專利名稱：一種改進的生產干燥高純氮氣的方法及其系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及從空氣中生產氮氣的技術，更確切地說，涉及生產干燥的高純度氮氣的技術。
在用空氣分離方法生產氮氣的過程中，曾推薦采用薄膜滲透法及有關的系統，而且越來越多地采用了這類方法和系統。在這種過程中，原料空氣跟薄膜表面接觸，氧氣作為空氣中較易滲透的組份通過薄膜，而氮氣這種空氣中較難滲透的組份作為一種未滲透產品流從薄膜系統中得到回收。常規的薄膜系統所生產的氮氣的純度通常高達99.5%左右。但是，在某些應用中卻需要高純度氮氣產品，即純度為99.95%左右，或者更純，例如純度為99.9995%為氮氣。
通常，獲得如此高純氮氣的方法是將來自薄膜裝置的產品氮氣送入一個脫氧裝置中，也就是說送入一個催化去氧裝置中，該裝置在有貴金屬催化劑存在的情況下，使氧和氫結合而能將產品氮氣流中殘留的氧轉變成水。所得到的高純氮氣產品通常容積含氧量低于百萬分之五(PPmv)。然而，它還含有大量的水，例如約含10000到40000PPm的水，以及來自催化去氧系統的剩余氫氣。在一些特殊應用中，為避免其冷凝以及由此引起的管道和下游使用的所述的高純氮氣設備中的腐蝕或凍結，或是為了避免因含水份而妨障從薄膜催化去氧裝置中回收的高純產品氮氣流的最終使用，因而需要除去高純氮氣流中的水份。
為了除去高純氮氣流中的水份，通常在整個系統中裝有后冷卻器，水份分離器和吸附(或者冷凍)干燥裝置。雖然這些裝置能有效地除去水份以致生產出大體上是干燥的，高純氮氣產品，但它們大大地增加了整個過程的復雜性，并使可靠性降低，而且還可能使氮氣產量明顯減少。這種不希望出現的產量損失是由于純化要求，放氣損失等等而引起的。此外，這種傳統的除水方法，為了再生或制冷還會消耗大量額外的能量。
因此，人們意識到，在該技術領域需要對生產干燥的高純氮氣產品的方法及系統進行改進，尤其需要改進適于除去高純氮氣中水份的方法和系統，上述高純氮氣是采用適于空氣分離的薄膜催化去氧裝置而生產出來的。更具體地說，希望在成本更低、能耗更小，又不存在使用常規的吸附(或冷凍)干燥裝置所出現的產量顯著減少的條件下有效地除去水份。
為此，本發明的任務是要提供一種改進的用于從空氣中生產干燥的、高純氮氣產品的方法和系統。
本發明的另一任務是要提供一種能生產干燥的、高純氮氣產品的簡便的薄膜/催化去氧方法和系統。
本發明還有一個任務是要提供一種改進的生產基本為干燥的高純氮氣的方法和系統，它不同于用常規的吸附(或冷凍)裝置除去高純氮氣產品中水分，不會使產量顯著減少，也不會污染產品、浪費能源。
根據上述發明任務及其它發明任務，下面將對本發明進行詳細描述，本發明的新的特征將在附加的權利要求中特別予以指明。
為了除去從薄膜/催化去氧裝置中生產出的高純氮氣產品中的水份，在總的高純氮氣產品系統中有一個第二薄膜裝置。為了減少對薄膜面積的要求，增加所需產品的回收量，該第二薄膜裝置最好以逆流流動模式進行工作，并用較干燥的沖洗氣體返流至低壓滲透側。上述沖洗氣流最好取自第一級薄膜滲透步驟的氣流，或取自低壓原料空氣，或取自干燥的氮氣產品。
下面將結合附圖對本發明進行詳細描述。其中
圖1為本發明的一個實施例的方框流程圖，其中從第一級空氣分離薄膜裝置流出的滲透氣體用作送入產品干燥器薄膜裝置中的沖洗氣體。
圖2為另一個實施例的方框流程圖，其中低壓原料空氣作為產品干燥器薄膜裝置的沖洗氣體。
圖3為再一個實施例的方框流程圖，其中將一部分送入薄膜/催化去氧裝置的高壓原料空氣膨脹，并作為送入產品干燥器薄膜裝置中的沖洗氣體。
圖4的實施例是將部分干燥產品氣再循環，以作為送入產品干燥器薄膜裝置中的沖洗氣體。
本發明的任務可通過將一個用來干燥氮氣的薄膜裝置與薄膜催化去氧裝置結合在一起來完成，在一定的運行條件下能使需要達到的高純產品氣脫水，同時又不至于使該方法和系統的總過程的回收量降至不合格的水平。上述的運行條件最好將分離處理系統以及特殊薄膜組份對水份去除的選擇性和膜束結構狀況有機地結合起來，在這種膜束結構下，干燥器薄膜系統中可以實現逆流流動模式。這樣就可使得系統成功地干燥氮氣產品，同時將干燥過程中產品氣體的損失減到最小。
為了生產本發明干燥的高純氮氣產品，首先用單級或兩級薄膜空氣分離單元生產氮氣。在這些單元中，將壓力范圍一般在約50-約300磅/英寸2(Psig)，典型的情況約為150磅/英寸2，溫度一般約在90°F的壓縮空氣送入薄膜標準件中。與空氣相比含氧豐富的氣流透過薄膜材料，并在薄膜的低壓滲透側被濾出。留下的富氮氣流或不滲透氣體在高輸入壓力下被回收。在一個兩級薄膜空氣分離單元中，常常將氧濃度可能低于空氣中氧濃度的第二級滲透氣體再循環至該設備的上游，以便壓縮并再循環至薄膜單元中。由于公知的薄膜系統往往不能經濟地生產出高純氮氣產品，即純度為99.5%或更純的氮氣產品，常采用催化去氧或脫氧單元，以便降低背景技術中已描述過的空氣分離薄膜單元生產出的氮氣中的殘余含氧量。在常規運行及本發明的實施過程中，脫氧反應所放出的熱使其溫度達500℃左右。然后產品氣經后冷卻器冷卻，所形成的冷凝物在對高純氮氣流進行干燥之前在水份分離器中除去。
為了經濟地生產干燥的高純氮氣產品，本發明在薄膜/脫氧空氣分離單元之后采用了一個薄膜干燥器單元。雖然市售的吸附或干燥器系統能生產出干燥的(壓力下露點為-40°F，即PDP)，或非常干燥的(壓力下露點為-100°F)氣體流，但這類干燥器系統使機械結構復雜，而且會引起不希望有的產品損失或污染，或者能量消耗非常大，而采用本發明作的薄膜干燥器單元，可以將現有的方法和系統改進到令人滿意的程度。
已知有一些薄膜能夠選擇性地除去壓縮氮氣氣流中所含的水份(和氫)。不幸的是正如美國專利US-4783201中的所披露的那樣，當以交叉流動滲透方式進行工作時，這類薄膜可能使效果變差，即在150磅/平方英寸的操作壓力下，為了獲得-40°F的較為合適的壓力露點，滲透氣體和原料氣流的比例約為30%。顯然，采用這類交叉流動薄膜單元回收到的產品氣體是很少的，而整個系統所需的動力和干燥器面積又高到令人失去興趣的的地步。另一方面，本發明采用最好以逆流流方式的氮氣干燥薄膜單元，并讓干燥的回流沖洗氣體通過膜的滲透側，以便將水份從膜的滲透側帶走，而且在薄膜的兩側維持一個高的驅動力，以排除水份。這一處理特征可以減少所需的薄膜面積，減少為達到指定的壓力露點、也即達到指定的干燥程度所不可避免的產品滲透損失。并希望將因上述氮氣互滲透作用所造成的損失維持在小于總產品氣流的1%，最好是低于0.5%。
本發明的總處理過程和系統跟一些作為薄膜干燥器低壓滲透側的回流沖洗氣體的比較干燥的氣流有效地結合起來使用。圖1為本發明較好的實施例，該實施例具有將來自兩級薄膜空氣分離單元的第二級的滲透氣體作為薄膜干燥器單元的沖洗氣體。將原料空氣由管道1送入空氣壓縮機2，壓縮空氣從該壓縮機經管道3流入兩級薄膜空氣分離單元的第一級薄膜4，含有原料空氣中的大部份水的滲透氣經管道5從上述薄膜4中排出并轉入廢氣中。上述薄膜4的未滲透氣體經管道6進入第二級薄膜7，從該薄膜中提取的純化氮氣經管道8送入脫氧單元9中，氫氣則由管道10加入該單元中。高純氮氣從脫氧單元9流出經管道11而被回收，但上述高純氣流仍含有水份及殘余的氫氣。經一般的后冷卻器單元12和水分離器13之后，水經管道14從水分離器中排出，高純而濕的氮氣產品通過管道15進入本發明所采用的薄膜干燥器16中。所需要的氮氣從干燥器16經管道17以干燥的形式作為未滲透氣體而被回收。在以逆流流動方式操作的上述薄膜干燥器16中，薄膜的滲透側由比較干燥的沖洗氣體沖洗，該沖洗氣體為第二級薄膜7的滲透氣體。從上述薄膜7經管道18送入薄膜干燥器16的滲透側的沖洗氣體將滲透到薄膜16中的水份從上述滲透側表面帶走，從而在薄膜兩側保持一個適于脫水的高驅動力。如圖所示，通常含水的沖洗氣體從薄膜干燥器16經管道19排出，又再循環到空氣進料管道1，然后壓縮并經過空氣分離薄膜單元，以便從中回收更多的氮氣產品。此外，如果需要，上述含水的沖洗氣體也可以通過管道20排至廢氣中。
在圖2所示的另一個實施例中，原料空氣流本身被用作薄膜干燥器的沖洗氣體，以取代圖1所示實施例中用第二級空氣分離膜滲透氣體作為沖洗氣體的情況。如圖2所示，空氣經管道21送入薄膜干燥器單元22中，以作為該干燥器低壓滲透側的沖洗氣體。因此，此處原料空氣的作用就象圖1實施例中已經描述過的空氣分離膜滲透氣體的作用一樣，也是作為沖洗之用。含有從薄膜干燥器22的滲透側排出的水的原料空氣經管道23進入空氣壓縮機24中，然后進入薄膜空氣分離單元25中，此薄膜空氣分離單元可以有兩級，但為方便起見，僅示出一級單元。含有處理過程中的廢氣成份的滲透氣體從空氣分離薄膜單元25經管道26排出，同時提純的氮氣未滲透氣從上述薄膜單元25經管道27排出，以便送入脫氧單元28，而氫氣經管道29進入該脫氧單元。濕的高純氮氣從脫氧單元28經管道30流入后冷卻器31和水份分離器32，水份從該分離器經管道33排出。從上述分離器流出的濕的高純氮氣經管道34送入薄膜干燥器22，從該干燥器流出的干燥的高純氮氣經管道35被回收。在該實施例中，所得到的產品的干燥度不如圖1所示實施例的干燥度高，其干燥度取決于進料空氣的干燥度。
圖3的改動是將一部分經壓縮的原料空氣流膨脹，并作為薄膜干燥器的低壓沖洗氣體。此時，原料空氣經管道41進入空氣壓縮機42中壓縮，再經管道43進入空氣分離薄膜系統44中，滲透氣體從該系統經管道45被排入廢氣中。提純的氮氣流從薄膜系統44經管道46進入脫氧單元47，氫氣經管道48也被送入該脫氧單元。高純氮氣從脫氧單元47經管道49進入后冷卻單元50及水份分離器51，水從水份分離器經管道52排出。從上述水份分離器51流出的濕的高純氮氣流經管道53進入薄膜干燥器單元54，干燥的高純氮未滲透氣體從該薄膜干燥器經管道55被回收，在該實施例中，管道43中的壓縮空氣分出一股氣流流入管道56中。裝于管道56中的膨脹閥57將上述支氣流膨脹至低壓，然后作為沖洗氣體送入薄膜干燥器單元54的低壓滲透側，其作用與本發明圖1實施例所描述的一樣。流出薄膜干燥器54的沖洗氣體經管道58排出。
圖4所示為又一種操作方式，該圖中原料空氣經管道61送入空氣壓縮機62中，然后再經管道63進入空氣分離薄膜單元64，流出該單元的滲透氣流經管道65排入廢氣中。提純的氮氣，例如含量為98%或更高的氮氣經管道66進入脫氧單元67，上述氣流中氮氣的含量與所采用的薄膜級數有關。氫氣經管道68也加入該脫氧單元中。從上述脫氧單元流出的已純化的氮氣經管道69進入后冷卻單元70和水分離器71中，水從水份分離器經管道72排出。濕的高純氮氣從水份分離器71經管道73送入產品干燥器薄膜單元74，流出該干燥器薄膜單元的干燥高純氮氣產品作為未滲透氣體經管道75被回收。在該實施例中，所提取的氮氣產品是從管道75中的氮氣分出的、經管道76流出的一股分流。流經上述分流管道76的一部分干燥的高純氮氣產品由裝于管道76上的膨脹閥77膨脹至低壓后，作為沖洗氣體送入薄膜干燥器單元74的膜滲透側，以利于帶走薄膜滲透側的水份，并在膜的兩側保持一個大的驅動力，以使產品氮氣流脫水。上述沖洗氣體和滲透水份從干燥器單元74經管道78排出，再由壓縮機79壓縮，流入管道80中，以便跟管道66中的提純氮氣一道進入脫氧單元67中進行再循環。
除如上所述將空氣分離薄膜/脫氧單元與薄膜干燥單元組合在一起以外，薄膜干燥器中所使用的薄膜組份應該對氮氣中的水份具有高的選擇性，也就是說，對水份選擇性地滲透比氮氣的滲透要迅速得多。為了能夠很好地使產品氮氣脫水，水/氮氣分離因子至少應為50，最好大于1000。此外，薄膜組份對于氮氣和氧氣，都應具有比較低的滲透率。醋酸纖維是能夠滿足上述要求的一種較好的薄膜分離材料。此外，還可采用其它不同的材料，例如乙基纖維、硅橡膠、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯之類。
如本發明說明書和權利要求所述的，與空氣分離薄膜/脫氧單元相結合的、具有合適薄膜組份的干燥器薄膜最好以逆流方式運行。在中空纖維薄膜結構或者其他合適的薄膜結構，例如螺旋管纏繞式薄膜中，商業上普遍采用的是一種用于叉流流動模式的膜束結構。在叉流流動模式中，位于薄膜滲透側的滲透氣體的流動方向垂直于薄膜進給側的原料氣體的流動方向。例如，當采用中空纖維束，而且原料氣體的通道位于中空纖維薄膜的外側時，纖維孔中的滲透流動方向通常垂直于中空纖維外表面上原料氣體的流動方向。類似地，在從內向外進行流動的方式中，原料氣體在中空纖維孔中流動，而滲透氣體一般從中空纖維表面流出，其流動方向大致垂直于原料氣體在中空纖維孔中的流動方向，然后在外殼中沿著為滲透氣體提供的流出通道流動。1987年6月24日公開的第0226431號歐洲專利申請中提出了一種逆流式流動模式，其實現方式是將除了接近中空纖維束一端的那部分外表區域之外的整個中空纖維束沿其長度方向封裝在一個不透水的套壁之中，這就可以根據所需要的工作方式，即從內向外或從外向內的方式使原料氣體或滲透氣體在中空纖維的外面與中空纖維孔內的滲透氣體或原料氣體平行地作反向流動。例如，在中空纖維束外面的原料氣體是沿著平行于而不是垂直于纖維束中心軸線的方向流動。應該指出的是薄膜纖維可以做成與纖維束中心軸線相平行的直線性整體件，也可以圍繞中心軸線纏繞成螺旋管。在任何一種情況下，上述不透水的壁套還可以是溶解在一種無毒溶劑中的不透水涂料，例如聚硅氧烷，或者是一種先熱脹后套在薄膜束上的可收縮外殼。如上述歐洲專利申請所述，封裝中空纖維或其他薄膜束的不透水壁套具有一個開口，使氣流能流入或流出上述纖維束，從而使流體的流動方向基本上平行于纖維束的軸線。為了實現本發明的目的，流體的流動模式必須是兩種流體逆向流動，其中一種流體是濕的高純度氮氣，或者是原料空氣流，另一種流體是滲透氣體，它包括上面介紹過的沖洗氣體以及滲透通過氮氣產品干燥器薄膜的薄膜材料的水份和氫氣。
值得指出的是，在現有技術中，通常采用致密纖維薄膜來實現薄膜干燥工作，致密纖維的膜厚，亦即其壁厚比非對稱膜的表層部份或復合膜的分離層要大得多。對于致密纖維來說，要想獲得足夠的耐壓能力就必須具有大的壁厚。因此，致密纖維的滲透率很低，為了對氮氣產品進行所需的干燥就必須采用很大的表面面積。相反，對于本發明的致密薄膜來講，非對稱薄膜或復合膜具有非常薄的膜分離層，同時具有微孔比較多的基底部分，這樣的基底部分具有足夠的機構強度，又為非常薄的部分提供了支托，而非常薄的部分則決定了薄膜的分離特性。所以，非對稱膜或復合膜所需的表面積比致密式均相膜要小得多，因此，為了實現本發明的目的，最好使用非對稱膜或復合膜，而不用致密均相膜。由于采用非對稱膜或復合膜比采用致密膜能提高薄膜的固有滲透性能，因此在本發明與干燥氮氣產品有關的最佳實施方案中希望進一步改進非對稱膜或復合薄膜的性能，以便減少這類膜以交叉流流動時存在的互滲透而造成的寶貴的產品氮氣氣體的損失。
較好的回流沖洗氣體氣源是兩級薄膜空氣分離單元的第二級滲透氣體，這種氣流比較干燥，而且含氧量低，氧氣這種雜質在上述空氣分離單元的第一級已擇先被滲透。如果該空氣分離薄膜單元是兩級，兩級之間分隔的薄膜面積將確定能得到多少沖洗氣體，以及還存在多少雜質。對于一種指定的產品純度，第一級中較大的面積比值意味著具有較少的但卻比較干燥的第二級滲透氣流，因而就有較少量的可用的沖洗氣體。根據薄膜低壓滲透側滲透氣體的數量，產品氮氣中至少有30%，通常為60%或更多的沖洗氣體來自該氣源。為了實現本發明的目的，需要使沖洗比，即回流的沖洗氣體與未滲透側的產品氣流的比例至少為10%，最好是20%左右或更高，以便使對面積的要求、產品損失以及殘余氧氣的反向擴散達到最低值。產品氣體壓力較低時所需要的沖洗比比氣體壓力較高時大。所容許的氧氣反向擴散量取決于具體運用時的總的要求。在許多情況下，希望氧氣的反向擴散不超過500PPmv的最大極限，在氮氣產品中，這種氧氣的反向擴散最好低于100PPmv。當然，能獲得的回流沖洗氣體量取決于其氣源和它的數量。
本發明所解釋的例子中，采用圖1的實施例，對氮氣產品可干燥到-40°F的產品壓力露點。壓力為154.7磅/英寸2的待干燥氮氣產品流在溫度為100°F的情況下通過薄膜干燥器單元，上述氣流含氧量低于5.0PPmv，而且含水量達飽和狀態。由第二級空氣分離薄膜提供的沖洗氣體其壓力為16磅/英寸2，沖洗氣體與產品氣體的沖洗比約為15%。在上述薄膜干燥器單元中所采用的復合膜由螺線管狀中空纖維構成，其水/氮氣分離因子為6000，水/氧氣分離因子為1000。該薄膜干燥器單元采用了由聚偏乙烯制成的不透水壁套來封裝薄膜，并在薄膜標準件中形成一種逆流流動模式。在操作中，如上面所指出的，以低于氮氣的0.5%的極低的干燥產品損失就能夠有效地干燥高純氮氣產品氣。而在本發明不愿采用的完全叉流流動膜的實施例中，為了得到相同的露點，必須要耗費30%以上的干燥產品。
應該指出的是，在說明書所附的權利要求所指明的范圍之內，還可以對本說明書所述的方法和系統做出一些細節上的改動和變化。例如，所采用的催化氧化裝置，即脫氧單元可以包括一個或多個催化床，空氣分離薄膜裝置生產出的部分純化的氮氣流中含有的氧氣跟氫氣或燃料氣，例如甲烷，在這些催化床中進行反應。通常，脫氧單元中采用的是一種貴金屬催化劑，例如以鋁基片為襯底的鉑或鉑-鈀催化劑。
還必須指出的是，本發明用于空氣分離的薄膜可以是復合膜，對于這類膜，膜的選擇性能取決于沉積在微孔基片上的分離層，象以聚砜為基底的醋酸纖維膜或乙基纖維膜就屬于此;也可以是一種由兩個分開結構層構成的材料，例如聚砜材料的非對稱膜，這種非對稱膜有一個很薄的致密表層區域，該層決定了膜的選擇性能，而且還有一個稀疏的多孔支承區域;也可以是如多層復合膜之類的其他薄膜。從實用的觀點來看，致密均相膜的性能通常是不適于商業應用的。通過本發明的實施證明，為了干燥產品，采用非對稱膜或復合膜能夠提高總的性能。盡管致密膜被普遍用來對產品氣體進行干燥，而且也可以用來實施本發明，但由于其固有的缺點，因此并不傾向于使用這類致密膜。
對于最初的空氣分離，常采用能選擇性地滲透氧的合成材料制成薄膜，而氮氣這種原料空氣中不易滲透的組份則作為未滲透氣體被回收。當然，如果所采用的空氣分離薄膜系統中，氮氣是易滲透的組份，富氧氣流作為未滲透氣體而被提取也應屬于本發明的構思范圍。
本發明傾向于采用的滲透薄膜一般為薄膜束的組件形式，它們通常置于外殼之內以形成薄膜標準件，這種標準件構成了薄膜裝置的主要部件。一個薄膜裝置可以由單個標準件組成，也可以由若干標準件并聯或串聯組成。上述薄膜標準件可以將薄膜束以適宜的中空纖維方式構成，也可以采用螺旋纏繞、起褶的扁平片或其他合適的結構。薄膜標準件有一個原料氣體(空氣)側和一個與之相對的滲透氣體排出側。對中空纖維薄膜而言，如果采用從內向外的操作方式，進氣側是孔洞的一側，如果采用從外向內的操作方式，進氣側是中空纖維的外側。
如前所述，本發明所采用的沖洗氣體必須是來自上述氣流的干燥或比較干燥的沖洗氣體。使用時，比較干燥的沖洗氣體的水份分壓不能超過干燥的氮氣產品氣體的水份分壓。最好上述沖洗氣體的水份分壓小于產品氣流水份分壓的1/2，前面所述的有關沖洗氣體氣源的情形也是如此。
可以看到，薄膜能夠制造成用來干燥由空氣分離薄膜/脫氧裝置產生的高純氮氣的理想裝置，從而使方法更佳，用合適的薄膜單元進行干燥，可以避免采用更昂貴、更復雜的吸咐或冷凍技術和系統來脫水。通過采用由薄膜干燥器跟空氣分離薄膜/脫氧單元的組合來處理氣流，能夠很方便地對干燥器薄膜裝置的低壓滲透側進行沖洗。借助于采用膜束式結構來建立一種逆流流動模式，本發明所選用的干燥操作方案就能夠提取更多的干燥高純氮氣，而避免了在叉流流動滲透操作中所存在的大量寶貴的氮氣產品氣體的互滲透現象。
權利要求
1.一種改進的從空氣中生產干燥高純氮氣的系統，該系統包括從原料空氣中生產提純氮氣的空氣分離薄膜裝置、將氫與上述提純的氮氣中的殘留氧氣反應以得到潮濕的高純氮氣流的催化氧化裝置，以及在干燥之前對上述氮氣流進行處理的冷卻、冷凝組合脫水裝置，其改進在于還包括a)一個能選擇性地滲透存在于濕的高純氮氣流中的殘余水份的薄膜干燥器單元；b)將上述潮濕的高純氮氣送入上述薄膜干燥器單元的管道部件；c)從薄膜干燥器單元回收作為未滲透氣的干燥高純氮氣產品的管道部件；d)管道部件，用于將比較干燥的沖洗氣體送入薄膜干燥器的低壓滲透側，以利于將水蒸汽從膜表面帶走并維持使水蒸汽通過薄膜從高純氮氣流中排出的驅動力，從而提高脫水能力，上述較干燥的沖洗氣體由取自上述空氣薄膜系統的廢氣、原料空氣或氮產品氣體構成，由此將上述沖洗氣體送入薄膜干燥器單元滲透側能夠使氮氣產品氣體損失處于最小的條件下理想地進行脫水。
2.如權利要求1所述的系統，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于形成逆流流動模式，使滲透氣體流動方向基本上平行于潮濕的高純氮原料氣的流動方向。
3.如權利要求1所述的系統，其中上述空氣分離薄膜裝置包括一個兩級薄膜裝置，上述將沖洗氣體送至薄膜干燥器單元的管道部件包括將來自分離空氣薄膜裝置的第二級的廢氣作為沖洗氣體送至上述薄膜干燥器單元的部件。
4.如權利要求3所述的系統，其中上述來自空氣分離裝置第二級的廢氣為來自第二級的滲透氣體。
5.如權利要求1所述的系統，其中將沖洗氣體送至薄膜干燥器單元的低壓滲透側的管道部件包括將原料空氣送至薄膜干燥器單元滲透側的管道部件以及將原料空氣和水份一起從薄膜干燥器單元排出的部件，以便壓縮并送入上述空氣分離薄膜裝置中。
6.如權利要求1所述的系統，還包括壓縮裝置及管道部件，上述壓縮裝置用于壓縮原料空氣至所需壓力，以便將其送入空氣分離薄膜裝置，上述管道部件用于將部份上述壓縮空氣取出以便作為沖洗氣體送至薄膜干燥器單元的低壓滲透側，該管道部件上裝有膨脹閥部件，以便將壓縮空氣的壓力降至薄膜干燥器單元滲透側所需要的壓力。
7.如權利要求1所述的系統，還包括用于將從薄膜干燥單元排出的上述干燥高純氮氣產品的一部分取出的管道部件，以便將其作為沖洗氣體送至薄膜干燥器單元的低壓滲透側，該管道部件上裝在膨脹閥部件，以便將取出的部分干燥高純氮氣的壓力降至薄膜干燥器單元滲透側所需要的壓力。
8.如權利要求3所述的系統，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于逆流流動模式，使滲透氣體流動方向基本上平行于潮濕的高純氮氣的流動方向。
9.如權利要求5所述的系統，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于逆流流動模式，使滲透氣體流動方向基本上平行于潮濕的高純氮氣的流動方向。
10.如權利要求6所述的系統，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于逆流流動模式，使滲透氣體流動方向基本上平行于潮濕的高純氮氣的流動方向。
11.如權利要求7所述的系統，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于逆流流動模式，使滲透氣體流動方向基本上平行于潮濕的高純氮氣的流動方向。
12.一種改進的、從空氣中生產干燥的高純氮氣的方法，在該方法中，用空氣分離裝置從原料空氣中生產提純的氮氣，以便送入催化氧化裝置中使其殘留的氧氣跟氫氣反應，余下的潮濕的高純氮氣流被冷卻，并在干燥之前送到冷凝物排出部件，其改進在于a)將上述潮濕的高純氮氣流送入薄膜干燥器單元，該單元能選擇性地滲透上述氣流中的水份;b)將來自薄膜干燥器單元的干燥的高純氮氣產品氣體作為未滲透氣進行回收;c)從薄膜干燥器的低壓滲透側取出水蒸汽作為滲透氣體;d)將比較干燥的沖洗氣體送入薄膜干燥器單元的低壓滲透側，以便將水蒸汽從薄膜表面帶走，并維持一驅動力，以便通過薄膜將高純氮氣流中的水蒸汽帶走，從而提高其脫水能力，上述比較干燥的沖洗氣體由取自上述空氣分離薄膜裝置的廢氣、原料空氣或氮氣產品氣體構成，由此作用在薄膜干燥器單元滲透側的沖洗氣體的通道能夠在將氮氣產品氣體的損失減小到最低限度的條件下理想地除去水份。
13.如權利要求12所述的方法，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于形成逆流流動模式，使滲透氣體的流動方向基本上平行于濕的高純氮氣的流動方向。
14.如權利要求13所述的方法，其中將原料空氣送至一個包括兩級薄膜裝置的空氣分離裝置中，送至薄膜干燥器單元的低壓滲透側的沖洗氣體是從空氣分離薄膜裝置的第二級排出的廢氣。
15.如權利要求14所述的方法，其中上述廢氣是從兩級薄膜裝置的第二級排出的滲透氣。
16.如權利要求13所述的方法，其中將原料空氣作為沖洗氣體送入薄膜干燥器單元的滲透側，上述原料氣體和水份一起帶出薄膜干燥器單元;以便壓縮并送入上述空氣分離薄膜裝置。
17.如權利要求13所述的方法，還包括壓縮原料空氣至所需要的壓力，以便送入空氣分離薄膜裝置，并取出一部分上述壓縮空氣，以便作為沖洗氣體送入薄膜干燥器單元的低壓滲透側，將取出的壓縮空氣部分在作為沖洗氣體送入薄膜干燥器單元之前膨脹至較低壓力。
18.如權利要求13所述的方法，還包括取出一部分從薄膜干燥器單元回收的作為未滲透氣體的干燥高純氮氣產品，以便作為沖洗氣體送至薄膜干燥器單元的低壓滲透側，將取出的那部分高純氮氣產品在作為沖洗氣體送入薄膜干燥器單元之前膨脹至較低壓力。
19.如權利要求14所述的方法，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于形成逆流流動模式，使滲透氣體的流動方向基本上平行潮濕的高純氮原料氣的流動方向。
20.如權利要求19所述的方法，其中上述廢氣是來自兩級薄膜裝置的第二級的滲透氣體。
21.如權利要求16所述的方法，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于形成逆流流動模式，使滲透氣體的流動方向基本上平行于潮濕的高純氮原料氣的流動方向。
22.如權利要求17所述的方法，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于形成逆流流動模式，使滲透氣體的流動方向基本上平行于潮濕的高純氮原料氣的流動方向。
23.如權利要求18所述的方法，其中上述薄膜干燥器單元具有薄膜束，以適于形成逆流流動模式，使滲透氣體的流動方向基本上平行于潮濕的高純氮原料氣的流動方向。
全文摘要
將來自空氣分離薄膜/脫氧裝置的高純氮氣在一個薄膜干燥器單元中進行干燥，最好在薄膜束中以逆流流動模式操作，用原料空氣、產品氮氣或來自空氣分離薄膜系統的廢氣作為沖洗氣體加入薄膜干燥器單元的滲透側以提高干燥能力。
文檔編號C01B21/04GK1048684SQ90104398
公開日1991年1月23日 申請日期1990年5月11日 優先權日1989年5月12日
發明者拉維·普拉薩德 申請人:聯合碳化工業氣體技術公司