能夠供應高純度二氧化碳的方法
2023-04-26 08:43:21
專利名稱：能夠供應高純度二氧化碳的方法
技術領域：
本發明提供一種提供氣體的方法。具體地，本發明涉及一種能夠供應
高純度二氧化碳(purified carbon dioxide)氣體的方法。
背景技術：
二氧化碳用於許多工業和家居應用中，許多這些應用要求二氧化碳中不含 有各種雜質。不幸的是，通過天然源如氣井、化學方法、發酵方法得到的二氧 化碳，或者在工業生產中產生的二氧化碳，特別是通過烴類產品燃燒產生的二 氧化碳，通常含有雜質量的硫化合物如硫化羰(COS)和硫化氫(H2S)，氧化產物 (oxygenates)如乙醛和醇，以及芳族化合物如苯。當二氧化碳將用於需要高純度 二氧化碳的應用(例如食品和碳酸飲料、醫藥產品和電子器件的製造和清潔)中 時，必須在使用之前，將氣流中含有的硫化合物和其它烴雜質減少到非常低的 含量。要求的雜質去除水平根據二氧化碳的應用而變化。例如，對於飲料用品， 二氧化碳(C02)中總硫含量應該低於O.lppm，芳香烴的含量必須低於0.02ppm。 對於電子清潔應用，需要將重烴的含量減小到低於O.lppm。
從二氧化碳之類的氣體中除去硫化合物和烴雜質的各種方法是已知的。例 如，授予Lieder等的美國專利第4,332,781號揭示了通過以下步驟除去氣流中 COS和H2S的方法首先，通過使氣流與可再生的氧化反應物的水溶液接觸來 除去烴氣流中的H2S，所述可再生的氧化反應物可以是多價金屬離子，例如鐵、 釩、銅等，從而產生含有COS的氣流和含有硫和還原的反應物的水性混合物。
美國專利第5,858,068和6,099,619號揭示了使用銀交換的八面沸石和MFI
型分子篩除去二氧化碳中的硫、氧和其它雜質，該二氧化碳將用在食品相關的 應用中。美國專利第5,674,463號揭示了利用水解和與金屬氧化物如氧化鐵的 反應來除去二氧化碳中的硫化羰和硫化氫雜質。
己經知道，通過使氣流與金屬氧化物如氧化銅、氧化鋅或它們的混合物接觸，可以直接除去氣流中的硫化合物(例如H2S)。還知道通過以下步驟可以除 去硫雜質首先在水解催化劑上使COS水解為H2S，然後通過與金屬氧化物反 應除去H2S。因為許多二氧化碳的終端使用者要求他們所使用的二氧化碳基本不含硫 化合物、烴和其它雜質，並且因為天然來源的二氧化碳和工業製造的二氧化碳 常含有硫和烴化合物，因此人們仍在尋找能夠基本上完全除去二氧化碳氣流中 的硫和烴化合物，且同時不會將其它雜質引入二氧化碳中的經濟且有效的方 法。也在尋找對各種雜質的低成本的分析方法。而且，人們也在尋找向製造過 程提供高純度二氧化碳的可靠方法。本發明提供一種簡便且有效的方法而實現 這些目的。發明概述在一個實施方式中，本發明提供一種能夠供應直接用於需要純化的氣 體的操作過程的高純度氣體(例如二氧化碳)的方法，該方法包括將二氧化碳 由生產設施輸送到需要使用高純度二氧化碳的場所，使二氧化碳通過各種 純化裝置除去硫化合物、氧化產物和芳族化合物之類的雜質，使用至少一 種分析儀器分析高純度二氧化碳的雜質情況，並將符合產品純度要求的高 純度二氧化碳的一部分引入操作過程中。在一個實施方式中，本發明的方法使使用者可以在遠程場所直接使用。 另外，高純度二氧化碳的至少一部分可用於後備儲存。本發明的方法包括從生產設備提供二氧化碳，使二氧化碳通過各種裝 置，以除去硫和烴(包括氧化產物和芳族化合物)之類的雜質，提供給分析裝 置以保證二氧化碳的純度，並將高純度二氧化碳供給製造過程中。該方法 還包括使高純度二氧化碳液化的部分，以及儲備高純度二氧化碳作為後備 的部分。二氧化碳的純度足以符合質保的要求。在一個實施方式中，使用檢測 器分析二氧化碳，在分析之前先將雜質濃縮。使用高純度二氧化碳的操作 選自食品和飲料、醫藥產品和電子清潔器件的消費品的製造。附圖簡要說明
雖然說明書與權利要求書清楚地指出了申請人認為是其本發明的主題，但 是通過結合以下附圖可以更好地理解本發明-
圖1是由二氧化碳純化設施進行二氧化碳生產和純化的示意圖。
發明詳述
通常生產的用於工業過程的二氧化碳含有許多雜質。這些雜質常常是許多 二氧化碳應用所關心的問題，但是在預計用於人消耗(例如碳酸飲料)和電子制 造的產品的生產中，二氧化碳的純度極為重要，能夠影響最終產品的味道、質 量和合法性。除了純度，二氧化碳供應的可靠性也是製造過程(通常是連續或 半連續的)關心的問題。本發明提供一種向製造過程可靠地提供高純度二氧化 碳的方法。二氧化碳的各種使用場所包括飲料灌裝設備、食品冷凍設備、電子
產品製造設備和噴泉(fountain)型二氧化碳分發場所。
圖1示出本發明的一個實施方式。在圖1中，從設施310附近的C02 生產設備300得到液體二氧化碳，在設施310處C02用於製造過程中。設 施310可以是飲料灌裝設備或電子產品製造設備。將二氧化碳輸送到儲罐 315，在氣化室320中氣化，將物流325輸送到分析系統400。如果該物流 在進料雜質方面符合預定的要求，則將該物流輸送到純化平臺(purification skid )330。純化平臺330排出的物流中的一部分取作物流335，用分析系統 400進行分析。如果該純化的物流在產物雜質方面符合預定的要求，則該物 流的大部分作為物流350被輸送到製造過程355， 一小部分作為345被輸送 進行液化，用於後備儲存。如果平臺330排出的物流不符合預定的要求， 則該物流作為物流340放空。後備物流345在冷卻器360中液化，並用泵 365將其泵送到儲罐370中。當需要後備的二氧化碳時，例如當離開裝置 330的物流不符合要求時，來自儲罐370的C02流在氣化室375中汽化， 該物流的一部分取作物流380，用於在裝置400中的分析。如果該物流在雜 質方面符合要求，則被輸送到裝置355用於製造過程。
本發明可應用的工業或消費業包括但不限於食品的製造和清潔；電子產 品、電子部件和組件的製造；醫學產品的清潔；軟飲料、啤酒和水的碳酸化；含有易燃液體或粉末的儲罐和容器的覆蓋；在空氣中會降解的材料的覆蓋，例 如植物油、香料和香精。儲罐315中可能不純的二氧化碳可由任何可利用的二氧化碳源得到，可含 有以下雜質硫化合物，例如硫化羰、硫化氫、二甲硫、二氧化硫和硫醇；烴 雜質，例如醛、醇、芳族化合物、丙烷、乙烯；以及其它雜質，例如水、 一氧 化碳。這些雜質可在純化裝置330中除去，在分析系統400中進行分析。該純 化裝置包含幾種用於除去硫雜質、烴、氧化產物和芳族化合物的模式(module)。為了本發明的目的，至少一些硫雜質(例如硫化氫和硫化羰)可以在50-150 'C的升高的溫度下除去。這些溫度可以通過加熱器和熱交換裝置獲得。在這些 溫度下除去硫雜質可以明顯提高這些雜質的去除效率。硫純化材料包括碳酸鹽 和氫氧化物，例如在活性碳上的鈉和鉀的氫氧化物或碳酸鹽；金屬氧化物，例 如單獨使用或負載在微孔吸附劑上的銅、鋅、鉻或鐵的氧化物，所述微孔吸附 劑例如活性氧化鋁、活性碳或矽膠。其它如CuY沸石之類的材料也可以通過 反應有效地除去硫化羰和二氧化硫雜質。活性碳也可用於除去硫醇。 一些材料 如氫氧化物和碳酸鹽可能需要氧使硫化合物(硫化氫)轉化為硫，需要氧和水使 硫化羰轉化為硫化氫，然後轉化為硫。烴雜質可通過催化氧化和吸附的結合或者只通過吸附來除去。催化床可以 在除硫床之後。需要通過加熱器和熱交換裝置將物流溫度升高到150-450°C， 以使各種烴雜質氧化。反應器的溫度取決於要除去的雜質和使用的催化劑。催 化床使用的材料通常是貴金屬如鉑或鈀，它們負載在顆粒狀或單塊式載體上。 反應器床通過氧化反應純化二氧化碳，在催化劑床之前加入適當量的氧氣。在 該反應器中除去的雜質通常包括丙烷、醛、醇、乙酸酯、芳族化合物、甲垸、 和一氧化碳。將離開反應器床或除硫床的物流在熱交換裝置中冷卻到接近室溫，然後送 入吸附床，除去水和其它雜質。吸附床可除去來自催化劑床的任何殘餘雜質和 反應產物，當不使用催化劑床時，吸附床可以除去水或大部分雜質。通常，活 性氧化鋁(AA)、沸石(例如4A或3X)或矽膠之類的吸附劑用於除去水分。NaY 沸石或其複合形式(與其它吸附劑如活性氧化鋁混合)之類的其它吸附劑用於除 去如酸、醇(例如甲醇和乙醇)、乙酸酯(例如乙酸甲酯和乙酸乙酯)和一些痕量的硫化合物(例如二甲硫化合物)的雜質。對於這些雜質，Y型沸石的能力明顯 高於其它沸石和非沸石材料。對於苯和甲苯之類的芳族化合物，可以使用活性 碳或脫鋁的Y型沸石之類的吸附劑。為了本發明的目的，用硫分析儀和烴分析儀分析在該處理過程的不同階段 的各種雜質。這兩種分析儀可以在單獨一個裝置中，例如氣相色譜，或者它們 可以是不同的裝置。在進行分析之前，可以對各種硫和烴雜質進行濃縮，以提 高它們在樣品中的含量。該步驟改善了各分析儀的檢測下限。對於二氧化碳用於飲料灌裝或電子製造，根據最終的用途和生產設施的規 模，二氧化碳的流速可以為80-1500smS/h(標準立方米/小時)。二氧化碳的壓力 通常約為1.7-21.5巴， 一般約為16-20巴。在某些應用中，特別是那些涉及用 於電子清潔的二氧化碳的應用中，壓力的範圍是60巴至數百巴。本發明的方法是設計用來解決二氧化碳雜質，特別是在用於製造過程時提 供的二氧化碳相關的問題。通過同時進行純化和分析，生產設施的操作者可以 獲得穩定供應且有質量保證的純化二氧化碳，並且本發明還提供含高純度二氧 化碳的後備儲罐，可用於任何純化二氧化碳的實時供應不足或者不能滿足需求 的特定情況。這使得操作者可以更好地控制純化過程，因為如果雜質含量不能 滿足二氧化碳中各雜質含量的要求，則操作者可以停止或中止純化過程。實施例1採用與圖1類似的純化平臺純化二氧化碳進行測試。該純化平臺包含用於 除硫的模式，用於除水和剩餘雜質的催化氧化裝置和吸附床，二氧化碳進料的情況如下壓力 17巴溫度 25°C流量 109.7標準立方米/小時H2S 5-9 ppmCOS 5ppm苯 2.5 ppm甲醇 160 ppm乙醛 llppm氧氣 比除去H2S、COS、苯、乙醛和甲醇所需的量多約50ppm。硫反應器床在IO(TC運行，該硫反應器床含有17.1千克浸漬了 20重量％ 碳酸鉀的活性碳。催化反應器床在250'C運行，包含鈀塗布的催化劑。所述裝置運行1周以上，使用包含FID和FPD檢測器以及樣品濃縮器的 氣相色譜對產物進行分析。在測試過程中，除硫床40排出的產物的總硫含量 保持低於0.05ppm，苯、甲醇和乙醛的含量都低於該儀器的檢測下限，各自小 於10ppb。基於吸附的樣品濃縮器使烴雜質的濃度增加了 IOO倍以上，明顯提 高了這些雜質的檢測限值。雖然已經參考了若干實施方式和實施例描述了本發明，但是本領域技術人 員可以在不背離本發明精神和範圍的情況下進行各種改變、添加和省略。
權利要求
1.一種能夠提供可直接用於需要高純度二氧化碳的操作的高純度二氧化碳的方法，所述方法包括a)將二氧化碳由生產設施輸送到要使用高純度二氧化碳的場所；b)使二氧化碳通過各種純化裝置除去雜質，形成高純度二氧化碳；c)使用至少一種分析儀器分析高純度二氧化碳中的雜質；d)將符合產品純度要求的高純度二氧化碳的一部分引入操作中。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，直接使用是在遠程場所使用。
3. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，提供高純度二氧化碳的一 部分作為後備儲存。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該方法還包括對進料進行 分析，以確保純度要求。
5. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述雜質包含硫化合物和 烴，所述烴包括氧化產物和芳族化合物。
6. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，二氧化碳的純度足以符合 質保要求。
7. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述各操作選自食品、醫 藥產品和電子器件消費品的製造和清潔。
8. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述純化裝置包括硫反應 器床。
9. 如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述硫反應床含有能與H2S 和COS反應的催化劑。
10. 如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述催化劑選自下組碳 酸鹽和氫氧化物、在活性碳上的碳酸鹽、在活性氧化鋁上的碳酸鹽、金屬氧化 物、負載在微孔吸附劑上的金屬氧化物、以及CuY沸石。
11. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述純化裝置還包括顆粒或 單塊式反應器床。
12. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述反應器床含有一種或多 種催化劑材料。
13. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述純化裝置還包括含有活 性氧化鋁和13X沸石的床。
14. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述活性氧化鋁和13X相互 層疊在一起。
15. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，還包括NaY沸石吸附劑。
16. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，還包括活性碳吸附劑。
17. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述二氧化碳排除裝置包括 閥裝置，用於將所述二氧化碳引向生產過程或儲備場所，或者同時引向兩者。
18. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括使用檢測器分析二氧化 碳純度，和在進行分析之前濃縮雜質。
19. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括硫分析裝置和烴分析 裝置。
20. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在約1.7-21.5巴的壓力下進 行操作。
21. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述純化裝置在約40-300°C 的溫度下操作。
全文摘要
本發明提供一種能夠供應可直接用於需要高純度二氧化碳的操作過程的高純度二氧化碳的方法，該方法包括將不純的二氧化碳通過各種純化裝置，除去硫化合物、氧化產物和芳族化合物。本發明還提供二氧化碳供應系統，提供純化二氧化碳的方法和設備，以及提供後備二氧化碳的方法。二氧化碳中的硫類物質和其它雜質可通過吸附和反應裝置除去。
文檔編號B01D53/02GK101262923SQ200680033159
公開日2008年9月10日 申請日期2006年8月8日 優先權日2005年8月8日
發明者C·B·艾倫, C·威特裡普, R·賈殷 申請人:琳德股份有限公司