[发明专利]在与变压吸附系统集成的低温空气分离单元中回收氩的方法和装置

说明书

本发明提供了一种用于氩回收的方法和装置，其中在具有分隔壁除氩/精馏塔的低温空气分离单元中将不纯的氩流从空气中分离。所得的氩流随后被回收并且在集成的变压吸附系统中纯化以产生产品级氩。

技术领域

本发明涉及氩回收的方法和装置，其中氩在具有分隔壁除氩塔的低温空气分离设备内与空气分离，并且使用设置在较低压力塔内部中的氩冷凝器冷凝以形成液态氩流和/或气态氩流。液态氩流或气态氩流随后被回收并且在集成的基于吸附剂的氩精制和纯化子系统中纯化以产生产品级氩。

背景技术

氩是用于一些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长工艺中。氩的其它用途包括医学、科学、防腐和照明应用。

虽然氩仅构成环境空气的一小部分(即，0.93体积％)，但是与也从空气分离设备中回收的氧和氮产品相比，它具有相对较高的值。通常在Linde型双塔低温空气分离布置中通过以下方式回收氩：从较低压力塔中提取富氩蒸气抽取物并将该流引至“超级塔板化”塔或粗氩塔来回收氩。该氩蒸馏工艺通常包括位于氩塔上方的氩冷凝单元。在将氩冷凝负荷引入较低压力塔之前，通常将其传递至富氧塔底流或釜流的至少一部分。可通过该“超级塔板化”蒸馏工艺以大约90至180个塔板分离或制得商用液体纯度的氩(例如，氧为约1000ppm至1ppm)，或通过大约20至50个塔板分离制得中间纯度的氩(例如，氧为约15％至1％)。在一些应用中，随后常常通过采用氢的催化氧化方法对中间纯度的氩进行精制。

现代空气分离设备几乎全部采用超级塔板化蒸馏工艺进行高纯度氩回收。典型的三塔式氩产生空气分离单元的缺点在于，回收高纯度氩产品需要与氩回收以及所得的塔和冷箱高度(通常超过200英尺)相关联的额外的资本成本。因此，为获得高纯度氩需要相当多的资本支出，包括单独的氩塔、多个冷箱塔段、液体回流/返回泵等的资本支出。

另一种生产高纯度氩的方法是从空气分离设备中提取包含较低纯度氩的流，并且使用基于吸附剂的纯化系统对该含氩流进行纯化。已经出现将低温空气分离单元与基于吸附剂的纯化系统相结合以除去含氮流中的氧、氮及其它污染物的方法。参见美国专利4,717,406；5,685,172；7,501,009；和5,601,634；这些专利中的每个均在下文予以简要描述。

US 4,717,406公开了一种液相吸附方法，其中将来自低温设备的原料流引向基于吸附的纯化系统。基于吸附的纯化系统用于在将液化气体引入液体储罐之前对其进行纯化。目标应用包括除去电子级气体中的水和二氧化碳，并且该发明所公开的吸附床的再生方法是变温法。

US 5,685,172详述了目的在于除去各种惰性气体中的痕量氧和一氧化碳的方法。该方法还提到直接液体处理，并且引用氩作为示例性流体。详述了作为氧的吸附剂的金属氧化物(CuO、MnO2)。通过在适度温度(例如，150℃至250℃)下使用还原气体诸如氢气来实现再生。还原气体的使用使得难以将吸附床与空气分离单元集成，因为还原气体无法在空气分离单元中进行制备，而必须由外部提供以使吸附剂再生。更重要的是，在吸附床的再生过程中，富氩流体将从该工艺中损失。

US 7,501,009公开了用于氩纯化的循环吸附方法。该方法可在低温下操作，同时对气态粗氩进行处理。提到以沸石作为该发明所公开的变压吸附(PSA)系统的可能的吸附剂。将再生气体引回氩-氧精馏塔。

US 5,601,634将典型的低温空气分离单元与变压吸附(PSA)系统结合，其中在吸附床中除去来自低温空气分离单元的蒸馏塔的氩进料中所包含的氮和氧。

所有上述现有技术解决方案都仅关注将低温空气分离单元和基于吸附的纯化布置结合的基于吸附剂的纯化系统的改进，而未解决低温空气分离单元所需的改进，包括如本发明的解决方案所设想的使用设置在较低压力塔内部的分隔壁除氩塔和氩冷凝器。