專利名稱:采用低溫與非低溫分離工藝相結(jié)合從合成氨裝置氫貧化吹掃氣中回收氬的制作方法
用空分裝置經(jīng)濟地生產(chǎn)氬是與生產(chǎn)等量的氮和/或氧相聯(lián)系的。近年來，對氬需求量的增長速率較之氮或氧的相應(yīng)增長率快得多，因此其他可供選擇的氬的來源已引起人們十分關(guān)注，而合成氨裝置中的吹掃氣體則是其中一個來源。
在合成氨裝置中，必須清除一小部分氣流，以使惰性氣體濃度保持在規(guī)定的水平以下。不希望有的高濃度惰性氣體將降低反應(yīng)物分壓，并引起氨合成反應(yīng)的平衡朝不利的方向移動。甲烷和氬是令人關(guān)切的惰性氣體。壓力約1900磅/英寸2(表壓)的氨吹掃氣的典型組成如下60.5% H2、20% N2、4.5% Ar、13% CH4和2%NH3。
鑒于氨合成過程的能耗較大，從經(jīng)濟角度來看，回收吹掃氣體中的氫，并使之再循環(huán)到氨合成回路中是有利的。目前，不外乎使用三種方法來達到這一目的，即隔膜分離、低溫分離和壓力交(替)變(化)吸附分離(Pressure swing adsorption seperation)。事實上，隔膜分離器已非常普遍地用于氫的回收和再循環(huán)，美國及其他國家中的一些合成氨裝置已安裝了氫隔膜分離器設(shè)備。
從合成氨裝置吹掃氣體中回收氬的現(xiàn)有技術(shù)并未與上述氫隔膜分離器進行最佳的結(jié)合，而是采用了一種低溫工藝，后者包括一個去除氨的預(yù)處理段和三個連續(xù)的分離塔。在這類常規(guī)設(shè)計中，前面兩個塔用于脫除原料氣中的氫和氮，最后一個塔用于分離氬和甲烷，以得到純液氬產(chǎn)品和用作燃料的純甲烷。
本發(fā)明的主要目的是提供一種從合成氨裝置吹掃氣體中回收氬的改進方法。本發(fā)明的另一個目的是提供一種將非低溫分離步驟和低溫分離步驟有效地結(jié)合，以從非滲透氣流中膜后回收氬的方法。而本發(fā)明的再一個目的是提供一種PSA系統(tǒng)，以從離開合成氨裝置的吹掃氣中除去甲烷。
在本發(fā)明的以下描述中，所用的術(shù)語“壓力交變吸附”或其縮略語“PSA”系涉及一種目前熟知的，并廣泛使用的有關(guān)從氣體混合物中分離某些組分的一種方法或裝置。壓力交變吸附系統(tǒng)大體上包括使原料氣混合物通過一個或多個充填分子篩的吸附床，所述的分子篩對氣體混合物中被較強地吸附的組分較之較弱吸附的組分有更高的選擇性。在典型的雙床壓力交變吸附系統(tǒng)運行中，連接管道、閥門和(自動)定時器等均按下述方式配合和布置;即當(dāng)?shù)谝粋€床進行吸附操作時，則第二個床正在進行再生。在通常循環(huán)中，有關(guān)每個床的相繼步驟包括床增壓、產(chǎn)品釋放和排氣。美國專利2，944，627、3，801，513和3，960，522中對基本的壓力交變吸附系統(tǒng)進行了描述。
1983年11月5日公布的美國專利4，415，340和1982年7月20日公布的美國專利4，340，398等文獻中已對基本的壓力交變吸附系統(tǒng)的方法和裝置的各種變更和改進進行了描述。
本發(fā)明不限于用任何特定的壓力交變吸附系統(tǒng)的方法或裝置設(shè)計。以下將詳細列舉一種具有較高氬產(chǎn)額的具體設(shè)計。
業(yè)已研制出一種新的改進方法，以用于從合成氨裝置所產(chǎn)生的吹掃氣流中回收氬。該法采用非低溫工藝與低溫工藝相結(jié)合的方式。其中非低溫工藝包括壓力交變吸附單元，后者既可去除大部分氮，又可對甲烷進行必要的去除。
合成氨裝置的吹掃氣流包括氫、氮、氬、甲烷和氨。這種吹掃氣流通常需經(jīng)受氨吸收處理，和用第一級隔膜分離其中的氫，并使氫再循環(huán)到合成氨裝置中。按照本發(fā)明的第一個實施例，來自第一級隔膜分離器，并包含上述四種組分及氨吸收過程中殘余水分的氫貧化的非滲透氣流經(jīng)受下述步驟的處理(1)在使用分子篩或活性碳的壓力交變吸附系統(tǒng)內(nèi)分離氣流中甲烷、殘余水分和大部分氮氣。
(2)在第二級隔膜分離器中分離大部分氫。分離得到的氫氣可用作第一步壓力交變吸附系統(tǒng)再生用的吹掃氣。
(3)通過低溫蒸餾分離氮氣和殘留的氫氣，以得到基本上純粹的液氬產(chǎn)物。
本發(fā)明的第二個實施例包括下列步驟(1)使膜后吹掃氣通過壓力交變吸附系統(tǒng)，以分離去除原料氣中全部甲烷和殘留水分，以及大部分氮氣。
(2)用蒸餾單元(或裝置)的低溫廢氣預(yù)冷壓力交變吸附系統(tǒng)氣體產(chǎn)物，并使之可選擇地膨脹到所需的低壓，然后讓其通過低溫蒸餾單元。在單級塔中，塔底產(chǎn)物為純液氬，而餾出物或塔頂產(chǎn)物是氫氮混合物。餾出物經(jīng)與壓力交變吸附系統(tǒng)產(chǎn)物進行熱交換后，可作為該吸附系統(tǒng)再生用的吹掃氣。
在第三個實施例中，采用壓力交變循環(huán)，用金屬氫化物分離非滲透氣流中氫。用來分離氫的氫化物，可與甲烷、氮氣分離用的分子篩合并在一個單級的壓力交變吸附單元中。
該技術(shù)領(lǐng)域：
的熟練人員將會意識到，雖然以上三個實施例所述的方法均涉及膜后吹掃氣，但本發(fā)明亦可適合處理這些用來回收合成氨裝置中的氫，并使之再循環(huán)的壓力交變吸附單元或低溫單元(而不是隔膜分離器)所產(chǎn)生的廢氣。在這種情況下，應(yīng)對此法作兩點較小的變動。首先，應(yīng)將原料氣壓縮到所需的壓力交變吸附操作壓力;其次，若原料氣中存在氨，則需對PSA的甲烷分離方法作適當(dāng)變動，以能同時除去氨。
與已有技術(shù)的三級低溫氬回收法相比較，本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點。通過采用氣相甲烷分離大大減低了投資和運行費用。事實上，從合成氨裝置排出的高壓吹掃氣可用來提供非低溫分離所需的大部分或全部能量。而且，作為進一步節(jié)能措施，有可能使高壓吹掃氣流通過渦輪機，以提供低溫分離所需的冷卻。此外，本法所使用的小型緊湊裝置便于搬動，因此遍布在很寬地域范圍內(nèi)的為數(shù)眾多的合成氨廠的吹掃氣均可十分迅速地引出，而加以分離，以滿足日益增長的氬需求量。最后，本發(fā)明中分離甲烷的壓力交變吸附單元也執(zhí)行去除微量水分和氨的功能;而已有技術(shù)的低溫氬回收法一般需要一個獨立的吸附單元，以完成此功能。
以下將對照附圖，并通過具體例子而描述本發(fā)明的方法和裝置。
參照下文中結(jié)合以下附圖對本發(fā)明之典型實施例所作的描述，以便更清楚地理解本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明第一個實施例的方塊圖，涉及從多組分氣流中回收氬。
圖2是本發(fā)明另一實施例的工藝流程示意圖，用以處理含氫的壓力交變吸附廢氣。
圖3是壓力交變吸附單元(或裝置)一種可能的布置簡圖，圖中表明了閥門位置和輔助設(shè)備。
圖4是定時圖，圖中說明對應(yīng)于圖3所示布置方式的壓力交變吸附單元運行的整個循環(huán)順序。
氨吸收器和氫(氣)隔膜分離器通常處理合成氨裝置排出的吹掃氣。茲以Monsanto的PRISMR隔膜分離器系統(tǒng)為例，氫隔膜分離器是該技術(shù)領(lǐng)域：
中眾所周知的用以處理合成氨裝置的吹掃氣，以獲得可進行再循環(huán)的氫氣。參照用以說明本發(fā)明第一個實施例的圖1，來自氫隔膜分離器的非滲透氣流1包括氬、氫、甲烷和氮氣。
所說非滲透氣體的組成(體積比)一般在下述范圍內(nèi)7-20%氫、6-12%氬、45-54%氮和25-33%甲烷。該技術(shù)領(lǐng)域：
的熟練人員將會意識到，本發(fā)明也適用于在上述組成范圍以外的原料氣。
根據(jù)本發(fā)明，使非滲透原料氣流1通過壓力交變吸附單元2，以分離得到包括大部分氮和基本上全部甲烷的氣流3。這種含有甲烷的氣流3可用作合成氨裝置中主轉(zhuǎn)化爐的燃料。然后使壓力交變吸附的產(chǎn)品氣流4通過隔膜分離器5，以除去大部分氫。分離得到的含氫氣流6可用作壓力交變吸附單元2再生用的吹掃氣、也可作為燃料或使其再循環(huán)到合成氨回路中。最好用低溫廢氣流9預(yù)冷含有氬及殘余量氫和氮的產(chǎn)品氣流7a，也可使之再在渦輪機中膨脹，以進一步冷卻。接著在低溫蒸餾單元8中處理冷卻氣流7b，以產(chǎn)生基本上純粹的液態(tài)氬，即產(chǎn)品流10。殘余量的氫和氮作為餾出物流9從低溫蒸餾單元中排出。
餾出物流9可用于預(yù)冷原料氣流1，其后并可用作壓力交變吸附單元2再生用的吹掃氣。帶有作為熱(力)泵之熱阱的再沸塔的循環(huán)冷凍回路中的液氮可適當(dāng)?shù)靥峁┱麴s單元8的回流。也可將液氮貯存在罐內(nèi)，然后在一定的計量流量下循環(huán)，以提供回流。氮蒸氣可被送入合成氨裝置的空氣壓縮機。由氮蒸氣所提供的少量冷卻將導(dǎo)致空氣吸入裕量增加，有利于改善壓縮機運行。
在第二個實施例中，來自壓力交變吸附單元的產(chǎn)品氣流可直接在低溫蒸餾單元中進行處理。在單個塔中，純氬可作為塔底產(chǎn)物得到，而氫和氮的混合物則進入餾出物流中。如前所述，這種餾出物流可用來冷卻該塔的原料氣，并且其后可用作壓力交變吸附甲烷再生用的吹掃氣。
參照圖2，本發(fā)明的第三個實施例包括將金屬氫化物材料摻入壓力交變吸附單元的分子篩床層中，而代替所說吸附單元后的氫隔膜分離器，以在除去甲烷和氮的同時，一并除去氫。
在該實施例中，合成氨裝置的吹掃氣流11不是進入氫隔膜分離器，而是進入氫壓力交變吸附單元12。氣流13中含有高度濃集的氫氣，以供再循環(huán)到合成氨回路。包含氮、氬、甲烷、氫和氨的氫貧化氣流14經(jīng)壓縮機15進入壓力交變吸附單元16，此處氣流一般升壓至50-100磅/英寸2(此處及下文中除特別注明外，均指絕對壓力)范圍內(nèi)。所說壓力交變吸附單元中的吸附床充填有分子篩和金屬氫化物材料。分子篩基本上吸附全部甲烷、大部分氮、和全部的氨，而金屬氫化物吸附大部分殘余氫。因此排出氣流17中包括由氨、甲烷、氫和氮所組成的混合物。離開壓力交變吸附單元16的富集氬的產(chǎn)品流18a在諸如膨脹閥或渦輪機之類的膨脹裝置19中進行冷卻和膨脹，然后進入低溫蒸餾塔20，在塔中產(chǎn)生主要由氮和微量氫所組成的餾出物流21，及作為最終產(chǎn)品流22的純液氬。壓力交變吸附單元16除了因從金屬氫化物解吸釋放的氫氣所致的固有吹掃外，還可利用餾出物流21進行吹掃新澤西州華考夫(Wycoff)的歐杰涅克司(Ergenics)公司出品的，市場上可購到的Hystor合金207(La Ni4.7Al0.3)可用作金屬氫化物材料。也可使用市場上可購到的其他一些氫化物合金。在壓力力交變吸附裝置中，可將金屬氫化物材料與分子篩吸附劑材料一起充填在一個雙層床內(nèi)，下述兩點理由可以說明將金屬化物材料置于分子篩吸附劑材料上面是有益的。首先，鑒于吸附期間床頂部的氫氣分壓最高，因此上述布置方式可使金屬氫化物的容量得以較充分的利用;其次是由于解吸的氫可作為從分子篩吸附劑中解吸甲烷用的吹掃氣。
將金屬氫化物適當(dāng)?shù)貕撼杉毞?，以供壓力交變吸附單元的吸附床使用。壓碎后氫化物的大小一般約為10微米。正如該技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)熟練人員所知，金屬氫化物的用量可以變化，以確保產(chǎn)物中氫的含量低于以后在產(chǎn)生純液氬所必須的操作壓力下進行低溫分離所容許的限值。
也可將氫化物放在一只位于各沸石分子篩床層頂部的單獨床層內(nèi)，以便于更換。燒結(jié)金屬盤過濾器適合用于床層的頂部，其孔徑為5微米或更小，以防止顆粒夾帶。然而，也可用與此不同的方式來解決顆粒夾帶問題。床內(nèi)可充填三層物質(zhì)首先是一層純沸石分子篩，其次是一層氫化物與沸石分子篩的混合物，最后又是一層純沸石分子篩。
在上述任一情況下，壓力交變吸附單元中所包含的分子篩或活性碳對甲烷的選擇性必須大于氬。硅鋁酸鈣和硅鋁酸鈉沸石分子篩均可使用。碳分子篩和二氧化硅分子篩也是有作用的。合適的沸石分子篩包括(但不限于)5A、10X、13X和絲光沸石。較佳分子篩是聯(lián)合碳化物公司(Union Carbide)出品的5A醫(yī)學(xué)級沸石分子篩，萊泡脫工業(yè)公司(Laporte Industries)出品的5AHC分子篩，或者其他具有類似孔徑和分子引力的分子篩。5A醫(yī)學(xué)級沸石分子篩有極好的氬/甲烷選擇性，并顯示出實際上可除去全部甲烷的能力，以至壓力交變吸附單元的產(chǎn)品氣體中甲烷的含量可低至百萬分之幾(ppm)的水平。將甲烷的量去除到較低水平是一條重要準(zhǔn)則，因為存在于產(chǎn)品氣體中的甲烷最終都將集聚在低溫蒸餾單元的純氬產(chǎn)品中。因此，若在壓力交變吸附單元產(chǎn)品氣體中含有不希望有的甲烷量，則后面昂貴的凈化工序必不可少。通常要求產(chǎn)品中甲烷含量不大于20ppm，希望低達1ppm，最好為0.5ppm或更低。
壓力交變吸附單元的合適操作壓力在25-1000磅/英寸2(表壓)范圍內(nèi)，其中以100-400磅/英寸2(表壓)為佳。通過改變產(chǎn)品與原料之比，或者改變產(chǎn)品流量或循環(huán)時間，從而相應(yīng)于產(chǎn)品中甲烷濃度為零時的不同操作壓力下的氬產(chǎn)率，可使用氣相色譜儀對壓力交變吸附的產(chǎn)品流進行熱導(dǎo)分析而確定。隨著壓力增加，氬的產(chǎn)率以中等速率降低。氬產(chǎn)率隨壓力的變化表明，甲烷的分離由再生程度所控制。在壓力交變吸附床再生期間，所去除的甲烷量越高，則氬/甲烷選擇性越好。
壓力交變吸附裝置必須周期地再生。合適的再生方式包括(1)在大氣壓下再生，并伴用產(chǎn)物吹掃);(2)在25磅/英寸2(絕對壓力)或更低壓力下再生，并伴有低壓[約15磅/英寸2(表壓)]氫或氫-氮混合物吹掃;(3)真空再生。
當(dāng)利用產(chǎn)物吹掃時，將吹掃限于半循環(huán)的不同階段也許是有利的。通常，在床層加壓后立即釋出的產(chǎn)物大部分是氫。因此，將吹掃限在兩個時限是有利的。第一個時限是緊接在吸附床加壓之后，而第二個時限是產(chǎn)品純度發(fā)生下降時的半循環(huán)末。通過適當(dāng)選擇二次吹掃步驟的時間，可以確定這種再生方式下的最大氬產(chǎn)率，及產(chǎn)品的最低氫濃度。產(chǎn)物吹掃的優(yōu)點是再生所需的能量較低，而且產(chǎn)物中氫濃度較低。
產(chǎn)物吹掃的缺點是由于產(chǎn)物吹掃氣本身的損失，而導(dǎo)致氬的產(chǎn)率降低。為分離原料氣中全部甲烷，吹掃氣的需要量一般將造成30%以上的氬的損失。圖1所示的富氫氣流6適合用作吹掃氣，以代替產(chǎn)物吹掃。在本發(fā)明的第一個實施例中，通過隔膜5分離得到的富氫氣流6壓力較低(表壓約為15磅/英寸2)，因此再使之循環(huán)回到合成氨裝置中并無多大價值。所以將這部分氣體用作吹掃氣是有利的。
本發(fā)明的另一種再生方式是真空再生。用真空再生所得的產(chǎn)率一般高于氫吹掃或產(chǎn)品吹掃的相應(yīng)數(shù)值。然而真空再生將使該方法的基本投資略有增加，并明顯地增大能耗。鑒于排出氣流是用作燃料，除了使用特殊的低壓燃燒器外，也需將其再次壓縮至25磅/英寸2。確定最佳再生方法時，通過真空再生而導(dǎo)致氬產(chǎn)率的增加必須同時權(quán)衡投資費用和能耗的增加。
以上所述的有關(guān)從合成氨裝置的膜非滲透性氣體中回收氬的各種實施例也同樣適用于從業(yè)已安裝壓力交變吸附單元或低溫氫回收單元的合成氨裝置中進行氬的回收。來自這些單元的富氬氣流與壓力一般為1900磅/英寸2(表壓)的非滲透氣流相比，則為低壓氣體。相反，在氫壓力交變吸附后，富氬氣流的壓力一般為8-25磅/英寸2(絕壓)而在低溫回收氫后，則所說富氬氣流的壓力一般為25-100磅/英寸2。來自氫壓力交變吸附單元的原料氣流需再次壓縮至50-100磅/英寸2(表壓)，而低溫單元的原料氣不一定需再次壓縮。再次壓縮后，以上討論的有關(guān)膜后處理的實施例是適用的。原料氣中的氨與甲烷一起在沸石分子篩壓力交變吸附單元中分離出來。
以下實例系在實驗，或(若合適時)理論計算(假定氣流混合十分均勻)的基礎(chǔ)上，分別對上述三個實施例的設(shè)計予以闡述。
例1本例闡明了基于本發(fā)明第二個實施例的設(shè)計。一般大致含有60.5% H2、20% N2、4.5% Ar、13% CH4和2%NH3的合成氨裝置吹掃氣流進入由水洗器所構(gòu)成的預(yù)處理段，以除去氨。經(jīng)預(yù)處理后的氣體則進入PRISMR隔膜系統(tǒng)，并產(chǎn)生二股氣流，第一股用作再循環(huán)的富氫滲透氣流含有85.4%H2、5.3%N2、8%CH4和1.3%Ar;而第二股富氬非滲透氣流包含9%H2、54% N2、12% Ar和25% CH4。將表壓為150磅/英寸2的非滲透氣流送入常溫壓力交變吸附單元中，該單元包括充填了5A醫(yī)學(xué)級硅鋁酸鹽沸石分子篩的吸附床層。一個標(biāo)出各只閥門位置的典型壓力交變吸附單元的布置示于圖3。參照圖3，該單元包括吸附床A、吸附床B、平衡槽C、回填槽D、產(chǎn)品貯槽E、背壓調(diào)節(jié)閥16，以及閥門1至15。壓力交變吸附單元按表1所示的全循環(huán)順序操作。圖4為全循環(huán)順序的定時圖。
表1步驟 床A 床B 閥門開啟序號1 床平衡 床平衡 3，4，9，10，132 原料氣加壓 與槽平衡 1，8，13
3 原料氣加壓 排入大氣 1，6，14，134 恒定供料和產(chǎn)品釋放 真空再生 1，6，15，135 恒定供料和產(chǎn)品釋放 與槽平衡 1，8，136 恒定供料和產(chǎn)品釋放 產(chǎn)品回填 1，127 床平衡 床平衡 3，4，9，10，138 與槽平 原料氣加壓 2，7，139 排入大氣 原料氣加壓 2，5，14，1310 真空再生 恒定供料和產(chǎn)品釋放 2，5，15，1311 與槽平衡 恒定供料和產(chǎn)品釋放 2，7，1312 產(chǎn)品回填 恒定供料和產(chǎn)品釋放 2，11在1.5磅/英寸2(100乇)的絕對真空度下，基本上可使全部甲烷和80%以上的氮經(jīng)由該壓力交變吸附單元的排氣流除去。PSA產(chǎn)品氣體通過低溫蒸餾，產(chǎn)生作為塔底產(chǎn)品的純液氬。溫度和壓力條件、流量、以及各氣流的組成均歸納成表2。
表2組成(體積百分?jǐn)?shù))氣流溫度壓力流量 H2Ar N2CH4(圖1) (K) (磅/英寸2) (單位/分)1 298 150 100.0 9.0 12.0 54.0 25.0最小253 293 最小1.5 74.3 0.6 4.0 61.7 33.7最大254 303 150 25.7 33.3 35.1 31.6 -7b 116 45 25.7 33.3 35.1 31.6 -9 83 42 16.9 50.5 1.6 47.9 -
10 98 40 8.8 - 100.0 - -例2本例闡明了基于本發(fā)明第一個實施例的設(shè)計。壓力為400磅/英寸2(表壓)的非滲透原料氣流在雙床PSA中進行處理。其中PSA的布置方式與例1所示的相似。PAS的再生使用吹掃氣，因而放寬或取消了真空度。本例的排氣壓力為大氣壓。PSA產(chǎn)品氣體經(jīng)隔膜處理后，產(chǎn)生下述兩種產(chǎn)品一種是壓力為30磅/英寸2的富氫滲透氣流，用作PSA再生的吹掃氣，另一種富氬的非滲透氣流如例1所述那樣在低溫下蒸餾，以得到作為塔底產(chǎn)物的純液氬。溫度、壓力、流量和各氣流的組成均歸納成表3。
表3組成(體積百分?jǐn)?shù))氣流溫度壓力流量 H2Ar N2CH4(圖1) (K) (磅/英寸) (單位/分)1 298 400 100.0 9.0 12.0 54.0 25.0最小2003 293 最小1.5 81.9 9.1 4.3 56.1 30.5最大254 303 400 27.5 36.0 33.1 30.9 -6 303 最小20 9.4 88.4 7.5 4.1最大357a 303 400 18.1 8.8 46.5 44.77b 1 40 18.1 8.8 46.5 44.7 -9 8 35 10.0 16.0 2.5 81.5 -10 9 33 8.1 - 100.0 1×10-41×10-4
例3本例闡明了基于本發(fā)明第三個實施例設(shè)計。壓力為400磅/英寸2(表壓)的非滲透原料氣流在雙床PSA系統(tǒng)中進行處理。所說吸附床內(nèi)充填了金屬氫化物(HystorR合金207)和沸石分子篩，并分成兩層布置，兩者重量比約為1∶6。金屬氫化物位于該床的產(chǎn)品一端。在真空[1.5磅/英寸2(絕對壓力)]下再生可使全部甲烷、70%氫和80%以上氮經(jīng)由排氣流除去。離開PSA后的富氬產(chǎn)品氣體經(jīng)低溫蒸餾，可得到作為塔底產(chǎn)物的純液氬。溫度、壓力、流量和各氣流的組成歸納成表4。
表4組成(體積百分?jǐn)?shù))氣流溫度壓力流量 H2Ar N2CH4(圖1) (K) (磅/英寸2) (單位/分)1 298 400 100.0 9.0 12.0 54.0 25.03 293 最小1.5 78.1 8.1 4.6 55.3 32.0最大254 303 400 21.9 12.3 38.4 49.3 -7b 116 40 21.9 12.3 38.4 49.3 -9 83 35 13.8 19.6 1.80 78.6 -10 98 33 8.1 - 100 - -在本發(fā)明的范圍和原理內(nèi)，而對上述實施例所作的各種變換，對于該領(lǐng)域的熟練人員是顯而易見的。例如，可用吹掃氣再生代替真空再生。而吹掃氣在通過PSA進行再生前，可予以加熱。此外，可將原料氣冷卻，以得到合適的溫度交替變化。
權(quán)利要求
1.一種從含有氫、氮、甲烷和氬的氣流中回收氬的方法，它包括下列步驟(1)使所說氣流通過壓力交變吸附裝置，以基本上分離出全部的甲烷和大部分氮，由此產(chǎn)生以氬的含量為主的產(chǎn)品氣流；和(2)使所說產(chǎn)品氣流通過氫分離裝置；和(3)使氫貧化的產(chǎn)品氣流通過低溫蒸餾裝置，以產(chǎn)生基本上為純氬的最終產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所說壓力交變吸附裝置至少包括一個裝有吸附劑的吸附床，其中吸附劑對甲烷的選擇性大于氬。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于所說吸附劑是分子篩或活性碳。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于所說分子篩吸附劑是硅鋁酸鹽沸石分子篩。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的方法，其特征在于所說沸石分子篩選自由5A、10X、13X或絲光沸石所組成的一組物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的方法，其特征在于所說沸石包括5A醫(yī)學(xué)級分子篩或5AHC分子篩。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所說氫分離裝置是隔膜分離器。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所說氫分離裝置與所說的低溫蒸餾裝置相結(jié)合。
9.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于所說分離氫的裝置是一個或多個充填金屬氫化物的床層。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的方法，其特征在于將所說金屬氫化物合并到所說的吸附床中。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的方法，其特征是在所說壓力交變吸附裝置的所說吸附床中，使所說的金屬氫化物與所說分子篩吸附劑形成一個交替間隔充填的吸附床層。
12.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的方法，其特征在于所說吸附床中一層氫化物一沸石分子篩混合物置于兩個沸石分子篩層之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于所說吸附床周期地用吹掃氣體再生。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法，其特征在于所說吹掃氣體是從所說的氫分離裝置中排出的富氫氣流。
15.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法，其特征在于所說吹掃氣體是從所說的低溫蒸餾裝置頂部排出的氫-氮混合氣。
16.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法，其特征在于所說吹掃氣體是再循環(huán)的產(chǎn)品氣體。
17.根據(jù)權(quán)利要求
16所述的方法，其特征在于所說產(chǎn)品吹掃氣分兩步引入，一次是在床加壓后，另一次是在再生末期。
18.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于所說吸附床周期地進行真空再生。
19.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于所說產(chǎn)品中甲烷濃度等于或小于20ppm。
20.根據(jù)權(quán)利要求
16所述的方法，其特征在于所說甲烷濃度小于或等于1ppm。
21.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所說吸附床的操作壓力在25-1000磅/英寸2(表壓)的范圍內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求
21所述的方法，其特征在于操作壓力在100-400磅/英寸2(表壓)的范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于將1個或1個以上的平衡槽與吸附床相連接，以減少無用氣體(void gas)損失。
24.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于所說方法還包括產(chǎn)品回填再次加壓步驟，以提高產(chǎn)品純度。
25.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于所說壓力交變吸附的原料氣通過從高壓膨脹到所說壓力交變吸附裝置的操作壓力，而得以冷卻。
26.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所說低溫蒸餾裝置的致冷是通過使致冷劑在致冷機熱泵循環(huán)中再循環(huán)，并利用所說低溫蒸餾裝置的再沸塔作為循環(huán)的熱阱而獲得的。
27.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所說低溫蒸餾裝置的致冷是通過使貯槽內(nèi)液氮蒸發(fā)，并讓液氮蒸氣通到合成氨壓縮機空氣吸入段而獲得的。
28.根據(jù)權(quán)利要求
26所述的方法，其特征在于通過渦輪機的使用，使高壓非滲透氣體的壓頭驅(qū)動壓縮機，以循環(huán)所說的致冷劑。
29.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所說壓力交變吸附裝置的產(chǎn)品氣流通過與離開所說低溫蒸餾裝置的廢氣進行熱交換，以及在進入所說的低溫蒸餾裝置前，通過膨脹而使其壓力下降至該蒸餾裝置的壓力，從而得到冷卻。
30.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所說的進入壓力交變吸附裝置氣流中存在的氨或殘余水分均經(jīng)由所說壓力交變吸附裝置的排氣而釋放。
31.一種從含有氫、氮、甲烷和氬的氣流中回收氬的方法，它包括使所說氣流通過壓力交變吸附裝置，以基本上分離全部的甲烷和大部分氮，由此產(chǎn)生一股以氬含量為主的產(chǎn)品氣流，然后使所說產(chǎn)品氣流通低溫蒸餾塔，以分離出氫和氮，并產(chǎn)生基本上為純氬的產(chǎn)品。
專利摘要
本發(fā)明揭示了一種從含有氫、氮、甲烷和氬等組分的合成氨裝置吹掃氣流中回收氬的新方法，該方法主要包括下列步驟(1)用充填有分子篩或活性碳之類材料的壓力交變吸附裝置分離所說氣流中全部甲烷和大部分氮；(2)使上一步的產(chǎn)品氣流通過隔膜分離裝置來分離氫；(3)使第二步的氫貧化產(chǎn)品氣流通過低溫蒸餾，以得到純氬產(chǎn)品。本法的投資和運行費用均較之現(xiàn)有的三級低溫回收法大為降低。
文檔編號B01D53/047GK87100951SQ87100951
公開日1987年11月18日 申請日期1987年2月24日
發(fā)明者唐納德·L·麥克萊恩, 拉曼切德瑞·克里希納姆斯, 史蒂文·L·蘭納 申請人:Boc集團股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan