專利名稱：氣體凈化設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如二氧化碳、氦氣及氬氣之類工業(yè)氣體的凈化，特別是通過(guò)催化輔助技術(shù)清除烴類和/或氧氣。
背景技術(shù)：
工業(yè)氣體常常要求滿足純度規(guī)定。為達(dá)到這些規(guī)定，必須從氣體中清除各種各樣雜質(zhì)。催化燃燒在許多雜質(zhì)的清除中發(fā)揮作用。催化劑的使用使得燃燒得以在比不使用催化劑低的溫度進(jìn)行，盡管仍然要求高達(dá)1000°F的溫度。
在氣體凈化領(lǐng)域，有許許多多催化燃燒的應(yīng)用實(shí)例。它被用于從二氧化碳中清除烴類污染。按此種方式清除的烴類包括乙烷、苯、甲醇、乙醇和乙醛。需要的話，向二氧化碳中加入氧，催化燃燒將烴類轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。水很容易從下游干燥床中移出。還可通過(guò)向二氧化碳流中加入氫并令其從催化劑流過(guò)而除氧，結(jié)果生成水。此種方式用在要求低氧含量的“使用現(xiàn)場(chǎng)”凈化器中。氫氣從氦氣中清除也采用此種技術(shù)，因?yàn)檫@兩種氣體很難通過(guò)諸如蒸餾之類的其他方式分離。氧氣被加入到氦氣中，于是催化燃燒將氫氣轉(zhuǎn)化為水。水和多余氧很容易從氦氣中清除。催化燃燒也應(yīng)用在氬氣凈化中。由于氧氣與氬氣很難通過(guò)蒸餾分開(kāi)，于是將氫氣加入到氬氣流中，并在催化劑上與氧氣燃燒生成水。水很容易從氬氣中清除掉。
在所有上面列舉的催化燃燒應(yīng)用中，熱管理占據(jù)非常重要的地位。烴類在二氧化碳中的催化燃燒要求500～1000°F的溫度。倘若必須花費(fèi)能量將二氧化碳加熱到如此高的溫度，此種方法勢(shì)必不經(jīng)濟(jì)。必須從熱氣體中回收熱量并將其轉(zhuǎn)移到進(jìn)料氣中以減少其加熱所需能量，并最終使該方法成本合算。在所有催化燃燒應(yīng)用中，污染物燃燒期間都將產(chǎn)生熱量。這部分熱量當(dāng)燃燒發(fā)生在高溫時(shí)被用來(lái)預(yù)熱進(jìn)料氣，然而在所有情況下它都必須從氣體流中撤出，以便使該氣體的進(jìn)一步下游加工得以進(jìn)行。
催化燃燒是從氣體中去除雜質(zhì)的熟知技術(shù)，且現(xiàn)有技術(shù)中不乏其應(yīng)用實(shí)例。當(dāng)通過(guò)與氧起反應(yīng)從氣體中清除烴類和氫氣時(shí)通常稱其為催化氧化，其中在烴類的情況下生成二氧化碳和水，而在氫氣的情況下僅生成水。當(dāng)通過(guò)與氫氣起反應(yīng)生成水來(lái)清除氧時(shí)，該燃燒過(guò)程被稱為“脫氧”。
一般性催化氧化系統(tǒng)在文獻(xiàn)中做了描述(Kohl和Nielsen，1997)，用于從空氣流中清除揮發(fā)性有機(jī)化合物。該催化氧化系統(tǒng)由三種單元操作組成熱交換器、燃燒器和催化劑床。待凈化空氣經(jīng)由熱交換器的一側(cè)穿過(guò)，在此它通過(guò)與離開(kāi)催化劑床的熱氣體間接接觸被加熱。預(yù)熱的空氣隨后流到催化劑床中，在此它通過(guò)與來(lái)自燃燒器的熱燃燒氣體混合，溫度進(jìn)一步升高。該熱混合物的溫度高到足以在催化劑上發(fā)生氧化反應(yīng)。熱空氣穿過(guò)催化劑流動(dòng)，其間揮發(fā)性有機(jī)化合物與氧起反應(yīng)生成二氧化碳和水，它們已不再是有害污染物了。該反應(yīng)放熱，故空氣流的溫度有所升高。凈化的熱空氣離開(kāi)催化劑床并流入熱交換器，在此它通過(guò)與進(jìn)料空氣間接接觸而冷卻。
需要利用燃料在燃燒器中燃燒而向空氣中加入的熱量取決于三個(gè)因素空氣中可燃污染物的數(shù)量、熱交換器效率和單元操作之間的熱損失量。空氣中含有的污染物越多，則其燃燒產(chǎn)生的熱量也越多。倘若存在足夠的污染物，將不需要加入熱量。由于氣體對(duì)氣體的傳熱效率差，要想從離開(kāi)催化劑床的凈化空氣中將全部熱量回收到被污染的進(jìn)料空氣中，是不可能的。增加回收的熱量要采用較大因而較昂貴的熱交換器或一個(gè)以上熱交換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。任何在催化劑床與熱交換器之間，熱交換器與加熱器之間以及加熱器與催化劑床之間的熱損失，都將增加要求加熱器提供的能量。盡可能減少熱損失將降低空氣的加熱成本。
Kohl和Nielsen所描述的系統(tǒng)中，催化劑通常由鉑族金屬沉積在氧化鋁載體上構(gòu)成。該載體采取排列在充填反應(yīng)器床層中的片粒形式，或者采取在其內(nèi)部通道涂以催化劑材料的整體結(jié)構(gòu)形式。老式設(shè)計(jì)一律采用片粒催化劑，而比較現(xiàn)代的體系則常常采用整體式。


圖1表示一種已知的二氧化碳凈化系統(tǒng)。含雜質(zhì)的二氧化碳進(jìn)料101中的烴類在催化劑上被氧化為二氧化碳和水。該催化氧化系統(tǒng)同樣也由三種單元操作組成熱交換器102、加熱器103和催化劑容器104，它們?nèi)际峭ㄟ^(guò)適當(dāng)管線連接的界限分明的單元。二氧化碳經(jīng)由管殼式熱交換器102的殼側(cè)流過(guò)而預(yù)熱，穿過(guò)補(bǔ)充加熱器103從而加熱到反應(yīng)溫度，穿過(guò)催化劑容器104使烴類起反應(yīng)，并流經(jīng)熱交換器102的管側(cè)而冷卻。凈化的二氧化碳流107繼續(xù)流往二氧化碳裝置中的進(jìn)一步加工工序。
如果二氧化碳含有足夠的可燃污染物，其溫度將升高到將進(jìn)料氣加熱到過(guò)高溫度的程度。在這種情況下，一部分進(jìn)料氣將通過(guò)由旁通閥106控制的旁通管線105繞過(guò)熱交換器而短路流過(guò)。這部分冷短路氣體與預(yù)熱氣體在進(jìn)入反應(yīng)器之前混合，從而建立恰當(dāng)?shù)某跏既紵郎囟?。補(bǔ)充加熱器103通常是電加熱器。催化劑包含在片粒形式氧化鋁上沉積的鉑族金屬。二氧化碳裝置中的催化氧化單元的操作在兩個(gè)方面不同于Kohl和Nielsen所描述的系統(tǒng)。必須向二氧化碳中加入氧才能在催化劑上發(fā)生燃燒；然而在空氣凈化期間則總是有足夠的氧存在。二氧化碳凈化發(fā)生在大約300psig的壓力下；而空氣卻是在常壓下進(jìn)行加工的。
催化氧化用于從二氧化碳中清除烴類的應(yīng)用描述在美國(guó)專利3,317,278和4,460,395中。在這兩篇專利中，催化氧化系統(tǒng)都由分別用作熱交換器、加熱器和催化劑容器的單獨(dú)容器組成。
催化氧化此前曾被用來(lái)在氦氣裝置中從氦氣中清除氫氣。通過(guò)向氦氣中加入氧并利用它來(lái)氧化氫氣，除掉了大約2％的氫氣含量。氦氣凈化催化氧化的設(shè)備安排與上面有關(guān)二氧化碳和空氣的描述略有不同。氫氣與氧反應(yīng)的溫度比烴類的低得多，因此熱量回收不是重要問(wèn)題。相反，必須從凈化的氦氣中撤熱，以便它能夠進(jìn)一步加工。含氫和氧的氦氣流稍加預(yù)熱至大約150°F。它流入到催化劑容器中，在此一部分氫與氧起反應(yīng)。在此種催化劑上要完全除掉氧則不可能，因?yàn)槟菢佑扇紵斐傻臏厣龑⑦^(guò)大，從而可能破壞催化劑。部分凈化的熱氦氣流流經(jīng)熱交換器，在此與冷卻流體換熱。隨后，它流經(jīng)另一個(gè)催化劑床，在此剩下的氫氣起反應(yīng)。以后的加工步驟將氦氣進(jìn)一步冷卻并移出氫在氧化期間生成的水。氦氣裝置的催化氧化部分由五個(gè)單獨(dú)的容器組成一個(gè)加熱器、兩個(gè)催化劑容器和兩個(gè)熱交換器。催化劑由氧化鋁上沉積鉑族金屬制成的片粒組成。
催化燃燒還曾被用來(lái)從氬氣中清除氧。在這種情況下，該過(guò)程被稱為“脫氧”。含約1.5％氧的來(lái)自粗氬氣塔的液態(tài)氬經(jīng)過(guò)蒸發(fā)，然后在該氣體流中加入氫氣。混合物經(jīng)壓縮，送至催化劑床，在此氫與氧起反應(yīng)。氣體在該反應(yīng)中被加熱，于是在反應(yīng)器下游的熱交換器中將其冷卻。反應(yīng)中生成的水在該熱交換器的下游從氬氣流中除掉。該脫氧系統(tǒng)由兩個(gè)單獨(dú)的容器組成催化劑容器和熱交換器。催化劑由表面沉積了鉑族金屬的氧化鋁片粒組成。
脫氧單元用來(lái)從氬氣中清除氧的應(yīng)用描述在許多文獻(xiàn)中。Latimer的一篇文章(1967-02)便是一例。美國(guó)專利6,168,774描述一種從氮?dú)庵星宄醯男∫?guī)模緊湊脫氧系統(tǒng)。
由于催化燃燒系統(tǒng)中進(jìn)料氣的加熱成本可能如此昂貴，以致文獻(xiàn)中出現(xiàn)有關(guān)熱綜合利用(heat integration)的報(bào)道。Eigenberger和Nieken(1994-01)討論了通過(guò)更好地綜合配置催化劑床與熱回收機(jī)制所獲得的好處。它們大部分專注于再生性熱回收上。再生性熱回收涉及被冷卻和被加熱流體與大的熱物質(zhì)(thermal mass)之間的直接接觸。再生性熱回收的一個(gè)例子是熱氣體從加熱它的耐火材料上流過(guò)。然后，切換氣流路徑，冷氣體流過(guò)該熱耐火材料并被其加熱。本發(fā)明不是涉及再生性熱回收。同流換熱的熱回收涉及兩股流體在熱交換器中的間接接觸，因此本發(fā)明涉及的是同流換熱的熱回收。當(dāng)Eigenberger和Nieken真正考慮同流換熱熱回收時(shí)，它們建議用催化劑充填熱回收熱交換器的管子。雖然就熱回收而言是高效的，但是該方法很可能給系統(tǒng)帶來(lái)額外花費(fèi)。本發(fā)明不涉及將催化劑加載到管殼式熱交換器的管子中。
美國(guó)專利5,914,091提出一種揮發(fā)性有機(jī)化合物清除用的使用點(diǎn)催化氧化單元。該緊湊單元設(shè)計(jì)成坐落在充分隔熱的小室內(nèi)以盡量減少熱損失。熱交換器和催化劑容器彼此靠近但它們?nèi)詾楸舜朔珠_(kāi)的容器。容器之間的區(qū)分，在該應(yīng)用場(chǎng)合不像在較高壓力場(chǎng)合那樣重要，因?yàn)樵搼?yīng)用場(chǎng)合處理的是基本上處于大氣壓壓力的氣體。
然而，目前依然存在著對(duì)提供本發(fā)明提供的綜合特征又克服了各種缺陷的系統(tǒng)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一個(gè)方面是用于凈化氣體流的設(shè)備，包括(a)管殼式熱交換器，包括殼程進(jìn)口和與殼程進(jìn)口處于流體聯(lián)通的殼程出口，還包括大量管子，每根管子具有進(jìn)口和出口；(b)催化劑系統(tǒng)，包括由具有貫通通道的整體式載體承載的催化劑，該載體具有一長(zhǎng)度以及位于該長(zhǎng)度相反兩端的上游和下游端，其中所述載體的直徑介于熱交換器殼體直徑的一半到兩倍，且其中所述載體的下游端與所述管子的進(jìn)口由一種長(zhǎng)度不超過(guò)載體長(zhǎng)度、在任何一點(diǎn)的直徑不小于所述載體直徑和所述殼體直徑二者當(dāng)中較小者的通路連接成流體聯(lián)通狀態(tài)；以及(c)待凈化氣體源，與所述載體的所述上游端處于流體聯(lián)通。
本發(fā)明另一個(gè)方面是凈化氣體流的方法，包括使該氣體通過(guò)處于能從所述氣體流中有效去除一種或多種污染物的條件下的所述設(shè)備。
本文所使用的術(shù)語(yǔ)“管殼式熱交換器”是這樣的熱交換器，它包括大量彼此大致平行排列的管子，管子外表面彼此相隔一定間距；一對(duì)板(通常稱之為“管板”)，管子穿過(guò)該板并且管子外表面在管子的每一端處或其近處密封至板上；以及外殼，它包圍著所有管子并且在管板的外邊緣密封，從而限定了一個(gè)里面裝著所有管子的圍成的空間。在熱交換器兩端，外殼還延伸到超過(guò)管板，且每一端通常終止于法蘭連接。法蘭連接與管板之間的容積稱作“熱交換器罩”。
本文使用的術(shù)語(yǔ)載體、外殼和通路的“直徑”，若物體斷面是圓形的話，是該圓的直徑，而倘若斷面不是圓的話，則是過(guò)斷面中心在斷面邊緣上兩點(diǎn)之間可能畫(huà)出的最長(zhǎng)線段的長(zhǎng)度。
本文使用的術(shù)語(yǔ)通路“長(zhǎng)度”是載體下游端與每個(gè)管子進(jìn)口之間的距離之和除以這些管子的數(shù)目的值。
附圖簡(jiǎn)述圖1是一種已知的二氧化碳流凈化系統(tǒng)流程圖。
圖2是本發(fā)明二氧化碳流凈化系統(tǒng)流程圖。
圖3是圖2系統(tǒng)一部分的縱剖面圖。
圖4是本發(fā)明氬氣凈化系統(tǒng)流程圖。
圖5是本發(fā)明氦氣凈化系統(tǒng)流程圖。
圖6是另一種本發(fā)明氦氣凈化系統(tǒng)流程圖。
圖7是另一種本發(fā)明二氧化碳凈化系統(tǒng)流程圖。
圖8是圖7系統(tǒng)一部分的縱剖面圖。
發(fā)明實(shí)施方式本發(fā)明提供一種能以較低基本投資制造的催化燃燒系統(tǒng)。它還可減少?gòu)南到y(tǒng)泄漏的熱量；這在要求向系統(tǒng)輸入熱量的情況下將降低操作成本。所有采用同流換熱熱交換的壓力催化燃燒方法的現(xiàn)有技術(shù)都表現(xiàn)為具有分開(kāi)的催化劑容器和熱交換器的系統(tǒng)。本發(fā)明利用一元化、整體催化劑載體的特性將催化劑直接與熱交換器偶聯(lián)。該催化劑安裝在雙端法蘭管件(spool piece)中，后者通過(guò)法蘭連接安裝在熱交換器罩上。熱交換器的成本維持不變，而雙端法蘭管件的成本卻大大低于單獨(dú)的催化劑容器。這對(duì)于壓力系統(tǒng)尤其有利，因?yàn)樗鼘p少必須符合規(guī)范、具有耐壓保護(hù)能力的壓力容器的數(shù)目。在熱交換器相反兩端采用兩個(gè)催化劑床將更多地得益于本發(fā)明。在這類情況下，裝有催化劑的雙端法蘭管件安裝在熱交換器的兩端，壓力容器的數(shù)目從三個(gè)減少到一個(gè)。整體式催化劑的采用還使得催化燃燒系統(tǒng)能夠沿任意取向來(lái)定位，以更好地將系統(tǒng)結(jié)合到整個(gè)裝置中。基于片粒的催化燃燒系統(tǒng)必須將催化劑容器沿垂直位置取向。采用催化劑與熱交換器之間的緊密偶聯(lián)，使從系統(tǒng)逸出的熱量比采用位于催化劑容器與熱交換器之間的配管時(shí)更少。熱損失的減少意味著，在要求加入熱量的情況下為達(dá)到反應(yīng)溫度必須加入的熱量較少。結(jié)果，操作成本下降。
優(yōu)選的是，熱交換器是圓筒形。還優(yōu)選，該整體式催化劑載體是圓筒形并坐落在圓筒形外殼(或“雙端法蘭管件”)內(nèi)，該外殼至少與催化劑載體一樣長(zhǎng)，更優(yōu)選更長(zhǎng)。距離催化劑載體最近的熱交換器管子的進(jìn)口，與距離該進(jìn)口最近的催化劑載體的這一端，彼此相距不超過(guò)載體長(zhǎng)度的距離。熱交換器殼體與該圓筒形外殼優(yōu)選具有相同直徑，而在直徑不同的情況下，可用適當(dāng)形狀的板材制作連接。催化劑載體的外徑比圓筒形外殼的內(nèi)徑略小(約0.1英寸～0.5英寸)，以便載體能坐落在外殼的內(nèi)部。
典型尺寸是熱交換器和催化劑載體的直徑各為1～36英寸；長(zhǎng)度，催化劑載體是3～84英寸。通路，亦稱催化劑載體與熱交換器管子進(jìn)口相鄰端之間的自由空間，通常長(zhǎng)3～18英寸。
本發(fā)明將在下面的范例實(shí)施方案中做進(jìn)一步描述。
生產(chǎn)裝置中的二氧化碳凈化。二氧化碳凈化的催化氧化系統(tǒng)示于圖2。二氧化碳流10以280～340psig的壓力和約150～200°F的溫度進(jìn)入管殼式熱交換器11的殼程。二氧化碳流10包含足夠氧，以便在催化劑上通過(guò)反應(yīng)將污染物氧化。二氧化碳流10中的氧可以是來(lái)自氣源本身或者是為催化氧化專門(mén)注入的。過(guò)量氧監(jiān)測(cè)器坐落在反應(yīng)器下游，通常在氣體冷卻之后。來(lái)自該監(jiān)測(cè)器的信號(hào)用來(lái)控制以液氧、VPSA氧或者物流10上游的空氣等形式注入氧。該控制系統(tǒng)通常將反應(yīng)器下游的氧含量維持在500～2500ppm的水準(zhǔn)。倘若顯著數(shù)量的氧存在于二氧化碳源氣體中，該水準(zhǔn)可能比較高。工藝過(guò)程中各種不同位置的二氧化碳組成示于表1。二氧化碳通過(guò)與逆流通過(guò)熱交換器管程的熱氣體進(jìn)行熱交換而被加熱。二氧化碳以450～950°F的溫度經(jīng)管子12離開(kāi)熱交換器的殼程。它流經(jīng)電加熱器13，從而使其溫度升高到550～1050°F。(反應(yīng)要求的溫度取決于必須清除的污染物種類和數(shù)量。)隨后，二氧化碳經(jīng)由管子15流入催化劑雙端法蘭管件19。
催化劑雙端法蘭管件更詳細(xì)地表示在圖3中。該雙端法蘭管件裝有整體式催化劑18，并由法蘭連接直接連在熱交換器11的罩上。在這一以及本發(fā)明所有其他實(shí)施方案中，任選的氣體分配器16可安裝在雙端法蘭管件的上游并靠近其進(jìn)口，以保證氣體均等地分配到所有催化劑通道中。此種任選的分配器可由多孔板或者某種其他分散器件組成。二氧化碳中的可被氧化的污染物在穿過(guò)整體式催化劑的過(guò)程中與氧起反應(yīng)。催化劑由沉積在整體式基材上的鉑族金屬構(gòu)成。整體式構(gòu)件呈陶瓷蜂窩、陶瓷泡沫體或金屬箔等形式。二氧化碳以550～1050°F的溫度離開(kāi)催化劑雙端法蘭管件?？缭酱呋瘎﹥啥说臏厣Q于物流中存在多少污染物以及這些污染物中有多少在催化劑上被氧化。
再次看圖2，離開(kāi)催化劑載體之后，二氧化碳流17流過(guò)雙端法蘭管件19的其余部分進(jìn)入管殼式熱交換器11的管程。它與進(jìn)料流10呈逆流地流動(dòng)。熱交換作用加熱流10、冷卻離開(kāi)催化劑雙端法蘭管件的熱氣體。凈化的二氧化碳作為流20離開(kāi)熱交換器。在此點(diǎn)，其溫度介于250～300°F，此后它繼續(xù)接受二氧化碳生產(chǎn)裝置中的其他加工。這些加工包括驟冷、除水、用吸收劑干燥、液化以及輕質(zhì)污染物的汽提。
如果二氧化碳流中污染物含量足夠高，流17的溫度可升高到由于過(guò)多熱量轉(zhuǎn)移到流12中，導(dǎo)致反應(yīng)器進(jìn)口溫度開(kāi)始上升的地步。若出現(xiàn)此種情況，進(jìn)料流10的一部分可繞過(guò)熱交換器11經(jīng)由旁通控制閥14短路。調(diào)節(jié)通過(guò)旁通的氣體流數(shù)量，以獲得恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器進(jìn)口溫度。當(dāng)旁通閥打開(kāi)時(shí)，氣體繼續(xù)經(jīng)加熱器流過(guò)，但不向加熱器供能量。該系統(tǒng)不限于如圖2所示的按垂直布置的操作。
氬氣凈化。氬氣凈化用的脫氧系統(tǒng)示于圖4。含約1.5％氧的氬進(jìn)行蒸發(fā)，然后向該流中加入足量氫氣以便與存在的全部氧起反應(yīng)。過(guò)程中各種不同位置的氬氣流組成示于表2?；旌衔飰嚎s到40～70psig，此時(shí)其溫度為約70°F。該壓縮的氬、氧和氫的混合物被表示為流30。流30流入催化劑雙端法蘭管件32并流過(guò)整體式催化劑33。該雙端法蘭管件的詳圖雖未給出，但它看上去將與圖3中所述為二氧化碳凈化所畫(huà)的那樣相同。氣體分配器31可安裝在靠近雙端法蘭管件進(jìn)口處，以保證氣體均等地分配到所有催化劑通道中。此種任選的分配器可由多孔板或者某種其他分散器件組成。催化劑由沉積在整體式基材上的鉑族金屬構(gòu)成。整體式構(gòu)件呈陶瓷蜂窩、陶瓷泡沫體或金屬箔等形式。氬氣中的氧和氫在催化劑上起反應(yīng)。氬氣流被該反應(yīng)加熱。凈化的熱氬氣流35離開(kāi)催化劑雙端法蘭管件并進(jìn)入管殼式熱交換器34的管程。雙端法蘭管件32與熱交換器34通過(guò)法蘭連接彼此直接相連。氬氣流通過(guò)與逆流地通過(guò)熱交換器殼程的水或其他冷卻流體之間的熱交換而冷卻。冷卻的氬氣流以100～200°F的溫度、作為流36離開(kāi)熱交換器，此時(shí)其氧含量降低到僅有幾個(gè)ppm。流36將在氬氣生產(chǎn)裝置中接受進(jìn)一步加工。冷卻水或其他冷卻流體作為流37進(jìn)入熱交換器34。隨著它從熱氬氣流取出熱量，它被加熱，然后它作為流38離開(kāi)熱交換器。該系統(tǒng)不限于圖中所述的水平布置。
氦氣凈化。氦氣凈化的催化氧化系統(tǒng)示于圖5。氦氣取自400～600psig的管線。在此點(diǎn)，它可包含高達(dá)4～5％氫和3％甲烷。氦氣在加熱器(未表示)中被略微預(yù)熱到大約150°F。該高壓氦氣流是流40。氧通過(guò)流39加入到流40中。氧加入量的選擇應(yīng)使得全部氧與氫起反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量將不致使該氣體流的溫度升高到超過(guò)約750°F；在這樣的溫度下，不希望發(fā)生的流中甲烷的燃燒可能開(kāi)始。過(guò)程中各種不同位置的氦氣流組成示于表3。氦、氫、甲烷和氧的混合物送入催化劑雙端法蘭管件42并流經(jīng)整體式催化劑43。該雙端法蘭管件的詳圖雖未給出，但它看上去將與圖3中所述為二氧化碳凈化所畫(huà)的那樣相同。氣體分配器41可安裝在靠近雙端法蘭管件進(jìn)口處，以保證氣體均等地分配到所有催化劑通道中。此種任選的分配器可由多孔板或者某種其他分散器件組成。催化劑由沉積在整體式基材上的鉑族金屬構(gòu)成。整體式構(gòu)件呈陶瓷蜂窩、陶瓷泡沫體或金屬箔等形式。氦氣中的氧和氫在催化劑上起反應(yīng)。氦氣流被該反應(yīng)加熱。部分凈化的熱氦氣流44離開(kāi)催化劑雙端法蘭管件42并進(jìn)入管殼式熱交換器45的管程。雙端法蘭管件42與熱交換器45通過(guò)法蘭連接彼此直接相連。氦氣流通過(guò)與逆流地通過(guò)熱交換器殼程的水或其他冷卻流體之間的熱交換而冷卻。冷卻、部分凈化的氦氣流46以100～200°F的溫度離開(kāi)熱交換器并進(jìn)入催化劑雙端法蘭管件47。該雙端法蘭管件47的詳圖雖未給出，但它看上去將與圖8中所述為使用現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳凈化所畫(huà)的那樣相同。雙端法蘭管件47與熱交換器45通過(guò)法蘭連接彼此直接相連。添加的氧隨流55經(jīng)過(guò)進(jìn)口56加入到氦氣流中。該進(jìn)口旨在將氧氣沿著雙端法蘭管件整個(gè)斷面分布。十字形注入器具有分度的一系列孔從雙端法蘭管件中心向外延伸在每條臂(arm)上，旨在跨每個(gè)孔兩側(cè)達(dá)到恒定壓降，這就是適當(dāng)進(jìn)口的一個(gè)例子。該注入器將迎著氦氣流流動(dòng)方向注入氧。也可采取其他注入器式樣，只要它們能充分分散氧。加入的氧量應(yīng)足以與氦氣流中剩下的氫起反應(yīng)。氣體流通過(guò)氣體分配器49流過(guò)從而保證，氣體均等地分配給所有催化劑通道。此種分配器可由多孔板或者某種其他分散器件組成。隨后，氦氣流流經(jīng)整體式催化劑48，在此剩下的氫與氧起反應(yīng)。催化劑由沉積在整體式基材上的鉑族金屬構(gòu)成。整體式構(gòu)件呈陶瓷蜂窩、陶瓷泡沫體或金屬箔等形式。氦氣中的氫含量降低到只有幾個(gè)ppb。氦氣作為流50離開(kāi)雙端法蘭管件47，然后它接受氦氣生產(chǎn)裝置中的進(jìn)一步加工。冷卻水或其他冷卻流體作為流52進(jìn)入熱交換器45。隨著它從氦氣流中取出熱量，它同時(shí)被加熱，并作為流53離開(kāi)熱交換器。氦氣流50在它接受氦氣裝置中進(jìn)一步加工之前必須進(jìn)行冷卻。
圖5中所示系統(tǒng)設(shè)想用一種獨(dú)立的熱交換器來(lái)完成該冷卻，而在圖6中則表示出本發(fā)明的一種不同實(shí)施方案。這里，第二管殼式熱交換器59通過(guò)法蘭連接連到雙端法蘭管件47上。氦氣流流經(jīng)該熱交換器的管程并通過(guò)與流經(jīng)熱交換器殼程的冷卻流體進(jìn)行熱交換而冷卻。這兩個(gè)系統(tǒng)均不局限于圖中所示的水平布置。
使用現(xiàn)場(chǎng)的二氧化碳凈化。圖7表示一種催化氧化系統(tǒng)，它先從二氧化碳中去除烴類，然后去除氧化后剩余的過(guò)量氧。該系統(tǒng)可供要求其二氧化碳中烴類和氧含量都低的用戶使用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成用于安裝在用戶現(xiàn)場(chǎng)。二氧化碳取自液態(tài)二氧化碳產(chǎn)品罐并蒸發(fā)。在催化氧化之前，可進(jìn)行其他凈化操作。由于該二氧化碳是“成分級(jí)”(ingredientgrade)產(chǎn)品，因此烴類含量水平即便在催化氧化單元之前也很低。氧以10～100ppm的水平加入到二氧化碳中。該二氧化碳蒸汽流是流60。過(guò)程中各種不同位置的二氧化碳流組成示于表4。流60以250～310psig的壓力和約60～110°F的溫度進(jìn)入管殼式熱交換器61的殼程。二氧化碳通過(guò)與逆流地流經(jīng)熱交換器管程的熱氣體之間的熱交換被加熱。該二氧化碳作為流62以450～950°F的溫度離開(kāi)熱交換器的殼程。它流經(jīng)電加熱器63，于是其溫度升高到550～1050°F。(反應(yīng)要求的溫度取決于需要清除的污染物。)隨后，加熱的二氧化碳流64流入催化劑雙端法蘭管件65。該雙端法蘭管件裝有整體式催化劑67，并通過(guò)法蘭連接直接連接到熱交換器61罩上。氣體分配器66可安裝在靠近雙端法蘭管件進(jìn)口處，以保證氣體均等地分配到所有催化劑通道中。此種任選的分配器可由多孔板或者某種其他分散器件組成。二氧化碳中的可被氧化污染物隨著從整體式催化劑上通過(guò)而與氧起反應(yīng)。催化劑由沉積在整體式基材上的鉑族金屬構(gòu)成。整體式構(gòu)件呈陶瓷蜂窩、陶瓷泡沫體或金屬箔等形式。二氧化碳以接近其進(jìn)口溫度的溫度離開(kāi)催化劑雙端法蘭管件。即便有溫升也很少，因?yàn)槎趸嫉奈廴境潭群艿?。離開(kāi)雙端法蘭管件之后，凈化的二氧化碳流68流入熱交換器61的管程。它相對(duì)于進(jìn)料流60呈逆流流動(dòng)。熱交換作用起到加熱流60和冷卻離開(kāi)催化劑雙端法蘭管件的熱氣體的作用。凈化并冷卻的二氧化碳流69離開(kāi)熱交換器的管程并流入催化劑雙端法蘭管件70。雙端法蘭管件70的詳圖示于圖8。在此點(diǎn)，二氧化碳流69的溫度介于150～250°F，它包含為促進(jìn)烴類燃燒所需要的略微過(guò)量的氧(10～50ppm)。二氧化碳中的氧量用氧分析儀測(cè)定，而與之起反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量的氫則通過(guò)進(jìn)口71加入。該進(jìn)口旨在將氧沿著雙端法蘭管件整個(gè)斷面分布。十字形注入器具有分度的一系列孔從雙端法蘭管件中心向外延伸在每條臂上，旨在跨每個(gè)孔兩側(cè)達(dá)到恒定壓降，這就是適當(dāng)進(jìn)口的一個(gè)例子。該注入器迎著二氧化碳流流動(dòng)方向注入氧。也可采用其他注入器式樣，只要它們能充分分散氧。氣體流通過(guò)氣體分配器73流過(guò)從而保證，氣體均等地分配給所有催化劑通道。此種分配器可由多孔板或者某種其他分散器件組成。隨后，二氧化碳流流經(jīng)整體式催化劑75。催化劑由沉積在整體式基材上的鉑族金屬構(gòu)成。整體式構(gòu)件呈陶瓷蜂窩、陶瓷泡沫體或金屬箔等形式。氫與氧在催化劑上起反應(yīng)，二氧化碳的氧含量被凈化到低于0.1ppm的水平。二氧化碳以流79離開(kāi)催化劑雙端法蘭管件并繼續(xù)接受進(jìn)一步加工或送往用戶。該系統(tǒng)不限于如圖所示的水平布置操作。
任何催化劑均可使用，只要它促進(jìn)氧與烴類或者氧與氫，視情況而定，之間的反應(yīng)。替代電加熱器，可采用燒天然氣的加熱器或其他熱源。催化劑載體與熱交換器之間不涉及法蘭的其他偶聯(lián)方法也可采用，并視為屬本發(fā)明范圍之內(nèi)。一種替代的偶聯(lián)方法的例子是將管板放在距離熱交換器殼體端部一定距離處并將催化劑載體安裝在殼體的未被管子占據(jù)的部分中；于是催化劑載體的外殼將是殼體本身而不是直接連接在殼體上的雙端法蘭管件。




權(quán)利要求
1.一種用于凈化氣體流的設(shè)備，包括(a)管殼式熱交換器，包括殼程進(jìn)口，和與殼程進(jìn)口處于流體聯(lián)通的殼程出口，還包括大量管子，每根管子具有進(jìn)口和出口；(b)催化劑系統(tǒng)，包括由具有貫通通道的整體式載體承載的催化劑，該載體具有一長(zhǎng)度和位于該長(zhǎng)度的相反兩端的上游和下游端，其中所述載體的直徑介于熱交換器殼體直徑的一半到兩倍，且其中所述載體的下游端與所述管子的進(jìn)口由一個(gè)長(zhǎng)度不超過(guò)載體長(zhǎng)度、在任何一點(diǎn)的直徑不小于所述載體直徑和所述殼體直徑二者當(dāng)中較小者的通路連接成流體聯(lián)通狀態(tài)；以及(c)待凈化氣體源，與所述載體的所述上游端處于流體聯(lián)通。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中熱交換器的第一出口與催化劑載體上游端處于流體聯(lián)通的連接。
3.一種凈化包含主要組分和至少一種雜質(zhì)的氣體流的方法，包括提供權(quán)利要求1的設(shè)備，其中催化劑能催化所述氣體流中的至少一種雜質(zhì)的反應(yīng)，將氣體流送入處于能有效地從所述氣體流中清除一種或多種雜質(zhì)的條件下的所述設(shè)備的催化劑的上游端，借此，所述氣體流中的所述至少一種雜質(zhì)被催化轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)物，并通過(guò)將所述氣體流從所述催化劑的下游端送入所述熱交換器的第二進(jìn)口再送出第二出口而從所述氣體流中撤熱。
4.權(quán)利要求3的方法，還包括通過(guò)將所述氣體流送入所述熱交換器的第一進(jìn)口再送出第一出口將所述氣體流加熱，然后送入所述催化劑的上游端。
5.權(quán)利要求3的方法，其中所述氣體流的主要組分是二氧化碳，所述氣體流包含一種或多種烴類作為雜質(zhì)，所述方法從所述氣體流中清除烴類。
6.權(quán)利要求3的方法，其中所述氣體流的主要組分是氬氣，所述氣體流包含氧作為雜質(zhì)，所述方法從所述氣體流中清除氧。
7.權(quán)利要求3的方法，其中所述氣體流的主要組分是氦氣，所述氣體流包含氫作為雜質(zhì)，所述方法從所述氣體流中清除氫。
全文摘要
用于凈化氣體流的設(shè)備，它包括熱交換器、整體式載體催化劑系統(tǒng)，該系統(tǒng)下游端與熱交換器，即，一種管殼式熱交換器，的進(jìn)口處于流體聯(lián)通連接，該催化劑系統(tǒng)包含由具有貫通通道的整體式一元化載體承載的催化劑，該載體具有一長(zhǎng)度和在該長(zhǎng)度相反兩端的上游和下游端，其中所述載體的直徑是熱交換器殼體直徑的一半～二倍，其中所述載體的下游端與所述管子的進(jìn)口處于流體聯(lián)通連接，連接二者的通路長(zhǎng)度不超過(guò)載體長(zhǎng)度且其直徑在任何一點(diǎn)均不小于所述載體直徑與所述殼體直徑當(dāng)中較小者。
文檔編號(hào)F01N3/28GK1438065SQ02127879
公開(kāi)日2003年8月27日 申請(qǐng)日期2002年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月16日
發(fā)明者M·C·約翰森, C·J·黑姆, D·W·克羅伊特爾 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司