[发明专利]用于稀有气体回收的系统和方法

说明书

本发明提出了一种用于从氨生产设备的低压尾气中提取和液化氩气和氮气的系统和方法。所述氨生产设备的所述优选尾气包含甲烷、氮气、氩气和氢气。所述公开的系统和方法经由精馏实现所述甲烷排出并通过侧汽提塔或相分离器实现所述氢气排出。将所得的含氮气和氩气料流分离，并在双塔蒸馏系统中液化。

技术领域

本发明涉及一种用于从原料气中回收稀有气体的系统和方法，所述原料气包含氢气、氮气、甲烷、氩气和一种或多种稀有气体。

背景技术

氩是用于高温工业过程，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，硅晶体生产中。氩的其它用途包括医学、科学、防腐和照明应用。虽然氩气仅构成环境空气的一小部分(即，0，93体积％)，但是与可能从空气分离设备中回收的其它主要大气成分(氧气和氮气)相比，它具有相对较高的值。氩气通常在低温空气分离工艺中回收，作为高纯度氧气生产的副产物。在此类工艺中，从低压塔抽吸的富氩蒸汽延被引导至氩精馏塔，在氩精馏塔中粗制氩气或产品级氩气在塔顶被回收。

低成本天然气的应用已导致整个北美地区重新启动和建造许多氨生产设施。氨生产设备的副产物之一是可由甲烷、氮气、氩气和氢气组成的尾气。该尾气通常用作燃料以焙烧在氨生产设备内的各种反应器。但是，如果该含氩尾气能够被经济有效地处理和纯化，那么其可用作氩气生产的替代来源。

氨通常通过蒸汽甲烷重整来生产。在此类工艺中，空气用来自动引发反应并提供氮以用于合成反应。一般来讲，基于蒸汽甲烷重整的工艺包括初级蒸汽重整、次级‘自动热’蒸汽重整，之后进行水煤气变换反应和二氧化碳去除工艺以产生合成气。随后将合成气甲烷化并干燥以产生粗氮氢工艺气体，然后将粗氮氢工艺气体进料至氨合成反应。在许多氨生产设备中，在氨合成反应之前，通常使粗氮氢工艺气体经受多个纯化或附加的工艺步骤。在一种此类纯化工艺中，在氮氢工艺气体压缩之前，低温排出包含在氮氢工艺气体中的甲烷。所排出的气体是尾气，其包含大部分所含的甲烷以及氩气、氮气和一些氢气。该尾气通常用作燃料，以将反应所吸收的热量供应给初级蒸汽重整装置。

氩气存在于氨尾气中，氨尾气通常包含介于约3％至6％之间的氩气。在从尾气中回收氢气之后，氩气的相对浓度增加至介于约12％至20％之间的氩气，这使得氩气回收成为一种经济上可行的工艺。为了降低成本并提高工艺效率，通常将从氨尾气回收氩气的常规工艺与氢气回收工艺相结合。常规氩气回收工艺相对复杂并且涉及多个塔、汽化器、压缩机和热交换器，如例如W.H Isalski，“Separation of Gases”，第84-88页中所述。其它相对复杂的氩气回收系统和方法公开于美国专利3,442,613；美国专利5,775,128；美国专利6,620,399；美国专利7,090,816；和美国专利8,307,671中。

除了氩气回收之外，某些稀有气体诸如氪气和氖气也以痕量存在于来自氨生产设备的尾气中。因此除了回收氨生产设备的尾气内所包含的氩气和氮气之外，还需要一种用于回收稀有气体的经济有效的系统和方法。

发明内容

本发明的特征可在于一种从预纯化的原料气中回收稀有气体的方法，所述预纯化的原料气包含氢气、氮气、甲烷、氩气和一种或多种稀有气体，该方法包括以下步骤：(a)将预纯化并经调理的原料气引导至精馏塔；(b)在精馏塔中分离预纯化的原料气，以产生富含甲烷的液体塔底和富含氢气-氮气的气体塔顶，所述富含甲烷的液体塔底包含一种或多种稀有气体；(c)调理包含稀有气体的富含甲烷的液体塔底，以产生料流，该料流具有大于90％的蒸汽分率并且优选处于或者接近饱和；(d)将两相富含甲烷的料流和稀有气体精益料流引导至辅助洗涤/精馏塔；(e)对两相富含甲烷的料流和稀有气体精益料流进行精馏，以产生液体塔底稀有气体浓缩物和富含甲烷的塔顶；以及(f)将一种或多种稀有气体与液体塔底稀有气体浓缩物分离以产生稀有气体产品流。