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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befreiung eines in flüssigem Zustand
vorliegenden inerten Fluids von mindestens einer seiner Verunreinigungen
Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO).
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Inertgase, wie z. B. Stickstoff und
die Edelgase, nämlich
Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und deren Gemische, sind in
zahlreichen Industriezweigen gebräuchlich, insbesondere in der
Elektronikindustrie. Insbesondere in letzterem Industriezweig müssen die
Inertgase möglichst
rein und insbesondere frei von ihren Verunreinigungen Wasserstoff
und Kohlenmonoxid sein.
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Diese Inertgase werden in der Regel
durch Tieftemperaturdestillation nach Verflüssigung hergestellt.
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Die so erhaltenen verflüssigten
inerten Fluide enthalten als Verunreinigungen im allgemeinen Wasserstoff
(H2) und Kohlenmonoxid (CO) in Anteilen,
die im allgemeinen über
einigen hundert ppb (Volumenteile pro Milliarde) oder gar einigen
hundert ppm (Volumenteile pro Million) liegen und entfernt werden
müssen.
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Aus dem Stand der Technik ist eine
Reihe von Verfahren zur Reinigung von inerten Fluiden bekannt, die
jedoch im allgemeinen mit mehreren Nachteilen behaftet sind, nämlich:
- – sie
sind nicht für
eine Reinigung von inerten Fluiden in flüssigem Zustand ausgelegt,
- – oder
sie erlauben keine Befreiung von den in dem zu reinigenden inerten
Fluid enthaltenen Verunreinigungen H2 und/oder
CO,
- – oder
sie erfordern eine Verdampfung des inerten Fluids vor seiner Reinigung.
Es ist jedoch leicht einzusehen, daß die Tatsache, daß man zur
Herstellung eines im flüssigen
Zustand vorliegenden inerten Fluids, das von seinen Verunreinigungen
H2 und/oder CO weitgehend befreit ist, nacheinander
das zu reinigende inerte Fluid verdampfen, das inerte Gas reinigen
und dann das erhaltene gereinigte inerte Gas wieder verflüssigen muß, einen
großen
wirtschaftlichen Nachteil darstellt, insbesondere bezüglich Energiekosten
und zu verwendenden Gerätschaften.
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So wird in der US-A-3,996,082 ein
Verfahren zur Befreiung von gasförmigem
Argon von seiner Verunreinigung Sauerstoff beschrieben, bei dem
man das Argon über
einen synthetischen Zeolith vom Typ A leitet.
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In der US-A-2,874,030 wird ein Verfahren
zur Befreiung von gasförmigem
Argon von seiner Verunreinigung Sauerstoff beschrieben, bei dem
der Sauerstoff durch katalytische Reaktion mit einem Wasserstoffüberschuß in Wasser
umgewandelt wird; das gebildete Wasser wird dann mit Hilfe eines
Dehydratisierungsmittels entfernt.
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Außerdem wird in der Patentanmeldung
EP-A-0 350 656 ein Verfahren zur Befreiung eines Inertgases von
seinen Verunreinigungen Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff
beschrieben, bei dem die Abtrennung des im Inertgas vorhandenen
Kohlenmonoxids (CO) und Wasserstoffs (H2)
durch katalytische Oxidation bei einer Temperatur zwischen 150°C und 250°C in Gegenwart
eines ersten Katalysators auf Basis von reduziertem Kupfer und dann
eines zweiten Katalysators auf Basis von oxidiertem Kupfer unter
Bildung von Kohlendioxid CO2 und Wasser
H2O und anschließende Abtrennung des Kohlendioxids
und des Wassers durch Adsorption an einem Molekularsieb-Adsorptionsmittel
bei Umgebungstemperatur erfolgt.
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Die FR-A-2 668 140 lehrt ein Verfahren
zur Herstellung von ultrareinem Stickstoff, bei dem man CO und H2 katalytisch in CO2 und
H2O umwandelt, die dann an Metallteilchen
abgetrennt werden.
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Somit eignet sich keines dieser bestehenden
Verfahren zur Befreiung von in flüssigem Zustand vorliegenden
inerten Fluiden von ihren Verunreinigungen Wasserstoff (H2) und/oder Kohlenmonoxid (CO), d. h. bei kryogener
Temperatur (unterhalb ihres Blasenpunkts) verflüssigten inerten Fluiden.
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In der EP-A-662 595 wird darüber hinaus
ein Verfahren zur Reinigung von flüssigem Stickstoff vorgeschlagen,
bei dem man die Verunreinigungen H2, CO
und O2 an einem Adsorptionsmittel vom Typ
ausgetauschter oder nicht ausgetauscher Zeolith oder poröses Metalloxid,
insbesondere Hopcalit, adsorbiert.
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Es ist daher notwendig, neue Verfahren
zu entwickeln, mit denen man in flüssigem Zustand vorliegende
inerte Fluide von ihren Verunreinigungen H2 und/oder
CO befreien kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem man ein in flüssigem Zustand
vorliegendes, von mindestens einer seiner Verunreinigungen Wasserstoff
und/oder Kohlenmonoxid weitgehend befreites inertes Fluid, wie Stickstoff
oder Edelgase, erhalten kann,
- – das vom
technischen Standpunkt aus leicht anzuwenden ist und vertretbare
Kosten aufweist,
- – mit
dem man ein im flüssigen
Zustand vorliegendes inertes Fluid sehr hoher Reinheit, d. h. mit
höchstens ungefähr 1 ppb ± 1 Wasserstoff
und/oder Kohlenmonoxid, erhalten kann,
- – das
bei für
die in flüssigem
Zustand vorliegenden inerten Fluide kryogenen Temperaturen, nämlich bei Temperaturen
von im allgemeinen weniger als –180°C, angewandt
werden kann,
- – bei
dem preiswerte und/oder leicht zugängliche Adsorptionsmittel verwendet
werden und
- – bei
dem keine vorherige Verdampfung des zu reinigenden flüssigen Fluids
mit späterer
Wiederverflüssigung
des gereinigten Fluids erforderlich ist.
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Gegenstand der Erfindung ist daher
ein Verfahren zur Befreiung eines in flüssigem Zustand vorliegenden
inerten Fluids, das mindestens eine der Verunreinigungen Wasserstoff
(H2) und Kohlenmonoxid (CO) enthält, von
mindestens einer dieser Verunreinigungen, bei dem man:
- a) das zu reinigende, in flüssigem
Zustand vorliegende Fluid zur Adsorption mindestens einer der Verunreinigungen
H2 und CO, die in dem in flüssigem Zustand
vorliegenden inerten Fluid enthalten sind, über mindestens eine Schüttung von
Teilchen aus mindestens einem Adsorptionsmittel leitet, wobei die
Adsorption an einem flüssigen
Fluid bei einer Temperatur kleiner gleich dem Siedepunkt des Fluids
vorgenommen wird; und
- b) das in flüssigem
Zustand vorliegende, von mindestens einer der Verunreinigungen H2 und CO weitgehend befreite inerte Fluid
zurückgewinnt,
dadurch
gekennzeichnet, daß die
Teilchen aus mindestens einem auf mindestens einem Träger geträgerten Metall
bestehen, wobei das Metall aus der Gruppe bestehend aus Platin (Pt),
Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und Iridium (Ir) stammt und der Träger aus
der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Zeolithen
und Titandioxid (TiO2) stammt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den Adsorptionsmittelteilchen
um auf einem Aluminiumoxidträger
geträgerte
Palladiumteilchen (Pd-Teilchen).
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Vorteilhafterweise enthalten die
Adsorptionsmittelteilchen 0,5 bis 5 Gew.-% Palladium (Pd) und vorzugsweise
etwa 2 Gew.-%.
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Die erfindungsgemäßen Adsorptionsmittelteilchen
liegen vorzugsweise in Form von Stäbchen, Granulat oder Kügelchen
vor.
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Vorzugsweise wählt man das zu reinigende,
in flüssiger
Form vorliegende Fluid aus der Gruppe bestehend aus flüssigem Stickstoff,
flüssigem
Argon und flüssigem
Helium aus.
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In bestimmten Fällen ist es notwendig oder
wünschenswert,
das in flüssigem
Zustand vorliegende inerte Fluid von seiner Verunreinigung Sauerstoff
zu befreien. In diesem Fall umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren
gemäß einer
anderen Ausführungsform
einen zusätzlichen
Schritt, bei dem man das in flüssigem
Zustand vorliegende inerte Fluid zur Adsorption der Verunreinigung
Sauerstoff O2 über mindestens eine Schüttung von
Teilchen aus mindestens einem zweiten Adsorptionsmittel leitet.
Dieser zusätzliche
Schritt der Adsorption von Sauerstoff an mindestens einer Schüttung von
Teilchen aus mindestens einem zweiten Adsorptionsmittel wird vor
oder nach dem Schritt a) durchgeführt.
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Mit anderen Worten kann die Abtrennung
der Verunreinigung Sauerstoff aus dem in flüssigem Zustand vorliegenden
inerten Fluid wahlweise vor und/oder nach der Abtrennung der Verunreinigungen
H2 und/oder CO durchgeführt werden.
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Nach einer ersten Ausführungsform
adsorbieren die Teilchen aus dem zweiten Adsorptionsmittel selektiv
die Verunreinigung Sauerstoff (O2).
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Nach einer zweiten Ausführungsform
adsorbieren die Teilchen aus dem zweiten Adsorptionsmittel die Verunreinigung
Sauerstoff (O2) und mindestens eine der
Verunreinigungen CO und H2.
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Vorzugsweise werden die Teilchen
aus dem zweiten Adsorptionsmittel aus der Gruppe bestehend aus porösen Metalloxiden,
wie Hopcalit, ausgewählt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch eine Vorrichtung zur Befreiung eines in flüssigem Zustand vorliegenden
inerten Fluids, das mindestens eine der Verunreinigungen H2 und CO enthält, von mindestens einer dieser
Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Quelle eines zu
reinigenden, in flüssigem
Zustand vorliegenden inerten Fluids und mindestens einen Reaktor
enthält,
welcher mindestens eine Schüttung von
Teilchen aus mindestens einem Adsorptionsmittel für die Adsorption
von mindestens einer der Verunreinigungen H2 und
CO enthält,
wobei die Quelle mit dem mindestens einen Reaktor verbunden ist.
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Vorzugsweise enthält der mindestens eine Reaktor
außerdem
mindestens eine Schüttung
von Teilchen aus mindestens einem Adsorptionsmittel für die Adsorption
von mindestens der Verunreinigung O2.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
wird nun anhand der beigefügten
Figur näher
erläutert.
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Die beigefügte einzige Figur zeigt eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Quelle eines von mindestens einer seiner Verunreinigungen
H2 und CO zu befreienden, in flüssigem Zustand
vorliegenden inerten Fluids, hier flüssigem Stickstoff, die aus
einem flüssigen
Stickstoff enthaltenden Speicherbehälter 1 besteht. Die
Flüssigstickstoffquelle 1 ist über eine
Leitung 1a mit einer Adsorptionszone 2 verbunden,
die mindestens einen Reaktor und vorzugsweise, wie hier dargestellt,
zwei Reaktoren 4a, 4b, die jeweils eine Schüttung 3a, 3b eines
ersten Adsorptionsmittels für
die zusätzliche
Adsorption des in dem flüssigen
Stickstoff enthaltenen Sauerstoffs und eine der ersten Schüttung 3a, 3b nachgeordnete
Schüttung 5a, 5b eines
zweiten Adsorptionsmittels für
die Adsorption mindestens einer der Verunreinigungen H2 und
CO enthalten, enthält.
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Durch die Bereitstellung einer stromaufwärtigen Schüttung eines
Adsorptionsmittels, wie Hopcalit, das zur zusätzlichen Abtrennung der in
dem flüssigen
Stickstoff enthaltenen Verunreinigung O2 (und
eines Teils des CO) befähigt
ist, kann man die für
die Abtrennung der Verunreinigungen H2 und/oder
CO vorgesehene Adsorptionsmittelschüttung (Pd/Al2O3) vor einer zu schnellen Sättigung
schützen
und dadurch die Zahl der Regenerationsphasen über einen gegebenen Zeitraum
verringern.
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Nach der Reinigung wird der von seinen
Verunreinigungen H2, CO und/oder O2 befreite flüssige Stickstoff über eine
Leitung 2a, 2b seinem nicht gezeigten Einsatzort
oder einem Ort 6 zur Speicherung von gereinigtem flüssigem Stickstoff
zugeführt.
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Wie in der Figur dargestellt, verwendet
man vorzugsweise zwei Reaktoren 4a, 4b, die jeweils
ein Adsorptionsmittel, wie auf einem Aluminiumoxidträger geträgertes Palladium,
für die
adsorptive Abtrennung der Verunreinigungen H2 und
CO aus dem flüssigen
Stickstoff und ein anderes, stromaufwärts des ersten Adsorptionsmittels
angeordnetes Adsorptionsmittel, wie ein Hopcalit-Adsorptionsmittel,
für die
zusätzliche
Abtrennung der in dem flüssigen
Stickstoff enthaltenen Verunreinigung O2 und
gegebenenfalls eines Teils des CO enthalten. So ist es möglich, die
beiden Reaktoren abwechselnd zu fahren, d. h. während einer der Reaktoren im
Reinigungsmodus arbeitet, kann der andere regeneriert werden.
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Die Regeneration erfolgt auf übliche Art
und Weise, beispielsweise gemäß folgender
Vorschrift:
- – allmähliches Erhitzen des Adsorbers
mit heißem
gasförmigem
Stickstoff, d. h. auf eine Temperatur von ungefähr 200°C, und bei Normaldruck;
- – Eintragen
eines auf eine Temperatur von 200°C
erhitzten reduzierend wirkenden Gemischs, wie eines Gemischs aus
2% H2 und N2, in
den Reaktor (zusätzlicher
Schritt: nur bei Vorliegen einer Hopcalit-Pd/Al2O3-Doppelschüttung);
- – Spülen des
Reaktors mit heißem
gasförmigem
Stickstoff zur Entfernung jeglicher Restspuren von Wasserstoff H2 (zusätzlicher
Schritt: nur bei Vorliegen einer Hopcalit-Pd/Al2O3-Doppelschüttung);
- – Spülen des
Reaktors mit gasförmigem
Stickstoff bei Umgebungstemperatur zum Abkühlen des Adsorbers und zur
Vorbereitung des Adsorbers auf den nächsten Reinigungszyklus.
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Der nicht näher gezeigte Reinigungskreislauf
enthält
insbesondere eine Leitung 7a zur Zuführung des Regenerationsgases
und eine Heizeinrichtung 7; die Reaktoren 4a und 4b können über gegebenenfalls
mit Schalldämpfern
versehene Luftschächte 8 mit
der Atmosphäre
verbunden sein.
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In der Figur ist die Quelle von zu
reinigendem flüssigem
Stickstoff in Form eines Speicherbehälters 1 dargestellt.
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Diese Darstellung soll jedoch die
Erfindung in keiner Weise einschränken, da unter Quelle von inertem Fluid
in flüssigem
Zustand jedes Mittel zu verstehen ist, mit dem dem oder den Reaktoren
das zu reinigende, in flüssigem
Zustand vorliegende Fluid zugeführt
werden kann, wie ein Tankwagen, eine Versorgungsleitung, ein Pufferbehälter oder
eine Tieftemperaturdestillations- Säule.
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Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nun anhand von Ausführungsbeispielen
demonstriert, die die Erfindung aber nicht einschränken sollen.
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In den nachstehenden Beispielen besteht
das von mindestens einer seiner Verunreinigungen H2 und CO
zu befreiende, in flüssigem
Zustand vorliegende inerte Fluid aus flüssigem Stickstoff, und als
Adsorptionsmittel dient auf einem Aluminiumoxidträger geträgertes Palladium
(Pd/Al2O3).
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Die Bestimmung der Mengen der Verunreinigungen
Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2 erfolgte mit
einem Chromatographen RGA3 von der Firma Trace Analytical mit einer
Nachweisgrenze von 1 ppb ± 1 (Volumenteile
pro Milliarde) für
Kohlenmonoxid und 5 ppb ± 1
für Wasserstoff.
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BEISPIEL 1:
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Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wurde flüssiger
Stickstoff mit etwa 0,75 ppm Wasserstoff und 0,65 ppm Kohlenmonoxid
an auf Aluminiumoxidträger
geträgertem Palladium
als Adsorptionsmittel gereinigt.
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Die hierfür verwendete Vorrichtung entspricht
der oben beschriebenen.
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Es wurden zwei aufeinanderfolgende
Tests durchgeführt,
die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt sind:
Die Arbeitsbedingungen
für Test 1 und
Test 2 sind mit Ausnahme der Menge von auf dem Aluminiumoxidträger imprägniertem
Palladium gleich. So wurde Test 1 mit einem Adsorptionsmittel
durchgeführt,
das viermal so viel Palladium enthielt wie das in Test 2 verwendete Adsorptionsmittel.
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Die Reinigung wurde bei einem Druck
von ungefähr
8 bar absolut (8·105 Pa) an flüssigem Stickstoff durchgeführt, der über eine
externe Kältequelle
auf eine Temperatur von etwa –187°C unterkühlt worden
war (die Blasentemperatur von Stickstoff beträgt ungefähr –172,6°C).
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Der Reinigungsdurchsatz beträgt etwa
32 Nm3/h, und die Kontaktzeit, d. h. die
Zeit, die ein Molekül zum
Durchqueren der Adsorptionsmittelschüttung braucht, beträgt etwa
zwei Minuten.
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Die erhaltenen Ergebnisse sind in
der nachstehenden Tabelle I aufgeführt:
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Aus den in obiger Tabelle I aufgeführten Ergebnissen
geht hervor, daß:
- – man
mit auf Aluminiumoxidträger
geträgertem
Palladium als Adsorptionsmittel flüssigen Stickstoff von seinen
Verunreinigungen H2 und CO bis zu einem
Schwellenwert von weniger als 1 ppb (Volumenteil pro Milliarde)
befreien kann;
- – die
Adsorptionskapazität
des als Adsorptionsmittel dienenden, auf Aluminiumoxidträger geträgerten Palladiums
zur Edelmetallmenge (auf dem Träger
imprägniertes
Palladium) proportional ist. So kann man nämlich mit dem Adsorptionsmittel
aus Test 1 (2% Pd/Al2O3),
das viermal so viel Palladium enthält wie das Adsorptionsmittel
aus Test 2 (0,5% Pd/Al2O3) flüssigen
Stickstoff über
einen Zeitraum von etwa 13 Stunden konstant und bis zu einem Gehalt
von weniger als 1 ppb von seinen Verunreinigungen H2 und
CO befreien, wohingegen man mit dem Adsorptionsmittel aus Test 2 flüssigen Stickstoff
nur über
ein Viertel dieser Dauer, d. h. etwas mehr als 3 Stunden, effizient
von seinen Verunreinigungen H2 und CO befreien
kann;
- – die
Effizienz und Konstanz der Reinigung im zeitlichen Verlauf mit zunehmender
Menge an geträgertem Edelmetall
zunimmt. In der Praxis, d. h. vom technischen Standpunkt aus, hängt die
zu verwendende Menge an geträgertem
Edelmetall vom Auslegungsvolumen des Adsorbers (man muß nämlich eine
Adsorptionsmittel-Mindesthöhe einhalten,
um eine kohärente
Kontaktzeit zwischen dem Stickstoffstrom und dem Adsorptionsmittel
zu ermöglichen),
der abzutrennenden Menge an Verunreinigungen in dem flüssigen Stickstoff
und dem Volumen an flüssigem
Stickstoff, das vor der Durchführung
eines Regenerationschritts gereinigt werden soll, ab. So ist im
allgemeinen ein Palladiumgehalt von etwa 2% gegenüber einem
Gehalt von 0,5% bevorzugt; ein Gehalt von 4% wird jedoch nicht unbedingt
empfehlenswert sein;
- – man
das Adsorptionsmittel nach einigen Stunden Reinigung regenerieren
muß (beispielsweise
in unserem Test im Fall eines Adsorptionsmittels vom Typ 2% Pd/Al2O3 nach etwa 13
Stunden). Nach einigen Stunden Reinigung stellt man nämlich eine
fortschreitende Sättigung
des Adsorptionsmittels fest, welches gereinigt werden muß, damit
die Verunreinigungen nicht durchbrechen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung
eines in flüssigem
Zustand vorliegenden inerten Fluids ist somit voll und ganz zufriedenstellend,
da damit eine Befreiung des in flüssigem Zustand vorliegenden Inertgases
von seinen Verunreinigungen H2 und/oder
CO bis zu einem Schwellenwert von 1 ppb erzielt werden kann.
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BEISPIEL 2:
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Wie aus Obigem schon hervorgeht,
hängt die
Effizienz der Adsorption von dem verwendeten Adsorptionsmittel und
insbesondere von der Menge des auf dem Träger geträgerten Metalls ab.
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Die in obigem Beispiel 1 angeführten Tests 1 und 2 wurden
mit auf einem Aluminiumoxidträger
geträgertem
Palladium als Adsorptionsmittel durchgeführt; die Eigenschaften der
in den Tests 1 und 2 verwendeten Adsorptionsmittel
sind nachstehend in Tabelle II aufgeführt.
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Die Tests 1 und 2 wurden
zwar einzig mit Aluminiumoxidkügelchen
als Palladiumträger
durchgeführt, jedoch
liegen auch andere Arten von Trägern,
Metallen und/oder Adsorptionsmittelformen im Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung.
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So kann man als andere Edelmetalle
auch Platin, Rhodium und Iridium verwenden.
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Wenngleich Aluminiumoxid als Träger bevorzugt
ist, kann man ganz analog im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch
andere Trägerarten
verwenden, beispielsweise Siliciumoxid, Zeolith oder Titanoxid (TiO2).
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Das Adsorptionsmittel kann in Form
von Kügelchen,
Granulat oder Stäbchen
vorliegen.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung
in flüssigem
Zustand vorliegende inerte Fluide betrifft, kann das hier beschriebene
Verfahren auch zur Reinigung von sehr kalten Inertgasen, d. h. bei
einer Temperatur im Bereich von –130°C bis –170°C, dienen. An verschiedenen
sehr kalten Inertgasen durchgeführte
Tests zeigten jedoch nur eine partielle und somit wenig zufriedenstellende
Reinigung, bei der der Schwellenwert von 1 ppb nicht erreicht werden
konnte und die Verunreinigungen H2 und CO
praktisch sofort durchbrachen.
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Diese letzteren Tests an verschiedenen
Inertgasen bestätigen
darüber
hinaus, daß die
bekannten Verfahren zur Reinigung von Inertgasen offensichtlich
auf die Reinigung von in flüssigem
Zustand vorliegenden inerten Fluiden nicht anwendbar sind und umgekehrt.