本发明专利技术提供一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置和方法，该装置包括主换热器、过冷器、一级精馏塔、二级精馏塔、三级精馏塔和透平膨胀机，出主换热器的原料空气与一级精馏塔底部连接，出主换热器的膨胀空气通过膨胀机膨胀制冷后与二级精馏塔连接；出一级精馏塔的液态空气、液态氮气经过冷后进入二级精馏塔精馏分离，另取一级精馏塔中上部的液态氮气经过冷后进入三级精馏塔精馏分离；在二级精馏塔顶部可制取高纯氮气，三级精馏塔顶部可制取超纯氮气。本发明专利技术制取的高纯氮气与超纯氮气产量在保证各自纯度的前提下可以在一定范围内互换，可以根据市场需求调节高纯氮气与超纯氮气产量，可以更好的适应市场环境。可以更好的适应市场环境。可以更好的适应市场环境。
【技术实现步骤摘要】
一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置和方法
[0001]本专利技术涉及空气分离制备
，具体涉及一种利用空气同时制取超纯氮气和高纯氮气的方法。
技术介绍
[0002]氮气是一种化学性质不活泼的气体，不易与其他物质发生化学反应。因此，氮气作为一种重要的原料，广泛应用于化工、电子、冶金、食品、机械等领域。氮气按照纯度的不同，分为纯氮（≥99.99%）、高纯氮（≥99.999%）和超纯氮（≥99.9999%），不同的领域对氮气的纯度要求不同，随着我国半导体和集成电路等领域发展，对氮气的纯度要求越来越高，对超纯氮的需求也在不断的增加。
[0003]目前国内的研究主要集中在对高纯氮的高效生产，在生产高纯氮的同时提高副产品氧的浓度，如公开号为CN107560320A，名称为一种生产高纯氧和高纯氮的方法及装置的专利技术专利，通过深冷精馏的手段同时制备高纯氧和高纯氮两种产品。公告号为CN105865148B，名称为一种高效生产高纯氧和高纯氮的方法的专利技术专利，可实现高纯氮和高纯氧的同时回收，其中，高纯氮的提取率达到60
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75％，高纯氧的提取率达70％
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72％。然而国内对超纯氮气的研究不多，因此，迫切需要一种制取超纯氮气的方法。
技术实现思路
[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置和方法，在保证各自纯度的前提下可以在一定范围内互换，可以根据市场需求调节高纯氮气与超纯氮气产量，可以更好的适应市场环境。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置，包括主换热器、过冷器、一级精馏塔、二级精馏塔、三级精馏塔和透平膨胀机；各设备之间通过管道相连通，连接关系为：主换热器的原料空气出口通过管道与一级精馏塔底部连接；主换热器的膨胀空气出口通过管道依次连接透平膨胀机、二级精馏塔；所述一级精馏塔的底部设置液态空气出口、中部和顶部分别设置液态氮气出口，一级精馏塔的底部的液态空气出口、中部的液态氮气出口和顶部的液态氮气出口分别通过管道经过冷器后分别连接至二级精馏塔中部、中上部和顶部；所述一级精馏塔的中上部还设置液态氮气出口，一级精馏塔的中上部的液态氮气出口通过管道经过冷器后连接至三级精馏塔，所述三级精馏塔的上部设置超纯氮气出口，三级精馏塔的超纯氮气出口通过管道连接至主换热器，超纯氮气经主换热器加热后排出收集；所述二级精馏塔的顶部设置高纯氮气出口，高纯氮气出口通过管道依次和过冷器、主换热器连接，高纯氮气经主换热器加热后排出收集。
[0006]进一步地，所述一级精馏塔和二级精馏塔之间设置一次冷凝蒸发器，所述一次冷凝蒸发器用于为一级精馏塔提供塔顶回流液、为二级精馏塔提供底部上升蒸汽以及分离一级精馏塔顶部蒸汽中的不凝气体。
[0007]进一步地，所述三级精馏塔底部设置二次冷凝蒸发器；所述主换热器的原料空气出口与一级精馏塔之间的管道设置支管，所述支管经二次冷凝蒸发器后连接至一级精馏塔的底部。
[0008]进一步地，所述三级精馏塔的顶部设置分凝器，用于为三级精馏塔提供回流液以及分离三级精馏塔顶部蒸汽中的不凝气体。
[0009]进一步地，所述二级精馏塔底部设置富氧液空出口，富氧液空出口通过管道连接至三级精馏塔的顶部的分凝器，分凝器的富氧液空蒸汽出口通过管道连接至二级精馏塔的底部。
[0010]进一步地，所述一级精馏塔和二级精馏塔均包括三个精馏段。
[0011]进一步地，所述二级精馏塔中上部设置富氮废气出口，富氮废气出口通过管道依次和过冷器、主换热器连接，富氮废气经主换热器加热后排出收集；所述二级精馏塔底部设置富氧废气出口，富氧废气出口通过管道和主换热器连接，富氧废气经主换热器加热后排出收集。
[0012]本专利技术还提供了一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的方法，采用上述同时制取超纯氮和高纯氮的装置，该方法包括以下步骤：a、净化后的原料空气进入主换热器进行冷却；膨胀空气进入主换热器进行冷却后进入透平膨胀机膨胀制冷，然后送至二级精馏塔的中部；b、冷却后的原料空气由一级精馏塔的底部进入一级精馏塔进行精馏分离，一级精馏塔底部的液态空气送入二级精馏塔的中部，一级精馏塔中部分离出来的液态氮气经过冷器后进入二级精馏塔的中上部再次精馏分离，一级精馏塔顶部分离出来的液态氮气经过冷器后进入二级精馏塔的顶部精馏分离；所述一级精馏塔的中上部分离出来的液态氮气经过冷器后进入三级精馏塔进行精馏分离；c、二级精馏塔顶部产出高纯氮气，高纯氮气依次经过过冷器、主换热器加热后排出收集；d、三级精馏塔顶部产出超纯氮气，超纯经过主换热器加热后排出收集。
[0013]进一步地，所述一级精馏塔的中上部分离出来的液态氮气含氧小于等于9x10
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13
、含氩小于等于0.9ppb、含氢小于等于13.6ppb。
[0014]进一步地，所述一级精馏塔顶部分离出来的液态氮气含氧小于等于1.6x10
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13
、含氩小于等于0.25ppb，含氢小于等于104ppb。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：1、本专利技术制取的高纯氮气与超纯氮气产量在保证各自纯度的前提下可以在一定范围内互换，可以根据市场需求调节高纯氮气与超纯氮气产量，可以更好的适应市场环境。
[0016]2、本专利技术仅需要在原有的制取高纯氮气的装置基础上改进即可实现同时制取超纯氮气和高纯氮气，成本低，适合规模推广与生产。
[0017]3、本专利技术方法实现了一种低温精馏制取超高纯氮气，氮气纯度提高到了99.9999%，超纯氮气含氧小于等于2.1x10
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13
（0.00021ppb）、含氩小于等于3.7x10
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10
（0.37ppb）、含氢小于等于4.5x10
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10
（0.45ppb）、含氦小于等于6.2x10
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10
（0.62ppb）、含氖小于等于3.1x10
‑8（31ppb）、含甲烷小于等于零。
附图说明
[0018]图1是本专利技术的一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置的结构示意图；附图中标号为：1为主换热器，2为过冷器，3为一级精馏塔，4为一次冷凝蒸发器，5为二级精馏塔，6为三级精馏塔，7为分凝器，8为二次冷凝蒸发器，9为透平膨胀机，101、102、103、104、105、106、201、202、203、204、205、206、301、302、303、304、305、306、401、402、403、501、502、503、601、602、603均为管道。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步说明。
[0020]如图1所示，一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置，包括主换热器1、过冷器2、一级精馏塔3、二级精馏塔5、三级精馏塔6和透平膨胀机9；各设备之间通过管道相连通，连接关系为：主换热器1的原料空气出口通过管道101连接至本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置，其特征在于，包括主换热器（1）、过冷器（2）、一级精馏塔（3）、二级精馏塔（5）、三级精馏塔（6）和透平膨胀机（9）；各设备之间通过管道相连通，连接关系为：主换热器（1）的原料空气出口通过管道与一级精馏塔（3）底部连接；主换热器（1）的膨胀空气出口通过管道依次连接透平膨胀机（9）、二级精馏塔；所述一级精馏塔（3）的底部设置液态空气出口、中部和顶部分别设置液态氮气出口，一级精馏塔（3）的底部的液态空气出口、中部的液态氮气出口和顶部的液态氮气出口分别通过管道经过冷器（2）后分别连接至二级精馏塔（5）中部、中上部和顶部；所述一级精馏塔（3）的中上部还设置液态氮气出口，一级精馏塔（3）的中上部的液态氮气出口通过管道经过冷器（2）后连接至三级精馏塔（6），所述三级精馏塔（6）的上部设置超纯氮气出口，三级精馏塔（6）的超纯氮气出口通过管道连接至主换热器（1），超纯氮气经主换热器（1）加热后排出收集；所述二级精馏塔（5）的顶部设置高纯氮气出口，高纯氮气出口通过管道依次和过冷器（2）、主换热器（1）连接，高纯氮气经主换热器加热后排出收集。2.根据权利要求1所述的一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置，其特征在于，所述一级精馏塔（3）和二级精馏塔（5）之间设置一次冷凝蒸发器（4），所述一次冷凝蒸发器（4）用于为一级精馏塔（3）提供塔顶回流液、为二级精馏塔（5）提供底部上升蒸汽以及分离一级精馏塔（3）顶部蒸汽中的不凝气体。3.根据权利要求1所述的一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置，其特征在于，所述三级精馏塔（6）底部设置二次冷凝蒸发器（8）；所述主换热器（1）的原料空气出口与一级精馏塔（3）之间的管道设置支管，所述支管经二次冷凝蒸发器（8）后连接至一级精馏塔（3）的底部。4.根据权利要求1所述的一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置，其特征在于，所述三级精馏塔（6）的顶部设置分凝器（7），用于为三级精馏塔（6）提供回流液以及分离三级精馏塔（6）顶部蒸汽中的不凝气体。5.根据权利要求4所述的一种同时制取超纯氮气和高纯氮气的装置，其特征在于，所述二级精馏塔（5）底部设置富氧液空出口，富氧液空出口通过管道连接至三级精馏塔（6）的顶部的分凝器（7），分凝器（7）的富...
【专利技术属性】
技术研发人员：张世田，孙兴力，周明亮，
申请(专利权)人：河南开元空分集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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