專利名稱：生產(chǎn)超高純氮和超高純氧的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及進(jìn)料空氣的低溫精餾以生產(chǎn)氮和氧，更具體地，本發(fā)明涉及如電子工業(yè)所需要的超高純產(chǎn)品。
在對(duì)雜質(zhì)非常敏感的制造工藝中，如生產(chǎn)半導(dǎo)體和其他的電子器件，需要超高純氮，尤其是高壓的。通過進(jìn)料空氣的低溫精餾可有效地進(jìn)行超高純氮的生產(chǎn)。近來在所述制造工藝中，除了超高純氮以外，還出現(xiàn)了使用超高純氧的要求。超高純氧可以使用生產(chǎn)超高純氮的慣用低溫精餾裝置進(jìn)行生產(chǎn)，但是這樣的系統(tǒng)與供生產(chǎn)任何指定數(shù)量氮的常規(guī)超高純氮的裝置相比，降低了超高純氮的回收從而導(dǎo)致能源消耗的增加。
由此，本發(fā)明的目的在于提供一種低溫精餾系統(tǒng)，該系統(tǒng)在使用至今已知系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)減小氮回收和能源消耗損失的同時(shí)，還能生產(chǎn)超高純氮和超高純氧。
本發(fā)明可以達(dá)到上述和其他目的，這些對(duì)所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在閱讀本說明書的公開之后將是明顯的，本發(fā)明的一個(gè)方面是一種通過進(jìn)料空氣的低溫精餾生產(chǎn)超高純氮和超高純氧的方法，包括(A)第一進(jìn)料空氣進(jìn)入主塔并且該第一進(jìn)料空氣在該主塔內(nèi)通過低溫精餾分離成富氧流體和更富氮流體；(B)第二進(jìn)料空氣進(jìn)入輔塔并且該第二進(jìn)料空氣在該輔塔內(nèi)通過低溫精餾分離成富氮流體和更富氧流體；(C)富氮流體從輔塔流入主塔的上部；(D)含氧流體進(jìn)入汽提塔上部再迎著上流蒸汽向下流過汽提塔以便在該汽提塔的下部產(chǎn)生超高純氧流體；(E)通過與富氧流體的間接熱交換蒸發(fā)-部分超高純氧流體以產(chǎn)生所述上流蒸汽；(F)回收作為產(chǎn)品超高純氧的另一部分超高純氧流體；和(G)回收作為產(chǎn)品超高純氮的更富氮流體。
本發(fā)明的另一方面是
通過進(jìn)料空氣的低溫精餾生產(chǎn)超高純氮和超高純氧的設(shè)備，包括(A)具有頂部冷凝器的主塔和進(jìn)料空氣進(jìn)入該主塔用的裝置；(B)具有頂部冷凝器的輔塔和進(jìn)料空氣進(jìn)入該輔塔用的裝置；(C)具有塔底再沸器的汽提塔；(D)用于流體從主塔下部進(jìn)入主塔頂部冷凝器和從該主塔頂部冷凝器進(jìn)入汽提塔塔底再沸器的裝置；(E)用于流體從輔塔上部進(jìn)入輔塔頂部冷凝器和從輔塔頂部冷凝器進(jìn)入主塔上部的裝置；(F)用于流體從主塔和輔塔中至少一個(gè)塔進(jìn)入汽提塔上部的裝置；和(G)由汽提塔的下部回收超高純氧用的裝置，和由主塔上部回收超高純氮用的裝置。
當(dāng)用于本發(fā)明時(shí)，術(shù)語“進(jìn)料空氣”指主要含氧和氮的混合物，如環(huán)境空氣。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“塔”指的是蒸餾或分餾塔或區(qū)，即接觸塔或區(qū)，其中液相和氣相通過在一系列重復(fù)放置的塔盤或裝在塔內(nèi)的塔板和/或填料元件如結(jié)構(gòu)填料或無規(guī)填料上逆流接觸以進(jìn)行流體混合物的分離。為進(jìn)一步討論蒸餾塔，可參見化學(xué)工程師手冊(cè)，第五版，R.H.佩里和C.H.奇爾頓編，麥格勞-希爾圖書公司，紐約，第13章，連續(xù)蒸餾工藝過程(See the Chemical Engineer′s Handbook,fifth edition,editedby R.H.Perry and C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,NewYork,Section 13,The Continuous Distillation Process)。
氣液接觸分離工藝過程取決于各成分蒸汽壓的差別。高蒸汽壓(或更易揮發(fā)或低沸點(diǎn))，成分傾向在氣相中濃集而低蒸汽壓(或不易揮發(fā)或高沸點(diǎn))的成分傾向在液相中濃集。部分冷凝是一種分離過程，借此蒸汽混合物的冷卻可用于濃集可揮發(fā)成分(一種或多種)于氣相中和由此減少液相中的可揮發(fā)成分(一種或多種)。精餾，或連續(xù)蒸餾，是一種通過逆流處理氣液相時(shí)所獲得的連續(xù)部分蒸發(fā)和冷凝結(jié)合起來的分離過程。氣液相的逆流接觸通常是絕熱的并且包括積分(分級(jí))或微分(連續(xù))相間的接觸。利用精餾原理分離混合物的分離過程裝置常常被可互換地稱作精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是一種至少部分溫度在150度或低于150度開氏溫度(K)下進(jìn)行的精餾過程。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“間接熱交換”意指使兩股流體進(jìn)行熱交換但無任何物理接觸或流體彼此之間的混合。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“頂部冷凝器”意指能從塔的蒸汽產(chǎn)生塔的下流液體的熱交換裝置。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“塔底再沸器”意指能從塔的液體產(chǎn)生塔的上流蒸汽的熱交換裝置。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“渦輪膨脹”和“渦輪膨脹機(jī)”分別指高壓氣體流經(jīng)渦輪機(jī)以降低氣體的壓力和溫度并由此產(chǎn)生致冷效果的方法和設(shè)備。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“上部”和“下部”意指塔中點(diǎn)以上和以下相應(yīng)塔的部分。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“汽提塔”意指相對(duì)于液體下流有足夠的蒸汽上流的情況下操作的塔，以便能實(shí)現(xiàn)從液體中把可揮發(fā)性成分分離成為可揮發(fā)性成分逐漸向上富集的蒸汽。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“超高純氮”意指氮濃度至少為99.99摩爾％和氧濃度低于百萬分之一(ppm)，優(yōu)選低于0.1ppm的流體。
當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，術(shù)語“超高純氧”意指氧濃度至少為99.99摩爾％的流體。


圖1是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)一個(gè)最佳實(shí)施方案的示意圖。
圖2是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)另一個(gè)最佳實(shí)施方案的示意圖。
圖3是本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)又一個(gè)最佳實(shí)施方案的示意圖。
附圖中的數(shù)字就通用元件而言是相同的。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，在低于主塔壓力下操作的輔塔是與超高純氧汽提塔公開操作的，因?yàn)槠崴峭ㄟ^來自主塔的流體再沸的。這一點(diǎn)能使輔塔在更低的壓力下也能操作，因此改善了來自主塔，總的來說最終是來自本系統(tǒng)的氮回收。下文將參照附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)地描述。
現(xiàn)見附圖1，進(jìn)料空氣1被分成第一進(jìn)料空氣流2和第二進(jìn)料空氣流3。第一進(jìn)料空氣流2通過在一次熱交換器4中與返回流體的間接熱交換被冷卻，所得到的冷卻第一進(jìn)料空氣流5進(jìn)入主塔的下部。第二進(jìn)料空氣流3通過流經(jīng)壓縮機(jī)7壓縮，壓縮過的第二進(jìn)料空氣流8通過部分經(jīng)過一次熱交換器4冷卻。冷卻壓縮過的第二進(jìn)料空氣流9通過流經(jīng)渦輪膨脹機(jī)10而渦輪膨脹，所得到的渦輪膨脹過的第二進(jìn)料空氣流11進(jìn)入輔塔12的下部。
主塔6在95-180磅/英寸2絕對(duì)壓力(psia)范圍內(nèi)的壓力下運(yùn)行。在主塔6內(nèi)，第一進(jìn)料空氣通過低溫精餾被分離成富氧流體和更富氮流體。富氧流體作為液流13從主塔6的下部排出再通過部分流經(jīng)一次熱交換器4被過冷。所得到的過冷富氧的液體14再流入主塔頂部冷凝器15的沸騰側(cè)。更富氮流體作為氣流16從主塔6的上部排出而其部分17進(jìn)入頂部冷凝器15的冷凝側(cè)，其中它通過與部分蒸發(fā)的富氧液體的間接熱交換被冷凝。所得到的更富氮液體以流體18作為回流液進(jìn)入主塔6的上部。所得到的富氧蒸汽，以流體19從主塔頂部冷凝器15排出且其部分20流入輔塔12的下部。
輔塔12在低于主塔6的壓力下操作且壓力范圍為45-65 psia。在輔塔12內(nèi)進(jìn)入該塔的進(jìn)料通過低溫精餾被分離成富氮流體和更富氧流體。更富氧流體作為液流21由輔塔12的下部排出并進(jìn)入輔塔頂部冷凝器22的沸騰側(cè)。富氧液體以流體23從頂部冷凝器15同樣進(jìn)入頂部冷凝器22的沸騰側(cè)。作為在下面將進(jìn)一步討論的，取自超高純汽提塔塔底再沸器的第三流體24，也進(jìn)入頂部冷凝器22的沸騰側(cè)。
富氮流體作為氣流25從輔塔12的上部進(jìn)入輔塔頂部冷凝器22的冷凝側(cè)，它在其中通過與流入頂部冷凝器22沸騰側(cè)的流體間接熱交換被冷凝。所得到的富集氮液體作為流體26從頂部冷凝器22排出其部分27作為因流液返回輔塔12。富氮液體的第二部分28通過流經(jīng)泵29用泵壓高到較高的壓力，所得到的加壓富氮液體30作為附加回流液進(jìn)入主塔6的上部。如需要，部分富集氮液體31可作為產(chǎn)品液氮回收。
把來自輔塔的富氮液體加至主塔可以改善主塔6液體回流液的數(shù)量和質(zhì)量，所以能在主塔內(nèi)生產(chǎn)出高回收和超高純度的更富氮流體。更富氮蒸汽16的部分32通過流經(jīng)一次熱交換器4加熱再作為產(chǎn)品超高純氮流體33回收。
部分更富氧流體以液流34從輔塔12的下部排出作為汽提塔的進(jìn)料進(jìn)入汽提塔35的上部，優(yōu)選頂部。進(jìn)入汽提塔35的進(jìn)料不應(yīng)當(dāng)含有任何量大的雜質(zhì)，即較氧揮發(fā)性低的成分，如甲烷、氪、氙，以避免這類大量雜質(zhì)在超高純氧產(chǎn)品42中出現(xiàn)。達(dá)到這一點(diǎn)可以通過從輔塔的中間部位排放進(jìn)料，例如在進(jìn)料空氣入口高度以上。汽提塔進(jìn)料迎著上流蒸汽向下流過汽提塔35，工藝過程中汽提塔進(jìn)料內(nèi)較易揮發(fā)的成分，如氮和氬，由下流液體中出來進(jìn)入上流蒸汽，最終在汽提塔35的下部產(chǎn)生超高純氧流體，和從汽提塔35出來的廢氣流36。氣流36與來自輔塔頂部冷凝器22的氣流37合并形成廢氣流38，通過流經(jīng)一次熱交換器4加熱后以氣流39排出系統(tǒng)。
來自主塔頂部冷凝器15的富集氧蒸汽19的部分40進(jìn)入汽提塔塔底再沸器41，它在那里通過與超高純氧液體的間接熱交換冷凝在汽提塔35的下部。部分超高純氧液體蒸發(fā)在汽提塔35中形成前述上流蒸汽。如前所述所得到的冷凝富氧液體從塔底再沸器41以液流24流入頂部冷凝器22。剩余的超高純氧流體部分作為產(chǎn)品超高純氧從汽提塔35的下部回收，回收時(shí)可呈氣態(tài)和/或液態(tài)。用圖1所說明的本發(fā)明實(shí)施方案表明超高純氧產(chǎn)品是作為液流42回收的。
圖2和3說明本發(fā)明其他優(yōu)選的實(shí)施方案。圖2和3中的數(shù)字對(duì)于通用元件是相同的且對(duì)這些部分不再詳細(xì)描述。
現(xiàn)看圖2，進(jìn)入汽提塔35的含氧進(jìn)料取自主塔6的下部進(jìn)料空氣入口高度以上，而不像圖1所說明的實(shí)施方案那樣從輔塔12取用。在圖2說明的實(shí)施方案中，富氧流體以液流50從主塔6的下部排出再作為汽提塔的進(jìn)料進(jìn)入汽提塔35的上部。
在圖3說明的本發(fā)明實(shí)施方案中，富氧流體作為附加進(jìn)料流體51從主塔6出來進(jìn)入輔塔12，而來自輔塔的更富氧液體作為液流34，如同圖1所說明的實(shí)施方案，由輔塔12出來作為汽提塔進(jìn)料進(jìn)入汽提塔35。
就實(shí)施本發(fā)明而言，可在高回收率下同時(shí)生產(chǎn)超高純氮和超高純氧。盡管參照某些優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)還存在著本發(fā)明其他的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1．一種通過進(jìn)料空氣的低溫精餾生產(chǎn)超高純氮和超高純氧的方法，包括(A)第一進(jìn)料空氣進(jìn)入主塔，且該第一進(jìn)料空氣在該主塔內(nèi)通過低溫精餾分離成富氧流體和更富氮流體；(B)第二進(jìn)料空氣進(jìn)入輔塔，且該第二進(jìn)料空氣在該輔塔內(nèi)通過低溫精餾分離成富氮流體和更富氧流體；(C)來自輔塔的富氮流體進(jìn)入主塔的上部；(D)含氧流體流入汽提塔的上部，并且迎著上流蒸汽向下流過汽提塔以便在汽提塔的下部產(chǎn)生超高純氧流體；(E)通過與富氧流體的間接熱交換蒸發(fā)部分超高純氧流體以便產(chǎn)生所述的上流蒸汽；(F)回收作為產(chǎn)品超高純氧的另一部分的超高純氧流體；和(G)回收作為產(chǎn)品超高純氮的更富氮流體。
2．按權(quán)利要求1所述的方法，其中含氧流體包括更富氧流體。
3．按權(quán)利要求1所述的方法，其中含氧流體包括富氧流體。
4．按權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括富氧流體從主塔進(jìn)入輔塔。
5．按權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括由輔塔回收部分富集氮流體。
6．一種用于通過進(jìn)料空氣的低溫精餾生產(chǎn)超高純氮和超高純氧的設(shè)備，包括(A)具有頂部冷凝器的主塔和進(jìn)料空氣進(jìn)入主塔用的裝置；(B)具有頂部冷凝器的輔塔和進(jìn)料空氣進(jìn)入輔塔用的裝置；(C)具有塔底再沸器的汽提塔；(D)用于流體從主塔下部進(jìn)入主塔頂部冷凝器和從主塔頂部冷凝器進(jìn)入汽提塔塔底再沸器的裝置；(E)用于流體從輔塔的上部進(jìn)入輔塔頂部冷凝器和從輔塔頂部冷凝器進(jìn)入主塔上部的裝置；(F)用于流體從主塔和輔塔中至少一個(gè)塔進(jìn)入汽提塔上部的裝置；和(G)用于從汽提塔下部回收超高純氧的裝置，和用于從主塔的上部回收超高純氮的裝置。
7．按權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中用于流體從輔塔頂部冷凝器進(jìn)入主塔上部的裝置包括液體泵。
8．按權(quán)利要求6所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括用于流體從主塔的下部進(jìn)入輔塔下部的裝置。
9．按權(quán)利要求6所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括用于流體從主塔頂部冷凝器進(jìn)入輔塔下部的裝置。
10．按權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中用于進(jìn)料空氣進(jìn)入輔塔的裝置包括渦輪膨脹機(jī)。
全文摘要
一種采用主塔、輔塔和汽提塔通過進(jìn)料空氣的低溫精餾生產(chǎn)高回收率的超高純氮和超高純氧的系統(tǒng),其中汽提塔是通過主塔釜液驅(qū)動(dòng)的且在輔塔內(nèi)產(chǎn)生的附加工藝流體被用于主塔內(nèi)。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1226673SQ9910221
公開日1999年8月25日 申請(qǐng)日期1999年2月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月17日
發(fā)明者K·J·波特姆帕 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司