JP2001046827A - ガス流中の水、二酸化炭素及び一酸化炭素除去方法 - Google Patents

ガス流中の水、二酸化炭素及び一酸化炭素除去方法

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JP2001046827A JP2000182327A JP2000182327A JP2001046827A JP 2001046827 A JP2001046827 A JP 2001046827A JP 2000182327 A JP2000182327 A JP 2000182327A JP 2000182327 A JP2000182327 A JP 2000182327A JP 2001046827 A JP2001046827 A JP 2001046827A
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シャオ−リン シュン トーマス
Elizabeth Susan Schaub
スーザン スカウブ エリザベス
Fred William Taylor
ウィリアム テイラー フレッド
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気又は窒素等のガス流から少なくとも水、
二酸化炭素及び一酸化炭素を除去して精製ガス流を製造
する方法の提供。 【解決手段】 ガス流10中の一酸化炭素を酸化して二
酸化炭素にし、得られた二酸化炭素と最初から存在する
二酸化炭素と水をその後吸着して除去し、当該酸化と吸
着を、ガス流をアルミナに担持されたパラジウム等の固
体酸化触媒物質24a、26aと接触させ、そしてその
後且つ実質的に同じ温度でアルミナ/ゼオライトのよう
な固体吸着剤24b、26b、24c、26cと接触さ
せることにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、精製したガス流の
生産のために、空気又は窒素のようなガス流から一酸化
炭素と、そして任意に水素を除去することに関し、この
精製ガス流は高純度の窒素ガスでもよい。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】多くの
化学プロセスでは、COとH2 はそれらの化学的反応性
のため不所望の種である。例えば、電子産業は半導体材
料の生産のために高純度のN2 (COとH2 が5体積p
pb未満)を必要としている。シリコンウエハーの製作
の際にN 2 中に存在する不純物は、チップの故障率を大
きく増大させる。空気を低温(cryogenic)分
離にかけてN2 を製造する場合、N2 とCOとは似通っ
た沸点を有するので、低温塔への供給原料空気中に存在
するCOは蒸留プロセスによって実質的に影響を受けな
い。蒸留プロセスに対して特別な用意がなされないなら
ば、製品N2 中の水素が多くなって原料空気中のその濃
度のおよそ2.5倍になる。従って、高純度のN2 の生
産は、1)蒸留塔より前で周囲空気からCOとH2 を除
去することか、あるいは、2)製品N2 の後処理、を必
要とする。しばしば、電子産業の顧客は、設備の信頼性
の追加のために前処理と後処理の両方を必要とする。
【0003】微量COとH2 の除去のための現在の技術
は、COをCO2 にそしてH2 を水に接触転化し、続い
て不純物のCO2 と水を除去することを必要とする。
【0004】空気を低温分離してN2 とO2 を回収する
ための従来の方法では、原料空気を圧縮し、次いで低温
に冷却してから2段式の蒸留塔へ導入する。冷却の前に
空気から水とCO2 を除去しなければ、これらの成分は
蒸留より先にガスを冷却するために用いられる熱交換器
を閉塞する。そのような除去のための主要な方法は、モ
レキュラーシーブでの熱スイング吸着(TSA)であ
る。CO2 と水の除去のためのTSA装置では、大気空
気をおよそ793kPa(100psig)まで圧縮
し、その後水で冷却しそしてこうして凝縮させた水を除
去する。次に、この時には約38℃(100°F)であ
る空気を、冷却したエチレングリコールを使って4.5
℃(40°F)に更に冷却することができる。水の大半
が、凝縮と凝縮物の分離とによってこの工程で除去され
る。次いで、ガスにモレキュラーシーブ床あるいは混合
したアルミナ/モレキュラーシーブ床の系を通過させ
て、残留している水とCO2 を吸着によりそこで除去す
る。この収着剤の床は、吸着と再生とに当てられた等し
い期間で、例えば4時間(24時間程度でもよい)とい
った期間で、熱スイング様式で運転される。二つの床を
使うことによって、一方が吸着のために運転されている
間に他方が再生され、それらの役割は運転サイクルにお
いて定期的に逆にされる。再生の際は、製品窒素の一部
又はコールドボックスからの廃棄流をブロワーでわずか
に圧縮して、およそ260℃に加熱する。この高温ガス
に再生している床を通過させ(ことによって2時間通過
させる)、その次に再生ガスを最後の2時間、典型的に
4.5℃まで冷却し、床をその温度に冷却するようにす
る。再生は、吸着工程の方向とは反対の方向に実施され
る。
【0005】あるいは、PSA装置を使用してもよい。
この場合、サイクル時間はより短い(原料供給工程は5
〜30分である)が、原料供給温度、圧力及び再生ガス
は同じままである。PSAの場合、再生ガスは加熱され
ない。
【0006】そのような装置は、大気空気からCO2
水及びC3+炭化水素を除去するのに有効である。しか
し、従来のモレキュラーシーブ床はCOあるいはH2
除去には効果的でない。COのないN2 を製造するのに
現在使用される主な慣用の技術は、モレキュラーシーブ
系への供給の前に大気空気中に存在するCOを酸化して
CO2 にすることを含む。この追加の接触転化装置は、
標準のN2 プラントの資本及び運転費を増加させる。あ
るいはまた、そのようなCO除去工程は空気分離処理の
後に得られる窒素に適用されることがある。
【0007】一つの既知の方法では、アルミナ触媒上の
Niを使ってCOを窒素から除去している。この物質に
ついての根本的な不都合は、高いコスト、還元ガス中で
の活性化の必要性、及び活性化した物質の自燃性の性質
である。微量COの除去のための好ましい吸着剤は、そ
れほど高価でなく、容易に再生できるべきであり、且つ
自燃性であるべきでない。
【0008】O2 の存在下でのCOのCO2 への及びH
2 のH2 Oへの酸化は、高温(500℃を超える)で容
易に起こる。これらの反応は、パラジウム又は白金を基
にした貴金属触媒を使えば、もっと低い、およそ150
℃の温度で行うことができる(Ind. Eng. C
hem., No.8, 645, 1961)。この
技術は、低温空気プラントのCO2 及び水除去用の前段
吸着装置の前での周囲空気のための前処理工程として、
現在商業的に利用されている。この除去技術の主要な不
都合には、1)触媒床への導入前に空気を加熱すること
が必要なこと、2)熱交換器及び追加の加熱器と増大し
たプロット空間とを必要とする余分な床が必要とされる
こと、そして3)装置での増加した圧力降下が装置の動
力必要量を増大させること、が含まれる。
【0009】不活性ガスから微量の不純物を除去するた
めの周囲温度でのプロセスも、当該技術分野において知
られている。米国特許第4713224号明細書には、
ガスの流れに元素のニッケルを含み表面積が大きな物質
を通過させる、痕跡量のCO、CO2 、O2 、H2 及び
2Oを含有しているガスを精製するための一工程のプ
ロセスが教示されている。酸素が存在していると、CO
は酸化されてCO2 となり、そうでなければそれは吸着
される。ニッケルを担持する基材の性質に関し詳しいこ
とはどちらかと言えばはっきりせず、単に「シリカを基
にした基材」と呼ばれている。COを周囲温度でCO2
に酸化する方法は、米国特許第3672824号及び第
3758666号明細書に記載されている。
【0010】米国特許第5110569号明細書には、
低温蒸留の前処理として、空気流から痕跡量の一酸化炭
素と水素をより多量の二酸化炭素及び水とともに除去す
る方法が教示されている。この方法は、水を吸着するた
めの第一の層(好適にはアルミナ、シリカゲル、ゼオラ
イト又はそれらの組み合わせ)と、一酸化炭素を二酸化
炭素に変えるための触媒の第二の層(好適には酸化ニッ
ケル、又は酸化マンガンと酸化銅の混合物)と、二酸化
炭素と水を吸着するための第三の層(好適にはゼオライ
ト、活性アルミナ又はシリカゲル)とを有する三層吸着
床を使用するTSA又はPSAにより実施される。第二
の層は水素を水に変えるための触媒を含むことができ、
そしてこれは担持されたパラジウムでよい。このよう
に、米国特許第5110569号明細書には、供給原料
流(特に空気)からCO、CO2 、H2 Oそして随意に
2 を除去するための方法であって、1)最初に水と二
酸化炭素を除去し、2)COをCO2 へ及びH2 をH2
Oへと接触酸化し、そして3)酸化生成物を除去するこ
とを含む方法が教示されている。得られたガス流は、低
温蒸留によりその後精製してもよい。
【0011】米国特許第5238670号明細書の開示
は同様であるが、ゼオライト、アルミナ又はシリカに担
持された白金及びパラジウムを含むいくつかの金属のう
ちの一つを触媒として使用する。多数の同様の刊行物が
ある。
【0012】担持されたパラジウムを使って一酸化炭素
を二酸化炭素に変えることができることは、開示されて
いない。同様に、水素を酸化するのに使用される担持さ
れたパラジウムが生成された水を吸着できることは開示
されていない。最初から存在する二酸化炭素を一酸化炭
素の酸化の前に吸着すべきとする発明も、ないようであ
る。一酸化炭素の酸化のために使用される触媒は、ホプ
カライト(酸化マンガンと酸化銅の混合物)である。こ
れは、空気の含有水分が一酸化炭素の酸化の前に除去さ
れないならば、失活されよう。
【0013】フランス特許第2739304号明細書で
は、主空気圧縮機により生じる80〜150℃の温度で
一酸化炭素をまず酸化して二酸化炭素にしている。用い
られる触媒は、アルミナのような固体の担体上のパラジ
ウムのような白金族金属でよい。生成した二酸化炭素
は、最初から存在する二酸化炭素及び水と一緒に、次い
で通常の吸着剤を使って吸着される。その後、水素をア
ルミナに担持されたパラジウムに吸着させる。パラジウ
ムの代わりに使用することができる金属は、Os、I
r、Rh、Ru及びPtである。水素はこれらの条件下
では酸化されないと述べられている。これは、米国特許
第5110569号明細書が担持されたパラジウム又は
そのほかの貴金属で水素を酸化できると述べているのが
正しいかどうか疑わせるものである。
【0014】一酸化炭素の二酸化炭素への酸化はその後
の二酸化炭素と水の吸着より高い温度で行われるので、
スイング吸着容器の上流の冷却器の前に別の酸化容器が
必要とされる。
【0015】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、ガス
流から少なくとも水、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去
するための方法であり、一酸化炭素を酸化して二酸化炭
素にし、そしてその後この生成された二酸化炭素と、初
めから存在する二酸化炭素と、そして水とを吸着するこ
とを含む方法であって、ガス流を、一酸化炭素を酸化し
て二酸化炭素にするための固体酸化触媒物質と接触さ
せ、そしてその後且つ実質的に同じ温度で二酸化炭素と
水の除去のための固体吸着剤と接触させることにより、
上記の酸化と吸着を行う除去方法を提供する。
【0016】好ましくは、前記酸化を行う温度は50℃
未満、より好ましくは10〜40℃、最も好ましくは2
0〜30℃である。
【0017】好ましくは、一酸化炭素を酸化させるため
の触媒は、担持された、好ましくはアルミナ、シリカ又
はゼオライト上に担持された、貴金属、例えばPd、O
s、Ir、Rh、Ru、Ag、Au、Re又はPtであ
る。最も好ましくは、触媒はアルミナ上に担持されたパ
ラジウム又はPt/Pd混合物である。
【0018】精製されるガス流は水を含有し、それは当
該ガス流をアルミナ又はゼオライトといったような乾燥
剤と接触させて除去される。ガス流はまた水素を含有し
ていてもよく、それは吸着により、あるいは酸化とそう
して生成された水の吸着とにより除去される。水素の酸
化は一酸化炭素の酸化と一緒に、あるいは別々に行うこ
とができる。とは言え好ましくは、それは少なくともい
く分かは、二酸化炭素と水の吸着後に行う。
【0019】フランス特許出願公開第2739304号
明細書に記載される方法と対比して、一酸化炭素の酸化
は二酸化炭素の吸着と実質的に同じ温度で行われる。従
って、ガス流は、主空気圧縮機で圧縮してもよく、そし
て次に冷却して、結果として生じるその含有水分のうち
の一部の凝縮と除去を、前記触媒による酸化の前に、行
ってもよい。
【0020】これは、一酸化炭素用の酸化触媒を二酸化
炭素と水用の吸着剤と同じ容器内に配置するのを可能に
し、こうして触媒のための特別な容器の経費を回避する
のを可能にする。
【0021】使用する吸着剤と触媒の系は、 a)(1)一酸化炭素を二酸化炭素に酸化するためのP
d/Al2 3 といったような触媒、(2)水を除去す
るためのアルミナといったような乾燥剤、(3)13X
ゼオライトといったような二酸化炭素のための吸着剤、
そして(4)Pd/Al2 3 、Pt/Al2 3 又は
Pd/Pt/Al2 3 といったような水素を酸化し且
つ水を吸着するための触媒/吸着剤、あるいは b)(1)一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にし水素を
酸化して水にするためにも働くPd/Al2 3 といっ
たような触媒、(2)水を除去するためのアルミナとい
ったような乾燥剤、そして(3)13Xゼオライトとい
ったような二酸化炭素のための吸着剤、を含むことがで
きる。
【0022】飽和濃度の水の存在下では25℃のような
低温では水素の水への完全な酸化は起こらないことが分
かるであろうが、その場合には、水素の酸化用の触媒を
水除去の段階後、例えばCO2 吸着の直前又は直後に、
設けるのが好ましい。
【0023】上記のように、ガス流は、一酸化炭素とそ
して随意に水素もppbレベルまでなくした窒素の流れ
を製造するため酸素と窒素とに分離しようとする空気の
流れでよい。この運転の方法は、「前処理方式」と呼ば
れる。あるいはまた、それは空気分離装置で製造され次
いで精製にかけられる窒素の流れでもよい。これは「後
処理方式」と呼ばれる。
【0024】前処理方式は、低温(cryogeni
c)塔への原料空気をCO2 、H2 O、H2 及びCOの
ないものにするのを可能にする。このときこの蒸留塔は
高純度のN2 を製造することができる。
【0025】COの出発レベルは一般に、痕跡量(最高
で25ppmまで)に過ぎない。COの最終レベルは、
好ましくは5ppb以下、より好ましくは3ppb未
満、最も好ましくは1ppb以下である。
【0026】本発明による方法は、TSAもしくはPS
A又はそれらの変形により運転することができる。TS
Aでは、吸着剤の再生を圧力の低減とその後の高温ガス
での向流式のパージによって行う。PSAでは、一般に
吸着剤の再生を、圧力の低減とその後の周囲温度ガスで
の向流式のパージにより行う。
【0027】供給温度は上記のとおりでよく、例えば5
〜40℃でよく、供給圧力は0.2〜1.5MPa(2
〜15気圧)でよい。TSA系については、典型的な再
生温度は100〜400℃である。再生ガスはN2 、O
2 、Ar、He、空気及びそれらの混合物からなること
ができる。
【0028】典型的な好ましい態様では、装置への供給
原料は周囲空気であり、再生流は製品N2 かあるいはよ
り望ましくはN2 プラントからの廃棄流出物(60%O
2 /40%N2 )からなろう。
【0029】次に、添付の図面を参照して好ましい態様
を説明することにより本発明を更に説明する。
【0030】
【発明の実施の形態】図1に示すように、本発明により
使用するための装置は、主空気圧縮機12に通じるガス
流(この場合には空気)のための入口10を含む。主空
気圧縮機12で作られた圧縮空気は冷却器14に進み、
そこでこの空気中に存在する水の一部が凝縮分離してド
レイン弁16を通って出てゆく。
【0031】この冷却され部分的に乾燥した空気は、管
路17を通って、図示した事例ではTSAにより運転す
る装置の浄化部へと進む。とは言え、装置のこの部分は
PSAにより運転するように、あるいは当該技術で知ら
れているTSAとPSAの変形のうちのいずれかにより
運転するように設計することができることを理解すべき
である。
【0032】空気は、管路17から、管路17をそれぞ
れの吸着容器24、26につなげる弁20、22のある
入口マニホールド18へと受け入れられる。このマニホ
ールドは、弁20、22の下流に、容器24、26をガ
ス抜き廃棄管路34にそれぞれつなげることができる弁
30、32のあるブリッジ管路28を含む。
【0033】容器24、26の下流端は、それぞれの容
器を製品出口管路40につなぐ弁36、38を含む出口
マニホールドに接続される。このマニホールドは、弁3
6、38の上流に、それぞれの容器をパージガス供給管
路48につなぐことができる弁44、46のあるブリッ
ジ管路42を含み、このパージガス供給管路はパージガ
スの供給源から圧縮機50と加熱器52を通り、弁44
と46の間のブリッジ管路42につながる。パージガス
の供給は、好適には、図示された装置で精製され次いで
低温蒸留にかけられた空気から分離した窒素から得ても
よく、あるいはそのような蒸留にかける前の図示された
装置で精製された空気から得てもよい。
【0034】図1における容器24及び26のおのおの
の中には、図示された吸着剤の四つの層がある。図示さ
れた第一の層は酸化触媒24aと26aであり、好まし
くはアルミナに担持されたパラジウムである。最初から
存在する一酸化炭素がこの層で酸化される。第二及び第
三の層の物質は、それぞれ通常の、水用の吸着剤24b
及び26bと、二酸化炭素用の吸着剤24c及び26c
である。好適には、これらはそれぞれ、活性化されたア
ルミナ及びゼオライトである。とは言え、当該技術にお
いて知られているように水及び二酸化炭素除去用の任意
の好適な1又は2種以上の吸着剤を使用してよく、また
これらの2層を一緒にして吸着剤の単一の層にしてもよ
い。
【0035】第四の層24dと26dは、アルミナ上の
Pd又はアルミナ上のPtといったような、水を吸着す
る能力のある水素酸化触媒の層である。これらの吸着剤
の四つの層は全て、上記の如く定期的に再生される。
【0036】
【実施例】H2 OとCO2 の存在下でのCOの低温酸化
の実現可能性を証明する次の具体的な例を参照して、本
発明を更に説明及び例示することにする。
【0037】(例1)内径2.5cm(1インチ)及び
長さ103cm(6フィート)の実験室用反応器に、市
販の0.5%Pd/Al2 3 酸化触媒を詰めた。
【0038】25℃及び690kPa(ゲージ圧)(1
00psig)の湿った(飽和)空気を28スタンダー
ドリットル/分で供給した。この原料空気は10ppm
のCOを含有していた。CO除去能力は、COの133
Pa(1torr)当たり触媒1g当たりにつき0.1
6ミリモルのCOを除去するものであると測定され、水
の存在下に周囲温度でCOを酸化してCO2 にすること
ができることが証明された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の態様により使用するための装置
の模式図である。
【符号の説明】
12…主空気圧縮機 14…冷却器 24、26…吸着容器 24a、26a…酸化触媒層 24b、26b…水用吸着剤層 24c、26c…二酸化炭素用吸着剤層 24d、26d…水素酸化触媒層 50…パージガス圧縮機 52…パージガス加熱器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C01B 3/56 C01B 3/56 Z 3/58 3/58 C10K 1/32 C10K 1/32 (72)発明者 ティモシー クリストファー ゴールデン アメリカ合衆国,ペンシルバニア 18104, アレンタウン,ハンプシャー コート 4104 (72)発明者 アレクサンダー シュワルツ アメリカ合衆国,ペンシルバニア 18105, ベツレヘム,メイン ストリート 1949 (72)発明者 トーマス シャオ−リン シュン アメリカ合衆国,ペンシルバニア 18049, イーマウス,グレンウッド サークル 4727 (72)発明者 エリザベス スーザン スカウブ アメリカ合衆国,ペンシルバニア 18049 −1272,イーマウス,コモンウエルス ド ライブ 4621 (72)発明者 フレッド ウィリアム テイラー アメリカ合衆国,ペンシルバニア 18037, コプレイ,クリアービュー ロード 2713

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガス流から少なくとも水、二酸化炭素及
    び一酸化炭素を除去するための方法であり、一酸化炭素
    を酸化して二酸化炭素にし、そしてその後この生成され
    た二酸化炭素と、最初から存在する二酸化炭素と、そし
    て水とを吸着することを含む方法であって、ガス流を、
    一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にするための固体酸化
    触媒物質と接触させ、そしてその後且つ実質的に同じ温
    度で二酸化炭素と水の除去のための固体吸着剤と接触さ
    せることにより、上記の酸化と吸着を行う、水、二酸化
    炭素及び一酸化炭素の除去方法。
  2. 【請求項2】 前記酸化を行う温度が5〜40℃であ
    る、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記温度が20〜30℃である、請求項
    2記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記触媒物質が固体担体上に担持された
    貴金属である、請求項1から3までのいずれか一つに記
    載の方法。
  5. 【請求項5】 前記触媒物質がPd、Os、Ir、R
    h、Ru、Ag、Au、Re又はPtである、請求項1
    から4までのいずれか一つに記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記固体担体がアルミナ、シリカ、アル
    ミナと混合したシリカ、又はゼオライトである、請求項
    4記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記触媒物質がアルミナに担持されたパ
    ラジウムである、請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記触媒物質が、前記固体吸着剤をも収
    容している酸化/吸着容器に収容されている、請求項1
    から7までのいずれか一つに記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記ガス流が水素も含有しており、そし
    て当該水素を吸着により、又は触媒で水に酸化しそうし
    て生成した水を吸着することによりそれから除去する、
    請求項1から8までのいずれか一つに記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記水素の除去を、前記一酸化炭素と
    二酸化炭素と最初から存在する水の除去後に行う、請求
    項9記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記水素を固体触媒物質との接触によ
    り酸化し、そうして生成した水を当該物質により吸着す
    る、請求項9記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記固体触媒物質が固体担体に担持さ
    れた白金、パラジウム又はそれらの混合物である、請求
    項11記載の方法。
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