空分裝置提取貧氪氙的幾種方法及其特點(diǎn)

李美玲，鄭三七，張建松，于　浩

(開封空分集團(tuán) 設(shè)計(jì)研究院，河南 開封 475004)

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·工藝與設(shè)備·

空分裝置提取貧氪氙的幾種方法及其特點(diǎn)

李美玲，鄭三七，張建松，于浩

(開封空分集團(tuán) 設(shè)計(jì)研究院，河南 開封 475004)

摘要:隨著氪氙氣體在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位日趨升高，空分行業(yè)利用空分裝置副產(chǎn)品提取氪氙的工藝研究也大力開展，針對(duì)空分工藝的特點(diǎn)進(jìn)行研究和模算，得出了幾種切實(shí)可行的提取貧氪氙的方法，氪氙提取率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，流程簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。給用戶提供更多的選擇。

關(guān)鍵詞:貧氪氙提取工藝；特點(diǎn)

氪氣和氙氣是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的工業(yè)氣體。目前在我國(guó)乃至世界對(duì)氪氣和氙氣的需求量繼續(xù)保持高增長(zhǎng)，主要原因是其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，他們不僅應(yīng)用在傳統(tǒng)的照明工業(yè)，特別是近年來在建筑門窗、平板電視、電子芯片、空間、衛(wèi)星及醫(yī)療行業(yè)上的應(yīng)用正在崛起。

通常工業(yè)制取氪氙有以下幾個(gè)途徑：1.從空氣分離裝置的副產(chǎn)品中提取；2.從合成氨排放氣中提取；3.從核反應(yīng)堆的裂變氣中提取。而我國(guó)目前主要是從空氣分離裝置的副產(chǎn)品中提取氪氣和氙氣。常壓下，氪的沸點(diǎn)為-153.2℃，氙的沸點(diǎn)為-109.1℃，均高于氧的沸點(diǎn)-182.97℃，因而在空氣分離裝置中，氪氙首先富集在下塔的富氧液空中，進(jìn)而富集在上塔的液氧中，由于氪氙在大氣組分中含量很小(氪：1.14×10-6，氙：0.086×10-6)，在空分裝置中，隨著空分裝置的大型化，提取氪氙的原料液氧也呈幾何數(shù)增長(zhǎng)。因此從富氧液空或液氧中回收氪氙蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)前景。

開封空分集團(tuán)長(zhǎng)期致力于全提取空分工藝的研究，在提取貧氪氙工藝流程及設(shè)備的設(shè)計(jì)上有一些獨(dú)到之處，樂與同行分享。根據(jù)大氣組分物性特點(diǎn)及空分工藝的組織特點(diǎn)，提取氪氙要么從下塔的富氧液空中，要么從上塔底部主冷液氧中提取。我公司主要有以下幾種方法。

1外壓或自增壓空分流程

外壓或自增壓空分設(shè)備工藝流程組織中，氪氙塔是以主冷來的液氧為原料并作為其回流液，該液氧分別從上塔底及主冷分別抽取，氪氙塔蒸發(fā)器以正流空氣為熱源將塔釜中液氧蒸發(fā)，蒸發(fā)的氧氣作為上升氣與上部回流的液氧直接接觸進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，高沸點(diǎn)的Kr、Xe、CH4、CO2、N2O等被洗滌下來濃縮在塔釜中的液氧中，得到0.2% Kr+0.014% Xe的貧氪氙濃縮物產(chǎn)品。而低沸點(diǎn)的氧氣在塔頂?shù)玫?，并作為產(chǎn)品送出，見圖1。

特點(diǎn)：

1.氪氙提取率高，可達(dá)～89%。

2.制取氪氙原料分別來自上塔底及主冷，在粗氪氙塔同位置進(jìn)料，采用規(guī)整填料塔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。

3.制取壓力氧或制取低壓氧可以和制取粗氪氙在氪氙塔同時(shí)完成，也可不出貧氪氙產(chǎn)品，大量產(chǎn)出液氧產(chǎn)品，流程簡(jiǎn)單，操作方便。

4.我公司在制取氪氙新工藝中還設(shè)置了氪氙塔加溫裝置，在主裝置不停車的情況下可對(duì)氪氙塔進(jìn)行單獨(dú)加溫，即對(duì)氪氙塔單設(shè)小冷箱，將氪氙塔物料進(jìn)出口切斷，通過設(shè)置的加溫裝置對(duì)氪氙塔進(jìn)行加溫清除雜質(zhì)，此時(shí)氧氮等產(chǎn)品量稍有減少，但不影響主裝置運(yùn)行，產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)，見圖2。

AP.空氣過濾器；TC1.空氣壓縮機(jī)；UF.預(yù)冷系統(tǒng)；HXF.純化系統(tǒng)；WF.水冷卻塔

E1.主換熱器；ET.膨脹機(jī)；C1.下塔；K.冷凝蒸發(fā)器；C2.上塔；C6.氪氙塔

2內(nèi)壓縮空分流程

內(nèi)壓縮流程提取氪氙工藝組織通常有三種。

第一種(氧產(chǎn)品壓力大于1.0 MPaG,液氧泵壓后經(jīng)高壓板式復(fù)熱出冷箱，帶制氬系統(tǒng))：制取貧氪氙的原料來源于粗氬塔冷凝器的液空蒸氣和來自下塔富氧液空，氪氙塔蒸發(fā)器以下塔頂部氮?dú)鉃闊嵩磳⑺幸貉跽舭l(fā)，并與來源于粗氬塔冷凝器的液空蒸氣一起作為氪氙塔的上升氣，從下塔來的部分富氧液空作為其回流液，精餾后塔底得到粗氪氙產(chǎn)品，粗氪氙塔蒸發(fā)器的熱源為來自下塔頂部氮?dú)?，見圖3。

特點(diǎn)：

1.氪氙提取率較高，～83%。

2.制取氪氙原料分別來自于粗氬塔冷凝器的液空蒸氣和來自下塔富氧液空，頂?shù)走M(jìn)料，采用規(guī)整填料塔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。

3.制取粗氪氙是在制取工藝氬產(chǎn)品可同時(shí)進(jìn)行，也可將制取粗氪氙塔隨時(shí)切掉，流程簡(jiǎn)單，操作方便，選擇性強(qiáng)。

4.同時(shí)我公司在制取氪氙新工藝中也可設(shè)置氪氙塔加溫裝置，在主裝置不停車的情況下可對(duì)氪氙塔進(jìn)行單獨(dú)加溫，即對(duì)氪氙塔單設(shè)小冷箱，將氪氙塔物料進(jìn)出口切斷，通過設(shè)置的加溫裝置對(duì)氪氙塔進(jìn)行加溫清除雜質(zhì)，此時(shí)氧氮?dú)瀹a(chǎn)品量無(wú)任何影響(參考圖2)。

AP.空氣過濾器；TC1.空氣壓縮機(jī)；UF.預(yù)冷系統(tǒng)；HXF.純化系統(tǒng)；B.增壓機(jī)；WF.水冷卻塔；B.膨脹機(jī)增壓端；E1.主換熱器；ET.膨脹機(jī)膨脹端；C1.下塔；C2.上塔；C6.氪氙塔；OP.液氧泵；E3.過冷器；K.冷凝蒸發(fā)器；C3.粗氬塔； K3.粗氬塔冷凝器；K6.粗氪氙塔蒸發(fā)器

第二種(氧產(chǎn)品壓力大于1.0 MPaG,液氧泵壓經(jīng)高壓板式復(fù)熱直接出冷箱)：制取貧氪氙的原料來源于上塔底上三塊板抽出少量液氧與從主冷凝蒸發(fā)器K抽出較大量液氧分別進(jìn)入粗氪氙塔上部作為回流液，氪氙塔蒸發(fā)器以下塔頂部氮?dú)?或富氧液空、或從主換熱器來的飽和空氣)為熱源將塔釜中液氧蒸發(fā)作為氪氙塔的上升氣，兩側(cè)傳質(zhì)傳熱，精餾后塔頂氧氣回上塔，塔底得到粗氪氙產(chǎn)品，粗氪氙塔蒸發(fā)器K6的熱源為來自下塔頂部氮?dú)?或富氧液空、或從主換熱器來的飽和空氣)，見圖4。

AP.空氣過濾器；TC1.空氣壓縮機(jī)；UF.預(yù)冷系統(tǒng)；HXF.純化系統(tǒng)；B.增壓機(jī)；WF.水冷卻塔；B.膨脹機(jī)增壓端;E1.主換熱器；ET.膨脹機(jī)膨脹端；C1.下塔；C2.上塔；C6：氪氙塔；OP.液氧泵；E3.過冷器；K.冷凝蒸發(fā)器;K6.粗氪氙塔蒸發(fā)器；K2.輔助冷凝蒸發(fā)器；V20.手動(dòng)閥

特點(diǎn)：

1.氪氙提取率較低，～67%。

2.產(chǎn)品液氧LO抽取在上塔C2底上三塊理論板處抽出，該處氪氙的濃度較塔底小，但CH4含量較主冷也降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣就減少了液氧產(chǎn)品帶走氪氙量，使更多的氪氙得以在主冷富集。同時(shí)從該處抽取少量液氧原料進(jìn)入粗氪氙塔C6調(diào)節(jié)控制粗氪氙產(chǎn)品中CH4的含量。由于能夠從主冷凝蒸發(fā)器K中抽取較多氪氙濃度較高的原料，粗氪氙產(chǎn)品的提取率也有所增加。

3.粗氪氙塔的蒸發(fā)器熱源來自下塔頂部氮?dú)?，較空氣做熱源對(duì)上塔氧、氮、氬的提取有所提高，特別是氬的提取能提高近2%。

4.通過設(shè)置附助冷凝蒸發(fā)器及該附冷氮側(cè)閥門V20，實(shí)現(xiàn)了粗氪氙塔的靈活投運(yùn)，完全不影響主塔工況，對(duì)空分裝置是否設(shè)置制氬系統(tǒng)及制氬系統(tǒng)是否投運(yùn)更無(wú)限制。大大方便了用戶的流程選擇，使操作更簡(jiǎn)單方便，節(jié)約了能耗。

5.同時(shí)我公司在該制取氪氙工藝中還可設(shè)置氪氙塔加溫裝置，在裝置不停車的情況下可對(duì)氪氙塔進(jìn)行單獨(dú)加溫，即對(duì)氪氙塔單設(shè)小冷箱，將氪氙塔物料進(jìn)出口切斷，通過設(shè)置的加溫裝置對(duì)氪氙塔進(jìn)行加溫清除雜質(zhì)，此時(shí)氧氮?dú)瀹a(chǎn)品量無(wú)任何影響(參考圖2)。

第三種(氧產(chǎn)品壓力小于1.0 MPaG,為安全計(jì)液氧由液氧泵壓后需經(jīng)浴式蒸發(fā)器蒸發(fā)后再去高壓板式復(fù)熱出冷箱)：制取貧氪氙的原料來源于主冷凝蒸發(fā)器的液氧經(jīng)泵壓后進(jìn)入粗氪氙塔C6上部作為回流液，氪氙塔蒸發(fā)器以出主換熱器E1底部的近飽和態(tài)高壓空氣為熱源，將塔釜中液氧蒸發(fā)作為氪氙塔的上升氣，兩側(cè)傳質(zhì)傳熱，精餾后塔頂?shù)玫綁毫ρ醍a(chǎn)品，塔底得到粗氪氙產(chǎn)品，粗氪氙塔蒸發(fā)器K6的熱源為出主換熱器E1底部的近飽和態(tài)高壓空氣，見圖5。

特點(diǎn)：

1.氪氙提取率較高，～83%。

2.制取壓力氧可以和制取粗氪氙在氪氙塔同時(shí)完成，也可不出貧氪氙產(chǎn)品，大量產(chǎn)出液氧產(chǎn)品，流程簡(jiǎn)單，操作方便。

3.粗氪氙塔采用高效篩板塔，結(jié)構(gòu)合理，效率高，設(shè)備布置緊湊。

4.在該工藝中設(shè)置了液氧吸附器用于吸附液氧中的CO2、C2H2等雜質(zhì)，保障氪氙塔的安全運(yùn)行。

AP.空氣過濾器；TC1.空氣壓縮機(jī)；UF.預(yù)冷系統(tǒng)；HXF.純化系統(tǒng)；B.增壓機(jī)；WF.水冷卻塔；B.膨脹機(jī)增壓端；

3結(jié)束語(yǔ)

以上針對(duì)幾種典型的氪氙提取工藝分別進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述并分析其特點(diǎn)，據(jù)此可根據(jù)用戶的需要和流程產(chǎn)品特性進(jìn)行合理的組織及優(yōu)化，將最優(yōu)的方案推薦給用戶進(jìn)行選擇。

Depleted Krypton & Xenon Recovery Solutions & Characteristics in ASU

LI Meiling，ZHENG Sanqi，ZHANG Jiansong，YU Hao

(R&D Institute of Kaifeng Air Separation Group Co., Ltd., Kaifeng 475004，China)

Abstract:With the rising status of krypton and xenon gases in national economy, researches on krypton and xenon recovery process utilizing ASU have been developed rapidly in ASU industry. Based on the ASU process characteristics, studies and simulation calculations are made, therefore, several practical and feasible recovery solutions are put forward. With the characteristics of high krypton & xenon recovery rate, compact structure, simple process and strong operability, we could provide our customers with more options.

Key words:depleted krypton & xenon recovery process；characteristics

收稿日期：2016-04-21

中圖分類號(hào)：TB657.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7804(2016)03-0033-04

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.008

作者簡(jiǎn)介：

李美玲(1970)，女，高級(jí)工程師，現(xiàn)在開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)院從事填料塔及空分工藝流程設(shè)計(jì)工作。