KR101190461B1 - Production of High Purity and Ultra-High Purity Gas - Google Patents

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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

지지된 금속 촉매(34)를 통해 공급 기류가 통과하기 전에 상기 공급 기류를 일산화 탄소 흡착제(33)로 통과시킴으로써 기체상 공급 기류로부터 미량의 일산화 탄소 및 선택적으로 수소를 제거한다. 본 발명은 기존의 방법들에 비해 상당한 자본과 작업 비용을 절약한다.Passing the feed stream through the carbon monoxide adsorbent 33 before passing it through the supported metal catalyst 34 removes traces of carbon monoxide and optionally hydrogen from the gas phase feed stream. The present invention saves significant capital and operating costs over existing methods.

흡착제, 일산화 탄소, 고순도, 공급 기류, 금속 촉매Adsorbent, Carbon Monoxide, High Purity, Feed Airflow, Metal Catalyst

Description

고순도 및 초-고순도 기체의 제조{Production of High Purity and Ultra-High Purity Gas}Production of High Purity and Ultra-High Purity Gases {Production of High Purity and Ultra-High Purity Gas}

우선권preference

본 출원은 2002년 5월 31일자 출원된 미국 특허 출원 제 60/384612 호 및 2002년 6월 3일자 출원된 일련 번호 60/385148 호의 우선권을 주장한다. 각 출원의 내용이 여기에 참고문헌으로 도입된다.This application claims the priority of US Patent Application No. 60/384612, filed May 31, 2002 and Serial No. 60/385148, filed June 3, 2002. The contents of each application are incorporated herein by reference.

본 발명은 공급 기류로부터 불순물을 제거하는 것, 더욱 특별하게는 공급 기류로부터 수소(H2) 및 일산화 탄소(CO)의 제거에 관한 것이다.The present invention relates to the removal of impurities from the feed stream, and more particularly to the removal of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) from the feed stream.

일산화 탄소(CO) 및 수소(H2)의 공기 중 전형적인 농도는 1 ppm CO 및 1 ppm H2 정도이지만, 각각 공기 중에 약 50 ppm 및 10 ppm 이하의 농도로 존재할 수 있다. 초-고순도(UHP) 질소(N2)를 제조하기 위해 사용되는 통상의 극저온 증류 공정은 수소를 제거하지 않고 단지 소량의 CO만을 제거한다. 다른 선택적인 수단에 의해 제거되지 않으면, 이들 분자는 생성물 질소를 공급 공기 중 그 농도의 약 2.5 배까지 이르는 농도에서 오염시킬 것이다. 전자 산업은 매우 높은 순도의 질소 생 성물(전형적으로 5 ppb 이하의 CO 및 5 ppb 이하의 H2 정도)을 요구하므로, CO 및 H2는 공급 공기로부터 제거되어야 한다.Typical concentrations of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) in the air are on the order of 1 ppm CO and 1 ppm H 2 , but may be present in the air at concentrations of about 50 ppm and 10 ppm or less, respectively. Conventional cryogenic distillation processes used to produce ultra-high purity (UHP) nitrogen (N 2 ) do not remove hydrogen but only a small amount of CO. Unless removed by other optional means, these molecules will contaminate the product nitrogen at concentrations up to about 2.5 times its concentration in the feed air. The electronics industry requires very high purity nitrogen products (typically less than 5 ppb CO and less than 5 ppb H 2 ), so CO and H 2 must be removed from the feed air.

공기는 또한 물(H2O), 이산화 탄소(CO2) 및 탄화수소와 같은 여타 요염물을 함유한다. 증류 분리 공정의 차가운 부분(열 교환기 및 분리 컬럼 따위)에서는, 물과 CO2가 고체화되어 열 교환기 또는 증류 컬럼의 다른 부분을 막히게 할 수 있다. The air also contains other contaminants such as water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ) and hydrocarbons. In cold parts of distillation separation processes (such as heat exchangers and separation columns), water and CO 2 may solidify and clog the heat exchanger or other parts of the distillation column.

공기 중 아세틸렌 및 기타 탄화수소 또한 그들이 액체 산소(O2)를 축적시켜 폭발 위험을 초래할 수 있기 때문에 잠재적인 문제점을 부여한다. 따라서 공기의 극저온 증류에 앞서 이러한 불순물을 제거하는 것이 바람직하다.Acetylene and other hydrocarbons in the air also pose a potential problem because they can accumulate liquid oxygen (O 2 ) and create an explosion hazard. It is therefore desirable to remove these impurities prior to cryogenic distillation of air.

공기의 예비정화는 하나의 흡착제 또는 복수의 흡착제를 수반하는 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption, PSA), 온도 변동 흡착(TSA) 또는 이들 둘의 조합(TSA/PSA)을 이용하여 수행될 수 있다. 2종 이상의 흡착제가 사용되는 경우, 상기 흡착제는 불연속 층으로, 혼합물, 복합재 또는 이들의 조합으로서 배열될 수 있다. H2O 및 CO2와 같은 불순물은 조합된 TSA/PSA 공정에서 1종 이상의 흡착제 층을 이용하여 공기로부터 통상적으로 제거된다. 활성화된 알루미나 또는 제올라이트의 첫번째 층은 물 제거를 위해 통상적으로 사용되고, 13X 분자체와 같은 제올라이트의 두번째 층은 CO2 제거를 위해 사용된다. 미국 특허 제 4,711,645 호와 같은 종래 기술은 공기로부터 CO2 및 수증기를 제거하기 위한 다양한 흡착제 및 방법의 사용을 가르쳐 준다. 상기 흡착제는 CO 및 H2의 제거를 위해서는 비효과적이므로, CO 및 H2가 증류 장치를 통과하게 허용한다.The prepurification of air can be performed using pressure swing adsorption (PSA), temperature swing adsorption (TSA) or a combination thereof (TSA / PSA) involving one adsorbent or a plurality of adsorbents. If two or more adsorbents are used, the adsorbents may be arranged in discrete layers, as mixtures, composites or combinations thereof. Impurities such as H 2 O and CO 2 are typically removed from air using one or more adsorbent layers in a combined TSA / PSA process. The first layer of activated alumina or zeolite is commonly used for water removal and the second layer of zeolite, such as 13X molecular sieve, is used for CO 2 removal. Prior art, such as US Pat. No. 4,711,645, teaches the use of various adsorbents and methods for removing CO 2 and water vapor from air. And the adsorbent is allowed to pass through because of ineffective, the CO and H 2 a distillation apparatus in order to remove the CO and H 2.

종래 기술에는 공기에서 CO 및/또는 H2를 제거하여 UHP 질소를 제조하기 위한 3 가지 주요한 전략이 있다: 예비정화기 흡착제의 상류에서의 제거, 산화 촉매를 이용하여 예비정화기 흡착제 내에서의 제거 및 극저온 공기 분리 후 질소 생성물로부터의 제거.There are three main strategies in the prior art for the removal of CO and / or H 2 from air to produce UHP nitrogen: removal upstream of the prepurifier adsorbent, removal in the prepurifier adsorbent using oxidation catalyst and cryogenic Removal from nitrogen product after air separation.

첫번째 접근에서, CO 및 H2는 예비정화기 베드의 상류에 있는 지지된 비활성 금속 또는 홉칼라이트(hopcalite) 촉매 상에서의 고온 촉매 산화에 의해 통상적으로 제거된다. CO 및 H2의 산화 생성물, 즉 CO2 및 H2O는 상기 예비정화기 베드에서 주위의 CO2 및 H2O와 함께 제거된다 (F.C. Venet 등, "Understand the Key Issues for High Purity Nitrogen Production," Chem. Eng. Prog., pp 78-85, Jan. 1993). 상기 접근은 공정 비용에 실질적으로 부가되는 상당한 전력 및 추가의 자본을 필요로 한다. In a first approach, CO and H 2 are typically removed by high temperature catalytic oxidation on a supported inert metal or hopcalite catalyst upstream of the prepurifier bed. Oxidation product of CO and H 2, i.e., CO 2 and H 2 O are removed with the periphery of the CO 2 and H 2 O in the prepurifier bed (FC Venet, etc., "Understand the Key Issues for High Purity Nitrogen Production," Chem. Eng. Prog., Pp 78-85, Jan. 1993). This approach requires significant power and additional capital that is substantially added to the cost of the process.

미국 특허 제 5,656,557 호는 CO, H2 및 탄화수소를 H2O 및 CO2로 변환시키기 위한 팔라듐(Pd) 및/또는 백금(Pt) 지지된 촉매를 함유하는 촉매 탑에 들어가기 전에 압축된 공기를 350℃로 더 가열하는 방법을 개시한다. 다음, H2O 및 CO2가 제거되는 예비정화기에 들어가기 전에 상기 처리된 공기를 5℃ 내지 10℃로 냉각시킨다. 상기 예비정화기로부터의 배출물 일부가 1 ppm 미만의 총 불순물을 함유하는 공기로서 사용될 수 있는 한편, 나머지 공기는 극저온으로 분리되어 N2 및 O2를 생성한다.U.S. Patent No. 5,656,557 discloses compressed air before entering a catalyst tower containing a palladium (Pd) and / or platinum (Pt) supported catalyst for converting CO, H 2 and hydrocarbons to H 2 O and CO 2 . A method of further heating to ° C is disclosed. The treated air is then cooled to 5 ° C. to 10 ° C. before entering the prepurifier where H 2 O and CO 2 are removed. Some of the emissions from the prepurifier may be used as air containing less than 1 ppm total impurities, while the remaining air is separated to cryogenic temperatures to produce N 2 and O 2 .

프랑스 특허 FR 2 739 304는 1) 압축기로부터 압축된 고온의 수증기를 CO 산화 촉매의 베드와 접촉시키고; 2) 수득되는 중간의 기류를 주위 온도까지 식히고; 3) 상기 CO 무함유 기류를 흡착제와 접촉시켜 CO2 및 H2O를 흡착시키고; 4) 수득되는 기류를 H2 트랩핑 흡착제와 접촉시키는 것을 수반하는, 공기로부터 CO 및 H2를 제거하는 방법을 기재한다. CO 촉매는 알루미나, 실리카 또는 제올라이트 상에 지지된 구리(Cu) 또는 Pt 족 금속일 수 있다. H2 트랩핑 흡착제는 알루미나, 실리카 또는 제올라이트 상에 지지된 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), Pd, 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 또는 Pt일 수 있다. French patent FR 2 739 304 1) contacts hot steam compressed from a compressor with a bed of CO oxidation catalyst; 2) cool the intermediate air stream obtained to ambient temperature; 3) adsorbing CO 2 and H 2 O by contacting the CO-free air stream with an adsorbent; 4) Describes a method for removing CO and H 2 from air, involving contacting the resulting air stream with a H 2 trapping adsorbent. The CO catalyst may be a copper (Cu) or group Pt metal supported on alumina, silica or zeolite. The H 2 trapping adsorbent may be osmium (Os), iridium (Ir), Pd, ruthenium (Ru), rhodium (Rh) or Pt supported on alumina, silica or zeolite.

미국 특허 제 6,074,621 호는 CO 산화 촉매 후의 냉각 단계를 제외하고는 FR 2 739 304와 유사한 방법을 기재하고 있다.US Pat. No. 6,074,621 describes a method similar to FR 2 739 304 except for the cooling step after the CO oxidation catalyst.

미국 특허 제 5,693,302 호는 TiO2에 의해 지지된 금과 Pd을 함유하는 입자 상으로 통과시킴으로써 복합 기체로부터 CO 및 H2를 제거하는 방법을 개시한다.US Pat. No. 5,693,302 discloses a process for removing CO and H 2 from composite gas by passing over particles containing gold and Pd supported by TiO 2 .

미국 특허 제 5,662,873 호는 알루미나, 실리카 또는 제올라이트 상에 지지된 Pt 족으로부터 적어도 1종의 원소 및 은으로 구성된 촉매를 사용하는 유사한 방법이 기재되어 있다.US Pat. No. 5,662,873 describes a similar process using a catalyst consisting of at least one element and silver from the Pt group supported on alumina, silica or zeolites.

종래 기술에서 사용된 두번째 기술은 공기로부터 CO 및 H2 제거를 위한 주위 온도 공정이다.The second technique used in the prior art is an ambient temperature process for CO and H 2 removal from air.

미국 특허 제 5,110,569 호는 1) 물을 제거하고, 2) CO를 CO2로, 그리고 선택적으로 H2를 H2O로 촉매 산화하고, 3) 산화 생성물을 제거함으로써 공기로부터 CO 및 선택적으로 수소를 제거하기 위한 방법을 개시한다. CO를 위한 산화 촉매는 홉칼라이트 또는 카룰라이트(Carulite) 같은 망간과 구리 산화물의 혼합물일 수 있다. 산화 니켈이 또한 효과적인 CO 촉매로 언급된다. H2를 위한 산화 촉매는 전형적으로 지지된 팔라듐이다.U.S. Patent 5,110,569 discloses CO and optionally hydrogen from air by 1) removing water, 2) catalytically oxidizing CO to CO 2 and optionally H 2 to H 2 O, and 3) removing the oxidation product. Disclosed is a method for removal. The oxidation catalyst for CO can be a mixture of manganese and copper oxides such as hopcalite or carulite. Nickel oxide is also referred to as an effective CO catalyst. The oxidation catalyst for H 2 is typically supported palladium.

미국 특허 제 5,238,670 호는 1) 공기로부터 그의 수분 함량이 150 ppm 미만이 될 때까지 물을 제거하고, 2) 제올라이트, 알루미나 또는 실리카 상에 이온-교환 또는 함침에 의해 침착된 Cu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir 및 Pt로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소를 함유하는 입자의 베드 상에서 CO 및 H2를 제거함으로써 0℃ 내지 50℃ 사이의 온도에서 공기로부터 CO 및/또는 H2를 제거하는 방법을 개시한다.U.S. Patent No. 5,238,670 discloses 1) water from air until its moisture content is less than 150 ppm, and 2) Cu, Ru, Rh, deposited by ion-exchange or impregnation on zeolite, alumina or silica; A method for removing CO and / or H 2 from air at a temperature between 0 ° C. and 50 ° C. by removing CO and H 2 on a bed of particles containing at least one metal element selected from Pd, Os, Ir and Pt. Initiate.

유럽 특허 출원 EP 0 454 531은 입자의 함침된 베드 이전에 H2O 및 CO2를 둘 다 제거하는 것을 제안하는 유사한 방법을 기재하고 있다. 미량의 H2O 및 CO2는 상기 함침된 입자 베드의 하류에서 제거된다.European patent application EP 0 454 531 describes a similar method which proposes to remove both H 2 O and CO 2 before the impregnated bed of particles. Trace amounts of H 2 O and CO 2 are removed downstream of the impregnated particle bed.

미국 특허 제 6,048,509 호는 1) 큰 세공 알루미나 상에 지지된 Pd 또는 Pt 및 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), Cu, 크롬(Cr), 주석(Sn), 납(Pb) 및 세륨(Ce)으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나로 구성된 CO 촉매와 기체를 접 촉시키고; 2) 상기 CO 무함유 기체를 물 제거를 위한 흡착제와 접촉시키고; 3) 수득되는 기체를 CO2 제거를 위한 CO2 흡착제와 접촉시키고, 선택적으로; 4) 상기 기체를 활성화된 알루미나 또는 제올라이트 상에 지지된 Pt 또는 Pd로 구성된 H2 촉매와 접촉시키는 단계에, H2O, CO2, CO 및 선택적으로 H2를 함유하는 공기를 통과시키는, 주위 온도에서 공기로부터 CO 및 H2를 제거하기 위한 방법을 개시한다. 수소 산화의 마지막 단계에서 형성된 물은 H2 촉매 지지체 상에 흡착되거나, H2 촉매와 물리적으로 혼합되거나 그 하류에 위치한 H2O 흡착제에 의해 제거된다.US Pat. No. 6,048,509 discloses 1) Pd or Pt and iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), Cu, chromium (Cr), tin (Sn) supported on large pore alumina. Contacting the gas with a CO catalyst composed of at least one selected from the group consisting of lead (Pb) and cerium (Ce); 2) contacting the CO-free gas with an adsorbent for water removal; 3) the gas that is obtained is brought into contact with the CO 2 sorbent for the removal of CO 2, optionally; 4) surrounding the gas, passing H 2 O, CO 2 , CO and optionally H 2 containing air, in contacting the gas with an H 2 catalyst consisting of Pt or Pd supported on activated alumina or zeolite Disclosed is a method for removing CO and H 2 from air at temperature. Water formed during the final stage of the hydrogen oxidation is either adsorbed on the catalyst support is H 2, H 2 mixed with the catalyst and is removed by a physical or H 2 O adsorbent located downstream thereof.

미국 특허 제 6,093,379 호는 수분 흡착제의 첫번째 층 및 주위 온도에서 작용하는 CO2 흡착제의 두번째 층을 갖는 예비정화기 베드가 촉매/흡착제의 세번째 층에 의해 확대되어 CO 및 H2를 둘 다 제거하는 방법을 기재하고 있다. 세번째 층은 주위 온도에서 실질적으로 H2O-무함유 및 CO2-무함유 공기에 노출된다. 이중(dual) 촉매/흡착제 층은 상기 예비정화기 베드의 가장 하류 말단에 있는 세번째 층 내에 위치한다. 이중 촉매/흡착제 층은 CO를 산화시키고, 생성되는 CO2를 흡착시키고, H2를 화학적으로 흡착시킨다. 상기 이중의 촉매/흡착제는 8 보다 큰 영점(zero point) 전하(ZPC)를 갖는 지지체 상의 Pd 같은 귀금속이다. U. S. Patent No. 6,093, 379 discloses a process in which a prepurifier bed having a first layer of moisture adsorbent and a second layer of CO 2 adsorbent acting at ambient temperature is enlarged by a third layer of catalyst / adsorbent to remove both CO and H 2 . It is described. The third layer is exposed to substantially H 2 O-free and CO 2 -free air at ambient temperature. The dual catalyst / adsorbent layer is located in the third layer at the most downstream end of the prepurifier bed. The dual catalyst / adsorbent layer oxidizes CO, adsorbs the resulting CO 2 , and chemically adsorbs H 2 . The dual catalyst / adsorbent is a precious metal such as Pd on a support having a zero point charge (ZPC) of greater than 8.

미국 특허 제 6,511,640 호는 예비정화기가 H2O 제거를 위한 공급 송입구에 서 흡착제로써 시작되는 일련의 층을 이루는 다양한 재료를 함유하도록 배열되어 있는 방법을 개시한다. 두번째 층인, CO를 CO2로 변환시키기 위한 산화 촉매에 이어 CO2 제거를 위한 흡착제가 뒤따른다. H2를 H2O로 변화시키기 위해 다음 층에 산화 촉매를 놓는 한편, 마지막 층은 H2O를 흡착시키기 위해 사용된다. 개시된 CO 촉매는 홉칼라이트인 한편, H2 촉매는 활성화된 알루미나 상에 지지된 Pd이다.U. S. Patent No. 6,511, 640 discloses a method in which the prepurifier is arranged to contain a series of layers that comprise a series of layers starting with the adsorbent at the feed inlet for H 2 O removal. The second layer, followed by an oxidation catalyst for converting CO into CO 2 , is followed by an adsorbent for CO 2 removal. An oxidation catalyst is placed in the next layer to change H 2 to H 2 O, while the last layer is used to adsorb H 2 O. The disclosed CO catalyst is hopcalite, while the H 2 catalyst is Pd supported on activated alumina.

종래 기술에서 UHP N2를 제조하기 위한 세번째 통상적인 방법은 H2, CO, O2 및 예비정화기 및 공기 분리 장치를 투과하는 기타 오염물을 제거하기 위해 극저온으로 분리된 N2 생성물을 처리하는 것이다.A third common method for producing UHP N 2 in the prior art is to treat the cryogenically separated N 2 product to remove H 2 , CO, O 2 and other contaminants that pass through the prepurifier and air separation unit.

미국 특허 제 4,579,723 호는 오염물을 CO2 및 H2O로 산화시키기 위해 Ni 또는 Cu 지지된 촉매 또는 게터(getter)를 사용하는 것을 개시하며, 이는 이어서 흡착제에서 제거된다.US 4,579,723 discloses the use of Ni or Cu supported catalysts or getters to oxidize contaminants to CO 2 and H 2 O, which are then removed from the adsorbent.

유럽 특허 EP 0 835 687은 고온의 N2 퍼지로 촉매 베드를 재생하는 것을 가르쳐준다.European patent EP 0 835 687 teaches the regeneration of the catalyst bed with a hot N 2 purge.

CO의 흡착은 종래 기술에서 주로 대량의 분리에서 CO를 회수하기 위해, 예를 들면 CO의 농도(분압)가 비교적 높고 (전형적으로 = 1%) CO가 기체 혼합물 중 더 강하게 흡착된 성분인 경우에, 응용되어 왔다. 제올라이트 중의 양이온 형태이거나 다공성 지지체 상에 분산된 제1구리 화합물이 CO 및 N2, 메탄(CH4), H2 및/또는 CO2를 함유하는 기체 혼합물로부터 CO의 회수에 널리 적용되어 왔다. 하나의 산화 상태(Cu+, Cu(I) 또는 제1구리로 나타냄)인 구리를 함유하는 물질은 높은 CO 흡착 성능을 나타내는 한편, Cu(II)를 함유하는 흡착제는 그렇지 못하다. 흡착제는 Cu(II) 화합물로 통상적으로 합성, 처리 또는 개질된 다음, 이어서 상승된 온도에서 H2 같은 환원제에 노출되어 Cu(II)를 Cu(I)로 변환된다.Adsorption of CO is known in the prior art mainly to recover CO in large quantities of separation, for example when the concentration (partial pressure) of CO is relatively high (typically = 1%) and CO is a more strongly adsorbed component in the gas mixture. Has been applied. Cuprous compounds in the cation form in zeolites or dispersed on a porous support have been widely applied for the recovery of CO from gas mixtures containing CO and N 2 , methane (CH 4 ), H 2 and / or CO 2 . Materials containing copper in one oxidation state (represented by Cu + , Cu (I) or cuprous) exhibit high CO adsorption performance, while adsorbents containing Cu (II) are not. Adsorbents are typically synthesized, treated or modified with Cu (II) compounds, and then exposed to reducing agents such as H 2 at elevated temperatures to convert Cu (II) to Cu (I).

자이(Xie) 등("Highly Efficient Adsorbent for Separation of Carbon Monoxide," Fundamentals of Adsorption, Proc. IVth Int. Conf. On Fundamentals of Adsorption, Kyoto, May 17-22, 1992, pp. 737-741)은 CuCl 건조 분말을 상승된 온도에서 혼합하여 제올라이트 지지체 상에 분산시킴으로써 형성된 흡착제를 기재하고 있다. 9.0% CO/91% N2 및 30.7% CO/65.3% H2/4% CH4를 함유하는 공급 기류에 대하여 높은 회수율로 분리된 고순도 CO가 나타나 있다.Xie et al. ("Highly Efficient Adsorbent for Separation of Carbon Monoxide," Fundamentals of Adsorption, Proc. IV th Int. Conf. On Fundamentals of Adsorption, Kyoto, May 17-22, 1992, pp. 737-741) An adsorbent formed by mixing CuCl dry powder at elevated temperature and dispersing on a zeolite support is described. High-purity CO separated with high recovery is shown for feed streams containing 9.0% CO / 91% N 2 and 30.7% CO / 65.3% H 2 /4% CH 4 .

미국 특허 제 4,917,711 호는 지지된 CuCl을 사용하는 흡착제 및 방법을 개시한다. 미국 특허 제 5,531,809 호는 수증기-메탄 개질 장치를 나오는 합성 기체로부터 CO를 회수하기 위해 알루미나 상에 분산된 CuCl을 사용하는 VSA 공정을 개시하고 있다.US Pat. No. 4,917,711 discloses adsorbents and methods using supported CuCl. U. S. Patent No. 5,531, 809 discloses a VSA process using CuCl dispersed on alumina to recover CO from the synthesis gas leaving the steam-methane reforming unit.

G.K. 피어스("The Industrial Practice of Adsorption," in: Separation of Gases, 5th BOC Priestley Conf., Birmingham, UK Sept. 19-21, 1989, Spec. Publ. No.80, Royal Soc. of Chemistry, Cambridge, 1990)는 백분율(%) 수준의 CO를 함유 하는 CO/N2 및 CO/H2 공급 기류로부터 CO를 회수하기 위해 Cu(I)Y 제올라이트의 사용을 기재하고 있다.GK Pierce ("The Industrial Practice of Adsorption," in: Separation of Gases, 5 th BOC Priestley Conf., Birmingham, UK Sept. 19-21, 1989, Spec. Publ. No. 80, Royal Soc. Of Chemistry, Cambridge , 1990) describe the use of Cu (I) Y zeolites to recover CO from CO / N 2 and CO / H 2 feed streams containing percent levels of CO.

미국 특허 제 4,473,276 호는 CO의 회수를 위해 실리카 대 알루미나 비 (SiO2/Al2O3) = 10인 여타의 교환된 제올라이트와 함께 Cu(I)Y 및 Cu-모르데나이트(Mordenite)를 개시하고 있다.U.S. Patent 4,473,276 discloses Cu (I) Y and Cu-Mordenite with other exchanged zeolites with silica to alumina ratio (SiO 2 / Al 2 O 3 ) = 10 for the recovery of CO. Doing.

미국 특허 제 4,019,879 호는 20 = SiO2/Al2O3 = 200을 갖는, 예를 들면 ZSM-5, -8, -11 등의 Cu+ 함유 제올라이트를 사용하여 H2O 및/또는 CO2를 함유하는 기류로부터 CO의 회수를 개시한다.U.S. Pat. No. 4,019,879 discloses H 2 O and / or CO 2 using Cu + containing zeolites having 20 = SiO 2 / Al 2 O 3 = 200, for example ZSM-5, -8, -11, etc. Recovery of CO is started from the air stream it contains.

CO 흡착에 대한 가능성을 갖는 흡착제의 또다른 부류는 은(Ag+)을 함유하는 물질이다. Y. 후앙(Huang)("Adsorption in AgX and AgY Zeolites by Carbon Monoxide and Other Simple Molecules," J. Catal., 32, pp. 482-491, 1974)은 가장 낮은 온도(0℃ 및 25℃) 등온선의 경우 0.1 내지 1.0 토르만큼이나 낮은 분압으로 AgX 및 AgY 제올라이트에 대한 CO 및 N2 등온선을 제공한다. CO에 대한 흡착 용량은 25℃ 및 100 토르에서 N2의 것보다 상당히 크다.Another class of adsorbents with the potential for CO adsorption is materials containing silver (Ag + ). Y. Huang ("Adsorption in AgX and AgY Zeolites by Carbon Monoxide and Other Simple Molecules," J. Catal., 32, pp. 482-491, 1974) is the lowest temperature (0 ° C and 25 ° C) isotherms For CO and N 2 isotherms for AgX and AgY zeolites at partial pressures as low as 0.1 to 1.0 Torr. The adsorption capacity for CO is significantly greater than that of N 2 at 25 ° C. and 100 Torr.

미국 특허 제 4,743,276 호는 정제 및 석유-화학적 배기-기체로부터 CO의 대량 분리(회수)를 위해 다양한 양의 Ag로 교환된 모르데나이트, A, Y 및 X 형 제올라이트를 개시한다. US Pat. No. 4,743,276 discloses mordenite, A, Y and X type zeolites exchanged with varying amounts of Ag for mass separation (recovery) of CO from purification and petroleum-chemical exhaust-gases.                 

미국 특허 제 4,019,880 호는 20 = SiO2/Al2O3 = 200을 갖는, 예를 들면 ZSM-5, -8, -11 등의 Ag 교환된 제올라이트를 사용하여 H2O 및/또는 CO2를 또한 함유하는 기류로부터 CO를 회수하는 것에 관한 것이다. 이 발명은 0℃ 내지 300℃의 온도에서 적어도 10 ppm의 CO를 함유하는 공급 기류에 적용된다. 청구된 공정은 CO-제거된 배출물, 예를 들면 공기의 결과를 가져온다. US Pat. No. 4,019,880 discloses H 2 O and / or CO 2 using Ag exchanged zeolites having 20 = SiO 2 / Al 2 O 3 = 200, for example ZSM-5, -8, -11 and the like. It also relates to recovering CO from the air stream it contains. This invention applies to feed streams containing at least 10 ppm of CO at temperatures between 0 ° C and 300 ° C. The claimed process results in CO-depleted emissions, for example air.

미국 특허 제 4,944,273 호는 1 = Si/Al = 100 이며, 특히 자동차 배기 기체 중 NOx 및 CO 센서의 부분으로서 질소 산화물(NOx) 및 CO의 흡착을 위해 Ca, Co, Ni, Fe, Cu, Ag, Pt 또는 Ru로 도핑된 제올라이트를 개시하고 있다.U.S. Patent No. 4,944,273 discloses 1 = Si / Al = 100, especially for adsorption of nitrogen oxides (NO x ) and CO as part of the NO x and CO sensors in automotive exhaust gases. Zeolites doped with Ag, Pt or Ru are disclosed.

미국 특허 제 3,789,106 호는 구리가 부과된 모르데나이트가 3 mmHg 미만의 CO 분압에서 H2로부터 CO를 제거하는 데 효과적임을 개시한다. 이러한 효과는 흡착제를 100 ppm 이상의 CO 농도에 적용하고, 포화시에 용량을 측정함으로써 측정되었다.U.S. Patent No. 3,789,106 discloses that mordenite impregnated with copper is effective at removing CO from H 2 at a CO partial pressure of less than 3 mmHg. This effect was measured by applying the adsorbent to a CO concentration of at least 100 ppm and measuring the capacity at saturation.

CO의 흡착에 관한 상기 종래 기술은 혼합된 기류, 특히 O2 및 N2 중 10 ppm 미만의 CO를 함유하는 것들의 정제에 관해서는 언급이 거의 전무하다.The above prior art regarding the adsorption of CO is rarely mentioned with respect to the purification of mixed air streams, especially those containing less than 10 ppm of CO in O 2 and N 2 .

본 발명의 목적Object of the Invention

따라서 본 발명의 목적은 공급 기류, 바람직하게는 공기로부터 미량의 CO 및 H2, H2O, CO2, 탄화수소 및 N2O 중 적어도 하나를 제거하기 위한 개량된 방법을 제공하는 것이다. It is therefore an object of the present invention to provide an improved process for removing trace amounts of CO and H 2 , H 2 O, CO 2 , hydrocarbons and N 2 O from a feed stream, preferably air.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 흡착 분리 및 촉매 변환의 조합을 이용하여 공기 및/또는 여타의 기체들 또는 기체 혼합물로부터 CO 및 선택적으로 H2를 제거하는 것에 관한 것이며, 기존의 기술에 비하여 자본 및 전력 비용에서 예기치 못한 절약을 제공한다. The present invention relates to the removal of CO and optionally H 2 from air and / or other gases or gas mixtures using a combination of adsorptive separation and catalytic conversion, which is unexpected in capital and power costs compared to conventional techniques. Provide savings.

하나의 바람직한 구현예에서는, CO2 및 H2O 각각의 적어도 90%를 공급 기체(바람직하게는 공기)로부터 먼저 제거하여 CO2 및 H2O 제거된 기체를 제조한다. 특히 바람직한 구현예에서, 상기 CO2 및 H2O 제거된 기체는 1.0 ppm 미만(더욱 바람직하게는 0.25 ppm 미만)의 CO2 및 1.0 ppm 미만(더욱 바람직하게는 0.10 ppm 미만)의 H20를 함유한다. 다음, CO 흡착제의 사용을 통하여 실질적인 양의 CO를 상기 CO2 및 H2O 제거된 기체로부터 제거함으로써, 바람직한 구현예에서는 100 ppb 미만의 CO, 더욱 바람직한 구현예에서는 5 ppb 미만의 CO를 함유하는 CO 제거된 기체를 제조한다. 선택적으로, H2 및 임의의 남아있는 CO는 촉매를 이용하여 그 후 제거될 수 있다. 촉매와 흡착의 이러한 독특한 조합 때문에, 본 발명의 방법은 종래 기술의 방법에 비하여 놀랍게도 우수한 CO 및 H2 제거 효율을 제공한다.In one preferred embodiment, at least 90% of each of CO 2 and H 2 O is first removed from the feed gas (preferably air) to produce a CO 2 and H 2 O removed gas. In a particularly preferred embodiment, the CO 2 and H 2 O removed gas contains less than 1.0 ppm (more preferably less than 0.25 ppm) of CO 2 and less than 1.0 ppm (more preferably less than 0.10 ppm) of H 2 0. It contains. Subsequently, a substantial amount of CO is removed from the CO 2 and H 2 O stripped gas through the use of a CO adsorbent to contain less than 100 ppb of CO in preferred embodiments and less than 5 ppb of CO in more preferred embodiments. Prepare a CO-degassed gas. Optionally, H 2 and any remaining CO can then be removed using a catalyst. Because of this unique combination of catalyst and adsorption, the process of the present invention provides surprisingly superior CO and H 2 removal efficiencies compared to the prior art processes.

본 발명의 실시를 위해 바람직한 장치는 50 ppm 미만의 양으로 CO를 함유하는 공급 기류로부터 CO를 제거하기 위한 흡착 장치를 포함한다. 그 장치는 CO 흡착 층을 함유하는 적어도 하나의 흡착 용기, 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제를 포함하고, 여기에서Preferred apparatus for the practice of the present invention includes an adsorption apparatus for removing CO from a feed stream containing CO in an amount of less than 50 ppm. The apparatus comprises at least one adsorption vessel containing a CO adsorption layer, a CO adsorbent having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g, wherein

a) 공급 기류가 질소, He, Ne, Ar, Xe, Kr, CH4 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유할 경우에, 상기 흡착제는 IB 족 원소로 이온교환되고, 바람직하게는 AgX 제올라이트, Ag-모르데나이트, Cu-클리놉틸로라이트, AgA 제올라이트 및 AgY 제올라이트로 구성되는 군에서 선택되며;a) when the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of nitrogen, He, Ne, Ar, Xe, Kr, CH 4 and mixtures thereof, the adsorbent is ion exchanged with a Group IB element And is preferably selected from the group consisting of AgX zeolite, Ag-mordenite, Cu-clinoptilolite, AgA zeolite and AgY zeolite;

b) 공급 기류가 산소, 공기 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유할 경우에, 상기 장치는 바람직하게는 공기 예비정화기이고, 상기 흡착제는 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비를 갖는 제올라이트이며, Ag+ 또는 Au+로 이온-교환되고, AgX 제올라이트, Ag-모르데나이트, AgA 제올라이트 및 AgY 제올라이트로 구성되는 군에서 바람직하게 선택된다.b) if the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of oxygen, air and mixtures thereof, the apparatus is preferably an air prepurifier and the adsorbent is less than 20 SiO 2 / It is a zeolite having an Al 2 O 3 molar ratio and is ion-exchanged with Ag + or Au + and is preferably selected from the group consisting of AgX zeolite, Ag-mordenite, AgA zeolite and AgY zeolite.

또다른 구현예에서, 상기 장치는 수직 유동 용기, 수평 유동 용기, 측면 유동 용기 또는 방사형 유동 용기로 구성되는 군에서 선택된 2 개 이상의 흡착 용기를 포함한다.In another embodiment, the apparatus comprises two or more adsorption vessels selected from the group consisting of vertical flow vessels, horizontal flow vessels, side flow vessels or radial flow vessels.

또다른 구현예에서, 상기 흡착 장치는 상기 CO 흡착제 층의 상류에서 물의 흡착에 대하여 선택적인 흡착제, 바람직하게는 1종 이상의 알루미나 또는 NaX 제올라이트를 더 함유한다.In another embodiment, the adsorption device further contains an adsorbent, preferably at least one alumina or NaX zeolite, which is selective for adsorption of water upstream of the CO adsorbent bed.

또다른 구현예에서, 상기 장치는 상기 CO 흡착제 층의 하류에서 H2의 H2O로의 촉매 산화를 위한 촉매 층, 바람직하게는 알루미나, 실리카, 천연 또는 합성 제올라이트, 이산화 티탄, 산화 마그네슘 및 산화 칼슘으로 구성되는 군에서 선택된 기질 상에 지지된 1종 이상의 금속 Os, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Sn, Mn, Cr, Pb, Ce을 포함하는 금속 지지된 촉매를 더 함유한다.In another embodiment, the apparatus is a catalyst layer, preferably alumina, silica, natural or synthetic zeolite, titanium dioxide, magnesium, and calcium oxide for the catalytic oxidation to H 2 O in the H 2 at the downstream of the CO adsorbent layer At least one metal supported on a substrate selected from the group consisting of Os, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Sn, Mn, Cr, Pb, Ce It further contains a metal supported catalyst comprising a.

또다른 구현예에서, 상기 장치는 상기 촉매 층의 하류에서 물의 제거를 위해 보조 흡착제, 바람직하게는 1종 이상의 알루미나 또는 NaX를 더 함유한다.In another embodiment, the apparatus further contains an auxiliary adsorbent, preferably at least one alumina or NaX for removal of water downstream of the catalyst bed.

또다른 구현예에서, 상기 ΔCO 작업 용량은 0.03 mmol/g 이상이다.In another embodiment, the ΔCO working capacity is at least 0.03 mmol / g.

또다른 구현예에서, 상기 장치는 H2, CO2, N2O 및 탄화수소 중 1종 이상의 흡착을 위해 1종 이상의 추가 흡착제를 더 함유하는데, 여기에서 상기 추가의 흡착제는 알루미나, 실리카겔, 클리놉틸로라이트, 제올라이트, 이들의 복합재 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 바람직하게 선택되며, 촉매 층의 하류에 위치한다.In another embodiment, the device further contains at least one additional adsorbent for adsorption of at least one of H 2 , CO 2 , N 2 O and hydrocarbons, wherein the additional adsorbent is alumina, silica gel, clinoptil It is preferably selected from the group consisting of olites, zeolites, composites thereof and mixtures thereof, and located downstream of the catalyst bed.

또다른 구현예에서, 상기 CO 흡착제는 1 x 10-3 이상의 ΔCO/ΔN2 분리 역가를 갖는다.In another embodiment, the CO adsorbent has a ΔCO / ΔN 2 separation titer of at least 1 × 10 −3 .

또다른 구현예에서, 상기 CO 흡착제는 그 양이온의 50% 이상, 바람직하게는 100%가 Ag와 결합되어 있는 AgX이다.In another embodiment, the CO adsorbent is AgX with at least 50%, preferably 100%, of its cations bound to Ag.

본 발명의 실시를 위해 바람직한 방법은 50 ppm 미만, 또는 심지어는 1.0 ppm 또는 0.5 ppm 미만의 양으로 CO를 함유하는 공급 기류로부터 CO를 제거하기 위한 제거 방법을 포함한다. 바람직하게는 공기 예비정화 공정인 상기 방법은 공급 기류를 0.01 mmol/g 이상, 바람직하게는 0.03 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제와 접촉시켜 회수될 수 있는 CO 제거된 기류를 제조하는 것을 포함하며; 여기에서 Preferred methods for the practice of the present invention include a removal method for removing CO from a feed air stream containing CO in an amount of less than 50 ppm, or even less than 1.0 ppm or 0.5 ppm. The process, which is preferably an air prepurification process, involves contacting the feed stream with a CO adsorbent having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g, preferably at least 0.03 mmol / g, to produce a CO-removed air stream that can be recovered. Includes; From here                 

a) 상기 공급 기류가 질소, He, Ne, Ar, Xe, Kr, H2, CH4 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유할 경우에, 상기 흡착제는 IB 족 원소로 이온교환된 제올라이트이고, 바람직하게는 AgX 제올라이트, Ag-모르데나이트, Cu-클리놉틸로라이트, AgA 제올라이트 및 AgY 제올라이트로 구성되는 군에서 선택되며;a) when the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of nitrogen, He, Ne, Ar, Xe, Kr, H 2 , CH 4 and mixtures thereof, the adsorbent is group IB Zeolites ion-exchanged with an element and are preferably selected from the group consisting of AgX zeolite, Ag-mordenite, Cu-clinoptilolite, AgA zeolite and AgY zeolite;

b) 상기 공급 기류가 산소, 공기 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유할 경우에, 상기 흡착제는 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비를 갖는 제올라이트이며, Ag+ 또는 Au+로 이온-교환되고, AgX 제올라이트, Ag-모르데나이트, AgA 제올라이트 및 AgY 제올라이트로 구성되는 군에서 바람직하게 선택된다.b) when the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of oxygen, air and mixtures thereof, the adsorbent is a zeolite having a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of less than 20, Ion-exchanged with Ag + or Au + and is preferably selected from the group consisting of AgX zeolite, Ag-mordenite, AgA zeolite and AgY zeolite.

또다른 구현예에서, 본 방법은 CO 제거된 기류를 회수하는 것을 포함하며, 여기에서 CO는 100 ppb 미만, 바람직하게는 5 ppb 미만, 가장 바람직하게는 1 ppb 미만의 농도로 상기 CO 제거된 기류 중에 존재한다.In another embodiment, the method includes recovering the CO-depleted air stream, wherein CO is CO-depleted air stream at a concentration of less than 100 ppb, preferably less than 5 ppb, most preferably less than 1 ppb. Exists in

또다른 구현예에서, 상기 공급 기체는 물(H2O)을 더 포함하며, 상기 방법은 상기 공급 기류를, 상기 CO 흡착제의 상류에 위치하는 수분 선택적 흡착제, 바람직하게는 알루미나 또는 NaX와 접촉시키는 것을 더 포함한다.In another embodiment, the feed gas further comprises water (H 2 O) and the method comprises contacting the feed air stream with a moisture selective adsorbent, preferably alumina or NaX, located upstream of the CO adsorbent. It includes more.

또다른 구현예에서, 상기 공급 기체는 수소를 더 포함하며, 상기 방법은 H2를 H2O로 촉매 산화시켜 H2가 제거되고 H2O가 풍부하게 된 기체를 제조하기 위해 상 기 CO 제거된 공급 기류를, 바람직하게는 알루미나, 실리카, 천연 또는 합성 제올라이트, 이산화 티탄, 산화 마그네슘 및 산화 칼슘으로 구성되는 군에서 선택된 기질 상에 지지된 1종 이상의 금속 Os, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Sn, Mn, Cr, Pb, Ce를 포함하는 금속 지지된 촉매인 촉매 층과 접촉시키는 것을 더 포함한다. 상기 수소 제거된 기체는 바람직하게는 100 ppb 미만의 수소, 더욱 바람직하게는 5 ppb 미만의 수소를 함유한다.In yet another embodiment, the feed gas further comprises hydrogen, the method comprising: removing a group CO to oxidation catalyst the H 2 to H 2 O H 2 is removed, producing a the H 2 O is rich gas The at least one metal Os, Ir, Pt, Ru, Rh, supported on a substrate selected from the group consisting of alumina, silica, natural or synthetic zeolites, titanium dioxide, magnesium oxide and calcium oxide, Contacting with a catalyst layer, which is a metal supported catalyst comprising Pd, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Sn, Mn, Cr, Pb, Ce. The degassed gas preferably contains less than 100 ppb hydrogen, more preferably less than 5 ppb hydrogen.

또다른 구현예에서, 상기 방법은 촉매 제조된 H2O가 풍부하게 된 기체를 상기 촉매 층의 하류에 위치한 수분 제거용 흡착제(바람직하게는 알루미나 또는 NaX)와 접촉시켜 CO, H2 및 H2O가 제거된 기체를 제조하는 단계를 더 포함한다.In another embodiment, the process comprises contacting a catalyst prepared H 2 O-enriched gas with a water removal adsorbent (preferably alumina or NaX) located downstream of the catalyst bed to produce CO, H 2 and H 2. The method further includes preparing a gas from which O has been removed.

또다른 구현예에서, 상기 CO 흡착제는 1 x 10-3 이상, 바람직하게는 1 x 10-2 이상인 ΔCO/ΔN2 분리 역가를 갖는다.In another embodiment, the CO adsorbent has a ΔCO / ΔN 2 separation titer of at least 1 × 10 −3 , preferably at least 1 × 10 −2 .

또다른 구현예에서, 상기 방법은 상기 공급 기체를In another embodiment, the method comprises

a) H2O 및 CO2의 적어도 하나의 흡착을 위해 상기 CO 흡착제의 상류에 있는 적어도 하나의 흡착제 층;a) at least one adsorbent layer upstream of the CO adsorbent for at least one adsorption of H 2 O and CO 2 ;

b) 상기 CO 흡착제 층의 하류에 있는 H2의 H2O로의 촉매 변환을 위한 촉매 층; 및b) the catalyst bed for catalytic conversion of H 2 O of H 2 in the downstream of the CO adsorbent layer; And

c) 상기 촉매 층의 하류에 있는, H2O, CO2, N2O 및 탄화수소 중 1종 이상의 흡착을 위해 알루미나, 실리카 겔, 클리놉틸로라이트, 제올라이트, 이들의 복합재 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 바람직하게 선택된 1종 이상의 추가 흡착제로 통과시키는 것을 더 포함한다.c) consisting of alumina, silica gel, clinoptilolite, zeolites, composites thereof and mixtures thereof for adsorption of at least one of H 2 O, CO 2 , N 2 O and hydrocarbons downstream of the catalyst bed It further comprises passing through at least one further adsorbent preferably selected from the group.

다른 선택적인 구현예에서, 상기 방법은 압력 변동 흡착, 온도 변동 흡착 또는 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되며, 상기 방법은 수직 유동 용기, 수평 유동 용기 또는 방사형 유동 용기에서 선택된 흡착제 용기에서 일어난다.In another alternative embodiment, the method is selected from the group consisting of pressure swing adsorption, temperature swing adsorption, or a combination thereof, wherein the method occurs in an adsorbent vessel selected from a vertical flow vessel, a horizontal flow vessel, or a radial flow vessel.

바람직한 구현예에서, 상기 방법의 흡착 단계는 0 내지 50℃의 온도에서 수행된다.In a preferred embodiment, the adsorption step of the process is carried out at a temperature of 0 to 50 ° C.

바람직한 방법에서, 상기 CO 흡착제는 그 양이온의 50% 이상, 더욱 바람직하게는 100%가 Ag와 결합된 AgX이다.In a preferred method, the CO adsorbent is AgX with at least 50%, more preferably 100% of its cations bound to Ag.

바람직한 구현예에서, 공급 기류는 공기를 함유하고, 상기 CO 제거된 기류는 극저온 증류 컬럼으로 보내진다.In a preferred embodiment, the feed stream contains air and the CO-removed stream is sent to the cryogenic distillation column.

다른 선택적인 구현예에서, 상기 공급 기류의 CO 분압은 0.1 mmHg 미만, 또는 심지어는 0.005 mmHg 미만이다.In another alternative embodiment, the CO partial pressure of the feed stream is less than 0.1 mmHg, or even less than 0.005 mmHg.

또다른 선택의 구현예는 50 ppm 보다 적은 양의 CO, 및 수소를 함유하는 공급 기류로부터 CO를 제거하기 위한 제거방법에 관한 것으로, 상기 방법은 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제와 공급 기류를 접촉시켜 CO 제거된 기류를 제조하는 것을 포함하며; 여기에서 흡착제는 IB 족 원소와 교환된 제올라이트이다.Another alternative embodiment relates to a removal method for removing CO from a feed stream containing less than 50 ppm of CO and hydrogen, the method comprising a CO adsorbent having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g. Contacting the feed air stream to produce a CO-depleted air stream; The adsorbent here is a zeolite exchanged with a Group IB element.

바람직한 구현예에서, 본 발명은 50 ppm 보다 적은 양의 CO, 및 수소를 함유하는 공급 기류로부터 CO를 제거하기 위한 흡착 장치를 포함하며, 상기 장치는 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제 층을 함유하는 적어도 하나의 흡착 용기를 포함하고; 상기 흡착제는 IB 족 원소와 교환된 제올라이트이다.In a preferred embodiment, the present invention comprises an adsorption apparatus for removing CO from a feed stream containing less than 50 ppm of CO and hydrogen, the apparatus comprising a CO adsorbent having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g. At least one adsorption vessel containing the bed; The adsorbent is a zeolite exchanged with an IB group element.

특히 바람직한 구현예에서, 본 발명은 50 ppm 미만의 양으로 CO를 함유하는 공기 공급 기류로부터 CO를 제거하기 위한 공기 예비정화 흡착 장치를 포함하며, 그 장치는 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제 층을 함유하는 적어도 하나의 흡착 용기를 포함하고; 상기 흡착제는 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비를 가지며 Ag+ 또는 Au+로 이온-교환된 제올라이트(바람직하게는 AgX)이다.In a particularly preferred embodiment, the invention comprises an air prepurification adsorption apparatus for removing CO from an air supply air stream containing CO in an amount of less than 50 ppm, the apparatus having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g. At least one adsorption vessel containing a CO adsorbent layer; The adsorbent is a zeolite (preferably AgX) which is ion-exchanged with Ag + or Au + with a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of less than 20.

바람직한 구현예에서, 공기 예비정화 장치는 H2O 및 CO2 중 적어도 하나를 흡착하기 위해 상기 CO 흡착제의 상류에 적어도 하나의 흡착제 층을 더 포함한다.In a preferred embodiment, the air prepurification apparatus further comprises at least one adsorbent layer upstream of the CO adsorbent for adsorbing at least one of H 2 O and CO 2 .

바람직한 구현예에서, 예비정화 장치는 CO 흡착제 층의 하류에 있는 H2를 H2O로 촉매 변환시키기 위한 촉매 층; 및 H2O, CO2, N2O 및 탄화수소 중 적어도 하나의 흡착을 위한 하나 이상의 추가 흡착제를 더 포함하며, 여기에서 상기 추가의 흡착제는 상기 촉매 층의 하류에 있다.In a preferred embodiment, pre-treating the catalyst layer is a catalyst for converting H 2 in the downstream of the CO adsorbent layer in H 2 O; And one or more additional adsorbents for adsorption of at least one of H 2 O, CO 2 , N 2 O and hydrocarbons, wherein the additional adsorbent is downstream of the catalyst bed.

또다른 구현예에서, 본 발명은 50 ppm 보다 적은 양의 CO 및 공기를 함유하는 공급 기류로부터 CO를 제거하기 위한 방법을 포함하며, 상기 방법은 상기 공급 기류를 흡착제 용기 중에서 0.01 mmol/g 이상의 작업 용량을 갖는 CO 흡착제와 접촉시켜 CO 제거된 기류를 제조하는 것을 포함하며, 여기에서 상기 흡착제는 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비를 가지며 Ag+ 또는 Au+로 이온-교환된 제올라이트, 바람직하게는 AgX이다. 상기 방법은 a) H2O 및 CO2 중 하나 이상을 흡착하기 위해 상기 CO 흡착제의 상류에 놓인 적어도 하나의 흡착제 층 위에 공급 기류를 통과시켜 H2O 및 또는 CO2 제거된 공급 기류를 제조하고, b) H2를 H2O 층으로 촉매 변환시키기 위해 상기 CO 흡착제 층의 하류에 있는 촉매 층 및 H2O, CO2, N2O 및 탄화수소 중 1종 이상의 흡착을 위한 1종 이상의 추가 흡착제 위에 상기 공급 기류를 통과시키는 것을 더 포함할 수 있는데, 여기에서, 상기 추가의 흡착제는 CO, H2, 및 H2O, CO2, N2O 및 탄화수소의 1종 이상이 제거된 공급 기류를 제조하기 위해 상기 촉매 층의 하류에 있고, 선택적으로 상기 제거된 공급 기류는 공기의 분리를 위한 극저온의 증류 컬럼으로 보내진다.In another embodiment, the present invention includes a method for removing CO from a feed air stream containing less than 50 ppm of CO and air, wherein the process is performed at least 0.01 mmol / g in an adsorbent vessel. Contacting a CO adsorbent with a capacity to produce a CO-removed air stream, wherein the adsorbent has a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of less than 20 and is ion-exchanged with Ag + or Au + , preferably It is AgX. The method comprising a) in order to adsorb at least one of H 2 O and CO 2 produced at least one of the supply air stream by passing the supply air stream H 2 O and or CO 2 removal on the adsorbent layer is placed upstream of the CO adsorbents and b) one or more additional adsorbents for the adsorption of one or more of H 2 O, CO 2 , N 2 O and hydrocarbons and a catalyst layer downstream of the CO adsorbent layer for catalytic conversion of H 2 to an H 2 O layer And further passing the feed stream above, wherein the additional adsorbent comprises a feed stream from which one or more of CO, H 2 , and H 2 O, CO 2 , N 2 O, and hydrocarbons have been removed. Downstream of the catalyst bed for production, optionally the removed feed air stream is sent to a cryogenic distillation column for separation of air.

상기 구현예 중 임의의 조합은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.Combinations of any of the above embodiments are considered to be within the scope of the present invention.

다른 목적, 특징 및 장점은 이하의 바람직한 구현예(들)의 설명 및 첨부 도면으로부터 당업자에게 나타날 것이다:Other objects, features and advantages will appear to those skilled in the art from the following description of the preferred embodiment (s) and from the accompanying drawings:

도 1은 돌파(breakthrough) 시험 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a breakthrough test apparatus.

도 2는 표 II의 AgX 흡착제의 경우 CO 및 H2 돌파 곡선의 그래프이다.2 is a graph of the CO and H 2 breakthrough curves for the AgX adsorbents in Table II.

도 3-6은 흡착제 용기/베드에서 바람직한 흡착제 배열의 개략도이다.3-6 are schematic diagrams of a preferred adsorbent arrangement in an adsorbent vessel / bed.

도 7은 본 발명을 수행하는 데 유용한 예비정화 장치의 개략도이다.7 is a schematic diagram of a prepurification device useful for practicing the present invention.

본 발명은 ppm 수준의 CO 및 ppm 수준의 H2를 함유하는 공급 기체로부터 CO 및 선택적으로 H2를 제거하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 1 ppm 또는 그 미만의 CO를 갖는 공급 기류; 특히, 0.1 mmHg 미만 또는 심지어는 0.005 mmHg 이하의 낮은 CO 분압을 갖는 공급 기류에서 CO를 제거하는 데 특히 적용가능하다The present invention relates to the removal of CO and optionally H 2 from a feed gas containing ppm levels of CO and ppm levels of H 2 . The present invention provides a feed stream having CO of 1 ppm or less; In particular, it is particularly applicable for removing CO in feed streams having a low CO partial pressure of less than 0.1 mmHg or even less than 0.005 mmHg.

공급 기체는 전형적으로 공기이며, CO2, H2O, N2O 및 아세틸렌 등 탄화수소 중 적어도 1종을 포함하는 여타 오염물을 함유할 수도 있다. 본 발명은 극저온의 공기 증류 후에 CO 및 선택적으로 수소 불순물을 제거하는 데 적용될 수도 있지만, 이들 성분의 제거는 전형적으로 극저온 수단에 의한 공기 분리에 앞서 예비정화 공정에서 일어난다.The feed gas is typically air and may contain other contaminants including at least one of hydrocarbons such as CO 2 , H 2 O, N 2 O and acetylene. Although the present invention may be applied to the removal of CO and optionally hydrogen impurities after cryogenic air distillation, the removal of these components typically takes place in a prepurification process prior to air separation by cryogenic means.

1 ppm 미만 또는 심지어는 0.5 ppm 미만의 CO 및 1 ppm 또는 심지어는 0.5 ppm 미만의 H2를 함유하는 공급 기류도 사용될 수 있지만, 본 발명은 공급물 중 50 ppm의 CO 및 10 ppm의 H2 정도의 양을 함유하는 공급 기류를 가지고 실시될 수 있다. 그러한 공급 기류를 이용하는 본 발명의 실시는 5 ppb 미만의 CO 및 5 ppb 미만의 H2를 함유하는 생성물 기류를 제조할 수 있지만, 1 ppb의 CO 및 1 ppb의 H2를 함유하는 기류가 수득될 수도 있다.Feed streams containing less than 1 ppm or even less than 0.5 ppm of CO and less than 1 ppm or even less than 0.5 ppm of H 2 can also be used, although the present invention is capable of approximately 50 ppm of CO and 10 ppm of H 2 in the feed. It can be carried out with a feed air stream containing an amount of. The practice of the present invention using such a feed stream can produce product air streams containing less than 5 ppb of CO and less than 5 ppb of H 2 , but an air stream containing 1 ppb of CO and 1 ppb of H 2 will be obtained. It may be.

본 발명의 바람직한 구현예에 따라 CO 흡착제의 사용에 이어 H2 촉매를 사용하는 것은 H2 촉매 요구량을 감소시키고 고온 활성화의 필요를 없애며, H2 촉매를 흡착제의 청결한 말단에 위치시킴으로써 H2 촉매를 활성상실로부터 최대한 보호하고, 기존의 예비정화 기술에 비하여 자본 및 작업 비용을 저감시킨다. 결과는 본 발명의 흡착제/흡착 공정으로부터의 배출물(예, 공기 분리 장치(ASU)의 극저온 증류 컬럼(또는 "냉각 상자(cold box)")으로의 공급물)이 5 ppb 미만의 CO 및 5 ppb 미만의 H2를 함유한다는 것이다.The use of H 2 the catalyst after the use of a CO adsorbent in accordance with a preferred embodiment of the invention reduces the H 2 catalyst requirements and eliminates the need of high temperature activation, the H 2 catalyst by placing the H 2 catalyst in the clean end of the adsorbent Maximum protection against loss of activity and lower capital and operating costs compared to conventional prepurification techniques. The result is that emissions from the adsorbent / adsorption process of the present invention (e.g., feed to an cryogenic distillation column (or "cold box") of an air separation unit (ASU)) are less than 5 ppb CO and 5 ppb. It contains less than H 2 .

본 발명의 한 바람직한 구현예에서는, 흡착제 베드가 CO, H2, CO2 및 H2O 불순물을 함유하는 공급 기류로부터, CO 흡착제 상에서 CO를 제거하기 전에 먼저 실질적으로 모든 H2O 및 선택적으로 모든 CO2를 제거하도록 배열된다. 상기 CO2 , H2O 및 CO 제거된 기체를 그 후 촉매 베드에 통과시켜 임의의 잔류하는 CO 및 H2를 제거한다. 다음, 이와 같이 정제된 기체를 ASU로 보내어 UHP 질소를 제조한다. 본 개시의 목적을 위해 "고순도" 기체는, 기체의 의도된 응용에 따라, 약 100 ppb (10억 분의 부) 미만의 개별적 오염물 수준을 갖는 기체를 의미하고, "초-고순도"(UHP) 기체는 약 10 ppb 미만, 바람직하게는 약 5 ppb 미만, 가장 바람직하게는 1 ppb 미만의 개별적 오염물 수준을 갖는 기체를 의미한다.In one preferred embodiment of the present invention, the adsorbent bed from the feed stream containing CO, H 2 , CO 2 and H 2 O impurities is first substantially all H 2 O and optionally all prior to removing CO on the CO adsorbent. Arranged to remove CO 2 . The CO 2 , H 2 O and CO degassed gas is then passed through a catalyst bed to remove any remaining CO and H 2 . The purified gas is then sent to ASU to produce UHP nitrogen. For the purposes of the present disclosure, “high purity” gas means a gas having an individual contaminant level of less than about 100 ppb (parts in billions), depending on the intended application of the gas, and “ultra-high purity” (UHP) By gas is meant a gas having an individual contaminant level of less than about 10 ppb, preferably less than about 5 ppb, most preferably less than 1 ppb.

즉, 본 발명은 That is,

1) 0 내지 50℃ 범위의 온도에서 높은 N2 및/또는 O2 농도의 존재 하에 적합한 흡착제 상에서 미량의 CO를 함유하는 공급 기류로부터 흡착에 의해 CO를 제거하여 5 ppb 미만의 CO를 함유하는 배출 기체를 제조하고; 1) Emissions containing less than 5 ppb CO by removal of CO by adsorption from a feed stream containing trace amounts of CO on a suitable adsorbent in the presence of high N 2 and / or O 2 concentrations at temperatures ranging from 0 to 50 ° C. To prepare a gas;

2) 선택적으로, 0 내지 50℃ 범위의 온도에서 흡착 및/또는 흡수 및/또는 촉매의 조합에 의해 높은 N2 및/또는 O2 농도의 존재 하에 공급 기류로부터 미량의 H 2를 제거하는 두 단계 공정으로 H2 및 CO가 제거된 기체를 제조한다.2) optionally, two steps of removing trace amounts of H 2 from the feed stream in the presence of high N 2 and / or O 2 concentrations by combination of adsorption and / or absorption and / or catalysts at temperatures ranging from 0 to 50 ° C. The process produces a gas from which H 2 and CO are removed.

본 발명의 한 구현예에 따르면, 공급 기류에서 대부분의 또는 모든 CO를 제거하도록 충분한 ΔCO 작업 용량을 갖는 적절한 CO 흡착제가 선택된다. 이상적인 CO 흡착제는 높은 N2 및/또는 O2 농도의 존재 하에서 양호한 CO 부하(ΔCO 또는 작업 용량)를 가질 것이다. 또한, CO 선택성을 극대화하고 감압 도중 N2 탈흡착의 냉각 효과를 극소화하기 위해 낮은 N2 부하를 갖는 것이 바람직하다. 바람직한 구현예에서, 상기 흡착제는 또한 국소적 수증기 조건에서 높은 ΔCO/ΔN2 작업 분리 역가를 갖는다.According to one embodiment of the invention, an appropriate CO adsorbent is selected that has a sufficient ΔCO working capacity to remove most or all CO from the feed stream. The ideal CO adsorbent will have a good CO load (ΔCO or working capacity) in the presence of high N 2 and / or O 2 concentrations. It is also desirable to have a low N 2 load in order to maximize CO selectivity and minimize the cooling effect of N 2 desorption during decompression. In a preferred embodiment, the adsorbent also has a high ΔCO / ΔN 2 working separation titer at local steam conditions.

흡착제 성능을 평가하기 위한 하나의 방법은 각각의 주요 흡착물, 즉 N2 및 CO의 작업 용량을 측정하는 것에 의한다. 이는 본 발명에 적용된 방법론이다. 이하에 정의된 분리 역가 α는 흡착제 효율을 평가하기 위한 바람직한 방법이다. 상기 방법론은 미국 특허 제 6,152,991 호에 상세히 논의되어 있으며, 그 내용은 여기에 참고 문헌으로 도입된다.One method for evaluating adsorbent performance is by measuring the working capacity of each major adsorbate, ie N 2 and CO. This is the methodology applied in the present invention. The separation titer α defined below is a preferred method for evaluating adsorbent efficiency. The methodology is discussed in detail in US Pat. No. 6,152,991, the contents of which are incorporated herein by reference.

분리 역가 α는 다음 수학식으로 정의된다: The separation titer α is defined by the following equation:                 

Figure 112004056243086-pct00001
Figure 112004056243086-pct00001

여기에서 분리 역가 α는 작업 용량의 비로 정의된다. 상기 수학식의 분자는 CO의 작업 용량이고, 이는 흡착 및 탈흡착 조건 사이의 부하 w의 차이와 같다. 흡착 및 탈흡착 조건은 조성 y, 압력 p 및 온도 T로 특징된다. TSA 공기 예비정화에서, 최대 재생 온도는 약 100℃ 내지 약 350℃에서 변할 수 있다. 그 결과, 흡착물(특히 대기 기체)은 흡착제로부터 완전히 열적으로 탈흡착될 것이 예상된다. 그러한 조건 하에, 수학식 (1)은 다음 수학식 2와 같이 단순화될 수 있다.The separation titer α is defined here as the ratio of the working capacity. The molecule of the equation is the working capacity of CO, which is equal to the difference in the load w between adsorption and desorption conditions. Adsorption and desorption conditions are characterized by composition y , pressure p and temperature T. In TSA air prepurification, the maximum regeneration temperature may vary from about 100 ° C to about 350 ° C. As a result, the adsorbate (particularly atmospheric gas) is expected to be completely thermally desorbed from the adsorbent. Under such conditions, equation (1) can be simplified as follows.

Figure 112004056243086-pct00002
Figure 112004056243086-pct00002

오염물을 TSA 공정의 얕은 흡착제 층에서 제거하는 경우, 질량 전이에 상당한 저항이 존재하며, 선택성은 하기 수학식 3에 의해 다시 정의된다:When the contaminants are removed in the shallow adsorbent bed of the TSA process, there is a significant resistance to mass transfer and the selectivity is redefined by Equation 3:

Figure 112004056243086-pct00003
Figure 112004056243086-pct00003

수학식 3의 분자는 오염물에 대한 흡착제의 작업 용량을 나타낸다. min은 베드 내로 유동되는 몰 공급량을 나타내고, yin 및 yout은 각각 소량 성분의 송입 및 송출 몰 분획이다. ws는 흡착제의 질량이고 tb는 소정 농도에 해당하는 돌파 시간이다. 분모는 흡착 단계의 종료 시 조건에서, 즉 모든 성분의 완전한 탈흡착을 가정할 경우 주요 성분의 평형 용량이다. 수학식 3의 적용은 질량 전이 영역의 길이가 흡착제 층 전체 깊이의 상당한 부분(예, 약 10% 이상)을 차지하는 경우에 바람직하다.The molecule of equation (3) represents the working capacity of the adsorbent for contaminants. m in represents the molar feed flowed into the bed, y in and y out are the feed and discharge mole fractions of the minor components, respectively. w s is the mass of the adsorbent and t b is the breakthrough time corresponding to the predetermined concentration. The denominator is the equilibrium capacity of the main components under conditions at the end of the adsorption step, ie assuming complete desorption of all components. The application of equation (3) is preferred when the length of the mass transfer region occupies a significant portion (eg, at least about 10%) of the total depth of the adsorbent bed.

상기 방법은 관련 공정 조건에서 각각의 개별적인 성분의 분압에서, 예를 들면 예비정화의 경우 공급 공기 중 CO 및 N2 분압은 전형적으로 각각 0.1 mmHg 미만 및 1000 mmHg 초과에서, 작업 용량이 결정되기 때문에 다른 방법에 비해 바람직하다. 공흡착 효과가 상기 부하의 결정에 또한 도입된다. 공기 예비정화에서 N2의 공급 농도는 CO에 비하여 압도적이므로, N2에 대한 CO의 공흡착 효과는 무시할 만하다. 따라서, 수학식 2 및 수학식 3의 분모는 측정된 순수-성분 N2 등온선으로부터 직접 얻어질 수 있다.The process differs because the working capacity is determined at the partial pressure of each individual component at the relevant process conditions, for example CO and N 2 partial pressures in the feed air for prepurification, typically below 0.1 mmHg and above 1000 mmHg, respectively. It is preferred over the method. Coadsorption effects are also introduced into the determination of the load. Since the feed concentration of N 2 in the air prepurification is overwhelming compared to CO, the cosorption effect of CO on N 2 is negligible. Thus, the denominators of Equations 2 and 3 can be obtained directly from the measured pure-component N 2 isotherms.

반대로, N2의 공흡착은 CO의 흡착에 매우 중대한 영향을 가질 것이다. CO의 경우 정확히 낮은 농도의 순수-성분 등온선 데이터가 얻어질 수 있거나 수득될 수 있는 경우에, 수학식 2은 평형 작업 용량 및 선택성을 평가하는 데 적용될 수 있다. 그러나, CO에 대한 작업 용량을 N2 공흡착 조건 하에 및 포함되는 질량 전이 효과와 함께 직접 결정하는 것이 바람직하다. 이는 당업자에게 공지되어 있는 돌파 시험 방법(breakthrough test method)을 이용하여 수행될 수 있다. 돌파 시험 은 포화, 및 어떤 정의된 돌파 수준, 예를 들면 100 ppb에서의 돌파 용량 및 시간에서 성분의 평형 용량을 제공한다. 즉, ΔCO 작업 용량 및 선택성은 수학식 3을 이용하여 바람직하게 정의된다. 질소의 공흡착이 ΔCO 작업 용량 내로 도입되므로, 돌파 방법에 의해 결정된 ΔCO(수학식 (3)의 분자)는 본 발명의 목적을 위해 적절한 CO 흡착제를 선택하는데 주요한 요인이다.In contrast, the cosorption of N 2 will have a very significant effect on the adsorption of CO. In the case of CO, where exactly low concentrations of pure-component isotherm data can or can be obtained, Equation 2 can be applied to assess the equilibrium working capacity and selectivity. However, it is desirable to determine the working capacity for CO directly under N 2 coadsorption conditions and with the mass transfer effects involved. This can be done using a breakthrough test method known to those skilled in the art. The breakthrough test provides saturation and the equilibrium dose of the component at any defined breakthrough level, for example breakthrough capacity and time at 100 ppb. That is, the ΔCO working capacity and selectivity are preferably defined using equation (3). Since co-adsorption of nitrogen is introduced into the ΔCO working capacity, ΔCO (molecule of formula (3)) determined by the breakthrough method is a major factor in selecting an appropriate CO adsorbent for the purposes of the present invention.

당업자는 N2에 비하여 CO에 대한 수용할만한 작업 특징의 기준을 만족시키는 흡착제는 다량 성분이 N2보다 덜 강하게 흡착되는 여타 기체 혼합물에서 훨씬 더 유리하게 작용할 것임을 잘 인식할 것이다. 그러한 CO-함유 기체 혼합물의 예로서 He, H2, Ar, Ne, Xe, Kr, O2 및 CH4 중 1종 이상을 갖는 것들을 들 수 있고, 본 발명은 상기 기체들 또는 기체 혼합물로부터 CO를 분리하는 데도 적용될 수 있다.Those skilled in the art will adsorbent which satisfies the criteria of acceptable operation remarkable feature of the CO is well recognized that act much more advantageous from the rest of the gas mixture to be less strongly adsorbed component than a large amount compared to the N 2 N 2. Examples of such CO-containing gas mixtures include those having at least one of He, H 2 , Ar, Ne, Xe, Kr, O 2 and CH 4 , and the present invention relates to CO from the gases or gas mixtures. It can also be applied to separation.

공기 분리 공정의 전형적인 조건에서 CO 흡착제의 잠재적인 효능을 평가하기 위해, CO 및/또는 H2 돌파 시험이 수행되었다.To evaluate the potential efficacy of the CO adsorbent at typical conditions of the air separation process, a CO and / or H 2 breakthrough test was performed.

돌파 시험은 길이 5.9 cm 또는 22.9 cm의 흡착 컬럼을 이용하여 7.9 bara (114.7 psia), 10℃ 또는 27℃ 및 약 21 slpm (78.7 mol/m2s)의 송입 기체 유량에서 수행되었다. 상기 조건의 변화가 실시예에 나타나 있다. 공급 조건은 전형적인 극저온 공기 분리 시설의 경우 공기 예비정화기의 송입구에서 조건의 대표적인 것이다. 일부 시험에서는 CO 및/또는 H2에 대하여 완전한 돌파 곡선이 생성된 한편, 높은 용량의 물질을 사용하는 경우에서는 단지 부분적인 돌파만이 측정되었다. 초 기 돌파는 100 ppb CO 및 20 ppb H2에서 이루어졌다. 다음, 초기 돌파 및/또는 포화 부하(mmol/g으로 나타낸 용량)를 수학식 3의 분자에 나타낸 것과 같은 질량 균형에 의해 결정하였다. 초기 돌파에서 결정된 CO 및 H2 부하는 동적인 또는 작업 용량 - 공흡착 및 질량 전이 효과를 모두 도입하는 - 을 나타낸다.Breakthrough tests were performed at an inlet gas flow rate of 7.9 bara (114.7 psia), 10 ° C. or 27 ° C. and about 21 slpm (78.7 mol / m 2 s) using an adsorption column of 5.9 cm or 22.9 cm in length. Changes in the conditions are shown in the examples. Feed conditions are representative of the conditions at the inlet of the air prepurifier for a typical cryogenic air separation plant. In some tests a complete breakthrough curve was generated for CO and / or H 2 , while only a partial breakthrough was measured when using high volumes of material. Initial breakthrough was at 100 ppb CO and 20 ppb H 2 . Next, the initial breakthrough and / or saturation load (capacity in mmol / g) was determined by mass balance as shown in the molecule of equation (3). The CO and H 2 loads determined at the initial breakthrough represent a dynamic or working capacity, which introduces both cosorption and mass transfer effects.

돌파 시험은 주요 요소가 도 1의 개략도에 나타낸 바와 같은 장치를 이용하여 다음과 같은 방법으로 수행되었다. N2 중 오염물 기체의 혼합물을 함유하는 실린더(3,4)로부터 문제의 기체를 유동 조절기(7,8)를 통해 (분 당 0-5 표준 리터(slpm) 정도의 유량으로) 계량하여 넣고, 거기에서 기체 혼합기(9) 중 고순도 희석제 N2 또는 헬륨(He)과 혼합되게 하였다. 어떤 경우에, 상기 희석제는 합성 공기였고, 여기에서 원천(2)으로부터의 O2는 원천(1)으로부터의 N2와 조합되었다. 상기 희석제는 규정된 유량(예, 0-30 slpm)에서 유동 조절기(5,6)를 통하여 공급되어 원하는 오염물(들)의 공급 농도를 획득하였다. 상기 혼합된 문제의 기체를 그 후 열 교환 루프를 통해 흡착제를 함유하는 시험 베드(10)로 공급하였다. 시험 베드(10) 및 열 교환 루프는 둘 다 열 욕(thermal bath)(도시되지 않음) 내에 위치하였고, 그 온도는 물 냉각기 및 열전쌍을 통해 제어되었다. 온도 제어 시스템은 당 분야에 공지되어 있고, 전형적으로 열 교환 루프, 열 욕, 물 냉각기 및 열전쌍으로 구성된다. 온도 제어 시스템의 임의의 수의 변화가 당업자에게 쉽게 친숙한 바와 같이 시험 베드를 일정한 온도로 유지하기 위해 효과적으로 적용될 수 있다. The breakthrough test was performed in the following manner using the apparatus whose main elements are shown in the schematic diagram of FIG. 1. From the cylinder (3,4) containing the mixture of contaminant gas in N 2 , the gas in question is metered in (flow rate of 0-5 standard liters per minute) through the flow regulator (7,8), there was allowed to mix with the high-purity diluent N 2, or helium (He) of the gas in the mixer (9). In some cases, the diluent was synthetic air, where O 2 from source (2) was combined with N 2 from source (1). The diluent was fed through flow regulators 5 and 6 at a defined flow rate (eg 0-30 slpm) to obtain a feed concentration of the desired contaminant (s). The mixed gas in question was then fed through a heat exchange loop to test bed 10 containing the adsorbent. The test bed 10 and the heat exchange loop were both located in a thermal bath (not shown), the temperature of which was controlled through a water cooler and thermocouple. Temperature control systems are known in the art and typically consist of a heat exchange loop, a thermal bath, a water cooler and a thermocouple. Any number of changes in the temperature control system can be effectively applied to maintain the test bed at a constant temperature as is readily familiar to those skilled in the art.

시험 도중 기체 압력은 제어 밸브/압력 조절기(11)를 통해 제어되었다. 배출물의 일부를 밸브(12)를 통해 하나 이상의 분석기(13)로 보내어 CO 및/또는 H2의 돌파 농도를 시간의 함수로서 모니터링하였다. CO 및 CO2 센서가 둘 다 구비된 서보멕스(Servomex) 4100 기체 순도 분석기가 실시예 1에서 사용되었다. 실시예 2-4에서는 미량의 CO 및 H2 측정을 위해 미량 분석(RGA5) 분석기가 사용되었다.Gas pressure was controlled via a control valve / pressure regulator 11 during the test. A portion of the effluent was sent through valve 12 to one or more analyzers 13 to monitor the breakthrough concentration of CO and / or H 2 as a function of time. A Servox 4100 gas purity analyzer equipped with both CO and CO 2 sensors was used in Example 1. In Examples 2-4 a Trace Analysis (RGA5) analyzer was used for the trace CO and H 2 measurements.

모든 제올라이트는 (이하에 확인되는) 상업적 원천으로부터 입수되었으나, 일부는 발명자에 의해 이온 교환에 의해 더 수정되었다. 본 발명의 실시예의 경우 모르데나이트 및 Y 형 제올라이트는 압출물(extrudate)이었고, X 형 및 A 형 제올라이트는 비드였으며, 클리놉틸로라이트 및 카바자이트(chabazite)는 과립형이었다. All zeolites were obtained from commercial sources (identified below), but some were further modified by ion exchange by the inventors. For the examples of the present invention the mordenite and Y zeolites were extrudate, the X and A zeolites were beads, and the clinoptilolite and chabazite were granular.

실험실용 이온-교환 컬럼을 사용하여 고도로 교환된 제올라이트를 제조하였다. 컬럼 과정에서는, 제올라이트를 컬럼 내부에 충진하고 이온 교환 용액을 베드를 통해 0.5 ml/분의 유량에서 상향으로 펌프질하였다. 상기 컬럼을 70 내지 90℃ 사이로 가열하여 교환을 촉진하였다. 높은 수준의 이온 교환이 수득되는 것을 보장하기 위해 적어도 10 배 과량의 용액을 사용하였다. 생성물을 여과 수거하고 탈이온수로 충분히 세척하였다.Highly exchanged zeolites were prepared using a laboratory ion-exchange column. In the column process, zeolite was charged inside the column and the ion exchange solution was pumped upward through the bed at a flow rate of 0.5 ml / min. The column was heated to between 70 and 90 ° C. to facilitate exchange. At least 10-fold excess solution was used to ensure high levels of ion exchange were obtained. The product was collected by filtration and washed thoroughly with deionized water.

분말 X-선 회절 및 유도 쌍 플라스마(inductively coupled plasma, ICP) 화학 분석을 사용하여 시료의 완전성을 검증하고 이온 교환 수준을 측정하였다. Ag, Cu 및 아연(Zn) 시료의 경우, 각각의 질산염의 0.1 몰(M) 용액이 사용되었다. 나 트륨(Na) 교환의 경우, 1.0 M의 염화 나트륨 용액이 사용되었다. 제올라이트는 Ag, Cu 또는 Zn와 교환되기 전에 전형적으로 그의 Na 교환된 형태였다. 클리놉틸로라이트의 경우, TSM-140 시료가 선택되고, Ag, Cu 또는 Zn가 도입되기 전에 Na로 먼저 교환되었다. 제올라이트 13X HP, 13X APG 및 Na 모르데나이트는 UOP로부터 입수되었고 제올라이트 4A는 알드리히(Aldrich)로부터 구입되었다.Powder X-ray diffraction and inductively coupled plasma (ICP) chemistry analysis was used to verify the integrity of the sample and measure ion exchange levels. For Ag, Cu and zinc (Zn) samples, 0.1 molar (M) solution of each nitrate was used. For sodium (Na) exchange, 1.0 M sodium chloride solution was used. Zeolites were typically in their Na exchanged form before being exchanged with Ag, Cu or Zn. For clinoptilolite, a TSM-140 sample was selected and first exchanged with Na before Ag, Cu or Zn were introduced. Zeolite 13X HP, 13X APG and Na Mordenite were obtained from UOP and Zeolite 4A was purchased from Aldrich.

13X HP 상의 낮은 교환 수준인 Ag의 경우 (예, 85% 미만), 배치 공정을 사용하였다. 배치 공정에서는, 신선한 용액이 규칙적으로 컬럼 내로 펌프질되는 것과 대조적으로 고정된 부피의 용액에 제올라이트를 담근다. 0.025 내지 0.1 M의 농도를 갖는 질산 은 용액을 사용하였다. For Ag, which is a low exchange level on 13X HP (eg less than 85%), a batch process was used. In the batch process, the zeolite is immersed in a fixed volume of solution as opposed to regularly pumping fresh solution into the column. Silver nitrate solution with a concentration of 0.025 to 0.1 M was used.

제올라이트를 50 내지 90℃에서 질산 은 용액 중 교반하였다. 용액의 농도는 원하는 교환의 수준을 반영하도록 선택되었다. 상기 온도에서 6 내지 8 시간 동안 교반 후, 상기 용액을 총 3 배까지 새로 공급하거나, 상기 시료를 여과 수거하고 탈이온수로 충분히 세척하였다. 용액을 새로 공급하는 것이 교환 수준을 증가시켰다. 분말 X-선 회절 및 ICP 화학 분석을 수행하여 생성물 시료의 결정도 및 이온 교환 수준을 조사하였다.The zeolite was stirred at 50-90 ° C. in silver nitrate solution. The concentration of the solution was chosen to reflect the level of exchange desired. After stirring for 6-8 hours at this temperature, the solution was freshly fed up to three times in total, or the sample was collected by filtration and washed sufficiently with deionized water. Fresh feed of solution increased the exchange level. Powder X-ray diffraction and ICP chemical analysis were performed to investigate the crystallinity and ion exchange level of the product sample.

제올라이트의 이온 교환 방법은 당업자에게 공지되어 있다. 전술한 컬럼 및 배치 방법은 어떤 식으로든 본 발명을 한정하지 않는다. 본 발명에 따라 양이온 및 제올라이트에 대한 원하는 교환 수준을 획득하도록 상이한 방법이 사용될 수 있다.Ion exchange methods of zeolites are known to those skilled in the art. The aforementioned columns and batch methods do not limit the invention in any way. Different methods can be used in accordance with the present invention to achieve the desired level of exchange for cations and zeolites.

이제 본 발명을 이하의 비교 실시예를 들어 기재할 것이다. 이들 실시예는 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 한정하고자 함이 아니다.The invention will now be described by way of the following comparative examples. These examples are not intended to limit the scope of the invention in any way.

실시예 1 (본 발명의 범위 외)Example 1 (outside the scope of the present invention)

천연 흡착제(클리놉틸로라이트 및 카바자이트)는 스틸헤드 스페셜티 미네랄즈(Steelhead Specialty Minerals, WA)로부터 입수되었다. 합성 제올라이트는 다양한 제조원으로부터 입수되었다: 제올리스트(Zeolyst) (HZSM5), 제오켐(Zeochem) (CaX) 및 UOP (13X, LiX, 5AMG). 각각의 시험 전에 모든 흡착제를 350℃, 1.0 bara 압력 및 N2 퍼지 하에 약 16 시간 동안 열적으로 활성화시켰다. 재생 후, 상기 흡착제를 27℃까지 식도록 방치하였다. 상기 군의 흡착제는 흡착 성질을 수행하도록 알려진 흡착제 특성, 예를 들면 Si/Al, 미세공 채널 개방 크기, 제올라이트 구조 유형, 양이온의 수 및 종류 등의 단면을 나타낸다. N2 또는 He 중 1.0 ppm의 CO를 이용하여 포화되도록 전술한 조건에서 돌파 시험을 수행하였다. 돌파 시간은 100 ppb CO에서 결정되었다. 결과를 표 I에 요약한다.Natural adsorbents (clinoptilolite and carbazite) were obtained from Steelhead Specialty Minerals, WA. Synthetic zeolites were obtained from various sources: Zeolist (HZSM5), Zeochem (CaX) and UOP (13X, LiX, 5AMG). All adsorbents were thermally activated for about 16 hours under 350 ° C., 1.0 bara pressure and N 2 purge prior to each test. After regeneration, the adsorbent was allowed to cool to 27 ° C. Adsorbents of this group exhibit cross-sections of known adsorbent properties such as Si / Al, micropore channel opening size, zeolite structure type, number and type of cations, etc., which are known to perform adsorptive properties. Breakthrough tests were performed under the conditions described above to saturate with 1.0 ppm of CO in N 2 or He. Breakthrough time was determined at 100 ppb CO. The results are summarized in Table I.

흡착제absorbent 유동
slpm
Flow
slpm
T ℃T ℃ 담체(1) Carriers (1) yCO
ppm
y CO
ppm
베드
cm
Bed
cm
tb (2)
t b (2)
minute
XCO (3)
mmol/g
X CO (3)
mmol / g
클리놉틸로라이트 TSM-140Clinoptilolite TSM-140 20.420.4 2727 N2 N 2 1.01.0 22.922.9 < 2<2 1.4 x 10-5 1.4 x 10 -5 2121 2727 HeHe 1.01.0 22.922.9 3030 1.2 x 10-3 1.2 x 10 -3 카바자이트 TSM-300Cabazite TSM-300 2121 2727 N2 N 2 1.01.0 22.922.9 < 2<2 2.2 x 10-5 2.2 x 10 -5 2121 2727 HeHe 1.01.0 22.922.9 114114 4.5 x 10-3 4.5 x 10 -3 LiX
(SiO2/Al2O3=2.0)
LiX
(SiO 2 / Al 2 O 3 = 2.0)
2121 2727 N2 N 2 1.01.0 22.922.9 < 2<2 2.5 x 10-5 2.5 x 10 -5
5A MG5A MG 5.55.5 1010 N2 N 2 1.01.0 22.922.9 < 6<6 3.1 x 10-5 3.1 x 10 -5 CaX (Z100)CaX (Z100) 5.55.5 1010 N2 N 2 1.01.0 22.922.9 < 4<4 3.9 x 10-5 3.9 x 10 -5 HZSM5 (CBV3024E)HZSM5 (CBV3024E) 2121 2727 공기air 2.02.0 5.95.9 < 2<2 -- (1) 담체 기체 중 전형적인 H2 농도 0.25 ppm
(2) yCO = 100 ppb에서 측정된 돌파
(3) CO의 평형 포화 용량
(1) 0.25 ppm typical H 2 concentration in carrier gas
(2) breakthrough measured at y CO = 100 ppb
(3) CO equilibrium saturation capacity

CO/N2 공급물에 대한 XCO가, 작은 세공의 천연 제올라이트에 대한 CO/He 공급의 경우에 비하여 100 이상의 역가 만큼 감소된 점에서 CO 포화 용량(XCO)에 대한 N2의 경쟁적 효과가 명백하다. N2 중 CO의 돌파 시간은 He 중 CO에 비하여 15 내지 50 이상의 역가만큼 감소되었다. CO에 비하여 N2의 높은 분압이 CO 제거에 있어서 흡착제 효능을 결정하는 데 결정적인 요인이다. 표 I의 모든 흡착제는 단지 수 분의 CO/N2 돌파 시간을 갖는다. 돌파 시간은 보다 긴 흡착제 베드를 이용하여 연장될 수 있지만, 상기 흡착제의 어느 것도 1 시간 이상의 흡착 순환 시간을 갖는 공기 예비정화기를 위해 실용적인 해결을 제공할 것 같지는 않다. The competitive effect of N 2 on CO saturation capacity (X CO ) is that the X CO for the CO / N 2 feed is reduced by a titer of at least 100 compared to the CO / He feed for small pore natural zeolites. It is obvious. The breakthrough time of CO in N 2 was reduced by a titer of at least 15-50 compared to CO in He. The higher partial pressure of N 2 relative to CO is a decisive factor in determining adsorbent efficacy in CO removal. All adsorbents in Table I only have a few minutes CO / N 2 breakthrough time. Breakthrough times can be extended with longer adsorbent beds, but none of these adsorbents are likely to provide a practical solution for air prepurifiers with adsorption circulation times of more than one hour.

N2 등온선이 카바자이트 및 클리놉틸로라이트에 대한 공지의 중력 균형 방법을 이용하여 27℃에서 측정되었다. 상기 등온선으로부터의 N2 용량과 표 I로부터의 CO 포화 용량을 수학식 2에서 조합하여 표 I의 흡착제에 대한 평형 분리 역가(ΔCO/ΔN2) < 2 x 10-5를 수득하였다.N 2 isotherms were measured at 27 ° C. using known gravity balance methods for carbazite and clinoptilolite. The N 2 capacity from the isotherm and the CO saturation capacity from Table I were combined in Equation 2 to obtain the equilibrium separation titer (ΔCO / ΔN 2 ) <2 × 10 −5 for the adsorbents of Table I.

실시예 2Example 2

교환된 Ag, Cu 및 Zn 양이온을 함유하는 몇 가지 제올라이트를 전술한 바와 같이 시험하여 작업 CO 용량을 평가하였다. AgX (P/N 38,228-0)는 알드리히로부터 입수된 한편, 클리놉틸로라이트(TSM-140) 및 모르데나이트(UOP로부터 큰-세공)은 소-규모 실험실용 컬럼에서 교환되었다. 교환 정도는 유도 쌍 플라스마(ICP) 분석에 의해 측정되었다. 교환된 시료를 공기-건조한 다음 건조 N2 퍼지 중 350℃에서 밤새 활성화하였다. 흡착제로 충진된 길이 5.9 cm의 컬럼을 이용하고 합성 공기(79% N2/21% O2) 중 2.0 ppm의 CO에 27℃ 및 7.9 bar에서 적용하여, 약 21 slpm(78.7 mol/m2s)의 속도에서 유동시키면서 돌파 시험을 수행하였다.Several zeolites containing exchanged Ag, Cu and Zn cations were tested as described above to assess working CO capacity. AgX (P / N 38,228-0) was obtained from Aldrich, while clinoptilolite (TSM-140) and mordenite (large-pore from UOP) were exchanged in small-scale laboratory columns. The degree of exchange was measured by inductive pair plasma (ICP) analysis. The exchanged sample was air-dried and then activated overnight at 350 ° C. in a dry N 2 purge. Approx. 21 slpm (78.7 mol / m 2 s) using a 5.9 cm length column packed with adsorbent and applied at 2.0 ° C. and 7.9 bar in 2.0 ppm CO in synthetic air (79% N 2 /21% O 2 ) The breakthrough test was performed while flowing at a speed of).

각 시험의 경우 공급물 중 H2의 양을 돌파 시험의 결과와 함께 표 II에 나타낸다. 돌파 시간(tb) 및 작업 용량(XCO)은 100 ppb의 CO 돌파 농도에서 측정되었다.For each test, the amount of H 2 in the feed is shown in Table II along with the results of the breakthrough test. Breakthrough time (t b ) and working capacity (X CO ) were measured at a CO breakthrough concentration of 100 ppb.

흡착제absorbent % 교환% exchange 크기
US 메쉬
size
US mesh
yH2
ppm
y H2
ppm
XCO
@yCO = 100 ppb
mmol/g
X CO
@y CO = 100 ppb
mmol / g
tb
hr
t b
hr
% CO 제거
@yCO = 100 ppb
% CO removed
@y CO = 100 ppb
AgXAgX 100100 10 x 1410 x 14 3.03.0 0.0520.052 5.45.4 98.898.8 Ag-MorAg-Mor 8989 1.8 mm* 1.8 mm * 3.03.0 0.0340.034 3.23.2 98.398.3 Cu-
클리놉틸로라이트
Cu-
Clinoptilolite
100100 8 x 148 x 14 0.50.5 0.0370.037 3.03.0 99.399.3
Zn-
클리놉틸로라이트
Zn-
Clinoptilolite
8686 8 x 148 x 14 0.60.6 -- < 0.2<0.2 --
Ag-
클리놉틸로라이트
Ag-
Clinoptilolite
8989 8 x 148 x 14 0.40.4 -- < 0.5<0.5 --
* 압출물 직경* Extrudate diameter

AgX, Ag-모르데나이트 및 Cu-클리놉틸로라이트는 모두 0.03 mmol/g을 초과하는 CO 작업 용량을 나타내고, 결과적으로 본 발명의 기준에 부합한다. Zn-클리놉틸로라이트 및 Ag-클리놉틸로라이트는 0.01 mmol/g 미만의 작업 용량을 가졌고 결과적으로 본 발명의 범위 외에 있다. AgX, Ag-mordenite and Cu-clinoptilolite all exhibit CO working capacities in excess of 0.03 mmol / g and consequently meet the criteria of the present invention. Zn-clinoptilolite and Ag-clinoptilolite had a working capacity of less than 0.01 mmol / g and consequently are outside the scope of the present invention.

표 1의 CO 포화 용량에 보수적으로 비교할 때, 이들 흡착제에 대한 표 II의 CO 작업 용량(동적 효과를 포함하는)은 표 1의 것에 비하여 1000 배를 넘게 더 크다. 또한, 돌파 시간은 비교적 짧은 베드의 경우 수 시간이며, 즉 결과되는 CO 작업 용량이 흡착제로 하여금 통상의 예비정화기 순환 및 최소의 추가 흡착제와 쉽게 일체화되도록 한다. Compared conservatively to the CO saturation capacity of Table 1, the CO working capacity (including dynamic effects) of Table II for these adsorbents is over 1000 times greater than that of Table 1. The breakthrough time is also several hours for a relatively short bed, ie the resulting CO working capacity allows the adsorbent to be easily integrated with the usual prepurifier circulation and with minimal additional adsorbent.

Cu-, Zn- 및 Ag-교환된 클리놉틸로라이트는 H2에 대한 제거 용량이 거의 또는 전혀 없는 것으로 나타난다. H2는 AgX 및 Ag-모르데나이트에서 거의 즉각적으로 돌파되지만, H2의 일부 어느 정도의 정체가 도 2에서 보는 바와 같이 명백하다.Cu-, Zn- and Ag-exchanged clinoptilolite appear to have little or no removal capacity for H 2 . H 2 breaks almost immediately in AgX and Ag-mordenite, but some degree of stagnation of H 2 is apparent as shown in FIG. 2.

도 2는 AgX (Aldrich P/N 38,228-0)를 사용하는 CO 및 H2의 양자에 대한 돌 파 기록을 제공한다. 100 ppb의 CO 돌파 농도가 흡착제 평가의 목적으로 선택되었지만, 당업자는 생성물 중 CO 불순물의 양이 보다 짧은 흡착 단계를 선택하거나 흡착제의 양을 증가시킴으로써 조절될 수 있음을 잘 인식할 것이다. 2 provides breakthrough records for both CO and H 2 using AgX (Aldrich P / N 38,228-0). Although a CO breakthrough concentration of 100 ppb was chosen for the purpose of adsorbent evaluation, one skilled in the art will appreciate that the amount of CO impurities in the product can be adjusted by selecting a shorter adsorption step or increasing the amount of adsorbent.

각각의 돌파 시험 후에 베드를 공기 중 200℃에서 3.0 시간 동안에 이어 건조 N2 중 주위 온도 퍼지에서 3.0 시간 동안, 모두 2.2 slpm의 유량 및 약 1.7 bar(25 psia)의 압력에서 재생시킨다. 도 2의 결과는 상기 베드의 10번째 돌파에 대한 것이다. 심지어 강력한 H2 환원제의 존재 하에서도 - 순환으로 인한 CO 제거 용량에 주목할 만한 저하가 없었다. 6번째 돌파 후 상기 베드를 표준 재생에 앞서 27℃ 및 50℃에서 N2로 정화시킴으로써 탈흡착을 모니터링하였다. 배출물 중에 오직 CO 만이 검출되었으며, 흡착된 CO의 87%를 넘는 양이 탈흡착되었다. 남아있는 CO는 통상의 재생 과정에서 탈흡착되었다.After each breakthrough test, the beds are regenerated at 200 ° C. in air for 3.0 hours followed by 3.0 hours at ambient temperature purge in dry N 2 , at a flow rate of 2.2 slpm and a pressure of about 1.7 bar (25 psia). The result of FIG. 2 is for the tenth breakthrough of the bed. Even in the presence of strong H 2 reducing agents-there was no noticeable drop in the CO removal capacity due to circulation. Desorption was monitored by purging the bed with N 2 at 27 ° C. and 50 ° C. prior to standard regeneration after the sixth breakthrough. Only CO was detected in the emissions, and more than 87% of the adsorbed CO was desorbed. The remaining CO was desorbed during normal regeneration.

N2 등온선은 전술한 바와 같이 0℃ 및 27℃에서 AgX (Aldrich P/N 38,228-0)에 대하여 측정되었다. 27℃에서 6.25 bar의 N2 분압에서의 N2 용량은 0.81 mmol/g으로 측정되었다. 표 II의 시험 기류에 대한 상응하는 CO 분압은 1.2 x 10-2 mmHg이다. 수학식 (3) 및 표 II의 결과를 이용하면, 작업 분리 역가 ΔCO/ΔN2 = 6.4 x 10-2이다.N 2 isotherms were measured for AgX (Aldrich P / N 38,228-0) at 0 ° C. and 27 ° C. as described above. The N 2 dose at an N 2 partial pressure of 6.25 bar at 27 ° C. was determined to be 0.81 mmol / g. The corresponding CO partial pressure for the test streams in Table II is 1.2 × 10 −2 mmHg. Using the results of Equation (3) and Table II, the work separation titer ΔCO / ΔN 2 = 6.4 × 10 −2 .

Cu-클리놉틸로라이트의 경우 표 II의 결과는 활성화 후 첫번째 돌파에 대한 것이다. 상기 인용된 조건에 따르는 재생 후, 성능은 두번째 돌파에서 현저하게 저하되었다. 표 II의 성능은 N2 중 350℃에서 재-활성화 후 회복되었다. 공기 중 상승된 온도에서의 재생이 Cu+를 Cu++로 산화시키는 결과를 가져오는 것으로 생각된다. 즉, N2 중에서의 재활성화가 Cu를 더 낮은 산화 상태인 Cu+로 되돌렸다. 따라서, 상기 흡착제는 O2가 거의 또는 전혀 존재하지 않는 극저온으로 분리된 N2의 후-정제에 본 발명의 개념을 적용하는 본 발명의 다른 선택적인 구현예에 더욱 효과적으로 적용될 수 있다.For Cu-clinoptilolite, the results in Table II are for the first breakthrough after activation. After regeneration according to the conditions recited above, the performance dropped significantly at the second breakthrough. The performance of Table II recovered after re-activation at 350 ° C. in N 2 . Regeneration at elevated temperatures in air is believed to result in oxidation of Cu + to Cu ++ . That is, reactivation in N 2 returned Cu to the lower oxidation state Cu + . Therefore, the adsorbent is a substantially O 2 or after separation of the N 2 to the extremely low temperature does not exist at all - can be more effectively applied to other alternative embodiments of the present invention to apply the concepts of the invention in the tablet.

실시예 3Example 3

시판되는 AgX (Ag400B3), Ag-모르데나이트 (Ag900E16) 및 AgY (Ag600E16)의 시료를 씨*켐(C*CHEM, A Division of Molecular Products, Inc., Lafayette, CO)으로부터 입수하였다. AgX는 또한 13 XHP 제올라이트를 Ag와 다양한 Ag-교환 수준 (AgX (HP)로 표시된)으로 교환함으로써 제조되었다. AgA는 4A 제올라이트를 Ag와 교환함으로써 제조되었다. 상기 물질 및 상응하는 Ag 교환 수준을 돌파 시간 및 CO 작업 용량과 함께 표 III에 나타낸다.It was purchased from commercial AgX (Ag400B3), Ag- to know who a sample of nitro (Ag900E16) and AgY (Ag600E16) * Chem (C * CHEM, A Division of Molecular Products, Inc., Lafayette, CO) is. AgX was also prepared by exchanging 13 XHP zeolites with Ag at various Ag-exchange levels (indicated by AgX (HP)). AgA was prepared by exchanging 4A zeolite with Ag. The materials and corresponding Ag exchange levels are shown in Table III along with breakthrough time and CO working capacity.

흡착제absorbent Ag-교환
%
Ag-exchange
%
크기
US 메쉬
size
US mesh
XCO
@yCO = 100 ppb
mmol/g
X CO
@y CO = 100 ppb
mmol / g
tb
hr
t b
hr
%CO
제거
% CO
remove
AgX
(Ag400B3)
AgX
(Ag400B3)
100100 10 x 1810 x 18 0.0510.051 5.55.5 99.099.0
AgX (HP)AgX (HP) 9595 10 x 1810 x 18 0.130.13 13.313.3 99.199.1 AgAAgA 9494 8 x 128 x 12 0.0190.019 2.22.2 98.498.4 Ag-MorAg-Mor 4040 2.0 mm* 2.0 mm * 0.00960.0096 0.850.85 97.997.9 AgYAgY 6161 1.7 mm* 1.7 mm * 0.0180.018 1.41.4 98.898.8 * 압출물 직경* Extrudate diameter

모든 시험의 경우 공급물 중에 3.0 ppm의 H2가 존재한 것 외에는 실시예 2의 것과 같은 조건에서 돌파 시험을 수행하였다. 표 III의 결과는 활성화 후 첫번째 돌파에 대한 것이다. AgX (Ag400B3) 성능은 표 II의 AgX의 것과 잘 부합된다. AgX (HP)는 시판되는 AgX에 비해 현저하게 향상된 CO 작업 용량을 갖는 것으로 나타나지만, 상기 장점의 많은 부분은 몇 번의 돌파/재생 순환 후에 상실된다. 4회의 순환 후, AgX (HP)의 경우 돌파 시간은 7.3 시간으로 감소되고 CO 작업 용량은 0.073 mmol/g으로 저하되었다. 하지만, 붕괴의 양은 급속히 감소하였고, AgX (Ag400B3)의 것보다 더 큰 최종 작업 용량이 제시되었다. 그러한 개선은 기재 제올라이트 출발 물질(13XHP), 교환된 제올라이트의 큰세공 기하학 및/또는 최종 상태에서의 차이 및/또는 제올라이트 중 은 양이온의 위치의 결과일 것이다.For all tests the breakthrough test was performed under the same conditions as in Example 2 except that 3.0 ppm H 2 was present in the feed. The results in Table III are for the first breakthrough after activation. AgX (Ag400B3) performance matches well with that of AgX in Table II. AgX (HP) appears to have significantly improved CO working capacity over commercially available AgX, but much of this advantage is lost after several breakthrough / regeneration cycles. After four cycles, the breakthrough time for AgX (HP) was reduced to 7.3 hours and the CO working capacity dropped to 0.073 mmol / g. However, the amount of decay was rapidly reduced and a larger final working capacity than that of AgX (Ag400B3) was presented. Such an improvement may be a result of the difference in the substrate zeolite starting material (13XHP), the macropore geometry and / or the final state of the exchanged zeolite and / or the position of the silver cation in the zeolite.

13XHP 기재 물질을 사용하여 10% 내지 100%에서 변하는 상이한 Ag-교환 수준이 제조되었다. CO 작업 용량은 Ag-교환 수준에 거의 정비례함이 밝혀졌다. 즉, CO의 흡착을 위해 보다 높은 Ag-교환 수준이 바람직하며, 100% 교환이 가장 바람직하다. Different Ag-exchange levels varying from 10% to 100% were prepared using 13XHP base material. CO working capacity was found to be nearly directly proportional to Ag-exchange levels. That is, higher Ag-exchange levels are preferred for adsorption of CO, with 100% exchange being most preferred.                 

시판되는 AgY 및 Ag-모르데나이트 흡착제는 CO 흡착에 있어서 종래의 제올라이트보다 훨씬 더 잘 행해졌지만, AgX보다는 덜 효과적이었다. 표 II 및 표 III에서 Ag-모르데나이트의 경우 현저하게 상이한 CO 작업 용량은 표 II에서의 실험실 제조된 Ag-모르데나이트의 보다 높은 Ag-교환 수준 및 0.01 mmol/g 미만의 ΔCO 작업 용량을 갖는 교환된 물질(표 III에서)의 보다 낮은 수준과 일치하며, 따라서 본 발명의 범위 외에 있다. Commercial AgY and Ag-mordenite adsorbents performed much better than conventional zeolites for CO adsorption but were less effective than AgX. Significantly different CO working capacities for Ag-mordenite in Tables II and III resulted in higher Ag-exchange levels and the ΔCO working capacity of less than 0.01 mmol / g of the laboratory-produced Ag-mordenite in Table II. Have lower levels of exchanged material (in Table III) and are therefore outside the scope of the present invention.

실시예 4Example 4

본 실시예에서, 베드는 실시예 2의 AgX의 7.6 cm 층에 이어 종래 기술의 전형인 다공성 알루미나 상에 지지된 팔라듐(Pd/Al2O3) 산화 촉매의 15.2 cm 층으로 구성된다. 두번째 베드는 Pd/Al2O3 산화 촉매만을 사용하여 동일한 전체 길이(22.9 cm)로 구성된다. 데구사(Degussa Corporation)로부터 산화 촉매(E221, 활성화된 알루미나 비드의 표면 상에 지지된 0.5 중량% Pd)를 입수하였다. 돌파 시험을 실시예 3에서와 같은 조건에서 수행하였다. 결과를 표 IV에 비교한다. H2의 돌파 시간은 1 ppb, 5 ppb 및 20 ppb에서 기록되었다.In this example, the bed consists of a 7.6 cm layer of AgX of Example 2 followed by a 15.2 cm layer of palladium (Pd / Al 2 O 3 ) oxidation catalyst supported on porous alumina, which is typical of the prior art. The second bed consists of the same overall length (22.9 cm) using only Pd / Al 2 O 3 oxidation catalyst. An oxidation catalyst (E221, 0.5 wt% Pd supported on the surface of activated alumina beads) was obtained from Degussa Corporation. Breakthrough tests were performed under the same conditions as in Example 3. The results are compared to Table IV. Breakthrough times of H 2 were recorded at 1 ppb, 5 ppb and 20 ppb.

베드Bed tb
(H2)
hr
t b
(H 2 )
hr
tb
(CO)
hr
t b
(CO)
hr
tb
(CO2)
hr
t b
(CO 2 )
hr
XH2
mmol/g
@ yH2 = 20 ppb
X H2
mmol / g
@ y H2 = 20 ppb
yH2 = 1 ppby H2 = 1 ppb yH2 = 5 ppby H2 = 5 ppb yH2 = 20 ppby H2 = 20 ppb 7.6cm AgX + 15.2cm
0.5% PdAl203
7.6cm AgX + 15.2cm
0.5% PdAl 2 0 3
21.321.3 23.223.2 26.526.5 > 30.7> 30.7 17.317.3 0.2180.218
22.9 cm
0.5% PdAl2O3
22.9 cm
0.5% PdAl 2 O 3
3.93.9 4.94.9 13.013.0 > 21.5> 21.5 3.03.0 0.0720.072

놀랍게도, 촉매 베드의 1/3을 CO 흡착을 위한 AgX로 대체하는 것은 촉매가 단독으로 사용된 경우보다 2 내지 5 배 더 큰 H2 돌파 시간의 결과를 가져왔다. 20 ppb H2 돌파에서 촉매의 유효 용량은 H2 산화에 앞서 CO가 제거된 경우에 3 배 이상이 되었다. 시험 시간에 걸쳐, 즉 층을 이룬 베드의 경우 30.7 시간(hr) 및 촉매만인 베드의 경우 21.5 hr 동안, 베드에서 근본적으로 CO의 돌파가 없었다. 마지막으로, CO2 돌파 시간(yCO2 = 100 ppb)은 CO가 AgX에 흡착된 경우 5 배 이상 더 컸다. 앞의 정보로부터 명백하듯이, CO/H2 산화 촉매의 일부를 대체하기 위해 AgX를 사용하는 것은 CO 및 H2의 기류를 정제하는 데 예기치 못한 장점을 가져오는 한편 산화 부산물로서의 CO2를 최소화한다.Surprisingly, replacing 1/3 of the catalyst bed with AgX for CO adsorption resulted in 2 to 5 times greater H 2 breakthrough times than when the catalyst was used alone. At 20 ppb H 2 breakthrough, the effective capacity of the catalyst was more than tripled when CO was removed prior to H 2 oxidation. Over the test time, ie 30.7 hours (hr) for layered beds and 21.5 hr for catalyst only beds, there was essentially no CO breakthrough in the bed. Finally, the CO 2 breakthrough time (y CO2 = 100 ppb) was more than five times greater when CO was adsorbed on AgX. As is clear from the previous information, the use of AgX to replace some of the CO / H 2 oxidation catalysts has unexpected advantages in purifying the airflow of CO and H 2 while minimizing CO 2 as oxidation byproducts. .

상기 실시예에 기초하여, 본 발명의 실시를 위해 바람직한 CO 흡착제는 0.01 mmol/g 이상, 바람직하게는 0.03 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는다. 더욱 바람직한 구현예에서, 상기 CO 흡착제는 1 x 10-3 이상, 바람직하게는 1 x 10-2보다 큰, 수학식 3에서 주어진 것과 같은 ΔCO/ΔN2 분리 역가 α를 갖는다. 작은 세공 제올라이트의 경우 (예, 천연 제올라이트 클리놉틸로라이트, 카바자이트 등), 세공 구멍 또는 제올라이트 "창(window)"의 운동 직경은 CO 분자의 운동 직경(0.376 nm)보다 커야 한다. 산화 상태 +1을 획득하는 IB 족 양이온(Cu, Ag, Au (금))으로 교환된 제올라이트가 본 발명의 응용을 위해 바람직한 CO용 흡착제이다. Ag-교환된 제올라이트(> 50% 교환)가 바람직하며 고도로 교환된 AgX(> 85% 교환)가 가장 바람직하다. 상기 실시예에 개시되지는 않았지만, 금은 Cu 및 Ag와 화학적 구조가 유사하여 본 발명의 실시에 유용한 것으로 생각된다. 교환된 제올라이트에서 전하 균형 양이온으로 작용하는 IB 족 금속은 향상된 CO 흡착 용량을 제공하고, 보다 높은 수의 전하 균형 양이온을 필요로 하는 제올라이트가 본 발명의 실시에 바람직하다. 그러한 제올라이트는 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비로 특징된다.Based on the above examples, preferred CO adsorbents for the practice of the invention have a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g, preferably at least 0.03 mmol / g. In a more preferred embodiment, the CO adsorbent has a ΔCO / ΔN 2 separation titer α as given in equation 3, which is at least 1 × 10 −3 , preferably greater than 1 × 10 −2 . For small pore zeolites (eg, native zeolite clinoptilolite, carbazite, etc.), the pore diameter of the pore or zeolite “window” should be greater than the pore diameter of the CO molecule (0.376 nm). Zeolites exchanged with Group IB cations (Cu, Ag, Au (gold)) to obtain oxidation state +1 are preferred adsorbents for CO for the application of the present invention. Ag-exchanged zeolites (> 50% exchange) are preferred, and highly exchanged AgX (> 85% exchange) is most preferred. Although not disclosed in the above examples, gold is thought to be useful in the practice of the present invention because of its similar chemical structure to Cu and Ag. Group IB metals that act as charge balanced cations in the exchanged zeolites provide improved CO adsorption capacity, and zeolites requiring higher numbers of charge balanced cations are preferred in the practice of the present invention. Such zeolites are characterized by a molar ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 of less than 20.

본 발명의 방법을 사용하여, TSA 흡착제 및 시스템은 도입되는 공급 기류로부터 CO 및, 선택적으로 H2O, CO2 및 H2 중 1종 이상의 농도를 배출 또는 생성물 기체 중 100 ppb 이하의 수준으로, 또는 심지어는 5 ppb 이하로 감소시키도록 고안될 수 있다. 바람직하게는, 상기 용기는 공기 공급 기류를 위한 TSA 예비정화기에 사용된다. 그러한 용기의 하나의 디자인을 도 3을 참고하여 이하에 기재한다. 화살표(도 4-6 또한 참고)는 흡착제 베드/용기를 통한 기체 흐름의 방향을 나타낸다. 그러한 용기를 도입하는 TSA 예비정화기 시스템을 도 7을 참고하여 이하에 개시한다.Using the process of the present invention, the TSA adsorbents and systems provide a concentration of CO and, optionally, at least one of H 2 O, CO 2 and H 2 from the feed stream introduced, to levels of up to 100 ppb in the exhaust or product gas, Or even reduced to less than 5 ppb. Preferably, the vessel is used in a TSA prepurifier for air feed airflow. One design of such a container is described below with reference to FIG. 3. Arrows (see also Figures 4-6) indicate the direction of gas flow through the adsorbent bed / vessel. A TSA prepurifier system introducing such a vessel is described below with reference to FIG. 7.

도 3으로 돌아가면, 용기(30)가 보인다. 용기(30)는 용기로 들어오는 실질적으로 모든 H2O를 제거하도록 알루미나, 실리카겔 또는 분자체 또는 이들의 혼합물과 같은 H2O 흡착제(31)의 첫번째 층을 포함한다. 13X (NaX) 또는 5A 또는 이들의 혼합물과 같은 CO2 흡착제로 된 두번째 층(32)이 실질적으로 모든 CO2를 제거하기 위해 사용된다. 상기 CO2 흡착제 층은 또한 H2O 흡착제 층으로부터 남아 있는 임의의 잔류 수분을 제거할 수 있다. CO 흡착제로 된 세번째 층(33)은 CO2 흡착제의 하류에 위치한다. ("하류"라는 용어는 흡착제 용기의 배출물 또는 생성물 말단에 더 가까운 것을 의미한다.)Returning to FIG. 3, the container 30 is visible. Vessel 30 includes a first layer of H 2 O adsorbent 31, such as alumina, silica gel or molecular sieves or mixtures thereof to remove substantially all H 2 O entering the vessel. A second layer 32 of CO 2 adsorbent such as 13X (NaX) or 5A or mixtures thereof is used to remove substantially all CO 2 . The CO 2 adsorbent layer can also remove any residual moisture remaining from the H 2 O adsorbent layer. The third layer 33 of CO adsorbent is located downstream of the CO 2 adsorbent. (The term "downstream" means closer to the discharge or product end of the adsorbent vessel.)

실질적으로 H2O-무함유 및 CO2-무함유 기류가 상기 CO 흡착제 층으로 들어간다. 상기 CO 흡착제 층은 공급물 중 CO의 50% 이상, 바람직하게는 95% 이상을 제거함으로써 100 ppb 미만의 CO를 함유하는 생성물 기체를 생성하도록, 그리고 가장 바람직하게는 공급물 중 CO의 99.8% 이상을 제거하여 5 ppb 미만의 CO를 함유하는 생성물 기류를 제조하도록 고안될 수 있다. H2O, CO2 및 CO를 실질적으로 함유하지 않는 공급 기류가 촉매 층(34)으로 들어간다. 상기 촉매는 흡착 및/또는 흡착과 산화의 조합을 이용하여 H2 및 임의의 남아있는 소량의 CO를 제거한다. 하나 이상의 선택적 흡착제 층(35)이 상기 CO 흡착제 및 촉매 층의 하류에 위치하여, 형성되었지만 촉매에 흡착되지 않은 임의의 CO2 및 H2O 산화 생성물을 제거할 수 있다. 탄화수소, N2O 및/또는 기타 미량의 오염물을 제거하기 위해 선택적인 층(들)이 또한 선택될 수 있다.Substantially H 2 O-free and CO 2 -free air flows enter the CO adsorbent bed. The CO adsorbent layer is adapted to produce product gas containing less than 100 ppb of CO by removing at least 50%, preferably at least 95%, of CO in the feed, and most preferably at least 99.8% of CO in the feed. Can be designed to produce product streams containing less than 5 ppb of CO. A feed air stream that is substantially free of H 2 O, CO 2 and CO enters the catalyst bed 34. The catalyst uses adsorption and / or a combination of adsorption and oxidation to remove H 2 and any remaining small amounts of CO. One or more optional adsorbent layers 35 may be located downstream of the CO adsorbent and catalyst beds to remove any CO 2 and H 2 O oxidation products formed but not adsorbed to the catalyst. Optional layer (s) may also be selected to remove hydrocarbons, N 2 O and / or other trace contaminants.

도 4-6은 예비정화와 같은 기체 분리에 사용하기 위한 흡착제 용기 내로 CO 흡착제 층을 일체화하기 위한 다른 선택의 구현예를 보여준다. 물론, 이들 구현예 의 조합도 본 발명의 범위 내에 있다.4-6 show another alternative embodiment for integrating a CO adsorbent bed into an adsorbent vessel for use in gas separation, such as prepurification. Of course, combinations of these embodiments are also within the scope of the present invention.

요구되는 흡착제 및 촉매 층의 두께는 분리 공정 도중 흡착제가 겪는 공정 조건에 따라 변한다. 이들은 매 시스템/공정마다 광범위하게 변할 수 있다. 도 3-6에 도시된 층의 깊이는 흡착제 및/또는 촉매의 임의의 특정한 또는 상대적인 양을 의미하거나 제시하고자 함이 아니다. 가장 중요한 공정 조건은 공기의 몰 유량, 순환 시간, 공급 온도 및 압력과 기체 조성이다. 예를 들면 예비정화기를 고안하는 데 통상의 지식을 가진 자는 흡착제/촉매 성질 및 예비정화기 공정 조건에 따라 각각의 예비정화기를 위한 흡착제 및 촉매 층을 고안할 수 있을 것이다. 이러한 방법들은 루트벤(Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption Processes , 1984) 등의 다양한 교과서에 상세히 설명되어 있다.The thickness of the adsorbent and catalyst bed required varies depending on the process conditions experienced by the adsorbent during the separation process. These can vary widely from system to process. The depth of the bed shown in FIGS. 3-6 is not intended to mean or suggest any particular or relative amount of adsorbent and / or catalyst. The most important process conditions are the molar flow rate, circulation time, feed temperature and pressure and gas composition of the air. For example, one skilled in the art of designing a prepurifier may devise an adsorbent and catalyst bed for each prepurifier depending on the adsorbent / catalyst properties and prepurifier process conditions. These methods are known as Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption Processes , 1984).

도 3을 이상에 설명하였고, 도 4-6을 이하에 설명한다.3 has been described above, and FIGS. 4-6 will be described below.

도 4를 참고하면, 구현예는 H2O (층 41에서), CO2 (층 42에서) 및 CO(층 43에서)의 제거를 위한 용기(40)를 사용하는 것으로 의도된다. 본 구현예에서 H2 제거를 위한 촉매 층은 필요하지 않다.Referring to FIG. 4, an embodiment is intended to use a vessel 40 for the removal of H 2 O (in layer 41), CO 2 (in layer 42) and CO (in layer 43). In this embodiment no catalyst layer is required for H 2 removal.

도 5를 참고하면, 용기(50)가 보이는데, 여기에서는 H2O 및 CO2 흡착제가 단일 흡착제로서, 상이한 흡착제의 혼합물로서 또는 복합 흡착제의 사용을 통하여 단일 층(51)에 조합되어 있고, 이어서, CO 흡착제 층(52) 및 H2 제거를 위한 촉매 층(53)이 뒤따른다. 여타 성분(예, 탄화수소)의 청정 및/또는 제거를 위한 층(35)와 같은 추가의 흡착제 층(도 3에 도시된 층 35의 기능과 유사한)도 사용될 수 있 지만 도시되지는 않았다.Referring to FIG. 5, a vessel 50 is shown wherein the H 2 O and CO 2 adsorbents are combined into a single layer 51 as a single adsorbent, as a mixture of different adsorbents, or through the use of a complex adsorbent, and then This is followed by a CO adsorbent layer 52 and a catalyst layer 53 for H 2 removal. Additional adsorbent layers (similar to the function of layer 35 shown in FIG. 3), such as layer 35 for cleaning and / or removal of other components (eg hydrocarbons), may also be used but are not shown.

도 6을 참고하면, 용기(6)는 CO2 흡착제 층(63)에 앞서 위치한 CO 흡착제 층(62)을 함유하며, 양자는 모두 H2O 흡착제 층(61)의 하류에 있다. H2의 제거가 필요할 경우에는 CO 층 후에 추가의 촉매 층(도시되지 않음)이 사용될 수 있다. 여타 성분(예, 탄화수소)의 청정 및 제거를 위한 부가의 층이 추가될 수 있다.Referring to FIG. 6, the vessel 6 contains a CO adsorbent layer 62 located prior to the CO 2 adsorbent layer 63, both downstream of the H 2 O adsorbent layer 61. If removal of H 2 is required, an additional catalyst layer (not shown) may be used after the CO layer. Additional layers may be added for cleaning and removal of other components (eg hydrocarbons).

H2 및 남아있는 CO의 제거를 위해 사용되는 촉매는 지지된 금속 촉매이다. 금속 Os, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Sn, Mn, Cr, Pb, Ce 중 1종Ce 중 1종알루미나, 실리카, 천연 또는 합성 제올라이트, 이산화 티탄, 산화 마그네슘 또는 산화 칼슘에서 선택된 지지체 상에 침착될 수 있다. 상기 금속의 1종 이상은 당 분야에 공지된 기술에 의해 지지체 상에 침착된다. 본 발명을 위해 가장 바람직한 촉매는 알루미나 상에 지지된 Pt 및/또는 Pd이다.The catalyst used for the removal of H 2 and remaining CO is a supported metal catalyst. Metal Os, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Zn, Sn, Mn, Cr, Pb, Ce One kind of Ce Alumina, silica, natural or synthetic It may be deposited on a support selected from zeolite, titanium dioxide, magnesium oxide or calcium oxide. At least one of the metals is deposited on the support by techniques known in the art. Most preferred catalysts for the present invention are Pt and / or Pd supported on alumina.

전술한 선택적인 흡착제 층은 알루미나, 실리카 겔 또는 제올라이트 중 적어도 1종일 수 있다. 제올라이트 층이 바람직하다. CO2 및 H2O 산화 생성물이 제거되어야 할 경우에 가장 바람직하게는 13X(UOP, Des Plaines, Illinois USA로부터 입수되는 13X APG가 가장 바람직함)가 상기 층에 사용된다. 상기 선택적인 H2O 및 CO2 제거 층은 촉매 층의 하류에 위치하거나 촉매 층과 물리적으로 혼합될 수 있다. 선택적 층을 위해 선택되는 흡착제는 제거될 오염물에 의존한다; 예를 들면, 함께 계류 중이며 함께 양도된 특허 출원인 PCT 출원 제 02/40591 호 "기체 흐름으로부 터 N2O의 제거 방법"에 기재된 바와 같이 미량의 N2O 및 CO2를 제거하기 위해서는 클리놉틸로라이트; 및/또는 탄화 수소의 제거를 위해서는 NaY, 알루미나 또는 셀레조브(SELEXORB, ALCOA, USA로부터 입수되는 NaY/알루미나의 복합재).The optional adsorbent layer described above may be at least one of alumina, silica gel or zeolite. Zeolite layers are preferred. Most preferably 13X (most preferably 13X APG available from UOP, Des Plaines, Illinois USA) is used in the layer where CO 2 and H 2 O oxidation products should be removed. The optional H 2 O and CO 2 removal layers may be located downstream of the catalyst bed or physically mixed with the catalyst bed. The adsorbent selected for the selective bed depends on the contaminants to be removed; For example, to remove trace amounts of N 2 O and CO 2 as described in PCT Application No. 02/40591, "Method of Removing N 2 O from Gas Flow," which is pending together and assigned together, Low light; And / or NaY, alumina or selesov (complex of NaY / alumina available from SELEXORB, ALCOA, USA) for removal of hydrocarbons.

본 발명은 예비정화기의 하류 말단에 CO 흡착제 및 선택적인 촉매를 위치시킴으로써 기존의 예비정화기를 쉽게 개조시킬 수 있다는 장점을 제공한다. 본 발명은 또한 초-고순도 생성물이 요구되지 않는 경우, 즉, 기존의 공기 분리 시설의 표준 순도는 충분하지 않지만 전자적 등급의 UHP가 필요하지는 않은 경우에, "높은 순도"의 생성물을 제조하기 위해 적용될 수도 있다. 그러한 응용에서는, 본 발명의 임의의 구현예, 방법 및 배열이 공급 혼합물을 정제하고 CO 및/또는 H2 오염물을 각각 100 ppb 미만까지 제거하도록 사용될 수 있다. The present invention provides the advantage that existing prepurifiers can be easily retrofitted by placing the CO adsorbent and optional catalyst at the downstream end of the prepurifier. The invention also applies to the production of "high purity" products when ultra-high purity products are not required, i.e. when the standard purity of existing air separation facilities is not sufficient but electronic grade UHP is not required. It may be. In such applications, any of the embodiments, methods, and arrangements of the present invention can be used to purify feed mixtures and remove CO and / or H 2 contaminants to less than 100 ppb each.

본 방법은 압력 변동 흡착(PSA), 온도 변동 흡착(TSA), 진공 변동 흡착(VSA) 또는 이들의 조합과 같은 순환적 방법에서 바람직하게 수행된다. 본 발명의 방법은 적어도 흡착 및 재생의 단계를 포함하는 순환적 공정에서 작동하는 단일 또는 복수의 흡착 용기 내에서 수행될 수 있다. 흡착 단계는 1.0 내지 25 bar, 바람직하게는 약 3 내지 15 bar 범위의 압력에서 수행된다. 흡착 단계 도중 온도의 범위는 -70℃ 내지 80℃이다. PSA 공정이 사용될 경우, 재생 단계 도중의 압력은 약 0.20 내지 5.0 bar, 바람직하게는 1.0 내지 2.0 bar의 범위에 있다. TSA 공정의 경우, 재생은 통상적으로 약 50℃ 내지 400℃, 바람직하게는 100℃ 내지 300℃ 범위의 온도에서 수행된다. The method is preferably performed in a cyclic method such as pressure swing adsorption (PSA), temperature swing adsorption (TSA), vacuum swing adsorption (VSA), or a combination thereof. The process of the invention can be carried out in a single or a plurality of adsorption vessels operating in a cyclical process comprising at least the steps of adsorption and regeneration. The adsorption step is carried out at a pressure in the range from 1.0 to 25 bar, preferably from about 3 to 15 bar. The temperature range during the adsorption step is -70 ° C to 80 ° C. If a PSA process is used, the pressure during the regeneration step is in the range of about 0.20 to 5.0 bar, preferably 1.0 to 2.0 bar. In the case of the TSA process, regeneration is typically carried out at temperatures in the range of about 50 ° C to 400 ° C, preferably 100 ° C to 300 ° C.                 

하나의 가능한 방법을 도 7을 참고하여 여기에 기재한다. 공급 공기를 압축기(70)에서 압축하고, 적어도 오염물 H2O, CO2 및 CO가 공기로부터 제거되는 두 흡착제 (76 및 77) 중 하나로 들어가기 전에, 냉각 수단(71)에 의해 냉각시킨다. 흡착제(76 및 77) 각각은 동일한 흡착제 베드 배열을 가지며, 이는 예를 들면 상기 도 3-6을 참고하여 기재된 것과 같은 것일 수 있다. 정제된 공기는 흡착제를 빠져나간 다음 공기 분리 장치(ASU)로 들어가 거기에서 극저온으로 그의 주요 성분인 N2 및 O2로 분리된다. ASU의 특수한 디자인에서는, Ar, Kr 및 Xe도 공기로부터 분리 및 회수될 수 있다. 베드의 하나는 공기로부터 오염물을 흡착시키는 한편, 다른 하나는 퍼지 기체를 이용하여 재생된다. 건조한, 오염물-무함유 퍼지 기체가 ASU로부터의 생성물 또는 폐 기류로부터 또는 독립적인 원천으로부터 공급되어 흡착된 오염물을 탈흡착시킴으로써 흡착제를 재생시키고 이를 순환의 다음 흡착 단계를 위해 준비할 수 있다. 퍼지 기체는 N2, O2, N2 및 O2의 혼합물, 공기 또는 임의의 건조한 비활성 기체일 수 있다. 열 변동 흡착(TSA)의 경우, 퍼지 기체는 흡착 단계의 공급 유동과 반대되는 방향으로 흡착제를 통과하기 전에 먼저 히터(82)에서 가열된다. TSA 순환은 압력 변동을 포함할 수도 있다. 압력 변동 흡착(PSA)만이 사용되는 경우에는, 히터가 없다. One possible method is described herein with reference to FIG. 7. The supply air is compressed in the compressor 70 and cooled by the cooling means 71 before at least contaminants H 2 O, CO 2 and CO enter one of the two adsorbents 76 and 77 from which they are removed from the air. Each of the adsorbents 76 and 77 has the same adsorbent bed arrangement, which may be, for example, as described with reference to FIGS. 3-6 above. The purified air exits the adsorbent and then enters an air separation unit (ASU) where it is separated at cryogenic temperatures into its main components, N 2 and O 2 . In the special design of the ASU, Ar, Kr and Xe can also be separated and recovered from the air. One of the beds adsorbs contaminants from the air, while the other is regenerated using purge gas. A dry, contaminant-free purge gas may be supplied from the ASU or from a waste stream or from an independent source to desorb the adsorbed adsorbate to regenerate the adsorbent and prepare it for the next adsorption step of the circulation. The purge gas may be a mixture of N 2 , O 2 , N 2 and O 2 , air or any dry inert gas. In the case of heat swing adsorption (TSA), the purge gas is first heated in heater 82 before passing through the adsorbent in a direction opposite to the feed flow of the adsorption step. TSA circulation may include pressure fluctuations. If only pressure swing adsorption (PSA) is used, there is no heater.

전형적인 TSA 순환의 작동을 하나의 흡착제(76)에 대하여 도 7을 참고하여 이제 기재한다. 당업자는, 정화된 공기가 ASU에 연속적으로 사용가능하도록 하는 방식으로 첫번째 흡착제를 갖는 상으로부터만, 여타의 흡착제 용기(77)가 동일 순 환으로 작동될 것임을 잘 인식할 것이다. 상 순환으로부터의 이와 같은 작업은 괄호 안에 있는 수를 참고하여 나타낸다. The operation of a typical TSA cycle is now described with reference to FIG. 7 for one adsorbent 76. Those skilled in the art will appreciate that other adsorbent vessels 77 will operate in the same circulation only from the phase with the first adsorbent in such a way that the purified air is continuously available to the ASU. This work from phase cycling is indicated by reference to the numbers in parentheses.

공급 공기는 그것이 가압되는 압축기(70)로 도입된다. 압축 열은 냉각 수단(71), 예를 들면 기계적 냉각기 또는 직접 접촉 후-냉각기와 증발 냉각기의 조합에서 제거된다. 다음, 압축되고 차가우며 및 H2O-포화된 공급 기류가 흡착제 76(77)로 들어간다. 흡착제 용기 76(77)이 가압되면 밸브 72(73)를 열고 밸브 74(75), 78(79) 및 80(81)을 닫는다. 일단 흡착 압력이 도달되면, 밸브 78(79)가 열리고, 정제된 생성물은 극저온 공기 분리를 위한 ASU로 향한다. 상기 흡착제 76(77)가 흡착 단계를 완결하였을 때, 밸브 78(79) 및 72(73)를 닫고 밸브 74(75)를 열어 흡착제 76(77)를 보다 낮은 압력, 전형적으로 주위 압력 근처로 날려보낸다. 일단 감압하면, 밸브 80(81)를 열고 가열된 퍼지 기체를 흡착제 76(77)의 생성물 말단으로 도입한다. 퍼지 순환 도중의 어떤 시점에, 상기 히터를 꺼서 퍼지 기체가 흡착제를 공급 온도 근처로 식히도록 한다. Feed air is introduced into the compressor 70 to which it is pressurized. The heat of compression is removed in the cooling means 71, for example a mechanical cooler or a combination of direct contact post-cooler and evaporative cooler. The compressed, cold and H 2 O-saturated feed air stream then enters adsorbent 76 (77). When adsorbent vessel 76 (77) is pressurized, valve 72 (73) is opened and valves 74 (75), 78 (79), and 80 (81) are closed. Once the adsorption pressure is reached, valve 78 (79) is opened and the purified product is directed to the ASU for cryogenic air separation. When the adsorbent 76 (77) has completed the adsorption step, close valves 78 (79) and 72 (73) and open valve 74 (75) to blow adsorbent 76 (77) to a lower pressure, typically near ambient pressure. send. Once depressurized, valve 80 (81) is opened and heated purge gas is introduced into the product end of adsorbent 76 (77). At some point during the purge circulation, the heater is turned off to allow the purge gas to cool the adsorbent near the feed temperature.

당업자는 또한 상기 기술이 단지 전형적인 예비정화기 순환의 예를 나타내며 본 발명으로 사용될 수 있는 그러한 전형적인 순환의 많은 변법이 존재함을 잘 인식할 것이다. 예를 들면, PSA는 단독으로 사용되고, 거기에서 히터(82) 및 냉각 수단(71)은 제거될 수 있을 것이다. 가압은 생성물 기체, 공급 기체 또는 이들 둘의 조합에 의해 수행될 수 있다. 베드-대-베드 동등화가 사용될 수도 있고, 배합 단계가 도입되어 여기에서 새로 재생된 베드가 그 흡착 단계의 완결에 가까운 또다 른 흡착제와 함께 흡착 단계에서 처리 상태(on line)로 보내진다. 그러한 배합 단계는 베드 스위칭으로 인한 압력 방해를 제거하며 또한 재생된 베드가 공급 온도까지 완전히 냉각되지 않은 경우 초래되는 임의의 열적 방해를 최소화하는 역할을 한다. 또한, 본 발명은 2 개의 흡착제 베드에 국한되지 않는 예비정화기 순환으로 실시될 수 있다. 본 발명의 방법은 수평, 수직 또는 방사형 유동 용기에서 적용될 수 있다.Those skilled in the art will also appreciate that there are many variations of such a typical circulation in which the above technique merely illustrates an example of a prepurifier cycle and which can be used with the present invention. For example, the PSA is used alone, where the heater 82 and cooling means 71 may be removed. Pressurization may be carried out by product gas, feed gas or a combination of both. Bed-to-bed equalization may be used, where a compounding step is introduced in which the freshly regenerated bed is sent on line in the adsorption step with another adsorbent close to the completion of the adsorption step. Such a compounding step eliminates pressure disturbances due to bed switching and also serves to minimize any thermal disturbances caused when the regenerated bed is not completely cooled to the feed temperature. In addition, the present invention may be practiced with a prepurifier cycle that is not limited to two adsorbent beds. The method of the present invention can be applied in horizontal, vertical or radial flow vessels.

재생의 방법은 순환 공정의 종류에 의존한다. TSA 공정의 경우, 흡착제 베드의 재생은 가열된 기체를 베드를 통해 반대방향으로 통과시킴으로써 수행된다. 열적 진동(pulse) 방법을 이용하여, 냉각 퍼지 단계가 고온의 퍼지 단계를 따른다. 가열된 재생 기체는 또한 조합된 TSA/PSA 공정이 수행되도록 감압(공급물에 비하여)에서 제공될 수도 있다. 상기 감소된 압력은 주위 압력 이상 또는 이하일 수 있다. 극저온의 공기 분리 공정에서, 재생 기체는 전형적으로 생성물 또는 N2 또는 O2 폐 기류로부터 취해진다.The method of regeneration depends on the type of circulation process. In the case of the TSA process, regeneration of the adsorbent bed is carried out by passing heated gas through the bed in the opposite direction. Using a thermal pulse method, the cold purge step follows the hot purge step. The heated regeneration gas may also be provided at reduced pressure (relative to the feed) such that the combined TSA / PSA process is performed. The reduced pressure may be above or below ambient pressure. In cryogenic air separation processes, regeneration gas is typically taken from product or N 2 or O 2 waste streams.

어떤 경우에는, 비활성 또는 약하게 흡착된 퍼지 기체를 베드를 통해 반대방향으로 통과시키는 것이 흡착제 베드를 더욱 청결하게 할 수 있다. PSA 공정에서, 상기 퍼지 단계는 일반적으로 반대방향의 감압 단계를 따른다. 단일 용기 시스템의 경우, 상기 퍼지 기체는 저장 용기로부터 도입될 수 있는 한편, 복수 베드 시스템의 경우에, 퍼지 기체는 흡착 상에 있는 또다른 흡착제로부터 수득될 수 있다.In some cases, passing the inert or weakly adsorbed purge gas through the bed in the opposite direction may make the adsorbent bed cleaner. In the PSA process, the purge step generally follows the opposite pressure reduction step. In the case of a single vessel system, the purge gas may be introduced from the storage vessel, while in the case of a multi-bed system the purge gas may be obtained from another adsorbent in the adsorption bed.

흡착 시스템은 흡착과 탈흡착의 두 기본적인 단계보다 더 많은 단계를 가질 수 있다. 예를 들면, 상단 대 상단 동등화 또는 바닥 대 바닥 동등화가 에너지를 보존하고 회수율을 증가시키기 위해 사용될 수 있다.The adsorption system can have more steps than the two basic steps of adsorption and desorption. For example, top to top equalization or bottom to bottom equalization can be used to conserve energy and increase recovery.

공기 예비정화에 응용되는 것과 같은 본 발명의 바람직한 구현예에서는, 실질적으로 모든 수증기 및 실질적으로 모든 CO2가, CO 흡착제 층을 통해 기류를 통과하기 전에, 활성화된 알루미나 또는 제올라이트의 적어도 한 층 위에서, 또는 활성화된 알루미나 및 제올라이트의 복수 층에 의해 공기로부터 제거된다. 선택적으로, CO 선택적인 흡착제 층은 연장될 수 있고 공기로부터 CO2의 일부 또는 전부를 제거하도록 사용될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention as applied to air prepurification, substantially all of the water vapor and substantially all of the CO 2 pass over at least one layer of activated alumina or zeolite, before passing through the air stream through the CO adsorbent layer, Or from the air by a plurality of layers of activated alumina and zeolite. Optionally, the CO selective adsorbent layer can be extended and used to remove some or all of the CO 2 from the air.

그렇지 않으면, 흡착 용기에서, 흡착제의 첫번째 층이 수증기를 제거하기 위해 사용될 수 있고, CO 선택적 흡착제 및 13X (또는 여타 제올라이트)의 혼합물로 이루어진 다음 층이 공기로부터 CO2 및 CO를 둘 다 제거하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 흡착제 혼합물은 물리적으로 분리된 흡착제 또는 복합재의 형태로 한데 결합된 상이한 흡착제로 구성될 수 있다. Otherwise, in the adsorption vessel, the first layer of adsorbent may be used to remove water vapor, and the next layer of a mixture of CO selective adsorbent and 13X (or other zeolites) may be used to remove both CO 2 and CO from air. Can be used. Such adsorbent mixtures may consist of different adsorbents bound together in the form of physically separated adsorbents or composites.

소량의 CO 흡착제만을 필요로 하는 응용(예, 공급물 중 낮은 CO 농도 등)에서는, CO 흡착제 만의 매우 얇은 층보다는 혼합된 흡착제의 보다 두꺼운 층을 이루도록 CO 흡착제를 또다른 흡착제(13X 등)와 혼합하는 것이 유리할 수 있다. 보다 두꺼운 혼합된 층은 설치가 쉽고 전체 층 두께에 대하여 덜 결정적인 내성의 면에서 유리하다. In applications requiring only a small amount of CO adsorbent (eg low CO concentration in the feed), the CO adsorbent is mixed with another adsorbent (13X, etc.) to form a thicker layer of mixed adsorbent rather than a very thin layer of CO adsorbent alone. It may be advantageous to do so. Thicker mixed layers are advantageous in terms of ease of installation and less critical resistance to the overall layer thickness.

본 발명의 방법은 공기, N2 및 다른 약한 흡착성의 다량 기체로부터 CO 및 H2, 중 하나 또는 양자를 제거하는 데 사용될 수 있다. CO가 정제되어야 할 보다 약한 흡착성의 기체는 그러한 기체의 전자적 성질로부터 초기에 확인될 수 있다. 적절한 흡착제를 선택하기 위해 상기 정의된 CO/N2 선택성 및 CO 작업 용량의 기준을 사용하면, 상기 시스템이 N2, 헬륨(He), 네온(Ne), H2, 크세논(Xe), 크립톤(Kr), 아르곤(Ar), O2 및 메탄(CH4) 및 유사한 성질을 갖는 기타 기체와 같은 더 약하게 흡착된 기체로부터 CO를 제거함에 있어서 그만큼 잘 또는 더욱 잘 작용할 것임을 보장한다.The process of the present invention can be used to remove one or both of CO and H 2 , from air, N 2 and other weakly adsorbable bulk gases. Weaker adsorbent gases for which CO is to be purified can be identified initially from the electronic properties of such gases. Using the criteria of CO / N 2 selectivity and CO working capacity defined above to select the appropriate adsorbent, the system is characterized by N 2 , helium (He), neon (Ne), H 2 , xenon (Xe), krypton ( It is guaranteed to work as well or better in removing CO from weaker adsorbed gases such as Kr), argon (Ar), O 2 and methane (CH 4 ) and other gases having similar properties.

또한, 본 발명의 바람직한 응용은 극저온 공기 분리 이전 예비정화에서의 응용이지만, 여기 기재된 바와 같은 본 발명은 극저온 증류 후 질소 기체 중에 존재하는 CO 및/또는 수소를 제거하기 위해 적용될 수도 있다.In addition, the preferred application of the present invention is the application in prepurification prior to cryogenic air separation, but the present invention as described herein may also be applied to remove CO and / or hydrogen present in nitrogen gas after cryogenic distillation.

CO 흡착제의 상류("상류"라는 용어는 상기 흡착제 용기의 공급물 말단에 더 가깝게 위치하는 것을 의미한다)에 있는 H2O 및 CO2 제거 층의 크기는 정제될 기체 중 H2O 및 CO2 농도에 의존할 것이다. N2와 같은 비활성 기체는, 만일 산소를 함유한다면, ppm 수준의 O2를 함유할 수 있다. 따라서 CO 흡착제 및 촉매에서 CO 및 H2 제거를 위한 메카니즘은 흡착/화학적 흡착 및 흡수의 조합일 것이다. 흡착에 의해서만 CO를 제거할 경우, 전술한 도 4에 나타낸 바와 같이 선택적인 청정 층은 생략될 수 있다. 산소의 부재 하에, 산화 생성물 CO2 및 H2O는 형성되지 않을 것이므로, 도 3에 나타낸 선택적인 청정 층은 필요하지 않을 것이다. 본 발명의 방법은 극저온 시설에서 N2의 후 정제를 위해 사용될 수도 있다.The size of the H 2 O and CO 2 removal layers upstream of the CO adsorbent (the term “upstream” means closer to the feed end of the adsorbent vessel) means that the size of H 2 O and CO 2 in the gas to be purified It will depend on the concentration. An inert gas, such as N 2 , may contain ppm levels of O 2 if it contains oxygen. Thus, the mechanism for CO and H 2 removal in CO adsorbents and catalysts will be a combination of adsorption / chemical adsorption and absorption. If CO is removed only by adsorption, the optional clean layer can be omitted, as shown in FIG. 4 above. In the absence of oxygen, the oxidation products CO 2 and H 2 O will not be formed, so the optional clean layer shown in FIG. 3 will not be necessary. The process of the invention may also be used for the subsequent purification of N 2 in cryogenic facilities.

앞에서 지적한 바와 같이, 본 발명의 방법에서 사용되는 흡착제 베드/용기는 수직 유동 베드, 수평 유동 베드 또는 방사형 유동 베드와 같이 다양한 배열을 가질 수 있으며, 압력 변동 흡착 방식, 온도 변동 흡착 방식, 진공 변동 흡착 방식 또는 이들의 조합으로 수행될 수 있다.As pointed out above, the adsorbent bed / container used in the process of the present invention can have various arrangements, such as vertical flow bed, horizontal flow bed or radial flow bed, pressure swing adsorption, temperature swing adsorption, vacuum swing adsorption In a manner or a combination thereof.

본 방법에서 흡착제는 비드, 과립 및 압출물과 같은 다양한 기하학적 형태로 일련의 방법에 의해 형태화될 수 있다. 이는 당업자에게 공지된 방법으로 결합재를 제올라이트 분말에 첨가하는 것을 수반할 것이다. 상기 결합재는 흡착제의 강도를 맞추기 위해서도 필요할 수 있다. 결합재의 종류 및 형태화 과정은 공지되어 있고, 본 발명은 상기 흡착제 중 결합제의 종류 및 백분량에 어떠한 제한도 두지 않는다.In this method, the adsorbent can be shaped by a series of methods into various geometric shapes such as beads, granules and extrudates. This will entail adding the binder to the zeolite powder in a manner known to those skilled in the art. The binder may also be necessary to match the strength of the adsorbent. The type and morphology of the binder are known and the present invention does not place any limitation on the type and percentage of binder in the adsorbent.

CO 흡착제는 또한 공기로부터 일부 탄화수소 및 질소 산화물을 잠정적으로 흡착할 수 있을 것이다. 탄화수소의 완전한 제거를 보장하기 위해, 상기 CO 흡착제를 탄화수소 선택적 흡착제와 물리적으로 혼합할 수 있다. CO adsorbents may also potentially adsorb some hydrocarbons and nitrogen oxides from air. To ensure complete removal of the hydrocarbon, the CO adsorbent may be physically mixed with the hydrocarbon selective adsorbent.

본 발명에서 제시된 방법은 오염물 수준의 CO를 단독으로 또는 H2, H2O, CO2 , 탄화수소 및 N2O와의 조합으로 함유하는 임의의 기체의 청정을 위해 사용될 수 있다.The process presented herein can be used for the cleaning of any gas containing pollutant levels of CO alone or in combination with H 2 , H 2 O, CO 2 , hydrocarbons and N 2 O.

여기에서 사용되는 "포함하는"이라는 용어는 "포함하지만 이에 국한되지는 않는"다는 의미이고, 즉, 언급된 특징, 정수, 단계 또는 성분의 존재를 특정할 때 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 성분 또는 그들의 군의 존재 또는 첨가를 배제하지 않는다.The term "comprising" as used herein means "including but not limited to", ie one or more other features, integers, steps, when specifying the presence of a stated feature, integer, step or component, It does not exclude the presence or addition of ingredients or their groups.

본 발명의 구체적인 형태들을 단지 편의를 위해 하나 이상의 도면에 나타낸 바, 각각의 형태는 본 발명에 따라 다른 형태와 조합될 수 있다. 또다른 선택의 구현예가 당업자에게 인식될 것이고, 이는 청구항의 범위 내에 포함되도록 의도된다.













Specific forms of the invention are shown in one or more figures for convenience only, each of which can be combined with other forms according to the invention. Other alternative embodiments will be appreciated by those skilled in the art, which are intended to be included within the scope of the claims.













Claims (58)

0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량(working capacity)을 갖는 CO 흡착제 층을 함유하는 적어도 하나의 흡착 용기를 포함하고, 여기에서At least one adsorption vessel containing a CO adsorbent layer having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g, wherein a) 공급 기류가 질소, He, Ne, Ar, Xe, Kr, CH4 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유할 경우에, 상기 흡착제는 IB 족 원소의 양이온으로 이온교환된 제올라이트이거나;a) when the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of nitrogen, He, Ne, Ar, Xe, Kr, CH 4 and mixtures thereof, the adsorbent is a cation of a group IB element. Ion exchanged zeolites; b) 공급 기류가 산소, 공기 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유할 경우에, 상기 흡착제는 0 초과 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비를 갖는 제올라이트이며, Ag+ 또는 Au+로 이온교환된 것인,b) when the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of oxygen, air and mixtures thereof, the adsorbent is a zeolite having a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of greater than 0 and less than 20 Ion-exchanged with, Ag + or Au + , 50 ppm 미만의 양으로 CO를 함유하는 공급 기류로부터 CO를 제거하기 위한 흡착 장치.Adsorption apparatus for removing CO from a feed stream containing CO in an amount of less than 50 ppm. 제 1 항에 있어서, 수분 선택적 흡착제 층을 더 함유하며, 상기 수분 선택적 흡착제 층이 상기 CO 흡착제 층의 상류에 있는 흡착 장치.The adsorption apparatus of claim 1, further comprising a moisture selective adsorbent layer, wherein the moisture selective adsorbent layer is upstream of the CO adsorbent layer. 제 1 항에 있어서, H2를 H2O로 촉매 산화하기 위한 촉매 층을 더 포함하며, 상기 촉매 층이 상기 CO 흡착제 층의 하류에 있는 흡착 장치.The adsorption apparatus of claim 1, further comprising a catalyst layer for catalytic oxidation of H 2 to H 2 O, wherein the catalyst layer is downstream of the CO adsorbent layer. 제 3 항에 있어서, 수분의 제거를 위한 보조 흡착제를 더 함유하며, 상기 보조 흡착제가 상기 촉매 층의 하류에 있는 흡착 장치.4. The adsorption apparatus of claim 3, further comprising an auxiliary adsorbent for removal of water, wherein said auxiliary adsorbent is downstream of said catalyst bed. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, a) H2O 및 CO2 중 1종 이상의 흡착을 위한 상기 CO 흡착제의 상류에 있는 적어도 하나의 흡착제 층;a) at least one adsorbent layer upstream of said CO adsorbent for adsorption of at least one of H 2 O and CO 2 ; b) 상기 CO 흡착제 층의 하류에 있는 H2의 H2O로의 촉매 전환을 위한 촉매 층; 및b) the catalyst bed for catalytic conversion to H 2 O of H 2 in the downstream of the CO adsorbent layer; And c) 상기 촉매 층의 하류에 있는, H2O, CO2, N2O 및 탄화수소 중 1종 이상의 흡착을 위한 1종 이상의 추가 흡착제를 더 포함하는 장치.c) an apparatus further comprising at least one additional adsorbent for adsorbing at least one of H 2 O, CO 2 , N 2 O and hydrocarbons downstream of the catalyst bed. 공급 기류를 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제와 접촉시켜 CO 제거된 기류를 생성하는 것을 포함하며; 여기에서Contacting the feed air stream with a CO adsorbent having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g to produce a CO removed air stream; From here a) 상기 공급 기류가 질소, He, Ne, Ar, Xe, Kr, H2, CH4 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유할 경우에, 상기 흡착제는 IB 족 원소의 양이온으로 이온교환된 제올라이트이거나;a) when the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of nitrogen, He, Ne, Ar, Xe, Kr, H 2 , CH 4 and mixtures thereof, the adsorbent is group IB Zeolites ion exchanged with cations of elements; b) 상기 공급 기류가 산소, 공기 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유할 경우에, 상기 흡착제는 0 초과 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비를 갖는 제올라이트이며, Ag+ 또는 Au+로 이온-교환된 것인,b) when the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of oxygen, air and mixtures thereof, the adsorbent has a zeolite having a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of greater than 0 and less than 20 Is ion-exchanged with Ag + or Au + , 50 ppm 미만의 양으로 CO를 함유하는 공급 기류로부터 CO를 제거하기 위한 방법.A method for removing CO from a feed stream containing CO in an amount less than 50 ppm. 제 6 항에 있어서, CO가 100 ppb 미만의 농도로 존재하는 상기 CO 제거된 기류를 회수하는 것을 더 포함하는 방법.7. The method of claim 6, further comprising recovering the CO stripped air stream wherein CO is present at a concentration of less than 100 ppb. 제 6 또는 7 항에 있어서, 상기 공급 기류가 물(H2O)을 더 포함하고, 상기 공급 기류를 상기 CO 흡착제의 상류에 위치하는 수분 선택적 흡착제와 접촉시키는 것을 더 포함하는 방법.8. The method of claim 6 or 7, wherein the feed stream further comprises water (H 2 O) and further comprising contacting the feed stream with a moisture selective adsorbent located upstream of the CO adsorbent. 제 6 또는 7 항에 있어서, 상기 공급 기류가 수소를 더 포함하고, 상기 CO 제거된 공급 기류를 H2를 H2O로 촉매 산화하기 위한 촉매 층과 접촉시켜 H2는 제거되고 H2O가 풍부하게 된 기체를 생성하는 것을 더 포함하며, 상기 촉매 층은 상기 CO 흡착제 층의 하류에 위치하는 방법.The method of claim 6 or 7, wherein the feed stream is further comprising: a hydrogen, the CO that was removed feed stream is brought into contact with the catalyst layer to an oxidation catalyst for H 2 to H 2 O H 2 is removed and H 2 O is Producing a enriched gas, wherein the catalyst bed is located downstream of the CO adsorbent bed. 제 9 항에 있어서, 상기 H2O가 풍부한 기체를 수분 제거용 흡착제와 접촉시키는 단계를 더 포함하며, 상기 수분 제거용 흡착제 층은 상기 촉매 층의 하류에 위치하여 CO, H2 및 H2O가 제거된 기체를 생성하는 것인 방법.10. The method of claim 9, further comprising contacting the H 2 O-rich gas with a water removal adsorbent, wherein the water removal adsorbent layer is located downstream of the catalyst bed to form CO, H 2 and H 2 O. To produce a gas removed. 제 6 또는 7 항에 있어서, 상기 ΔCO 작업 용량이 0.03 mmol/g 이상인 방법.8. The method of claim 6 or 7, wherein said ΔCO working capacity is at least 0.03 mmol / g. 제 9 항에 있어서, 상기 수소 제거된 기체가 100 ppb 미만의 수소를 함유하는 방법.10. The method of claim 9, wherein said degassed gas contains less than 100 ppb hydrogen. 제 6 또는 7 항에 있어서, 상기 공급 기류가 질소, He, Ne, Ar, Xe, Kr, H2, CH4 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유하는 경우, 상기 CO 흡착제가 AgX, Ag-Mor, Cu-클리놉틸로라이트, AgA 제올라이트 및 AgY 제올라이트로 구성되는 군에서 선택되는 방법.8. The method of claim 6 or 7, wherein the feed stream further contains at least one gas selected from the group consisting of nitrogen, He, Ne, Ar, Xe, Kr, H 2 , CH 4 and mixtures thereof. Wherein said CO adsorbent is selected from the group consisting of AgX, Ag-Mor, Cu-clinoptilolite, AgA zeolite and AgY zeolite. 제 6 또는 7 항에 있어서, 상기 공급 기류가 공기, 산소 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 기체를 더 함유하는 경우, 상기 CO 흡착제는 AgX, Ag-Mor, AgA 제올라이트 및 AgY 제올라이트로 구성되는 군에서 선택되는 방법.8. The CO adsorbent according to claim 6 or 7, wherein the CO adsorbent further comprises at least one gas selected from the group consisting of air, oxygen and mixtures thereof, wherein the CO adsorbent is selected from AgX, Ag-Mor, AgA zeolite and AgY. Method selected from the group consisting of zeolites. 제 6 또는 7 항에 있어서, 상기 공급 기류가 공기를 함유하고, 상기 CO 제거된 기류가 극저온 증류 컬럼으로 보내지는 방법.8. The process according to claim 6 or 7, wherein the feed air stream contains air and the CO-removed air stream is sent to the cryogenic distillation column. 제 6 또는 7 항에 있어서, CO가 1 ppb 미만의 농도로 존재하는 상기 CO 제거된 기류를 회수하는 것을 더 포함하는 방법.8. The method of claim 6 or 7, further comprising recovering said CO removed air stream wherein CO is present at a concentration of less than 1 ppb. 제 6 또는 7 항에 있어서, 상기 공급 기류 중 CO 분압이 0.1 mmHg 미만인 방법.8. The process according to claim 6 or 7, wherein the partial pressure of CO in said feed stream is less than 0.1 mm Hg. 공급 기류를 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제와 접촉시켜 CO 제거된 기류를 생성하는 것을 포함하며, 상기 흡착제는 IB 족 원소의 양이온으로 이온교환된 제올라이트인, 50 ppm 보다 적은 양의 CO, 및 수소를 함유하는 공급 기류에서 CO를 제거하기 위한 방법.Contacting the feed air stream with a CO adsorbent having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g to produce a CO depleted air stream, the adsorbent being in an amount less than 50 ppm, which is a zeolite ion exchanged with a cation of a Group IB element. A method for removing CO from a feed stream containing CO and hydrogen. 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제 층을 함유하는 적어도 하나의 흡착 용기를 포함하고, 상기 흡착제는 IB 족 원소의 양이온으로 이온교환된 제올라이트인, 50 ppm 보다 적은 양의 CO, 및 수소를 함유하는 공급 기류에서 CO를 제거하기 위한 흡착 장치.At least one adsorption vessel containing a layer of CO adsorbent having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g, wherein the adsorbent is a zeolite ion exchanged with a cation of a Group IB element, less than 50 ppm of CO, and hydrogen Adsorption apparatus for removing CO from the feed stream containing the. 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제 층을 함유하는 적어도 하나의 흡착 용기를 포함하고, 상기 흡착제는 0 초과 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비를 갖는 제올라이트이며 Ag+ 또는 Au+로 이온-교환된 것인, 50 ppm 보다 적은 양의 CO를 함유하는 공기 공급 기류에서 CO를 제거하기 위한 공기 예비정화 흡착 장치.At least one adsorption vessel containing a CO adsorbent layer having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g, wherein the adsorbent is a zeolite having a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of greater than 0 and less than 20 and is an Ag + or Au + Air purifying adsorption apparatus for removing CO from an air feed air stream containing less than 50 ppm of CO, which is ion-exchanged. 제 20 항에 있어서, H2O 및 CO2 중 1종 이상의 흡착을 위해 상기 CO 흡착제의 상류에 적어도 하나의 흡착제 층을 더 포함하는 장치.The apparatus of claim 20 further comprising at least one adsorbent layer upstream of the CO adsorbent for adsorption of at least one of H 2 O and CO 2 . 제 20 또는 21 항에 있어서, 상기 CO 흡착제 층의 하류에 있는 H2를 H2O로 촉매 전환하기 위한 촉매 층, 및 H2O, CO2, N2O 및 탄화수소 중 1종 이상의 흡착을 위한 1종 이상의 추가 흡착제를 더 포함하며, 상기 추가 흡착제는 상기 촉매 층의 하류에 있는 장치.Claim 20 or according to 21, wherein the CO for conversion catalyst for H 2 in the downstream of the adsorbent layer with H 2 O catalyst layer, and H 2 O, CO 2, N 2 O and a hydrocarbon of 1 for the absorption or more species Further comprising at least one additional adsorbent, said further adsorbent downstream of said catalyst bed. 공급 기류를 흡착제 용기 중에서 0.01 mmol/g 이상의 ΔCO 작업 용량을 갖는 CO 흡착제와 접촉시켜 CO 제거된 기류를 생성하는 것을 포함하며, 상기 흡착제는 0 초과 20 미만의 SiO2/Al2O3 몰비를 갖는 제올라이트이며 Ag+ 또는 Au+로 이온-교환된 것인, 50 ppm 보다 적은 양의 CO, 및 공기를 함유하는 공급 기류에서 CO를 제거하기 위한 방법.Contacting the feed air stream with a CO adsorbent having a ΔCO working capacity of at least 0.01 mmol / g in the adsorbent vessel to produce a CO-depleted air stream, the adsorbent having a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of greater than 0 and less than 20 A method for removing CO in a feed stream containing less than 50 ppm of CO, and air, which is zeolite and ion-exchanged with Ag + or Au + . 제 23 항에 있어서, 상기 공급 기류를 H2O 및 CO2 중 1종 이상의 흡착을 위한 상기 CO 흡착제 상류에 있는 적어도 하나의 흡착제 층 상으로 통과시켜 H2O 또는 CO2 제거된 공급 기류를 생성하는 것을 더 포함하는 방법.24. The method of claim 23, wherein generating a feed gas stream at least one passing over the adsorbent layer, H 2 O or CO 2 removal in the feed gas stream to the CO adsorbent upstream for adsorbing at least one of H 2 O and CO 2 Further comprising. 제 23 또는 24 항에 있어서, 상기 공급 기류를 H2를 H2O 층으로 촉매 전환시키기 위한 상기 CO 흡착제 층의 하류에 있는 촉매 층, 및 H2O, CO2, N2O 및 탄화수소 중 1종 이상의 흡착을 위한 1종 이상의 추가 흡착제 상으로 통과시키는 것을 더 포함하며, 여기에서 상기 추가 흡착제는 상기 촉매 층의 하류에 존재하여 CO, H2, 및 H2O, CO2, N2O 및 탄화수소 중 1종 이상이 제거된 공급 기류를 생성하는 것인 방법.25. The catalyst bed of claim 23 or 24, wherein the feed stream is downstream of the CO adsorbent bed for catalytic conversion of H 2 to H 2 O bed, and 1 of H 2 O, CO 2 , N 2 O and hydrocarbons. Passing over at least one additional adsorbent for adsorption of at least one species, wherein the additional adsorbent is downstream of the catalyst bed to form CO, H 2 , and H 2 O, CO 2 , N 2 O and Wherein at least one of the hydrocarbons is removed to produce a feed stream. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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