專利名稱：一種改進的生產(chǎn)干燥的高純氮氣的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由空氣生產(chǎn)氮氣的技術(shù)，更具體地說，是涉及生產(chǎn)干燥的高純氮氣的技術(shù)。
在一些化學(xué)生產(chǎn)過程、煉油過程、金屬冶煉以及其他工業(yè)應(yīng)用中都需要高純度的氮氣。盡管有多種公知的技術(shù)可以用于通過空氣分離來制備氮氣，然而對于較小規(guī)模的操作而言，變壓吸附過程(PSA)是特別理想的工藝過程，對于這些較小規(guī)模的操作來說，采用低溫空氣分離設(shè)備是不經(jīng)濟的。
在PSA空氣分離過程中，原料空氣以較高的吸附壓力送往一個吸附床，該吸附床能選擇性地將氮氣或氧氣作為空氣中容易吸附的成份予以吸附，然后使吸附床降壓到一個較低的解吸壓力，以便使上述容易吸附的氣體成份解吸出來。將解吸出來的空氣成份取出，然后再將另外的原料空氣送入吸附床，這樣，在吸附床中不斷地循環(huán)進行吸附-脫附操作。通常都是采用多床系統(tǒng)來實現(xiàn)上述PSA過程，每個吸附床均按照所需的操作順序循環(huán)操作，并和系統(tǒng)中其他吸附床的上述操作順序互相配合。
為了生產(chǎn)純度高達99.5%的氮氣，工業(yè)上常采用兩種不同的PSA過程和系統(tǒng)。其中的第一種方法是，在快速操作循環(huán)中，采用一種可變選擇性碳分子篩吸附劑，通過選擇性地吸附作為容易吸附的空氣成份的氧氣來生產(chǎn)氮氣，氮氣作為不易吸附的空氣成份在吸附壓力下，以比較低的露點(例如-40°F)從吸附床的產(chǎn)物中取出。然而，人們已經(jīng)注意到，當送入上述PSA系統(tǒng)的原料空氣中含有水份時，會顯著地降低吸附劑床的分離效率。正因為如此，一般在PSA空氣分離系統(tǒng)之前采用一個單獨的PSA吸附劑干燥器，以便在將原料空氣送入上述PSA空氣分離系統(tǒng)之前除去其中所含的水份。
在另一種PSA過程和系統(tǒng)中，采用一種能夠在均勻選擇的基礎(chǔ)上有選擇地吸附空氣中的氮氣的吸附劑。在這類系統(tǒng)中，原料空氣通常是以略高于大氣壓的壓力送到吸附劑床，并采用真空泵從吸附劑床中抽出潮濕的富氮氣流。在這種操作中一般采用沸石分子篩。發(fā)明人為Werner等人的4599094號美國專利公開了用這種PSA操作回收高純氮氣產(chǎn)品的處理過程的詳細內(nèi)容，所獲得的氮氣產(chǎn)品一般是潮濕的，因為除了輸入的原料空氣會將水份帶到產(chǎn)品氮氣中以外，真空泵的水封也常常會將一些水份帶到氮氣之中。因此，在許多應(yīng)用中，需要壓縮回收到的氮氣產(chǎn)品并將其脫水。這樣做的目的是為了防止出現(xiàn)冷凝，并由此而在工廠的管道和儀器中引起銹蝕或凍結(jié)，或者因為有水份存在會妨礙對氮氣所需要的最終使用。一種解決氮氣中含水問題的可行方法是采用產(chǎn)品氣體壓縮機、二次冷卻器、水份分離器和吸附干燥器來生產(chǎn)干燥的高純氮氣氣流。
在PSA-氮系統(tǒng)中采用吸附前置干燥器或后繼干燥器顯著地增加了整個過程和系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，并降低了系統(tǒng)運行可靠性。這類干燥器通常具有多個吸附劑容器，并有相應(yīng)的管道和閥門與之相連。可能需要用相當數(shù)量的氮氣產(chǎn)品，例如原料空氣的5%到30%作為整個PSA過程工序的一部分的吸附劑床的再生之用。如果采用變溫循環(huán)，也需要消耗一定的沖洗能量。如果采用作為廢氣的氧氣氣流來充當吸附劑床的再生氣，則必須采用特別的予防措施來防止在吸附劑床切換時出現(xiàn)氧氣濃縮的高峰。由于這些復(fù)雜的問題以及它們對整個系統(tǒng)的效率和生產(chǎn)成本的影響，在本技術(shù)領(lǐng)域中存在著對采用PSA方法來生產(chǎn)干燥的高純氮氣的工藝進行改進的愿望，特別是改進從高純度氮氣中排除水份的方法。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的，用于生產(chǎn)干燥的高純氮氣的方法及設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種經(jīng)改進的方法和設(shè)備，它采用PSA方法來分離空氣，并為排除水份和回收干燥的高純氮氣產(chǎn)品而進行所需的前置干燥或后繼干燥。
根據(jù)上述發(fā)明目的和其它發(fā)明目的，下面將對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明的新穎之處將在所附的權(quán)利要求書特別予以指明。
本發(fā)明采用了與PSA氮系統(tǒng)相結(jié)合的薄膜干燥器系統(tǒng)，以便提供一種和采用吸附干燥器所不同的既簡單又便宜的生產(chǎn)干燥的高純氮氣的方法。上述薄膜干燥器最好以一種逆流流動模式進行工作，并且采用比較干燥的沖洗氣體回返流到薄膜的低壓滲透側(cè)，以便減少對薄膜面積的要求，增加所需產(chǎn)品的回收量。上述沖洗氣體最好取自由PSA系統(tǒng)產(chǎn)生的氧氣廢氣，或者取自干燥的氮氣產(chǎn)品氣體。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明，其中

圖1是本發(fā)明的一個實施例的方框流程圖，其中將來自采用氮選擇性吸附劑的PSA-氮系統(tǒng)的廢氣作為薄膜后繼干燥器系統(tǒng)的沖洗氣體;
圖2是本發(fā)明的另一個實施例的方框流程圖，其中的PSA-氮系統(tǒng)采用了一種氮選擇性吸附劑，由該系統(tǒng)所獲得的干燥氮氣產(chǎn)品氣體的一部分被用來作為薄膜后繼干燥器系統(tǒng)的沖洗氣體;
圖3是本發(fā)明的再一個實施例的方框流程圖，其中的PSA-氮系統(tǒng)采用了一種氮選擇性吸附劑，由該系統(tǒng)產(chǎn)生的廢氣用來作為薄膜前置干燥系統(tǒng)的沖洗氣體。
本發(fā)明的目的是通過將一個用來干燥氮氣或原料空氣的薄膜系統(tǒng)跟一個PSA系統(tǒng)結(jié)合起來而實現(xiàn)的，其條件是這種結(jié)合能夠從高純度氮氣產(chǎn)品氣體或原料空氣中除去水份，同時又不至于使該方法和設(shè)備的總的產(chǎn)品回收量下降到不合格的地步。與上述條件有關(guān)的是分離處理系統(tǒng)的結(jié)合方式，所使用的薄膜組份對水份去除的選擇性，以及能夠在干燥器薄膜系統(tǒng)中產(chǎn)生所需要的逆流流動的薄膜束設(shè)計方案。這樣，系統(tǒng)就能夠生產(chǎn)干燥的高純度氮氣產(chǎn)品氣體，同時又將干燥過程中產(chǎn)品氣體的損失減少到最低程度。
在實施本發(fā)明的過程中，由PSA系統(tǒng)產(chǎn)生的廢氣或者一部分干燥的氮氣產(chǎn)品氣體被用作沖洗氣體送入干燥器薄膜系統(tǒng)，這樣既能夠獲得干燥的高純度氮氣氣流，同時又能將因為干燥需要而造成的產(chǎn)品氣體損失減少到最低限度。本發(fā)明所提供的整個方法和設(shè)備將結(jié)合附圖進行說明。下面將介紹適用于本發(fā)明的PSA系統(tǒng)以及和上述系統(tǒng)相結(jié)合的用于提高對氮氣產(chǎn)品氣體的干燥作用的薄膜系統(tǒng)。
在附圖1中，空氣通過管道1送到空氣分離PSA-氮系統(tǒng)2。在該系統(tǒng)中，氮氣作為容易吸附的空氣成份被選擇性吸附，而不易吸附的空氣成份氧氣則作為廢氣從系統(tǒng)中排出。在PSA-氮系統(tǒng)2的循環(huán)操作中的解吸步驟之后，其體積純度為99.5%的潮濕的低壓氮氣流通過管道3送到壓縮機4進行壓縮。經(jīng)過壓縮之后，潮濕的氮氣氣流的壓力達到諸如80磅/平方英寸(Psig)左右，然后通過管道5送入容器6進行降溫和冷凝，得到的水份通過管道7從系統(tǒng)中排出。經(jīng)純化和部分干燥器的氮氣產(chǎn)品通過管道8送到干燥器薄膜系統(tǒng)9。含有通過上述系統(tǒng)9的薄膜給以滲透的水份的滲透氣體和沖洗氣體一道經(jīng)管道10作為廢氣被排出。所需的高純氮氣作為未滲透氣體以干燥的形式通過管道11從干燥器薄膜系統(tǒng)9中得到回收。由PSA-氮系統(tǒng)2排出的氧氣通過管道12以大約3磅/英寸2的低壓送到干燥器薄膜系統(tǒng)9，以便作為較干燥的沖洗氣體。值得指出的是在上述PSA系統(tǒng)中，輸入的原料空氣中所含的水份已經(jīng)和氮氣一道被系統(tǒng)中采用的選擇性氮吸附劑吸附了，從薄膜系統(tǒng)排出的氧氣廢氣由管道10將滲透過薄膜9而位于薄膜滲透側(cè)的水份由薄膜的表面帶走，從而使薄膜9的兩側(cè)保持高的驅(qū)動力，以利于脫水。
附圖2表示了本發(fā)明的另一個不同的實施例。其中，一部分干燥的產(chǎn)品氮氣氣流被用作干燥的沖洗氣體，而干燥器薄膜系統(tǒng)排出的含有水份的沖洗氣體則再次循環(huán)，并和潮濕的高純氮氣產(chǎn)品氣體一道在干燥器薄膜系統(tǒng)中進一步予以干燥，而不是像附圖1那樣作為廢氣排出。在附圖2的實施例中，原料空氣通過管道20送至PSA-氮系統(tǒng)21，該系統(tǒng)能夠選擇性地吸附氮氣，而氧氣則通過管道22作為廢氣從系統(tǒng)中排除。通過在低的解吸壓力下進行的解吸操作，含量約為99.5%的高純氮氣作為潮濕的低壓氮氣通過管道23從PSA-氮系統(tǒng)21中送出。在產(chǎn)品壓縮機24中，上述氮氣氣流被壓縮到大約80磅/英寸2的壓力。加壓后的氮氣通過管道25送入容器26，以便進行降溫和冷凝。在容器26中，水份從氮氣氣流中分離出來，并通過管道27排出。被提純的部分干燥的氮氣產(chǎn)品通過管道28送入干燥器薄膜系統(tǒng)29。包含能夠通過系統(tǒng)29中的薄膜予以滲透的水份的滲透氣體和沖洗氣體一道被提取出來，然后通過管道30再循環(huán)至管道23，以便和另外一些來自PSA-氮系統(tǒng)21的高純濕氮氣一道進行壓縮，并再次送入干燥器薄膜系統(tǒng)29中。在該實施例中，一部分由管道31回收到的高純干燥氮氣通過管道32再循環(huán)到干燥器薄膜系統(tǒng)29中，以用作比較干燥的沖洗氣體，它可以從薄膜的滲透側(cè)將水份帶走，因此薄膜29的兩側(cè)能維持高的驅(qū)動力，使所需進行的脫水得以維持。
附圖3顯示了本發(fā)明的又一個實施例，它特別適用于以氧氣作為容易吸附的空氣成份的PSA系統(tǒng)。在這種實施例中，干燥器薄膜系統(tǒng)用來作為前置干燥器，而不是象附圖1和附圖2所示的實施例那樣用作PSA系統(tǒng)原料空氣處理之后的后繼干燥器。在附圖3所示的實施例中，原料空氣通過管道40送進原料氣壓縮機41，壓力大致為90磅/英寸2的壓縮空氣通過管道42送入容器43，進行降溫和冷凝，所獲得的由原料空氣氣流中排出來的水通過管道44予以排除。經(jīng)過壓縮和部分干燥的原料空氣通過管道45送至干燥器薄膜系統(tǒng)46。包含能夠通過系統(tǒng)46中的薄膜予以滲透的水份的滲透氣體和沖洗氣體一道通過管道47作為廢氣予以排除。干燥后的原料空氣通過管道48從上述薄膜系統(tǒng)46中被回收，并送至PSA-氮系統(tǒng)49。在這一系統(tǒng)中，裝有能選擇性地吸附氧的吸附劑，于是干燥的高純氮氣產(chǎn)品流過上述PSA系統(tǒng)，作為不易吸附的空氣成份從管道50中被回收。經(jīng)過解吸，原料空氣中容易吸附的成份，即干燥的氧氣，通過管道51由PSA-氮系統(tǒng)49中取出，并被用作干燥的沖洗氣體送入干燥器薄膜系統(tǒng)46之中。這樣，上述干燥的氧氣沖洗氣體將滲透到薄膜滲透側(cè)的水份從薄膜的滲透側(cè)表面帶走，從而使薄膜46的兩側(cè)維持高的驅(qū)動力，使所需進行的脫水得以維持。
因此，通過本發(fā)明的實施，可以看到干燥器薄膜系統(tǒng)可以有效地和PSA-氮系統(tǒng)結(jié)合在一起，以便方便地干燥由PSA-氮系統(tǒng)輸入到該系統(tǒng)的原料空氣中所分離出來的高純氮氣產(chǎn)品。干燥器薄膜系統(tǒng)的效果通過在薄膜系統(tǒng)的滲透側(cè)使用沖洗氣體而得到增加，上述干燥器薄膜系統(tǒng)的沖洗氣體可以來自PSA-氮系統(tǒng)的干燥的廢氣，或者是來自PSA-氮系統(tǒng)的一部分干燥的高純氮氣氣流。
應(yīng)該指出的是附圖3所示的整個系統(tǒng)很容易改造成一個PSA-氧系統(tǒng)，通過管道50提供干燥的氧氣作為所需的產(chǎn)品氣體。為此，圖中所示的PSA系統(tǒng)49最好是一個選擇地吸附氮氣的系統(tǒng)，它以氮氣作為容易吸附的原料空氣成份，而回收作為不易吸附的原料空氣成份的氧氣。在這樣的PSA系統(tǒng)中，經(jīng)過循環(huán)操作中的吸附床解吸操作，干燥的氮氣通過管道51從PSA氧系統(tǒng)49中排出，作為干燥的沖洗氣體送入干燥器薄膜系統(tǒng)46。這樣的PSA-氧系統(tǒng)，尤其是典型的多床系統(tǒng)，在現(xiàn)有技術(shù)中已有所披露。正如在PSA-氮系統(tǒng)中一樣，該系統(tǒng)采用了具有特定處理順序的循環(huán)操作方式，即在較高的吸附壓力下吸附容易吸附的成份、降壓、解吸出上述容易吸附的成份，然后進行沖洗，再加壓至上述較高的吸附壓力。發(fā)明人為Hiscock等人的4589888號美國專利介紹了各種PSA-氧系統(tǒng)和處理順序，其中氧氣產(chǎn)品作為原料空氣中的不易吸附成份而被回收。盡管不是最佳方案，但值的指出的是另外的用于回收氧氣產(chǎn)品的系統(tǒng)和處理方法，以及將干燥氮氣送入干燥器薄膜系統(tǒng)46中再循環(huán)，都可以通過選擇性地吸附氧氣而不是氮氣作為容易吸附的成份來實現(xiàn)。一般說來，為了達到這樣的目的，可以在PSA系統(tǒng)的吸附劑床中使用諸如活性碳吸附劑材料的可變型選擇性吸附劑來取代諸如沸石分子篩之類的均勻型選擇性吸附劑，后者用于以氮作為容易吸附的空氣成份的PSA系統(tǒng)。
已知有一些薄膜能夠選擇性地除去壓縮氮氣氣流中所含有的水份。然而不幸的是正如美國專利4783201所述的那樣，人們發(fā)現(xiàn)當薄膜以交叉流動方式滲透進行工作時，會使效果變差，即在150磅/英寸2的壓力之下，為了獲得-40°F的較為合適的壓力露點，滲透氣體和原料氣流之間的重量百分比大致為30%。顯然，采用這種交叉流動薄膜單元回收的產(chǎn)品氣體是很少的，而整個系統(tǒng)所需的動力和干燥器面積又高到令人失去興趣的地步。因此，為了提高本發(fā)明的組合式系統(tǒng)的效果，干燥器薄膜系統(tǒng)最好以逆流流動方式進行操作，并讓干燥的回流沖洗氣體流過薄膜的滲透側(cè)，以便將水份從上述滲透側(cè)帶走，從而在薄膜兩側(cè)維持高的驅(qū)動力以排除水份。這一處理特點能夠減少所需的薄膜面積，減少為達到指定露點，即達到指定的干燥程度所不可避免的產(chǎn)品滲透損失。在本發(fā)明的最佳實施方案中，應(yīng)將由于氮氣或原料空氣的互滲透而引起的氮氣產(chǎn)品/原料空氣的損失維持在低于總的產(chǎn)品氣流的1%的水平，最好是低于0.5%。
干燥器薄膜系統(tǒng)中使用的薄膜組份應(yīng)該對氮氣中的水份具有高的選擇性，亦即對水份選擇地滲透比氮氣的滲透要快速得多。為了能夠很好地將水份從所獲得的氮氣中或者是原料空氣中排除出去。水/氮氣分離因子至少應(yīng)為50，最好大于1000。此外，薄膜組份對于氮氣和氧氣來說都應(yīng)具有較低的滲透率。醋酸纖維是能夠滿足上述要求的一種較好的薄膜分離材料。除此之外，還可以采用一些其它的不同材料，例如乙基纖維、硅橡膠、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯以及類似物。
如本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書所述的與一個變壓吸附系統(tǒng)相結(jié)合的干燥器薄膜系統(tǒng)(它具有用合適的材料構(gòu)成的薄膜)最好以上面介紹過的逆流方式運行。在空心纖維薄膜結(jié)構(gòu)或其他適合的薄膜結(jié)構(gòu)，例如螺旋纏繞式薄膜中，普遍采用了一種用于交叉流流動模式的捆束結(jié)構(gòu)。在交叉流流動模式中，位于薄膜滲透側(cè)的滲透氣體的流動方向與薄膜進給側(cè)的原料氣體的流動方向相垂直。例如，當采用中空纖維管束，而且原料氣體的通道位于中空纖維薄膜的外側(cè)時，纖維孔中的滲透流動方向一般都垂直于空心纖維外表面上原料氣體的流動方向。類似地，在內(nèi)-外的流動方式中，原料氣體是在空心纖維孔中流動，而滲透氣體一般由中空纖維的表面流出，其流動方向大體垂直于原料氣體在空心纖維的孔中的流動方向，然后在外殼中沿著為滲透氣體提供的流出通道流動。1987年6月24日公開的第0226431號歐洲專利申請中提出了一種逆流式流動模式，其實現(xiàn)方式是將除了接近中空纖維管束一端的那部分外表區(qū)域之外的整個空心纖維管束沿其長度方向封裝在一個不透水的壁套之中，這就能使在中空纖維的外面反向流動的原料氣體的流動方向與在空心纖維的孔內(nèi)流動的滲透氣體的流動方向相平行，或使在空心纖維的外面反向流動的滲透氣體的流動與方向與空心纖維的孔內(nèi)流動的原料氣體的流動方向相平行。到底是上述兩種情況中的哪一種，取決于是采用外-內(nèi)，還是內(nèi)-外的工作方式。例如，在中空纖維管束外面的原料氣體是沿著平行于纖維管束中心軸線的方向流動。而不是沿垂直于纖維管束中心軸線的方向流動。應(yīng)該指出的是薄膜纖維可以安排成沿管束中心軸線直線延伸，也可以如叉流流動模式那樣，圍繞中心軸線纏繞成螺旋的形式。在任何一種情況下，上述不透水的壁套可以是用聚偏乙烯或類似材料制成的一層不透水薄膜。此外，上述不透水的壁套還可以是溶解在一種無毒溶劑中的不透水涂料，例如聚硅氧烷，或者是一種先熱脹后套在薄膜管束上的可收縮外套。如上述歐洲專利申請所述，封裝空心纖維或其他薄膜束的不透水壁套具有一個開口，使氣體能流入或流出上述膜束，從而使流體的流動方向基本上平行于纖維束的軸線。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，流體的流動模式必須是兩種流體逆向流動，其中一種流體是潮濕的高純度氮氣，或者是原料空氣氣流，另一種流體是滲透氣體，它包括上面介紹過的沖洗氣體和通過氮氣產(chǎn)品干燥器的薄膜材料或原料空氣干燥器薄膜滲透而來的水份及氧氣/氮氣。
值得指出的是在現(xiàn)有技術(shù)中，薄膜的干燥操作一般是通過采用致密纖維薄膜來予以實現(xiàn)的。致密纖維的薄膜厚度，亦即其壁厚比非對稱薄膜的表皮部分或復(fù)合膜的分離層要大得多。對于致密纖維來說，要想獲得足夠的耐壓能力就必須具有大的壁厚。因此，致密纖維的滲透率很低，為了對氮氣產(chǎn)品進行所需的干燥就必須采用很大的表面面積。相反，非對稱膜或復(fù)合膜具有非常薄的膜分離層，同時具有微孔比較多的基底部分，此基底部分具有足夠的機械強度，并為非常薄的部分提供了支承，而非常薄的部分則決定了薄膜的分離特性。非對稱膜式復(fù)合膜所需的表面積比致密均相膜的表面積要小得多，因此，為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，最好使用非對稱膜或復(fù)合膜，而不用致密均相膜。由于采用非對稱膜或復(fù)合膜比采用致密膜對膜的固有滲透性能有所改善，因此，在本發(fā)明的最佳實施例中希望進一步改進非對稱膜或復(fù)合膜的性能，以便減少由于互滲透而引起的寶貴的產(chǎn)品氮氣氣體的損失。
應(yīng)該指出，本發(fā)明所采用的PSA-氮系統(tǒng)可以是由任何數(shù)量的吸附劑床組成的系統(tǒng)，所采用的吸附劑可以是能選擇性地吸附氮氣，也可以選擇性地吸附氧氣。對氮的選擇性通常是均勻選擇，因此當使用這樣的吸附劑時，容易吸附的空氣成份，即氮氣，形成了均勻的吸附前沿，該前沿由進料端通過吸附劑床向產(chǎn)品端移動。諸如13X和5A材料的沸石分子篩材料是市售的適合于本發(fā)明的均勻型吸附劑材料。如前所述，活性碳分子篩是具有可變或動態(tài)分離特性的材料，這類材料對氧氣而不是對氮氣具有選擇性。本技術(shù)領(lǐng)域里的普通技術(shù)人員可以看出，實施本發(fā)明時可以采用各種各樣的PSA操作循環(huán)，采用任何數(shù)目的吸附劑床和任何希望的操作順序。在上面提到的Werner等人的專利中所披露的循環(huán)顯示了變壓吸附系統(tǒng)所能適用的操作方式的靈活性。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，應(yīng)使沖洗比，即回流的沖洗氣體與非滲透側(cè)的產(chǎn)品氣流的比例至少為10%，最好為20%左右或更高，以便使對面積的要求、產(chǎn)品損失以及殘余氧氣的反向擴散達到最低值。產(chǎn)品氣體壓力較低時所需要的沖洗比比氣體壓力較高時大。所能容許的氧氣反向擴散量取決于具體運用時的總要求。在很多情況下，希望氧氣的反向擴散不超過500PPmv的最大限度，而在氮氣產(chǎn)品中氧氣的反向擴散最好低于100PPmv。當然，能夠獲得的回流沖洗氣體量取決于它的來源和數(shù)量。
在附圖1所示的本發(fā)明的實施例中，一個選擇氮氣的PSA-氮產(chǎn)品系統(tǒng)能夠用來生產(chǎn)20，000ncfh的純度為99.5%的氮氣。上述設(shè)備的一般空氣回收率大約是60%，即原料空氣的40%能夠用來作為低壓廢氣。在這樣的系統(tǒng)中，原料空氣的壓力為8磅/英寸2，廢氣的壓力是5磅/英寸2，而送入干燥器薄膜系統(tǒng)的潮濕氮氣的壓力為80磅/英寸2，溫度為90°F。為了達到所需的-40°F的產(chǎn)品氣體露點，一個變溫吸附后繼干燥系統(tǒng)約消耗6KW電能，并且需要大約2%的再生沖洗氣體。上述常規(guī)的系統(tǒng)可以用一個更為簡便、成本更低的干燥器薄膜系統(tǒng)來取代，該系統(tǒng)由螺旋管狀空心纖維構(gòu)成，其水/氮分離因子，即水份滲透性和氮氣產(chǎn)品氣體的滲透性之間的比值為6000，而水/氧分離因子為1000。該干燥器薄膜系統(tǒng)采用了由聚偏乙烯制成的不透水壁套來封裝薄膜，并在薄膜標準件中形成一種逆流流動模式。在上述薄膜系統(tǒng)中，以低于氮氣的0.5%的極低干燥產(chǎn)品損失就能夠有效地干燥高純度氮氣產(chǎn)品氣體;而在本發(fā)明所不愿采用的完全叉流流動方案中，要耗費30%以上的干燥氮氣產(chǎn)品氣體才能達到相同的干燥效果，即獲得相同的露點。
值得指出的是在說明書所附的權(quán)利要求書所指出的范圍之內(nèi)，還可以對本說明書所述的方法和設(shè)備的細節(jié)作一些改動。例如，在本發(fā)明的干燥器薄膜系統(tǒng)中可以采用非對稱膜式復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。盡管致密薄膜被普遍用來對產(chǎn)品氣體進行干燥，而且也可以用于實施本發(fā)明，但是由于這種致密膜具有上面提到過的那些固有的缺點，因此不傾向于使用這種結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明傾向于采用的可滲透薄膜一般為薄膜束的組件方式，它通常置于外殼之內(nèi)以形成薄膜標準件，這種標準件構(gòu)成了薄膜系統(tǒng)的主要部件。一個薄膜系統(tǒng)可以由單個標準件組成，也可以由若干個標準件并聯(lián)或串聯(lián)組成。上述薄膜標準件可以用薄膜束以常規(guī)的空心纖維的方式構(gòu)成，也可以采用螺旋纏繞、起褶的扁平片、或其他適合的結(jié)構(gòu)。薄膜標準件的結(jié)構(gòu)具有一個原料氣體(空氣)側(cè)和一個與之相對的滲透氣體排出側(cè)。對于空心纖維薄膜來說，如果采用內(nèi)-外的操作方式，那么上述原料進氣側(cè)就是孔洞的內(nèi)側(cè);如果采用外-內(nèi)的操作方式，那么上述原料氣體側(cè)就是空心纖維的外側(cè)。為了將原料氣體送入系統(tǒng)，以及將滲透氣流和未滲透氣流排出系統(tǒng)，提供了相應(yīng)的機構(gòu)。
大家知道，PSA吸附劑受到含油蒸汽和硫化氫的污染會降低其性能，本發(fā)明采用了另外的吸劑單元或者由合適的材料制成的收集器，例如釩土或分子篩來事先除去將要送入PSA系統(tǒng)中的原料空氣所含有的上述污染物質(zhì)。
如前所述，本發(fā)明所采用的沖洗氣體必須是來自所述氣源的干燥或比較干燥的沖洗氣體。在使用時，比較干燥的沖洗氣體的水份分壓不能超過干燥的氮氣產(chǎn)品氣體或干燥的原料氣體中的水份的分壓。上述沖洗氣體的水份分壓最好小于干燥氣流中水份分壓的一半，前面所述的有關(guān)沖洗氣源的情形也是如此。
薄膜使人們能夠采用最希望采用的設(shè)備和方法來干燥由PSA-氮系統(tǒng)產(chǎn)生的高純度氮氣，或者干燥送入上述PSA-氮系統(tǒng)的原料空氣。通過在適宜的薄膜干燥器系統(tǒng)中進行干燥，也能夠避免采用現(xiàn)有的昂貴、且更為復(fù)雜的吸附或冷凍技術(shù)和系統(tǒng)來排除水份。通過采用由干燥器薄膜系統(tǒng)和空氣分離PSA-氮系統(tǒng)組合而成設(shè)備，就能夠很方便地對干燥器薄膜系統(tǒng)的低壓滲透側(cè)進行沖洗。通過采用集束式結(jié)構(gòu)來建立一種逆流流動模式，本發(fā)明所選用的干燥操作方案就能夠回收更多的干燥的高純度氮氣，而避免了在叉流流動滲透操作方式中所存在的大量寶貴的氮氣產(chǎn)品氣體互滲透的現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種改進的從空氣中生產(chǎn)干燥的高純度氮氣的設(shè)備，它包括a)一個變壓吸附系統(tǒng)，它裝有能夠選擇性地吸附潮濕的原料空氣中一種容易被吸附的成份的吸附劑材料，從而使潮濕的高純氮氣和氧氣彼此分離開來；b)一個干燥器薄膜系統(tǒng)，它能夠有選擇地滲透存在于潮濕的高純氮氣或潮濕的原料空氣氣流中的水份；c)管道部件，用了將比較干燥的沖洗氣體送入上述干燥器薄膜系統(tǒng)的低壓滲透側(cè)，以利于將水蒸汽從薄膜表面帶走，并維持用于將水蒸汽通過薄膜從高純度氮氣氣流中或原料空氣氣流中排除出去的驅(qū)動力，從而提高脫水能力，上述比較干燥較的沖洗氣體由來自上述變壓吸附系統(tǒng)的廢氣或者氮氣產(chǎn)品氣體構(gòu)成，其中使上述沖洗氣體作用在干燥器薄膜系統(tǒng)的滲透側(cè)上的機構(gòu)能夠在氮氣產(chǎn)品氣體的損失減少到最低限度的條件下除去水份。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的變壓吸附系統(tǒng)具有氮選擇性吸附劑，潮濕的氮氣是容易吸附的空氣成份，氧氣是不易吸附的空氣成份。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述的干燥器薄膜系統(tǒng)是一種后繼干燥器系統(tǒng)，用于干燥器由上述變壓吸附系統(tǒng)所獲得的潮濕的高純氮氣，以形成干燥的高純氮氣產(chǎn)品氣體。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中由變壓吸附系統(tǒng)分離出來的較難吸附的氧氣作為上述干燥的沖洗氣體。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中上述干燥的沖洗氣體是由上述干燥器薄膜系統(tǒng)所生成的干燥的高純氮氣產(chǎn)品氣體的一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中上述干燥器薄膜系統(tǒng)具有薄膜捆束，用于形成逆流流動模式，使?jié)B透氣體的流動大體上平行于送入該系統(tǒng)的原料氣體的流動。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述干燥器薄膜系統(tǒng)是一種后繼干燥器系統(tǒng)，用于干燥由上述具有氮選擇性吸附劑的變壓吸附系統(tǒng)產(chǎn)生的潮濕的高純氮氣，而較難吸附的氧氣則作為干燥的沖洗氣體。
8.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述的變壓吸附系統(tǒng)裝有氧選擇性吸附劑，氮氣為不易吸附的空氣成份，而氧氣是容易吸附的空氣成份。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述的干燥器薄膜系統(tǒng)是一種前置干燥器系統(tǒng)，用于干燥原料空氣，從而為所述的變壓吸附系統(tǒng)提供干燥的原料空氣。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中由所述變壓吸附系統(tǒng)分離出來的容易吸附的氧氣作為干燥的沖洗氣體。
11.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述的變壓吸附系統(tǒng)裝有氮選擇性吸附劑，所述干燥器薄膜系統(tǒng)是一種后繼干燥器系統(tǒng)，用于干燥潮濕的高純氮氣，一部分干燥的高純氮氣產(chǎn)品氣體作為干燥的沖洗氣體。
12.一種改進的由空氣生產(chǎn)干燥的高純氮氣的方法，包括a)將潮濕的高純氮氣或潮濕的原料空氣氣流送入一個干燥器薄膜系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠選擇性地滲透上述潮濕氣流中的水份;b)將比較干燥的沖洗氣體送入上述干燥器薄膜系統(tǒng)的低壓滲透側(cè)，以便將水蒸氣從薄膜的表面帶走，并維持用于將水蒸汽通過薄膜從高純氮氣流或原料空氣氣流中排除出去的驅(qū)動力，從而提高脫水能力，上述比較干燥的沖洗氣體由來自變壓吸附系統(tǒng)的廢氣或氮氣產(chǎn)品氣體構(gòu)成，其中使上述沖洗氣體作用在干燥器薄膜系統(tǒng)的滲透側(cè)上的機構(gòu)能夠在將氮氣產(chǎn)品氣體的損失減小到最低限度的條件下除去水份。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的變壓吸附系統(tǒng)裝有氮選擇性吸附劑，潮濕氮氣是容易被吸附的空氣成份，氧氣是不易被吸附的空氣成份。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述的干燥器薄膜系統(tǒng)是一種后繼干燥器系統(tǒng)，由變壓吸附系統(tǒng)所產(chǎn)生的潮濕的高純氮氣送入該干燥器系統(tǒng)，以形成干燥的高純氮產(chǎn)品氣體。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的干燥的沖洗氣體是上述變壓吸附系統(tǒng)所分離出來的不易吸附的氧氣。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的干燥的沖洗氣體是由干燥器薄膜系統(tǒng)所產(chǎn)生的干燥的高純氮氣的一部分。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的干燥器薄膜系統(tǒng)具有薄膜捆束，用于形成逆流流動模式，使?jié)B透氣體的流動大體上平行于送入上述系統(tǒng)的原料氣體的流動。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中干燥器薄膜系統(tǒng)是一種后繼干燥器系統(tǒng)，用于干燥由裝有氮選擇性吸附劑的變壓吸附系統(tǒng)所產(chǎn)生的潮濕的高純氮氣，而不易吸附的氧氣則作為干燥的沖洗氣體。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述的變壓吸附系統(tǒng)裝有氧選擇性吸附劑，潮濕的氮氣是不易吸附的空氣成份，而氧氣則是容易吸附的空氣成份。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述的干燥器薄膜系統(tǒng)是一個前置干燥器系統(tǒng)，用于干燥原料空氣，以形成干燥的原料空氣送入上述變壓吸附系統(tǒng)中，由該變壓吸附系統(tǒng)分離出來的容易吸附的氧氣作為干燥的沖洗氣體。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述的干燥器薄膜系統(tǒng)是一個后繼干燥器系統(tǒng)，用于干燥由具有氮選擇性吸附劑的變壓吸附系統(tǒng)產(chǎn)生的潮濕的高純氮氣，一部分干燥的高純氮產(chǎn)品氣體為所述的干燥沖洗氣體。
全文摘要
在一個干燥器薄膜系統(tǒng)中對送入一個變壓吸附系統(tǒng)的潮濕原料氣，或由上述變壓吸附系統(tǒng)產(chǎn)生的高純氮氣進行干燥，上述干燥器薄膜系統(tǒng)最好以逆流流動模式進行工作，通過用沖洗氣體對薄膜滲透側(cè)進行沖洗而增強了干燥效果，由上述變壓吸附系統(tǒng)排出的廢氣或一部分干燥的高純氮產(chǎn)品氣體則作為沖洗氣體。
文檔編號B01D53/26GK1047266SQ9010439
公開日1990年11月28日 申請日期1990年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月12日
發(fā)明者奧斯卡·威廉·哈斯, 拉維·普拉薩德, 詹姆斯·斯莫拉列克 申請人:聯(lián)合碳化工業(yè)氣體技術(shù)公司