CN102506560B - 从废氩气中制取纯氩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制取纯氩的方法。目的是该方法应具有投资少、纯氩产品产量高的特点。技术方案是：从废氩气中制取纯氩的方法，同时进行以下作业：a、带压废氩气汇合复热的返流废氩气后增压、冷却分为两路，一路继续增压冷却，推动膨胀机转子做功后继续循环；另一路释放热量后，抽出一股废氩气通入第一精馏塔蒸发器转换为废液氩，另一股转换为废液氩后送入第一精馏塔精馏；b、第一精馏塔输出的废液氩分为两路，分别送入第二精馏塔以及主换热器释放冷量，并继续参与循环；c、送入第一精馏塔的废液氩放出冷量，其中部分气体液态排放，其余气体送入第二精馏塔吸收冷量，其中部分气体气态排放，剩余气体吸收冷量后作为液态纯氩产品输出。

Description

从废氩气中制取纯氩的方法

技术领域

本发明涉及一种空气分离方法，具体是从废氩气中制取纯氩的方法。

背景技术

氩存在于自然界中，大气中氩组分的含量约0.9%。人们通过多种工艺方法将其从化合物或混合物中分离提纯出高纯度的氩（≥99.999%v/v采用GB/T10624-1995中术语），氩的最早用途是向电灯泡内充气。现在广泛应用于焊接和切割金属、电子、医药等行业，也作为保护气大量应用于工业生产。目前工业化批量生产纯氩主要通过以下三条途径实现氩的制取和提纯：（一）钾-40衰变方法；（二）吸附+化学方法；（三）低温精馏方法。其中：（一）、（二）两种方法其工艺过程均为气态氩的过程，其最终的产品也为气态。通过贮气罐或金属制压力容器将其贮存，实现产品的运输，因此量不大且效率低。同时，所采用化学方法也对工业生产规模形成一定制约。不太适合远距离运输，不太适合大量储存；也难适应现代化企业对纯氩越来越大的需求。

第（三）种工艺方法是指在低温状态下将空气进行分离。其原理可简述为：将原料空气液化，然后根据空气所含组分（例如氧、氮、氩）沸点的不同，采用低温精馏的方法分离出氧、氮、氩等。该方法的工艺路线，一般可直接获得液态的纯氩；当然投资也大。另外，局限于空气中氩组分含量，氩产品产量远远少于氧、氮产品，在空气分离装置中属于副产品。其较之（一）（二）两种方法更易贮存，运输更方便、高效。但是必须依托一个大型空分装置，投资量十分大，产量则受到空分装置规模的限制。

用作保护气的氩被污染后往往作为废气被排放，其组分中氩的含量依然很高，再次分离杂质进行提纯需耗费的能量远少于从空气中将氩分离出来。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种从废氩气中制取纯氩的方法，该方法应具有投资少、纯氩产品产量高的特点。

本发明提供的技术方案是：

从废氩气中制取纯氩的方法，同时进行以下作业流程： 

a、用户设备排放的带压废氩气引入提纯设备，汇合复热的返流废氩气后进入增压机第一段提高气体压力，并通过水冷却器冷却；冷却后输出的气体分为两路，一路进入增压机第二段继续增压冷却，然后进入膨胀机增压端增压冷却后通入主换热器释放热量，降温后的废氩气进入膨胀机膨胀端推动转子做功，降温降压后返回主换热器吸收热量，复热至常温后进入增压机继续参与循环；另一路进入主换热器释放热量，从换热器中下部抽出一股废氩气通入第一精馏塔蒸发器中的吸收腔后吸收冷量转换为废液氩，另一股在换热器中继续释放热量转换为废液氩后送入第一精馏塔精馏； 

b、第一精馏塔蒸发器输出的废液氩分为两路，第一路送入第二精馏塔冷凝器放出冷量，转换为废氩气后输回主换热器释放冷量，复热至常温后进入增压机入口继续参与循环；第二路直接输回主换热器释放冷量，复热至常温后进入增压机入口继续参与循环； 

c、送入第一精馏塔的废液氩放出冷量，其中蒸发温度高于氩的组分以液态形式从第一精馏塔蒸发器底端的排放管进行排放，其余放出冷量后蒸发的气体（粗氩气）从第一精馏塔中部输出送入第二精馏塔底部吸收冷量，其中蒸发温度低于氩的组分以气态形式从第二精馏塔冷凝器吸收腔的排放口进入大气排放，剩余气体吸收冷量后得到液态纯氩产品后输出； 

第一精馏塔和第二精馏塔分开布置；第一精馏塔固定在第一精馏塔蒸发器顶端且与该蒸发器连通；第一精馏塔蒸发器内废液氩的蒸发温度低于废氩气的液化温度，分别通过控制废液氩的压力以及控制废氩气的压力实现；第二精馏塔冷凝器固定在第二精馏塔顶端，第二精馏塔冷凝器中的吸收腔，其粗氩气进口以及粗液氩出口分别通过管路与第二精馏塔相通；第二精馏塔冷凝器内废液氩的蒸发温度低于粗氩气的液化温度，分别通过控制废液氩的压力以及控制粗氩气的压力实现。

第一精馏塔顶端输出口还通过管路输出废氩气进入主换热器释放冷量，复热至常温后进入增压机入口继续参与循环。

所述第二精馏塔的底端还通过管路输出废液氩进入主换热器释放冷量，复热至常温后进入增压机入口继续参与循环。

所述主换热器为板式换热器。

本发明的工作原理是：

1、由于输入第一精馏塔内的废液氩压力低，而输入第一精馏塔内的蒸发器的废氩气压力高，所以废液氩的蒸发温度要低于废氩气的液化温度（例如：实施例中的第一精馏塔的废液氩压力为0.31MPa时，蒸发温度为-173.9℃，而所提供的废氩气在压力为0.35MPa时，液化温度为-172.8℃，两者温差1.1℃）。这样，废氩气的冷凝和废液氩的蒸发可同时进行。

2、由于第二精馏塔内上升粗氩气的压力低，而提供的废液氩压力高，所以废液氩的蒸发温度要低于废氩气的液化温度（例如：实施例中的第二精馏塔内的上升粗氩气的压力为0.3MPa时，液化温度为-174.3℃，而系统提供的废液氩在压力为0.27MPa时，蒸发温度为-176.6℃，两者温差2.3℃）。这样，粗氩气的冷凝和废液氩的蒸发就可同时进行。

本发明的有益效果是： 

首先，本方法无需依托大型空气分离工艺装置以及它配属的提取氩的生产流程，所以投资至少要小一个数量级，流程更高效，大大降低了液氩的生产门槛。其次，采用本工艺方法只需要回收使用过的废氩气增加配套装置即可达到目的，简便易行见效快。第三，液氩产量高（从废氩气中提取液氩的比例达到80%以上）。另外，还具有低温精馏方法的一切优点，而无背景技术所述的（一）（二）两种方法的局限。

附图说明

图1是本发明实施例的工艺流程示意图。

图2是本发明中的第一精馏塔的蒸发器的结构示意图。

图3是本发明中的第二精馏塔的冷凝器的结构示意图。

具体实施方式

本发明具有以下特点：

1、具有很高的提取率，液氩产量高

如前所述第（三）种低温精馏方法，液氩的产量受到一个约束；那是因为空气中氩组分含量很少，整套空气分离装置主要依据用户所需的用氧量配置，原料空气中所含有的氩组分非常有限，因而液氩产量不高。本发明所用原料为用户使用后的废氩气，其中氩组分含量很高，因而液氩产量较高。

2、采用精馏方法解决纯液氩的纯度问题

直接采用来自用户使用后的废氩气作为原料，对其中氧、氮、一氧化碳、甲烷、其它烃类组分均采用精馏方法进行净化；特别要采用单独的精馏工艺去除一氧化碳至＜2×10^-6v/v。

以下通过实施例进一步说明，

实施例：

a、用户设备排放的带压废氩气通过1号管路引入提纯设备，汇合复热的返流废氩气后通过7号管路进入增压机第一段TC1提高气体压力，并通过第一水冷却器30冷却；冷却后输出的气体分为两路，一路依次进入增压机第二段TC2继续增压、第二水冷却器31冷却，然后通过8号管路依次进入膨胀机增压端BT增压、第三水冷却器32冷却后通过10号管路通入主换热器E1释放热量，降温后的废氩气进入膨胀机膨胀端ET推动转子做功，降温降压后返回主换热器吸收热量，复热至常温后进入增压机继续参与循环；另一路通过9号管路进入主换热器E1释放热量，从换热器中下部抽出一股废氩气通过14号管路通入第一精馏塔蒸发器K1中的吸收腔G1后吸收冷量转换为废液氩，另一股通过13号管路在换热器中继续释放热量转换为废液氩后送入第一精馏塔C1顶端进行精馏； 

b、第一精馏塔蒸发器K1输出的废液氩分为两路，第一路通过19号管路送入第二精馏塔冷凝器K2放出冷量，转换为废氩气后通过16号管路输回主换热器继续释放冷量，复热至常温后通过2号管路进入增压机入口继续参与循环；第二路通过17号管路直接输回主换热器释放冷量，复热至常温后通过4号管路进入增压机入口继续参与循环； 

c、通过13号管路送入第一精馏塔顶端的废液氩放出冷量，其中蒸发温度高于氩的组分以液态形式从第一精馏塔蒸发器底端的排放管p通过18号管路进行排放，其余放出冷量后蒸发的气体（粗氩气）从第一精馏塔中部通过20号管路输出送入第二精馏塔底部吸收冷量，其中蒸发温度低于氩的组分以气态形式从第二精馏塔冷凝器K2中的吸收腔G2的排放口通过22号管路进入大气排放，剩余气体吸收冷量后得到液态纯氩产品后通过23号管路输出； 

第一精馏塔C1和第二精馏塔C2分开布置；第一精馏塔固定在第一精馏塔蒸发器K1顶端且与该蒸发器连通；第一精馏塔蒸发器内废液氩的蒸发温度低于废氩气的液化温度，分别通过控制废液氩的压力以及控制废氩气的压力实现；

第二精馏塔冷凝器K2固定在第二精馏塔顶端，第二精馏塔冷凝器K2中的吸收腔G2，其粗氩气进口G21以及粗液氩出口G22分别通过管路与第二精馏塔C2相通；第二精馏塔冷凝器内废液氩的蒸发温度低于粗氩气的液化温度，分别通过控制废液氩的压力以及控制粗氩气的压力实现。

第一精馏塔顶端输出口还通过13管路输出废氩气进入主换热器释放冷量，复热至常温后通过3号管路进入增压机入口继续参与循环。

所述第二精馏塔的底端还通过21管路输出废液氩进入主换热器释放冷量，复热至常温后通过5号管路进入增压机入口继续参与循环。

所述第一精馏塔和第二精馏塔的结构与化工设备的精馏塔结构相同；精馏元件可采用填料+分布器内件，也可采用筛板结构，或填料、筛板的组合塔结构。

蒸发器K1和冷凝器K2可根据传热温差的需要，采用板翅式换热器或管式换热器结构；主换热器优选主板式换热器。

以上所述的所有管路均分别安装有调节管路内介质压力的控制阀门（常规结构阀门，可外购获得）。

本实施例工作流程如下：

用户提供的废氩气汇合返流废氩进入增压机第一段增压冷却，一部分直接进主换热器吸收冷量做原料气和第一精馏塔蒸发器热源气，另一部分进入增压机第二段继续增压冷却，然后分别进入膨胀机增压端、主换热器、膨胀机膨胀端，中压气体膨胀做功（推动转子ET做功），为系统运行提供足够的冷量，膨胀后气体进入主换热器释放冷量，复热后进增压机参与循环。

接近气化点的带压废液氩节流进入第一精馏塔上部参与精馏，在第一精馏塔中通过精馏使得废液氩中蒸发温度低于氩的组分（氮、一氧化碳等）浓缩于上升气体中，在第一精馏塔下部的物料中一氧化碳含量很低，从第一精馏塔中下部抽取一氧化碳含量＜2×10-7v/v的气体去第二精馏塔塔进一步提纯，第一精馏塔顶部输出的废氩气进入主换热器回收冷量复热后进增压机参与循环，第一精馏塔蒸发器K1中液氩含较多的氧和甲烷等化合物，需要不间断排放。第一精馏塔中部提取的气体从第二精馏塔底部进入，通过精馏除去蒸发温度低于氩的组分（氧、一氧化碳等），在第二精馏塔中部得到氩含量＜2×10-6v/v的液态纯氩产品；第二精馏塔顶部气体一氧化碳含量较高，可以间断排放，底部废液进入主换热器回收冷量复热后进增压机参与循环。流程中一部分从增压机第一段出来的气体经过主换热器放出热量后通过14号管路节流作为第一精馏塔蒸发器K1热源，从蒸发器K1出来的部分废液氩通过19号管路节流后作为第二精馏塔冷凝器K2冷源，从冷凝器K2出来的废氩气通过16号管路回主换热器回收剩余冷能，复热后进增压机参与循环；另一部分废液氩通过21号管路直接进主换热器回收冷能，复热后进增压机参与循环。

流程特点：

本流程首先分离混合气体中沸点低的物质（氮、一氧化碳等）然后再分离混合气体中沸点高的物质（氧、碳氢化合物等）。

本实施例的各管路中的推荐数据如下：

本发明中的第一精馏塔蒸发器K1的结构如图2所示；第二精馏塔冷凝器K2的结构如图3所示；这些装置可全部外购或自制。

Claims (4)

1.从废氩气中制取纯氩的方法，同时进行以下作业流程：

a、用户设备排放的带压废氩气引入提纯设备，汇合复热的返流废氩气后进入增压机第一段（TC1）提高气体压力，并通过水冷却器（30）冷却；冷却后输出的气体分为两路，一路进入增压机第二段（TC2）继续增压冷却，然后进入膨胀机增压端（BT）增压冷却后通入主换热器（E1）释放热量，降温后的废氩气进入膨胀机膨胀端（ET）推动转子做功，降温降压后返回主换热器吸收热量，复热至常温后进入增压机继续参与循环；另一路进入主换热器释放热量，从主换热器中下部抽出一股废氩气通入第一精馏塔蒸发器中的吸收腔(G1)后吸收冷量转换为废液氩，另一股在主换热器中继续释放热量转换为废液氩后送入第一精馏塔（C1）精馏；

b、第一精馏塔蒸发器(K1)输出的废液氩分为两路，第一路送入第二精馏塔冷凝器(K2)放出冷量，转换为废氩气后输回主换热器（E1）释放冷量，复热至常温后进入增压机入口继续参与循环；第二路直接输回主换热器释放冷量，复热至常温后进入增压机入口继续参与循环；

c、送入第一精馏塔（C1）的废液氩放出冷量，其中蒸发温度高于氩的组分以液态形式从第一精馏塔蒸发器（K1）底端的排放管（P）进行排放，其余放出冷量后蒸发的气体从第一精馏塔中部输出送入第二精馏塔（C2）底部吸收冷量，其中蒸发温度低于氩的组分以气态形式从第二精馏塔冷凝器吸收腔（G2）的排放口进入大气排放，剩余气体吸收冷量后得到液态纯氩产品后输出；

第一精馏塔（C1）和第二精馏塔（C2）分开布置；第一精馏塔固定在第一精馏塔蒸发器（K1）顶端且与该蒸发器连通；第一精馏塔蒸发器内废液氩的蒸发温度低于废氩气的液化温度，分别通过控制废液氩的压力以及控制废氩气的压力实现；第二精馏塔冷凝器（K2）固定在第二精馏塔顶端，第二精馏塔冷凝器中的吸收腔（G2），其粗氩气进口（G21）以及液态纯氩出口(G22)分别通过管路与第二精馏塔相通；第二精馏塔冷凝器内废液氩的蒸发温度低于粗氩气的液化温度，分别通过控制废液氩的压力以及控制粗氩气的压力实现。

2.根据权利要求1所述的从废氩气中制取纯氩的方法，其特征在于：第一精馏塔顶端输出口还通过管路输出废氩气进入主换热器释放冷量，复热至常温后进入增压机入口继续参与循环。

3.根据权利要求2所述的从废氩气中制取纯氩的方法，其特征在于：所述第二精馏塔的底端还通过管路输出废液氩进入主换热器释放冷量，复热至常温后进入增压机入口继续参与循环。

4.根据权利要求3所述的从废氩气中制取纯氩的方法，其特征在于：所述主换热器为板式换热器。

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