氬氣生產(chǎn)及精制設(shè)施設(shè)計(design of argon production and purification facilities)

在用深冷分離方法生產(chǎn)氧、氮的同時制取氬氣并對其進行精制的設(shè)施設(shè)計。氬氣的生產(chǎn)及精制設(shè)施通常設(shè)在氧氣站內(nèi)。其設(shè)計內(nèi)容主要包括：氬氣的用量、生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備選用和布置、氬氣充瓶。

氬氣的性質(zhì)、用途和用量 氬在常溫常壓下為無色、無味、無嗅的氣體，在空氣中體積含量為0．932％；分子量為39．95，密度為1．784kg／cm³，沸點為87．291K(在161．325kPa時)。氬氣為惰性氣體，其化學(xué)性質(zhì)不活潑，不燃燒，也不助燃。

氬氣在冶金工業(yè)中，用作稀有金屬冶煉以及半導(dǎo)體材料硅、鍺精煉和單晶制備的環(huán)境氣氛，在煉鋼、爐外精煉和連鑄生產(chǎn)中往鋼水包吹氬攪拌、調(diào)溫，20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的氬氧煉鋼法，開拓了不銹鋼的冶煉工藝。此外，氬作為保護氣體還大量用于鋁、鎂、不銹鋼的焊接以及用于電子工業(yè)等。

氬氣在鋼鐵廠的用量，可按氬氣平衡表中各用戶小時平均用氬量的合計值并考慮約5％損耗后的總量確定。在用戶的小時平均用氬量的計算公式(見氧氣站設(shè)計)中，各用戶的用氬單耗為：煉鋼每噸鋼約為0．1m³；連鑄每噸鋼約為0．2～0．35m³；氬氧煉鋼每噸鋼約為8～15m³。

生產(chǎn)工藝流程 從空分設(shè)備的主精餾上塔適當(dāng)部位抽出富氬餾分(其中含氬8％～10％，其余為氧及氮)引入粗氬塔，在粗氬塔中精餾后得到氬含量約為95％的粗氬。粗氬出粗氬塔后經(jīng)加壓送入接觸爐，入爐前加入適量氫氣，在爐中催化劑的作用下，粗氬中的氧與氫化合生成水，同時產(chǎn)生大量熱量。出爐的灼熱氣體經(jīng)冷卻、水分離及干燥后，送往精氬塔，在精氬塔中將氬中的氮除去，塔底得到99．99％或更高純度的液態(tài)純氬產(chǎn)品并經(jīng)管道導(dǎo)至儲槽。另外。20世紀(jì)80年代在空分設(shè)備上已有只用精餾，不需用氫氣除氧生產(chǎn)精氬的設(shè)備。產(chǎn)品氬的輸配，一般有三種型式：(1)液氬經(jīng)低溫泵加壓到1．5～3．0MPa，再經(jīng)汽化器汽化后由管道輸往用戶，管路中設(shè)置氣體儲罐以調(diào)劑負(fù)荷波動。(2)液氬從儲槽直接裝入低溫槽車運往用戶。(3)對不固定的零星用戶及向市場供應(yīng)，氣態(tài)氬用膜式壓縮機，液態(tài)氬用高壓低溫泵加壓到15MPa汽化后去充填臺充瓶供應(yīng)。

氬的生產(chǎn)、精制及輸配過程見圖1。

設(shè)備選用和布置 氬的生產(chǎn)及精制設(shè)備是隨空分設(shè)備配套，根據(jù)空分設(shè)備的原料空氣量和氬的提取效率(提取效率與空分設(shè)備的流程和制造水平有關(guān))來確定氬的生產(chǎn)和精制設(shè)備的能力。在不同的提取效率下的氬氣產(chǎn)量(m³／h)約為：6000(指氧氣產(chǎn)量，下同)空分設(shè)備為90～170，10000空分設(shè)備為190～320，30000空分設(shè)備約為1000。因此，在確定氧氣站生產(chǎn)規(guī)模及選用空分設(shè)備時，還要根據(jù)全廠氬氣用量選用合適的氬氣生產(chǎn)和精制設(shè)備。氬的生產(chǎn)及精制設(shè)備中的粗氬塔及精氬塔，由于需要冷源，必須設(shè)置在空分冷箱內(nèi)或單獨的冷箱內(nèi)。從粗氬壓縮機到干燥器一系列設(shè)備，一般都集中在空分車間外側(cè)房間(凈化間)內(nèi)。其中采用氫氣進行凈化的接觸爐的布置和電氣設(shè)施的安全要求，應(yīng)符合有關(guān)規(guī)程、規(guī)范的規(guī)定。

氬氣充瓶 當(dāng)用鋼瓶盛裝高純氬氣時，為了防止鋼瓶內(nèi)壁有積銹、水汽及其他雜質(zhì)對氬氣的污染，降低產(chǎn)品質(zhì)量，要求對鋼瓶在未充氣之前進行處理。處理的一般程序見圖2。

鋼瓶內(nèi)壁磨光除銹，一般采用機械方法打磨，并預(yù)抽真空，目的是檢查全系統(tǒng)的密閉性。鋼瓶的干燥方法，可以用蒸汽、紅外線或其它熱源烘烤，并在干燥的同時抽真空。鋼瓶的冷卻是在空氣中自然冷卻。達到預(yù)定的真空度后，往鋼瓶充入高純氬清洗，再用火花檢測和取樣分析進行檢驗。氬氣充瓶間和瓶庫，可與氧氣充瓶及瓶庫合建在一個建筑物內(nèi)或單獨分建。當(dāng)有高純氬充瓶時，還應(yīng)有鋼瓶處理所需的打磨、烘烤、分析等房間。