一种硝酸工业尾气除碳提取N2O的预处理设备和纯化装置的制作方法

本实用新型涉及化学物质回收技术领域，具体而言，涉及一种硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备和纯化装置。

背景技术：

一氧化二氮，又称氧化亚氮，俗称“笑气”，分子式N₂O。N₂O是一种高压液化气体，沸点-88.49℃，熔点-90.7℃。无色而有甜味儿，是气态氧化剂，常温下十分稳定，在600℃以上才能分解成氧气和氮气。

N₂O的应用十分广泛，例如，可以作为助燃剂为火箭提供动力，应用于军事和航天领域；可用于电子工业中的集成电路、芯片、光伏等制作工艺；可作为麻醉剂和镇痛剂，应用于外科手术、妇科和烧伤科及牙科镇痛、治疗抑郁症，以及戒烟戒毒等医疗领域；可作为致冷剂、渗透剂和保鲜剂，还广泛应用于其他工业和生活领域之中。

然而，N₂O也是导致大气层温室效应的六种气体之一，其单质分子增温潜势是CO₂的310倍，人类生产生活中产生了大量的N₂O气体，对环境污染严重。

我国以硝酸工业尾气为原料回收N₂O的开发因具有技术成熟、成本低廉、产能高、产品品质优良、生产安全、经济环保等优点，已成为N₂O生产的主流方式。

但是，这种原料气中基本含有接近10％浓度的二氧化碳(CO₂)，而 CO₂和N₂O的物理性质相似，难以分离，通常各生产企业都是采用碱洗方式消除N₂O中的CO₂。然而，碱洗产生的废液对环境造成了二次污染。特别是经氨水除碳的硝酸尾气副产品，如果残留了氨的成分，不仅气味儿差，用于医疗领域时由于需要配充氧气而可能发生燃烧爆炸事故。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备，该预处理设备采用物理手段对硝酸工业尾气进行预处理，满足节能减排，能够提取得到高浓度N₂O粗品。

本实用新型的另一目的在于提供一种硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置，该纯化装置采用物理方法除杂和高压节流制冷精馏工艺提取高纯度N₂O产品，使N₂O成为硝酸工业的副产品，满足市场需求，同时能够消除废碱液对环境的污染破坏及各类安全隐患。

本实用新型是这样实现的：

一种硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备，包括依次连接的水洗塔、缓冲罐、第一压缩冷却装置、干燥器、及变压吸附设备，干燥器设置有除水吸附剂，变压吸附设备设置有除碳吸附剂。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，干燥器包括至少两个并联设置的吸附器，除水吸附剂设置在吸附器内。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，变压吸附设备包括至少两个并联设置的变压吸附器，除碳吸附剂设置在变压吸附器内。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，干燥器设置有再生气进口，变压吸附设备设置有再生气出口，再生气出口和再生气进口通过管道连接。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，干燥器包括分别连接至少两个吸附器的第一连接管和第二连接管，再生气出口设置于第一连接管，再生气出口与吸附器之间设置有第一阀门，第二连接管设置有再生气放空口，再生气放空口与吸附器之间设置有第二阀门，再生气出口与变压吸附器之间设置有第三阀门。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，还包括气体平衡装置，气体平衡装置设置有气体进口，变压吸附设备包括分别连接至少两个变压吸附器的第三连接管，第三连接管设置有气体出口，气体进口与气体出口连接。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，气体平衡装置包括气体缓冲罐，气体进口设置于气体缓冲罐的下侧壁。

一种硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置，包括上述硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，还包括气体纯化分离装置，气体纯化分离装置包括第二压缩冷却装置、主热交换器、节流阀、分馏塔、及绝热冷箱，第二压缩冷却装置分别与变压吸附设备和主热交换器连接，主热交换器、节流阀、及分馏塔循环连接，并设置于绝热冷箱。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，气体纯化分离装置还包括纯化器，纯化器设置在第二压缩冷却装置内部，并与第二压缩冷却装置串联。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备，包括依次连接的水洗塔、缓冲罐、第一压缩冷却装置、干燥器、及变压吸附设备。该处理设备采用物理手段对硝酸工业尾气进行预处理，以满足节能减排，提取得到高浓度N₂O粗品。物理手段替代化学手段，具有以下优势；降低成本，每吨原料气能够节省氢氧化钠纯品50千克以上；杜绝了碱类化学品对操作人员的伤害威胁，消除了生产安全隐患；杜绝了碱性废液对环境的污染破坏；杜绝了气体中残留碱性成份对管道、设备、气瓶的腐蚀，提高设备完好率；可有效防止产品N₂O中残留氨成份，保证客户安全使用产品，杜绝医疗及爆炸事故发生；消除产品中氨类异味，提高了产品质量和档次，满足不同层次客户群需求，增强了市场竞争能力，可以扩大市场范围，提高销售价格和收入，增加经济效益。干燥器设置有除水吸附剂，变压吸附设备设置有除碳吸附剂，进一步除去水及与N₂O难以分离的CO₂，以分离出浓度为90％以上的N₂O粗品。

本实用新型提供的硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置，包括本实用新型提供的硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备。该纯化装置从硝酸工业尾气中回收的N₂O产品的品质好、产能高、适应市场多层次需求，完全可以形成硝酸工业的副产品。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施方式提供的硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备的示意图；

图2是本实用新型实施方式提供的干燥器和变压吸附设备的连接示意图；

图3是本实用新型实施方式提供的硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置的示意图；

图4是本实用新型实施方式提供的硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置工艺流程图。

图标：100-硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备；110-水洗塔； 120-缓冲罐；130-第一压缩冷却装置；140-干燥器；150-变压吸附设备；160- 气体平衡装置；141-吸附器；151-变压吸附器；142-再生气进口；152-再生气出口；143-第一连接管；144-第二连接管；153-第三连接管；154-第三阀门；155-气体出口；146-第一阀门；145-再生气放空口；147-第二阀门；161- 气体进口；200-硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置；210-气体纯化分离装置；220-产品收集装置；211-第二压缩冷却装置；212-主热交换器；213- 节流阀；214-分馏塔；215-绝热冷箱；216-纯化器；221-汇流排；222-气瓶； 223-低温液体泵；224-低温储槽。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例，请参阅图1至图4所示，

请参阅图1，如图所示，本实施例提供了一种硝酸工业尾气除碳提取 N₂O的预处理设备100，包括依次连接的水洗塔110、缓冲罐120、第一压缩冷却装置130、干燥器140、变压吸附设备150及气体平衡装置160。需要说明的是，在本实施例中，硝酸工业包括己二酸、己内酰胺等工业。

需要说明的是，水洗塔110、缓冲罐120、第一压缩冷却装置130、干燥器140、变压吸附设备150及气体平衡装置160的连接方式不做具体限制，在本实施例中，优选地，通过管道连接。

请参阅图1，利用前级尾气不低于0.1MPa的管道压力，原料气首先进入水洗塔110，水洗塔110设置有利于除去原料气中残留的硝酸、NO₂、NH₃和如灰尘等的机械杂质。

经过水洗后的原料气从水洗塔110中出来后经过管道进入缓冲罐120。原料尾气在缓冲罐120中进行水气分离，脱去水并进行缓冲。

需要说明的是，在本实施例中，第一压缩冷却装置130包括有压缩机和水冷却器(图未示)，水冷却器在本实施例中未展示，可认为水冷却器与压缩机为一体，为方便描述，本实施例中，统一为第一压缩冷却装置130。第一压缩冷却装置130对经脱水缓冲后的原料气进行加压和冷却，以得到压力为1.0MPa，温度维持在30℃的压缩气体。

压缩气体从第一压缩冷却装置130出来后经管道进入干燥器140。请参阅图2，在本实施例中，干燥器140包括至少两个并联设置的吸附器141。为了除去压缩气体中多余的水分，在本实施例中，吸附器141内设置有除水吸附剂(图未示)。除水吸附剂的选材不做具体限制，优选粗孔硅胶或分子筛。需要说明的是，在本实施例中，除水吸附剂除水至露点-43℃以下。

干燥后的气体从干燥器140出来后经管道进入变压吸附设备150中。请参阅图2，在本实施例中，变压吸附设备150包括至少两个并联设置的变压吸附器151。为了除去气体中CO₂及N₂等非极性气体，在本实施例中，变压吸附器151内设置有除碳吸附剂(图未示)。除碳吸附剂的选材不做具体限制，在本实施例中，优选为磷酸硅铝型分子筛(SAPO型分子筛)。需要说明的是，在本实施例中，根据上述设置，即可分离出含N₂O浓度90％以上，CO₂浓度0.01％以下的粗品N₂O。

请参阅图2，为了充分利用CO₂及N₂等非极性气体及其携带的能量，达到节能减排的目的，在干燥器140设置有再生气进口142，变压吸附设备 150设置有再生气出口152，再生气出口152和再生气进口142通过管道连接。

具体地，请参阅图2，干燥器140包括分别连接至少两个吸附器141的第一连接管143和第二连接管144，优选地，第一连接管143设置在至少两个吸附器141的上侧，第二连接管144设置在至少两个吸附器141的下侧。再生气进口142设置于第一连接管143，再生气进口142与吸附器141之间设置有第一阀门146，第二连接管144设置有再生气放空口145，再生气放空口145与吸附器141之间设置有第二阀门147。优选地，在本实施例中，再生气出口152设置在至少两个变压吸附器151的上侧。再生气出口152 与变压吸附器151通过管道连接，再生气出口152与变压吸附器151之间设置有第三阀门154。需要说明的是，变压吸附设备150采用PSA变压吸附工艺，当高压气体通过变压吸附器151时，除碳吸附剂(在本实施例中，即SAPO型分子筛)对N₂O极性分子进行吸附，当停止通过高压气体，并对变压吸附器151进行泄压时，因变压吸附设备150内的压力降低，被吸附在分子筛内的N₂O极性分子因泄压从分子筛中脱附出来，进入气体平衡装置160内。

当停止通入高压气体时，同时打开第三阀门154，第一阀门146，及第二阀门147，使变压吸附设备150分离出来的非极性分子气体(以CO₂、 N₂成份为主)从变压吸附器151进入再生气出口152，经过管道进入再生气进口142，并进入吸附器141内，作为再生气体对对除碳吸附剂脱附后，从再生气放空口145放空。

请参阅图1，在本实施例中，变压吸附设备150与气体平衡装置160连接。具体地，变压吸附设备150包括分别连接的至少两个变压吸附器151 的第三连接管153。优选地，第三连接管153设置在至少两个变压吸附器 151的下侧。在第三连接管153设置有气体出口155，气体平衡装置160设置有气体进口161，气体进口161与气体出口155连接。气体平衡装置160 在这里的作用是，当与高压压缩机连接时，能够起到平衡变压吸附设备150 与高压压缩机之间的压力，缓冲气体流量的作用。

需要说明的是，在本实施例中，气体平衡装置160优选为气体缓冲罐。相比于其它装置，气体缓冲罐操作简单且安装方便。

请参阅图3，本实施例还提供了一种硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置200，包括硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备100、气体纯化分离装置210及产品收集装置220。

其中，气体纯化分离装置210包括第二压缩冷却装置211、主热交换器 212、节流阀213、分馏塔214、及绝热冷箱215，第二压缩冷却装置211分别与气体平衡装置160和主热交换器212通过管道连接，主热交换器212、节流阀213、及分馏塔214通过管道循环连接，并设置于绝热冷箱215中。绝热冷箱215的温度优选为-20～-40℃。

需要说明的是，本实施例采用的节流阀213节流降温制冷循环工艺充分利用了N₂O的致冷剂特性，不必借助其他冷媒而自提供低温生产条件，自体循环制冷，较其它制冷降温方式如冷冻机和液氮对原料气致冷降温方式，减少了动能损耗和设备投入。

且相对于膨胀机膨胀制冷循环工艺，不仅结构简单，可操作性强，检修容易，而且减少了设备投入，降低了投资和后期维护成本。具体地，N₂O 与CO₂具有相同的物理性质，在低压或者深冷条件下容易凝华结成干冰，堵塞管路、阀门和精馏设备，破坏工艺条件甚至损坏设备，发生“超压”生产事故，这种情况，在由膨胀机膨胀制冷循环产生的深冷(-40℃以下)条件下极容易发生，并且极难处置；而在节流降温制冷循环形成的低温(-40℃以上)条件下就很容易规避。节流降温循环工艺可以把工况调控在适宜的压力范围和温度区域内，保证产品生成条件和设备安全使用。

需要说明的是，本实施例中的第二压缩冷却装置211为高压压缩机。

经预处理后的粗品N₂O由气体平衡装置160进入第二压缩冷却装置211 加压并冷却。在本实施例中，硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置200 还包括纯化器216。纯化器216的设置不做具体限制，优选地，纯化器216 设置在第二压缩冷却装置211内部，并与第二压缩冷却装置211串联。具体地，粗品N₂O进入第二压缩冷却装置211后再进入纯化器216，从纯化器216出来后再进入第二压缩冷却装置211后通过管道进入主热交换器212 中。

需要说明的是，纯化器216内置分子筛，以深度吸附水分、残留的CO₂、一氧化碳、及总碳烃等杂质气体，使气体成为净化气体。净化气体从纯化器216中出来后经第二压缩冷却装置211后通过管道进入主热交换器212 中，降温形成临界状态，经节流阀213绝热节流降压降温进入分馏塔214，经过精馏，分离出的馏份气由分馏塔214顶端出口调压至0.05MPa后进入主热交换器212底端的驰放气格进口(图中未标记)，复热至常温进入纯化器216作为分子筛的再生气源，使用后放空。

请参阅图3，产品收集装置220包括汇流排221、气瓶222、低温液体泵223和低温储槽224。精制后的N₂O积聚在分馏塔214的底端(图中为标记)，经底端出口(图中未标记)进入低温储槽224，成为低温液态产品出厂；或者由低温液体泵223加压进入主热交换器212，复热至常温，通过汇流排221充入气瓶222成为瓶装常温液态产品出厂。低温储槽224能够方便提供低温槽车运输方式，降低产品运输环节成本。低温N₂O由低温液体泵223增压，在主热交换器212内循环复热充装气瓶222，冷量充分回收，减少电能损耗。

经过该硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置200纯化得到的N₂O，其产品纯度可以按照设计要求达到99.0-99.999％，CO₂含量控制在30PPm 之内，露点达到-60℃以下。

请参阅图4，图4为硝酸工业尾气除碳提取N2O的纯化装置200的工艺路径图，由图可知，纯化N₂O的方法的步骤包括：

首先利用前级尾气不低于0.1MPa的管道压力，使原料气经水洗塔110 水洗去除残留硝酸、NO₂、NH₃和机械杂质，然后流经缓冲罐120去除原料气中的游离水分，接着经第一压缩冷却装置130对原料气进行增压，然后经设置有出水吸附剂的干燥器140对原料气进行脱湿至露点-43℃以下，接着经设置有除碳吸附剂的变压吸附设备150脱除CO₂和N₂等非极性气体，产出粗品N₂O并送入气体平衡装置160中，其CO₂和N₂等非极性气体作为再生气体返回干燥器140完成脱附工作后放空；粗品N₂O经第二压缩冷却装置211压缩冷却，并经纯化器216深度吸附，得到净化气体。净化气体进入主热交换器212被降温形成气液混合的临界状态，临界状态的气体经节流阀213绝热节流降压降温后送入分馏塔214精馏，生产出合格产品并分离出馏分气供纯化器216再生使用。最后将产品输入低温储槽224成低温液化产品；或者经低温液体泵223增压，经主热交换器212复热至常温后充入气瓶222，成常温液化产品出厂。

综上所述，本实施例提供的硝酸工业尾气除碳提取N₂O的预处理设备 100及硝酸工业尾气除碳提取N₂O的纯化装置200，全过程采用物理方法除杂和高压节流制冷精馏工艺，低温N₂O增压，以及主热交换器212内循环复热充瓶技术，具有节能减排，提取过程安全，操作简便等特点；而且实现了高纯度N₂O生产规模化、产业化，且其成本低廉化，既能够避免环境污染，还能够以高产能、高品质的产品满足国内外市场需求。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。