[发明专利]一种用原料氮气深冷法生产高纯氮产品的装置及方法

说明书

一种用原料氮气深冷法生产高纯氮产品的装置及方法，所述的装置包括：一个压缩系统，一个精馏塔系统，一个换热系统以及一个膨胀机制冷系统，四者通过管道和阀门相连通，精馏塔系统由一个高纯氮塔、一个塔顶冷凝蒸发器和一个塔底冷凝蒸发器组成；由经所述换热系统换热后的带压氮气作为热源驱动所述高纯氮塔底部液体的蒸发，所述带压氮气被冷凝后的液体与经所述换热系统换热后的带压液氮经节流后作为冷源驱动所述高纯氮塔顶部气体的冷凝，并在高纯氮塔的相应位置获得所需纯度的高纯液氮产品；它具有能生产多种不同纯度要求的液氮产品，减少设备投资，降低设备运行能耗等特点。

技术领域

本发明涉及一种用深冷法从原料氮气中生产高纯氮产品的装置及方法，属于低温精馏制高纯氮技术领域。

背景技术

在电子工业，如半导体集成电路制造中，需要使用高纯氮作为化学反应气的携带气、惰性保护气和封装气。以分子筛净化空气作原料，由常规双塔低温精馏法的空分分离装置得到的氮产品，由于分子筛并不吸附大气中的氢和一氧化碳，且氮和一氧化碳的沸点接近，使得氢和一氧化碳的含量高于大气中氢和一氧化碳的含量。典型的除去氮中杂质以获得高纯氮的方法是氧化催化吸附法，但不论是用于原料空气进分子筛净化前或深冷分离法后得到的氮，冷箱外常温或高温催化吸附法或是位于冷箱内的低温催化吸附法，都至少需要一吸附和再生的吸附容器，且催化剂和吸附剂需周期性进行投资，这些都增加了投资费用；而吸附容器周期性的切换工作，也导致了切换过程中原料气的切换泄露损失。再者，吸附剂的再生需要一定量的热量，也导致了能量的损失。为降低设备投资，减少设备运行能耗，需要能够找到一种设备投资便宜，运行能耗低的装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供了一种结构组成合理，能降低设备投资，减少设备运行能耗的用原料氮气深冷法生产高纯氮产品的装置及方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种用原料氮气深冷法生产高纯氮产品的装置，它至少包括：一个压缩系统，精馏塔系统，一个换热系统以及一个膨胀机制冷系统，四者通过管道和阀门相连通，所述的精馏塔系统由一个高纯氮塔、一个塔顶冷凝蒸发器和一个塔底冷凝蒸发器 组成；所述塔顶冷凝蒸发器出口端有两个通道，一个通道通过管道连通排气通道，另一个通道通过管道连通所述高纯氮塔顶部，即所述精馏塔系统具有供从所述塔顶冷凝蒸发器出口端出来的不凝气体排放的第一通道；所述精馏塔系统还设置有一供从所述塔顶冷凝蒸发器出口端出来的冷凝液体回到所述高纯氮塔顶部的第二通道；

所述塔底冷凝蒸发器冷凝侧的一端通过管道连通主换热器冷端，所述塔底冷凝蒸发器冷凝侧的另一端通过管道和阀门连通所述塔顶冷凝蒸发器的蒸发侧；所述换热系统以及所述膨胀机制冷系统获得的液氮流体可通过管道和阀门连通所述塔顶冷凝蒸发器的蒸发侧；所述塔顶冷凝蒸发器的蒸发侧有供从所述塔顶冷凝蒸发器蒸发的气体引出的通道；

所述膨胀机制冷系统由一个或二个带膨胀叶轮的膨胀端、一个或二个带增压叶轮的增压端以及其他辅助性部件组成；所述膨胀端和所述增压端可以通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接；

所述的换热系统包括一可将纯化、干燥和带压原料氮气的一部分冷却至饱和或近饱和状态的主换热器，所述主换热器冷端设置有一供从所述主换热器复热后去原料压缩机或去低压管网或去放空的气体的第一通道，该所述第一通道冷端入口通过管道直接或经过冷器E2间接连通所述塔顶冷凝蒸发器的蒸发侧；所述主换热器至少设置有一供去所述膨胀端膨胀的气体冷却的第二通道；所述主换热器至少设置有一供去节流阀节流的气体冷却的第三通道；

所述主换热器还可设置有一供所述高纯液氮复热的第四通道。

一种利用上述装置生产高纯氮产品的方法，该方法包括如下步骤：

将纯化、干燥、带压和经膨胀机膨胀后饱和或近饱和状态的氮气的全部或至少部分的进入高纯氮塔中部进行精馏；