專利名稱：氣體精制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體精制方法及裝置，詳細(xì)地說，涉及一種對所含成分以氧和氮為主、且至少含有水、二氧化碳、一氧化碳等要被除去雜質(zhì)的氣體進行精制的方法及裝置。更詳細(xì)地說，本發(fā)明涉及一種作為精制干燥空氣而供給的原料空氣進行精制的方法及裝置。另外，本發(fā)明涉及一種在預(yù)處理裝置中通過將深冷分離裝置的原料空氣中所含有的少量氫和一氧化碳進行氧化而后生成水和二氧化碳的吸附方式消除水和二氧化碳的氣體精制方法及裝置。
近年來，高純度氣體的需求日益增長，特別對于氮氣而言，因為在電子產(chǎn)業(yè)、尤其在半導(dǎo)體制造工藝中大量地被使用，所以要求供給盡可能高純度的氮氣。在電子領(lǐng)域所使用的氮氣必須將其中的氧氣、水、二氧化碳、氫、一氧化碳、碳?xì)浠衔锏仍诨瘜W(xué)方面呈活性的雜質(zhì)消除到最少量。
從氣體的生產(chǎn)規(guī)模和氣體的純度方面來考慮，利用深冷分離法從空氣中分離氮氣是適當(dāng)?shù)?，但是在深冷分離法中通過蒸餾使上述全部雜質(zhì)與氮氣分離是不可能的。在多數(shù)場合，水和二氧化碳在原料空氣的供給系統(tǒng)中通過吸附而消除。因為空氣中含有氫的量很少，所以，利用蒸餾來分離也是可能的，同時伴隨有較多氮的損失，根據(jù)氣液平衡關(guān)系來考慮，再設(shè)一個精餾塔是必要的。另外，因為一氧化碳的沸點和氮的沸點相接近，所以，通過蒸餾從氮氣中分離一氧化碳是比較困難的。
鑒于這樣的技術(shù)問題，從原料空氣中消除氫和一氧化碳的方法被公開過。日本特公平5-65782號公報揭示了一種在最高達190℃的加熱條件下使氫和一氧化碳與共存的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成水和二氧化碳后，由深冷分離裝置通常設(shè)置的所謂的預(yù)處理裝置除去水和二氧化碳的方法。在該方法中，為使氫和一氧化碳的氧化反應(yīng)具有適宜的溫度，使經(jīng)壓縮升溫到80～150℃的原料空氣通過熱交換器、加熱器再進一步地加熱后，通過催化劑筒來氧化氫和一氧化碳。該方法雖然以及在原料空氣加溫時實現(xiàn)了壓縮熱的利用、由熱交換器產(chǎn)生的熱回收裝置的高效率等，但加熱用的電力、熱交換器等設(shè)備的更換費和固定費就會不可避免地上升。
另外，在日本專利公報平4-219111號中，公開了一種方法，在該方法中，在深冷分離裝置中的消除水、二氧化碳用的預(yù)處理裝置即吸附器內(nèi)，構(gòu)造包括干燥劑-催化劑-二氧化碳吸附劑在內(nèi)的三層吸附層，同時除去原料空氣中的水、二氧化碳、氫、一氧化碳。該方法的優(yōu)點在于因使用5～50℃的原料空氣而不必加溫，更進一步地，由于將催化劑填充到上述的預(yù)處理用的吸附器內(nèi)，因此為氫和一氧化碳的氧化而不必重新設(shè)置催化劑筒。然而，將催化劑填充到吸附器內(nèi)的干燥劑和二氧化碳吸附劑之間對于吸附劑的再生有一些影響。即加熱再生(TSA)時，因為在最需要熱量的干燥劑前(從再生氣體流入路徑看)填充了催化劑，想必導(dǎo)致為加熱而必需增加的熱量及再生用氣體量的增加是不可避免的。另外，在變壓吸附法(PSA)中，雖然再生用熱量的問題是不存在的，但因吸附器容積的增大而導(dǎo)致了凈化氣體量的增加，以及因吸附器的切換操作而導(dǎo)致了原料空氣的損失。
本發(fā)明的目的在于防止加熱用電力和熱交換器等設(shè)備的更換費和固定費的上升、凈化氣體量的增加、原料空氣的損失等，提供一種能夠高效地除去氫和一氧化碳的氣體精制方法及裝置。
本發(fā)明的氣體精制方法通過依次順序地進行氧化一氧化碳而生成二氧化碳工程、水的吸附除去工程、二氧化碳吸附除去工程，對所含成分以氧和氮為主、且至少含有水、二氧化碳、一氧化碳等要消除雜質(zhì)的氣體進行精制。所述的被精制氣體為空氣。
另外，在上述的要消除雜質(zhì)中含有氫的情況下，利用催化劑氧化氫生成的水是通過承載催化劑的載體、與上述催化劑一起填充的水分吸附劑及填充在上述催化劑以后的水分吸附劑中的至少其中之一來吸附除去的。最好在上述的二氧化碳吸附除去工程之后，再進行氫的氧化及吸附除去工程。
更進一步地，在使用至少兩座填充槽來對導(dǎo)入到空氣液化分離裝置中的原料空氣進行精制的場合下，從入口側(cè)來看，該填充槽依次設(shè)置有催化劑層、水分吸附層、二氧化碳吸附劑層、氫除去層，上述填充槽中的一個進行精制工程，即經(jīng)由入口導(dǎo)入壓縮后的原料空氣，在上述的催化劑層處氧化一氧化碳而生成二氧化碳；接著在于燥劑層處吸附除去水分；更進一步地，在二氧化碳吸附劑層處吸附除去二氧化碳；而且在氫除去層處氧化氫而生成水后將水吸附除去，然后，將從出口導(dǎo)出的精制空氣導(dǎo)入到深冷分離系統(tǒng)中來進行精制工程；上述另一填充槽進行再生工程，即加熱從深冷分離系統(tǒng)返回的部分氣體，且從其出口將上述部分氣體導(dǎo)入填充槽，被上述氫除去層所吸附的水、被二氧化碳吸附劑層所吸附的二氧化碳、被水分吸附劑層所吸附的水分均被解析，從入口導(dǎo)出后，對部分上述返回氣體不加熱地從出口導(dǎo)入來冷卻上述各層，接下來導(dǎo)入部分上述精制空氣在槽內(nèi)進行再加壓的再生工程。交互地切換上述精制工程和再生操作工程，這樣，連續(xù)地進行原料空氣的精制。
另外，在使用至少兩座填充槽來對精制干燥空氣中用的原料空氣進行精制的氣體精制方法，從入口側(cè)來看，該填充槽依次設(shè)置有催化劑層、水分吸附層、二氧化碳吸附劑層、氫除去層。上述填充槽中的一個進行精制工程，即經(jīng)由入口導(dǎo)入壓縮后的原料空氣，在上述的催化劑層處氧化一氧化碳而生成二氧化碳；接著在干燥劑層處吸附除去水分；更進一步地，在二氧化碳吸附劑層處吸附除去二氧化碳；而且在氫除去層處氧化氫而生成水后被吸附除去，然后，將從出口導(dǎo)出的精制空氣供給用戶的精制工程；上述另一填充槽進行再生工程，即加熱在上述精制工程得到的部分精制空氣，且從其出口將上述部分氣體導(dǎo)入填充槽，被上述氫除去層所吸附的水、被二氧化碳吸附劑層所吸附的二氧化碳、被水分吸附劑層所吸附的水分均被解析，從入口導(dǎo)出后，將部分不加熱的精制空氣從出口導(dǎo)入來冷卻上述的各層。交互地切換上述精制工程和再生操作工程，這樣，連續(xù)地進行原料空氣的精制。
本發(fā)明的氣體精制裝置為了對所含成分以氧和氮為主、且至少含有水、二氧化碳、一氧化碳等要消除雜質(zhì)的氣體進行精制，在氣體精制裝置內(nèi)，順著被精制氣體的流入方向依次地填充有為氧化一氧化碳而設(shè)的催化劑、水分吸附劑、二氧化碳吸附劑。另外，上述氧化一氧化碳的催化劑是通過在不含有直徑為110埃以下的細(xì)孔的氧化鋁載體上，積淀有鉑或鈀和鐵、鈷、鎳、錳、銅、鉻、鉛、沛的至少一種而形成的。
如果使用本發(fā)明的氣體精制方法及裝置，在常溫下將一氧化碳和氫進行氧化，能夠除去被精制氣體中原來所含有的水和二氧化碳。另外，能夠有效地進行再生操作。能夠減少再生用氣體量或加熱用電量。作為精制干燥空氣供給裝置的上述的氣體精制裝置是較好的。上述的氣體精制裝置作為空氣液化分離裝置的預(yù)處理裝置也是較好的。


圖1所示為本發(fā)明的一個實施例中的氣體精制裝置的系統(tǒng)圖2所示為適用于本發(fā)明的空氣液化分離裝置的預(yù)處理裝置的一個實施例的系統(tǒng)圖；圖3所示為適用于本發(fā)明的精制干燥空氣供給裝置的實施例的系統(tǒng)圖；圖4所示為實施例中所應(yīng)用的精制裝置的填充槽概略圖；圖5為實施例的測定結(jié)果以及氫、二氧化碳、水的濃度變化的示意圖；圖1所示為本發(fā)明的一個實施例中的氣體精制裝置的系統(tǒng)圖。順著被精制氣體的流向來看，該氣體精制裝置是由下述三層組成的為氧化一氧化碳、生成二氧化碳而填充的催化劑的催化劑層1、為吸附除去水而填充的水分吸附劑的干燥劑層2、為吸附除去二氧化碳而填充的二氧化碳吸附劑的二氧化碳吸附劑層3。
填充在上述催化劑層1中的催化劑，只要是能夠氧化一氧化碳而生成二氧化碳的催化劑就可以，但最好選擇鉑或鈀和鐵、鈷、鎳、錳、銅、鉻、鉛、沛的至少一種并將其淀積在不含有直徑為110埃以下的細(xì)孔的氧化鋁載體上而形成催化劑。被精制的氣體保持該氣體中原來就含有的水分進入催化劑層1，進行一氧化碳的氧化工程而生成二氧化碳。
作為填充在上述干燥劑層2內(nèi)的水分吸附劑，可以使用硅膠、活性氧化鋁、泡沸石三者其中之一或者混合使用。由于通過該干燥劑層2進行水分的吸附除去工程，被精制氣體變?yōu)榫哂懈叨雀稍餇顟B(tài)的氣體。
作為填充在上述二氧化碳吸附劑層3內(nèi)的二氧化碳吸附劑，可以使用各種泡沸石，具體來說，可以單獨或多種組合使用Ca-A型、Na-X型、Ca-X型或A型/X型泡沸石、利用單種或多種金屬離子來進行離子交換的吸附劑。由于通過該二氧化碳吸附劑層3進行了二氧化碳吸附除去工程，被精制氣體變?yōu)榫哂懈叨染茽顟B(tài)的氣體。
另外，作為要消除的雜質(zhì)，當(dāng)其中含有氫時，則應(yīng)當(dāng)設(shè)置利用催化劑將氫氧化而生成水，吸附除去氧化所生成的水的第4處理層，即氫除去層。在該氫除去層中所使用的氫氧化催化劑以鈀或鉑外為較好，鈀和/或鉑和作為載體的活性氧化鋁或泡沸石的重量比為0.25-1.0％較好。另外，作為吸附除去生成的水的吸附劑(干燥劑)與上述干燥劑層2一樣可以使用硅膠、活性氧化鋁、泡沸石。這些干燥劑可以和催化劑一起混合填充，也可以將這些干燥劑填充到催化劑層的下游側(cè)。更進一步地，通過將氧化氫的上述催化劑淀積在上述的活性氧化鋁和泡沸石等上，用淀積催化劑的載體自身也可以吸附除去所生成的水分。
利用第4處理層(氫除去層)除去所含氫的工程可以設(shè)置在第2處理層(干燥劑層2)以后的位置上。然而，為了高效地除去由氫氧化而生成的水，最好使用泡沸石作為氫氧化催化劑的載體。此時，為了避免二氧化碳的影響，氫除去層最好設(shè)置在二氧化碳吸附劑層3的后面，即在完成上述工程之后，再進行最后的氫除去工程。
如此，順著被精制氣體的流入方向，依次設(shè)置有催化劑層1、干燥劑層2、二氧化碳吸附劑層3，更進一步地，如果必要的話可設(shè)置上述的氫除去層，利用催化劑氧化一氧化碳和氫，將反應(yīng)的結(jié)果所生成的水、二氧化碳以及被精制氣體中原來所含有的水和二氧化碳等一起吸附除去，就可以實現(xiàn)高效的氣體精制。
圖2所示為適用于本發(fā)明的空氣液化分離裝置的預(yù)處理裝置的一個示例的系統(tǒng)圖。該預(yù)處理裝置設(shè)置有兩座填充槽，順著被精制氣體的流入方向，該填充槽內(nèi)依次設(shè)置有催化劑層1、干燥劑層2、二氧化碳吸附劑層3以及氫除去層4，就可以將原料空氣連續(xù)地進行精制。
在圖2中，填充槽11a進行著精制操作、填充槽11b進行著再生操作的情況下，被壓縮機壓縮的氣體(原料空氣)經(jīng)由二次冷卻器、水分離器，然后從管12經(jīng)由原料氣體入口閥13a進入填充槽11a。此時原料空氣的溫度為5～50℃。
進入填充槽11a的原料空氣流因催化劑層1，所含的一氧化碳在催化劑的作用下與空氣中氧發(fā)生反應(yīng)，氧化生成二氧化碳；然后，流至干燥劑層2，在此，原料空氣中所含的水分被吸附除去；然后，流至二氧化碳吸附劑層3，在此，原料空氣中原來所含的水分和在催化劑層1處生成的二氧化碳一起被吸附除去；更進一步地，流至最后的氫除去層4，在此，原料空氣中所含的氫在催化劑的作用下與空氣中氧發(fā)生反應(yīng)，氧化生成水后被催化劑的載體吸附除去。
由填充槽11a所精制的原料空氣從填充槽出口端流出，通過精制氣體出口閥14a、管路15流入深冷分離系統(tǒng)16。在深冷分離系統(tǒng)16處沒有成為產(chǎn)品的氣體作為再生用氣體通過管路17、閥門18b導(dǎo)入填充槽11b。對于填充槽11b內(nèi)的各層1～4而言，在再生操作前所進行的精制操作中，氫除去層4是在利用催化劑載體對氫的氧化反應(yīng)而生成水進行著吸附；二氧化碳吸附劑層3是在吸附著二氧化碳而大體上呈現(xiàn)即將突破的狀態(tài)；同時，干燥劑層2在吸附著水分，也呈現(xiàn)即將突破的狀態(tài)；催化劑層1僅起著氧化一氧化碳的催化作用，沒有特殊的狀態(tài)的變化。
如果以這樣的狀態(tài)進入再生操作，利用加熱器19將再生用氣體加熱到需要的溫度(如150～250℃)，然后導(dǎo)入填充槽11b。各層被加熱，而且以含有加熱而脫出的水和二氧化碳通過閥20b、管路21流向大氣中。各層只升溫到一定程度，水和二氧化碳進行充分的解析，然后停止加熱，繼續(xù)流入再生用氣體來冷卻加溫了的各處理層。另外，在再生操作的后半段，使用部分精制氣體進行再加壓操作，這樣就為下一個精制操作做好了準(zhǔn)備工作。
填充槽11a內(nèi)的精制操作在該槽11a內(nèi)精制的空氣中的水及二氧化碳的濃度所容許的范圍內(nèi)進行。在突破發(fā)生之前，停止填充槽11a內(nèi)的精制操作而該槽11a被切換到再生操作，同時，填充槽11b被切換到精制操作。然后，使用填充槽11a、11b的精制、再生操作每隔一定時間切換一次，由于各槽交互地反復(fù)進行精制、再生，這樣就可以連續(xù)地進行原料空氣的精制。
圖3所示為適用于本發(fā)明的精制干燥空氣供給裝置的實施例的系統(tǒng)圖；再者，與圖2中相同的構(gòu)成要素采用同一個附圖標(biāo)記，且省略其詳細(xì)的說明。
該裝置將從管路15引導(dǎo)出的精制干燥空氣供給代替了圖2中所示的深冷分離器16的用戶30，同時，將部分精制干燥空氣經(jīng)由管路17分出，作為再生用氣體來使用。管路17上設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥31。該實施例是利用部分精制干燥空氣來進行填充槽的再生的。
如上述的圖2、圖3所示，由于把為氧化一氧化碳而設(shè)的催化劑層1設(shè)置在正對原料空氣流方向的最上游側(cè)，所以，水和二氧化碳吸附除去用的干燥劑層2及二氧化碳吸附劑層3的再生操作不用考慮催化劑層1的存在就可以實施。如前所述，通過精制工程的實施，催化劑層1內(nèi)的催化劑沒有發(fā)生任何狀態(tài)的變化，這樣的事情變成可能。
即將催化劑層1設(shè)置在干燥劑層2及二氧化碳吸附劑層3的中間位置的情況下，在干燥劑層2的再生操作中，催化劑層1的加熱完成之后，僅僅以剩余的動力(熱量)對干燥劑層2進行加熱。通過如上所述的配置，因為干燥劑層2及二氧化碳吸附劑層3是連續(xù)的，所以，不存在中間部的熱損失，能夠有效地對對干燥劑層2進行加熱。
另外，當(dāng)作為要除去的雜質(zhì)之一的氫存在時，因為僅進行氫的氧化，需要的催化劑的用量很少，所以，基本上不存在影響。
下面，將含有如下所述量的所要除去雜質(zhì)的原料空氣導(dǎo)入圖4所示的精制裝置的填充槽內(nèi)來進行精制。
原料空氣壓力600KPA溫度10℃水分飽和欲除去的雜質(zhì)一氧化碳5ppm，氫10ppm，二氧化碳400ppm催化劑層1每100毫升(ml)的氧化鋁載體上淀積有鉑3g、鐵1.4g的催化劑干燥劑層2活性氧化鋁二氧化碳吸附劑層3合成的泡沸石Na-X型氫除去層4每100毫升(ml)的泡沸石載體上淀積有鈀0.3g的催化劑使上述原料空氣以一定流量流經(jīng)填充槽，在填充槽出口處測定二氧化碳、氫、一氧化碳。測定中分別使用鏡面式露點計、紅外線分析計、還原氣體檢測式氣體色譜儀。測定結(jié)果如圖5所示。
如圖5所示，一氧化碳在整個測定時間內(nèi)沒有檢測出。當(dāng)水突破的同時氫的濃度立即上升。本裝置中二氧化碳大約在180分的時候突破。
從這些結(jié)果可見，只要適宜地設(shè)定各層的填充量，利用圖2、圖3所示的系統(tǒng)，就能實現(xiàn)連續(xù)的精制、再生氣體過程。
權(quán)利要求
1．一種對所含成分以氧和氮為主、且至少含有水、二氧化碳、一氧化碳等要消除雜質(zhì)的氣體進行精制的方法，該方法依次順序地進行氧化一氧化碳而生成二氧化碳工程、水的吸附除去工程、二氧化碳吸附除去工程。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體精制方法，其特征在于所述的氣體為空氣。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體精制方法，其特征在于在上述的要消除雜質(zhì)中含有氫的情況下，利用催化劑氧化氫所生成的水是通過承載催化劑的載體、上述催化劑一起填充的水分吸附劑及填充在上述催化劑以后的水分吸附劑中的至少其中之一來吸附除去的。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體精制方法，其特征在于在上述的二氧化碳吸附除去工程之后，進行氧化氫及生成水的吸附除去工程。
5．一種使用至少兩座填充槽來進行精制導(dǎo)入到空氣液化分離裝置中的原料空氣的氣體精制方法，從入口側(cè)來看，該填充槽依次設(shè)置有催化劑層、水分吸附層、二氧化碳吸附劑層、氫除去層；上述填充槽中的一個進行精制工程，即經(jīng)由入口導(dǎo)入壓縮后的原料空氣，在上述的催化劑層1處氧化一氧化碳而生成二氧化碳；接著在干燥劑層2處吸附除去水分；更進一步地，在二氧化碳吸附劑層3處吸附除去二氧化碳；而且在氫除去層處氧化氫而生成水后被吸附除去，然后，將從出口導(dǎo)出的精制空氣導(dǎo)入到深冷分離系統(tǒng)中來進行精制工程；上述另一填充槽進行再生工程，即加熱從深冷分離系統(tǒng)返回的部分氣體，且從其出口將上述部分氣體導(dǎo)入填充槽，被上述氫除去層所吸附的水、被二氧化碳吸附劑層所吸附的二氧化碳、被水分吸附劑層所吸附的水分均被解析，從入口導(dǎo)出后，對深冷分離系統(tǒng)返回的部分氣體不被加熱地從出口導(dǎo)入來冷卻上述的各層，接下來導(dǎo)入上述部分精制空氣在槽內(nèi)進行再加壓的再生工程；交互地切換上述精制工程和再生操作工程，這樣，連續(xù)地進行原料空氣的精制。
6．一種使用至少兩座填充槽來對精制干燥空氣中用的原料空氣進行精制的氣體精制方法，從入口側(cè)來看，該填充槽依次設(shè)置有催化劑層、水分吸附層、二氧化碳吸附劑層、氫除去層；上述填充槽中的一個進行精制工程，即經(jīng)由入口導(dǎo)入壓縮后的原料空氣，在上述的催化劑層1處氧化一氧化碳而生成二氧化碳；接著在干燥劑層2處吸附除去水分；更進一步地，在二氧化碳吸附劑層3處吸附除去二氧化碳；而且在氫除去層處氧化氫而生成水后被吸附除去，然后，將從出口導(dǎo)出的精制空氣供給用戶的精制工程；上述另一填充槽進行再生工程，即加熱在上述精制工程得到的部分精制空氣，且從其出口將上述部分氣體導(dǎo)入填充槽，被上述氫除去層所吸附的水、被二氧化碳吸附劑層所吸附的二氧化碳、被水分吸附劑層所吸附的水分均被解析，從入口導(dǎo)出后，將沒有被加熱的部分精制空氣從出口導(dǎo)入來冷卻上述的各層；交互地切換上述精制工程和再生操作工程，這樣，連續(xù)地進行原料空氣的精制。
7．一種對所含成分以氧和氮為主、且至少含有水、二氧化碳、一氧化碳等要消除雜質(zhì)的氣體進行精制的裝置，順著被精制氣體的流入方向依次地填充有為氧化一氧化碳而設(shè)的催化劑、水分吸附劑、二氧化碳吸附劑的氣體精制裝置。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣體精制裝置，其特征在于上述氧化一氧化碳的催化劑是通過在不含有直徑為110埃以下的細(xì)孔的氧化鋁載體上，積淀有鉑或鈀和鐵、鈷、鎳、錳、銅、鉻、鉛、沛的至少一種而形成的。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣體精制裝置，其特征在于上述的氣體精制裝置為空氣液化分離裝置的預(yù)處理裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對所含成分以氧和氮為主、且至少含有水、二氧化碳、一氧化碳等要消除雜質(zhì)的氣體進行精制的方法和裝置。通過進行氧化一氧化碳、水的吸附除去、二氧化碳吸附除去來進行精制所要精制的氣體。在上述的要消除雜質(zhì)中含有氫的情況下,利用催化劑氧化氫生成水是通過與催化劑的載體、上述催化劑一起填充的水分吸附劑及填充在上述催化劑以后的水分吸附劑二者至少其中之一來吸附除去的。
文檔編號B01J23/54GK1209350SQ9810247
公開日1999年3月3日 申請日期1998年5月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月23日
發(fā)明者川井雅人, 中村守光, 岡村信宏 申請人:日本酸素株式會社