專利名稱:高純氮的生產(chǎn)法的制作方法
本發(fā)明涉及高純氮的生產(chǎn)方法，系用低溫吸附從氮、氧、氬的混合氣體中把氮分離出來。
至今，高純氮的濃度一般只能達到99.99～99.999%或更高。通常采用的生產(chǎn)高純氮的方法是低溫分離法，此法包括空氣的液化和液態(tài)空氣的精餾。生產(chǎn)氮的低溫分離體系主要分為兩個類型第一類型包括一多級精餾塔體系，能夠生產(chǎn)氧、氬和氮;第二類型包括一單級精餾塔體系，只生產(chǎn)氮。在此二分離體系中分離的氮均為低溫分離體系中的精餾塔的塔頂餾分，并以氣態(tài)和液態(tài)形式收集之。因為低溫分離法可利用氮、氧和氬的氣一液平衡狀態(tài)的差別來進行分離，所產(chǎn)生的氮的純度決定于精餾塔所提供的塔板數(shù)。所以要生產(chǎn)純度更高的氮，就必須增加精餾塔的塔板數(shù)。
使用精餾塔生產(chǎn)純度為99.99999%左右的極高純氮(氮中雜質(zhì)含量僅有0.1ppm)較之以精餾塔生產(chǎn)高純氮，特別是純度約為99.9999%的氮(氮中的雜質(zhì)含量為1ppm左右)所需要的精餾塔板數(shù)要大得多。圖5所示即說明了這種關(guān)系，即精餾塔的精餾塔板數(shù)(塔板數(shù))和雜質(zhì)濃度(特別是氮中的氧的濃度)之間的關(guān)系。圖5中的曲線a是基于理論計算所得的關(guān)系，曲線b是考慮了效率等因素得到的實際關(guān)系。此例是在精餾塔中以0.78MPa(毫巴)的壓力用800Nm/h(標準立方米/小時)的原料空氣精餾生產(chǎn)出320Nm/h的氮的曲線圖。圖5表明，在雜質(zhì)氧的濃度為1ppm或更低時，精餾體系中的精餾塔板數(shù)便急劇增加，因而導(dǎo)致精餾塔的加大，精餾塔的加大又導(dǎo)致系統(tǒng)本身的擴大。這樣由于設(shè)備費用的增加或從經(jīng)營費的觀點出發(fā)都是不經(jīng)濟的。
雖然近來已經(jīng)發(fā)展了一種方法，不需要液化便能從空氣中制得氮，用此法生產(chǎn)氮的裝置是將原料空氣直接加到吸附器里，吸附器裝填吸附劑，在常溫下利用吸附作用將氧和氬從原料空氣中分離出去，用此法生產(chǎn)的氮的純度約為99%，不能得到高純度的氮。
雖然在吸附分離領(lǐng)域中提出了利用沸石Zeolite A的吸附特性于低溫分離氬的方法(日本專利公告No.16088/1980和日本專利公開No.187775/1983)，此方法是從氮、氧和氬的低溫混合氣體中利用Zeolite A吸附劑對混合氣體的吸附和解吸除去氧和氮以生產(chǎn)氬，但不涉及利用吸附劑的吸附作用于低溫生產(chǎn)氮的方法。
本發(fā)明的目的是提供一經(jīng)濟的方法以生產(chǎn)高純氮。
本發(fā)明的特點是用含氧和氬的低純氮作為原料氣，將此原料氣在-100至-200℃的低溫加入裝填有吸附劑(特別是天然的或合成的Zeolite)的吸附器中，用低溫吸附從所說的原料空氣中將氧和氮分離出去。
本發(fā)明的其它目的和特征可見于下面的說明。
圖1為本發(fā)明具體實施的系統(tǒng)流程圖。
圖2為合成Zeolite A的溫度一吸附特性曲線。
圖3為本發(fā)明的另一具體實施的系統(tǒng)流程圖。
圖4為本發(fā)明的又一具體實施的系統(tǒng)流程圖。
圖5為氮中存留的氧的濃度與精餾塔的塔板數(shù)之間的關(guān)系曲線。
圖6為本發(fā)明的經(jīng)濟效益說明曲線。
在敘述本發(fā)明的實例前，這里首先敘述本發(fā)明生產(chǎn)氮的原理。用吸附方法除去氣體混合物中的雜質(zhì)(氣體)的吸附劑常使用沸石，可以是天然的或合成的。一般主要使用合成沸石(特別是Zeolite A)，這是因為它的質(zhì)量和容量的關(guān)系。但是，可以把天然沸石中的絲光沸石用金屬陽離子進行離子交換處理制備一種沸石，例如用氯化鈉水溶液進行離子交換生成(鈉)絲光沸石，其吸附力與合成沸石A(Zeolite A)同樣高。
這種沸石以其吸附作用除雜質(zhì)時，其附特性隨溫度有較大的變化，即如圖2所示，所吸附的氮(N2)、氧(O2)和氬(Ar)的量隨著溫度的降低而有很大的變化。圖2為在0至-200℃時Zeolite A對氮、氧和氬的吸附特性;橫座標代表溫度，縱座標代表每個空隙所吸附的分子的數(shù)量。圖中清楚地表明了在溫度為-100℃時，Zeolite A的低溫吸附特性有明顯的改變，并且在較低溫度和較高溫度時的吸附特性有很大的差別。在-100至-200℃范圍內(nèi)，所吸附的氮量較小，氧和氬的量較大;尤其是在-130至-200℃的范圍內(nèi)，所吸附的氧的量顯著增大，氬的吸附量次于氧，氮的吸附量明顯降低。因此，當由氮、氧和氬組成的混合物于-100至-200℃(最好是-130至-200℃，特別是-140至-170℃)的溫度通過裝填有Zeolite A的吸附器時，氧能被優(yōu)先吸附，氬次之，氮幾乎不被吸附，因此就有可能從氧、氮和氬的混合物中分離出氧和氬并生產(chǎn)高純氮。
按照本發(fā)明，就可利用吸附劑的低溫吸附特性得高純氮，這種吸附劑能在-100至-200℃的范圍內(nèi)進行低純氮的低溫吸附，此時被吸附的氮的量很小，而被吸附的氧和氬的量很大，從而用吸附作用將氧和氬從低純氮中除去。
現(xiàn)參照實例比較詳細地對本發(fā)明進行解釋。
圖1為本發(fā)明的一個具體實施的系統(tǒng)流程圖。正如上述，用低溫分離法生產(chǎn)氮的系統(tǒng)包括下面兩個體系，即多級精餾塔體系和單級精餾塔體系。本例敘述的是從含氧和氬的低純氮生產(chǎn)高純氮，使用的是后一體系并以Zeolite A為吸附劑。
圖1中以鏈線劃出的000部份是低溫區(qū)，以破折線劃出的111部份是生產(chǎn)高純氮的體系。
經(jīng)壓縮和冷卻的原料空氣通過管101加入精餾塔1的下部，形成上升氣流，在冷凝器2中液化，形成回流。上升氣流與回流液在精餾塔的塔板上進行氣-液接觸，在柱頂分離出99.999至99.9999%的純氮，分離的氮以氣態(tài)或液態(tài)由管102和103從柱中放出。另外，將從柱頂?shù)蜏胤蛛x的氮由管201放出，以生產(chǎn)純度更高的氮。此低溫氮是具有純度為(例如)99.99至99.9999%的氮，其含氧和氬的量已無意義。這種氮下面稱低純氮。將低氮于-100至-200℃的溫度范圍內(nèi)加到裝填有Zeolite A的吸附器4或5中，加料管和吸附器要事先冷卻到與低純氮一樣低的溫度。就低純氮加入吸附器4而言，低純氮由管201放出，經(jīng)轉(zhuǎn)向閥10導(dǎo)入吸附器4。低純氮通過吸附器4中的吸附劑時，其中的微量的氧和氬即被吸附在吸附劑上而除出，低純氮即被純化成為高純氮(例如純度為99.9999%或更高的氮)，然后經(jīng)管203，轉(zhuǎn)向閥11和管204放出。在吸附器4中的吸附劑為氧及氬飽和之前關(guān)閉吸附器4，低純氮轉(zhuǎn)而經(jīng)管301和閥31而進入吸附器5，在吸附器5中氧和氬以相同的方式被吸附，高純氮經(jīng)閥31和管302及204放出。吸附器5開始工作時，吸附器4便進入解吸步驟，吸附在Zeolite A上的氧和氬于常溫用外部供給的干燥解吸氣體(例如氮或空氣)進行解吸。常溫的解吸氣體由管500進入，經(jīng)閥50和管501及202至吸附器4，將吸附器4中的吸附劑溫度恢復(fù)至常溫使吸附在吸附劑上的氧和氬解吸，解吸的氧和氬經(jīng)管203和502、轉(zhuǎn)向閥51和管503自系統(tǒng)中排空，由此完成解吸步驟。重復(fù)上述循環(huán)，就可以從氮、氧和氬的混合物中分離出氧和氬連續(xù)生產(chǎn)高純氮。
加入吸附器中的低純氮所含的氧和氬的量是很低的，以致要經(jīng)很長的時間ZeoliteA才能被氧和氬飽和，因此轉(zhuǎn)換吸附器的周期就會延長(周期錐因設(shè)計要求而有不同，但一星期或幾個月都是可能的)，所以轉(zhuǎn)換吸附器并不麻煩。
在低溫分離系統(tǒng)中生產(chǎn)高純氮，由于需要大大增加例如精餾柱中的塔板數(shù)，因而必須加大分離系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備費用和經(jīng)營費用的增加，這是不經(jīng)濟的，是低溫分離系統(tǒng)的缺點。然而按照上述實例的方法，只需增加一個吸附器就可提供一個比較緊湊的分離系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)高純氮，因為并不需要加大精餾塔。
按圖1的系統(tǒng)生產(chǎn)高純氮的實驗也測定了氧的吸附力。圖1的吸附器4或5中裝填下面三種合成沸石中的一種合成Zeolite 3A、合成Zeolite 4A、合成Zeolite 5A。測定表明，在-170℃時，吸附氧的吸附力以合成Zeolite 4A最好(約比常溫時的吸附力高17倍)，合成Zeolite 3A較好(約比常溫時的吸附力高13倍)，合成Zeolite 5A為好(約比常時的吸附力高2.7倍)。因此，使用合成Zeolite 4A時，吸附劑用量較小、比較經(jīng)濟。并且也做了這樣的研究，即使用圖1的系統(tǒng)當?shù)写媪舻难踅档椭?.1ppm時，自精餾塔1經(jīng)管201放出的低純氮中存留氧濃度要有多大才適合。此研究結(jié)果示于圖6，圖中橫座標代表氮中存留氧的濃度，縱座標代表經(jīng)濟指數(shù);經(jīng)濟指數(shù)以百分數(shù)表示，其測定是以常規(guī)方法的經(jīng)濟指數(shù)為100%，常規(guī)方法即只使用精餾塔以生產(chǎn)殘留氧濃度為0.1ppm的高純氮的方法。圖6說明從精餾塔1放出的氮中氧的濃度為1至50ppm時，經(jīng)濟指數(shù)是低的，即可以降低設(shè)備費用。換言之，包括用精餾塔除雜質(zhì)直至氮中氧的濃度降至1～50ppm(最好是1～40ppm)和用裝填Zeolite的吸附器將剩余的雜質(zhì)除掉直至氮中氧的濃度降至0.1ppm的方法是一個經(jīng)濟的方法?？梢岳斫?，圖1之例可以降低的費用較之常規(guī)方法更為顯著。
下面是本發(fā)明的另一具體實施方案。
圖3為本發(fā)明的另一實例。含有氧和氬的液態(tài)不純氮從容器(未示出)經(jīng)管600放出，需要時用泵60等將其輸送至熱交換器61，由外部經(jīng)管603供熱，在熱交換中，液體和熱源間產(chǎn)生間接交換作用，產(chǎn)生氮、氧和氬的混合氣體，將此混合氣體加入生產(chǎn)高純氮的裝置，此裝置包括裝填有Zeolite A的吸附器(如圖1之實例所示)，利用其中的吸附劑將氧和氬除去，由管204即可得到高純氮。
圖4是本發(fā)明的又一實例。此例中、氮、氧和氬的混合物是液態(tài)的，生產(chǎn)的高純氮也是液態(tài)。此液態(tài)混合物由容器(未示出)經(jīng)管700放出，需要時由泵70等以液態(tài)加入裝置111以生產(chǎn)高純氮，此裝置包括裝填有ZeoliteA的吸附器，吸附液態(tài)混合物中的氧和氬而被除去，由管204得到高純液態(tài)氮。
如上已述，按照本發(fā)明的方法就可以經(jīng)濟地、有效益地生產(chǎn)高純氮。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)高純氮的方法，此方法包括以含氧和氬的低純氮作為原料氣并將此原料氣于-100至-200℃的低溫加入裝填有沸石Zeolite的吸附器中，用吸附方法將原料氣中的氧和氮除去，得到高純氮。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述生產(chǎn)高純氮的方法，其特征在于所說的原料氣是氮，此氮是由從空氣中分離氮的精餾塔而制得。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述生產(chǎn)高純氮的方法，其特征在于所說的原料氣是貯存于容器中的液化氮。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述生產(chǎn)高純氮的方法，其特征在于所說的原料氣中存留的氧的濃度為1至50ppm。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述生產(chǎn)高純氮的方法，其特征在于所說的原料氣為精餾空氣至一定純度所得到的氮，這種純度是，在從空氣分離氮的精餾塔中該氣體的存留氧的濃度為1至50ppm，
專利摘要
本發(fā)明為生產(chǎn)極高純的氮提供一方法。為此，用含有微量氧和氬的低純氮作為原料氣，于-100至-200℃的低溫加入裝填有沸石的吸附器中，原料氣中的氧和氬在吸附器中被吸附而除去，因而得到了高純氮。
文檔編號F25J3/04GK86100748SQ86100748
公開日1986年7月9日 申請日期1986年1月10日
發(fā)明者吉松幸祥, 吉永正二, 石津尚澄, 山崎正博, 友村正臣 申請人:株式會社日立制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan