專利名稱：生產(chǎn)純氬的低溫精餾方法
一般來說，本發(fā)明涉及的是低溫精餾，具體地說涉及的是生產(chǎn)氬的低溫精餾。
氬濃度為98%或更低的原料氬是通過對空氣的低溫精餾生產(chǎn)出來的。氬中含少于1%空氣，具體是用具有與低壓塔呈熱交換關(guān)系的高壓塔構(gòu)成的雙級塔系統(tǒng)把空氣分離成氧氣和氮氣。在低壓塔中氬濃度為最高的地方或該地方的附近處把流體從低壓塔引出并送入到氬塔分離成粗氬。輸入到氬塔中的流體中的氬濃度約為7%至12%。這樣就可由氬精餾塔系統(tǒng)有效地回收到氬。輸入到氬塔中的流體中的其他成份是氧和氮。
在氬塔中，輸入的流體經(jīng)低溫精餾得到分離。低揮發(fā)性組份，氧，聚集在塔底，高揮發(fā)性氬聚集在塔頂。比氬更易揮發(fā)的氮伴隨著氬在一起。
來自塔頂?shù)拇謿宓臍搴客ǔ榧s95%到98%，將該粗氬分離作進一步處理，以生產(chǎn)出高純度氬或純氬。粗氬流體中所含的其他成份為氧和氮。
把粗氬與氫混合，讓混合物通過催化加氫反應(yīng)裝置，在該裝置中氫和氧反應(yīng)生成水，這樣就把粗氬流體中的氧分離了出來。然后將該流體通過干燥器除水。另外也可采用動態(tài)吸咐方法把氧氣從粗氬流體中分離出來，這樣就不需要進行催化加氫作用，并正需要參加反應(yīng)的氫氣。
一旦從粗氬流體中除去了氧，就可用低溫精餾方法把氮和氬進行分離。這樣產(chǎn)生的高純度氬或純氬，其含氧量通常小于2ppm，含氮量通常也小于2ppm，目前這種高純氬適于商業(yè)使用。
從氬塔系統(tǒng)中可回收到的粗氬中生產(chǎn)純氬的投資費用和生產(chǎn)費用是很可觀的，所以就要求有一個可以直接從氬塔系統(tǒng)中回收純氬的系統(tǒng)。
眾所周知，如果在氬塔中加入足夠的平衡級，氬塔中的氬和氧的分離基本上是完全的。為此，氬塔中通常至少需要150個平衡級。在這種情況下，氬塔內(nèi)的流體中基本上所有的氧均從氬中分離開來，從塔頂排出的粗氬基本不含氧。但是，由于這些組份有相對的揮發(fā)性，所以氮氣與氬仍混在一起，因此還需要有除氮的分離步驟，使粗氬流變成純氬。
因此本發(fā)明的目的在于提供一種低溫精餾方法，用該方法可以直接從氬塔系統(tǒng)中回收無氮氬。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能從氬塔系統(tǒng)中直接回收純氬的低溫精餾方法。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通過閱讀本公開文件就可明白上述目的和其他目的，這些目的通過以下方案達到生產(chǎn)無氮氬的方法包括(A)在由高壓塔和低壓塔組成的雙級塔系統(tǒng)中把含氬、氮和氧的原料氣進行低溫蒸餾分離;
(B)從低壓塔中抽取一股流體，并將該股流體作為氬塔的原料流體送入氬塔系統(tǒng)中;
(C)使具有足夠多的含有填料的平衡級數(shù)的低壓塔工作，這些平衡級位于低壓塔中的把輸入氬塔的流體引出的出口處的上方，而氬塔輸入流體從低壓塔中提取出來的位置至少在低壓塔中的氬濃度為最大值而氬塔輸入流體中的含氮量低于50ppm處下方的5個平衡級處，以及(D)直接從氬塔系統(tǒng)中回收氮含量不超過10ppm的氬。
本說明書和權(quán)利要求中所用的術(shù)語“塔”指的是蒸餾塔或分餾塔、或蒸餾或分餾區(qū)，即液相和汽相在里面進行逆流接觸使流體混合物進行分離的接觸塔或接觸區(qū)，例如讓蒸汽相和液相在一系列垂直方向上間隔地按裝于塔內(nèi)和/或填料層上的塔盤或板上進行接觸。詳細的蒸餾塔的記載資料可參見《化學(xué)工程手冊》第五版“ChemicalEngineers'Handbook”。FifthEdition，editedbyR、H、PerryandC、H、Chilton11McGraw-HillBookCompany，NewYork，Section13，“Distillation”B、D、Smith等，Page13-3連續(xù)蒸餾方法(TheContinuousDistillationPocess)。所用的術(shù)語雙級塔指的是其上端與低壓塔的下端呈熱交換關(guān)系的高壓塔。雙級塔的詳細描述請參見Ruheman“TheSeparationofGases”O(jiān)xfordUniversityPress，1949，ChapterV11，商業(yè)空氣分離。
蒸汽和液體接觸分離過程取決于各組份的蒸汽壓差，高蒸汽壓力(或較高揮發(fā)性或低沸點)的組份將以汽相聚集，而低蒸汽壓力(或低揮發(fā)性或高沸點)組份將以液相聚集。蒸餾是一種分離過程，由此對液體混合物的加熱就可以使易揮發(fā)組份以汽相聚集，而低揮發(fā)性組份以液相聚集。部份冷凝也是一種分離過程，由此冷卻蒸汽混合物可使易揮發(fā)性組份以汽相聚集;而低揮發(fā)性組份以液相收集。精餾或連續(xù)蒸餾也是一種分離過程，該分離過程連續(xù)地把部份汽化和冷凝結(jié)合在一起，汽化和冷凝是由液相和汽相的逆流方法得到的。汽相和液相的逆流接觸為絕熱式，這種接觸可以有兩相之間的整體或差動式接觸。分離過程的設(shè)備采用的是分離混合物的精餾原理，這種設(shè)備常?？梢苑Q之謂精餾塔、蒸餾塔或分餾塔，這些名詞可隨便使用。
本說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“間接熱交換”指的是使兩種流體流處于熱交換關(guān)系而使兩種流體彼此無任何物理接觸或混合。
這里所用的述語“填料”指的是構(gòu)型、尺寸和形狀都一定的用于塔內(nèi)的實心或空心物體，這樣可給液體提供表面積，在兩相逆流時，使液-汽交界處有傳質(zhì)。
這里所用的“結(jié)構(gòu)填料”指的是其中各組成部份互相之間而且相對于塔軸來講均有特定方向的填料。
這里所用的“不規(guī)則填料”指的是其中各組成部份彼此間而且相對于塔軸來講沒有特定方向的填料。
這里所用的述語“氬塔系統(tǒng)”指的是有一個塔和一個頂部冷凝器的系統(tǒng)，它對含氬的原料流體進行處理，并生產(chǎn)出比原料流體中的氬量要高的氬產(chǎn)品。
這里所用的述語“頂部冷凝器”指的是用于使從氬塔頂部升上來的蒸汽液化的熱交換裝置。
這里所用的述語“平衡級”指的是蒸汽和液體之間的接觸過程，使離開的蒸汽和液體流體處于平衡狀態(tài)。


圖1為本發(fā)明的一個較佳實施例的流程原理圖;
圖2為本發(fā)明另一個較佳實施例的簡化后的局部流程原理圖;
圖3為傳統(tǒng)低壓塔的一個典型實施例中的組份濃度的圖解表示;
圖3A為圖3的局部放大圖;
圖4為用于本發(fā)明中的低壓塔的一個典型實施例中的組份濃度的圖解表示;
圖4A為圖3的局部放大圖。
本發(fā)明主要在于對雙級塔系統(tǒng)的傳統(tǒng)低壓塔作的改進，這種改進在于在氬塔輸入流體外的上方增加一定量的平衡級，以這種方式在低壓塔中進一步把氬和氮進行分離，這樣就使進入氬塔輸入流體中的含氮量降低，而該流體中的含氬量不明顯降低。
現(xiàn)在參考圖1，把純化壓縮過的原料空氣210通過熱交換器50與逆流流體作間接熱交換后得到冷卻，將產(chǎn)生的冷卻流體213送入雙級塔系統(tǒng)的高壓塔51中，該高壓塔的工作壓力通常為70-95磅/吋2(絕對壓力)。把一部份原料空氣224通過透平膨脹機52進行制冷，透平膨脹以后得到的流體225通過熱交換器53，在該熱交換器中該流體將輸出的氧產(chǎn)品流加熱。這樣所得到的流體5然后進入雙級塔系統(tǒng)的低壓塔54中，該低壓塔的工作壓力低于高壓塔的工作壓力，壓力范圍通常為15-25磅/吋2。
原料空氣在塔51中經(jīng)低溫精餾分離成富氧液體和富氮蒸汽，富氧液體作為流體10從塔51中引出，該流體部分地通過熱交換器55，這樣產(chǎn)生的流體24再進入氬塔頂部冷凝器56中，該流體在該冷凝器中經(jīng)與冷凝氬塔頂部的蒸汽進行間接熱交換后有部份被蒸發(fā)。這將在下面作更充分的描述。由此產(chǎn)生的氣體流和富氧液體流分別作為流體16和17從頂部冷凝器56送入塔54中。
富氮蒸汽作為流體70從塔51中引出后送入再蒸發(fā)器57中，該流體在該蒸發(fā)器中通過與沸騰塔54的底部進行間接熱交換而被冷凝。這樣產(chǎn)生的富氮液體71分成返回到塔51中的流體72(作為回流液體)和部份地通過熱交換器55的流體12，然后該流體12就作為流體14進入塔54中。
在塔54中，各部份進入到塔中的流體經(jīng)低溫精餾分離成純氮和純氧。氣態(tài)氧作為流體100在再蒸發(fā)器57上方從塔54中引出。該流體后經(jīng)過熱交換器53所形成的流體251再通過熱交換器50，最后作為氣態(tài)的產(chǎn)品氧254得到回收。如果需要的話，可以把液態(tài)氧101在再蒸發(fā)器57的部位處從塔54中引出，將其作為液氧產(chǎn)品回收。產(chǎn)品氧的含氧量通常至少為99.0%。
把氣態(tài)氮作為流體19從塔54中引出，并經(jīng)熱交換器55加熱。這樣形成的流體205在通過熱交換器50時又進一步被加熱，此后它作為氣態(tài)氮產(chǎn)品流505得到回收，該氣態(tài)氮產(chǎn)品的含氧量小于十萬分之一(10ppm)。在產(chǎn)品氮引出端的下方把廢棄流20引出塔54，該廢棄流在通過熱交換器55和50時受到加熱，然后作為流體508從系統(tǒng)中排出。該廢棄流足以保持氮和氧產(chǎn)品流的產(chǎn)品純度。
在傳統(tǒng)的從事氬回收的低溫空分系統(tǒng)中，在含氬量為最高的地方或在該處以下的幾個平衡級的地方把流體從低壓塔中引出并送入氬塔中進一步處理。輸入氬塔的流體中的其他組份主要是氧，但也有約500ppm的氮。但希望輸入氬塔的流體中的含氮是很低，而這可以通過在遠低于常規(guī)設(shè)定的地方把輸入氬塔的流體從低壓塔中抽出得以實現(xiàn)?？墒且驗檫@種方法會不可避免地使輸入氬塔中的流體的含氬量減少，從而由于有大量的氬被低壓塔損失掉，使氬產(chǎn)量大大降低，因此這種方法并不采納。
已有技術(shù)的情況以曲線的形式示于圖3和圖3A中，這兩幅圖的縱軸表示低壓塔中的平衡級數(shù)，橫軸表示低壓塔中的液相摩爾比，或是氬、氮和氧的濃度。橫的分界線表示流體被送入塔或出自塔的位置。線1為氮產(chǎn)品出來的地方，線2是把廢氣排出的地方，線3是氬塔頂部冷凝器中出來的液體送入塔中的地方，線4是氬塔頂部冷凝器中出來的蒸汽進入塔中的地方，也是經(jīng)透平膨脹以后的空氣流進入塔中的地方，線5是輸入氬塔的流體從塔中出來的地方，線6是氧產(chǎn)品被提取的地方。塔中的含氬量用實線表示?？梢钥吹?，在通常情況下，該例3中的氬含量在第38平衡級附近達到最大值，約為8.2%，氬塔流體的輸入位于氬濃度約為7.6%的第33個平衡級以下的幾個平衡級處。輸入到氬塔的流體的含氮量約為500ppm。如果在距氬濃度最大處以下很多的地方把輸入氬塔的流體從低壓塔中取出，例如在第20個平衡級處取出的話，輸入氬塔的流體中的含氮量就會降低到少于50ppm。然而，這也使輸入氬塔的流體中的含氬量降低到少于5%。所以，盡管氬的純度提高了，但氬的回收量或產(chǎn)量降低很多，這就使該生產(chǎn)方法變得不可行了。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)如果在低壓塔中用以把氬塔輸入流體引出的出口上方增加附加的平衡級數(shù)，這里的附加平衡級數(shù)有填料而不是塔板，則在整個有效數(shù)量的平衡級范圍內(nèi)可以非常意外地保持住氬濃度而使氮濃度下降。所以把氬塔輸入流體在遠低于氬濃度最高處的地方引出低壓塔得到的好處是可以使含氮量降低而避免含氬量下降。從低壓塔中引出氬塔輸入流體的位置在比低壓塔中的含氬量最高處至少低5個平衡級的地方，最好至少低10個平衡級的地方。氬塔輸入流體中的含氮量不大于50ppm，小于10ppm更好，但最好是小于1ppm。但氬塔輸入流體中的氬濃度仍不少于7%，所以輸入到氬塔中的流體中含氮量極少，但仍有足以回收的氬。
本發(fā)明以曲線的形式示于圖4和圖4A中。該兩幅圖與圖3相似，表示低壓塔中的平衡級。分界線1，2，5和6所示的特性與圖3所示的流體特性相同，即線1為氮產(chǎn)品，線2為廢氣流、線5為氬塔輸入流體、圖6為氧產(chǎn)品。圖4和圖4A中所示的本發(fā)明的實施例為較佳實施例，其中線3表示透平膨脹后的空氣引入到塔中的地方，線4表示把來自氬塔頂部冷凝器的蒸汽和液體引入塔中的地方。所以，在本發(fā)明的較佳實施例，透平膨脹后的空氣引入到塔中的入口處的平衡級高于氬塔頂部冷凝器出來的液體以及氬塔頂部冷凝器出來的蒸汽和液體在相同平衡級處被引入到塔中的地方。這也就是圖1所示的裝置。
從圖4和圖4A中可以看出，在本發(fā)明的情況下，本例所述的低壓塔中的含氬量在約第45個平衡級處為最大，該含氬量約為7.7%。在該處含氮量約為2000ppm。但是，沿著塔向下時，含氬量基本保持不變或降低很少。這與傳統(tǒng)情況中的含氬量大大降低截然不同。然而，當含氬量基本保持恒定時，含氮量持續(xù)下降，這樣在把氬塔輸入流體的引出位置設(shè)定在第33個平衡級處時，含氮量就低于50ppm，在該處的含氬量仍超過5%，約為7.2%左右。
盡管不要求從任何理論上進行推理，本申請人相信大量的氮連續(xù)分離及少量(或沒有)氬分離的偶然減少可以用以下理由進行說明當在低壓塔中把塔板用作傳質(zhì)、產(chǎn)品流體在接近大氣壓力離開分離過程時，在低壓塔中分離的多少受回流量限制，該回流量由高壓塔提供，而與上部塔中所用的塔板無關(guān)。高于某處增加塔板數(shù)不會產(chǎn)生額外的分離。典型的是這種情況會促使氬塔輸入流體中含氮量在回收氬最多時達到500ppm左右。調(diào)節(jié)平衡級的數(shù)量、輸入和輸出的位置以及輸入和輸出的流速可以降低氬塔輸入流體中的含氮量，但氬的回收也會降低。當在低壓塔中把填料用作傳質(zhì)時，在低壓塔中的分離量就會比用塔板時有所增加。部份原因是因為高壓塔提供的回流量有所增加，以及低壓塔中因塔內(nèi)較低的平均工作壓力引起的經(jīng)改善的相對的揮發(fā)性。低壓塔部位中的剛好位于氬塔出口以上的那些平衡級數(shù)可以增加超過進一步把氮從氬及氧中分離開是可行經(jīng)濟的塔板數(shù)。
在本發(fā)明的情況下，結(jié)構(gòu)填料或不規(guī)則填料可用在低壓塔中的含氬量為最高處和氬塔輸入流體排放口處之間，最好用結(jié)構(gòu)填料，因為它的分離性能高。
當氬塔輸入流體排放口以上所定的平衡級有填料時，如果需要，低壓塔中的其他一些或所有平衡級都可以有填料。
現(xiàn)再參照圖1，含氬量至少為5%，最好為7%、含氮不多于50ppm、其他主要成份為氧的氬塔輸入流體22從塔54中引出后送入氬塔58中，在氬塔中該流體經(jīng)低溫精餾分離成富氧液體和無氮的富氬蒸汽，無氮指的是含氮量小于10ppm，較好的是小于5ppm，最好小于2ppm。富氧液體從塔58取出后作為流體23返送到塔54中。富氬蒸汽可以作為無氮的產(chǎn)品氬以流體107的形式從氬塔系統(tǒng)中直接回收。無氮的產(chǎn)品氬也可以作為流體從冷凝器56中回收。
把一些富氬蒸汽從塔58中作為流體73抽出送入到頂部冷凝器56中，在該冷凝器中，這些富氬蒸汽通過與部份蒸發(fā)的富氧液體進行間接熱交換而得到冷凝，這正如上面所述的那樣。所生成的液體流74作為回流返回到塔58中。一部份流體74可以作為無氮的液氬產(chǎn)品得到回收。如果需要，流體73的一部份108可以作為廢氬流排出。這用于進一步降低產(chǎn)品氬中的含氮量。如果使用廢氬流，則把它從氬產(chǎn)品排出氬塔系統(tǒng)的出口處以上至少一個平衡級的地方排出氬塔系統(tǒng)。
通過使用本發(fā)明，可以直接從氬塔系統(tǒng)中生產(chǎn)和回收無氮的產(chǎn)品氬，從而免去至今需要緊接著除氮的步驟。如果需要，可以用本發(fā)明直接從氬塔中生產(chǎn)商品級的純氬，即具有低的含氮量和低的含氧量的氬。這可以通過在富氧液體排出口和氬產(chǎn)品排出口之間安裝大量的平衡級得以實現(xiàn)，通常至少安裝150個平衡級，這樣生產(chǎn)出來的氬產(chǎn)品的含氧量不超過10ppm。如果用這種生產(chǎn)方法，氬塔里的平衡級最好有填料。當采用這種生產(chǎn)方法時，就可以從氬塔系統(tǒng)中直接回收到含氮量可達2ppm或低、含氧量達2ppm或更低的純氬產(chǎn)品。
圖2為本發(fā)明的另一個實施例，在該實施例中，用一個冷凝器代替圖1所示實施例的流體107以上的氬塔部份，圖2為該過程以簡化形式作的局部示意圖，圖2中的標號對應(yīng)于圖1中的共同元件的標號，這些共同元件的功能不再重復(fù)。在圖2所示實施例的工作中，把富氬蒸汽引進到頂部冷凝器56中，在該冷凝器中該富氬蒸汽通過與富氧液體24進行間接熱交換得到部份冷凝，剩下的蒸汽作為廢流體76排出氬塔系統(tǒng)，而生成的液體77作為回流返送到塔58中。氬液體流77的一部份78可以作為無氮液體氬產(chǎn)品直接從氬塔系統(tǒng)中得到回收。除了流體78外流體75這一部份流體可以作為無氮蒸汽氬產(chǎn)品得到回收，也可以將它取代流體78。該實施例也可與以前描述過的加長的氬塔一起使用，以便直接從氬塔系統(tǒng)中生產(chǎn)出純的蒸汽和/或液體氬產(chǎn)品。
如圖1和圖2所示的那樣使用廢氬流體的情況下，可以把廢氬流體進行再循環(huán)，使其返回到整個分離過程中，例如讓其進入雙級塔系統(tǒng)中，從而防止該流體中所含的氬丟失。
盡管本發(fā)明參照某些較佳實施例作為詳細的描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還可以考慮到本發(fā)明仍有一些其他實施例在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)。例如，設(shè)備制冷可以通過對產(chǎn)品或廢流體進行透平膨脹而產(chǎn)生，而不是輸入的空氣餾份，或者制冷可以通過增設(shè)液氮或液氧由外部冷源提供。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)無氮氬的方法包括(a)在包括高壓塔和低壓塔的雙級塔系統(tǒng)中把含氬、氮和氧的輸入流體通過低溫精餾進行分離；(b)從低壓塔中提取流體流，并將該流體流作為氬塔的輸入流體引入氬塔系統(tǒng)中；(c)使具有足夠多的含有填料的平衡級數(shù)的低壓塔工作，這些平衡級位于低壓塔中的把輸入氬塔的流體引出的出口處上方，而氬塔輸入流體從低壓塔中引出的位置至少在低壓塔中的氬濃度為最大、且氬塔輸入流體中的含氮量少于50ppm處下方的5個平衡級處；和(d)直接從氬塔系統(tǒng)中回收含氮量不超過10ppm的氬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是把氬塔輸入流體從低壓塔引出的位置設(shè)在低壓塔中含氬量為最大處的下方的至少10個平衡級處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于氬塔輸入流體中的含氮量少于10ppm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是氬塔輸入流體中的含氮量少于1ppm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是氬塔輸入流體中的含氬量至少7%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是填料包括結(jié)構(gòu)填料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是填料包括不規(guī)則填料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是從氬塔系統(tǒng)中直接回收到的氬所含的氮不超過5ppm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的述的方法，其特征是從氬塔系統(tǒng)中直接回收到的氬所含的氮不超過2ppm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是從氬塔系統(tǒng)中直接回收到的氬包括蒸汽。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是從氬塔系統(tǒng)中直接回收到的氬包括液體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是它進一步包括在直接從氬塔系統(tǒng)中回收氬處的上方至少一個平衡級處把廢流體從氬塔中除去。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征是把廢流體重新進行循環(huán)，返送到雙級塔系統(tǒng)中。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于它進一步包括使至少有150個平衡級的氬塔系統(tǒng)的氬塔工作。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于在氬塔中的平衡級有填料。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于直接從氬塔系統(tǒng)中回收的氬是含氧量不超過10ppm的純氬。
全文摘要
在雙級塔系統(tǒng)的低壓塔中的限定高度上使用精餾進行低溫精餾的方法，它可以降低氬、氮和氧混合物中的含氮量，而且可以把含氬量保持或接近最高，以直接從氬塔系統(tǒng)中生產(chǎn)出無氮的氬。
文檔編號F25J3/04GK1069566SQ9210598
公開日1993年3月3日 申請日期1992年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月24日
發(fā)明者J·R·比安基, D·P·博納奎斯特, R·A·維克托 申請人:聯(lián)合碳化工業(yè)氣體技術(shù)公司