[发明专利]一种改进的生产干燥的高纯氮气的方法和设备

说明书

本发明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。发明人为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防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，在本技术领域中存在着对采用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，本发明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。

本发明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的方法及设备。

本发明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。

根据上述发明目的和其它发明目的，下面将对本发明进行详细说明。本发明的新颖之处将在所附的权利要求书特别予以指明。

本发明采用了与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发明进行详细说明，其中：

图1是本发明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;