CN102949912B - 用于供应干气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于供应干气体的方法和设备。其中，一种用于具有低水含量的基本上无氮气的气体的瓶的内置净化器具备用于从该气体中吸附水的分子筛3A吸附剂，该3A吸附剂具有特别低的氮气吸附能力。

Description

用于供应干气体的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于供应具有低水含量和低氮气含量的气体的方法和设备。本发明特别地涉及从加压瓶供应气体。
背景技术
US5,409,526描述了一种用于气体供应瓶的内置净化器。净化器包括与瓶的加压气体内含物接触的吸附剂主体，吸附剂通常布置于气体离开瓶的流动路径中。存在可需要供应很干气体的若干情形，一种情形用于电子工业中，例如用于半导体制造中。当包含吸附剂的除水净化器可包括于待连接到气瓶的供应管线中时，可通过将其所暴露的气体中包含的水量降至最低来最大化这种净化器的寿命时间从而能降低操作成本。在US5,409,526中，提议用于内置净化器的吸附剂为4A型沸石。在US5,409,526中所描述的内置净化器被证明很成功。
但是，现发现在某些情况下，从其中气体应当基本上无氮的瓶供应的气体实际上包含多于其应当包含的氮气，即使在用于填充该瓶的总体供应(bulksupply)令人满意地含有较少氮气的情况下。
发明内容
本发明现在第一方面提供一种用于从氮气含量小于1ppmv(体积百万分比)且水含量小于100ppmv的无机气体供应移除微量水(tracesofwater)的方法，其包括：使该气体与吸附剂接触，该吸附剂具有从所述气体中吸附水的能力，所述吸附剂在23℃和101千帕具有在0.01mgmole/g以下(每克毫克摩尔)的氮气吸附能力。
在备选的第二方面，本发明提供一种用于从氮气含量小于1ppmv且水含量小于100ppmv的无机气体供应移除微量水的方法，其包括：使气体与吸附剂接触，吸附剂具有从所述气体中吸附水的能力，所述吸附剂为3A沸石，该3A沸石具有不小于15%的钾交换水平，且余量的阳离子为钠。3A沸石可包含于成形的吸附剂粒子内，其中成形的吸附剂粒子原本无氮气吸附组分。更一般而言，吸附剂优选地不含非3A氮气吸附组分。如果其它组分在23℃和101千帕具有在0.01mgmole/g(每克毫克摩尔)以下的氮气吸附能力，那么其它组分可认为是非氮气吸附性的。
吸附剂应无氮气吸附组分，其将包括例如其它沸石类型，以便避免其更大的吸氮能力，且也将不含具有氮气吸附能力的非沸石材料，诸如某些粘结剂。可存在在无氮气吸附能力方面为惰性的材料。
沸石的钾交换水平优选地不小于20%。
我们对与这种吸附剂接触地供应的很低氮气含量的气体做出的测量并未表明过量氮气浓度，参考上述基于4A的内置净化器系统。并不受到下述理论限制，我们猜想在所选的吸水剂(例如，4A型沸石)具有显著吸附氮气能力的情况下，有可能吸附剂由于暂时向大气暴露而意外地吸收氮气，例如，在组装内置净化器气瓶且向其填充待供应的低氮气含量的气体的过程中。然后这种吸附的氮气在客户使用期间污染所供应的气体。
根据本发明，通过确保用于吸附水的吸附剂并不具有显著地从大气吸附氮气的能力来避免这种危险。
优选地，无机气体的供应在加压容器中且所述吸附剂存在于所述容器中。
优选地，吸附剂存在于连接到所述容器的气体出口的管道中。通常，容器将为气瓶。
在另一方面，本发明提供一种瓶，其包含将从所述瓶供应的加压无机气体，所述气体从具有小于1ppmv的氮气含量和小于100ppmv的水含量的所述气体的总体供应引入到所述瓶内，所述瓶包含吸附剂，该吸附剂与气体接触用于从所述气体中吸附水，其中所述吸附剂具有从所述气体中吸附水的能力和在23℃和101千帕具有在0.01mgmole/g以下的纯氮气吸附能力。
在备选方面，本发明提供一种瓶，其包含将从所述瓶供应的加压无机气体，所述气体从具有小于1ppmv的氮气含量和小于100ppmv的水含量的所述气体的总体供应引入到所述瓶内，所述瓶包含吸附剂，吸附剂与所述气体接触用于从所述气体中吸附水，所述吸附剂为3A沸石，所述3A沸石具有不小于15%的钾钠交换(potassiumforsodiumexchange)且无氮气吸附组分。
可通过使用确定沸石中金属的常用技术来确定钾钠交换程度，包括感应耦合等离子体反射光谱法(ICP)、原子吸附光谱法(AAS)或X射线荧光光谱法(XRF)。另外的细节可见于ZamechekW.‘Determinationoftheelementalcompositorofzeoliticmaterials’,2001,VerifiedSynthesesofZeoliticMaterials’H.RobsonEd.ElsevierScienceBV.www.iza-online.org/synthesis。从这个分析得到钠和钾的总毫当量。在此说明书中，报导钾交换的百分比为钾的毫当量的100倍除以钾和钠的毫当量之和。
根据这些方面的任一方面，优选地，所述吸附剂包含于腔室中，该腔室具有入口和出口且限定穿过所述腔室入口与所述腔室出口之间的所述吸附剂的流动路径，且布置成所述腔室入口与所述瓶中的所述气体流体连通且所述腔室出口与从所述瓶供应所述气体的出口流体连通。
但本发明并不限于从瓶供应气体且吸附剂无需存在于所谓的内置净化器内。在将气体供应管道中的内置净化器连接到气体供应源时可能会出现相同类型的氮气污染危险。
待供应的气体本身有效地无氮气，具有不超过1ppmv的氮气含量。更优选地，待供应的气体的氮气含量不超过500ppbv(体积百万分比)，例如不超过200ppbv。在从瓶或其它容器供应气体的情况下，这些浓度应用于在填充之前的大量气体。
优选地，待供应的气体的水含量在与吸附剂接触之前已经很低，例如，经由吸附剂供应到瓶的填充气体或从另一供应供给的气体的含量可不超过10ppmv/vol，更优选地不超过5ppmv/vol，且更优选地不超过1ppmv/vol。
而US5,409,526公开了用于吸附水的4A型沸石的用途，根据本发明，优选地使用具有充分钾离子交换的水平的3A类型沸石。3A型沸石通常由4A型沸石通过用钾至少部分地交换4A型沸石的钠离子而形成。如已知的那样(例如，Breck等人，J.Am.Chem.Soc.Dec8,1956,No.23,Vol.78,pp5963-5972)，这样的交换随着钾交换程度增加而逐步地减小了孔隙大小。如在下文的示例中示出的那样，在市场上可购买到的3A型沸石具有不同程度的吸氮能力，这归因于不同程度的钾交换。例如，UOPXL8被投入市场用于吸附水，特别是在多窗格玻璃的窗格之间的干气体的情况下。
但是，发现这样的材料不足以用于本发明。如下文所述的那样，判断出其具有太大而不合适的吸氮能力。
虽然3A型沸石通常被提议用作干燥剂，但通常并未规定交换水平且交换水平并不认为是重要的。因此，例如，WO97/06104公开了使用3A型沸石来从用于半导体工业的氨除水，但并未规定交换水平。如在Kaushik等人，MicroporousandMesoporousMaterials,vol.51,pp139-144(2002)中所示的那样，增加交换水平降低了3A吸附剂吸附水的能力。因此，通常看起来没有缘由选择高钾交换的A型材料用于干燥。
同样，US2005/0178566教导了包括分子筛型3A作为含卤代烃的灭火器中的干燥剂，US2005/0178566并未教导出需要任何特定程度的交换。
GB2109359描述了用作乙烯的干燥剂的3A型沸石的制造，这优选地是由于其吸附水能力和不能吸附乙烯本身。并未讨论氮气吸附。
优选地，吸附剂包含于加压气体的容器内，优选地在与所述容器的气体出口连通的管道中。容器可为气体供应瓶且其中的吸附剂的布置可如在US5,409,526中所述的那样。
在第三方面，本发明提供气体供应设备，其包括：待供应的气体源，该气体具有小于1ppmv的氮气含量和小于100ppmv的水含量，气体供应管道，其与所述源连通；以及吸附剂，其与所述气体接触用于从所述气体中吸附水，其中所述吸附剂具有从所述气体中吸附水的能力和在23℃具有在0.01mgmole/g以下的氮气吸附能力。
备选地，在第四方面，本发明提供气体供应设备，其包括：待供应的气体源，该气体具有小于1ppmv的氮气含量和小于100ppmv的水含量，气体供应管道，其与所述源连通；以及吸附剂，其与所述气体接触用于从所述气体中吸附水，其中所述吸附剂为3A沸石，3A沸石具是不小于15%的钾钠交换且不含非3A氮气吸附组分。
根据本发明的这些方面中的任一方面，该设备可包括：具有阀的用于加压气体的瓶或其它容器，所述阀适于关闭所述瓶且具有用于经由两个内端口向所述瓶填充流体和从所述瓶移除流体的装置，两个内端口连接到用于所述填充流体和移除流体的装置，以及，连接到所述端口之一的单元，所述单元包含所述吸附剂，由此，在所述流体从所述瓶经过所述单元抽出时从所述流体移除杂质。
可选地，所述两个内端口中的第二内端口直接向所述瓶打开且所述设备还包括填充阀构件以允许和防止流体从所述用于填充流体和移除流体的装置流到所述两个内端口中的第二内端口；以及排放阀构件，其允许和防止流体从所述两个内端口中的第一内端口流到所述用于填充和移除流体的装置。
该设备还可包括填充转接器，填充转接器当插入于所述用于填充和移除流体的装置内时防止流体从所述用于填充和移除流体的装置流到所述两个内端口中的第一内端口。
该设备还可包括排放转接器，其当插入于所述用于填充和移除流体的装置内时防止流体从所述两个内端口中的第二内端口流到所述用于填充和移除流体的装置。
在本发明的方面中的任何方面，可提供催化剂来促进本发明例如移除氧气的操作。
待供应的气体可为氢气、氦气、氧气、氩气或其它稀有气体或这些气体中任何气体的掺混物。
附图说明
现将参考附图来进一步描述和说明本发明，在附图中：
图1以简化截面图示出了本发明的设备；
图2示出了结合图1的设备使用的填充转接器的截面图；以及
图3示出了结合图1的设备使用的排放转接器的截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的设备。该设备的构造如在US5,409,526中所述，除了关于吸附剂的方面之外。示出了瓶200，其具有瓶阀，瓶阀大体上由附图标记201来标记。瓶阀201包括主体202，主体202具有第一内端口203、第二内端口204和外端口205。
填充阀构件206以螺纹安装于主体202中的内孔207中且在图示位置，防止气体在外端口205与第一内端口203之间经由内孔208和内孔209所形成的通道流动。
排放阀构件210以螺纹安装于主体202中的内孔211中且在图示位置，防止气体在外端口205与第二内端口204之间经由内孔212和内孔213流动。
单元附连到第二内端口204上且整个组件装配于瓶内，阀201经由颈部214螺纹附连到瓶上。
为了填充瓶，图2所示的转接器215旋拧到外端口205内。填充转接器215的顶端216进入且阻塞内孔212。填充阀206然后打开且瓶首先经由内孔209和208排空。其然后经由内孔208和209填充所需气体。
应当指出的是，在填充操作期间，内孔212与高压气体供应隔离使得即使排放阀构件210不利地开着，将不容许高压气体到该单元内部。
在完成了填充之后，关闭填充阀构件206且移除填充转接器215(排放阀构件210应关闭)。然后将安全密封件放置于压紧螺母217上以制止对填充阀构件206的擅动。
在递送之后，客户经由图3所示的排放转接器将压力调节器安装于外端口205上。排放转接器与内孔212连通且关闭内孔208。在适当地连接了压力调节器时，客户打开排放阀构件210以允许瓶中的气体通过该单元经由第二内端口204和内孔213和212流到压力调节器。
如果擅动和/或意外地打开填充阀构件206，气体从瓶的流动将会由排放转接器阻止。
吸附单元218连接到内端口204且延伸到瓶200内且具有入口220。该单元218包括第一过滤器，第一过滤器邻近入口220定位且被设计成移除直径大于15微米的粒子。
在第一过滤器上方，该单元218包括至少沸石3A层，沸石3A层具有合适的钾交换程度和低吸氮能力。此层3A应邻近且略高于第一过滤器。额外吸附剂或吸气剂层可置于3A层上方。第二过滤器邻近该单元218的出口安装且能移除直径大于0.5微米的粒子。
合适沸石3A的示例包括UOPEPG和UOPXH-11。
以下示例还说明了本发明和其益处。
示例1.沸石4A吸附N 2 等温线。
目前在商业上用于内置净化器吸附器中的吸附剂为UOPS.A.B.D.珠粒状4A。其被设计成吸附水，但也可吸附空气的主要组分(N2，O2)。
为了确保吸附剂完全激活，执行以下激活过程。4A珠粒的9mL样品加载到不锈钢管内且放置到实验室管式炉内。通过管形成汽化液态氮的400mL/min的流量。使用预设程序，炉从周围温度以1℃/min斜坡速率加热到400℃。温度保持在400℃持续4小时且然后关掉热且在400mL/min氮气流量下允许样品冷却到室温。样品然后转移到氮气净化的手套箱中等温线小室(isothermcell)内以防止再吸附水。
使用具有1托压力换能器选项的MicromeriticsASAP2010来测量纯氮气吸附等温线且确定存在预期的氮气的吸收。
示例2.UOPXL83A吸附N 2 等温线。
XL8为被设计用于绝热玻璃窗的3A分子筛产品(即，不包含其它沸石相)。其被设计用于吸附水，而不是空气的主要组分(N2，O2，Ar)。
为了确保吸附剂完全激活，执行如上所述的激活过程。
如之前那样测量氮气等温线且确定尽管吸收远小于示例1的4A，仍存在一些可测量的氮气吸收。
示例3.UOPEPG3A吸附N 2 等温线。
得到UOPEPG3A，其为被设计用于乙烯纯化的商业产品。为了确保吸附剂完全激活，执行以下激活过程。3A珠粒的9mL样品加载到不锈钢管内且放置到实验室管式炉内。通过管形成汽化液态氮的400mL/min的流量。使用预设程序，炉从周围温度以1℃/min斜坡速率加热到400℃。温度保持在400℃持续4小时且然后关掉热且在400mL/min氮气流量下允许样品冷却到室温。样品然后转移到氮气净化的手套箱中等温线小室内以防止再吸附水。
使用如在示例2中相同的器械，测量UOPEPG3A的氮气等温线。发现并不存在可检测的氮气吸收。
示例4.UOPXH-113A吸附等温线。
得到UOPXH-11，其为商业3A。为了确保吸附剂完全激活，执行如上所述的激活过程。
使用如在示例2中相同的器械，测量UOPXH-113A的氮气等温线。发现并不存在可检测的氮气吸收。
示例5.4A内置净化器瓶加载的测试，其示出了氢气中的N 2 污染。
瓶被填充纯氢气，根据以下协议，其具有0.4ppmv的氮气水平。
1.利用来自大量容器的UOPSABD4A分子筛来填充空的吸附剂管；
2.将烧结盘和卡环添加到净化器管底部以保持介质在该管中；
3.将管装配到阀上；
4.将内置净化器组件插入到加热到至少250℃的烤箱内，利用以至少1slpm流动的氦气净化，大约±20小时；
5.移除热内置的净化器组件且将其安装于冷却机架中，冷却机架在底部配件具有较低氦气净化压力。目的是为了在管冷却且压力降低时提供惰性气氛；
6.在冷却了内置净化器组件之后，从冷却机架移除且将O形环密封帽装配于其上以防止空气进入；
7.制备具有氦气的瓶，在其中留有低残余压力；
8.从瓶移除制备阀，从净化器管底部移除O形密封帽，且将内置净化器组件快速地插入于瓶内。将该阀扭转到瓶内；
9.将填充歧管猪尾管装配到阀出口。在排空歧管之后，打开该内置的净化器填充阀且排空该瓶；
10.然后填充H2。
在完成了这个过程之后，如下所述来评估从瓶供应的气体的氮气含量。氢气以受控制的速率80ml/min通过吸附剂排气持续8小时且然后对从瓶流动的氢气进行分析，该分析使用具有高频排放检测器(HFDD)的OrthodyneHE12气体分析仪。之后对五个瓶进行此过程。
结果如下：
填充气体 净化气体
UOP 4A ppmv ppmv
瓶1 0.4 0.5
瓶2 0.4 2.2
瓶3 0.4 12
瓶4 0.4 1.1
瓶5 0.4 0.8
可看出在一些瓶中的氮气水平显著地超过原始填充气体含量。并不受到具体理论限制，认为在内置净化器制备步骤6或8中在4A吸附剂上吸收大气N2。
示例6.加载到内置净化器瓶内的UOPXL83A测试，其示出了被N 2 污染。
重复示例5的过程，除了在分析之前不存在受控制的通过净化器的排气，但使用商业沸石3A，即，UOPXL83A。重复分析多次以观察随时间的变化。
测量H2中的初始N2污染，得到以下结果：
填充气体 净化气体
UOP XL8 3A ppmv ppmv
瓶1 0.4 13
瓶2 0.4 19
瓶3 0.4 1.4
瓶4 0.4 5.8
瓶5 0.4 4.4
循序多次分析示出减小的氮气值，除了五个净化器中的两个净化器之外。减小的值表明净化了从分子筛截留的N2。并未净化的两个净化器明显地被严重污染。
可看出3A型分子筛并未防止氮气污染氢气。
示例7.将UOPEPG和UOPXH-113A吸附剂加载到内置净化器瓶内的测试，其示出并未被N 2 污染。
使用两个另外的3A分子筛，即UOPXH-II和UOPEPG重复示例6的过程两次。对于内置净化器中的这些吸附剂中的任一吸附剂都未检测到氮气污染氢气。具体而言，使用含分子筛UOP3AXH11的内置净化器对五个氢气瓶的测试产生以下氮气测量：
分子筛 XH11 填充气体 净化气体
ppbv ppbv
瓶1 72 60
瓶2 72 68
瓶3 72 69
瓶4 72 53
瓶5 72 44
使用含分子筛UOP3AEPG的内置净化器对五个氢气瓶的测试产生以下氮气测量：
分子筛 EPG 填充气体 净化气体
ppbv ppbv
瓶1 72 110
瓶2 72 72
瓶3 72 57
瓶4 72 44
瓶5 72 53
来自瓶的气体并非以统计上显著的方式不同于所测量的氮气填充浓度。
示例8.对氮气污染的K + 交换程度效果的调查研究。
遵循在Liu等人Chem.Commun.46,pp4502-4504RSC2010中的过程，制备从Sigma-Aldrich购买的4A粉末的一系列K+交换。确定钠阳离子和钾阳离子的离子交换水平。在离子交换之后，使用以下过程激活2至3克的样品：
加热在烤炉中在瓷皿中的样品。在70℃开始且保持持续30分钟。以10℃的增量升高温度且保持直到110℃。保持在110℃持续大约45分钟。
移除到氮气净化的手套箱且加载于小室中用于真空激活。
置于真空激活单元上且在室温抽吸到大约5x10-5托。
以0.5℃/min开始加热到350℃。保持温度在350℃持续8小时。
冷却且在手套箱中卸载。
在激活了样品之后，使用ASAP2010在23℃测量N2等温线。结果在下表中示出。通过16%K+交换，不能检测到N2、O2或Ar吸附。
样品 实际 K量 (原子 % K/(K+Na)) 等温线吸收 (吸收的相对量 N2)
1 3.75 N2>O2>Ar
2 11.2 N2>O2>Ar
3 16.04 N2=O2=Ar=0
4 17.91 N2=O2=Ar=0
5 49.42 N2=O2=Ar=0
由此，推导出在示例6中使用3A分子筛所看到的氮气污染是由于不够高水平的钾交换，导致显著的氮气吸附能力且在示例7中得到的良好结果是由于所测试的3A分子筛具有足够高的钾交换水平。
在此说明书中，除非另外明确地指示，词语‘或’是以当满足所述条件中的任一种或均满足时返回真值的运算符的意义使用，这与需要仅满足所述条件中的一种的运算符‘异或’相反。单词‘包含’以‘包括’而非‘由……组成’的意义上使用。通过引用将所有上面提到的教导内容并入到本申请中。本文提到的任何在先出版的文件不应认为是承认或表示其教导内容在其出版日在澳大利亚和其它地方是普通常识。

Claims (22)

1.一种用于从氮气含量小于1ppmv且水含量小于100ppmv的无机气体的供应中移除微量水的方法，包括：使所述气体与吸附剂接触，所述吸附剂具有从所述气体中吸附水的能力，所述吸附剂在23℃和101千帕具有在0.01mgmole/g以下的纯氮气吸附能力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附剂为3A沸石，所述3A沸石具有不小于15%的钾钠交换且无氮气吸附组分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机气体的供应在加压容器中且所述吸附剂存在于所述容器中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述吸附剂存在于连接到所述容器的气体出口的管道中。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体为氢气、氦气、氧气、氩气或其它稀有气体或这些气体中任何气体的掺混物。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在与所述吸附剂接触之前所述无机气体的氮气含量不超过500ppbv。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氮气含量不超过250ppbv。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在与所述吸附剂接触之前所述气体的水含量不超过10ppmv。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在与所述吸附剂接触之前所述气体的水含量不超过5ppmv。
10.气体供应设备，包括：待供应的无机气体源，所述气体具有小于1ppmv的氮气含量和小于100ppmv的水含量；气体供应管道，其与所述源连通；以及吸附剂，其与所述气体接触用于从所述气体中吸附水，所述吸附剂为3A沸石，所述3A沸石具有不小于15%的钾钠交换且无氮气吸附组分。
11.根据权利要求10所述的气体供应设备，其特征在于，所述3A沸石包含于成形的吸附剂粒子内，所述成形的吸附剂粒子原本无氮气吸附组分。
12.根据权利要求10所述的气体供应设备，其特征在于，所述吸附剂具有从所述气体中吸附水的能力和在23℃和101千帕具有在0.01mgmole/g以下的纯氮气吸附能力。
13.根据权利要求10所述的气体供应设备，其特征在于，所述无机气体源为加压容器且所述吸附剂存在于所述容器中。
14.根据权利要求13所述的气体供应设备，其特征在于，所述吸附剂存在于所述气体供应管道中，且所述气体供应管道连接到所述容器的气体出口。
15.根据权利要求10所述的气体供应设备，其特征在于，所述气体为氢气、氦气、氧气、氩气或其它稀有气体或这些气体中任何气体的掺混物。
16.根据权利要求10所述的气体供应设备，其特征在于，在与所述吸附剂接触之前所述无机气体的氮气含量不超过500ppbv。
17.根据权利要求16所述的气体供应设备，其特征在于，所述氮气含量不超过250ppbv。
18.根据权利要求10所述的气体供应设备，其特征在于，在与所述吸附剂接触之前所述气体的水含量不超过10ppmv。
19.根据权利要求18所述的气体供应设备，其特征在于，在与所述吸附剂接触之前所述气体的水含量不超过5ppmv。
20.一种瓶，其包含将从所述瓶供应的加压无机气体，所述气体已从具有小于1ppmv的氮气含量和小于100ppmv的水含量的所述气体的总体供应引入到所述瓶内，所述瓶包含吸附剂，所述吸附剂与所述气体接触用于从所述气体中吸附水，其中，所述吸附剂具有从所述气体中吸附水的能力且在23℃和101千帕具有在0.01mgmole/g以下的纯氮气吸附能力。
21.根据权利要求20所述的瓶，其特征在于，所述吸附剂为3A沸石，所述3A沸石具有不小于15%的钾钠交换且无氮气吸附组分。
22.根据权利要求20所述的瓶，其特征在于，所述吸附剂包含于腔室中，所述腔室具有入口和出口且限定穿过所述腔室入口与所述腔室出口之间的所述吸附剂的流动路径，且布置成所述腔室入口与所述瓶中的所述气体流体连通且所述腔室出口与从所述瓶供应所述气体的出口流体连通。
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