專利名稱：能夠供應(yīng)高純度二氧化碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種提供氣體的方法。具體地，本發(fā)明涉及一種能夠供應(yīng)
高純度二氧化碳(purified carbon dioxide)氣體的方法。
背景技術(shù)：
二氧化碳用于許多工業(yè)和家居應(yīng)用中，許多這些應(yīng)用要求二氧化碳中不含 有各種雜質(zhì)。不幸的是，通過天然源如氣井、化學(xué)方法、發(fā)酵方法得到的二氧 化碳，或者在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的二氧化碳，特別是通過烴類產(chǎn)品燃燒產(chǎn)生的二 氧化碳，通常含有雜質(zhì)量的硫化合物如硫化羰(COS)和硫化氫(H2S)，氧化產(chǎn)物 (oxygenates)如乙醛和醇，以及芳族化合物如苯。當(dāng)二氧化碳將用于需要高純度 二氧化碳的應(yīng)用(例如食品和碳酸飲料、醫(yī)藥產(chǎn)品和電子器件的制造和清潔)中 時(shí)，必須在使用之前，將氣流中含有的硫化合物和其它烴雜質(zhì)減少到非常低的 含量。要求的雜質(zhì)去除水平根據(jù)二氧化碳的應(yīng)用而變化。例如，對(duì)于飲料用品， 二氧化碳(C02)中總硫含量應(yīng)該低于O.lppm，芳香烴的含量必須低于0.02ppm。 對(duì)于電子清潔應(yīng)用，需要將重?zé)N的含量減小到低于O.lppm。
從二氧化碳之類的氣體中除去硫化合物和烴雜質(zhì)的各種方法是已知的。例 如，授予Lieder等的美國(guó)專利第4,332,781號(hào)揭示了通過以下步驟除去氣流中 COS和H2S的方法首先，通過使氣流與可再生的氧化反應(yīng)物的水溶液接觸來 除去烴氣流中的H2S，所述可再生的氧化反應(yīng)物可以是多價(jià)金屬離子，例如鐵、 釩、銅等，從而產(chǎn)生含有COS的氣流和含有硫和還原的反應(yīng)物的水性混合物。
美國(guó)專利第5,858,068和6,099,619號(hào)揭示了使用銀交換的八面沸石和MFI
型分子篩除去二氧化碳中的硫、氧和其它雜質(zhì)，該二氧化碳將用在食品相關(guān)的 應(yīng)用中。美國(guó)專利第5,674,463號(hào)揭示了利用水解和與金屬氧化物如氧化鐵的 反應(yīng)來除去二氧化碳中的硫化羰和硫化氫雜質(zhì)。
己經(jīng)知道，通過使氣流與金屬氧化物如氧化銅、氧化鋅或它們的混合物接觸，可以直接除去氣流中的硫化合物(例如H2S)。還知道通過以下步驟可以除 去硫雜質(zhì)首先在水解催化劑上使COS水解為H2S，然后通過與金屬氧化物反 應(yīng)除去H2S。因?yàn)樵S多二氧化碳的終端使用者要求他們所使用的二氧化碳基本不含硫 化合物、烴和其它雜質(zhì)，并且因?yàn)樘烊粊碓吹亩趸己凸I(yè)制造的二氧化碳 常含有硫和烴化合物，因此人們?nèi)栽趯ふ夷軌蚧旧贤耆ザ趸細(xì)饬髦?的硫和烴化合物，且同時(shí)不會(huì)將其它雜質(zhì)引入二氧化碳中的經(jīng)濟(jì)且有效的方 法。也在尋找對(duì)各種雜質(zhì)的低成本的分析方法。而且，人們也在尋找向制造過 程提供高純度二氧化碳的可靠方法。本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)便且有效的方法而實(shí)現(xiàn) 這些目的。發(fā)明概述在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種能夠供應(yīng)直接用于需要純化的氣 體的操作過程的高純度氣體(例如二氧化碳)的方法，該方法包括將二氧化碳 由生產(chǎn)設(shè)施輸送到需要使用高純度二氧化碳的場(chǎng)所，使二氧化碳通過各種 純化裝置除去硫化合物、氧化產(chǎn)物和芳族化合物之類的雜質(zhì)，使用至少一 種分析儀器分析高純度二氧化碳的雜質(zhì)情況，并將符合產(chǎn)品純度要求的高 純度二氧化碳的一部分引入操作過程中。在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法使使用者可以在遠(yuǎn)程場(chǎng)所直接使用。 另外，高純度二氧化碳的至少一部分可用于后備儲(chǔ)存。本發(fā)明的方法包括從生產(chǎn)設(shè)備提供二氧化碳，使二氧化碳通過各種裝 置，以除去硫和烴(包括氧化產(chǎn)物和芳族化合物)之類的雜質(zhì)，提供給分析裝 置以保證二氧化碳的純度，并將高純度二氧化碳供給制造過程中。該方法 還包括使高純度二氧化碳液化的部分，以及儲(chǔ)備高純度二氧化碳作為后備 的部分。二氧化碳的純度足以符合質(zhì)保的要求。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用檢測(cè) 器分析二氧化碳，在分析之前先將雜質(zhì)濃縮。使用高純度二氧化碳的操作 選自食品和飲料、醫(yī)藥產(chǎn)品和電子清潔器件的消費(fèi)品的制造。附圖簡(jiǎn)要說明
雖然說明書與權(quán)利要求書清楚地指出了申請(qǐng)人認(rèn)為是其本發(fā)明的主題，但 是通過結(jié)合以下附圖可以更好地理解本發(fā)明-


圖1是由二氧化碳純化設(shè)施進(jìn)行二氧化碳生產(chǎn)和純化的示意圖。
發(fā)明詳述
通常生產(chǎn)的用于工業(yè)過程的二氧化碳含有許多雜質(zhì)。這些雜質(zhì)常常是許多 二氧化碳應(yīng)用所關(guān)心的問題，但是在預(yù)計(jì)用于人消耗(例如碳酸飲料)和電子制 造的產(chǎn)品的生產(chǎn)中，二氧化碳的純度極為重要，能夠影響最終產(chǎn)品的味道、質(zhì) 量和合法性。除了純度，二氧化碳供應(yīng)的可靠性也是制造過程(通常是連續(xù)或 半連續(xù)的)關(guān)心的問題。本發(fā)明提供一種向制造過程可靠地提供高純度二氧化 碳的方法。二氧化碳的各種使用場(chǎng)所包括飲料灌裝設(shè)備、食品冷凍設(shè)備、電子
產(chǎn)品制造設(shè)備和噴泉(fountain)型二氧化碳分發(fā)場(chǎng)所。
圖1示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。在圖1中，從設(shè)施310附近的C02 生產(chǎn)設(shè)備300得到液體二氧化碳，在設(shè)施310處C02用于制造過程中。設(shè) 施310可以是飲料灌裝設(shè)備或電子產(chǎn)品制造設(shè)備。將二氧化碳輸送到儲(chǔ)罐 315，在氣化室320中氣化，將物流325輸送到分析系統(tǒng)400。如果該物流 在進(jìn)料雜質(zhì)方面符合預(yù)定的要求，則將該物流輸送到純化平臺(tái)(purification skid )330。純化平臺(tái)330排出的物流中的一部分取作物流335，用分析系統(tǒng) 400進(jìn)行分析。如果該純化的物流在產(chǎn)物雜質(zhì)方面符合預(yù)定的要求，則該物 流的大部分作為物流350被輸送到制造過程355， 一小部分作為345被輸送 進(jìn)行液化，用于后備儲(chǔ)存。如果平臺(tái)330排出的物流不符合預(yù)定的要求， 則該物流作為物流340放空。后備物流345在冷卻器360中液化，并用泵 365將其泵送到儲(chǔ)罐370中。當(dāng)需要后備的二氧化碳時(shí)，例如當(dāng)離開裝置 330的物流不符合要求時(shí)，來自儲(chǔ)罐370的C02流在氣化室375中汽化， 該物流的一部分取作物流380，用于在裝置400中的分析。如果該物流在雜 質(zhì)方面符合要求，則被輸送到裝置355用于制造過程。
本發(fā)明可應(yīng)用的工業(yè)或消費(fèi)業(yè)包括但不限于食品的制造和清潔；電子產(chǎn) 品、電子部件和組件的制造；醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的清潔；軟飲料、啤酒和水的碳酸化；含有易燃液體或粉末的儲(chǔ)罐和容器的覆蓋；在空氣中會(huì)降解的材料的覆蓋，例 如植物油、香料和香精。儲(chǔ)罐315中可能不純的二氧化碳可由任何可利用的二氧化碳源得到，可含 有以下雜質(zhì)硫化合物，例如硫化羰、硫化氫、二甲硫、二氧化硫和硫醇；烴 雜質(zhì)，例如醛、醇、芳族化合物、丙烷、乙烯；以及其它雜質(zhì)，例如水、 一氧 化碳。這些雜質(zhì)可在純化裝置330中除去，在分析系統(tǒng)400中進(jìn)行分析。該純 化裝置包含幾種用于除去硫雜質(zhì)、烴、氧化產(chǎn)物和芳族化合物的模式(module)。為了本發(fā)明的目的，至少一些硫雜質(zhì)(例如硫化氫和硫化羰)可以在50-150 'C的升高的溫度下除去。這些溫度可以通過加熱器和熱交換裝置獲得。在這些 溫度下除去硫雜質(zhì)可以明顯提高這些雜質(zhì)的去除效率。硫純化材料包括碳酸鹽 和氫氧化物，例如在活性碳上的鈉和鉀的氫氧化物或碳酸鹽；金屬氧化物，例 如單獨(dú)使用或負(fù)載在微孔吸附劑上的銅、鋅、鉻或鐵的氧化物，所述微孔吸附 劑例如活性氧化鋁、活性碳或硅膠。其它如CuY沸石之類的材料也可以通過 反應(yīng)有效地除去硫化羰和二氧化硫雜質(zhì)。活性碳也可用于除去硫醇。 一些材料 如氫氧化物和碳酸鹽可能需要氧使硫化合物(硫化氫)轉(zhuǎn)化為硫，需要氧和水使 硫化羰轉(zhuǎn)化為硫化氫，然后轉(zhuǎn)化為硫。烴雜質(zhì)可通過催化氧化和吸附的結(jié)合或者只通過吸附來除去。催化床可以 在除硫床之后。需要通過加熱器和熱交換裝置將物流溫度升高到150-450°C， 以使各種烴雜質(zhì)氧化。反應(yīng)器的溫度取決于要除去的雜質(zhì)和使用的催化劑。催 化床使用的材料通常是貴金屬如鉑或鈀，它們負(fù)載在顆粒狀或單塊式載體上。 反應(yīng)器床通過氧化反應(yīng)純化二氧化碳，在催化劑床之前加入適當(dāng)量的氧氣。在 該反應(yīng)器中除去的雜質(zhì)通常包括丙烷、醛、醇、乙酸酯、芳族化合物、甲垸、 和一氧化碳。將離開反應(yīng)器床或除硫床的物流在熱交換裝置中冷卻到接近室溫，然后送 入吸附床，除去水和其它雜質(zhì)。吸附床可除去來自催化劑床的任何殘余雜質(zhì)和 反應(yīng)產(chǎn)物，當(dāng)不使用催化劑床時(shí)，吸附床可以除去水或大部分雜質(zhì)。通常，活 性氧化鋁(AA)、沸石(例如4A或3X)或硅膠之類的吸附劑用于除去水分。NaY 沸石或其復(fù)合形式(與其它吸附劑如活性氧化鋁混合)之類的其它吸附劑用于除 去如酸、醇(例如甲醇和乙醇)、乙酸酯(例如乙酸甲酯和乙酸乙酯)和一些痕量的硫化合物(例如二甲硫化合物)的雜質(zhì)。對(duì)于這些雜質(zhì)，Y型沸石的能力明顯 高于其它沸石和非沸石材料。對(duì)于苯和甲苯之類的芳族化合物，可以使用活性 碳或脫鋁的Y型沸石之類的吸附劑。為了本發(fā)明的目的，用硫分析儀和烴分析儀分析在該處理過程的不同階段 的各種雜質(zhì)。這兩種分析儀可以在單獨(dú)一個(gè)裝置中，例如氣相色譜，或者它們 可以是不同的裝置。在進(jìn)行分析之前，可以對(duì)各種硫和烴雜質(zhì)進(jìn)行濃縮，以提 高它們?cè)跇悠分械暮?。該步驟改善了各分析儀的檢測(cè)下限。對(duì)于二氧化碳用于飲料灌裝或電子制造，根據(jù)最終的用途和生產(chǎn)設(shè)施的規(guī) 模，二氧化碳的流速可以為80-1500smS/h(標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí))。二氧化碳的壓力 通常約為1.7-21.5巴， 一般約為16-20巴。在某些應(yīng)用中，特別是那些涉及用 于電子清潔的二氧化碳的應(yīng)用中，壓力的范圍是60巴至數(shù)百巴。本發(fā)明的方法是設(shè)計(jì)用來解決二氧化碳雜質(zhì)，特別是在用于制造過程時(shí)提 供的二氧化碳相關(guān)的問題。通過同時(shí)進(jìn)行純化和分析，生產(chǎn)設(shè)施的操作者可以 獲得穩(wěn)定供應(yīng)且有質(zhì)量保證的純化二氧化碳，并且本發(fā)明還提供含高純度二氧 化碳的后備儲(chǔ)罐，可用于任何純化二氧化碳的實(shí)時(shí)供應(yīng)不足或者不能滿足需求 的特定情況。這使得操作者可以更好地控制純化過程，因?yàn)槿绻s質(zhì)含量不能 滿足二氧化碳中各雜質(zhì)含量的要求，則操作者可以停止或中止純化過程。實(shí)施例1采用與圖1類似的純化平臺(tái)純化二氧化碳進(jìn)行測(cè)試。該純化平臺(tái)包含用于 除硫的模式，用于除水和剩余雜質(zhì)的催化氧化裝置和吸附床，二氧化碳進(jìn)料的情況如下壓力 17巴溫度 25°C流量 109.7標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)H2S 5-9 ppmCOS 5ppm苯 2.5 ppm甲醇 160 ppm乙醛 llppm氧氣 比除去H2S、COS、苯、乙醛和甲醇所需的量多約50ppm。硫反應(yīng)器床在IO(TC運(yùn)行，該硫反應(yīng)器床含有17.1千克浸漬了 20重量％ 碳酸鉀的活性碳。催化反應(yīng)器床在250'C運(yùn)行，包含鈀涂布的催化劑。所述裝置運(yùn)行1周以上，使用包含F(xiàn)ID和FPD檢測(cè)器以及樣品濃縮器的 氣相色譜對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分析。在測(cè)試過程中，除硫床40排出的產(chǎn)物的總硫含量 保持低于0.05ppm，苯、甲醇和乙醛的含量都低于該儀器的檢測(cè)下限，各自小 于10ppb?；谖降臉悠窛饪s器使烴雜質(zhì)的濃度增加了 IOO倍以上，明顯提 高了這些雜質(zhì)的檢測(cè)限值。雖然已經(jīng)參考了若干實(shí)施方式和實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下進(jìn)行各種改變、添加和省略。
權(quán)利要求
1.一種能夠提供可直接用于需要高純度二氧化碳的操作的高純度二氧化碳的方法，所述方法包括a)將二氧化碳由生產(chǎn)設(shè)施輸送到要使用高純度二氧化碳的場(chǎng)所；b)使二氧化碳通過各種純化裝置除去雜質(zhì)，形成高純度二氧化碳；c)使用至少一種分析儀器分析高純度二氧化碳中的雜質(zhì)；d)將符合產(chǎn)品純度要求的高純度二氧化碳的一部分引入操作中。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，直接使用是在遠(yuǎn)程場(chǎng)所使用。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，提供高純度二氧化碳的一 部分作為后備儲(chǔ)存。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括對(duì)進(jìn)料進(jìn)行 分析，以確保純度要求。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述雜質(zhì)包含硫化合物和 烴，所述烴包括氧化產(chǎn)物和芳族化合物。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，二氧化碳的純度足以符合 質(zhì)保要求。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述各操作選自食品、醫(yī) 藥產(chǎn)品和電子器件消費(fèi)品的制造和清潔。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述純化裝置包括硫反應(yīng) 器床。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述硫反應(yīng)床含有能與H2S 和COS反應(yīng)的催化劑。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述催化劑選自下組碳 酸鹽和氫氧化物、在活性碳上的碳酸鹽、在活性氧化鋁上的碳酸鹽、金屬氧化 物、負(fù)載在微孔吸附劑上的金屬氧化物、以及CuY沸石。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述純化裝置還包括顆?；?單塊式反應(yīng)器床。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)器床含有一種或多 種催化劑材料。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述純化裝置還包括含有活 性氧化鋁和13X沸石的床。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述活性氧化鋁和13X相互 層疊在一起。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括NaY沸石吸附劑。
16. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括活性碳吸附劑。
17. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳排除裝置包括 閥裝置，用于將所述二氧化碳引向生產(chǎn)過程或儲(chǔ)備場(chǎng)所，或者同時(shí)引向兩者。
18. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括使用檢測(cè)器分析二氧化 碳純度，和在進(jìn)行分析之前濃縮雜質(zhì)。
19. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括硫分析裝置和烴分析 裝置。
20. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在約1.7-21.5巴的壓力下進(jìn) 行操作。
21. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述純化裝置在約40-300°C 的溫度下操作。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠供應(yīng)可直接用于需要高純度二氧化碳的操作過程的高純度二氧化碳的方法，該方法包括將不純的二氧化碳通過各種純化裝置，除去硫化合物、氧化產(chǎn)物和芳族化合物。本發(fā)明還提供二氧化碳供應(yīng)系統(tǒng)，提供純化二氧化碳的方法和設(shè)備，以及提供后備二氧化碳的方法。二氧化碳中的硫類物質(zhì)和其它雜質(zhì)可通過吸附和反應(yīng)裝置除去。
文檔編號(hào)B01D53/02GK101262923SQ200680033159
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2006年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者C·B·艾倫, C·威特里普, R·賈殷 申請(qǐng)人:琳德股份有限公司