專利名稱：脫除空氣流中的氫和/或一氧化碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從空氣流中脫除一氧化碳和/或氫的方法，其中空氣流經(jīng)歷一種催化氧化反應(yīng)。
為了制造半導(dǎo)體元件，就要求超高純氮中的還原性組分，例如氫和一氧化碳的含量非常低(如低于1Vppm)。眾所周知，例如，在制備這種超高純氮的過(guò)程中，使用固體催化劑，在催化劑床上經(jīng)過(guò)催化氧化反應(yīng)使一氧化碳變?yōu)槎趸己?或氫變?yōu)樗姆椒梢悦摮辗盅b置入口空氣中的雜質(zhì)，如一氧化碳和氫。催化劑的材料可以由一種叫做hopcalite(錳、銀、鈷和/或銅的氧化物和/或過(guò)氧化物混合物)的催化劑組成，或者可以由氧化鋁床組成，其中/其上配合使用的有鈀或鉑，或者有釕、鋨、銥或銠。催化劑床可以直接位于空壓機(jī)的下游并可以在約160℃的高溫下操作。另一種情況有，也可以使催化劑床置于容器內(nèi)，其中還固定有使空氣干燥的分子篩。
在EP-0 438 282-A1和EP-0 454 531-A1中，可以發(fā)現(xiàn)用空分裝置純化進(jìn)料空氣以產(chǎn)生一種超純氣體的實(shí)施例。根據(jù)EP-0 438 282-A1，水最先從進(jìn)料空氣流中通過(guò)吸附而被脫除；接下來(lái)是一氧化碳和氫在0～50℃的環(huán)境溫度下、在一層hopcalite催化劑上或鈀-活化的氧化鋁催化劑上被轉(zhuǎn)化，最后，殘余的水、二氧化碳和烴經(jīng)過(guò)吸附而脫除。用這種已知的方法，通常有可能使一氧化碳和氫的濃度貧化20倍。
本發(fā)明的目的是確定一種開始時(shí)所提及的方法和裝置類型，它可以使空氣流中的一氧化碳和/或氫有相當(dāng)高程度的貧化。
通過(guò)使催化氧化反應(yīng)上游的空氣流脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠就可以有效地提高本發(fā)明中的催化劑的活性。
這里所采用的粒度是指粒徑。如果顆粒形狀與球狀偏離，則表示水力直徑(hydraulic diameter)。水力直徑定義為體積與外表面積之比的6倍。
與較早的歐洲專利申請(qǐng)0 799 633一樣，該申請(qǐng)并不比本申請(qǐng)具有更早的優(yōu)先權(quán)日，本發(fā)明的起點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)了空氣流中存在的污染物組分可以降低催化劑材料的活性。然而，在EP 0 799 633中提及的脫除污染物的方法證明，只能在氣態(tài)下取得一種有限的作用。在本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)，以氣溶膠和灰塵形式存在于空氣中的固體和液體污染物，特別是充滿灰塵和浸透煙炱的污染物的空氣，對(duì)催化劑的活性起到很重要的作用。
這是因?yàn)榱６刃∮?0μm的有害灰塵和氣溶膠通常能很自由地流過(guò)機(jī)械過(guò)濾器和分子篩床。由此污染物沉淀下來(lái)附著在了催化劑的表面。對(duì)催化劑活性特別有害的一種物質(zhì)是灰塵，它尤其由煙炱組成(例如，來(lái)自燃燒過(guò)程和/或柴油發(fā)動(dòng)機(jī))，其本身與酸性污染物例如SO2、SO3、H2S、COS、NO、NO2以及Cl、HCl、F、HF和鹵代烴富集至高達(dá)50％左右，同時(shí)煙炱的顆粒分布在平均尺寸1μm左右(這里和下面所指的百分?jǐn)?shù)都以重量表示)。
根據(jù)本發(fā)明，用合適的方法在催化氧化反應(yīng)上游就脫除了這種粒度小于20μm、優(yōu)選小于10μm和灰塵和/或氣溶膠。脫除粒度為0.05～5μm、特別是0.1～3μm范圍內(nèi)的顆粒對(duì)于提高催化劑活性是相當(dāng)重要的。這里所說(shuō)的“脫除”是指使有關(guān)灰塵和/或氣溶膠的含量至少降低50％、特別是使粒度在0.1～3μm范圍內(nèi)的灰塵和氣溶膠含量至少降低50％，優(yōu)選至少降低80％。
原則上，所有已知的顆粒脫除方法都可以被采用。優(yōu)選地，粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠用一種洗滌方法來(lái)脫除。這里采用的洗滌方法是指空氣流與液體的直接接觸，一個(gè)實(shí)例是逆流洗滌。根據(jù)要求，洗滌裝置可以用一種開放式或封閉式的循環(huán)洗滌介質(zhì)來(lái)操作，可以帶有漿液脫除裝置也可以不帶淤漿脫除裝置。
盡管一種傳統(tǒng)的水淋冷卻器也可以被認(rèn)為是一種完成洗滌過(guò)程的裝置，這種冷卻器經(jīng)常用于低溫空分裝置中預(yù)熱進(jìn)料空氣，但是這種類型的冷卻器決不能代表本發(fā)明中的用于脫除灰塵和/或氣溶膠的裝置。例如，它至少不能夠使0.1～3μm粒度范圍內(nèi)的顆粒含量降低至少50％。
所用的洗滌介質(zhì)可以由水組成，特別是通常的生活用水，也可以由其他適宜pH值的合適的洗滌液組成。
特別可以優(yōu)選使用一種溢流式文丘里洗滌器或一種噴射洗滌器或區(qū)域噴淋洗滌器(spray-zone scrubber)。例如，溢流式文丘里洗滌器能夠分離掉50％或者更多粒度在0.1～3μm之間的灰塵；根據(jù)設(shè)定的壓力降，可以獲得90～97％或者更高的分離度。對(duì)于氣溶膠的分離度在某種程度上要高于灰塵的分離度。
另一種情況，或者此外情況有，對(duì)于顆粒的脫除可以使用一種靜電沉淀器或一種機(jī)械顆粒分離器，特別是一種旋風(fēng)分離器或一種帶微纖狀過(guò)濾材料的過(guò)濾器。例如，上面最后一種過(guò)濾器可以由一種織物或毛氈材料(felt material)組成，這種材料由細(xì)旦長(zhǎng)絲制成。
顯然，在本發(fā)明中，顆粒脫除的許多方法也可以被組合起來(lái)使用。
除了按本發(fā)明脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠以外，如果脫除空氣流中粒度至少為20μm的顆粒也是合適的。這可以使用普通的過(guò)濾網(wǎng)，例如使這種過(guò)濾網(wǎng)設(shè)置于壓縮氣流用的壓縮機(jī)上游來(lái)達(dá)到目的。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種從空氣流中脫除一氧化碳和/或氫的裝置，該裝置帶有使一氧化碳和/或氫催化氧化的裝置，在催化氧化反應(yīng)裝置的上游提供了脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠的裝置。
并且，所述的裝置中脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠的裝置被設(shè)計(jì)成洗滌裝置。優(yōu)選地，這種洗滌裝置被設(shè)計(jì)成溢流式文丘里洗滌器或噴射洗滌器或區(qū)域噴淋洗滌器。
在所述的裝置中，脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠的裝置被設(shè)計(jì)成靜電沉淀器或機(jī)械顆粒分離器，特別是旋風(fēng)分離器或含有微纖狀過(guò)濾材料的過(guò)濾器。
本發(fā)明以及本發(fā)明的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)將參考同時(shí)被示于附圖
中的典型實(shí)施方案來(lái)更詳細(xì)地描述。
一股7000m3(S.T.P.)的空氣流通過(guò)普通的機(jī)械過(guò)濾器1，在那里分離掉直徑為20μm或20μm以上的顆粒。然后，用壓縮機(jī)使分離后的空氣壓縮到2～10巴。壓縮空氣中含有0.8vppm的氫和0.6vppm的一氧化碳。此外，空氣中還有固體污染物，特別是平均粒度為2μm的1000μg/m3(=8g/h)的灰塵。而其中60％是與SO2、Cl、F和NOx聚集在一起的煙炱，這些被聚集物質(zhì)的數(shù)量占總灰塵質(zhì)量的30％?？諝庵羞M(jìn)一步含有4g/h的氣態(tài)污染物，特別是NO2(0.1vppm)、SO2(0.1vppm)、H2S(0.05vppm)和Cl(0.05vppm)。
經(jīng)冷卻器3帶走壓縮熱、接著在相分離器裝置4中分離出液體水以后，低于20℃溫度下的空氣進(jìn)入裝置5以脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠，裝置5的設(shè)計(jì)是一個(gè)溢流式文丘里洗滌器，該洗滌器的循環(huán)水量為2m3/h，并帶有一個(gè)400mm的圓頂蓋和直徑為400mm的水分離器。水從管線b進(jìn)入溢流式文丘里洗滌器5并與被分離出來(lái)的灰塵和氣溶膠一起再與相分離裝置4中產(chǎn)生的水混合從管線d流走。在這種洗滌器裝置中，空氣流的壓降可達(dá)大約500毫巴，灰塵的分離度為99％，氣溶膠的分離度也在同樣的數(shù)量級(jí)。
洗滌器的下游，除去灰塵和氣溶膠的空氣進(jìn)入一個(gè)凈化裝置6并從底部到頂部通過(guò)這一裝置。凈化裝置包括兩個(gè)交替操作的容器，空氣流依次通過(guò)下列吸附的或催化劑活性層活化的氧化鋁分子篩13Xhopcalite(通過(guò)催化氧化脫除CO)含0.5wt％Pd的氧化鋁(通過(guò)催化氧化脫除H2)分子篩13X每隔4小時(shí)切換一次容器、一個(gè)工作一個(gè)再生。其中當(dāng)前不接受空氣流的容器用1500～2000m3/h的再生氣體g進(jìn)行再生，再生氣體g含有31％的氧和69％的氮，該容器在約1巴的壓力下并已經(jīng)過(guò)加熱裝置7加熱。在經(jīng)過(guò)1.3小時(shí)的加熱(再生氣體溫度130～180℃)后，接著經(jīng)過(guò)2.3小時(shí)的冷沖洗(再生氣體溫度23℃)。
通過(guò)凈化裝置以后，空氣流中含有小于1vppb的氫和小于1vppb的一氧化碳。用間接熱交換劑8使空氣冷卻，例如用再生氣體g和/或其他背向流，接著從管線f流入用低溫空分法制造高純氮的裝置。再生氣體可以通過(guò)低溫空分裝置的殘留氣體形成。
權(quán)利要求
1．從一種空氣流中脫除一氧化碳和/或氫的方法，其中該空氣流經(jīng)歷一種催化氧化反應(yīng)，其特征在于，粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠被從催化氧化反應(yīng)上游的空氣流中脫除。
2．如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠用一種洗滌方法脫除。
3．如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，水用作洗滌介質(zhì)。
4．如權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于，粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠在一個(gè)溢流式文丘里洗滌器中或一個(gè)噴射洗滌器或區(qū)域噴淋洗滌器中被脫除。
5．如權(quán)利要求1到4之一的方法，其特征在于，粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠用一種靜電沉淀器或一種機(jī)械顆粒分離器、特別是一種旋風(fēng)分離器或微纖狀過(guò)濾材料來(lái)脫除。
6．如權(quán)利要求1～5之一的方法，其特征在于，粒度至少為20μm的顆粒從脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠的上游空氣流中被脫除。
7．從一種空氣流中脫除一氧化碳和/或氫的裝置，該裝置帶有使一氧化碳和/或氫催化氧化的裝置，其特征在于，在催化氧化反應(yīng)裝置的上游提供了脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠的裝置。
8．如權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠的裝置被設(shè)計(jì)成洗滌裝置。
9．如權(quán)利要求8的裝置，其特征在于，該洗滌裝置被設(shè)計(jì)成溢流式文丘里洗滌器或噴射洗滌器或區(qū)域噴淋洗滌器。
10．如權(quán)利要求7～9之一的裝置，其特征在于，脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠的裝置被設(shè)計(jì)成靜電沉淀器或機(jī)械顆粒分離器，特別是旋風(fēng)分離器或含有微纖狀過(guò)濾材料的過(guò)濾器。
全文摘要
本方法通過(guò)催化氧化反應(yīng)脫除空氣流中的一氧化碳和/或氫。在催化氧化反應(yīng)上游的空氣流中脫除粒度小于20μm的灰塵和/或氣溶膠。
文檔編號(hào)C01B21/00GK1222483SQ9811903
公開日1999年7月14日 申請(qǐng)日期1998年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月5日
發(fā)明者烏爾里?！ゑT·格明根 申請(qǐng)人:林德股份公司