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3136^5 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 本發明乃針對一種採用低溫蒸餾，以低溫蒸餾方式自 空氣製取氪氣的高度效率的製法舆裝置。 在習用技藝中已有許多熟知的方法自空氣製取氮，其 中主産品為氮，以單塔製法在低溫狀態下將空氣分離，並 在製程中利用多氧的氣流膨脹和藉以冷凍者更屬稔知。 於專利案US-A-4, 883,519號中介紹了一種基本的製法 和裝置，將廢棄的多氣氣流膨脹以製取氮。該案並已依照 其獨立申_專利範圍的預定特性部份，蘭明其製法與裝置。 在US-A-4,883 ,519號專利案中，將要送入第一冷凝器 的多氮蒸汽與熱交換器中的上游供應空氣一齊壓縮。因此 之故，它需要一具非標準式的複雜壓縮機。 由於多氮的蒸汽是在主熱交換器的上游被壓縮，其中 的閥門、管線、純化条统、冷卻器、塔柱，以及熱交換器 等等，所有的尺寸部必須依據包含主要空氣供應及多氮蒸 汽的全部壓縮氣流的流量來計算決定。 本發明乃為企圖降低設施的資本支出及製程的能源費 用。除此之外，亦可能相對於習有技藝而言，減小了空氣 純化糸統的規模。 自專利案EP-A-0607979號亦可得知，單塔式製取氮的 冷凍需求可將部份的供應空氣加以膨脹而獲得。 發明詳細說明 按照本發明，本製法所提供者為使用低溫分離法從空 氣中製取高度純淨的氮産品，此含下列步驟： 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210Χ29·7公釐） f請先閣療背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 〇13622 A7 B7 五、發明説明（2 ) (a) 供應一種經壓縮的、乾燥、清潔，而且冷凍的空 氣氣流至位於塔柱第一層的蒸餾塔； (b) 將在該蒸餾塔中的該供應空氣分離，在塔的頂部 形成一種多氮的蒸汽，在塔的底部則積聚多氧的液體； (c) 在第一冷凝器中利用該多氧液體的至少一部份， 以間接熱交換方式來冷凝該多氮蒸汽的一部份，而該多富 氧液體即有部份蒸發，又造成第二多氮的蒸汽和富氧的液 體； (d) 在第二冷凝器中利用該多氮蒸汽的至少一部份， 以間接熱交換方式來蒸發該富氣的液體，遂産生一種多氮 的冷凝液和一股廢氣流； (e) 將該第二多氮蒸汽的至少一部份送入再生壓縮器 内使其再生，以造成一種壓縮過的再生氣流。 此處的待擻為包括下一步驟： (f) 將該K縮再生氣流的至少一部份送入該塔柱的第 二層，這第二層舆該第一層之間至少有一理論的層階。 最好該再生壓縮器像一種冷凍壓縮器，而被送入此冷 凍壓縮器的多氧蒸汽其溫度為低於-501C。 該多氮蒸汽的再生部份以不使用主壓縮器而使用另一 壓縮器以加壓較為有利。 依據本發明，其中亦提供一種包括下列器具以低溫蒸 餾來生産氮産品的装置： U) —具熱交換器，利用蒸餾供應空氣所得的産物來 冷卻輸入的空氣供應氣流； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） *-------f'il---1---4-----'i -* Γ請先閱#背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（3 ) (b) —具蒸餾塔，用以將該供應空氣分離成一種大體 上為氮的蒸汽和一種多《的液體，以及一些器具用以將該 供應空氣送至該蒸餾塔的第一靥； ' (c) 一具第一冷凝器，其能力是以藉間接熱交換方式 ，利用該大體上為氮的蒸汽來蒸發多氧的液體，來形成一 種富氣的冷凝液和一種多氮的再生氣流； (d) —些器具用以抽取該富氧液體，並送該富氯液體 至第二冷凝器； (e) —些器具用以抽取該多氮的再生氣流，並送該多 氮的再生氣流至一具再生壓縮器； (f) 一具間接熱交換器裝置於第二冷凝器内用以供該 富氧液體的汽化所需； (g) —些器具用以抽取廢氣流，並將該廢氣流送至熱 交換器； (h) —種壓縮該多氮的再生氣流的歷縮器具；以及 (i) 一些器具用以將該壓縮過的再生氣流送至該蒸鍵 塔； (J) 一些器具用以將該多氮的蒸汽中的一部份送至熱 交換器，藉其它的氣流處理來加溫。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 r請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) Λ ! 這些裝置中的特擻為該第一及第二層之間至少被一理 論的層階所隔離。 本製程中的冷凍可藉膨脹一部份的供應空氣或者一部 份由蒸蹓塔産生的多氧氣流而獲得供應。 圖式說明： 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4规格（2Ι0Χ 297公釐） A7 B7 五'發明説明（4 画1為本發明一個實施例的示意圖，展示一些主要製 程的氣流及裝置的組件； C請先閱*背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 圖2為本發明另一値實施例的示意圖，包括一組散熱 掣停總成，以及展示一些主要製程的流路和裝置的組件。 參閲圖1中的優先實施例以説明本發明。圖中之一般 供應空氣流（2)在主熱交換器（10)之内冷卻，經供應線（4) 傳送至蒸餾塔（20)。在被傳送到蒸餾塔之前，供應空氣流 先用一般熟知的技術予以乾燥和淨化，此包括利用諸如吸 收器、過濾器、增設熱交換器等等設備。於單蒸餾塔（20) 中的蒸餾段（17)將氣脱除，於是在該蒸餾段的上方形成多 氮的蒸汽。自蒸餾塔（20)的底部抽出多氣液體流（6)送至 主熱交換器（10)中藉與其它流程熱交換作更冷卻。然後該 多氣的液體流被膨脹和經由管線（7)送進冷凝段（30),此 第一冷凝段（30)包括一具第一再沸器/冷凝器（50),其中 有自蒸餾塔的頂部經由管線（31)傳入的多氮蒸汽之一部份 。此多®蒸汽藉多氣的液體流經由間接熱交換的方式而冷 凝，該氮的冷凝液從管線（32)回流至蒸餾塔。在需要時， 可將一部份的氮冷凝液抽出成為一種液態氮産品。 經濟部中央梂準局員工消費合作社印製 一部份的多氣液體流在冷凝器段（30)中蒸發，會在冷 凝器段（30)的内室中産生一液相和一多氮的蒸汽相。依據 本發明，這些有不同成分的各相經進一步處理以達到高效 率的氮産品回收。第一冷凝器段（30)内所形成的液髏被抽 出，其中至少一部份被膨脹，並經由流路（8)送入一節第 二冷凝段（40),此段包括再沸器/冷凝器（60)。按照本發 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X：297公釐） 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（5 ) 明，來自第一冷凝器内室的富氣的液體至少一部份在第二 冷凝器（40)中蒸發，此係經由與來自蒸餾塔的多氮蒸汽中 至少一部份藉間接熱交換而逹成。這第二部份的多氮蒸汽 是經由管線（21)送至再沸器/冷凝器（60)，在冷凝器（40) 中産生一種冷凝的多氮液體，自管線（22)抽取，其中至少 一部份經管線（24)回流至蒸餾塔。一種液態氮産品可以選 擇性地自第二冷凝器經管線（23)抽取。在需要時，液態氮 産品可以是取自第一冷凝器，或自第二冷凝器，或同時自 該二來源的氮冷凝液。 按照本發明，蒸發後的多氧氣流（41)又藉其它氣流的 處理而加溫，形成多氣的暖氣流（42),此多氧的暖氣流（ 42)至少一部份經過膨脹器具（80)膨脹而造成膨脹過的廢 氣流（45),此廢氣流又在主熱交換器中藉各氣流的處理進 一步加溫，最後成為排出於流程之外的廢氣流（47)。 於第一冷凝器段（30)形成的蒸汽由管線（12)抽出，送 至壓縮器（70)。在該處壓縮之後從管線（13)送回蒸餾塔。 按照本發明，自冷凝器（30)抽出的蒸汽流（12)比空氣有較 高的含氣量。所以最好是將該氣流予以再生，在壓縮之後 送至一點，其位于主供應空氣管線（4)的供應點之下，其 間最少有一理論層階存在。典型的狀況下，該再生氣流含 有約為25至29間的莫耳百分比的氧氣，而該廢棄氣流含有 高於46莫耳百分比的氣氣。最好是在蒸餾塔内，於主空氣 供應點和再生多氣氣流（13)的回路黏之間，裝設一痼蒸餾 段（19)。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） c齋先閱翁背面之注意事項再填寫本頁) C—— 「 、一，aJIn If— - - ---- In i-i— I----............ - ----- Hi ml ....... —-I—1 I - - ......- 1 經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 ^13622 ΑΊ ' Β7 五、發明説明（6 ) 於本發明的一項優先實施例中，膨脹器具（80)與壓縮 器（70)作機槭式的偶合。如此可將至少一部份用於膨脹的 能量直接用於壓縮上。壓縮器（70)最好是一種冷凍壓縮器 ,它與膨脹器具（80)成為一具整體的機械。在此案例中， 一種吸收能量器具（89)用以將氣流（42)中的一部份在膨脹 器具（88)内的膨脹能發散，以使逹到製程中的熱平衡。該 兩器具（80)及（88)可以合併為單一器具，如画2所示與壓 縮器（70)偶合。如此安排之下，可在此偶合条統的軸上安 裝一掣停器（81)以發散一部份熱能，令整體製程保持平衡。 氣態氪製品自蒸餾塔（20)的頂部抽出，由管線（26)送 至主熱交換器加溫，可於管線（27)處作為氮氣産品取用。 本發明的製法和裝置有許多優點，其中之一為在冷凝 器段（30)中可維持較高的壓力。由於液體流被抽出會使蒸 汽流的含氧量較低。再者，如果冷凝器（30)於較高壓力下 操作，需要壓縮器（70)作的功就較少。因此用壓縮器（70) 同樣的能量輸入可以獲致較多的再生氣流。於本發明的製 法中，較多的再生氣流連同氮濃度的增加就等於有較高的 整體氮氣回收。習知本行技藝者一旦看過本發明在此提出 的描述及以下所舉之實施例之後，將立刻明瞭本發明的種 種優點。 實施例： 本發明製法曽用以模擬一台製氮機，它産出氮産品於 124 psU之下其流量為1 0 0,0 0 0 SCFH,其純度為lppm含氮 量。 -8 ~~ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（ 210X297公釐) c請先閲贫背面之注意事項再填寫本頁) —m ml tm —^ϋ nn nn* In nn· _ —-r —---ii Bll^l -I m —HR n ϋϋ vm^i ml —fn ml 、v'口 ^ · , 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 B7五、發明説明（7 ) 將一種乾燥和清潔的大氣空氣流（大體上無二氣化碳） 於132 0以3和6〇1;'之下以流量173,549 3〇?11(氣流（2))進 入熱交換器（10)中冷卻，至溫度達到-268T時才經由管線 (4)送進蒸餾塔（17)内的中間層階。 自蒸餾塔（17)的底部經由流路（6)將含氧量為39.77莫 耳百分比的多氣液體以132,519 SCFH的流量抽出，送回熱 交換器（10)再冷卻至- 277.6T ,通過一個節流閥予以膨脹 ，經由流路（7)送進主蒸發室（30)。自主蒸發室（30)排出 的再生多氯氣流（12)含氧度為27.7莫耳百分比，壓力為 74.9卩3!3,溫度為-279.4 1;',其流量為 5 8,9 7 1 30?1{。此 氣流（12)再經過再生輔肋壓縮機（70)加壓至129.8 psia之 後送進蒸餾塔（17)之底部。供應到主蒸發室（30)内的剩餘 富氧液體經由流路（8)抽出送至輔蒸發室（40)蒸發至壓力 為5 7 . 7 5 p s i a ,溫度仍為-2 7 9 . 4 °F。該富氣廢氣流（4 1 )又 送至主熱交換器（10)中加溫至- 238T,經渦輪機（80)及 (88)膨脹，然後又重新進入主熱交換器（10)，此時其溫度 為55T，廢氣流（47)之含氧量為49.5莫耳百分比，其流量 為 7 3 , 5 48 SCFH。 從蒸餾塔（17)的頂部經由流路（26)抽出的氣態氮氣流 的Μ力為126.4psia,溫度為- 2 7 6.6 T,其流量為1 0 0,0 0 0 SCFH。於熱交換器（10)加溫成為産品自管線（27)取用，其 壓力為124 ps ia ,溫度為55TF。 為了醑明本發明的各種優點，特別模擬 US-A-4,966, 002號專利案中圖4所舉的製程，和本製程中供應空氣需 -9 — ti mV —m — ml* mfl · C請先鬩trf.面之注^^項再填寫本頁) •f ----

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7 B 五、發明説明（8 ) 求作比較。於進行模擬中，採用相同的産品規格，熱的洩 漏，熱交換器的溫度節約，蒸餾塔的操作壓力等等製程的 狀態。 該模擬的結果顯示供應至冷凍箱的空氣HiUS-A-4,966, 002號專利案圖4所舉的製程約減少4.55%。 同樣地本發明的製程與US-A-4,833, 519號專利案的製 程相比，得如下述的結果： 經濟部中央椟準局員X消費合作社印製 US-A-4,883,519 本實施例 廢氮氣中的含氣量（氣流47) U) 40.7 49.5 再生氣流的壓力（psia) 68 74.9 再生氣流（供應空氣的百分比） 17.25 34 供應空氣氣流 (總共輸入蒸餾塔的百分比） 85.3 74.6 能量相對消耗 100 90 因此，本發明製法的能量消耗比US-A-4, 883,519號專 利案的能量消耗有相當程度的降低。 -10 - 本纸張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1讀先閱f背面之注意事項再填寫本頁) Λ 訂 -ml— n^i-11 mV nn

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Claims (1)

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   ABCD 86-01-20 修正 經濟部中央標率局貝工消費合作社印装

   六、申請專利範圍 1. 一種生產氮氣的方法，該方法包括如下步驟： (a) 供應一種經過壓縮的、乾煉、淨化，和冷凍的供 應空氣氣流至一蒸餾塔（20)的第一層； (b) 於該蒸餾塔中將該供應空氣分離，在該塔的頂部 造成多氮的蒸汽，該塔的底部則積聚了多氧的液體； U)在一具第一冷凝器（50)中以間接熱交換方式使用 至少一部份的該多氧液體將該多氮的蒸汽冷凝，該多氧液 體至少有部份蒸發後造成一種第二的多氮蒸汽及富氧液體； (d) 在一具第二冷凝器（60)中以間接熱交換方式使用 至少一部份的該多氮的蒸汽將該富氧液體的至少一部份蒸 發，K產生一種多氮的冷凝液和一種廢氣； (e) 將該第二的多氮蒸汽至少一部份送至再生壓縮器 (70)再生，造成一種壓縮過的再生氣流， 其特徵包括： (f) 將該壓縮過的再生氣流的至少一部份送進該塔的 第二層，此第二層與該第一餍之間至少有一理論上的層階 隔離。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該多氮的冷凝液 出。 ，其中自該第二冷凝器 產生的該多氮冷凝液全部作為積品送回該蒸饌塔。 4. 如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中於該第 一冷凝器（50)中被冷凝的該多氮的蒸汽中至少一部份被作 為液態氮產品而取出。 -11 - 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) - i- -I ....... nil ill M —-ill I............ I- - ........... - -I— ^ .^1^1 : ——111 二 -:--ί..... ^ 1 A 2 2 6 8 i ABCD 經濟部中央梯準局員工消費合作社印f. 々、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中該再生氣 流含有約25至29莫耳百分比之間的氧氣，而該廢氣流含有 大於46奠耳百分比的氧氣。 6. 如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中包括將該 廢氣流或者該供應空氣的至少一部份在一膨脹器具（80)内 膨脹，Κ供應該製程所需的冷凍作用。 7. 如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中該膨脹器 具（80)係與該再生壓縮器（70)成機械方式相偶合。 8. 如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中該壓縮器 (70)係一種冷凍壓縮器，送至該冷凍壓縮器的該多氧蒸汽 其溫度至少為低於負攝氏五十度（-50力）。 9. 如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中進一步包 括於第二膨脹器具（80)中將該廢氣流的一部份膨脹，此第 二膨脹器具與一具發散熱能器具（81)成機械方式相偶合。 10. 如申請專利範園第1、2或3項之方法，其中該富氧的 冷凝液實際上全部都於該膨脹器具（80)蒸發、加溫、和膨 脹。 ' 11. 如申請專利範園第1、2或3項之方法，其中該供應空 氣的至少一部份是在該蒸餾塔（20)的脫氧區（19)中脫除氧 氣，同時產生該多氧液體的至少一部份。 12. 如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其中該多氮的 1汽的一部份係由壓綰器（70),並非主空氣壓缩器來壓縮。 13. —種生產氮氣的裝置，該裝置包括 (a) —具熱交換器（10)藉用供應空氣蒸餾的產品來冷 -12 - i 4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) fm 1^1^1 —Hal vnn ml · T ml n^l> SI a —m 本紙張尺度逍用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 經濟部中央揉準局工消費合作社印裂 A8 . B8 C8 D8 &、申請專利範圍 凍供應空氣氣流； (b) —具蒸餾塔（20),用以將分雛該供應空氣形成一 種實體上為氮的蒸汽和一種多氧的液體，Μ及一些將該供 應空氣傳送至該塔（20)的第一層的一些裝置； (c) 一具第一冷凝器（50),它能夠由間接熱交換的方 式，使用該實體上為氮的蒸汽的一部份，來蒸發該多氧的 液體，生成一種富氧的冷凝液和一種多氮的再生氣流； (d) 器具（8)用以抽取該富氧液體並傳送該富氧液體 至一具第二冷凝器（60); (e) —些裝置用K抽取該多氮的再生氣流，並傳送該 多氮的再生氣流至一再生壓綰器（70); (f) 於該第二冷凝器內的間接热交換器具，以提供該. 富氧液體的蒸發之需； (g) —器具（41)Κ抽取該廢氣流並傳送該廢氣流至該 熱交換器； (h) 壓縮裝置（70)用K壓縮該多氮的再生氣流； (i) 一些裝置用K傳送該壓縮的多氮再生氣流至該塔 (20)的第二層；Μ及 U) —些裝置將該多氮蒸汽送至該熱交換器，藉由其 它氣流的處理而加溫； 其特激為該第一層舆第二層至少被一理論層階所隔離。 14.如申請專利範園第13項之裝置，進一步包括： U) —些裝置自該熱交換器抽取該廢氣流並將該廢氣 流至少一部份送入至少一具膨脹器具（80),或是將至少一 -13 - 本紙張尺度逍用中國鬭家揉準（CNS ) Μ規格（21ΟΧ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Μ ^------訂------， 1 «Ί a m A8 D8 六、申請專利範圍 部份的供應空氣送入一具膨脹器具予Μ膨脹的裝置。 15 .如申請專利範圍第13或14項之裝置，進一步包括： U)在該蒸餾塔（20)內該第一層之下的脫氧裝置（19) :以及 (b) —些裝置以傳送壓綰過的多氮再生氣流從該壓縮 器具（70)到該蒸餾塔的該脫氧區的下方。 16.如申請專利範圍第13或14項之裝置，其中該壓縮器具 (70)乃位于一冷凍箱之内，該冷凍箱乃為蒸餾塔（20)及/ 或熱交換器（10)作絕熱之用。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A p II 11 —HI— HI—. 、1T--- A 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 -14 - 本紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐）