空气分离装置提取粗氖氦稀有气体研究

陈和林，费 玲

1 氖、氦气应用

氖(Ne)是一种无色、无嗅、非易燃的稀有气体。氖仅以单质的形式存在，一般从空气中分离获得。氖在放电时发出橘红色辉光，通常用于特种灯具制造。此外，还可用于低温冷却剂、电压调节以及激光混合气等领域。

氦（He）是一种无色、无味的惰性稀有气体，是唯一不能在标准大气压下固化的物质。在工业中，可由含氦达7%的天然气中提取；也可从空气中用精馏法制得。氦的用途广泛，在军工、科研、医疗、航空等领域均有应用。氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂。

2 空气分离装置粗氖氦提取工艺流程简介

在空气分离装置内，由于氖、氦、氢沸点（0.103 MPa）分别为：-246.05 ℃、-268.93 ℃、-252.78 ℃，相对于氧（-182.96℃）、氮（-195.8℃）等组分属于低沸点组分，以不凝性气体的状态集中于主冷蒸发器的氮侧。从主冷蒸发器氮侧取出，送入粗氖氦提取装置，作为原料气。来自下塔的污液氮经过过冷器与返流气体换热冷却，经过节流降压后送入上部换热器，作为粗氖氦提取装置的冷源，工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

粗氖氦提取装置主要由粗氖氦塔K70和粗氖氦冷凝蒸发器E75组成，V75为缓冲罐。来自下塔顶部的不凝气在粗氖氦塔中精馏，上升气体在顶部被过冷、节流后的污液氮冷凝，将相对高沸点的氮组分部分冷凝至塔釜，返回到下塔；顶部达到含氖氦较高的粗氖氦气（含氖约43%，氦11%，氢约2%，其余为氮气）。蒸发器E75的污液氮被蒸发后返回到上塔的污氮气中。

分离后的粗氖氦气作为精制氖氦系统原料气，在那里经过加氧除氢、吸附除氮、以及冷凝分离等方法得到氖氦的分离。

3 调试运行时出现的问题及注意事项

3.1 在调试中粗氖氦纯度达不到要求

按照设计要求，将氖氦塔上部蒸发器的压力通过调节阀FV5502控制在32 kPa；下塔的污液氮经过节流阀LV5505节流后，送入缓冲罐V75，作为上部蒸发器的冷源；控制粗氖氦气FI5507在5 m3/h。这样从下塔顶部来的原料气（FI5502）比较大，始终超过FI5502流量计的量程（量程上限为2000 m3/h），V75 的进液阀（LV5505）即使全开，液位始终无法建立。氖氦气纯度不能达到设计要求，大约He为9%，Ne为31%，H2为2.3%。

通过多次试验分析，原料气FI5502超量程，说明氖氦塔下部冷凝循环量比较大，上部冷凝器V75液位不能建立，说明蒸发量比较大，结合二者，说明E95冷凝蒸发器的温差较大。检查V75的设计承载压力可以达到800 kPa，因此，采取提高蒸发器上部压力，降低温差，来减少循环量。随着V75压力的提高，循环蒸发量FI5502逐渐降低，上部冷凝器的液位逐渐增加。通过调整，将V75的压力控制在125 kPa左右，V75的液位也能够稳定地控制住40%左右，E75换热比较稳定，氖氦气纯度也达到了设计要求：Ne的含量为44.9%,He的含量为12%,H2的含量为1.6%。

经过数据分析，如果蒸发器E75的温差过大，由于从下塔顶部取出原料气没有阀门控制，原料气会增加，造成整个氖氦塔的上升蒸气大，氖氦塔的回流比会很小，精馏不能充分的进行，因此纯度无法达到设计要求。如果降低蒸发量，增加塔的回流比，可以使精馏进行的更充分，有利于提高氖氦气与氮气的分离。因此将蒸发器E75的压力从32 kPa提高到125 kPa，蒸发器的温度从-193.5℃提高到-189.2℃，虽然减少了换热器温差，但是，循环蒸发量FI5502从原来的2200 m3/h下降到1800 m3/h，减少了氖氦塔K70的上升蒸气，上部蒸发器也能保持有一定的的液位，保证了塔顶的冷却回流液，使塔的精馏进行较完善，每块塔板的上升气体浓度差增大，最终产品反而达到设计要求。图2为调整成功后粗氖氦提取系统的流程数据。

图2 调整后粗氖氦提取系统的流程数据

3.2 粗氖氦提取对主塔影响

氖、氦、氢气以不凝性气体的状态集中于主冷蒸发器的氮侧，如果不能及时排放，聚集到一定程度就会影响主冷凝蒸发器的换热，导致主塔的工况紊乱。因此当附有氖氦提取系统的空气分离装置，在投运和操作时，一定要注意粗氖氦气提取量，在保证纯度达标的情况下，尽量增加提取量。当氖氦提取量太低时，会影响主冷凝蒸发器的换热，这时首先表现在下塔的工况变化。下塔压力逐渐上涨，如果长时间没有引起注意，可能比正常值高20 kPa左右，空压机的排压也会增加，进空分装置的流量会减少。上塔的馏分含氧量会出现不稳定。根据实际观察发现，内压缩流程空分装置，去往上塔液氮量首先表现不足；外压缩流程空分装置，下塔液空液位会显著降低。因此在在空分装置启动后，要首先将氖氦气提取，而且提取量要比正常值大，然后在进行空分装置各部位的调纯；在运行过程，要监视氖氦气提取量，防止影响主塔的工况。因为一旦提取量偏小，它的反应过程比较滞后，一般在2～3 h左右主塔工况才会有影响。另外，主塔的工况不稳定时，也要首先考虑氖氦气的提取量是否合适，这时可以参考下塔压力、空气流量，液氮量或液空液位等参数进行判断。一旦发生氖氦气偏小，引起主塔工况的变化，应立即增大氖氦气的取出量，减少对主冷凝蒸发器影响，恢复主冷凝蒸发器换热效果，工况即可迅速恢复。

3.3 在运行时含氢量超标影响因素

在精制氖氦系统中，一般采取加氧除氢的方法去除氖氦混合气中的氢。氢与氧气混合，氢气容积比百分含量在4%～94%范围内，燃烧剧烈引起爆炸。因此送入精制氖氦系统的混合气含氢量一般要求在3%以下。在实际运行时，有时会出现氖氦纯度达标，但是氢含量超标的现象。有时甚至高达7%的含氢量，对精制生产安全带来极大的威胁。通过长时间的调整发现，氢含量的高低与装置周围的环境有关系，尤其在雾气比较浓厚的时候，含氢量超标的频率和幅度更大。表1是对空气质量监测数据。

表1 空气质量监测数据

经过数据监测，和日常的观察发现，当空气质量发生变化时，尤其是雾霾和周围高炉放散时，含氢量会明显升高，因此，在实际运行时要注意天气变化带来的影响，尤其对精制系统生产安全影响。

为了保证精制系统的安全，一般采取方法是：在粗氖氦提取装置的出口阀处，并行增加一个放空调节阀，当氢气含量超标时，控制出口阀关闭，放空阀打开，保持粗氖氦气的流量不变。这样既能保证空分系统运行的稳定，也能保证精制系统的安全。经过在精制系统的试验，原料气含氢量在5%以下时，加氧除氢系统反应炉温度能够在安全值以下，可以不必放散。

4 调试总结

氖、氦气属于稀有气体，提取难度较大，因此经济价值较高。从空分装置提取氖氦气，可以增加空分装置副产品的利润，但是，在提取时一定注意对主塔的影响。氖氦不凝气提取量降低时，对主塔的影响滞后时间长，不易被发现，但是破坏力强，因此给工艺操作带来难度，操作人员应该加强预防提取氖氦气对主塔影响能力，保证整体工况的稳定。