全精馏制氩塔的精馏计算与运行分析
全精馏制氩塔的精馏计算与运行分析
孙全海X
(扬子石化公司烯烃厂空分车间,江苏省南京市大厂区,210048)
摘要根据普莱克斯公司提供的工艺参数,利用Exce197电子表格软件,推导出扬子20000m3/h空分设备全精馏制氩塔的理论塔板数,然后再计算出各种变工况条件,以及不正常情况下的氩产品纯度和产量等的变化。而最后的运行分析则主要是针对计算结果的解释和补充。图6表2参2。
关键词:全精馏制氩计算Excel97理论塔板纯度产量压力泄漏运行分析
1概述
Microsoft E xcel97电子表格软件是Microsoft Office97组件中最受欢迎的应用软件之一,它具有强大的数据计算和处理能力。笔者认为,利用这个优秀软件来解决全精馏制氩塔的精馏计算问题有其独到之处,最主要的是十分方便。鉴于如今电脑已经普及,而有的同志可能对于Excel的强大计算功能并不很了解,故本文不仅指出了计算步骤和计算结果,而且详细叙述了计算过程,即在Excel97中的具体操作方法。
本文采用相对挥发度法、逐层塔板计算,计算公式取自参考文献[1]。
2氩塔理论塔板数的推导
211流程简介
扬子20000m3/h空分设备是扬子石化公司从美国Praxair引进的、具有90年代末世界先进水平的一套空分设备,它于1999年3月投产出氧,1999年4月调试出氩。它采用的是膨胀空气进下塔的内压缩流程,空分设备上塔和氩精馏塔均使用规整填料塔。全精馏制氩系统只有粗氩塔和超级氩塔两个塔,没有单独的精氩塔。氩系统流程见图1。
工艺参数:氩馏分中氩含量1516212%,氮含量1@10-6,其余为氧;氩馏分流量22107m3/h,压力142145kPa;粗氩气中氧含量01898%,流量23195m3/h;产品液氩中氧含量1@10-6,流
量
图1氩系统流程图
800m3/h,压力129144kPa。
有了这些数据,再加上一些合理的假设,就可以推导出粗氩塔和超级氩塔除氧段的理论塔板数。
几点假设是:忽略氩塔内的氮,将其看作是氩,即可视作二元系统;每块理论塔板的阻力相等,粗氩塔顶部压力等于超级氩塔底部粗氩气进口压力;粗氩塔和超级氩塔都视作等分子溢流,即蒸发一分子就冷凝一分子,蒸发气体量和回流量皆恒定;忽略氩冷凝器的气体排放量(其目的是为了排除进入氩塔内的氮,但Praxair没有提供这一数据,
X孙全海,男,1965年3月生,1985年1月南京化工学校无机化工专业中专毕业,从1985年起在扬子石化烯烃厂空分车间工作,现是车间工艺技术员,助理工程师。
设计制造
而实际操作中此阀几乎可以全关)。
212计算步骤
1根据氩馏分流量和组成及产品液氩流量和组成,通过物料衡算,计算出粗氩塔底部液相组成。
o根据粗氩塔底液相组成和氩馏分压力,计算出a、b及泡点T。
?根据粗氩塔底液相组成和泡点T,计算出氩)氧的相对挥发度A AO。
?根据粗氩塔底液相组成及相对挥发度A AO,计算出与液相成平衡的汽相组成(即离开粗氩塔底第一块理论塔板的气体组成)。
?如此完成一块理论塔板的精馏计算,再用同样的方法一直计算上去。
?当计算的汽相组成中氩含量大于991102%时,粗氩塔的精馏计算结束,然后开始超级氩塔的计算,超级氩塔内上升气量与粗氩塔不同,需要变换公式(以后将为此作说明)。
?当计算的液相组成中氩含量大于9919999%时,超级氩塔的计算结束。
213在Excel97中的操作步骤
1在A1单元格输入:/塔板层0(注意冒号和双引号不要输入,下同),B1输入:/上升蒸汽0, C1:/回流液0,D1:/a0,E1:/b0,F1:/P0, G1:/T0,H1:/A AO0,A2:/10,B2:/011562130, F2:/1421450。
o公式输入
C2:/=(22107*B2-800*01999999)/(22107-800)0
D2:/=0131214+3161287*C2+317103*(1-C2) +0106195*C2*(1-C2)0
E2:/=591896+2811432*C2+301152*(1-C2) +21318*C2*(1-C2)0
G2:/=E2/(D2-log(F2/100))0
H2:/=10^(-011343+(22192+(1016939-0104537*G2)*((1-C2)-C2))/G2)0
A3:/=A2+10
B3:/=C2*H2/(H2*C2+1-C2)0
F3:/=F2-(142145-129144)/1800(先假定理论塔板数共有180块,后面计算出结果后再修正)
?公式复制。用自动填充的方法将单元格A3、B3、C2、D2、E2、F3、G2、H2向下复制(直到第200行)。
?可以看到,进第56层理论塔板的汽相中氩含量为01990561,而进第57层(即离开第56层)塔板汽相中含氩01991222,故粗氩塔理论塔板数为56层。
?公式变换。这是因为氩的摩尔潜热比氧要小一些,在氩塔内每1摩尔的氧从汽相中冷凝到液相中来,相应地会有多于1摩尔的氩从液相中蒸发到汽相中去,故氩塔内的气体在上升过程中气量会不断变大,超级氩塔内的上升气体流量要比粗氩塔内大一些,在同一个塔内顶部的气量也要比底部大一些。本文计算时考虑到这种情况,但为了简化计算,本文近似认为粗氩塔内上升气量不变化(即恒为22107m3/h),超级氩塔内上升气量也不变化(恒为23195m3/h),而两个塔内的气体流量之差全部来自于输送到粗氩塔顶部液体的蒸发,而且近似认为蒸发出的气体组成与粗氩塔顶液体相同。这样超级氩塔底部液相组成与进粗氩塔最上面一块塔板的液相组成相同,但出粗氩塔最上面一块塔板的汽相组成与进超级氩塔最下面一块塔板的汽相(粗氩气)组成略有不同。
在A58单元格输入:/56.0,A59:/570,C59: /=C580,F59:/=F580
B59:/=(22107*B58+(23195-22107)*C58)/ 231950
C60:/=(23195*B60-800*01999999)/(23195-800)0
?将C60单元格向下复制(一直复制到第200行)。
?可以看出,离开第176层塔板的液相组成中含氩0199999906,故整个氩系统除氧段共有理论塔板175块。
à塔板阻力修正。将F列公式中的/1800改为/1750。
á纯度修正。将C列公式中的氩纯度由/019999990改为/S C S1780,这时E xcel97可能会出现一个显示/造成循环引用0的对话框。此时应单击/确定0后,再单击/工具0、/选项0、/重新计算0,选中/反复操作0,将默认的/最大误差0由/010010改为/le-120,然后单击/确定0,这样Excel97就会计算下去。计算结果见表1 (只打印出部分数据)。
表1 全精馏制氩塔理论塔板数计算
塔板层上升蒸汽回流液
a
b
P
T
A AO
1011562130112453192410171359116714214592196711460720117203021011409430141016235818651421389219041145373011925788501162263174101513581472
14213
921824114447
5601990567840199021374319266341154713813690122411116956.0199122895019908996631926534115321381299012171111675701991213501990899663192653411532
138129901217111167580199184264019915512731926434115171381219012111116417401999998830199999882319253411328129159
89153
11115917501999998950199999894319253411328129151891524111159176
01999999050199999905319253411328129144891518
11116
3 变工况计算
311 氩馏分中氩含量变化引起粗氩气和产品液氩
纯度的变化
利用计算理论塔板数的工作表,分别将0114、0113、0112等数据输入B2单元格,得出粗氩气和液氩产品中氧含量如表2。
表2 氩
馏分中氩含量与粗氩气和液氩中氧含量的关系
馏分含氩(%)01156213011401130112011150111301112011115粗氩含氧(%)0188019711071128115511872137
4173液氩含氧(10-6)
0195
1105
1115
1136
1164
1195
2144
4155
当将011114输入B2时,计算不能收敛,说明此时回流比已经小于最小回流比。将表2数据制成图,见图2。
图2 馏分中氩含量与液氩及粗氩含氧量的关系
312 氩馏分中氩含量变化引起液氩产品产量的变化
利用计算理论塔板数的工作表,在I1单元格输入:/产量0,I2:/8000,J1:/纯度差0,J2:/=
01999999-C1780,表示纯度的设定值与计算值之差;将C 列各单元格公式中的/8000改为/S I S 20,/S C S 1780改为/019999990。
单击/工具0、/单变量求解0,设定目标单元格为:/J20,目标值:/00,可变单元格:/I20,单击/确定0后I2单元格数据变为:/807116910,此即计算出的产量值。为简化以后的操作,用以上步骤创建一个单变量求解的宏。
分别将0114、0113、0112等数据输入B2单元格后,运行宏,可得到与馏分中氩含量对应的液氩产量(纯度皆为01999999)和粗氩气中的氧含量。
需要指出的是,在将氩馏分数据输入后,有时B 列和C 列中有的数值可能会出现负值或大于1,此时应先调整I2单元格中的初值,使得B 列和C 列中的所有数值均在0~1之间,否则计算有可能不收敛。
将计算结果制成图表,见图3。
图3 馏分中氩含量与液氩产量及粗氩含氧量的关系
313 操作压力改变引起液氩产量的变化
利用312计算结束时的工作表,先将氩馏分中氩含量B2单元格改为:/011562130,将表示产量
的单元格I2改为:/8000,运行宏,I2变为:/807116910。
分别将130、13215、135等数据输入F2单元格且运行宏,将得到的数据制成图表,见图4(粗氩中氧含量变化很小,故没有做到图表上去)。
图4 氩馏分压力与液氩产量的关系
4 故障状态下的计算
411 氩冷凝器泄漏对液氩产品纯度的影响计算时仅考虑液空中的氧,因为来自于氩冷凝器液空中的少量的氮很容易从不凝性气体排放阀排放掉,它对氩产品纯度的影响不大。
利用计算理论塔板数的工作表,在单元格I1中
输入:/氩冷凝器泄漏氧量0,将C2单元格中的公式改为:/=(22107*B2-800*S C S 178)/(22107-800+S I S 2)0,然后将公式往下复制,直到C58;将C60中的公式改为:/=(23195*B60-800*S C S 178)/(23195-800+S I S 2)0,并往下复制。
将0101、0102等数据分别输入I2单元格,可得到氩冷凝器泄漏氧量与液氩产品及粗氩中氧含量的关系,见图5
。
图5 氩冷凝器泄漏与液氩及粗氩含氧量的关系
又当泄漏氧量为0101m 3
/h 时,将C 列公式中的液氩产品流量/8000改为/4000,计算液氩中氧含量为4121@10-6,而粗氩中氧含量为01321%;当将液氩流量改为/00时,计算液氩和粗氩中含氧分别为4116@10-6
和01123%。
412 氩泵密封气泄漏对液氩产品纯度的影响
计算氩泵密封氧气泄漏量对液氩和粗氩中氧含量的影响与计算氩冷凝器泄漏的方法类似,C59前的单元格中的公式相同,C60单元格中的公式改为:/=((23195+S I S 2)*B60-800*S C S 178)/(23195-800+S I S 2)0,并往下复制。
将1、2等数据分别输入I2单元格,将得到的结果制成图表,见图6
。
图6 氩泵密封气泄漏与液氩及粗氩含氧量的关系
5 运行分析
511 氩馏分中氩含量变化的影响
氩馏分中的氩含量下降时,在保持氩塔回流比不变的情况下,液氩产品中的氧含量会升高。由计算可知,馏分中氩含量在一定范围内变化时,液氩中的氧含量变化并不大,只有当馏分中氩含量低于某一个数值时,液氩中氧含量才会急剧增加。但应该指出,计算是指氩塔达到平衡后的结果,实际上并不是只要氩馏分中氩含量一下降,液氩产品中的氧含量就很快升高。因氩馏分组成变化或回流比改变引起液氩中氧含量的改变,这通常是一个十分缓慢的过程。
馏分中氩含量降低时,如果要保持液氩中氧含量不变,就必须通过减少液氩产品的取出量来增大氩塔的回流比。由图2可看出,馏分中氩含量在一定范围内变化时,液氩产量变化较少;当馏分中氩含量小于某一个数值时,液氩产量随馏分中氩含量的变化就快一些,且液氩产量基本上与馏分中氩含量成正比。
因馏分中氩含量减少引起液氩产品中含氧量增高,或者液氩产量减少,这两种情况都会引起粗氩气中氧含量升高,只不过前者升高得多一些,而后者升高得少一些。一般来说,除了氩系统启动阶段以外,粗氩气中的氧含量过高,通常都是由于氩馏分中氩含量过低,或液氩产品的取出量过大所引起。因此,粗氩气中氧含量的高低,与氩馏分中氩含量一样,可作为调整氩系统和主塔的重要依据。512 操作压力改变的影响
当氩精馏塔的压力下降时,因氩)氧的相对挥发度增大,所以氩的提取率会增大。但本文的计算是假定氩馏分中氩含量不变时的结果,实际上当液氩的取出量增多时,馏分中的氩含量会降低,所以实际上氩提取率与操作压力之间并不是正好成线性关系。设氩提取率y=f (x )是压力x 的函数,如果考虑到馏分中氩含量的变化,则f (x)的二阶导数应小于0,即y=f (x)的图形并不是一条直线,而应该是一条有点上凸的曲线。
同时,一般情况下操作压力下降都是由于加工空气量减少所引起,而本文计算的是假定氩馏分气量不变时的结果。当进冷箱空气量减少时,主要是
返流氮气和污氮气在流动过程中的阻力会减小,故主塔和氩塔压力都会降低。如果加工空气量减少,则氩馏分量也应该相应减少,因液氩产量与氩馏分气量是成正比的,这样液氩产量实际上会减少。513 氩冷凝器泄漏的影响
氩冷凝器泄漏对液氩产品纯度的影响很大,只要很少的液空或空气泄漏到氩冷凝器的氩侧,产品
液氩中的氧含量就会严重超标。而且液氩中的氧含量变化差不多与氩冷凝器的泄漏量成正比,而粗氩气中的氧含量却几乎不因氩冷凝器的少量泄漏而变化。由计算可知,在正常回流比的情况下,泄漏到氩侧的氧约有三分之一会留在液氩产品中。
如果因其它原因使得有少量的氧进入到超级氩塔的上部,其产生的后果与氩冷凝器泄漏相同。在氩冷凝器泄漏或其它原因使得氧气(空气)进入超级氩塔上部的情况下,采用增大回流比(减少液氩产品取出量)的调节方法,对液氩产品纯度的影响并不大,但粗氩气中的氧含量却会明显降低。
如果液氩产品中氧含量过高,而粗氩气中的氧含量却明显低于正常值,这种情况很可能就是因为有氧进入到超级氩塔的上部。
514氩泵密封氧气泄漏的影响
这种只有两个塔的全精馏制氩系统对于氮气的控制特别严格,它要求氩馏分中的氮含量小于1@ 10-6,并且不允许有氮气进入氩塔内。为了避免液氩产品中氮含量过高,甚至发生氩冷凝器氮塞现象,氩泵和上塔底部的循环液氧泵均采用了氧气和氮气两段密封的方法。由于将氧气作为泵内侧的密封气,这样在通常情况下就不再有氮气进入泵内了,但却可能会有少量的氧气进入氩泵内,最后再进入到氩塔内。
由计算可知,氩泵密封氧气进入泵内对产品液氩的纯度有一定的影响,所以氩泵的密封氧气压力不能调得过高。氧气进入氩泵内对液氩产品纯度虽有影响但也并不是很大,它主要只是通过增大粗氩气中的氧含量,从而使得液氩产品中的氧含量有所增加。
本文写作过程中得到了北京首钢设计院(退休)徐文灏教授级高工的指导和帮助,在此深表感谢。
参考文献
1徐文灏.一组氮)氩)氧三元系统汽液平衡关联式及其应用.
深冷技术,1992(5):1~18
2徐文灏,王宝训.低温全精馏制氩工艺计算演绎.深冷技术, 1999(1):1~12;1999(2):1~9;1999(3):13~22;1999
(4):1~9
收二稿日期:2000-04-18
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