專利名稱：從廢氬氣中制取純氬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
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(shù)語)， 氬的最早用途是向電燈泡內(nèi)充氣?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用于焊接和切割金屬、電子、醫(yī)藥等行業(yè)，也作為保護(hù)氣大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。目前工業(yè)化批量生產(chǎn)純氬主要通過以下三條途徑實(shí)現(xiàn)氬的制取和提純(一)鉀-40衰變方法；(二)吸附+化學(xué)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(tài)氬的過程，其最終的產(chǎn)品也為氣態(tài)。通過貯氣罐或金屬制壓力容器將其貯存，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的運(yùn)輸，因此量不大且效率低。同時(shí)，所采用化學(xué)方法也對(duì)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模形成一定制約。不太適合遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，不太適合大量?jī)?chǔ)存；也難適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)對(duì)純氬越來越大的需求。第(三)種工藝方法是指在低溫狀態(tài)下將空氣進(jìn)行分離。其原理可簡(jiǎn)述為將原料空氣液化，然后根據(jù)空氣所含組分(例如氧、氮、氬)沸點(diǎn)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(tài)的純氬；當(dāng)然投資也大。另外，局限于空氣中氬組分含量，氬產(chǎn)品產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于氧、氮產(chǎn)品，在空氣分離裝置中屬于副產(chǎn)品。 其較之(一)(二)兩種方法更易貯存，運(yùn)輸更方便、高效。但是必須依托一個(gè)大型空分裝置， 投資量十分大，產(chǎn)量則受到空分裝置規(guī)模的限制。用作保護(hù)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(zhì)進(jìn)行提純需耗費(fèi)的能量遠(yuǎn)少于從空氣中將氬分離出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種從廢氬氣中制取純氬的方法，該方法應(yīng)具有投資少、純氬產(chǎn)品產(chǎn)量高的特點(diǎn)。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是
從廢氬氣中制取純氬的方法，同時(shí)進(jìn)行以下作業(yè)流程
a、用戶設(shè)備排放的帶壓廢氬氣引入提純?cè)O(shè)備，匯合復(fù)熱的返流廢氬氣后進(jìn)入增壓機(jī)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(jìn)入增壓機(jī)第二段繼續(xù)增壓冷卻，然后進(jìn)入膨脹機(jī)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(jìn)入膨脹機(jī)膨脹端推動(dòng)轉(zhuǎn)子做功，降溫降壓后返回主換熱器吸收熱量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)繼續(xù)參與循環(huán)；另一路進(jìn)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(fā)器中的吸收腔后吸收冷量轉(zhuǎn)換為廢液氬，另一股在換熱器中繼續(xù)釋放熱量轉(zhuǎn)換為廢液氬后送入第一精餾塔精餾；
b、第一精餾塔蒸發(fā)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(zhuǎn)換為廢氬氣后輸回主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)；第二路直接輸回主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)；
C、送入第一精餾塔的廢液氬放出冷量，其中蒸發(fā)溫度高于氬的組分以液態(tài)形式從第一精餾塔蒸發(fā)器底端的排放管進(jìn)行排放，其余放出冷量后蒸發(fā)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(fā)溫度低于氬的組分以氣態(tài)形式從第二精餾塔冷凝器吸收腔的排放口進(jìn)入大氣排放，剩余氣體吸收冷量后得到液態(tài)純氬產(chǎn)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(fā)器頂端且與該蒸發(fā)器連通；第一精餾塔蒸發(fā)器內(nèi)廢液氬的蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)；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(jìn)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(nèi)廢液氬的蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)。第一精餾塔頂端輸出口還通過管路輸出廢氬氣進(jìn)入主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)。所述第二精餾塔的底端還通過管路輸出廢液氬進(jìn)入主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)。所述主換熱器為板式換熱器。本發(fā)明的工作原理是
1、由于輸入第一精餾塔內(nèi)的廢液氬壓力低，而輸入第一精餾塔內(nèi)的蒸發(fā)器的廢氬氣壓力高，所以廢液氬的蒸發(fā)溫度要低于廢氬氣的液化溫度(例如實(shí)施例中的第一精餾塔的廢液氬壓力為0. 3IMPa時(shí)，蒸發(fā)溫度為-173. 9°C，而所提供的廢氬氣在壓力為0. 35MPa時(shí)，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(fā)可同時(shí)進(jìn)行。2、由于第二精餾塔內(nèi)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(fā)溫度要低于廢氬氣的液化溫度(例如實(shí)施例中的第二精餾塔內(nèi)的上升粗氬氣的壓力為0. 3ΜΙ^時(shí)，液化溫度為-174. 3°C，而系統(tǒng)提供的廢液氬在壓力為0. 27ΜΙ^時(shí)，蒸發(fā)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(fā)就可同時(shí)進(jìn)行。本發(fā)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(chǎn)流程，所以投資至少要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，流程更高效，大大降低了液氬的生產(chǎn)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(dá)到目的，簡(jiǎn)便易行見效快。第三，液氬產(chǎn)量高(從廢氬氣中提取液氬的比例達(dá)到80%以上)。另外，還具有低溫精餾方法的一切優(yōu)點(diǎn)， 而無背景技術(shù)所述的(一)(二)兩種方法的局限。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的工藝流程示意圖。圖2是本發(fā)明中的第一精餾塔的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中的第二精餾塔的冷凝器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
1、具有很高的提取率，液氬產(chǎn)量高
如前所述第(三)種低溫精餾方法，液氬的產(chǎn)量受到一個(gè)約束；那是因?yàn)榭諝庵袣褰M分含量很少，整套空氣分離裝置主要依據(jù)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(chǎn)量不高。本發(fā)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(chǎn)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(duì)其中氧、氮、一氧化碳、甲烷、其它烴類組分均采用精餾方法進(jìn)行凈化；特別要采用單獨(dú)的精餾工藝去除一氧化碳至< 2X 10_6v/
Vo以下通過實(shí)施例進(jìn)一步說明， 實(shí)施例
a、用戶設(shè)備排放的帶壓廢氬氣通過1號(hào)管路引入提純?cè)O(shè)備，匯合復(fù)熱的返流廢氬氣后通過7號(hào)管路進(jìn)入增壓機(jī)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(jìn)入增壓機(jī)第二段TC2繼續(xù)增壓、第二水冷卻器31冷卻，然后通過8號(hào)管路依次進(jìn)入膨脹機(jī)增壓端BT增壓、第三水冷卻器32冷卻后通過10號(hào)管路通入主換熱器El釋放熱量，降溫后的廢氬氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹端ET推動(dòng)轉(zhuǎn)子做功，降溫降壓后返回主換熱器吸收熱量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)繼續(xù)參與循環(huán)；另一路通過9號(hào)管路進(jìn)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(hào)管路通入第一精餾塔蒸發(fā)器Kl中的吸收腔Gl后吸收冷量轉(zhuǎn)換為廢液氬，另一股通過13號(hào)管路在換熱器中繼續(xù)釋放熱量轉(zhuǎn)換為廢液氬后送入第一精餾塔Cl頂端進(jìn)行精餾；
b、第一精餾塔蒸發(fā)器Kl輸出的廢液氬分為兩路，第一路通過19號(hào)管路送入第二精餾塔冷凝器K2放出冷量，轉(zhuǎn)換為廢氬氣后通過16號(hào)管路輸回主換熱器繼續(xù)釋放冷量，復(fù)熱至常溫后通過2號(hào)管路進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)；第二路通過17號(hào)管路直接輸回主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后通過4號(hào)管路進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)；
c、通過13號(hào)管路送入第一精餾塔頂端的廢液氬放出冷量，其中蒸發(fā)溫度高于氬的組分以液態(tài)形式從第一精餾塔蒸發(fā)器底端的排放管P通過18號(hào)管路進(jìn)行排放，其余放出冷量后蒸發(fā)的氣體(粗氬氣)從第一精餾塔中部通過20號(hào)管路輸出送入第二精餾塔底部吸收冷量，其中蒸發(fā)溫度低于氬的組分以氣態(tài)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(hào)管路進(jìn)入大氣排放，剩余氣體吸收冷量后得到液態(tài)純氬產(chǎn)品后通過23號(hào)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(fā)器Kl頂端且與該蒸發(fā)器連通；第一精餾塔蒸發(fā)器內(nèi)廢液氬的蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)；
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(jìn)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(nèi)廢液氬的蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)。第一精餾塔頂端輸出口還通過13管路輸出廢氬氣進(jìn)入主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后通過3號(hào)管路進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)。所述第二精餾塔的底端還通過21管路輸出廢液氬進(jìn)入主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后通過5號(hào)管路進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)。所述第一精餾塔和第二精餾塔的結(jié)構(gòu)與化工設(shè)備的精餾塔結(jié)構(gòu)相同；精餾元件可采用填料+分布器內(nèi)件，也可采用篩板結(jié)構(gòu)，或填料、篩板的組合塔結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)器Kl和冷凝器K2可根據(jù)傳熱溫差的需要，采用板翅式換熱器或管式換熱器結(jié)構(gòu)；主換熱器優(yōu)選主板式換熱器。以上所述的所有管路均分別安裝有調(diào)節(jié)管路內(nèi)介質(zhì)壓力的控制閥門(常規(guī)結(jié)構(gòu)閥門，可外購(gòu)獲得)。本實(shí)施例工作流程如下
用戶提供的廢氬氣匯合返流廢氬進(jìn)入增壓機(jī)第一段增壓冷卻，一部分直接進(jìn)主換熱器吸收冷量做原料氣和第一精餾塔蒸發(fā)器熱源氣，另一部分進(jìn)入增壓機(jī)第二段繼續(xù)增壓冷卻，然后分別進(jìn)入膨脹機(jī)增壓端、主換熱器、膨脹機(jī)膨脹端，中壓氣體膨脹做功(推動(dòng)轉(zhuǎn)子ET 做功)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供足夠的冷量，膨脹后氣體進(jìn)入主換熱器釋放冷量，復(fù)熱后進(jìn)增壓機(jī)參與循環(huán)。接近氣化點(diǎn)的帶壓廢液氬節(jié)流進(jìn)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(fā)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(jìn)一步提純，第一精餾塔頂部輸出的廢氬氣進(jìn)入主換熱器回收冷量復(fù)熱后進(jìn)增壓機(jī)參與循環(huán)，第一精餾塔蒸發(fā)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(jìn)入， 通過精餾除去蒸發(fā)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(tài)純氬產(chǎn)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(jìn)入主換熱器回收冷量復(fù)熱后進(jìn)增壓機(jī)參與循環(huán)。流程中一部分從增壓機(jī)第一段出來的氣體經(jīng)過主換熱器放出熱量后通過14號(hào)管路節(jié)流作為第一精餾塔蒸發(fā)器Kl熱源， 從蒸發(fā)器Kl出來的部分廢液氬通過19號(hào)管路節(jié)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(hào)管路回主換熱器回收剩余冷能，復(fù)熱后進(jìn)增壓機(jī)參與循環(huán)； 另一部分廢液氬通過21號(hào)管路直接進(jìn)主換熱器回收冷能，復(fù)熱后進(jìn)增壓機(jī)參與循環(huán)。流程特點(diǎn)
本流程首先分離混合氣體中沸點(diǎn)低的物質(zhì)(氮、一氧化碳等)然后再分離混合氣體中沸點(diǎn)高的物質(zhì)(氧、碳?xì)浠衔锏?。本實(shí)施例的各管路中的推薦數(shù)據(jù)如下
權(quán)利要求
1.從廢氬氣中制取純氬的方法，同時(shí)進(jìn)行以下作業(yè)流程a、用戶設(shè)備排放的帶壓廢氬氣引入提純?cè)O(shè)備，匯合復(fù)熱的返流廢氬氣后進(jìn)入增壓機(jī)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(jìn)入增壓機(jī)第二段(TC2)繼續(xù)增壓冷卻，然后進(jìn)入膨脹機(jī)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(jìn)入膨脹機(jī)膨脹端(ET)推動(dòng)轉(zhuǎn)子做功，降溫降壓后返回主換熱器吸收熱量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)繼續(xù)參與循環(huán)；另一路進(jìn)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(fā)器中的吸收腔(Gl)后吸收冷量轉(zhuǎn)換為廢液氬，另一股在換熱器中繼續(xù)釋放熱量轉(zhuǎn)換為廢液氬后送入第一精餾塔(Cl)精餾；b、第一精餾塔蒸發(fā)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(zhuǎn)換為廢氬氣后輸回主換熱器(El)釋放冷量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)；第二路直接輸回主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)；C、送入第一精餾塔(Cl)的廢液氬放出冷量，其中蒸發(fā)溫度高于氬的組分以液態(tài)形式從第一精餾塔蒸發(fā)器(Kl)底端的排放管(P)進(jìn)行排放，其余放出冷量后蒸發(fā)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(fā)溫度低于氬的組分以氣態(tài)形式從第二精餾塔冷凝器吸收腔(G2)的排放口進(jìn)入大氣排放，剩余氣體吸收冷量后得到液態(tài)純氬產(chǎn)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(fā)器 (Kl)頂端且與該蒸發(fā)器連通；第一精餾塔蒸發(fā)器內(nèi)廢液氬的蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)；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(jìn)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(nèi)廢液氬的蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)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(jìn)入主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)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(jìn)入主換熱器釋放冷量，復(fù)熱至常溫后進(jìn)入增壓機(jī)入口繼續(xù)參與循環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)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(fā)明涉及一種制取純氬的方法。目的是該方法應(yīng)具有投資少、純氬產(chǎn)品產(chǎn)量高的特點(diǎn)。技術(shù)方案是從廢氬氣中制取純氬的方法，同時(shí)進(jìn)行以下作業(yè)a、帶壓廢氬氣匯合復(fù)熱的返流廢氬氣后增壓、冷卻分為兩路，一路繼續(xù)增壓冷卻，推動(dòng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子做功后繼續(xù)循環(huán)；另一路釋放熱量后，抽出一股廢氬氣通入第一精餾塔蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換為廢液氬，另一股轉(zhuǎn)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(xù)參與循環(huán)；c、送入第一精餾塔的廢液氬放出冷量，其中部分氣體液態(tài)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(tài)排放，剩余氣體吸收冷量后作為液態(tài)純氬產(chǎn)品輸出。
文檔編號(hào)F25J3/08GK102506560SQ20111029785
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者孫國(guó)華, 張敏, 沈浩 申請(qǐng)人:浙江新銳空分設(shè)備有限公司