含CO₂和甲烷的氪氙濃縮物的分離方法

專利名稱：含CO₂和甲烷的氪氙濃縮物的分離方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體分離方法，尤其涉及一種含(X)2和甲烷的氪氙濃縮物的分離方法。
背景技術：
氪、氙均為稀有氣體，大氣中含量極低，廣泛用于電子工業、電光源工業，還用于氣體激光器和等離子流中。例如，用純氪、氙氣充的燈泡與同功率的充氬燈泡相比具有發光率高、體積小、壽命長、省電等優點，大量用于制造礦燈；由于它的透射率特別高，可以用于制造夜戰時越野戰車的照射燈和飛機跑道指示燈，醫療衛生方面用來測量腦血流量，其同位素可用作顯跡劑；放射性氪可用于密閉容器的檢漏和材料厚度的連續測定，還可制成不需電能的原子燈；氙燈凹面聚光后可生成2500°c高溫可用于焊接或切割難熔金屬如鈦、鉬等。
空氣分離是制備氪、氙氣的重要的方法之一，但是，空氣分離過程中會在氪、氙濃縮物中帶入大量的二氧化碳和碳氫化合物(主要為甲烷)，尤其是隨著氪氙濃縮物濃度的升高，碳氫化合物濃度也會增加，一旦含量過高，會呈過飽和狀態析出，形成爆炸物。目前常用的氪氙濃縮物中的二氧化碳和甲烷的分離方法，包括使用催化法和吸附法，這些方法通常是要在45(T50(TC的高溫下，使氧氣和甲烷進行化學反應，并生產二氧化碳和水；然后再使用分子篩吸附器在常溫下脫出二氧化碳和水；分子篩吸附飽和后需進行加溫再生。如李享在《4000m3/h空分氪氙提取裝置問題分析與整改》(冶金動力，2010，(6) :63飛5)公開的碳氫化合物、二氧化碳的清除方法中，將貧氪液氣化，電加熱至催化反應溫度480°C，甲烷在除甲烷觸媒爐中與氧氣在催化劑作用下反應，生產二氧化碳和水，冷卻后送入分子篩吸附器同時脫除二氧化碳和水，分子篩吸附器至少為兩個，一個使用，另一個再生。但是這種方法有著明顯的缺陷，如
1)由于反應放熱，若氪氙混合物中甲烷含量過高，則一次催化過程時，催化器出口溫度會超過催化劑的使用溫度，即要進行多次催化，流程復雜，能耗高且影響氪氙混合物的提取率；
2 )使用了不可再生的吸附劑或催化劑，使用壽命有限；而且一般使用鈀催化劑，價格昂
蟲貝；
3)在分子篩吸附器泄壓完成后的部分氪氙濃縮物無法進入下游工序，或者放空或者回收。若放空則大大影響氪氙的提取率。若重新回收，則回收工藝較復雜，增加設備投資及維護費用。

發明內容
本發明提供了一種含(X)2和甲烷的氪氙濃縮物的分離方法，采用精餾法將二氧化碳、甲烷、氪、氙分別純化，解決了傳統氪氙分離方法收率低、成本高等缺點和不足。本發明含(X)2和甲烷的氪氙濃縮物的分離方法，步驟包括步驟1，將原料氪氙濃縮物送入第一精餾塔，精餾溫度高于氙氣沸點而低于CO2沸點， CO2從塔底去除，其它餾分送入第二精餾塔；優選地，將其他餾分液化后送入第二精餾塔；
步驟2，第二精餾塔精餾溫度低于氪氣沸點而高于甲烷沸點，甲烷餾分從塔頂排出，塔底得到的液體氪氙混合物送入第三精餾塔；
步驟3，第三精餾塔精餾溫度低于氪氣沸點而高于氙氣沸點，塔頂得到氣體氪氣，塔底得到液體氙。優選地，所述原料氪氙濃縮物中氪與氙的體積百分比之和為96% ；其余組分包含 甲烷，摩爾含量約為m ；二氧化碳，摩爾含量約為ι. n本發明上述分離方法中，第一精餾塔精餾壓力為0. 8^1. 2MPa，溫度為-10(T-37°C。 優選地，控制第一精餾塔塔頂液體中的(X)2的摩爾含量不超過0. 2ppm。本發明上述分離方法中，第二精餾塔精餾壓力為0. 3^0. 5MPa,溫度為-145 -120°C。優選地，控制第一精餾塔塔頂液體中的C02的摩爾含量不超過0. 2ppm。優選地，控制提純后的氪氙混合物中氪、氙總摩爾含量不低于99. 99%。本發明上述分離方法中，第三精餾塔精餾壓力為0. 2^0. 4MPa，溫度為-135 -80°c。根據本發明分離方法的一種優選實施方式，其中，三只精餾塔頂部均設有冷凝蒸發器。三只精餾塔底部還可以設有再沸器，三只精餾塔中均填充不銹鋼絲網規整填料， 在填料層上下不同段面分別設有多個測溫元件，將各個測溫元件得到的數據全部送入DCS 系統的多變量運算單元進行邏輯運算得出一個平均溫度，并根據該溫度控制塔頂餾出物的閥門開度。每只精餾塔中所述的測溫元件設有5-15個。所述的再沸器采用調功器控制的電加熱器進行熱量傳遞，正確地控制再沸器的熱負荷。所述的冷凝蒸發器，冷源(制冷劑)溫度優選為-18(T-100 °C，更優選為-16(T-105°C ；冷源可選用低溫混合氣，在鄰近空分設備的場合(例如氪氙混合物是從空分裝置中提取的場合)，可選用常溫氮氣與低溫氮氣的混合氣做為精餾塔的冷源，通過空氣分離出的液氮對低溫氮氣進行制冷；在遠離空分設備的場合，(例如氪氙混合物是從某種化工尾氣中提取的場合)，可選用空氣或氮氣膨脹制冷為整個系統提供冷量。


圖1為本發明含(X)2和甲烷氪氙濃縮物分離方法實施例1流程示意圖； 圖2為本發明含(X)2和甲烷氪氙濃縮物分離方法實施例2流程示意圖。
具體實施例方式本發明提供了一種含(X)2和甲烷氪氙濃縮物的分離方法，步驟包括
步驟1，將原料氪氙濃縮物送入第一精餾塔，精餾溫度高于氙氣沸點而低于CO2沸點， CO2從塔底去除，其它餾分送入第二精餾塔；
步驟2，第二精餾塔精餾溫度低于氪氣沸點而高于甲烷沸點，甲烷餾分從塔頂排出，塔底得到的液體氪氙混合物送入第三精餾塔；
步驟3，第三精餾塔精餾溫度低于氪氣沸點而高于氙氣沸點，塔頂得到氣體氪氣，塔底得到液體氙。
下面參照圖1和圖2，通過具體實施例對本發明分離方法進行詳細介紹和描述，以使更好的理解本發明，但是下述實施例并不顯著本發明范圍。實施例1
參照圖1，從鄰近現有的空氣分離設備中提取的氪氙濃縮物1被引入第一精餾塔2。在第一精餾塔2上部，設置冷凝蒸發器，冷源選用氮氣11，氮氣分為兩股，其中一股氮氣流體 18通過主換熱器17變為低溫氮氣，另一股常溫氮氣19與低溫氮氣12混合，為了保證合理的最小溫差，需謹慎控制進入冷凝蒸發器的混合氣的溫度，一般控制在-16(T-105°C。為了保證精餾效果，在塔底設置有加熱器(再沸器)16，可選用電加熱器，優點在于調節功率時的精度更高，也可以選用其他流體對底池進行間接加熱；0.8 1.210^下，-100 -371精餾。在第一精餾塔2頂部得到液體5進入下第二精餾塔3，高沸點雜質(X)2會聚集在第一精餾塔的塔底隨著液體6被排除。第一精餾塔2頂部的液體5被送到第二精餾塔3。第二精餾塔3底部仍設有加熱器，在確定合適的加熱功率后，結合冷源提供的合適冷量，0. 3^0. 5Mpa和-145 _120°C條件下，在精餾塔內建立起物料平衡，在第二精餾塔3頂部，CH4就主要集中在了氣體7中，Kr、 Xe等就集聚在了液體8中。將液體8引入到第三精餾塔4中，在塔底得到液體10，其主要組分為Xe，摩爾含量不低于99. 99%。在塔頂得到流體，其主要組分為Kr，摩爾含量不低于99. 99%。圖1中，流體13代表進入冷凝蒸發器內作為冷源的混合氣體。14代表經過冷凝蒸發器換熱后的低溫氣，需通過主換熱器17回收冷量。流體15代表液氮，通過換熱器17，為整個低溫精餾提供足夠的冷量。流體15可以選擇空氣分離得到的液氮，氮氣18與之進行熱量交換得到低溫氮氣 12，充分利用空氣分離過程中產生的冷量，節約了能源。實施例2
整個低溫精餾所需的冷量由低溫空氣膨脹制冷提供。具體為潔凈的壓縮干燥空氣 111分為兩股，其中一股流體181，進入主換熱器17。氣體14為每只冷凝蒸發器出口低溫氣的匯總，經過膨脹機151的膨脹之后的流體20，進入主換熱器17與常溫空氣181換熱，常溫空氣181被冷卻為低溫空氣121，再與另一股常溫空氣191混合后進入每只精餾塔的冷凝蒸發器中，為精餾工況的建立提供冷量，混合氣溫度控制在-18(T-10(TC。精餾方法和流程參照實施例1。以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發明并不限制于以上描述的具體實施例。對于本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的范疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種含(X)2和甲烷的氪氙濃縮物的分離方法，其特征在于，步驟包括步驟1，將原料氪氙濃縮物送入第一精餾塔，精餾溫度高于氙氣沸點而低于CO2沸點， CO2從塔底去除，其它餾分送入第二精餾塔；步驟2，第二精餾塔精餾溫度低于氪氣沸點而高于甲烷沸點，甲烷餾分從塔頂排出，塔底得到的液體氪氙混合物送入第三精餾塔；步驟3，第三精餾塔精餾溫度低于氪氣沸點而高于氙氣沸點，塔頂得到氣體氪氣，塔底得到液體氙。
2.根據權利要求1所述的分離方法，其特征在于，第一精餾塔精餾壓力為0.8^1. 2MPa, 溫度為-10(T-37°C。
3.根據權利要求1所述的分離方法，其特征在于，第二精餾塔精餾壓力為0.3^0. 5MPa, 溫度為-145 -120°C。
4.根據權利要求1所述的分離方法，其特征在于，第三精餾塔精餾壓力為0.2^0. 4MPa, 溫度為-Π5 -80°C。
5.根據上述任意一項權利要求所述的分離方法，其特征在于，所述三只精餾塔塔頂餾分送出精餾塔后液化。
6.根據權利要求1所述的分離方法，其特征在于，溫度為-18(T-100°C的冷源為塔頂提供冷量。
7.根據權利要求6所述的分離方法，其特征在于，所述冷源溫度為-16(T-105°C。
8.根據權利要求6所述的分離方法，其特征在于，所述冷源為氮氣或空氣。
9.根據權利要求5所述的分離方法，其特征在于，所述冷源采用液氮或膨脹劑進行制冷。
全文摘要
本發明提供了一種含CO2和甲烷的氪氙濃縮物的分離方法，采用精餾法將二氧化碳、甲烷、氪、氙分別精餾純化，解決了傳統氪氙分離方法收率低、成本高等缺點和不足。
文檔編號F25J3/02GK102538393SQ20111020976
公開日2012年7月4日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者嚴壽鵬, 俞建, 陳志誠 申請人:上海啟元空分技術發展股份有限公司