用于通过空气的低温精馏来生产氩的系统及方法
【专利摘要】一种用于生产氩的系统及方法，其使用了较高压力塔、较低压力塔和氩塔，它们共同构造成通过空气的低温分离来生产氮、氧和氩产物。本系统和方法还采用了单程的氩冷凝组件，其完全设置在较低压力塔内，较低压力塔构造成相对于来自较高压力塔的富氧液体冷凝来自氩塔的富氩蒸气流，以生产氩液体产物。控制系统构造成用于通过以下优化氩产物的生产：通过确保富氧液体的均匀分流被分送至氩冷凝器核心，且通过调整从氩冷凝组件除去的氩的流动速率，以将氩冷凝组件中的液体/蒸气平衡保持在适当界限内。
【专利说明】
用于通过空气的低温精馏来生产氩的系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于空气的低温蒸馏的过程，其使用多塔蒸馏系统来生产氩，除了生产氮和/或氧之外。
【背景技术】
[0002]氩是在一些高温工业过程(如其中普通非反应性物质变为反应性的制钢)中使用的高惰性元素。氩还在各种类型的金属制造过程(如弧焊)中以及在电子行业中(例如，在硅晶体生长过程中)使用。氩的其它使用包括医疗、科学、保存和照明应用。
[0003]氩构成环境空气的小部分(S卩，0.93%)，但其与从空气分离单元回收的氧和氮产品相比较拥有相对高的价值。氩典型地从林德(Linde)型双塔布置回收，通过从上塔提取富氩抽取物(draw)且将流引导至第三塔或粗氩塔来回收氩。在该“超级(superstaged)”蒸馈过程中生产的粗氩典型地包括设置在氩塔内或位于林德型双塔布置的氩塔与上塔之间的氩冷凝单元，以生产氩产物。氩冷凝负载典型地在其引入较低压力蒸馏塔中之前施加到富氧塔底产物(例如，釜液)的一部分。
[0004]典型的三塔氩生产空气分离单元的缺陷为与氩回收相关联的附加资金成本，且需要常超过200英尺的所得的塔/冷箱高度来回收高纯度氩产物。结果，获得高纯度氩招致了相当大的资金花费，包括用于分离塔、多个冷箱区段、氩冷凝组件、液体回流/返回栗等的资金花费。
[0005]—个特别关注在于在许多常规空气分离工厂中使用的氩冷凝组件。常规氩冷凝组件由包含多个热虹吸类型的冷凝器的大的分离的容器构成，且由于其尺寸和外部管道(plumbing)要求，且常增大了空气分离冷箱的高度。一些现有技术的解决方案已通过将氩冷凝组件置于单独的容器中来解决塔/冷箱高度，替代将氩冷凝组件层叠在氩塔上方的是，单独的容器悬置在氩塔与低压力塔之间。在任一布置中，氩蒸气典型地经由歧管吸入各个冷凝组件的顶部中，且利用来自较高压力塔的釜液的一部分或利用来自较低压力塔的冷蒸气来完全冷凝。在许多现有技术的氩冷凝组件中，冷凝器设置在大的分离的容器中，且部分地浸没在釜液的浴器(bath)中。釜液典型地吸入冷凝器的底部中，且向上流动，在其吸收来自氩蒸气的热时沸腾。从安全观点看，关键的是防止釜液在沸腾通路内完全汽化，以确保存在足够的液体来保持表面是润湿的。这在其中至各个冷凝物的釜液输入为两相流的情况下是特别重要的。
[0006]存在对于开发可增强在低温空气分离单元中的氩回收的安全性、性能和成本效率的改进的氩回收过程或布置的持续需求，且具体而言，开发更紧凑的较低成本的氩冷凝组件。
【发明内容】
[0007]本发明可特征化为一种用于通过给送空气的低温精馏来生产氩的方法，包括:(a)将给送空气引导到较高压力塔中，较高压力塔构造成通过较高压力塔内的低温精馏来生产富氧液体和富氮流；(b)从较高压力塔取出富氮流，且将其引导较低压力塔，较低压力塔构造成通过较低压力塔内的低温精馏来生产氧产物流和富氮产物流或废物流；(C)从较低压力塔取出含氩氧的侧流，且将其引导到氩塔，氩塔构造成通过氩塔内的低温精馏来生产富氩蒸气流和塔底液体；(d)将塔底液体从氩塔引导至较低压力塔；(e)将富氩蒸气流引导至设置在较低压力塔内的氩冷凝组件；(f)从较高压力塔取出富氧液体且将其引导至氩冷凝组件，氩冷凝组件构造成相对于来自较高压力塔的富氧液体来冷凝富氩蒸气流，以生产富氩液体流和部分汽化的富氧流；(g)将部分汽化的富氧流释放到较低压力塔中；以及(h)从氩冷凝组件移出(remove)富氩液体流;其中，富氩液体流的一部分从氩冷凝组件作为氩产物移出。此外，来自较高压力塔的任何或所有富氧液体仅经由氩冷凝组件引导到较低压力
+Π ο
[0008]本发明还可特征为一种用于通过给送空气的低温精馏来生产氩的系统，包括:(i)净化和压缩的给送空气的源；(ii)较高压力塔，其构造成通过较高压力塔内的给送空气的低温精馏来生产富氧液体和富氮流；(iii)较低压力塔，其构造成从较高压力塔接收富氮流，且通过较低压力塔内的低温精馏来生产氧产物流和富氮产物流或废物流；(iv)氩塔，其操作地联接到较低压力塔上，且构造成从较低压力塔接收含氩氧的侧流，且通过氩塔内的低温精馏来生产富氩蒸气流和塔底液体，其中来自氩塔的塔底液体再循环回较低压力塔；以及(V)氩冷凝组件，其设置在较低压力塔内，且构造成接收来自氩塔的富氩蒸气流和来自较高压力塔的富氧液体，且相对于来自较高压力塔的富氧液体来冷凝富氩蒸气流，以生产富氩液体流和部分汽化的富氧流;氩冷凝组件进一步构造成将部分汽化的富氧流释放到较低压力塔中，其中富氩液体流的一部分从氩冷凝组件作为氩产物移出。正如上述方法一样，来自较高压力塔的任何或所有富氧液体都仅经由氩冷凝组件引导至较低压力塔。优选地，氩冷凝组件包括单程(once-through)的氩冷凝器核心，且在一些实施例中，包括两个或多个单程的氩冷凝器核心。
[0009]与本发明相关联的附加的特征、元件和/或步骤包括控制系统，其用于通过以下来控制氩产物的生产:调整从氩冷凝组件移出的富氩液体流的流动速率，以将氩冷凝组件中的部分汽化的富氧流的液体/蒸气平衡保持在适当的界限内。在使用多核心氩冷凝组件的实施例中，控制系统进一步构造成:通过调整从较高压力塔至氩冷凝组件的富氧液体的流，使得富氧液体的大体上均匀的分流分送至两个或多个氩冷凝器核心，以控制氩产物的生产，并且确保足够的液体存在，以保持氩冷凝器核心的表面润湿。
【附图说明】
[0010]本发明的以上和其它方面、特征和优点将从连同附图来展示的以下其更详细的描述而变得更清楚，在附图中:
图1示出了构造成使用根据本发明的三塔系统来生产氮、氧和氩产物的低温空气分离单元的一部分的总体示意性图示；
图2示出了根据本发明的氩冷凝组件的示意性图示；以及
图3示出了连同在本文中公开的氩回收系统和方法中使用的氩冷凝组件的本实施例有用的控制方案的示意性图示。
[0011]为了避免重复，各种图中一些共同的元件利用了相同的标号，其中此类元件的阐释将不会从图到图而改变。
【具体实施方式】
[0012]为了协助理解本氩回收系统和过程，有用的是理解用于使用三塔系统的空气的低温分离以生产氮、氧和氩产物的总体过程。参看图1，清洁的加压空气流引入空气分离过程中。该清洁的加压空气流大体上分成两个或多个塔给送流，其中的第一个在主热交换器(未示出)中冷却，且经由管线122直接地给送到高压力蒸馏塔120，此处其如广为人知的那样精馏成富氮塔顶流和粗液氧塔底产物或釜液。第二塔给送流或给送空气的第二部分也在主热交换器中冷却、膨胀，且随后经由管线175在上中位置处给送至低压力蒸馏塔140。
[0013]较高压力蒸馏塔120中生产的富氮塔顶流经由管线124从高压力塔120移出，且在重沸器/冷凝器130中冷凝，重沸器/冷凝器130典型地位于低压力蒸馏塔140的底部液体槽(sump)中。在冷凝时，富氮液体流经由管线132从重沸器/冷凝器130移出，且分成两个或多个部分。第一部分经由管线134和阀135回到高压力蒸馏塔120的顶部，以提供回流，而管线136中的第二部分在热交换器138中过冷，由阀139减小压力，且作为回流给送到在低压力塔140的顶部附近的位置。
[0014]来自高压力蒸馏塔120的粗液氧塔底产物或釜液经由管线126移出，在热交换器127中过冷，经由阀145减小压力，且引导至氩冷凝组件200，此处其与来自氩蒸馏塔150的粗氩蒸气交换热，其中其部分地汽化。部分地汽化的流的蒸气部分在低压力蒸馏塔140的中间位置处释放(示为箭头202)来用于精馏。类似地，部分地汽化的流的液体部分也在压力蒸馏塔140的中间位置处释放(如箭头204所示)来用于精馏。
[0015]含氩氧的测流从低压力蒸馏塔140的中下位置移出，且经由管线210给送至氩蒸馏塔150，以用于精馏成富氩塔顶流和塔底液体，塔底液体经由管线215再循环回低压力蒸馏塔140。富氩塔顶流经由管线220从氩蒸馏塔150移出，且然后给送至氩冷凝组件200，此处富氩流相对于来自高压力蒸馏塔120的过冷的粗液氧塔底产物冷凝。冷凝的粗氩的一部分经由管线255返回氩蒸馏塔150，以提供回流，同时粗液氩的一部分可经由管线250作为产物移出。
[0016]为了完成空气分离循环，低压力富氮塔顶馏出物经由管线170从低压力蒸馏塔140的顶部移出，在主热交换器(未示出)中加温来恢复制冷，且从过程作为低压力氮产物移出。富氧蒸汽流经由管线165从重沸器/冷凝器130上方的低压力蒸馏塔140中的蒸气空间移出，在热交换器(未示出)中加温来恢复制冷，且从过程作为气态氧产物移出。尽管未示出，但上部富氮蒸气流也可从低压力蒸馏塔140移出，在主热交换器(未示出)中加温来恢复制冷，且然后作为废物从过程排出。
[0017]现在将参照图1-3更详细地描述用于氩回收的本系统和方法及其优点。图示的实施例提供了用于从空气分离系统100回收氩的改善的方法和布置，空气分离系统100构造成带有高压力蒸馏塔120、低压力蒸馏塔140和粗氩塔150。如其中所见，用于氩回收的改善的方法和布置包括在设置在低压力蒸馏塔140内的中间位置处的氩冷凝组件200中冷凝来自粗氩塔150的顶部的富氩塔顶蒸气220。管线220中的富氩蒸气在氩冷凝组件200中经由与从高压力蒸馏塔120经由管线129给送的全部釜液体流的间接热交换来冷凝。
[0018]氩冷凝组件200优选地包括一个或多个单程氩冷凝器核心205，且设置在低压力蒸馏塔140内的中间位置处，此处来自氩蒸馏塔150的富氩塔顶蒸气在逆流(counter flow)布置中相对于来自高压力蒸馏塔120的过冷且较低压力的釜液或塔底液体而流动。来自氩冷凝组件200的蒸出物(boil-up)可为两相(蒸气/液体)流202、204，其释放到较低压力塔140中用于精馏。冷凝的富氩液体经由管线208从邻近氩冷凝组件200的底部的位置移出，且分成两部分。第一部分经由管线255给送到粗氩塔150的顶部，以提供用于氩塔150的回流。第二部分经由管线250作为粗液氩产物从过程移出。
[0019]本氩回收方法和系统的操作控制部分地利用包括在图3中宽泛地绘出的包括两个不同控制特征或元件的控制系统来实现。第一控制特征或元件提供在多个氩冷凝器核心205A、205B之间的釜液129A、129B的均匀分流，以确保足够的液体存在，以保持所有氩冷凝器核心的表面润湿。第二控制特征或元件提供从各个氩冷凝器核心205A、205B移出的氩流208A、208B的控制，以将各个氩冷凝器核心205A、205B中的液体/蒸气平衡保持在适当界限内。此外，此第二控制特征或元件还操作来调整将用作用于氩塔的回流且将作为粗氩产品移出的液氩的分流，以便优化氩回收。
[0020]本氩回收控制系统优选地包括控制器300，其操作地联接到一个或多个控制阀260、270A、270B上，一个或多个控制阀260、270A、270B与至氩冷凝器核心205A、205B的过冷釜液129A、129B供应相关联，并且与从氩冷凝器核心205A、205B移出的冷凝的氩208A、208B相关联。具体而言，一个或多个控制阀260设置在氩冷凝器核心205A、205B的上游，且与釜液供应相关联。此外，氩流调节阀270A、270B优选地设置在氩冷凝器核心出口的下游。
[0021]此类氩流调节阀270A、270B操作地控制或调整从各个氩冷凝器核心205A、205B移除的氩流，且将各个氩冷凝器核心中的液体/蒸气平衡保持在适当界限内。氩流调节阀270A、270B还可构造成调整将用作用于氩塔的回流且将作为粗氩产物移出的液氩的分流。控制阀260和氩流调节阀270A、270B均响应于各种输入和反馈，包括如由一个或多个液体至蒸气质量流量比指示器280测得的离开各个氩冷凝器核心205A、205B的釜液中的液体/蒸气平衡，以及由差压水平传感器确定的离开各个氩冷凝器核心205A、205B的液体/蒸气平衡中的差异。
[0022]在使用如图3中绘出的多个氩冷凝核心时，还重要的是控制冷凝器核心的冷凝速率，使得各个冷凝器核心的性能和/或输出是类似或可比较的。氩回收系统和过程的控制通过以下来部分地实现:经由通过信号262控制的阀260来控制从高压力塔至氩冷凝器核心的釜液的流，目的在于确保釜液流充分且大体上均匀地分流至各个氩冷凝器核心。为了实现此控制，对离开各个氩冷凝器核心205A、205B的沸腾液体或釜液的质量特性进行测量和比较。如果一个氩冷凝器核心具有比另一冷凝器核心或多个冷凝器核心更高质量的离开流，则该氩冷凝器核心的冷凝速率减小，以大体上匹配其它冷凝器核心的离开质量。具体而言，将如由指示器280和信号282测得的釜液离开流中的液体和气体的量用来确定不同氩冷凝器核心之间的差别的液体与蒸气质量流量比(L/V)。此L/V中的差异连同其它系统流动测量信号295—起作为输入和/或反馈提供至本控制系统。
[0023]使用L/V中的差异作为控制参数，至氩冷凝器核心的釜流被调整，直到测得的冷凝器核心的离开质量在其他冷凝器核心的可允许的范围内。由于控制阀260也调节较高压力塔的釜中的液体水平，故控制算法必须以经由输入信号295来自较低塔水平指示器和1^测量结果的反馈来控制。连同流动控制一起，氩流调节阀也可用来调节冷凝器核心上的冷凝负载，以按需要减小或增大冷凝负载。
[0024]提高氩冷凝器核心中的氩液体水平大体上降低氩冷凝器核心的热传递性能，这降低了冷凝速率。L/V测量结果中的差异还用来经由信号272A和272B调整氩调节阀270A、270B的阀位置，直到各个冷凝器核心的离开质量在其它冷凝器核心的可允许范围内。然而，本控制系统还必须控制从较低压力塔到氩塔的氩流的速率。因此，优选控制算法必须以来自氩流指示器以及L/V测量结果两者的反馈来调整氩调节阀位置。
[0025]为了帮助实现至各个氩冷凝器核心的釜液和蒸气的均匀流动和混合，使用了往返于各个冷凝器核心以及共同的分送器的大体上对称的管路网络。对于两个冷凝器，垂直地定向的对称Y形适配器或配件用来使两相流分流至各个氩冷凝器核心。类似的配件可在氩回收系统使用两个以上的氩冷凝器核心的情况下采用。氩回收系统管路网络的其它部分(如管长度、管直径和高度或方向变化)对于各个氩冷凝器核心来说大体上保持等同或类似。
[0026]共同的分送器联接到各个氩冷凝器核心的入口头上。分送器用来混合并均匀分送进入氩冷凝器核心的两相釜流。使用分送器确保了足够的釜液分送至各个冷凝器核心，且防止冷凝器核心的多部分中的干燥。优选的分送器是穿孔板或挡板(由于其低的压力下降和简单性)。
[0027]与现有技术的氩回收系统和方法相比较，本系统和方法的关键差异或改善之一在于将来自高压力塔的全部釜液体流引导至氩冷凝组件。将全部釜液体流提供至氩冷凝组件且不使任何釜液体流转向简化了封装，且确保了将防止冷凝器内的局部或周期沸腾至干燥，这改善了氩回收的安全方面，因为避免了碳氢化合物沉积在氩冷凝组件内的表面上。
[0028]本系统和方法的一个关键成本优点包括不需要单独的容器来容纳氩冷凝组件。另一个关键优点是由本系统所需的减少或简化的管路、阀和塔封装，导致了潜在地减小的冷箱高度。最后，控制系统和控制方案还提供了某些优点来确保氩回收系统和过程的安全和平衡操作。
[0029]尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，可做出许多添加和省略，而不脱离如所附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。
【主权项】
1.一种用于通过给送空气的低温精馏来生产氩的方法，包括: (a)将给送空气引导到较高压力塔中，所述较高压力塔构造成通过在所述较高压力塔内的低温精馏来生产富氧液体和富氮流； (b)从所述较高压力塔取出所述富氮流，且将其引导较低压力塔，所述较低压力塔构造成通过所述较低压力塔内的低温精馏来生产氧产物流和富氮产物流或废物流； (C)从所述较低压力塔取出含氩氧的侧流，且将其引导氩塔，所述氩塔构造成通过所述氩塔内的低温精馏来生产富氩蒸气流和塔底液体； (d)将所述塔底液体从所述氩塔引导至所述较低压力塔； (e)将所述富氩蒸气流引导至设置在所述较低压力塔内的氩冷凝组件； (f)从所述较高压力塔取出所述富氧液体，且将其引导至所述氩冷凝组件，所述氩冷凝组件构造成相对于来自所述较高压力塔的所述富氧液体来冷凝所述富氩蒸气流，以生产富氩液体流和部分汽化的富氧流;以及 (g)将所述部分汽化的富氧流释放到所述较低压力塔中； (h)从所述氩冷凝组件移出所述富氩液体流； 其中，来自所述较高压力塔的任何所述富氧液体均经由所述氩冷凝组件引导至较低压力塔；以及 其中，所述富氩液体流的一部分从所述氩冷凝组件作为所述氩产物移出。2.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述富氩液体流的一部分返回至所述氩塔的步骤。3.根据权利要求1所述的方法，还包括下列步骤:通过调整从所述氩冷凝组件移出的所述富氩液体流的流动速率，以将所述氩冷凝组件中的所述部分汽化的富氧流的液体/蒸气平衡保持在适当的界限内，来控制氩产物的生产。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氩冷凝组件包括单程的氩冷凝器核心。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氩冷凝组件包括两个或多个单程的氩冷凝器核心。6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤:通过调整从所述氩冷凝组件移出的所述富氩液体流的流动速率，以将各个所述氩冷凝器核心中的所述部分汽化的富氧流的液体/蒸气平衡保持在适当的界限内，来控制氩产物的生产。7.根据权利要求5所述的方法，还包括下列步骤:通过调整从所述较高压力塔到所述氩冷凝组件的所述富氧液体的流动，使得所述富氧液体的大体上均匀的分流分送至所述两个或多个氩冷凝器核心，并且确保足够的液体存在，以保持所述氩冷凝器核心的表面润湿，来控制氩产物的生产。8.一种通过给送空气的低温精馏来生产氩的系统，其包括: 净化和压缩的给送空气的源； 较高压力塔，其构造成通过在所述较高压力塔内的所述给送空气的低温精馏来生产富氧液体和富氮流； 较低压力塔，其构造成从所述较高压力塔接收所述富氮流，且通过在所述较低压力塔内的低温精馏来生产氧产物流和富氮产物流或废物流； 氩塔，其操作地联接到所述较低压力塔上，且构造成从所述较低压力塔接收含氩氧的侧流，且通过所述氩塔内的低温精馏来生产富氩蒸气流和塔底液体，其中，来自所述氩塔的所述塔底液体再循环回所述较低压力塔;以及 氩冷凝组件，其设置在所述较低压力塔内，且构造成接收来自所述氩塔的所述富氩蒸气流和来自所述较高压力塔的所述富氧液体，且相对于来自所述较高压力塔的所述富氧液体来冷凝所述富氩蒸气流，以生产富氩液体流和部分汽化的富氧流;所述氩冷凝组件进一步构造成将所述部分汽化的富氧流释放到所述较低压力塔中； 其中，来自所述较高压力塔的所述富氧液体中的全部经由所述氩冷凝组件引导到所述较低压力塔；以及 其中，所述富氩液体流的一部分从所述氩冷凝组件作为所述氩产物移出。9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述富氩液体流的一部分再循环回所述氩塔。10.根据权利要求8所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统构造为:通过调整从所述氩冷凝组件移出的所述富氩液体流的流动，以将所述氩冷凝组件中的所述部分汽化的富氧流的液体/蒸气平衡保持在适当的界限内，来控制氩产物的生产。11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述氩冷凝组件包括单程的氩冷凝器核心。12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述氩冷凝组件包括两个或多个单程的氩冷凝器核心。13.根据权利要求12所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统构造为:通过调整从所述氩冷凝组件移出的所述富氩液体流的流动，以将所述氩冷凝组件中的所述部分汽化的富氧流的液体/蒸气平衡保持在适当的界限内，来控制氩产物的生产。14.根据权利要求12所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统构造为:通过调整从所述较高压力塔到所述氩冷凝组件的所述富氧液体的流动，使得所述富氧液体的大体上均匀的分流分送至所述两个或多个氩冷凝器核心，并且确保足够的液体存在，以保持所述氩冷凝器核心的表面润湿，来控制氩产物的生产。
【文档编号】F25J3/04GK105934642SQ201580006773
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年3月25日
【发明人】K.K.基布勒, M.R.舍拉
【申请人】普莱克斯技术有限公司