專利名稱：純氬的回收方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及純氬的回收方法和裝置。在本方法中，借助于至少一個空氣分離柱、粗氬柱和純氬柱，在精餾體系中分離空氣，粗氬餾分從粗氬柱取出并引入純氬柱的中部，純氬柱的上端優(yōu)選通過與蒸發(fā)餾分的間接熱交換而被冷卻，并從純氬柱的上部取出主要是含氮的殘留餾分，從純氬柱的下部取出純氬餾分。
純氬制備的基本原理已在Hausen/Linde，Tieftemper-aturtechnik(low temperature technology)第二版，1985，第332-334頁中敘述。并且，在該介紹中所涉及的這類方法和裝置為專利申請EP-B-377117，EP-A-171711和EP-A-331028所已知。進一步的改進披露在德國專利申請P4406049.1和P4406069.6以及歐洲專利申請( )中，在此以具有相同優(yōu)先權(quán)日期的這些首次申請為基礎(chǔ)，作為本申請。狹義地說，在本文中的空氣分離通常是在從其低壓部分提取用于粗氬柱的進料餾分的雙柱中進行的。在另一精餾柱即純氬柱中，將缺氧的粗氧中的易揮發(fā)雜質(zhì)特別是氮除去。此外，在粗氬柱和純氬柱之間也可以例如通過用氫的催化氧化(Deoxo apparatus，例如參看EP-A-171711或EP-A-331028)任意設(shè)置除氧工段。
粗氬產(chǎn)物通常是在可能最低的壓力即大氣壓以上一點的壓力回收。因此在粗氬產(chǎn)物引入純氬柱前，其壓力必須升高，以在純氬柱的上端仍可獲得足夠的過壓用，以排出其頂端產(chǎn)物，并產(chǎn)生回流(通常是通過與蒸發(fā)氮的間接熱交換而使頂端氣體冷凝)。為此，在許多場合都需要特殊壓縮機的中間裝備，這涉及相應(yīng)的資金和操作費用。雖然通過粗氬的液化和使用靜壓(參見EP-B-377117)可避免這套中間裝備，但是在純氬柱的短程布置上將受到限制，在許多場合，由于空間條件，該純氬柱只是成本高而已。而且，在省去壓縮機時，還常常受某些純度的限制。例如，要獲得氮含量為100ppb或更少的純氬產(chǎn)物是不可能的。
因此，本發(fā)明基于該目的，從而開發(fā)上述的方法和裝置，其特征在于能以特別好的經(jīng)濟性、特別合適的資金和操作費用、以高得率、高純度回收純氬產(chǎn)物。
該目的是根據(jù)本發(fā)明而實現(xiàn)的，其中，在純氬柱中的傳質(zhì)至少部分通過填充物完成。
在本文中，術(shù)語填充物總是包括無規(guī)則填充物以及結(jié)構(gòu)填充物。在此優(yōu)選使用結(jié)構(gòu)填充物。例如在DE-A-2722424和DE-A-4209132或DE-A-4224068中敘述了結(jié)構(gòu)填充物特定設(shè)計的例子。雖然在雙柱或空氣分離器的粗氬柱中使用這樣的填充物來代替常規(guī)的精餾淺盤是已知的(EP-A-0321103，EP-B-0377177)，但是在純氬柱中這樣使用在過去一直被認為是不合適的。
在本文中，甚至在單獨使用時，術(shù)語“填充物”也用來包括在用無結(jié)構(gòu)的和/或有結(jié)構(gòu)的填充物填充的柱內(nèi)的許多分段。
通過在純氬柱中使用本發(fā)明的填充物，在該柱中的壓力損失可減少到這樣的程度，就是可省去用于壓縮粗氬的特殊措施?！埠茱@明，在任何場合這并不排除使用存在于粗氬導(dǎo)管中的任何短程落差(geodetic fall)〕。與現(xiàn)有技術(shù)的期望值相比，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明范圍內(nèi)，在許多場合該優(yōu)點明顯地超過增加的開支，結(jié)果，總的說來可節(jié)省資金和/或操作成本。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，如果在引入粗氬餾分的中間部位上方的純氬柱中的傳質(zhì)至少部分或全部由填充物來完成，那么這將是特別合適的。以該方式獲得了本發(fā)明的主要作用，即粗氬進口和純氬柱頂端冷凝器之間相對低的壓差，無需用昂貴的填充物裝填整個純氬柱。
在本文中，在純氬柱下部即引入粗氬餾分的中間部位的下面的材料變換可部分地或甚至是全部地由淺盤來完成。這使得絕大部分純氬柱用成本相對能行的傳質(zhì)元件來填充。在本發(fā)明范圍內(nèi)能使用的、在純氬柱中這樣的精餾或變換的淺盤的細節(jié)描述于Winnack-er/Kuchler，Chmische Technologie，第7卷第3版(1975)第3.351節(jié)，第197-200頁中。
作為替換或變通在純氬柱的上部使用填充物的方法，在引入粗氬餾分的中間部位的下面的純氬柱的傳質(zhì)可至少部分地或完全地通過填充物來完成。然后，可在相應(yīng)的大部分柱高上利用填充物的有益作用。
在本文中，通過與在該過程中蒸發(fā)的液態(tài)的間接熱交換，用已知的方式操縱純氬柱的上端。然而，如果借助用氧含量至少為10％的冷卻介質(zhì)冷卻純氬柱的上端來完成熱交換，那么這是特別有益的。以該方式，能在純氬柱中產(chǎn)生所需的回流，而沒有蒸發(fā)掉有價值的液態(tài)，后者可能在一個或多個空氣分離柱中的精餾而損耗掉。
為此，可使用多種液態(tài)工藝流作為冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)最好是取自一個或多空氣分離柱、特別是雙柱加壓段的下部或中部。特別有益的是使用加壓段的底槽液體作為純氬柱用的冷卻介質(zhì)。
在本發(fā)明中，限定的冷卻介質(zhì)的使用并不意味著其它餾分不能同樣地對純氬柱的上端冷卻起作用，例如在與冷卻介質(zhì)熱交換的上游與上端餾分混合，盡管如此，特意被稱為冷卻介質(zhì)的那個餾分所起的作用，對于在純氬柱上端產(chǎn)生回流來說是決定性的因數(shù)。
可以通過顯熱的交換而對純氬柱的底槽進行加熱，其中，通過與加壓柱的液體餾分、特別是在加壓柱的下部收集到的底槽液的間接熱交換來加熱純氬柱的下部。對純氬柱的這種加熱方式描述于德國專利申請P4406069.6和要求該申請為優(yōu)先權(quán)的歐洲專利申請( )。在本文中，如果將用于純氬柱下部加熱的間接熱交換的加熱柱下游至少部分液體餾分用作純氬柱和/或粗氬柱的上端餾分冷凝用的冷卻介質(zhì)，以便實現(xiàn)對純氬柱底槽加熱和上端冷卻的整體化，這是有利的。
此外，本發(fā)明還涉及描述于權(quán)利要求11和12中的用于實施該方法的裝置。
本發(fā)明及其進一步的細節(jié)將通過下文附圖中簡要說明的兩個工作例而進一步解釋。
附圖1示出了根據(jù)本發(fā)明方法和裝置的第一實施方案，包括常規(guī)的純氬柱的塔頂冷卻。
圖2示出了包括新穎的純氬柱塔頂冷卻的特別優(yōu)選的實施方案。
這兩個實施方案彼此在大多數(shù)方面是相一致的，因此用相同的參考數(shù)來表示相互一致的方法步驟和裝置特征。
在1處引入常壓空氣，在空氣壓縮機2處壓縮，預(yù)冷卻(3)，在分子篩段4除去二氧化碳和水蒸汽，在主熱交換器5處冷卻至約露點，最后通過導(dǎo)管6引入到雙柱7的加壓段8。通過冷凝蒸發(fā)器10，雙柱7的加壓段8和低壓段9處于熱交換關(guān)系。至少將部分加壓柱8的底槽液11和液氮12送入低壓柱9中。在主熱交換器5中，將低壓柱的氣相產(chǎn)物即純氮14、摻雜質(zhì)的氮15和氣相氧16與要分離的空氣進行熱交換加熱至約常溫。如果需要也能回收液體產(chǎn)物通過導(dǎo)管13的氮和/或取自低壓柱9底槽的氧36。特別是在后者的場合，通?？赏ㄟ^例如在包括一個、兩個或多個閃蒸透平(flash tur-bines)、由空氣或氮操縱的制冷循環(huán)中，通過工藝流的運行產(chǎn)生的減壓而產(chǎn)生制冷作用；或通過空氣的運行產(chǎn)生的減壓至約低壓柱的壓力而產(chǎn)生制冷作用，并直接將該空氣引入低壓柱。
在低壓柱9的中間部位，取出含氬的氧餾分37，并在粗氬柱17中分離成在該柱上端收集的粗氬18和被返回(也可以借助泵20)至低壓柱的殘留液19。在粗氬冷凝器21中，在與加壓柱蒸發(fā)底槽液的熱交換中，至少將部分的粗氬餾分19冷凝。冷凝物一部分作為回流物送至粗氬柱17，另一部分取出作為中間產(chǎn)物22，24。圖1中示出，可在熱交換器23中，在與隨后要與粗氬餾分24的取出液部分22結(jié)合的液體餾分(在該場合為氮)的熱交換中，冷凝該非冷凝的粗氬。在兩個工作例中均構(gòu)成純氬柱進料的該粗氬餾分24仍含有約0.1-1000ppm、優(yōu)選低于10ppm的不易揮發(fā)性組分(特別是氧)，和約0.1-5％、優(yōu)選0.1-1％的極易揮發(fā)性雜質(zhì)(特別是氮)。
優(yōu)選從純氬柱25的底槽取出液態(tài)的純氬產(chǎn)物26。純氬產(chǎn)物26仍含有作為介質(zhì)的0.1-1000ppm、優(yōu)選低于約1ppm的氧，和0.05-100ppm、優(yōu)選約1ppm或更低的氮。
根據(jù)本發(fā)明，該純氬柱包含有填充物，優(yōu)選為有結(jié)構(gòu)的填充物。在該說明性例子中，在粗氬柱進料口24上方說明了兩個填充物工段33，34。也可以例如在那里只提供一個的填充物工段，在該工段的上面和/或下面通過常規(guī)的精餾淺盤來補充。在純氬柱中粗氬餾24進料部上方的材料交換元件相當于2-15、優(yōu)選約8-10塊理論塔板。
在粗氬進口下面提供了30-50、優(yōu)選約40-45塊理論塔板。在該附圖的例子中，這些完全由淺盤35來表示，但是，在本發(fā)明范圍內(nèi)，也能部分地或基本上完全地或完全地使用填充物，特別是結(jié)構(gòu)填充物。
在該精餾體系余下的柱中可包含淺盤和/或填充物和/或這兩種材料交換元件的組合。如圖所示，特別是在粗氬柱中，優(yōu)選使用結(jié)構(gòu)填充物是有利的，因為它能通過精餾完全除去氧(參見EP-B-377117)。然而，雙柱特別是低壓柱9也可包含填充物，特別是結(jié)構(gòu)型的填充物。
在圖1中，結(jié)合純氬柱25的常規(guī)的冷卻和加熱說明了本發(fā)明底槽的加熱27是由加壓柱8的上端產(chǎn)生的氣相氮28操縱的。在用氮(底槽加熱27的冷凝物和/或加壓柱8的液體30)冷卻的上端冷凝器29中部分地冷卻由20-80％、優(yōu)選約40-60％的氮組成的純氬柱25的塔頂氣28，并排出作為剩余氣31的剩余部分。后者例如可排空至大氣中，或例如與上端冷凝器29收集的蒸汽32一起被送入低壓柱9的摻雜氮流15中。
圖2顯示出了純氬柱25排熱和加熱形式的改進，借此，能特別有效地實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點。
在用于將熱引入純氬柱25下部的熱交換器27中，在與保持在例如1-3巴、優(yōu)選1.2-2.0巴壓力的液體底槽餾分11的熱交換中，蒸發(fā)一部分純氬柱的底槽液。在此過程中載熱體11被過冷。
該過冷載熱體11a隨后被用作冷卻介質(zhì)，用于使粗氬柱和純氬柱產(chǎn)生回流。粗氬柱上端的冷卻是在冷凝蒸發(fā)器39中進行的，基本上所有的加壓柱8的底槽液(在流過底槽蒸發(fā)器27后)都引入到該冷凝蒸發(fā)器中。(較少部分的加壓柱的底槽餾分可以不同的方式例如通過安全管取出)。借助通過過冷逆流裝置38和熱交換器27的導(dǎo)管11，將該該中壓柱液送入冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)空間。借助導(dǎo)管18，將粗氬柱上端得到的氣相粗氬通過安裝在冷凝蒸發(fā)器液浴中的熱交換器21。在熱交換器21中形成的一部分冷凝物以回流形式送至粗氬柱，而另一部分作為中間物24排出。
液體通過導(dǎo)管13流至另一個作為純氬柱25上端冷凝器的熱交換器29中。在熱交換器29中蒸發(fā)的冷卻介質(zhì)可通過導(dǎo)管32循環(huán)入冷凝蒸發(fā)器39的蒸發(fā)器空間。純氬柱的上端餾分通過導(dǎo)管28而與冷卻介質(zhì)進行間接熱交換。由此形成的冷凝物通過接管28a再次流回純氬柱25中。殘氣在31排出。關(guān)于粗氬柱和純氬柱上端冷卻的作用方式的確切說明，以及本發(fā)明方法進一步改進的細節(jié)，請參考德國專利申請P4406049.1和相應(yīng)的歐洲專利申請(這兩份申請均有相同的作為本申請的優(yōu)先權(quán)日期)。在替代上述實施方案的另一方案中，能彼此獨立地操縱粗氬柱和純氬柱的上端冷凝器21和29，其中導(dǎo)管11被直接連接至頂端冷凝器29的蒸發(fā)器側(cè)。
在脫離這兩個附圖的


的情況下，還能以氣相形式取出粗氬柱的上端產(chǎn)物，并以氣相形式送入純氬柱，其中，例如導(dǎo)管18和24在熱交換器21的上游連接。
作為

中純氬柱25底槽加熱的替代方案，本發(fā)明甚至還能使用氣相空氣，用以使純氬柱沸騰，例如，如德國專利申請P44060649.1和相應(yīng)的歐洲專利申請( )中所示。
權(quán)利要求
1.一種純氬的回收方法，其中，在借助至少一個空氣分離柱(9)、粗氬柱(17)和純氬柱(25)的精餾體系中分離空氣，粗氬餾分(24)取自粗氬柱(17)，并引入純氬柱(25)的中部，該純氬柱的上端通過間接熱交換(29)冷卻，并且其中從純氬柱(25)的上部取出主要是含氮的剩余餾分(31)，從純氬柱(25)的下部取出純氬餾分(26)，其特征在于，在純氬柱(25)中的傳質(zhì)至少部分是通過填充物(33，34)而進行的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在引入粗氬餾分(24)的中部上方，在純氬柱(25)中的傳質(zhì)至少部分是通過填充物(33，34)而進行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，在引入粗氬餾分(24)的中部的上方，在純氬柱(25)中的傳質(zhì)基本上完全是通過填充物(33，34)而進行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的方法，其特征在于，在引入粗氬餾分(24)的中部的下方，在純氬柱(25)中的傳質(zhì)基本上完全是通過淺盤(35)而進行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的方法，其特征在于，在引入粗氬餾分(24)的中部的下方，在純氬柱(25)中的傳質(zhì)至少部分是通過填充物而進行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的方法，其特征在于，在整個純氬柱(25)中的傳質(zhì)基本上完全是通過填充的而進行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的方法，其特征在于，用于冷卻純氬柱(25)上端的間接熱交換是通過氧含量至少為10％的冷卻介質(zhì)(11，30)而進行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，冷卻介質(zhì)(11)取自一個或多個空氣分離柱(9)的下部或中部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，粗餾體系包括含加壓柱(8)和低壓柱(9)的雙柱(7)，冷卻介質(zhì)取自加壓柱(8)的下部或中部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，在加壓柱(8)的下部收集到的底槽液(11)用作冷卻介質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的方法，其中粗氬級分是從粗氬柱以氣態(tài)排出并以氣態(tài)進入純氬柱。
12.實施根據(jù)權(quán)利要求1-11任一項方法的裝置，包括一精餾體系，該體系包括至少一個空氣分離柱(9)、粗氬柱(17)和純氬柱(25)；通過粗氬管(24)連接粗氬柱(17)和純氬柱(25)的中部，其特征在于，至少一種填充物(33，34)設(shè)置在純氬柱(25)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其特征在于，通過蒸汽管(28)和冷凝管(28a)，將熱交換器(29)連接至純氬柱(25)的上部，并且該熱交換器(29)包含冷卻介質(zhì)導(dǎo)管(11，30)，該冷卻介質(zhì)導(dǎo)管(11，30)連接至含氧量至少為10％的冷卻介質(zhì)源。
全文摘要
用于純氬回收的方法和裝置。在包含至少一個空氣分離柱(9)、粗氬柱(17)和純氬柱(25)的精餾體系中分離空氣。從粗氬柱(17)取出粗氬餾分(24)，并引入純氬柱(25)的中部。通過間接熱交換(29)冷卻純氬柱(25)的上端。從純氬柱(25)的頂端排出主要含氮的剩余餾分(31)，從其底部取出純氬餾分(26)。在純氬柱(25)中的傳質(zhì)至少部分是通過填充物(33，34)而進行的。
文檔編號F25J3/04GK1439856SQ0310434
公開日2003年9月3日 申請日期2003年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月24日
發(fā)明者A·莫爾 申請人:林德股份公司