объединенные криогенная дистилляция и апд для получения аргона

Формула изобретения

1. Способ получения аргонового продукта, включающий:

отбор аргонсодержащего флюида из первой криогенной дистилляционной колонны;

увеличение давления, по меньшей мере, части аргонсодержащего флюида в средстве для увеличения давления с образованием сжатого аргонсодержащего флюида;

введение, по меньшей мере, части сжатого аргонсодержащего флюида в первую концевую часть первого сосуда адсорбции с переменным давлением;

отбор первого обогащенного аргоном газа из второй концевой части первого сосуда адсорбции с переменным давлением;

завершение введения сжатого аргонсодержащего флюида в первый сосуд адсорбции с переменным давлением;

отбор газа декомпрессии из, по меньшей мере, одного из первой концевой части и средней части первого сосуда адсорбции с переменным давлением, понижая таким образом давление в первом сосуде адсорбции с переменным давлением до конечного давления декомпрессии;

регулирование потока, по меньшей мере, части газа декомпрессии путем прохождения, по меньшей мере, части газа декомпрессии в средство для уменьшения пульсаций потока; и

введение, по меньшей мере, части газа декомпрессии, выходящего из средства для уменьшения пульсаций потока, в, по меньшей мере, одно из первой криогенной дистилляционной колонны и средства для увеличения давления.

2. Способ по п.1, в котором в течение, по меньшей мере, 90% времени цикла первого сосуда адсорбции с переменным давлением, по меньшей мере, часть газа декомпрессии, выходящего из средства для уменьшения пульсаций потока, имеет мольную скорость потока от 50% до 400% от средней по времени мольной скорости потока, по меньшей мере, части газа декомпрессии, выходящего из средства для уменьшения пульсаций потока.

3. Способ по п.1, в котором средство для уменьшения пульсаций потока содержит средство размещения газа и расположенный за ним ограничитель потока.

4. Способ по п.3, в котором указанное средство размещения газа имеет объем в от 0,5 до 20 раз больше, чем объем первого сосуда адсорбции с переменным давлением.

5. Способ по п.1, в котором сжатый аргонсодержащий флюид содержит кислород, причем способ дополнительно предусматривает кинетическую адсорбцию кислорода в первом сосуде адсорбции с переменным давлением с использованием углеродного молекулярного сита.

6. Способ по п.1, дополнительно включающий:

отбор первого газа выравнивания из средней части первого сосуда адсорбции с переменным давлением;

введение, по меньшей мере, части первого газа выравнивания в первую концевую часть второго сосуда адсорбции с переменным давлением; отбор второго газа выравнивания из второй концевой части первого сосуда адсорбции с переменным давлением; и

введение, по меньшей мере, части второго газа выравнивания во вторую концевую часть второго сосуда адсорбции с переменным давлением.

7. Способ по п.1, в котором аргонсодержащий флюид содержит более 50 об.% аргона.

8. Способ по п.1, в котором первый обогащенный аргоном газ содержит более 90 об.% аргона.

9. Способ по п.1, в котором первый обогащенный аргоном газ содержит менее 0,001 об.% кислорода.

10. Способ по п.1, в котором конечное давление декомпрессии составляет от 0 psig до 20 psig.

11. Способ по п.1, дополнительно включающий:

введение второго обогащенного аргоном газа из, по меньшей мере, одного из второго сосуда адсорбции с переменным давлением и третьего сосуда адсорбции с переменным давлением во вторую концевую часть первого сосуда адсорбции с переменным давлением во время, по меньшей мере, части этапа отбора газа декомпрессии.

12. Способ по п.1, дополнительно включающий:

фильтрацию, по меньшей мере, части газа декомпрессии и, по меньшей мере, части газа декомпрессии, выходящего из средства для уменьшения пульсации потока.

13. Способ по п.1, дополнительно включающий:

введение, по меньшей мере, части первого обогащенного аргоном газа во вторую криогенную дистилляционную колонну.

14. Способ по п.1, дополнительно включающий:

введение, по меньшей мере, части первого обогащенного аргоном газа в очистительный сосуд, содержащий газопоглотитель.

15. Устройство для получения аргонового продукта, включающее:

первую дистилляционную колонну, имеющую вход и выход, выход для отбора аргонсодержащего флюида;

средство для увеличения давления аргонсодержащего флюида, имеющее вход и выход, причем вход находится в сообщении по текучей среде с выходом первой дистилляционной колонны;

первый сосуд адсорбции с переменным давлением, имеющий первую концевую часть, среднюю часть и вторую концевую часть, причем первая концевая часть находится в селективном сообщении по текучей среде с выходом средства для увеличения давления;

второй сосуд адсорбции с переменным давлением, имеющий первую концевую часть, среднюю часть и вторую концевую часть, причем первая концевая часть второго сосуда адсорбции с переменным давлением находится в селективном сообщении по текучей среде с выходом средства для увеличения давления; и

средство для уменьшения пульсаций потока, имеющее вход и выход, причем вход данного средства для уменьшения пульсаций потока находится в селективном сообщении по текучей среде с первой концевой частью первого сосуда адсорбции с переменным давлением и в селективном сообщении по текучей среде с первой концевой частью второго сосуда адсорбции с переменным давлением, причем выход данного средства для уменьшения пульсаций потока находится во сообщении по текучей среде с, по меньшей мере, одним из входа первой дистилляционной колонны и входа средства для увеличения давления, где селективное сообщение по текучей среде осуществляют посредством трубы или одного или более клапанов.

16. Устройство по п.15, в котором:

средство для уменьшения пульсаций потока включает средство размещения газа и расположенный за ним ограничитель потока.

17. Устройство по п.16, в котором ограничитель потока содержит, по меньшей мере, один клапан регулирования потока.

18. Устройство по п.16, в котором средство размещения газа имеет объем в от 0,5 до 20 раз больше, чем объем первого сосуда адсорбции с переменным давлением.

19. Устройство по п.15, в котором первый сосуд адсорбции с переменным давлением и второй сосуд адсорбции с переменным давлением содержат углеродное молекулярное сито.

20. Устройство по п.15, в котором средняя часть первого сосуда адсорбции с переменным давлением находится в селективном сообщении по текучей среде с первой концевой частью второго сосуда адсорбции с переменным давлением, и вторая концевая часть первого сосуда адсорбции с переменным давлением находится в селективном сообщении по текучей среде со второй концевой частью второго сосуда адсорбции с переменным давлением.

21. Устройство по п.15, дополнительно включающее:

фильтр для улавливания частиц, имеющий вход и выход, причем вход фильтра для улавливания частиц находится в сообщении по текучей среде с выходом средства для уменьшения пульсаций потока течения, а выход находится в сообщении по текучей среде с входом первой дистилляционной колонны.

22. Устройство по п.15, дополнительно включающее:

вторую дистилляционную колонну, имеющую вход и выход, причем вход второй дистилляционной колонны находится в селективном сообщении по текучей среде со вторым концом первого сосуда адсорбции с переменным давлением и в селективном сообщении по текучей среде со вторым концом второго сосуда адсорбции с переменным давлением.

23. Устройство по п.22, дополнительно включающее:

очистительный сосуд, содержащий газопоглотитель, причем очистительный сосуд имеет вход и выход, где вход очистительного сосуда находится в селективном сообщении по текучей среде со второй концевой частью первого сосуда адсорбции с переменным давлением, а выход очистительного сосуда находится в сообщении по текучей среде с входом второй дистилляционной колонны.

Описание изобретения к патенту

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к устройству и способу получения высокочистого аргона. Более конкретно, данное изобретение относится к устройству и способу для улучшения извлечения аргона из воздуха с использованием криогенной ректификационной колонны в объединении с адсорбером переменного давления (АПД).

Поток сырого аргона, содержащий приблизительно от 0,2 до 15% по объему кислорода и приблизительно 1% по объему азота, может получаться в работе установки криогенного разделения воздуха, которая производит кислород и/или азот. Один из обычно применяемых способов для дополнительной очистки потока сырого аргона представляет собой так называемый деоксо-способ, где кислород потока сырого аргона реагирует с избытком водорода. Данный способ является энергетически дорогим, так как газовый поток нагревают до высокой температуры реакции и затем охлаждают до криогенных температур, чтобы удалить избыток водорода и остаточный азот. Кроме того, данный способ может быть непрактичным в тех частях мира, где ограничена доступность водорода. Другой способ, основанный только на криогенной дистилляции, требует использования большой или многостадийной аргоновой колонны из-за маленькой разницы в относительной летучести между аргоном и кислородом. Дополнительные способы включают в себя применение мембраны(ан) из твердого электролита, двух или больше адсорбционных слоев в вакуумном способе адсорбции с переменным давлением (ВСПД), системы газопоглотитель/деоксо и адсорбции с переменной температурой (АПТ).

Криогенная ректификация воздуха для получения кислорода, азота и/или аргона хорошо известна. Обычно используют трехстадийный криогенный способ, в котором исходный воздух разделяется на азот и кислород в двойной колончатой системе, которая использует верхний азотный пар из колонны высокого давления для кипения богатой кислородом жидкости в колонне низкого давления, а аргонсодержащий флюид из колонны низкого давления проходит в колонну сырого аргона для получения аргонового продукта. Например, патент США № 5440884 от Bonequist и Lockett описывает трехстадийную криогенную ректификационную систему, использующую двойную колончатую систему с присоединенной колонной сырого аргона, для получения высокочистого (>99,999%) аргона. Чтобы получать высокочистый аргон, использовали большую или многостадийную аргоновую колонну. Согласно патенту США № 5440884 большую колонну сырого аргона предпочтительно разделяют на две отдельные аргоновые колонны, и отгоночную колонну используют ниже по потоку от двойной основной колонны, чтобы подавить термодинамическую необратимость верхнего конденсатора колонны сырого аргона и колонны низкого давления.

Патент США № 4477265 от Kumar et al. описывает адсорбцию кислорода и азота из богатого аргоном сырья, получаемого из ректификационной колонны установки криогенного разделения воздуха. Согласно данному патенту аргон высокой чистоты отделяется и извлекается из потока сырого аргона, содержащего небольшие количества кислорода и азота, посредством селективной адсорбции этих примесей в последовательных адсорбционных колоннах (слоев). В одном варианте осуществления данная система использует последовательно две отдельные адсорбционные колонны, в которых первая колонна содержит азотный равновесный селективный адсорбент (например, цеолит), используемый для удаления азота, и второй слой, содержащий кислородный селективный адсорбент (например, углеродное молекулярное сито), используемый для удаления кислорода. Дополнительная очистка извлекаемого аргона может выполняться путем каталитического гидрирования остающегося в нем кислорода.

Патент США № 6527831 от Baksh et al. описывает вакуумную систему адсорбции с переменным давлением для очистки аргона из потока сырого аргонового сырья, использующую два адсорбционных слоя и непрерывно подающую поток сырого аргонового сырья в этот слой во время данного способа с одновременным выравниванием давления в двух слоях в виде концевых уравниваний верх-с-верхом и низ-с-низом в каждом слое с последующей продувкой каждого слоя.

Патент США № 6351971 от Nguyen et al. описывает способ и систему получения высокочистого аргонового продукта с высоким извлечением аргона из потока воздушного сырья, используя аргоновую колонну с низким отношением, аргоновую колонну с высоким отношением и вакуумную установку адсорбции с переменным давлением в объединении с установкой криогенного разделения воздуха.

Другие патенты, относящиеся к получению аргона, включают патент США № 5730003 от Nguyen et al., патент США № 5557951 от Prasad et al., патент США № 5601634 от Jain et al., патент США № 5159816 от Kovak et al., патент США № 4239509 от Bligh et al.

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как следует из уровня техники, было бы желательно обеспечить систему и способ получения аргонового продукта с 99,999 мол.% аргона при менее чем 1 млн д. кислорода и менее чем 1 млн д. азота. Улучшения в очистке сырого аргона в системе криогенного разделения воздуха давно найдены. Экономические факторы наряду с более строгими по чистоте техническими условиями для аргона увеличивают необходимость улучшенного процесса для более полного извлечения кислорода и азота из аргонового продукта.

Хотя чистота аргона важна, также желательно получать большую долю аргона из криогенной дистилляции воздуха.

Желательно поддерживать стабильность колонны криогенной дистилляции. Прежде было неизвестно, что некоторые, расположенные ниже по потоку, способы очистки могут воздействовать на стабильность колонны криогенной дистилляции.

Например, со ссылкой на чертеж, получение аргона может увеличиваться с увеличением потока 180 аргонового сырья из колонны низкого давления (не показано) в колонну 150 сырого аргона. Поток 180 сырья может увеличиваться только до момента, когда поток не содержит существенных количеств азота. Азот в потоке 180 сырья губителен для работы колонны 150 сырого аргона, так как этот азот аккумулируется в виде пара в конденсаторе 170. Если позволить пару азота собираться в конденсаторе 170, конденсатор 170 перестанет функционировать соответствующим образом, и жидкость, собирающаяся в колонне 150, может течь назад в колонну низкого давления; так называемое "опрокидывание колонны". При опрокидывании колонны кислородный продукт загрязняется, и колонну обычно останавливают.

Скорость течения потока 180 сырья выбирается так, чтобы обеспечивать баланс между получением аргона и опрокидыванием колонны. Чтобы избежать опрокидывания колонны, скорость течения потока 180 сырья обычно поддерживается ниже данного порога.

Скорость течения потока 180 сырья может приближаться к пороговой без опрокидывания колонны до тех пор, пока флуктуации в системе минимальны. Для улучшенного получения аргона нижняя по потоку обработка, такая как очистка аргона, должна обеспечивать минимальные флуктуации в системе.

Например, любые потоки, возвращаемые в колонну 150 сырого аргона, такие как поток 190, должны быть постоянными, чтобы минимизировать флуктуации в колонне 150. Любое изменение в потоке 190 повлияет на поток 180 сырья. Это происходит потому, что конденсатор 170 действует, затягивая фиксированное количество пара в колонну 150, так как он превращает пар в жидкость. Поэтому непостоянство в потоке 190 вызовет непостоянство в потоке 180 сырья.

Настоящее изобретение направлено на обеспечение вышеуказанных преимуществ и преодоление недостатков предшествующего уровня техники.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение представляет собой способ получения аргонового продукта, включающий забор аргонсодержащего флюида из колонны криогенной дистилляции, увеличение давления, по меньшей мере, части аргонсодержащего флюида в средстве для увеличения давления с образованием сжатого аргонсодержащего флюида, введение, по меньшей мере, части сжатого аргонсодержащего флюида в первую концевую часть, первого сосуда адсорбции с переменным давлением, забор первого обогащенного аргоном газа из второй концевой части первого сосуда адсорбции с переменным давлением. После окончания ввода сжатого аргонсодержащего флюида в первый сосуд адсорбции с переменным давлением данный способ согласно данному варианту осуществления дополнительно содержит забор газа декомпрессии из, по меньшей мере, одного из первой концевой части и средней части первого сосуда адсорбции с переменным давлением путем снижения давления в первом сосуде адсорбции с переменным давлением до конечного давления декомпрессии, регулирование течения, по меньшей мере, части газа декомпрессии путем прохождения, по меньшей мере, части газа декомпрессии в средство для уменьшения пульсаций потока путем образования отрегулированного газа декомпрессии и введение, по меньшей мере, части отрегулированного газа декомпрессии в, по меньшей мере, одну криогенную дистилляционную колонну и средство для увеличения давления.

В течение, по меньшей мере, 90% или 95% длительности цикла, по меньшей мере, часть отрегулированного газа декомпрессии может иметь мольную скорость течения от 50% до 400% или от 66% до 200% от средней по времени мольной скорости течения, по меньшей мере, части отрегулированного газа декомпрессии. Конечное давление декомпрессии может быть от 0 psig до 20 psig.

Аргонсодержащий флюид может содержать более чем 50 об.% аргона. Первый обогащенный аргоном газ может содержать более 90 об.% аргона. Первый обогащенный аргоном газ может содержать меньше чем 0,001 об.% кислорода.

Способ согласно изобретению может содержать одну или больше из следующих характеристик, взятых в отдельности или в любых технически возможных сочетаниях.

Средство для уменьшения пульсаций потока в настоящем изобретении может содержать средство для размещения газа и расположенный за ним ограничитель потока. Средство для размещения газа может иметь объем, который составляет от 0,5 до 20 от объема первого сосуда адсорбции с переменным давлением.

Сжатый аргонсодержащий флюид может содержать кислород, и данный способ может дополнительно содержать кинетическую адсорбцию кислорода в первом сосуде адсорбции с переменным давлением, используя углеродное молекулярное сито.

Способ изобретения может дополнительно содержать отбор первого уравнивающего газа из средней части первого сосуда адсорбции с переменным давлением, введение, по меньшей мере, части первого уравнивающего газа в первую концевую часть второго сосуда адсорбции с переменным давлением, отбор второго уравнивающего газа из второй концевой части первого сосуда адсорбции с переменным давлением и введение, по меньшей мере, части второго уравнивающего газа во вторую концевую часть второго сосуда адсорбции с переменным давлением.

Способ изобретения может дополнительно содержать введение второго богатого аргоном газа из, по меньшей мере, одного из второго сосуда адсорбции с переменным давлением и третьего сосуда адсорбции с переменным давлением во вторую концевую часть первого сосуда адсорбции с переменным давлением во время, по меньшей мере, части этапа отбора газа декомпрессии.

Способ изобретения может дополнительно содержать фильтрование, по меньшей мере, части газа декомпрессии. Способ изобретения может дополнительно содержать фильтрование, по меньшей мере, части отрегулированного газа декомпрессии.

Способ изобретения может дополнительно содержать введение, по меньшей мере, части первого обогащенного аргоном газа в другую криогенную дистилляционную колонну. Способ изобретения может дополнительно содержать введение, по меньшей мере, части первого обогащенного аргоном газа в очистительный сосуд, содержащий газопоглотитель.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение представляет собой устройство для получения аргонового продукта, содержащее дистилляционную колонну, имеющую вход и выход, выход для отбора аргонсодержащего флюида, средство для увеличения давления аргонсодержащего флюида, имеющее вход и выход, причем вход находится в сообщении по текучей среде с выходом дистилляционной колонны, первый сосуд адсорбции с переменным давлением, имеющий первую концевую часть, среднюю часть и вторую концевую часть, причем первая концевая часть находится в селективном сообщении по текучей среде с выходом средства для увеличения давления и второй сосуд адсорбции с переменным давлением, имеющий первую концевую часть, среднюю часть и вторую концевую часть, причем первая концевая часть второго сосуда адсорбции с переменным давлением находится в селективном сообщении по текучей среде с выходом средства для увеличения давления. Устройство настоящего изобретения дополнительно содержит средство для уменьшения пульсаций потока, имеющее вход и выход, причем вход данного средства для уменьшения пульсаций потока находится в селективном сообщении по текучей среде с первой концевой частью первого сосуда адсорбции с переменным давлением и в селективном сообщении по текучей среде с первой концевой частью второго сосуда адсорбции с переменным давлением, а выход средства для уменьшения пульсаций потока находится в сообщении по текучей среде с, по меньшей мере, одним из входа дистилляционной колонны и входа средства для увеличения давления.

Средство для уменьшения пульсаций потока может включать средства для размещения газа и расположенный за ним ограничитель потока. Нижерасположенный ограничитель потока может включать, по меньшей мере, один проточный регулирующий клапан. Средство для размещения газа может иметь объем в от 0,5 до 20 раз больший, чем объем первого сосуда адсорбции с переменным давлением.

Устройство согласно изобретению может содержать одну или больше из следующих характеристик, взятых по отдельности или в любых технически возможных сочетаниях.

Первый сосуд адсорбции с переменным давлением и второй сосуд адсорбции с переменным давлением могут содержать углеродное молекулярное сито.

Средняя часть первого сосуда адсорбции с переменным давлением может находиться в селективном сообщении по текучей среде с первой концевой частью второго сосуда адсорбции с переменным давлением, и вторая концевая часть первого сосуда адсорбции с переменным давлением может находиться в селективном сообщении по текучей среде со второй концевой частью второго сосуда адсорбции с переменным давлением.

Устройство согласно настоящему изобретению может содержать пылепоглощающий фильтр, имеющий вход и выход, причем вход пылепоглощающего фильтра находится в сообщении по текучей среде с выходом средства для уменьшения пульсаций потока, а выход - в сообщении по текучей среде с входом дистилляционной колонны.

Устройство согласно настоящему изобретению может содержать другую дистилляционную колонну, имеющую вход и выход, причем вход другой дистилляционной колонны находится в селективном сообщении по текучей среде со вторым концом первого сосуда адсорбции с переменным давлением и в селективном сообщении по текучей среде со вторым концом второго сосуда адсорбции с переменным давлением.

Устройство согласно настоящему изобретению может содержать очистительный сосуд, содержащий газопоглотитель. Очистительный сосуд может находиться в селективном сообщении по текучей среде с выходом сосуда адсорбции с переменным давлением. Выход очистительного сосуда может находиться в сообщении по текучей среде с входом другой дистилляционной колонны.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Чертеж показывает схему устройства согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Получение аргона из установки криогенного разделения воздуха известно. Обычно установка криогенного разделения воздуха имеет дистилляционные колонны высокого и низкого давления и колонну сырого аргона, как описано в патенте США № 5313800 от Howard et al. В некоторых случаях колонна сырого аргона может внедряться в колонну низкого давления в конфигурации отделенной стены, как описывается в патенте США № 6240744.

Используемый здесь термин "колонна" означает колонну дистилляции или фракционирования, или зону, т.е. контактирующую колонну или зону, где жидкая и паровая фазы контактируют в противотоке, вызывая разделение текучей смеси, например, путем контактирования паровой и жидкой фаз на последовательности вертикально расположенных лотков или тарелок, установленных внутри колонны, и/или на упакованных элементах, таких как структурированная или случайная упаковка. Для дополнительного обсуждения дистилляционных колонн см. Chemical Engineer's Handbook, fifth edition, edited by R.H. Perry and C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13, The Continuous Distillation Process. Термин двойная колонна используется здесь, чтобы обозначать колонну более высокого давления, имеющую свою верхнюю часть в состоянии теплового обмена с нижней частью колонны более низкого давления.

Варианты осуществления данного изобретения показаны со ссылкой на чертеж, который иллюстрирует устройство 1 для осуществления этапов способа данного изобретения. Оборудование, относящееся к криогенной дистилляции, может быть изготовлено с помощью средств, известных в данной области техники. Оборудование, относящееся к адсорбции с переменным давлением, может быть изготовлено с помощью средств, известных в данной области техники. Рабочие условия, известные в данной области техники, кроме специально оговоренных случаев, могут использоваться для осуществления данного изобретения.

Поток 180 аргонового сырья из колонны низкого давления (не показана) вводится в колонну 150 сырого аргона. Колонна сырого аргона может иметь множественные упакованные или тарельчатые секции 152 и 154. Жидкость 181 может удаляться со дна колонны 150 сырого аргона и вводиться обратно в колонну низкого давления. Газовый поток 156, который может содержать больше чем 50 об.% аргона, отбирается возле вершины колонны и, по меньшей мере, частично конденсируется в конденсаторе 170. Конденсатор 170 может быть интегрирован внутри колонны 150 сырого аргона или может быть отдельным сосудом. Часть, по меньшей мере, частично конденсированного потока 172 может вводиться обратно в колонну 150 сырого аргона в виде потока 174, тогда как другая часть 176 может проходить через возможный теплообменник 60 и поступать в средство для увеличения давления 50, образуя сжатый аргонсодержащий флюид. Средство для увеличения давления может быть компрессором, вентилятором или другим устройством, известным в данной области техники, или испарителем, который увеличивает давление посредством расширения жидкости в газ. Сжатый аргонсодержащий флюид может проходить в возможный буферный сосуд 40.

Сжатый аргонсодержащий флюид поступает в систему адсорбции с переменным давлением (АПД). Сжатый аргонсодержащий флюид может иметь температуру от 20°С до 50°С и иметь давление от 30 psig до 130 psig. Система адсорбции с переменным давлением содержит, по меньшей мере, два сосуда с переменным давлением 10 и 20, каждый из которых содержит один или больше слоев адсорбентов. Один из слоев может содержать углеродное молекулярное сито (УМС). Углеродные молекулярные ситовые адсорбенты функционируют на основе кинетической селективности для кислорода относительно аргона. Кислород диффундирует в данный адсорбент быстрее, чем аргон, позволяя аргону очищаться. Адсорбенты, основанные на кинетической селективности, отличаются от адсорбентов, которые функционируют на равновесной (или термодинамической) селективности. Адсорбенты, которые функционируют на равновесной селективности, имеют более высокое сродство к одному компоненту относительно других компонентов в газовой смеси в равновесии. В добавление к УМС адсорбенту сосуд адсорбции с переменным давлением может содержать цеолит, в виде отдельного слоя или смешанный с УМС, который имеет термодинамическую селективность по азоту относительно аргона. Система адсорбции с переменным давлением может функционировать посредством различных циклических этапов, известных в данной области техники, особенно этапов, используемых в азотных АПД системах.

В одной фазе цикла АПД сжатый аргонсодержащий флюид вводится в первую концевую часть сосуда 10 адсорбции с переменным давлением через отрытый клапан 12. В то время как вводится этот сжатый аргонсодержащий флюид, богатый аргоном газ, который может содержать больше чем 90 об.% аргона и менее чем 0,001 объемных % кислорода, отбирается из второй концевой части сосуда 10 адсорбции с переменным давлением. Обогащенный аргоном газ может проходить через клапан 15 продукта и клапан 38. По меньшей мере, часть богатого аргоном газа может проходить через возможный буферный сосуд 52, возможный очиститель 54, возможный теплообменник 60, возможную дистилляционную колонну 120 и затем в сосуд 100 сбора аргонового продукта.

Возможный очистительный сосуд 54 может быть любым очистителем, известным в данной области техники, для удаления следовых примесей, например очистителем на основе газопоглотителя и/или деоксо-элементом. Возможные материалы газопоглотителя включают переходные металлы, например медь, никель, кобальт, железо и марганец. Патент США № 4983194 от Hopkins et al. описывает систему газопоглотителя в объединении с очисткой сырого аргона. Деоксо-элементы удаляют кислород путем реакции водорода с примесями кислорода над катализатором из благородного металла, такого как платина, палладий, и/или катализатором из переходного металла, такого как никель, образуя воду, которая удаляется в осушителе. Патент США № 6123909 описывает деоксо-элемент в объединении с очисткой аргона.

В, по меньшей мере, одном варианте осуществления данного изобретения возможная дистилляционная колонна 120 удаляет дополнительный азот перед введением потока в сосуд 100 сбора аргонового продукта. Жидкий азот из другой части способа криогенной дистилляции может вводиться через трубопровод 164 в секцию конденсатора дистилляционной колонны 120. Данный конденсатор может быть интегрирован внутри дистилляционной колонны 120 или может быть отдельным сосудом. Поток, содержащий увеличенные количества азота, может выбрасываться из верхней части колонны 120 через трубопровод 124, а поток очищенного аргона выходит через трубопровод 128. Аргоновый продукт может отбираться из сосуда 100 сбора аргонового продукта по мере необходимости через трубопровод 102. Пар из сосуда 100 сбора аргонового продукта может проходить в возможную дистилляционную колонну 120 через трубопровод 104.

Как часть другой фазы цикла АПД, ввод сжатого аргонсодержащего флюида в сосуд 10 адсорбции с переменным давлением заканчивается путем закрытия клапана 12.

Как часть другой фазы цикла АПД, газ декомпрессии отбирается из сосуда 10 адсорбции с переменным давлением через клапан 11 и/или возможный клапан 14, уменьшая давление в сосуде 10 адсорбции с переменным давлением до конечного давления декомпрессии. Конечное давление декомпрессии в сосуде 10 адсорбции с переменным давлением может быть от 0 psig до 20 psig.

Во время, по меньшей мере, части этапа отбора газа декомпрессии обогащенный аргоном газ может вводиться через дозирующий клапан 17 во вторую концевую часть сосуда 10 адсорбции с переменным давлением. Обогащенный аргоном газ может подаваться из сосуда 20 адсорбции с переменным давлением, возможного буферного сосуда 52 или другого сосуда адсорбции с переменным давлением в случае более чем двух сосудов адсорбции.

В, по меньшей мере, одном варианте осуществления данного изобретения, по меньшей мере, часть газа декомпрессии проходит в средство уменьшения пульсации потока, схематически показанное в виде клапана 32 регулирования потока. Средство для уменьшения пульсаций потока может содержать, по меньшей мере, одно средство из клапана регулирования потока, средства для размещения газа в комбинации с расположенным за ним ограничителем потока, и клапана регулирования давления, где давление ниже по потоку регулируется.

Клапан регулирования потока определяется здесь как устройство, которое создает изменяемое сопротивление потоку. Сопротивление этого устройства изменяется, чтобы достигать желаемого диапазона скоростей потока.

Ограничитель потока, расположенный за средством размещения газа, может представлять собой любой тип клапана, диафрагмы или подобного.

Клапан регулирования давления, расположенный ниже по потоку, определяется здесь как устройство, которое может создавать изменяемое сопротивление потоку. Сопротивление этого устройства изменяется, чтобы достигать желаемого диапазона давлений ниже по потоку от клапана регулирования давления.

В одном варианте осуществления данного изобретения, по меньшей мере, часть газа декомпрессии проходит в клапан 32 регулирования потока, регулируя поток газа декомпрессии, и, по меньшей мере, часть отрегулированного газа декомпрессии вводится в месте выше по течению от средства для увеличения давления 50.

В другом варианте осуществления данного изобретения, по меньшей мере, часть газа декомпрессии проходит в возможное средство 30 для размещения газа и затем в клапан 32 регулирования потока, регулируя поток газа декомпрессии. По меньшей мере, часть отрегулированного газа декомпрессии вводится в место выше по потоку от средства для увеличения давления 50. Возможное средство 30 для размещения газа может быть буферным сосудом и/или объемом трубопровода. Возможное средство 30 для размещения газа может иметь объем в от 0,5 до 20 раз больше или от 2 до 10 раз больше, чем объем сосуда 10 адсорбции с переменным давлением.

В другом варианте осуществления данного изобретения, по меньшей мере, часть газа декомпрессии, возможно, проходит через фильтр (не показан) перед вводом в средство для увеличения давления 50.

В другом варианте осуществления данного изобретения, по меньшей мере, часть газа декомпрессии, возможно, проходит в средство 30 для размещения газа и затем в клапан 34 регулирования потока, регулируя поток газа декомпрессии. Отрегулированный газ декомпрессии может проходить в возможный фильтр 42 и теплообменник 60, и затем вводиться в колонну 150 сырого аргона. Возможный фильтр 42 удаляет любые частицы, которые могут быть в потоке из сосудов адсорбции 10 и 20. Отрегулированный газ декомпрессии может вводиться в одно или больше положений колонны 150 сырого аргона, как показано на чертеже.

В другом варианте осуществления данного изобретения во время одной части цикла данного способа, по меньшей мере, часть газа декомпрессии проходит в средство 30 для размещения газа и, по меньшей мере, часть газа декомпрессии обходит средство 30 для размещения газа через клапан 31. Во время данной части цикла клапан 35 закрыт и клапаны 32 и/или 34 могут использоваться для регулирования скорости потока газа декомпрессии. Во время следующей части цикла данного способа клапан 33 закрывают, чтобы предотвратить попадание дополнительного газа в средство 30 для размещения газа. Клапаны 32 и/или 34 продолжают регулировать поток до более поздней части цикла, когда клапан 35 регулирования потока открывается, позволяя газу выходить из средства 30 для размещения газа. Данный вариант осуществления может обеспечивать пониженное давление слоя в АПД.

Согласно одному варианту осуществления данного изобретения для облегчения стабильности процесса дистилляции отрегулированный газ декомпрессии, т.е. отрегулированный с помощью одного или больше из клапанов регулирования потока 32 и 34, имеет мольную скорость потока от 50% до 400% от средней по времени мольной скорости потока отрегулированного газа декомпрессии в течение, по меньшей мере, 90% времени цикла АПД цикла. Здесь мольная скорость потока определяется как мольная скорость потока сразу ниже от средства для уменьшения пульсаций потока. Давление сосудов адсорбции с переменным давлением подвергается воздействию повторяющихся операций способа, таких как сжатие и декомпрессия, циклическим образом. Период времени, требуемый для завершения одного такого цикла, называется временем цикла. В другом варианте осуществления данного изобретения в течение, по меньшей мере, 95% времени цикла отрегулированный газ декомпрессии имеет мольную скорость потока от 66% до 200% от средней по времени мольной скорости потока отрегулированного газа декомпрессии. В другом варианте осуществления данного изобретения в течение, по меньшей мере, 95% времени цикла отрегулированный газ декомпрессии имеет мольную скорость потока от 80% до 120% от средней по времени мольной скорости потока отрегулированного газа декомпрессии.

В одном варианте осуществления данного изобретения данный способ содержит этап выравнивания. Газ выравнивания может отбираться из средней части сосуда 10 адсорбции с переменным давлением, проходить через клапан 14 и обратный клапан 23, и вводиться в первую концевую часть сосуда 20 адсорбции с переменным давлением. Газ выравнивания также может отбираться из второй концевой части сосуда 10 адсорбции с переменным давлением, проходить через клапаны 16 и 26 и вводиться во вторую концевую часть сосуда 20 адсорбции с переменным давлением.

Как типично для систем адсорбции, по меньшей мере, один сосуд находится в фазе получения, тогда как, по меньшей мере, один другой сосуд находится в фазе регенерации, обеспечивая непрерывной получение конечного газа.

Поэтому в другой фазе цикла АПД сжатый аргонсодержащий флюид вводится в первую концевую часть сосуда 20 адсорбции с переменным давлением через открытый клапан 22. В то время пока вводится этот сжатый аргонсодержащий флюид, обогащенный аргоном газ отбирается из второй концевой части сосуда 20 адсорбции с переменным давлением. Обогащенный аргоном газ может проходить через клапан продукта 25 и клапан 38. По меньшей мере, часть обогащенного аргоном газа может проходить через возможный буферный сосуд 52, возможный очистительный сосуд 54, возможный теплообменник 60, возможную дистилляционную колонну 120 и затем в сосуд 100 сбора аргонового продукта. Аргоновый продукт может отбираться по мере необходимости через трубопровод 102.

Как часть другой фазы цикла АПД, введение сжатого аргонсодержащего флюида в сосуд 20 адсорбции с переменным давлением заканчивается путем закрытия клапана 22.

Как часть другой фазы цикла АПД, газ декомпрессии отбирается из сосуда 20 адсорбции с переменным давлением через клапан 21 и/или возможный клапан 24, уменьшая давление в сосуде 20 адсорбции с переменным давлением до конечного давления декомпрессии. Конечное давление декомпрессии в сосуде 20 адсорбции с переменным давлением может быть от 0 psig до 20 psig.

Во время, по меньшей мере, части этапа отбора газа декомпрессии богатый аргоном газ может вводиться через дозирующий клапан 17 во вторую концевую часть сосуда 20 адсорбции с переменным давлением. Обогащенный аргоном газ может подаваться из сосуда 10 адсорбции с переменным давлением, возможного буферного сосуда 52 или другого сосуда адсорбции с переменным давлением в случае более чем двух сосудов адсорбции.

Газ декомпрессии, выходящий из сосуда 20 адсорбции с переменным давлением, может течь через средство для уменьшения пульсаций потока и возможный фильтр 42 таким же образом, как газ декомпрессии, который выходит из сосуда 10 адсорбции.

В одном варианте осуществления данного изобретения, который содержит этап выравнивания, газ выравнивания может отбираться из средней части сосуда 20 адсорбции с переменным давлением, проходить через клапан 24 и обратный клапан 13 и вводиться в первую концевую часть сосуда 10 адсорбции с переменным давлением. Газ выравнивания может также отбираться из второй концевой части сосуда 20 адсорбции с переменным давлением, проходить через клапан 16 и клапан 26 и вводиться во вторую концевую часть сосуда 10 адсорбции с переменным давлением.

ПРИМЕР

Как обсуждалось выше, существует пороговая скорость течения потока сырья из колонны низкого давления, когда выше данной пороговой скорости течения нежелательные количества азота проходят в аргоновую колонну. На практике система может функционировать близко к данной пороговой скорости течения, пока потоки через систему являются постоянными. Чтобы изучить данный эффект, систему криогенной дистилляционной колонны моделировали с помощью компьютерной программы динамического моделирования. Система содержала колонну низкого давления и добавленную колонну сырого аргона.

В случае 1, представляющем работу с использованием средства для уменьшения пульсаций потока с идеальным регулированием потока, возвращаемый поток в колонну сырого аргона (поток 190 на чертеже) поддерживали при постоянной скорости R. В случае 2, представляющем работу с использованием средства для уменьшения пульсаций потока с умеренным регулированием потока, возвращаемый поток в колонну сырого аргона поддерживали при 66% от R в течение большей части периода и при 200% от R только кратковременно, но все еще сохраняя среднюю по времени скорость R. В случае 3, представляющем работу при естественном поведении нерегулируемого возвращаемого потока без средства усреднения течения, возвращаемый поток в колонну сырого аргона поддерживали при 70% от R в течение большей части периода, кратковременно при 200% от R и кратковременно при нулевом потоке, но все еще сохраняя среднюю по времени скорость R.

В случае 1 система может работать при или близко к пороговой скорости потока, обеспечивая теоретически максимальное извлечение аргона. Для этого случая исходная концентрация азота в потоке 180 была 1,5 млн д. Из-за отсутствия возмущения, вычисление динамического моделирования показывает, что концентрация азота в потоке 180 была 1,5 млн д. В случае 2 для исходной концентрации азота 1,5 млн д. вычисление динамического моделирования показывает, что концентрация азота в потоке 180 вырастает до более 300 млн д. азота. Чтобы исправить ситуацию, исходную концентрацию азота необходимо уменьшать до 0,15 млн д. Чтобы достичь этого для случая 2, уменьшали скорость потока в колонну сырого аргона.

Аналогично, для случая 3 вычисление динамического моделирования показывает, что исходная концентрация азота должна быть снижена до 0,005 млн д., чтобы предотвратить возрастание концентрации азота до неприемлемых уровней. Чтобы достичь этого для случая 3, снова уменьшали скорость потока в колонну сырого аргона.

Суммируя, динамическое моделирование демонстрирует, что концентрация азота в потоке 180 должна быть снижена на от 1 до 2 порядков величины в зависимости от степени изменяемости потока.

Стационарные моделирования, основанные на ограничении снижения концентрации аргона на 1 порядок величины для случая 2 и 2 порядка величины для случая 3, демонстрируют влияние на потребление энергии всего оборудования. Эти моделирования показывают, что система должна перерабатывать приблизительно от 0,4% до 1,5% больше воздушного сырья для случая 2 относительно случая 1. Изменяемость штрафа потока воздушного сырья связана с расчетом исходной стадии в секции дистилляции в колонне низкого давления выше точки, где отбирается сырье колонны сырого аргона. Система расходует больше энергии, чтобы перерабатывать больше воздушного сырья. Вычисленные энергетические потери для случая 2 относительно случая 1 составляют от 0,3% до 1,5%.

Аналогично, в случае 3 система должна перерабатывать приблизительно от 1,0% до 5,9% больше воздушного сырья, чтобы компенсировать получение потерянного аргона для случая 3 относительно случая 1. Вычисленные энергетические потери для случая 3 относительно случая 1 составляют от 1% до 5,9%.

Результаты двух наборов моделирований показывают, что регулирование потока газа декомпрессии с помощью средства уменьшения пульсаций потока улучшает эффективность данного способа относительно способов без средства для уменьшения пульсаций потока. Так как средство для уменьшения пульсаций потока обеспечивает меньшую изменяемость потока, эффективность способа может улучшаться.

Настоящее изобретение изложено относительно нескольких предпочтительных вариантов осуществления. Однако область настоящего изобретения устанавливается из последующей формулы изобретения.