[发明专利]用于从低温空气分离单元灵活回收氩的系统和方法

说明书

本发明提供了一种用于从低温空气分离单元灵活生产氩的系统和方法。该低温空气分离单元能够在氩需量较低或不存在时在“无氩”或“低氩”模式下操作，然后在需要氩时切换到在“高氩”模式下操作。通过改变被引导至低压塔的回流流中的污浊搁板氮和干净搁板氮的百分比来调节氩产物从该空气分离单元的回收。该低温空气分离单元和相关联的方法还提供了有效的氩生产/除氩工艺，该氩生产/除氩工艺在该低温空气分离单元在“无氩”或“低氩”模式下操作时使功耗最小化，同时还保持以满负荷设计容量产生更高体积的氩产物的能力以满足氩产物需量。

技术领域

本发明涉及从低温空气分离单元回收产物，并且更具体地涉及从低温空气分离单元灵活回收氩的系统和方法。还更具体地，本发明涉及通过以下方式从低温空气分离单元灵活回收氩和其他产物：使用干净搁板氮(clean shelf nitrogen)和/或污浊搁板氮(dirty shelf nitrogen)作为至低压塔的回流流，并且改变总氮回流流中的污浊搁板氮的百分比以实现所需的产物回收率并在无氩回收模式或低氩回收模式下操作时实现节能效率。

背景技术

氩是用于一些高温工业过程诸如炼钢中的高惰性元素，在此过程中通常非反应性物质会变为反应性的。氩还用于各种类型的金属制造工艺诸如电弧焊接以及电子工业例如硅晶体生长工艺中。氩的其它用途包括医学、科学、防腐和照明应用。虽然氩仅占环境空气的一小部分(即，约0.93％)，但是与也从低温空气分离单元中回收的氧和氮产物相比，它具有相对较高的价值。大多数现代空气分离单元被设计为通过以下方式从Linde型双塔布置产生氩：通常在“超级(superstaged)”蒸馏过程中，从低压塔提取富氩蒸气抽取物并且将该流引导至氩塔以回收氩，该蒸馏过程在大约180个分离级中产生商业液体纯度(例如，约1ppm氧)的氩。另选地，可在“粗”氩塔布置的大约50个分离级中产生较低或中间纯度(例如，约1％至2％氧)的氩。大多数低温空气分离单元被设计为具有预定义的窄氩生产范围，通常具有进入的进料空气中的可用氩的高达90％或更多的氩回收率。

虽然大多数低温空气分离单元具有几十年或更长的设计寿命，但低温空气分离单元的整个寿命中的氩生产需求通常会变化，并且这种变化可能较显著。例如，当最初建成空气分离单元时，可能不存在将商业氩产物销往区域客户的需要，或如果存在此类需要，通常也低于设备操作5年或甚至10年后的商业氩产物需求。这被称为氩产物斜坡，其中在空气分离单元设备操作的早年需要更低的氩生产或不需要氩生产，但几年后需要更高的氩生产水平直至达到满负荷氩生产水平。

另外，在低温空气分离单元的整个操作寿命中也可能发生本地或区域氩产物需量的变化。例如，本地或区域市场可能在延长时间段内因氩产能过剩或氩过度供应而饱和，在这段时间内不能保证氩产物的满负荷生产。相反，此类本地或区域市场也可能不时经历氩短缺，在这种情况下，需要由低温空气分离单元满负荷生产氩产物。

当前低温空气分离单元设备设计不能灵活实现显著不同的氩生产范围以解决氩斜坡现象或满足氩产物需量变化。即使低温空气分离单元可改变氩生产，此类设备也无法与高氩或满负荷氩生产模式下的操作相比在低氩模式下操作时获取潜在的节能。

因此需要改进的氩回收工艺或布置，其可在设备的整个操作寿命中增强低温空气分离单元中的氩回收的灵活性、性能和成本效益。具体地讲，需要在以下方面灵活的低温空气分离单元：其可在氩产物需求或氩产物需量较低时在“低氩”或“无氩”模式下操作并且在此类模式期间实现操作节能，同时也在氩产物需求较高时在“高氩”模式下操作。

发明内容