[發明專利]一種從空氣中提取高純度氮氣的方法與裝置

有效

• 申請號: 201010240323.X
• 申請日: 2010-07-30
• 公開（公告）號: CN101869797A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 趙宏煒;劉安漣;劉輝;丁艷賓
• 申請（專利權）人: 上海穗杉實業有限公司
• 主分類號: B01D53/04
• 分類號: B01D53/04;C01B21/04
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于氣體分離與吸附技術領域，具體涉及一種從空氣中提取高純度氮氣的方法與裝置。

背景技術

高純度氮氣是電子、冶金等重要基礎工業的基礎氣體，分析行業比如色譜等也需要大量的標準氣體，這些標氣大都要求具有很低的雜質含量，目前，這些氣體基本上都依賴深冷空分生產液氮經汽化后以各種方法提純而得，生產工藝復雜，成本高昂。

在非深冷空分技術領域，氧含量小于3ppm的高純度氮氣的生產一般采用變壓吸附技術或者膜分離技術，先制取純度約98～99.9%的粗氮，再以此原料氣進行精制提純，精制過程的典型代表如：

中國專利CN1059130A描述了一種用膜或變壓吸附系統進行空氣分離，將由此得到的粗氮氣流通入催化燃燒系統，使殘余氧與氫氣反應以生產高純氮氣產品。通過該方法生產的氮氣產品可控制其含氧量小于10ppm或更少，典型的如1ppm，但是，其產品氣中含有反應需要的過量氫，約1000ppm，顯然，在對氫氣敏感的應用場合，這種技術缺陷限制了其應用；

又如，中國專利CN1178768A描述了一種根據氮中氧含量加入超過計量比約200～500ppm的氫氣，通過第一級凈化器，在含貴金屬Pd和/或Pt脫氧催化劑的作用下，將粗氮中的氧氣凈化到1ppm以下，凈化后氮氣中的殘余氫，再經過第二級凈化器，在含貴金屬Pd/氧化錳調變催化劑的作用下，脫除到1ppm以下，得到O₂,?H₂含量均低于1ppm的高純氮。

又如，眾多專利還描述了另外一種技術路線，以膜或變壓吸附系統進行空氣分離，將由此得到的粗氮氣流采用碳載體脫氧，以碳載體催化劑(消耗品)將粗氮中含有的少量氧氣與催化劑中的碳發生化學（氧化）反應生成二氧化碳，再以變壓吸附技術將該二氧化碳脫除，提純到符合國家標準要求的高純氮氣；

顯然，以上描述的以非深冷空分的各種技術路線都存在一個共同特征，即在制取高純度氮氣的同時消耗了另一種輔助材料，典型的輔助材料是氫氣或者碳，在催化條件下將粗氮中含有的氧氣通過化學反應祛除；而且，其中，在加氫除氧的精制技術路線中，不僅消耗氫氣，還需要繼續對生成的水分以及脫氧過程中殘存的氫氣進行脫除才能生產出真正意義上的符合GB/T8980-1996《高純氮》技術指標的高純氮；在以碳載體催化劑精制技術路線中，不僅消耗碳載體，還需要繼續對生成的二氧化碳進行脫除才能生產出真正意義上的符合GB/T8980-1996《高純氮》技術指標的高純氮；

此外，上述的這些非深冷空分技術，使得制取氧含量低于3ppm的高純氮氣生產過程變的非常復雜，裝置維護成本高昂；尤其是在一些針對目標組分有較高要求的高純度氮氣應用方面，典型的比如二氧化碳、一氧化碳、氫氣等含量有嚴格要求的應用場合，采用以上技術路線獲得的產品氣難以滿足要求，或者說這些技術的采用將加大應用上的技術風險；更有甚者，在一些氫氣或者碳載體難以得到補給的應用場合，采用上述這些非深冷空分技術變得不現實。

眾所周知，變壓吸附（PressureSwingAdsorption，PSA）是一種重要的、具有廣泛應用的氣體分離方法，變壓吸附制氮方法以碳分子篩（CMS）對空氣組分中的氧氣、氮氣的吸附速率不同來實現氣體分離，在產量要求不大的應用場合，采用PSA方法更具有經濟性，以至少一個或多個吸附劑床和至少一個或多個儲氣罐以及流體切換閥門、控制系統等組成的變壓吸附裝置，可以為用戶提供一種相對廉價、靈活的氮氣純度范圍為90～99.9995%（無氧含量，氧氣含量小于5ppm）的現場供氣方法。

但是，迄今為止，本專業的技術人員進行過多方面的嘗試，采用這種基于動力學分離機理的變壓吸附制氮過程，以在大氣壓下進行再生的簡易裝置其所能達到的產品氮氣純度均被限制在99.9995%之內的氮氣純度（無氧含量，氧含量小于5ppm），而且，往往效率不高，均未獲得滿意的結果。

已有的研究表明，要想采用變壓吸附方法生產氧含量低于3ppm的高純度氮氣非常困難，最大挑戰在于如何以最小的消耗獲得高純度氮氣。已知，均壓是提高回收率卓有成效的方法，尤其是以帶中床均壓的方法對制取高純度氮氣更有益。在各種帶中床均壓的方法中，以美國專利中國公開號CN1185577A為典型，全面揭示了包括中床均壓在內的各種氣體轉移可以有效提高回收率的方法，以較小的代價獲得“高純度氮氣”（無氧含量，氧氣含量小于5ppm）。但是，本專業的技術人員會了解，即使這樣，其產品氣體技術指標以難以符合GB/T8980-1996《高純氮》技術指標的高純氮，其純度范圍仍然局限在5ppm氧含量。