[发明专利]用于生产氩的结合的低温蒸馏和PSA

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产高纯氩的设备和方法。更具体的，本发明涉及使用低温精馏塔并结合变压吸附器，提高从空气中回收氩的设备和方法。

背景技术

可在生产氧和/或氮的低温空气分离设备的操作中回收含有约0.2-15体积％氧和约1体积％氮的粗氩气流。通常使用的一种进一步纯化粗氩气流的方法是所谓的去氧方法，其中粗氩气流中的氧与过量的氢反应。该方法是耗能的，因为气流被加热到高反应温度稍后冷却到低温温度以除去过量的氢和剩余的氮。此外，该方法在地球获得氢受限的那些区域是不可能实现的。另一种仅基于低温蒸馏的方法由于氩和氧之间相对挥发性的差异小而要求使用大型或超阶(superstaged)氩塔。其它的方法包括使用固体电解质膜、在真空变压吸附(VPSA)方法中使用两个或多个吸附床、吸气剂/去氧系统，和变温吸附(TSA)。

生产氧、氮和/或氩的空气低温精馏是广为人知的。典型的，使用三阶段低温工艺，其中进料空气在双塔系统中分离成氮和氧，该双塔系统使用高压塔中的氮顶部蒸气使低压塔中富氧底部液体再次沸腾，低压塔中的含氩流体进入粗氩塔中以生产氩产品。例如，Bonequist和Lockett的美国专利No.5,440,884公开一种三阶段的低温精馏系统，使用结合粗氩塔的双塔系统生产高纯(＞99.999％)氩。为了生产高纯氩，使用大型或超阶氩塔。根据美国专利No.5,440,884，大型粗氩塔优选分为两个分离的氩塔，在双主塔上游使用汽提塔以抑制粗氩塔顶部冷凝器和低压塔的热力学不可逆性。

Kumar等人的美国专利No.4,477,265公开了从低温空气分离设备的精馏塔获得的富氩给料中吸附氧和氮的方法。根据该专利，通过在一系列吸附塔(床)中选择性吸附这些污染物，从含有少量氧和氮的粗氩气流中分离和回收高纯氩。在一个实施方案中，该系统利用两个串联的分离的吸附塔，其中第一塔含有用于除去氮的氮平衡选择性吸附剂(例如沸石)，第二床含有用于除去氧的氧速率选择性吸附剂(例如碳分子筛)。通过剩余氧气的催化氢化可进一步纯化回收的氩。

Baksh等人的美国专利No.6,527,831公开了一种利用两个吸附床来从粗氩给料气流中纯化氩的真空变压吸附系统，在过程中向床连续的加速粗氩给料气流，在每床净化后每床顶对顶端和底对底端的平衡中同时具有两床的压力平衡。

Nguyen等人的美国专利No.6,351,971公开了一种从空气给料气流中的氩回收率高的用于生产高纯氩产品的方法和系统，其利用低比例氩塔、高比例氩塔和真空变压吸附单元并结合低温空气分离设备。

关于氩生产的其它专利包括Nguyen等人的美国专利No.5,730,003、Prasad等人的美国专利No.5,557,951、Jain等人的美国专利No.5,601,634、Kovak等人的美国专利No.5,159,816、Bligh等人的美国专利No.4,239,509。

发明内容

能从现有技术得出，希望提供生产99.999摩尔％氩、小于1pp氧和小于1ppm氮的氩产品的系统和方法。长久以来一直在寻求对低温空气分离系统中粗氩精炼的改进。经济因素和对氩更为苛刻的纯度规定增加了对改进处理的要求，以便更完全的从氩产品中消除氮和氧。

虽然氩纯度是重要的，也希望从低温空气蒸馏中回收更多部分的氩。

希望维持低温蒸馏塔的稳定性。迄今还没有意识到一些下游的纯化方法可影响低温蒸馏塔的稳定性。

例如，参考图1，当从低压塔(未显示)到粗氩塔150的氩给料气流180增加时，可以增加氩生产。给料气流180可仅增加到气流中不含大量氮的位置。在给料气流180中的氮对粗氩塔150的操作是有害的，因为氮将在冷凝器170中以蒸气形式聚集。如果允许氮蒸气在冷凝器170中聚集，冷凝器170将中断正常运行，在塔150中滞留的液体将回流到低压塔中；即所谓的“塔倾卸(column dumping)”。由于塔倾卸，氧产品被污染并通常情况下塔被关闭。

选择给料气流180的流量以提供氩生产和塔倾卸间的平衡。为了避免塔倾卸，给料气流180的流量通常保持远低于该阈值(threshold)。

只要系统中的波动最小化，给料气流180的流量可接近该阈值而不会发生塔倾卸。为了提高氩生产，例如氩纯化等下游处理应提供对系统的最小波动。