專利名稱：用于氮?dú)馍a(chǎn)的膜分離方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及N2的生產(chǎn)方法，更具體地說，本發(fā)明涉及低成本高純度N2生產(chǎn)用的膜分離方法和系統(tǒng)。
多年來，高純N2的生產(chǎn)都根據(jù)低溫蒸餾技術(shù)，采用目前工藝水平的空氣分離技術(shù)進(jìn)行。對(duì)于這樣的低溫蒸餾，由于按比例增加的有利的經(jīng)濟(jì)情況，大噸位N2的用戶們都用從設(shè)置在用戶現(xiàn)場的低溫廠架設(shè)的管道來輸送N2。較小噸位的用戶們，也即2-30噸/天或更少的用戶，都從一個(gè)集中設(shè)置的液氮生產(chǎn)廠，用裝載液氮的卡車來輸送。液化氮?dú)夂桶岩旱獜囊粋€(gè)邊遠(yuǎn)的低溫廠輸送到用戶現(xiàn)場的費(fèi)用，將會(huì)顯著地增加供給用戶的氮?dú)獾某杀尽?br> 因此，近幾年來，在技術(shù)方面的主要要求是開發(fā)小噸位的空氣分離廠，這些廠可以在用戶現(xiàn)場有效地生產(chǎn)低成本的N2。關(guān)于PSA法和膜分離技術(shù)的最新進(jìn)展，對(duì)以較低的成本生產(chǎn)低純度小噸位N2的現(xiàn)場系統(tǒng)是非常有利的。另一方面，由于提供能量的要求和對(duì)這類系統(tǒng)起阻止作用的費(fèi)用的實(shí)際限制，因而用這類PSA法或膜分離系統(tǒng)就不能經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)高純N2。
現(xiàn)有技術(shù)需要開發(fā)能夠降低在現(xiàn)場生產(chǎn)高純N2成本的膜分離或PSA系統(tǒng)及方法。已經(jīng)用來降低在上述現(xiàn)場生產(chǎn)高純N2成本的一種方法是用膜分離或PSA系統(tǒng)與最終純化N2產(chǎn)品以除去微量O2的系統(tǒng)相結(jié)合。在這種方法中，膜或PSA系統(tǒng)用于初步的空氣分離，以生產(chǎn)O2含量多至3000ppm或更高的N2，然后用催化劑系統(tǒng)除去其余的O2，以生產(chǎn)殘留O2含量等于或小于10ppm的純凈N2產(chǎn)品流。雖然這種方法能夠在現(xiàn)場以比只用膜分離或PSA系統(tǒng)較低的成本生產(chǎn)高純度的N2，但是由此節(jié)省的費(fèi)用只是相當(dāng)于比通過卡車把液氮輸送到用戶現(xiàn)場略有改善。這主要是由于從部分純化的N2流中除去剩余的O2需要費(fèi)用較高的、與之起反應(yīng)的H2。然而，如果一個(gè)低費(fèi)用的H2供給源在用戶現(xiàn)場可供使用的話，那么這種方法與用卡車輸送液氮相比，就可能有較實(shí)用的工業(yè)價(jià)值。
目前，有許多工業(yè)應(yīng)用，特別是在石油化工方面，都要求高純度的N2，并且在現(xiàn)場也有低成本的H2可用。但是，這種低成本且易得的H2是不純的，并含有各種各樣的烴類。使用這種不純的H2，對(duì)于最終純化N2的催化劑系統(tǒng)是不利的。然而，如果這種不純的H2能夠以較低的費(fèi)用純化的話，那么就可能在上述的在現(xiàn)場最終純化N2的催化劑系統(tǒng)中以高效可行的方式使用生成的高純度的H2。
可滲透的膜分離系統(tǒng)的固有簡單性對(duì)在現(xiàn)場生產(chǎn)高純N2的這類系統(tǒng)和有關(guān)的一些方法的開發(fā)，在技術(shù)方面提供了一種強(qiáng)烈的刺激和要求，盡管膜分離系統(tǒng)具有固有的簡單性，但本領(lǐng)域技術(shù)人員懂得，對(duì)某些特定的總體處理操作來說，一個(gè)在現(xiàn)場的PSA系統(tǒng)比一個(gè)膜分離系統(tǒng)更合適。因此，為改進(jìn)用于在現(xiàn)場的高純N2生產(chǎn)的總的膜和PSA系統(tǒng)，在技術(shù)方面的要求似乎包括在這些方法中，使用催化劑系統(tǒng)，以便最終生產(chǎn)N2，開發(fā)一些裝置，以便在以工業(yè)上可行而有效的方式生產(chǎn)高純N2的過程中，有效地利用在用戶現(xiàn)場常?？傻玫牡统杀静患兊腍2。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于在現(xiàn)場生產(chǎn)高純N2的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種利用膜系統(tǒng)或PSA系統(tǒng)的改進(jìn)的總的系統(tǒng)和方法，以便在這樣的現(xiàn)場生產(chǎn)高純的N2。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種用于在現(xiàn)場通過利用膜或PSA系統(tǒng)和現(xiàn)場易得的低成本不純H2來生產(chǎn)高純N2的總的系統(tǒng)和方法。
考慮到這些和其它的目的，下文將詳細(xì)地予以描述，其新的特征將在從屬權(quán)利要求中特別指出。
把在現(xiàn)場從膜或PSA系統(tǒng)回收的初步純化過的N2通過一催化劑或一燃燒系統(tǒng)，使其中的O2與一純化過的H2流反應(yīng)，進(jìn)行最終的純化。使用一單獨(dú)的膜或PSA系統(tǒng)，從在用戶現(xiàn)場得到的低成本不純H2回收這種純化過的H2。使用三個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)和方法，以這樣一種綜合的方式，就能夠充分地降低高純N2的生產(chǎn)成本，并明顯地增強(qiáng)了在現(xiàn)場生產(chǎn)高純N2的可行性。
下文中，本發(fā)明將參考本發(fā)明的有利的三組分系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的單一的流程圖加以進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
本發(fā)明的目的是通過使用三個(gè)系統(tǒng)和處理操作，以獨(dú)特的組合方式來實(shí)現(xiàn)的，以生產(chǎn)高純度的N2。這樣的系統(tǒng)和處理方法能夠以適當(dāng)方式利用膜或PSA技術(shù)的公認(rèn)且所需的優(yōu)點(diǎn)，而且也在高純N2生產(chǎn)操作中有效地使用了現(xiàn)場可得的低成本不純H2源。
實(shí)施本發(fā)明所用的膜、PSA和催化焚燒系統(tǒng)和方法將理解成分別由已知的工業(yè)現(xiàn)有技術(shù)組成。通過在這里公開和要求保護(hù)的這些技術(shù)的獨(dú)特的組合，在用戶現(xiàn)場得到的低成本不純的H2流就可以用來把一般的現(xiàn)場生產(chǎn)高純N2的方法加以簡化，使之像技術(shù)上所需的那樣成為實(shí)用的工業(yè)替代方法，代替用卡車從集中設(shè)置的液氮廠向用戶現(xiàn)場運(yùn)送液氮，以便在上述現(xiàn)場以小噸位使用的方法。人們懂得，這里提及的膜分離系統(tǒng)可以用于開始的空氣分離操作，以生產(chǎn)一種低成本低純度的N2流，還可以用于在用戶現(xiàn)場得到的低成本不純H2流的純化，純化過的H2流隨后用于N2的最終純化操作中。另外，PSA系統(tǒng)也可用于這兩個(gè)操作中。把所使用的膜分離系統(tǒng)用于這些操作中的一步操作，而將PSA系統(tǒng)用于這些操作中的其它操作，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，它取決于對(duì)特定應(yīng)用的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的要求，并取決于所用的膜和PSA系統(tǒng)相對(duì)于這類要求的總的容量要求。為最終純化N2，在本發(fā)明的各種各樣的實(shí)施例中，也都采用加H2的催化劑系統(tǒng)。在某一特別高純N2生產(chǎn)操作中所采用的特殊的系統(tǒng)和方法，將取決于上述的操作條件和要求，采用一個(gè)膜分離系統(tǒng)來進(jìn)行空氣的初步分離，與一催化焚燒裝置結(jié)合起來，用在膜系統(tǒng)中純化過的H2進(jìn)行N2的最終純化，通常是較好的。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會(huì)估計(jì)到，膜分離系統(tǒng)都能選擇性地滲透含在原料氣混和物中的易滲透組分，該原料氣混合物包含一易滲透組分和一不易滲透組分。在本發(fā)明的實(shí)施中，任何所要求類型的膜，例如組合膜，不對(duì)稱膜或某一其它形式的膜結(jié)構(gòu)，都可采用。適用于本發(fā)明的空氣分離目的的這些膜，一般由能選擇性地滲透O2的分離材料構(gòu)成，(作為空氣中的易滲透組分)，而把N2作為不易滲透組分，以富N2的不滲透氣體形式回收。然而，采用一個(gè)膜分離系統(tǒng)，從空氣中進(jìn)行N2的初步分離，其中N2是易滲透組分，將一富氧氣流除去，而將富N2氣流作為滲透氣體回收，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的各種各樣的實(shí)施例中所使用的膜分離系統(tǒng)，是用來純化在用戶現(xiàn)場得到的不純的H2源，純化過的H2通常作為滲透氣體回收。如果這樣的膜系統(tǒng)能把不純的H2流純化到用于本發(fā)明的目的所希望的值，也可采用把H2作為一純化過的不滲透氣流加以回收的膜系統(tǒng)。
如上所述，PSA系統(tǒng)可能希望用于空氣分離和/或本發(fā)明的不純H2的純化階段，這取決于附屬于一特定的高純N2生產(chǎn)應(yīng)用的特殊要求和操作條件。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員懂得，含有一個(gè)或幾個(gè)吸附劑床的PSA系統(tǒng)，能選擇性地吸附由易吸附組分和不易吸附組分組成的原料氣混合物中的易吸附組分?？梢岳斫猓@類的PSA系統(tǒng)使用各種各樣的操作循環(huán)，其中的每一個(gè)床，一般都依次進(jìn)行吸附一解吸循環(huán)，在把原料氣混和物通入較高吸附壓力的吸附床期間，不易吸附組分從該吸附床排出，而在吸附床在較低的解吸壓力再生期間，易吸附組分從該吸附床排出。雖然所采用的用于空氣分離以把N2作為所需的產(chǎn)品氣加以回收的PSA系統(tǒng)，一般都采用能把空氣中的O2作為易吸附組分進(jìn)行選擇性吸附的吸附劑床，但是采用把N2作為易吸附組分進(jìn)行選擇性吸附的PSA系統(tǒng)，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。雖然已知的PSA系統(tǒng)在進(jìn)行的操作循環(huán)中每一個(gè)床一般都包括許多單獨(dú)的處理步驟，但是，在一些特殊的實(shí)施例中所采用的PSA操作循環(huán)的細(xì)節(jié)，例如壓力均衡、清洗和再生步驟，并不是本發(fā)明的核心，因此，在此不需要詳細(xì)描述。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中所采用的催化焚燒系統(tǒng)和方法，如本領(lǐng)域內(nèi)一般都知道的“催化除氧”單元一樣，包括本領(lǐng)域熟知的，用于進(jìn)一步降低在膜或PSA系統(tǒng)中通過空氣分離后得到的初步純化過的N2流的O2濃度所創(chuàng)立的技術(shù)。該催化除氧單元通常采用一貴金屬催化劑，例如載在Al2O3載體上的Pt-Pd催化劑。催化焚燒系統(tǒng)可以包括一個(gè)或幾個(gè)催化劑床，在催化劑床中，在一適宜的膜或PSA系統(tǒng)中通過空氣分離產(chǎn)生的初步純化過的N2流中的O2與H2或甲烷之類的燃料氣反應(yīng)，這里提供的H2或甲烷是純化過的，是從在一石油精煉廠或其它的合適的用戶現(xiàn)場得到的低費(fèi)用的不純的物流經(jīng)過純化而制得的。因此，催化焚燒純化N2的操作可以采用一級(jí)或幾級(jí)適宜的在工業(yè)上可得的催化劑來進(jìn)行。它能方便地從被純化的N2流中除去O2，使其殘留的O2降到所要求的低值。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將很清楚，當(dāng)采用純化過的H2作為反應(yīng)物時(shí)，這樣的催化焚燒系統(tǒng)通常是必需的。
由上述可知，在本領(lǐng)域內(nèi)易得的各種工業(yè)上可用的純化系統(tǒng)和有關(guān)的處理特點(diǎn)，都可以如在這里所描述的和要求的那樣有利地結(jié)合用于生產(chǎn)高純N2的三個(gè)單獨(dú)的純化系統(tǒng)和方法。然而，總的來說，本發(fā)明的較佳的實(shí)施例包括使用一膜系統(tǒng)進(jìn)行空氣的初步分離，然后與一催化除氧單元一起，進(jìn)行N2的最終純化，向上述的催化除氧單元供給H2使其與存在于從上述空氣分離所得到的初步純化過的N2流中的O2反應(yīng)，而反應(yīng)物H2也在一膜系統(tǒng)中純化過。
在一些較佳的實(shí)施例中，采用膜進(jìn)行空氣的初步分離，初步純化過的N2流中的O2含量一般為1000到50000ppm，常常約為10000-30000ppm。在本發(fā)明的實(shí)施例中所生產(chǎn)的高純N2流中的殘留的O2含量一般約低于5000ppm，在本發(fā)明的特殊的實(shí)施例中的殘留氧含量約低于1000ppm。在最終純化操作中所用的純化過的H2反應(yīng)物，和用于產(chǎn)生純化過的反應(yīng)物的不純的反應(yīng)物，其初始純度和最終純度可以變化，這主要取決于特定應(yīng)用的要求。反應(yīng)物H2通常是把在用戶現(xiàn)場得到的某一較低純度料流純化到約95+%的H2。在特殊的應(yīng)用中所使用的實(shí)際的H2純度極限值通常是變化的，這取決于用戶對(duì)最終N2產(chǎn)品純度的要求。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員懂得，本發(fā)明可以采用任何規(guī)模的高純N2的生產(chǎn)系統(tǒng)，這取決于附屬于給定應(yīng)用的各種各樣的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，但是，從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來看，本發(fā)明對(duì)以5000-50000立方英呎/時(shí)規(guī)模的高純N2生產(chǎn)系統(tǒng)特別有吸引力。本發(fā)明對(duì)煉油廠或其它的石油化工設(shè)備是特別有價(jià)值的，在這些地方容易得到低費(fèi)用的待用H2源，在以低廉的費(fèi)用生產(chǎn)高純N2的最終純化操作中，它可以作為反應(yīng)物被有利地采用。如在這里描述和要求的那樣，便利的反應(yīng)物純化操作的實(shí)施，能夠以實(shí)用的工業(yè)上可行的方式實(shí)現(xiàn)所希望的可得到的低費(fèi)用不純H2的利用。
下面參考附圖
，原料空氣經(jīng)管1通到現(xiàn)場的一膜分離系統(tǒng)或PSA系統(tǒng)2，N2與O2在此分離，并在管3中作為初步純化的N2流加以回收。與上述N2分離的富O2流，例如作為一般膜分離系統(tǒng)的滲透氣流，經(jīng)管4作為N2生產(chǎn)工藝的廢氣流排出，上述廢氣流被排出或用于一些其它所希望的目的。經(jīng)初步純化的N2流經(jīng)過管3通入一合適的催化焚燒系統(tǒng)5，由此用管6收集高純N2產(chǎn)品。如果需要，經(jīng)初步純化的N2流中的O2與反應(yīng)物H2或甲烷反應(yīng)所生成的廢水通過管7可以除去。上述的H2反應(yīng)物經(jīng)管8從膜分離系統(tǒng)或PSA分離系統(tǒng)9通到催化劑系統(tǒng)或焚燒系統(tǒng)5，分離系統(tǒng)9用來純化在用戶的裝置中可得到的、經(jīng)管10通到上述分離系統(tǒng)9的低費(fèi)用的不純H2或甲烷。分離系統(tǒng)9的廢氣，常常為不滲透氣，從該系統(tǒng)經(jīng)管11排出或以所希望的方式使用。應(yīng)當(dāng)注意的是，分離系統(tǒng)9也為一個(gè)低溫純化系統(tǒng)和濃縮系統(tǒng)。
根據(jù)膜分離系統(tǒng)固有的簡單性，與必須使用所需要的閥門和壓縮機(jī)相聯(lián)系的PSA系統(tǒng)相比，一般優(yōu)先選擇膜分離系統(tǒng)用于空氣的初步分離。雖然非常希望將膜分離系統(tǒng)用于氣體分離，以生產(chǎn)相對(duì)低純度的產(chǎn)品氣，例如含1%或更多O2的N2，但是用膜分離方法來生產(chǎn)高純的產(chǎn)品常常需要高能耗和相對(duì)較大的可用膜表面積，這使得只使用膜系統(tǒng)進(jìn)行這樣的高純產(chǎn)品制備是不經(jīng)濟(jì)的。
對(duì)要求較高純度產(chǎn)品的應(yīng)用場合，例如較低O2雜質(zhì)的產(chǎn)品，把一個(gè)膜分離系統(tǒng)和一個(gè)催化焚燒系統(tǒng)結(jié)合起來，到目前為止，從適用的觀點(diǎn)看是不可行的，但是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行實(shí)施時(shí)，卻提供了可希望的和有利的產(chǎn)品。如上述指出的，由膜系統(tǒng)進(jìn)行空氣分離所得到的O2含量為1+%的N2可以通到催化劑系統(tǒng)，把高純H2作為反應(yīng)氣加到該催化劑系統(tǒng)中，與N2流中的O2進(jìn)行反應(yīng)，生成水。如果需要，生成的水可以便利地從純化的N2流中除去。
H2反應(yīng)物氣流中的任何雜質(zhì)，在催化劑系統(tǒng)中如果不反應(yīng)，當(dāng)然將最終存留在最終的N2產(chǎn)品氣流中。如果H2反應(yīng)物氣流含這些雜質(zhì)，且其量相對(duì)較高的話，那么這些雜質(zhì)對(duì)催化劑系統(tǒng)可能有不利的影響，且在N2產(chǎn)品中生成不可接受的雜質(zhì)量。正是由于這些理由，在催化劑系統(tǒng)中，希望所用的H2純度較高，即95+%。
可以理解，高純度H2的提供應(yīng)是高純N2生產(chǎn)的整個(gè)費(fèi)用中一個(gè)重要的費(fèi)用因素。用于生產(chǎn)這樣的高純N2產(chǎn)品的催化劑系統(tǒng)和提供H2的費(fèi)用一般比低純N2的費(fèi)用增多50%，這50%增加量中的60-70%與高純H2反應(yīng)物的成本有關(guān)。在不同的煉油廠和其它的工業(yè)裝置中，不純的H2是以很低的費(fèi)用得到的。在本發(fā)明的實(shí)施中，如果使用這種低費(fèi)用的不純H2，作為催化劑系統(tǒng)的反應(yīng)物，可以實(shí)現(xiàn)高純N2總費(fèi)用的顯著降低。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，空氣的初步分離是在現(xiàn)場的膜分離系統(tǒng)中進(jìn)行的，生產(chǎn)出約含30000ppmO2的初步純化的N2流。把這相對(duì)低純度的N2流通到一催化除O2系統(tǒng)，通過與該系統(tǒng)中的純凈H2反應(yīng)，使該氣流中的O2含量，降至低于10ppm。純凈H2是從在用戶現(xiàn)場可得到的純度為77%的H2源獲得的，上述不純的H2通入催化劑系統(tǒng)之前，在一膜分離系統(tǒng)中純化到98%的純度，整個(gè)組合系統(tǒng)如附圖所示。通過以這樣的方式生產(chǎn)高純N2，使用可得到的低費(fèi)用的不純的H2進(jìn)行最終的N2純化反應(yīng)，當(dāng)在用戶的現(xiàn)場得到的低純度的H2方便而又經(jīng)濟(jì)地在本發(fā)明的膜分離系統(tǒng)純化時(shí)，生產(chǎn)高純N2比生產(chǎn)低純N2的初始費(fèi)用所增加的費(fèi)用從在最終的純化階段采用高成本高純N2時(shí)增加的50%減少到20%。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的生產(chǎn)高純N2的這些有利的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)高純N2的總費(fèi)用大約可減少25%。費(fèi)用的這種顯著減少就使一些小噸位的空氣分離廠有可能具有工業(yè)可行性，并能夠作為把液氮從遠(yuǎn)離現(xiàn)場位置的液氮廠輸送到用戶的現(xiàn)場有吸引力的替代方案。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員懂得，在本發(fā)明的細(xì)節(jié)方面，還可以進(jìn)行各種改變和改進(jìn)，而不離開在從屬權(quán)利要求中提出的本發(fā)明的范圍。因此，在本發(fā)明的實(shí)施中所采用的可滲透性膜，一般將以常常設(shè)置在外殼內(nèi)以形成包括膜系統(tǒng)的主要元件的膜組件的膜部件形式采用。本發(fā)明可理解為一個(gè)包括一個(gè)膜組件或許多這類膜組件的膜系統(tǒng)，這些膜組件排列成并聯(lián)或串聯(lián)操作。這種膜組件可以用一般的空芯纖維膜或螺旋纏繞的打褶的平板膜部件或用任何其它所需的結(jié)構(gòu)形式來建造。膜組件被收縮成一原料空氣表面?zhèn)群鸵幌喾吹臐B透氣體排出側(cè)。對(duì)空芯纖維膜，原料空氣可以加到空芯纖維膜的內(nèi)側(cè)，或者加到空芯纖維的另一表面?zhèn)取?br> 人們懂得，空氣分離膜和H2純化膜所用的膜材料可以是任何適合的能選擇性滲透原料氣，也就是空氣或不純的H2中的一易滲透組分的材料。纖維素的衍生物，例如乙酸纖維素，乙酸丁酸纖維等等;聚酰胺和聚酰亞胺，包括芳基聚酰胺和芳基聚酰亞胺;聚砜類;聚苯乙烯類等等是這類材料的代表。組合膜，例如在聚砜基質(zhì)上的乙基纖維素可便利地作為分離層的材料用于許多空氣分離和其它的應(yīng)用，它決定著組合膜的分離特征，可以使之適合于特定應(yīng)用的特殊的性能要求和操作條件。
在本發(fā)明實(shí)施中所采用的PSA系統(tǒng)，一般包括若干吸附劑床，這些床按照實(shí)際所采用的，適合處理循環(huán)的許多吸附劑床、根據(jù)特定應(yīng)用的可采用的操作條件和所期望的性能要求進(jìn)行操作。在每個(gè)吸附床中所使用的吸附劑材料可以是能選擇性吸附原料空氣或不純H2中的易吸附組分的任何適合的吸附劑材料，同時(shí)能夠從該吸附床排出上述原料氣中的不易吸附組分。沸石分子篩材料，例如5A型和13X型沸石分子篩材料是用于從不純的H2流中選擇性地吸附雜質(zhì)，和從原料空氣中選擇性地吸附N2的方便的吸附劑床材料。另一方面，據(jù)據(jù)不同吸附機(jī)理操作的碳分子篩用于空氣分離時(shí)，使得原料空氣中的O2作為易吸附組分被選擇性吸附，而原料空氣中的N2作為不易吸附組分加以回收。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員懂得，大家所熟知的，工業(yè)上可利用的催化除O2系統(tǒng)可以采用在最終的N2純化操作中。當(dāng)用膜和PSA系統(tǒng)時(shí)，可以采用一級(jí)或幾級(jí)催化劑床使被純化的N2流中的O2與H2發(fā)生所希望的反應(yīng)。由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，為有效地利用常在大約500℃的反應(yīng)溫度下發(fā)生的反應(yīng)操作中的熱量，可以方便地采用適合的熱交換裝置。
本發(fā)明在這里已經(jīng)描述了關(guān)于在現(xiàn)場的裝置，對(duì)于本發(fā)明的目的，這類在現(xiàn)場的裝置一般都認(rèn)為指在這里披露的和在權(quán)利要求中提出的分離和反應(yīng)系統(tǒng)的獨(dú)特組合，該分離和反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置在需要高純N2的用戶現(xiàn)場的一個(gè)方便的位置。然而該用戶的現(xiàn)場不應(yīng)當(dāng)只從字面理解為狹義的特定用戶現(xiàn)場。相反，把在上述現(xiàn)場的膜、PSA或反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置在圍墻外或者非常鄰近但是不在另一種意義的用戶現(xiàn)場的一些其它的方便位置，都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。任何這樣的方便位置都認(rèn)為構(gòu)成了本發(fā)明目的的現(xiàn)場操作，與地理上的區(qū)域相對(duì)比，對(duì)該區(qū)域來說，液氮廠可以設(shè)置在方便的位置，但是與用戶現(xiàn)場相距數(shù)英里，這就要用卡車從上述地區(qū)把液氮輸送到用戶的現(xiàn)場。
根據(jù)在煉油廠和其它的工業(yè)場所對(duì)高純N2的日益增長的需要，在再生(blanketing)、純化(inerting)或清洗操作中，低O2含量對(duì)安全或產(chǎn)品質(zhì)量是必要或需要的，本發(fā)明為滿足這樣的需要，通過在經(jīng)濟(jì)上可行費(fèi)用下的便利的現(xiàn)場生產(chǎn)能力，提供了一種高度有希望的方法和系統(tǒng)。因此，本發(fā)明在技術(shù)方面取得了明顯的進(jìn)展，進(jìn)一步擴(kuò)大和不斷增長了一般的、非常方便的和非常適用的膜技術(shù)的應(yīng)用范圍，在特殊的應(yīng)用中，為滿足重要的工業(yè)需要，也擴(kuò)大了變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用范圍。通過方便地應(yīng)用膜分離系統(tǒng)，PSA系統(tǒng)或它們的組合，本發(fā)明在滿足給定應(yīng)用的要求方面的靈活性進(jìn)一步增強(qiáng)了本發(fā)明的重要性，以適合于每一特定應(yīng)用的具體要求的高度希望的方式，滿足一種重要工業(yè)需要。
權(quán)利要求
1.一種從空氣中生產(chǎn)高純N2的在現(xiàn)場的系統(tǒng)，包括(a)一個(gè)能把空氣分離成一初步純化過的含殘余O2的N2流和一富O2的排出氣流的第一膜分離或變壓吸附分離系統(tǒng)；(b)向上述的第一膜分離或變壓吸附分離系統(tǒng)供應(yīng)原料氣以便在此進(jìn)行分離的裝置；(c)能從一種含較高濃度雜質(zhì)的不純的H2流分離出較純的H2的第二膜分離系統(tǒng)，變壓吸附系統(tǒng)或低溫分離系統(tǒng)，以便得到一種含所要求的低濃度雜質(zhì)的純化過的H2流；(d)把在現(xiàn)場可得到的不純的H2原料氣供給上述的第二膜分離系統(tǒng)、變壓吸附系統(tǒng)或低溫分離系統(tǒng)以便在此純化不純的H2原料氣的裝置；(e)一種適合于上述純化過的H2流與初步純化過的N2流中殘余的O2起反應(yīng)的催化焚燒系統(tǒng)；(f)把初步純化過程的N2和純化過的H2從上述的第一和第二分離系統(tǒng)通到上述的催化焚燒系統(tǒng)的裝置；(g)從上述的催化焚燒系統(tǒng)回收高純N2流的裝置，該高純N2含所希望低濃度的殘留O2，由此通過方便地純化在現(xiàn)場可得到的低費(fèi)用的不純的H2和將其經(jīng)濟(jì)地用于初步純化過的N2流的最終純化中即可有利地生產(chǎn)高純N2。
2.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述的第一分離系統(tǒng)為一膜分離系統(tǒng)。
3.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述的第二分離系統(tǒng)為一膜分離系統(tǒng)。
4.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是第一和第二分離系統(tǒng)都由膜分離系統(tǒng)組成。
5.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述第一分離系統(tǒng)為一膜分離系統(tǒng)，而第二分離系統(tǒng)為一低溫分離系統(tǒng)。
6.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述第一分離系統(tǒng)為一變壓吸附系統(tǒng)，而第二分離系統(tǒng)為一低溫分離系統(tǒng)。
7.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述第一分離系統(tǒng)為一變壓吸附系統(tǒng)。
8.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述第二分離系統(tǒng)為一變壓吸附系統(tǒng)。
9.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是上述第一和第二分離系統(tǒng)都由變壓吸附系統(tǒng)組成。
10.一種從空氣中在現(xiàn)場生產(chǎn)高純N2的方法，包括(a)把原料空氣通到第一膜分離或變壓吸附分離系統(tǒng)，原料空氣在此進(jìn)行分離;(b)從上述第一分離系統(tǒng)排出初步純化過的含殘余O2的N2流和一富O2排出氣流;(c)把在現(xiàn)場可得到的不純的H2通到第二膜分離、變壓吸附分離或低溫分離系統(tǒng)，不純的H2流在此得到純化;(d)使上述純化過的H2與初步純化過的N2中的殘余O2在一催化焚燒系統(tǒng)中進(jìn)行反應(yīng);(e)從上述的催化焚燒系統(tǒng)回收含所希望低含量殘留O2的高純的N2流，由此，通過方便地純化在現(xiàn)場可得到的低費(fèi)用的不純的H2和將其經(jīng)濟(jì)地用于初步純化過的N2的最終純化中，即可有利地在現(xiàn)場生產(chǎn)高純N2。
11.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的第一分離系統(tǒng)為一膜分離系統(tǒng)。
12.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的第二分離系統(tǒng)為一膜分離系統(tǒng)。
13.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的第一和第二分離系統(tǒng)，都由膜分離系統(tǒng)構(gòu)成。
14.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的第一分離系統(tǒng)為一膜分離系統(tǒng)，而上述的第二分離系統(tǒng)為一低溫分離系統(tǒng)。
15.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的第一分離系統(tǒng)為一變壓吸附分離系統(tǒng)，而第二分離系統(tǒng)為一低溫分離系統(tǒng)。
16.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的第一分離系統(tǒng)為一變壓吸附分離系統(tǒng)。
17.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的第二分離系統(tǒng)為一變壓吸附系統(tǒng)。
18.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的第一和第二分離系統(tǒng)都由變壓吸附分離系統(tǒng)構(gòu)成。
19.按權(quán)利要求10的方法，其特征是初步純化過的N2流中的O2含量大約為1000ppm到50000ppm。
20.按權(quán)利要求19的方法，其特征是上述的O2含量大約從10000ppm到30000ppm。
21.按權(quán)利要求10的方法，其特征是上述的高純N2流中殘留的O2含量大約低于5000ppm。
22.按權(quán)利要求21的方法，其特征是上述的殘留的O2含量大約低于1000ppm。
全文摘要
使用在現(xiàn)場的膜分離系統(tǒng)進(jìn)行空氣分離以生產(chǎn)一低純度的N
文檔編號(hào)C01B21/04GK1038797SQ89102599
公開日1990年1月17日 申請(qǐng)日期1989年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月1日
發(fā)明者邁克爾·約瑟夫·坎貝爾 申請(qǐng)人:聯(lián)合碳化公司