在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中回收氩的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种用于氩回收的方法和装置，其中在具有分隔壁除氩/精馏塔的低温空气分离单元中将不纯的氩流从空气中分离。所得的氩流随后被回收并且在集成的变压吸附系统中纯化以产生产品级氩。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中回收氩的方法和装置
本专利技术涉及氩回收的方法和装置，其中氩在具有分隔壁除氩塔的低温空气分离设备内与空气分离，并且使用设置在较低压力塔内部中的氩冷凝器冷凝以形成液态氩流和/或气态氩流。液态氩流或气态氩流随后被回收并且在集成的基于吸附剂的氩精制和纯化子系统中纯化以产生产品级氩。
技术介绍
氩是用于一些高温工业过程诸如炼钢中的高惰性元素。氩还用于各种类型的金属加工工艺诸如电弧焊接以及电子工业例如硅晶体生长工艺中。氩的其它用途包括医学、科学、防腐和照明应用。虽然氩仅构成环境空气的一小部分(即，0.93体积％)，但是与也从空气分离设备中回收的氧和氮产品相比，它具有相对较高的值。通常在Linde型双塔低温空气分离布置中通过以下方式回收氩：从较低压力塔中提取富氩蒸气抽取物并将该流引至“超级塔板化”塔或粗氩塔来回收氩。该氩蒸馏工艺通常包括位于氩塔上方的氩冷凝单元。在将氩冷凝负荷引入较低压力塔之前，通常将其传递至富氧塔底流或釜流的至少一部分。可通过该“超级塔板化”蒸馏工艺以大约90至180个塔板分离或制得商用液体纯度的氩(例如，氧为约1000ppm至1ppm)，或通过大约20至50个塔板分离制得中间纯度的氩(例如，氧为约15％至1％)。在一些应用中，随后常常通过采用氢的催化氧化方法对中间纯度的氩进行精制。现代空气分离设备几乎全部采用超级塔板化蒸馏工艺进行高纯度氩回收。典型的三塔式氩产生空气分离单元的缺点在于，回收高纯度氩产品需要与氩回收以及所得的塔和冷箱高度(通常超过200英尺)相关联的额外的资本成本。因此，为获得高纯度氩需要相当多的资本支出，包括单独的氩塔、多个冷箱塔段、液体回流/返回泵等的资本支出。另一种生产高纯度氩的方法是从空气分离设备中提取包含较低纯度氩的流，并且使用基于吸附剂的纯化系统对该含氩流进行纯化。已经出现将低温空气分离单元与基于吸附剂的纯化系统相结合以除去含氮流中的氧、氮及其它污染物的方法。参见美国专利4,717,406；5,685,172；7,501,009；和5,601,634；这些专利中的每个均在下文予以简要描述。US4,717,406公开了一种液相吸附方法，其中将来自低温设备的原料流引向基于吸附的纯化系统。基于吸附的纯化系统用于在将液化气体引入液体储罐之前对其进行纯化。目标应用包括除去电子级气体中的水和二氧化碳，并且该专利技术所公开的吸附床的再生方法是变温法。US5,685,172详述了目的在于除去各种惰性气体中的痕量氧和一氧化碳的方法。该方法还提到直接液体处理，并且引用氩作为示例性流体。详述了作为氧的吸附剂的金属氧化物(CuO、MnO2)。通过在适度温度(例如，150℃至250℃)下使用还原气体诸如氢气来实现再生。还原气体的使用使得难以将吸附床与空气分离单元集成，因为还原气体无法在空气分离单元中进行制备，而必须由外部提供以使吸附剂再生。更重要的是，在吸附床的再生过程中，富氩流体将从该工艺中损失。US7,501,009公开了用于氩纯化的循环吸附方法。该方法可在低温下操作，同时对气态粗氩进行处理。提到以沸石作为该专利技术所公开的变压吸附(PSA)系统的可能的吸附剂。将再生气体引回氩-氧精馏塔。US5,601,634将典型的低温空气分离单元与变压吸附(PSA)系统结合，其中在吸附床中除去来自低温空气分离单元的蒸馏塔的氩进料中所包含的氮和氧。所有上述现有技术解决方案都仅关注将低温空气分离单元和基于吸附的纯化布置结合的基于吸附剂的纯化系统的改进，而未解决低温空气分离单元所需的改进，包括如本专利技术的解决方案所设想的使用设置在较低压力塔内部的分隔壁除氩塔和氩冷凝器。现有技术文献(包括教导使用分隔壁塔除氩的一些现有技术参考文献)中明确报道了分隔壁塔的用途。参见例如美国专利8,480,860；7,234,691；6,250,106；6,240,744；和6,023,945。此外，美国专利5,114,445教导了通过将氩冷凝器放置在较低压力塔内以作为将粗氩塔的顶部与较低压力塔热连接的装置的一部分来提高氩的回收率，并且教导了最合适的氩冷凝器的位置是较低压力塔内的中间位置，具体地是由来自较高压力塔的粗液氧塔底产品的进料点与粗氩塔的蒸气进料抽取管线界定的较低压力塔的塔段。上述现有技术方法和系统中的每一种提供了对低温空气分离设备的操作效率以及在一些情况下对氩的回收率的渐进式改进。然而，现有技术参考文献中的每一者都存在明显的缺点或设计困难，其导致资本成本提高、设备构造复杂和/或氩回收效率低下。因此，仍然需要进一步改进现有的与蒸馏塔和低温空气分离单元的循环完全集成的除氩和回收工艺或布置。具体地，对于一些低温空气分离单元，需要在空气分离循环内设计灵活的除氩和回收方法，该方法消除或延迟与氩回收相关联的一些前期资本成本，但是允许将来在氩生产要求改变时将氩回收轻松加至低温空气分离单元。
技术实现思路
本专利技术的特征可在于在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中生产纯化的氩产品的方法，该方法包括以下步骤：(i)在低温空气分离单元的较低压力塔内，使用设置在较低压力塔内的氩精馏塔布置将氩从包含氧-氩的流中分离，氩从包含氧-氩的流中的分离产生具有介于约4％和25％之间的氧杂质的不纯的氩流；(ii)将不纯的氩流加温至介于约200K和300K之间的温度；(iii)将不纯的氩流加压至介于80psig和120psig之间的压力；(iv)通过将不纯的氩流引入变压吸附系统中对不纯的氩流进行纯化，该变压吸附系统包括吸附床，吸附床具有被构造为吸附氧杂质以产生纯化的氩流和废气流的吸附剂，其中使吸附床经受具有在线阶段和离线阶段的交替循环，在在线阶段，不纯的氩流在吸附床内纯化以产生纯化的氩流，并且在离线阶段，吸附床中包含的吸附剂被再生并且产生废气流；以及(v)使来自变压吸附系统的废气流循环回到设置在较低压力塔内的氩精馏塔布置中，其中不纯的氩流基本上由排出氩精馏塔的上升的富氩蒸气的一部分组成。本专利技术的特征还可在于用于生产纯化的氩产品的装置，该装置包括：(a)具有较高压力塔和较低压力塔的低温空气分离单元以及设置在较低压力塔内的氩精馏塔布置，低温空气分离单元被构造为由包含氧-氩的流产生具有介于约4％和25％之间的氧杂质的不纯的氩流，该包含氧-氩的流从较低压力塔引入氩精馏塔布置；(b)热交换器，该热交换器被构造为逆着纯化的氩产品流或逆着热的压缩纯化空气流将不纯的氩流加温至介于约200K和300K之间的温度；(c)氩压缩机，该氩压缩机被构造为将不纯的氩流加压至介于约80psig和120psig之间的压力；(d)变压吸附系统，该变压吸附系统被构造为通过引入不纯的氩流而将不纯的氩流纯化为纯化的氩产品，该变压吸附系统包括吸附床，吸附床具有被构造为吸附氧杂质以产生纯化的氩流和废气流的吸附剂，其中使吸附床经受具有在线阶段和离线阶段的交替循环，在在线阶段，不纯的氩流在吸附床内纯化以产生纯化的氩流，在离线阶段，吸附床中包含的吸附剂被再生并且产生废气流；和(e)循环管道，该循环管道设置在变压吸附系统和氩精馏塔布置之间并且被构造为使来自变压吸附系统的废气流循环至设置在较低压力塔内的氩精馏塔布置；其中不纯的氩流包括排出氩精馏塔布置的上升的富氩蒸气的一部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中生产纯化的氩产品的方法，所述方法包括以下步骤：在所述低温空气分离单元的较低压力塔内，使用设置在所述较低压力塔内的氩精馏塔布置将氩从包含氧‑氩的流中分离，所述氩从所述包含氧‑氩的流中的分离产生具有介于约4％和25％之间的氧杂质的不纯的氩流；对所述不纯的氩流加温；对所述不纯的氩流加压；通过将所述不纯的氩流引入所述变压吸附系统中对所述不纯的氩流进行纯化，所述变压吸附系统包括吸附床，所述吸附床具有被构造为吸附所述氧杂质以产生纯化的氩流和废气流的吸附剂，其中使所述吸附床经受具有在线阶段和离线阶段的交替循环，在所述在线阶段，所述不纯的氩流在所述吸附床内纯化以产生所述纯化的氩流，在所述离线阶段，所述吸附床中包含的所述吸附剂被再生并且产生废气流；以及使来自所述变压吸附系统的所述废气流循环回到设置在所述较低压力塔内的所述氩精馏塔布置；其中所述氩精馏塔布置包括：分隔壁，所述分隔壁具有顶部塔段、底部塔段、第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述分隔壁设置在所述较低压力塔的外壳内；多个传质元件，所述多个传质元件邻近所述分隔壁的所述第一表面设置；靠近所述分隔壁的所述底部塔段设置的入口，所述入口用于接收上升的包含氩‑氧的蒸气流；靠近所述分隔壁的所述顶部塔段设置的出口，所述出口用于抽取上升的富氩蒸气；靠近所述分隔壁的所述顶部塔段设置的入口，所述入口用于接收向下流动的液体回流物流；靠近所述分隔壁的所述底部塔段设置的出口，所述出口用于抽取下降的富氧液流；并且其中所述不纯的氩流基本上由排出氩精馏塔的所述上升的富氩蒸气的一部分组成。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.31 US 62/199460;2016.03.01 US 15/0571481.一种在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中生产纯化的氩产品的方法，所述方法包括以下步骤：在所述低温空气分离单元的较低压力塔内，使用设置在所述较低压力塔内的氩精馏塔布置将氩从包含氧-氩的流中分离，所述氩从所述包含氧-氩的流中的分离产生具有介于约4％和25％之间的氧杂质的不纯的氩流；对所述不纯的氩流加温；对所述不纯的氩流加压；通过将所述不纯的氩流引入所述变压吸附系统中对所述不纯的氩流进行纯化，所述变压吸附系统包括吸附床，所述吸附床具有被构造为吸附所述氧杂质以产生纯化的氩流和废气流的吸附剂，其中使所述吸附床经受具有在线阶段和离线阶段的交替循环，在所述在线阶段，所述不纯的氩流在所述吸附床内纯化以产生所述纯化的氩流，在所述离线阶段，所述吸附床中包含的所述吸附剂被再生并且产生废气流；以及使来自所述变压吸附系统的所述废气流循环回到设置在所述较低压力塔内的所述氩精馏塔布置；其中所述氩精馏塔布置包括：分隔壁，所述分隔壁具有顶部塔段、底部塔段、第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述分隔壁设置在所述较低压力塔的外壳内；多个传质元件，所述多个传质元件邻近所述分隔壁的所述第一表面设置；靠近所述分隔壁的所述底部塔段设置的入口，所述入口用于接收上升的包含氩-氧的蒸气流；靠近所述分隔壁的所述顶部塔段设置的出口，所述出口用于抽取上升的富氩蒸气；靠近所述分隔壁的所述顶部塔段设置的入口，所述入口用于接收向下流动的液体回流物流；靠近所述分隔壁的所述底部塔段设置的出口，所述出口用于抽取下降的富氧液流；并且其中所述不纯的氩流基本上由排出氩精馏塔的所述上升的富氩蒸气的一部分组成。2.根据权利要求1所述的方法，其中氩冷凝组件设置在所述氩精馏塔上方位置处的所述较低压力塔内。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述氩精馏塔中的所述向下流动的液流为来自所述氩冷凝组件的所述液氩的一部分。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述不纯的氩流为从所述氩冷凝组件或从所述氩冷凝组件的下游位置分流的所述液氩流的另一部分。5.根据权利要求2所述的方法，其中所述不纯的氩流为从所述氩精馏塔布置的上部位置和所述氩冷凝组件的上游分流的不纯的气态氩流。6.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将所述纯化的氩流引向热交换器以液化并回收所述制冷能量。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述对所述不纯的氩流加温至介于约200K和300K之间的温度的步骤还包括在所述空气分离单元的主热交换器中逆着纯化的压缩空气流对所述不纯的氩流加温。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述对所述不纯的氩流加温至介于约200K和300K之间的温度的步骤还包括在氩回收热交换器中逆着所述纯化的氩流或逆着纯化的压缩空气流或逆着...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜海，N·M·普罗塞，Y·罗，N·A·斯蒂芬森，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US