用于除氩和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除氩和回收氩的方法和装置，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。所得的氩流随后被除去或回收并且任选地在集成的基于吸附剂的氩精制和纯化子系统中纯化以制备产品级氩。

Methods and devices for argon removal and recovery of argon

The present invention provides a method and device for argon and recovery of argon, in which argon is separated from air in a cryogenic air separation device with a separator and an argon removal tower, and condenses with an argon condenser set in the inner of a lower pressure tower. The resulting argon stream is subsequently removed or recycled and is optionally purified in an integrated adsorbent based argon refining and purification subsystem to produce product grade argon.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于除氩和回收氩的方法和装置
本专利技术涉及除氩和回收氩的方法和装置，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除去或回收并且任选地在集成的基于吸附剂的氩精制和纯化子系统中纯化以制备产品级氩。
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气和氮气产品相比，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汽抽取物并将该物流引至“超级塔板化”塔或粗氩塔来回收氩。这种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低压蒸馏塔之前，通常将其传递至富氧塔底流或釜物流的至少一部分。可通过这种“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，回收高纯度氩产物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。另一种产生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物流中的氧、氮及其它污染物的方法。参见例如美国专利4,717,406；5,685,172；7,501,009；和5,601,634；这些专利中的每个专利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进料流引导到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物的进料点与粗氩塔的蒸汽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
本专利技术可被表征为一种在低温空气分离设备内制备不纯的富氩液流或蒸汽流的方法，该方法包括以下步骤：(a)将进料空气引导到较高压力塔中，该较高压力塔被构造成通过在较高压力塔内低温精馏来制备富氧液体或富氮流；(b)从较高压力塔中抽出富氮流并将其导向至较低压力塔，该较低压力塔被构造成通过在较低压力塔内低温精馏来制备氧产物流和氮废物流以及任选的富氮产物流；(c)将含氩-氧的蒸汽流从较低压力塔导向设置在较低压力塔内的氩精馏塔，该氩精馏塔被构造成通过在其内低温精馏来制备具有氧杂质的不纯富氩蒸汽流以及富氧塔底液体；(d)将富氧塔底液体从氩精馏塔导向较低压力塔；(e)将一部分不纯富氩蒸汽流导向设置在较低压力塔内优选地在氩精馏塔上方位置处的氩冷凝组件，优选地为单次通过式氩冷凝器；(f)从较高压力塔中抽出一部分富氧液体并将其导向氩冷凝组件，该氩冷凝组件被构造成逆着来自较高压力塔的该部分富氧液体来冷凝不纯富氩蒸汽流，以制备不纯富氩液流和部分汽化的富氧流；(g)使部分汽化的富氧流从氩冷凝组件经过进入较低压力塔中；以及(h)从设置在较低压力塔内的氩冷凝组件中除去一部分不纯的富氩液流或从氩精馏塔中除去一部分不纯的富氩蒸汽流作为除氩流；其中不纯的富氩流包含介于约4％和25％之间的氧杂质，并且更优选地包含介于约10％至15％之间的氧杂质。在一些实施方案中，氩精馏塔为较低压力塔的外壳内的分隔塔段，并且包括：具有顶部塔段、底部塔段、第一表面以及与第一表面相对的第二表面的分隔壁，该分隔壁设置在较低压力塔的外壳内；与分隔壁的第一表面相邻地设置的多个传质元件；靠近分隔壁的底部塔段设置的用于接收上升的含氩-氧蒸汽流的入口；靠近顶部塔段设置的用于抽出上升的富氩蒸汽的出口；靠近分隔壁的顶部塔段设置的用于接收向下流动的液流的入口；以及靠近分隔壁的底部塔段设置的用于抽出下降的富氧液流的出口。在一个实施方案中，分隔壁被构造为在较低压力塔内取向的平面壁，以将外壳内的空间物理地分隔成包括用于氩精馏塔的传质元件的氩塔区域以及限定包括一部分用于较低压力塔的传质元件的较低压力塔区域的分隔塔结构的邻近部分。在另一个实施方案中，分隔壁被构造为较低压力塔内取向的圆柱形壁，以物理地分隔两个同心区域，其中氩塔区域设置在外壳的径向最外侧部分内，并且较低压力塔区域径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在低温空气分离设备中制备不纯富氩流的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将经压缩且纯化的进料空气流引导至较高压力塔中，所述较高压力塔被构造成通过在所述较高压力塔内低温精馏来制备富氧液体和富氮流；(b)从所述较高压力塔中抽出所述富氮流并将其导向至较低压力塔，所述较低压力塔被构造成通过在所述较低压力塔内低温精馏来制备氧产物流和氮废物流以及任选的富氮产物流；(c)将含氩‑氧的蒸汽流从所述较低压力塔导向设置在所述较低压力塔内的氩精馏塔，所述氩精馏塔被构造成通过在所述氩精馏塔内低温精馏来制备具有氧杂质的不纯富氩蒸汽流以及富氧塔底液体；(d)将所述富氧塔底液体从所述氩精馏塔导向至所述较低压力塔；(e)将一部分所述不纯富氩蒸汽流导向设置在所述较低压力塔内所述氩精馏塔上方位置处的氩冷凝组件；(f)从所述较高压力塔中抽出所述富氧液体并将其导向至所述氩冷凝组件，所述氩冷凝组件被构造成逆着来自所述较高压力塔的所述富氧液体来冷凝所述不纯富氩蒸汽流，以制备不纯富氩液流和部分汽化的富氧流；(g)使所述部分汽化的富氧流从所述氩冷凝组件经过进入所述较低压力塔中；以及(h)从设置在所述较低压力塔内的所述氩冷凝组件除去基本上由一部分所述不纯富氩液流组成的除氩流，或从所述氩精馏塔除去基本上由一部分所述不纯富氩蒸汽流组成的除氩流；其中所述除氩流包含介于约4％和25％之间的氧杂质。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.31 US 62/199,450;2016.03.01 US 15/057,1501.一种在低温空气分离设备中制备不纯富氩流的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将经压缩且纯化的进料空气流引导至较高压力塔中，所述较高压力塔被构造成通过在所述较高压力塔内低温精馏来制备富氧液体和富氮流；(b)从所述较高压力塔中抽出所述富氮流并将其导向至较低压力塔，所述较低压力塔被构造成通过在所述较低压力塔内低温精馏来制备氧产物流和氮废物流以及任选的富氮产物流；(c)将含氩-氧的蒸汽流从所述较低压力塔导向设置在所述较低压力塔内的氩精馏塔，所述氩精馏塔被构造成通过在所述氩精馏塔内低温精馏来制备具有氧杂质的不纯富氩蒸汽流以及富氧塔底液体；(d)将所述富氧塔底液体从所述氩精馏塔导向至所述较低压力塔；(e)将一部分所述不纯富氩蒸汽流导向设置在所述较低压力塔内所述氩精馏塔上方位置处的氩冷凝组件；(f)从所述较高压力塔中抽出所述富氧液体并将其导向至所述氩冷凝组件，所述氩冷凝组件被构造成逆着来自所述较高压力塔的所述富氧液体来冷凝所述不纯富氩蒸汽流，以制备不纯富氩液流和部分汽化的富氧流；(g)使所述部分汽化的富氧流从所述氩冷凝组件经过进入所述较低压力塔中；以及(h)从设置在所述较低压力塔内的所述氩冷凝组件除去基本上由一部分所述不纯富氩液流组成的除氩流，或从所述氩精馏塔除去基本上由一部分所述不纯富氩蒸汽流组成的除氩流；其中所述除氩流包含介于约4％和25％之间的氧杂质。2.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述氩冷凝组件的所述不纯富氩液流的全部或一部分作为回流流分流到所述氩精馏塔。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述除氩流是所述不纯的富氩蒸汽流并且被导向至所述主热交换器以冷却所述经压缩且纯化的进料空气。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述除氩流是所述不纯的富氩蒸汽流并且被导向至氩精制和纯化子系统。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述氩精馏塔是所述较低压力塔的外壳内的分隔塔段，并且包括：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的分隔壁，所述分隔壁设置在所述较低压力塔的外壳内；与所述分隔壁的所述第一表面相邻地设置的多个传质元件；靠近所述分隔壁的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·M·普罗塞，Y·罗，K·F·拉森，
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