一种改进的生产干燥高纯氮气的方法和系统技术方案

在一膜系统中分离进料空气，回收在一脱氧装置中纯化的氮气，并在一使用高温吹扫气的吸附干燥器中将其干燥。脱氧装置中产生的热可以用来满足干燥器再生对热能的需要，而又不降低产品的回收。膜渗透气可以以高的吹扫／进料比用于吹扫，以便减少床再生的能量需求。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术是关于用于空气分离的渗透膜工艺和系统。特别是关于由进料空气生产干燥的氮气产品的改进的渗透膜工艺和系统。能够从空气中选择性地透过氧气的渗透膜是一种分离空气和回收氮气产品的方便而理想的设备。然而这种产品气体一般总是带有很大的含水量。在一些应用中，需要一种干燥的、几乎不含氧的氮气产品。目前一些小至中等规模的应用中，通过空气的膜分离装置首先生产出大约98%纯度的氮，然后用一种后提纯技术除去残存的氧，可以十分经济地实现这样的纯度水平。最常用的脱氧后净化方法包括使用一种称为“deoxo  system”的脱氧系统，用于通过一种贵金属催化剂使氧与氢结合，将氧转变为水。这种脱氧反应产生大量的热，在典型的过程中，每除去1%的氧，将使排出气体的温度升高将近300°F。得到的氮产品含有大约少于5ppm的氧，但其实际含水量达到如30-40，000ppm，并含有残余的氢。在许多应用中，为防止水气在设备管道中和检测仪表中的冷凝和腐蚀，或由于氮气产品的预计的最终使用目的不允许水存在，需要把这种湿含量除去。一般使用后冷却器、水分分离器和吸附干燥器来达到此目的。如果将一种绝热的变压吸附（PSA）系统和方法用于这种干燥目的，那么就有相当一部分干燥的氮气产品可能被用来作为PSA操作中的吹扫气体。典-->型的这种PSA干燥器可能需要至少等于全部产品气流15%的干燥吹扫气流，以便达到所希望的-40°F的大气压力露点（PDP）。在常用的后净化应用中，一种高温再生循环是较好的，在这一再生循环中用于吹扫目的的一部分氮气产品在通过干燥器前被加热，因为这种高温操作只需要较低的吹扫气流量，典型地少于绝热PSA循环所需量的一半。假如希望得到非常干燥的（-100°FPDP）产品气体，这种吹扫气流差别甚至可能变得更大。一种不常用的替代方法包括用加热的环境空气吹扫后，接着用干燥产品气体冷却吹扫，以进一步改善循环回收，但这需要消耗额外的热能。用干燥产品气体作为吹扫气，吸附剂能量需求的等级可能为每SCFH（标准立方英尺/小时）产品氮8×10-5KW。作为比较，在用湿吹扫气体时，这种能量需要量增加到大约每SCFH2.5×10-4KW。因此一种权衡将会存在于干燥器再生与热能需求之间。由于渗透膜系统固有的简单性，在本领域中，有一强烈的动力和愿望将膜系统技术用于所有类型的空气分离操作中，包括那些要求干燥的、高纯氮气产品的操作。为这类干燥氮的使用，人们希望从如上述使用较高温干燥器再生，而又降低与之相联系的能量需求的实现中获得利益。因此，本专利技术的一个目的是提供一种改进的生产干燥的高纯氮的方法和系统。本专利技术的另一个目的是提供一种应用高温干燥器再生而又不会提高与之相联系的热能代价的干燥的高纯氮的生产方法和系统。-->本专利技术进一步的目的是提供一种应用高温干燥器再生，并降低热能、产品氮回收和投资成本需要的生产干燥高纯氮的方法和系统。下面结合这些和其它目的对本专利技术进行详细的说明，并在附带的权利要求中特别指出其新颖的特征。在一个膜系统中空气分离之后的干燥的高纯氮生产中，催化脱氧系统中产生的热能被用作高温膜干燥器系统的吹扫气体的一种热源。通过对吸附循环，吹扫气体源和湿的废吹扫气再循环的选择，可以在低热能消耗条件下实现高温干燥器再生，而且对产品氮的回收及整个系统的投资成本只造成最小的影响。下面通过参考附图对本专利技术进行详细说明，其中：图1是关于用一种膜系统对空气进行初分离的生产干燥的高纯氮的一种常规做法实例的示意图;图2是关于本专利技术的用一膜系统对空气进行初分离生产干燥的高纯氮，以及高温产品干燥器再生的较好的实施例的示意图;图3是关于一种采用第二级膜渗透气体作为产品干燥器再生的吹扫气体的生产干燥的高纯氮的一种可供选择的实施例的示意图;图4是关于一个基于使用第二级膜渗透气体作为产品干燥器再生的吹扫气体的另一个实施例的示意图;图5是关于本专利技术的一个实施例的示意图，其中一部分产品氮气被用于干燥器再生目的;图6是关于本专利技术的一个实施例的示意图，其中压缩空气吹扫被用于高温干燥器再生;-->图7是关于本专利技术的示意图，其中环境空气被用于高温干燥器再生的吹扫目的。本专利技术的目的可以通过在实施实施例时使用产品氮干燥器的高温再生来达到，所说实施例应适于在使用所希望的膜系统初分离空气生产干燥的高纯氮中减少热能消耗，提高产品氮的回收和提高总体效率。在本专利技术的实施例中，进料空气通过一个空气分离膜系统，和回收低至中等纯度的，例如典型的大约为98%左右纯度的，氮渗透气体。然后用通常的脱氧系统除去氮气流中所含的氧，所述脱氧系统是通过贵金属催化剂用氢还原氧产生水的方法来除去所述氧。这一放热反应释放的能量将氮加热到400-600°F，并导致氮气流中含有30000至40000ppm的水和一些过剩的氢。在常用的操作中，这种热和水的所述脱氧过程之后用单独的冷却装置和吸附干燥装置除去。在图1中描述了这种常用的操作，进料空气通过管线1送至压缩机2，由此通过管线3以所需的膜渗透压力送至包括膜4-第一级空气分离膜装置，和膜5-第二级空气分离膜装置的空气分离膜系统。在所述膜装置中，氧是较容易透过的，富氮气流作为非渗透气体被回收。来自膜4的氧渗透气通过管线6从系统中排走，而来自膜5的这种渗透气体一般通过管线7再循环，与管线1中进料空气的添加量一起再压缩。来自膜5的非渗透气体通过管线8送至脱氧装置9，氢气由管线10送入脱氧装置9与氮气流中的大约2%的残余氧反应。进入到脱氧装置9的氮气流典型地大约在90°F，被装置9中反应放出的热加热到大约600°F。经过处理并如此加热了的氮-->气流的含氧量减少到大约5ppm，该气流通过管线11离开脱氧单元9并被送至冷却器12，在这里气流的温度被降低到大约75°F。然后氮气通过管线13送至常用的水分离器14，分离出的水通过排泄管线15从这里排出。接着氮气流通过管线16送至PSA干燥器装置17进行最后的干燥。在所述干燥器中残余水分被从所希望的氮气产品中除去，通过管线18回收干燥的高纯氮。但是一部分产品气流为了吹扫的目的通过管线19转向输入到加热装置20，高温氮从这里被输送到干燥器17，用作吹扫气体。含有挟带出的水分的废吹扫气通过管线21从系统中排出。如上所述，应用高温干燥器再生是所希望的，但同时要降低与之相关的热能代价，而且希望对于产品回收没有明显的不利影响。在本专利技术实施例的实践中，通过有效地利用脱氧反应中产生的热对吸附干燥器热再生，同时利用一部分来自膜空气分离系统的、相对干燥的渗透气体作为吹扫气流的措施达到这种目的。本附图2所说明的本专利技术的较理想的实施例中，进料空气通过管线22送至空气压缩机23，压缩后的空气由此通过管线24送至包括第一级膜装置25和第2级膜装置26的膜空气分离系统。富氧渗透气体通过排放管线从膜25排出，而从膜26透过的，含有更大量氮的渗透气体通过管线28再循环，使之与管线22中添加的进料空气的量一起送至压缩机23。非渗透的氮气流通过管线29从膜系统送至脱氧装置30，氢经管线31输入脱氧装置30与所述氮气流中存在的氧反应。经过如此处理和加热了的氮气流通过管线32从脱氧装置30送至一适当的阀装置33，例如，一个四通阀，该阀装置33适用于在将所述氮气流送至-->一个第二级干燥器除去残本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的生产干燥高纯氮气的方法，包括：（ａ）使进料空气进入一用于分离的膜系统，并回收含有残余氧的部分纯化的氮气流；（ｂ）在一催化燃烧系统中使存在于所述氮气流中的残余氧和氢反应，所述氢和氧之间反应的放热性质产生反应热，从所述系统中回 收湿的高纯氮气流；（ｃ）在一吸附干燥器床中，在一较低的干燥温度下干燥所述湿的高纯氮气流；和（ｄ）使提高到干燥器再生温度的吹扫气体通过所述吸附干燥器床以除去其中的水分而使之再生，利用所述催化燃烧系统中产生的反应热，所述吹扫气还被加热到 所需的再生温度，从而通过利用催化燃烧系统中产生的热能来加热用于干燥器再生的吹扫气体能够有效地得到高温吸附干燥器再生的利益。

【技术特征摘要】
US 1990-6-6 533,8481、一种改进的生产干燥高纯氮气的方法，包括：(a)使进料空气进入一用于分离的膜系统，并回收含有残余氧的部分纯化的氮气流；(b)在一催化燃烧系统中使存在于所述氮气流中的残余氧和氢反应，所述氢和氧之间反应的放热性质产生反应热，从所述系统中回收湿的高纯氮气流；(c)在一吸附干燥器床中，在一较低的干燥温度下干燥所述湿的高纯氮气流；和(d)使提高到干燥器再生温度的吹扫气体通过所述吸附干燥器床以除去其中的水分而使之再生，利用所述催化燃烧系统中产生的反应热，所述吹扫气还被加热到所需的再生温度，从而通过利用催化燃烧系统中产生的热能来加热用于干燥器再生的吹扫气体能够有效地得到高温吸附干燥器再生的利益。2、如权利要求1所述的方法，其特征在于干燥器再生吹扫气包括从催化燃烧系统回收的湿的高纯氮气流，所述提高了温度的氮气流被直接送至正在再生的吸附干燥器床，而没有将其冷却到较低的干燥温度和与之相关的水分的去除，和包括将所述高纯氮气流从所述正在  进行再生的干燥器床送至一个正被用于在较低干燥温度下干燥，所述湿的高纯氮气流的干燥器床。3、如权利要求2所述的方法，其特征在于包括：在将用作吸附干燥器床再生的吹扫气体的高纯氮气流送至一用于干燥的吸附干燥器床之前，将其送至冷却器和水分分离器装置。4、如权利要求1所述的方法，其特征在于包括：在将所述湿的高纯氮气流送至所述吸附干燥器床干燥之前，将其送入一热交换器以从中除去反应热，在将提高到干燥器再生温度的干燥器吹扫气送入干燥器床之前先将其送至所述热交换器加热。5、如权利要求4所述的方法，其特征在于所述膜系统包括不止一个膜级，部分纯化的氮气流作为非渗透气体从其中排出，和包括排出，不是从第一级，大量的和比第一级相对高的氮浓度的可得到的渗透气体，一部分所述渗透气被用作所述干燥器吹扫气送入所述热交换器，这种渗透气在干燥器床中提供了一个相对大的吹扫/进料比。6、如权利要求5所述的方法：其特征在于用作干燥器吹扫气的所述渗透气包括第二级渗透气的一部分，膜系统包括一个两级系统。7、如权利要求4所述的方法，其特征在于包括：一部分干燥高纯氮气产品被再循环以便在所述热交换器中加热并用作所述干燥器吹扫气。8、如权利要求4所述的方法，其特征在于包括：一部分送到膜系统的压缩进料空气被转送到所述热交换器，并用作所述干燥器吹扫气。9、如权利要求4所述的方法，其特征在于环境空气被压缩并送至所述热交换器，用作所述干燥器吹扫气。10、如权利要求6所述的方法，其特征在于包括：将来自被再生的干燥器床的吹扫流出气再循环以便加压并送到膜系统。11、如权利要求7所述的方法，其特征在于包括：再循环来自正在进行再生的干燥器床的吹扫流出气以附加处理和回收额外数量的所希望得到的氮气。12、如权利要求11所述的方法，其特征在于再循环所述的吹扫流出气使其与来自催化燃烧系统的氮气流一起送到所述热交换器。13、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述吹扫流出气是在所述催化燃烧系统上游的一点进行再循环的。14、如权利要求8所述的方法，其特征在于包括：再循环来自正在进行再生的干燥器床的吹扫流出气，使其与额外添加的进料空气一起送到膜系统，以便从中回收额外数量的氮气。15、一种改进的生产干燥的高纯氮的方法包括：（a）使进料空气通过一用于分离的膜系统，并回收含有残余氧的、部分纯化的氮气流，所述膜系统包括不止一个膜分离级;（b）在一催化燃烧系统中使存在于所述氮气流中的残余氧与氢反应，所述氢和氧之间反应的放热性质产生反应热，湿的高纯氮气流作为非渗透气体从系统中回收;（c）冷却所述氮气流至一较低的干燥温度并除去其中的水分;（d）在一吸附干燥器床中，在所述的较低的干燥温度水平下干燥所述湿的高纯氮气流;（e）排出不是来自第一膜级的、大量的、和比第一级相对高的氮浓度的可得到的渗透气体;（f）使所述渗透气体的一部分通过热交换器装置加热至一较高的干燥器再生温度，所述的这部分渗透气体作为干燥器吹扫气使用，并在干燥器床中提供了一个相对大的吹扫/进料比，因此降低了干燥器的热能需求;和（g）将如此加热了的渗透气在所述提高了的温度下送至所述干燥器床以再生所述干燥器床，借此可以在降低热能需要的条件上，有效地获得高温吸附干燥器再生的效益。16、如权利要求15所述的方法，其特征在于所述膜系统是一个两级系统。17、如权利要求15所述的方法，其特征在于包括：将来自干燥器的吹扫流出气再循环，使其与额外添加的进料空气一起送至膜系统，以便从中回收额外量的氮气。18、一种改进的生产干燥的高纯氮的系统包括：（a）一个用于分离进料空气和回收部分纯化的、含有残余氧的氮气流的膜系统;（b）一个催化燃烧系统，适于用来使存在于所述部分纯化的氮气流中的残余氧与氢反...

【专利技术属性】
技术研发人员：R普拉萨德，OW哈斯，F诺塔罗，DR汤普森，
申请(专利权)人：联合碳化工业气体技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]