[發(fā)明專利]通過冷變壓吸附制備氬的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710093411.3
• 申請(qǐng)日: 2017-02-21
• 公開（公告）號(hào): CN107101457A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S.J.巴拉;R.D.惠特利;G.劉;D.R.格雷厄姆;D.M.赫倫;趙嶠;E.M.索倫森
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司
• 主分類號(hào): F25J3/04
• 分類號(hào): F25J3/04;B01D53/047
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 林毅斌,周李軍

發(fā)明背景

本公開涉及制備高純度氬的系統(tǒng)和方法。更具體地講，本公開涉及通過在冷溫度變壓吸附純化先前用低溫精餾塔從空氣回收的粗氬的系統(tǒng)和方法。

已知從低溫空氣分離單元(ASU)設(shè)備制備氬。相同的ASU設(shè)備也可制備氧和/或氮。ASU設(shè)備通常具有高壓和低壓蒸餾塔和粗氬塔，如授予Howard et al.的美國專利5,313,800中所述。在一些情況下，粗氬塔可結(jié)合分壁結(jié)構(gòu)的低壓塔，如授予Agrawal et al.的美國專利6,240,744中所述。按照本公開意圖，我們公開制備氬，雖然對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是會(huì)產(chǎn)生富氧和/或富氮流，該流可單獨(dú)處理或返回到ASU進(jìn)一步處理。

從氧/氮/氬分離塔中部提取由低溫蒸餾產(chǎn)生的粗氬可包含5-20%氬、小于0.1%氮和余量氧。從氬/氧分離塔頂部提取的粗氬包含至少50%體積氬、小于2%體積氮和余量氧。這種組合物更一般包含至少80%體積氬、小于0.5%體積氮和余量氧。這種純度水平不適合很多最終用途。已用數(shù)種方法進(jìn)一步純化粗氬流，包括所謂的脫氧或吸氣劑(getter)方法，需要昂貴的金屬催化劑/吸氣劑、現(xiàn)場(chǎng)氫，有不受控的放熱反應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)；單獨(dú)低溫蒸餾，其需要較大蒸餾塔，在較小規(guī)模設(shè)備成本高昂；或各有其自身缺陷的多個(gè)吸附過程。

在現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)個(gè)實(shí)例(授予Jones et al.的美國專利2,810,454、授予Allam et al.的美國專利3,928,004、授予Golovko et al.的美國專利3,996,028、授予Kovak et al.的美國專利5,159,816)在低溫吸附過程中用4A沸石(也稱為NaA沸石)從氬分離氧。這些實(shí)例教導(dǎo)在低于-100℃進(jìn)料溫度吸附，以限制氬進(jìn)入4A孔，并避免顯著的氬共吸附。然而，為了再生，教導(dǎo)變溫吸附(TSA)循環(huán)，其中必須加熱以從吸附劑解吸氧。在這些再生溫度，氬可以較快速率進(jìn)入4A孔，并且如果使其在冷卻期間與吸附劑直接接觸，就保持殘留在孔中，從而減小氧工作容量。這就要求通過對(duì)吸附劑抽吸真空降低壓力低于環(huán)境壓力，然后通過間接方法冷卻回到進(jìn)料溫度。這些熱變化與真空壓力結(jié)合增加污染吸附劑以及泄漏到大氣氣體的可能性。

現(xiàn)有技術(shù)也教導(dǎo)通過變壓吸附(PSA)或真空變壓吸附(VPSA)在環(huán)境溫度用碳分子篩(CMS)或其它吸附劑純化氬的方法(授予Nguyen的美國專利5,730,003、授予Graham et al.的美國專利7,501,009、授予Zhong et al., Rege et al.的美國專利6,500,235、授予Baksh et al.的美國專利6,527,831)。這些方法傾向于提供小于40%的較低回收率，除非利用能量和資本密集型多列PSA過程，包括2組或更多組壓縮機(jī)和容器(授予Zhong et al.的美國專利6,500,235)。VPSA也在再生期間需要真空，這增加泄漏到大氣污染物的機(jī)會(huì)。Verma et. al.描述CMS在25℃、0℃和-84℃的氣體吸收性質(zhì)，顯示在溫度降低時(shí)，O₂相對(duì)于Ar的選擇性提高，然而，未提及在氬回收率或氬生產(chǎn)率或氬純度方面提高過程性能指標(biāo)的過程信息，例如循環(huán)計(jì)劃、床數(shù)、操作條件等。通過將廢氣從PSA再循環(huán)回到低溫蒸餾設(shè)備，可減輕從PSA的低氬回收率。然而，在使用CMS時(shí)，過程需要保證碳不返回到低溫蒸餾塔的措施。例如，可使用過濾系統(tǒng)(授予Graham et al.的美國專利7,501,009)。關(guān)于那一點(diǎn)，合乎需要的是減小甚至消除系統(tǒng)中所用碳的量。

因此，合乎需要的是研發(fā)純化氬(Ar)氣體的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)一種或多種下列改進(jìn)：提高氬回收率；需要較少設(shè)備；需要較少能量；限制廢物流；通過提高產(chǎn)率減少廢物流再循環(huán)；限制返回到低溫蒸餾塔的碳的量；減少對(duì)過濾再循環(huán)流的需要；減小床尺寸；提高生產(chǎn)率；和其它改進(jìn)。本文討論滿足一種或多種這些合乎需要品質(zhì)的純化粗氬流的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明概述

一些實(shí)施方案提供在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和方法中的以上提到的問題和/或其它問題的解決方法。