JPS6367638B2 - - Google Patents

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JPS6367638B2
JPS6367638B2 JP60241762A JP24176285A JPS6367638B2 JP S6367638 B2 JPS6367638 B2 JP S6367638B2 JP 60241762 A JP60241762 A JP 60241762A JP 24176285 A JP24176285 A JP 24176285A JP S6367638 B2 JPS6367638 B2 JP S6367638B2
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Chun Harii
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Union Carbide Corp
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

発明の分野 本発明は、液状供給原料からクリプトン−キセ
ノン濃縮物を製造する方法に関し、特に、かゝる
濃縮物が高い効率で製造されそして希土類ガスが
除去された液体が生成物として回収されるような
改良法に関する。 発明の背景 クリプトン及びキセノンは、多くの用途におい
てその需要が増加しつゝある。クリプトンは、長
寿命ランプ及び自動車用ランプを含めた高品質照
明器具において広く使用されている。キセノン
は、特殊X線装置を含めて医療用途で使用されて
いる。これらのガスの両方とも、多くの実験及び
研究用途において一般に使用されている。 クリプトン及びキセノンの主な源は大気であ
る。大気中の空気は、約1.1ppmのクリプトン及
び約0.08ppmのキセノンを含有する。一般には、
クリプトン及びキセノンは、空気を酸素及び窒素
に分離する総合空気分離プロセスに関連して空気
から回収される。 クリプトン及びキセノンの低い蒸気圧によつ
て、これらのガスは、空気分離の間に窒素中より
もむしろ酸素中に濃縮する。酸素中での大気中の
クリプトン及びキセノンの濃縮は、酸素が大気中
の空気の僅か約1/5を占めるのでそれらの濃度を
5倍増大する。 空気分離プロセスは、ガス状若しくは液状酸素
を生成し又は両者を生成することができ、そして
クリプトン及びキセノンはどちらかの酸素生成物
中に濃縮する。クリプトン及びキセノンは、酸素
からのそれらの分離を効率的に実施することがで
きるように更に濃縮されるのが望ましい。クリプ
トン及びキセノンがガス状酸素中で回収されると
きには、クリプトン−キセノン濃縮プロセスは、
空気分離プロセスと同時に実施されなければなら
ない。何故ならば、空気分離プラントによつて生
成された量のガス状酸素を貯蔵するのは実際的で
ないからである。かくして、空気分離プラントか
らの液状酸素中にクリプトン−キセノンを回収す
るのが望ましい。と云うのは、この液体は、貯蔵
することができ、そして他の別の空気分離プラン
トからの他のかゝる液体と一緒にしてクリプトン
−キセノン濃縮プロセスのための供給原料を形成
することができるからである。 しかしながら、空気分離プラントから液状酸素
を除去するのは費用のかゝることである。と云う
のは、空気分離プラントから液状酸素と共に冷凍
エネルギーが除去されるからである。かくして、
液状供給原料を使用するがしかし希土類ガスを含
まない液状生成物も生成するクリプトン−キセノ
ン濃縮法を持つのが望ましい。 周知の如く、酸素は、もし適当に取り扱わない
と危険になる場合がある。それ故に、液状供給原
料を用いる公如のクリプトン−キセノン濃縮法
は、これまで、所望のクリプトン−キセノン濃縮
を所要の安全さで達成するためには極めて複雑化
されていた。それ故に、酸素の取り扱いによつて
これまで引き起こされていた過度の複雑化を必要
とせずに液状供給原料を用いてクリプトン及びキ
セノンを効率よく濃縮するような方法を提供する
のが望ましい。 それ故に、本発明の目的は、クリプトン−キセ
ノン濃縮物を製造するための改良法を提供するこ
とである。 本発明の他の目的は、液状供給原料を使用して
クリプトン−キセノン濃縮物を製造するための改
良法を提供することである。 本発明の更に他の目的は、希土類ガスを含まな
い液状生成物も生成するクリプトン−キセノン濃
縮物を製造するための改良法を提供することであ
る。 本発明の尚更に他の目的は、公知法のこれまで
必要な複雑化をすべて必要とせずに所望の濃縮を
実施することができるクリプトン−キセノン濃縮
物の製造法を提供することである。 発明の概要 上記の目的及び当業者にはこの開示の通読時に
明らかになる他の目的は、 供給原料液からクリプトン−キセノン濃縮物を
製造ししかも希土類ガスを実質上含まない液状生
成物も回収する方法であつて、 (1) 酸素、クリプトン及びキセノンを含む供給原
料液を再沸帯域に供給して再沸液を形成し、 (2) 前記再沸液を部分気化させて蒸気及び液状ク
リプトン−キセノン濃縮物を生成し、 (3) クリプトン−キセノン濃縮物を回収し、 (4) 塔において下流する還流液に対向させて前記
蒸気を通し、 (5) 前記蒸気からクリプトン及びキセノンを前記
還流液にストリツピングさせてリーン蒸気及び
よりリツチな液体を生成し、 (6) 前記のよりリツチな液体を再沸帯域に送つて
再沸液の一部分を形成し、 (7) 前記塔からリーン蒸気を抜き取り、 (8) 抜き取つたリーン蒸気を加熱し、 (9) 加熱したリーン蒸気を圧縮し、 (10) 圧縮したリーン蒸気を、加熱リーン蒸気との
間接的熱交換によつて冷却し、 (11) 冷却されたリーン蒸気を、再沸帯域において
部分気化する再沸液との間接的熱交換によつて
凝縮させてリーン液体を生成し、 (12) 前記リーン液体の一部分を前記塔に送つて還
流液を形成し、そして (13) 前記リーン液体の一部分を、希土類ガスを
実質上含まない液状生成物として回収する、 ことを含む方法 によつて達成される。 本明細書において用いる用語「希土類ガス」
は、クリプトン及びキセノンを意味する。 本明細書において用いる用語「リーン」、「より
リーンな」、「リツチ」及び「よりリツチな」は、
特に記していない限り希土類ガスの濃度を表わ
す。 本明細書において用いる用語「一体熱ポンプ回
路」は、熱ポンプ回路が分離塔と組み合わされて
分離塔から得られるプロセス流体を使用するよう
な配置を意味する。 本明細書において用いる用語「再沸帯域」は、
流入する液体が間接的に加熱されこれによつて部
分気化されてガス及び残留液を生成するような熱
交換帯域を意味する。これによつて、残留液は、
流入する液体中に存在する揮発性の低い成分中に
富化される。 本明細書におけて用いる用語「間接的熱交換」
は、2つの流体流れを互いに物理的に接触又は混
合させずに熱交換関係にすることを意味する。 本明細書において用いる用語「平衡段階」は、
気−液接触段階を出る蒸気及び液体が物質移動平
衡状態にあるような気−液接触段階を意味する。
液相及び気相に対してトレー又はプレート即ち個
別的な接触段階を使用する分離塔について言え
ば、平衡段階は理論トレー又はプレートに相当す
る。パツキング即ち液相及び気相の連続接触を使
用する分離塔について言えば、平衡段階は、1個
の理論プレートに等しい塔パツキングのその高さ
に相当する。実際の接触段階即ちトレー、プレー
ト又はパツキングは、その物質移動効率に依存し
て平衡段階に相当する。 本明細書で用いる用語「塔」は、蒸留又は分別
塔、即ち、例えば塔内に配置された一連の垂直方
向に離置したトレー又はプレート上で又は別法と
して塔に充填されたパツキング部材上で気相及び
液相を接触させることによるが如くして液相及び
気相を向流接触させて流体混合物の分離を行なう
ような接触塔又は帯域を意味する。分別塔の詳細
な説明については、アール、エイチ・ペリー及び
シー・エイチ・チルトン氏編集「ザ・ケミカル・
エンジニヤーズ・ハンドブツク(the Chemical
Engineer′s Handbook)、第五版」(米国ニユー
ヨーク州所在のマクグロー・ヒル・ブツク・カン
パニー)、“デスチレーシヨン(Distillation)”、
ビー・デー・スミス氏外、第13−3頁、ザ・コン
テイニユアス・デスチレーシヨン・プロセス
(The Continuous Distillation Process)を参照
されたい。 本発明書における用語「二重塔」は、低圧塔の
下方端と熱交換関係にある上方端を有する高圧塔
を意味する。二重塔の詳細な説明については、ル
ヒマン氏の“ザ・セパレーシヨン・オブ・ガセズ
(The Separation of Gases)”(オツクスフオー
ド・ユニバーシテイ・プレス、1949)、第章、
“工業的空気分離”及びバロン氏の“クリオゲニ
ツク・システムズ(Cryogenic Syztems)”(マ
クグロー・ヒル・インコーポレーテツド、1966)、
第230頁、“空気分離系”に見い出される。 詳細な記述 添付図面を参照しながら、本発明の方法を詳細
に説明する。 こゝで第1図を説明すると、酸素、クリプトン
及びキセノンを含む流体流れ32は、例えばポン
プ手段33によつて、流れ34として再沸帯域3
6に送られる。第1図の具体例では、供給原料流
れ34は塔35からの液体と合流され、そして得
られた合流流れ42は再沸帯域36に送られる。
供給原料液流れ34中のクリプトン及びキセノン
の濃度は任意の有効濃度であつてよいが、しかし
一般には供給原料液流れ34においてクリプトン
の濃度は少なくとも10ppmでありそしてキセノン
の濃度は少なくとも1ppmである。 本発明の方法に対する供給原料液の源は、希土
類ガス含有液体酸素の任意の源であつてよい。第
1図は、液状及びガス状酸素生成物の両方を生成
することができる二重塔空気分離プロセス10の
低圧塔の溜めからの液体として1つのかゝる源を
示している。第1図に示されるように、この液体
26は、本発明の方法における使用に先立つて貯
蔵受器31に送ることができる。貯蔵受器31に
は、図示される二重塔空気分離プラントからの供
給原料とは別に又はそれに加えて源からの適当な
供給原料液を供給することができる。第1図は、
本発明の方法が総合空気分離プロセスに結びつけ
る必要がないという点で該方法の利益のうちの1
つを例示する。本発明の方法への唯一の投入物は
供給原料液流れ34であるが、これは任意の適当
な源からのものであつてよい。塔における物質移
動、一体熱ポンプ回路における熱伝達及び再沸帯
域における濃縮相変化を含めて全クリプトン−キ
セノン濃縮プロセス30は、他の流れを全くプロ
セスに投入せずに実施される。これによつて、本
発明の方法は唯一無二のものになり、そしてこれ
まで有効な方法よりもかなり簡素化された方法で
クリプトン−キセノン濃縮が可能になる。 第1図に戻つて説明すると、再沸帯域の再沸液
61は濃縮器37において凝縮液との熱交換によ
つて部分気化され、これによつて蒸気43及びク
リプトン−キセノン濃縮物40(これは、更に使
用するために回収することができる)をもたら
す。典型的には、濃縮物40中のクリプトン濃度
は少なくとも200ppm好ましくは少なくとも
400ppmであり、そして濃縮物40中のキセノン
濃度は少なくとも15ppm好ましくは少なくとも
30ppmである。 蒸気43(これは、再沸帯域への供給原料液よ
りもクリプトン及びキセノンがよりリーンなもの
である)は、下流する還流液に対向して塔35を
上方に通される。第1図では再沸帯域36が塔3
5とは離して図示されているけれども、再沸帯域
は塔35内にまたその底部にあつてもよい。再沸
帯域が第1図の具体例における如く塔35とは別
個であるときには、蒸気43は塔35にその底部
において導入される。 塔35内では、蒸気43中のクリプトン及びキ
セノンがその蒸気から下流する還流液中にストリ
ツピングされる。得られるクリプトン−キセノン
富化液41は、再沸帯域に送られて再沸液61の
一部分を形成する。 塔35は、0.7〜5.3Kg/cm2(10〜75psia)好ま
しくは1.1〜2.1Kg/cm2(15〜30psia)の範囲内の
圧力で操作され、そして蒸気43中のクリプトン
及びキセノンの有意部分好ましくはその実質上全
部を下流する環流液中にストリツピングする働き
をする。これによつて蒸気流れ44が生じるが、
この蒸気流れ44は、塔35から好ましくは塔3
5の塔部においてリーン状態で抜き出されそして
好ましくは希土類ガスを実質上含まない。 実質上酸素からなるリーン蒸気流れ44は熱交
換器39における間接的熱交換によつて加熱さ
れ、そして加熱した流れ45は圧縮器38におい
て圧縮されて圧縮流れ46を形成する。流れ45
はごく僅かな程度の圧縮を受ければよく、好まし
くは流れ46は流れ45よりもせいぜい2.1Kg/
cm2(30psi)高いそして最とも好ましくはせいぜ
い1.1Kg/cm2(15psi)高い圧力にある。図示され
ていないけれども、圧縮された流れは冷却水によ
つて冷却することができる。次いで、圧縮された
流れ45は加熱蒸気流れ44に対向して熱交換器
39を通すことによる間接的熱交換によつて冷却
され、そして得られた冷却され圧縮されたリーン
蒸気流れ47は再沸帯域36の凝縮器37に送ら
れる。こゝで、その冷却され圧縮されたリーン蒸
気は、部分気化する再沸液との間接的熱交換によ
つて凝縮されてリーン液48を生成する。このリ
ーン液48の一部分49(リーン液48の10〜40
%好ましくは15〜25%に相当する)は、弁51に
よつて膨張されそして流れ52として塔35に好
ましくは塔の頂部に送られて上記の下流する還流
液を形成する。リーン液48の他の部分50好ま
しくは残りの部分は、実質上酸素からなりそして
希土類ガスを実質上含まない液状生成物として回
収される。一般には、流れ50は、せいぜい
5ppm好ましくはせいぜい1ppmのクリプトン濃度
及び無視し得るキセノン濃度を有する。 先に説明したように、本発明のクリプトン−キ
セノン濃縮法は、供給原料以外の投入流れを全く
必要としない。かくして、液状供給原料は、塔3
5内でのクリプトン−キセノン物質移動、熱交換
器39と関連した一体熱ポンプ回路での熱伝達、
及び再沸帯域36での濃縮相変化を可能にするこ
とが分かる。再沸帯域36での熱交換は極めて類
似した流体間で行われるので、即ち、再沸液61
及び凝縮する圧縮されたリーン蒸気47の両方と
も一般には99%以上の酸素からなるので、再沸帯
域36内での熱交換は圧縮器38でのごく僅かな
程度の圧縮で実施することができる。これは、エ
ネルギーの利用上の面からまた完全上の面からも
有益である。と云うのは、酸素の圧縮は圧縮量が
大きくなる程危険になる場合があるからである。
また一体熱ポンプ回路は、濃縮プロセスの複雑化
を減じる役目もする。と云うのは、窒素又はアル
ゴンの如き他の流体は熱交換媒体として要求され
ないからである。また、これは、本発明の方法が
他の低温法に関係なく一層唯一無二になることが
できるのを補助する。 先に記載したように、第1図は、ガス状及び液
状酸素生成物の両方を生成する二重塔空気分離プ
ラントであつて、大気中のクリプトン及びキセノ
ンの実質上全部をガス状生成物よりもむしろ液状
生成物中に置くように通常の二生成物二重塔配置
から変形された二重塔空気分離プラントからクリ
プトン−キセノン濃縮プロセスへの供給原料液が
取られるところの特に好ましい配置を例示する。
こゝで、第1図に例示される二重塔空気分離プロ
セスについて簡単に説明する。 第1図を説明すると、供給原料空気14は1.2
〜10.5Kg/cm2(17〜150psia)の圧力で操作され
る高圧塔13に導入され、こゝでそれは窒素がよ
りリツチな蒸気16及び酸素がよりリツチな液体
15に分離される。蒸気16は凝縮器12におい
て低圧塔残液62との間接的熱変換によつて濃縮
され、そして得られる窒素がよりリツチな液体1
7は、流れ19として高圧塔に、また弁22を通
る流れ18及び流れ23として低圧塔に送られて
塔のための還流液として働く。流体15は、弁2
0によつて膨張されそして流れ21として(部分
フラツシングされた供給原料として)低圧塔に送
られる。また、塔11には、冷端熱交換器温度制
御のために且つ(又は)プラントの冷凍を展開さ
せるのに使用することができる空気流れ51も供
給原料として導入される。塔11は、塔13より
も低い圧力で且つ1.1〜2.1Kg/cm2(15〜30psia)
の範囲内の圧力で操作される。塔11内では、各
投入流れは、流れ24として抜き出される窒素リ
ツチ成分と、酸素リツチ成分とに分離される。こ
の酸素リツチ成分は、ガス状流れ25及び液状流
れ26として塔から抜き出される。 通常の二生成物即ち液状及びガス状酸素の製造
では、ガス状酸素生成物は、2つの抜き出された
流れが平衡状態になるような態様で残留液よりも
上方で抜き出される。従つて、クリプトン及びキ
セノンは抜き取られた生成物流れの両方において
平衡状態にある。液状生成物の平衡クリプトン及
びキセノン含量はガス状生成物のそれよりも高い
けれども、時には液状生成物の量はガス状生成物
よりもずつと少なく、これによつてガス生成物に
よるクリプトン及びキセノンの損失は有意なもの
である。この事態を打破するために、第1図に例
示される二重塔配置では、塔11の溜めよりも少
なくとも1個の平衡段階だけ上方の点(この場合
には、トレー27よりも上方の点)において塔1
1からガス状酸素生成物25を抜き取つている。
その代わりに、かゝる配置では、通常の実施下に
ガス状生成物と一緒に取り出されるような有意量
のクリプトン−キセノンは液体中にとゞまり、か
くしてクリプトン−キセノン濃縮プロセスに送ら
れることが見い出された。所望ならば、ガス状酸
素生成物は、溜めよりも例えばトレー28又は2
9よりも一層上方から抜き取ることができる。最
適な抜き取り点は、低圧塔において余分なトレー
に関して得られる最低のクリプトン−キセノン値
に依存する。一般には、液状酸素生成物26は、
塔11からの全酸素生成物の約2〜約75%好まし
くは約5〜30%最とも好ましくは約20%である。 第1図に例示される二重塔プロセスは、本発明
のクリプトン−キセノン濃縮プロセスと組み合わ
せて用いたときに特に有益である。二重塔プロセ
スでは、大気中のクリプトン及びキセノンの実質
上全部が液状酸素生成物中に濃縮され、次いでこ
れは本発明の方法に対する供給原料として使用さ
れる。本発明のクリプトン−キセノン濃縮プロセ
スは、ごく少量の又は無視し得る量の希土類ガス
を含有する液状酸素生成物流れをもたらす。かく
して、第1図に示される如く2つの方法を一緒に
すると、ガス状酸素生成物25、液状酸素生成物
50、並びに大気中の空気である供給原料中のク
リプトン及びキセノンの実質上全部を含有するク
リプトン−キセノン濃縮物40を回収することが
できる。この極めて望ましい結果は、高い効率に
おいてしかも複雑でなく完全な態様で達成され
る。 第1図の具体例は、クリプトン−キセノン濃縮
プロセスへの供給原料がガス状及び液状酸素生成
物の両方を生成する二重塔空気分離プラントから
くることを示し、また供給原料である空気中のク
リプトン及びキセノンの実質上全部がガス状酸素
中よりもむしろ液状酸素中に固定することができ
る二重塔プロセスの変形法を示すという点で特に
好ましいものである。 第には、表の具体例に従つて実施した本発
明の方法のコンピユーターシミユレーシヨンの結
果が記載されている。このデータは、本発明を例
示する目的で提供するものであつて、本発明を限
定するものではない。略語「CFH」及び
「PSIA」は、それぞれ、周囲温度(21℃;70〓)
及び大気圧(1.0Kg/cm2;14.7psia)で測定した
“ft3/hr”及び“lb/in2絶対圧”を意味する。流
れ番号は、第1図のものに相当する。流れ濃度
は、モル%又はppm容量のどちらかで示される。
表示の酸素、クリプトン及びキセノン含量の他
に、各流れはいくらかのアルゴン及び少量の炭化
水素を含有する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing krypton-xenon concentrates from liquid feedstocks, and in particular, in which such concentrates are produced with high efficiency and the rare earth gas-free liquid is recovered as a product. Regarding such improvement methods. BACKGROUND OF THE INVENTION Krypton and xenon are in increasing demand for many applications. Krypton is widely used in high-quality lighting equipment, including long-life lamps and automotive lamps. Xenon is used in medical applications, including in specialized x-ray equipment. Both of these gases are commonly used in many experimental and research applications. The main source of krypton and xenon is the atmosphere. Atmospheric air contains about 1.1 ppm krypton and about 0.08 ppm xenon. In general,
Krypton and xenon are recovered from air in connection with an integrated air separation process that separates air into oxygen and nitrogen. Due to the low vapor pressure of krypton and xenon, these gases concentrate in oxygen rather than nitrogen during air separation. Concentration of atmospheric krypton and xenon in oxygen increases their concentration by a factor of five, since oxygen makes up only about 1/5 of the air in the atmosphere. The air separation process can produce gaseous or liquid oxygen or both, and krypton and xenon are concentrated in either oxygen product. It is desirable that krypton and xenon be further concentrated so that their separation from oxygen can be carried out efficiently. When krypton and xenon are recovered in gaseous oxygen, the krypton-xenon enrichment process
Must be carried out simultaneously with the air separation process. This is because it is impractical to store the amount of gaseous oxygen produced by an air separation plant. Thus, it is desirable to recover krypton-xenon in liquid oxygen from an air separation plant. This is because this liquid can be stored and combined with other such liquids from other separate air separation plants to form the feedstock for the krypton-xenon enrichment process. It is from. However, removing liquid oxygen from air separation plants is expensive. This is because refrigeration energy is removed along with liquid oxygen from the air separation plant. Thus,
It would be desirable to have a krypton-xenon concentration process that uses a liquid feedstock but also produces a liquid product free of rare earth gases. As is well known, oxygen can be dangerous if not handled properly. Therefore, conventional krypton-xenon enrichment methods using liquid feedstocks have heretofore been extremely complicated to achieve the desired krypton-xenon enrichment with the required safety. It would therefore be desirable to provide a method for efficiently concentrating krypton and xenon using liquid feedstocks without the undue complications previously introduced by oxygen handling. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for producing krypton-xenon concentrates. Another object of the invention is to provide an improved method for producing krypton-xenon concentrate using liquid feedstock. Yet another object of the present invention is to provide an improved method for producing krypton-xenon concentrates that also produces a liquid product free of rare earth gases. Yet another object of the present invention is to provide a process for the production of krypton-xenon concentrates in which the desired concentration can be carried out without all the hitherto necessary complications of known methods. SUMMARY OF THE INVENTION The above objects, and other objects that will be apparent to those skilled in the art upon reading this disclosure, are to produce a krypton-xenon concentrate from a feedstock liquid while also recovering a liquid product substantially free of rare earth gases. A method comprising: (1) supplying a feedstock liquid containing oxygen, krypton, and xenon to a reboiling zone to form a reboil liquid; and (2) partially vaporizing the reboil liquid to form vapor and liquid krypton. producing a xenon concentrate; (3) recovering a krypton-xenon concentrate; (4) passing said vapor across a downstream reflux liquid in a column; and (5) converting krypton and xenon from said vapor to said reflux liquid. (6) passing said richer liquid to a reboiling zone to form a portion of the reboiling liquid; (7) withdrawing lean vapor from said column; , (8) heating the extracted lean steam, (9) compressing the heated lean steam, (10) cooling the compressed lean steam by indirect heat exchange with the heated lean steam, (11) ) condensing the cooled lean vapor by indirect heat exchange with a partially vaporized reboiling liquid in a reboiling zone to produce a lean liquid; (12) sending a portion of the lean liquid to the column; forming a reflux liquid; and (13) recovering a portion of the lean liquid as a liquid product substantially free of rare earth gas. The term "rare earth gas" used herein
means krypton and xenon. As used herein, the terms "lean", "leaner", "rich" and "richer" mean
Represents the concentration of rare earth gas unless otherwise specified. As used herein, the term "integrated heat pump circuit" refers to an arrangement in which the heat pump circuit is combined with a separation column to utilize process fluid obtained from the separation column. As used herein, the term "reboil zone" means
means a heat exchange zone in which the incoming liquid is indirectly heated and thereby partially vaporized to produce gas and residual liquid. As a result, the residual liquid becomes
It is enriched in the less volatile components present in the incoming liquid. The term "indirect heat exchange" used herein
means to bring two fluid streams into a heat exchange relationship without physically contacting or mixing with each other. As used herein, the term "equilibrium stage" refers to
refers to a gas-liquid contacting stage in which the vapor and liquid exiting the gas-liquid contacting stage are in mass transfer equilibrium.
For separation columns that use trays or plates, ie separate contact stages, for the liquid and gas phases, the equilibrium stage corresponds to the theoretical tray or plate. For separation columns that use packing or continuous contact of liquid and gas phases, the equilibrium stage corresponds to that height of the column packing that is equal to one theoretical plate. The actual contacting step, i.e. tray, plate or packing, corresponds to the equilibrium step depending on its mass transfer efficiency. As used herein, the term "column" refers to a distillation or fractionation column, i.e., on a series of vertically spaced trays or plates disposed within the column, or alternatively on packing members packed into the column. means a contacting column or zone in which separation of a fluid mixture is effected by contacting the liquid and gas phases countercurrently, such as by contacting the gas and liquid phases at a temperature. For a detailed description of fractionation towers, see The Chemical
Engineer's Handbook (the Chemical
Engineer’s Handbook, 5th Edition” (McGraw-Hill Book Company, New York, USA), “Distillation”,
See B.D. Smith et al., pp. 13-3, The Continuous Distillation Process. The term "double column" as used herein means a high pressure column having an upper end in heat exchange relationship with the lower end of the lower pressure column. For a detailed description of the double tower, see Mr. Luchman, “The Separation of Gases” (Oxford University Press, 1949), Chap.
“Industrial Air Separation” and Mr. Baron’s “Cryogenic Systems” (McGraw-Hill Incorporated, 1966);
Found on page 230, “Air Separation Systems”. DETAILED DESCRIPTION The method of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. Referring now to FIG. 1, a fluid stream 32 containing oxygen, krypton and xenon is transferred to the reboiling zone 3 as stream 34, for example by pump means 33.
Sent to 6. In the embodiment of FIG. 1, feed stream 34 is combined with liquid from column 35 and the resulting combined stream 42 is sent to reboiling zone 36.
The concentrations of krypton and xenon in feed stream 34 may be any effective concentration, but generally the concentration of krypton in feed stream 34 will be at least 10 ppm and the concentration of xenon will be at least 1 ppm. The source of feedstock liquid for the process of the invention may be any source of rare earth gas-containing liquid oxygen. FIG. 1 shows one such source as liquid from the lower pressure column sump of a double column air separation process 10 capable of producing both liquid and gaseous oxygen products. As shown in FIG. 1, this liquid 26 can be sent to a storage receiver 31 prior to use in the method of the invention. The storage receiver 31 may be supplied with a suitable feed liquid from a source separately or in addition to the feed from the double column air separation plant shown. Figure 1 shows
One of the advantages of the method of the present invention is that it does not need to be coupled to an integrated air separation process.
Here are two examples. The only input to the process of the invention is feedstock stream 34, which may be from any suitable source. The entire krypton-xenon condensation process 30, including mass transfer in the column, heat transfer in the integrated heat pump circuit, and condensation phase change in the reboiling zone, is performed without inputting any other streams to the process. This makes the process of the invention unique and allows krypton-xenon enrichment in a much simpler manner than previously available methods. Returning to FIG. 1, the reboiling liquid 61 in the reboiling zone is partially vaporized by heat exchange with the condensate in the condenser 37, thereby generating vapor 43 and krypton-xenon concentrate 40 (this can be recovered for further use). Typically, the krypton concentration in concentrate 40 is at least 200 ppm, preferably at least
400 ppm and the xenon concentration in concentrate 40 is at least 15 ppm preferably at least
It is 30ppm. Steam 43, which is leaner in krypton and xenon than the feed liquid to the reboiling zone, is passed upwardly through column 35 against the downstream reflux liquid. In Figure 1, the reboiling zone 36 is
Although shown separate from column 5, a reboiling zone may be located within column 35 and at its bottom. When the reboiling zone is separate from column 35, as in the embodiment of FIG. 1, steam 43 is introduced into column 35 at its bottom. In column 35, the krypton and xenon in vapor 43 are stripped into the reflux liquid downstream from the vapor. The resulting krypton-xenon enriched liquid 41 is sent to the reboil zone to form a portion of the reboil liquid 61. Column 35 is operated at a pressure within the range of 10-75 psia , preferably 15-30 psia, and a significant portion of the krypton and xenon in vapor 43 is Preferably it serves to strip substantially all of it into the downstream reflux liquid. This produces a steam stream 44, which
This vapor stream 44 is preferably transferred from column 35 to column 3.
5 in a lean state and preferably substantially free of rare earth gases. Lean vapor stream 44, consisting essentially of oxygen, is heated by indirect heat exchange in heat exchanger 39, and heated stream 45 is compressed in compressor 38 to form compressed stream 46. flow 45
need only be subjected to a negligible degree of compression, preferably stream 46 is no more than 2.1 kg/kg less than stream 45.
cm 2 (30 psi) higher and most preferably at most 1.1 Kg/cm 2 (15 psi) higher pressure. Although not shown, the compressed stream can be cooled by cooling water. Compressed stream 45 is then cooled by indirect heat exchange by passing heat exchanger 39 against heated vapor stream 44, and the resulting cooled compressed lean vapor stream 47 is reboiled. It is sent to condenser 37 in zone 36. The cooled and compressed lean vapor is then condensed to produce lean liquid 48 through indirect heat exchange with the partially vaporized reboiling liquid. A portion 49 of this lean liquid 48 (10 to 40 of the lean liquid 48)
% (preferably corresponding to 15-25%) is expanded by valve 51 and sent as stream 52 to column 35, preferably to the top of the column, to form the downstream reflux liquid mentioned above. The other portion 50, preferably the remaining portion, of the lean liquid 48 is recovered as a liquid product consisting essentially of oxygen and substantially free of rare earth gases. In general, the flow 50 is at most
It has a krypton concentration of 5 ppm preferably at most 1 ppm and a negligible xenon concentration. As previously explained, the krypton-xenon concentration process of the present invention does not require any input streams other than the feedstock. Thus, the liquid feedstock is transferred to column 3
krypton-xenon mass transfer in 5, heat transfer in an integrated heat pump circuit associated with heat exchanger 39;
It can be seen that the condensation phase change in the reboiling zone 36 is possible. Since the heat exchange in the reboiling zone 36 takes place between very similar fluids, i.e. the reboiling liquid 61
Since both the compressed lean vapor 47 and the condensing compressed lean vapor 47 typically consist of more than 99% oxygen, heat exchange within the reboiling zone 36 can be carried out with only a negligible degree of compression in the compressor 38. . This is beneficial both in terms of energy utilization and integrity. This is because compression of oxygen can become dangerous as the amount of compression increases.
The integrated heat pump circuit also serves to reduce the complexity of the concentration process. This is because other fluids such as nitrogen or argon are not required as heat exchange media. This also helps the method of the present invention to be more unique regardless of other low temperature methods. As previously noted, FIG. 1 shows a double column air separation plant that produces both gaseous and liquid oxygen products and which eliminates substantially all of the krypton and xenon in the atmosphere from the gaseous products. Illustrated is a particularly preferred arrangement where the feed liquid to the krypton-xenon concentration process is taken from a double column air separation plant modified from the usual two product double column arrangement to be placed in a rather liquid product. do.
Here, the double column air separation process illustrated in FIG. 1 will be briefly explained. To explain FIG. 1, the feed air 14 is 1.2
It is introduced into a high pressure column 13 operated at a pressure of 17 to 150 psia where it is separated into a nitrogen richer vapor 16 and an oxygen richer liquid 15. Vapor 16 is concentrated in condenser 12 by indirect thermal conversion with low pressure column bottoms 62 and the resulting nitrogen is converted into richer liquid 1
7 is sent to the high pressure column as stream 19 and to the low pressure column as stream 18 and stream 23 through valve 22 to serve as the reflux liquid for the column. Fluid 15 is connected to valve 2
0 and sent as stream 21 (as a partially flushed feedstock) to the lower pressure column. Also introduced into the column 11 is an air stream 51 as a feedstock, which can be used for cold end heat exchanger temperature control and/or to develop refrigeration of the plant. Column 11 is at a lower pressure than column 13 and 1.1-2.1 Kg/cm 2 (15-30 psia)
Operated at pressures within the range of Within column 11, each input stream is separated into a nitrogen-rich component, which is withdrawn as stream 24, and an oxygen-rich component. This oxygen-rich component is withdrawn from the column as a gaseous stream 25 and a liquid stream 26. In conventional dual product, liquid and gaseous oxygen production, the gaseous oxygen product is withdrawn above the retentate in such a manner that the two withdrawn streams are in equilibrium. Therefore, krypton and xenon are in equilibrium in both withdrawn product streams. Although the equilibrium krypton and xenon content of the liquid product is higher than that of the gaseous product, sometimes the amount of the liquid product is less than that of the gaseous product, thereby reducing the amount of krypton and xenon by the gaseous product. The loss is significant. To overcome this situation, the double column arrangement illustrated in FIG. ) in tower 1
Gaseous oxygen product 25 is withdrawn from 1.
Instead, in such an arrangement, a significant amount of krypton-xenon, which under normal practice would be removed with the gaseous products, remains in the liquid and is thus sent to the krypton-xenon enrichment process. was discovered. If desired, the gaseous oxygen product may be placed in trays 28 or 2, for example, rather than in the reservoir.
It can be extracted from above even more than 9. The optimum withdrawal point depends on the lowest krypton-xenon value obtained for the extra trays in the low pressure column. Generally, liquid oxygen product 26 is
The total oxygen product from column 11 is about 2 to about 75%, preferably about 5 to 30%, and most preferably about 20%. The double column process illustrated in FIG. 1 is particularly beneficial when used in conjunction with the krypton-xenon enrichment process of the present invention. In the double column process, substantially all of the atmospheric krypton and xenon is concentrated into a liquid oxygen product, which is then used as a feedstock for the process of the present invention. The krypton-xenon enrichment process of the present invention results in a liquid oxygen product stream containing negligible or negligible amounts of rare earth gases. Thus, the two processes taken together as shown in Figure 1 produce a gaseous oxygen product 25, a liquid oxygen product 50, and substantially all of the krypton and xenon in the feedstock which is atmospheric air. 40 krypton-xenon concentrates can be recovered. This highly desirable result is achieved with high efficiency and in an uncomplicated and complete manner. The example in Figure 1 shows that the feedstock to the krypton-xenon enrichment process comes from a double column air separation plant that produces both gaseous and liquid oxygen products, and that the feedstock in air is It is particularly preferred in that it represents a variation of the double column process in which substantially all of the krypton and xenon can be fixed in liquid oxygen rather than in gaseous oxygen. First, the results of a computer simulation of the method of the invention carried out according to the specific examples in the table are described. This data is provided for the purpose of illustrating the invention and is not intended to limit the invention. The abbreviations “CFH” and “PSIA” respectively refer to the ambient temperature (21℃; 70〓)
and "ft 3 /hr" and "lb/in 2 absolute" measured at atmospheric pressure (1.0 Kg/cm 2 ; 14.7 psia). The flow numbers correspond to those in FIG. Stream concentrations are expressed in either mole % or ppm volume.
In addition to the stated oxygen, krypton and xenon contents, each stream contains some argon and small amounts of hydrocarbons.

【表】 ン、ppm
表のデータによつて例示されるように、本発
明の方法は、濃縮物生成物流れ以外の流れ中にご
く僅かしかクリプトン及びキセノンが失われてい
ないクリプトン−キセノン濃縮物を効率的にもた
らす。本発明の方法では、これが液状供給原料を
使用して達成され、しかも希土類ガスを実質上含
まない液体生成物も生成する。表で分かるよう
に、液状供給原料の大半(一般には少なくとも75
%、そしてこの場合には92%)は液体酸素生成物
として回収され、そしてクリプトン−キセノン濃
縮物を生成するのにごく少量の液体供給原料で済
む。更に、本発明の方法は、窒素又はアルゴン熱
ポンプ循環のような他の流れを投入せずに、また
空気分離プラントにプロセス流れを戻す必要なし
にこれらの望ましい結果を達成することができ、
これによつて本法は、関連する低温冷却プラント
を必要とせずに唯一無二になることができる。な
お更に、本発明の方法は、プロセス工程の限定し
た組合わせを使用し且つ唯一のプロセス流れとし
て液状供給原料を使用して、これらの望ましい結
果のすべてを達成し、しかも分離を操作するのに
大きいエネルギー入力を必要としない。
[Table] N, ppm
As illustrated by the data in the table, the process of the present invention efficiently yields a krypton-xenon concentrate with negligible loss of krypton and xenon in streams other than the concentrate product stream. The process of the present invention accomplishes this using a liquid feedstock, yet also produces a liquid product that is substantially free of rare earth gases. As can be seen in the table, the majority of liquid feedstocks (generally at least 75
%, and in this case 92%) is recovered as liquid oxygen product, and only a small amount of liquid feed is required to produce the krypton-xenon concentrate. Furthermore, the process of the present invention can achieve these desirable results without inputting other streams such as nitrogen or argon heat pump circulation and without the need to return process streams to the air separation plant;
This allows the method to be unique without the need for an associated cryogenic cooling plant. Still further, the method of the present invention achieves all of these desirable results using a limited combination of process steps and a liquid feedstock as the only process stream, while still allowing the separation to operate. Does not require large energy input.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の方法の1つの好ましい具体例
の概略流れ図であつて、主要部を表わす参照数字
は次の通りである。 11:低圧塔、13:高圧塔、35:ストリツ
ピング塔、36:再沸帯域、39:熱交換器。
FIG. 1 is a schematic flowchart of one preferred embodiment of the method of the present invention, and the reference numerals representing the main parts are as follows. 11: low pressure column, 13: high pressure column, 35: stripping column, 36: reboiling zone, 39: heat exchanger.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 供給原料液からクリプトン−キセノン濃縮物
を製造ししかも希土類ガスを実質上含まない液状
生成物も回収する方法であつて、 (1) 酸素、クリプトン及びキセノンを含む供給原
料液を再沸帯域に供給して再沸液を形成し、 (2) 前記再沸液を部分気化させて蒸気及び液状ク
リプトン−キセノン濃縮物を生成し、 (3) クリプトン−キセノン濃縮物を回収し、 (4) 塔において下流する還流液に対向させて前記
蒸気を通し、 (5) 前記蒸気からクリプトン及びキセノンを前記
還流液にストリツピングさせてリーン蒸気及び
よりリツチな液体を生成し、 (6) 前記のよりリツチな液体を再沸帯域に送つて
再沸液の一部分を形成し、 (7) 前記塔からリーン蒸気を抜き取り、 (8) 抜き取つたリーン蒸気を加熱し、 (9) 加熱したリーン蒸気を圧縮し、 (10) 圧縮したリーン蒸気を、加熱リーン蒸気との
間接的熱交換によつて冷却し、 (11) 冷却されたリーン蒸気を、再沸帯域において
部分気化する再沸液との間接的熱交換によつて
凝縮させてリーン液体を生成し、 (12) 前記リーン液体の一部分を前記塔に送つて還
流液を形成し、そして (13) 前記リーン液体の一部分を、希土類ガスを
実質上含まない液状生成物として回収する、 ことを含む方法。 2 供給原料中のクリプトン濃度が少なくとも
10ppmである特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 供給原料中のキセノン濃度が少なくとも
1ppmである特許請求の範囲第1項記載の方法。 4 再沸帯域が塔内にある特許請求の範囲第1項
記載の方法。 5 再沸帯域が塔とは別個のものである特許請求
の範囲第1項記載の方法。 6 供給原料液及びよりリツチな液体が再沸帯域
への導入に先立つて合流される特許請求の範囲第
1項記載の方法。 7 塔が0.7〜5.3Kg/cm2(10〜75psia)の範囲内
の圧力で操作される特許請求の範囲第1項記載の
方法。 8 加熱されたリーン蒸気が、その圧力をせいぜ
い2.1Kg/cm2(30psi)まで増大するために圧縮さ
れる特許請求の範囲第1項記載の方法。 9 加熱されたリーン蒸気が、その圧力をせいぜ
い1.1Kg/cm2(15psi)まで増大するために圧縮さ
れる特許請求の範囲第1項記載の方法。 10 塔に還流液として送られるリーン液のその
部分がリーン液の10〜40%に相当する特許請求の
範囲第1項記載の方法。 11 クリプトン−キセノン濃縮物中のクリプト
ンの濃度が少なくとも200ppmである特許請求の
範囲第1項記載の方法。 12 クリプトン−キセノン濃縮物中のキセノン
の濃度が少なくとも15ppmである特許請求の範囲
第1項記載の方法。 13 希土類ガスを実質上含まない液状生成物が
容積流量を基準にして供給原料液の少なくとも75
%に相当する特許請求の範囲第1項記載の方法。 14 供給原料液が二重塔低温空気分離プラント
から得られる特許請求の範囲第1項記載の方法。 15 空気分離プラントが、供給原料液を構成す
る液体の他にガス状酸素生成物を生成する特許請
求の範囲第14項記載の方法。 16 ガス状酸素生成物が、供給原料液を構成す
る液体を抜き出すところの少なくとも1つの平衡
段階よりも上方の点で空気分離プラントから抜き
取られる特許請求の範囲第15項記載の方法。
[Scope of Claims] 1. A method for producing a krypton-xenon concentrate from a liquid feedstock and also recovering a liquid product substantially free of rare earth gases, comprising: (1) a feedstock containing oxygen, krypton, and xenon; supplying the liquid to a reboiling zone to form a reboiling liquid; (2) partially vaporizing the reboiling liquid to produce a vapor and liquid krypton-xenon concentrate; and (3) recovering the krypton-xenon concentrate. (4) passing said vapor against a downstream reflux liquid in a column; (5) stripping krypton and xenon from said vapor to said reflux liquid to produce a lean vapor and richer liquid; ) passing said richer liquid to a reboiling zone to form a portion of the reboiling liquid; (7) withdrawing lean vapor from said column; (8) heating the withdrawn lean vapor; and (9) heating. (10) the compressed lean steam is cooled by indirect heat exchange with the heated lean steam; (11) the cooled lean steam is partially vaporized in a reboiling zone. (12) sending a portion of the lean liquid to the column to form a reflux liquid; and (13) condensing the portion of the lean liquid by indirect heat exchange with a liquid to produce a lean liquid; A method comprising: recovering a liquid product substantially free of rare earth gases. 2 The krypton concentration in the feedstock is at least
The method according to claim 1, wherein the amount is 10 ppm. 3 The xenon concentration in the feedstock is at least
The method according to claim 1, wherein the amount is 1 ppm. 4. The method according to claim 1, wherein the reboiling zone is within the column. 5. The method of claim 1, wherein the reboiling zone is separate from the column. 6. The method of claim 1, wherein the feed liquid and the richer liquid are combined prior to introduction into the reboiling zone. 7. The method of claim 1 , wherein the column is operated at a pressure in the range of 10 to 75 psia. 8. The method of claim 1, wherein the heated lean steam is compressed to increase its pressure to at most 30 psi. 9. The method of claim 1 , wherein the heated lean steam is compressed to increase its pressure to at most 15 psi. 10. The method of claim 1, wherein the portion of lean liquid sent to the column as reflux liquid corresponds to 10 to 40% of the lean liquid. 11. The method of claim 1, wherein the concentration of krypton in the krypton-xenon concentrate is at least 200 ppm. 12. The method of claim 1, wherein the concentration of xenon in the krypton-xenon concentrate is at least 15 ppm. 13. A liquid product substantially free of rare earth gases is present at least 75% of the feed liquid on a volumetric flow rate basis.
%. 14. The method of claim 1, wherein the feedstock liquid is obtained from a double column cryogenic air separation plant. 15. The method of claim 14, wherein the air separation plant produces a gaseous oxygen product in addition to the liquid that constitutes the feed liquid. 16. The method of claim 15, wherein the gaseous oxygen product is withdrawn from the air separation plant at a point above the at least one equilibration stage at which the liquid constituting the feedstock liquid is withdrawn.
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JPS62102076A (en) 1987-05-12

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