一种改进的生产干燥的高纯氮气的方法和设备技术

在一个干燥器薄膜系统中对送入一个变压吸附系统的潮湿原料气，或由上述变压吸附系统产生的高纯氮气进行干燥，上述干燥器薄膜系统最好以逆流流动模式进行工作，通过用冲洗气体对薄膜渗透侧进行冲洗而增强了干燥效果，由上述变压吸附系统排出的废气或一部分干燥的高纯氮产品气体则作为冲洗气体。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及由空气生产氮气的技术，更具体地说，是涉及生产干燥的高纯氮气的技术。在一些化学生产过程、炼油过程、金属冶炼以及其他工业应用中都需要高纯度的氮气。尽管有多种公知的技术可以用于通过空气分离来制备氮气，然而对于较小规模的操作而言，变压吸附过程（PSA）是特别理想的工艺过程，对于这些较小规模的操作来说，采用低温空气分离设备是不经济的。在PSA空气分离过程中，原料空气以较高的吸附压力送往一个吸附床，该吸附床能选择性地将氮气或氧气作为空气中容易吸附的成份予以吸附，然后使吸附床降压到一个较低的解吸压力，以便使上述容易吸附的气体成份解吸出来。将解吸出来的空气成份取出，然后再将另外的原料空气送入吸附床，这样，在吸附床中不断地循环进行吸附-脱附操作。通常都是采用多床系统来实现上述PSA过程，每个吸附床均按照所需的操作顺序循环操作，并和系统中其他吸附床的上述操作顺序互相配合。为了生产纯度高达99.5%的氮气，工业上常采用两种不同的PSA过程和系统。其中的第一种方法是，在快速操作循环中，采用一种可变选择性碳分子筛吸附剂，通过选择性地吸附作为容易吸附的空气成份的氧气来生产氮气，氮气作为不易吸附的空气成份在吸附-->压力下，以比较低的露点（例如-40°F）从吸附床的产物中取出。然而，人们已经注意到，当送入上述PSA系统的原料空气中含有水份时，会显著地降低吸附剂床的分离效率。正因为如此，一般在PSA空气分离系统之前采用一个单独的PSA吸附剂干燥器，以便在将原料空气送入上述PSA空气分离系统之前除去其中所含的水份。在另一种PSA过程和系统中，采用一种能够在均匀选择的基础上有选择地吸附空气中的氮气的吸附剂。在这类系统中，原料空气通常是以略高于大气压的压力送到吸附剂床，并采用真空泵从吸附剂床中抽出潮湿的富氮气流。在这种操作中一般采用沸石分子筛。专利技术人为Werner等人的4599094号美国专利公开了用这种PSA操作回收高纯氮气产品的处理过程的详细内容，所获得的氮气产品一般是潮湿的，因为除了输入的原料空气会将水份带到产品氮气中以外，真空泵的水封也常常会将一些水份带到氮气之中。因此，在许多应用中，需要压缩回收到的氮气产品并将其脱水。这样做的目的是为了防止出现冷凝，并由此而在工厂的管道和仪器中引起锈蚀或冻结，或者因为有水份存在会妨碍对氮气所需要的最终使用。一种解决氮气中含水问题的可行方法是采用产品气体压缩机、二次冷却器、水份分离器和吸附干燥器来生产干燥的高纯氮气气流。在PSA-氮系统中采用吸附前置干燥器或后继干燥器显著地增加了整个过程和系统的复杂程度和成本，并降低了系统运行可靠性。这类干燥器通常具有多个吸附剂容器，并有相应的管道和阀门与之相连。可能需要用相当数量的氮气产品，例如原料空气的5%到30%作为整个PSA过程工序的一部分的吸附剂床的再生之用。如果采用变温循环，也需要消耗一定的冲洗能量。如果采用作为废气的氧气-->气流来充当吸附剂床的再生气，则必须采用特别的予防措施来防止在吸附剂床切换时出现氧气浓缩的高峰。由于这些复杂的问题以及它们对整个系统的效率和生产成本的影响，在本
中存在着对采用PSA方法来生产干燥的高纯氮气的工艺进行改进的愿望，特别是改进从高纯度氮气中排除水份的方法。因此，本专利技术的一个目的是提供一种改进的，用于生产干燥的高纯氮气的方法及设备。本专利技术的另一个目的是提供一种经改进的方法和设备，它采用PSA方法来分离空气，并为排除水份和回收干燥的高纯氮气产品而进行所需的前置干燥或后继干燥。根据上述专利技术目的和其它专利技术目的，下面将对本专利技术进行详细说明。本专利技术的新颖之处将在所附的权利要求书特别予以指明。本专利技术采用了与PSA氮系统相结合的薄膜干燥器系统，以便提供一种和采用吸附干燥器所不同的既简单又便宜的生产干燥的高纯氮气的方法。上述薄膜干燥器最好以一种逆流流动模式进行工作，并且采用比较干燥的冲洗气体回返流到薄膜的低压渗透侧，以便减少对薄膜面积的要求，增加所需产品的回收量。上述冲洗气体最好取自由PSA系统产生的氧气废气，或者取自干燥的氮气产品气体。下面将结合附图对本专利技术进行详细说明，其中：图1是本专利技术的一个实施例的方框流程图，其中将来自采用氮选择性吸附剂的PSA-氮系统的废气作为薄膜后继干燥器系统的冲洗气体;图2是本专利技术的另一个实施例的方框流程图，其中的PSA-氮系统采用了一种氮选择性吸附剂，由该系统所获得的干燥氮气产品气-->体的一部分被用来作为薄膜后继干燥器系统的冲洗气体;图3是本专利技术的再一个实施例的方框流程图，其中的PSA-氮系统采用了一种氮选择性吸附剂，由该系统产生的废气用来作为薄膜前置干燥系统的冲洗气体。本专利技术的目的是通过将一个用来干燥氮气或原料空气的薄膜系统跟一个PSA系统结合起来而实现的，其条件是这种结合能够从高纯度氮气产品气体或原料空气中除去水份，同时又不至于使该方法和设备的总的产品回收量下降到不合格的地步。与上述条件有关的是：分离处理系统的结合方式，所使用的薄膜组份对水份去除的选择性，以及能够在干燥器薄膜系统中产生所需要的逆流流动的薄膜束设计方案。这样，系统就能够生产干燥的高纯度氮气产品气体，同时又将干燥过程中产品气体的损失减少到最低程度。在实施本专利技术的过程中，由PSA系统产生的废气或者一部分干燥的氮气产品气体被用作冲洗气体送入干燥器薄膜系统，这样既能够获得干燥的高纯度氮气气流，同时又能将因为干燥需要而造成的产品气体损失减少到最低限度。本专利技术所提供的整个方法和设备将结合附图进行说明。下面将介绍适用于本专利技术的PSA系统以及和上述系统相结合的用于提高对氮气产品气体的干燥作用的薄膜系统。在附图1中，空气通过管道1送到空气分离PSA-氮系统2。在该系统中，氮气作为容易吸附的空气成份被选择性吸附，而不易吸附的空气成份氧气则作为废气从系统中排出。在PSA-氮系统2的循环操作中的解吸步骤之后，其体积纯度为99.5%的潮湿的低压氮气流通过管道3送到压缩机4进行压缩。经过压缩之后，潮湿的氮气气流的压力达到诸如80磅/平方英寸（Psig）左右，然后通过管道5送入容-->器6进行降温和冷凝，得到的水份通过管道7从系统中排出。经纯化和部分干燥器的氮气产品通过管道8送到干燥器薄膜系统9。含有通过上述系统9的薄膜给以渗透的水份的渗透气体和冲洗气体一道经管道10作为废气被排出。所需的高纯氮气作为未渗透气体以干燥的形式通过管道11从干燥器薄膜系统9中得到回收。由PSA-氮系统2排出的氧气通过管道12以大约3磅/英寸2的低压送到干燥器薄膜系统9，以便作为较干燥的冲洗气体。值得指出的是：在上述PSA系统中，输入的原料空气中所含的水份已经和氮气一道被系统中采用的选择性氮吸附剂吸附了，从薄膜系统排出的氧气废气由管道10将渗透过薄膜9而位于薄膜渗透侧的水份由薄膜的表面带走，从而使薄膜9的两侧保持高的驱动力，以利于脱水。附图2表示了本专利技术的另一个不同的实施例。其中，一部分干燥的产品氮气气流被用作干燥的冲洗气体，而干燥器薄膜系统排出的含有水份的冲洗气体则再次循环，并和潮湿的高纯氮气产品气体一道在干燥器薄膜系统中进一步予以干燥，而不是像附图1那样作为废气排出。在附图2的实施例中，原料空气通过管道20送至PSA-氮系统21，该系统能够选择性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的从空气中生产干燥的高纯度氮气的设备，它包括：ａ）一个变压吸附系统，它装有能够选择性地吸附潮湿的原料空气中一种容易被吸附的成份的吸附剂材料，从而使潮湿的高纯氮气和氧气彼此分离开来；ｂ）一个干燥器薄膜系统，它能够有选择地渗透存 在于潮湿的高纯氮气或潮湿的原料空气气流中的水份；ｃ）管道部件，用了将比较干燥的冲洗气体送入上述干燥器薄膜系统的低压渗透侧，以利于将水蒸汽从薄膜表面带走，并维持用于将水蒸汽通过薄膜从高纯度氮气气流中或原料空气气流中排除出去的驱动力，从而提 高脱水能力，上述比较干燥较的冲洗气体由来自上述变压吸附系统的废气或者氮气产品气体构成，其中使上述冲洗气体作用在干燥器薄膜系统的渗透侧上的机构能够在氮气产品气体的损失减少到最低限度的条件下除去水份。

【技术特征摘要】
US 1989-5-12 350,7721、一种改进的从空气中生产干燥的高纯度氮气的设备，它包括：a)一个变压吸附系统，它装有能够选择性地吸附潮湿的原料空气中一种容易被吸附的成份的吸附剂材料，从而使潮湿的高纯氮气和氧气彼此分离开来；b)一个干燥器薄膜系统，它能够有选择地渗透存在于潮湿的高纯氮气或潮湿的原料空气气流中的水份；c)管道部件，用了将比较干燥的冲洗气体送入上述干燥器薄膜系统的低压渗透侧，以利于将水蒸汽从薄膜表面带走，并维持用于将水蒸汽通过薄膜从高纯度氮气气流中或原料空气气流中排除出去的驱动力，从而提高脱水能力，上述比较干燥较的冲洗气体由来自上述变压吸附系统的废气或者氮气产品气体构成，其中使上述冲洗气体作用在干燥器薄膜系统的渗透侧上的机构能够在氮气产品气体的损失减少到最低限度的条件下除去水份。2、如权利要求1所述的设备，其中所述的变压吸附系统具有氮选择性吸附剂，潮湿的氮气是容易吸附的空气成份，氧气是不易吸附的空气成份。3、如权利要求2所述的设备，其中所述的干燥器薄膜系统是一种后继干燥器系统，用于干燥器由上述变压吸附系统所获得的潮湿的高纯氮气，以形成干燥的高纯氮气产品气体。4、如权利要求3所述的设备，其中由变压吸附系统分离出来的较难吸附的氧气作为上述干燥的冲洗气体。5、如权利要求3所述的设备，其中上述干燥的冲洗气体是由上述干燥器薄膜系统所生成的干燥的高纯氮气产品气体的一部分。6、如权利要求1所述的设备，其中上述干燥器薄膜系统具有薄膜捆束，用于形成逆流流动模式，使渗透气体的流动大体上平行于送入该系统的原料气体的流动。7、如权利要求6所述的设备，其中所述干燥器薄膜系统是一种后继干燥器系统，用于干燥由上述具有氮选择性吸附剂的变压吸附系统产生的潮湿的高纯氮气，而较难吸附的氧气则作为干燥的冲洗气体。8、如权利要求6所述的设备，其中所述的变压吸附系统装有氧选择性吸附剂，氮气为不易吸附的空气成份，而氧气是容易吸附的空气成份。9、如权利要求8所述的设备，其中所述的干燥器薄膜系统是一种前置干燥器系统，用于干燥原料空气，从而为所述的变压吸附系统提供干燥的原料空气。10、如权利要求9所述的设备，其中由所述变压吸附系统分离出来的容易吸附的氧气作为干燥的冲洗气体。11、如权利要求6所述的设备，其中所述的变压吸附系统装有氮选择性吸附剂，...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥斯卡威廉哈斯，拉维普拉萨德，詹姆斯斯莫拉列克，
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]