[发明专利]从空分主塔直接生产富氪/氙物料流的方法

说明书

本发明涉及深冷空气分离的方法，从空分主塔直接生产富氪和氙的物料流。

氪和氙在空气中是痕量组分，分别为1.14ppm和0.086ppm（体积含量），它们可经由深冷生产纯产物。这两种元素都比氧的挥发性低（即沸点较高），它们所以在常规式双塔空分装置的液氧槽中提浓。其他比氧挥发性低的杂质（主要是甲烷）也与氪及氙一起在该液氧槽中提浓。

不利的是，含氧、甲烷、氪和氙的物料流有安全问题，由于甲烷与氧共存在。甲烷与氧形成可燃混合物，其可燃下限为氧中5%甲烷。为安全起见，氧流中的甲烷浓度不可达到所述可燃下限，而在实践中，甲烷最高许可浓度又是该下限值的若干分之一。此一甲烷浓度限值大大地限制了在该槽中可达到的氪与氙浓度，因为这二种元素浓度再高则甲烷浓也要更高而超过许可的高限。

常规技术接受了在液氧沸腾槽中可以达到的氪和氙的此一浓度限，并且在另一个分馏塔中除掉甲烷（本领域常称为粗氪/氙塔），于是使得在该液氧流中进一步提浓氪与氙可以安全地进行。例如以下美国专利所记载的方法：3751934;4568528;5063746;5067976;5122173。

本发明的目的是把常规法要在粗氪/氙塔中除掉的甲烷在空分主塔中加以排除，从而节省了另一个分馏塔和附属再沸器/冷凝器的费用。

本发明是产生富氪和氙物料流的方法。本方法适用于采用多塔分馏系统的空气深冷分离工艺，该系统包括一个高压塔和一个低压塔，其中：

（a）至少一部分进料空气送入高压塔，在其中进料空气经过精馏成为塔顶高压氮和塔底高压粗液氧;

（b）至少一部分塔底高压粗液氧送入低压塔中进行精馏，成为塔顶低压氮和塔底低压液氧;

（c）至少一部分所述塔底低压液氧在位于低压塔底部的槽中沸腾。

在上述工艺过程中产生富氪和氙物料流的方法包括：

（ⅰ）在该槽之上至少一个平衡段位置的出料点抽出富氧蒸汽流和富氧液流;

（ⅱ）将所述富氧液流送回到位于该槽和该低压塔初始平衡段之间的一个回料点;

（ⅲ）从该槽抽出所述的富氪/氙物料流。

此处所述的平衡段的定义为一个汽-液接触段，离开该段的蒸汽和液体处于传质平衔关系。

图1为本发明一个方案的流程示意图。

参照附图详述本发明的方法。

图1中，经压缩、除掉在深冷温度会结冻的杂质并且冷却到深冷温度的进料空气10送入多塔分馏系统，包括高压塔D1和低压塔D2。更具体讲，该进料空气是送入高压塔D2，精馏后成为塔顶高压氮和塔底高压粗液氧14。一部分塔顶高压氮抽出作为产品流16。至少一部分塔底高压粗液氧14送入低压塔D2，将之精馏成为塔顶低压氮18并作为第二产品流送走，以及塔底低压液氧并收集在位于低压塔底的槽中。至少一部分低压液氧在该槽中的再沸器/冷热器R/C1中沸腾，这是通过与来自物流12的塔顶高压液氮的冷凝进行间接热交换。塔顶高压液氮冷凝后一部分通过管20作为高压塔D1的回流，另一部分也可通过管22作为低压塔D2的回流。作为低压塔上升蒸汽的一部分，抽出富氧蒸汽流24，其抽出点位于低压塔的槽上边至少一个平衡段处。在此抽出点还抽出富氧液流26，它是在低压塔D2中下降的液体的一部分。物料流26分出一部分作为第三产品流，其余的以料流30再送入到低压塔，送回点位于低压塔D2的该槽和初始平衡段之间。最后，从低压塔的该槽抽出富氪/氙的物料流32，作为第四产品流。

如图1所示，本发明的关键在于抽出富氧液流26使得低压塔中在该抽出点和返回点之间的那些平衡段中的液体回流减少（该等平衡段即为“被旁路”的段，它一般有三个平衡段，但也可以是其他数目），使得含于进料空气中的大部分甲烷被从富氧蒸汽流24中排去。优选是使所述回流量减小到这样程度使得该等被旁路的平衡段中液体对蒸汽之比从其正常值大于1.0降到0.05-0.40之间。在此回流比情况下，向下流的液体足以将上升的蒸汽中的大部分氪和几乎全部氙“洗”下来，但又不足以把上升的蒸汽中的甲烷大部分“洗”下来（甲烷、氪、氙的沸点分别是-161℃、-152℃、-109℃）。这样，使得甲烷作为抽出物料流24的富氧蒸汽流的一部分而被排走。上述比值的下限反映了在某点将不足以把氪从上升的蒸汽中“洗”下来。该比值的最佳值取决于允许多少氪损失在抽出的富氧蒸汽流（即图1中24）之中。

还应指出。为简化起见，图1中未示出各物料流之间进行热交换的其他热交换器。此外，虽然已示出在低压塔D2的槽中进行沸腾是利用与高压塔D1的塔顶氮进行热交换，但这对本发明而言并非必须这样做，也可以通过与其他一种或多种物料流进行适当的热交换进行沸腾。