TWI418391B - Method for low temperature step-down fluid transfer and adiabatic discharge distillation device and method - Google Patents

Description

低溫降壓流體傳送方法及絕熱排放蒸餾裝置及方法

本發明係有關於氣液兩相純化的領域，特別是有關於一種絕熱排放裝置，其可將“冷卻”、“灌充”、“排放”、“回收”、“加熱”、及“降壓儲存”等系統整合於單一裝置架構下，得以更有效率、更省成本、更環保的方式進行氣體的純化。

在多種工業的應用上，常需要使用不同的氣體材料，例如說，電子業或半導體業需要使用高濃度的笑氣(即一氧化二氮，N₂ O)。通常會通過配銷商加以灌充至適當尺寸的灌充筒，以供進行後續的配銷及運輸至終端使用者。

一般而言，由製造廠製造出來笑氣通常會含有雜質，這些雜質通常是較輕質的雜質，如N₂ 、O₂ 、CH₄ 等。工業級笑氣在大儲罐內的氣相濃度為97.5%，這是無法供半導體電子級客戶使用，因為他們需要99.9999%(6N)或99.99999%(7N)的笑氣濃度(此為電子級濃度)，通常是純度為6N或7N的氣相濃度。為方便說明起見，本文中有關於“濃度”或“純度”等詞是指在常溫(27℃)下所量測到的濃度。

目前市面上所採用的純化方法係將液態笑氣在儲槽內加以加熱，再將排放出的飽和蒸氣引至冷凝裝置，對這些氣體加以冷凝，由於不同氣體的液化點不同，因此笑氣會在冷凝裝置冷凝成液態，再以泵裝置加送回原蒸餾筒內，如此即可達成純化的目的，且經由此過程即可有效地將被冷凝成液態的笑氣與維持氣態的輕質雜質加以分離。此一製程通常是利用前述的加熱步驟來維持於“等溫”或“等壓”狀態。

由於需要大量地加熱，然後再加以冷卻，因此習用的製程基本上需要消耗相當的電力或能源。對於目前對抗溫室效應的環保概念而言，這樣的製程是十分不環保，也無法進行節能減碳，同時也會提高製造成本。

另外，在習用的製程中，在冷凝作業後即將氣態部份的輕質雜質加以排放掉，但是由於冷凝的作業並無法將全部的笑氣加以轉變成液態，仍有相當比例的笑氣保持於氣相，因此這些氣相的笑氣會隨著輕質雜質一起排放掉，無法加以回收再利用，會造成不必要的浪費。因此，習用的製程通常會浪費掉相當比例的氣體，且無法回收再利用。這相對地會提高製造成本。尤有甚者，諸如N₂ O、CO₂ 、SF₆ 等是溫室氣體的一類，任意排放對於環境的影響不言而喻。

再者，習用的製程必須要進行冷擬作業，因此必須要架設製冷循環的設備(例如冷凍機)，這些設備會占用相當大的廠房面積，不僅增加設置成本，也會增加營運成本。另外，習用製程所採用的製冷循環通常是使用NH₃ 做為冷媒，只能達到約-45℃的低溫。由於在氣液兩相中的氣體，氣液兩相濃度比值(K)會隨溫度不同而有不同，由於K的定義為K=y/x，其中y為氣相濃度，而x為液相濃度，因此對於K值大於1的輕質雜質或雜氣而言，K值愈大就表示氣相濃度的比例就愈高。一般而言，在-45℃(228°K)的飽和溫度下，例如以N₂ O為主要成分下，N₂ 的K值約為62，O₂ 的K值約為27，但是在220°K的飽和溫度(6 bar的飽和壓力)下，N₂ 的K值升高至約85，O₂ 的K值升高至約35，而在飽和溫度196°K時，N₂ 的K值更升高至約為270，而O₂ 的K值則升高至85，換言之，溫度愈低，K值就愈高，意謂輕質雜氣在氣相部份比重就愈高。為使輕質雜氣的有效地與主成分分離，製程中要儘可能地提升輕質雜氣的K值，使大部份的輕質雜氣均轉移到氣相，以利分離。習用製程所採用的製冷循環最多僅能降溫至約-45℃(228°K)，對於輕質雜氣的分離速度效率上並不理想，會造成不必要的浪費，並且增加溫室氣體的排放。

因此，本發明的目的在於提供一種絕熱排放蒸餾裝置，其可克服前面所討論的習用技藝的缺點，並具有諸多優點，例如裝置極簡，可大幅減少地坪使用面積，並可隨意調整深冷低溫的排放或儲存溫度，也可以減少排放量損失，符合於節能減碳的環保作為。

本發明的另一目的在於提供一種絕熱排放蒸餾裝置，其可對於排放原料做全面的回收，使損耗量近乎為零，大幅度提高經濟效益。

本發明的再另一項目的在於提供一種絕熱排放蒸餾裝置，除可進行絕熱排放蒸餾以外，亦可用以模擬近似等溫或等壓排放作業。

為達成前述目的，本發明提供一種絕熱排放蒸餾裝置，包含有：一第一蒸餾筒，具有一注入管路，用以自一流體供應源接收一相對高壓的目標流體，該目標流體具有一初始濃度並包含有雜質，該目標流體在該第一蒸餾筒內會分別形成為位在該第一蒸餾筒下半部內的液相部份及位於該第一蒸餾筒上半部內的氣相部份，該第一蒸餾筒包含有一深冷低溫降溫裝置，用以將該第一蒸餾筒的內部溫度設定於一預定的第一深冷低溫，進而在該第一蒸餾筒內得到該雜質的預定氣液兩相濃度比值；一第二蒸餾筒，與該第一蒸餾筒並列設置，該第二蒸餾筒包含有一深冷低溫降溫裝置，用以將該第二蒸餾筒的內部溫度設定於一預定的第二深冷低溫，該第二深冷低溫係小於該第一深冷低溫；一閥門，連接於該第一蒸餾筒的頂部與該第二蒸餾筒的頂部之間，可選擇性地開放，以供該目標流體的氣相部份自該第一蒸餾筒經由該閥門排放至該第二蒸餾筒內；其中該第一蒸餾筒內的氣相部份因該雜質的該預定氣液兩相濃度比值，而包含有較高濃度的雜質，進而減低該第一蒸餾筒下半部內液相部份內的雜質濃度而提升該目標流體的濃度由該初始濃度至一第一濃度，該第一蒸餾筒內的氣相部份會經由該閥門排放至該第二蒸餾筒內，在該第二蒸餾筒內根據該第二深冷低溫而分別形成為位在該第二蒸餾筒上半部內的氣相部份及位在該第二蒸餾筒下半部內的液相部份，該第二蒸餾筒下半部液相部份的目標流體濃度為第二濃度，該第二濃度係小於該第一濃度。

根據本發明的另一觀點，其提供一種絕熱排放蒸餾方法，係應用於具有並列設置的一第一蒸餾筒及一第二蒸餾筒，一閥門連接該第一蒸餾筒之頂部與該第二蒸餾筒的頂部之間，該方法包含下列步驟：

(1)將一目標流體注入至該第一蒸餾筒內，該目標流體具有一初始濃度並包含有雜質，以使得該目標流體在該第一蒸餾筒內分別形成為位在該第一蒸餾筒下半部內的液相部份及位於該第一蒸餾筒上半部內的氣相部份；

(2)將該第一蒸餾筒加以降溫至一預定的第一深冷低溫，以在該第一蒸餾筒內得到該雜質的預定氣液兩相濃度比值，以使得該目標流體在該液相部份的濃度提高至一第一濃度；

(3)開啟該閥門，以供讓該第一蒸餾筒內的氣相部份排放至該第二蒸餾筒內，藉以純化該目標流體；以及

(4)將該第二蒸餾筒加以降溫至一預定的第二深冷低溫，該第二深冷低溫係小於該第一深冷低溫，造成壓差，以使得該第一蒸餾筒之氣相部份排放至該第二蒸餾筒內會根據該第二深冷低溫而分別形成為位在該第二蒸餾筒上半部內的氣相部份及位在該第二蒸餾筒下半部內的液相部份，該第二蒸餾筒下半部液相部份的目標流體濃度為第二濃度，該第二濃度係小於該第一濃度。

根據本發明的再一觀點，其提供一種低溫降壓流體傳送方法，包含有下列步驟：

(1)提供一第一筒及一第二筒；

(2)以一閥門連接該第一筒及該第二筒；

(3)灌注一流體至該第一筒內；

(4)將該第一筒降溫至一第一深冷低溫；

(5)開啟該閥門，以供該第一筒內的該流體流動通過；以及

(6)將該第二筒降溫至一第二深冷低溫，該第二深冷低溫係低於該第一深冷低溫，而在該第一筒與該第二筒之間形成一溫度差，以促使該流體自該第一筒內經由該閥門流入至該第二筒內。

為使審查委員對本發明能進一步的瞭解，故揭露一較佳之實施方式如下

以下將配合所附圖式，針對本發明之一較佳實施例加以詳細地說明。但是以下的說明僅是例示性的說明，並非據以限定本發明之技術內容，任何具有本技藝一般技術之人士，在熟讀本說明書的內容，當可輕易得知多種相關的變化及應用，因此任何不脫離下附申請專利範圍的變化及應用，均應視為本案的保護範圍，在此特予陳明。

首先，請參閱第1圖，其中顯示出根據本發明之一較佳實施例的絕熱排放蒸餾裝置的示意圖。本發明的絕熱排放蒸餾裝置係應用絕熱過程對於液態的目標流體進行深冷低溫蒸餾處理，以純化流體，得到高濃度及高純度的目標流體。以下的說明是以笑氣做為目標流體的範例，來說明本發明之絕熱排放蒸餾裝置的結構及其作業方式，惟可以理解的，本發明亦可應用於其他氣體，如二氧化碳(CO₂ )及六氟化硫(SF₆ )等等。本發明透過深冷低溫的絕熱製程，可以輕易地將笑氣的純度提升至工業等級，並可進一步提升至電子級。

在第1圖中，本發明的絕熱排放蒸餾裝置是以參考編號100加以標示。本發明的絕熱排放蒸餾裝置100在結構上是遠比習用的液態氣體低溫蒸餾更為簡單，主要包含有一第一蒸餾筒或儲筒102及一第二蒸餾筒或儲筒104，二者大致上以等高的方式並列設置。在本實施例中，第一蒸餾筒102是做為蒸餾作業的上游蒸餾筒，而第二蒸餾筒104則做為下游蒸餾筒，亦即在蒸餾作業過程中，流體基本上是自第一蒸餾筒102流至第二蒸餾筒104，另外，此二蒸餾筒102、104可以是大約為容積5000公升的儲槽。第一蒸餾筒102設有一注入管路106，可供連接至一笑氣的外部供應源200，此笑氣供應源200可以是任何已知型式的流體供應裝置，例如壓力為50或60 bar的高壓初始笑氣儲槽，其內所容納的初始笑氣含有相當大量的輕質雜質(下文中亦稱為雜質氣體)，必須透過蒸餾法或其他方式加以純化，以提供工業級或電子級純度的笑氣。

在本發明的較佳實施例中，第一蒸餾筒102及第二蒸餾筒104最好是設置於絕熱或絕緣的外殼103、105內，以避免受到外界溫度的影響，及確保本發明之絕熱排放蒸餾裝置100的正確運作。

初始笑氣經由該注入管路106自笑氣供應源200注入至第一蒸餾筒102內，此注入作業通常是實施達到在第一蒸餾筒102內注入大約3500公升的液態笑氣。注入至第一蒸餾筒102的初始笑氣會因為第一蒸餾筒102內之壓力及溫度而分離成位在第一蒸餾筒102上半部內的氣相部份108及位在第一蒸餾筒102下半部的液相部份110，而二相的平衡則如前文所述是以各成份氣體(即笑氣及輕質雜質)在當時條件下的K值來決定。

依據前述提及的原理，對於輕質雜質而言，溫度愈低，其K值愈高，則第一蒸餾筒102上半部內的氣相部份108內的輕質雜質就愈高。因此，根據本發明，在第一蒸餾筒102的外部設有一深冷低溫降溫裝置，例如一低溫浴槽112，圍繞著第一蒸餾筒102，該低溫浴槽112內灌注深冷低溫液態氮114(例如飽和蒸氣壓10 bar而溫度為103°K)，藉以降低第一蒸餾筒102的內部溫度，提高輕質雜質的K值，進而再更一步提高第一蒸餾筒102上半部內的氣相部份108內輕質雜質的濃度，因此將氣相部份108排放出去將可提升第一蒸餾筒102內笑氣的整體濃度。在此要說明的是，該深冷低溫降溫裝置並不限於低溫浴槽112，亦可以其他的方式來實施之。

最好該低溫浴槽112是設置於絕熱外殼103內，而位於絕熱外殼103與第一蒸餾筒102之間。

由於習用的一級製冷循環只能達到約-45℃溫度，，如要達到-70℃以下的深冷低溫則必須採用兩級或二元製冷循環，則需要佔據相當大地坪面積，因此對於工廠的配置及空間使用相當不利，較不符成本。但是根據本發明，對於本身另有產製低溫冷卻用流體(例如液態氮)的工廠而言，直接利用液態氮來達到深冷低溫則是相當有利的作法，不但可以節省冷凍機具的成本及空間，更可隨意調所需要的深冷低溫，有利於市場應用的競爭。在本實施例中，利用液態氮114灌注於低溫浴槽112內可使得本發明得以任意調整第一蒸餾筒102內的溫度及壓力，以得到所需的輕質雜質K值，便利純化作業的進行。

在第一蒸餾筒102的頂端連接有一閥門116，閥門116的另一端連接至第二蒸餾筒104的頂端。當閥門116開放時，第一蒸餾筒102上半部內的氣體氣相部份108即會經由閥門116流入至第二蒸餾筒104內，藉以將氣相部份108內含的輕質雜質及混於其內的笑氣氣體排放至第二蒸餾筒104內。由於氣相部份108內的輕質雜質濃度高於液相部份110內的輕質雜質濃度，因此透過將氣相部份108自第一蒸餾筒102內排放出去，即可提高第一蒸餾筒102內笑氣的整體純度。根據本發明，第一蒸餾筒102內的笑氣濃度可以依照需要輕易地提升至電子級的99.9999%(6N)或99.99999%(7N)濃度或其他的濃度。

在此要特別提出的是，本發明在笑氣自第一蒸餾筒102輸送排放至第二蒸餾筒104的過程中並不提高額外的壓力或提高第一蒸餾筒102的溫度，因此基本上本發明的此一排放過程是絕熱排放過程，不同於習用的加壓或加熱的等溫或等壓排放過程。

根據本發明，在第二蒸餾筒104的外部亦設有一深冷低溫降溫裝置，例如一低溫浴槽118，圍繞著第二蒸餾筒104，該低溫浴槽118內灌注深冷低溫液態氮120(例如飽和蒸氣壓10 bar而溫度為103°K)，藉以將第二蒸餾筒104的內部溫度降低至低於第一蒸餾筒102，在第一及第二蒸餾筒102、104之間造成溫度差，進而造成壓力差，促使第一蒸餾筒102內的氣相部份108經由閥門116流入至第二蒸餾筒104內。就此而言，相較於習用方法透過泵方式利用機械力量(Mechanical Force)來輸送流體的方式，本發明是透過熱學力量(Thermal Force)來輸送流體，可以一樣達到輸送流體的目的，且無高噪音，更可節省泵的設備及運轉成本。

在此要說明的是，第二蒸餾筒104的深冷低溫降溫裝置並不限於低溫浴槽118，亦可以其他的方式來實施之。

最好該低溫浴槽118是設置於第二蒸餾筒104的絕熱外殼105內，而位於絕熱外殼105與第二蒸餾筒104之間。

因此，就此而論，本發明亦提出一種低溫降壓流體傳送方法，其係利用溫度差之熱學力量來傳送流體，簡單地說，本發明的低溫降壓流體傳送方法包含有以下步驟(A)提供一第一筒(第一蒸餾筒102)及一第二筒(第二蒸餾筒104)；(B)以一閥門(閥門116)連接該第一筒及該第二筒；(C)灌注一流體(在本實施例中為笑氣)至該第一筒內；(D)將該第一筒降溫至一第一深冷低溫；(E)開啟該閥門，以供該第一筒內的該流體流動通過；以及(F)將該第二筒降溫至一第二深冷低溫，該第二深冷低溫係低於該第一深冷低溫，而在該第一筒與該第二筒之間形成一溫度差，以促使該流體自該第一筒內經由該閥門流入至該第二筒內。

利用低溫浴槽118內的液態氮120來降低第二蒸餾筒104內的溫度，除了可造成第一蒸餾筒102與第二蒸餾筒104間的溫度差及其造成的壓力差(藉以傳送流體)，亦可透過溫度的降低而提高輕質雜質的K值。由於第一蒸餾筒102內的氣相部份108經由閥門116流入至第二蒸餾筒104內後，基於氣液平衡，會有一部份在第二蒸餾筒104的下半部內形成液相部份122，而其餘部份則保留為氣相部份124，位於第二蒸餾筒104的上半部內。流入至第二蒸餾筒104內的氣體是由第一蒸餾筒102內的氣相部份108所構成的，由於第一蒸餾筒102的氣相部份108具有較高濃度的輕質雜質，因此相對而言，第二蒸餾筒104內的笑氣濃度或純度會低於第一蒸餾筒102。

透過液態氮120將第二蒸餾筒104內的溫度降低而提高第二蒸餾筒104內輕質雜質的K值，本發明可以在第二蒸餾筒104內輕易地增加輕質雜質的氣相濃度。如此即可進一步提升第二蒸餾筒104下半部液相部份122內的笑氣濃度或純度，因此雖然整體而言，第二蒸餾筒104內的笑氣濃度或純度是低於第一蒸餾筒102，但是透過上述的降溫過程，亦可將第二蒸餾筒104下半部內的液相部份122內的笑氣加以純化至較高的純度。根據本發明，在此過程處理下，第二蒸餾筒104下半部內的液相部份122亦可得到工業等級的笑氣，即氣相純度為97.5%。

根據本發明，由於自第一蒸餾筒102排放出去的氣相部份108並非是排放至大氣中，而是輸送至第二蒸餾筒104內，因此本發明的絕熱排放蒸餾裝置100不會對於環境產生溫室氣體排放的問題，同時由於第二蒸餾筒104的設置，本發明可以完全地回收自第一蒸餾筒102排放掉的氣體，而最多僅有第二蒸餾筒104內的氣相部份124會在不得以的情形下被排放至大氣中。

透過以上所述的二階段深冷低溫的蒸餾過程，基於理論計算及工廠實地模擬，本發明可以有效地提升初始笑氣的利用率至95%，而僅排放掉少於5%，遠低於習用技藝的排放量(約為20%)。

熟知此技藝者當可理解，在第二蒸餾筒104的頂端可以設置一排放管路126，用以排放第二蒸餾筒104的氣相部份124至大氣中。在此要特別提出的是，由於第二蒸餾筒104的溫度基本上是低於第一蒸餾筒102的溫度，且在本實施例中，二者的溫度均是在-70℃至-80℃的範圍，因此自第二蒸餾筒104之排放管路126排放出來的氣體會具有相當低的溫度，可利用於第一蒸餾筒102的降溫作用，或是做為其他目的的降溫作用，這使得本發明可以更充份利用所有的低溫氣體，減低資源消耗，並較其他冷凍機類節省能源。

在第一蒸餾筒102及第二蒸餾筒104的底部或靠近底部處分別設有配送管路128、130，用以將第一蒸餾筒102及第二蒸餾筒104的高純度笑氣輸送出去，供配銷或輸送給下游用戶。

除了以上所述的基本實施態樣以外，在本發明的另一種實施態樣中，在施行過上述的深冷低溫蒸餾作業後，可以將第二蒸餾筒104轉做上游蒸餾筒，而第一蒸餾筒102則做為下游蒸餾筒，亦即流體會自第二蒸餾筒104流動或排放至第一蒸餾筒102內。當第一蒸餾筒102內的氣相部份108經由閥門116做絕熱排放至第二蒸餾筒104內後，純化後的笑氣則可自第一蒸餾筒102的配送管路128灌充至客戶罐，使第一蒸餾筒102成為具有足夠的空間容量，而第二蒸餾筒104內則存有原由第一蒸餾筒102之氣相部份108排放出去的流體。透過將閥門116的流動方向反轉，或是設置另一流動方向相反的閥門，可將第二蒸餾筒104內的氣相部份124再一次的絕熱排放至第一蒸餾筒102內。此時可透過灌注於第一蒸餾筒102之低溫浴槽112內的液態氮114來降低第一蒸餾筒102的溫度(至比第二蒸餾筒104低的深冷低溫)，造成流體的輸送，並提升第一蒸餾筒102內輕質雜質的K值。如此，可以進一步地再回收排放的氣體，如此減少浪費及環境污染。

另外，當初始笑氣剛灌注至第一蒸餾筒102內，或是第一蒸餾筒102內的氣相部份108剛絕熱排放至第二蒸餾筒104內時，第一蒸餾筒102或第二蒸餾筒104內的氣相及液相必要一段時間才能達成氣液平衡，這可透過長時間的靜置來達成。惟為提升作業效率，根據本發明的再另一種實施態樣中，在第一蒸餾筒102及第二蒸餾筒104的底部可以選擇性地加設加熱器132、134。加熱器132、134的功能在於對第一蒸餾筒102或第二蒸餾筒104內的液相部份110、122做適度地加熱，以有助於液相部份110、122內的輕質雜質儘速地轉化在氣相。

另外，在再另一種實施態樣中，在第一蒸餾筒102或第二蒸餾筒104的上半部(氣相部份108、124)與下半部(液相部份110、122)之間可選擇性加設一加熱裝置136、138，以將液相部份110、122部份地加熱而轉換成氣相，並輸送至蒸餾筒102、104的上半部內，以迅速提升蒸餾筒102或104的內部氣壓，有助於將蒸餾筒102或104內的流體輸送出去或灌充至客戶罐。

在此要特別說明的是，加熱器132、134的另一種可能的用途是用於強烈加熱蒸餾筒102、104內的液相部份110、122，以提高蒸餾筒102、104內的壓力，加強壓力差來輸送氣體。這即類似於習用的加熱作法，因此本發明的絕熱排放蒸餾裝置100亦可用以模擬習用的低溫蒸餾作業。

在再另一種可行的實施態樣中，第一蒸餾筒102及第二蒸餾筒104的下半部液相部份110、122之間可藉由泵裝置140加以連接，如此可將第二蒸餾筒104內的液相部份122回送至第一蒸餾筒102內，做進一步的純化，如此可使本發明所能得到的電子等級笑氣的比例更加提高，更進一步提升產業的獲利效果。

總結而言，本發明的一項特點在於一種絕熱排放蒸餾裝置，其包含有以下的零組件：一第一蒸餾筒，具有一注入管路，用以自一流體供應源接收一相對高壓的目標流體，該目標流體具有一初始濃度並包含有雜質，該目標流體在該第一蒸餾筒內會分別形成為位在該第一蒸餾筒下半部內的液相部份及位於該第一蒸餾筒上半部內的氣相部份，該第一蒸餾筒包含有一深冷低溫降溫裝置，用以將該第一蒸餾筒的內部溫度設定於一預定的第一深冷低溫，進而在該第一蒸餾筒內得到該雜質的預定氣液兩相濃度比值；一第二蒸餾筒，與該第一蒸餾筒並列設置，該第二蒸餾筒包含有一深冷低溫降溫裝置，用以將該第二蒸餾筒的內部溫度設定於一預定的第二深冷低溫，該第二深冷低溫係小於該第一深冷低溫；一閥門，連接於該第一蒸餾筒的頂部與該第二蒸餾筒的頂部之間，可選擇性地開放，以供該目標流體的氣相部份自該第一蒸餾筒經由該閥門排放至該第二蒸餾筒內；其中該第一蒸餾筒內的氣相部份因該雜質的該預定氣液兩相濃度比值，而包含有較高濃度的雜質，進而減低該第一蒸餾筒下半部內液相部份內的雜質濃度而提升該目標流體的濃度由該初始濃度至一第一濃度，該第一蒸餾筒內的氣相部份會經由該閥門排放至該第二蒸餾筒內，在該第二蒸餾筒內根據該第二深冷低溫而分別形成為位在該第二蒸餾筒上半部內的氣相部份及位在該第二蒸餾筒下半部內的液相部份，該第二蒸餾筒下半部液相部份的目標流體濃度為第二濃度，該第二濃度係小於該第一濃度。

本發明的另一項特點在於一種絕熱排放蒸餾方法，其包含有下列步驟：

(1)將一目標流體注入至該第一蒸餾筒內，該目標流體具有一初始濃度並包含有雜質，以使得該目標流體在該第一蒸餾筒內分別形成為位在該第一蒸餾筒下半部內的液相部份及位於該第一蒸餾筒上半部內的氣相部份；

(2)將該第一蒸餾筒加以降溫至一預定的第一深冷低溫，以在該第一蒸餾筒內得到該雜質的預定氣液兩相濃度比值，以使得該目標流體在該液相部份的濃度提高至一第一濃度；

(3)開啟該閥門，以供讓該第一蒸餾筒內的氣相部份排放至該第二蒸餾筒內，藉以純化該目標流體；以及

(4)將該第二蒸餾筒加以降溫至一預定的第二深冷低溫，該第二深冷低溫係小於該第一深冷低溫，造成壓差，以使得該第一蒸餾筒之氣相部份排放至該第二蒸餾筒內會根據該第二深冷低溫而分別形成為位在該第二蒸餾筒上半部內的氣相部份及位在該第二蒸餾筒下半部內的液相部份，該第二蒸餾筒下半部液相部份的目標流體濃度為第二濃度，該第二濃度係小於該第一濃度。

本發明的再一項特點在於一種低溫降壓流體傳送方法，其包含有下列步驟：

(1)提供一第一筒及一第二筒；

(2)以一閥門連接該第一筒及該第二筒；

(3)灌注一流體至該第一筒內；

(4)將該第一筒降溫至一第一深冷低溫；

(5)開啟該閥門，以供該第一筒內的該流體流動通過；以及

(6)將該第二筒降溫至一第二深冷低溫，該第二深冷低溫係低於該第一深冷低溫，而在該第一筒與該第二筒之間形成一溫度差，以促使該流體自該第一筒內經由該閥門流入至該第二筒內。

綜上所述，本發明主要特點在於(1)利用溫度差的熱學力量取代非習用之泵抽機械力量來實現流體的快速輸送，以及(2)利用絕熱排放取代習用等壓或等熱排放來提供高效態的深冷低溫蒸餾作業，藉以得到快速而低(或零)排放的氣體蒸餾結果，並提供高純度的純化流體。整體而言，本發明的絕熱排放蒸餾裝置100係將習用氣體純化作業中的“冷卻”、“灌充”、“排放”、“加熱”、“回收”、“降低儲存”等六大系統整合於單一的裝置，並可透過適當的管線及自動控制設計，達成以面盤來對整個作業流程做自動化控制，透過自動發出警報及傳送簡訊給作業人員等方式，可達成作業安全。

因此，本發明至少可以提供以下的優點：

(1)由於無需使用習用的冷凍機具進行降溫，因此可以免除冷凍機具所需佔用的面積，故而佔地小。

(2)由於是使用液態氮來進行冷卻，因此可依所需調整溫度，配合客戶需求，故而可以調整排放溫度。

(3)由於採用深冷低溫進行純化作業，且採用溫度差來輸送流體，故而可以得到極快速及大量的純化作。

(4)由於利用二個蒸餾筒的架構，故而可以儘可能地減低氣體的排放量。

(5)由於可以利用二個蒸餾筒進行反覆的蒸餾作業，故而可以將全部的排放氣體加以回收。

(6)由於採用深冷低溫蒸餾作業，故而排放的氣體亦可做為冷源再利用。

(7)另外，本發明亦可用以模擬習用之近似等溫排放的蒸餾作業。

以上所描述者僅為本發明之較佳實施例及多種可行的實施態樣，其可據以衍生之運用範圍廣泛，並得依實際使用上的需求而做不同的組合及省略，而仍不脫本發明的範疇。另因構造簡單，故倍增生產效率亦可兼顧生產成本，實具產業利用價值，凡與本發明技術思想相同之簡易轉換或等效轉換者，皆屬本發明之專利範圍之中。

100．．．絕熱排放蒸餾裝置

102．．．第一蒸餾筒

103．．．絕熱外殼

104．．．第二蒸餾筒

105．．．絕熱外殼

106．．．注入管路

108．．．氣相部份

110．．．液相部份

112．．．低溫浴槽

114．．．液態氮

116．．．閥門

118．．．低溫浴槽

120．．．液態氮

122．．．液相部份

124．．．氣相部份

126．．．排放管路

128．．．配送管路

130．．．配送管路

132．．．加熱器

134．．．加熱器

136．．．泵裝置

138．．．泵裝置

140．．．泵裝置

200．．．笑氣供應源

第1圖是一示意圖，顯示出根據本發明之一較佳實施例的絕熱排放蒸餾裝置。

100．．．絕熱排放蒸餾裝置

102．．．第一蒸餾筒

103．．．絕熱外殼

104．．．第二蒸餾筒

105．．．絕熱外殼

106．．．注入管路

108．．．氣相部份

110．．．液相部份

112．．．低溫浴槽

114．．．液態氮

116．．．閥門

118．．．低溫浴槽

120．．．液態氮

122．．．液相部份

124．．．氣相部份

126．．．排放管路

128．．．配送管路

130．．．配送管路

132．．．加熱器

134．．．加熱器

136．．．加熱裝置

138．．．加熱裝置

140．．．泵裝置

200．．．笑氣供應源

Claims (24)

1. 一種絕熱排放蒸餾裝置，包含有：一第一蒸餾筒，具有一注入管路，用以自一流體供應源接收一目標流體，該目標流體具有一初始濃度並包含有雜質，該目標流體在該第一蒸餾筒內會分別形成為位在該第一蒸餾筒下半部內的液相部份及位於該第一蒸餾筒上半部內的氣相部份，該第一蒸餾筒包含有一深冷低溫降溫裝置，用以將該第一蒸餾筒的內部溫度設定於一預定的第一深冷低溫，進而在該第一蒸餾筒內得到該雜質的預定氣液兩相濃度比值；一第二蒸餾筒，與該第一蒸餾筒並列設置，該第二蒸餾筒包含有一深冷低溫降溫裝置，用以將該第二蒸餾筒的內部溫度設定於一預定的第二深冷低溫，該第二深冷低溫係小於該第一深冷低溫；一閥門，連接於該第一蒸餾筒的頂部與該第二蒸餾筒的頂部之間，可選擇性地開放，以供該目標流體的氣相部份自該第一蒸餾筒經由該閥門排放至該第二蒸餾筒內；其中該第一蒸餾筒內的氣相部份因該雜質的該預定氣液兩相濃度比值，而包含有較高濃度的雜質，進而減低該第一蒸餾筒下半部內液相部份內的雜質濃度而提升該目標流體的濃度由該初始濃度至一第一濃度，該第一蒸餾筒內的氣相部份會經由該閥門排放至該第二蒸餾筒內，在該第二蒸餾筒內根據該第二深冷低溫而分別形成為位在該第二蒸餾筒上半部內的氣相部份及位在該第二蒸餾筒下半部內的液相部份，該第二蒸餾筒下半部液相部份的目標流體濃度為第二濃度，該第二濃度係小於該第一濃度。
2. 如申請專利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第一蒸餾筒的該深冷低溫降溫裝置包含有一低溫浴槽，設置於該第一蒸餾筒旁邊，且其內容置有液態氮。
3. 如申請專利範圍第2項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第一蒸餾筒具有一絕熱外殼，包圍該第一蒸餾筒及該低溫浴槽。
4. 如申請專利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第二蒸餾筒的該深冷低溫降溫裝置包含有一低溫浴槽，設置於該第二蒸餾筒旁邊，且其內容置有液態氮。
5. 如申請專利範圍第4項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第二蒸餾筒具有一絕熱外殼，包圍該第二蒸餾筒及該低溫浴槽。
6. 如申請專利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第二蒸餾筒具有一排放管路，設置於該第二蒸餾筒的頂部，用以排放出該第二蒸餾筒上半部內的氣相部份。
7. 如申請專利範圍第6項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第二蒸餾筒排放出的氣相部份係做為一冷源。
8. 如申請專利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該閥門係為一雙向閥門，可選擇性地讓該第二蒸餾筒上半部內的該氣相部份排放回到該第一蒸餾筒內。
9. 如申請專利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第一蒸餾筒的底部設有一加熱器。
10. 如申請專利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第二蒸餾筒的底部設有一加熱器。
11. 如申請利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第一蒸餾筒的底部設有一配送管路，用以抽取該第一蒸餾筒下半部內的液相部份。
12. 如申請利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第二蒸餾筒的底部設有一配送管路，用以抽取該第一蒸餾筒下半部內的液相部份。
13. 如申請利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第一蒸餾筒包含有一加熱裝置，連接於該第一蒸餾筒的下半部與該第一蒸餾筒的上半部之間，以將該液相部份的一部份加以轉化成氣體，輸送至該上半部內，以提高該第一蒸餾筒內部壓力。
14. 如申請利範圍第1項的絕熱排放蒸餾裝置，其中該第二蒸餾筒包含有一加熱裝置，連接於該第二蒸餾筒的下半部與該第二蒸餾筒的上半部之間，以將該液相部份的一部份加以轉化成氣體，輸送至該上半部內，以提高該第一蒸餾筒內部壓力。
15. 一種絕熱排放蒸餾方法，係應用於具有並列設置的一第一蒸餾筒及一第二蒸餾筒，一閥門連接該第一蒸餾筒之頂部與該第二蒸餾筒的頂部之間，該方法包含下列步驟：(1)將一目標流體注入至該第一蒸餾筒內，該目標流體具有一初始濃度並包含有雜質，以使得該目標流體在該第一蒸餾筒內分別形成為位在該第一蒸餾筒下半部內的液相部份及位於該第一蒸餾筒上半部內的氣相部份；(2)將該第一蒸餾筒加以降溫至一預定的第一深冷低溫，以在該第一蒸餾筒內得到該雜質的預定氣液兩相濃度比值，以使得該目標流體在該液相部份的濃度提高至一第一濃度；(3)開啟該閥門，以供讓該第一蒸餾筒內的氣相部份排放至該第二蒸餾筒內，藉以純化該目標流體；以及(4)將該第二蒸餾筒加以降溫至一預定的第二深冷低溫，該第二深冷低溫係小於該第一深冷低溫，造成壓差，以使得該第一蒸餾筒之氣相部份排放至該第二蒸餾筒內會根據該第二深冷低溫而分別形成為位在該第二蒸餾筒上半部內的氣相部份及位在該第二蒸餾筒下半部內的液相部份，該第二蒸餾筒下半部液相部份的目標流體濃度為第二濃度，該第二濃度係小於該第一濃度。
16. 如申請專利範圍第15項的絕熱排放蒸餾方法，進一步在步驟(4)之後包含有：(5)將該第二蒸餾筒內的氣相部份加以排放至該第一蒸餾筒內；以及(6)將該第一蒸餾筒加以降溫至一預定的第三深冷低溫，該第三深冷低溫係小於該第二深冷低溫，以使得該第二蒸餾筒之氣相部份排放至該第一蒸餾筒內會根據該第三深冷低溫而分別形成為位在該第一蒸餾筒上半部內的氣相部份及位在該第一蒸餾筒下半部內的液相部份。
17. 如申請專利範圍第16項的絕熱排放蒸餾方法，進一步 在步驟(6)之後包含有：(7)將該第一蒸餾筒內的液相部份加以抽取出。
18. 如申請專利範圍第15項的絕熱排放蒸餾方法，進一步在步驟(4)之後包含有：(8)將該第二蒸餾筒內的液相部份加以抽取出。
19. 如申請專利範圍第15項的絕熱排放蒸餾方法，進一步在步驟(2)之後包含有：(9)對該第一蒸餾筒內的液相部份加以加熱。
20. 如申請專利範圍第15項的絕熱排放蒸餾方法，進一步在步驟(2)之後包含有：(10)將該第一蒸餾筒內的液相部份加以部份地加熱轉化成氣相而輸送至該第一蒸餾筒的氣相部份內。
21. 如申請專利範圍第15項的絕熱排放蒸餾方法，進一步在步驟(4)之後包含有：(11)對該第二蒸餾筒內的液相部份加以加熱。
22. 如申請專利範圍第15項的絕熱排放蒸餾方法，進一步在步驟(4)之後包含有：(12)將該第二蒸餾筒內的液相部份加以部份地加熱轉化成氣相而輸送至該第二蒸餾筒的氣相部份內。
23. 如申請專利範圍第15項的絕熱排放蒸餾方法，進一步在步驟(4)之後包含有：(13)將該第二蒸餾筒內的液相部份加以泵送回該第一蒸餾筒內。
24. 一種低溫降壓流體傳送方法，包含有下列步驟：(1)提供一第一筒及一第二筒；(2)以一閥門連接該第一筒及該第二筒；(3)灌注一流體至該第一筒內；(4)將該第一筒降溫至一第一深冷低溫；(5)開啟該閥門，以供該第一筒內的該流體流動通過；以及(6)將該第二筒降溫至一第二深冷低溫，該第二深冷低溫係低於該第一深冷低溫，而在該第一筒與該第二筒之間形成一溫度差，以促使該流體自該第一筒內經由該閥門流入至該第二筒內。