CN203639158U

CN203639158U - 用于生产不同等级n2o的系统

Info

Publication number: CN203639158U
Application number: CN201320375675.5U
Authority: CN
Inventors: 修国华; 张鹏
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Versum Materials US LLC
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2023-06-18

Abstract

本实用新型是生产不同等级N₂O的系统，包括含杂质和N₂O气流；压缩气流的压缩机；移除湿汽或水的冷却干燥装置；移除重质杂质、湿汽或水和有机物的吸附装置；储存来自吸附装置气流的缓冲罐；将来自缓冲罐的气流至少部分液化成气体和液体混合物的液化装置；将气体混合物排回吸附装置并将液体混合物送往蒸馏装置的释放装置；经蒸馏从液体混合物移除轻质杂质和有机物，将含N₂O和非冷凝性气体的蒸气相气体排回压缩机并产生纯化液体N₂O的蒸馏装置；和用于储存和分配纯化液体N₂O的罐；及任选的从气流移除重质杂质的湿法涤气吸收装置；其中蒸馏装置包含至少一个闪蒸罐、至少一个带回流的蒸馏塔或其组合；湿法涤气吸收装置包含碱涤气装置、酸涤气装置、水涤气装置或其组合。

Description

用于生产不同等级N2O的系统

技术领域

本实用新型涉及N₂O的回收和纯化的领域，特别地涉及用于产生不同等级的N₂O的系统。

发明背景

制造一氧化二氮(N₂O)的经典方法是通过硝酸铵分解。一氧化二氮是硝酸生产过程中的副产物。一氧化二氮也在己二酸(尼龙制造中使用的两种反应物之一)的合成中作为副产物大量产生。

己二酸是通过双阶段过程制造的二羧酸。第一制造阶段通常包括环己烷的氧化以形成环己酮和环己醇的混合物。第二阶段包括将所述混合物用硝酸氧化以产生己二酸。一氧化二氮作为硝酸氧化阶段的副产物而产生。

在实验的基础上，在己二酸的制备中N₂O产生的总的反应化学计量据估算约为每千克产物0.3kg N₂O。

由于具有如此大的量，来自于己二酸合成的副产物可以成为N₂O的主要商业来源。然而，从来自于己二酸合成的废气流回收N₂O需要移除各种杂质，例如氮的更高价氧化物、二氧化碳、一氧化碳、氮、氧、氩、湿汽和有机杂质。目前，出于环保目的，大部分废气流在排放之前分解。

对于用于不同目的的一氧化二氮的回收和纯化，或出于环保目的从工业废气流贫化一氧化二氮，已进行了一些工作。

在EP0636576A1中描述了一种常规的一氧化二氮纯化系统和方法。更具体来说，所述方法从在压缩机中压缩含氮、氧和水的一氧化二氮进料气体开始。将一部分不含水的一氧化二氮输送到热交换器，在其中将它冷凝成液体。将液化气体导向精馏塔的顶部进行进一步冷凝，并返回到精馏塔底部。将第二混合的气-液一氧化二氮部分从热交换器导向精馏塔底部作为蒸发液体的加热源。然后将同样的一氧化二氮导出塔的底部并引向塔的中部。从塔的底部获取具有所需纯度的最终产物。

与这样的系统相关的缺点之一在于它的复杂性，因为它包括三个热交换器和两个精馏区。此外，所使用的压缩机由于运行所需的润滑油而可能成为次级污染源。

在美国专利6080226中描述了涉及从含有一氧化二氮与氧气和氮气的混合物的进料流中分离一氧化二氮的方法的一个发明。在所述方法中，通过利用贫氧气流共吹扫的变压吸附(PSA)工艺对包含一氧化二氮的进料流进行纯化，以产生高纯度一氧化二氮流。一氧化二氮被选择性吸附，因此第一流出物流含有N₂和O₂。高纯度一氧化二氮流可以引入到用于生产己二酸的复合装置中，以从稀释废物流回收一氧化二氮，并将回收的一氧化二氮送到从芳香烃类生产苯酚的过程中。来自于苯酚生产步骤的未反应的一氧化二氮可以在第二步或排气PSA步骤中回收，并与来自于己二酸生产的副产物一氧化二氮废物流的回收结合用于一氧化二氮的整体回收，从而显著减少己二酸生产的一氧化二氮排放。

美国专利6348083B1教导了用于回收和／或纯化包含在废气中的一氧化二氮的装置和方法。所述废气含有至少一部分一氧化二氮(N₂O)和至少一种其他气态化合物。所述方法还教导了：(a)通过渗透分离废气流中包含的至少一部分一氧化二氮，以及(b)回收至少一部分在步骤(a)中分离的气态一氧化二氮。优选地，废气流的来源是使用排放废气的工业过程的工业装置，优选为用于生产己二酸的装置、用于生产一氧化二氮的装置、用于生产乙醛酸的装置或用于生产硝酸的装置。

与上述系统和其他相关技术系统相关联的缺点在于它们不能移除二氧化碳杂质。纯化领域的技术人员公知，二氧化碳是最难从含有一氧化二氮的气体中移除的杂质之一。

另外，尽管可用于移除氮、氧、氢、一氧化碳和水杂质，但上述系统和其他相关技术系统不能移除其他杂质例如氨和甲烷。一氧化碳、氨、甲烷和氢是轻质杂质。

美国专利6370911B1提供了一种用于一氧化二氮纯化的系统和方法，其中所述一氧化二氮产物可被用于半导体制造。所述系统和方法包括第一子系统，其具有用于容纳液化的一氧化二氮的纯化罐，与所述纯化罐连通以接收、汽化并将一氧化二氮蒸气输送回到纯化罐的汽化器，布置在所述纯化罐的远端以接收一氧化二氮蒸气的蒸馏塔，布置在所述蒸馏塔上的冷凝器，其中轻质杂质被移除，并且不含轻质杂质的一氧化二氮被输送到所述汽化器并在其中转化成蒸气。第二子系统，具有第一干燥床容器，其布置在所述汽化器下游以接收蒸气并在其中使酸气体反应，第二干燥床容器，其位于所述第一干燥床容器下游用于移除蒸气中的水和氨。第三子系统，其具有产物罐(其中纯化的一氧化二氮蒸气在其中重新冷凝)，传输歧管(包括液体泵、液体过滤器和用于将纯化的一氧化二氮分配到保存容器的旁路)。所述发明允许移除杂质和颗粒物，以便可以将纯度为99.9998％或更高的超纯一氧化二氮产物输送到使用位点。

在本实用新型中，提供了通过湿法涤气器吸收过程、吸附过程、闪蒸罐(flash drum)和／或带有回流的低温蒸馏过程的组合，纯化含有一氧化二氮的废气流或废气气流的新的N₂O生产方案。本实用新型生产了可用于不同目的的不同等级水平的一氧化二氮。

发明内容

一个方面，本实用新型提供了一种用于生产不同等级N₂O的系统，所述系统包括：

含有N₂O和杂质的气流，所述杂质包含轻质和重质杂质、湿汽或水以及有机化合物；

湿法涤气吸收装置，用于从所述气流移除所述重质杂质；

具有至少一个压缩级的压缩机，用于将所述气流压缩至预设压力；

冷却和干燥装置，用于从所述气流移除所述湿汽或水；

吸附装置，用于从所述气流移除所述重质杂质、所述湿汽或水和所述有机化合物；

缓冲罐，用于储存从所述吸附装置出来的气流；

液化装置，用于将从所述缓冲罐出来的气流至少部分地液化成含有N₂O和非冷凝性气体的气体混合物以及液体混合物；

释放装置，用于将所述气体混合物排回到所述吸附装置并将所述液体混合物输送到蒸馏装置；

蒸馏装置，用于通过蒸馏从所述液体混合物移除所述轻质杂质和所述有机化合物，将含有N₂O和非冷凝性气体的蒸气相气体排回到所述压缩机，并产生纯化的液体N₂O；以及

罐，用于储存和分配所述纯化的液体N₂O；

其中

所述湿法涤气吸收装置包含碱涤气装置、酸涤气装置、水涤气装置或其组合；

所述蒸馏装置包含至少一个闪蒸罐、至少一个带有回流的蒸馏塔或其组合。

另一个方面，本实用新型提供了用于生产不同等级N₂O的另一种系统，所述系统包括：

冷却和干燥装置，用于从所述气流移除所述湿汽或水；

缓冲罐，用于储存来自所述吸附装置的气流；

释放装置，用于将所述气体混合物排回到所述吸附装置并将所述液体混合物送到蒸馏装置；

用于储存和分配所述纯化的液体N₂O的罐；

其中所述蒸馏装置包含至少一个闪蒸罐、至少一个带有回流的蒸馏塔或其组合。

再另一个方面，本实用新型提供了一种回收和纯化一氧化二氮(N₂O)的方法，所述方法包括

提供含有N₂O和杂质的气流，所述杂质包含轻质和重质杂质、湿汽或水以及有机化合物；

通过湿法涤气吸收从所述气流移除所述重质杂质；

通过具有至少一个压缩级的压缩机将所述气流压缩至预设压力；

通过冷却和干燥装置从所述压缩的气流移除所述湿汽或水；

将所述气流通过吸附装置以移除所述重质杂质、所述湿汽或水和所述有机化合物；

将所述气流至少部分地液化以获得含有N₂O和非冷凝性气体的气体混合物以及液体混合物，

将所述气体混合物排回到所述吸附装置；

将所述液体混合物输送到蒸馏装置并从所述液体混合物移除所述轻质杂质和所述有机化合物，产生纯化的液体N₂O；

将含有N₂O和非冷凝性气体的蒸气相气体排回到所述压缩机；以及

将所述纯化的液体N₂O输送到用于储存和分配的罐；

其中所述湿法涤气吸收移除所述重质杂质至低于500ppm。

通过冷却和干燥装置从所述压缩的气流移除所述湿汽或水；

将所述气体混合物排回到所述吸附装置；

将所述纯化的液体N₂O输送到用于储存和分配的罐。

所述气流含有5.0至99.9体积％、优选地25.0至60.0体积％的N₂O。所述不同等级的纯化的N₂O具有99.9％至99.9999％的纯度。

所述轻质杂质选自N₂、O₂、NO、CO、Ar、H₂、甲烷、C₂及其组合；所述重质杂质选自CO₂、NO₂、CO、H₂O、C₂ ⁺及其组合；所述有机化合物选自甲烷、C₂ ⁺、CH₄、C₂及其组合；并且所述非冷凝性气体选自Ar、N₂、O₂、CO、NO、甲烷及其组合。

在一实施方案中，所述压缩机具有至少两个压缩级，并且从所述蒸馏装置出来的蒸气相气体被释放到第二级。

所述气体混合物被用于再生所述吸附装置。所述吸附装置包含至少两个平行的吸附床，每个床具有至少一层吸附剂；并且两个平行的吸附床在连续切换运行(continuous swing operation)中交替使用。所述蒸馏装置包含至少一个闪蒸罐、至少一个蒸馏塔或其组合。

在一实施方案中，所述吸附剂选自分子筛、活性氧化铝、活性炭及其组合。

在一实施方案中，所述分子筛选自13X、3A、4A、5A、CaX、硅胶、Y型钙沸石、X型锌沸石、具有高的二氧化硅与氧化铝比率的分子筛及其混合物。

在一实施方案中，所述气流是来自于己二酸生产过程或硝酸生产过程的废气流，其中所述气流具有28.0至70.0体积％的N₂O、1.0至6.0体积％的O₂、20.0至60.0体积％的N₂、0.2至1.0体积％的Ar、2至10.0体积％的CO₂、0.1至1.0体积％的CO、1.0ppm至0.5体积％的NO₂、1.0ppm至1.0体积％的NO和1.0ppm至0.1体积％的烃类。

在一实施方案中，所述预设压力在2.0至5.0MPa、优选地在2.0至4.0MPa、更优选地在3.0MPa至3.8MPa的范围内。

附图说明

在形成了本说明书的实质性部分的附图中示出了：

图1示出了用于从含有N₂O的废气流中回收和纯化N₂O的系统的示意图。

图2(a)示出了N₂O和CO₂在1.0MPa下的相图。

图2(b)示出了N₂O和CO₂在2.5MPa下的相图。

具体实施方式

本实用新型旨在从含有一氧化二氮(N₂O)的气流回收和纯化N₂O，以生产不同纯化等级的一氧化二氮。气流源可以来自于任何过程，例如来自于工业工艺过程。工业工艺过程的好例子是来自于己二酸生产的废气流。

气流源含有5.0至99.9体积％的一氧化二氮，优选地20至70.0体积％的一氧化二氮，更优选地25.0至60.0体积％的一氧化二氮。

来自于使用硝酸作为氧化剂的己二酸生产厂的废气流通常含有28.0-55.0体积％的一氧化二氮。

富含N₂O的物流中的主要杂质包括，但不限于N₂、O₂、H₂、Ar、NO_X(NO和NO₂)、CO、CO₂、湿汽、甲烷和其他痕量有机化合物。

分子量等于或大于N₂O的杂质在后文中被称为重质杂质。分子量小于N₂O的杂质在后文中被称为轻质杂质。

轻质杂质包括但不限于N₂、O₂、NO、CO、Ar、H₂。重质杂质包括，但不限于CO₂、NO₂、H₂O。有机化合物包括，但不限于C₂ ⁺、CH₄和C₂。一般来说，甲烷和C₂归入轻质杂质，而C₂ ⁺归入重质杂质。

图1示出了根据本实用新型的示例性实施方式的用于回收和纯化N₂O的系统的示意图。用于回收和纯化一氧化二氮的系统包括10个装置。输入到系统的输入气体被称为“废气流”，因为它是来自于其他过程例如来自于己二酸生产厂的废气流。

图1中的装置2、3和4分别对应于湿法涤气吸收装置、压缩机装置和冷却和干燥装置。这三个装置主要用于从废气流1移除重质杂质和湿汽。重质杂质可以通过湿法涤气移除；湿汽可以在增压后通过冷却和干燥装置移除。

图1中的装置5和6分别对应于吸附装置和缓冲罐。吸附装置5用于将重质杂质、湿汽和有机化合物进一步移除至痕量水平。来自于装置5的气流被储存在缓冲罐6中。

图1中的液化装置7被用于将来自于缓冲罐6的过程气流至少部分地液化成含有N₂O气体和非冷凝性气体的气体混合物以及液体混合物。释放装置8将所述气体混合物排回到装置5。所述气体混合物在装置5中用作再生气体。装置8也将液体混合物进料到蒸馏装置9。

非冷凝性气体包括，但不限于Ar、N₂、O₂、CO、NO、甲烷。因此，物流中的杂质通过将它们作为所述非冷凝性气体的一部分释放而移除。

图1中的蒸馏装置9包含至少一个闪蒸罐、至少一个带有回流的蒸馏塔、或一个或多个闪蒸罐与一个或多个带有回流的蒸馏塔的组合。装置9通过蒸馏来移除轻质杂质以产生具有预定纯度的一氧化二氮。装置9还释放含有N₂O和非冷凝性气体的蒸气相气体或将其重循环到装置3。

图1中的储存罐装置10储存和分配来自于装置9的具有不同纯度等级的最终纯化的一氧化二氮。

在这种系统中，通过使用来自于湿法涤气吸收装置2中的碱和水的湿法涤气器的吸收与来自于吸附装置5的吸附的组合来移除重质杂质例如NO₂和CO₂。可以通过单独使用吸附装置5来移除NO₂和CO₂。

二氧化碳的分子量几乎与一氧化二氮相同(CO₂：44.01，N₂O：44.01)。在1.0MPa(1MPa＝10⁶Pa)下的沸点差异仅为1.86℃(N₂O：-38.27℃，CO₂：-40.13℃)。通过蒸馏将CO₂与N₂O分离是困难且无效的。最终产物中的CO₂浓度水平应该通过湿法涤气和吸附过程来控制，并同时移除其他重质杂质例如NO₂。

由于CO和NO的分子量小于一氧化二氮，因此轻质杂质CO和NO通过液化装置7与释放装置8的组合，在作为非冷凝性气体的一部分液化后被移除。它们可以通过闪蒸或带有回流的连续蒸馏进一步控制到痕量水平，并伴有甲烷、氩、氧和氮的移除。

闪蒸是单阶段连续操作，其中液体混合物被部分地气化：产生的蒸气和残留的液体处于平衡中，其随后被分离并移除。在进入闪蒸罐之前，将进料预先加热。由此可以将一部分进料气化。加热的混合物然后通过减压阀流向闪蒸罐，并发生蒸气与液体之间的分离。

闪蒸主要用于分离在广泛不同的温度下沸腾的组分。它对于具有相当的挥发性或痕量水平的组分的分离是无效的，这需要使用带有回流的连续蒸馏。

对于高浓度一氧化碳(CO)来说，在气体流中存在氧的情况下，可以应用在催化剂上进行的一氧化碳向二氧化碳的催化转化。然后通过碱和水湿法涤气器移除产物CO₂。

对于高浓度NO和NO₂来说，可以在湿法涤气过程之前引入臭氧。臭氧将不溶性的NO和NO₂快速氧化成可溶性的氧化化合物例如N₂O₅。臭氧通过将氧通过臭氧发生器按照需要和在原位产生。

在气流中可能存在有机化合物，其可能来自于生产厂或来自于压缩机(润滑油)。在这种系统中，有机化合物C₂ ⁺(C₂ ⁺意思是具有超过2的碳数的有机化合物)可以在吸附装置5中通过吸附被移除至痕量水平。痕量的CH₄和C₂(C₂意思是碳数等于2的有机化合物)可以在装置9中通过闪蒸或带有回流的连续蒸馏与其他轻质杂质一起移除。

本实用新型通过湿法涤气吸收装置2移除大部分重质杂质，包括但不限于CO₂和NO₂，并通过吸附装置5将产物中的重质杂质控制到痕量水平。富含N₂O的物流中的大部分Ar、N₂和O₂可以在液化后由释放装置8作为非冷凝性气体分离。闪蒸罐或带有回流的蒸馏塔被用于进一步纯化并降低轻质杂质浓度例如CO、NO、Ar、CH₄、N₂和O₂，以满足产物的容许限量。

系统提供了生产不同等级(例如工业级、医药级和电子级)的N₂O的灵活性，所述N₂O的纯度在90％至99.999+％的范围内，以满足不同消费者的不同要求。

下面详细描述使用图1中示出的系统来回收和纯化N₂O的过程。

将富含N₂O的废气流1进料到湿法涤气吸收装置2以移除大部分NO₂和CO₂。湿法涤气装置包含碱涤气器、酸涤气装置、水涤气器及其串联的组合。湿法涤气装置2的出口处的NO₂和CO₂将被控制到预设值，例如低于500ppm(ppm表示以体积计的10^-6)。

在从气流清除水滴后，使用单级或多级压缩机装置3将气流增压至预设压力。

所公开的系统需要较高压力。如果输入气流的压力低，需要在气流进入吸附装置5之前将压力增高。气流的压缩压力主要由产物的压力要求和整个生产过程的压力降来决定。

例如，来自于己二酸生产过程的废气流的入口压力通常为约0.12-0.20MPa。在气流进入吸附装置5之前，需要将压力增压到2.0至5.0MPa、优选2.0至4.0MPa、更优选3.0MPa至4.0MPa。

在-20℃温度下，一氧化二氮N₂O的饱和压力为1.801MPa。如果惰性气体(非冷凝性气体例如氩、氮和氧)约为总气体混合物的50.0％，在-20℃下的运行压力应该超过3.602MPa以液化N₂O。通过不同运行装置时的压力降也应被考虑在内。

在压缩机装置3的第二级(对于具有至少两个级的压缩机来说)的出口处，将所述气流与来自于装置9的另一个物流(蒸气)混合。然后将混合的气流通过冷却和干燥装置4。装置4进一步降低温度并移除冷凝的水或雾气。

吸附装置5包括至少两个吸附床。单层或多层的床装填有不同种类的吸附剂，例如活性炭、活性氧化铝和13X分子筛。吸附装置5移除湿汽、CO₂和NO₂至所需水平，并移除可能来自于废气流或压缩机润滑剂的痕量有机化合物。

吸附装置也可用于移除痕量烃类C₂ ⁺。

在实践中，出于安全性原因，也可使用无机分子筛代替活性炭来移除痕量有机化合物。此外，对于连续运行来说，可以交替使用两个平行的吸附床：一个处于吸附中，另一个处于再生中。吸附过程是将产物中的CO₂和NO₂浓度降低至所需值的关键步骤。

然后将来自于装置5的气流储存在缓冲罐装置6中。

在预设压力和温度下，液化装置7中的液化器将来自于装置6的气流部分液化。来自于液化装置7的含有气体和液体两者的两相流体流被进料到释放装置8。

装置8分离非冷凝性气体，其主要为氩气、氮气和氧气以及痕量的CO、NO和甲烷。然后将非冷凝性气体送回(或释放)到吸附装置5以再生用过的吸附床(吹扫和冷却)。将来自于释放装置8底部的液体混合物进料到蒸馏装置9，闪蒸罐或带有回流的蒸馏塔。

难以通过吸附完全移除的轻质烃类甲烷和C₂可以在装置9中与其他轻质杂质例如CO和NO一起通过闪蒸来移除。

来自于装置9的含有超过90体积％的N₂O和非冷凝性气体的蒸气被送回(或循环)到压缩机3的第二级。来自于装置9的底部的作为纯化的液体N₂O的液体相被送到装置10进行储存或分配。

在该过程中存在一些热交换器和混合器(在图1中未示出)，用于能量回收和气流的冷却或加热。来自于压缩机的每个级的气流通过冷却水或其他冷却介质(chilled media)进行冷却；冷却和干燥装置以及液化装置两者中的压缩机也通过冷却水或其他冷却介质进行冷却。在该过程中从释放装置8和装置9出来的非冷凝性气体和液体与气流交换热量。

从释放装置8出来的液体混合物与来自于吸附装置5的气流之间的热交换的目的在于提高进料到装置9的液体混合物的温度，并降低用于液化的气流的温度。在热交换后，气流被储存在缓冲罐6中，并通过装置7中的制冷机液化。在热交换后的液体混合物温度是决定产物中轻质杂质水平的关键参数。被移除到蒸气(以及残留在液体中)的轻质杂质的量取决于进入装置9的进料的状况，即多少进料作为蒸气状态进入，这反过来又由加热量来控制。换句话说，气化程度影响蒸气相和液体相中轻质杂质的浓度(分布)。

作为实例，详细描述了实现纯度为99.9％的一氧化二氮的生产的程序步骤。

将压力为0.15MPa的富含N₂O的废气流进料到碱湿法涤气器以移除大部分NO₂和CO₂。添加水涤气器以从气流清除碱液滴。这两个湿法涤气的压力降约为0.05MPa。作为控制参数，在涤气过程后NO₂和CO₂应该低于500.0ppm。使用泵将碱溶液和水分别进料到涤气器的上部。

在分离碱液滴后，在即将进入压缩机的第二级之前，将气流与来自于蒸馏装置9的蒸气(95.6体积％的N₂O，压力为1.0MPa，温度为-39.7℃)混合。

采用双级压缩机将压力从0.10MPa增压至1.0MPa(第一级)和至3.04MPa(第二级)。冷却剂是用于将压缩气流从139.2℃冷却至38.0℃的水。

使用冷却和干燥装置将气体冷却至10℃并移除冷凝的水。

使用一个热交换器，通过气流与来自于释放装置8的非冷凝性气体(32.6体积％的N₂O，压力为1.1MPa，温度为-66.1℃)之间的热交换，将气流的温度进一步降低至-1.0℃。然后将热交换后的非冷凝性气体用于吸附装置5中用过的吸附床的再生(吹扫、再生、加热和冷却)。将来自于缓冲罐6的气流用于重新加压用过的吸附床以用于下一个循环。

两个平行的吸附床是装填有活性炭、活性氧化铝、13X分子筛的多层床，分别用于移除有机化合物(C₂ ⁺)、湿汽、二氧化碳、二氧化氮。从吸附床出来的气流的关键参数是：CO₂浓度低于1.0ppm，且NO₂浓度低于0.5ppm。两个平行的吸附床处于切换运行中：一个处于吸附中，另一个处于再生中。

将从吸附床出来的具有-1℃的气流进料到另一个热交换器，其中气流经历与来自于释放装置8的底部的饱和液体的热交换，以进行加热并将温度提高到预设值(从-66.4℃至-39.7℃)，用于蒸馏装置9处的闪蒸。

液体温度(或压力)对于闪蒸罐的成功运行来说是关键的。在最后的热交换后，将-29.2℃的气流储存在缓冲罐6中。然后将来自缓冲罐6的气流送到液化装置7，并在液化装置7中通过制冷机液化。

将来自于液化装置7的两相流体流进料到释放装置8以分离并移除非冷凝性气体，其主要为氮、氩和氧以及痕量的CO、NO和有机化合物例如甲烷。将非冷凝性气体进料到吸附装置以冷却气流。将来自于释放装置8底部的具有升高的温度的液流送到闪蒸罐。闪蒸分数(约60％)取决于操作条件和终产物中杂质的限制浓度。将具有痕量非冷凝性气体的蒸气进料到压缩机的第二级并在其中与气流混合。液体相是产物，并被送到液体罐装置10。

本领域技术人员将会理解，应该安装一些检测器以监测和测试浓度、温度、流速和压力。

实施例

基于数据库和热力学方法，通过商用软件ASPEN Plus进行了一系列模拟。

来自于使用硝酸作为氧化剂的己二酸生产厂的废气流通常含有28.0-55.0体积％的一氧化二氮。来自于典型己二酸工厂的废气流的组成列于表1中。在下面的模拟中使用类似的废气流。

应该指出，首先将来自于所述己二酸工厂的富含N₂O的废气流与空气混合以通过NO_X的氧化产生稀释的HNO₃并依次流过3个水涤气器，然后将气流送入液滴分离器以分离液滴和气溶胶。

表1中示出的废气流的分析结果是来自于工厂中液滴分离器后的废气流的以干重计的结果。在表1中，NO是NO_X中的主要组分。

表1废气流的分析结果(基于干重)

*GC-ECD：气相色谱-电子捕获检测器

**GC-TCD：气相色谱-热导检测器

***NO_X：NO和NO₂

实施例1

纯度为99.9％的N₂O的生产

在本实施例中，使用包含湿法涤气装置、压缩机、冷却和干燥装置、吸附装置、液化器、释放装置和闪蒸罐的系统来生产99.9％的N₂O。

模拟结果示出在表2中。

气流中N₂O的初始分数为47.42％，在湿法涤气后提高至49.10％，在吸附后提高至54.66%，在释放装置中的液相中提高至98.81%，并在闪蒸罐后提高至99.92％。99.92％的N₂O液体作为产物储存。N₂O回收率为53.53％，其中所述回收率被定义为产物中的N₂O质量分数与废气中的质量分数之比。

对于CO₂来说，初始分数为6.50%，通过湿法涤气降低至0.27％，然后通过吸附进一步降低至0.51ppm。在闪蒸后，产物中的最终分数为0.94ppm。

对于CO来说，初始分数为0.21％。CO难以通过湿法涤气和吸附高效移除。在水中可以溶解非常少量的CO。CO可以通过吸附移除，然而它与闪蒸相比是不经济的。在释放装置中，CO作为非冷凝性气体释放并降低至45.6ppm，并且在闪蒸后在产物中进一步降低至2.46ppm。

对于NO来说，初始分数为50.0ppm。难以通过湿法涤气和吸附减少NO。在水中可以溶解非常少量的NO。在释放装置中NO作为非冷凝性气体释放并降低至6.0ppm，并且在闪蒸后在产物中进一步降低至0.944ppm。

表299.9％N₂O的生产

对于H₂O来说，初始分数为999.0ppm；不论它含有多少水，在涤气后，气流中的H₂O将变得接近饱和。在冷却和干燥装置后，水的分数将降低，并且通过吸附水进一步降低至0.685ppm，产物中的水的分数约为2.75ppm。

对于O₂来说，初始分数为3.90％。通过湿法涤气和吸附难以减少O₂(在水中可以溶解非常少量的O₂)，在释放装置中O₂作为非冷凝性气体释放并降低至0.22％，并且在闪蒸后在产物中进一步降低至240ppm。

对于N₂来说，初始分数为41.86％。通过湿法涤气和吸附难以减少N₂(在水中可以溶解非常少量的N₂)，在释放装置中N₂作为非冷凝性气体释放并降低至0.97％，并且在闪蒸后在产物中进一步降低至542.0ppm。

在整个过程中，成功运行的关键参数包括压缩机排气压力、吸附后的CO₂和H₂O浓度、液化器中的温度和压力、闪蒸罐中的入口温度和压力。

实施例2

纯度为99.999％的N₂O的生产

在本实施例中，使用包含湿法涤气装置、压缩机、冷却和干燥装置、吸附装置、液化器和释放装置及带有回流的蒸馏塔的系统来生产99.999％的N₂O。该塔具有10个理论塔板，并以2的回流比运行(回流比是回流物与塔顶馏出物的比率)。最终结果列于表3中。

对于N₂O来说，初始分数为47.42％，在湿法涤气后提高至49.10％，然后在吸附后提高至56.52％，在释放装置后提高至98.81％，在蒸馏后提高至99.9993％并作为产物储存。N₂O回收率为52.82％。

对于CO₂来说，初始分数为6.50％，通过湿法涤气降低至0.27％，然后通过吸附进一步降低至0.485ppm。产物中的最终分数为0.781ppm。

对于CO来说，初始分数为0.21％。在释放装置中，CO作为非冷凝性气体释放并降低至45.3ppm，并且在产物中进一步降低至接近0ppm。

对于NO来说，初始分数为50.0ppm。在释放装置中NO作为非冷凝性气体释放并降低至6ppm，并且在产物中变为接近0ppm。

表399.999％N₂O的生产

对于H₂O来说，初始分数为1000ppm。在冷却和干燥装置后它将降低，并且在吸附后进一步降低至1.46ppm，产物中的水分数约为6.23ppm。

对于O₂来说，初始分数为3.9％。在释放装置中，O₂作为非冷凝性气体释放并降低至0.22％，并且在蒸馏后进一步降低至约0ppm。

对于N₂来说，初始分数为41.86％。在释放装置中，N₂作为非冷凝性气体释放并降低至0.96％，并且在蒸馏后进一步降低至约0ppm。

在整个过程中，成功运行的关键参数包括压缩机排气压力、吸附后的CO₂和H₂O出口浓度、液化器的出口温度、释放装置中的压力、蒸馏塔的理论塔板数和回流比、塔运行压力和蒸馏塔的入口进料温度。

实施例3

不使用湿法涤气的纯度99.9％的N₂O的生产

在本实施例中，使用包含压缩机、冷却和干燥装置、吸附装置、液化器和释放装置及闪蒸罐的系统而不使用湿法涤气过程来生产99.9％的N₂O。这是可以生产合格产品的简化过程。

结果列于表4中。

表4不使用湿法涤气的99.9％N₂O的生产

对于N₂O来说，初始分数为47.42％。在吸附后N₂O提高至54.89％，在释放装置后提高至98.80％，在闪蒸罐后提高至99.91％。N₂O回收率为53.53％。

对于CO₂来说，初始分数为6.50％，并且通过吸附降低至63.3ppm。在闪蒸后，产物中的最终分数为112.0ppm。为了不使用涤气装置进行CO₂的移除，吸附柱的长度应该更长。

对于CO来说，初始分数为0.21％，CO可以通过吸附移除；在本过程中采用闪蒸过程。在释放装置中，CO作为非冷凝性气体释放，并降低至45.5ppm，并且在产物中进一步降低至2.37ppm。

对于NO来说，初始分数为50.0ppm。在释放装置中NO作为非冷凝性气体释放并降低至6.0ppm，并且在产物中为0.91ppm。

对于H₂O来说，初始分数为1000ppm。在冷却和干燥装置后，分数降低，并且在吸附后降低至0.097ppm。产物中的水分数约为0.39ppm。

对于O₂来说，初始分数为3.9％。O₂可以通过吸附移除；在本过程中采用闪蒸过程。在释放装置中，O₂作为非冷凝性气体释放并降低至0.22％，并且在闪蒸罐中进一步降低至约234ppm。

对于N₂来说，初始分数为41.86％。N₂可以通过吸附移除；在本过程中采用闪蒸。在释放装置中，N₂作为非冷凝性气体释放并降低至0.97％，并且在闪蒸罐中进一步降低至523.0ppm。

在整个过程中，成功运行的关键参数包括压缩机排气压力、来自于吸附的CO₂和H₂O出口浓度、液化器的出口温度、释放装置压力、运行压力和闪蒸罐的进料温度。

实施例4

蒸馏以移除CO₂

在本实施例中，进行了CO₂和N₂O的相分析。1.0MPa下的T-x-y图的结果示出在图2a中。所述图分别显示CO₂的沸点为-40.19℃，N₂O 的沸点为-39.61℃。差异为0.58℃，表明使用蒸馏将CO₂与N₂O分离相当困难。

即使在2.5MPa下，沸点差异也仅为3.5℃。仍然难以使用蒸馏将CO₂与N₂O分离，如图2b中所示。

对于其他重质组分例如NO₂来说，可以得出类似结论。

因此，蒸馏不能有效地从N₂O移除CO₂。

上面的实施例和优选实施方式的描述应该被当作示例性的，而不是限制由权利要求书所限定的本实用新型。正如将会容易地认识到的，可以使用上面陈述的特征的大量变化和组合而不背离权利要求书中所述的本实用新型。这样的变化不应被视为背离本实用新型的精神和范围，并且所有这样的变化都打算被包含在下面的权利要求书的范围之内。

Claims

1.一种用于生产不同等级N₂O的系统，其特征在于所述系统包括：

湿法涤气吸收装置，用于从所述气流移除所述重质杂质；

冷却和干燥装置，用于从所述气流移除所述湿汽或水；

缓冲罐，用于储存从所述吸附装置出来的气流；

释放装置，用于将所述气体混合物排回到所述吸附装置并将所述液体混合物送往蒸馏装置；

用于储存和分配所述纯化的液体N₂O的罐；

其中

2.一种用于生产不同等级N₂O的系统，其特征在于所述系统包括：

冷却和干燥装置，用于从所述气流移除所述湿汽或水；

缓冲罐，用于储存从所述吸附装置出来的气流；

用于储存和分配所述纯化的液体N₂O的罐；

其中所述蒸馏装置包括至少一个闪蒸罐、至少一个带有回流的蒸馏塔或其组合。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述压缩机具有至少两个压缩级，并且从所述蒸馏装置出来的蒸气相气体被释放到第二级。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述吸附装置包括至少两个平行的吸附床，每个床具有至少一层吸附剂；并且两个平行的吸附床在连续切换运行中交替使用。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述气体混合物被用于再生所述吸附装置。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于所述吸附剂选自分子筛、活性氧化铝、活性炭及其组合。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述分子筛选自13X、3A、4A、5A、CaX、硅胶、Y型钙沸石、X型锌沸石、具有高的二氧化硅与氧化铝比率的分子筛及其混合物。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述蒸馏装置包括至少一个闪蒸罐、至少一个蒸馏塔或其组合。

9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述不同等级的N₂O具有99.9％至99.9999％的纯度。

10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述气流是来自于己二酸生产过程或硝酸生产过程的废气流。

11.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述预设压力在2.0至5.0MPa的范围内。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于所述预设压力在2.0至4.0MPa的范围内。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于所述预设压力在3.0MPa至4.0MPa的范围内。