用于稀有气体回收的系统和方法技术方案

本发明专利技术提出了一种用于从氨生产设备的低压尾气中提取和液化氩气和氮气的系统和方法。所述氨生产设备的所述优选尾气包含甲烷、氮气、氩气和氢气。所述公开的系统和方法经由精馏实现所述甲烷排出并通过侧汽提塔或相分离器实现所述氢气排出。将所得的含氮气和氩气料流分离，并在双塔蒸馏系统中液化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于稀有气体回收的系统和方法
本专利技术涉及一种用于从原料气中回收稀有气体的系统和方法，所述原料气包含氢气、氮气、甲烷、氩气和一种或多种稀有气体。
技术介绍
氩是用于高温工业过程，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，硅晶体生产中。氩的其它用途包括医学、科学、防腐和照明应用。虽然氩气仅构成环境空气的一小部分(即，0，93体积％)，但是与可能从空气分离设备中回收的其它主要大气成分(氧气和氮气)相比，它具有相对较高的值。氩气通常在低温空气分离工艺中回收，作为高纯度氧气生产的副产物。在此类工艺中，从低压塔抽吸的富氩蒸汽延被引导至氩精馏塔，在氩精馏塔中粗制氩气或产品级氩气在塔顶被回收。低成本天然气的应用已导致整个北美地区重新启动和建造许多氨生产设施。氨生产设备的副产物之一是可由甲烷、氮气、氩气和氢气组成的尾气。该尾气通常用作燃料以焙烧在氨生产设备内的各种反应器。但是，如果该含氩尾气能够被经济有效地处理和纯化，那么其可用作氩气生产的替代来源。氨通常通过蒸汽甲烷重整来生产。在此类工艺中，空气用来自动引发反应并提供氮以用于合成反应。一般来讲，基于蒸汽甲烷重整的工艺包括初级蒸汽重整、次级‘自动热’蒸汽重整，之后进行水煤气变换反应和二氧化碳去除工艺以产生合成气。随后将合成气甲烷化并干燥以产生粗氮氢工艺气体，然后将粗氮氢工艺气体进料至氨合成反应。在许多氨生产设备中，在氨合成反应之前，通常使粗氮氢工艺气体经受多个纯化或附加的工艺步骤。在一种此类纯化工艺中，在氮氢工艺气体压缩之前，低温排出包含在氮氢工艺气体中的甲烷。所排出的气体是尾气，其包含大部分所含的甲烷以及氩气、氮气和一些氢气。该尾气通常用作燃料，以将反应所吸收的热量供应给初级蒸汽重整装置。氩气存在于氨尾气中，氨尾气通常包含介于约3％至6％之间的氩气。在从尾气中回收氢气之后，氩气的相对浓度增加至介于约12％至20％之间的氩气，这使得氩气回收成为一种经济上可行的工艺。为了降低成本并提高工艺效率，通常将从氨尾气回收氩气的常规工艺与氢气回收工艺相结合。常规氩气回收工艺相对复杂并且涉及多个塔、汽化器、压缩机和热交换器，如例如W.HIsalski，“SeparationofGases”，第84-88页中所述。其它相对复杂的氩气回收系统和方法公开于美国专利3,442,613；美国专利5,775,128；美国专利6,620,399；美国专利7,090,816；和美国专利8,307,671中。除了氩气回收之外，某些稀有气体诸如氪气和氖气也以痕量存在于来自氨生产设备的尾气中。因此除了回收氨生产设备的尾气内所包含的氩气和氮气之外，还需要一种用于回收稀有气体的经济有效的系统和方法。
技术实现思路
本专利技术的特征可在于一种从预纯化的原料气中回收稀有气体的方法，所述预纯化的原料气包含氢气、氮气、甲烷、氩气和一种或多种稀有气体，该方法包括以下步骤：(a)将预纯化并经调理的原料气引导至精馏塔；(b)在精馏塔中分离预纯化的原料气，以产生富含甲烷的液体塔底和富含氢气-氮气的气体塔顶，所述富含甲烷的液体塔底包含一种或多种稀有气体；(c)调理包含稀有气体的富含甲烷的液体塔底，以产生料流，该料流具有大于90％的蒸汽分率并且优选处于或者接近饱和；(d)将两相富含甲烷的料流和稀有气体精益料流引导至辅助洗涤/精馏塔；(e)对两相富含甲烷的料流和稀有气体精益料流进行精馏，以产生液体塔底稀有气体浓缩物和富含甲烷的塔顶；以及(f)将一种或多种稀有气体与液体塔底稀有气体浓缩物分离以产生稀有气体产品流。本专利技术的特征也可在于一种用于分离预纯化的原料气的系统，所述预纯化的原料气包含氢气、氮气、甲烷、氩气和一种或多种稀有气体，该系统包括：(i)制冷系统，该制冷系统被配置成将预纯化的原料气冷却至接近饱和的蒸汽状态；(ii)初级精馏塔，该初级精馏塔联接到制冷系统并且被配置成接纳经冷却的原料气并分离经冷却的原料气，以产生富含甲烷的液体塔底和氢气-氮气气体塔顶，所述富含甲烷的液体塔底包含一种或多种稀有气体；(iii)调理系统，该调理系统被配置成使包含一种或多种稀有气体的富含甲烷的液体塔底部分地汽化，以产生在接近饱和的温度下具有介于约60％和约90％蒸汽分率之间的两相富含甲烷的料流；(iv)辅助洗涤/精馏塔，该辅助洗涤/精馏塔联接到调理系统并且被配置成接纳两相富含甲烷的料流和稀有气体精益料流，辅助洗涤/精馏塔还被配置成对两相富含甲烷的料流和稀有气体精益料流进行精馏，以产生液体塔底稀有气体浓缩物和富含甲烷的塔顶；以及(v)后加工分离和纯化系统，该后加工分离和纯化系统被配置成从液体塔底稀有气体浓缩物中回收一种或多种稀有气体以产生稀有气体产品流。优选的是，原料气是来自合成氨设备的尾气，并且通常可包含按摩尔分数大于约50％的氮气。原料气可为典型的高压原料气(介于约300psia和450+psia之间)或低压原料气。制冷系统中的原料气的调理可涉及将原料气冷却；将原料气加温，将原料气压缩；以及/或者在多个独立的步骤中使原料气膨胀。在所述系统和方法被整合或联接到合成氨设备的情况下，设想使料流中的一者或多者再循环，使其返回合成氨设备。例如，可将氢气-氮气气体塔顶再循环回到合成氨设备，并优选地再循环回到合成氨设备中的低温纯化器或回到合成氨设备的合成气流内的其它位置。还优选地将富含甲烷的塔顶再循环回到合成氨设备，并优选地将其用作燃料气体。附图说明虽然本说明书的结论是申请人视为
技术实现思路
且明确地指出专利技术主题的权利要求书，但相信本专利技术在结合附图考虑时将得到更好的理解，其中：图1为在典型的合成氨设备中使用的氨合成工艺的示意图；图2为用于从氨生产设备的尾气中回收氩气的系统和方法的实施方案的示意图；图3为适合与图2中所描绘的实施方案一起使用的制冷系统的示意图；图4为用于从氨生产设备的尾气中回收氩气的系统和方法的另选实施方案的示意图；并且图5为根据本专利技术的用于从氨生产设备的尾气中回收稀有气体的系统和方法的实施方案的示意图。具体实施方式以下具体实施方式提供了一个或多个示例性的实施方案和用于将包含氢气、氮气、甲烷和氩气的原料气分离成其主要成分的相关方法。本专利技术所公开的系统和方法尤其适用于从氨生产设备的包含氢气、氮气、甲烷和惰性气体的尾气中回收气体，诸如氩气、氪气和氙气，并且涉及四(4)个关键步骤或子系统，即：(i)在制冷回路或子系统中调理原料气；(ii)在精馏塔中分离经调理的原料气以产生富含甲烷的液体塔底；氢气-氮气气体塔顶；以及具有痕量氢气的富含氩气的料流；(iii)从富含氩气的料流中汽提痕量的氢气，以产生氩气耗尽的料流以及不含氢气但含氮气和氩气的料流；以及(iv)在蒸馏塔系统中从不含氢气但含氮气和氩气的料流中分离氩气，以产生至少氩气产品流和氮气产品流。现在转到图1，其示出了氨生产设备10的示意图。由烃类生产氨需要一系列单元操作，这些单元操作包括催化、热交换和分离过程。一般来讲，在初级重整装置14(通常为甲烷重装装置)中通过烃原料12和蒸汽13的蒸汽重整进行氨合成。通常还采用次级重整装置16，其中合成气混合物15在空气原料17的存在下被进一步重整。空气原料17用来提供氧气源以引发重整反应以及为后续氨转化供应必要的氮气。在重整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从预纯化的原料气中回收稀有气体的方法，所述预纯化的原料气包含氢气、氮气、甲烷、氩气和一种或多种稀有气体，所述方法包括以下步骤：将所述预纯化的原料气引导至精馏塔；在精馏塔中分离所述预纯化的原料气，以产生富含甲烷的液体塔底和富含氢气‑氮气的气体塔顶，所述富含甲烷的液体塔底包含所述一种或多种稀有气体；调理包含稀有气体的所述富含甲烷的液体塔底，以产生料流，所述料流具有大于90％的蒸汽分率并且处于或者接近饱和；将所述富含甲烷的料流和稀有气体精益料流引导至辅助洗涤/精馏塔；对所述两相富含甲烷的料流和所述稀有气体精益料流进行精馏，以产生液体塔底稀有气体浓缩物和富含甲烷的塔顶；以及将一种或多种稀有气体与所述液体塔底稀有气体浓缩物分离以产生稀有气体产品流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.11 US 62/2770411.一种从预纯化的原料气中回收稀有气体的方法，所述预纯化的原料气包含氢气、氮气、甲烷、氩气和一种或多种稀有气体，所述方法包括以下步骤：将所述预纯化的原料气引导至精馏塔；在精馏塔中分离所述预纯化的原料气，以产生富含甲烷的液体塔底和富含氢气-氮气的气体塔顶，所述富含甲烷的液体塔底包含所述一种或多种稀有气体；调理包含稀有气体的所述富含甲烷的液体塔底，以产生料流，所述料流具有大于90％的蒸汽分率并且处于或者接近饱和；将所述富含甲烷的料流和稀有气体精益料流引导至辅助洗涤/精馏塔；对所述两相富含甲烷的料流和所述稀有气体精益料流进行精馏，以产生液体塔底稀有气体浓缩物和富含甲烷的塔顶；以及将一种或多种稀有气体与所述液体塔底稀有气体浓缩物分离以产生稀有气体产品流。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述原料气为来自合成氨设备的尾气。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述稀有气体为氪气或氙气。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述原料气包含按摩尔分数计大于约50％的氮气。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述原料气为高压原料气，所述高压原料气具有介于约300psia至500psia之间的压力。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述原料气为低压原料气，所述低压原料气具有小于或等于约150psia的压力。7.根据权利要求1所述的方法，其中调理所述富含甲烷的液体塔底的所述步骤还包括以下步骤中的一者或多者：将所述原料气冷却；将所述原料气加温，将所述原料气压缩；或使所述原料气膨胀。8.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述氢气-氮气气体塔顶料流引导回到所述精馏塔的步骤。9.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述氩气耗尽的氢气-氮气气体塔顶引导回到所述合成氨设备的步骤。10.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述氩气耗尽的氢气-氮气气体塔顶引导回到所述合成氨设备中的低温纯化器的步骤。11.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述氩气耗尽的氢气-氮气气体塔顶引导回到所述合成氨设备中的合成气流的步骤。12.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述汽化的富含甲烷的料流从所述辅助精馏/洗涤...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·E·霍华德，
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