FR2661170A1 - Process for the production of ultrapure nitrogen - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne l'élaboration d'azote ultra-pur, à teneur en impuretés inférieure à 100 ppb (parties par billion), voire inférieure à quelques dizaines de ppb, voire à moins de 10 ppb, et, même encore moins, de l'ordre de 1 ppb. The present invention relates to the production of ultra-pure nitrogen, with an impurity content of less than 100 ppb (parts per billion), even less than a few tens of ppb, or even less than 10 ppb, and even less of the order of 1 ppb.
L'azote pur est en général obtenu par distillation cryogénique de l'air, ce qui permet de séparer l'oxygène, alors que le gaz carbonique et la vapeur d'eau sont préalablement éliminés par arrêt sur adsorbant avant distillation. Pure nitrogen is generally obtained by cryogenic distillation of the air, which allows to separate the oxygen, while the carbon dioxide and water vapor are previously removed by stopping on adsorbent before distillation.
Cependant, le monoxyde de carbone (CO) et 1 1hydrogène (H2) contenus dans l'air se retrouvent après distillation dans l'azote, sauf, pour ce qui concerne l'hydrogène, à adjoindre une colonne de distillation supplémentaire, ce qui serait particulièrement coûteux. However, carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2) contained in the air are found after distillation in nitrogen, except, for hydrogen, to add an additional distillation column, which would be particularly expensive.
C'est la raison pour laquelle, actuellement, on procède par voie catalytique mettant en oeuvre des métaux nobles tels le platine et le palladium sur support d'alunine et à température élevée supérieure à 1000C ou, pour le monoxyde de carbone de l'oxyde de cuivre CuD à température de l'ordre de 1500C, à un traitement de l'air, et cela après compression et avant envoi vers la batterie de dessication-décarbonatation puis vers la colonne de distillation mais cette opération à température élevée s'effectuant sur tout le débit d'air est coûteuse et l'on parvient difficilement à la limite visée de 10 ppb, à la fois pour le monoxyde de carbone et pour l'hydrogène, dont les teneurs résiduelles restent de l'ordre de 100 ppb. This is the reason why, at present, it is carried out catalytically using noble metals such as platinum and palladium on an alumina support and at an elevated temperature above 1000C or, for the carbon monoxide of the oxide. CuD copper at a temperature of about 1500C, air treatment, and this after compression and before sending to the desiccator-decarbonation battery and then to the distillation column, but this high temperature operation is performed on the entire air flow is expensive and it is difficult to reach the target limit of 10 ppb, both for carbon monoxide and for hydrogen, whose residual contents remain of the order of 100 ppb.
D'autre part, on utilise également des épurateurs qui traitent l'azote pour en éliminer 00, 002 > H2O, H2 gui qui fonctionnent par par arrêt de l'oxygène et oxydation de OO et H2 sur élément actif CuO et ou (formant pour l'impureté oxygène du CuO à partir de Cu, et pour l'inpureté 00 et H2 du C102 et H20 respectivement), puis arrêt de 002 et H O sur tamis moléculaires, le cas échéant précédé d'un lit d'alumine. On the other hand, purifiers that treat nitrogen to remove 00, 002> H2O, H2 gui which function by stopping oxygen and oxidation of OO and H2 on active element CuO and or (forming for the oxygen impurity of CuO from Cu, and for the purity 00 and H2 of C102 and H20 respectively), then stop 002 and HO on molecular sieves, where appropriate preceded by a bed of alumina.
De tels épurateurs sont de fonctionnement relativement complexe et, notamment, nécessitent une réactivation de l'élément actif Cu/CuO avec un gaz tel l'hydrogène.Such scrubbers are relatively complex in operation and, in particular, require reactivation of the Cu / CuO active element with a gas such as hydrogen.
On a bien tenté d'arrêter OO et H2 par adsorption, mais les adsorbants ou tamis classiques sont inopérants pour H2 et peu efficaces pour 00 (cas des tamis moléculaires 13X qui arrêtent 002 et très peu 00). ( > 1 sait cependant que ces produits peuvent être améliorés par échange d'ion cuivre (Cu) ou imprégnation de palladium (Pd). On a des exemples de ces améliorations (augmentation du taux à saturation), mais aucune proposition n'a encore été faite pour adapter cette technique à l'élaboration d'azote ultra-pur. It has been tried to stop OO and H2 by adsorption, but conventional adsorbents or sieves are ineffective for H2 and not very effective for 00 (13X molecular sieves that stop 002 and very little 00). However, it is known that these products can be improved by copper ion (Cu) exchange or palladium (Pd) impregnation.There are some examples of these improvements (saturation rate increase), but no proposals have yet been made. been made to adapt this technique to the development of ultra-pure nitrogen.
Le problème & la base de la présente invention a été la découverte de l'efficacité des ces produits (zéolithes échangées Cu ou imprégnées Pd) dans l'élaboration d'azote ultra pur en atteignant le double objectif suivant
- un seuil d'arrêt inférieur de l'ordre de 10 ppb
- avec un rapport quantité de gaz à traiter/quantité de produit
d'arrêt qui soit économique.The problem of the present invention was the discovery of the effectiveness of these products (Cu exchanged zeolites or Pd-impregnated zeolites) in the production of ultra-pure nitrogen by achieving the following double objective.
a lower stop threshold of the order of 10 ppb
- with a ratio of amount of gas to be treated / quantity of product
stop that is economical.
Ces objectifs de l'invention sont atteints en ce qu'on élimine les impuretés constituées par le monoxyde de carbone (OO) et/ou l'hydrogène (H2) par passage du gaz à épurer sur un support particulaire du genre zéolithe, à incorporation d'un élément métal cuivre (Cu) ou palladium (Pd) faite selon la technique connue de l'échange d'ion et/ou de l'imprégnation. These objectives of the invention are achieved in that the impurities constituted by carbon monoxide (OO) and / or hydrogen (H2) are eliminated by passing the gas to be purified on a particulate support of the zeolite type, with incorporation of a copper (Cu) or palladium (Pd) metal element made according to the known technique of ion exchange and / or impregnation.
On assure notamment l'élimination de l'impureté 00 par adsorption sur le support moléculaire du genre zéolithe où l'incorporation du métal Cu a été assurée par nutation d'ions par un ion métallique W. Par zéolithes "échangées", on entend, de façon connue, une transformation des zéolithes du comnerce, qui sont formées d'un support alumino-silicate de calcium ou de sodium à structure cristalline, présentant, selon le type de structure cristalline, des pores de différents diamètres que l'on mesure en Angström (A), ces structures étant associées à différents cations (sodiun, calcium). De telles zéolithes du commerce sont capables de piéger certains gaz, dans certaines limites cependant.Cette substitution, ou échange, s'effectue en solution aqueuse par échange des ions alcalins ou alcalino-terreux d'une zéolithe synthétique ou naturelle par des ions métalliques d'une solution d'un sel métallique tel le Cucul2, PdC12. La zéolithe est ensuite séchée modérément sous balayage d'azote avant de pouvoir être utilisée. In particular, the impurity 00 is removed by adsorption on the molecular support of the zeolite genus in which the incorporation of the Cu metal has been ensured by nutation of ions by a metal ion W. By "exchanged" zeolites, we mean in a known manner, a transformation of the zeolites of the comnerce, which are formed of a calcium or sodium alumino-silicate carrier with crystalline structure, having, according to the type of crystalline structure, pores of different diameters which are measured in Angstrom (A), these structures being associated with different cations (sodiun, calcium). Such commercial zeolites are capable of trapping certain gases, within certain limits, however.This substitution, or exchange, takes place in an aqueous solution by exchange of the alkaline or alkaline-earth ions of a synthetic or natural zeolite by metal ions. a solution of a metal salt such as Cucul2, PdC12. The zeolite is then dried moderately under a nitrogen sweep before it can be used.
Par imprégnation, on entend la mise en oeuvre des opérations suivantes . mise en contact d'une zéolithe avec une solution d'un sel évaporation de l'eau de la solution . séchage modéré sous balayage de gaz neutre réduction par gaz réducteur, par exemple hydrogène ou un mélange
d'hydrogène et d'azote.By impregnation is meant the implementation of the following operations. contacting a zeolite with a solution of a salt evaporation of water from the solution. moderate drying under neutral gas reduction reduction by reducing gas, for example hydrogen or a mixture
of hydrogen and nitrogen.
Selon une autre forme de mise en oeuvre, on utilise, pour l'élimination substantielle de l'impureté H2 et aussi 00 un lit de zéolithes où l'incorporation du métal palladium (Pd)~a été assurée par imprégnation de la zéolithe. According to another embodiment, for the substantial elimination of the impurity H2 and also a bed of zeolites in which the incorporation of the palladium metal (Pd) ~ has been ensured by impregnation of the zeolite.
L'invention s'applique d'une part à l'épuration finale d'azote de distillation cryogénique de l'air, où l'élimination principale de l'impureté hydrogène est assurée par passage de l'azote à température ambiante sur un lit de zéolithes imprégnées de palladium, dont l'action est complétée par une des dispositions suivantes - soit l'impureté monoxyde de carbone est d'abord arrêtée par passage
de l'azote à température ambiante sur un lit de zéolithes mutées
cuivre - soit le monoxyde de carbone est substantiellement arrêté à
température ambiante par passage de l'azote sur ledit lit de
zéolithes imprégnées palladium dimensionné en conséquence.The invention applies firstly to the final purification of cryogenic distillation nitrogen from air, where the main elimination of the hydrogen impurity is ensured by passing nitrogen at room temperature on a bed of zeolites impregnated with palladium, the action of which is completed by one of the following provisions - or the impurity carbon monoxide is first stopped by passage
nitrogen at room temperature on a bed of mutated zeolites
copper - either carbon monoxide is substantially stopped at
ambient temperature by passing nitrogen on said bed of
palladium impregnated zeolites sized accordingly.
Dans cette forme de mise en oeuvre opérant sur l'azote, l'invention concerne également un dispositif d'élaboration d'azote ultrapur, où au moins un lit d'arrêt d'hydrogène et de monoxyde de carbone est disposé en une enceinte unique, l'opération s'effectuant à l'aide de deux enceintes identiques, l'une opérant à température ambiante pour l'épuration, tandis que l'autre est en régénération à température élevée, sous l'effet d'une montée en température et/ou d'un abaissement de pression, le cas échéant en dessous de la pression atmosphérique et/ou d'un balayage d'élution par l'azote à épurer ou épuré. In this form of implementation operating on nitrogen, the invention also relates to an ultrapure nitrogen making device, wherein at least one hydrogen and carbon monoxide stop bed is disposed in a single enclosure the operation is performed using two identical speakers, one operating at room temperature for purification, while the other is in regeneration at high temperature, under the effect of a rise in temperature and / or a lowering of pressure, if necessary below atmospheric pressure and / or an elution sweep by the nitrogen to be purified or purified.
L'invention s'applique d'autre part à l'épuration d'air préalablement à sa distillation par passage d'air à température ambiante après élimination, dans un dessicateur-décarbonateur, du gaz carbonique, de la vapeur d'eau et impuretés autres que monoxyde de carbone et hydrogène, sur un lit de zéolithes imprégnées palladium pour
L'arrêt substantiel de l'hydrogène, et/ou pour l'arrêt substantiel du monoxyde de carbone par passage à température ambiante sur un lit de zéolithes mutées cuivre, et/ou par passage à température ambiante sur ledit lit de zéolithes imprégnées palladium, le cas échéant dimensionné en conséquence.The invention also applies to the purification of air prior to its distillation by passage of air at room temperature after elimination, in a desiccator-decarbonator, of carbon dioxide, water vapor and impurities. other than carbon monoxide and hydrogen, on a bed of palladium impregnated zeolites for
Substantial stopping of hydrogen, and / or for substantially stopping carbon monoxide by passage at ambient temperature on a bed of copper mutated zeolites, and / or by passage at ambient temperature on said bed of palladium-impregnated zeolites, if necessary dimensioned accordingly.
Dans cette forme de mise en oeuvre opérant sur l'air, l'invention concerne un dispositif épurateur de l'air destiné à être distillé, les lits d'arrêt d'hydrogène et de monoxyde de carbone étant groupés avec les lits d'adsorbant de la vapeur d'eau (tel l'alumine) et de tamis moléculaire (tel la zéolithe 13X) pour l'arrêt du gaz carbonique, de la vapeur d'eau et autres polluants, en une enceinte unique d'arrêt. In this form of implementation operating on air, the invention relates to an air purifying device intended to be distilled, the hydrogen and carbon monoxide stopping beds being grouped with the adsorbent beds. water vapor (such as alumina) and molecular sieve (such as 13X zeolite) for stopping carbon dioxide, water vapor and other pollutants, in a single enclosure stop.
De préférence, les lits d'arrêt de l'hydrogène et du monoxyde de carbone étant disposés à l'aval des lits d'arrêt du gaz carbonique et de la vapeur d'eau et autres polluants, et en outre, l'enceinte d'arrêt comporte en aval des lits d'arrêt d'H2 et de 00, des lits de plus petites dimensions pour l'arrêt final de traces de vapeur d'eau et de gaz carbonique.Preferably, the hydrogen and carbon monoxide stopping beds being disposed downstream of the carbon dioxide and water vapor stopping beds and other pollutants, and furthermore, the enclosure of stop includes downstream H2 and 00 stop beds, smaller beds for the final stop of traces of water vapor and carbon dioxide.
L'invention concerne également un procédé d'élaboration d'azote ultra-pur où l'on fait passer l'air à température élevée de l'ordre de 1000C à 3000C préalablement à la distillation par un lit de tels supports particulaires zéolithes, soit en lit unique qui est un lit imprégné palladium, ou un lit de zéolithes mutées cuivre, soit en lit double qui est un lit de zéolithes mutées cuivre et un lit de zéolithes imprégnées palladium, soit encore en lit unique de zéolithes mutées cuivre et dopées avec du palladium. The invention also relates to a process for producing ultra-pure nitrogen in which air is passed at an elevated temperature of the order of 1000.degree. C. to 3000.degree. C. prior to distillation by a bed of such particulate zeolite supports, either in a single bed which is a palladium impregnated bed, or a bed of copper mutated zeolites, either in a double bed which is a bed of copper mutated zeolites and a palladium-impregnated zeolite bed, or in a single bed of copper mutated zeolites and doped with palladium.
L'invention est maintenant illustrée par les exemples de mise en oeuvre suivants, qui mettent en évidence certains résultats conformes à l'invention et d'autres inopérants
Résultats - SUR AZCIE A TEMEbU4DURE Afiq3IANTE
Tamis muté Cu pas d'arrêt de H2
arrêt du 00 : < 2 ppb
taux d'adsorption au perçage
= 0,42 Ncm3/g (Ncm3 de CO par gratine
d'adsorbant)
Tamis imprégné Pd oo = 15 ppb
H2 < 10 ppb
taux d'adsorption au perçage
= 0,27 Ncm3/g (Nom3 de CO et de H2
par gramme d'adsorbant d'adsorbant)
Tamis muté Cu + tamis imprégné Pd CO < 2 ppb
H2 < 3 ppb
taux d'adsorption au perçage
= 0,67 Nom3/g (Ncm3 de CD et de H2
par gramme d'adsorbant)
On a à la fois des seuils bas et des taux intéressants.The invention is now illustrated by the following examples of implementation, which highlight certain results in accordance with the invention and other inoperative
Results - ABOUT AZCIE A TEMEbU4DURE Afiq3IANTE
Sieve mutated Cu no stop H2
stop of 00: <2 ppb
drilling adsorption rate
= 0.42 Ncm3 / g (Ncm3 of CO per gratine
adsorbent)
Impregnated sieve Pd oo = 15 ppb
H2 <10 ppb
drilling adsorption rate
= 0.27 Ncm3 / g (Name3 of CO and H2
per gram of adsorbent adsorbent)
Milled sieve Cu + impregnated sieve Pd CO <2 ppb
H2 <3 ppb
drilling adsorption rate
= 0.67 Nom3 / g (Ncm3 of CD and H2
per gram of adsorbent)
We have both low thresholds and interesting rates.
La réversibilité a été montée en renouvelant les essais.Reversibility has been mounted by renewing the tests.
- SUR DE L'AIR A TEMPERAIURE AMBIANTE
Tamis muté Cu pas d'arrêt de H2
arrêt de OO seuil = 6 ppb
taux d'adsorption au perçage
= 0,16 Nom3/g (Ncm3 de CO par gramne
d'adsorbant)
Tamis imprégné Pd OO = 6 ppb
H2 = 10 à 20 ppb pendant 10 jours
Formation de 002 dans le réacteur qui est ensuite éliminé à
température ambiante - SUR DE L'AIR A TEMPERATURE ELEVEE
Tamis muté Cu + tamis imprégné Pd
à 1002C
H2 < 10 ppb
OO = 7 ppb
Tamis muté Cu dopé Pd
à 1500C
H2 = 35 ppb
OO = 5 ppb EXEMPLES DE MISE EN OEUVRE
On prépare un premier lit de zéolithes type SA (24,6 g) dont 60 % des ions sont échangés avec des ions Cu et un second lit de mordénite (23 g) imprégnée à 3,5 % (poids) avec du palladium, dans deux colonnes ayant un diamètre de 12 mm et une longueur de 250 mm et on effectue les essais suivants
PREMIER ESSAI :
On fait passer dans les colonnes de l'azote (N2) cryogénique, à un débit de 126 Nl/h sous 7 bar à température ambiante, ayant une teneur en eau inférieure à 150 ppb, une teneur en OO de 2 ppn (partie par million 10 6) et une teneur en hydrogène de 1,7 ppm. A la sortie, l'azote ne contient plus qu'une teneur en as de l'ordre du ppb et une teneur en hydrogène inférieure à 3 ppb. Ce résultat est assuré pendant une durée de 67 heures.- ON AMBIENT TEMPERATURE AIR
Sieve mutated Cu no stop H2
OO stop threshold = 6 ppb
drilling adsorption rate
= 0,16 Nom3 / g (Ncm3 of CO per gram
adsorbent)
Impregnated sieve Pd OO = 6 ppb
H2 = 10 to 20 ppb for 10 days
Formation of 002 in the reactor which is then eliminated at
room temperature - ON AIR AT HIGH TEMPERATURE
Sieve mutated Cu + impregnated sieve Pd
at 1002C
H2 <10 ppb
OO = 7 ppb
Sieve mutated Cu doped Pd
at 1500C
H2 = 35 ppb
OO = 5 ppb EXAMPLES OF IMPLEMENTATION
A first bed of SA type zeolites (24.6 g) is prepared, of which 60% of the ions are exchanged with Cu ions and a second bed of mordenite (23 g) impregnated at 3.5% (weight) with palladium, in two columns having a diameter of 12 mm and a length of 250 mm and the following tests are carried out
FIRST TRY :
Cryogenic nitrogen (N2) at a flow rate of 126 Nl / h at 7 bar at room temperature is passed through the columns, having a water content of less than 150 ppb, an OO content of 2 ppn (part by million 6) and a hydrogen content of 1.7 ppm. At the outlet, the nitrogen contains only an ace content of about ppb and a hydrogen content of less than 3 ppb. This result is ensured for a period of 67 hours.
SED3N3 ESSAI
On fait passer dans les colonnes, à un débit de 126 Nl/h sous 7 bar, à température ambiante, de l'air ayant une teneur en eau inférieure à 150 ppn, une teneur en 00 de 2 ppn et une teneur en H2 de 1,3 ppm. L'air sortant présente une teneur en 00 de 6 ppb et une teneur en hydrogène de 10 à 20 ppb et cela pendant une durée minimale de 10 jours.SED3N3 TEST
In the columns, at a flow rate of 126 Nl / h at 7 bar, air having a water content of less than 150 ppn, a content of 00 of 2 ppn and an H2 content of 1.3 ppm. The outgoing air has a content of 00 of 6 ppb and a hydrogen content of 10 to 20 ppb for a minimum of 10 days.
ISDISIEDdE ESSAI
Cet essai est identique au second essai à la différence que l'air est chauffé à IOOOC. L'air sortant a une teneur en 00 de 7 ppb et une teneur en hydrogène inférieure à 10 ppb.ISDISIEDdE TRIAL
This test is identical to the second test with the difference that the air is heated to 100 ° C. The outgoing air has a content of 0.07 ppb and a hydrogen content of less than 10 ppb.
L'invention s'applique à l'élaboration d'azote ultra pur, notamment utilisé dans l'industrie électronique. The invention applies to the preparation of ultra pure nitrogen, especially used in the electronics industry.
Claims (11)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
ST | Notification of lapse |