專利名稱：從空氣生產(chǎn)氪/氙混合物的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從空氣生產(chǎn)氪/氙混合物的方法和裝置。
背景技術(shù)：
氪和氙的主要來源是大氣，其中它們以痕量存在，即分別是1.135ppm和0.086ppm(ppm百萬分之一份)。
通常使用的提純方法包括從低溫空氣分離裝置提取富集的混合物，通常在液氧再沸器中進(jìn)行，然后通過低溫蒸餾濃縮該混合物。因此獲得了約99％的氪和氙總含量。該混合物然后分離成氪和氙，通常在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。
該方法的主要問題在于安全性。這是因?yàn)?，由于氪和氙的沸點(diǎn)，作為重金屬稀有氣體的氪和氙基本上是在液氧中存在，同時(shí)烴類以痕量存在于空氣中。所以，在一步中富集存在導(dǎo)致爆炸性烴/氧比例的危險(xiǎn)。
所以必須通過蒸餾進(jìn)行第一部分富集，然后去除烴，這是以化學(xué)方式在非深冷溫度下完成的，然后進(jìn)行新的低溫蒸餾。另外，由于化學(xué)反應(yīng)生成可能在混合物蒸餾溫度下固化的化合物(特別是CO2或H2O)，所以必要的是在反應(yīng)器下游插入吸收(或等價(jià))步驟以去除烴類。
還應(yīng)該注意的是，氪/氙提純設(shè)備的尺寸是顯著的，因?yàn)檫@些組分在液氧中的低含量(幾ppm至幾十ppm)。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種從空氣生產(chǎn)氪/氙混合物的方法，該方法是安全的并需要較小尺寸的設(shè)備。
為此，本發(fā)明的主題是提供一種從空氣生產(chǎn)氪/氙混合物的方法，其特征在于
(a)空氣在至少一個(gè)空氣蒸餾設(shè)備中蒸餾，以便從空氣生產(chǎn)含有大多數(shù)氪和氙的液氧料流，和該液氧料流被汽化；(b)用步驟(a)中獲得的至少一部分氣態(tài)氧進(jìn)行至少一種烴的部分氧化，以便生產(chǎn)含有小于0.1ppm摩爾氧的合成氣；和(c)從合成氣中除去除氪和氙之外的組分。
本發(fā)明的方法可以包括一個(gè)或多個(gè)以下特征-通過使氧氣與過量的烴和任選地與蒸汽反應(yīng)來進(jìn)行部分氧化；-通過使氧氣與天然氣、甲烷、石腦油或煤反應(yīng)來進(jìn)行部分氧化；-步驟(c)包括干燥/脫碳步驟，然后進(jìn)行低溫分離；-低溫分離操作包括一系列步驟，生產(chǎn)富集氪/氙的料流、氫氣料流、一氧化碳料流和廢料流，所述富集氪/氙的料流另外含有基本上甲烷和一氧化碳；-所述系列步驟包括將液態(tài)一氧化碳送入第一塔的頂部的步驟，塔底液體從該塔膨脹，從第二塔去除氫氣，在該塔的頂部加入所述膨脹的塔底液體，塔底液體從該第二塔膨脹，并將膨脹的液體注射入低壓塔中，在低壓塔的頂部加入液態(tài)一氧化碳，并生產(chǎn)作為塔頂產(chǎn)品的一氧化碳和作為塔底產(chǎn)品的所述富集氪/氙的料流；和-此外，低溫分離包括任選地在立即加熱富集氪/氙的料流之后，將氪和氙與該料流中除氪/氙之外的其它組分進(jìn)行低溫分離。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種從空氣生產(chǎn)氪/氙混合物的裝置，其特征在于該裝置包括-空氣蒸餾設(shè)備，該裝置從空氣生產(chǎn)含有大多數(shù)氪和氙的液氧料流，該裝置與用于汽化該液氧料流的再沸器組合使用；-部分氧化反應(yīng)器，在該反應(yīng)器中一方面加入汽化的氧氣流，另一方面加入含有至少一種烴的氣體，該反應(yīng)器生產(chǎn)出含有至多0.1ppm摩爾氧的合成氣；和-用于從合成氣中除去除氪和氙之外的組分的裝置(3-7)。
根據(jù)其它任選的方面
-所述去除裝置包括干燥/脫碳裝置，然后是低溫分離裝置；-低溫分離裝置包括適于生產(chǎn)富集氪/氙的料流、氫氣料流、一氧化碳料流和廢料流的塔的組合，所述富集氪/氙的料流另外含有基本上甲烷和一氧化碳；-低溫分離裝置包括第一塔，用于將液態(tài)二氧化碳送入第一塔頂部的裝置，用于使來自該第一塔的塔底液體膨脹的裝置，用于去除氫氣的第二塔，在所述第二塔的頂部加入所述膨脹的塔底液體，用于使來自所述第二塔的塔底液體膨脹的裝置，和低壓塔，在該低壓塔的中間水平處加入來自第二塔的膨脹塔底液體，和在該低壓塔的頂部加入液體一氧化碳，該低壓塔生產(chǎn)出作為塔頂產(chǎn)品的一氧化碳和作為塔底產(chǎn)品的所述富集氪/氙的料流；和-低溫分離裝置還包括用于將氪和氙與該料流中除氪/氙之外的其它組分分離的塔。
附圖簡述將通過以下附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施方案

圖1是根據(jù)本發(fā)明裝置的全視圖；圖2顯示了該裝置的一部分；和圖3是一個(gè)變型實(shí)施方案的部分示意圖。
本發(fā)明的具體實(shí)施方案圖1所示的裝置包括包含雙塔空氣蒸餾裝置的低溫試驗(yàn)箱1，部分氧化反應(yīng)器2，冷凝器3，胺洗滌脫碳裝置4，吸收型干燥-脫碳裝置5，用于生產(chǎn)一氧化碳CO、氫氣、第一廢料流W1和富集氪/氙的混合物的低溫試驗(yàn)箱6，和用于分離氪/氙混合物和第二廢料流W2的低溫試驗(yàn)箱7。
在操作中，大氣空氣預(yù)先經(jīng)壓縮提純出水和二氧化碳，該空氣在低溫試驗(yàn)箱1中冷卻，并在該試驗(yàn)箱中所含的雙蒸餾塔8中蒸餾，該蒸餾塔具有常規(guī)的結(jié)構(gòu)，即中壓塔和低壓塔經(jīng)由再沸器-冷凝器連接。從低壓塔底取出的液氧LOX被低溫泵9泵壓到高壓，通常是20巴，并在該高壓下汽化，以便形成氣態(tài)氧料流GOX，它含有基本上全部的在進(jìn)入空氣中所含的氪和氙。液氧通常在空氣分離裝置(ASU)的主換熱器或在指定換熱器中通過與加壓空氣流或氮?dú)饬髦g的熱交換而被汽化。
該氧氣經(jīng)由管線10進(jìn)入反應(yīng)器2中，該反應(yīng)器也經(jīng)由管線11接收過量的天然氣(通常為98％CH4/2％N2)。任選地，如果部分氧化是ATR型的(自熱重整型)，則蒸汽參與該反應(yīng)。
氧氣可以來自數(shù)個(gè)ASU。
因此，經(jīng)由管線12生產(chǎn)含有小于0.1ppm摩爾氧的合成氣。該合成氣在3中冷卻之后，在4中汽提出其中的二氧化碳CO2，并在5中汽提出其中的水和痕量二氧化碳CO2。
因此，含有氪/氙和基本上痕量氮和氬并含有氫氣、CO、未反應(yīng)的甲烷的混合物經(jīng)由管線13進(jìn)入低溫試驗(yàn)箱6。
低溫試驗(yàn)箱6的出料是經(jīng)由管線14的CO、經(jīng)由管線15的氫氣、經(jīng)由管線16的基本由CO和氫氣組成的廢料流W1以及經(jīng)由管線17的富集氪/氙的混合物。
低溫試驗(yàn)箱7中(經(jīng)由管線17加料)基本包含蒸餾塔，該蒸餾塔在其頂部經(jīng)由管線18生產(chǎn)作為塔頂產(chǎn)品的氪/氙混合物，和經(jīng)由管線19生產(chǎn)作為塔低產(chǎn)品的廢料流W2，廢料流W2基本由甲烷、CO、氮?dú)夂蜌鍤饨M成。
如圖2所示，低溫試驗(yàn)箱6基本上包括-逆流型的主換熱器20；-用于洗滌CO的高壓塔21，在該塔之上配有相分離器22；-中壓閃蒸塔23，配有塔底再沸器24；-低壓塔25，配有塔底再沸器26；-中壓閃蒸塔27，配有塔底再沸器28；-輔助換熱器29；-高壓相分離器30；和-膨脹汽輪機(jī)31。
在操作中，經(jīng)由管線13輸送并在換熱器20的加熱部分被冷卻的合成氣被引入塔21的底部。輕質(zhì)組分基本上是作為塔頂產(chǎn)物生產(chǎn)的氫氣和一氧化碳，該輕質(zhì)組分在換熱器20的冷卻部分被冷卻和部分冷凝，然后加入相分離器22。來自該分離器的基本上由CO組成的塔底液體以回流方式送到塔21的頂部，而汽相從換熱器29的熱端到冷端被再次冷卻和部分冷凝，該汽相引入相分離器30。后者生產(chǎn)了作為塔頂產(chǎn)物的高壓氫氣和作為塔底產(chǎn)物的高壓CO。
在換熱器29中受熱的高壓氫氣在汽輪機(jī)31中被膨脹到接近大氣壓，然后通過換熱器29和進(jìn)而換熱器20，被加熱，從而保持低溫試驗(yàn)箱6的冷卻。該料流然后經(jīng)由管線15回收。
在分離器30中收集的并含有痕量氫氣的液體CO在膨脹閥32中被膨脹到中等壓力，并引入塔27的頂部。該塔產(chǎn)生作為塔頂產(chǎn)物的H2/CO混合物和作為塔底產(chǎn)物的液體CO。
來自塔21的并基本由甲烷和CO組成且含有氪/氙和痕量氫氣的底部液體在膨脹閥35中被膨脹到中等壓力，并引入塔23的頂部。從該塔頂部取出H2/CO混合物。
來自塔23和27的H2/CO料流在各膨脹閥33和34中被膨脹到接近大氣壓之后，進(jìn)入同一管線，形成廢料氣體W1，它在20中被加熱，并經(jīng)由管線16排出。
來自塔23的塔底液體再次在膨脹閥36中被膨脹到低壓，然后引入塔25的中部。從塔27底部取出的液體CO在膨脹閥37中被膨脹到低壓，并引入塔25的頂部。因此，該塔一方面分離了來自塔頂并然后在20加熱和經(jīng)由管線14回收的CO，另一方面分離了含有氪/氙和痕量氮和氬的甲烷/CO混合物。
該混合物任選在膨脹閥38中被膨脹到接近大氣壓之后在20中加熱，然后經(jīng)由管線17回收，然后在低溫試驗(yàn)箱7中處理，如上所述。
應(yīng)該理解的是，可以預(yù)見許多替換的實(shí)施方案。例如，底部再沸器24、26和28可以被任何在裝置中可獲得的處于適宜壓力的適宜料流加熱，例如被合成氣加熱。相似地，一氧化碳循環(huán)可以用于保持塔23、25和27的冷卻狀態(tài)和/或用于其中的再沸騰，如本身已知的那樣。
此外，低溫試驗(yàn)箱1、6和7可以在其安裝方式和/或保持冷卻方式方面組合至或多或少的程度。例如，如果低溫試驗(yàn)箱6和7組合，則來自塔25的底部液體可以直接送到用于分離出氪/氙的最終的塔，不需要中間加熱。
因此，氧氣根據(jù)上述方法生產(chǎn)，它經(jīng)過壓縮，從而從空氣進(jìn)行氪/氙的第一次濃縮。接著，生產(chǎn)了不含氧氣并具有低甲烷含量且含有全部氪/氙的合成氣，這進(jìn)而允許使用小型的氪/氙富集裝置。因?yàn)樵诤铣蓺庵袥]有氧氣，所以在該裝置中沒有爆炸的危險(xiǎn)。
處于中等壓力的兩個(gè)閃蒸塔23和27用于除去溶解在要進(jìn)入塔25的一氧化碳中的氫氣。
應(yīng)該注意的是，氪/氙的回收可以容易地在現(xiàn)有的氫氣/一氧化碳生產(chǎn)裝置中實(shí)施。該裝置可以基于從CO分離氫氣的工藝，它不同于圖2所示的工藝，例如基于“甲烷洗滌”工藝。但是，圖2的工藝特別適合于回收氪/氙。
圖3顯示了低溫試驗(yàn)箱1的另一實(shí)施方案，其中送入反應(yīng)器2的氧氣一部分是由來自雙塔8的低壓塔底部取出的氣態(tài)氧形成的，和一部分是由來自相同塔底部取出液態(tài)氧形成的，在低溫試驗(yàn)箱1的換熱器39中汽化并與氣態(tài)氧料流合并。
權(quán)利要求
1.一種從空氣生產(chǎn)氪/氙混合物的方法，其特征在于(a)空氣在至少一個(gè)空氣蒸餾設(shè)備(8)中蒸餾，以便從空氣生產(chǎn)含有大多數(shù)氪和氙的液氧料流，和該液氧料流被汽化；(b)用步驟(a)中獲得的至少一部分氣態(tài)氧進(jìn)行至少一種烴的部分氧化，以便生產(chǎn)含有至多0.1ppm摩爾氧的合成氣；和(c)從合成氣中除去除氪和氙之外的組分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于通過使氧氣與過量的烴和任選地與蒸汽反應(yīng)來進(jìn)行部分氧化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于通過使氧氣與天然氣、甲烷、石腦油或煤反應(yīng)來進(jìn)行部分氧化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于步驟(c)包括干燥/脫碳步驟，然后進(jìn)行低溫分離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于低溫分離操作包括一系列生產(chǎn)富集氪/氙的料流、氫氣料流、一氧化碳料流和廢料流的步驟，所述富集氪/氙的料流另外含有基本上甲烷和一氧化碳。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于所述系列步驟包括將液態(tài)一氧化碳送入第一塔(21)頂部的步驟，塔底液體從該塔膨脹(35)，從第二塔(23)去除氫氣，在該塔的頂部加入所述膨脹的塔底液體，來自第二塔(23)的塔底液體進(jìn)行膨脹(36)，并將膨脹的液體注射入低壓塔(25)中，在低壓塔的頂部加入一氧化碳，并生產(chǎn)作為塔頂產(chǎn)品的一氧化碳和作為塔底產(chǎn)品的所述富集氪/氙的料流。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于低溫分離還包括任選地在立即加熱富集氪/氙的料流之后，將氪和氙與該料流中除氪/氙之外的其它組分進(jìn)行低溫分離。
8.一種從空氣生產(chǎn)氪/氙混合物的裝置，其特征在于該裝置包括-空氣蒸餾設(shè)備(8)，該裝置從空氣生產(chǎn)含有大多數(shù)氪和氙的液氧料流，該裝置與用于汽化該液氧料流的再沸器組合使用；-部分氧化反應(yīng)器(2)，在該反應(yīng)器中一方面加入汽化的氧氣流，另一方面加入含有至少一種烴的氣體，該反應(yīng)器生產(chǎn)出含有至多0.1ppm摩爾氧的合成氣；和-用于從合成氣中除去除氪和氙之外的組分的裝置(3-7)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其特征在于所述去除裝置(3-7)包括干燥/脫碳裝置(4，5)，然后是低溫分離裝置(6，7)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其特征在于低溫分離裝置(6，7)包括適于生產(chǎn)富集氪/氙的料流、氫氣料流、一氧化碳料流和廢料流的塔(21，23，25，27)的組合，所述富集氪/氙的料流另外含有基本上甲烷和一氧化碳。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的裝置，其特征在于低溫分離裝置(6，7)包括第一塔(21)，用于將液體一氧化碳送入第一塔頂部的裝置，用于使來自該第一塔的塔底液體膨脹的裝置(35)，用于去除氫氣的第二塔(23)，在所述第二塔的頂部加入所述膨脹的塔底液體，用于使來自所述第二塔的塔底液體膨脹的裝置(36)，和低壓塔(25)，在該低壓塔的中間水平處加入來自第二塔(23)的膨脹塔底液體，和在該低壓塔(25)的頂部加入液體一氧化碳，該低壓塔(25)生產(chǎn)出作為塔頂產(chǎn)品的一氧化碳和作為塔底產(chǎn)品的所述富集氪/氙的料流。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的裝置，其特征在于低溫分離裝置(6，7)還包括用于將氪和氙與該料流中除氪/氙之外的其它組分分離的塔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從空氣生產(chǎn)氪/氙混合物的方法，其中(a)空氣在至少一個(gè)空氣蒸餾設(shè)備(8)中蒸餾，以便從空氣生產(chǎn)含有大多數(shù)氪和氙的液氧料流，和該液氧料流被汽化；(b)用步驟(a)中獲得的至少一部分氣態(tài)氧進(jìn)行至少一種烴的部分氧化，以便生產(chǎn)含有至多0.1ppm摩爾氧的合成氣；和(c)從合成氣中除去除氪和氙之外的組分。
文檔編號F25J3/04GK1502552SQ200310115448
公開日2004年6月9日 申請日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者F·芬特斯, F 芬特斯 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具, 液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司