[发明专利]一氧化二氮的回收和纯化

说明书

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。