氮气的生产方法

本发明一般涉及空气低温蒸馏的方法，特别涉及用于生产至少一 种富氮蒸气产品的所述方法。

氮气是最重要的工业用气之一。向一种工艺过程或用户供应氮气 的常用途径是用户站。通常，液氮是用低温空气分离厂的罐车或液化 器运输到用户所在地，将液氮储存在容器中，非强制地泵到所希望的 压力，然后在环境蒸发器中蒸发。这种方法在热力学上效率非常低。 但是，这种设备便宜并可靠。

另一种在用户所在地生产氮气的常用方法是低温空气分离装置。 使空气纯化以除去可在低温蒸馏柱中凝固的水、CO2、N2O和其它污染 物，在热交换器中冷却至接近其低温饱和温度(该温度为大部分污染 物除去后空气开始液化的温度)，然后在低温蒸馏柱中分离为氮气产物 和富氧产物。进行冷却以防产物流返回。这种方法在热力学上非常有 效，但是设备昂贵。冷却是通过在涡轮机中一种物流的等熵膨胀来实 现，或者另一种较便宜的方法，通过注入液氮来实现冷却。注入液氮 要求将液氮运到所在地，并将液氮储存在罐车中。通常需要用户站作 为支持系统。

“低温饱和”是指：如果冷却，一部分气体转变为液体时气体的 状态。这种液体包含低温饱和气体中所含有的主要成分。这种情况不 同于环境饱和(ambient saturation)，在环境饱和中所得到的液体包含蒸 气中所含有的次要成分和/或杂质。

“制冷剂”是指在规定为低于-110的低温下通常继续存在的液 体。

美国专利6,202,422(Brugerolle)公开了一种与燃气轮机一体化的空 气分离装置。这篇专利公开了一种氮气洗涤柱，在氮气洗涤柱中，液 氮被抽到柱的顶部，来自燃气轮机压缩机中的空气被净化，以除去可 在低温蒸馏柱中凝固的水、CO2和其它污染物。使净化空气冷却至接近 其低温饱和温度的温度处，然后将其引入柱的底部。来自燃气轮机压 缩机的空气处于相对高的压力，这降低了净化装置的费用。从柱的顶 部回收气态氮气产物，逆着供入空气流的方向对气态氮气产物进行加 热，然后用于燃气轮机。

美国专利6,276,171(Brugerolle)和WO 00/60294(Brugerolle)公开了 一种与空气分离装置一体化的氮气洗涤柱。进入洗涤柱的空气可来自 于单独的压缩机。使空气净化以除去可在低温蒸馏柱中凝固的水、CO2和其它污染物，净化空气在单独的热交换器中逆着氮气产物的方向进 行冷却。该系统和方法的目的在于：1)提高空气分离装置的氧气和氮气 生产，2)能够相互独立地操作空气分离装置和氮气洗涤柱。例如，在空 气分离装置关闭时，液氮从罐车进入氮气洗涤柱，贫氮液体可储存在 另一个罐车中，当空气分离装置回到线上时贫氮液体返回到空气分离 装置中。单独的热交换器、压缩机和空气净化器有助于完成这项任务。 该方法是前面所讨论的热力学效率高的低温空气分离方法的改变。

在工业中，有很多方法常用于净化进入空气分离装置(例如氮气 洗涤柱)的空气。一种方法是分子筛或活性氧化铝吸附装置，它们吸 附可在热交换器中凝固的水、CO2、N2O和其它污染物。为了再生，该 方法要求低压气流。另一种方法是逆流换热器或交流换热器。在热交 换器中，通过与一个或多个低温蒸气产品交换热量，使进入的空气从 接近环境温度冷却至接近低温饱和温度，污染物冻结在热交换器中。 一种装置在生产中而另一种装置正在革新中。具有或不具有热交换器 的吸附装置，或者逆流换热器都很贵。

希望有一种改进的生产富氮蒸气产品的方法。

另外希望有一种更有效的生产富氮蒸气产品的方法。

更进一步希望有一种更有效和改进的生产富氮蒸气产品的方法， 该方法克服了现有技术方法的难题和缺点，得到更好和更有利的结果。

                         发明简述

本发明是一种由富氮液体生产富氮蒸气产品的方法和系统。这种 方法和系统存在几种变化。

采用净化装置和带蒸馏区的蒸馏柱的该方法包括多个步骤。第一 步是向第一位置的蒸馏区供入至少一部分的富氮液体。第二步是向净 化装置供入包含氮气和至少一种污染物的气体气流，在净化装置中气 体被低温液体冷却，因此至少一种污染物的至少一部分冷凝、固化或 液化。第三步是最后向第一位置下面的第二位置处的蒸馏区供入至少 一部分来自净化装置的冷却气体。第四步是从蒸馏区提取富氮蒸气产 物流。第五步是从蒸馏区提取贫氮液体流。

在这种方法的一种改变中，至少一部分低温液体是至少一部分的 贫氮液体流。在另一种改变中，净化装置位于蒸馏柱的内部，而在另 一种改变中净化装置位于蒸馏柱的外部。在又一种改变中，包含氮气 的气体包括空气，而在另一种改变中包含氮气的气体含有不同于大气 组分的组分。

由富氮液体生产富氮蒸气产品的系统包括多个元件。第一个元件 是用于盛装富氮液体的装置。第二个元件是在蒸馏柱的内部含有蒸馏 区的蒸馏柱。第三个元件是与蒸馏柱流体连接的净化装置。第四个元 件是用于向第一位置的蒸馏区供入至少一部分富氮液体的装置。第五 个元件是一定量的包含氮气和至少一种污染物的气体的供应装置。第 六个元件是用于最后向净化装置供入气体气流的装置，在净化装置中 气体被低温液体冷却，因此至少一种污染物的至少一部分冷凝、固化 或液化。第七个元件是用于从蒸馏区提取富氮蒸气产物流的装置。第 八个元件是用于从蒸馏区提取贫氮液体流的装置。

在这种系统的一种改变中，至少一部分低温液体是至少一部分的 贫氮液体流。在另一种改变中，净化装置位于蒸馏柱的内部，而在另 一种改变中净化装置位于蒸馏柱的外部。在又一种改变中，包含氮气 的气体包括空气，而在另一种改变中包含氮气的气体含有不同于大气 组分的组分。

                         附图简述

参考附图，通过实施例对本发明进行描述，在附图中：

图1是本发明一个实施方案的示意图；

图2是本发明第二个实施方案的示意图；

图3是本发明第三个实施方案的示意图；

图4是本发明第四个实施方案的示意图；

图5是本发明第五个实施方案的示意图；

图6是本发明第六个实施方案的示意图；

图7是本发明第七个实施方案的示意图。

                         发明详述

图1说明了本发明的一个实施方案。含氮气和氧气的气流100在 压缩机102中进行压缩。所得到的压缩气流104可在后冷却器或冷却 器(未示出)中冷却。在此处出现的所有冷凝物都可在分相器(未示 出)中除去。然后将气流104注入低温蒸馏柱140的底部，在这里气 流104和来自蒸馏柱蒸馏区的第一个富氧液流130直接接触，并蒸发 一部分贫氮液体。存在于气流104中的所有污染物在纯化装置106中 至少部分被冷凝、固化或液化，纯化装置106的构件可包括但不限于 塔盘(trays)、结构填料、无规填料、蒸气喷雾器、喷雾嘴、筛网、粗滤 器、过滤器或去雾器，这些构件可单独或组合应用。纯化装置也可改 善蒸馏柱底部的热和/或质量传递，并可进行部分蒸馏分离。从储罐110 中取出的富氮液流112用泵114增压至较高的压力，然后作为液流116 被引入到蒸馏柱140的顶部。富氮蒸气产物流120从蒸馏柱的顶部提 取。第二贫氮液体从蒸馏柱的底部提取，并作为液流132被排出，液 流132包括含氮气流104中存在的所有污染物的至少一部分。这些污 染物可包括但不限于水、CO2、N2O、烃或它们的混合物。

在蒸馏柱140的蒸馏区中进行蒸馏的主接触装置可包括，但不限 于结构填料、无规填料、蒸馏塔盘、与蒸气直接接触的液体喷雾器或 这些装置的组合。

在蒸馏柱140不运转时，通过将来自压缩机102的含氮气体吹过 蒸馏柱，可以使净化装置106和其余蒸馏柱得到清洗或除霜。旁路的 压缩机后冷却器(未示出)可用来控制含氮气流104的温度。

非必要的蒸发器118可用来直接蒸发至少一部分的富氮液流112， 以在富氮蒸气流120中生成至少一部分的气体产品。当蒸馏柱140不 运转或在补充蒸馏柱产品时，也可使用蒸发器。蒸发器类型可包括但 不限于环境或水浴蒸发器。

图2说明了本发明的另一个实施方案。为简单起见，在图2中保 留了来自图1不变的装置和物流号码。在包括净化装置106的容器208 中，压缩的含氮气流104与来自蒸馏柱140的第一个富氧液流130接 触。所得到的净化蒸气流210进入蒸馏柱中。气流210比气流104温 度低。理想的情况是气流210处于其低温饱和温度。在液流132中排 出第二个富氧液，液流132包含所有污染物的至少一部分。如果需要， 可以用泵抽液流130。

在容器208中或净化装置106构件上收集的污染物，可连续或定 期予以清除。这可通过从线路上取下该装置，用来自压缩机102的含 氮气体或用另一种气体吹干净来实现，或通过其它方法来实现。可使 用两个互换的容器。也可以将容器208置于蒸馏柱140里面，优选置 于蒸馏区下面。

图3说明了本发明的另一个实施方案。液流334是第一个富氧液 流130的一部分，通过与液流334进行间接热交换，使压缩的含氮气 流104在容器308内的净化装置106中冷却。气流104中的所有污染 物至少部分冷凝或固化，所得到的净化气流310进入蒸馏柱140中。 液流130的另一部分即液流332被排出。液流334至少部分蒸发，并 作为气流336返回蒸馏柱140中。如果液流334仅仅是部分蒸发，则 在蒸气部分返回蒸馏柱时液体部分390也可排出。也可能使整个液流 130通过净化装置106，然后排出液体部分，蒸气部分返回到蒸馏柱。 这可能需要使用分相器或竖管(未示出)。

作为另一种选择，用作冷却的液流334可以不是液流130的一部 分，而是另一种低温液体，例如是富氮液流116的至少一部分。所得 到的富氮蒸气可以和富氮蒸气产品气流120合并。

如图3所示，净化装置106包含在容器308内。净化装置的传热 面可以是简单的或同心线圈，或较复杂的热交换器，也可以是工业上 称为蒸气回收系统的装置。净化装置的其它构件可包括但不限于筛网、 粗滤器、过滤器或去雾器，这些构件可单独或组合应用。在容器308 中或净化装置106构件上收集的污染物，可连续或定期予以清除。这 可通过从线路上取下该装置，用来自压缩机102的含氮气体或用另一 种气体吹干净来实现，或通过其它方法来实现。可使用两个互换的净 化器。也可以将容器308置于蒸馏柱140里面，优选置于蒸馏柱蒸馏 区的下面。

图4说明了本发明的另一个实施方案。压缩的含氮气流104通过 预净化器408，然后作为气流410进入分配柱140。通常预净化器408 可用来将气流104中可能存在的大量水排除在液流490中。预净化器 也可用来除去含氮气体中的一部分氧气，使气流104中的氮气浓缩。 事实上，预净化器能用于除去水和氮气富集。在这种情况下，可以使 用多个预净化器。虽然其它的污染物，如二氧化碳(CO2)、一氧化二 氮(N2O)和烃通常在净化装置106中除去，该净化装置可置于蒸馏柱 140的里面或外面，并可以是前面所描述的任何类型，本领域的普通技 术人员将认识到预净化器可用来除去/清除所有杂质(如水、CO2、N2O或烃)中的一部分，同时使或不使进料中的氮气富集(除去氧气)。然 后净化装置可将所有残存的污染物除去到可接受的水平。所使用的预 净化器类型可包括但不限于膜分离装置或吸附装置。膜分离装置可设 计成单膜，或包括若个相同类型或不同类型膜以串联或并联方式排列 的复合装置。它可以除去/清除一种成分(如水、氧气)的至少一部分 或若干成分的至少一部分。

图5说明了本发明的另一个实施方案，该实施方案使用了带冷凝 器的蒸馏柱140。低温液流534即在蒸馏柱140的蒸馏区中产生的第一 个富氧液流130的一部分，进行减压并至少部分蒸发，以防来自气流 536的蒸馏区顶部的蒸气冷凝。不同的低温液体也可用于冷却。冷凝可 以在蒸馏柱里面或在一个单独的容器中进行。冷凝物返回到蒸馏柱中 或返回到储存容器如储罐110中。

可采用的冷凝器的种类包括但不限于管壳式换热器、翅片板式换 热器(plate-and-fin heat exchanger)、铜焊的芯体(brazed core)、或类似于 那些用于在罐中使蒸汽再凝结的简单装置。它可以是单个或同心线圈， 或翅片管。

图6说明了本发明的另一个实施方案，该实施方案采用了带过冷 却器600的蒸馏柱140。低温液流634即在蒸馏柱140的蒸馏区中产生 的第一个富氧液流130的一部分，进行减压并在产生气流636的过冷 却器600中至少部分蒸发。不同的低温液体也可用于冷却。富氮液流 116在过冷却器中与液流634间接热交换，而达到低温冷却，然后进入 蒸馏柱140。可使用的过冷却器的种类包括但不限于管壳式换热器、翅 片板式换热器或铜焊的芯体。

图7说明了本发明的另一个实施方案，该实施方案具有许多可能 的能量回收选择的一种。低温液流734即在蒸馏柱140的蒸馏区中产 生的第一个富氧液流130的一部分，用泵736增压到较高的压力，在 第二个蒸发器738中蒸发并加热，在膨胀器740中膨胀生成气流742。 含氮气流104在第二个压缩机706中被进一步压缩，生成气流708，气 流708最后进入蒸馏柱140。泵736是可选的。所使用的蒸发器的类型 可包括但不限于环境或水浴蒸发器。另一种热源可用来对要进入膨胀 器740的物料进一步进行预热。来自膨胀器的能量可在发电机(generator) (未示出)中至少部分回收。如果使用发电机，那么第二个压缩机706 就变为可选择的。膨胀器740可直接或间接驱动第二个压缩机706，为 第二个压缩机供应至少一部分能量。

第二个压缩机706也可用于压缩机102的上游或用于任何其它的 压缩应用中，如压缩冷或热的富氮蒸气产品流120。回收的能量也可用 于驱动泵。在该过程中可通过使任何低温液体蒸发和膨胀来产生能量。

下面的解释适用于上面讨论的和图1-7说明的所有实施方案。

含氮气流100可来自任何来源，可包括但不限于大气、用户压缩 空气系统、用户压缩干空气系统或压缩空气瓶。气流100可以是与大 气成分不同的含氮气流。类似地，富氮液流112可来自任何来源，可 包括但不限于液体罐车拖车(liquid tanker trailer)。如果富氮液流压力足 够使其进入蒸馏柱140中，则不需要泵114。

蒸馏柱140可以是现有液氮蒸发系统的一个补充。

可以提供冷的富氮蒸气产品，或者富氮蒸气产品可以在图中未示 出的另一个装置中被加热至所希望的温度。富氮蒸气产品可以进一步 被压缩或膨胀。

一般而言，在富氮蒸气产品和含氮气体之间不需要进行热量交换。 但是，冷的或部分加温的富氮蒸气产品可用来使含氮气体冷却到污染 物不冻冰的某一温度。如果要除去大量的水，如图4所示，则可以达 到更低的温度。

上面所描述的装置可以任意组合使用。例如，压缩的含氮气流104 可通过预净化器408(如图4所示)，然后进入容器308中(如图3所 示)。在低温蒸馏柱中产生的任何其它产品，如贫氮液体，可以在另一 个过程或装置中应用而不是丢弃，例如可将其运送到空气分离装置中。

                         实施例

表1包括对应于本发明图1所示的实施方案的数字示例。

                         表1   物流号码   单位   数值   GAN要求   120   SCHF   100   GAN压力   120   psia   80   GAN纯度   120   ppmO2   1   要求的LIN   116   SCHF   71   要求的AIR   100   SCHF   43   LIN节省   SCHF   29

该实施例表明：在上述条件下，本发明的方法节约了大约29％的 富氮液体，否则这些富氮液体必须被蒸发以产生所需产品。

虽然关于某些具体的实施方案在这里进行了图示和描述，但是本 发明仍然不企图局限于所说明的细节中。反之，在权利要求的等价范 围内，在不脱离本发明实质的情况下，可在细节中进行各种改变。

对有关申请的相互参考

本申请是于2002年5月1日提出的USSN 10/136,999的部分继续 申请。

                         发明背景