空分设备的氪氙预浓缩技术

严　寿　鹏

(上海启元空分技术发展有限公司,上海市南翔和裕路中段　201802)

　　摘要:大型空分设备的工艺流程不同,采取的氪、氙预浓缩技术也不同。介绍了适用于不同流程的从液氧中提取氪—氙浓缩物和从富氧液空中提取氪—氙浓缩物的氪、氙预浓缩工艺原理、

技术参数和特点。

关键词:大型空分设备;稀有气体;氪—氙浓缩物中图分类号:TQ11614　　　文献标识码:A

Pre2concentratingtechniqueofKryptonandXenoninairseparationunits

YanShou2peng

(ShanghaiQiyuanAirSeparationTechnologyDevelopmentCo1,Ltd1,MiddleSectionofHeyuRoad,NanxiangTown,Shanghai201802,P.R.China)

Abstract:Variouspre2concentratingtechniquesofkryptonandxenonareadoptedinlargescaleairseparationunitswithdifferentprocessflows.Ourintroductionfocusesontheprocessprinciple,thetechnicalparametersandthecharacteristicsofKr2Xepre2concentrationtechniquesforvariousprocessflowsforextractingtheconcentratedKr2Xefromliquidoxygenandoxygen2enrichedliquidair.

Keywords:Largescaleairseparationunit;Raregas;ConcentratedKr2Xe

1　基本原理

在空气分离过程中,氪气、氙气均属于高沸点组分,且洗涤所需的气液比都很小(氪气为0112,甲烷为013),因此极易被洗涤在液氧中。在空气预净化过程中,采用地下水的空气冷却塔,会使空气中的甲烷含量进一步增加。分子筛吸附器中,13X型分子筛对它们的吸附量极微弱甚至不吸附,因此随加工空气进入精馏塔的氪、氙和甲烷,一部分直接进入下塔,另一部分则随膨胀空气进入上塔或下塔。进入下塔的氪、氙和甲烷又随富氧液空进入上塔,在上塔的氧、氮分离过程中,物理性能就决定了它们几乎全部积聚在主冷的液氧内,最后又伴随产品氧气或产品液氧的排出而被带走。

　　在压力0114MPa(G,下同)、温度94K的工况

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下,氧—氪物系(氪气含量≤1100×10)和氧—甲烷物系(甲烷含量≤1030×10-6)的实验相平衡常数K值分别为812、313。从它们的实验相平衡常数值可以看出,液氧中的氪浓度是与之相平衡的气氧中氪浓度的812倍,因此,对于生产气氧产品为主的外压缩流程空分设备,要以液氧为原料进行氪、氙预浓缩;而对于膨胀空气进下塔生产液体产品的空分设备和液氧泵内压缩流程空分设备,以富氧液空为原料进行氪、氙预浓缩。

在液氧中甲烷是一种危险杂质,甲烷爆炸的浓度下限为5%(体积分数)。因此预浓缩过程中氪、氙的浓度受到甲烷浓度的限制,液氧中甲烷的允许含量约为015%。

收稿日期:2007209220

作者简介:严寿鹏(1940—　),高级工程师,西安交通大学制冷设备与低温技术专业毕业,现在上海启元空分技术发展有限公司从事空分设备设计工作。

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2　从液氧中提取氪—氙浓缩物

211　提氪用液氧直接进入贫氪塔提取氪—氙浓缩物

从液氧中提取氪—氙浓缩物的工艺流程如图1所示。

图1　从液氧中提取氪—氙浓缩物的工艺流程

1—下塔　2—上塔　3—贫氪塔

　　从冷凝蒸发器底部抽取215%加工空气量的提氪用液氧送入贫氪塔,产品氧气和产品液氧从冷凝

蒸发器以上4块塔板(称脱膜塔板)排出,则氪、氙在冷凝蒸发器液氧中预浓缩过程中氪的回收率达

图2　氪、氙和甲烷回收率与脱膜塔板数

和提氪用液氧量的关系

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到91%,而甲烷回收率只有60%,因此,冷凝蒸发器液氧中的氪、氙和甲烷含量分别为40×10

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、

3×10-6

和58×10-6

,各组分回收率与脱膜塔板数

和提氪用液氧量(A)的关系如图2所示。

液氧中的氪、氙和甲烷回收率将随着脱膜塔板数和提氪用液氧量的增加而提高。但是甲烷回收率提高是极其危险的。从图2可以看出,在产品氧抽口至冷凝蒸发器间设置2块理论塔板,并抽取215%加工空气量的提氪用液氧量,既能保证有较高的氪、氙回收率,又能把甲烷含量控制在允许的范围内。

从贫氪塔蒸发的富氪氧气应返回冷凝蒸发器,如果这部分富氪氧气直接返回到产品氧中去,将要损失掉10%的氪和氙。

氪、氙在贫氪塔中继续浓缩,由于受到甲烷含

量的限制,贫氪液的排放量取提氪用液氧量的112%,如10000m3

/h空分设备提氪用液氧量抽取1375m3/h,贫氪液排放量为17m3/h,此时贫氪中的氪和氙含量分别为0129%和01023%,而甲烷含量也至少达到013%。

从冷凝蒸发器液氧中直接浓缩氪—氙混合物,

液氧中的甲烷浓度将要提高近30倍(50×10-6～100×10

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)。在空分设备启动调试阶段或贫氪塔中

断工作周期,由于上塔已设置了脱膜塔板,液氧中的甲烷浓度将会发生剧烈变化,高达400×10-6

,

这会影响冷凝蒸发器的安全工作。

212　带甲烷分离塔从液氧中提取氪—氙浓缩物

带甲烷分离塔从液氧中提取氪—氙浓缩物的工艺流程如图3所示。

图3　带甲烷分离塔浓缩氪、氙的工艺流程

1—下塔　2—上塔　3—带甲烷分离的贫氪塔

　　在产品氧气管路中设置一甲烷分离塔,从冷凝蒸发器底部抽取一部分富氪液氧(其中氪、氙和甲烷的含量分别为8×10-6、1×10-6和33×10-6),同时又从冷凝蒸发器以上3块塔板处抽取一部分含微量氪、氙的液氧(其中氪和甲烷的含量分别为2×10-6和10×10-6)送入贫氪塔,用以洗涤产品氧气。如果甲烷分离塔以一定的液气比进行工作,也就是说,液气比在洗涤氪所需的最小回流比0112和洗涤甲烷所需的最小回流比013之间,在贫氪塔中将有90%的甲烷随产品氧气排出,而仍有95%的氪、氙富集在塔釜的贫氪液体中。如30000m3

/h空分设备,贫氪液取出量为15m3/h,贫氪液中氪、氙的含量分别可以提高到1%和01086%,而甲烷的含量不会超过015%。

带甲烷分离塔从液氧中提取氪—氙浓缩物的工艺,贫氪的回收率达到90%。在甲烷含量控制在允许范围内的前提下,贫氪液中的氪、氙浓度将提高3～4倍,这样就可以缩短后续提纯工艺所需时间。甲烷分离塔同时起着液氧自增压功能,产品氧气的出塔压力可提高到012MPa。

3　从富氧液空中提取氪—氙浓缩物

近年来,由于膨胀空气进下塔生产液态产品空分设备和液氧泵内压缩生产气态氧空分设备的出

现,大量液氧从冷凝蒸发器抽出,就不可能从液氧中提取氪—氙浓缩物。在这几种流程中,氪、氙及甲烷将随加工空气和膨胀空气全部进入下塔,并聚集在下塔塔釜的富氧液空中。因此,以富氧液空为原料,也可提取氪—氙浓缩物。但是,下塔塔釜所获得的富氧液空,将约有50%的富氧液空经过冷并节流后进入上塔喷淋,为了保证氪、氙预浓缩的氪、氙回收率,这部分液空应该从下塔塔釜以上2块塔板抽出。这样,塔釜液空中的氪、氙回收率仍可达到95%,也就是说,约有5%的氪、氙随着这部分液空进入上塔,并最终被液氧产品带走而损失掉。下塔塔釜中另外50%的富氧液空是提供给粗

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氩冷凝器作为冷源的,因此粗氩冷凝器的液空蒸气和液空回流液都属于富氪介质。

从富氧液空中提取氪—氙浓缩物的工艺流程如图4所示。

图4　从富氧液空中提取氪—氙浓缩物的工艺流程

1—下塔　2—上塔　3—粗氩塔　4—贫氪塔

　　下塔塔釜中的富氧液空经过冷并节流后进入粗氩塔冷凝器,其中约有4%液空量的液空回流液进入贫氪塔上部,其余液空蒸气进入贫氪塔的上部。由于液空—氪物系的相平衡常数约为17,因此,液空回流液中氪的含量约为30×10-6

,而液空蒸气

中氪的含量约为117×10-6。

贫氪塔顶部排出的含微量氪、氙的液空蒸气将返回上塔,因此上塔产品液氧带走的氪、氙的损失要增加到10%。如采用膨胀空气进下塔、内压缩

流程的40000m3/h空分设备,可以获得80m3/h的氪—氙浓缩物,其中氪、氙和甲烷含量均为013%。

4　结束语

无论是从液氧中提取氪—氙浓缩物或从富氧液空中提取氪—氙浓缩物,空分设备的上塔或下塔都要进行特殊设计,因此对于已拥有大型空分设备的用户,要增设氪、氙提取设备比较困难。¬

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