氩气生产及精制设施设计(design of argon production and purification facilities)

在用深冷分离方法生产氧、氮的同时制取氩气并对其进行精制的设施设计。氩气的生产及精制设施通常设在氧气站内。其设计内容主要包括：氩气的用量、生产工艺流程、设备选用和布置、氩气充瓶。

氩气的性质、用途和用量   氩在常温常压下为无色、无味、无嗅的气体，在空气中体积含量为0．932％；分子量为39．95，密度为1．784kg／cm³，沸点为87．291K(在161．325kPa时)。氩气为惰性气体，其化学性质不活泼，不燃烧，也不助燃。

氩气在冶金工业中，用作稀有金属冶炼以及半导体材料硅、锗精炼和单晶制备的环境气氛，在炼钢、炉外精炼和连铸生产中往钢水包吹氩搅拌、调温，20世纪60年代发展起来的氩氧炼钢法，开拓了不锈钢的冶炼工艺。此外，氩作为保护气体还大量用于铝、镁、不锈钢的焊接以及用于电子工业等。

氩气在钢铁厂的用量，可按氩气平衡表中各用户小时平均用氩量的合计值并考虑约5％损耗后的总量确定。在用户的小时平均用氩量的计算公式(见氧气站设计)中，各用户的用氩单耗为：炼钢每吨钢约为0．1m³；连铸每吨钢约为0．2～0．35m³；氩氧炼钢每吨钢约为8～15m³。

生产工艺流程   从空分设备的主精馏上塔适当部位抽出富氩馏分(其中含氩8％～10％，其余为氧及氮)引入粗氩塔，在粗氩塔中精馏后得到氩含量约为95％的粗氩。粗氩出粗氩塔后经加压送入接触炉，入炉前加入适量氢气，在炉中催化剂的作用下，粗氩中的氧与氢化合生成水，同时产生大量热量。出炉的灼热气体经冷却、水分离及干燥后，送往精氩塔，在精氩塔中将氩中的氮除去，塔底得到99．99％或更高纯度的液态纯氩产品并经管道导至储槽。另外。20世纪80年代在空分设备上已有只用精馏，不需用氢气除氧生产精氩的设备。产品氩的输配，一般有三种型式：(1)液氩经低温泵加压到1．5～3．0MPa，再经汽化器汽化后由管道输往用户，管路中设置气体储罐以调剂负荷波动。(2)液氩从储槽直接装入低温槽车运往用户。(3)对不固定的零星用户及向市场供应，气态氩用膜式压缩机，液态氩用高压低温泵加压到15MPa汽化后去充填台充瓶供应。

氩的生产、精制及输配过程见图1。

设备选用和布置   氩的生产及精制设备是随空分设备配套，根据空分设备的原料空气量和氩的提取效率(提取效率与空分设备的流程和制造水平有关)来确定氩的生产和精制设备的能力。在不同的提取效率下的氩气产量(m³／h)约为：6000(指氧气产量，下同)空分设备为90～170，10000空分设备为190～320，30000空分设备约为1000。因此，在确定氧气站生产规模及选用空分设备时，还要根据全厂氩气用量选用合适的氩气生产和精制设备。氩的生产及精制设备中的粗氩塔及精氩塔，由于需要冷源，必须设置在空分冷箱内或单独的冷箱内。从粗氩压缩机到干燥器一系列设备，一般都集中在空分车间外侧房间(净化间)内。其中采用氢气进行净化的接触炉的布置和电气设施的安全要求，应符合有关规程、规范的规定。

氩气充瓶   当用钢瓶盛装高纯氩气时，为了防止钢瓶内壁有积锈、水汽及其他杂质对氩气的污染，降低产品质量，要求对钢瓶在未充气之前进行处理。处理的一般程序见图2。

钢瓶内壁磨光除锈，一般采用机械方法打磨，并预抽真空，目的是检查全系统的密闭性。钢瓶的干燥方法，可以用蒸汽、红外线或其它热源烘烤，并在干燥的同时抽真空。钢瓶的冷却是在空气中自然冷却。达到预定的真空度后，往钢瓶充入高纯氩清洗，再用火花检测和取样分析进行检验。氩气充瓶间和瓶库，可与氧气充瓶及瓶库合建在一个建筑物内或单独分建。当有高纯氩充瓶时，还应有钢瓶处理所需的打磨、烘烤、分析等房间。