一种改进的生产干燥高纯氮气的方法及其系统技术方案

将来自空气分离薄膜／脱氧装置的高纯氮气在一个薄膜干燥器单元中进行干燥，最好在薄膜束中以逆流流动模式操作，用原料空气、产品氮气或来自空气分离薄膜系统的废气作为冲洗气体加入薄膜干燥器单元的渗透侧以提高干燥能力。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及从空气中生产氮气的技术，更确切地说，涉及生产干燥的高纯度氮气的技术。在用空气分离方法生产氮气的过程中，曾推荐采用薄膜渗透法及有关的系统，而且越来越多地采用了这类方法和系统。在这种过程中，原料空气跟薄膜表面接触，氧气作为空气中较易渗透的组份通过薄膜，而氮气这种空气中较难渗透的组份作为一种未渗透产品流从薄膜系统中得到回收。常规的薄膜系统所生产的氮气的纯度通常高达99.5%左右。但是，在某些应用中却需要高纯度氮气产品，即纯度为99.95%左右，或者更纯，例如纯度为99.9995%为氮气。通常，获得如此高纯氮气的方法是将来自薄膜装置的产品氮气送入一个脱氧装置中，也就是说送入一个催化去氧装置中，该装置在有贵金属催化剂存在的情况下，使氧和氢结合而能将产品氮气流中残留的氧转变成水。所得到的高纯氮气产品通常容积含氧量低于百万分之五（PPmv）。然而，它还含有大量的水，例如约含10000到40000PPm的水，以及来自催化去氧系统的剩余氢气。在一些特殊应用中，为避免其冷凝以及由此引起的管道和下游使用的所述的高纯氮气设备中的腐蚀或冻结，或是为了避免因含水份而妨障从薄膜催化去氧装置中回收的高纯产品氮气流的最终使用，因而需要除去高纯氮气流中的水份。-->为了除去高纯氮气流中的水份，通常在整个系统中装有后冷却器，水份分离器和吸附（或者冷冻）干燥装置。虽然这些装置能有效地除去水份以致生产出大体上是干燥的，高纯氮气产品，但它们大大地增加了整个过程的复杂性，并使可靠性降低，而且还可能使氮气产量明显减少。这种不希望出现的产量损失是由于纯化要求，放气损失等等而引起的。此外，这种传统的除水方法，为了再生或制冷还会消耗大量额外的能量。因此，人们意识到，在该
需要对生产干燥的高纯氮气产品的方法及系统进行改进，尤其需要改进适于除去高纯氮气中水份的方法和系统，上述高纯氮气是采用适于空气分离的薄膜催化去氧装置而生产出来的。更具体地说，希望在成本更低、能耗更小，又不存在使用常规的吸附（或冷冻）干燥装置所出现的产量显著减少的条件下有效地除去水份。为此，本专利技术的任务是要提供一种改进的用于从空气中生产干燥的、高纯氮气产品的方法和系统。本专利技术的另一任务是要提供一种能生产干燥的、高纯氮气产品的简便的薄膜/催化去氧方法和系统。本专利技术还有一个任务是要提供一种改进的生产基本为干燥的高纯氮气的方法和系统，它不同于用常规的吸附（或冷冻）装置除去高纯氮气产品中水分，不会使产量显著减少，也不会污染产品、浪费能源。根据上述专利技术任务及其它专利技术任务，下面将对本专利技术进行详细描述，本专利技术的新的特征将在附加的权利要求中特别予以指明。为了除去从薄膜/催化去氧装置中生产出的高纯氮气产品中的-->水份，在总的高纯氮气产品系统中有一个第二薄膜装置。为了减少对薄膜面积的要求，增加所需产品的回收量，该第二薄膜装置最好以逆流流动模式进行工作，并用较干燥的冲洗气体返流至低压渗透侧。上述冲洗气流最好取自第一级薄膜渗透步骤的气流，或取自低压原料空气，或取自干燥的氮气产品。下面将结合附图对本专利技术进行详细描述。其中：图1为本专利技术的一个实施例的方框流程图，其中从第一级空气分离薄膜装置流出的渗透气体用作送入产品干燥器薄膜装置中的冲洗气体。图2为另一个实施例的方框流程图，其中低压原料空气作为产品干燥器薄膜装置的冲洗气体。图3为再一个实施例的方框流程图，其中将一部分送入薄膜/催化去氧装置的高压原料空气膨胀，并作为送入产品干燥器薄膜装置中的冲洗气体。图4的实施例是将部分干燥产品气再循环，以作为送入产品干燥器薄膜装置中的冲洗气体。本专利技术的任务可通过将一个用来干燥氮气的薄膜装置与薄膜催化去氧装置结合在一起来完成，在一定的运行条件下能使需要达到的高纯产品气脱水，同时又不至于使该方法和系统的总过程的回收量降至不合格的水平。上述的运行条件最好将分离处理系统以及特殊薄膜组份对水份去除的选择性和膜束结构状况有机地结合起来，在这种膜束结构下，干燥器薄膜系统中可以实现逆流流动模式。这样就可使得系统成功地干燥氮气产品，同时将干燥过程中产品气体的损失减到最小。-->为了生产本专利技术干燥的高纯氮气产品，首先用单级或两级薄膜空气分离单元生产氮气。在这些单元中，将压力范围一般在约50-约300磅/英寸2（Psig），典型的情况约为150磅/英寸2，温度一般约在90°F的压缩空气送入薄膜标准件中。与空气相比含氧丰富的气流透过薄膜材料，并在薄膜的低压渗透侧被滤出。留下的富氮气流或不渗透气体在高输入压力下被回收。在一个两级薄膜空气分离单元中，常常将氧浓度可能低于空气中氧浓度的第二级渗透气体再循环至该设备的上游，以便压缩并再循环至薄膜单元中。由于公知的薄膜系统往往不能经济地生产出高纯氮气产品，即纯度为99.5%或更纯的氮气产品，常采用催化去氧或脱氧单元，以便降低
技术介绍
中已描述过的空气分离薄膜单元生产出的氮气中的残余含氧量。在常规运行及本专利技术的实施过程中，脱氧反应所放出的热使其温度达500℃左右。然后产品气经后冷却器冷却，所形成的冷凝物在对高纯氮气流进行干燥之前在水份分离器中除去。为了经济地生产干燥的高纯氮气产品，本专利技术在薄膜/脱氧空气分离单元之后采用了一个薄膜干燥器单元。虽然市售的吸附或干燥器系统能生产出干燥的（压力下露点为-40°F，即PDP），或非常干燥的（压力下露点为-100°F）气体流，但这类干燥器系统使机械结构复杂，而且会引起不希望有的产品损失或污染，或者能量消耗非常大，而采用本专利技术作的薄膜干燥器单元，可以将现有的方法和系统改进到令人满意的程度。已知有一些薄膜能够选择性地除去压缩氮气气流中所含的水份（和氢）。不幸的是：正如美国专利US-4783201中的所披露的那样，当以交叉流动渗透方式进行工作时，这类薄膜可能使效果变差，即-->在150磅/平方英寸的操作压力下，为了获得-40°F的较为合适的压力露点，渗透气体和原料气流的比例约为30%。显然，采用这类交叉流动薄膜单元回收到的产品气体是很少的，而整个系统所需的动力和干燥器面积又高到令人失去兴趣的的地步。另一方面，本专利技术采用最好以逆流流方式的氮气干燥薄膜单元，并让干燥的回流冲洗气体通过膜的渗透侧，以便将水份从膜的渗透侧带走，而且在薄膜的两侧维持一个高的驱动力，以排除水份。这一处理特征可以减少所需的薄膜面积，减少为达到指定的压力露点、也即达到指定的干燥程度所不可避免的产品渗透损失。并希望将因上述氮气互渗透作用所造成的损失维持在小于总产品气流的1%，最好是低于0.5%。本专利技术的总处理过程和系统跟一些作为薄膜干燥器低压渗透侧的回流冲洗气体的比较干燥的气流有效地结合起来使用。图1为本专利技术较好的实施例，该实施例具有将来自两级薄膜空气分离单元的第二级的渗透气体作为薄膜干燥器单元的冲洗气体。将原料空气由管道1送入空气压缩机2，压缩空气从该压缩机经管道3流入两级薄膜空气分离单元的第一级薄膜4，含有原料空气中的大部份水的渗透气经管道5从上述薄膜4中排出并转入废气中。上述薄膜4的未渗透气体经管道6进入第二级薄膜7，从该薄膜中提取的纯化氮气经管道8送入脱氧单元9中，氢气则由管道10加入该单元中。高纯氮气从脱氧单元9流出经管道11而被回收，但上述高纯气流仍含有水份及残余的氢本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的从空气中生产干燥高纯氮气的系统，该系统包括从原料空气中生产提纯氮气的空气分离薄膜装置、将氢与上述提纯的氮气中的残留氧气反应以得到潮湿的高纯氮气流的催化氧化装置，以及在干燥之前对上述氮气流进行处理的冷却、冷凝组合脱水装置，其改进在于还包括：ａ）一个能选择性地渗透存在于湿的高纯氮气流中的残余水份的薄膜干燥器单元；ｂ）将上述潮湿的高纯氮气送入上述薄膜干燥器单元的管道部件；ｃ）从薄膜干燥器单元回收作为未渗透气的干燥高纯氮气产品的管道部件；ｄ）管道部件，用于将 比较干燥的冲洗气体送入薄膜干燥器的低压渗透侧，以利于将水蒸汽从膜表面带走并维持使水蒸汽通过薄膜从高纯氮气流中排出的驱动力，从而提高脱水能力，上述较干燥的冲洗气体由取自上述空气薄膜系统的废气、原料空气或氮产品气体构成，由此将上述冲冼气体送入薄膜干燥器单元渗透侧能够使氮气产品气体损失处于最小的条件下理想地进行脱水。

【技术特征摘要】
US 1989-5-12 350,8491、一种改进的从空气中生产干燥高纯氮气的系统，该系统包括从原料空气中生产提纯氮气的空气分离薄膜装置、将氢与上述提纯的氮气中的残留氧气反应以得到潮湿的高纯氮气流的催化氧化装置，以及在干燥之前对上述氮气流进行处理的冷却、冷凝组合脱水装置，其改进在于还包括：a)一个能选择性地渗透存在于湿的高纯氮气流中的残余水份的薄膜干燥器单元；b)将上述潮湿的高纯氮气送入上述薄膜干燥器单元的管道部件；c)从薄膜干燥器单元回收作为未渗透气的干燥高纯氮气产品的管道部件；d)管道部件，用于将比较干燥的冲洗气体送入薄膜干燥器的低压渗透侧，以利于将水蒸汽从膜表面带走并维持使水蒸汽通过薄膜从高纯氮气流中排出的驱动力，从而提高脱水能力，上述较干燥的冲洗气体由取自上述空气薄膜系统的废气、原料空气或氮产品气体构成，由此将上述冲洗气体送入薄膜干燥器单元渗透侧能够使氮气产品气体损失处于最小的条件下理想地进行脱水。2、如权利要求1所述的系统，其中上述薄膜干燥器单元具有薄膜束，以适于形成逆流流动模式，使渗透气体流动方向基本上平行于潮湿的高纯氮原料气的流动方向。3、如权利要求1所述的系统，其中上述空气分离薄膜装置包括一个两级薄膜装置，上述将冲洗气体送至薄膜干燥器单元的管道部件包括将来自分离空气薄膜装置的第二级的废气作为冲洗气体送至上述薄膜干燥器单元的部件。4、如权利要求3所述的系统，其中上述来自空气分离装置第二级的废气为来自第二级的渗透气体。5、如权利要求1所述的系统，其中将冲洗气体送至薄膜干燥器单元的低压渗透侧的管道部件包括将原料空气送至薄膜干燥器单元渗透侧的管道部件以及将原料空气和水份一起从薄膜干燥器单元排出的部件，以便压缩并送入上述空气分离薄膜装置中。6、如权利要求1所述的系统，还包括压缩装置及管道部件，上述压缩装置用于压缩原料空气至所需压力，以便将其送入空气分离薄膜装置，上述管道部件用于将部份上述压缩空气取出以便作为冲洗气体送至薄膜干燥器单元的低压渗透侧，该管道部件上装有膨胀阀部件，以便将压缩空气的压力降至薄膜干燥器单元渗透侧所需要的压力。7、如权利要求1所述的系统，还包括用于将从薄膜干燥单元排出的上述干燥高纯氮气产品的一部分取出的管道部件，以便将其作为冲洗气体送至薄膜干燥器单元的低压渗透侧，该管道部件上装在膨胀阀部件，以便将取出的部分干燥高纯氮气的压力降至薄膜干燥器单元渗透侧所需要的压力。8、如权利要求3所述的系统，其中上述薄膜干燥器单元具有薄膜束，以适于逆流流动模式，使渗透气体流动方向基本上平行于潮湿的高纯氮气的流动方向。9、如权利要求5所述的系统，其中上述薄膜干燥器单元具有薄膜束，以适于逆流流动模式，使渗透气体流动方向基本上平行于潮湿的高纯氮气的流动方向。10、如权利要求6所述的系统，其中上述薄膜干燥器单元具有薄膜束，以适于逆流流动模式，使渗透气体流动方向基本上平行于潮湿的高纯氮气的流动方向。11、如权利要求7所述的系统，其中上述薄膜干燥器单元具有薄膜束，以适于逆流流动模式...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉维普拉萨德，
申请(专利权)人：联合碳化工业气体技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]