用于至少回收氮气及氩气的工艺及装置的制作方法

本发明涉及用于从空气(例如，氧气、氩气及氮气)回收至少包含氩气及氮气的流体的工艺、被配置成从至少一种进料气体至少回收氮气及氩气的气体分离设备、空气分离设备、空气分离系统、使用多个塔来回收氮气、氩气及氧气流体的系统以及其制作及使用方法。

背景技术：

1、电子芯片制造商传统上需要氮气用于它们的设施。使用空气分离处理来为此类设施提供氮气。结合空气分离处理开发的系统的实例包含美国专利第4,022,030号及第4,822,395号、国际专利公开第wo2020/169257号、第wo2020/244801号、第wo2021/078405号以及美国专利申请公开第2019/0331417号、第2019/0331418号及第2019/0331419号。

2、芯片制造设施通常使用空气分离工艺，这些工艺经设计主要产生氮气流以及废氧气。废氧气含有进入空气中的大部分氧气及氩气，加上一些未回收的氮气。来自此类设施的典型废氧气输出流组合物为65％的氧气、3％的氩气及32％的氮气。

3、最近，一些制造商可能要求其设施中的空气分离设备供应高纯度氩气及氮气。通常，此类系统经设计使得氧废物输出流的氧气纯度必须为大于99.5％至99.9％的氧气、零氮气及余量的氩气。

技术实现思路

1、我们已经判定，经设计以提供高纯度的氮气及氩气流体以供制造设施(例如，芯片制造设施或可能有此种需求的其他设施等)使用的一些空气分离工艺通常可产生大量的高纯度氧气，这对设施操作者而言价值很小或没有价值。我们已经判定，这种空气分离处理可经设计以减少形成氮气及氩气流体流所需的功率，或者提供改进的氩气回收。实施例还可被配置成提供设备或工艺的更加环境友好的操作。此外，我们已经判定，实施例可经设计以提供增强的氩气回收，这取决于可能已经在设备处使用的基础氧气/氮气分离工艺的特定配置，使得该设备可经升级以提供氩气回收或提供改进的氩气回收，而不大幅度增加功率消耗。我们还已经判定，其他实施例可经设计以提供增强的氩气回收，这取决于可能已经在设备处使用的基础氧气/氮气分离工艺的特定配置，使得设备实施例可经设计以提供增强的氩气回收，这取决于可能已经在设备处使用的基础氧气/氮气分离工艺的特定配置，使得该设备可提供氩气回收的显著改进，这会抵消提供改进的氩气回收可能需要的功率增加。

2、在第一方面中，一种用于分离包括氧气、氮气及氩气的进料气体的工艺可包含经由至少具有第一塔及第二塔的分离系统的压缩系统来压缩进料气体。该第一塔可为在高于该第二塔的压力下操作的高压(hp)塔。该第二塔可为在低于该第一塔的压力下操作的低压(lp)塔。该工艺还可包含将经压缩的进料气体的第一进料流部分进料至第一热交换器以冷却该经压缩的进料气体的该第一进料流部分，将该经压缩的进料气体的经冷却的第一进料流部分进料至该hp塔以产生hp富氮蒸气流及hp富氧流，经由hp再沸器-冷凝器冷凝该hp富氮蒸气流的第一部分以形成hp冷凝物流，使得该hp冷凝物流的第一部分可再循环至该hp塔，并且从该lp塔至少输出lp富氮流、第一lp富氧流及lp富氩流。该第一lp富氧流可具有至少97摩尔百分比(摩尔％)氧的氧含量(例如在97摩尔％氧至100摩尔％氧的范围内)。该工艺还可包含将该lp富氩流进料至第三塔，以形成富氩蒸气及贫氩液体。该第三塔可为富氩(ae)塔。该工艺可另外包含将所形成的富氩蒸气进料至ae塔再沸器-冷凝器，将该贫氩液体进料至该lp塔，经由该ae塔再沸器-冷凝器至少部分地冷凝从该ae塔输出的该富氩蒸气，以及将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合，以形成进料至该ae塔再沸器-冷凝器的第一混合氮-氧流体，其中该第一混合氮-氧流体至少部分地蒸发，以提供该ae塔再沸器-冷凝器的至少一部分制冷负荷，用于至少部分地冷凝该第一富氩蒸气。该工艺还可包含将至少部分蒸发的第一混合氮-氧流体的第一部分进料至该lp塔。

3、在第二方面中，将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合以形成进料至该ae塔再沸器-冷凝器的该第一混合氮-氧流体可包含将该lp富氮流进料至混合设备，使得该lp富氮流全部进料至该混合设备，或者仅该lp富氮流的第一部分被进料至该混合设备，同时第二部分与该lp富氮流的该第一部分分开，用于与从该混合设备输出的第二混合氮-氧流体流混合，或者与该lp富氮流的该第一部分分开，用于单独进料至第一热交换器，作为单独的产物流、用于另一设备过程的过程流(例如，再生流)输出，或者作为排放至大气中的废物流输出。

4、在第三方面中，该工艺还可包含将该经压缩的进料气体分成该第一进料流部分及第二进料流部分，将该经压缩的进料气体的该第二进料流部分进料至该第一热交换器，以冷却该经压缩的进料气体的该第二进料流部分，并将该经压缩的进料气体的经冷却的第二进料流部分进料至第四塔以产生富氮蒸气流及富氧流。该第四塔可在大于该hp塔操作的压力的压力下操作(例如，它可被视为例如高压塔等)。第三方面的工艺还可包含在该第一热交换器中温热从该第四塔输出的该富氮蒸气流的至少一部分以提供氮产物流，将从该第四塔输出的该富氧流进料至该hp塔，将该hp冷凝物流分成该hp冷凝物流的该第一部分及该hp冷凝物流的第二部分，以及将该hp冷凝物流的该第二部分在该第四塔的顶部处或其顶部附近进料至该第四塔。

5、在第四方面中，该工艺还可包含将经由第四塔(例如第三方面的第四塔)形成的富氮蒸气分成从该第四塔输出的该富氮蒸气的第一部分及从该第四塔输出的该富氮蒸气的第二部分，在该第一热交换器中温热从该第四塔输出的该富氮蒸气的该第一部分以提供该氮产物流，及经由第四塔再沸器-冷凝器冷凝该富氮蒸气的该第二部分，以形成可再循环至该第四塔的冷凝物。此外，如上文在第三方面中所讨论，将从该第四塔输出的该富氧流进料至该hp塔可包含将从该第四塔输出的该富氧流传递至该第四塔再沸器-冷凝器，以至少部分地蒸发该富氧流，用于将其进料至该hp塔。

6、在第五方面中，该工艺还可包含将从该hp塔输出的该hp富氧流分成第一部分及第二部分，并且将该第一混合氮-氧流体与该hp富氧流的该第二部分混合以用于将该第一混合氮-氧流体进料至该ae塔再沸器-冷凝器，以提供该ae塔再沸器-冷凝器的至少一部分制冷负荷，用于至少部分地冷凝该第一富氩流。

7、应当理解，将该hp富氧流的第二部分与该第一混合氮-氧流体的混合可导致进料至该第二再沸器-冷凝器的该第一混合氮-氧流体具有更高氧含量。从混合设备输出的可被进料至该第二再沸器-冷凝器的该第一混合氮-氧流体，当它与该hp富氧流的富氧部分混合时，以及当它不与该hp富氧流的该部分混合时，可被进料至该第二再沸器-冷凝器，以提供该第二塔再沸器-冷凝器(还可称为ae塔再沸器-冷凝器)的至少一部分制冷负荷，用于至少部分地冷凝该第一富氩蒸气。

8、在第六方面中，将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合以形成进料至该ae塔再沸器-冷凝器的该第一混合氮-氧流体可包含将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流及该hp富氧流的一部分混合以形成该第一混合氮-氧流体。该hp富氧流的该部分可被视为该流的第一部分，而该流的第二部分被进料至该lp塔，或者该hp富氧流的该部分可被视为第二部分，而该hp富氧流的第一部分被进料至该lp塔。在其中该hp富氧流可被分成多于两个部分的一些情况下，进料至混合设备用于与从该lp塔输出的该lp富氮流及从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合的该hp富氧流的该部分可被视为该hp富氧流的第一部分、第二部分或第三部分。

9、在该工艺的第七方面中，该工艺可包含将从该ae塔再沸器-冷凝器输出的该第一混合氮-氧流体传递至相分离器，以形成氮-氧蒸气及氮-氧液体，将该氮-氧液体进料至该lp塔，并将该氮-氧蒸气与从混合设备输出的第二混合氮-氧流体混合，该混合设备还输出该第一混合氮-氧流体。

10、在第八方面中，该工艺可另外包含将从该ae塔再沸器-冷凝器输出的该第一混合氮-氧流体传递至相分离器，以形成含氮蒸气及氮-氧液体，并将从该相分离器输出的该氮-氧液体进料至该lp塔。此外，将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合以形成该第一混合氮-氧流体可包含将从该相分离器输出的该含氮蒸气与从该lp塔输出的该lp富氮流及从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合以形成该第一混合氮-氧流体和/或第二混合氮-氧流体。

11、在第九方面中，将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合可在单级混合设备中进行，该单级混合设备形成作为液体的该第一混合氮-氧流体及作为蒸气的第二混合氮-氧流体。替代地，该混合可经由另一种类型的混合设备(诸如多级混合塔或其他类型的混合设备)进行。

12、在第十方面中，将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合可在多级接触塔或混合塔中进行，使得该第一lp富氧流在该多级接触塔或该混合塔的顶部处引入并向下流动，该lp富氮流在该多级接触塔或该混合塔的底部处引入并向上流动，且该第一混合氮-氧流体作为液体从该多级接触塔或该混合塔的底部附近输出。还可从该多级接触塔或该混合塔的该顶部附近以蒸气形式回收第二混合氮-氧流体。

13、在第十一方面中，该工艺可进行使得该至少部分地冷凝该富氩蒸气为完全冷凝以形成富氩液体。替代地，该至少部分地冷凝该富氩蒸气可为不完全冷凝，因此所形成的流包含富氩液体及富氩蒸气两者。

14、在第十二方面中，该工艺的第一方面可包含第二方面、第三方面、第四方面、第五方面、第六方面、第七方面、第八方面、第九方面、第十方面或第十一方面中的一或多者。例如，第一方面可与第二方面至第十一方面所有者组合作为第十二方面的实施例，或者可包含一或多个此类方面的组合作为第十二方面的实施例。

15、在第十三方面中，一种用于分离包括氧气、氮气及氩气的进料气体的系统可包含第一塔及第二塔。该第一塔可为可在高于该第二塔的压力下操作的高压(hp)塔。该第二塔可为可在低于该第一塔的压力下操作的低压(lp)塔。该系统还可包含压缩系统，该压缩系统被定位成将经压缩的进料气体的第一进料流部分进料至第一热交换器，以冷却该经压缩的进料气体的该第一进料流部分。该第一热交换器可被定位成冷却从该压缩系统输出的该经压缩的进料气体的该第一进料流部分，以将经冷却经压缩的第一进料流部分进料至该hp塔，以产生hp富氮蒸气流及hp富氧流。hp再沸器-冷凝器可被定位成冷凝该hp富氮蒸气流的第一部分以形成hp冷凝物流，使得该hp冷凝物流的第一部分能够再循环至该hp塔。该lp塔可被定位及配置成至少输出lp富氮流、第一lp富氧流及lp富氩流，使得该第一lp富氧流具有至少97摩尔％氧的氧含量(例如，介于97摩尔％与100摩尔％之间的氧含量)。第三塔可被定位成接收从该lp塔输出的该lp富氩流，以形成富氩蒸气及贫氩液体。该第三塔可为富氩(ae)塔。该ae塔可连接至该lp塔，使得从该第三塔输出的该贫氩液体可进料至该lp塔。ae塔再沸器-冷凝器可被定位成接收从该第三塔输出的该富氩蒸气，以至少部分地冷凝从该ae塔输出的该富氩蒸气。混合设备可被定位成将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合，以形成进料至该ae塔再沸器-冷凝器的第一混合氮-氧流体，因此该第一混合氮-氧流体至少部分地蒸发，以提供该ae塔再沸器-冷凝器的至少一部分制冷负荷，用于至少部分地冷凝该第一富氩蒸气。该ae塔再沸器-冷凝器可被定位并连接至该lp塔，使得从该ae塔再沸器-冷凝器输出的至少部分地蒸发的第一混合氮-氧流体的第一部分能够进料至该lp塔。

16、在第十四方面中，可提供该系统，使得它可执行第一方面、第二方面、第三方面、第四方面、第五方面、第六方面、第七方面、第八方面、第九方面、第十方面、第十一方面或第十二方面的工艺的实施例。

17、在第十五方面中，可提供该系统，使得该压缩系统连接至该第一热交换器，使得该经压缩的进料气体可分成该第一进料流部分及第二进料流部分。该经压缩的进料气体的该第一进料流部分可被进料至该第一热交换器，以冷却该经压缩的进料气体的该第二进料流部分。该系统还可包含第四塔，该第四塔用以从该第一热交换器接收该经压缩的进料气体的经冷却的第二进料流部分，以产生富氮蒸气流及富氧流。该第四塔可被配置成在大于该hp塔可操作的该压力的压力下操作。该第四塔还可连接至该第一热交换器，使得从该第四塔输出的该富氮蒸气流的至少一部分能够传递至该第一热交换器，以加热其中的该富氮蒸气，从而提供氮产物流。该第四塔还可连接至该hp塔，使得从该第四塔输出的该富氧流能够进料至该hp塔。该hp再沸器-冷凝器可被定位成使得该hp冷凝物流能够分成该hp冷凝物流的该第一部分及该hp冷凝物流的第二部分，使得该hp冷凝物流的该第二部分能够在该第四塔的顶部处或其顶部附近传递至该第四塔。

18、在第十六方面中，该系统可包含第四塔再沸器-冷凝器，该第四塔再沸器-冷凝器被定位成形成可再循环至该第四塔的冷凝物。该第四塔可连接至该hp塔，使得从该第四塔输出的该富氧流传递至该第四塔再沸器-冷凝器，以至少部分地蒸发该富氧流，用于将其进料至该hp塔。

19、在第十七方面中，从该hp塔输出的该hp富氧流可被分成第一部分及第二部分，并且该混合设备可被定位成将该第一混合氮-氧流体与该hp富氧流的该第二部分混合以形成该混合氮-氧流体，然后将该第一混合氮-氧流体进料至该ae塔再沸器-冷凝器，以提供该ae塔再沸器-冷凝器的至少一部分制冷负荷，用于至少部分地冷凝该第一富氩蒸气。此可例如通过将该hp富氧流的该第二部分进料至该混合设备用于在其中进行混合来提供。此还可通过在该第一混合氮-氧流体从该混合设备输出之后但在其被进料至该第二再沸器-冷凝器之前，将该hp富氧流的该第二部分与该第一混合氮-氧流体混合来提供。

20、在第十八方面中，该混合设备可被定位成将从该lp塔输出的该lp富氮流与从该lp塔输出的该第一lp富氧流及该hp富氧流的一部分混合，以形成该第一混合氮-氧流体。

21、在第十九方面中，该系统还可包含相分离器，该相分离器被定位成接收从该ae塔再沸器-冷凝器输出的该第一混合氮-氧流体，以形成能够进料至该lp塔的氮-氧蒸气及氮-氧液体。该相分离器可被定位及配置成使得从该混合设备输出的第二混合氮-氧流体能够与从该相分离器输出的该氮-氧蒸气混合以形成废气体流。

22、在第二十方面中，该系统可包含相分离器，该相分离器被定位及配置成接收从该ae塔再沸器-冷凝器输出的该第一混合氮-氧流体，以形成能够进料至该混合设备的含氮蒸气及能够进料至该lp塔的氮-氧液体。该混合设备可被定位及配置成还从该相分离器接收该含氮蒸气，用于将该含氮蒸气与从该lp塔输出的该lp富氮蒸气及从该lp塔输出的该第一lp富氧流混合，以形成该第一混合氮-氧流体。

23、在第二十一方面中，可提供该系统使得该混合设备为单级混合设备，该单级混合设备被配置成形成作为液体的该第一混合氮-氧流体及作为蒸气的第二混合氮-氧流体。

24、在第二十二方面中，可提供该系统，使得该混合设备为多级塔或混合塔。例如，该多级塔或混合塔可被定位及配置成使得该第一lp富氧流在该多级接触塔或该混合塔的顶部处被引入并向下流动，该lp富氮流在该多级接触塔或该混合塔的底部处被引入并可向上流动，该第一混合氮-氧流体作为液体从该多级接触塔或该混合塔的底部输出，且从该多级接触塔或该混合塔的该顶部能够以蒸气形式回收第二混合氮-氧流体。

25、在第二十二方面中，可提供该系统，使得至少部分地冷凝该富氩蒸气为完全冷凝以形成富氩液体。替代地，至少部分地冷凝该富氩蒸气可为不完全冷凝，以形成富氩液体，且同时一些富氩蒸气保留在富氩流体的输出流中。

26、在第二十三方面中，该第十三方面可与第十四方面、第十五方面、第十六方面、第十七方面、第十八方面、第十九方面、第二十方面、第二十一方面和/或第二十二方面中的一或多者组合。例如，在第二十三方面的一些实施例中，第十三方面可与这些方面所有者、仅彼等方面中的另一者或者这些方面的组合进行组合。

27、应当理解，可在上述实施例中使用的不同流体流可包含蒸气、液体或蒸气与液体的组合。包含蒸气的流体流可包含蒸气或气体。

28、还应理解，该工艺和/或系统的实施例可使用一系列导管用于不同单元的互连，使得不同的流可以在不同的单元之间输送。此类导管可包含管道、阀门及其他导管元件。该系统还可使用传感器、检测器及至少一个控制器来监测该系统的操作和/或提供该系统的自动或至少部分自动控制。各种不同的传感器(例如温度传感器、压力传感器、流量传感器等)可连接至不同的导管或系统元件。

29、其他元件还可包含在可被提供以使用本发明的工艺的实施例的该系统的实施例中。例如，一或多个泵、压缩机、风扇、容器、预处理单元、吸附器或其他单元还可用于该系统的实施例中。应当理解，该系统的实施例可经结构化及配置以使用该工艺的至少一个实施例。

30、本发明的用于从空气回收流体(例如，氩气及氮气)的工艺、被配置成从至少一种进料气体回收氮气及氩气的气体分离设备、空气分离设备、空气分离系统、使用多个塔来回收氮气、氩气以及任选的氧气流体的系统、使用此类系统或工艺的设备以及其制作及使用方法的其他细节、目的及优点将随着以下对其特定示例性实施例的描述而变得显而易见。