專利名稱：用于生產(chǎn)高純氮的成套柱低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及低溫精餾，和更具體地涉及高純氮的生產(chǎn)。
在高價值組件如半導(dǎo)體的制造中已發(fā)現(xiàn)高純氮作為保護(hù)性或惰性氣體日益增加的應(yīng)用，在這種制造業(yè)中避免氧的沾污是非常關(guān)鍵的。典型地高純氮是通過空氣的低溫精餾生產(chǎn)的并直接經(jīng)管道輸送給半導(dǎo)體制造工廠。雖然這樣的低溫空氣分離廠是絕對可以信賴的，但是象所有生產(chǎn)設(shè)施一樣低溫空氣分離廠也有停產(chǎn)的時候，這將造成高純氮從低溫空氣分離廠至半導(dǎo)體制造廠輸送的減小或中斷。為避免突發(fā)的氣流減量或中斷，高純氮廠都配備用高純氮液體充滿的液體貯罐，這些液體當(dāng)需要時可迅速蒸發(fā)并輸送到半導(dǎo)體制造廠。
盡管高純氮工廠可以生產(chǎn)一些液態(tài)高純氮，但最好僅生產(chǎn)小量液氮。因此通常是從較遠(yuǎn)的生產(chǎn)液態(tài)高純氮的工廠用運罐卡車或其它運輸工具將液態(tài)高純氮送入一貯罐。雖然這種常規(guī)作法可以達(dá)到保持貯罐用高純液氮充滿，以便一旦需要使用時就可以備用，但這總是要花費成本也是不方便的。因此希望有一種裝置既可以生產(chǎn)高純氮氣體也可以生產(chǎn)相當(dāng)大數(shù)量的高純氮液體，這樣就可以免去從別處向此裝置運送液氮的不便。
據(jù)此，本發(fā)明的一個目的是提供一低溫精餾系統(tǒng)，它既可以生產(chǎn)相當(dāng)大量的高純氮氣體也可以生產(chǎn)相當(dāng)大量的高純氮液體。
在閱讀本發(fā)明公開之后本領(lǐng)域技術(shù)人員會很清楚本發(fā)明的上述目的和其它目的，這些目的可以由本發(fā)明來實現(xiàn)。本發(fā)明的一個方面是生產(chǎn)高純氮氣體和高純氮液體的方法，包括(A)將進(jìn)料空氣通入第一柱，在此柱中通過低溫精餾使進(jìn)料空氣分離成第一高純氮蒸氣和第一富氧流體；(B)回收一部分第一高純氮蒸氣作為高純氮氣體；(C)將第一富氧流體通入第二柱的下部，在此柱中通過低溫精餾使第一富氧流體分離成第二高純氮蒸氣和第二富氧流體；(D)冷凝第二高純氮蒸氣以產(chǎn)生高純氮液體；和(E)將至少一部分高純氮液體通入第一柱的上部。
本發(fā)明的另一方面是
低溫精餾生產(chǎn)高純氮的設(shè)備，包括(A)帶有頂部冷凝器的第一柱和將進(jìn)料空氣通入第一柱的裝置；(B)從第一柱上部回收高純氮的裝置；(C)帶有頂部冷凝器的第二柱和將從第一柱的下部的流體通入第二柱的裝置；(D)將從第二柱上部的流體通入第二柱頂部冷凝器的裝置；和(E)將從第二柱頂部冷凝器的流體通入第一柱上部的裝置。
本文所用術(shù)語“進(jìn)料空氣”是指主要為氧和氮的混合物如環(huán)境空氣。
本文所用術(shù)語“柱”是指蒸餾或分餾柱或區(qū)，即接觸柱或區(qū)，其中液相和汽相逆流接觸進(jìn)行流體混合物的分離，例如在柱內(nèi)垂直裝設(shè)分開的盤或板和/或填料元件如結(jié)構(gòu)型填料或無規(guī)型填料。對于蒸餾柱的進(jìn)一步討論可參見，由紐約McGraw-Hill圖書公司R.H.派里和C.H.奇爾頓編輯的(化學(xué)工程師手冊)第4版中第13章“連續(xù)蒸餾工藝”。
汽液接觸分離工藝由組分的蒸氣壓的差別而定。高蒸氣壓的(或更易揮發(fā)的或低沸點的)組分易于在汽相中濃集，而低蒸氣壓的(不易揮發(fā)的或高沸點的)組分易于在液相中濃集。部分冷凝是這樣一種分離方法，用此方法蒸氣混合物的冷卻可用于在汽相中濃集揮發(fā)性組分，而不易揮發(fā)組分則在液相中濃集。精餾或連續(xù)蒸餾也是一種分離方法，它將連續(xù)部分蒸發(fā)和冷凝結(jié)合在一起，這是通過汽液相的逆流處理實現(xiàn)的。汽液的逆流接觸一般是絕熱的，而且包括相間的積分(多級)接觸或微分(連續(xù))接觸。利用精餾原理分離混合物的分離工藝裝置常?？苫Q地稱之為精餾柱、蒸餾柱或分餾柱。低混精餾是溫度至少部分在150°K或低于150°K下進(jìn)行的精餾過程。
本文所用術(shù)語“間接熱交換”是指兩種流體進(jìn)行熱交換而流體相互之間無物理接觸和混合。
本文所用術(shù)語“頂部冷凝器”是指一種能從柱的汽相中產(chǎn)生柱的下流液體的熱交換裝置。
本文所用的術(shù)語“滑輪膨脹”和“滑輪膨脹機(jī)”分別是指高壓氣體流過渦輪機(jī)而減壓和降溫從而產(chǎn)生精餾的方法和設(shè)備。
本文所用的術(shù)語“上部”和“下部”分別是指柱的中點之上和之下的部分。
本文所用的術(shù)語“高純氮”是指氮的濃度至少為99摩爾％、優(yōu)選至少為99.9摩爾％和最優(yōu)選至少為99.999摩爾％的流體。
單一的附圖
是表示本發(fā)明低溫精餾系統(tǒng)一個優(yōu)選實施方案的示意圖。
本發(fā)明將參考附圖詳細(xì)描述?，F(xiàn)參見該圖，進(jìn)料空氣60經(jīng)由基本負(fù)載壓縮機(jī)30壓縮至壓力范圍在250-600磅/英寸2絕壓(psia)的壓力。所得到的壓縮的進(jìn)料空氣61在冷卻器4中冷卻壓縮熱之后，經(jīng)閥62以物流63通入壓縮機(jī)31此壓縮機(jī)與渦輪膨脹機(jī)32機(jī)械地相配接。進(jìn)料空氣63在壓縮機(jī)31中進(jìn)一步被壓縮至一般在300-900psia壓力范圍。所得到的進(jìn)一步壓縮的進(jìn)料空氣64通過冷卻器5冷卻壓縮熱之后，進(jìn)料空氣65通入初級熱交換器1，與返回物流進(jìn)行間接熱交換而冷卻。
進(jìn)料空氣65的第一部分68完全穿過初級熱交換器1被冷凝后，經(jīng)閥69以物流70進(jìn)入第一柱10的下部。如需要也可以使用液體或兩相膨脹器代替閥69。進(jìn)料空氣65的第二部分66在部分穿過第一熱交換器1之后從其中排出，通過渦輪膨脹機(jī)32進(jìn)行渦輪膨脹，此渦輪膨脹機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)31，所得到的渦輪膨脹的進(jìn)料空氣67通入第一柱10。
第一柱一般在120-180psia壓力范圍下操作。在第一柱10內(nèi)進(jìn)料空氣經(jīng)低溫精餾分離成第一高純氮蒸氣和第一富氧流體。第一富氧流體以液流71從第一柱10的下部排出，再通過次冷卻器或廢過熱器7進(jìn)一步冷卻。所得的再冷卻的第一富氧液體72通過閥73和以物流74進(jìn)入第一柱頂部冷凝器2。
第一高純氮蒸氣以物流75從第一柱10的上部排出，物流75的第一部分77通過初級熱交換器1溫?zé)岷笠愿呒兊獨猱a(chǎn)品78回收。第一高純氮蒸氣75的第二部分76通入第一柱頂部冷凝器2，與第一富氧流體進(jìn)行間接熱交換，而在其中冷凝。所得到冷凝的高純氮液體以物流20從第一柱頂部冷凝器2進(jìn)入第一柱10的上部作為回流。
第一富氧液體74通過在第一柱頂冷凝器2內(nèi)與第一高純蒸氣的間接熱交換而部分蒸發(fā)。所得的第一富氧蒸氣以物流84從第一柱頂冷凝器2流出經(jīng)閥85以物流86通入第二柱11的下部。其余的富氧液體以物流80從第一柱頂冷凝器2排出，通過次冷卻器或廢過熱器6進(jìn)一步冷卻。所得再冷卻的物流81通過閥82，以物流83通入第二柱頂部冷凝器3。
第二柱11一般在40-70psia壓力范圍內(nèi)操作。在第二柱11內(nèi)第一富氧流體通過低溫精餾分離成第二高純氮蒸氣和第二富氧流體。第二富氧流體從第二柱11的下部以液流87排出，徑由閥88以物流89進(jìn)入第二柱頂冷凝器3。如需要附加的或外來的液流104也可以與第一富氧液體83和第二富氧液體89一起通入第二柱頂冷凝器3的沸騰側(cè)。
第二高純氮蒸氣從第二柱11的上部排出，以物流90通入第二柱頂冷凝器3的冷凝側(cè)，在其中與流體進(jìn)行間接熱交換而被冷凝，該流體是通入第二柱頂冷凝器3沸騰側(cè)的流體。所得的沸出蒸氣以物流100從第二柱頂冷凝器3排出，和通過過熱器6和7以及初級熱交換器1溫?zé)崛缓笠晕锪?03從系統(tǒng)中回收。
冷凝的第二高純氮液體從第二柱頂冷凝器3以物流91排出，它的第一部分以物流92通入第二柱11上部作為回流。高純氮液體91的第二部分93通過液泵21加壓，形成泵送的高純氮液流94。如需要，液流94的一部分95可以高純氮液體產(chǎn)品回收。物流94的其余部分96徑閥97以物流98通入第一柱10上部作為附加回流，這可以使成套雙柱系統(tǒng)分別從第一柱和從第二柱頂部冷凝器產(chǎn)生相當(dāng)大量的高純氮氣和高純氮液體。
雖然本發(fā)明已參照某一優(yōu)選實施方案詳細(xì)描述了，但是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以得知還有本發(fā)明的其它實施方案但也落在本權(quán)利要求書的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．生產(chǎn)高純氮氣體和高純氮液體的方法，包括(A)將進(jìn)料空氣通入第一柱和在第一柱內(nèi)經(jīng)低溫精餾將進(jìn)料空氣分離成第一高純氮蒸氣和第一富氧流體；(B)回收一部分第一高純氮蒸氣作為高純氮氣體；(C)將第一富氧流體通入第二柱的下部和在第二柱內(nèi)經(jīng)低溫精餾將第一富氧流體分離成第二高純氮蒸氣和第二富氧流體；(D)將第二高純氮蒸氣冷凝產(chǎn)生高純氯液體；和(E)將至少一部分高純氮液體通入第一柱上部。
2．權(quán)利要求1的方法，其中在通入第一柱之前一部分進(jìn)料空氣進(jìn)行渦輪膨脹。
3．權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括回收一部分高純氮液體。
4．權(quán)利要求1的方法，其中第二高純氮蒸氣通過與第二富氧流體的間接熱交換而被冷凝。
5．權(quán)利要求1的方法，其中第二高純氮蒸氣通過與第一富氧流體的間接熱交換而被冷凝。
6．低溫精餾生產(chǎn)高純氮的設(shè)備，包括(A)設(shè)有頂冷凝器的第一柱和將進(jìn)料空氣通入第一柱的裝置；(B)從第一柱上部回收高純氮的裝置；(C)設(shè)有頂冷凝器的第二柱和將第一柱下部的流體通入第二柱的裝置；(D)將第二柱上部的流體通入第二柱頂冷凝器的裝置；和(E)將第二柱頂冷凝器的流體通入第一柱上部的裝置。
7．權(quán)利要求6的設(shè)備，其中將從第一柱的下部的流體通入第二柱的裝置包括第一柱頂冷凝器。
8．權(quán)利要求6的設(shè)備，還包括將從第一柱頂冷凝器的流體通入第一柱頂冷凝器的裝置。
9．權(quán)利要求6的設(shè)備，還包括將從第二柱下部的流體通入第二柱頂冷凝器的裝置。
10．權(quán)利要求6的設(shè)備，還包括從第一柱頂冷凝器回收高純氮液體的裝置。
全文摘要
既生產(chǎn)相當(dāng)大量的高純氮氣又生產(chǎn)相當(dāng)大量高純氮液的成套柱系統(tǒng)。使用第一柱生產(chǎn)高純氮氣和使用第二柱生產(chǎn)高純氮液,同時第二柱頂部流體回流至第一柱。
文檔編號F25J3/04GK1232167SQ9910494
公開日1999年10月20日 申請日期1999年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月8日
發(fā)明者N·J·利奇, M·E·溫瑟特, K·J·波特姆帕, D·P·波納奎斯特 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司