[发明专利]用于进料气体流的预纯化的系统

说明书

本发明题为“用于进料气体流的预纯化的系统”。本发明提供了一种对进料气体流进行预纯化的系统和方法，所述系统和方法特别适用于对低温空气分离单元中的进料空气流进行预纯化。本发明所公开的预纯化系统和方法被构造成从进料空气流中去除基本上所有的氢气、一氧化碳、水和二氧化碳杂质，并且特别适用于高纯度或超高纯度氮气设备。所述预纯化系统和方法优选地采用两个或更多个单独的霍加拉特催化剂层，其中所述连续的霍加拉特层由沸石吸附剂层隔开，所述沸石吸附剂层去除所述霍加拉特层中产生的水和二氧化碳。另选地，所述预纯化系统和方法采用由沸石吸附剂层隔开的霍加拉特催化剂层和贵金属催化剂层，所述沸石吸附剂层去除所述霍加拉特层中产生的水和二氧化碳。

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年1月29日提交的美国专利申请序列号17/264,457的优先权，该美国专利申请要求2020年8月19日提交的美国临时专利申请序列号63/067,539的权益。

技术领域

本发明涉及用于从进料气体流中去除杂质的系统和方法，并且更具体地讲，涉及用于在将进料气体流引入低温蒸馏系统中之前从进料气体流中去除水、二氧化碳、氢气和一氧化碳的方法和装置。更具体地讲，本发明涉及用于对低温空气分离单元中的进料空气流进行预纯化的系统和方法。

背景技术

吸附是用于纯化气体和处理流体废物流的公认技术。大气空气的纯化和分离构成广泛使用吸附方法的主要领域之一。为了提高其效率，正在不断开发新的和改进的预纯化系统和方法。

具有强烈商业和技术关注的领域之一代表了空气在其低温蒸馏之前的预纯化。通过低温分离空气来制备氮气(N₂)和氧气(O₂)以及氩气(Ar)的常规空气分离单元基本上分别由两个或至少三个在非常低的温度下操作的集成式蒸馏塔构成。由于这些低温，必须将水蒸气(H₂O)和二氧化碳(CO₂)从进料到空气分离单元的经压缩的空气中去除，以防止空气分离单元内的部件冻结。

目前用于预纯化进料空气的商业方法包括变温和/或变压吸附单元，所述变温和/或变压吸附单元采用吸附材料层连同任选的催化预纯化技术。通常使用位于低温蒸馏系统上游的预纯化单元(PPU)，其包括前沿吸附剂层以去除水、二氧化碳以及烃和其他污染物，包括氮氧化物。此类PPU还可任选地包括以去除一种或多种污染物为目标的一种或多种催化剂，之后是任选催化剂下游的最终吸附剂层以去除由催化过程产生的污染物。

如果不去除，则进料空气中存在的水和二氧化碳将冻结并堵塞用于在低温蒸馏塔中蒸馏之前冷却进料空气的热交换器。通常需要去除烃和一氧化二氮以确保此类低温蒸馏系统的安全操作，该低温蒸馏系统通常涉及处理富氧气流。

在进入PPU之前，通常将大气空气压缩至约0.45MPa至1.1MPa的高压，之后进行冷却步骤和去除冷凝水的组合。然后将经冷却的进料空气流传递至PPU，其中首先通过在分子筛和/或活性氧化铝床中吸附来去除任何剩余的水和二氧化碳。离开分子筛和/或活性氧化铝床的空气流基本上不含二氧化碳、水、烃和一氧化二氮。优选地，为了避免冻结，经压缩和预纯化的空气进料流中的水含量必须小于0.1ppm(份每一百万份)，同时经压缩和预纯化的空气进料流中的二氧化碳含量必须小于1.0ppm。从安全的角度来看，经压缩和预纯化的空气应基本上不含重质烃和一氧化二氮。

此外，电子工业和选定的其他工业的一些应用需要在低温蒸馏系统中处理进料空气流以产生高纯度或超高纯度氮气产物之前从进料空气流中去除氢气和/或一氧化碳。仅具有分子筛和/或活性氧化铝床的常规PPU非常能够从冷却的进料空气中去除二氧化碳、水、烃和一氧化二氮。然而，活性氧化铝或分子筛不能有效地基本上去除可能存在于进料空气中的一氧化碳或氢气。