专利名称：生产超高纯氮和超高纯氧的低温精馏系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及进料空气的低温精馏以生产氮和氧，更具体地，本发明涉及如电子工业所需要的超高纯产品。
在对杂质非常敏感的制造工艺中，如生产半导体和其他的电子器件，需要超高纯氮，尤其是高压的。通过进料空气的低温精馏可有效地进行超高纯氮的生产。近来在所述制造工艺中，除了超高纯氮以外，还出现了使用超高纯氧的要求。超高纯氧可以使用生产超高纯氮的惯用低温精馏装置进行生产，但是这样的系统与供生产任何指定数量氮的常规超高纯氮的装置相比，降低了超高纯氮的回收从而导致能源消耗的增加。
由此，本发明的目的在于提供一种低温精馏系统，该系统在使用至今已知系统的经验减小氮回收和能源消耗损失的同时，还能生产超高纯氮和超高纯氧。
本发明可以达到上述和其他目的，这些对所属技术领域的技术人员来说，在阅读本说明书的公开之后将是明显的，本发明的一个方面是一种通过进料空气的低温精馏生产超高纯氮和超高纯氧的方法，包括(A)第一进料空气进入主塔并且该第一进料空气在该主塔内通过低温精馏分离成富氧流体和更富氮流体；(B)第二进料空气进入辅塔并且该第二进料空气在该辅塔内通过低温精馏分离成富氮流体和更富氧流体；(C)富氮流体从辅塔流入主塔的上部；(D)含氧流体进入汽提塔上部再迎着上流蒸汽向下流过汽提塔以便在该汽提塔的下部产生超高纯氧流体；(E)通过与富氧流体的间接热交换蒸发-部分超高纯氧流体以产生所述上流蒸汽；(F)回收作为产品超高纯氧的另一部分超高纯氧流体；和(G)回收作为产品超高纯氮的更富氮流体。
本发明的另一方面是
通过进料空气的低温精馏生产超高纯氮和超高纯氧的设备，包括(A)具有顶部冷凝器的主塔和进料空气进入该主塔用的装置；(B)具有顶部冷凝器的辅塔和进料空气进入该辅塔用的装置；(C)具有塔底再沸器的汽提塔；(D)用于流体从主塔下部进入主塔顶部冷凝器和从该主塔顶部冷凝器进入汽提塔塔底再沸器的装置；(E)用于流体从辅塔上部进入辅塔顶部冷凝器和从辅塔顶部冷凝器进入主塔上部的装置；(F)用于流体从主塔和辅塔中至少一个塔进入汽提塔上部的装置；和(G)由汽提塔的下部回收超高纯氧用的装置，和由主塔上部回收超高纯氮用的装置。
当用于本发明时，术语“进料空气”指主要含氧和氮的混合物，如环境空气。
当用于本发明中时，术语“塔”指的是蒸馏或分馏塔或区，即接触塔或区，其中液相和气相通过在一系列重复放置的塔盘或装在塔内的塔板和/或填料元件如结构填料或无规填料上逆流接触以进行流体混合物的分离。为进一步讨论蒸馏塔，可参见化学工程师手册，第五版，R.H.佩里和C.H.奇尔顿编，麦格劳-希尔图书公司，纽约，第13章，连续蒸馏工艺过程(See the Chemical Engineer′s Handbook,fifth edition,editedby R.H.Perry and C.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,NewYork,Section 13,The Continuous Distillation Process)。
气液接触分离工艺过程取决于各成分蒸汽压的差别。高蒸汽压(或更易挥发或低沸点)，成分倾向在气相中浓集而低蒸汽压(或不易挥发或高沸点)的成分倾向在液相中浓集。部分冷凝是一种分离过程，借此蒸汽混合物的冷却可用于浓集可挥发成分(一种或多种)于气相中和由此减少液相中的可挥发成分(一种或多种)。精馏，或连续蒸馏，是一种通过逆流处理气液相时所获得的连续部分蒸发和冷凝结合起来的分离过程。气液相的逆流接触通常是绝热的并且包括积分(分级)或微分(连续)相间的接触。利用精馏原理分离混合物的分离过程装置常常被可互换地称作精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏是一种至少部分温度在150度或低于150度开氏温度(K)下进行的精馏过程。
当用于本发明中时，术语“间接热交换”意指使两股流体进行热交换但无任何物理接触或流体彼此之间的混合。
当用于本发明中时，术语“顶部冷凝器”意指能从塔的蒸汽产生塔的下流液体的热交换装置。
当用于本发明中时，术语“塔底再沸器”意指能从塔的液体产生塔的上流蒸汽的热交换装置。
当用于本发明中时，术语“涡轮膨胀”和“涡轮膨胀机”分别指高压气体流经涡轮机以降低气体的压力和温度并由此产生致冷效果的方法和设备。
当用于本发明中时，术语“上部”和“下部”意指塔中点以上和以下相应塔的部分。
当用于本发明中时，术语“汽提塔”意指相对于液体下流有足够的蒸汽上流的情况下操作的塔，以便能实现从液体中把可挥发性成分分离成为可挥发性成分逐渐向上富集的蒸汽。
当用于本发明中时，术语“超高纯氮”意指氮浓度至少为99.99摩尔％和氧浓度低于百万分之一(ppm)，优选低于0.1ppm的流体。
当用于本发明中时，术语“超高纯氧”意指氧浓度至少为99.99摩尔％的流体。
图1是本发明低温精馏系统一个最佳实施方案的示意图。
图2是本发明低温精馏系统另一个最佳实施方案的示意图。
图3是本发明低温精馏系统又一个最佳实施方案的示意图。
附图中的数字就通用元件而言是相同的。
在实施本发明时，在低于主塔压力下操作的辅塔是与超高纯氧汽提塔公开操作的，因为汽提塔是通过来自主塔的流体再沸的。这一点能使辅塔在更低的压力下也能操作，因此改善了来自主塔，总的来说最终是来自本系统的氮回收。下文将参照附图对本发明作更详细地描述。
现见附图1，进料空气1被分成第一进料空气流2和第二进料空气流3。第一进料空气流2通过在一次热交换器4中与返回流体的间接热交换被冷却，所得到的冷却第一进料空气流5进入主塔的下部。第二进料空气流3通过流经压缩机7压缩，压缩过的第二进料空气流8通过部分经过一次热交换器4冷却。冷却压缩过的第二进料空气流9通过流经涡轮膨胀机10而涡轮膨胀，所得到的涡轮膨胀过的第二进料空气流11进入辅塔12的下部。
主塔6在95-180磅/英寸2绝对压力(psia)范围内的压力下运行。在主塔6内，第一进料空气通过低温精馏被分离成富氧流体和更富氮流体。富氧流体作为液流13从主塔6的下部排出再通过部分流经一次热交换器4被过冷。所得到的过冷富氧的液体14再流入主塔顶部冷凝器15的沸腾侧。更富氮流体作为气流16从主塔6的上部排出而其部分17进入顶部冷凝器15的冷凝侧，其中它通过与部分蒸发的富氧液体的间接热交换被冷凝。所得到的更富氮液体以流体18作为回流液进入主塔6的上部。所得到的富氧蒸汽，以流体19从主塔顶部冷凝器15排出且其部分20流入辅塔12的下部。
辅塔12在低于主塔6的压力下操作且压力范围为45-65 psia。在辅塔12内进入该塔的进料通过低温精馏被分离成富氮流体和更富氧流体。更富氧流体作为液流21由辅塔12的下部排出并进入辅塔顶部冷凝器22的沸腾侧。富氧液体以流体23从顶部冷凝器15同样进入顶部冷凝器22的沸腾侧。作为在下面将进一步讨论的，取自超高纯汽提塔塔底再沸器的第三流体24，也进入顶部冷凝器22的沸腾侧。
富氮流体作为气流25从辅塔12的上部进入辅塔顶部冷凝器22的冷凝侧，它在其中通过与流入顶部冷凝器22沸腾侧的流体间接热交换被冷凝。所得到的富集氮液体作为流体26从顶部冷凝器22排出其部分27作为因流液返回辅塔12。富氮液体的第二部分28通过流经泵29用泵压高到较高的压力，所得到的加压富氮液体30作为附加回流液进入主塔6的上部。如需要，部分富集氮液体31可作为产品液氮回收。
把来自辅塔的富氮液体加至主塔可以改善主塔6液体回流液的数量和质量，所以能在主塔内生产出高回收和超高纯度的更富氮流体。更富氮蒸汽16的部分32通过流经一次热交换器4加热再作为产品超高纯氮流体33回收。
部分更富氧流体以液流34从辅塔12的下部排出作为汽提塔的进料进入汽提塔35的上部，优选顶部。进入汽提塔35的进料不应当含有任何量大的杂质，即较氧挥发性低的成分，如甲烷、氪、氙，以避免这类大量杂质在超高纯氧产品42中出现。达到这一点可以通过从辅塔的中间部位排放进料，例如在进料空气入口高度以上。汽提塔进料迎着上流蒸汽向下流过汽提塔35，工艺过程中汽提塔进料内较易挥发的成分，如氮和氩，由下流液体中出来进入上流蒸汽，最终在汽提塔35的下部产生超高纯氧流体，和从汽提塔35出来的废气流36。气流36与来自辅塔顶部冷凝器22的气流37合并形成废气流38，通过流经一次热交换器4加热后以气流39排出系统。
来自主塔顶部冷凝器15的富集氧蒸汽19的部分40进入汽提塔塔底再沸器41，它在那里通过与超高纯氧液体的间接热交换冷凝在汽提塔35的下部。部分超高纯氧液体蒸发在汽提塔35中形成前述上流蒸汽。如前所述所得到的冷凝富氧液体从塔底再沸器41以液流24流入顶部冷凝器22。剩余的超高纯氧流体部分作为产品超高纯氧从汽提塔35的下部回收，回收时可呈气态和/或液态。用图1所说明的本发明实施方案表明超高纯氧产品是作为液流42回收的。
图2和3说明本发明其他优选的实施方案。图2和3中的数字对于通用元件是相同的且对这些部分不再详细描述。
现看图2，进入汽提塔35的含氧进料取自主塔6的下部进料空气入口高度以上，而不像图1所说明的实施方案那样从辅塔12取用。在图2说明的实施方案中，富氧流体以液流50从主塔6的下部排出再作为汽提塔的进料进入汽提塔35的上部。
在图3说明的本发明实施方案中，富氧流体作为附加进料流体51从主塔6出来进入辅塔12，而来自辅塔的更富氧液体作为液流34，如同图1所说明的实施方案，由辅塔12出来作为汽提塔进料进入汽提塔35。
就实施本发明而言，可在高回收率下同时生产超高纯氮和超高纯氧。尽管参照某些优选实施方案对本发明进行了详细地说明，但本领域技术人员将会认识到在权利要求书的精神和范围内还存在着本发明其他的实施方案。
权利要求
1．一种通过进料空气的低温精馏生产超高纯氮和超高纯氧的方法，包括(A)第一进料空气进入主塔，且该第一进料空气在该主塔内通过低温精馏分离成富氧流体和更富氮流体；(B)第二进料空气进入辅塔，且该第二进料空气在该辅塔内通过低温精馏分离成富氮流体和更富氧流体；(C)来自辅塔的富氮流体进入主塔的上部；(D)含氧流体流入汽提塔的上部，并且迎着上流蒸汽向下流过汽提塔以便在汽提塔的下部产生超高纯氧流体；(E)通过与富氧流体的间接热交换蒸发部分超高纯氧流体以便产生所述的上流蒸汽；(F)回收作为产品超高纯氧的另一部分的超高纯氧流体；和(G)回收作为产品超高纯氮的更富氮流体。
2．按权利要求1所述的方法，其中含氧流体包括更富氧流体。
3．按权利要求1所述的方法，其中含氧流体包括富氧流体。
4．按权利要求1所述的方法，进一步包括富氧流体从主塔进入辅塔。
5．按权利要求1所述的方法，进一步包括由辅塔回收部分富集氮流体。
6．一种用于通过进料空气的低温精馏生产超高纯氮和超高纯氧的设备，包括(A)具有顶部冷凝器的主塔和进料空气进入主塔用的装置；(B)具有顶部冷凝器的辅塔和进料空气进入辅塔用的装置；(C)具有塔底再沸器的汽提塔；(D)用于流体从主塔下部进入主塔顶部冷凝器和从主塔顶部冷凝器进入汽提塔塔底再沸器的装置；(E)用于流体从辅塔的上部进入辅塔顶部冷凝器和从辅塔顶部冷凝器进入主塔上部的装置；(F)用于流体从主塔和辅塔中至少一个塔进入汽提塔上部的装置；和(G)用于从汽提塔下部回收超高纯氧的装置，和用于从主塔的上部回收超高纯氮的装置。
7．按权利要求6所述的设备，其中用于流体从辅塔顶部冷凝器进入主塔上部的装置包括液体泵。
8．按权利要求6所述的设备，进一步包括用于流体从主塔的下部进入辅塔下部的装置。
9．按权利要求6所述的设备，进一步包括用于流体从主塔顶部冷凝器进入辅塔下部的装置。
10．按权利要求6所述的设备，其中用于进料空气进入辅塔的装置包括涡轮膨胀机。
全文摘要
一种采用主塔、辅塔和汽提塔通过进料空气的低温精馏生产高回收率的超高纯氮和超高纯氧的系统,其中汽提塔是通过主塔釜液驱动的且在辅塔内产生的附加工艺流体被用于主塔内。
文档编号F25J3/04GK1226673SQ9910221
公开日1999年8月25日 申请日期1999年2月14日 优先权日1998年2月17日
发明者K·J·波特姆帕 申请人:普拉塞尔技术有限公司