CN111998611A - 一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法，包括氪氙精制管路和液氮氮气管路；还涉及一种根据上述可同时生产高纯氧的氪氙精制系统；本发明的优势是将副产品氧气进一步提纯为高纯氧气，提高了精制过程的经济性。

Description

一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法及其系统
技术领域
本发明涉及气体分离领域，尤其涉及一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法及其系统。
背景技术
大气中的氪和氙含量分别约为1.138×10-6和0.0857×10-6，微量氪和氙随空气进入空气分离装置的低温精馏塔后，高沸点组分氪、氙、碳氢化合物(主要是甲烷)以及氟化物均积聚在低压塔的液氧内，将低压塔的液氧送入一个氪附加精馏塔(俗称贫氪塔)。可获得氪氙含量为0.2～0.3％Kr+Xe的贫氪氙浓缩物，其中甲烷含量约为0.3～0.4％。氧气中甲烷含量过高(一般不超过0.5％CH4)是极其危险的，只有预先脱除掉贫氪氙浓缩物中的甲烷后，才有可能继续提高液氧中的氪氙浓度，在已知的方法中，首先将贫氪氙浓缩物加压到临界压力5.5MPa并使其汽化，再减压到1.0MPa后进入甲烷纯化装置。甲烷纯化装置是通过钯催化剂，在480～500℃的温度下，氧与甲烷进行化学反应后甲烷被脱除(残余甲烷含量可低于1×10-6)，然后用分子筛吸附脱除化学反应生成物——二氧化碳和水。去除甲烷后的原料气进入第一级精馏塔后得到氪氙混合物。
精制的原料中99％以上是氧气，通常情况下，这部分氧气直接放空，造成很大的经济浪费。这氧气因已去除甲烷，用以生产高纯氧气将是比较好的用途。
一般的精制设备利用此氪氙混合物作为原料，以氮气和液氮的混合气为冷源，通过增设多级精馏的形式分离氪气、氙气，并进一步提纯氪气氙气。精制设备所使用的的氮气直接进冷箱，没有预冷过程，对应使用的液氮量较大。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法及其系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法及其系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
本发明的第一方面是提供一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法，包括氪氙精制管路和液氮氮气管路；
所述氪氙精制管路包括：
氪氙浓缩物经分馏塔的主换热器降温后进入一级精馏塔，在所述一级精馏塔内分离为高沸点组分和低沸点组分；
所述高沸点组分自所述一级精馏塔塔底进入二级精馏塔，在所述二级精馏塔内分离为高沸点的粗氙气和低沸点的粗氪气；
所述粗氙气自所述二级精馏塔塔底进入粗氙塔，在所述粗氙塔内去除高沸点组分后，自所述粗氙塔塔顶进入纯氙塔，在所述纯氙塔内去除低沸点组分后，自所述纯氙塔塔底进入下一步工序；
所述粗氪气自所述二级精馏塔塔顶进入纯氪塔，在所述纯氪塔内去除高沸点组分后，自所述纯氪塔塔顶进入下一步工序；
所述低沸点组分自所述一级精馏塔塔顶进入高纯氧塔，在所述高纯氧塔内分离为高沸点的高纯氧和低沸点的其他组分；
所述高纯氧自所述高纯氧塔塔底进入下一步工序；
所述其他组分自所述高纯氧塔塔顶进入下一步工序；
所述液氮氮气管路包括：
液氮和氮气的直接混合气为一级冷凝蒸发器的冷源；
经所述一级冷凝蒸发器汽化后的低温氮气，和经所述主换热器降温后的较低温氮气，两者的混合气为其他冷凝蒸发器的冷源；
自其他冷凝蒸发器的氮气经所述主换热器复热后直接送空；
氮气经主换热器降温后，一部分即所述较低温氮气，另一部分为再沸器的热源；
自所述再沸器液化后的氮气进入高纯氧塔冷凝蒸发器；
自所述高纯氧塔冷凝蒸发器的氮气进入所述一级冷凝蒸发器；
其中，所述其他冷凝蒸发器包括二级冷凝蒸发器、纯氪塔冷凝蒸发器、粗氙塔冷凝蒸发器和纯氙塔冷凝蒸发器。
优选地，所述高纯氧自所述高纯氧塔塔底一部分经所述再沸器气化后返回所述高纯氧塔，另一部分进入下一步工序。
优选地，所述其他组分自所述高纯氧塔塔顶一部分经所述高纯氧塔冷凝蒸发器冷凝后返回所述高纯氧塔，另一部分经所述主换热器复热后进入下一步工序。
优选地，根据其他冷凝蒸发器不同的冷源需求，经所述一级冷凝蒸发器汽化后的低温氮气，和经所述主换热器降温后的较低温氮气，两者的混合比例不同。
优选地，自所述再沸器液化后的氮气，经连接管路上的调压阀减压后，进入高纯氧塔冷凝蒸发器。
优选地，若自所述高纯氧塔冷凝蒸发器进入所述一级冷凝蒸发器的所述氮气已气化，则与所述一级冷凝蒸发器的液氮混合为所述低温氮气，否则直接进入所述一级冷凝蒸发器。
本发明的第二方面是提供一种根据上述可同时生产高纯氧的氪氙精制系统，分馏塔包括：
一级精馏塔，
与所述一级精馏塔塔顶连接的高纯氧塔，
与所述一级精馏塔塔底连接的二级精馏塔，
与所述二级精馏塔塔顶连接的纯氪塔，
与所述二级精馏塔塔底连接的粗氙塔，
与所述粗氙塔塔顶连接的纯氙塔，
设于所述一级精馏塔塔顶的一级冷凝蒸发器，
设于所述二级精馏塔塔顶的二级冷凝蒸发器，
设于所述纯氪塔塔顶的纯氪塔冷凝蒸发器，
设于所述粗氙塔塔顶的粗氙塔冷凝蒸发器，
设于所述纯氙塔塔顶的纯氙塔冷凝蒸发器，
设于所述高纯氧塔塔顶的高纯氧塔冷凝蒸发器，
设于所述高纯氧塔塔底的再沸器，以及
与所述一级精馏塔、所述二级冷凝蒸发器、所述纯氪塔冷凝蒸发器、所述粗氙塔冷凝蒸发器、所述纯氙塔冷凝蒸发器、所述再沸器和所述高纯氧塔分别连接的主换热器；
其中，所述连接均为管路连接。
进一步优选地，所述一级冷凝蒸发器分别与所述二级冷凝蒸发器、所述纯氪塔冷凝蒸发器、所述粗氙塔冷凝蒸发器、所述纯氙塔冷凝蒸发器和所述高纯氧塔冷凝蒸发器连接。
进一步优选地，所述再沸器和所述高纯氧塔冷凝蒸发器连接。
进一步优选地，所述连接管路上还设有调压阀。
本发明中涉及到的分馏塔中的塔板数和塔径、分布器数量、形式由具体设计而订，分馏塔形式的变动并不影响本发明的描述。
众所周知，使分馏塔工作，塔底上升的气体和塔顶下降的液体是分馏塔正常工作所必需的条件。氪氙精制设备流量一般较小，上升气体通常由塔底的电加热器加热液体得到，下降液体通常由塔顶的冷凝蒸发器冷凝气体得到。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明的优势是将副产品氧气进一步提纯为高纯氧气，提高了精制过程的经济性。
附图说明
图1为本发明可同时生产高纯氧的氪氙精制系统的示意图；
其中的附图标记为：
分馏塔1；主换热器2；一级精馏塔3；二级精馏塔4；纯氪塔5；粗氙塔6；纯氙塔7；一级冷凝蒸发器8；二级冷凝蒸发器9；纯氪塔冷凝蒸发器10；粗氙塔冷凝蒸发器11；纯氙塔冷凝蒸发器12；再沸器13；高纯氧塔14；高纯氧塔冷凝蒸发器15。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法，包括氪氙精制管路和液氮氮气管路；
所述氪氙精制管路包括：
经过去除甲烷、CO2和水的氪氙浓缩物GO-101(O2：99.9％；Ar：331ppm；Kr：816ppm；Xe：65ppm；及其他微量杂质；压力：～0.5MPaA；温度：29℃；流量：360Nm3/h)经分馏塔1的主换热器2降温后进入一级精馏塔3(操作压力：0.3MPaA～0.6MPaA，操作温度受压力及组分变动影响，一般为-125～-170℃)，在所述一级精馏塔3内分离为高沸点组分和低沸点组分；
所述高沸点组分LKr-301(Kr：92.5％；Xe：7.4％；其它：0.1％)自所述一级精馏塔3塔底进入二级精馏塔4(操作压力比一级精馏塔3略低，一般在0.25～0.5MPaG，杂质含量减少，操作温度会比较稳定，一般为-130℃)，在所述二级精馏塔4内分离为高沸点的粗氙气和低沸点的粗氪气；
所述粗氙气自所述二级精馏塔4塔底进入粗氙塔6(操作压力：0.03～0.2MPaG，操作温度：-100℃左右)，在所述粗氙塔6内去除高沸点组分(碳氢化合物及部分氟化物等)后，自所述粗氙塔6塔顶进入纯氙塔7(操作压力：0.02～0.2MPaG，操作温度：-100℃左右)，在所述纯氙塔7内去除低沸点组分后，自所述纯氙塔7塔底进入下一步(充装或管道输送)工序(LXe-403，国标99.999％以上纯度)；
所述粗氪气GKr-302自所述二级精馏塔4塔顶进入纯氪塔5(操作压力：0.22～0.5MPaG，操作温度：-135℃)，在所述纯氪塔5内去除高沸点组分(主要为氟化物)后，自所述纯氪塔5塔顶进入下一步(充装或管道输送)工序(GKr-303，国标99.999％以上纯度)；
所述低沸点组分GO-103(O2：99.96％；Ar：332ppm；Kr：视情况而定，≤100ppb；流量：～360Nm3/h)自所述一级精馏塔3塔顶进入高纯氧塔14，在所述高纯氧塔14内分离为高沸点的高纯氧和低沸点的其他组分；
所述高纯氧自所述高纯氧塔14塔底一部分经所述再沸器13气化后返回所述高纯氧塔14，另一部分以液态形式作为高纯氧产品(LO-104，流量：109Nm3/h，O2纯度：99.9999％)；
所述其他组分自所述高纯氧塔14塔顶一部分经所述高纯氧塔冷凝蒸发器15冷凝后返回所述高纯氧塔14，另一部分GO-105经所述主换热器2复热后进入下一步工序；
所述液氮氮气管路包括：
液氮和氮气的直接混合气为一级冷凝蒸发器8的冷源，直接混合气比例由温度和整个系统所需冷量进行配比，例如420Nm3/h，-118℃氮气与200Nm3/h液氮配比后，得到-180℃的低温氮气320Nm3/h。
经所述一级冷凝蒸发器8汽化后的低温氮气，和经所述主换热器2降温后的较低温氮气，两者的混合气为其他冷凝蒸发器(包括二级冷凝蒸发器9、纯氪塔冷凝蒸发器10、粗氙塔冷凝蒸发器11和纯氙塔冷凝蒸发器12)的冷源，根据其他冷凝蒸发器不同的冷源需求，上述两者的混合比例不同，保证每个冷凝蒸发器的温差在设计范围之内；
自其他冷凝蒸发器的氮气经所述主换热器2复热至0～20℃后直接送空或另做他用；
氮气GN-201(流量：730Nm3/h，压力：0.6MPaA)经主换热器2降温后，一部分即所述较低温氮气(温度：-30℃)，另一部分GN-202为再沸器13的热源(温度：约-177.1℃，即露点温度)；
自所述再沸器13液化后的氮气，经连接管路GN-203上的调压阀减压至0.37MPaA后，进入高纯氧塔冷凝蒸发器15；
自所述高纯氧塔冷凝蒸发器15的氮气进入所述一级冷凝蒸发器8，若所述氮气已气化，则经GN-204与所述一级冷凝蒸发器8的液氮混合为所述低温氮气，否则经GN-205直接进入所述一级冷凝蒸发器8。
实施例2
如图1所示，本实施例提供一种根据上述可同时生产高纯氧的氪氙精制系统，分馏塔1包括：
一级精馏塔3，
与所述一级精馏塔3塔顶连接的高纯氧塔14，
与所述一级精馏塔3塔底连接的二级精馏塔4，
与所述二级精馏塔4塔顶连接的纯氪塔5，
与所述二级精馏塔4塔底连接的粗氙塔6，
与所述粗氙塔6塔顶连接的纯氙塔7，
设于所述二级精馏塔4塔顶的二级冷凝蒸发器9，
设于所述纯氪塔5塔顶的纯氪塔冷凝蒸发器10，
设于所述粗氙塔6塔顶的粗氙塔冷凝蒸发器11，
设于所述纯氙塔7塔顶的纯氙塔冷凝蒸发器12，
设于所述高纯氧塔14塔顶的高纯氧塔冷凝蒸发器15，
与所述二级冷凝蒸发器9、所述纯氪塔冷凝蒸发器10、所述粗氙塔冷凝蒸发器11、所述纯氙塔冷凝蒸发器12和所述高纯氧塔冷凝蒸发器15分别连接，且设于所述一级精馏塔3塔顶的一级冷凝蒸发器8，
与所述高纯氧塔冷凝蒸发器15连接，且设于所述高纯氧塔14塔底的再沸器13，以及
与一级精馏塔3、二级冷凝蒸发器9、纯氪塔冷凝蒸发器10、粗氙塔冷凝蒸发器11、纯氙塔冷凝蒸发器12、再沸器13和高纯氧塔14分别连接的主换热器2；
其中，所述连接均为管路连接；所述连接管路上还设有调压阀。
本发明中涉及到的分馏塔中的塔板数和塔径、分布器数量、形式由具体设计而订，分馏塔形式的变动并不影响本发明的描述。
众所周知，使分馏塔工作，塔底上升的气体和塔顶下降的液体是分馏塔正常工作所必需的条件。氪氙精制设备流量一般较小，上升气体通常由塔底的电加热器加热液体得到，下降液体通常由塔顶的冷凝蒸发器冷凝气体得到。
本发明的优势是将副产品氧气进一步提纯为高纯氧气，提高了精制过程的经济性。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可同时生产高纯氧的氪氙精制方法，其特征在于，包括氪氙精制管路和液氮氮气管路；
所述氪氙精制管路包括：
氪氙浓缩物经分馏塔(1)的主换热器(2)降温后进入一级精馏塔(3)，在所述一级精馏塔(3)内分离为高沸点组分和低沸点组分；
所述高沸点组分自所述一级精馏塔(3)塔底进入二级精馏塔(4)，在所述二级精馏塔(4)内分离为高沸点的粗氙气和低沸点的粗氪气；
所述粗氙气自所述二级精馏塔(4)塔底进入粗氙塔(6)，在所述粗氙塔(6)内去除高沸点组分后，自所述粗氙塔(6)塔顶进入纯氙塔(7)，在所述纯氙塔(7)内去除低沸点组分后，自所述纯氙塔(7)塔底进入下一步工序；
所述粗氪气自所述二级精馏塔(4)塔顶进入纯氪塔(5)，在所述纯氪塔(5)内去除高沸点组分后，自所述纯氪塔(5)塔顶进入下一步工序；
所述低沸点组分自所述一级精馏塔(3)塔顶进入高纯氧塔(14)，在所述高纯氧塔(14)内分离为高沸点的高纯氧和低沸点的其他组分；
所述高纯氧自所述高纯氧塔(14)塔底进入下一步工序；
所述其他组分自所述高纯氧塔(14)塔顶进入下一步工序；
所述液氮氮气管路包括：
液氮和氮气的直接混合气为一级冷凝蒸发器(8)的冷源；
经所述一级冷凝蒸发器(8)汽化后的低温氮气，和经所述主换热器(2)降温后的较低温氮气，两者的混合气为其他冷凝蒸发器的冷源；
自其他冷凝蒸发器的氮气经所述主换热器(2)复热后直接送空；
氮气经主换热器(2)降温后，一部分即所述较低温氮气，另一部分为再沸器(13)的热源；
自所述再沸器(13)液化后的氮气进入高纯氧塔冷凝蒸发器(15)；
自所述高纯氧塔冷凝蒸发器(15)的氮气进入所述一级冷凝蒸发器(8)；
其中，所述其他冷凝蒸发器包括二级冷凝蒸发器(9)、纯氪塔冷凝蒸发器(10)、粗氙塔冷凝蒸发器(11)和纯氙塔冷凝蒸发器(12)。
2.根据权利要求1所述的氪氙精制方法，其特征在于，所述高纯氧自所述高纯氧塔(14)塔底一部分经所述再沸器(13)气化后返回所述高纯氧塔(14)，另一部分进入下一步工序。
3.根据权利要求1所述的氪氙精制方法，其特征在于，所述其他组分自所述高纯氧塔(14)塔顶一部分经所述高纯氧塔冷凝蒸发器(15)冷凝后返回所述高纯氧塔(14)，另一部分经所述主换热器(2)复热后进入下一步工序。
4.根据权利要求1所述的氪氙精制方法，其特征在于，根据其他冷凝蒸发器不同的冷源需求，经所述一级冷凝蒸发器(8)汽化后的低温氮气，和经所述主换热器(2)降温后的较低温氮气，两者的混合比例不同。
5.根据权利要求1所述的氪氙精制方法，其特征在于，自所述再沸器(13)液化后的氮气，经连接管路上的调压阀减压后，进入高纯氧塔冷凝蒸发器(15)。
6.根据权利要求1所述的氪氙精制方法，其特征在于，若自所述高纯氧塔冷凝蒸发器(15)进入所述一级冷凝蒸发器(8)的所述氮气已气化，则与所述一级冷凝蒸发器(8)的液氮混合为所述低温氮气，否则直接进入所述一级冷凝蒸发器(8)。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述可同时生产高纯氧的氪氙精制系统，其特征在于，分馏塔(1)包括：
一级精馏塔(3)，
与所述一级精馏塔(3)塔顶连接的高纯氧塔(14)，
与所述一级精馏塔(3)塔底连接的二级精馏塔(4)，
与所述二级精馏塔(4)塔顶连接的纯氪塔(5)，
与所述二级精馏塔(4)塔底连接的粗氙塔(6)，
与所述粗氙塔(6)塔顶连接的纯氙塔(7)，
设于所述一级精馏塔(3)塔顶的一级冷凝蒸发器(8)，
设于所述二级精馏塔(4)塔顶的二级冷凝蒸发器(9)，
设于所述纯氪塔(5)塔顶的纯氪塔冷凝蒸发器(10)，
设于所述粗氙塔(6)塔顶的粗氙塔冷凝蒸发器(11)，
设于所述纯氙塔(7)塔顶的纯氙塔冷凝蒸发器(12)，
设于所述高纯氧塔(14)塔顶的高纯氧塔冷凝蒸发器(15)，
设于所述高纯氧塔(14)塔底的再沸器(13)，以及
与所述一级精馏塔(3)、所述二级冷凝蒸发器(9)、所述纯氪塔冷凝蒸发器(10)、所述粗氙塔冷凝蒸发器(11)、所述纯氙塔冷凝蒸发器(12)、所述再沸器(13)和所述高纯氧塔(14)分别连接的主换热器(2)；
其中，所述连接均为管路连接。
8.根据权利要求7所述的氪氙精制系统，其特征在于，所述一级冷凝蒸发器(8)分别与所述二级冷凝蒸发器(9)、所述纯氪塔冷凝蒸发器(10)、所述粗氙塔冷凝蒸发器(11)、所述纯氙塔冷凝蒸发器(12)和所述高纯氧塔冷凝蒸发器(15)连接。
9.根据权利要求7所述的氪氙精制系统，其特征在于，所述再沸器(13)和所述高纯氧塔冷凝蒸发器(15)连接。
10.根据权利要求7所述的氪氙精制系统，其特征在于，所述连接管路上还设有调压阀。
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