本发明涉及制取超高纯氮，特别涉及一种精馏除氢直接制取超高纯氮的系统及方法。
背景技术：
1、伴随着我国经济的快速增长，超高纯氮气(纯度大于99.9999％，参见国标gb/t8979—2008)市场需求随着半导体制造、光伏硅电池制造、锂电池制造及光纤通信等行业的发展也在不断增长。以电子行业为例，在芯片制造中，超高纯氮气作为保护气、载气或反应气，在光刻、薄膜沉积、离子注入、清洗干燥和退火等工艺均有需求，对氮气的纯度要求高于99.9999％。
2、目前，以精馏制取高纯度氮的方法，在精馏塔中，空气被冷却至接近液化温度后送入精馏塔的下塔，空气自下向上与温度较低的回流液体充分接触进行传质传热，使部分空气冷凝为液体；由于氧(沸点比氮气高的杂质)是难挥发组份，氮是易挥发组份，在冷凝过程中，氧比氮较多的冷凝下来，使气体中氮的纯度提高；同时，气体冷凝时要放出冷凝潜热，使回流液体一部分汽化。由于氮是易挥发组份，因此氮比氧较多的蒸发出来，使液体中氧纯度提高；就这样，气体由下向上与每一块塔板上的回流液体进行传热传质，每经过一块塔板，气相中的氮纯度就提高一次，最终达到高纯度。
3、但是，在精馏过程中，由气态转化为液态的过程是逐渐转化的，塔板上转化的速率是有限的，且所有气态的杂质都在精馏塔中进行分离，难免会有杂质随着制取的高纯度氮气被提取出来，因此导致制取的高纯度氮气的纯度下降。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：提高制取的高纯氮气的纯度。
2、为达到以上目的，第一方面，本发明提供的精馏除氢直接制取超高纯氮的系统，包括冷箱，冷箱包括：
3、主换热器；
4、主精馏塔，其底部通过管路与主换热器连通，以实现空气原料中的较氮气高沸点物质与氮气分离，获得含氢氮气；
5、过冷器，其通过管路与主精馏塔的顶部连通，以实现将送出主精馏塔的含氢氮气冷却为稍过冷的液空；
6、脱氢高纯氮塔，其顶部通过管路与过冷器连通，脱氢高纯氮塔的底部沿脱氢高纯氮塔的高度设置有氮气排出口，氮气排出口与主换热器通过管路连接；
7、其中，氮气排出口处的温度高于液氮的沸点，且低于杂质的沸点。
8、通过采用上述技术方案，先通过主换热器将空气原料的温度降至预设的精馏温度，将空气原料从主精馏塔的底部送入，空气原料从塔底到塔顶的过程中与塔顶的回流液进行热质交换，上升气体内的高沸点组分被冷凝为液体，而回流液内的低沸点组分被加热汽化，从而将原料空气内绝大部分的包括氧气、氩气、甲烷等物质在内的较氮气高沸点物质与氮气分离，最终在主精馏塔顶部获得含氢氮气；将含氢氮气以预设的二次精馏温度送入脱氢高纯氮塔的顶部，含氢氮气在塔内与上升气体进行热质交换，使得含氢高纯液氮内的氢气被蒸发的同时冷凝回收塔内上升气流中的部分氮气，最终在脱氢高纯氮塔的氮气排出口的上部获得超高纯液氮，超高纯液氮中杂质的主要为比氮气沸点高的组分，通过氮气排出口将汽化的超高纯氮气排出，需要满足氮气排出口处只是液氮汽化，且杂质不汽化。通过不同的精馏塔分离空气原料中不同的杂质，从而提高制取的高纯氮气的纯度。
9、结合第一方面，在一种实施方式中，所述主精馏塔的顶部设置有主精馏塔冷凝蒸发器，主精馏塔的顶部与主精馏塔冷凝蒸发器的冷凝侧之间设置有循环管路，以实现部分含氢氮气作为回流液参与精馏。
10、通过采用上述技术方案，主精馏塔塔顶的部分含氢氮气可流入主精馏塔冷凝蒸发器的冷凝侧，并作为该侧的热源，被冷凝为液体后送回主精馏塔的塔顶作为回流液参与精馏，从而提高产品提取率和产量，同时，降低精馏的能源和材料消耗，进一步降低成本。
11、在一种实施方式中，所述脱氢高纯氮塔的顶部设置有脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器，脱氢高纯氮塔的顶部与脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器的冷凝侧之间设置有循环管路。
12、通过采用上述技术方案，脱氢高纯氮塔内的上升气体升至顶部后，一部分送入脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器的冷凝侧，并作为该侧的热源，被冷凝为液体后送回脱氢高纯氮塔的塔顶作为回流液参与精馏，从而提高产品提取率和产量，同时，降低精馏的能源和材料消耗，进一步降低成本。
13、在一种实施方式中，所述脱氢高纯氮塔的顶部通过管路和节流阀，与主换热器连通。
14、通过采用上述技术方案，上述上升气体另一部分以气态形式送出脱氢高纯氮塔，避免氢气组分在脱氢高纯氮塔内累集；同时，通过节流阀降压至合适压力后，再将其送入主换热器中，可为空气原料预冷提供冷量，从而进一步降低能耗成本。
15、在一种实施方式中，所述脱氢高纯氮塔的底部设置有脱氢高纯氮塔再沸器，脱氢高纯氮塔的底部与脱氢高纯氮塔再沸器的冷凝器之间设置有循环管路，且循环管路位于氮气排出口的底部。
16、通过采用上述技术方案，杂质主要为比氮气沸点高的组分的超高纯液氮最终会沉至脱氢高纯氮塔的底部，部分液体送入脱氢高纯氮塔再沸器的冷凝器，并作为该侧的热源，被汽化为气态后送回脱氢高纯氮塔作为上升气体参与精馏，从而进一步提高产品提取率和产量，同时，降低了能耗成本。
17、在一种实施方式中，所述主换热器与脱氢高纯氮塔再沸器之间设置有第一管路和第二管路，且第二管路与主精馏塔和主换热器之间的管路连通，连通处位于主换热器的内部。
18、通过采用上述技术方案，空气原料在经过主换热器冷却至一定温度后，与脱氢高纯氮塔塔底的流通换热，为脱氢高纯氮塔塔底的底液蒸发提供热量的同时自身被冷却，被冷却后的原料气再次流入主换热器中继续冷却至合适温度后从主换热器中送出至主精馏塔底部参与精馏。因此上述设计既降低了主换热器的冷却能耗，也降低了脱氢高纯氮塔塔底的底液蒸发所需的能耗，从而进一步降低了能耗成本。
19、第二方面，本发明提供的精馏除氢直接制取超高纯氮的方法，包括以下步骤：
20、提供所述的精馏除氢直接制取超高纯氮的系统；
21、将空气原料通过空气过滤器和分子筛进行预处理；
22、将预处理完成的空气原料通过主换热器冷却至第一预设温度；
23、将冷却至第一预设温度的空气原料通过主精馏塔进行精馏，获得含氢氮气；
24、将含氢氮气通过过冷器冷却，形成稍过冷的液空；
25、将稍过冷的液空通过脱氢高纯氮塔进行精馏，获得杂质主要为比氮气沸点高的组分的超高纯液氮；
26、根据杂质的沸点选择其中一个氮气排出口，将汽化的超高纯氮气通过氮气排出口排出；其中，超高纯液氮在氮气排出口处的温度高于液氮的沸点，且低于杂质的沸点。
27、通过采用上述技术方案，在将空气原料中灰尘等机械杂质、水和二氧化碳除去后，将空气原料送入冷箱内，先通过主换热器将空气原料的温度降至预设的精馏温度，将空气原料从主精馏塔的底部送入，空气原料从塔底到塔顶的过程中与塔顶的回流液进行热质交换，上升气体内的高沸点组分被冷凝为液体，而回流液内的低沸点组分被加热汽化，从而将原料空气内绝大部分的包括氧气、氩气、甲烷等物质在内的较氮气高沸点物质与氮气分离，最终在主精馏塔顶部获得含氢氮气；将含氢氮气以预设的二次精馏温度送入脱氢高纯氮塔的顶部，含氢氮气在塔内与上升气体进行热质交换，使得含氢高纯液氮内的氢气被蒸发的同时冷凝回收塔内上升气流中的部分氮气，最终在脱氢高纯氮塔塔底获得杂质主要为比氮气沸点高的组分的超高纯液氮，根据杂质的沸点，选择合适的氮气排出口将汽化的超高纯氮气排出，需要满足氮气排出口处只是液氮汽化，且杂质不汽化。通过不同的精馏塔分离空气原料中不同的杂质，从而提高制取的高纯氮气的纯度。
28、在一种实施方式中，该方法还包括：
29、将主精馏塔底部的富氧液空送入液相膨胀机；
30、将脱氢高纯氮塔底部的杂质主要为比氮气沸点高的组分的超高纯液氮送入液相膨胀机；通过液相膨胀机将两种流体冷却至第二预设温度；
31、将第二预设温度的两种流体流经脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器的蒸发侧、过冷器和主精馏塔冷凝蒸发器的蒸发侧。
32、通过采用上述技术方案，将来自主精馏塔和脱氢高纯氮塔塔底采出的流体汇合送入液相膨胀机膨胀降低温度后，按冷量需求分流或依次流经脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器的蒸发侧、过冷器和主精馏塔冷凝蒸发器的蒸发侧，为其提供所需的部分冷量。因此上述设计可进一步降低能耗成本。
33、在一种实施方式中，该方法还包括：
34、将采集的污氮送入主精馏塔冷凝蒸发器；
35、通过主精馏塔冷凝蒸发器的蒸发侧将污氮汽化；
36、将汽化的污氮通过透平膨胀机增压段压缩至预设压力；
37、将预设压力的污氮通过脱氢高纯氮塔再沸器进行冷却；
38、将冷却后的污氮通过透平膨胀机膨胀端进行膨胀降温；
39、将膨胀降温后的污氮流经脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器的蒸发侧、过冷器和主精馏塔冷凝蒸发器的蒸发侧其中一个、两个或三个部位。
40、通过采用上述技术方案，为脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器的蒸发侧、过冷器和主精馏塔冷凝蒸发器的蒸发侧，其中不足的部位再次提供冷量，避免冷量不足导致制取过程中存在问题，也进一步降低能耗成本。
41、在一种实施方式中，该方法还包括：
42、在冷箱的外部设置电加热器和两个分子筛，两个分子筛记为第一分子筛和第二分子筛；将第一分子筛与主换热器的空气原料入口连通，以除去空气原料中的水和二氧化碳；
43、将电加热器的入口与主换热器的返流废气冷流体出口连通，电加热器的出口与分子筛的再生气入口连通；
44、将经过节流阀送入主换热器的上升气体和/或膨胀降温后的污氮作为再生气，以使第二分子筛恢复吸附能力；
45、第一分子筛和第二分子筛交替使用，以实现始终具有分子筛除去空气原料中的水和二氧化碳。
46、通过采用上述技术方案，分子筛通过再生气和电加热器，对分子筛进行加热和吹扫，可使分子筛恢复吸附能力，上述的设计为一个分子筛用于除去空气原料中的水和二氧化碳的同时，另一个分子筛正在恢复吸附能力，且两者可交替使用，从而实现始终具有分子筛除去空气原料中的水和二氧化碳的操作；通过排出的废气作为再生气，进一步降低能耗成本。
47、综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
48、1、通过主换热器将空气原料的温度降至预设的精馏温度，将空气原料从主精馏塔的底部送入，空气原料从塔底到塔顶的过程中与塔顶的回流液进行热质交换，上升气体内的高沸点组分被冷凝为液体，而回流液内的低沸点组分被加热汽化，从而将原料空气内绝大部分的包括氧气、氩气、甲烷等物质在内的较氮气高沸点物质与氮气分离，最终在主精馏塔顶部获得含氢氮气；将含氢氮气以预设的二次精馏温度送入脱氢高纯氮塔的顶部，含氢氮气在塔内与上升气体进行热质交换，使得含氢高纯液氮内的氢气被蒸发的同时冷凝回收塔内上升气流中的部分氮气，最终在脱氢高纯氮塔氮气排出口的上部获得超高纯液氮，超高纯液氮中杂质的主要为比氮气沸点高的组分，通过氮气排出口将汽化的超高纯氮气排出，需要满足氮气排出口处只是液氮汽化，且杂质不汽化。通过不同的精馏塔分离空气原料中不同的杂质，从而提高制取的高纯氮气的纯度；
49、2、通过主精馏塔冷凝蒸发器、脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器和脱氢高纯氮塔再沸器的具体设计，不仅提高了超高纯氮气产品的提取率和产量，而且降低了制取超高纯氮气产品过程中所需的能耗成本。
50、3、通过液相膨胀机、透平膨胀机增压段和透平膨胀机膨胀端的设计，通过液相膨胀机可根据冷量需求分流或依次流经脱氢高纯氮塔冷凝蒸发器的蒸发侧、过冷器和主精馏塔冷凝蒸发器的蒸发侧，为其提供所需的部分冷量，降低了能耗成本；同时，透平膨胀机增压段和透平膨胀机膨胀端为上述部位再次提供冷量，避免冷量不足导致制取过程中存在问题，也进一步降低能耗成本。