专利名称：高纯度氮气的制备方法及制备装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从空气之类的以氮氧为主的混合气体中，分离出髙纯度氮 气的方法，以及一种用于实施该方法的制备装置。
背景技术：
氮气作为惰性气体广泛被应用于油井保护、三次采油、气体置换、电子制 造、金属冶炼或加工、各种易爆物的贮存运输及食品保鲜等领域。空气中的氮
气含量约为78% ,从空气中分离出氮气，一直是世界上制备氮气的主要方法。 目前最常用的制取氮气方法有深冷法、变压吸附(PSA)技术和气体膜分离技术。
利用深冷装置可以很容易获得纯度高于99.999%的髙纯氮气，但是其能耗 髙，装置投资巨大，只有当氮气流量需求较大时，利用深冷法制氮才有经济性。
目前国内应用变压吸附技术可以制取99.99%以上的氮气，随着电子、冶金 等工业部门对氮气的纯度要求越来越髙，限于吸附剂的性能，若想得到纯度更 高的氮气，必然要增加吸附剂的数量，进而使容器尺寸加大，并且空气耗量也 随之大大增加，这些因素均限制了变压吸附技术在制取高纯氮气上的应用。
关于气体膜分离技术，有文献(徐仁贤.气体分离膜应用的现状和未来.膜 科学与技术.2003)指出，利用该法可以制备出纯度达99.5%的氮气，但若希望 进一步获得纯度更高的氮气，限于目前膜材料的性能，必须增加膜面积，或提 高空气压力，进而使建设费用和操作费用增加。
现有技术中，也有将PSA工序与气体膜分离技术相串联，用以进行氮氧分 离的专利文献(CN200580026452.6),但此技术的侧重点在于对氮气和氧气进行 并行收集，其制得的氮气和氧气的纯度均不高。在膜分离的步骤中，该专利采 用的是负压操作，其原料气是变压吸附的解析气体，压力较低。但该操作在用 于脱除微量气体(比如制备高纯度氮气)时，就会变得很不经济。若想通过该 专利所述的方法制备纯度高于99.99%的氮气，必须以牺牲设备尺寸和增加投资 成本为代价。
发明内容
本发明的发明目的之一在于提供一种以空气之类的以氮氧为主的混合气体 为原料，经济地从中分离出高纯度氮气的方法。
为达到上述发明目的，本发明采取了如下技术方案一种髙纯度氮气的制备方法，依次包含如下步骤
(1) 、膜式气体分离利用至少一层气体分离膜，将包含氮气和氧气且气 压为0.7 1.0Mpa的原料气分离为渗透系数相对较小的非透过气体和渗透系数
相对较大的透过气体，所述的非透过气体中氮气的含量大于95%;
(2) 、变压吸附式气体分离令所述的非透过气体与能选择性地吸附氧气
和水蒸气的吸附剂相接触，导出氮气含量高于99.99%的高纯度氮气。 所述的原料气为经过除尘和除油后的空气。
所述的气体分离膜为能使氧气、水蒸气、二氧化碳优先透过的中空纤维结 构的高分子膜。所述的吸附剂为碳分子筛。
在完成所述的步骤(2)后，令所述的吸附剂在气压低于2Xl()3pa的状态下 进行解析并导出解析气体，将所述的解析气体导入所述的步骤(1)中进行循环 处理。
本发明的另一发明目的在于提供一种用于实施上述技术方案的髙纯度氮气 的制备装置。
为达到上述发明目的，本发明采取了如下技术方案
一种高纯度氮气的制备装置，该制备装置包含膜式气体分离器和变压吸附
式气体分离器。所述的膜式气体分离器包含能使氧气、水蒸气、二氧化碳优 先透过的至少1级气体分离膜；开设在所述气体分离膜的一侧的原料气入口和 非透过气体出口；开设在所述气体分离膜的另一侧的透过气体出口。所述的变 压吸附式气体分离器包含与所述非透过气体出口相连通的待吸附气体入口； 高纯度氮气出口；底部与所述待吸附气体入口相连通、顶部与所述髙纯度氮气 出口相连通的至少1对吸附塔，在所述吸附塔内装填有能优先吸附氧气和水蒸 气的吸附剂。
所述的制备装置还包含缓冲罐，该缓冲罐的一端与所述的非透过气体出口 相连通、另一端与所述的待吸附气体入口相连通。
所述的制备装置还包含至少一只真空泵，该真空泵的进气端与所述吸附塔 相连通、排气端与所述原料气入口相连通。
所述的制备装置还包含
将每l对所述吸附塔中的2个吸附塔的底部相互连通的第一连接管； 与所述的第一连接管相并联设置的第二连接管；
将每l对所述吸附塔中的2个吸附塔的顶部相互连通的第三连接管；相串联地设置在所述第一连接管上的第一开关阀和第二开关阀； 相串联地设置在所述第二连接管上的第三开关阀和第四开关阀； 相串联地设置在所述第三连接管上的第五开关阀和第六开关阀； 第七开关阀，该第七开关阀的一端连接至所述非透过气体出口、另一端连
接至所述第一开关阀和所述第二开关阀之间的第一连接管上；
第八开关阀，该第八开关阀的一端连接至所述高纯度氮气出口、另一端连
接至所述第五开关阀和所述第六开关阀之间的第三连接管上，
所述真空泵的进气端连接至所述第三开关阀和所述第四开关阀之间的第二
连接管上、排气端连接至所述膜组件的入口侧。
所述的气体分离膜为能使氧气、水蒸气、二氧化碳优先透过的中空纤维结
构的高分子膜，所述的吸附剂为碳分子筛。
根据本发明实施的髙纯度氮气的制备方法及制备装置具有如下优点
1、 在变压吸附式气体分离步骤前，先进行一次正压操作的膜式气体分离， 能够更为经济地将空气中75%左右的氮气含量浓縮到95% 99.5%，大大降低了 后续变压吸附式气体分离器的运作负荷，使所需吸附剂的数量明显减少，也降 低了装置建设费用和占地面积。
2、 因为吸附剂对水分尤为敏感，所以必须使原料气体的含水量降低到吸附 剂可接受的范围内，才能通入吸附塔中。气体分离膜在浓缩氮气时，能将水分 与氧气一同除去，从而起到保护吸附剂、延长其使用寿命的作用。
3、 只需将现有技术中的变压吸附式气体分离器进行改造，在其入口处根据 需要增设至少一级的膜组件，即可获得本发明中所公开的制备装置，改装成本 低廉。也可适用于性能有所衰减的陈旧的变压吸附式气体分离器的改造，或用 于提升其工作性能，方便得制得纯度更高的氮气。
附图1为本发明的装置示意图。
其中1、膜式气体分离器；10、膜组件；11、气体分离膜；12、原料气入 口； 13、非透过气体出口、 14、透过气体出口； 2、变压吸附式气体分离器；20、 吸附塔；21、待吸附气体入口； 22、高纯度氮气出口； 3、缓冲罐；4、真空泵； 101、第一连接管；102、第二连接管；103、第三连接管；201、第一开关阀；202、第二开关阀；203、第三开关阀；204、第四开关阀；205、第五开关阀；
206、第六开关阀；207、第七开关阀；208、第八开关阀。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行说明
如附图1所示，根据本发明实施的高纯度氮气制备装置包含膜式气体分离
器1和变压吸附式气体分离器2。
其中，膜式气体分离器1由釆用一级并联方式设置的3根膜组件IO组成， 该膜组件10内设置有能优先使氧气和水蒸气渗透过的气体分离膜11。膜组件 IO选用柏美亚(中国)有限公司的PPA型气体膜分离组件，每根膜组件10的额 定氮气流量为lONmVhr，在此流量下，该膜组件10能将氮气浓縮至99%的浓度。
在膜组件10的入口侧设置原料气入口 12和非透过气体出口 13，在膜组件 10的透过侧设置透过气体出口 14。将空气进行除尘和除油，并调压至lMpa,从 所述的原料气入口 12送入膜组件10内。氧气、水蒸气、二氧化碳气体等渗透 系数较大的气体，将优先渗透过气体分离膜ll,从透过气体出口 14排放至外界， 氮气则因渗透速度相对缓慢而在入口侧被逐渐浓缩，最后从非透过气体出口 13 内送入缓冲罐3中。
缓冲罐3的作用是暂时蓄积经膜组件IO浓縮后的非透过气体，将其定压定 流量地送入变压吸附式气体分离器2内。
变压吸附式气体分离器2由1对吸附塔20组成，在该吸附塔20内装填有 能优先吸附氧气和水蒸气的吸附剂。吸附剂选用长兴科博分子筛有限公司生产 的CMS-200型碳分子筛，设计产氮率为200NinVt，可由此数值计算出所需要的 吸附剂的质量。
在吸附塔20的底部设置有通过缓冲罐3与非透过气体出口 13间接相连通 的待吸附气体入口 21，顶部设置高纯度氮气出口 22。非透过气体从吸附塔20 的底部被送入其中的1只吸附塔20内，逐渐向上方移动并与吸附剂充分接触， 非透过气体中含有的氧气和水蒸气被吸附剂优先吸附。从吸附塔20顶端的高纯 度氮气出口 22送出的气体为纯度高达99.99%的高纯度氮气。
成对设置吸附塔20的目的是为了便于将吸附塔20进行解析。为了完成解 析步骤，在变压吸附式气体分离器2内还设置了如下组件将1对吸附塔20的底部相互连通的第一连接管101; 与第一连接管101相并联设置的第二连接管102;
将1对吸附塔20的顶部相互连通的第三连接管103: 相串联地设置在第一连接管101上的第一开关阀201和第二开关阀202; 相串联地设置在第二连接管102上的第三开关阀203和第四开关阀204; 相串联地设置在第三连接管103上的第五开关阀205和第六开关阀206; 第七开关阀207; 第八开关阓208;
用于将吸附塔20内抽真空的真空泵4。
其中，第七开关阀207的一端与待吸附气体入口 21相连通，另一端连通至 第一开关阀201和第二开关阀202之间。第八开关阀208的一端与高纯度氮气 出口 22相连通，另一端连通至第五开关阀205和第六开关阀206之间。真空泵 4的进气端连通至第三开关阀203和第四开关阀204之间，排气端连通至原料气 入口 12。
为说明解析的原理，在此暂定位于图面左侧的吸附塔20正在进行吸附工作， 右侧的吸附塔20正在进行解析，现在须将两塔的工作状态进行切换。
首先关闭第七开关阀207、第八开关阀208、第三开关阀203、第四开关阀 204，打开第一开关阀201、第二开关阓202、第五开关阀205、第六开关阀206, 令1对吸附塔20的顶部以及底部分别连通，2只吸附塔内的压力相互平衡，此 为均压过程，该过程持续约2秒钟。
然后关闭第一开关阀201和第五开关阀205,而打开第三开关阀203，即令 左侧的吸附塔20与真空泵4相连通，真空泵4对该吸附塔20进行抽真空操作， 塔内真空度保持在约1. 5X103 Pa。被抽出的解析气体含氧量相对高纯度氮气以 及非透过气体来说比较高，但仍然远小于空气中的含氧量，因此将这些解析气 体经过真空泵4送回原料气入口 12,重新参与循环，使作为原料气所需的压缩 空气大大减少，避免了原料和能量的浪费，同时也减少了装置投资费用和操作 费用。
同时，打开第7开关阀207和第八开关阀208，令右侧的吸附塔20进入工 作状态，待吸附气体从从缓冲罐3内被送入该吸附塔20内。
当右侧的吸附塔20工作完毕需要进行解析时，同样首先关闭第七开关阀 207、第八开关阀208、第三开关阀203、第四开关阀204,然后打开第一开关阀201、第二开关阀202、第五开关阀205、第六开关阀206,进行均压。然后令左 侧吸附塔20的底部与缓冲罐3连通，右侧吸附塔20的底部与真空泵4的进气 端相连通，既为上述过程的反复。
所有的开关阀均为电磁阀，或为通过电磁阀驱动的气动阀，通过PLC实现 全自动控制。
使用如上所述的装置和方法，能较为经济的生产出浓度高于99.99%的氮气。 若要求获得更高浓度的氮气，可以根据需要增加膜组件10的数量，使得从膜式 气体分离器1中送出的非透过气体的氮气浓度大于99.5%，然后再送入变压吸附 式气体分离器2，即可制得氮气浓度超过99.999%的髙纯度氮气。同样的，在对 氮气浓度要求不高的情况下，也可减少膜组件10的数量，降低成本。
如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于 上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的 范围内进行不同的变化及实施。
权利要求
1、一种高纯度氮气的制备方法，其特征在于，依次包含如下步骤(1)、膜式气体分离利用至少一层气体分离膜，将包含氮气和氧气且气压为0.7～1.0Mpa的原料气分离为渗透系数相对较小的非透过气体和渗透系数相对较大的透过气体，所述的非透过气体中氮气的含量大于95％；(2)、变压吸附式气体分离令所述的非透过气体与能选择性地吸附氧气和水蒸气的吸附剂相接触，导出氮气含量高于99.99％的高纯度氮气。
2、 根据权利要求l所述的高纯度氮气的制备方法，其特征在于所述的原料气为经过除尘和除油后的空气。
3、 根据权利要求l所述的高纯度氮气的制备方法，其特征在于所述的气体分离膜为能使氧气、水蒸气、二氧化碳优先透过的中空纤维结构的高分子膜。
4、 根据权利要求1所述的髙纯度氮气的制备方法，其特征在于所述的吸 附剂为碳分子筛。
5、 根据权利要求1所述的高纯度氮气的制备方法，其特征在于在完成所 述的步骤(2)后，令所述的吸附剂在气压低于2X103Pa的状态下进行解析并导出解析气体，将所述的解析气体导入所述的步骤(1)中进行循环处理。
6、 一种高纯度氮气的制备装置，其特征在于该制备装置包含膜式气体分 离器(1)和变压吸附式气体分离器(2),所述的膜式气体分离器(1)包含能使氧气、水蒸气、二氧化碳优先透过 的至少1级气体分离膜(11);开设在所述气体分离膜(11)的一侧的原料气入 口 (12)和非透过气体出口 (13);开设在所述气体分离膜(11)的另一侧的透 过气体出口 (14),所述的变压吸附式气体分离器(2)包含与所述非透过气体出口 (13)相 连通的待吸附气体入口 (21);高纯度氮气出口 (22);底部与所述待吸附气体 入口 (21)相连通、顶部与所述高纯度氮气出口 (22)相连通的至少1对吸附 塔(20),在所述吸附塔(20)内装填有能优先吸附氧气和水蒸气的吸附剂。
7、 根据权利要求6所述的高纯度氮气的制备装置，其特征在于所述的制 备装置还包含缓冲罐(3),该缓冲罐(3)的一端与所述的非透过气体出口 (13) 相连通、另一端与所述的侍吸附气体入口 (21)相连通。
8、 根据权利要求6所述的高纯度氮气的制备装置，其特征在于所述的制 备装置还包含至少一只真空泵(4)，该真空泵(4)的进气端与所述吸附塔(20) 相连通、排气端与所述原料气入口 (12)相连通。
9、 根据权利要求8所述的髙纯度氮气的制备装置，其特征在于所述的制 备装置还包含将每1对所述吸附塔(20)中的2个吸附塔(20)的底部相互连通的第一连接管(101);与所述的第一连接管(101)相并联设置的第二连接管(102〉；将每1对所述吸附塔(20)中的2个吸附塔(20)的顶部相互连通的第三连接管(103);相串联地设置在所述第一连接管(101)上的第一开关阀(201)和第二开 关阀(202);相串联地设置在所述第二连接管(102)上的第三开关阀(203)和第四开 关阀(204);相串联地设置在所述第三连接管(103)上的第五开关阀(205)和第六开 关阀(206);第七开关阀(207)，该第七开关阀(207)的一端连接至所述非透过气体出 口 (13)、另一端连接至所述第一开关阀(201)和所述第二开关阀(202)之间 的第一连接管(101)上；第八开关阀(208),该第八开关阀(208)的一端连接至所述高纯度氮气出 口 (22)、另一端连接至所述第五开关阀(205)和所述第六开关阀(206)之间 的第三连接管(103)上，所述真空泵(4)的进气端连接至所述第三开关阀(203)和所述第四开关 阀(204)之间的第二连接管(102)上、排气端连接至所述膜组件(10)的入 口侧。
10、 根据权利要求6所述的高纯度氮气的制备方法，其特征在于所述的 气体分离膜为能使氧气、水蒸气、二氧化碳优先透过的中空纤维结构的高分子 膜，所述的吸附剂为碳分子筛。
全文摘要
本发明公开了一种高纯度氮气的制备方法，该方法包含如下步骤(1)利用能优先使氧气和水蒸气渗透过的至少一层气体分离膜，将包含氮气和氧气的原料气分离为氮气含量高于95％的非透过气体和富含氧气与水蒸气的透过气体；(2)令所述的非透过气体与吸附剂从该吸附剂的下方开始接触，从吸附剂的上方导出氮气含量高于99.99％的高纯度氮气，所述的吸附剂为能选择性地吸附氧气和水蒸气的吸附剂。本方法还公开了一种实施上述方法所需的装置。本发明能以较低的成本生产出高纯度氮气，易于实施，设备改造方便、经济。
文档编号C01B21/00GK101318635SQ200810123298
公开日2008年12月10日 申请日期2008年6月16日 优先权日2008年6月16日
发明者辉 李, 郗春满, 郭正军 申请人:苏州苏净保护气氛有限公司