吸附单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及从气流中去除氢(H2)和一氧化碳(CO)杂质。特别地，本发明涉及从空气中去除这些杂质。本发明在高纯度(HP)和超高纯度(UHP)氮(N2)气的生产中具有特别的应用。
【背景技术】
[0002]在许多化学过程中，在氮中的一氧化碳和氢为非期望的物类，因为它们的化学反应性。例如，电子工业需要UHP氮(通常，CO和4各自低于10十亿分率体积(“ppbv”))以提供用于半导体材料生产的惰性气氛。存在于氮中的杂质在硅片的形成期间大大地提高了芯片失效率。
[0003]当空气经受低温分离以产生氮时，存在于进料空气中的一氧化碳将最终存在在产物氮中，因为一氧化碳和氮具有相似的沸点。氢在产物氮中富集至进料空气中其浓度的大约两倍。因此，UHP氮，即至少基本上不含一氧化碳和氢的氮的生产，对于电子工业来说，需要从空气或氮流中去除氢和/或一氧化碳的方法。
[0004]在低温分离空气以回收氮和氧(O2)的常规方法中，进料空气经压缩，冷却至低温，然后引入至低温蒸馏单元(或者称为空气分离单元或ASU)，其通常包括一个或两个蒸馏塔。若未去除，存在于进料空气中的水和二氧化碳将凝析并阻塞用于在蒸馏之前冷却所述气体的换热器。用于去除水和二氧化碳的分离单元通常称为前端单元(FEU)。
[0005]在进入FEU之前，将大气空气压缩至50-150psig (0.45-1.1MPa)的升高压力下，然后以水冷却和去除冷凝水。在整个文献中，以公制单位给出的压力在绝对基础上计算。经冷却的空气，其然后为约100 °F (38°C )，可使用水冷塔和直接接触预冷却(DCAC)的组合进一步冷却至40 °F (4.5°C)o存在于空气中的水的主体通过冷凝和相分离去除。然后，将气体通到FEU的分子筛床或混合的氧化铝/分子筛床，在其中通过吸附去除剩余的水和二氧化碳。该分离利用以下事实:比起氧和氮，水和二氧化碳两者被强得多地吸引到固体吸附剂，因此它们通过吸附剂优先从气流中去除。然后将至少基本上不含二氧化碳和水的离开床的气流送到低温蒸饱单元。
[0006]最终，用来吸附水和二氧化碳的吸附剂容量被耗尽，且水和/或二氧化碳将开始“穿透(breakthrough)”吸附床并离开FEU。使耗尽的床“离线”，即关闭进料气体，并再生，使水和二氧化碳中的一些脱附，并恢复吸附剂的吸附容量。为了达到恒定的进料和产物气流速，使用至少两个吸附床，一个床在吸附步骤下“在线”操作，同时使另一个或其它每一个床再生，它们的角色在操作循环中周期性反转。
[0007]通过将床加热至较高的温度(变温吸附，或TSA，参见，例如US4541851和US5137548)或在无加热的床内降低气体压力(变压吸附，或PSA，参见，例如US5232474)进行床再生。TSA方法的加热步骤可在初始进料压力下进行，或更通常，在2-15psig(0.1-0.2MPa)的较低压力下。无论如何，至少基本不含二氧化碳和水的气流用于同时吹扫所述床。本发明包括TSA再生步骤，因此PSA再生的情况不再考虑。
[0008]在热再生期间，将来自进料的床的纯化空气的一部分，来自低温蒸馏单元的UHP氮产物气的一部分，或来自冷箱的废物流的一些，加热至200-250°C。热气通过吸附床，在等于总再生时间约一半的一段时间内再生。然后在该步骤之后使冷却再生气体(例如在5-30°C下)流动，经过剩余的再生时间，从而将所述床冷却至该温度。通常再生以与吸附步骤逆流的方向进行，并通常在2-15psig (0.1-0.2MPa)的较低压力下进行。
[0009]常规的TSA FEU完全能从空气中去除二氧化碳和水。然而，氧化铝或分子筛床对去除一氧化碳或氢不是有效的。UHP氮在电子领域的应用通常规定了氢和一氧化碳两者的规格。因此，需要从空气中组合去除一氧化碳和氢的方法。
[0010]通常考虑两种方法来产生至少基本不含一氧化碳和氢的氮。第一个方法包括从ASU的氮产物中选择性去除一氧化碳和氢(氮后处理)，而第二个方法包括在进料空气中氧化一氧化碳和氢，然后在FEU中去除二氧化碳和水(空气预处理)。
[0011]在氮后处理领域，US4713224教导了用于纯化含痕量一氧化碳、二氧化碳、氧、氢和水的氮的一步方法，其中所述气流经过包含元素镍和具有大表面积的材料。一氧化碳、氢、二氧化碳和水全部被化学吸附或催化氧化并随后被去除。该方法仅对氮后处理可行，因为在空气进料中相对高水平的氧将氧化所述镍，并使其失效。
[0012]US4579723公开了将包含痕量水平一氧化碳、氢、氧和二氧化碳的惰性气体流通过在γ-氧化铝上包含铬和铂的混合物的催化剂床，然后是由涂布有数种金属混合物的γ -氧化铝组成的第二床。第一床氧化一氧化碳和氢，并吸附水，而第二床吸附二氧化碳和氧，产生高纯度产物(低于Ippm杂质)。这些金属催化剂预期为昂贵的。
[0013]有文献显示一氧化碳可在多种吸附剂上有效吸附或化学吸附，这提出用于氮后处理的另一个方法。US4944273提出一氧化碳可被掺杂有金属(例如钙(Ca)、钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)、铜(Cu)、银(Ag)、铂(Pt)或钌(Ru))的沸石选择性吸附。US4019879公开了包含铜(Cu+)离子的沸石用于选择性吸附一氧化碳的用途。US4019880描述了一氧化碳在包含银阳离子的沸石上的吸附。一氧化碳浓度可减少至低于1ppm的水平。US7524358也描述了银离子交换沸石用于一氧化碳吸附的用途。
[0014]用于产生UHP氮的更常用的方法为空气预处理和包括氧化进料气中的一氧化碳和氢，然后去除在FEU中的二氧化碳和水。该方法有吸引力，因为在空气流中的氧化反应为热力学上非常有利的并且平衡转化是基本上完全的。此外，由所述方法形成的副产物通过已有的FEU方便地处理。
[0015]在氧存在下，在催化剂不存在下于高温(例如500°C以上)容易发生一氧化碳氧化为二氧化碳和氢氧化为水。在湿空气中在较低温度下氧化通常需要催化剂。Lamb和Vail(J.Am.Chem.Soc., 1925,47(1), 123-142)显示霍加拉特(hopcalite)催化剂在 100°C下可几乎完全氧化一氧化碳，但是催化剂的活性随进料气中水含量增加而减少，且在这些相同条件下，氢去除的活性基本可忽略。霍加拉特催化剂包含氧化铜和氧化锰的混合物。
[0016]一氧化碳和氢的反应可在适度的温度下(例如在约150°C下)，在基于钯(Pd)或铂(Pt)的贵金属催化剂存在下进行(Anderson，H.C.和 Green，ff.J.，Ind.Eng.Chem.，53，645，1961) ο因此，用于从空气中去除氢和一氧化碳的一个方法为将压缩的加热空气通过包含贵金属催化剂的反应器容器，然后冷却流出物流和在FEU中排除水和二氧化碳(参见，例如US5656557)。该去除技术的主要缺点包括(i)需要在将空气引入到催化剂床之前将其加热；(ii)需要额外的换热器和额外的辅助加热器，导致增加的地区空间；(iii)需要更多的能量来提供另外的系统压降和热负荷；和(iv)与反应器容器、加热器和昂贵的贵金属催化剂有关的相对高的资本费用。
[0017]US6074621通过以下减轻了这些问题中的一些:利用进料空气的压缩热来提供暖空气至贵金属催化剂床用于一氧化碳氧化，然后冷却，在FEU中除水，通过在FEU中在贵金属催化剂层内氧化来去除氢，然后在FEU中在分子筛层内去除二氧化碳和水。离开主空气压缩机的气体温度高到足以在湿润的进料空气中有效氧化一氧化碳而不氧化氢。将氢氧化要比一氧化碳难得多，并在干空气中将氢氧化，其中催化剂活性即使在环境条件下也通常可接受。
[0018]改进的氧化催化剂也在文献中有所描述。例如，US5693302描述了由在二氧化钛载体上的金或钯组成的催化剂用于一氧化碳和氢的氧化的用途。在载体上的金和/或银与铂族金属的组合在US5662873中提出。虽然这些催化剂可改进氧化反应的动力学，但它们固有地是昂贵的。
[0019]以上实例在以升高温度操作的单独反应器中(FEU的上游)进行至少一个氧化反应。
[0020]用于在空气中将一氧化碳在环境温度氧化为二氧化碳的较早的方法在US3672824和US3758666中给出。
[0021]US5238670描述了用于在0_50°C下从空气中去除一氧化碳和/或氢的方法，其通过:(i)从空气中去除水直到其具有低于150ppm的水含量；和(ii)在包含由离子交换或浸渍在沸石、氧化铝或二氧化硅上沉积的至少一种