[其他]高纯氮的生产法

说明书

本发明涉及高纯氮的生产方法，系用低温吸附从氮、氧、氩的混合气体中把氮分离出来。

至今，高纯氮的浓度一般只能达到99.99～99.999%或更高。通常采用的生产高纯氮的方法是低温分离法，此法包括空气的液化和液态空气的精馏。生产氮的低温分离体系主要分为两个类型：第一类型包括一多级精馏塔体系，能够生产氧、氩和氮;第二类型包括一单级精馏塔体系，只生产氮。在此二分离体系中分离的氮均为低温分离体系中的精馏塔的塔顶馏分，并以气态和液态形式收集之。因为低温分离法可利用氮、氧和氩的气一液平衡状态的差别来进行分离，所产生的氮的纯度决定于精馏塔所提供的塔板数。所以要生产纯度更高的氮，就必须增加精馏塔的塔板数。

使用精馏塔生产纯度为99.99999%左右的极高纯氮（氮中杂质含量仅有0.1ppm）较之以精馏塔生产高纯氮，特别是纯度约为99.9999%的氮（氮中的杂质含量为1ppm左右）所需要的精馏塔板数要大得多。图5所示即说明了这种关系，即精馏塔的精馏塔板数（塔板数）和杂质浓度（特别是氮中的氧的浓度）之间的关系。图5中的曲线a是基于理论计算所得的关系，曲线b是考虑了效率等因素得到的实际关系。此例是在精馏塔中以0.78MPa（毫巴）的压力用800Nm/h（标准立方米/小时）的原料空气精馏生产出320Nm/h的氮的曲线图。图5表明，在杂质氧的浓度为1ppm或更低时，精馏体系中的精馏塔板数便急剧增加，因而导致精馏塔的加大，精馏塔的加大又导致系统本身的扩大。这样由于设备费用的增加或从经营费的观点出发都是不经济的。

虽然近来已经发展了一种方法，不需要液化便能从空气中制得氮，用此法生产氮的装置是将原料空气直接加到吸附器里，吸附器装填吸附剂，在常温下利用吸附作用将氧和氩从原料空气中分离出去，用此法生产的氮的纯度约为99%，不能得到高纯度的氮。

虽然在吸附分离领域中提出了利用沸石Zeolite    A的吸附特性于低温分离氩的方法（日本专利公告No.16088/1980和日本专利公开No.187775/1983），此方法是从氮、氧和氩的低温混合气体中利用Zeolite    A吸附剂对混合气体的吸附和解吸除去氧和氮以生产氩，但不涉及利用吸附剂的吸附作用于低温生产氮的方法。

本发明的目的是提供一经济的方法以生产高纯氮。

本发明的特点是用含氧和氩的低纯氮作为原料气，将此原料气在-100至-200℃的低温加入装填有吸附剂（特别是天然的或合成的Zeolite）的吸附器中，用低温吸附从所说的原料空气中将氧和氮分离出去。

本发明的其它目的和特征可见于下面的说明。

图1为本发明具体实施的系统流程图。

图2为合成Zeolite    A的温度一吸附特性曲线。

图3为本发明的另一具体实施的系统流程图。

图4为本发明的又一具体实施的系统流程图。

图5为氮中存留的氧的浓度与精馏塔的塔板数之间的关系曲线。

图6为本发明的经济效益说明曲线。

在叙述本发明的实例前，这里首先叙述本发明生产氮的原理。用吸附方法除去气体混合物中的杂质（气体）的吸附剂常使用沸石，可以是天然的或合成的。一般主要使用合成沸石（特别是Zeolite    A），这是因为它的质量和容量的关系。但是，可以把天然沸石中的丝光沸石用金属阳离子进行离子交换处理制备一种沸石，例如用氯化钠水溶液进行离子交换生成（钠）丝光沸石，其吸附力与合成沸石A（Zeolite    A）同样高。

这种沸石以其吸附作用除杂质时，其附特性随温度有较大的变化，即如图2所示，所吸附的氮（N₂）、氧（O₂）和氩（Ar）的量随着温度的降低而有很大的变化。图2为在0至-200℃时Zeolite A对氮、氧和氩的吸附特性;横座标代表温度，纵座标代表每个空隙所吸附的分子的数量。图中清楚地表明了在温度为-100℃时，Zeolite A的低温吸附特性有明显的改变，并且在较低温度和较高温度时的吸附特性有很大的差别。在-100至-200℃范围内，所吸附的氮量较小，氧和氩的量较大;尤其是在-130至-200℃的范围内，所吸附的氧的量显著增大，氩的吸附量次于氧，氮的吸附量明显降低。因此，当由氮、氧和氩组成的混合物于-100至-200℃（最好是-130至-200℃，特别是-140至-170℃）的温度通过装填有Zeolite A的吸附器时，氧能被优先吸附，氩次之，氮几乎不被吸附，因此就有可能从氧、氮和氩的混合物中分离出氧和氩并生产高纯氮。