氩混合气体（氩馏分）进入氩塔底部，并在氩塔内的上升过程中被塔内回流液体精馏掉几乎所有的氧，上升气体在到达氩塔顶部时其氧含量只有110-6左右。氩塔顶部的气体在进入氩冷凝器被冷凝成液体后，全部送入氩塔作为氩塔精馏的回流液体，液氩产品由离塔顶数级的位置取出。设氩馏分的流量为V，氩馏分中氩含量yA；塔底回流液流量为L，氩含量xA；产品液氩流量为D，氩含量xD。则很明显有以下两个物料平衡方程式：（1）（2）2.2 原运行工况与设计工况的比较将原运行数据与设计工况相比较，有利于找出原工况氩产量偏低的症结所在，故列出原运行数据和设计工况中与液氩产量密切相关的几个数据，见表1。表1中“原工况”是指2000年5月16日0:0024:00，MPC控制时连续24小时内的平均值。为便于比较，已将进冷箱空气流量放大至设计值，氩馏分、污氮气、氧氩产品各流量则根据空气的放大比例作了相应调整。氩产品纯度指其中的含氧量，单位10-6；流量单位m3/h（折合气态，下同）。表1 原工况与设计工况比较氩馏分液氩产品氧产品污氮气流量浓度流量纯度流量纯度流量氧含量设计1221070.1562138001200000.998000131430.000047原工况237560.0650005030.90199570.999000158520.001500由表1可以看出，原运行工况中的氩馏分浓度远低于设计值，氧产品纯度则高于设计值，污氮气中的氧含量也远高于设计值。而本文以下部分将要说明，正是氩馏分浓度过低及污氮气中的氧含量过高制约了氩产量的提高。2.3 氩馏分浓度与氩产量的关系设氩含量为yA的氩馏分气体在穿过第一块理论塔板后浓度变为yA1，由于在氩塔内氩相对于氧而言是易挥发组分，很明显yA1yA；根据理论塔板的概念，离开某块理论塔板的汽液相之间应该成相平衡，故氩含量为yA1的氧氩混合气体应当与粗氩塔底的回流液体（氩含量为xA）之间成相平衡。如果粗氩塔底氩对氧的相对挥发度为AO，则根据相对挥发度的定义，有：（3）由（3）可得：（4）由于yAyA1，则将yA替换式（4）右边分式中的yA1后，右边分式应当减小（分子减小而分母增大，则分式必定减小）或不变。这样就得到以下不等式：（5）因氩产品纯度xD1，结合式（1）、（2）和（5）就很容易解出氩产量D与相对挥发度AO、氩馏分气体流量V及氩馏分浓度yA三者之间存在下列关系：（6）在粗氩塔底氩对氧的相对挥发度约为1.52（在大多数情况下实际上略小于1.5），现就以AO=1.5代入式（6），即可得到：（7）式（7）表明，通常情况下，氩产量不可能超过氩馏分中氩总量的三分之一。2.4 制约氩产量的几个主要因素由式（6）可以看出，即使不考虑氩塔本身的因素，氩产量D也受到粗氩塔底氩对氧的相对挥发度AO、氩馏分气体流量V、氩馏分中的氩含量yA这三个因素的制约。现对这三个影响因素分别加以讨论。增大氩对氧的相对挥发度AO可以提高氩的收率，但一般情况下只有通过降低操作压力才能增大相对挥发度。而实际上，因分子筛纯化器再生需要一定的污氮气压力，氮气压缩机、水蒸发冷却塔等都要求一定的氮气出冷箱压力，氮气和污氮气管路的阻力、上塔阻力等在实际操作中又几乎是无法改变的，因而，氩馏分压力几乎是无法降低的。这也就是说，实际操作中几乎不能指望通过增大氩对氧的相对挥发度来提高氩的产量。增大氩馏分气量V也可以提高氩的产量，但氩馏分气量受到氩塔流通能力的限制，过大的气量将导致氩塔的性能降低，严重时可引起液泛。另一方面，从上塔抽出的氩馏分气量越多，则上塔氩馏分抽口以上段的上升气量就越少，这样可能使得氩馏分中的氮含量增高，从而使得氮气进入氩塔内。众所周知，氮的沸点比氩更低，进入氩塔内的氮气不能象氧一样通过精馏的方法除去，其结果液氩产品中的氮含量将会超标，严重时可使得氩冷凝器不能正常工作。当然，实际操作中还是可以充分利用氩塔和上塔的设计余量，适当增大氩馏分气量，这样做不仅对氩产量和纯度有利，对氧纯度也是有一定好处的（因为这样在较低的氩馏分浓度下就可以得到与原来同样多的氩产量）。提高氩产量的主要手段应该是设法增大氩馏分中的氩含量yA，由表（1）也可以清楚地看出，原运行工况中的氩馏分气量已经比设计值大7.510-2，已经很难再大幅度增加了（设计余量一般为1010-2左右）。而原工况氩馏分中的氩含量却只有设计值的41.610-2，很明显，正是氩馏分中氩含量过低才导致了氩产量偏低。这也可以通过将具体的数据代入不等式来说明。如果相对挥发度AO为1.52，氩馏分气量V为23756m3/h，氩馏分浓度yA为0.065（表1），代入不等式（6），则有：而实际上氩产量为503m3/h，与理论上所可能达到的最大产量（最小回流、氩塔在不考虑塔板阻力的情况下需要无穷多块理论塔板）已经相差不多，这说明了在氩馏分中氩含量较少时，氩馏分气体与粗氩塔底回流至上塔的液体之间已经接近于达到相平衡状态。如果将氩馏分浓度提高至1010-2，氩馏分气量增加至24000m3/h（差不多已相当于氩塔所允许的最大气量），则液氩产量在不考虑氩塔因素的情况下理论上所可能达到的最大值为：由于氩塔的理论塔板数实际上是有限的，且粗氩塔底氩对氧的相对挥发度实际上略小于1.5，因此在24000m3/h氩馏分流量及1010-2氩馏分浓度下通常是不能达到800m3/h的液氩产品流量的。这也就是说，要想达到9010-2左右的氩提取率（相当于满负荷时产量约800m3/h），必须将氩馏分中的氩含量提高至1010-2以上。3 工况的调整3.1 上塔工况的调整以上分析已经指出，只有提高氩馏分中的氩含量才可能增加氩的产量，而氩馏分气体来自于空分设备的上塔，故必须首先对上塔工况加以调整。在进冷箱空气量一定时，增大从上塔取出的液氧量，适当降低氧产品的纯度，则上塔内的富氩区下移，氩馏分中的氩含量会增大，而污氮气中的氧氩含量则减少。但过分增大氧产品的取出量，氧纯度会不合格；而对于氩馏分来说，如果氧产量和氩产量之和过大，则氮组分就容易进入氩馏分中，这将使得氩产品中的氮含量超标，严重时甚至引起氩冷凝器氮塞，氩塔和主塔的工况被破坏。因此，实际调整时，应在对空分工艺过程有充分的理解后小心谨慎地操作，并且要留有一定的余地，以防止由于纯化器切换等原因引起工况波动时造成氧纯度超标甚至氩塔工况被破坏。有关氩馏分中氩含量的影响因素，我们建立了上塔下部（即氩馏分抽口以下段）的数学模型。模型指出：上塔下部的理论塔板数越多，压力越低（即相对挥发度越大），该段的液汽比越小，氧纯度越低，则氩馏分中的氩含量就越高。有关氩馏分中氮含量的影响因素，我们建立的数学模型指出：氩馏分中的氮含量，主要由上塔内氩馏分抽口以上至氩冷凝器蒸发空气入口以下段的工况所决定，该段的理论塔板数越多，压力越低（相对挥发度越大），液汽比越小，氩冷凝器蒸发空气入口处上塔内汽液相中的氮含量越低，则氩馏分中的氮含量就越低。增大氧产品、氩产品的流量，增大氩馏分气量等，都会使得该段的液汽比增大。氩冷凝器蒸发空气及未蒸发液空中的氮含量较高，而氩含量较低，较多的蒸发空气及未蒸发液空进入上塔后，会使得氩冷凝器蒸发空气入口处上塔内汽液相中的氮含量增高，并且不利于氩在上塔中下部位置的聚集。一般来说，采用规整填料上塔且膨胀空气进下塔的内压缩流程，它的氩馏分中的氩含量要比普通的膨胀空气进上塔的空分设备高，而氮含量却可以比后者更低。这其中的原因，我们认为主要就是由于通常采用规整填料上塔的理论塔板数较多，同时膨胀空气进下塔流程的上塔液空进料口以下段的液汽比更小，以及上塔下部的压力更低（即各组分之间的相对挥发度较大）的缘故。3.2 氩塔工况的调整对氩塔工况的控制主要是控制氩馏分气量和液氩产品的取出量。一般来说，在氩馏分浓度和液氩产品的取出量一定时，氩馏分气量在一定范围内增大时，则氩塔内的回流比增大，氩纯度会变好（即液氩产品中的氧含量降低）；在氩馏分气量及氩馏分中的氩含量一定时，当增大液氩产品的取出量时，则氩塔回流比减小，液氩产品中的氧含量会有所升高（氩纯度变差）。另一方面，由于氩馏分气体来自于上塔，而粗氩塔底的回流液体又返回上塔，故对于氩塔工况的调整一定会影响到上塔。具体说来，增大氩馏分气量时，上塔氩馏分抽口以上段的上升气量减少，相对于氧、氩组分来说是低沸点组分的氮就会下移，其结果氩馏分中的氮含量可能会升高；当增大液氩产品的取出量时，由物料平衡很容易知道粗氩塔底返回至上塔的回流液体中的氩含量会降低，这样氩馏分中的氩含量也会降低。由于在上塔下部液汽比不变的情况下，氩馏分中的氩含量越低，则产品氧的纯度就越好，故当增大氩产品的取出量时，氧纯度会升高。因此，只要能保证氮气不进入氩馏分中，应当在氩塔流通能力所允许的范围内尽量增大氩馏分的气量；在氩产品纯度不超标的前提下，应当尽量增大液氩产品的取出量，这样不仅液氩产量增加，对氧产品的纯度也是十分有利的。3.3 对两个试验工况数据的分析在我们更改MPC控制策略和数据前，我们就曾用在DCS上手动控制的方式得到过几个试验工况，表2是其中两个较为典型的运行工况，其中“工况1”是尽量向设计工况靠拢的一个运行工况，而“工况2”是首先确保氧产品纯度和尽量提高液氩产量的一个运行工况。为便于比较，表2中的流量数据也根据空气流量作了适当的放大处理，单位与表1同。表2 两个典型的运行工况氩馏分液氩产品氧产品污氮气流量浓度流量纯度流量纯度流量氧含量工况1221000.1500007921200100.997500131500.000045工况2239600.1100008061.20199960.998200129500.000050两个试验工况都可以得到较高的氩提取率，但“工况1”中的氧纯度稍微有点偏低（设计值为0.9980），这可能是由于上塔的氩馏分抽口以下填料段的理论塔板数略欠不足，故在氩馏分中氩含量提高至接近设计指标时，氧产品纯度会降低至设计值以下。而“工况2”通过适当增大氩馏分气量和降低液氩产品的纯度，不仅得到了较高的氩提取率，氧产品纯度也得到了保证，故我们认为“工况2”是较为理想的运行工况，也是现MPC所控制的运行工况。氩提取率提高后，污氮气中的氧含量明显下降，这意味着氧的提取率也会有所提高。这是因为，当液氩产品的取出量增多后，出上塔的污氮气中的氩含量就减少，而氧和氩的沸点是比较接近的，这样污氮气中的氧含量也会减少。事实上，较高的氩提取率与较低的污氮气含氧量两者之间是相辅相成的，后者既是前者的必然结果，也是前者的必要条件。3.4 MPC数据更改以上两个试验工况都是在MPC（模型预测控制系统）不投用的情况下得到的，调整到这样的两个工况需要一定的操作技能。同时，由于污氮气中的含氧量是空分精馏塔工况的稳定因素之一，污氮气中的氧含量下降后，精馏塔系统的稳定性可能会变差，这就要求系统对于出现的各种干扰能及时作出反应，否则就有可能导致氧纯度超标。试验结果只是证明了这套空分设备的氩提取率可以达到9010-2左右的设计指标，但要想保持这么高的氩提取率，要使得以上的两种试验工况在实际上可行，还必须要有可靠的控制手段来作为保证才行。扬子20000m3/h空分设备上所使用的MPC（模型预测控制系统），其稳定性是基本值得信赖的，只不过原先它存在两个明显的缺陷，一是当液氩产品的取出量偏小时易引起氧纯度下降，二是氩的提取率偏低。氧纯度稳定性差的问题，我们认为与原MPC的控制策略有关。Praxair专家于1999年9月份所建立的MPC，它主要利用控制上塔中部的方法来控制氧纯度。但当液氩产品的取出量偏小时，氩将在上塔的下部聚集，而此时上塔中部的氧含量往往并没有什么变化或变化很小，这样MPC不能及时得到氧纯度将要下降的信号，因而也不会有什么相应的调节动作出现，结果往往引起氧纯度突然大幅度降低。在MPC正式开始投用的1999年10月初，至我们修改MPC数据前的2000年8月初的十个月期间内，已有多次因为此原因而引起了氧纯度严重超标，每次氧纯度超标后都有50100吨的液氧被白白排放掉。我们在2000年8月初将MPC改为以控制氩馏分中氧含量的方式来控制氧纯度，较好地解决了氧纯度稳定性差的问题。我们认为，氩馏分中氧含量