利用壓縮熱的淨化系統的製作方法

2023-05-20 01:19:46 2

專利名稱：利用壓縮熱的淨化系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及從含氧流中脫除諸如一氧化碳、氫和/或甲烷等可氧化雜質。本發明尤其適用於低溫空氣分離裝置進料的淨化。
在空氣低溫精餾以生產氮氣和氧氣等工業氣體的過程中，在將原料空氣加入空分裝置的低溫精餾塔之前，要先除去進料空氣中的高沸點雜質，例如二氧化碳、水蒸氣以及大部分烴類。如果不除去進料中的這些高沸點雜質，它們就會在低溫精餾系統操作溫度下凝結甚至固化，從而嚴重增加分離過程的負擔。通常，這些高沸點雜質是通過把進料空氣流經逆流換熱器，或含有分子篩或其他吸附劑的吸附劑床層從低溫精餾塔或塔組的進料空氣流的上遊中除去的。
進入低溫精餾裝置的進料空氣還可能含有低沸點雜質，例如，一氧化碳和氫以及痕量諸如甲烷的烴類。這些低沸點雜質在整個低溫精餾過程中始終是氣態，故不會像前面提到的高沸點雜質那樣增加分離過程負荷。由於這一原因，通常不把低溫精餾裝置進料空氣中的低沸點雜質除掉，而任其流經系統並隨產品，主要是易揮發產品(一般為氮氣)，一起從低溫精餾裝置出來。
含少量一氧化碳和氫的低沸點雜質的氮氣適合大多數應用場合。但是，像電子工業中採用的半導體製造工藝中的鈍化處理這樣一些氮的應用場合則要求基本上不含一氧化碳和氫的超高純氮。在這些場合，普通地採用「使用點淨化器」(PointofusePurifier)來除掉即將流向使用點氮氣流中的一氧化碳和氫。使用點淨化器也可用來除掉低溫空氣分離裝置氧氣產品中的甲烷。這種使用點淨化器能有效地除去氮氣中的一氧化碳和氫，但這種淨化器存在一定缺點，例如，成本高和使用困難。此外，使用點淨化器尚有另外一個不利之處，即它們不可避免地要產生顆粒狀物，在氣流通過淨化器時這些顆粒狀物便被帶入氮氣流中。這一缺點，在要求氮氣具有超高純度的應用場合尤其不利。
所以，最好是避免要求用使用點淨化器處理從低溫精餾裝置生產出的產品。一種解決辦法是把進料空氣流中的一氧化碳和氫氣在進入低溫精餾塔之前除掉。這樣一來，來自低溫精餾裝置的產品，例如氮，基本上不含這些低沸點雜質，因而可以無需使用點淨化而直接應用在要求超高純的應用場合。雖然用於除去進料空氣流中一氧化碳和氫等雜質的系統是已知的，但這些系統一般都要求高溫才能做到高效運轉，故成本高。
因此，本發明的目的之一在於提供一種用來除去進料流中諸如一氧化碳、氫和/或甲烷的可氧化雜質的改進系統。
本發明的另一目的在於提供一種特別適用於低溫精餾裝置中、用來除去進料流中諸如一氧化碳、氫和/或甲烷的可氧化雜質的改進系統。
本發明實現了上述以及其他目的，這些目的對於熟悉本技術的人，在讀了本公開以後將變得顯而易見，該發明的一個方面是一種除去進料流中可氧化物種的方法，包括(A)將包含氧及一氧化碳、氫和甲烷中至少一種可氧化物種購進料流壓縮，同時藉助壓縮過程產生的壓縮熱提高進料流的溫度;
(B)使含壓縮熱的進料流通過一個含有氧化催化劑的催化區;
(C)在催化區中，使進料流中的可氧化物種氧化成為氧化物種;和(D)去除進料流中的氧化物種。
本發明的另一個方面是用於去除進料流中可氧化物種的設備，包括(A)一臺壓縮機及一個催化劑床;
(B)用於把進料流送至壓縮機的機構以及把從壓縮機出來的進料流不通過冷卻裝置而送至催化劑床的機構;
(C)用於除去物流中氧化物種的淨化器;
(D)用於將進料流通過該淨化器的機構以及從淨化器中將進料流抽出的機構。
這裡所用「床」一詞意指盛於容器中、由壓制的固體顆粒構成的可穿透聚集體。
這裡所用「塔」一詞意指一個精餾塔或分餾塔或精餾/分餾區，即一種接觸塔或區，其中液、汽兩相逆流接觸從而實現一種流體混合物的分離，例如，藉助汽、液相在汽液接觸部件上接觸，例如，在一系列沿塔內豎向間隔安裝的塔盤或塔板上和/或有規則碼放或無規填充的填料部件上接觸。關於精餾塔的進一步討論，可參見《化學工程師手冊》，第5版，R、H、Perry和C、H、Chilton編，McGraw-HillBook公司出版。紐約，第13節，「精餾」，B、D、Smith等撰寫，13-3頁，連續精餾過程。
這裡所用「精餾」或連續蒸餾，意指當藉助汽、液兩相逆流處理而達到的連續部分汽化與冷凝相結合的分離過程。低溫精餾是一種至少一部分在諸如150°K或更低的低溫下進行的精餾過程。一種低溫精餾裝置包括一個或多個塔。
這裡所用的「間接換熱」一詞，意指使兩股流體進行熱交換而又不發生流體間物理接觸或彼此混合。
這裡所用「進料空氣」一詞，意指主要包括氮和氧，例如空氣這樣的混合物。
這裡所用的「壓縮機」一詞，意指用於提高氣體壓力的一種裝置。
這裡所用「壓縮熱」一詞，意指由壓縮機輸入氣體，如進料空氣的能量，它表現為氣體溫度升高。


圖1是本發明淨化系統的簡化示意圖。
圖2是適合與本發明淨化系統聯合使用的低溫精餾裝置的一個具體實施方案的示意圖。
利用本發明的方法，可從一股也含有氧的物流中除掉一氧化碳、氫和/或甲烷，其步驟是先將該股物流壓縮至一定高壓，以產生壓縮熱，接著在該物流通過含氧化催化劑的催化區時保持該物流中的壓縮熱。該壓縮熱使催化反應得以較充分地進行，從而促進可氧化物種轉化為氧化物種。在本發明實施過程中，一氧化碳(如果存在)轉化為二氧化碳;氫(如果存在)轉化為水;而甲烷(如果存在)轉化為二氧化碳和水。二氧化碳和/或水藉助慣用方法，例如利用逆流換熱器、分子篩吸附床或凝膠捕集器等，從物流中除去。
在空氣低溫精餾中，典型地將進料空氣壓縮至一定高壓以推動分離過程。隨後，典型地將進料空氣冷卻以移出產生的壓縮熱。本發明在處理這種低溫精餾進料流方面尤其有用，因為它使得必然要產生、且隨後又不經利用必須移出的壓縮熱獲得了有利的利用。
下面對照附圖詳細說明本發明。現在參看圖1，含有一氧化碳、氫和/或甲烷，以及氧的進料流20被送入壓縮機21。根據意圖不同，進料流可以做為進一步加工操作的進料，或者也可以在除掉可氧化物種後直接回收。一種特別好的進料流是準備用做低溫精餾裝置進料的常態空氣。典型地說，這種常態空氣含有平均濃度在1-5000ppb之間的一氧化碳，還含有平均濃度在0.5-20000ppb之間的氫。(ppb＝十億分之一份)當進料流通過壓縮機21時，進料流壓力一般提高到40-400磅/平方英寸，絕壓(Psia)，在此過程中產生了能提高進料流溫度的壓縮熱。較好地，從壓縮機21出來的進料流22的溫度在至少90℃，而一般在80-200℃範圍內。
特別是在進料為同時還含有水蒸汽的常態空氣情況下，在送入催化區之前除掉進料中水蒸汽可能是較好的。在這種情況下，可以將進料通過防潮層23以便除掉水。防潮層23可以包括薄膜和/或粒狀乾燥劑。
隨後將物流22通過催化區24。當物流22仍然含有壓縮熱且其溫度至少在80℃時，將它通入催化區24，這樣便不存在由壓縮機21和催化區24之間的進料所要求的換熱或冷卻機構的幹擾介入。已意識到在壓縮機和催化區之間的物流22中會含有一些熱損失。在實施本發明時，在壓縮機與催化區間不存在任何專門設置或主要作用是從物流22移出熱量的機構。
催化區或催化劑床24含有至少一種選自釕、銅、鋨、銠、鈀、銥、鉑和錫的金屬元素。催化劑床可以包含由兩種或兩種以上上述金屬元素組成的混合物。催化劑中可含金屬的一般支承形式既可以是在諸如氧化鋁、離子交換分子篩、凝膠等表面上的塗層，和/或一種多孔構造。
當進料穿過催化劑床24時，物流22中的可氧化物種被吸附並被進料中的氧氧化，根據情況不同生成二氧化碳和/或水。
從催化區24抽出進料流25，並將其送到並通過淨化器26，在淨化器裡，二氧化碳和/或水被除去。淨化器可以是諸如逆流換熱器、吸附劑床層或凝膠捕集器。在做為低溫精餾塔進料的情況下，為去除天然存在的高沸點雜質，通常已備有淨化器。故而，本發明方便地起到將難於除掉的低沸點雜質轉化為易於除掉的高沸點雜質的作用。如前所述，防潮層23不需要了，而全部水，包括催化氧化生成的水，都可以靠淨化器26除掉。通常，進料流25在通過淨化器26之前先行冷卻。
經過淨化器26之後，將進料31送至使用點。在低溫精餾的情況下，使用點就是生產氮、氧和/或氬等氣體產品，且包括一個或多個塔的低溫精餾裝置。在圖1中，編號27表示這種低溫精餾裝置。在低溫精餾裝置中，進料經低溫精餾被分離成諸如氮28之類的產品和廢氣29。如圖1所示，一部分廢氣，即流30可用來使淨化器26和/或防潮層23再生。
本發明在進料中一氧化碳和氫的濃度分別等於或超過1PPM的情況下，其功效最佳，此時可使上述雜質濃度降至低達0.1ppm甚至更低。當進料中除含有一氧化碳、氫和/或甲烷外還含有其他可氧化物種時，依據存在的可氧化物種具體種類之不同，這些物種在實施本發明過程中也可以被去除。例如，進料中可以含有乙烷或其他烴類。
圖2說明可與本發明聯合使用、生產氮氣產品的單塔低溫精餾裝置的一個具體實例。參看圖2，與圖1的物流31相對應的進料空氣3被送入塔4，並在其中藉助低溫精餾被分離成富氮塔頂汽和富氧塔底液。富氧塔底液與富氮塔頂汽(冷凝以提供塔回流)之間進行間接換熱而汽化。在圖2所示實例中，該過程在塔頂冷凝器7內完成。富氧液以物流6經過閥8進入塔頂冷凝器7。富氮塔頂汽以物流5進入塔頂冷凝器7，在此被冷凝並以物流9返回塔4作為回流。生成的富氧汽10被做為廢氣排出系統。物流5的一部分，即物流11被回收作為產品氮。該產品氮具有至少90%甚至可高達99.999999%以上的氮濃度，而所含一氧化碳和氫非常少，少到可以不需通過使用點淨化器即可應用於超高純使用場合。一般來說，該產品氮的一氧化碳含量在1ppm或更低，氫含量在1ppm或更低。
下面的實例進一步說明本發明，但不限制本發明。
實例1將常態空氣壓縮至56磅/平方英寸，絕壓的壓力，其溫度由於壓縮熱而上升到100℃。空氣中含有水蒸汽4000-6000ppm以及一氧化碳1.4ppm和氫1.2ppm。壓縮空氣以5升/分流量通過催化反應器，反應器為長6英寸、直徑7/8英寸，內裝50克含有氧化鋁載鈀的催化劑材料。在連續操作情況下，從催化反應器出來的進料流含有0.1ppm以下一氧化碳和0.3ppm以下氫。生成的二氧化碳和水藉助分子篩吸附劑從進料中除去。
實例2實施了與實例1相似的步驟，所不同的是流量為2.6升/分。在連續操作條件下，從催化反應器出來的進料流含有不足0.1ppm一氧化碳和不足0.15ppm氫。
這樣，採用本發明就可以較容易地脫除含氧流中的可氧化雜質，需要的話，經此處理的物流可做為生產滿足超高純應用產品的低溫精餾裝置原料，而不需要使用點淨化器。本發明的另一用途是用以將裝置產品中可氧化物種含量控制在均一的水平。在某些應用場合，雜質的恆定性要比其低含量本身更為重要。本發明能縮小裝置產品中雜質含量的波動幅度，從而改進裝置提供產品的均一性。
雖然結合某些較好實例對本發明做了詳細說明，但熟悉此項技術的人會認識到，此外尚有其他本發明的實施方案仍屬於權利要求的原則和範圍之內。
權利要求
1.一種用於脫除進料流中可氧化物種的方法，它包括(A)將含有氧和至少一種選自一氧化碳、氫和甲烷的可氧化物種之進料流壓縮，同時藉助壓縮過程產生的壓縮熱提高該進料流的溫度；(B)使含壓縮熱的進料流通過含有氧化催化劑的催化區；(C)使進料流中可氧化物種在催化區中氧化成氧化物種；和(D)除去進料流中的氧化物種。
2.權利要求1的方法，其中進料流由進料空氣組成。
3.權利要求1的方法，其中經壓縮的進料流的溫度至少為80℃。
4.權利要求1的方法，其中氧化催化劑包含釕、銠、鈀、鋨、銅、銥、鉑或錫。
5.權利要求1的方法，其中氧化催化劑包含釕、銠、鈀、鋨、銅、銥、鉑或錫中兩種或兩種以上。
6.權利要求1的方法，它進一步包括將進料流送入包括至少一個塔的低溫精餾裝置，並從該低溫精餾裝置回收產品。
7.權利要求6的方法，其中產品為氮氣。
8.權利要求6的方法，其中產品為氧氣。
9.權利要求6的方法，其中產品為氬氣。
10.權利要求1的方法，其中可氧化物種是一氧化碳，氧化物種是二氧化碳。
11.權利要求1的方法，其中可氧化物種是氫，氧化種是水。
12.權利要求1的方法，其中可氧化物種是甲烷，氧化物種是二氧化碳和水。
13.權利要求1的方法，其中可氧化物種是一氧化碳和氫，氧化物種是二氧化碳和水。
14.權利要求1的方法，其中可氧化物種是一氧化碳、氫和甲烷，氧化物種是二氧化碳和水。
15.權利要求1的方法，其中進料流除了含有一氧化碳、氫和甲烷之外還含有至少一種其他可氧化物種。
16.用來從進料流中除去可氧化物種的裝置，它包括(A)一臺壓縮機及一個催化劑床;(B)用於把進料流送到壓縮機的機構，以及把從壓縮機出來的進料流不經過冷卻設備而直接送到催化劑床的機構;(C)用來除去物流中的氧化物種的淨化器;(D)用於將進料流通過該淨化器的機構，以及從淨化器中將進料流抽出的機構。
17.權利要求16的裝置，進一步包括至少有一個塔的低溫精餾裝置、把進料流從淨化器送入低溫精餾裝置的機構、以及從低溫精餾裝置抽出產品的機構。
全文摘要
一種系統，在該系統中，含有氧和一氧化碳、氫和甲烷當中至少一種可氧化物種的物流，經壓縮產生壓縮熱，然後不經中間冷卻就通過催化區反應，結果生成氧化物種，該氧化物種隨後被從進料流中除去。
文檔編號B01D53/86GK1091331SQ9410018
公開日1994年8月31日 申請日期1994年1月5日 優先權日1993年1月6日
發明者J·H·羅雅爾, M·L·馬考斯基 申請人:普拉塞爾技術有限公司