氩生产方法及装置的制造方法
【专利说明】氩生产方法及装置
[0001]发明领域
本发明涉及用于生产氩的方法和装置，其中在具有氩塔的低温空气分离设备内，从空气中分离氩。液氩流产生自空气分离设备，随后通过在吸附床内除去氧杂质来纯化。更尤其，本发明涉及这样的方法和装置，其中依照变温吸附方法来操作吸附床，其中通过与冷却剂的间接热交换，将吸附床维持在足以防止液氩流蒸发的降低的温度下，并在吸附床的再生期间，将含于吸附床中的残留的液氩引回入低温空气分离设备中，并因此将其回收。
[0002]发明背景
典型地在(基于双塔的)双压蒸馏系统中分离空气。在该工艺中，将空气压缩至高压(绝对压力5.5+巴)、进行预纯化、冷却并引向中等压力的氮精馏段，在那里将进料空气蒸馏成富氮蒸汽/液态塔顶馏分和富氧塔底液体(釜)。随后将这些浓缩液流低温冷却、减压并进料至低压(接近环境压力)蒸馏系统中，其中富氧釜液被进一步分馏成基本上纯的氧塔底产品和进一步浓缩的氮塔顶馏分产品(一种或更多种)和/或废物流。
[0003]氩构成大气的一小部分(0.93%)。但是，它具有高的单位价值。因此，通常合意的是，从基础(base)双塔系统中将其回收。通过从接近氮汽提段的底部(base)的塔上部提取富氩提取物(draw)，可将氩从双塔系统中回收。随后将富氩流引向氩精馏段，其中可从塔顶产生氩。将塔顶冷凝负荷(overhead condensat1n load)典型地赋予至少一部分富氧塔底流(在引入第一低压蒸馏塔之前)。可通过以下方式来生产氩:直接“超级(superstaged)”蒸馏成商品液体纯度(~1 PPm 02，~180级)或蒸馏成中间纯度(I至2%，~50级)并随后通过催化氧化(典型地使用氢气)进行精炼。
[0004]现代空气分离设备几乎专门采用超级蒸馏，用于高纯度氩生产。但是，此类系统将典型地达到超过200+英尺的塔/冷箱高度。因此，为获得高纯度，招致相当大的花费(分离塔、多个冷箱段、液体回流/抽空栗)。对于大型空气分离设备，该情况进一步复杂化(compounded)，在所述设备中塔进料/提取物再分配点典型地耗废更多高度。对以下方面存在着需求:急剧缩短氩蒸馏塔而不恢复使用催化燃烧(及其相关的复杂性和操作成本)。本主题发明以氩-氧蒸馏的经济上最薄弱的部分为目标。氩塔的上半部用于除去含于氩塔进料中的低于1%的氧。因为蒸馏成本与纯度的对数成比例，所以获得含lppm02的氩招致相当大的成本(和高度)。
[0005]在现有技术中存在着空气分离设备和吸附剂之间的集成，其意欲消除用以从氩中除去氧和氮的昂贵的后调节系统。例如，在US 4，717，406中，液相吸附方法中，将来自低温设备的进料引向吸附系统。所述吸附系统用于在将液化气体引入液体储存槽中之前，纯化该液化气体。目标应用包括从电子级气体(例如L02)中除去水和C02。公开的再生方法是变温法。US 5，685，172详述了目标为从各种惰性气体中除去痕量氧(和CO)的方法。所述方法还着重提到直接液体处理，且将氩引用为示例性流体。详述金属氧化物(Cu0、Mn02)作为氧的吸附剂。通过在适度温度(150~250°C)下使用还原气体(H2)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设备集成，因为还原气体不在空气分离设备中制备，但必须在附近，以使吸附剂再生。更重要地，在吸附剂的再生期间，富氩流体将从该工艺中损失。US 7，501，009详述了用于氩纯化的循环吸附方法。所述方法可在低温温度下操作，同时处理呈气态的粗氩。着重提到沸石作为用于变压吸附(PSA)的可能的吸附剂。将再生气体引回到氩-氧精馏塔。该类集成的问题在于其需要包括粗氩压缩机(及相关的能耗)。最后，US 5，601，634公开了一种集成，其中含于氩中的氮和氧均在吸附床中被除去。该类集成的问题在于必须将蒸汽重新液化，这导致能耗增加。
[0006]正如将要讨论的，除了其它优势，本发明还提供了一种集成，其中用吸附剂纯化富氩液流，以允许纯化的液体被常规储存，并能够容易地与空气分离设备集成，通过在空气分离设备中将氩从空气中分离来生产所述富氩液流。
[0007]发明概述
本发明提供了生产纯化的液氩产品的方法，其中在低温空气分离设备内，将氩从空气中分离，所述低温空气分离设备具有氩塔，以将氩与氧分离。具有氧杂质的液氩产生自氩与氧的分离。通过以下方式对由一部分液氩组成的不纯的液氩流进行纯化:将所述不纯的液氩流引入吸附床中，并以吸附剂吸附氧杂质，以产生构成纯化的液氩产品的纯化的液氩流。吸附床经受具有在线(on-line)阶段和离线(off-line)阶段的交替循环，在所述在线阶段中，将不纯的液氩流在吸附床内纯化，在所述离线阶段中，使含于吸附床中的吸附剂再生。在交替循环的在线阶段期间，通过从吸附床到冷却剂流的间接交换热来将吸附床维持在降低的温度下，所述降低的温度足以防止液氩流的蒸发。在交替循环的离线阶段期间，终止将不纯的液氩流引入吸附床中，且排出吸附床的含于吸附床中的残留的液氩，以产生残留的液氩流。将所述残留的液氩流作为液体或蒸汽或液体和蒸汽的混合物引入低温空气分离设备中。通过脱附氧杂质使吸附剂至少部分再生，通过使再生气体穿过吸附床来脱附氧杂质。在交替循环的在线阶段之前，用由液氩产品组成的纯化的氩液重新填充吸附床。应理解，经受交替循环的吸附床可能是以异相程序(out-of-phase sequence)操作的多床吸附循环中的一个吸附床，且如在权利要求书中阐述的本发明意欲涵盖此类多床吸附循环，并不限于单吸附床的使用。
[0008]吸附剂可为分子筛，且交替循环可为变温吸附方法。在此类情况中，再生气体是经加热的再生气流，并通过终止吸附床与冷却剂流之间的间接热交换及使经加热的再生气流进入吸附床中来加热吸附床，以使吸附的氧脱附。在用纯化的氩液重新填充吸附床之前，恢复吸附床与冷却剂流之间的间接热交换。可将由富氮蒸汽组成的富氮蒸汽塔顶馏分(column overhead)流从低温空气分离设备的低压塔或高压塔中除去，并在低温空气分离设备的主热交换器中至少部分加热，以帮助冷却经压缩并纯化的空气流，所述空气流由欲在低温空气分离设备内分离的空气组成。在富氮蒸汽塔顶馏分流已在主热交换器中被至少部分加热之后，可从一部分所述富氮蒸汽塔顶馏分流形成再生气体。在交替循环的在线阶段期间，产生含有另一部分液氩的辅助液氩流，并将所述辅助液氩流引入储存槽，以储存所述另一部分液氩。通过从储存槽中除去辅助液氩流并蒸发所述辅助液氩流来产生置换气流，并将所述置换气流引入吸附床中，以协助促进残留的液氩流从吸附床至低温空气分离设备。
[0009]冷却剂流可形成自在高压塔中产生的贮存液体(shelf liquid)。液氩可产生自作为氩塔内的塔顶馏分而产生并在冷凝器中冷凝的富氩蒸汽，或者作为级间液体产生自氩塔。将液氩引入散装(bulk)氩储存槽中，并从所述散装氩储存槽中取出不纯的液氩流，用于在吸附床中处理。
[0010]本发明还提供了用于生产纯化的液氩产品的装置，其包含低温空气分离设备和氩纯化系统。将所述低温空气分离设备进行配置，以将氩从空气中分离，且其具有用以将氩与氧分离的氩塔及用于由与氧分离的氩来生产具有氧杂质的液氩的设备。将氩纯化系统集成在低温空气分离设备内且其具有流体网络(flow network)，所述流体网络与液氩生产设备连接，以致接收由至少部分液氩组成的不纯的液氩流；和吸附床，所述吸附床接收所述不纯的液氩流。吸附床具有吸附剂，以吸附氧杂质，并因此生产构成纯化的液氩产品的纯化的液氩流，以及用于从吸附床至冷却剂流的间接交换热的设备，从而防止液氩流的蒸发。对流体网络进行配置，以使吸附床经受具有在线阶段和离线阶段的交替循环，在在线阶段中，在吸附床内纯化不纯的液氩流，在离线阶段中，使含于吸附床中的吸附剂再生。
[0011]流体网络具有管道系统和在管道系统内的阀系统，将所述阀系统配置为在在线阶段期间选择性地将冷却剂流引入吸附床间接热交换设备中，并将不纯的液氩流引入吸附床中，及在离线阶段期间进行再生程序。再生程序包括:终止将液氩流引入吸附床中；排出吸附床的含于吸附床中的残留的液氩，以产生残留的液氩流；使再生气体穿过吸附床，通过除去吸附剂中的氧杂质使吸附剂至少部分再生；及在交替循环的在线阶段之前，将由液氩产品组成的纯化的液氩引入吸附床中，并因此用纯化的氩液重新填充吸附床。将流体网络的管道系统与低温空气分离设备连接，以致在离线阶段期间，使残留的液氩流作为液体或蒸汽或液体和蒸汽的混合物进入低温空气分离设备并因此将其回收。
[0012]吸附剂可为分子筛，且交替循环可为变温吸附方法。在此类情况中，再生气体是经加热的再生气流，以加热吸附床并因此使吸附的氧脱附。再生程序还包括在使吸附床排出残留的氩之后，终止将冷却剂流引入吸附床间接热交换设备中。在用纯化的氩液重新填充吸附床之前，恢复将冷却剂流引入吸附床间接热交换设备中。
[0013]低温空气分离设备具有主热交换器，以帮助冷却经压缩并纯化的空气流，所述空气流由欲分离的空气组成，及将主热交换器与低温空气分离设备的低压塔或高压塔流体连通(flow communicat1n),以使富氮蒸汽塔顶馈分流在主热交换器内至少部分加热，所述塔顶馏分流由产自高压塔或低压塔的富氮蒸汽组成。将管道系统与主热交换器连接，以致在富氮蒸汽塔顶馏分流已在主热交换器中至少部分加热之后，从一部分富氮蒸