CN116670421A

CN116670421A - 用于向消费者供应期望纯度的乙炔的方法和设备

Info

Publication number: CN116670421A
Application number: CN202180088709.XA
Authority: CN
Inventors: 冯涛; 迈克尔·格拉夫
Original assignee: Linde LLC
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-08-29

Abstract

本发明涉及一种向消费者(150)供应期望纯度的乙炔的方法(200)，该方法包括：从容器(112,114)中提取(210)乙炔，其中乙炔在压力下溶解于溶剂中；测定(220)所提取的乙炔(10)中该溶剂的浓度；以及根据(230)所测定的浓度将所提取的乙炔(10)输送(240)至该消费者(150)；并且涉及一种用于执行这种方法(200)的设备(100)。

Description

用于向消费者供应期望纯度的乙炔的方法和设备

说明书

本发明涉及用于一种向消费者供应期望纯度的乙炔的方法和设备。

背景技术

在需要高标准的表面性能的行业中，特别是对于汽车行业，某些热处理工艺如低压渗碳(LPC)和类金刚石碳涂层(DLC)需要高质量(或纯度)的乙炔(在应用科学中也称为电石气)供应。LPC的标准纯度为99.5％，DLC的标准纯度为99.7％或99.9％。

通常，乙炔以溶解状态提供给客户。在世界上大多数地区，丙酮由于其特性而被广泛用作溶剂。然而，丙酮是易挥发的，因此在应用中进行溶剂提取是不可避免的，并且溶剂浓度因溶剂类型、温度、气体流速和气缸压力等而异。送到LPC炉的溶剂(丙酮蒸气CH₃COCH₃)可导致负面影响，包括污染管道、阀门、质量流量控制器、注气喷嘴、产生过程控制的差异(通过添加额外的氧气)、产生烟灰和/或焦油、降低真空系统、仪表和泵的效率、以及降低产量和产品质量等。

气体供应商和用户都熟知溶剂提取，并且采取一些措施来减轻对该过程的影响，包括例如将电石气提取速率限制到最大值，例如500l/h/圆筒(或其他容器)，限定使用中的最小残余圆筒压力或重量(转换压力)，通常在3巴至8巴的范围内，或安装由多孔材料制成的过滤器。

所有提及的用于纯度控制的措施都是基于经验观察，因此容易在应用中失败或者导致过高的成本(例如通过限定更高的残压并且因此浪费不必要的乙炔)。撇开上述作用的实际表现不谈，测量或分析乙炔气体中的丙酮浓度是较为困难的。

用于测定气体混合物的组成的现有解决方案包括气相色谱法，这是一种高度精确但难以使用、昂贵且脆弱的技术。因此，它不容易集成到热处理行业的生产设备中。

因此，为了直接控制乙炔纯度，需要一种稳健且易于实施的解决方案来测定提取的乙炔中的溶剂浓度。

发明内容

根据本发明，提出了一种向消费者供应期望纯度的乙炔(也称为电石气)的方法以及一种用于执行这种方法且具有独立权利要求的特征的设备。有利实施方案是从属权利要求和本文以下描述的主题。

本发明依赖于测定从容器中提取的乙炔流中溶剂的浓度，特别是丙酮，并根据所测定的浓度输送所提取的乙炔。因此，只有满足纯度要求才能输送乙炔，从而分别确保下游工艺产品和设备的质量和安全。在一些实施方案中，如果所测定的浓度不满足纯度要求，则还可以提高所提取的乙炔的纯度。

根据本发明，一种向消费者供应期望纯度的乙炔的方法包括：从容器中提取乙炔，其中乙炔在压力下溶解于溶剂中；测定所提取的乙炔中该溶剂的浓度；并根据所测定的浓度将所提取的乙炔输送至该消费者。在一些实施方案中，溶剂可包括丙酮和/或二甲基甲酰胺或其它有机化合物。如上所述，这使得下游工艺产品的质量稳定，并提高了下游设备的安全性和维护工作。

有利地，测定该溶剂的浓度包括测定所提取的乙炔的密度以及/或者使所提取的乙炔的一部分与氧气反应并测定在该反应中消耗的氧气的量。这两种测定方法都是稳健的、准确的并且易于在现有的或新的设施内实施，并且不需要昂贵的或过于复杂的设备。

优选地，当测定的溶剂浓度低于阈值浓度时，将所提取的乙炔输送至该消费者。由此，可以设定并保证乙炔的最低纯度。

优选地，当该溶剂的测定浓度超过阈值浓度时采取措施。这使得能够控制供应至下游消费者的乙炔的纯度，特别是在该纯度低于期望纯度或接近最低纯度的情况下。

在这种情况下，措施有利地包括以下中的一项或多项：发出警告信号、停止从容器中提取乙炔以及开始从第二容器中提取乙炔。在一些实施方案中，措施还可以包括通过将该溶剂至少部分地与乙炔分离来纯化所提取的乙炔。这使得各种对策能够确保递送给消费者的乙炔的纯度符合质量要求。

在其中措施包括纯化乙炔的实施方案中，该方法包括从所提取的乙炔中至少部分地除去至少一种溶剂，通过该至少一种溶剂的受控冷凝提供经纯化的乙炔，并将该经纯化的乙炔提供给该消费者。

优选地，除去该至少一种溶剂至少部分地通过低温捕集，特别是在大于100kPa或150kPa(高压)的压力下和/或通过吸附该至少一种溶剂，特别是在低于150kPa或100kPa(所谓的中等压力或中压，在本文中也称为低压)的压力下进行。这为乙炔纯化提供了非常有效和高度可控的可能性。然而，应注意，低温捕集也可在较低压力下进行(即，在中压或中等压力管内)，这有利于操作安全，因为乙炔在高压条件下容易具有热力学不稳定性。

在经纯化的乙炔中，乙炔的相对含量有利地超过99.0％、99.5％、99.8％、99.9％或99.99％。在这种品质下，残留杂质对下游工艺和/或设备没有或至少仅具有可接受的不利影响。

阈值浓度按体积计优选低于10％、5％、3％、1％、0.5％、0.1％、0.01％或0.001％。这提供了大范围的相关纯度，并因此提供了过程控制或调节的灵活可能性。在有利实施方案中，本发明的用户可以选择该阈值(或多个阈值)。

根据本发明，一种用于向消费者供应期望纯度的乙炔的设备包括：装置，该装置用于将至少一个容器连接至该设备，该至少一个容器被配置为储存溶解在溶剂中的乙炔；浓度测定装置，该浓度测定装置被配置为测定乙炔流中该溶剂的浓度；和装置，该装置用于根据由该浓度测定装置测定的浓度值，在有或没有中间介质缓冲容器的情况下将乙炔输送至该消费者。该设备可以包括(进一步)用于执行如本文描述的方法的装置。这种设备从上面结合本发明的方法提到的优点中获益。

特别地，该设备可以包括至少一个捕集器和装置，该捕集器用于从含有乙炔和该至少一种溶剂的混合物中捕集至少一种溶剂，该装置用于将乙炔从一个或多个连接器通过该捕集器输送至该消费者，以便在必要时纯化所提取的乙炔。

这种捕集器可以包括低温捕集器，其被配置为冷凝该至少一种溶剂并且不冷凝乙炔。这是基于在给定压力下的不同冷凝温度，其中，与相关溶剂(特别是丙酮或二甲基甲酰胺)相比，乙炔通常表现出更低的冷凝温度。

另选地或除此之外，该捕集器可以包括至少一个吸附器，该至少一个吸附器具有相对于乙炔选择性地吸附该至少一种溶剂的一种吸附剂。这种吸附剂通常包含高度多孔的材料，诸如活性炭或多孔陶瓷。根据这种吸附剂中空隙的尺寸，由于表面效应，冷凝温度可能局部地大幅升高。因此，吸附器可对残余溶剂浓度具有与上述低温捕集器类似的效果。在一些实施方案中，可实施该至少一种溶剂的低温捕集和吸附的组合，例如通过将吸附器冷却至低温温度或通过在吸附器的上游布置低温捕集器。后一种布置可提供以下优点：乙炔的粗纯化可在低温捕集器中进行，而由于乙炔与吸附剂之间的接触表面比低温捕集器的壁与乙炔之间的接触表面高得多，所以可在吸附器中进行精细纯化。

本发明的其他优点和实施方案将结合附图及其描述进行讨论。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，本文所提及和讨论的特征不仅可用于明确提及的组合中，还可用于其不同组合中或单独使用。

下面借助在附图中示意性示出的示例性实施方案描述本发明。

附图说明

图1以示意性框图示出了根据本发明的设备的有利实施方案。

图1A示出了根据本发明的设备的另一有利实施方案，其包括溶剂捕集器。

图2以简化流程图示出了根据本发明的方法的有利实施方案。

图3示意性地示出了可结合本发明使用的具有浓度测定装置的示例性实施方案的设备的有利实施方案。

图4示意性地示出了可结合本发明使用的具有浓度测定装置的另一示例性实施方案的设备的有利实施方案。

具体实施方式

在图1中，根据本发明的设备的有利实施方案在示意性框图中描绘并且统称为100。图2中示意性地示出了根据本发明的方法的有利实施方案，并且该有利实施方案被统称为200。一般来讲，下文中对设备的组件的引用指如图1所示的设备100，而对方法的步骤的引用通常指如图2所示的方法200。

设备100包括气体供应单元110、浓度测定装置130、处理单元150和计算单元140。气体供应单元例如可以包括第一容器112、第二容器114和选择装置116，该选择装置例如可以是三通阀。第一容器112和第二容器114可以各自包括一个或多个储存罐并且被配置为储存溶解状态的乙炔(也称为电石气)，即与溶剂混合，例如丙酮和/或二甲基甲酰胺。

选择装置116被配置为从第一容器112和第二容器114中的至少一者中选择性地提取气体10。在一些实施方案中，它还可以被配置为同时从第一容器112和第二容器114两者中提取气体10。选择装置116由计算单元140控制，特别是以电子方式控制。

浓度测定装置130被配置为测定所提取的气体10中存在于容器112、114中的溶剂的浓度，并且被布置在气体供应单元110与处理单元150之间。在使用中，浓度测定单元130将包含关于溶剂浓度的信息的信号递送到计算单元140。这种浓度测定装置130的具体实施方案在下文结合图3和图4进行描述。

计算单元140可以通过举例的方式提供为微型计算机、计算中心、服务器或控制单元，其被配置为控制设备100的完整操作。

处理单元150可包括被配置为受控加热待处理的制品、基底或其它物体的炉，例如被配置为执行钢制品的(低压)渗碳(LPC)工艺的炉、用于类金刚石碳涂层(DLC)或需要高纯度乙炔的类似工艺的炉。处理单元150也可以由计算单元140控制。

在设备100的使用期间，可以应用方法200。在方法200的第一步骤210中，从第一容器112和第二容器114中的一者(例如从第一容器112)提取气体10。因此，步骤210可以包括控制选择装置116以选择性地将第一容器112连接至将提取的气体10引导至处理单元150、经过浓度测定装置130的管道。可选地，选择装置116还可以被配置用于控制气体10的下游压力。在这种情况下，步骤210还可以包括控制选择装置116以设定或调节提取的气体10中的目标压力。

在浓度测定步骤220中，测定提取的气体10中的溶剂的浓度，(例如丙酮或二甲基甲酰胺)。关于测定浓度的方法的细节将在下面结合浓度测定装置130的具体实施方案进行讨论。

在决定步骤230中，将所测定的溶剂浓度与阈值进行比较，该阈值可选地可以由用户选择或者可以预设。如果溶剂浓度低于阈值，则方法200继续进行供给步骤240，在该步骤中，提取的气体10被输送到处理单元150并且用于在那里执行的处理过程。方法200然后可以返回到步骤210并且继续从第一容器112中提取气体10。

然而，如果在步骤230中达到或超过阈值，则方法200继续进行动作步骤250，其中采取措施以便使溶剂浓度返回到阈值以下。这种措施可以包括以下中的一项或多项：例如向设备100或计算单元140的用户发出警告信号、停止从第一容器112提取乙炔以及开始从第二容器114提取乙炔。特别地，控制信号可以被发送到选择装置116，使得第一容器112与到处理单元150的供应管线断开连接并且第二容器114替代地连接到该供应管线。方法200然后可以继续进行步骤210，现在从第二容器114而不是第一容器112提取气体10。这能够实现处理单元150的无缝操作，同时保证所供应的气体10的所需纯度或期望纯度。

所讨论的向设备的用户发出警告信号使得用户能够用新的第一容器112替换第一容器112，从而在后面的步骤250中，选择装置116可以将气体供应单元110切换回第一容器112，而不会对气体10的纯度产生不利影响。

在图1A中，如参照图1所述的设备100的有利变型被示意性地示出并且统称为100A。设备100A还包括溶剂捕集装置135。所示实施方案中的溶剂捕集装置135经由三通阀连接到其上游的管道，由计算单元140根据所测定的溶剂浓度进行控制。

设备100A(以及设备100)可包括减压阀，以将气体压力设定为处理单元150所需的压力水平。减压阀可以通过压力控制装置气动地调节或控制。在另选的实施方案中，压力控制也可以通过电子、液压、磁性或任何其他合适的装置来实现。

在减压阀的下游可以布置分解屏障。分解屏障(也被称为回流阻止器)通常被配置为阻止分解前缘从其下游行进到上游方向，以便防止危险的链式反应，否则在该链式反应中，气体供应单元110可能被严重损坏或破坏。这种分解前缘可能是由于下游部件中温度过高而引起的，特别是处理单元150。在这种分解过程中，乙炔与碳和氢元素发生放热反应，从而由于热膨胀引起压力升高。分解屏障通过使流动转向并使反应减速来防止分解前缘向上游扩展。可在分解屏障的入口处提供自动关闭阀，以将该屏障与设备100/设备100A的上游组件物理地断开连接。

关于可适当安装溶剂捕集装置135的位置，定位在设备100A的高压区域中的位置，即，上述减压阀的上游，以及设备100A的低压区域中的位置，即，减压阀的下游，并且优选还在分解屏障的下游。通常，高压区域在大于100kPa或150kPa至2.5MPa的压力范围内运行，同时低压(或中等压力、中压)区域可在20kPa至低于150kPa或100kPa的压力范围内运行。特别地，两个压力区域(100kPa或150kPa)之间的分离极限可能取决于当地立法和/或标准。

对于其中通过将气体10的温度降低至溶剂的饱和压力处于或低于对应于提供至处理单元150的乙炔流中溶剂的可接受分压水平的压力水平的温度水平来实现溶剂捕集的实施方案，溶剂捕集装置135在高压区域中的布置是优选的。因此，低温捕集器可以安装在高压区域中。该低温捕集器可以特别地包括一个容器，气体10被引导通过该容器并且该容器包括热交换器，其中，热量被传递到的介质可以包括液氮、液氩或能够在低温下操作的任何其他合适的介质，特别是在低于-20℃的温度水平下。因此，在使用中，如果溶剂包含在从气体供应单元110提取的气体10内，该溶剂将在低温捕集器的容器的壁处至少部分地冷凝，使得溶剂的剩余分压低于容许值。低温捕集器的再生可以简单地通过排空容器来实现，例如在预定的时间间隔内或者当容器被填充到一定程度或水平时，这可以由低温捕集器内的传感器测定。

在通过将溶剂分子吸附在吸附器上来实现溶剂捕集的实施方案中，优选的位置是在设备100A的低压区域中，以便防止乙炔吸附到吸附器上。换句话讲，较低的压力增加了对溶剂的吸附选择性。这种吸附器可以例如被配置用于变温吸附(TSA)、变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)。有利地，两个吸附器可以平行设置并且交替操作，使得在吸附阶段期间，其中向第一吸附器提供从气体供应单元110提取的气体10，再生第二吸附器，即从第二吸附器提取吸附的溶剂，例如通过降低压力(PSA/VPSA)或升高温度(TSA)并且任选地用吹扫气体(例如气体10或经纯化的气体10的部分流)冲洗。该操作方案可以周期性地颠倒，使得第一吸附器和第二吸附器中的每个吸附器均再生并交替用于纯化。

从捕集装置135(低温捕集器和/或吸附器)除去的溶剂可以收集在溶剂流14中。

在使用包括溶剂捕集装置135的设备100A的情况下，上文结合图2描述的步骤250可以包括控制三通阀118以打开通向溶剂捕集装置135的路径并且关闭通向处理单元150的直接路径。在一些实施方案中，浓度测定装置130还可以被布置在溶剂捕集装置135的下游，由此使得能够在可能有必要再生溶剂捕集装置135之后进行测定，或者气体供应单元110的第一容器112与第二容器114之间有必要转换时进行测定。当溶剂捕集装置135上游的提取的原料乙炔10中的溶剂浓度增加至较高的量以致溶剂捕集装置的纯化能力不足以将该浓度降低至低于可接受阈值的浓度时，可能会出现这种情况。

在图3中，示意性地示出了可结合本发明使用的具有浓度测定装置130的示例性实施方案的设备100的有利实施方案。

所描绘的设备100在其主要部分中对应于如上文结合图1所描述的设备100。注意浓度测定装置130的具体设计，其在该示例中包括燃烧室132，该燃烧室被配置为使提取的气体10的部分流13与氧气136反应成废气产物15。燃烧室132可以配备有合适的催化剂材料，以便能够实现或加速部分流13的气体与氧气136的反应。装置130还包括传感器134，该传感器用于测定废气产物15内的氧气浓度。该传感器134可以例如以λ传感器、特别是宽带λ传感器的形式提供，使得由传感器提供的信号包含关于废气产物中氧气浓度的信息。结合关于部分流13中的氧气136和气体的量的信息，这使得能够确定部分流13的组成。该测定分别基于乙炔(每分子乙炔2.5分子氧气)和溶剂(每分子丙酮4分子氧气，或每分子二甲基甲酰胺4.25分子氧气)燃烧期间的不同耗氧量。通过在控制进料流136、13的同时测定废气产物15中的氧含量，可以很容易地计算燃烧室132中的反应所消耗的氧气量，并且可以从该信息推导出双化合物流13的组成。传感器134的温度可以控制在传感器134对氧气浓度表现出高灵敏度的范围内，例如通过传感器加热器。在该实施方案中，这是关于本发明的总体性能的重要影响参数。

因此，在步骤220中，当使用如图3所示的浓度测定装置130时，提取的气体10的部分流13被引导到燃烧室132。该部分流13例如可以小于提取的气体10的10％、5％、1％、0.1％或0.01％。部分流13的量可以例如用质量流量控制器来控制。同时，再次在受控条件下向燃烧室132提供氧气流136，使得燃烧室132中的部分流13和氧气136的量之间的比率是已知的。然后可以点燃在燃烧室132中产生的混合物，以便使部分流13的气体与流136的氧气完全反应。因此，控制流136的量是有利的，使得任何时候均在燃烧室内存在超过化学计算量的氧气，以确保完全氧化反应。所产生的废气15然后利用传感器134进行分析，例如传统的λ传感器或其它类型的电化学氧探针，使得传感器的信号包括关于废气15中氧含量的信息。来自电化学传感器(即，浓度元件)的这种信号可以使用能斯脱方程或从其导出的数学模型来进行分析。

在类似的实施方案中，传感器信号可用于控制例如通过质量流量控制器提供给燃烧室132的氧气136的量。优选地，在这种情况下控制氧气的量，使得传感器134的信号保持恒定，而部分流13的量也保持恒定流量。然后，提供至燃烧室132的氧气136的量可用于确定部分流13中乙炔与溶剂的比率。

在图4中，示意性地示出了可结合本发明使用的具有浓度测定装置130的另一示例性实施方案的设备100的有利实施方案。在这种情况下，浓度测定装置130的工作原理是基于对提取的气体10的质量密度的测量，例如通过测量气体10内作用于探针本体135上的浮力。这分别依赖于乙炔的不同密度(在标准温度和压力下约为1.1kg/m³)和溶剂蒸汽的不同密度(丙酮约为2.6kg/m³，二甲基甲酰胺约为3kg/m³)。因此，与空气相比，乙炔的相对密度约为0.9，丙酮的相对密度约为2，二甲基甲酰胺的相对密度约为2.5。因此，提取的气体10的测量密度越高(即，浮力越高)，溶剂浓度则越高。对不同溶剂含量的气体密度的校准可足以计算溶剂浓度。因此，在这种情况下，步骤220包括测定气体流10的密度，例如通过测量气体10内探针本体135的浮力并且根据所测定的密度计算该溶剂浓度。

如前所述，并非所有本文讨论的特征都需要以所描述的组合来严格实现。例如，可能有利的是以不同的(例如相反的)顺序执行方法200的一些步骤，或者组合几个步骤，或者同时或彼此并行地执行一些步骤。例如，测定气体10中的溶剂浓度(步骤220)可以与将气体10提供给处理单元150(步骤240)同时进行。在这种情况下，优选选择阈值，使得即使在超过阈值浓度之后，仍然满足步骤240中的处理可接受的乙炔的最低纯度要求。这意味着如果在超过阈值之后直接执行，则即使在步骤230中超过阈值之后，仍然能及时地切换到第二容器114(步骤250)。类似的论证可适用于不同组的方法步骤。在一些实施方案中，甚至可以完全改变方法200的逐步布置以有利于连续执行，使得可以完全避免不同步骤的存在。因此，方法200的逐步执行应被理解为仅用于说明目的，而不以任何方式限制本发明的范围。

Claims

1.向消费者(150)供应期望纯度的乙炔的方法(200)，所述方法包括

从容器(112,114)中提取(210)乙炔，其中乙炔在压力下溶解于溶剂中，

测定(220)所提取的乙炔(10)中所述溶剂的浓度，以及

根据(230)所测定的浓度将所提取的乙炔(10)输送(240)至所述消费者(150)。

2.根据权利要求1所述的方法(200)，其中测定(220)所述溶剂的浓度包括

测定所提取的乙炔(10)的密度，以及/或者

使所提取的乙炔(10)的一部分(13)与氧气(136)反应并且测定在反应中消耗的氧气的量。

3.根据权利要求1或2所述的方法(200)，其中，当所测定的溶剂浓度低于(230)阈值浓度时，将所提取的乙炔(10)输送(240)至所述消费者(150)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，当所测定的溶剂浓度超过(230)阈值浓度时采取措施(250)。

5.根据权利要求4所述的方法(200)，其中，所述措施(250)包括以下中的一项或多项：发出警告信号、停止从所述容器(112)提取乙炔以及开始从第二容器(114)提取乙炔。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述措施(250)包括

通过至少一种溶剂的受控冷凝，从所提取的乙炔(10)中至少部分地除去所述至少一种溶剂(14)，得到经纯化的乙炔，以及将所述经纯化的乙炔提供给所述消费者(150)。

7.根据权利要求6所述的方法(200)，其中，除去(250)所述至少一种溶剂(14)至少部分地优选在大于100kPa或150kPa的压力下通过低温捕集和/或优选在低于150kPa或100kPa的压力下吸附所述至少一种溶剂(14)来进行。

8.根据权利要求6或7所述的方法(200)，其中，在所述经纯化的乙炔中乙炔的相对含量超过99.0％、99.5％、99.8％、99.9％、99.99％或99.999％。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法(200)，其中，所述阈值浓度按体积计低于10％、5％、3％、1％、0.5％、0.1％、0.01％或0.001％。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，所述溶剂包括丙酮和/或二甲基甲酰胺。

11.用于向消费者(150)供应期望纯度的乙炔的设备(100)，所述设备包括

装置(116)，所述装置用于将至少一个容器(112,114)连接至所述设备(100)，所述至少一个容器被配置为储存溶解在溶剂中的乙炔，

浓度测定装置(130)，所述浓度测定装置被配置为测定乙炔(10)流中所述溶剂的浓度，和

装置，所述装置用于根据由所述浓度测定装置(130)测定的浓度值将乙炔输送至所述消费者(150)。

12.根据权利要求11所述的设备(100)，所述设备包括装置(130,140,135)，所述装置被配置为执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法(200)。