CN114715860B - 一种可除杂质的超高纯制氮装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可除杂质的超高纯制氮装置，包括精馏塔体，精馏塔体的内部设置有蒸馏层与除杂质层，除杂质层设置于蒸馏层的上部；本发明采用精馏方式获得高纯氮气，降低产品氮中氧氩杂质含量能达到ppb级别的杂质；由于精馏并不能除去氢、一氧化碳杂质，同时每套设备周遭环境中杂质含量不同，且不同轮次的生产过程对产品品质要求不同，因此采用吸附的方式预除空气中的氢及一氧化碳；将除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中，同时也减少能耗的消耗；即整套装置即提高了氮气产品纯度，同时也节省了能耗；本装置不需要额外增加设备，氮气不仅能满足GB/T8979‑2008中超纯氮定义，且杂质的含量均可在ppb等级。
Description
技术领域
本发明属于超高纯制氮设备技术领域，具体涉及一种可除杂质的超高纯制氮装置。
背景技术
随着中国经济的快速发展，工业气体作为国民经济基础工业要素之一，在国民经济中的地位和作用日益凸显，尤其是随着互联网时代的到来，电子、多晶硅等行业广泛兴起，高纯气体的需求越来越多；其中氮气为工业气体中较为常见的气体，通常用于某些惰性气氛中以进行金属处理，并用于灯泡中以防止产生电弧，但它不是化学惰性的。它是动植物生命中必不可少的元素，并且是许多有用化合物的组成部分，氮与许多金属结合形成硬氮化物，可用作耐磨金属；制氮装置是指以空气为原料，利用物理方法将其中的氧和氮分离而获得氮气的设备，工业上应用的制氮机根据分类方法的不同可以分为三种，即深冷空分法、分子筛空分法(PSA)和膜空分法；制氮机是按变压吸附技术设计、制造的氮气制取设备。制氮机以优质进口碳分子筛(CMS)为吸附剂，采用常温下变压吸附原理(PSA)分离空气制取高纯度的氮气；通常使用两吸附塔并联，由进口PLC控制进口气动阀自动运行，交替进行加压吸附和解压再生，完成氮氧分离，获得所需高纯度的氮气。
现有技术中在制备氮气时往往由于精馏并不能除去氢、一氧化碳等杂质，同时每套设备周遭环境中杂质含量不同，且客户对产品品质要求不同，且常规的装置制备的氮气产品纯度有限且能耗也较高，如果要杂质进行进一步去除的话还需要增加额外设备，为此我们提出一种可除杂质的超高纯制氮装置来解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可除杂质的超高纯制氮装置，以解决上述背景技术中提出现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种可除杂质的超高纯制氮装置，包括：
精馏塔体，所述精馏塔体的内部设置有蒸馏层与除杂质层，所述除杂质层设置于蒸馏层的上部；
所述除杂质层包括水吸附剂层、二氧化碳吸附剂层、氢吸附剂层与一氧化碳吸附剂层，所述精馏塔体的除杂质层自下至上依次安装有四组吸附剂容纳腔体，四组吸附剂容纳腔体分别对应于对水吸附剂层、二氧化碳吸附剂层、氢吸附剂层与一氧化碳吸附剂层，所述精馏塔体的内部设置有若干组隔板，所述隔板分布于除杂质层和蒸馏层之间，所述隔板分布于水吸附剂层、二氧化碳吸附剂层、氢吸附剂层与一氧化碳吸附剂层；
还包括如下步骤：
步骤S1、采用精馏方式获得高纯氮气，降低产品氮中氧、氩杂质含量，且能达到ppb级别的杂质；
步骤S2、由于精馏并不能除去氢、一氧化碳杂质，同时每套设备周遭环境中杂质含量不同，且不同轮次的生产过程对产品品质要求不同，因此采用吸附的方式预除空气中的氢及一氧化碳；
步骤S3、为节约设备成本，将除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中，同时也减少能耗的消耗。
优选的，所述精馏塔体的蒸馏层安装有冷凝器，所述蒸馏层通过连接管连通有再沸器，所述连接管连接于蒸馏层侧面底部。
优选的，所述蒸馏层的内部安装有用于精馏的加热组件，所述精馏塔体的蒸馏层底部安装有残液排出管，空气经过精馏塔体处理后的残液通过残液排出管排除。
优选的，所述隔板上开设有若干组漏孔，若干组所述漏孔呈环形阵列均匀分布于隔板上，所述隔板设置为圆形且安装于精馏塔体的内侧壁上。
优选的，所述精馏塔体的蒸馏层内部安装有若干组扰流板，若干组扰流板呈间隔交错分布。
优选的，所述精馏塔体的内侧壁上固定连接有支撑块，所述水吸附剂层、二氧化碳吸附剂层、氢吸附剂层与一氧化碳吸附剂层均通过支撑块设置于精馏塔体的内部。
优选的，四组分别水吸附剂层、二氧化碳吸附剂层、氢吸附剂层与一氧化碳吸附剂层的吸附剂容纳腔体设置为上下两端均设置有过气孔的容纳腔体，蒸馏层的气体自吸附剂容纳腔体的底部进入经过吸附后从吸附剂容纳腔体的顶部排出，所述精馏塔体的侧部开设有用于吸附剂容纳腔体安装的插槽。
优选的，步骤S3之后还包括如下步骤：在除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中后，则可通过带有分层吸附剂的设备对多种气体杂质进行吸附去除，从而获得高纯的氮气产品。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种可除杂质的超高纯制氮装置，与现有技术相比，具有以下优点：
采用精馏方式获得高纯氮气，降低产品氮中氧、氩杂质含量，且能达到ppb级别的杂质；由于精馏并不能除去氢、一氧化碳杂质，同时每套设备周遭环境中杂质含量不同，且不同轮次的生产过程对产品品质要求不同，因此采用吸附的方式预除空气中的氢及一氧化碳；为节约设备成本，将除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中，同时也减少能耗的消耗；即整套装置即提高了氮气产品纯度，同时也节省了能耗；本装置不需要额外增加设备，氮气不仅能满足GB/T 8979-2008中超纯氮定义，且杂质的含量均可在ppb等级。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明中氮气产品的生产流程示意图；
图2为本发明实施例中精馏塔的分层结构示意图；
图3为本发明实施例中精馏塔的具体结构示意图；
图4为本发明图3中A处的放大结构示意图；
图5为本发明精馏塔正面的部分结构示意图。
图中：1、精馏塔体；2、蒸馏层；3、除杂质层；4、残液排出管；5、加热组件；6、再沸器；7、连接管；8、扰流板；9、隔板；10、支撑块；11、水吸附剂层；12、二氧化碳吸附剂层；13、氢吸附剂层；14、一氧化碳吸附剂层；15、漏孔；16、插槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-5所示的实施例：
一种可除杂质的超高纯制氮装置，包括：
精馏塔体1，所述精馏塔体1的内部设置有蒸馏层2与除杂质层3，所述除杂质层3设置于蒸馏层2的上部；
所述除杂质层3包括水吸附剂层11、二氧化碳吸附剂层12、氢吸附剂层13与一氧化碳吸附剂层14，所述精馏塔体1的除杂质层3自下至上依次安装有四组吸附剂容纳腔体，四组吸附剂容纳腔体分别对应于对水吸附剂层11、二氧化碳吸附剂层12、氢吸附剂层13与一氧化碳吸附剂层14，所述精馏塔体1的内部设置有若干组隔板9，所述隔板9分布于除杂质层3和蒸馏层2之间，所述隔板9分布于水吸附剂层11、二氧化碳吸附剂层12、氢吸附剂层13与一氧化碳吸附剂层14；
还包括如下步骤：
步骤S1、采用精馏方式获得高纯氮气，降低产品氮中氧、氩杂质含量，且能达到ppb级别的杂质；
步骤S2、由于精馏并不能除去氢、一氧化碳杂质，同时每套设备周遭环境中杂质含量不同，且不同轮次的生产过程对产品品质要求不同，因此采用吸附的方式预除空气中的氢及一氧化碳；
步骤S3、为节约设备成本，将除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中，同时也减少能耗的消耗；
步骤S3之后还包括如下步骤：在除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中后，则可通过带有分层吸附剂的设备对多种气体杂质进行吸附去除，从而获得高纯的氮气产品。
所述精馏塔体1的蒸馏层2安装有冷凝器，所述蒸馏层2通过连接管7连通有再沸器6，所述连接管7连接于蒸馏层2侧面底部；所述蒸馏层2的内部安装有用于精馏的加热组件5，所述精馏塔体1的蒸馏层2底部安装有残液排出管4，空气经过精馏塔体1处理后的残液通过残液排出管4排除；
如图3所示，图中未示出冷凝器的具体，冷凝器为蒸馏塔中的常见结构，实际使用中的安装位置根据精馏的工艺进行设置，此处不再进行赘述，再沸器6通过连接管7与精馏塔体1交换热量从而使得精馏塔体1进行升温汽化，加热组件5则直接在精馏塔体1的内部提供精馏的加热，残液排出管4则用于对精馏过程完毕后产生的残液进行排出。
所述隔板9上开设有若干组漏孔15，若干组所述漏孔15呈环形阵列均匀分布于隔板9上，所述隔板9设置为圆形且安装于精馏塔体1的内侧壁上；所述精馏塔体1的蒸馏层2产生的氮气则不断通过隔板9的漏孔15向上升，从而经过水吸附剂层11、二氧化碳吸附剂层12、氢吸附剂层13与一氧化碳吸附剂层14的吸附，从而对氮气中水、二氧化碳、氢气、一氧化碳进行吸附，从而实现多种气体除杂的功能；
所述精馏塔体1的蒸馏层2内部安装有若干组扰流板8，若干组扰流板8呈间隔交错分布，呈间隔交错分布的若干组扰流板8使得蒸馏层2中产生的氮气在蒸馏层2中停留更多的时间，从而获得更好的精馏效果，若干组扰流板8的设置形式如图3所示。
所述精馏塔体1的内侧壁上固定连接有支撑块10，所述水吸附剂层11、二氧化碳吸附剂层12、氢吸附剂层13与一氧化碳吸附剂层14均通过支撑块10设置于精馏塔体1的内部；通过在精馏塔体1的内侧壁上设置若干组对称的支撑块10，则可对用于填充的水吸附剂、二氧化碳吸附剂、氢吸附剂和一氧化碳吸附剂的容纳腔体进行支撑安装，且每层的支撑块10之间的高度间距根据实际的填充层高度需求进行调整，图3中水吸附剂层11、二氧化碳吸附剂层12、氢吸附剂层13与一氧化碳吸附剂层14的安装位置不与图中示出的安装位置呈严格对应的，具体的设置形式需要根据工艺的需求进行调整，来选择首先对氮气中水、二氧化碳、氢气和一氧化碳中的哪一种杂质进行首先吸附，进行调整杂质的吸附顺序。
四组分别水吸附剂层11、二氧化碳吸附剂层12、氢吸附剂层13与一氧化碳吸附剂层14的吸附剂容纳腔体设置为上下两端均设置有过气孔的容纳腔体，蒸馏层2的气体自吸附剂容纳腔体的底部进入经过吸附后从吸附剂容纳腔体的顶部排出，所述精馏塔体1的侧部开设有用于吸附剂容纳腔体安装的插槽16。
综上所述，本发明采用精馏方式获得高纯氮气，降低产品氮中氧、氩杂质含量，且能达到ppb级别的杂质；由于精馏并不能除去氢、一氧化碳杂质，同时每套设备周遭环境中杂质含量不同，且不同轮次的生产过程对产品品质要求不同，因此采用吸附的方式预除空气中的氢及一氧化碳；为节约设备成本，将除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中，同时也减少能耗的消耗；即整套装置即提高了氮气产品纯度，同时也节省了能耗；本装置不需要额外增加设备，氮气不仅能满足GB/T 8979-2008中超纯氮定义，且杂质的含量均可在ppb等级。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可除杂质的超高纯制氮装置，其特征在于，包括：
精馏塔体(1)，所述精馏塔体(1)的内部设置有蒸馏层(2)与除杂质层(3)，所述除杂质层(3)设置于蒸馏层(2)的上部；
所述除杂质层(3)包括水吸附剂层(11)、二氧化碳吸附剂层(12))、氢吸附剂层(13)与一氧化碳吸附剂层(14)，所述精馏塔体(1)的除杂质层(3)自下至上依次安装有四组吸附剂容纳腔体，四组吸附剂容纳腔体分别对应于对水吸附剂层(11)、二氧化碳吸附剂层(12)、氢吸附剂层(13)与一氧化碳吸附剂层(14)，所述精馏塔体(1)的内部设置有若干组隔板(9)，所述隔板(9)分布于除杂质层(3)和蒸馏层(2)之间，所述隔板(9)分布于水吸附剂层(11)、二氧化碳吸附剂层(12)、氢吸附剂层(13)与一氧化碳吸附剂层(14)；
所述精馏塔体(1)的内侧壁上固定连接有支撑块(10)，所述水吸附剂层(11)、二氧化碳吸附剂层(12)、氢吸附剂层(13)与一氧化碳吸附剂层(14)均通过支撑块(10)设置于精馏塔体(1)的内部；还包括如下步骤：
步骤S1、采用精馏方式获得高纯氮气，降低产品氮中氧、氩杂质含量，且能达到ppb级别的杂质；
步骤S2、由于精馏并不能除去氢、一氧化碳杂质，同时每套设备周遭环境中杂质含量不同，且不同轮次的生产过程对产品品质要求不同，因此采用吸附的方式预除空气中的氢及一氧化碳；
步骤S3、为节约设备成本，将除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中，同时也减少能耗的消耗。
2.根据权利要求1所述的一种可除杂质的超高纯制氮装置，其特征在于：所述精馏塔体(1)的蒸馏层(2)安装有冷凝器，所述蒸馏层(2)通过连接管(7)连通有再沸器(6)，所述连接管(7)连接于蒸馏层(2)侧面底部。
3.根据权利要求2所述的一种可除杂质的超高纯制氮装置，其特征在于：所述蒸馏层(2)的内部安装有用于精馏的加热组件(5)，所述精馏塔体((1)的蒸馏层(2)底部安装有残液排出管(4)，空气经过精馏塔体(1)处理后的残液通过残液排出管(4)排除。
4.根据权利要求3所述的一种可除杂质的超高纯制氮装置，其特征在于：所述隔板(9)上开设有若干组漏孔(15)，若干组所述漏孔(15)呈环形阵列均匀分布于隔板(9)上，所述隔板(9)设置为圆形且安装于精馏塔体(1)的内侧壁上。
5.根据权利要求4所述的一种可除杂质的超高纯制氮装置，其特征在于：所述精馏塔体(1)的蒸馏层(2)内部安装有若干组扰流板(8)，若干组扰流板(8)呈间隔交错分布。
6.根据权利要求5所述的一种可除杂质的超高纯制氮装置，其特征在于：四组分别水吸附剂层(11)、二氧化碳吸附剂层(12)、氢吸附剂层(13)与一氧化碳吸附剂层(14)的吸附剂容纳腔体设置为上下两端均设置有过气孔的容纳腔体，蒸馏层(2)的气体自吸附剂容纳腔体的底部进入经过吸附后从吸附剂容纳腔体的顶部排出，所述精馏塔体(1)的侧部开设有用于吸附剂容纳腔体安装的插槽(16)。
7.根据权利要求1所述的一种可除杂质的超高纯制氮装置，其特征在于：步骤S3之后还包括如下步骤：在除氢、除一氧化碳吸附剂分层填装在除水、二氧化碳的装置中后，则可通过带有分层吸附剂的设备对多种气体杂质进行吸附去除，从而获得高纯的氮气产品。
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