[发明专利]超纯氮的生产

说明书

本发明涉及高纯氮的产生，更具体地，涉及通过深冷吸附从高纯氮中除去一氧化碳。

许多应用中需要使用氮气，这种氮气必须基本上不含诸如一氧化碳等杂质。在设计集成电路块制造中这是十分重要的，因为即使杂质非常少，也可能导致集成电路块产量的大大降低。当希望通过空气深冷分馏生产高纯氮时，空气中存在诸如烃类这些一般不可冷凝的高沸点杂质是没有问题的，因为一些高沸点杂质在进入蒸馏系统前可从进料气流在接近室温时吸附除去，而未被吸附除去的烃类和其它高沸杂质和富氧气流离开蒸馏系统。然而，一氧化碳作为杂质存在于空气进料中，并且，在进料气流进入蒸馏系统之前，未能被除去它将最终在富集的氮气流中，因为它的沸点非常接近氮气。传统去除氮气流中的一氧化碳需要采用特殊的技术，诸如高温化学吸附或氧化成二氧化碳。

氧化去除一氧化碳需要采用铂-钯催化剂在高达250℃的温度时反应。通过化学吸附去除一氧化碳包括在30℃-200℃温度之间采用铜或镍基吸气剂/吸附剂。这些方法中的每一种都明显地增加高纯氮生产的总成本。

美国专利4,746,332揭示了采用钠交换的A型沸石在深冷温度下从氮气流中吸附氧。

由于大多数高纯氮是通过深冷蒸馏生产的，在深冷温度下去除一氧化碳是十分需要的，因为这样的步骤可易于一体化于现有的方法中，而本发明提供了这样一种方法。

根据本发明的主要的目的，将空气流或氮气流在一氧化碳选择性吸附剂的床中，于深冷温度下，通过温度交替吸附(TSA)，从空气流或氮气流中除去一氧化碳。在空气净化情况下，该吸附在空气的露点以上的温度，通常在约150℃的温度下进行，而较佳地在约90°-125°K的温度范围中进行，以及在氮净化的情况下，该吸附在氮在大气压力沸点以上的温度下，即77°K，但低于约150°K温度下进行；而较佳地在约90°-150°K的范围中进行。一般地，该吸附在约1-20大气压力的绝对压力下进行。用于本发明的方法中的吸附剂为A型沸石、X型沸石、Y型沸石、丝光沸石或它们的混合物。一般地，吸附剂床在约-20℃到250℃温度范围再生。本发明从氮或空气除去直至约100ppm的一氧化碳尤为有效。

本发明的方法的较佳实施例中，吸附剂是钙交换的X型沸石、5A型沸石、13X型沸石或其混合物。

在本发明的更特殊的实例是，一通过一个二种交替的过程从含一氧化碳的空气生产实质上无一氧化碳的氮气：

(a)深冷蒸馏空气，由此产生含一氧化碳的富集的氮气流；然后该富集的氮气流通过一氧化碳选择性吸附剂床在约77-150°K的温度范围，较佳地在约90°-125°K从该富集的氮气流吸附一氧化碳；或者

(b)将空气流通过一氧化碳选择性吸附剂床，在空气的露点以上的温度在吸附剂床温约150°K而较佳地约在90°-125°K范围中，由此产生实质上无一氧化碳的空气；以及深冷蒸馏该实质上无一氧化碳的空气，由此产生实质上无一氧化碳富集的氮气流。

本发明的设备方面包括深冷温度交替吸附系统与分部蒸馏系统按顺序排列或二个交替的排列；

(a)一个具有空气入口装置、富集氧气流出口装置和富集氮气流出口装置的蒸馏柱，以及深冷温度交替吸附装置，它包括含有至少一种吸附一氧化碳强于吸附氮气的吸附剂的吸附剂床，与富集的氮气流出口装置连接的入口装置，非吸附产物气体的出口装置和解吸产物气体的出口装置；以及

(b)深冷温度交替吸附装置，它包括含有至少一种吸附一氧化碳强于吸附氮、氧和氩的吸附剂的吸附剂床，以及具有非吸附产物气体出口装置和解吸产物气体出口装置，和具有空气入口装置与非吸附产物气体出口装置，富集氧气流出口装置和富集氮气流出口装置相连接的蒸馏柱。

在任一的可采用的吸附装置中含有一种吸附剂，它选自A型沸石、X型沸石、Y型沸石、丝光沸石以及其混合物，而较佳的具体例子中的一种吸附剂为选自钙交换的X型沸石、5A型沸石、13X型沸石以及其混合物。

本发明的设备实例中另一较佳的具体例子是蒸馏柱附有一个粗氩旁支管蒸馏柱。

以下，本发明以附图加以说明，其中：

图1为按照本发明的原则描述的从富氮进料气流回收高纯氮的深冷吸附系统；

图2为按照本发明从空气生产高纯氮气系统的第一个具体例子；

图3为按照本发明从空气生产高纯氮系统的第二个具体例子。

所有图中的类似的符号表示类似的或相应的部分，辅助阀门、管线和装备对理解本发明不需的已从图中省略。