专利名称：利用压缩热的净化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及从含氧流中脱除诸如一氧化碳、氢和/或甲烷等可氧化杂质。本发明尤其适用于低温空气分离装置进料的净化。
在空气低温精馏以生产氮气和氧气等工业气体的过程中，在将原料空气加入空分装置的低温精馏塔之前，要先除去进料空气中的高沸点杂质，例如二氧化碳、水蒸气以及大部分烃类。如果不除去进料中的这些高沸点杂质，它们就会在低温精馏系统操作温度下凝结甚至固化，从而严重增加分离过程的负担。通常，这些高沸点杂质是通过把进料空气流经逆流换热器，或含有分子筛或其他吸附剂的吸附剂床层从低温精馏塔或塔组的进料空气流的上游中除去的。
进入低温精馏装置的进料空气还可能含有低沸点杂质，例如，一氧化碳和氢以及痕量诸如甲烷的烃类。这些低沸点杂质在整个低温精馏过程中始终是气态，故不会像前面提到的高沸点杂质那样增加分离过程负荷。由于这一原因，通常不把低温精馏装置进料空气中的低沸点杂质除掉，而任其流经系统并随产品，主要是易挥发产品(一般为氮气)，一起从低温精馏装置出来。
含少量一氧化碳和氢的低沸点杂质的氮气适合大多数应用场合。但是，像电子工业中采用的半导体制造工艺中的钝化处理这样一些氮的应用场合则要求基本上不含一氧化碳和氢的超高纯氮。在这些场合，普通地采用“使用点净化器”(PointofusePurifier)来除掉即将流向使用点氮气流中的一氧化碳和氢。使用点净化器也可用来除掉低温空气分离装置氧气产品中的甲烷。这种使用点净化器能有效地除去氮气中的一氧化碳和氢，但这种净化器存在一定缺点，例如，成本高和使用困难。此外，使用点净化器尚有另外一个不利之处，即它们不可避免地要产生颗粒状物，在气流通过净化器时这些颗粒状物便被带入氮气流中。这一缺点，在要求氮气具有超高纯度的应用场合尤其不利。
所以，最好是避免要求用使用点净化器处理从低温精馏装置生产出的产品。一种解决办法是把进料空气流中的一氧化碳和氢气在进入低温精馏塔之前除掉。这样一来，来自低温精馏装置的产品，例如氮，基本上不含这些低沸点杂质，因而可以无需使用点净化而直接应用在要求超高纯的应用场合。虽然用于除去进料空气流中一氧化碳和氢等杂质的系统是已知的，但这些系统一般都要求高温才能做到高效运转，故成本高。
因此，本发明的目的之一在于提供一种用来除去进料流中诸如一氧化碳、氢和/或甲烷的可氧化杂质的改进系统。
本发明的另一目的在于提供一种特别适用于低温精馏装置中、用来除去进料流中诸如一氧化碳、氢和/或甲烷的可氧化杂质的改进系统。
本发明实现了上述以及其他目的，这些目的对于熟悉本技术的人，在读了本公开以后将变得显而易见，该发明的一个方面是一种除去进料流中可氧化物种的方法，包括(A)将包含氧及一氧化碳、氢和甲烷中至少一种可氧化物种购进料流压缩，同时借助压缩过程产生的压缩热提高进料流的温度;
(B)使含压缩热的进料流通过一个含有氧化催化剂的催化区;
(C)在催化区中，使进料流中的可氧化物种氧化成为氧化物种;和(D)去除进料流中的氧化物种。
本发明的另一个方面是用于去除进料流中可氧化物种的设备，包括(A)一台压缩机及一个催化剂床;
(B)用于把进料流送至压缩机的机构以及把从压缩机出来的进料流不通过冷却装置而送至催化剂床的机构;
(C)用于除去物流中氧化物种的净化器;
(D)用于将进料流通过该净化器的机构以及从净化器中将进料流抽出的机构。
这里所用“床”一词意指盛于容器中、由压制的固体颗粒构成的可穿透聚集体。
这里所用“塔”一词意指一个精馏塔或分馏塔或精馏/分馏区，即一种接触塔或区，其中液、汽两相逆流接触从而实现一种流体混合物的分离，例如，借助汽、液相在汽液接触部件上接触，例如，在一系列沿塔内竖向间隔安装的塔盘或塔板上和/或有规则码放或无规填充的填料部件上接触。关于精馏塔的进一步讨论，可参见《化学工程师手册》，第5版，R、H、Perry和C、H、Chilton编，McGraw-HillBook公司出版。纽约，第13节，“精馏”，B、D、Smith等撰写，13-3页，连续精馏过程。
这里所用“精馏”或连续蒸馏，意指当借助汽、液两相逆流处理而达到的连续部分汽化与冷凝相结合的分离过程。低温精馏是一种至少一部分在诸如150°K或更低的低温下进行的精馏过程。一种低温精馏装置包括一个或多个塔。
这里所用的“间接换热”一词，意指使两股流体进行热交换而又不发生流体间物理接触或彼此混合。
这里所用“进料空气”一词，意指主要包括氮和氧，例如空气这样的混合物。
这里所用的“压缩机”一词，意指用于提高气体压力的一种装置。
这里所用“压缩热”一词，意指由压缩机输入气体，如进料空气的能量，它表现为气体温度升高。
图1是本发明净化系统的简化示意图。
图2是适合与本发明净化系统联合使用的低温精馏装置的一个具体实施方案的示意图。
利用本发明的方法，可从一股也含有氧的物流中除掉一氧化碳、氢和/或甲烷，其步骤是先将该股物流压缩至一定高压，以产生压缩热，接着在该物流通过含氧化催化剂的催化区时保持该物流中的压缩热。该压缩热使催化反应得以较充分地进行，从而促进可氧化物种转化为氧化物种。在本发明实施过程中，一氧化碳(如果存在)转化为二氧化碳;氢(如果存在)转化为水;而甲烷(如果存在)转化为二氧化碳和水。二氧化碳和/或水借助惯用方法，例如利用逆流换热器、分子筛吸附床或凝胶捕集器等，从物流中除去。
在空气低温精馏中，典型地将进料空气压缩至一定高压以推动分离过程。随后，典型地将进料空气冷却以移出产生的压缩热。本发明在处理这种低温精馏进料流方面尤其有用，因为它使得必然要产生、且随后又不经利用必须移出的压缩热获得了有利的利用。
下面对照附图详细说明本发明。现在参看图1，含有一氧化碳、氢和/或甲烷，以及氧的进料流20被送入压缩机21。根据意图不同，进料流可以做为进一步加工操作的进料，或者也可以在除掉可氧化物种后直接回收。一种特别好的进料流是准备用做低温精馏装置进料的常态空气。典型地说，这种常态空气含有平均浓度在1-5000ppb之间的一氧化碳，还含有平均浓度在0.5-20000ppb之间的氢。(ppb＝十亿分之一份)当进料流通过压缩机21时，进料流压力一般提高到40-400磅/平方英寸，绝压(Psia)，在此过程中产生了能提高进料流温度的压缩热。较好地，从压缩机21出来的进料流22的温度在至少90℃，而一般在80-200℃范围内。
特别是在进料为同时还含有水蒸汽的常态空气情况下，在送入催化区之前除掉进料中水蒸汽可能是较好的。在这种情况下，可以将进料通过防潮层23以便除掉水。防潮层23可以包括薄膜和/或粒状干燥剂。
随后将物流22通过催化区24。当物流22仍然含有压缩热且其温度至少在80℃时，将它通入催化区24，这样便不存在由压缩机21和催化区24之间的进料所要求的换热或冷却机构的干扰介入。已意识到在压缩机和催化区之间的物流22中会含有一些热损失。在实施本发明时，在压缩机与催化区间不存在任何专门设置或主要作用是从物流22移出热量的机构。
催化区或催化剂床24含有至少一种选自钌、铜、锇、铑、钯、铱、铂和锡的金属元素。催化剂床可以包含由两种或两种以上上述金属元素组成的混合物。催化剂中可含金属的一般支承形式既可以是在诸如氧化铝、离子交换分子筛、凝胶等表面上的涂层，和/或一种多孔构造。
当进料穿过催化剂床24时，物流22中的可氧化物种被吸附并被进料中的氧氧化，根据情况不同生成二氧化碳和/或水。
从催化区24抽出进料流25，并将其送到并通过净化器26，在净化器里，二氧化碳和/或水被除去。净化器可以是诸如逆流换热器、吸附剂床层或凝胶捕集器。在做为低温精馏塔进料的情况下，为去除天然存在的高沸点杂质，通常已备有净化器。故而，本发明方便地起到将难于除掉的低沸点杂质转化为易于除掉的高沸点杂质的作用。如前所述，防潮层23不需要了，而全部水，包括催化氧化生成的水，都可以靠净化器26除掉。通常，进料流25在通过净化器26之前先行冷却。
经过净化器26之后，将进料31送至使用点。在低温精馏的情况下，使用点就是生产氮、氧和/或氩等气体产品，且包括一个或多个塔的低温精馏装置。在图1中，编号27表示这种低温精馏装置。在低温精馏装置中，进料经低温精馏被分离成诸如氮28之类的产品和废气29。如图1所示，一部分废气，即流30可用来使净化器26和/或防潮层23再生。
本发明在进料中一氧化碳和氢的浓度分别等于或超过1PPM的情况下，其功效最佳，此时可使上述杂质浓度降至低达0.1ppm甚至更低。当进料中除含有一氧化碳、氢和/或甲烷外还含有其他可氧化物种时，依据存在的可氧化物种具体种类之不同，这些物种在实施本发明过程中也可以被去除。例如，进料中可以含有乙烷或其他烃类。
图2说明可与本发明联合使用、生产氮气产品的单塔低温精馏装置的一个具体实例。参看图2，与图1的物流31相对应的进料空气3被送入塔4，并在其中借助低温精馏被分离成富氮塔顶汽和富氧塔底液。富氧塔底液与富氮塔顶汽(冷凝以提供塔回流)之间进行间接换热而汽化。在图2所示实例中，该过程在塔顶冷凝器7内完成。富氧液以物流6经过阀8进入塔顶冷凝器7。富氮塔顶汽以物流5进入塔顶冷凝器7，在此被冷凝并以物流9返回塔4作为回流。生成的富氧汽10被做为废气排出系统。物流5的一部分，即物流11被回收作为产品氮。该产品氮具有至少90%甚至可高达99.999999%以上的氮浓度，而所含一氧化碳和氢非常少，少到可以不需通过使用点净化器即可应用于超高纯使用场合。一般来说，该产品氮的一氧化碳含量在1ppm或更低，氢含量在1ppm或更低。
下面的实例进一步说明本发明，但不限制本发明。
实例1将常态空气压缩至56磅/平方英寸，绝压的压力，其温度由于压缩热而上升到100℃。空气中含有水蒸汽4000-6000ppm以及一氧化碳1.4ppm和氢1.2ppm。压缩空气以5升/分流量通过催化反应器，反应器为长6英寸、直径7/8英寸，内装50克含有氧化铝载钯的催化剂材料。在连续操作情况下，从催化反应器出来的进料流含有0.1ppm以下一氧化碳和0.3ppm以下氢。生成的二氧化碳和水借助分子筛吸附剂从进料中除去。
实例2实施了与实例1相似的步骤，所不同的是流量为2.6升/分。在连续操作条件下，从催化反应器出来的进料流含有不足0.1ppm一氧化碳和不足0.15ppm氢。
这样，采用本发明就可以较容易地脱除含氧流中的可氧化杂质，需要的话，经此处理的物流可做为生产满足超高纯应用产品的低温精馏装置原料，而不需要使用点净化器。本发明的另一用途是用以将装置产品中可氧化物种含量控制在均一的水平。在某些应用场合，杂质的恒定性要比其低含量本身更为重要。本发明能缩小装置产品中杂质含量的波动幅度，从而改进装置提供产品的均一性。
虽然结合某些较好实例对本发明做了详细说明，但熟悉此项技术的人会认识到，此外尚有其他本发明的实施方案仍属于权利要求的原则和范围之内。
权利要求
1.一种用于脱除进料流中可氧化物种的方法，它包括(A)将含有氧和至少一种选自一氧化碳、氢和甲烷的可氧化物种之进料流压缩，同时借助压缩过程产生的压缩热提高该进料流的温度；(B)使含压缩热的进料流通过含有氧化催化剂的催化区；(C)使进料流中可氧化物种在催化区中氧化成氧化物种；和(D)除去进料流中的氧化物种。
2.权利要求1的方法，其中进料流由进料空气组成。
3.权利要求1的方法，其中经压缩的进料流的温度至少为80℃。
4.权利要求1的方法，其中氧化催化剂包含钌、铑、钯、锇、铜、铱、铂或锡。
5.权利要求1的方法，其中氧化催化剂包含钌、铑、钯、锇、铜、铱、铂或锡中两种或两种以上。
6.权利要求1的方法，它进一步包括将进料流送入包括至少一个塔的低温精馏装置，并从该低温精馏装置回收产品。
7.权利要求6的方法，其中产品为氮气。
8.权利要求6的方法，其中产品为氧气。
9.权利要求6的方法，其中产品为氩气。
10.权利要求1的方法，其中可氧化物种是一氧化碳，氧化物种是二氧化碳。
11.权利要求1的方法，其中可氧化物种是氢，氧化种是水。
12.权利要求1的方法，其中可氧化物种是甲烷，氧化物种是二氧化碳和水。
13.权利要求1的方法，其中可氧化物种是一氧化碳和氢，氧化物种是二氧化碳和水。
14.权利要求1的方法，其中可氧化物种是一氧化碳、氢和甲烷，氧化物种是二氧化碳和水。
15.权利要求1的方法，其中进料流除了含有一氧化碳、氢和甲烷之外还含有至少一种其他可氧化物种。
16.用来从进料流中除去可氧化物种的装置，它包括(A)一台压缩机及一个催化剂床;(B)用于把进料流送到压缩机的机构，以及把从压缩机出来的进料流不经过冷却设备而直接送到催化剂床的机构;(C)用来除去物流中的氧化物种的净化器;(D)用于将进料流通过该净化器的机构，以及从净化器中将进料流抽出的机构。
17.权利要求16的装置，进一步包括至少有一个塔的低温精馏装置、把进料流从净化器送入低温精馏装置的机构、以及从低温精馏装置抽出产品的机构。
全文摘要
一种系统，在该系统中，含有氧和一氧化碳、氢和甲烷当中至少一种可氧化物种的物流，经压缩产生压缩热，然后不经中间冷却就通过催化区反应，结果生成氧化物种，该氧化物种随后被从进料流中除去。
文档编号B01D53/86GK1091331SQ9410018
公开日1994年8月31日 申请日期1994年1月5日 优先权日1993年1月6日
发明者J·H·罗雅尔, M·L·马考斯基 申请人:普拉塞尔技术有限公司