NL8601692A

NL8601692A - Zuiveringsinrichting voor stikstof en werkwijze voor het zuiveren daarvan.

Info

Publication number: NL8601692A
Application number: NL8601692A
Authority: NL
Original assignee: Taiyo Sanso Co Ltd
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1987-01-16
Also published as: SE463149B; IT8620963A0; KR930006690B1; DE3621013C2; DE3621013A1; GB2177080A; JPS623006A; JPH0456763B2; NL192104C; GB8615619D0; FR2584062A1; NL192104B; IT1204420B; SE8602870L; SE8602870D0; FR2584062B1; GB2177080B; CA1300346C; BE904998A; KR870000237A

Description

VO 8238

Zuiveringsinrichting voor stikstof en werkwijze voor het zuiveren daarvan.

Stikstof is een bruikbaar gas dat steeds meer in vele sectoren van de industrie wordt gevraagd, met inbegrip van electronica, chemicaliën, ijzer- en staalfabricage en scheepsbouw. Een algemeen industrieel proces voor de bereiding van stikstof bestaat eruit herhaalde-5 lijk lucht door een compressor samen te persen en de samengeperste lucht adiabatisch te laten expanderen tot vloeibare lucht wordt verkregen, waarna deze aan hoge druk gefractioneerde destillatie wordt onderworpen en vloeibare stikstof met hoge zuiverheid wordt verkregen.

Het produkt wordt hetzij in vloeibare of gasvormige 10 vorm in cylinders gevuld en verhandeld.

Als typerend inherent gas wordt stikstof algemeen op de voornoemde gebieden toegepast om een atmosfeer voor de warmtebehandeling van metalen, voor de fabricage van halfgeleiders enz. te leveren. Voor gebruik bij superfijne microtechnieken, zoals in de electronica, moet het echter 15 onmiddellijk vóór gebruik nog verder worden gezuiverd. Voor grootschalig gebruik in industriële processen is het gebruikelijk vloeibare stikstof te verdampen en het verkregen gas door pijpleidingen te leveren. Het probleem is hier hoe men zo snel mogelijk onzuiverheden, zoals zuurstof, waterstof, koolmonoxyde, kooldioxyde, waterstof, koolwaterstof en water 20 uit de stikstofgas kan verwijderen.

Ter verwijdering van deze onzuiverheden en voor het zuiveren van stikstof tot een hoge zuiverheidsgraad zijn tot nu toe verschillende stikstofgas-reinigingsinrichtingen op de markt gebracht en gebruikt.

25 Eén van de aanvragers Taiyo Sanso Co., heeft sinds 1974 gaszuiveringstoe-stellen verkocht (modellen TIP -10, -30, -60, -100, -200, -300, -400 en -500). Bij deze en andere in de handel verkrijgbare gaszuiveringstoè-stellen worden oxydatiekatalysatoren van metaaloxyden, zoals nikkel, chroom en koper gebruikt om koolmonoxyde, koolwaterstoffen, waterstof 30 en dergelijke te oxyderen tot kooldioxyde en water en daarna de onzuiver- §501532 __ $_____» 2 heden door adsorptie met een zeoliet moleculaire zeef, actieve houtskool" en dergelijke te verwijderen. Aangezien eenvoudig zeer zuivere stikstof wordt verkregen zijn deze gaszuiveringstoestellen geschikt en gemakkelijk en derhalve algemeen in gebruik.

5 De onzuiverheden in het gas, dat door deze bestaande apparatuur is gezuiverd, zijn volgens de brochures van de fabrikant algemeen als volgt:

Bestanddeel Zuurstof Koolwaterstof Kooldioxyde Vocht dpm < 0,1 <0,1 <0,4 <0,5 (dauwpunt -80°C) 10 Voor dit doel is de toepassing van waterstof-insluitende legeringen, namelijk Ti-Mn, Ti-Fe en zeldzame aarde -Ni-legeringen in de Japanse Octrooipublicatie nr. 156308/1982 voorgesteld.

Men kan hiermee stikstof echter niet tot voorbij het bovengenoemde niveau zuiveren.

15 De commercieel verkrijgbare gaszuiveringsinrichtingen als boven vermeld zijn eenvoudig, gemakkelijk en efficiënt voor het verkrijgen van zeer zuiver stikstofgas.

Door de recente ontwikkelingen in de halfgeleiderindustrie waardoor steeds nauwkeurigere microtechnieken nodig zijn is echter stikstofgas 20 met nog betere zuiverheid voor de toekomstige produktie van hoog-ge-integreerde ketens vereist. In feite bestaat er reeds een sterke vraag naar zeer zuiver stikstofgas voor onderzoeksdoeleinden.

Het technische probleem waarop de onderhavige uitvinding is gericht is het verlagen van de huidige niveaus van onzuiver-25 heden volgens de bekende stand van de techniek tot nog veel lagere niveaus namelijk tot enkele delen per miljoen.

Er is een intensief onderzoek verricht naar middelen om stikstofgas zodanig te zuiveren dat zijn onzuiverheidsconcentraties vanuit de bovenvermelde bekende niveaus tot de grootte-orde van dpm worden 30 verlaagd. Gevonden is een inrichting en werkwijze waarmee men in staat is het op gebruikelijke wijze gezuiverde gas met hoge zuiverheid tot een nog veel betere zuiverheid te zuiveren.

De inrichting volgens de uitvinding bestaat uit een zuiveringsinrichting voor stikstof bestaande uit een buitenmantel voor-35 zien van een inlaat voor het te zuiveren stikstofgas, een uitlaat voor a so 1 ss2 3 het gezuiverde stikstofgas, een. gasstroompassage die de gasinlaat en uitlaat verbindt, tenminste een gasbinderkamer gepakt met een legering bestaande uit 15-30 gewichtsprocent ijzer en 85 - 70 gewichtsprocent zircoon, die in het midden in de gasstroompassage is opgesteld en een 5 verhitterorgaan om de gasbinder op de temperatuur waarbij deze functioneert te handhaven.

De werkwijze volgens de uitvinding is gebaseerd op een werkwijze voor het zuiveren van stikstof gekenmerkt doordat eerst op gebruikelijke wijze onzuiver stikstofgas wordt gezuiverd door het door 10 een bed van een metaaloxydekatalysator ter oxydatie bij een oxydatie-reactietemperatuur te passeren en daarna door een adsorbensbed van een zeoliet moleculaire zeef en dergelijke, waarna de resterende onzuiverheden door adsorptie uit het stikstofgas met lage zuiverheid worden verwijderd door dit verder door een gasbinderbed te passeren gepakt met een 15 gasbinder van een legering bestaande uit 15 - 30 gew.% ijzer en 85 - 70 gew.% zircoon, die op een temperatuur van 20 - 500°C wordt gehandhaafd.

Alsgasbinder ten gebruike in de uitvinding kan een legering bestaande uit 15 - 30 gew.% ijzer en 85 - 70 gew.% zircoon, als beschreven in het Amerikaanse Octrooischrift 4306887 worden gebruikt.

20 Met het oog op de eigenschap van de gasbinder bestaande uit de ijzer-zircoonlegering, die geen stikstof maar wel andere onzuiverheden selectief adsorbeert, is in het bijzonder een gasbinder gewenst bestaande uit een legering van 22 - 25 gew.% ijzer en 75 - 78 gew.% zircoon.

25 De gasbinder van een dergelijke ijzer-zircoonlegering is nagenoeg een niet-adsorbens voor stikstof maar adsorbeert vrijwel volledig en verwijdert onzuiverheden, zoals kooldioxyde, vocht en waterstof bij een temperatuur tussen 20 en 500°C.

Het is gewenst dat de ijzer-zircoonsamenstelling 15 - 30 30 gew.% ijzer en 85 - 70 gew.% zircoon bevat. Bij hogere zircoonpercenta-ges begint de legering significante hoeveelheden stikstof te sorberen, het gas dat men wenst te zuiveren en niet te sorberen, terwijl bij lagere percentages zircoon het rendement van de verwijdering (sorptie) van actieve gassen uit de stikstof aanzienlijk wordt verminderd.

35 Het is wenselijk dat de legering in de vorm van een in- termetallische verbinding wordt toegepast die gemakkelijk verpulverbaar 8501682

Ik _______ S 4.

4 is en gemakkelijk kan worden gehanteerd. Bovendien wordt het poedervormige materiaal door het verhoogde specifieke oppervlak actiever.

De werkwijze voor het bereiden van een dergelijke legering kan in het algemeen gelijk lopen met de procedures beschreven in 5 het Amerikaans Octrooischrift nr. 4312669 dat de bereiding van een ter-naire ijzer-zircoon-vanadiumlegering beschrijft.

Onder het vrijwel volgen van dezelfde procedure maar met weglating van de toevoeging van vanadium kan een gewenste legering worden gemaakt. In de handel verkrijgbare produkten gemaakt en verkocht 10 door SAES Getters S.p.A. Milaan, Italië, zijn voor dit doel geschikt

De. bineaire legeringsgetter wordt in tenminste één bedzone, voorzien in het midden in een gasstroompassage, die een inlaat voor onzuiver stikstofgas en een uitlaat voor het gezuiverde stik-stofgas van een buitenmantel verbindt aangebracht, 15 Het gasbinderbed wordt gecombineerd met een verhitter- orgaan verbonden met de buitenmantel om de gasbinder op zijn adsorptieve reactietemperatuur te houden, welke de essentiële onderdelen van de stikstof-zuiveringsinrichting volgens de uitvinding zijn.

Te zuiveren stikstof wordt door deze zuiveringsinrichting gepasseerd en 20 wel zodanig dat zijn onzuiverheden in contact worden gebracht met de gasbinder en door adsorptie worden verwijderd.

De in de kamer te pakken gasbinder heeft bij voorkeur de vorm van pellets in plaats van fijne deeltjes aangezien bij de eerste gemakkelijker voldoende tussenruimtes daartussen voor de gasstroom 25 aanwezig zijn. Tevens kan men met de gasbinder in de vorm van pellets met uniforme afmeting, in plaats van kleine klonten met onregelmatige grootte, gemakkelijker een constante lege-ruimte-verhouding in het gasbinderbed handhaven, de apparatuur ontwerpen en de rendementen reproduceren. Hoewel aldus in de gasbinder fijne deeltjes of kleine klonten 30 niet bezwaarlijk zijn heeft toepassing van een gepelletiseerde gasbinder, samengeperst uit het legeringspoeder, de voorkeur aangezien duidelijk beter wordt tegemoet gekomen aan de eisen van het industrieel ontwerpen en fabriceren van de stikstofgas-superzuiveringsinrichting.

Het in de inrichting van de uitvinding op te nemen ver-35 hitterorgaan, om de gasbinder heet genoeg te houden om de adsorptiereac- tie te laten plaatsvinden, kan verschillende vormen aannemen zoals later 8601 692 ..5-- * ί in samenhang met voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding zal worden toegelicht. De verhittingsmethode kan electrisch of indirect onder toepassing van een verhittingsmedium, dat in een dubbele wandstructuur wordt gecirculeerd, en dergelijke zijn. Tevens kan de verhittingszone 5 op een geschikte plaats worden gekozen, bijvoorbeeld in het gasvóórverhit-tingsgebied stroomopwaarts van het gasbinderbed of de kamer of rondom of binnen de gasbindezmassa. Aangezien voldoende verhitting gewenst is om een gemakkelijke adsorptiereactie van de gasbinder met het gas tot stand te brengen en een zo uniform mogelijke temperatuurverdeling 10 te produceren, kan de combinatie van de verhittingsmethode en zone zonodig worden gevarieerd om het beste dit doel te bereiken. Hoewel het mogelijk is dat de gasbinderkamer in de inrichting van de uitvinding in de buitenmantel wordt voorzien, bijvoorbeeld direct gepakt in de laatste, is de voorkeursopstelling zodanig dat het gasbinderbed bestaat uit 15 tenminste één patroon gepakt met het gasbindermateriaal, dat is aangepast om losneerabaar voor gemakkelijke vervanging te passen in de buitenmantel.

De gasbindercomponenten volgens deze uitvinding adsorberen en verwijderen onzuiverheden uit stikstofgas door chemische adsorp-20 tie waarin chemische veranderingen zijn betrokken. Zij worden derhalve stoechiometrisch verbruikt en hebben een beperkte levensduur. Na gebruik gedurende een voorafbepaalde periode moet de gasbinder door een nieuwe worden vervangen? anderszins zal het doel van het superzuiveren van stikstofgas niet meer worden bereikt. Voor dit doel kan de zuiverings-25 inrichting met inbegrip van de buitenmantel gepakt met de gasbinder als een enkele eenheid worden gehanteerd en als zodanig van tijd tot tijd worden vervangen. Het is tevens raogelijk in plaats daarvan de gasbinder in een patroon op te vullen en het patroon uit de buitenmantel te demonteren en op geschikte tijdsintervallen te vervangen. Het patroontype 30 is voor een grootschalige apparatuur praktischer.

Voor het patroon wordt gewenst gebruik gemaakt van een metalen huls die zodanig is geperforeerd dat de gasstroom wordt vergemakkelijkt.

Omdat de superzuiveringsinrichting van de uitvinding be-35 stemd is voor het zuiveren van stikstofgas tot de concentraties van elk van zijn ingrediënten als onzuiverheden tot 0,01 dpm of minder is gere- 8601 S92

ML

--------Jj

ί V

6 duceerd is het raadzaam dat het binnenwandgedeelte van de inrichting, waarmee het gezuiverde gas dat uit de gasbinderkamer ontwijkt, in aanraking komt gemaakt wordt uit een metaal waarvan het oppervlak zodanig is gepolijst dat het een kleine korrel heeft en glad genoeg is om 5 gasadsorptie minimaal te maken, terwijl evenmin door corrosie poeder zal worden gevormd. Dergelijke metalen omvatten bijvoorbeeld, maar zijn niet beperkt, tot roestvrijstaal-soorten en beschermde legeringen zoals Hastelloy, Incoloy en monelmetaal. Elk ander metaalmateriaal dat aan de bovenstaande eisen voldoet kan geschikt worden gekozen en toegepast. 10 Het gekozen metaal kan vóór het gebruik worden verhit of "gebakken" om het volume gas dat uit het metaalmateriaal zelf wordt afgegeven te verminderen.

Als boven vermeld is het wenselijk dat het binnenwand-materiaal van de inrichting, dat in contact komt met het gezuiverde 15 stikstofgas, een dicht en gladgepolijst oppervlak heeft om de gasadsorp tie minimaal te maken.

De gewenste graad van gladheid van het gepolijste oppervlak wordt numeriek gedefinieerd en is zodanig dat de ruwheid van het binnenwandopper-vlak bij het contact met stikstofgas 0,5 micrometer of bij voorkeur 0,25 20 micrometer of minder is, uitgedrukt in middellijn gemiddelde hoogte (R ) (Japanse Industriële norm (JIS)B 0601-1970) . Dit numerieke traject cl is niet altijd kritisch maar wordt als een betrouwbaar veilig traject aanbevolen.

Hoewel het gepolijste binnenwandmateriaal met voordeel 25 wordt toegepast in de zone waar het gas, dat uit de patroonkamer stroomt, mee in aanraking komt is het uiteraard ook mogelijk dit materiaal in de one te gebruiken waar het gas dat door het patroon stroomt mee in aanraking komt. In veel gevallen is het nogal ongemakkelijk het gepolijste materiaal alleen in een zone te gebruiken waar het gas, dat door het 30 patroon is gestroomd, daarmee in contact komt. Het polijsten en bakken van het oppervlak zal opmerkelijk de tijdsperiode, die nodig is alvorens sterk gezuiverd gas met constante snelheid wordt verkregen, verkorten, zelfs voor nieuwe apparatuur.

Het is duidelijk dat de uitvinding niet beperkt is tot 35 de specifieke uitvoeringsvormen en dat verscheidene modificaties kunnen worden aangebracht zonder buiten de uitvinding te treden.

§3 ί! 11 fö <£ V <r i y i * * 7

In de werkwijze van de uitvinding is het essentieel dat het te zuiveren stikstofgas door een bed van metaaloxyde-oxydatiekataly-sator bij zijn oxydatiereactietemperatuur wordt gepasseerd. Dit komt door het ontbreken van adsorbeerbaarheid van de gasbinder die in de 5 uitvinding wordt toegepast met betrekking tot methaan en andere koolwaterstoffen, zodat de koolwaterstoffen en koolmonoxyde, die in het stikstofgas aanwezig zijn, in water en kooldioxyde moeten worden omgezet en het merendeel daarvan door adsorptie door passage door een adsorbensbed van een zeoliet moleculaire zeef en dergelijke wordt verwijderd.

10 Het stikstofgas dat volgens het bekende zuiveringsproces tot lage onzuiverheidsniveaus is gezuiverd wordt door een basbinderbed gepasseerd gepakt met een gasbinder van een legering bestaande uit 15 -30 gew.% ijzer en 85 - 70 gew.% zircoon, die op een temperatuur in.het traject van 20 - 500°C wordt gehandhaafd zodat de onzuiverheden in de 15 stikstof worden weggeadsorbeerd.

Indien de reactietemperatuur waarbij de onzuiverheden uit het stikstofgas door adsorptie in het gasbinderbed worden verwijderd beneden 20°C ligt worden de onzuiverheden door het gasbinderoppervlak geadsorbeerd maar men kan niet verwachten dat zij in de gasbindermassa 20 diffunderen. Aldus komt de adsorptie praktisch tot staan in de verzadi-gingstoestand aan het oppervlak, zonder dat men volledig gebruik maakt van de capaciteit van de gasbinder. In het specifieke traject van 20 -500°C oefent de gasbinder een volledige adsorptie uit waardoor, onzuiverheden grondig daarin worden gediffundeerd. De schijnbare levensduur van 25 de gasbinder wordt aldus eveneens verlengd.

Wanneer daarentegen de temperatuur boven 500°C ligt wordt het stikstofgas gemakkelijk door de gasbinder geadsorbeerd. Aldus is het instellen van een reactietemperatuur hoger dan 500°C ongewenst.

Binnen het genoemde temperatuurtraject van 20 - 500°C heeft een nauw 30 traject van 350 - 450°C de meeste voorkeur.

De temperatuur in het laatste traject is de temperatuur die voor de reactie het meest kan worden aanbevolen aangezien daardoor een hogere adsorptiesnelheid en een hoge diffusie van de onzuiverheden in het bed van de gasbinder worden verkregen zonder de mogelijkheid tot waterstof-35 desorptie.

8601692

Hk . - - - i » 8

UITVOERINGSVORMEN

De uitvinding zal nu in meer bijzonderheden worden toegelicht in samenhang met uitvoeringsvormen daarvan.

Stikstofgas superzuiveringsinrichtingen volgens de uit-5 vinding worden geïllustreerd in figuren 1-9. Figuur 1 toont een stik-stofgaszuiveringsinrichting bestaande uit een buitenmantel 3 gemaakt van een roestvrijstalen buis (kwaliteit SUS 304 TP volgens de Japanse Industriële norm JIS G 3448) met een argongasinlaat 1 bij de top en een stikstofgasuitlaat 2 bij de bodem, welke mantel over het gehele oppervlak 10 is bedekt met een warmteisolerende mentel 12; een deksel 14 bevestigd boven de buitenmantel 3; een verhitter 6 die door het deksel 14 is ingebracht in de ruimte 25 binnen de mantel; een bed van gasbinder 4 gepakt in de ruimte vastgelegd onder verhitter 6 tussen boven- en onderbuffer 16, 15; en een geperforeerde plaat 7 gesteund door een drager 15 13 die op zijn beurt is bevestigd aan de binnenwand van de buitenmantel en het bed alsmede de geperforeerde plaat ondersteunt.

De toegepaste gasbinder was een ijzer (22 - 25 gew.%)-zircoon (75 - 78%) legeringsgasbinder vervaardigd en verhandeld door SAES Getters S.p.A., in de vorm van kolomvormige pellets met een diameter van 3 mm en een hoog-20 te van 4 mm.

De buffers aangegeven bij 16 en 17 bestaan elk uit een laag kleine aluminabolletjes met een diameter van 4 mm gepakt tot een hoogte van ongeveer 5 cm. Zij corrigeren elke eventuele niet-uniforme gasstroming door het gasbinderbed, voorkomen dat de fijne deeltjes van de 25 gasbinder worden verspreid en geven een uniforme temperatuursverdeling.

Hoewel in de beschreven uitvoeringsvorm gebruik wordt gemaakt van kleine aluminabolletjes bij het vormen van de buffers, kunnen in plaats daarvan ook kleine reostvrijstalen kogels of een stapeling van fijne mazen en roestvrijstalen mazen of schermen worden toege-30 past.

Tevens behoeven de buffers niet altijd te worden gebruikt; een bufferloze uitvoeringsvorm zal later worden beschreven.

In de bovendelen van de buffers 15, 16 zijn kokers 20, 19 ingebed die respectievelijk thermometers 17 en 28 bevatten. Chromel-35 Alumel thermokoppels worden als thermometers gebruikt.

Het te zuiveren stikstofgas 9 wordt in het vat via 86 0 1 SS Ê ✓ V * 9 inlaat 1 ingevoerd, door verhitter 6 verhit, door de bovenste buffer 16 geleid en vandaar als een uniforme stroom door een bed van de gasbinder 4 geleid waar het door adsorptie wordt bevrijd van onzuivere gassen. Het gezuiverde gas wordt door geperforeerde plaat 7 geleid en uit het vat 5 verwijderd door uitlaat 2.

Figuur 2 en de volgende figuren tonen andere uitvoeringsvormen van de uitvinding. In al deze figuren hebben gelijke delen gelijke cijfers en wordt de beschrijving daarvan weggelaten of voor elk daarvan zo kort mogelijk gemaakt.

10 Figuur 2 toont een zuiveringsinrichting met dezelfde constructie als de uitvoeringsvorm van figuur 2 met uitzondering dat een electrische verhitter 21 rondom de buitenmantel 3 is gewikkeld en een thermokoppel 22 is geïnstalleerd voor het meten van de verhittertempera-tuur.

15 Door deze modificatie wordt de temperatuurregeling van het gasbinderbed vergemakkelijkt.

Hoewel figuren 1 en 2 illustraties zijn van uitvoeringsvormen waarbij het bed 4 direct is gepakt in de buitenmantel 3, kan het bed eveneens afzonderlijk worden voorzien.

20 Figuur 3 toont een opstelling van patroon 5 waarbij de gasbinder 4 en buffers 15, 16 zijn opgenomen in één cilinder aan beide uiteinden uitgerust met geperforeerde platen 7. Na gebruik gedurende een bepaalde periode kan het patroon 5 worden weggenomen door het deksel 14 te verwijderen en een nieuw patroon in te brengen. Hierdoor is een meer 25 efficiënte behandeling mogelijk dan bij de opstellingen van figuren 1 en 2.

Figuur 4 toont een andere uitvoeringsvorm 11 waarin de buitenmantel een dubbelwandige constructie heeft, die bestaat uit een binnenwand 24 en een buitenwand 23. De ruimte tussen de wanden levert een 30 passage waardoor een verhittingsmedium, zoals stoom uit een verhittings-mediuminlaat 30 naar een uitlaat 31 vloeit,

In de ruimte die wordt vastgelegd door de binnenwand is een patroon 5 opgenomen dat een gasbinder 4 bevat, waarbij een wikkeling van een electrische verhitter 6 in de gasbinder is ingebed. De verhitter 6 is aan een ^ uitwendige spanningsbron, niet weergegeven, via draden 8 (waarvan er slechts een wordt getoond) en een contactdoos 10 bevestigd. Het patroon 8501 692 -------_£ ÉL: * *.

10 5 bevat inwendige en uitwendige poreuze wanden 26 die concentrisch in een onderlinge ruimtelijke verhouding worden vastgehouden door een drager 13. De binnenwand 24 van de buitenmantel steunt bij zijn onderkant tegen een bodemplaat met de flens 27, waardoor een gasinlaatpijp 1 en 5 uitlaatpijp 2 lopen. De pijp 2 dient tevens ter ondersteuning van patroon 5. Het te zuiveren stikstofgas 9 wordt door de inlaat 1 in de buitenruimte 25 gevoerd, daar tot een juiste temperatuur verhit en vandaar door de poreuze wand 26 in de gasbinderlaag 4 geperst voor zuivering . Het gezuiverde gas stroom weg in de inwendige ruimte 251 en wordt 10 afgevoerd via uitlaat 2.

Figuur 5 toont nog een andere uitvoeringsvorm van de superzuiceringsinrichting 11. De buitenmentel 3 heeft opnieuw een dubbelwandige constructie, waarbij daartussen een ruimte is gevormd waarin een verhittingsmedium, dat bij een inlaat 30 wordt ingevoerd, wordt gecir-15 culeerd en wordt afgevoerd bij een uitlaat 31 om temperatuurregeling tot stand te brengen. Binnen de inwendige wand is een patroon 5 opgesteld gepakt met een gasbinder 4 tussen geperforeerde platen. Aan beide kanten van het patroon zijn verhitters 6 opgesteld die op een uitwendige spanningsbron zijn aangesloten via draden 8. Onzuiver stikstofgas 9 20 wordt bij inlaat 1 toegevoerd, vóórverhit door het verhittingsmedium, gezuiverd door passage door gasbinderraassa 4, die op een gegeven temperatuur wordt gehouden door verhitters 6, en daarna via een uitlaat 2 afgevoerd.

Nog een andere uitvoeringsvorm van de zuiveringsinrich-25 ting 11 wordt in figuur 7 weergegeven. Door een cylindrische buitenmantel 3 wordt een patroon 5 gesteund door middel van boven en onderplaten (niet weergegeven). Het patroon 5 omvat een ingebouwde electrische verhitter 6 met draden 8 en een gasbindermassa 4 opgevuld in de ruimte tussen de geperforeerde boven- en onderplaten of bufferlagen, waarbij de 30 verhitter daartussen is ingebed.

Figuur 7 illustreert een andere inrichting 11 van de uitvinding. Een inwendige cylinder wordt geplaatst binnen een buitenmantel 3 die bestaat uit binnen- en buitenwanden en een warmtelsolator 12, die de ruimte tussen de wanden opvult. Een gasbinder 4 is in de ruimte 35 tussen de inwendige cylinder en de buitenmantel gepakt, terwijl electrische verhitter 6 rondom een keramische staaf 36 is gewikkeld en in de centrale ruimte in de inwendige cylinder wordt ingebracht. Het te zuive- 8601692 11 ren stikstof gas 9 trredt het vat bij inlaat 1 binnen, passeert door een gasbinder 4 waarbij het gezuiverde gas het vat bij uitlaat 2 verlaat.

Figuur 8 toont weer een andere uitvoeringsvorm die een modificatie van de superzuiveringsinrichting geïllustreerd in figuur 3 5 is en die wordt gekenmerkt door middelen voor het terugwinnen van de warmte van het gezuiverde stikstof. Het te zuiveren stikstofgas 9 treedt in warmtewisselaar 28 binnen, die onder het huis van de zuiveringsinrichting is geïnstalleerd, ondergaat warmteuitwisseling met het uitgaande gas waarbij het aldus voorverhitte gas door een pijp 29, omringd door 10 een warmtelsolator 12 , en door een bovenste inlaat 1 in hét bed van gasbinder 4 arriveert. Het gezuiverde gas wordt in de warmtewisselaar gekoeld en verlaat de zuiveringsinrichting bij de uitlaat 2.

Figuur 9 illustreert een andere uitvoeringsvorm.

De buitenmantel 3 is een dubbelwandige cylinder; het verhittingsmedium 15 wordt in de ruimte tussen de wanden ingevoerd bij inlaat 33 en afgevoerd via uitlaat 34. Binnen de buitenmantel 3 bevindt zich een gasdicht patroon 35. De ruimte in de patroonhuls is horizontaal door een veelvoud van geperforeerde platen 7 verdeeld waarbij een veelvoud van gasbinder-bedden 4 wordt gevormd, die elk de ruimte, gevormd door een paar van ge-20 perforeerde platen, opvult. In de bedden zijn electrische verhitters 6 ingebed, één per bed, met electrische aansluitdraden 37 en 38. Het te zuiveren stikstofgas 9 stroomt bij inlaat 1 naar binnen terwijl het gezuiverde gas bij uitlaat 2 wegstroomt.

Voorbeelden van de uitvinding waarbij een specifieke 25 asbindersamenstelling wordt gebruikt worden nu toegelicht. De voor de gasanalyses in de voorbeelden gebruikte instrumenten waren de volgende:

Gasanalyse-instrument:

Gaschromatografie-massaspectrometer, model TE-360 30 B (vervaardigd door Anelca Corp.).

Vochtmeter:

Hygrometer, model 700 (vervaardigd door Panametric

Corp.)

Oppervlakteruwheidsmeter: 35 Surfcorder, model SE-3H (vervaardigd door Kosaka Labo ratory Co., Ltd.) 8601532 ______^ 12

Voorbeeld I

Een niet-verdampbare getterlegeringspoeder met een ge-wichtssamenstelling van 76,6% zircoon en 23,4% ijzer en een deeltjesgrootte tussen 50 en 250 micrometer werd in de superzuiveringsinrichting 5 voor stikstof weergegeven in figuur 1 gebracht. De roestvrijstalen (handelsaanduiding SUS 304) cylinder had een buitendiameter van 21,7 mm en een binnendiameter van 17,5 mm, bij een lengte van 350 mm. De lengte van de cylinder ingenomen door het gasbindermateriaal was 200 mm terwijl de hoogtes van de boven- en onderbuffers van de aluminabolletjes 5 cm 10 elk waren. Onzuiver stikstofgas werd in de superzuiveringsinrichting bij een temperatuur van 25 °C en een overdruk van 6 kg/cm2 (bij een stroomsnelheid van 0,17 1/min ingevoerd. De stikstof stroomde door het bed dat op 375 °C werd gehouden en trad bij een overdruk van 4 kg/cm* uit de uitlaat. Het onzuiverheidsniveau werd voor verschillende gassen 40 mi-15 nuten na het begin van de gas stroom gemeten. De resultaten van Tabel A werden verkregen.

TABEL A

Onzuiver- Onzuiverheids- Onzuiverheidsniveau heid niveau inlaat uitlaat (dpm) _(dpm)_ 20 02 0,4 0,006 ch4 0,01 0,01 CO 0,06 0,008 C02 0,04 0,007 H_0 3,0 geen spoor a 25 Het niveau van onzuiverheden in het uitlaatgas bleef gedurende 1030 uur constant.

Voorbeeld II

Er werden pellets geproduceerd met een diameter van 3 mm en een hoogte van 4 mm door een niet-verdampbare getterlegering 30 met een samenstelling en deeltjesgrootte identiek aan die van de legering van voorbeeld I samen te persen en te pelletiseren. De pellets werden in een super-zuiveringsinrichting volgens figuur 2 geladen. De roestvrijstalen (SUS 304) cylinder had een buitendiameter van 89,1 mm bij een binnendiameter van 83,1 mm. De lengte daarvan was 660 mm. De lengte 35 van de cylinder bezet door de pellets van het gasbindermateriaal met inbe- 860 1 63.2 13 grip van de diktes van de boven- en onderbuffers (van aluminabolletjes) elk met een bedhoogte van 5 cm, was 185 mm. Er werd onzuivere stikstof in de superzuiveringsinrichting ingevoerd bij een temperatuur van 25 °C en een overdruk van 4 kg/cm2 bij een stroomsnelheid van 12 1/min. De 5 onzuivere stikstof vloeide door het niet-verdampbare bed dat op een temperatuur van 375°C werd gehouden door middel van een weerstandspiraal-verhitter en trad uit bij een overdruk van 3,95 kg/cm2 uit de uitlaat.

Het onzuiverheidsniveau werd voor verschillende gassen 40 minuten na de start van de stikstofstroming gemeten.

10 De verkregen resultaten worden in tabel B aangegeven.

TABEL B

Onzuiverheid Onzuiverheidsniveau Onzuiverheidsniveau . _inlaat (dpa) _ uitlaat (dpm) _ 02 11,29 0,006 ch4 0,01 0,01 15 CO 8,8 0,008 C02 8,3 0,007 H20 5,0 geen spoor

Het niveau van de onzuiverheden in het uitlaatgas bleef gedurende 760 uur constant.

20 Voorbeeld III

Er werden zoals in voorbeeld II pellets geproduceerd die in het patroon weergegeven in figuur 3 werden aangebracht. Het patroon had een buitendiameter van 80 mm, een binnendiameter van 78 mm en een lengte van 244 mm. Dezelfde massa pellets als in voorbeeld II werd 25 toegepast. Het patroon werd daarna in een cylinder geplaatst die identiek was aan die van voorbeeld II (Met uitzondering dat zijn lengte 719 mm was). Men liet de onzuivere stikstof door de superzuiveringsinrichting bij dezelfde inlaatdruk, temperatuur en stroomsnelheid als beschreven in voorbeeld II stromen. Het patroon werd op 375 °C gehouden. De 30 uitlaatgasdruk en de samenstelling bleken identiek te zijn aan die aan-getroffen in voorbeeld II op het tijdstip 40 minuten na het begin van de stikstofstroming.

Het niveau van onzuiverheden in het uitlaatgas bleef opnieuw gedurende 760 uur constant.

3δδ1 692 Λ * * 14

Voorbeeld IV

In dit voorbeeld werd de procedure van voorbeeld II geheel gevolgd met uitzondering dat de ruwheid van het inwendige oppervlak van de cylinder R =0,5 micrometer was (normaal R =2,5 microme-

cl cL

5 ter) terwijl de roestvrijstalen uitlaatpijp een buitendiameter van 9,5 mm, een binnendiameter van 7,5 mm en een inwendigeoppervlakteruwheid van R =0,2 micrometer had. a

De in tabel C aangegeven resultaten werden 40 minuten na het begin van de stikstofstroming verkregen.

10

TABEL C

Onzuiverheid Onzuiverheidsniveau Onzuiverheidsniveau _ inlaat (dpm)_uitlaat (dpm)_ 02 11,29 0,003 ch4 0,01 0,01 15 CO 8,8 0,008 C02 8,3 0,003 H20 5,0 geen spoor

Het niveau van de onzuiverheden in het uitlaatgas bleef gedurende 760 20 uur constant.

Voorbeeld V

In dit voorbeeld werd het te zuiveren stikstofgas eerst gepasseerd door een roestvrijstalen (SUS 304) cylinder met een buitendiameter van 89,1 mm, een binnendiameter van 83,1 mm en een lengte 25 van 660 mm gevuld tot een bedhoogte van 185 mm met pellets (3 mm diameter en 4 mm lengte) en op een temperatuur van 450°C gehouden.

Daarna werd het waterdampgehalte van het te zuiveren stikstofgas verminderd door dit door een drooginrichting te passeren bestaande uit een roestvrijstalen (SUS 304) cylinder met een buitendiameter van 89,1 mm, 30 een binnendiameter van 83,1 mm en een lengte van 660 mm, tot een bedhoogte van 200 mm gevuld met een moleculaire zeef type 5-A, waarvan de pelletafmeting 3,2 mm dwars en 24 mm lang bedroeg.

Dit gas werd volgens de procedure van voorbeeld II behandeld. De uit-laatdruk uit het droogbed en derhalve de inlaatdruk naar de superzuive-35 ringsinrichting was 4 kg/cm2 (overdruk). De temperatuur werd gevarieerd om het effect van verschillende gasbindertemperaturen waar te nemen.

De resultaten worden in tabel D weergegeven.

88G1632 ♦ ~ 15

TABEL· D

Onzuiverheidsniveau Onzuiverheidsniveau uitlaat inlaat (dpi) (dpm) bij temperatuur

_20 °C_ 250 °C_375°C_500°C

02 11,29 0,006 0,006 0,006 0,004 5 CH4 3,7 0,009 0,009 0,009 0,009 CO 8,8 0,008 0,008 0,008 · 0,004 C02 8,3 0,007 0,007 0,007 0,004 H2Ö 5,0 geen spoor geen spoor geen spoor geen spoor

Uitlaatgas 10 constant 21 uren 1050 uren 2330 uren 2390 uren gedurende

Energieverbruik gasbindercyl. 0 0,61 kw/uur 1,1 kW/uur 1,7 kw/uur

De tabel toont aan dat de gasbinder van de uitvinding ^ een uitstekende zuiveringscapaciteit in het temperatuurtraject van 20 -500°C vertoont.

Voorbeelden VI en VII .

Er werden pellets met een diameter van 3 mm en een lengte van 4 mm geproduceerd door het samenpersen van niet-verdampbaar gas-20 binderpoeder bestaande uit een legering van Zr 84% en Fe 16% (gewichts-procent) (voorbeeld VI) en een legering van Zr 71% en Fe 20% (gewichts-procent) (voorbeeld VII) met deeltjesgroottes van 50 - 250 micrometer (150 micrometer gemiddeld). Deze pellets worden in een superzuiverings-inrichting met dezelfde opbouw als in voorbeeld II geladen. Het stikstof-25 gas met onzuiverheden werd in de superzuiveringsinrichting ingevoerd bij een temperatuur van 25 °C, een overdruk van 4 kg/cm2 en een stroomsnelheid van 12/min.

Het onzuiverheden-bevattende stikstofgas werd door het bed van de niet-verdampbare gasbinder gepasseerd die op een temperatuur van 375°C werd 30 gehouden door middel van een weerstandsspiraal en kwam uit de uitlaat te voorschijn bij een overdruk van 3,95 kg/cm2.

Het onzuiverheidsniveau werd 40 minuten na de start van de stroming van het stikstofgas gemeten, waarvan de resultaten in tabel E worden aangegeven.

8601692 k 35 16

TABEL E

Gas Onzuiverheid Onzuiverheid uitlaat

inlaat Voorbeeld VI Voorbeeld VII

_(dpm)_(dpm)_(dpm)_ 0 11,29 0,003 0,01 5 ch4 0,01 0,01 0,01 CO 8,8 0,005 0,009 C02 8,3 0,005 0,01 H^O 5,0 geen spoor geen spoor

De uitlaatonzuiverheidsniveaus waren gedurende respec-10 tievelijk 960 rn 690 uren constant.

8601 692

Claims

1. Zuiveringsinrichting voor stikstof bestaande uit een buitenmantel voorzien van een inlaat van het te zuiveren stikstofgas, een uitlaat voor het gezuiverde stikstofgas, een gasstroompassage die de gasinlaat en uitlaat verbindt, tenminste één gasbinderkamer gepakt met 5 een gasbinder van een legering bestaande uit 15,30 gew.% ijzer en 85-70 gew.% zircoon en ca. in het midden in de gasstroompassage opgesteld, alsmede een verhitterorgaan om de gasbinder op de temperatuur waarbij deze gewenst functioneert te handhaven.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 10 genoemde legering die in genoemde kamer wordt gebruikt de vorm heeft van pellets gemaakt door het samenpersen en pelletiseren van ijzer-zircoon-legeringspoeder,

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde legering ten gebruike als de. gasbinder uit 22 - 25 gew.% ijzer 15 en 75 - 78 gew.% zircoon bestaat.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde legering ten gebruike als de gasbinder een intermetallische verbinding van ijzer en zircoon is.

5. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 20 voomoemde kamer tenminste één patroon omvat gepakt met genoemde gasbinder en dat genoemd patroon losneembaar in genoemde buitenmantel is geïnstalleerd zodanig dat dit gemakkelijk door een nieuwe kan worden vervangen.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat 25 elk genoemde patroon bestaat uit een geperforeerde metalen houder gepakt met genoemde gasbinder.

7. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het inrichtingsmateriaal, waarmee het stikstofgas in aanraking komt, zodanig is dat het binnenwandoppervlak waarmee het gas in aanraking komt 30 is gepolijst tot een oppervlakteruwheid (R ) van 0,5 micrometer of minder, d uitgedrukt in de middellijn gemiddelde hoogte aangegeven door de gemiddelde amplitude over de gehele meetsectie.

8. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 8601692 Ifc - ______é * =* daaraan een vóórbehandelingseenheid ter verwijdering van koolwaterstoffen is toegevoegd.

9. Inrichting volgens conclusie 8, gekenmerkt doordat genoemde vóórbehandelingseenheid, die wordt gebruikt voor het verwijderen 5 van koolwaterstoffen, bestaat uit een oxydatieorgaan voorzien met een bed van een metaaloxydekatalysator voor oxydatie, waardoor het stikstof-gas moet passeren, en een adsorptieorgaan voorzien met een adsorbensbed van zeoliet moleculaire zeef en dergelijke, waardoor het stikstofgas, dat water, koolmonoxyde, kooldioxyde en andere onzuiverheden geproduceerd door 10 de oxydatiereactie bevat, moet passeren.

10 IV. het passeren van het onzuiverheden-bevattende stik stofgas door de gasbinderkamer waardoor het onzuiverheden-bevattende stikstofgas met dit materiaal in aanraking komt en onzuiverheden uit het onzuiverheden-bevattende stikstofgas worden gesorbeerd onder vorming van een gezuiverd stikstofgas en

10 A. een buitenmantel met een gasinlaat en een gasuitlaat; B. een gasstroompassage binnen de buitenmantel, welke gasstroompassage vanaf de gasinlaat naar de gasuitlaat loopt waardoor er een fluxdum-communicatie tussen gasinlaat en de gasuitlaat wordt geleverd;

15 C. een patroon dat losneembaar in de gasstroompassage in de buitenmantel is gemonteerd, welk patroon bestaat uit een geperforeerde metalen houder gepakt met een gasbindermateriaal, welk materiaal bestaat uit een legering van 22 - 25 gew.% ijzer en 75 - 78 gew.% zircoon en welk materiaal de vorm heeft van kolomvormige pellets 20 met een diameter van bij benadering 3 mm en een hoogte van 4 mm, en D. een verhittingsorgaan voor het op een temperatuur van 350 - 450°C handhaven van het gasbindermateriaal.

10. Werkwijze voor de verregaande zuivering van stikstof, gekenmerkt door de trappen van het zuiveren van het te zuiveren stikstof door de gebruikelijke gaszuiveringsmethode van het passeren van onzuiver stikstofgas door een bed van een metaaloxydekatalysator voor oxy- 15 da tie bij een oxydatiereactietemperatuur en het daarna passeren van het gas door een absorbensbed van zeoliet moleculaire zeef en dergelijke, waarna de resterende onzuiverheden door adsorptie uit het stikstofgas met laag onzuiverheidsnibeau worden verwijderd door dit verder door een gasbinderbed gepakt met een gasbinder bestaande uit een legering van 20 15 - 30 gew.% ijzer en 85 - 70 gew.% zircoon gehandhaafd op een tempera tuur van 20 - 500°C, te passeren.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat een gasbinderbed wordt gebruikt met een gasbinder bestaande uit een legering van 15 - 30 gew.% ijzer en 85 - 70 gew.% zircoon, die op een tempera- 25 tuur van 350 - 450°C wordt gehouden.

12. Zuiveringsinrichting voor het zuiveren van onzuiverhe-den-bevattend stikstofgas welke bestaat uit: A. een buitenmantel met een gasinlaat waardoor het onzuiverheden-bevattende stikstofgas de zuiveringsinrichting binnentreedt 30 en een gasuitlaat waardoor het gezuiverde stikstofgas de zuiveringsinrichting verlaat; B. een gasstroompassage binnen de buitenmantel die zich vanaf de gasinlaat naar de gasuitlaat uitstrekt, waardoor een fluïdum-communicatie tussen de gasinlaat en de gasuitlaat wordt geleverd;

35 C. een gasbinderkamer in de gasstroompassage tussen de gasinlaat en de gasuitlaat; 8601S92 D. een gasbindermateriaal voorzien in de gasbinderkamer, welk materiaal een legering van 15-30 gew.% ijzer en 85 - 70 gew.% zircoon is en E. een orgaan voor het verhitten van het gasbinder- 5 materiaal en het handhaven van het materiaal op een temperatuur waarbij het materiaal selectief onzuiverheden uit het onzuiverheden-bevattende stikstof gas sorbeert zonder stikstof te sorberen.

13. Zuiveringsinrichting voor het verregaand zuiveren van een onzuiverheden-bevattend stikstofgas, welke inrichting omvat:

14. Werkwijze voor het zuiveren van een onzuiverheden-bevat tend stikstofgas bestaande uit de volgende trappen:

25 I. het voorzien van een zuiveringsinrichting bestaande uit A. een buitenmantel met een gasinlaat waardoor het onzuiverheden-bevattende stikstofgas de inrichting binnentreedt en een gasuitlaat waardoor een gezuiverd stikstof de inrichting verlaat;

30 B. een gasstroompassage binnen de buitenmantel die van de gasinlaat naar de gasuitlaat loopt waardoor er een fluldumverbinding tussen de gasinlaat en de gasuitlaat wordt geleverd; C. een gasbinderkamer opgesteld in de gasstroompassage tussen de gasinlaat en de gasuitlaat;

35 D. een gasbindermateriaal voorzien in de gasbinderkamer welk materiaal bestaat uit een legering van 15 - 30 gew.% ijzer en 85 -

860. SS?. *· ____1__é 70 gew.% zircoon; E. een orgaan voor het verhitten van het gasbinderma-teriaal en het handhaven van dit materiaal op een temperatuur waarbij dit materiaal selectief onzuiverheden uit het onzuiverheden-bevattende stik-5 stofgas sorbeert zonder stikstof te sorberen en II. het verhitten van het gettermateriaal tot een temperatuur van 350 - 450°C; en III. het introduceren van het onzuiverheden-bevattende stikstofgas in de zuiveringsinrichting via de gasinlaat; en

15 V. het verzamelen van het gezuiverde stikstofgas, dat de zuiveringsinrichting via de gasuitlaat verlaat. 8601692