生产超高纯氮和超高纯氧的低温精馏系统技术方案

一种采用主塔、辅塔和汽提塔通过进料空气的低温精馏生产高回收率的超高纯氮和超高纯氧的系统，其中汽提塔是通过主塔釜液驱动的且在辅塔内产生的附加工艺流体被用于主塔内。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及进料空气的低温精馏以生产氮和氧，更具体地，本专利技术涉及如电子工业所需要的超高纯产品。在对杂质非常敏感的制造工艺中，如生产半导体和其他的电子器件，需要超高纯氮，尤其是高压的。通过进料空气的低温精馏可有效地进行超高纯氮的生产。近来在所述制造工艺中，除了超高纯氮以外，还出现了使用超高纯氧的要求。超高纯氧可以使用生产超高纯氮的惯用低温精馏装置进行生产，但是这样的系统与供生产任何指定数量氮的常规超高纯氮的装置相比，降低了超高纯氮的回收从而导致能源消耗的增加。由此，本专利技术的目的在于提供一种低温精馏系统，该系统在使用至今已知系统的经验减小氮回收和能源消耗损失的同时，还能生产超高纯氮和超高纯氧。本专利技术可以达到上述和其他目的，这些对所属
的技术人员来说，在阅读本说明书的公开之后将是明显的，本专利技术的一个方面是一种通过进料空气的低温精馏生产超高纯氮和超高纯氧的方法，包括(A)第一进料空气进入主塔并且该第一进料空气在该主塔内通过低温精馏分离成富氧流体和更富氮流体；(B)第二进料空气进入辅塔并且该第二进料空气在该辅塔内通过低温精馏分离成富氮流体和更富氧流体；(C)富氮流体从辅塔流入主塔的上部；(D)含氧流体进入汽提塔上部再迎着上流蒸汽向下流过汽提塔以便在该汽提塔的下部产生超高纯氧流体；(E)通过与富氧流体的间接热交换蒸发-部分超高纯氧流体以产生所述上流蒸汽；(F)回收作为产品超高纯氧的另一部分超高纯氧流体；和(G)回收作为产品超高纯氮的更富氮流体。本专利技术的另一方面是通过进料空气的低温精馏生产超高纯氮和超高纯氧的设备，包括(A)具有顶部冷凝器的主塔和进料空气进入该主塔用的装置；(B)具有顶部冷凝器的辅塔和进料空气进入该辅塔用的装置；(C)具有塔底再沸器的汽提塔；(D)用于流体从主塔下部进入主塔顶部冷凝器和从该主塔顶部冷凝器进入汽提塔塔底再沸器的装置；(E)用于流体从辅塔上部进入辅塔顶部冷凝器和从辅塔顶部冷凝器进入主塔上部的装置；(F)用于流体从主塔和辅塔中至少一个塔进入汽提塔上部的装置；和(G)由汽提塔的下部回收超高纯氧用的装置，和由主塔上部回收超高纯氮用的装置。当用于本专利技术时，术语“进料空气”指主要含氧和氮的混合物，如环境空气。当用于本专利技术中时，术语“塔”指的是蒸馏或分馏塔或区，即接触塔或区，其中液相和气相通过在一系列重复放置的塔盘或装在塔内的塔板和/或填料元件如结构填料或无规填料上逆流接触以进行流体混合物的分离。为进一步讨论蒸馏塔，可参见化学工程师手册，第五版，R.H.佩里和C.H.奇尔顿编，麦格劳-希尔图书公司，纽约，第13章，连续蒸馏工艺过程(See the Chemical Engineer′s Handbook,fifth edition,editedby R.H.Perry and C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,NewYork,Section 13,The Continuous Distillation Process)。气液接触分离工艺过程取决于各成分蒸汽压的差别。高蒸汽压(或更易挥发或低沸点)，成分倾向在气相中浓集而低蒸汽压(或不易挥发或高沸点)的成分倾向在液相中浓集。部分冷凝是一种分离过程，借此蒸汽混合物的冷却可用于浓集可挥发成分(一种或多种)于气相中和由此减少液相中的可挥发成分(一种或多种)。精馏，或连续蒸馏，是一种通过逆流处理气液相时所获得的连续部分蒸发和冷凝结合起来的分离过程。气液相的逆流接触通常是绝热的并且包括积分(分级)或微分(连续)相间的接触。利用精馏原理分离混合物的分离过程装置常常被可互换地称作精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏是一种至少部分温度在150度或低于150度开氏温度(K)下进行的精馏过程。当用于本专利技术中时，术语“间接热交换”意指使两股流体进行热交换但无任何物理接触或流体彼此之间的混合。当用于本专利技术中时，术语“顶部冷凝器”意指能从塔的蒸汽产生塔的下流液体的热交换装置。当用于本专利技术中时，术语“塔底再沸器”意指能从塔的液体产生塔的上流蒸汽的热交换装置。当用于本专利技术中时，术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机”分别指高压气体流经涡轮机以降低气体的压力和温度并由此产生致冷效果的方法和设备。当用于本专利技术中时，术语“上部”和“下部”意指塔中点以上和以下相应塔的部分。当用于本专利技术中时，术语“汽提塔”意指相对于液体下流有足够的蒸汽上流的情况下操作的塔，以便能实现从液体中把可挥发性成分分离成为可挥发性成分逐渐向上富集的蒸汽。当用于本专利技术中时，术语“超高纯氮”意指氮浓度至少为99.99摩尔％和氧浓度低于百万分之一(ppm)，优选低于0.1ppm的流体。当用于本专利技术中时，术语“超高纯氧”意指氧浓度至少为99.99摩尔％的流体。附图说明图1是本专利技术低温精馏系统一个最佳实施方案的示意图。图2是本专利技术低温精馏系统另一个最佳实施方案的示意图。图3是本专利技术低温精馏系统又一个最佳实施方案的示意图。附图中的数字就通用元件而言是相同的。在实施本专利技术时，在低于主塔压力下操作的辅塔是与超高纯氧汽提塔公开操作的，因为汽提塔是通过来自主塔的流体再沸的。这一点能使辅塔在更低的压力下也能操作，因此改善了来自主塔，总的来说最终是来自本系统的氮回收。下文将参照附图对本专利技术作更详细地描述。现见附图1，进料空气1被分成第一进料空气流2和第二进料空气流3。第一进料空气流2通过在一次热交换器4中与返回流体的间接热交换被冷却，所得到的冷却第一进料空气流5进入主塔的下部。第二进料空气流3通过流经压缩机7压缩，压缩过的第二进料空气流8通过部分经过一次热交换器4冷却。冷却压缩过的第二进料空气流9通过流经涡轮膨胀机10而涡轮膨胀，所得到的涡轮膨胀过的第二进料空气流11进入辅塔12的下部。主塔6在95-180磅/英寸2绝对压力(psia)范围内的压力下运行。在主塔6内，第一进料空气通过低温精馏被分离成富氧流体和更富氮流体。富氧流体作为液流13从主塔6的下部排出再通过部分流经一次热交换器4被过冷。所得到的过冷富氧的液体14再流入主塔顶部冷凝器15的沸腾侧。更富氮流体作为气流16从主塔6的上部排出而其部分17进入顶部冷凝器15的冷凝侧，其中它通过与部分蒸发的富氧液体的间接热交换被冷凝。所得到的更富氮液体以流体18作为回流液进入主塔6的上部。所得到的富氧蒸汽，以流体19从主塔顶部冷凝器15排出且其部分20流入辅塔12的下部。辅塔12在低于主塔6的压力下操作且压力范围为45-65 psia。在辅塔12内进入该塔的进料通过低温精馏被分离成富氮流体和更富氧流体。更富氧流体作为液流21由辅塔12的下部排出并进入辅塔顶部冷凝器22的沸腾侧。富氧液体以流体23从顶部冷凝器15同样进入顶部冷凝器22的沸腾侧。作为在下面将进一步讨论的，取自超高纯汽提塔塔底再沸器的第三流体24，也进入顶部冷凝器22的沸腾侧。富氮流体作为气流25从辅塔12的上部进入辅塔顶部冷凝器22的冷凝侧，它在其中通过与流入顶部冷凝器22沸腾侧的流体间接热交换被冷凝。所得到的富集氮液体作为流体26从顶部冷凝器22排出其部分27作为因流液返回辅塔12。富氮液体的第二部分28通过流经泵29用泵压高到较高的压力，所得到的加压富氮液体30作为附加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过进料空气的低温精馏生产超高纯氮和超高纯氧的方法，包括： （Ａ）第一进料空气进入主塔，且该第一进料空气在该主塔内通过低温精馏分离成富氧流体和更富氮流体； （Ｂ）第二进料空气进入辅塔，且该第二进料空气在该辅塔内通过低温精馏分离成富氮流体和更富氧流体； （Ｃ）来自辅塔的富氮流体进入主塔的上部； （Ｄ）含氧流体流入汽提塔的上部，并且迎着上流蒸汽向下流过汽提塔以便在汽提塔的下部产生超高纯氧流体； （Ｅ）通过与富氧流体的间接热交换蒸发部分超高纯氧流体以便产生所述的上流蒸汽； （Ｆ）回收作为产品超高纯氧的另一部分的超高纯氧流体；和 （Ｇ）回收作为产品超高纯氮的更富氮流体。

【技术特征摘要】
US 1998-2-17 09/0241961．一种通过进料空气的低温精馏生产超高纯氮和超高纯氧的方法，包括(A)第一进料空气进入主塔，且该第一进料空气在该主塔内通过低温精馏分离成富氧流体和更富氮流体；(B)第二进料空气进入辅塔，且该第二进料空气在该辅塔内通过低温精馏分离成富氮流体和更富氧流体；(C)来自辅塔的富氮流体进入主塔的上部；(D)含氧流体流入汽提塔的上部，并且迎着上流蒸汽向下流过汽提塔以便在汽提塔的下部产生超高纯氧流体；(E)通过与富氧流体的间接热交换蒸发部分超高纯氧流体以便产生所述的上流蒸汽；(F)回收作为产品超高纯氧的另一部分的超高纯氧流体；和(G)回收作为产品超高纯氮的更富氮流体。2．按权利要求1所述的方法，其中含氧流体包括更富氧流体。3．按权利要求1所述的方法，其中含氧流体包括富氧流体。4．按权利要求1所述的方法，进一步包括富氧流体从主塔进入辅塔。5．按权利要求1所述的方法，进一步包括由辅...

【专利技术属性】
技术研发人员：KJ波特姆帕，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]