大型空分设备常见问题

空分精馏塔由上下塔、粗氩塔、精氩塔等塔器组成。目前，大型空分设备的下塔有筛板塔和填料塔2种，而上塔和氩塔已普遍采用阻力较小的规整填料塔。在空分设备正常运行时，塔器内的筛板、溢流斗或填料等内件表面，都会保留有一定量的低温液体，也就是精馏塔的持液量。一般情况下，空分设备的负荷高时，塔内持液量也会较大，而当空分设备负荷较低时，塔内持液量也相应的较小。当空分设备变负荷操作时，因塔内持液量的变化，会对精馏塔工况产生影响，影响空分设备稳定运行。

氩气是广泛应用于工业各领域的稀有气体，用作不锈钢、铝等金属电弧焊接保护气和钢铁、铝、钛、锆等金属的冶炼吹除气体，用于照明技术和日光灯的填充，工业电子也用氩气作为保护气。氩气在空气中的含量为0.932%，在空分装置中，一般可将加工空气中30%-50%的氩作为产品获得，随着制氩技术的提高及先进的空分工艺流程和操作方法的改进，现在已将氩的提取率提高到80%以上。

在空分设备事故中，因主冷引起的爆炸在所有事故中，约占一半以上，这是因为在加工空气中，所有未清除彻底的杂质，较后都会汇集在主冷液氧中，由于液氧的气化作用，这些杂质在某些区域形成高浓度聚集，并形成结晶后析出，在氧的助燃下，产生爆炸，对企业的生产运行和员工人身安全造成极大的危害。下面，我们对事故发生的原因进行综合分析并找出有效防止主冷爆炸的防范措施和方法。 碳原子数相等的碳氢化合物随未饱和度的增加，危险性相对也会增加；而碳原子数不等的碳氢化合物，随碳原子数增多而危险性相对增加。碳氢化合物在主冷液氧中聚集量，和它们的沸点成正比、和在液氧中的溶解度及饱和蒸气压成反比。 主冷液氧中的碳氢化合物有两种聚集形式：一是由于主冷结构原因形成的局部不畅通，造成局部液氧干蒸发而使碳氢化合物析出，二是未经彻底净化的空气进入冷箱参与精馏，微量的碳氢化合物未经充分循环和吸附而在液氧中整体超标。另外，低液面操作或液面大幅度波动都能使液氧中有害杂质析出并聚集。

       在空分设备中主换热器是保证整套设备性能的关键设备。主换热器在分子筛预净化流程空分设备中的作用是通过回收返流气体的冷量，保证热端温差保持在设计值，为膨胀机提供足够的机前状态的膨胀机气体，弥补设备的冷量损失，并为下塔提供设计工况下的原料气体。下面简要介绍一下影响主换热器热端温差的几个因素；       1、分子筛吸附器性能：当分子筛吸附器存在分子筛填充量不足、床层不平、分子筛因再生不彻底而造成吸附性能差等外在原因造成空气短路，因制造原因造成分子筛泄漏等因素，都将造成主换热器的热端温差及阻力上升。       2、膨胀机效率：膨胀空气出主换热器的压力、温度、流量等参数都是主换热器设计时的给定值，如果膨胀机出主换热器的状态正常，而膨胀机后温度高于设计值，如果用增加膨胀量的手段维持空分设备运行，会使主换热器的热端温差越来越大，导致空分运行工况破坏，无法正常运行。检修膨胀机，是解决主换热器热端温差大的较常用方法。       ...

进上塔的膨胀空气量增加，精馏段的回流比相应减少。为了达到所要求纯度的氮气产品，需要设置更多的塔板数。当回流比减少到需要设置无数块塔板才能使氮气纯度达到要求的数值时，这时的回流比叫较小回流比。进上塔的膨胀空气量首先受较小回流比的限制。当回流比越接近较小回流比时，为保证产品纯度所需的塔板数增加得越快，这将造成投资增加，塔板阻力增加，操作压力升高，能耗增加。因此，膨胀空气进上塔后的回流比应大于较小回流比。当要求氮气纯度低时，较小回流比也减小，允许进上塔的膨胀空气量就可以多些，这时氧的提取率也相应地降低。此外，如果液空纯度高，液空量就较少，相应的液氮量就会增大。这将使精馏段的回流比增大，允许送入上塔的膨胀空气量也就可适当增加。氧气的纯度低一些，允许送入的膨胀空气量也可以多一些。总之，送入上塔的膨胀空气量应综合考虑回流比、塔板数、氧、氮及液空纯度等诸因素的影响，以便在既保证产品纯度和不使氧提取率下降过多，又不致过多地增加塔板数和能耗的情况下，送入适量的膨胀空气。目前一般允许送入上塔的膨胀空气量是0.15～0.25的加工空气量。对于大型空分设备，冷损较小。为弥补冷损所需的膨胀空气量是不会超过上述要求的，因此可将全部膨胀空气量送入上塔。对中小型空分设备，冷损较大。膨胀气量若大于上述要求时，如将全部膨胀空气送入上塔，塔板数将增加太多，同时能耗也显著增加。在设计时宁愿只将部分空气送入上塔，另一部分膨胀空气旁通至换热器，仅回收其冷量，则更为经济、合理。 

影响氧气产量主要有下列因素：1)加工空气量不足。空气量不足的原因有：①环境温度过高；②大气压力过低；③空气吸入过滤器被堵塞；④电压过低或电网频率降低，造成转速降低；⑤中间冷却器冷却效果不好；⑥级间有内泄漏；⑦阀门、管道漏气，自动阀或切换阀泄漏；⑧对分子筛纯化流程来说，可能是切换蝶阀漏气。2)氮平均纯度过低。原因有：①精馏塔板效率降低；②冷损过大造成膨胀空气量过大；③液氮纯度太低，液氮量太大；④液氮量过小；⑤液空或液氮过冷器泄漏；⑥污氮(或馏分)取出量过大；⑦液空、液氮调节阀开度不当，下塔工况未调好。3)主冷换热不良。主冷换热面不足，或氮侧有较多不凝结气体，影响主冷的传热，使液氧的蒸发量减少。4)设备阻力增加。由于塔板、液空吸附器或过冷器堵塞，液空、液氮节流阀开度过小或被堵塞，将造成下塔压力升高，进塔空气量减少。当切换式换热器冻结时，也将造成系统的阻力增加，进塔空气量自动减少。5)氧气管道、容器存在泄漏。 

粗氩塔的原料气及冷源来自主塔又返回主塔，所以粗氩塔与主塔是密切相关、互相影响的。粗氩塔的投入需有以下条件：1)主塔工况稳定；2)氧、氮产品的产量和质量接近或达到正常值；3)氩馏分的含氩量接近正常；4)主冷液位较高，有充足的冷量。粗氩塔投入过程中，首先引出氩馏分预冷粗氩塔，然后逐渐将液空送入粗氩冷凝器。随着粗氩塔的冷却，粗氩塔逐渐建立起精馏工况。其标志是粗氩塔的阻力、粗氩的纯度、氩馏分的取出量不断增加，直至达到正常指标。开始时，主冷液位可能略有下降，随着粗氩塔精馏的建立，主冷液位将会恢复。操作时应注意以下问题：1)氩在上塔的富集情况不是固定不变的，氧、氮产品纯度变化时，氩在上塔的分布将发生变化，氩馏分的组成也随之改变。氧纯度的变化对氩馏分组成的影响比较敏感，氧纯度变化0.1%，氩馏分的氩含量将变化0.8%～1%。氧纯度提高，富氩区将上移，馏分的含氩量下降。因此，应保持适宜的氧纯度，并保持稳定，以获得含氩量较高的馏分气；2)主冷液位的波动也会影响馏分的组成和取出量。经验表明，主冷液位波动为5～10cm，粗氩塔就会出现明显的反映；3)防止粗氩冷凝器发生氩冻结。由于操作调节不当，液空温度过低，冷凝器温差增大，就会在冷凝表面有氩固化。这时冷凝量减少，氩馏分的组成以及主塔提馏段的回流比都将改变，破坏了主塔的精馏。出现这种情况应首先停止粗氩塔的工作，提高粗氩冷凝器的温度。待解冻后重新逐渐将粗氩塔投入；4)注意馏分中的氮含量。当氮含量超过0.1%时不但会使馏分的冷凝困难，还会使粗氩的氮含量增高，影响精氩塔的工作。因此，馏分中的氮含量一般不得大于0.01%。总之，粗氩塔的投入的操作应该是逐渐增加粗氩冷凝器的负荷，过快的操作将适得其反，使整个系统发生波动。

在切换式换热器中，水分及二氧化碳不可能全部、彻底清除。尽管残留的量是极微的，但日积月累也会逐渐地堵塞切换式换热器。在生产中表现为切换式换热器的阻力不断增加，气体流通的自由截面减少，空气量进不来。此外，在切换式换热器冷段，理论上已基本清除干净了二氧化碳，但由于气流的夹带作用，带入塔内的二氧化碳量比理论含量多得多。这些二氧化碳除被吸附过滤器部分清除外，其余将在塔内逐渐积累而使塔板、管道和阀门堵塞。加之空气中还含有微量的乙炔及碳氢化合物，虽经乙炔吸附器吸附，其吸附效率只能达到97%左右，其余部分也将威胁到空分设备的安全生产。为了消除这些积聚的水分、二氧化碳、乙炔等杂质，当空分设备运行到一定的时间，就需要停车进行加温吹除操作。另外，在空分设备运转中，有时因设备或机器的故障而被迫停车检修前，为了消除低温，也必须进行加温吹除。在空分设备全部安装完毕、启动试车前，为了清除设备内残存的杂质和水分，也需要进行加温吹除操作。对于单体倒换使用的设备(如液空吸附器)，当硅胶被乙炔和二氧化碳饱和时，为了恢复其吸附能力，要定期进行加温再生。当膨胀过滤器、膨胀机被二氧化碳冻结时，为了解冻，也需要进行单体加温操作。

从空分装置中提取氖、氦的工序大体分3步步制取粗氖、氦气；第二步制取纯氖、氦混合物；第三步氖、氦分离，而获得纯氖、纯氦产品。       粗氖、氦气制备的目的是除掉原料中的氮，使之浓缩。由于氮与氖、氦的沸点相差很大，约为50K以上，故可采用分凝法分离在分凝器或辅塔中，用低压液氮作为冷源，使具有下塔压力的氖、氦原料气中的氮冷凝，得到含氖、氦约为1%~3%,其余为氮的粗氖、氦混合气，而后进入纯氖，氦气制备工序。有些工序粗氖、氦气要经过除氢和除氮两步。除氢用加氧催化法使氢生成水，再由干燥器吸附清除。其余的氮再用冷凝法或采用活性炭低温吸附清除。       由于氖、氦的沸点相差约为23K ,听以，纯氖、氦混合气的分离可采用冷凝法分离。因氖的凝固温度为-248.7℃，还可以用凝固冻结法将气氮和固氖分离。