高纯度氮气制取装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种高纯度氮气制取装置，主要包括：两个吸附塔和至少一个产品气缓冲罐；至少一个可选择性地向每个吸附塔提供原料气并能控制进气速率的进料管线；其特征在于还包括：至少一个连接在各吸附塔进料端之间控制物料转移并限制物料转移流率的管线；至少一个连接在各吸附塔进料端之间直接用于卸压废排的管线；防氧迁移平衡罐通过防迁移总控阀和各防迁移分控制阀与各吸附塔产物端连通；产品气缓冲罐通过产品气总控阀和各产品气分控制阀与各吸附塔产物端连通；防氧迁移平衡罐与产品气缓冲罐通过控制氧迁移输出阀相连通。本装置自启动开始，产出９９．９９５％的氮气仅需１５分钟，具有很好的应用意义。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于气体分离
，涉及一种能有效控制产物端污染的以变压吸 附(Pressure Swing Adsorption, PSA)技术制取高纯度氮气的装置。
技术介绍
基于动力学分离方法的PSA制氮过程能够以相对低廉的费用方便地生产氮气，但 是，迄今为止，本专业的技术人员进行过多方面的尝试，试图以低廉的装置成本以提高吸附 装置的效率，以达成尽量高的产能、最低的原料气体消耗量、较低的制造成本、长期稳定的 运行、减少维护费用、尽可能小的体积……等等前提下直接自空气中提取高纯度氮气，但是 均未获得满意的结果。尤其是采用在大气压下进行再生的简易装置时，所能达到的产品氮 气纯度均被限制在99. 9995%之内的纯度，而且，往往效率不高。已有的研究表明，生产高纯度氮气的最大挑战在于如何以最小的消耗获得高纯度 氮气，已知均压是提高回收率卓有成效的方法，尤其是以带中床均压的方法，对制取高纯度 氮气更有益，在各种带中床均压的方法中，以中国专利公开号CN1185577A为典型，全面揭 示了包括中床均压在内的各种气体转移可以有效提高回收率的方法，以较小的代价获得高 纯度氮气，但是，本专业的技术人员会了解，即使很小心的气体转移也会带来产物端的污 染，只是程度不同而已，如何控制产物端污染的方法该专利未曾提，而控制产物端污染的程 度，是制取高纯度氮气最重要的一环。中国专利公开号CN1235861A披露了一种变压吸附制取高纯氮气的方法和装置， 可以直接自空气中获得高纯度氮气，也即专利所说的PPm级气体，其中的ppm指产品气中含 有的微量氧气，在其描述的方法中解释了传统装置中为提高产品回收率采用的均压过程中 通过吸附塔进料端与进料端、产物端与产物端之间的气体转移会导致塔一端混合气进气口 区域的低纯度气体直接进入另一塔吸附剂的下部吸附层段，使下部吸附层段吸附剂的瞬间 吸附量极大，从而造成吸附效果不佳，无法制备高纯度产品气，同时由于均压效果不彻底而 降低了产品气回收率，同时降低吸附剂利用率，加大了制取单位产品气的能耗；该专利在传 统装置基础上增加了阶梯均压管路，均压或者说气体转移分2步也即首先使一只填料塔 的中部纯度相对原料气较高的气体导入再生即将完毕的另一只填料塔下部，再经上、下均 压，这样气体转移的结果，使该塔内不会加大吸附剂的瞬间吸附量，从而可以制得高纯度产 品气，而且经两次均压后均压彻底，提高产品率回收率与吸附剂利用率，同时相对单位产品 气降低了能耗；但显然，该专利描述的装置和方法与中国公开号为CN1185577A的美国申请 的中床气体转移方法基本一致，也未曾提及控制气体转移带来的产物端污染解决问题。此外，中国专利公告号CN 201263957Y披露了一种按浓度梯度中/顶均压高纯氮 PSA系列制氮系统，揭示了吸附塔内浓度梯度的控制在制取高纯氮方面的作用，而显然，与 上述方式一样，该专利仅以此中床均压方式来实现气体转移难以达成有效的抑制产物端污 染程度。以上描述部分揭露了现有技术的不足，这些不足导致现有技术的变压吸附制氮方法和设备所制取的氮气纯度仍然限制在99. 995%以内。虽然控制气体转移技术使得系统回收率得以提高，使PSA制取高纯氮更为经济。 但是，即使很小心的、很有效的控制转移步骤也将不同程度的污染产物端，这直接制约系统 制取的产品氮气纯度以及系统启动速度(自开启到产出合格产品气的时间)，现有技术的 产品气纯度均限制在99. 9995%以内，系统启动时间大于1. 5小时，产气效率低。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术不足而提供一种采用变压 吸附方法、通过控制目标气体转移、抑制和防止氧迁移、有效控制产物端污染的高纯度氮气 制取装置。进一步的，本技术所要解决的另外一个技术问题是提供一种启动速度快、快 速产气的高纯度氮气制取装置。本方法和装置所要制取的高纯度氮气是以空气为原料，采用变压吸附方法 (Pressure Swing Adsorption，PSA)来生产至少具有99. 995%纯度以上的氮气，优选的，是 纯度超过99. 9995%以上直到99. 99995%的高纯度氮气，但本装置可以从空气中分离95 99. 995%的氮气；本技术为解决上述技术问题所采用的技术方案为高纯度氮气制取装置，主要包括以下部分两个或两个以上并列设置的、内部装填有碳分子筛的吸附塔；至少一个产品气缓冲罐；至少一个可选择性地向每个吸附塔提供原料气并能控制进气速率的进料管线；所 述进料管线上设置有分别控制各塔进料的分进气控制阀和控制总进料速率的总进气控制 阀；其特征在于还包括至少一个防氧迁移平衡罐；至少一个连接在各吸附塔进料端之间、可在各吸附塔进料端之间控制物料转移并 限制物料转移流率的管线，该管线上设置有总转移控制阀和分别控制各塔进料端物料转移 流率的分转移控制阀；至少一个连接在各吸附塔进料端之间直接用于卸压废排并能控制卸压速率的管 线，该管线上设置有总卸压控制阀和分别控制各塔进料端卸压速率的分卸压控制阀；至少一个管线设置在各吸附塔产物端之间，并在该管线上设置分别控制各吸附塔 产物端的防迁移分控制阀，防氧迁移平衡罐通过防迁移总控阀和各防迁移分控制阀与各吸 附塔产物端连通以控制清洗流率；至少一个管线设置在各吸附塔产物端之间，并在该管线上设置分别控制各吸附塔 产物端的产品气分控制阀，产品气缓冲罐通过产品气总控阀和各产品气分控制阀与各吸附 塔产物端连通以控制清洗流率；防氧迁移平衡罐与产品气缓冲罐通过控制氧迁移输出阀连通。还单独设置一个连接吸附塔产物端并能控制产物端之间物料转移的管线，所述管 线上设置有气动控制阀。所述的防氧迁移平衡罐内装填有氧吸附剂；或者对一些纯度要求不是非常高的应 用场合，所述的防氧迁移平衡罐装填沸石或者是未加装填填料的空的平衡罐。按上述方案，上述装置还具有至少一个对称的连接其中一个吸附塔吸附床层中部 与另一吸附塔进料端、并能控制其中物料转移的速率的管线，以便进行中点转移。本技术的装置，通过如下增强的控制目标气体转移的循环步骤以及有效的防 止氧迁移的方法实现高纯度氮气的制取，具体按照以下工艺(以两吸附塔流程加以说明， 卸压与进料端转移控制转移管线合并，卸压与进料端转移控制阀共用；以150s循环进行变 压吸附操作)原料空气经过预处理除去空气中的水份、油份以及固体颗粒后连通进料管线。当第一塔处于吸附饱和即将切换时具有的高压力，即吸附压力，典型的，如8bar， 即将进行的第一塔向第二塔由高压床向低压床的气体转移按照如下顺序进行，这种加以控 制的气体转移过程最大程度的减少了“第一氧迁移过程，控制迁移”，而且，视产品纯度的要 求，转移是可控制调节的这一特点也使得系统具有更为宽广的调节范围第1步，完全关闭第一防迁移总控制阀，打开并且调节第一和第二防迁移分控制 阀至合适的开度，将第一塔的产物端与第二塔的产物端连通，自第一塔产物端向第二塔的 产物端进行加以控制流速的气体转移；第2步，继续执行第1步，与此同时，打开并调节第一和第二分卸压控制阀至合适 的开度，并适当开启总卸压控制阀进行加以控制的低流速排空，这样的转移结果，将第一塔 进料端与第二塔进料端连通进行了部分气体的转移，更为重要的是防止了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高纯度氮气制取装置，主要包括：两个或两个以上并列设置的、内部装填有碳分子筛的吸附塔；至少一个产品气缓冲罐；至少一个可选择性地向每个吸附塔提供原料气并能控制进气速率的进料管线；所述进料管线上设置有分别控制各塔进料的分进气控制阀和控制总进料速率的总进气控制阀；其特征在于还包括：至少一个防氧迁移平衡罐；至少一个连接在各吸附塔进料端之间、可在各吸附塔进料端之间控制物料转移并限制物料转移流率的管线，该管线上设置有总转移控制阀和分别控制各塔进料端物料转移流率的分转移控制阀；至少一个连接在各吸附塔进料端之间直接用于卸压废排并能控制卸压速率的管线，该管线上设置有总卸压控制阀和分别控制各塔进料端卸压速率的分卸压控制阀；至少一个管线设置在各吸附塔产物端之间，并在该管线上设置分别控制各吸附塔产物端的防迁移分控制阀，防氧迁移平衡罐通过防迁移总控阀和各防迁移分控制阀与各吸附塔产物端连通以控制清洗流率；至少一个管线设置在各吸附塔产物端之间，并在该管线上设置分别控制各吸附塔产物端的产品气分控制阀，产品气缓冲罐通过产品气总控阀和各产品气分控制阀与各吸附塔产物端连通以控制清洗流率；防氧迁移平衡罐与产品气缓冲罐通过控制氧迁移输出阀相连通。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金正涛，林南平，王俊新，李松，徐隽霏，曹红波，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]