[发明专利]通过液相低温吸附纯化氩

说明书

本发明涉及使用TSA(温度摆动吸附)循环方法从液态氩移除氧的方法，所述方法包括冷却吸附剂床以使氩维持在液相；向所述吸附剂床供应被氧污染的液态氩进料以及纯化所述液态氩，从而制备具有比在初始液态氩进料中更少的氧污染物的氩产物；排空所述纯化的残留液态氩产物，以及将纯化的氩送出所述吸附剂床。特别制备的吸附剂的再生允许所述吸附剂床升温至排除需要真空或从所述床撤空吸附剂的应用的温度。

发明领域

本发明涉及循环吸附方法用于液态氩纯化所需的氧移除的用途。更具体地，本发明涉及所述方法步骤、条件和吸附剂，以纯化液态氩流的氧。本发明还描述最佳且具经济吸引力较低能耗方法以用于获得具有商业可行性的液态氩产品。此外，本发明还提供在该纯化方法中使用的最佳吸附剂的鉴定。根据现场使用相关条件，该纯化方法可结合空气分离装置或设备（ASU）。

相关技术的描述

成功开发循环吸附方法以实现从液态氩移除低浓度（即，在百万分之几范围内）的氧，这需要鉴定合适的吸附剂以及开发和优化吸附方法步骤。

从氩移除低浓度的氧被认为是一种纯化方法，其对于不期望在氩中存在有氧的许多氩的终端用户而言是必需的。在许多发生安全、处理和工业上或实验室使用液态或气态氩的情况下，氩的纯度是重要的。氩作为固体、液体和气体是无色、无味和无毒的。在大多数条件下氩是化学惰性的。作为惰性稀有气体，其具有与半导体工业、照明、和其它类型的气体放电管、焊接和其中通常非反应性物质变成反应性的其它高温工业方法相关的应用所期望的特殊性质。氧与氩相反，是（气体或液体形式的）高反应性物质并且由于其支持燃烧因而通常具有安全问题。对于某些实验室和工业方法，即使低水平的氧（<百万分之100）在很多时候是不能接受的。这还包括其中必须主要在无氧下实施一些反应的化学处理工业。对氩的纯化的成本考量在特殊低温系统的至少几十年的发展中成为驱动影响，并且一直在寻求找到一种稳健、可靠并且符合消费者需求所必需的经济标准的合适的方法。通过低温蒸馏制备液体氩是众所周知的，并且是生产高纯度氩的优选方法。

也已经描述了吸附方法用于纯化氩，然而，这些方法通常局限于使用4A吸附剂的气相以及涉及昂贵的能源密集型吸附方法。例如，每逢需要抽空步骤时，该吸附方法就增加了相当大的成本。再生的吸附方法步骤需要真空，其在历史上一直是能量密集的，因为真空处理需要特殊设备和其它的额外的辅助设备，导致更高能源需求以及不期望但必需的资本以及操作费用的增加。

在相关的技术中，美国专利US3,996,028提供使用吸附方法的氩的纯化，以通过将污染的氩流在低温经过A型合成沸石，来移除氧杂质。该文献提供真空处理，作为升温再生步骤之后从所述沸石解吸附氧的必要步骤。而且，在吸附步骤期间，氩进料是气相形式，以及提供的纯化的氩产物是气相形式。

美国专利US 4,717,406描述了通过在低温温度和压力在足以允许吸附的时间内使液化气体通过活化的吸附剂材料，来现场吸附包含在液化气体中的杂质。然而，该方法的必要组件包括吸附剂床上游和下游的过滤器。已在该文献中提供的实施例关于从二氧化碳纯化液化氧气，因为这接触最初为环境温度的吸附剂床。

美国专利US 5,685,172描述了从至少90 mol %的氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或这些气体的混合物的冷气体或液体流纯化氧和二氧化碳。为达到该目的，需要使用多孔金属氧化物，例如类似霍布卡拉特(hopcalite)的材料。这些金属氧化物的再生需要还原剂，例如氢，这增加使用这些材料的吸附方法的总操作成本。在本发明中描述的沸石与霍布卡拉特不同，不需要使用还原剂用于再生。更具体地，霍布卡拉特是化学吸附剂或催化剂，但是其中沸石是可逆的物理吸附剂。此外，霍布卡拉特材料大部分是非晶形的。任何与霍布卡拉特相关的结晶性归因于MnO₂组分，其主要以无定形的形式存在。相反，沸石是结晶材料。

美国专利US 6,083,301描述了用于将惰性流体纯化至至多十亿分之一杂质以供在电子领域中使用的PSA或TSA方法。该专利描述了类似霍布卡拉特的吸附剂用于从液体流捕获氧杂质的用途。