專利名稱：從廢氬氣中制取純氬的方法
技術領域：
本發明涉及一種空氣分離方法，具體是從廢氬氣中制取純氬的方法。
背景技術：
氬存在于自然界中，大氣中氬組分的含量約0. 9%。人們通過多種工藝方法將其從化合物或混合物中分離提純出高純度的氬99. 999%v/v采用GB/T10624-1995中術語)， 氬的最早用途是向電燈泡內充氣。現在廣泛應用于焊接和切割金屬、電子、醫藥等行業，也作為保護氣大量應用于工業生產。目前工業化批量生產純氬主要通過以下三條途徑實現氬的制取和提純(一)鉀-40衰變方法；(二)吸附+化學方法；(三)低溫精餾方法。其中 (一)、(二)兩種方法其工藝過程均為氣態氬的過程，其最終的產品也為氣態。通過貯氣罐或金屬制壓力容器將其貯存，實現產品的運輸，因此量不大且效率低。同時，所采用化學方法也對工業生產規模形成一定制約。不太適合遠距離運輸，不太適合大量儲存；也難適應現代化企業對純氬越來越大的需求。第(三)種工藝方法是指在低溫狀態下將空氣進行分離。其原理可簡述為將原料空氣液化，然后根據空氣所含組分(例如氧、氮、氬)沸點的不同，采用低溫精餾的方法分離出氧、氮、氬等。該方法的工藝路線，一般可直接獲得液態的純氬；當然投資也大。另外，局限于空氣中氬組分含量，氬產品產量遠遠少于氧、氮產品，在空氣分離裝置中屬于副產品。 其較之(一)(二)兩種方法更易貯存，運輸更方便、高效。但是必須依托一個大型空分裝置， 投資量十分大，產量則受到空分裝置規模的限制。用作保護氣的氬被污染后往往作為廢氣被排放，其組分中氬的含量依然很高，再次分離雜質進行提純需耗費的能量遠少于從空氣中將氬分離出來。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種從廢氬氣中制取純氬的方法，該方法應具有投資少、純氬產品產量高的特點。本發明提供的技術方案是
從廢氬氣中制取純氬的方法，同時進行以下作業流程
a、用戶設備排放的帶壓廢氬氣引入提純設備，匯合復熱的返流廢氬氣后進入增壓機第一段提高氣體壓力，并通過水冷卻器冷卻；冷卻后輸出的氣體分為兩路，一路進入增壓機第二段繼續增壓冷卻，然后進入膨脹機增壓端增壓冷卻后通入主換熱器釋放熱量，降溫后的廢氬氣進入膨脹機膨脹端推動轉子做功，降溫降壓后返回主換熱器吸收熱量，復熱至常溫后進入增壓機繼續參與循環；另一路進入主換熱器釋放熱量，從換熱器中下部抽出一股廢氬氣通入第一精餾塔蒸發器中的吸收腔后吸收冷量轉換為廢液氬，另一股在換熱器中繼續釋放熱量轉換為廢液氬后送入第一精餾塔精餾；
b、第一精餾塔蒸發器輸出的廢液氬分為兩路，第一路送入第二精餾塔冷凝器放出冷量，轉換為廢氬氣后輸回主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后進入增壓機入口繼續參與循環；第二路直接輸回主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后進入增壓機入口繼續參與循環；
C、送入第一精餾塔的廢液氬放出冷量，其中蒸發溫度高于氬的組分以液態形式從第一精餾塔蒸發器底端的排放管進行排放，其余放出冷量后蒸發的氣體(粗氬氣)從第一精餾塔中部輸出送入第二精餾塔底部吸收冷量，其中蒸發溫度低于氬的組分以氣態形式從第二精餾塔冷凝器吸收腔的排放口進入大氣排放，剩余氣體吸收冷量后得到液態純氬產品后輸出；
第一精餾塔和第二精餾塔分開布置；第一精餾塔固定在第一精餾塔蒸發器頂端且與該蒸發器連通；第一精餾塔蒸發器內廢液氬的蒸發溫度低于廢氬氣的液化溫度，分別通過控制廢液氬的壓力以及控制廢氬氣的壓力實現；第二精餾塔冷凝器固定在第二精餾塔頂端， 第二精餾塔冷凝器中的吸收腔，其粗氬氣進口以及粗液氬出口分別通過管路與第二精餾塔相通；第二精餾塔冷凝器內廢液氬的蒸發溫度低于粗氬氣的液化溫度，分別通過控制廢液氬的壓力以及控制粗氬氣的壓力實現。第一精餾塔頂端輸出口還通過管路輸出廢氬氣進入主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后進入增壓機入口繼續參與循環。所述第二精餾塔的底端還通過管路輸出廢液氬進入主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后進入增壓機入口繼續參與循環。所述主換熱器為板式換熱器。本發明的工作原理是
1、由于輸入第一精餾塔內的廢液氬壓力低，而輸入第一精餾塔內的蒸發器的廢氬氣壓力高，所以廢液氬的蒸發溫度要低于廢氬氣的液化溫度(例如實施例中的第一精餾塔的廢液氬壓力為0. 3IMPa時，蒸發溫度為-173. 9°C，而所提供的廢氬氣在壓力為0. 35MPa時，液化溫度為-172.8 ，兩者溫差1. 1°C)。這樣，廢氬氣的冷凝和廢液氬的蒸發可同時進行。2、由于第二精餾塔內上升粗氬氣的壓力低，而提供的廢液氬壓力高，所以廢液氬的蒸發溫度要低于廢氬氣的液化溫度(例如實施例中的第二精餾塔內的上升粗氬氣的壓力為0. 3ΜΙ^時，液化溫度為-174. 3°C，而系統提供的廢液氬在壓力為0. 27ΜΙ^時，蒸發溫度為-176. 6°C，兩者溫差2. 3°C)。這樣，粗氬氣的冷凝和廢液氬的蒸發就可同時進行。本發明的有益效果是
首先，本方法無需依托大型空氣分離工藝裝置以及它配屬的提取氬的生產流程，所以投資至少要小一個數量級，流程更高效，大大降低了液氬的生產門檻。其次，采用本工藝方法只需要回收使用過的廢氬氣增加配套裝置即可達到目的，簡便易行見效快。第三，液氬產量高(從廢氬氣中提取液氬的比例達到80%以上)。另外，還具有低溫精餾方法的一切優點， 而無背景技術所述的(一)(二)兩種方法的局限。
圖1是本發明實施例的工藝流程示意圖。圖2是本發明中的第一精餾塔的蒸發器的結構示意圖。圖3是本發明中的第二精餾塔的冷凝器的結構示意圖。
具體實施方式
本發明具有以下特點
1、具有很高的提取率，液氬產量高
如前所述第(三)種低溫精餾方法，液氬的產量受到一個約束；那是因為空氣中氬組分含量很少，整套空氣分離裝置主要依據用戶所需的用氧量配置，原料空氣中所含有的氬組分非常有限，因而液氬產量不高。本發明所用原料為用戶使用后的廢氬氣，其中氬組分含量很高，因而液氬產量較高。2、采用精餾方法解決純液氬的純度問題
直接采用來自用戶使用后的廢氬氣作為原料，對其中氧、氮、一氧化碳、甲烷、其它烴類組分均采用精餾方法進行凈化；特別要采用單獨的精餾工藝去除一氧化碳至< 2X 10_6v/
Vo以下通過實施例進一步說明， 實施例
a、用戶設備排放的帶壓廢氬氣通過1號管路引入提純設備，匯合復熱的返流廢氬氣后通過7號管路進入增壓機第一段TCl提高氣體壓力，并通過第一水冷卻器30冷卻；冷卻后輸出的氣體分為兩路，一路依次進入增壓機第二段TC2繼續增壓、第二水冷卻器31冷卻，然后通過8號管路依次進入膨脹機增壓端BT增壓、第三水冷卻器32冷卻后通過10號管路通入主換熱器El釋放熱量，降溫后的廢氬氣進入膨脹機膨脹端ET推動轉子做功，降溫降壓后返回主換熱器吸收熱量，復熱至常溫后進入增壓機繼續參與循環；另一路通過9號管路進入主換熱器El釋放熱量，從換熱器中下部抽出一股廢氬氣通過14號管路通入第一精餾塔蒸發器Kl中的吸收腔Gl后吸收冷量轉換為廢液氬，另一股通過13號管路在換熱器中繼續釋放熱量轉換為廢液氬后送入第一精餾塔Cl頂端進行精餾；
b、第一精餾塔蒸發器Kl輸出的廢液氬分為兩路，第一路通過19號管路送入第二精餾塔冷凝器K2放出冷量，轉換為廢氬氣后通過16號管路輸回主換熱器繼續釋放冷量，復熱至常溫后通過2號管路進入增壓機入口繼續參與循環；第二路通過17號管路直接輸回主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后通過4號管路進入增壓機入口繼續參與循環；
c、通過13號管路送入第一精餾塔頂端的廢液氬放出冷量，其中蒸發溫度高于氬的組分以液態形式從第一精餾塔蒸發器底端的排放管P通過18號管路進行排放，其余放出冷量后蒸發的氣體(粗氬氣)從第一精餾塔中部通過20號管路輸出送入第二精餾塔底部吸收冷量，其中蒸發溫度低于氬的組分以氣態形式從第二精餾塔冷凝器K2中的吸收腔G2的排放口通過22號管路進入大氣排放，剩余氣體吸收冷量后得到液態純氬產品后通過23號管路輸出；
第一精餾塔Cl和第二精餾塔C2分開布置；第一精餾塔固定在第一精餾塔蒸發器Kl頂端且與該蒸發器連通；第一精餾塔蒸發器內廢液氬的蒸發溫度低于廢氬氣的液化溫度，分別通過控制廢液氬的壓力以及控制廢氬氣的壓力實現；
第二精餾塔冷凝器K2固定在第二精餾塔頂端，第二精餾塔冷凝器K2中的吸收腔G2，其粗氬氣進口 G21以及粗液氬出口 G22分別通過管路與第二精餾塔C2相通；第二精餾塔冷凝器內廢液氬的蒸發溫度低于粗氬氣的液化溫度，分別通過控制廢液氬的壓力以及控制粗氬氣的壓力實現。第一精餾塔頂端輸出口還通過13管路輸出廢氬氣進入主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后通過3號管路進入增壓機入口繼續參與循環。所述第二精餾塔的底端還通過21管路輸出廢液氬進入主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后通過5號管路進入增壓機入口繼續參與循環。所述第一精餾塔和第二精餾塔的結構與化工設備的精餾塔結構相同；精餾元件可采用填料+分布器內件，也可采用篩板結構，或填料、篩板的組合塔結構。蒸發器Kl和冷凝器K2可根據傳熱溫差的需要，采用板翅式換熱器或管式換熱器結構；主換熱器優選主板式換熱器。以上所述的所有管路均分別安裝有調節管路內介質壓力的控制閥門(常規結構閥門，可外購獲得)。本實施例工作流程如下
用戶提供的廢氬氣匯合返流廢氬進入增壓機第一段增壓冷卻，一部分直接進主換熱器吸收冷量做原料氣和第一精餾塔蒸發器熱源氣，另一部分進入增壓機第二段繼續增壓冷卻，然后分別進入膨脹機增壓端、主換熱器、膨脹機膨脹端，中壓氣體膨脹做功(推動轉子ET 做功)，為系統運行提供足夠的冷量，膨脹后氣體進入主換熱器釋放冷量，復熱后進增壓機參與循環。接近氣化點的帶壓廢液氬節流進入第一精餾塔上部參與精餾，在第一精餾塔中通過精餾使得廢液氬中蒸發溫度低于氬的組分(氮、一氧化碳等)濃縮于上升氣體中，在第一精餾塔下部的物料中一氧化碳含量很低，從第一精餾塔中下部抽取一氧化碳含量
<2X10-7v/v的氣體去第二精餾塔塔進一步提純，第一精餾塔頂部輸出的廢氬氣進入主換熱器回收冷量復熱后進增壓機參與循環，第一精餾塔蒸發器Kl中液氬含較多的氧和甲烷等化合物，需要不間斷排放。第一精餾塔中部提取的氣體從第二精餾塔底部進入， 通過精餾除去蒸發溫度低于氬的組分(氧、一氧化碳等)，在第二精餾塔中部得到氬含量
<2X10-6V/V的液態純氬產品；第二精餾塔頂部氣體一氧化碳含量較高，可以間斷排放， 底部廢液進入主換熱器回收冷量復熱后進增壓機參與循環。流程中一部分從增壓機第一段出來的氣體經過主換熱器放出熱量后通過14號管路節流作為第一精餾塔蒸發器Kl熱源， 從蒸發器Kl出來的部分廢液氬通過19號管路節流后作為第二精餾塔冷凝器K2冷源，從冷凝器K2出來的廢氬氣通過16號管路回主換熱器回收剩余冷能，復熱后進增壓機參與循環； 另一部分廢液氬通過21號管路直接進主換熱器回收冷能，復熱后進增壓機參與循環。流程特點
本流程首先分離混合氣體中沸點低的物質(氮、一氧化碳等)然后再分離混合氣體中沸點高的物質(氧、碳氫化合物等)。本實施例的各管路中的推薦數據如下
權利要求
1.從廢氬氣中制取純氬的方法，同時進行以下作業流程a、用戶設備排放的帶壓廢氬氣引入提純設備，匯合復熱的返流廢氬氣后進入增壓機第一段(TCl)提高氣體壓力，并通過水冷卻器(30)冷卻；冷卻后輸出的氣體分為兩路，一路進入增壓機第二段(TC2)繼續增壓冷卻，然后進入膨脹機增壓端(BT)增壓冷卻后通入主換熱器(El)釋放熱量，降溫后的廢氬氣進入膨脹機膨脹端(ET)推動轉子做功，降溫降壓后返回主換熱器吸收熱量，復熱至常溫后進入增壓機繼續參與循環；另一路進入主換熱器釋放熱量，從換熱器中下部抽出一股廢氬氣通入第一精餾塔蒸發器中的吸收腔(Gl)后吸收冷量轉換為廢液氬，另一股在換熱器中繼續釋放熱量轉換為廢液氬后送入第一精餾塔(Cl)精餾；b、第一精餾塔蒸發器(Kl)輸出的廢液氬分為兩路，第一路送入第二精餾塔冷凝器 (K2)放出冷量，轉換為廢氬氣后輸回主換熱器(El)釋放冷量，復熱至常溫后進入增壓機入口繼續參與循環；第二路直接輸回主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后進入增壓機入口繼續參與循環；C、送入第一精餾塔(Cl)的廢液氬放出冷量，其中蒸發溫度高于氬的組分以液態形式從第一精餾塔蒸發器(Kl)底端的排放管(P)進行排放，其余放出冷量后蒸發的氣體從第一精餾塔中部輸出送入第二精餾塔(C2)底部吸收冷量，其中蒸發溫度低于氬的組分以氣態形式從第二精餾塔冷凝器吸收腔(G2)的排放口進入大氣排放，剩余氣體吸收冷量后得到液態純氬產品后輸出；第一精餾塔(Cl)和第二精餾塔(C2)分開布置；第一精餾塔固定在第一精餾塔蒸發器 (Kl)頂端且與該蒸發器連通；第一精餾塔蒸發器內廢液氬的蒸發溫度低于廢氬氣的液化溫度，分別通過控制廢液氬的壓力以及控制廢氬氣的壓力實現；第二精餾塔冷凝器(K2)固定在第二精餾塔頂端，第二精餾塔冷凝器中的吸收腔(G2)，其粗氬氣進口(K21)以及粗液氬出口 ￠2 分別通過管路與第二精餾塔相通；第二精餾塔冷凝器內廢液氬的蒸發溫度低于粗氬氣的液化溫度，分別通過控制廢液氬的壓力以及控制粗氬氣的壓力實現。
2.根據權利要求1所述的從廢氬氣中制取純氬的方法，其特征在于第一精餾塔頂端輸出口還通過管路輸出廢氬氣進入主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后進入增壓機入口繼續參與循環。
3.根據權利要求2所述的從廢氬氣中制取純氬的方法，其特征在于所述第二精餾塔的底端還通過管路輸出廢液氬進入主換熱器釋放冷量，復熱至常溫后進入增壓機入口繼續參與循環。
4.根據權利要求3所述的從廢氬氣中制取純氬的方法，其特征在于所述主換熱器為板式換熱器。
全文摘要
本發明涉及一種制取純氬的方法。目的是該方法應具有投資少、純氬產品產量高的特點。技術方案是從廢氬氣中制取純氬的方法，同時進行以下作業a、帶壓廢氬氣匯合復熱的返流廢氬氣后增壓、冷卻分為兩路，一路繼續增壓冷卻，推動膨脹機轉子做功后繼續循環；另一路釋放熱量后，抽出一股廢氬氣通入第一精餾塔蒸發器轉換為廢液氬，另一股轉換為廢液氬后送入第一精餾塔精餾；b、第一精餾塔輸出的廢液氬分為兩路，分別送入第二精餾塔以及主換熱器釋放冷量，并繼續參與循環；c、送入第一精餾塔的廢液氬放出冷量，其中部分氣體液態排放，其余氣體送入第二精餾塔吸收冷量，其中部分氣體氣態排放，剩余氣體吸收冷量后作為液態純氬產品輸出。
文檔編號F25J3/08GK102506560SQ20111029785
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者孫國華, 張敏, 沈浩 申請人:浙江新銳空分設備有限公司