專利名稱：從管道氧氣回收氪、氙的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于從在氧氣管道中流動的氧氣產生富氪-氙 (krypton-xenon-rich)流的方法和設備,所述富氪_氣流能被進一步處理成產生氪和氣 產物。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的方法，在該方法中將氧氣流從氧氣管道去除并且接著 引入低溫精懼過程(cryogenic rectification process)中，該低溫精懼過程從蒸懼塔 (column)內的底部液體中產生富氪-氙流。
背景技術：
氪氣和氙氣是用于各種不同的工業(yè)、商業(yè)和醫(yī)療應用中的稀有氣體，并且通常從 空氣進行回收?；诓皇艹钡那闆r下，空氣含有大約78. 08%的氮氣、20. 95%的氧氣以及 0. 93%的氬氣?？諝獾挠嘞虏糠趾卸趸?、較重的碳氫化合物以及痕量的氖氣、氦氣、 氪氣、氫氣和氙氣。通常，氪氣以按體積計約百萬分之1. 14的量存在，而氙氣以按體積計約 百萬分之0. 087的量存在。
通過低溫蒸餾從空氣回收氪氣和氙氣，該低溫蒸餾涉及到步驟壓縮、冷卻空氣并 且接著在蒸餾塔中精餾空氣，蒸餾塔具有以熱傳遞關系可操作地彼此相關聯(lián)的高壓塔和低 壓塔，使得富氧塔底產物(column bottom)聚集在低壓塔中,低壓塔用于使在較高壓力塔中 產生的富氮蒸氣頂部產物冷凝。生成的液氮用于使高壓塔回流并且使低壓塔回流。由于氪 氣和氙氣都具有比氧氣更低的揮發(fā)性的事實，氪氣和氙氣將聚集在產生于低壓塔中的氧氣 中。因此，從低壓塔去除的液氧流最初將在蒸餾塔中進行蒸餾以產生富氪-氙流，通過一系 列蒸餾步驟能進一步處理該富氪-氙流來產生氪和氙產物。在這樣的進一步處理中，去除 了也將聚集在氧氣中的較重的碳氫化合物。
用于與來自液氧流的氪和氙的初始濃縮物連接的蒸餾塔一般是被并入到空氣分 離裝置(plant)本身中。在美國專利號6，378，333中示出了其一個實例，在其中液氧流從 低壓塔去除并且接著被引入到蒸餾塔的頂部中，該蒸餾塔用于濃縮在該塔內形成的底部液 體中的氙。用來自高壓塔的富氮蒸氣使蒸餾塔再沸騰，該富氮蒸氣轉而被冷凝以用作到高 壓塔的回流。一部分的底部液體可被去除、輸送至板(trap)以去除碳氫化合物，并且接著 被再引入到蒸餾塔中。在美國專利號6，694，775中，將液氧流從低壓塔中去除并且泵送以 產生加壓的液氧流。一部分被泵送的液氧流在熱交換器中被部分加熱并且蒸發(fā)。生成的高 壓氧蒸氣在蒸餾塔中被精餾，該蒸餾塔用被泵送的液氧流的余下部分進行回流。熱交換器 用于使被壓縮的空氣流冷凝，該空氣流在冷凝之后被供給到雙塔單元中。一部分被壓縮的 空氣能用于使蒸餾塔再沸騰。在美國專利申請?zhí)?006/0021380 Al中，不同于其它兩個專 利，從在高壓塔中產生的底部液體得到的粗制液氧流在輔助蒸餾塔中被進一步精煉，通過 氬冷凝器使輔助蒸餾塔再沸騰以在氬塔內使氬冷凝用于回流目的。來自輔助蒸餾塔的剩余 液體被當作為富氪-氙流。
由于氪氣和氙氣在照明和激光的應用中使用需求的增長，對于這樣的氣體的需求 已經隨著時間推移而增長。氙氣也被用作麻醉劑。由此，也存在著將低溫空氣分離裝置改型來回收用于這樣應用的氪氣和氙氣的需求。這樣的改型的難點在于難以更改具有諸如以 上說明的設備的現(xiàn)存裝置。
如將要討論的，本發(fā)明通過提供用于產生富氪-氙流的工藝來解決該問題，該工 藝能在使用了在氧氣管道中從裝置流出的氧氣的獨立式設備中實現(xiàn)。發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種產生富氪-氙流的方法，其中將包含有氧蒸氣的管道氧氣流在 環(huán)境溫度下從氧氣管道去除。管道氧氣流被引入到低溫精餾過程中以產生富氪-氙流。在 低溫精餾工藝中，管道氧氣流被冷卻至一溫度，該溫度處于或接近被包含在管道氧氣流中 的氧蒸氣的露點溫度。在已經被冷卻之后，至少一部分管道氧氣流在蒸餾塔中被精餾，以產 生富氪-氙液態(tài)塔底產物。富氪-氙流從蒸餾塔被排出，并且富氪-氙流由富氪-氙液態(tài) 塔底產物組成。將致冷(refrigeration)施加(impart)到低溫精懼過程中。
管道氧氣流在主熱交換器中能被冷卻，并且管道氧氣流的精餾產生了富氧蒸氣塔 頂產物(column overhead)。由富氧蒸氣塔頂產物組成的富氧蒸氣流從蒸懼塔中被去除,并 且被分成第一富氧蒸氣流和第二富氧蒸氣流。第一富氧蒸氣流在冷凝器中被冷凝以產生回 流流(reflux stream),并且至少一部分所述回流流作為回流被引入到蒸懼塔中。第二富氧 蒸氣流在主熱交換器中與來自氧氣管道的管道氧氣流間接熱交換過程中被傳送，以便協(xié)助 使管道氧氣流冷卻。第二富氧蒸氣流被再循環(huán)回到氧氣管道。
熱交換流在主熱交換器內能被壓縮并且接著被冷卻。熱交換器在與蒸餾塔操作性 地(operatively)相關聯(lián)的再沸器中被冷凝，以在蒸懼塔內產生沸騰(boil_up)。在已經被 冷凝之后，熱交換流在壓力上減少并且在冷凝器中在與第一富氧蒸氣流間接熱交換過程中 被蒸發(fā)，由此使第一富氧蒸氣流冷凝。在已經被蒸發(fā)之后，熱交換流在主熱交換器內被部分 加熱，并且接著在透平膨脹機中被膨脹以產生排氣流，并且透平膨脹機被聯(lián)接到用于壓縮 熱交換流的壓縮機。排氣流在主熱交換器內被完全加熱以將致冷施加到低溫精餾過程，并 且被再循環(huán)回到壓縮機。
在另一個實施方式中，熱交換流在主熱交換器內能被冷卻，并且接著在位于蒸餾 塔內的再沸器中被冷凝以在蒸餾塔內產生沸騰。在已經被冷凝之后，熱交換流在冷凝器中 在與第一富氧蒸氣流間接熱交換過程中被蒸發(fā)，由此使第一富氧蒸氣流冷凝，并且在已經 被蒸發(fā)之后，熱交換流在主熱交換器內被完全加熱并且接著被再循環(huán)回到主熱交換器。至 少一部分所述回流流作為蒸餾塔回流的一部分被引入到蒸餾塔中，并且液氧流被引入到蒸 餾塔中以提供用于蒸餾塔回流的另一部分并將致冷施加到低溫精餾過程中。
在另一個實施方式中，管道氧氣流在主熱交換器中已經被冷卻之后能被分成第一 氧蒸氣流和第二氧蒸氣流。第一氧蒸氣流能被膨脹、被引入到蒸餾塔中并且被精餾。第二氧 蒸氣流能在與蒸餾塔操作性地相關聯(lián)的再沸器中被冷凝以產生用于蒸餾塔的沸騰，并且接 著在冷凝器中在與第一富氧蒸氣流間接熱交換過程中被冷凝和再蒸發(fā)之后被膨脹。在已經 被再蒸發(fā)之后，第二富氧蒸氣流在主熱交換器內被完全加熱、被壓縮并且至少部分地被再 循環(huán)回到氧氣管道中。至少一部分所述回流流作為所述回流的一部分被傳送到蒸餾塔中， 并且液氧流作為所述回流的另一部分被引入到蒸餾塔中，并且將致冷引入到低溫精餾過程 中。在另外一個實施方式中，管道氧氣流能被分成第一氧蒸氣流和第二氧蒸氣流。第一氧蒸氣流在主熱交換器內完全被冷卻、被引入到蒸餾塔中并且被精餾。第二氧蒸氣流在主熱 交換器內被壓縮并且被完全冷卻，并且接著在與蒸餾塔操作性地相關聯(lián)的再沸器中被冷凝 以產生用于蒸餾塔的沸騰。第二氧蒸氣流在冷凝器中在與第一富氧蒸氣流間接熱交換過程 中被冷凝和再蒸發(fā)之后被膨脹。在已經被再蒸發(fā)之后，第二氧蒸氣流在主熱交換器內被完 全加熱、被壓縮并且至少部分地被再循環(huán)回到氧氣管道中。至少一部分所述回流流作為用 于所述回流的一部分被傳送到蒸餾塔中，并且液氧流作為所述回流的另一部分被傳送到塔 中并且將致冷施加到低溫精餾過程中。
在本發(fā)明的任何一個實施方式中，回流流能在過冷器內在與液氧流間接熱交換過 程中被傳送，由此使回流流過冷(subcool)。在已經通過過冷器之后，液氧流被膨脹并且被 引入到蒸餾塔中?；亓髁鞯牡谝徊糠衷谝呀洷贿^冷之后作為用于蒸餾塔回流的一部分被傳 送至蒸餾塔中，并且在已經被過冷之后，回流流的第二部分從低溫精餾過程中被排出。
本發(fā)明還涉及一種用于產生富氪-氙流的設備。根據本發(fā)明的這個方面，低溫精 餾裝置被連接至氧氣管道。該裝置被構造成精餾在環(huán)境溫度下從氧氣管道去除的管道氧氣 流并且產生富氪-氙流。所述低溫精餾裝置具有被連接至氧氣管道的主熱交換器以便接收 管道氧氣流，并且被構造成使管道氧氣流冷卻至一溫度，該溫度處于或接近在被包含在管 道氧氣流中的氧蒸氣的露點溫度。蒸餾塔被連接至主熱交換器以便接收至少一部分管道 氧氣流，并且被構造成精餾所述至少一部分管道氧氣流以產生富氪-氙液態(tài)塔底產物和富 氧蒸氣塔頂產物。蒸餾塔設置有出口用于從蒸餾塔排出富氪-氙流，使得富氪-氙流由富 氪-氙液態(tài)塔底產物組成。冷凝器被連接至蒸餾塔，以便使由富氧蒸氣塔頂產物組成的第 一富氧蒸氣流冷凝并由此形成回流流，并且使至少一部分所述回流流作為回流返回到蒸餾 塔。蒸餾塔還被連接至主熱交換器，使得由富氧蒸氣塔頂產物組成的第二富氧蒸氣流在與 來自氧氣管道的管道氧氣流間接熱交換過程中被傳送，以便協(xié)助使管道氧氣流冷卻。主熱 交換器還被連接至氧氣管道使得第二富氧蒸氣流被再循環(huán)回到氧氣管道。也提供了一種用 于將致冷施加到低溫精餾裝置的機構。
在一個實施方式中，可以設置壓縮機來壓縮熱交換流，并且主熱交換器被連接至 壓縮機，用以接收已被壓縮后的熱交換流并且接著冷卻熱交換流。再沸器與蒸餾塔操作性 地相關聯(lián)以在蒸餾塔內產生沸騰，并且被連接至主熱交換器從而接收熱交換流并且使熱交 換流冷凝。冷凝器被連接至再沸器，并且被構造成通過與第一富氧蒸氣流間接熱交換而使 已被冷凝后的熱交換流蒸發(fā)，由此使第一富氧蒸氣流冷凝。主熱交換器被連接至冷凝器，并 且被構造成接收已被蒸發(fā)后的熱交換流并且部分加熱熱交換流。膨脹閥被定位在冷凝器和 再沸器之間以使已被冷凝后的熱交換流膨脹，并且致冷施加機構包括透平膨脹機，所述透 平膨脹機被連接至主熱交換器以接收已被部分加熱后的熱交換流并且使熱交換流膨脹，由 此產生排氣流。透平膨脹機被聯(lián)接至用于壓縮熱交換流的壓縮機，并且主熱交換器還被連 接至透平膨脹機并被構造成完全加熱主熱交換器內的排氣流以將致冷施加到低溫精餾裝 置。循環(huán)壓縮機被定位在壓縮機和熱交換器之間，以提升壓力并且使熱交換流再循環(huán)回到 壓縮機。
在另一個實施方式中，主熱交換器能被構造成使熱交換流冷卻。再沸器與蒸餾塔 操作性地相關聯(lián)以在蒸餾塔內產生沸騰，并且被連接至主熱交換器以便接收熱交換流并使 熱交換流冷凝。冷凝器被連接至再沸器并被構造成通過與第一富氧蒸氣流間接熱交換而使已被冷凝后的熱交換流蒸發(fā)，由此使第一富氧蒸氣流冷凝。膨脹閥被定位在冷凝器和再沸 器之間以使已被冷凝后的熱交換流膨脹，并且主熱交換器被連接至冷凝器并被構造成接收 已被蒸發(fā)后的熱交換流并且完全加熱熱交換流。循環(huán)壓縮機被連接至主熱交換器以接收已 被完全加熱后的熱交換流，以便使得熱交換流在壓力上被提升并且再循環(huán)回到主熱交換器 中以使熱交換流完全冷卻。致冷施加機構包括具有入口的蒸餾塔，所述入口被定位成接收 作為所述回流另一部分的液氧流。
在另一個實施方式中，蒸餾塔能被連接至主熱交換器，使得由一部分管道氧氣流 組成的第一氧蒸氣流被引入到蒸餾塔中并且被精餾。再沸器與蒸餾塔操作性地相關聯(lián)以產 生用于蒸餾塔的沸騰，并且被連接至主熱交換器使得由管道氧氣流的另一部分組成的第二 氧蒸氣流被引入到蒸餾塔中并且被冷凝。再沸器被連接至冷凝器，使得第二氧蒸氣流被引 入到冷凝器中并且通過與第一富氧蒸氣流的間接熱交換被再蒸發(fā)，由此使第一富氧蒸氣流 冷凝。多個膨脹閥被定位在主熱交換器和蒸餾塔之間，使得第一氧蒸氣流在被引入到蒸餾 塔之前并且在再沸器和冷凝器之間被膨脹，以便使得已被冷凝后的第二氧蒸氣流被膨脹。 壓縮機被連接在主熱交換器和氧氣管道之間，使得已被完全加熱后的第二氧蒸氣流被壓縮 回至管道壓力，并且至少部分地被再循環(huán)回到氧氣管道中。致冷施加機構包括具有入口的 蒸餾塔，所述入口被定位成接收作為所述回流另一部分的液氧流。
在另外一個實施方式中，主熱交換器和壓縮機被連接至氧氣管道，使得由一部分 管道氧氣流組成的第一氧蒸氣流在主熱換器內完全冷卻，并且使得由管道氧氣流的另一部 分組成的第二氧蒸氣流在壓縮機中被壓縮且在主熱交換器內完全冷卻。再沸器與蒸餾塔操 作性地相關聯(lián)以產生用于蒸餾塔的沸騰，蒸餾塔被連接至主熱交換器，以便使得第二氧蒸 氣流在再沸器中被冷凝。冷凝器被連接至再沸器，使得第二氧蒸氣流在通過與第一富氧蒸 氣流間接熱交換而已被冷凝之后被再蒸發(fā)。膨脹閥被定位在冷凝器和再沸器之間，以使在 再沸器中已被冷凝后的第二氧蒸氣流被閥膨脹(valve expand)。主熱交換器被連接至冷凝 器，以便使得已被再蒸發(fā)后的第二氧蒸氣流在主熱交換器內被完全加熱。另一個壓縮機被 定位在主熱交換器和氧氣管道之間以使第二氧蒸氣流被壓縮回至管道壓力，并且使第二氧 蒸氣流至少部分地再循環(huán)回到氧氣管道中。致冷施加機構包括具有入口的蒸餾塔，所述入 口被定位成接收作為所述回流另一部分的液氧流。在該實施方式中，冷凝器能被連接至蒸 餾塔，使得回流流的第一部分作為蒸餾塔回流的一部分被引入到蒸餾塔中。
在本發(fā)明的任一實施方式中，過冷器能被連接至冷凝器。過冷器被構造成接收回 流流和液氧流，使得回流流在過冷器內被過冷。過冷器被連接至蒸餾塔使得液氧流在已經 通過過冷器之后被引入到蒸餾塔中，回流流的第一部分被引入到蒸餾塔中，并且回流流的 第二部分從低溫精懼裝置被排放。另一個膨脹閥被定位在過冷器和蒸餾塔之間，使得液氧 流在引入到蒸餾塔中之前被閥膨脹。


盡管說明書以明確指出了申請人視為其發(fā)明的主題的權利要求結束，然而相信當 連同附圖時將會更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖1是被設計成實施依照本發(fā)明方法的設備的示意性工藝流程圖；圖2是圖1中所圖示設備的可替換實施方式的示意性工藝流程圖；圖3是被設計成實施依照本發(fā)明方法的設備的又一個可替換實施方式的示意性工藝 流程圖；以及圖4是圖3中所圖示設備的可替換實施方式的示意性工藝流程圖。
為了避免對各圖做不必要的重復解釋，相同的參考標號用于其具有相同描述的元 件。
具體實施方式
參考圖1，圖示了低溫精餾裝置1，其被設計成處理流過氧氣管道2的氧蒸氣，并 且由此產生能被進一步處理成產生氪和氙產物的富氪-氙流3?；隗w積百分比，流過氧 氣管道2的流的通常組成部分如下氧氣0. 9950-0. 9995 ;氬氣0. 0050-0. 0005 ;氮氣O.O ;氪氣1. 6-6.1ppm ；以及氙氣0. 12-0. 46ppm。富氪-氙流3將具有下列組成部分: 氧氣0. 9950-0. 9995 ;氬氣0. 0050-0. 0005 ;氮氣0. O ;氪氣150-2600ppm ;以及氙氣: 100-400ppm。低溫精懼裝置I將被構建成對現(xiàn)有的空氣分離裝置裝備(installation)的 改型，在其中借助于氧氣管道2使由該裝置所產生的氧氣路由(route)到使用該氧氣的應 用中。
氧氣管道流10在環(huán)境溫度下從氧氣管道2去除，并且由流過氧氣管道2的氧蒸氣 組成。氧氣管道流10被引入到主熱交換器12中，以使氧氣管道流10冷卻至處于或接近其 露點的溫度。主熱交換器12可由已知的煤粉招(braised aluminum)板翅式結構組成。
接著將生成的被冷卻的氧氣管道流10引入到用于精餾的蒸餾塔14中。盡管未圖 示，蒸餾塔14設置有填料(packing)、或結構化的或任意的或兩種類型結合的填料、或可能 的篩板，以便當氪和氙變得較貧瘠的上升氣相上升時與其接觸，并且當氪和氙變得較富集 的下降液相在該塔中下降時與其接觸。結果，在蒸餾塔14的底部產生了富氪-氙塔底產物， 并且在蒸餾塔14的頂部產生了富氧蒸氣塔頂產物。
蒸餾塔14設置有出口 16以排出富氪-氙流3。冷凝器18被連接至蒸餾塔14的 頂部，以便使由富氧蒸氣塔頂產物組成的第一富氧蒸氣流20冷凝。冷凝產生了回流流22， 其如將要描述地至少部分地被再引入到蒸餾塔14中作為回流。也將蒸餾塔14連接至主熱 交換器12，使得第二富氧蒸氣流24在與管道氧氣流10間接熱交換過程中被傳送來協(xié)助管 道氧氣流10的冷卻。第二富氧蒸氣流24作為熱流26接著被再循環(huán)回到氧氣管道2。
盡管在低溫精餾裝置I中，可以將回流流22整體地引入到蒸餾塔24的頂部中，但 是能使其在過冷單元28中被有利地過冷?；亓髁?2的第一部分30作為用于該塔的回流 部分被引入到蒸餾塔14的頂部中?；亓髁?2的第二部分32作為過冷的、氪和氙耗盡的液 氧流從過冷單元14中被排出。過冷單元28的熱交換職責由液氧流34提供，液氧流34在 通過過冷單元28之后在膨脹閥36中被膨脹至蒸餾塔14的壓力，并且接著作為用于蒸餾塔 14的回流的余下部分被引入。
液氧流34可以從產生氧蒸氣以供給氧氣管道2的同一裝備中獲得。在這一點上， 液氧流34從之后被蒸發(fā)并供給至氧氣管道2中的被泵送的流得到。照此，在圖示的實施方 式中，塔壓在壓力上減少。然而，如果能在較低壓力下獲得，就不一定需要膨脹?；亓髁?2 的部分32能被再引入到空氣分離裝置中或者可能回到氧氣管道2。盡管在低溫精餾裝置 I中是可選的，但使用液氧流34是有利的，這在于它允許將這樣的液氧內的氪和氙進行回收，并且進一步地，這樣的流也提供了低溫蒸餾裝置I的一些致冷負載。
低溫精餾裝置I被設計成獨立式裝置，并且照此也被設計成產生其自身的致冷。 這在使用了氮氣或合適的流體作為熱交換流體的熱泵回路中完成。通過壓縮機40將熱交 換流38壓縮。在借助于后冷卻機42將壓縮熱量去除之后，熱交換流在主熱交換器12中被 冷卻以產生被冷卻的熱交換流44。位于蒸餾塔14的底部中的再沸器46被連接至主熱交換 器12，以接收被冷卻的熱交換流44并在蒸餾塔14內產生沸騰，并且由此開始從被蒸發(fā)的富 氪-氙液態(tài)塔底產物形成上升氣相。這使被冷卻的熱交換流44冷凝，并且因此產生了被冷 凝的熱交換流48。被冷凝的熱交換流48接著通過膨脹閥50以使該流冷卻，并且因此使第 一富氧蒸氣流20冷凝。這使熱交換流再蒸發(fā)來產生被再蒸發(fā)的熱交換流52，被再蒸發(fā)的熱 交換流52在主熱交換器12內被部分加熱，并且接著被引入到透平膨脹機54中以產生排氣 流56。如在本文中和在權利要求中所使用的，術語“部分加熱”在這樣的上下文中意味著加 熱到主熱交換器12的熱端溫度和冷端溫度之間的溫度。通過加熱主熱交換器12中的排氣 流56來施加致冷。排氣流接著被引入到循環(huán)壓縮機58中，并且在后冷卻機60內進行冷卻 之后作為熱交換流38再循環(huán)回到壓縮機40。也可以將用于熱交換流體的補充作為補充流 62引入來替換由于泄露而損失的熱交換流體。如可以認識到的，熱交換流的壓縮代表了能 量支出和損失。如果用于裝置的部分致冷需求是由液氧流34提供，那么能減少這種能量損 失。
參考圖2，圖示了低溫精餾裝置2，其是低溫精餾裝置I的可替換實施方式。不同 于低溫精餾裝置1，低溫精餾裝置2沒有被設計成獨立式，并且因此未設置自我生成致冷的 機構。然而，它部署了熱交換環(huán)路，在其中熱交換流在主熱交換器12’中被冷卻，主熱交換器 12’與主熱交換器12的區(qū)別在于它沒有設置通道來部分加熱被再蒸發(fā)的熱交換流52。生 成的冷卻熱交換流44被再次引入到再沸器46中并被冷凝以產生被冷凝的熱交換流48’， 被冷凝的熱交換流48’在通過膨脹閥50之后被再蒸發(fā)以產生被再蒸發(fā)的熱交換流52。被 再蒸發(fā)的熱交換流52在主熱交換器12’內被加熱以產生熱交換流12’以產生被再引入到 壓縮機58中的加熱的熱交換流64。通過液氧流34將致冷單獨施加到低溫精餾裝置中。在 這一點上，在沒有使回流流22過冷的情況下可以將液氧流34直接引入到蒸餾塔14中，并 且可以將回流流整體地引入到蒸餾塔14中。
參考圖3，圖示了本發(fā)明的另外一個實施方式，其并入了低溫精餾裝置3。低溫精 餾裝置3如同低溫精餾裝置2沒有被設計成自立式，并且照此由液氧流34進行外部致冷。 然而，精餾不是通過熱泵回路驅動，而是相反地通過管道氧氣流10驅動。在這一點上，在提 供氧氣管道2的空氣分離裝置中產生的氧氣將在高于以上所討論實施方式約15psi處被壓 縮或提供。管道氧氣流10在主熱交換器12’ ’中被冷卻，假定主熱交換器12或12’不包含 再循環(huán)的熱交換流，那么主熱交換器12’ ’具有比主熱交換器12或12’更少的熱交換通道。 被冷卻的管道氧氣流被分成第一氧蒸氣流70和第二氧蒸氣流72。第一氧蒸氣流70在膨脹 閥74中被閥膨脹、被引入到蒸餾塔14中并被精餾。第二氧蒸氣流72被引入到再沸器46 中并被冷凝。生成的被冷凝的氧蒸氣流76接著通過膨脹閥78在壓力上減少并且被引入到 冷凝器18中，在冷凝器18中它在回流的產生過程中被再蒸發(fā)。壓力上的減少使被冷凝的 氧蒸氣流76的溫度降低，以便使它能操作以使得用于蒸餾塔14的回流冷凝。采用類似方 式，第一氧蒸氣流70在壓力上減少使其溫度降低，以便使第二氧蒸氣流72能在再沸器46中被冷凝。
被再蒸發(fā)的氧蒸氣流80在主熱交換器12’ ’內被加熱、被壓縮回到壓縮機82中的管道壓力。在將后冷卻機84中的壓縮熱量去除之后，將生成的第一被壓縮的氧蒸氣流86 再引入到氧氣管道2中?？蛇x地，假定第二被壓縮的氧蒸氣流88具有能被回收的氪和氙的含量，該流能被再循環(huán)回到管道氧氣流10。
圖4圖示了低溫精餾裝置4，其是低溫精餾裝置3的可替換實施方式。在低溫精餾裝置4中，管道氧氣流10在主熱交換器12’ ’ ’之前被分成第一氧蒸氣流70’和第二氧蒸氣流72’。第一氧蒸氣流70’在主熱換器12’ ’ ’內被冷卻，并且接著被引入到用于精餾的蒸餾塔14中。第二氧蒸氣流72’通過壓縮機90被壓縮并且在將后冷卻機92中的壓縮熱量去除之后被冷卻，如同被壓縮的氧蒸氣流94。顯然，在這樣的實施方式中，不是所有的氧氣需要被壓縮至較高的壓力以便驅動蒸餾，如在低溫精餾裝置3中的情形。
被壓縮的氧蒸氣流94在主熱交換器12’ ’ ’中進行冷卻之后被引入到再沸器46中以形成被冷凝的氧蒸氣流48’ ’。被冷凝的氧蒸氣流48’ ’在冷凝器18內被再蒸發(fā)，同時使回流冷凝以形成被再蒸發(fā)的氧蒸氣流80。低溫精餾裝置4除此之外以與低溫精餾裝置3相同的方式運行。
在以上所圖示的任何一個實施方式中，可以將富氪-氙流3在現(xiàn)場和接近以上所討論的任何一個低溫精餾裝置處進行進一步處理，以便減少必須被輸送用于最終處理來產生氪和氙產物的液體量。這將通過蒸發(fā)富氪-氙流并且接著使該流經受催化氧化來進行， 跟隨催化氧化的是去除二氧化碳和水蒸氣。生成的干燥流將接著被冷卻并且在配有充足階段(stage)的蒸懼塔中被蒸懼，以便將富氪-氣流3中氪的濃度從340ppm增加至55%且氣的濃度從260ppm增加至43%并且具有1%的氧雜質。可以通過一部分被冷凝的熱傳遞流體 48來提供該塔的致冷需求。
以下表是圖1中所圖示本發(fā)明的實施方式的一個計算實例，圖1圖示了在低溫精餾裝置I內流動的各種流的流概覽以及熱量和質量平衡。
權利要求
1.一種產生富氪-氣流的方法,其包括 將包含有氧蒸氣的管道氧氣流在環(huán)境溫度下從氧氣管道去除；以及將所述管道氧氣流引入到低溫精餾過程中以產生所述富氪-氙流，所述低溫精餾過程包括 將所述管道氧氣流冷卻至一溫度，該溫度處于或接近被包含在所述管道氧氣流中的所述氧蒸氣的露點溫度； 在已經被冷卻之后，將至少一部分所述管道氧氣流在蒸餾塔中精餾，以產生富氪-氙液態(tài)塔底產物； 從所述蒸餾塔排出所述富氪-氙流，所述富氪-氙流由富氪-氙液態(tài)塔底產物組成；以及 將致冷施加到所述低溫精餾過程中。
2.根據權利要求1所述的方法，其中 所述管道氧氣流在主熱交換器中被冷卻； 所述管道氧氣流的精餾產生了富氧蒸氣塔頂產物； 由所述富氧蒸氣塔頂產物組成的富氧蒸氣流從所述蒸餾塔去除，并且被分成第一富氧蒸氣流和第二富氧蒸氣流； 所述第一富氧蒸氣流在冷凝器中被冷凝以產生回流流； 至少一部分所述回流流作為回流被引入到所述蒸餾塔中； 所述第二富氧蒸氣流在所述主熱交換器中在與來自所述氧氣管道的所述管道氧氣流間接熱交換過程中被傳送，以便協(xié)助使所述管道氧氣流冷卻；并且所述第二富氧蒸氣流被再循環(huán)回到所述氧氣管道。
3.根據權利要求2所述的方法，其中 熱交換流在所述主熱交換器內被壓縮并且接著被冷卻； 所述熱交換器在與所述蒸餾塔操作性地相關聯(lián)的再沸器中被冷凝，以在所述蒸餾塔內產生沸騰； 在已經被冷凝之后，所述熱交換流在壓力上減少并且在所述冷凝器中在與所述第一富氧蒸氣流間接熱交換過程中被蒸發(fā)，由此使所述第一富氧蒸氣流冷凝； 所述熱交換流在已經被蒸發(fā)之后在所述主熱交換器內被部分加熱，并且接著在透平膨脹機中被膨脹以產生排氣流； 所述透平膨脹機被聯(lián)接到用于壓縮所述熱交換流的壓縮機；并且所述排氣流在所述主熱交換器內被完全加熱以將所述致冷施加到所述低溫精餾過程，并且被再循環(huán)回到所述壓縮機。
4.根據權利要求3所述的方法，其中 所述回流流在過冷器內通過與液氧流間接熱交換而被過冷； 在已經被過冷之后，所述回流流的第一部分作為所述蒸餾塔的回流的一部分被引入到所述蒸餾塔中；并且 所述液氧流在膨脹閥中被閥膨脹，并且作為用于所述蒸餾塔的回流的另一部分被引入到所述蒸餾塔中。
5.根據權利要求2所述的方法，其中熱交換流在所述主熱交換器內被冷卻； 所述熱交換流在位于所述蒸餾塔內的再沸器中被冷凝以在所述蒸餾塔內產生沸騰；在已經被冷凝之后，所述熱交換流在所述冷凝器中在與所述第一富氧蒸氣流間接熱交換過程中被蒸發(fā)，由此使所述第一富氧蒸氣流冷凝； 所述熱交換流在已經被蒸發(fā)之后在所述主熱交換器內被完全加熱，并且接著被再循環(huán)回到所述主熱交換器； 至少一部分所述回流流作為所述蒸餾塔的回流的一部分被引入到所述蒸餾塔中；以及液氧流被引入到所述蒸餾塔中以提供用于所述蒸餾塔的回流的另一部分，并且將所述致冷施加到所述低溫精餾過程中。
6.根據權利要求2所述的方法，其中 所述管道氧氣流在所述主熱交換器中已經被冷卻之后被分成第一氧蒸氣流和第二氧蒸氣流； 所述第一氧蒸氣流被膨脹并引入到所述蒸餾塔中并且被精餾； 所述第二氧蒸氣流在與所述蒸餾塔操作性地相關聯(lián)的再沸器中被冷凝，以產生用于所述蒸餾塔的沸騰； 所述第二氧蒸氣流在所述冷凝器中在與所述第一富氧蒸氣流間接熱交換過程中已經被冷凝和再蒸發(fā)之后被膨脹； 所述第二氧蒸氣流在已經被再蒸發(fā)之后在所述主熱交換器內被完全加熱、被壓縮并且至少部分地被再循環(huán)回到所述氧氣管道中； 至少一部分所述回流流作為所述回流的一部分被傳送到所述蒸餾塔中；并且液氧流作為所述回流的另一部分被引入到所述蒸餾塔中，并且將所述致冷引入到所述低溫精餾過程中。
7.根據權利要求2所述的方法，其中 所述管道氧氣流被分成第一氧蒸氣流和第二氧蒸氣流； 所述第一氧蒸氣流在所述主熱交換器內被完全冷卻、被引入到所述蒸餾塔中并且被精懼; 所述第二氧蒸氣流在所述主熱交換器內被壓縮并且被完全冷卻，并且接著在與所述蒸餾塔操作性地相關聯(lián)的再沸器中被冷凝，以產生用于所述蒸餾塔的沸騰； 所述第二氧蒸氣流在所述冷凝器中在與所述第一富氧蒸氣流間接熱交換過程中已經被冷凝和再蒸發(fā)之后被膨脹； 所述第二氧蒸氣流在已經被再蒸發(fā)之后在所述主熱交換器內被完全加熱、被壓縮并且至少部分地被再循環(huán)回到所述氧氣管道中； 至少一部分所述回流流作為用于所述蒸餾塔的回流的一部分被傳送到所述蒸餾塔中；并且 液氧流作為所述回流的另一部分被傳送到所述塔中，并且將所述致冷施加到所述低溫精餾過程中。
8.根據權利要求5或權利要求6或權利要求7所述的方法，其中 所述回流流在過冷器內在與所述液氧流間接熱交換過程中被傳送，由此使所述回流流過冷；所述液氧流在已經通過所述過冷器之后被膨脹并且被引入到所述蒸餾塔中； 所述回流流的第一部分在已經被過冷之后作為用于所述蒸餾塔的回流的一部分被傳送至所述蒸餾塔中；并且 在已經被過冷之后，所述回流流的第二部分從所述低溫精餾過程被排出。
9.一種用于產生富氪-氣流的設備，其包括 低溫精餾裝置，其被連接至氧氣管道，并且被構造成精餾在環(huán)境溫度下從氧氣管道去除的管道氧氣流并且產生所述富氪-氙流； 所述低溫精餾裝置包括 主熱交換器，其被連接至所述氧氣管道以便接收所述管道氧氣流，所述主熱交換器被構造成使所述管道氧氣流冷卻至一溫度，該溫度處于或接近被包含在所述管道氧氣流中的氧蒸氣的露點溫度； 蒸餾塔，其被連接至所述主熱交換器以便接收至少一部分所述管道氧氣流，所述蒸餾塔被構造成精餾所述至少一部分所述管道氧氣流以產生富氪-氙液態(tài)塔底產物和富氧蒸氣塔頂產物，并且所述蒸餾塔具有出口以便從所述蒸餾塔排出所述富氪-氙流，使得所述富氪-氙流由所述富氪-氙液態(tài)塔底產物組成；冷凝器，其被連接至所述蒸餾塔，以便使由所述富氧蒸氣塔頂產物組成的第一富氧蒸氣流冷凝并由此形成回流流，并且使至少一部分所述回流流作為回流返回到所述蒸餾塔；所述蒸餾塔還被連接至所述主熱交換器，使得由所述富氧蒸氣塔頂產物組成的第二富氧蒸氣流在與來自所述氧氣管道的所述管道氧氣流間接熱交換過程中被傳送，以便協(xié)助使所述管道氧氣流冷卻； 所述主熱交換器還被連接至所述氧氣管道，使得所述第二富氧蒸氣流被再循環(huán)回到所述氧氣管道；以及 用于將致冷施加到所述低溫精餾裝置的機構。
10.根據權利要求9所述的設備，其中 壓縮機壓縮熱交換流； 所述主熱交換器被連接至所述壓縮機，以便接收已被壓縮后的所述熱交換流并且接著冷卻所述熱交換流； 再沸器與所述蒸餾塔操作性地相關聯(lián)以在所述蒸餾塔內產生沸騰，所述再沸器被連接至所述主熱交換器從而接收所述熱交換流并且使所述熱交換流冷凝； 所述冷凝器被連接至所述再沸器，并且被構造成使通過與所述第一富氧蒸氣流間接熱交換而已被冷凝后的所述熱交換流蒸發(fā)，由此使所述第一富氧蒸氣流冷凝； 所述主熱交換器被連接至所述冷凝器，并且被構造成接收已被蒸發(fā)后的所述熱交換流并且部分加熱所述熱交換流； 膨脹閥被定位在所述冷凝器和所述再沸器之間，以使已被冷凝后的所述熱交換流膨脹； 所述致冷施加機構包括透平膨脹機，所述透平膨脹機被連接至所述主熱交換器以接收已被部分加熱后的所述熱交換流并且使所述熱交換流膨脹，由此產生排氣流，所述透平膨脹機被聯(lián)接至用于壓縮所述熱交換流的所述壓縮機，并且所述主熱交換器還被連接至所述透平膨脹機并被構造成在所述主熱交換器內完全加熱所述排氣流以將所述致冷施加到所述低溫精餾裝置；并且 循環(huán)壓縮機被定位在所述壓縮機和所述熱交換器之間，以提升壓力并且使所述熱交換流再循環(huán)回到所述壓縮機。
11.根據權利要求10所述的設備，其中 過冷器被連接至冷凝器并且被構造成接收所述回流流和液氧流，使得所述回流流在所述過冷器內被過冷； 所述過冷器被連接至所述蒸餾塔使得所述液氧流在已經通過所述過冷器之后被引入到所述蒸餾塔中，所述回流流的第一部分被引入到所述蒸餾塔中，并且所述回流流的第二部分從所述低溫精餾裝置被排放；并且 另一個膨脹閥被定位在所述過冷器和所述蒸餾塔之間，使得所述液氧流在引入到所述蒸餾塔中之前被閥膨脹。
12.根據權利要求9所述的設備，其中 所述主熱交換器被構造成使熱交換流冷卻； 再沸器與所述蒸餾塔操作性地相關聯(lián)以在所述蒸餾塔內產生沸騰，所述再沸器被連接至所述主熱交換器以便接收所述熱交換流并且使所述熱交換流冷凝； 所述冷凝器被連接至所述再沸器，并且被構造成使通過與所述第一富氧蒸氣流間接熱交換而已被冷凝后的所述熱交換流蒸發(fā)，由此使所述第一富氧蒸氣流冷凝； 膨脹閥被定位在所述冷凝器和所述再沸器之間，以使已被冷凝后的所述熱交換流膨脹； 所述主熱交換器被連接至所述冷凝器，并且被構造成接收已被蒸發(fā)后的所述熱交換流并且完全加熱所述熱交換流； 循環(huán)壓縮機被連接至所述主熱交換器以接收已被完全加熱后的所述熱交換流，以便使得所述熱交換流在壓力上被提升并且再循環(huán)回到所述主熱交換器中以使所述熱交換流完全冷卻；并且 所述致冷施加機構包括具有入口的蒸餾塔，所述入口被定位成接收作為所述回流另一部分的液氧流。
13.根據權利要求9所述的方法，其中 所述蒸餾塔被連接至所述主熱交換器，使得由一部分所述管道氧氣流組成的第一氧蒸氣流被引入到所述蒸餾塔中并且被精餾； 再沸器與所述蒸餾塔操作性地相關聯(lián)以產生用于所述蒸餾塔的沸騰，所述再沸器被連接至所述主熱交換器使得由所述管道氧氣流的另一部分組成的第二氧蒸氣流被引入到所述蒸餾塔中并且被冷凝； 所述再沸器被連接至所述冷凝器，使得所述第二氧蒸氣流被引入到所述冷凝器中并且通過與第一富氧蒸氣流的間接熱交換被再蒸發(fā)，由此使所述第一富氧蒸氣流冷凝； 多個膨脹閥被定位在所述主熱交換器和所述蒸餾塔之間，使得所述第一氧蒸氣流在被引入到所述蒸餾塔之前并且在所述再沸器和所述冷凝器之間被膨脹，以便使得已被冷凝后的所述第二氧蒸氣流被膨脹； 所述主熱交換器被連接至所述冷凝器，使得已被再蒸發(fā)后的所述第二氧蒸氣流在所述主熱交換器內被完全加熱；壓縮機被連接在所述主熱交換器和所述氧氣管道之間，使得已被完全加熱后的所述第二氧蒸氣流被壓縮回至管道壓力并且至少部分地被再循環(huán)回到所述氧氣管道中；并且所述致冷施加機構包括具有入口的蒸餾塔，所述入口被定位成接收作為所述回流另一部分的液氧流。
14.根據權利要求9所述的設備，其中 所述主熱交換器和壓縮機被連接至所述氧氣管道，使得由一部分所述管道氧氣流組成的第一氧蒸氣流在所述主熱換器內完全冷卻，并且使得由所述管道氧氣流的另一部分組成的第二氧蒸氣流在所述壓縮機中被壓縮并且在所述主熱交換器內完全冷卻； 再沸器與所述蒸餾塔操作性地相關聯(lián)以產生用于所述蒸餾塔的沸騰，所述蒸餾塔被連接至所述主熱交換器，以便使得所述第二氧蒸氣流在所述再沸器中被冷凝； 所述冷凝器被連接至所述再沸器，使得所述第二氧蒸氣流在通過與所述第一富氧蒸氣流間接熱交換而已經被冷凝之后被再蒸發(fā)； 膨脹閥被定位在所述冷凝器和所述再沸器之間，以使已經在所述再沸器中被冷凝之后的所述第二氧蒸氣流被閥膨脹； 所述主熱交換器被連接至所述冷凝器，使得所述第二氧蒸氣流在已經被再蒸發(fā)之后在所述主熱交換器內被完全加熱； 另一個壓縮機被定位在所述主熱交換器和所述氧氣管道之間以使所述第二氧蒸氣流被壓縮回至管道壓力，并且使所述第二氧蒸氣流至少部分地再循環(huán)回到所述氧氣管道中；并且 所述致冷施加機構包括具有入口的蒸餾塔，所述入口被定位成接收作為所述回流另一部分的液氧流。
15.根據權利要求12或權利要求13或權利要求14所述的方法，其中 過冷器被連接至冷凝器并且被構造成接收所述回流流和所述液氧流，使得所述回流流在所述過冷器內被過冷； 所述過冷器被連接至所述蒸餾塔使得所述液氧流在已經通過所述過冷器之后被引入到所述蒸餾塔中，所述回流流的第一部分被引入到所述蒸餾塔中，并且所述回流流的第二部分從所述低溫精餾裝置被排放；并且 另一個膨脹閥被定位在所述過冷器和所述蒸餾塔之間，使得所述液氧流在引入到所述蒸餾塔中之前被閥膨脹。
全文摘要
一種用于產生富氪-氙流的方法和設備，其中將管道氧氣流在環(huán)境溫度下從氧氣管道去除，并且接著在低溫精餾裝置中進行蒸餾以便從蒸餾塔的塔底產物產生富氪-氙流。所述裝置通過并入了膨脹機的熱泵回路能生成其自身的致冷，或者可替換地借助于被引入到該蒸餾塔頂部中的液氧回流流能加入致冷。
文檔編號F25J3/04GK103038589SQ201080063029
公開日2013年4月10日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權日2009年12月2日
發(fā)明者D.R.帕斯尼克, N.M.普羅塞爾, I.伊赫吉里卡 申請人:普萊克斯技術有限公司