专利名称：从液氧中提取惰性气体氪氙的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用液氧自身冷量在深冷空分装置中低温蒸馏提取惰性气体氪、氙的 方法，涉及一种可以安全、经济地从普通液氧提取氪、氙的方法与装置。
背景技术：
大气里面1. 14ppm(百万分之一)氪和0. OSppm氙属于惰性气体，氪、氙的沸点分 别为119K和165K，碳氢化合物的沸点更高，它们的沸点均高于氧、氮、氩等空气组分。空气 经过由中压塔和低压塔组成的空分装置获得氧、氮是本领域已知的方法，碳氢化合物、氪、 氙与液氧浓缩在低压塔的塔釜，碳氢化合物、氪、氙的含量均低于lOOppm。已知的获得氪氙的方法，从低压塔的塔釜引出一部分含氪氙的液氧送入贫氪塔 中，经过蒸馏使液氧浓缩约50倍左右，获得含0.5%碳氢化合物、氪、0. 氙的贫氪氙 液氧；随后贫氪氙液氧送出空分装置，将贫氪氙液氧用高压液氧泵加压到5. 5Mpa临界压力 下汽化；减压到1. OMpa并加入催化剂，在500°C下碳氢化合物与氧反应生成二氧化碳和水 蒸汽，经过分子筛吸附除去氧气中的二氧化碳和水蒸汽，然后送到安装在空分装置里面的 粗氪塔继续浓缩获得氪氙混合物；氪氙混合物经过蒸馏氪氙分离获得氪和氙。在已知方法中，需要在空分装置的内部设置贫氪塔，为此氪和氙的生产能力受到 空分装置吸入原料空气量大小的制约；贫氪氙液氧中碳氢化合物含量过高对空分装置是极 其危险的；贫氪氙液氧需要用高压液氧泵加压到高压(5. 5Mpa)并在高压下汽化并节流到 0. 9Mpa，为此所需要的装置是昂贵，尤其是不安全的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的不足，而提供一种利用液氧自身冷量低温蒸 馏，无需在空分装置的内部设置贫氪塔，以及高压液氧泵加压，就可安全、经济地从从液氧 中提取惰性气体氪氙的方法与装置。本发明的目的是通过如下技术方案来完成一种从液氧中提取惰性气体氪氙的方 法，该方法是从储罐引出液氧，送入初级浓缩塔蒸馏，从初级浓缩塔的塔釜引出至少一股 液氧到主换热器复热汽化，除去碳氢化合物后送入次级浓缩塔蒸馏，从次级浓缩塔的塔釜 弓I出氪氙浓缩物进入氪氙分离塔并分离成氪和氙。所述的初级浓缩塔中的再沸器通入中压氮气，氮气在塔釜的液氧中冷却到泡点温 度，这样液氧的冷量交换给氮气，氮气经过节流后分成两股，一股作为初级浓缩塔的喷淋 液；另一股作为次级浓缩塔的喷淋液。所述的从初级浓缩塔引出的液氧碳氢化合物含量200 lOOOppm，液氧可以在 主换热器中安全的蒸发；然后经过管道进入催化反应炉，催化反应炉内部催化剂为含钯 0. 1 % 0. 8 %触媒，优选0. 5 %含钯触媒，催化反应炉内部带电加热，反应温度为450 500°C，优选450°C，其中氧气与碳氢化合物反应生成水蒸气和二氧化碳；随后经过管道使 氧气进入交替工作的分子筛吸附器，其中水蒸汽和二氧化碳被分子筛吸附，分子筛吸附器
4内部填充分子筛，优选4A或5A型号分子筛。所述的催化反应炉内部催化剂为0. 5%含钯触媒，催化反应炉反应温度为450°C， 优选450°C ；所述分子筛吸附器内部填充4A或5A型号分子筛；所述的350Nm3/h氧气从分 子筛吸附器经过管道弓I出，在主冷却器冷却到_50°C，通过管道进入次级浓缩塔的再沸器。本发明从就近的空分装置引出2379Nm3/h氮气，压力为1. 5 3. OMpa，优选
1.8Mpa，通过管道进入主换热器冷却到-160°C，随后通过进入初级浓缩塔的再沸器与塔釜 内的液氧进行换热，氮气被冷却到-172°C，节流到0. 5Mpa，形成液氮；液氮分成散三股一 股300Nm3/h液氮经管道进入初级浓缩塔的顶部进行喷淋；一股450Nm3/h液氮经管道进入次 级浓缩塔的顶部进行喷淋；一股1630Nm3/h液氮经管道流程本装置然后进入液氮储罐。所述初级浓缩塔的喷淋液氮控制塔内的汽液(F/V)比值，汽液(F/V)比值0.8 0. 9，优选0. 8，塔顶从管道氧气带走的氪氙含量低于IOppm ；所述的次级浓缩塔的喷淋液氮 可以根据塔的蒸馏工况进行灵活调节，控制塔内的汽液(F/V)比值，汽液(F/V)比值2
2.2，优选2. 2，塔顶从管道氧气带走的氪氙含量低于50ppm。所述氪氙浓缩塔的冷凝器的冷源采用次级浓缩塔顶部引出的冷氧气，而再沸器的 热源采用复热后的氧气，一种从液氧中提取惰性气体氪氙的装置，它主要包括有一初级浓缩塔、一次级浓 缩塔、一氪氙分离塔以及催化反应炉和分子筛吸附器，有一液氧储罐经过原料液氧管道与 所述初级浓缩塔在底部上方位置相连通，初级浓缩塔的底部经过液氧管道与所述的主换热 器相连通，通过上述主换热器的换热流道后，经过换热后置管道与所述含钯触媒及内带电 加热的催化反应炉相连通，随后经过反应吸附管道与所述可交替工作的、内部填充分子筛 的分子筛吸附器相连通；所述分子筛吸附器经过输出管道再次与所述的主冷却器相连通， 且在经过所述主冷却器的相应换热流道后，通过返流管道与所述次级浓缩塔内的再沸器相 连，该再沸器经过再沸管道与所述次级浓缩塔在底部上方位置相连通；所述次级浓缩塔的 塔釜经浓缩管道与所述氪氙分离塔相连。所述的所述初级浓缩塔的再沸器通过氮气管道连通于所述主换热器的氮气冷却 流道，所述再沸器通过第一液氮管道与初级浓缩塔在其顶部相连通做液氮喷淋，通过第二 液氮管道与次级浓缩塔在其顶部相连通也做液氮喷淋。所述的次级浓缩塔被安装在初级浓缩塔的上部，且整个装置被安置在一个可移动 的绝热箱内；所述的绝热箱可以灵活移动处理不同地点的液氧，也可以固定，将分散的液氧 运输集中到液氧储槽然后进行生产。与已知的方法相比，本发明的方法具有很多的优点可以处理大量的液氧而不依 赖空分装置的规模，集中收集液氧后可以进行大规模生产；从原料液氧进入初级浓缩塔到 氪氙分离塔分离氪氙，装置的压力保持0. 5Mpa中压不变，没有从5. 5Mpa高压到中压的节 流，降低了装置成本，生产操作简单；从中压的初级浓缩塔引出至少一股液氧，中压的液氧 在主换热器中汽化，而不是在高压下汽化，安全性更高，成本降低；初级浓缩塔的顶部引入 液氮喷淋，可以灵活控制塔内的汽液(F/V)比值；次级浓缩塔再沸器采用除去碳氢化合物 的氧气作热源，不采用电加热，或空分装置引来的氮气，或空气作热源，设备的安全性和独 立性好；次级浓缩塔的顶部引入液氮喷淋，可以灵活控制塔内的汽液(F/V)比值。氪氙浓缩塔的冷凝器的冷源采用次级浓缩塔顶部引出的冷氧气，温度稳定，便于稳定生产调节；再沸器的热源采用复热后的氧气，温度稳定，便于稳定生产调节，没有采用 电加器、蒸汽或空分装置引过来的加热流体，装置的操作安全，简单。
图1是本发明的一个工艺流程图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作详细的介绍附图1所示，本发明主要包括有初级浓 缩塔1、次级浓缩塔35、氪氙分离塔34、催化反应炉40与分子筛吸附器39，它们的工作压力 均为0. 5Mpa(绝对压力)，以下压力均指绝对压力，NmVh为标准立方米/小时。图中所示 有一液氧储罐37经过原料液氧管道41与所述初级浓缩塔1在底部上方位置相连通，初级 浓缩塔1的底部经过液氧管道2与所述的主换热器10相连通，通过上述主换热器10的换 热流道后，经过换热后置管道3与所述含钯触媒及内带电加热的催化反应炉39相连通，随 后经过反应吸附管道17与所述可交替工作的、内部填充分子筛的分子筛吸附器40相连通； 所述分子筛吸附器40经过输出管道6再次与所述的主冷却器10相连通，且在经过所述主 冷却器10的相应换热流道后，通过返流管道13与所述次级浓缩塔35内的再沸器14相连， 该再沸器经过再沸管道19与所述次级浓缩塔35在底部上方位置相连通；所述次级浓缩塔 35的塔釜经浓缩管道18与所述氪氙分离塔34相连。所述初级浓缩塔1的再沸器43通过氮气管道5连通于所述主换热器的氮气冷却 流道，所述再沸器43通过第一液氮管道11与初级浓缩塔1在其顶部相连通做液氮喷淋，通 过第二液氮管道9与次级浓缩塔35在其顶部相连通也做液氮喷淋。所述的次级浓缩塔被安装在初级浓缩塔的上部，且整个装置被安置在一个可移动 的绝热箱内；所述的绝热箱可以灵活移动处理不同地点的液氧，也可以固定，将分散的液氧 运输集中到液氧储槽然后进行生产。本发明所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的方法，它是从储罐引出液氧，送入初 级浓缩塔蒸馏，从初级浓缩塔的塔釜引出至少一股液氧到主换热器复热汽化，除去碳氢化 合物后送入次级浓缩塔蒸馏，从次级浓缩塔的塔釜引出氪氙浓缩物进入氪氙分离塔并分离 成氪和氙。所述的初级浓缩塔中的再沸器通入中压氮气，氮气在塔釜的液氧中冷却到泡点温 度，这样液氧的冷量交换给氮气，氮气经过节流后分成两股，一股作为初级浓缩塔的喷淋 液；另一股作为次级浓缩塔的喷淋液。所述的从初级浓缩塔引出的液氧碳氢化合物含量200 lOOOppm，液氧可以在主 换热器中安全的蒸发；然后经过管道3进入催化反应炉39，催化反应炉39内部催化剂为 含钯0. 0. 8%触媒，优选0. 5%含钯触媒，催化反应炉39内部带电加热，反应温度为 450 500°C，优选450°C，其中氧气与碳氢化合物反应生成水蒸气和二氧化碳；随后经过管 道17使氧气进入交替工作的分子筛吸附器40，其中水蒸汽和二氧化碳被分子筛吸附，分子 筛吸附器40内部填充分子筛，优选4A或5A型号分子筛。所述的催化反应炉39内部催化剂为0. 5%含钯触媒，催化反应炉39反应温度为 450°C，优选450°C ；所述分子筛吸附器40内部填充4A或5A型号分子筛；所述的350Nm3/h氧气从分子筛吸附器40经过管道6引出，在主冷却器10冷却到-50°C，通过管道13进入次 级浓缩塔35的再沸器14。本发明从就近的空分装置引出2379Nm3/h氮气，压力为1. 5 3. OMpa，优选 1. 8Mpa,通过管道12进入主换热器10冷却到_160°C，随后通过进入初级浓缩塔1的再沸器 43与塔釜内的液氧进行换热，氮气被冷却到-172°C，节流36到0. 5Mpa，形成液氮；液氮分 成散三股一股300Nm3/h液氮经管道11进入初级浓缩塔1的顶部进行喷淋；一股450Nm3/ h液氮经管道9进入次级浓缩塔35的顶部进行喷淋；一股1630Nm3/h液氮经管道44流程本 装置然后进入液氮储罐(图中未示)。所述初级浓缩塔1的喷淋液氮控制塔内的汽液(F/V)比值，汽液(F/V)比值0.8 0. 9，优选0. 8，塔顶从管道4氧气带走的氪氙含量低于IOppm ；所述的次级浓缩塔35的喷 淋液氮可以根据塔的蒸馏工况进行灵活调节，控制塔内的汽液(F/V)比值，汽液(F/V)比值 2 2. 2，优选2. 2，塔顶从管道16氧气带走的氪氙含量低于50ppm。所述氪氙浓缩塔的冷 凝器的冷源采用次级浓缩塔顶部弓I出的冷氧气，而再沸器的热源采用复热后的氧气，实例现在以1600Nm3/h液氧的生产为例。从液氧储罐37引出1600Nm3/h原料液 氧，液氧含50ppm氪，20ppm氙，50ppmCnHm(碳氢化合物)，液氧泵38压缩到0. 5Mpa,经过管 道41从初级浓缩塔1底部上方5块理论级的位置导入塔内，进行蒸馏，初级浓缩塔1的理 论级为15。低沸点的氧、氩和少量的烃类从下流液体中挥发出来到达塔顶，高沸点的氪、氙 和碳氢化合物则冷凝下流到初级浓缩塔1的底部，原料液氧中的氪、氙和大部分烃类最终 浓集在初级浓缩塔1的塔釜。从初级浓缩塔1的底部引出350Nm7h液氧，含227ppm氪，91ppm氙，216ppmCnHm温 度为-165°C，经过管道2进入主换热器10复热，汽化成氧气，出主换热器后的温度为27°C， 经过管道3进入催化反应炉39，催化反应炉39内部催化剂为含钯0. 1 % 0. 8 %触媒，优选 0. 5%含钯触媒，催化反应炉39内部带电加热，反应温度为450 500°C，优选450°C，其中 氧气与碳氢化合物反应生成水蒸气和二氧化碳；随后经过管道17氧气进入交替工作的分 子筛吸附器40，其中水蒸汽和二氧化碳被分子筛吸附，分子筛吸附器40内部填充分子筛， 优选4A或5A型号分子筛。350Nm3/h氧气从分子筛吸附器40经过管道6引出，在主冷却器10冷却到_50°C， 通过管道13进入次级浓缩塔35的再沸器14，在与塔釜内的冷流体换热，被冷却后，经管道 19从次级浓缩塔35底部上方8块理论级的位置导入塔内，进行蒸馏。次级浓缩塔35的理 论级为20。在次级浓缩塔35中，低沸点的氧、氩下流液体中挥发出来到达塔顶，高沸点的氪、 氙则冷凝下流到达次级浓缩塔35底部，99. 9%氪氙混合物浓集在次级浓缩塔35的塔釜。从就近的空分装置引出2379Nm3/h氮气，压力为1. 5 3. OMpa，优选1. 8Mpa，通过 管道12进入主换热器10冷却到-160°C，随后通过管道5进入初级浓缩塔1的再沸器43与 塔釜内的液氧进行换热，氮气被冷却到-172°C，节流36到0. 5Mpa，形成液氮。液氮分成散 三股一股300Nm3/h液氮经管道11进入初级浓缩塔1的顶部进行喷淋；一股450Nm3/h液 氮经管道9进入次级浓缩塔35的顶部进行喷淋；一股1630Nm3/h液氮经管道44流程本装 置然后进入液氮储罐(图中未示)。所述初级浓缩塔1的喷淋液氮控制塔内的汽液(F/V)比值，汽液(F/V)比值0.8
70. 9，优选0. 8，塔顶从管道4氧气带走的氪氙含量低于lOppm。所述的次级浓缩塔35的喷淋液氮可以根据塔的蒸馏工况进行灵活调节，控制塔 内的汽液(F/V)比值，汽液(F/V)比值2 2. 2，优选2. 2，塔顶从管道16氧气带走的氪氙 含量低于50ppm。所述的氮气可以是就近的氮气压缩机提供(图中未示)或就近的氮气管网(图中 未示)提供。从次级浓缩塔35的塔釜经管道18引出0. 097Nm3/h氪氙混合物，含71. 2%氪， 含28. 7%氙，送入到氪氙分离塔34，经过蒸馏，在氪氙分离塔34的底部获得99. 9%的纯氙 150. 0279Nm3/h ；氪氙分离塔34的顶部获得99. 9%的纯氪0. 0692Nm7h。从初级浓缩塔1的顶部经管道4引出1550Nm3/h混和气(80%氧，20%氮)，进入主 换热器10复热，从主换热器10的下部抽出950Nm3/h混合气，温度为_133°C，压力0. 5Mpa, 经管道21送到氪氙分离塔34的冷凝器23与纯氪气32，33逆流换热，纯氪气32，33被冷却 到露点，回流到氪氙分离塔34作为喷淋液。混合气经过冷凝器23换热后，经管道25进入 主换热器10，复热后温度27°C，经过管道24排入大气。从主换热器10的中部抽出另一股混合气600Nm3/h，温度为-70°C，经管道29送到 氪氙分离塔34的蒸发器28与纯氙液30，31逆流换热，纯氙液30，31被蒸发，回流到氪氙分 离塔34作为上升气。混合气经过蒸发器28换热后，经管道27进入主换热器10，复热后温 度27°C，经过管道26排入大气。本发明所述的从液氧中提取惰性气体氪氙装置可以安置在一个可移动的绝热箱 内，这样，装置可以灵活移动处理不同储存地点的液氧，节省大量原料液氧集中运输的费用 和冷量损失。所述的装置也可以固定在空分装置附近，处理就近的原料液氧。
权利要求
一种从液氧中提取惰性气体氪氙的方法，该方法是从储罐引出液氧，送入初级浓缩塔蒸馏，从初级浓缩塔的塔釜引出至少一股液氧到主换热器复热汽化，除去碳氢化合物后送入次级浓缩塔蒸馏，从次级浓缩塔的塔釜引出氪氙浓缩物进入氪氙分离塔并分离成氪和氙。
2.根据权利要求1所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的方法，其特征在于所述的初级 浓缩塔中的再沸器通入中压氮气，氮气在塔釜的液氧中冷却到泡点温度，这样液氧的冷量 交换给氮气，氮气经过节流后分成两股，一股作为初级浓缩塔的喷淋液；另一股作为次级浓 缩塔的喷淋液。
3.根据权利要求1或2所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的方法，其特征在于所述 的从初级浓缩塔引出的液氧碳氢化合物含量200 lOOOppm，液氧可以在主换热器中安 全的蒸发；然后经过管道(3)进入催化反应炉(39)，催化反应炉(39)内部催化剂为含 钯0. 0.8%触媒，优选0.5%含钯触媒，催化反应炉(39)内部带电加热，反应温度为 450 500°C，优选450°C，其中氧气与碳氢化合物反应生成水蒸气和二氧化碳；随后经过管 道(17)使氧气进入交替工作的分子筛吸附器(40)，其中水蒸汽和二氧化碳被分子筛吸附， 分子筛吸附器(40)内部填充分子筛，优选4A或5A型号分子筛。
4.根据权利要求3所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的方法，其特征在于所述的催化 反应炉(39)内部催化剂为0. 5%含钯触媒，催化反应炉(39)反应温度为450°C，优选450°C; 所述分子筛吸附器(40)内部填充4A或5A型号分子筛；所述的350Nm3/h氧气从分子筛吸 附器(40)经过管道(6)引出，在主冷却器(10)冷却到-50°C，通过管道(13)进入次级浓缩 塔(35)的再沸器(14)。
5.根据权利要求1或2所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的方法，其特征在于从就近 的空分装置引出2379Nm3/h氮气，压力为1. 5 3. OMpa，优选1. 8Mpa，通过管道(12)进入 主换热器(10)冷却到-160°C，随后通过进入初级浓缩塔(1)的再沸器(43)与塔釜内的液 氧进行换热，氮气被冷却到-172°C，节流(36)到0. 5Mpa，形成液氮；液氮分成散三股一股 300Nm3/h液氮经管道(11)进入初级浓缩塔(1)的顶部进行喷淋；一股450Nm3/h液氮经管 道(9)进入次级浓缩塔(35)的顶部进行喷淋；一股1630Nm3/h液氮经管道(44)流程本装 置然后进入液氮储罐(图中未示)。
6.根据权利要求5所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的方法，其特征在于所述初级浓 缩塔(1)的喷淋液氮控制塔内的汽液(F/V)比值，汽液(F/V)比值0.8 0.9，优选0.8，塔 顶从管道(4)氧气带走的氪氙含量低于IOppm ；所述的次级浓缩塔(35)的喷淋液氮可以根 据塔的蒸馏工况进行灵活调节，控制塔内的汽液(F/V)比值，汽液(F/V)比值2 2. 2，优选 2. 2，塔顶从管道(16)氧气带走的氪氙含量低于50ppm。
7.根据权利要求1所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的方法，其特征在于所述氪氙浓 缩塔的冷凝器的冷源采用次级浓缩塔顶部引出的冷氧气，而再沸器的热源采用复热后的氧 气，
8.一种从液氧中提取惰性气体氪氙的装置，它主要包括有一初级浓缩塔(1)、一次级 浓缩塔(35)、一氪氙分离塔(34)以及催化反应炉(40)和分子筛吸附器(39)，其特征在于 有一液氧储罐(37)经过原料液氧管道(41)与所述初级浓缩塔(1)在底部上方位置相连 通，初级浓缩塔(1)的底部经过液氧管道(2)与所述的主换热器(10)相连通，通过上述主换热器(10)的换热流道后，经过换热后置管道(3)与所述含钯触媒及内带电加热的催化反 应炉(39)相连通，随后经过反应吸附管道(17)与所述可交替工作的、内部填充分子筛的分 子筛吸附器(40)相连通；所述分子筛吸附器(40)经过输出管道(6)再次与所述的主冷却 器(10)相连通，且在经过所述主冷却器(10)的相应换热流道后，通过返流管道(13)与所 述次级浓缩塔(35)内的再沸器(14)相连，该再沸器经过再沸管道(19)与所述次级浓缩塔 (35)在底部上方位置相连通；所述次级浓缩塔(35)的塔釜经浓缩管道(18)与所述氪氙分 离塔(34)相连。
9.根据权利要求8所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的装置，其特征在于所述的所述 初级浓缩塔(1)的再沸器(43)通过氮气管道(5)连通于所述主换热器的氮气冷却流道，所 述再沸器(43)通过第一液氮管道(11)与初级浓缩塔(1)在其顶部相连通做液氮喷淋，通 过第二液氮管道(9)与次级浓缩塔(35)在其顶部相连通也做液氮喷淋。
10.根据权利要求8或9所述的从液氧中提取惰性气体氪氙的装置，其特征在于所述的 次级浓缩塔被安装在初级浓缩塔的上部，且整个装置被安置在一个可移动的绝热箱内；所 述的绝热箱可以灵活移动处理不同地点的液氧，也可以固定，将分散的液氧运输集中到液 氧储槽然后进行生产。
全文摘要
从液氧中提取惰性气体氪氙的方法与装置，所述的方法是从储罐引出液氧，送入初级浓缩塔蒸馏，从初级浓缩塔的塔釜引出至少一股液氧到主换热器复热汽化，除去碳氢化合物后送入次级浓缩塔蒸馏，从次级浓缩塔的塔釜引出氪氙浓缩物进入氪氙分离塔并分离成氪和氙；所述装置主要包括有一初级浓缩塔、一次级浓缩塔、一氪氙分离塔以及催化反应炉和分子筛吸附器，有一液氧储罐经过原料液氧管道与所述初级浓缩塔在底部上方位置相连通，初级浓缩塔的底部经过液氧管道与所述的主换热器相连通，通过上述主换热器的换热流道后，经过换热后置管道与所述含钯触媒及内带电加热的催化反应炉相连通，随后经过反应吸附管道与所述可交替工作的、内部填充分子筛的分子筛吸附器相连通；它具有降低装置成本，生产操作简单，安全性高等特点。
文档编号C01B23/00GK101913580SQ20101023193
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者何晖, 卢杰, 周智勇, 毛绍融, 翟晖 申请人:杭州杭氧股份有限公司