[發明專利]在與變壓吸附系統集成的低溫空氣分離單元中用于氬回收的方法和裝置

有效

• 申請號: 201680042377.0
• 申請日: 2016-07-26
• 公開（公告）號: CN107850387B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 杜海;N·M·普羅塞;Y·羅;N·A·斯蒂芬森
• 申請（專利權）人: 普萊克斯技術有限公司
• 主分類號: F25J3/04
• 分類號: F25J3/04;C01B23/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張萍;楊思捷

技術領域

本發明涉及一種用于氬回收的方法和裝置，其中氬在具有分隔壁除氬塔的低溫空氣分離設備內與空氣分離，并且使用設置在較低壓力塔內部中的氬冷凝器冷凝以形成液態氬流和/或氣態氬流。液態氬流或氣態氬流隨后被回收并且在集成的基于吸附劑的氬精制和純化子系統中純化以產生產品級氬。

背景技術

氬是用于一些高溫工業過程諸如煉鋼中的高惰性元素。氬還用于各種類型的金屬加工工藝諸如電弧焊接以及電子工業例如硅晶體生長工藝中。氬的其它用途包括醫學、科學、防腐和照明應用。

雖然氬僅構成環境空氣的一小部分(即，0.93體積％)，但是與也從空氣分離設備中回收的氧氣和氮氣產品相比，它具有相對較高的值。通常在Linde型雙塔低溫空氣分離布置中通過以下方式回收氬：從較低壓力塔中提取富氬蒸汽抽取物并將該物流引至“超級塔板化”塔或粗氬塔來回收氬。這種氬蒸餾工藝通常包括位于氬塔上方的氬冷凝單元。在將氬冷凝負荷引入低壓蒸餾塔中之前，通常將其傳遞至富氧塔底流或釜物流的至少一部分。可通過這種“超級塔板化”蒸餾工藝以大約90至180個塔板分離或制得商用液體純度的氬(例如，氧為約1000ppm至1ppm)，或通過大約20至50個塔板分離制得中間純度的氬(例如，氧為約15％至1％)。在一些應用中，隨后常常通過采用氫的催化氧化方法對中間純度的氬進行精制。

現代空氣分離設備幾乎全部采用超級塔板化蒸餾工藝進行高純度氬回收。典型的三塔式氬產生空氣分離單元的缺點在于，回收高純度氬產物需要與氬回收以及所得的塔和冷箱高度(通常超過200英尺)相關聯的額外的資本成本。因此，為獲得高純度氬需要相當多的資本支出，包括單獨的氬塔、多個冷箱塔段、液體回流/返回泵等的資本支出。

另一種產生高純度氬的方法是從空氣分離設備中提取包含較低純度氬的流，并且使用基于吸附劑的純化系統對該含氬流進行純化。已經出現將低溫空氣分離單元與基于吸附劑的純化系統相結合以除去含氮物流中的氧、氮及其它污染物的方法。參見例如美國專利No.4,717,406；5,685,172；7,501,009；和5,601,634；這些專利中的每個均在下文予以簡要描述。

US 4,717,406公開了一種液相吸附方法，其中將來自低溫設備的進料流引導到基于吸附的純化系統。基于吸附的純化系統用于在將液化氣體引入液體儲罐中之前對其進行純化。目標應用包括除去電子級氣體中的水和二氧化碳，并且該發明所公開的吸附床的再生方法是變溫法。

US 5,685,172詳述了目的在于除去各種惰性氣體中的痕量氧和一氧化碳的方法。該方法還提到直接液體處理，并且引用氬作為示例性流體。詳述了作為氧的吸附劑的金屬氧化物(CuO、MnO2)。通過在適度溫度(例如，150℃至250℃)下使用還原氣體諸如氫氣來實現再生。還原氣體的使用使得難以將吸附床與空氣分離單元集成，因為還原氣體無法在空氣分離單元中進行制備，而必須由外部提供以使吸附劑再生。更重要的是，在吸附床的再生過程中，富氬流體將從該工藝中損失。

US 7,501,009公開了用于氬純化的循環吸附方法。該方法可在低溫下操作，同時對氣態粗氬進行處理。提到以沸石作為該發明所公開的變壓吸附(PSA)系統的可能的吸附劑。將再生氣體引回氬-氧精餾塔。

US 5,601,634將典型的低溫空氣分離單元與變壓吸附(PSA)系統結合，其中在吸附床中除去來自低溫空氣分離單元的蒸餾塔的氬進料中所包含的氮和氧。

所有上述現有技術解決方案都僅關注將低溫空氣分離單元和基于吸附的純化布置結合的基于吸附劑的純化系統的改進，而未解決低溫空氣分離單元所需的改進，包括如本發明的解決方案所設想的使用設置在較低壓力塔內部的分隔壁除氬塔和氬冷凝器。

現有技術文獻(包括教導使用分隔壁塔除氬的一些現有技術參考文獻)中明確報道了分隔壁塔的用途。參見例如美國專利No.8,480,860；7,234,691；6,250,106；6,240,744；和6,023,945。此外，美國專利No.5,114,445教導了通過將氬冷凝器放置在較低壓力塔內以作為將粗氬塔的頂部與較低壓力塔熱連接的裝置的一部分來提高氬的回收率，并且教導了最合適的氬冷凝器的位置是較低壓力塔內的中間位置，具體地是由來自較高壓力塔的粗液氧塔底產物的進料點與粗氬塔的蒸汽進料抽取管線界定的較低壓力塔的塔段。