[发明专利]通过冷变压吸附制备氩的方法

说明书

发明背景

本公开涉及制备高纯度氩的系统和方法。更具体地讲，本公开涉及通过在冷温度变压吸附纯化先前用低温精馏塔从空气回收的粗氩的系统和方法。

已知从低温空气分离单元(ASU)设备制备氩。相同的ASU设备也可制备氧和/或氮。ASU设备通常具有高压和低压蒸馏塔和粗氩塔，如授予Howard et al.的美国专利5,313,800中所述。在一些情况下，粗氩塔可结合分壁结构的低压塔，如授予Agrawal et al.的美国专利6,240,744中所述。按照本公开意图，我们公开制备氩，虽然对本领域的技术人员显而易见的是会产生富氧和/或富氮流，该流可单独处理或返回到ASU进一步处理。

从氧/氮/氩分离塔中部提取由低温蒸馏产生的粗氩可包含5-20%氩、小于0.1%氮和余量氧。从氩/氧分离塔顶部提取的粗氩包含至少50%体积氩、小于2%体积氮和余量氧。这种组合物更一般包含至少80%体积氩、小于0.5%体积氮和余量氧。这种纯度水平不适合很多最终用途。已用数种方法进一步纯化粗氩流，包括所谓的脱氧或吸气剂(getter)方法，需要昂贵的金属催化剂/吸气剂、现场氢，有不受控的放热反应的潜在风险；单独低温蒸馏，其需要较大蒸馏塔，在较小规模设备成本高昂；或各有其自身缺陷的多个吸附过程。

在现有技术的数个实例(授予Jones et al.的美国专利2,810,454、授予Allam et al.的美国专利3,928,004、授予Golovko et al.的美国专利3,996,028、授予Kovak et al.的美国专利5,159,816)在低温吸附过程中用4A沸石(也称为NaA沸石)从氩分离氧。这些实例教导在低于-100℃进料温度吸附，以限制氩进入4A孔，并避免显著的氩共吸附。然而，为了再生，教导变温吸附(TSA)循环，其中必须加热以从吸附剂解吸氧。在这些再生温度，氩可以较快速率进入4A孔，并且如果使其在冷却期间与吸附剂直接接触，就保持残留在孔中，从而减小氧工作容量。这就要求通过对吸附剂抽吸真空降低压力低于环境压力，然后通过间接方法冷却回到进料温度。这些热变化与真空压力结合增加污染吸附剂以及泄漏到大气气体的可能性。

现有技术也教导通过变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)在环境温度用碳分子筛(CMS)或其它吸附剂纯化氩的方法(授予Nguyen的美国专利5,730,003、授予Graham et al.的美国专利7,501,009、授予Zhong et al., Rege et al.的美国专利6,500,235、授予Baksh et al.的美国专利6,527,831)。这些方法倾向于提供小于40%的较低回收率，除非利用能量和资本密集型多列PSA过程，包括2组或更多组压缩机和容器(授予Zhong et al.的美国专利6,500,235)。VPSA也在再生期间需要真空，这增加泄漏到大气污染物的机会。Verma et. al.描述CMS在25℃、0℃和-84℃的气体吸收性质，显示在温度降低时，O₂相对于Ar的选择性提高，然而，未提及在氩回收率或氩生产率或氩纯度方面提高过程性能指标的过程信息，例如循环计划、床数、操作条件等。通过将废气从PSA再循环回到低温蒸馏设备，可减轻从PSA的低氩回收率。然而，在使用CMS时，过程需要保证碳不返回到低温蒸馏塔的措施。例如，可使用过滤系统(授予Graham et al.的美国专利7,501,009)。关于那一点，合乎需要的是减小甚至消除系统中所用碳的量。

因此，合乎需要的是研发纯化氩(Ar)气体的系统和方法，该系统和方法实现一种或多种下列改进：提高氩回收率；需要较少设备；需要较少能量；限制废物流；通过提高产率减少废物流再循环；限制返回到低温蒸馏塔的碳的量；减少对过滤再循环流的需要；减小床尺寸；提高生产率；和其它改进。本文讨论满足一种或多种这些合乎需要品质的纯化粗氩流的系统和方法。

发明概述

一些实施方案提供在现有技术系统和方法中的以上提到的问题和/或其它问题的解决方法。