CN1039699C - 将氮气输送到至少两个要求不同的氮气纯度的用气站的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是用于将氮气输送到至少两个用气站的方法，所述站对氮气纯度的要求是不同的，该方法按以下步骤进行：

a)将来自空气压缩机(12)的压缩空气输送到至少一个空气处理站(13)，至少进行如下处理步骤之一：

-从空气中除油；

-从空气中滤掉大部分粒状物；

-干燥该空气；

-使该空气达到所要求的温度；

b)将步骤a)的空气送往第一中心气体分离装置(14)，以便在该装置的出口生产中间纯度的不纯的氮气；

c)将来自该中心分离装置的空气输到分配管，该分配管至少与两个用气站管路(3，4)连接，每个用气站管路包括本地的空气分离装置(6，7)，在此上述的空气被处理，以便在每个本地分离装置的出口得到适于位于该管路末端的用气站(9，10)的每一个需要的氮气纯度。

Description

将氮气输送到至少两个要求不同的氮气纯度的用气站的方法

本发明是关于通过例如利用膜来脱去空气中的氧、或利用选择性吸附分离空气中的氧来提供可变纯度氮气的方法。更具体讲本发明可应用于这些用气站，即这些用气站对氮气的纯度的要求(因此，就氧气、水蒸汽……杂质来说)是很不同的。

近年来，利用膜组件或选择性吸附组件来生产氮气(在这两种情况下通常称为＂在现场的装置＂)在世界各地已经取得了相当大的进展，做为通用深冷装置生产氮气的辅助手段，其理由如下：

—这些＂在现场＂的装置提供了输送的优良安全性，

—低的生产费用；

—按照应用来考虑有以很有吸引力的生产费用提供适宜纯度的氮气的可能性，这种氮气有时称为＂不纯的氮气＂，氮气中残余氧的浓度可以从几个ppm(百万分之几)到几个％。

在膜的具体情况下，已知膜按照被处理气体的温度，将有不同的反应；这样已知在高温下(例如90℃)，膜的生产率增加，但是氮气的渗透也增加，这导致膜的O₂/N₂选择性恶化，就这点来说，操作通常在下述条件下进行：

—为生产低纯度的氮气(例如残余氧为5％)，将使用较高温度(例如60℃)的压缩空气。

—为生产高纯度氮气(例如残留氧为1000ppm)，将使用较低温度的压缩空气，常常在室温左右或更低。

现在碰到了下述不同的情况：

a)如果在现场的氮气生产系统(它可以是膜型的，或是吸附型的)只供应一个用气站，那么来自空气压缩机的压缩空气首先在所谓的处理站中处理，该处理站包括空气除油、干燥、滤粒状物和使其达到上述的温度几个步骤。在第二个阶段中，将这样处理后所得到的空气送往气体分离装置(膜型或吸附型)，该气体分离装置适于生产位于管路末端的用气站所要求的氮气。

当需要供给＂不纯＂氮气(非深冷途径)，同时向几个要求很不同的氮气纯度的用气站供气时，情况就变得复杂了。例如在第一用气站，95％的N₂(5％杂质)，在第二用气站，99％的N₂(1％的杂质)，和在第二用气站，99.9％的N₂(1000ppm杂质)。在这种情况下所提供的总体布置分别在下面的b)、c)和d)中描述：

b)＂中心分离装置＂或＂一个发生器＂的情况。在这种情况下，在全部要求的纯度中，从所有的用气站中选择生产最高纯度的氮气，有在某些用气站提供＂超质量＂的危险。所考虑的布置包括中心分离装置(包括空气压缩机、空气处理站和空气分离装置)，从该中心装置将选定纯度的氮气通过中心管送往各本地供给管，输送到位于管链末端的各个用气站。

大家会立即明白，这种解决方案是一个不经济的方案，因为分离装置必须进行巨大的分离工作，将从空气中生产高纯度氮气，以满足最精密用途的要求。因此，这是一个不便利的方案，不仅从所需要能量方面来说，而且当所使用的分离技术是膜分离时，从所要求膜的面积来看也是如此。

c)第二种方案：＂压缩空气网的多级装置＂的情况。布置是按现有的压缩空气网。它包括中心空气压缩机，从此排放的压缩空气通过中心管，该中心管首先与压缩空气用气站的供应管相连，然后通过平行的本地分配管束与若干个要求不同氮气纯度的氮气用气站相连。每个本地管包括空气处理站和气体分离装置(不论是膜型，还是吸附型)，该分离装置适宜生产位于管端的用气站所要求纯度的氮气。

大家还易理解，这种布置不是最佳的，每个分离装置处理压缩空气要达到的程度，由于进入的空气和离开的氮气之间氧气的纯度(通常称为＂间隙＂)的不同，这可能是很高的，当膜技术用于一个分离站时，尤其需要大量的膜表面积。虽然这里所利用的能量是适量的，但这一优点被获得较低的(3-4×10⁵巴)压力的产品氮气而抵消，在这种情况下，压缩空气网的压缩空气的压力根据通常使用压缩空气的要求(6至7×10⁵巴通常足够)将其固定。

d)第三个方案有时用来解决多级用户1多纯度的问题，是以下述方式构成的名叫＂自主的多级装置＂：供应用气站的每根管都是自成体系的，它包括空气压缩机、空气处理站和本地的空气分离装置，该装置适于满足位于管端的用气站的氮气要求，然后出自这些分离装置每一个中的氮气直接送往相应的用气站。

这种布置同样有实质性的缺点，它与无意义地增设一定数目的站相关；实际上，应注意到这种方案的缺点为高投资费用，比高操作费用更高。

对上面描述的(a)、(b)、(c)和(d)四种布置的每种来说，在另一方面，应认识到分离装置直接处理空气，将其转变成所需的高纯度＂间隙＂的氧，在膜的上游侧得到的混合物是高度地过氧化空气，而处理这种物料，不是没有安全问题的。

本发明的目的是提供一种用于将氮气输送到多重用气站的方法，这些用气站对氮气纯度的要求是不同的，该方法：

—比现有的一些方案更经济(如果使用这种技术，就其所需要的能量平衡，需要的膜表面积、投资费用而言)；

—可以对同一批或不同一批(制造差异)制造的生产率和选择性有差别的通用的膜提高其性能；

—当膜技术被选择用于几个步骤中的一个时，允许在膜的上游侧在更满意的安全条件下操作。

为此，本发明的方法用空气压缩机的压缩空气开始，这种压缩空气首先在至少一个集中的空气处理站中进行处理，至少进行一个下述的步骤：除去空气中的油、滤掉空气中的大部分粒状物、干燥空气和调节空气的温度，然后在两个步骤中实现氧的分离，在第一个集中步骤中，由处理站排出的空气产生中间纯度的氮气(较低纯度)，压缩机、处理站和气体分离装置的组件叫做＂中心分离装置＂，在中心装置的出口处得到中等纯度的氮气，被直接向前送往各个用气站的本地输送管，由于所要求的纯度不同，所以每根输送管包括适合于位于管端的用气站纯度需要的本地气体分离装置。这样实现了双重的分离步骤。

关于气体分离装置，不论是本发地的还是集中的，按照本发明的意思是不仅是膜组件构成的分离装置，而且也是氧较氮在分子筛或其它类似化合物上选择吸附型的分离装置，或是这些分离装置的组合。通过吸附的气体分离技术对得到高纯氮有特殊的吸引力。利用膜技术的中心分离技术也有生产很干燥氮气(露点至少低至-60℃)的优点，这种氮气的分布不会产生残余湿气的冷凝或冻结问题。导管的腐蚀问题也降低了。

在中心装置的出口处得到的所谓＂中等纯度的氮气＂是指残留的氧浓度为1％-12％，优选为3％-7％(体积)。

在管链端处得到的氮气纯度可以根据用途大大地改变，优选氮气中的氧浓度为500ppm-5％(体积)。

当选用膜技术时，按照本发明的一个方面，为简化起见，如上所述，对本地管线没有分散的处理站，因此，每根管没有专门的温度控制。根据本发明的另一方面，在每根本地管设置一个处理站，允许选择所考虑的通过管处理的气体的特定温度。

在这种情况下，优选采用下述温度条件：

—对设置在中心分离装置的膜组件，空气温度为20-90℃，优选为40-60℃；

—当处理中心是分散在本地管时，在气体到达本地膜之前，将进行处理，因此气体温度为-60至90℃，而优选为15-50℃。

按照本发明，所谓的气体分离膜的意思是任何类型的半渗透膜，相对于氮(选择性)有优良的分离氧的性能，例如，聚酰亚胺型膜或聚砜型膜。按照本发明的一个方面，按所要求的氮气纯度，从一个分离站到另一个还可能使用不同的膜型。

通过下文的比较例可以认识到，本发明的方法提供了很有吸引力的经济的技术方案，虽然表面看较复杂。本发明的方法允许在该方法的两个区中(通过两个分离步骤相连接)，通过所使用的材料(膜或吸附装置类型)的特征精确地控制分离特性。每个分离步骤利用降低纯度的＂间隙＂(在第一种情况下，空气/中等纯度的氮气，在第二种情况下，中等纯度氮气/提高纯度的氮气)，由此所要求的膜的表面积减少(当使用膜技术时)。按照本发明实施的标准模式，只有划分分离装置和这样多重设置，就会导致投资费用总体上降低。

还应指出，如上描述的那样，在每个分离步骤降低纯度的给定＂间隙＂，利用一个或几个基本上较少高度氧化的渗透材料的膜组件，由此原因，从安全的观点来看，危险较小。

本发明的其它特征和优点从参照附图通过非限制性实例方式给出的方案的下述描述会更清楚，其中：

图1是本发明的方法利用的设备的示意图，该设备同时供应三个用气站。

图2是图1所示的中心分离装置的示意图。

如附图所示，空气压缩机12的压缩空气通过处理站13处理，即干燥空气、除去空气中的油、滤掉粒状物和调节空气的温度。然后处理站的压缩空气直接向前送往膜型的中心气体分离装置14。压缩机12、处理站13和中心分离装置14的组合构成中心分离装置1。该中心装置生产中等纯度的氮气，氧的残留浓度为1-12％。这种氮气通过中心管2直接向前送往用于向三个用气站9、10、11供应氮气的三根本地管3、4、5。每根本地管包括膜型本地气体分离装置6、7、8，来自此处的氮气物流的纯度适宜于位于管端的用气站9、10、11的要求。

集中或分散设置的膜组件所要求的不同性能一经确定，就可以从同一批或不同批制造的膜中选择出最适宜的膜来用于这些膜分离装置，而由于制作过程中存在正常的条件变化，这些同一批或不同批制造的膜的性能都不同。

用下述的实例说明本发明。

比较本发明的方法与上述的现有技术的三种方案、即b)(＂单一的发生器＂)、c)(＂压缩空气网的多重装置＂)、d)(＂自成体系多重装置＂)，具体来说是在化学工业现场的情况下，必须向三个用气站供氧，要求不同的氧杂质含量：

第一站要求氮气流量为50Nm³/h，含氧的最大值为1％。

第二站要求氮气流量为10Nm³/h，含氧的最大值为0.1％。

第三站要求氮气流量为100Nm³/h，含氧的最大值为2％。

由本发明所提供的这种情况，按如图1和2所公开的那种设备，其中压缩空气在到达集中分离装置14前，使其温度达50℃，中心装置1上生产中等纯度的氮气，最高氧含量为5％。中心装置利用聚酰亚胺膜型的膜分离组件。三个本地分离装置纯化这种中等纯度的氮气使达到每管端处所要求的含量。每个本地分离装置也用空芯纤维膜，它的活性层是聚酰亚胺。

表1比较了本发明的方案与上述三种其它技术方案所设置的膜表面积和能耗。相对于实施本发明方法的数据是100。

表1

装置A：50Nm3/h 1％装置B：10Nm3/h 0.1装置c：100Nm3/h 2％中心装置	本发明	单一发生器	三个自成体系装置	压缩空气网的三装置
					表面积    能量18    -11    -19    -52    100	表面积  能量-      --      --      -252    231	表面积  能量29    3916    1940    59-     -	表面积  能量653590-     8
	合计	100   100	252    231	85    117					190   8

每种方案使用空芯纤维分离装置，它的活性层是聚酰亚胺。空气压缩机是润滑的螺旋式。

＂单一发生器方案＂：以要求的最高纯度生产现场需要的全部氮气，即残留的氧含量最多为0.1％。空气压缩机以14×10⁵Pa(绝对)的压力进行生产压缩空气。

＂压缩空气网的多级装置＂方案：空气压缩机以8.5×10⁵Pa(绝对)的压力生产压缩空气。

＂多级自成体系装置＂方案：每台空气压缩机以14×10⁵Pa(绝对)的压力生产空气。

该表中的各项表明，本发明的方案意义重大。比较起来：

＂单一发生器＂方案：评价证实如前述的那样，即就所使用的膜的表面积和能量这两方面来看，这种方案是费钱的。

＂压缩空气网的多级装置＂方案：就所使用的膜表面积来说，这种方案的优点极少。所使用的能量可接受，但是这一优点被如上述的氮气产品的低利用压力所抵销。

＂多级自成体系装置＂方案：数字再次证实这种方案较费能量。如果所使用的表面相对减少，由于多重设置某些站如油除去器或空气加热器，投资费用总的较高。

Claims (10)

1.将氮气输送到至少两个要求不同的氮气纯度的用气站的方法，该方法包括下述步骤：

a)将空气压缩机(12)的压缩空气通到至少一个空气处理站(13)，允许进行下述处理的至少一个步骤：

-除油；

-滤掉大部分粒状物；

-干燥；

使空气达到所要求的温度；

b)将步骤a)的压缩空气送往集中气体分离装置(14)，以便在该装置的出口处生产中等纯度的不纯氮气；

c)将集中分离装置(14)的气体直接输送到至少两根使用管路(3-5)，每根管包括本地气体分离装置(6-8)，在此，上述的气体再次进行处理，以便在每个本地装置的出口处得到位于管端的每个用气站(9-10)适用纯度的氮气。

2.按权利要求1的方法，其特征是在步骤b)结束时的氮气含残留的氧含量为1％-12％(体积)。

3.按权利要求1或2的方法，其特征是在本地分离装置(6-8)的每一个的出口处得到氮气含残留的氧含量为500ppm-5％(体积)。

4.按权利要求1的方法，其特征是在步骤b)或c)所利用气体分离装置(14；6-8)的至少一个是膜型，而其余的气体分离装置是吸附型。

5.按权利要求1的方法，其特征是步骤b)或c)中所利用的气体分离装置(14；6-8)的至少一个是吸附型，而其余的气体分离装置是膜型。

6.按权利要求4或5的方法，其特征是用于气体分离的膜型装置或多个膜型装置各自是不同特性的膜。

7.按权利要求4或5的方法，其特征是至少一种膜是聚酰亚胺型。

8.按权利要求4或5的方法，其特征是每个膜分离装置中所处理的气体视预热的情况而定，在室温以上，或冷却。

9.按权利要求4或5的方法，其特征是传给气体的温度，视情况而定，按照步骤b)的相应的分离装置或按照步骤c)的本地分离装置是不同的。

10.按权利要求9的方法，其特征是：

-对中心分离装置，气体的温度维持在20℃-90℃；

-对本地分离装置，气体温度维持在-60至90℃。

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