CN107606874A - 一种全精馏提纯回收氩气的装置及其回收氩气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全精馏提纯回收氩气的装置，其包括粗氩气提纯回收系统和氩气循环系统，粗氩气提纯回收系统包括原料气压缩机组、主换热器、脱氧塔、精氩塔、过冷器，氩气循环系统包括循环气压缩机组和膨胀机，各设备均通过相应管路进行连接；氩气循环系统为冷箱提供低温并未氩气液化提供冷量；本发明还涉及采用上述装置回收氩气的方法，其包括粗氩气的增压冷却和粗氩气的精馏提纯，制得的高液氮中的氧气含量＜1.5ppm、氮气含量＜4ppm。本发明通过循环机提供冷量，在提纯氩气的同时，也对氩气进行了液化，弥补了煤化工配套空分的不足；并通过合理配置换热流程，使得能量利用最优化，减少冷量的损失，最大程度的回收氩气，减少浪费，具有一定的经济效益。

Description

一种全精馏提纯回收氩气的装置及其回收氩气的方法

技术领域

本发明涉及气体分离技术领域，尤其涉及一种全精馏提纯回收氩气的装置及其回收氩气的方法。

背景技术

氩气是一种无色无臭的惰性气体，其分子式为Ar，分子量为39.95，蒸汽压为202.64kPa(-179℃)，熔点-189.2℃，沸点-185.7℃。在工业生产中，氩气通常被用作一种高效的保护气体，使用十分广泛。

氩气的主要来源是从大空分中作为副产品产出。在钢铁厂配套的空分中一般会有纯氩气产生。但在煤化工工艺使用的空分设备中，由于煤化工工艺本身不需要氩气，所以配套空分一般不产纯氩气，这种空分会配套增效塔，增效塔顶部出来的粗氩气，一般含氩量为85％，其余大部分为氧气，极少部分为氮气，不含其它杂质。这部分粗氩气会直接放空，造成浪费。

发明内容

本发明在于克服现有技术中的缺陷，针对煤化工配套空分特点，开发用低温全精馏的方法提纯粗氩气得到纯氩气，准确的说是得到纯液氩，其具体提供了一种全精馏提纯回收氩气的装置及其回收氩气方法，以减少浪费。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个目的是提供一种全精馏提纯回收氩气的装置，其包括：粗氩气提纯回收系统，其包括通过管路连接的原料气压缩机组、主换热器、脱氧塔、精氩塔、过冷器，其中，所述主换热器、脱氧塔、精氩塔和过冷器均设置在冷箱中，所述脱氧塔包括设置于脱氧塔底部的脱氧塔再沸器和设置于脱氧塔顶部的脱氧塔冷凝蒸发器，所述精氩塔包括设置于精氩塔底部的精氩塔再沸器和设置于精氩塔顶部的精氩塔冷凝蒸发器；氩气循环系统，其包括通过管路连接的循环气压缩机组和膨胀机，所述循环气压缩机组和膨胀机通过相应的管路分别与粗氩气提纯回收系统中相应的设备进行连接。

为了进一步优化上述装置，本发明所采取的技术措施还包括：

进一步地，所述原料气压缩机组包括依次管路连接的原料气压缩机和原料气压缩机后冷却器，所述循环气压缩机组包括依次管路连接的循环气压缩机和循环气压缩机后冷却器，所述膨胀机包括依次管路连接的膨胀机增压端、增压后冷却器和膨胀机膨胀端；其中所述膨胀机膨胀端设置在所述冷箱中。

进一步地，所述脱氧塔再沸器、脱氧塔冷凝蒸发器、精氩塔再沸器、精氩塔冷凝蒸发器均为沉浸式换热器。

进一步地，所述脱氧塔和精氩塔采用规整填料结构、散堆填料结构或筛板塔结构。

进一步地，所述粗氩气提纯回收系统内的各设备的连接管路包括：

用于将粗氩气依次通过原料气压缩机组、主换热器送至脱氧塔中上部的进料管；

用于将脱氧粗氩气从脱氧塔顶部送至精氩塔中部的的脱氧粗氩气管以及将高纯液氩从精氩塔底部送出的液氩管；

用于将部分脱氧粗氩气从脱氧粗氩气管送至脱氧塔冷凝蒸发器的脱氧粗氩气支管以及将脱氧粗氩气冷凝液送回至脱氧塔顶部的脱氧粗氩气冷凝液回流管；

用于将氮气从精氩塔顶部送出经过主换热器回收冷量排放的氮气管，用于将部分氮气从氮气管送至精氩塔冷凝蒸发器的氮气支管以及将氮气冷凝液送回至精氩塔顶部的氮气冷凝液回流管。

用于将氮气和氧气的混合气从脱氮塔下部送出经过主换热器回收冷量后排放的混合气管，用于将含氧液体从脱氧塔底部排放的含氧液体管。

进一步地，所述氩气循环系统中各设备与所述粗氩气提纯回收系统中各设备的连接管路包括：

用于将脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器的顶部排出的混合后的氩气循环气经由过冷器、主换热器回收冷量后送至循环气压缩机组的循环气管；

用于将循环气从循环气压缩机组送至主换热器的循环气返回管；

用于将部分循环气从主换热器送至脱氧塔再沸器的第一循环气返回管以及用于将部分循环气冷凝液返回至脱氧塔冷凝蒸发器的第一循环气凝液返回管；

用于将部分循环气从主换热器送至精氩塔再沸器的第二循环气返回管以及用于将部分循环气冷凝液返回至精氩塔冷凝蒸发器的第二循环气凝液返回管。

进一步地，所述循环气返回管上设置循环气返回支管，该循环气返回支管用于将部分循环气依次经由膨胀机增压端、增压后冷却器、主换热器、膨胀机膨胀端送回并合并至过冷器出口的循环气管；更进一步地，从主换热器的中部引出循环气连通至膨胀机膨胀端。

进一步地，第一循环气凝液返回管上设置连接至精氩塔冷凝蒸发器的第一循环气凝液返回支管。

进一步地，所述主换热器出口的进料管、脱氧粗氩气管、第一循环气凝液返回管、第二循环气凝液返回管、第一循环气凝液返回支管上均设置调节阀。

进一步地，该装置还包括用于储存高纯液氮的液氮储槽。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述装置进行全精馏提纯回收氩气的方法，其包括如下步骤：

步骤1)粗氩气的增压冷却：含有氧气和氢气的粗氩气进入原料气压缩机组进行增压和初步冷却，并通过主换热器进一步冷却至液化温度；

步骤2)粗氩气的精馏提纯：液化温度下的粗氩气进入脱氧塔的中下部进行精馏分离，在脱氧塔的顶部获得脱氧粗氩气，在脱氧塔的底部排出含氧液体；脱氧粗氩气从脱氧塔的顶部排出进入精氩塔的中部进行精馏分离，在精氩塔的底部获得高纯液氩，在精氩塔的顶部排出氮气；

其中，所述主换热器、脱氧塔、精氩塔均设置在冷箱中，氩气循环系统为所述冷箱提供低温以及为氩气液化提供冷量。

为了进一步优化上述方法，本发明的技术措施包括：

进一步地，所述粗氩气的组成(体积含量)为Ar：82～87％；O₂：12～18％；N₂：0.01～0.03％，更进一步地，所述粗氩气的组成(体积含量)为Ar：85％；O₂：14.98％；N₂：0.02％。

进一步地，所述原料气压缩机组出口的粗氩气的压力为0.6MPaA，温度为40℃。

进一步地，在所述步骤2)中，在脱氧塔的精馏分离中，脱氧塔底部的脱氧塔再沸器提供脱氧塔精馏所需要的气体，脱氧塔顶部的脱氧塔冷凝蒸发器提供脱氧塔精馏所需要的液体；在精氩塔的精馏分离中，精氩塔底部的精氩塔再沸器提供精氩塔精馏所需要的气体，精氩塔顶部的精氩塔冷凝蒸发器提供精氩塔精馏所需要的液体；

其中，所述脱氧塔再沸器和精氩塔再沸器的热源均为来自氩气循环系统的循环氩气，冷源分别为脱氧塔底部的液体和精氩塔底部的液体，在换热过程中，循环氩气液化为液体，塔底部的液体汽化产生气体；

其中，所述脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器的热源分别为脱氧粗氩气和氮气，冷源均为液氩，在换热过程中，脱氧粗氩气和氮气分别冷凝为液体，液氩汽化产生气体，来自脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器的汽化气体混合送入氩气循环系统。

进一步地，所述氮气循环系统的运行步骤包括：

从冷箱出来的循环气经过循环压缩机组压缩降温后，分成两部分：

一部分进入膨胀机增压端增压后经过增压后冷却器冷却进入主换热器，从主换热器中部抽出进入膨胀机膨胀端进行膨胀，降温降压后进入主换热器复热回循环压缩机；

另一部分进入主换热器，被返流的循环气降温后，分为两部分：一部分进入脱氧塔再沸器作为热源，其通过相变释放热量，汽化脱氧塔底部的液体，本身被液化为液体；另一部分进入精氩塔再沸器作为热源，通过相变释放热量，汽化精氩塔底部的液体，本身被液化为液体；脱氧塔再沸器和精氩塔再沸器排出的液化液体节流后分别进入脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器，然后分别冷却脱氧粗氩气和氮气以各自为脱氧塔和精氩塔提供精馏液体；

其中，脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器中的液氩分别汽化产生气体，该气体经混合后与脱氧塔再沸器和精氩塔再沸器分别排出的未节流的液化液体在过冷器中进行换热，来自过冷器的气体与膨胀机膨胀端膨胀后的气体混合成为循环气，通过主换热器复热出冷箱，进入循环压缩机组加压循环。

进一步地，所述循环压缩机组出口的循环气的压力为1MPaA，温度40℃。

进一步地，所述增压后冷却器出口的部分循环气的温度为40℃，增压后冷却器出口的部分循环气进入主换热器，并从主换热中部以约-90℃抽出到膨胀机膨胀端被膨胀至0.12MPaA。

进一步地，在步骤2)之后还包括步骤3)粗氩气的回收：高纯液氩输送至液氩储罐进行储存回收；更进一步地，在步骤3)之后还包括将所述高纯液氮从液氩储罐分别泵送至脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器的步骤。

进一步地，所述脱氧粗氩气中的氧气含量＜1.5ppm；所述高纯液氩中的氧气含量＜1.5ppm、氮气含量＜4ppm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过循环机提供冷量，在提纯氩气的同时，也对氩气进行了液化，弥补了煤化工配套空分的不足；本发明通过合理配置换热流程，使得能量利用最优化，减少冷量的损失，并最大程度的回收氩气，减少浪费，其具有一定的经济效益。

附图说明

图1是本发明一实施例中的一种全精馏提纯回收氩气的的装置的流程示意图；

图中的附图标记如下：

原料气压缩机组11、原料气压缩机111、原料气压缩机后冷却器112、主换热器12、脱氧塔13、脱氧塔再沸器131、脱氧塔冷凝蒸发器132、精氩塔14、精氩塔再沸器141、精氩塔冷凝蒸发器142、过冷器15、循环气压缩机组21、循环气压缩机211、循环气压缩机后冷却器212、膨胀机22、膨胀机增压端221、增压后冷却器222、膨胀机膨胀端223；

进料管L1、脱氧粗氩气管L2、脱氧粗氩气支管L21、脱氧粗氩气冷凝液回流管L22、液氩管L3、氮气管L4、氮气支管L41、氮气冷凝液回流管L42、混合气管L5、含氧液体管L6、循环气管L7、循环气返回管L8、第一循环气返回管L81、第一循环气凝液返回管L82、第二循环气返回管L83、第二循环气凝液返回管L84、循环气返回支管L85、第一循环气凝液返回支管L86、调节阀V1-V5。

具体实施方式

本发明提供一种一种全精馏提纯回收氩气的装置，其包括：粗氩气提纯回收系统，其包括通过管路连接的原料气压缩机组、主换热器、脱氧塔、精氩塔、过冷器；氩气循环系统，其包括通过管路连接的循环气压缩机组和膨胀机，所述循环气压缩机组和膨胀机通过相应的管路分别与粗氩气提纯回收系统中相应的设备进行连接；本发明还涉及一种通过上述装置进行回收氩气的方法。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，来自煤化工工艺配套空分的增效塔顶部出来的粗氩气(含Ar:～85mol％，O₂：～14.98％；N₂：～0.02％)经由进料管L1，经过原料气压缩机111压缩至～0.6MPaA，并通过原料气压缩机冷却器112降温到～40℃，进入冷箱1内的主换热器12，在其内冷却至液化温度，经调节阀V1节流后进入脱氧塔13中下部。在脱氧塔13中，其塔底的脱氧塔再沸器131提供脱氧塔13精馏所需要的气体，其塔顶的脱氧塔冷凝蒸发器132为脱氧塔13提供精馏所需的液体。粗氩气与脱氧塔再沸器131提供的气体混合作为上升气，脱氧塔冷凝蒸发器132提供的液体作为下降液，两者在脱氧塔中进行精馏。氧组分被分离到塔底的液体中通过含氧液体管L6排出。从脱氧塔13顶部得到含氧量<1.5ppm的脱氧粗氩气通过脱氧粗氩气管L2，并经过调节阀V2控制后，进入精氩塔14中部。为了维持脱氧塔13内的分离效率，其塔底的氧气和氩气的混合气经由混合气管L5通过主换热器12回收冷量后排放。

精氩塔14精馏工况的建立也是通过塔顶部的精氩塔冷凝蒸发器142提供液体和塔底部的精氩塔再沸器141提供气体。脱氧粗氩气与精氩塔再沸器141提供的气体混合作为上升气，精氩塔冷凝蒸发器142提供的液体作为下降液，两者在精氩塔中进行精馏。在精氩塔14中主要脱除的是氮组分等比氩气沸点低的组分，在精氩塔14的底部得到符合要求的高纯液氩(含氧1.5ppm，含氮4ppm)，其通过高纯液氮管L3被抽出后送出冷箱送入液氩储槽进行储存，该液氩储罐中液氩可被泵送至脱氧塔冷凝蒸发器132和精氩塔冷凝蒸发器142作为冷源。

冷箱1内的低温、氩气液化所需要的冷量主要由氩气循环系统来提供。从冷箱1出来的氩气经过循环压缩机211压缩至1MPaA，被循环压缩机冷却器212降温到40℃，然后分成两部分，一部分通过循环气返回支管L85进入膨胀机22的膨胀机增压端221增压后经过增压后冷却器222冷却到40℃进入冷箱1内的主换热器12，从主换热器12中部(约-90℃)抽出到膨胀机21的膨胀机膨胀端223膨胀至0.12MPaA，降温降压后进入主换热器12复热回循环压缩机组21。

另一部分通过循环气返回管L8进入冷箱1的主换热器12，被返流的气体降温至液化点，分为两部分，一部分通过第一循环气返回管L81进入脱氧塔再沸器131高温侧，通过相变释放热量，汽化低温侧的液体，为脱氧塔13精馏提供气体，本身被液化为液体。另一部分通过第二循环气返回管L82进入精氩塔再沸器141高温侧，通过相变释放热量，汽化低温侧的液体，为精氩塔14精馏提供气体，本身被液化为液体。两个再沸器131、141出来的液化液体分别经由第一循环气凝液返回管L82和第二循环气凝液返回管L84，并分别通过调节阀V3和调节阀V4节流后进入脱氧塔冷凝蒸发器132和精氩塔冷凝蒸发器142，冷却脱氧塔13和精氩塔14顶部的气体，为两个塔提供精馏液体；其中脱氧塔13顶部的部分脱氧粗氩气通过脱氧粗氩气管L2的支路-脱氧粗氩气支管L21进入脱氧塔冷凝蒸发器132，其凝液通过脱氧粗氩气冷凝液回流管L22返回至脱氧塔13；精氩塔14顶部的部分氮气通过氮气管L4的支路-氮气支管L41进入精氩塔冷凝蒸发器142，其凝液通过氮气冷凝液回流管L42返回至精氩塔14，其余氮气通过氮气管L4经由主换热器12回收冷量后排放。脱氧塔冷凝蒸发器132和精氩塔冷凝蒸发器142内的液体本身汽化后，经混合与脱氧塔再沸器和精氩塔再沸器分别排出的未节流的液化液体在过冷器17中进行换热，从过冷器17排出的气体通过循环气管L7与膨胀机膨胀端223出口的气体混合，通过主换热器12复热出冷箱1，进入循环压缩机组21加压循环。

在上述实施例中，第一循环气凝液返回管L82设置通往精氩塔冷凝蒸发器142的第一循环气凝液返回支管L86，所述第一循环气凝液返回支管L86设置调节阀V5；所述脱氧塔再沸器131、脱氧塔冷凝蒸发器132、精氩塔再沸器133、精氩塔冷凝蒸发器134均为沉浸式换热器；所述脱氧塔13和精氩塔14采用规整填料结构，其均设置两段填料(也可根据实际情况进行调整)。

由上述实施例可知，本发明通过循环机提供冷量，在提纯氩气的同时，也对氩气进行了液化，弥补了主题空分的不足；同时通过合理配置换热流程，使得能量利用最优化，减少冷量的损失，并最大程度的回收氩气，减少浪费，其具有一定的经济效益。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种全精馏提纯回收氩气的装置，其特征在于，包括：

粗氩气提纯回收系统，其包括通过管路连接的原料气压缩机组(11)、主换热器(12)、脱氧塔(13)、精氩塔(14)、过冷器(15)；其中，所述主换热器(12)、脱氧塔(13)、精氩塔(14)和过冷器(15)均设置在冷箱(1)中，所述脱氧塔(13)包括设置于脱氧塔(13)底部的脱氧塔再沸器(131)和设置于脱氧塔(13)顶部的脱氧塔冷凝蒸发器(132)，所述精氩塔(14)包括设置于精氩塔(14)底部的精氩塔再沸器(141)和设置于精氩塔(14)顶部的精氩塔冷凝蒸发器(142)；

氩气循环系统，其包括通过管路连接的循环气压缩机组(21)和膨胀机(22)，所述循环气压缩机组(21)和膨胀机(22)通过相应的管路分别与粗氩气提纯回收系统中相应的设备进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种全精馏提纯回收氩气的装置，其特征在于，所述原料气压缩机组(11)包括依次管路连接的原料气压缩机(111)和原料气压缩机后冷却器(112)，所述循环气压缩机组(21)包括依次管路连接的循环气压缩机(211)和循环气压缩机后冷却器(212)，所述膨胀机(22)包括依次管路连接的膨胀机增压端(221)、增压后冷却器(222)和膨胀机膨胀端(223)；其中所述膨胀机膨胀端(223)设置在所述冷箱(1)中。

3.根据权利要求1所述的一种全精馏提纯回收氩气的装置，其特征在于，所述脱氧塔再沸器(131)、脱氧塔冷凝蒸发器(132)、精氩塔再沸器(133)、精氩塔冷凝蒸发器(134)均为沉浸式换热器。

4.根据权利要求1所述的一种全精馏提纯回收氩气的装置，其特征在于，所述脱氧塔(13)和精氩塔(14)采用规整填料结构、散堆填料结构或筛板塔结构。

5.根据权利要求1所述的一种全精馏提纯回收氩气的装置，其特征在于，该装置还包括用于储存高纯液氮的液氮储槽。

6.一种采用如权利要求1～5中任一项所述的装置全精馏提纯回收氩气的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)粗氩气的增压冷却：含有氧气和氢气的粗氩气进入原料气压缩机组进行增压和初步冷却，并通过主换热器进一步冷却至液化温度；

步骤2)粗氩气的精馏提纯：液化温度下的粗氩气进入脱氧塔的中下部进行精馏分离，在脱氧塔的顶部获得脱氧粗氩气，在脱氧塔的底部排出含氧液体；脱氧粗氩气从脱氧塔的顶部排出进入精氩塔的中部进行精馏分离，在精氩塔的底部获得高纯液氩，在精氩塔的顶部排出氮气；

其中，所述主换热器、脱氧塔、精氩塔均设置在冷箱中，氩气循环系统为所述冷箱提供低温以及为氩气液化提供冷量。

7.根据权利要求6所述的全精馏提纯回收氩气的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，在脱氧塔的精馏分离中，脱氧塔底部的脱氧塔再沸器提供脱氧塔精馏所需要的气体，脱氧塔顶部的脱氧塔冷凝蒸发器提供脱氧塔精馏所需要的液体；在精氩塔的精馏分离中，精氩塔底部的精氩塔再沸器提供精氩塔精馏所需要的气体，精氩塔顶部的精氩塔冷凝蒸发器提供精氩塔精馏所需要的液体；

其中，所述脱氧塔再沸器和精氩塔再沸器的热源均为来自氩气循环系统的循环氩气，冷源分别为脱氧塔底部的液体和精氩塔底部的液体，在换热过程中，循环氩气液化为液体，塔底部的液体汽化产生气体；

其中，所述脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器的热源分别为脱氧粗氩气和氮气，冷源均为液氩，在换热过程中，脱氧粗氩气和氮气分别冷凝为液体，液氩汽化产生气体，来自脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器的汽化气体混合送入氩气循环系统。

8.根据权利要求7所述的全精馏提纯回收氩气的方法，其特征在于，所述氮气循环系统的运行步骤包括：

从冷箱出来的循环气经过循环压缩机组压缩降温后，分成两部分：

一部分进入膨胀机增压端增压后经过增压后冷却器冷却进入主换热器，从主换热器中部抽出进入膨胀机膨胀端进行膨胀，降温降压后进入主换热器复热回循环压缩机；

另一部分进入主换热器，被返流的循环气降温后，分为两部分：一部分进入脱氧塔再沸器作为热源，其通过相变释放热量，汽化脱氧塔底部的液体，本身被液化为液体；另一部分进入精氩塔再沸器作为热源，通过相变释放热量，汽化精氩塔底部的液体，本身被液化为液体；脱氧塔再沸器和精氩塔再沸器排出的液化液体节流后分别进入脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器，然后分别冷却脱氧粗氩气和氮气以各自为脱氧塔和精氩塔提供精馏液体；

其中，脱氧塔冷凝蒸发器和精氩塔冷凝蒸发器中的液氩分别汽化产生气体，该气体经混合后与脱氧塔再沸器和精氩塔再沸器分别排出的未节流的液化液体在过冷器中进行换热，来自过冷器的气体与膨胀机膨胀端膨胀后的气体混合成为循环气，通过主换热器复热出冷箱，进入循环压缩机组加压循环。

9.根据权利要求6所述的全精馏提纯回收氩气的方法，其特征在于，在步骤2)之后还包括步骤3)粗氩气的回收：高纯液氩输送至液氩储罐进行储存回收。

10.根据权利要求6所述的全精馏提纯回收氩气的方法，其特征在于，所述脱氧粗氩气中的氧气含量＜1.5ppm；所述高纯液氩中的氧气含量＜1.5ppm、氮气含量＜4ppm。