RU2501593C2 - Очистка потока газа - Google Patents

Очистка потока газа Download PDF

Info

Publication number
RU2501593C2
RU2501593C2 RU2011109002/05A RU2011109002A RU2501593C2 RU 2501593 C2 RU2501593 C2 RU 2501593C2 RU 2011109002/05 A RU2011109002/05 A RU 2011109002/05A RU 2011109002 A RU2011109002 A RU 2011109002A RU 2501593 C2 RU2501593 C2 RU 2501593C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
absorbent
gas stream
pressure
gas
propane
Prior art date
Application number
RU2011109002/05A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2011109002A (ru
Inventor
Эндрю Джеймс СИЛИ
Роберт Брюс ГРАНТ
Original Assignee
Эдвардс Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Эдвардс Лимитед filed Critical Эдвардс Лимитед
Publication of RU2011109002A publication Critical patent/RU2011109002A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2501593C2 publication Critical patent/RU2501593C2/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/506—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification at low temperatures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/52—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with liquids; Regeneration of used liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0228—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream
    • F25J3/0252—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/08—Separating gaseous impurities from gases or gaseous mixtures or from liquefied gases or liquefied gaseous mixtures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2252/00—Absorbents, i.e. solvents and liquid materials for gas absorption
    • B01D2252/20—Organic absorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/10—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16—Hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/55—Compounds of silicon, phosphorus, germanium or arsenic
    • B01D2257/553—Compounds comprising hydrogen, e.g. silanes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/02—Other waste gases
    • B01D2258/0216—Other waste gases from CVD treatment or semi-conductor manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0415—Purification by absorption in liquids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/30—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/10—Hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2280/00—Control of the process or apparatus
    • F25J2280/10—Control for or during start-up and cooling down of the installation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Gas Separation By Absorption (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

По меньшей мере, одну газообразную примесь, например силан, удаляют путем абсорбции из поступающего потока газа, например потока газа, содержащего азот и водород, каковая газообразная примесь обладает меньшей летучестью, чем поступающий поток газа. Абсорбирование проводят переохлажденным жидким абсорбентом при первой криогенной температуре и первом давлении. Типичным абсорбентом является пропан. Абсорбирование может быть осуществлено в колонне (130) газожидкостного контакта. Абсорбент, содержащий примесь, может быть регенерирован в регенерационном резервуаре 150 и возвращен в колонну (130). 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для удаления, по меньшей мере, одной газообразной примеси из поступающего потока газа, каковая газообразная примесь обладает меньшей летучестью, чем газ, из которого ее нужно удалить.
Имеется много различных способов очистки потоков газа. Эти способы включают отделение примеси или примесей при помощи адсорбции при переменном давлении, на полупроницаемых мембранах и путем ректификации. Также известен способ абсорбирования примесей растворителем при комнатной температуре. К другим способам очистки относится конденсация или вымораживание примесей из поступающего потока газа. В некоторых из этих способов нужно использовать специальные материалы, например, селективные адсорбенты, мембраны или абсорбенты. Эти и другие способы также могут быть сопряжены с существенным энергопотреблением для сжатия поступающего потока газа или для получения потока регенерационного газа для продувки или удаления иным образом примесей из резервуара или резервуаров, в которых эти примеси высвобождаются из поступающего потока газа.
Следовательно, все еще существует потребность в новых способах и устройствах очистки газа. Например, при производстве элементов солнечной батареи образуется отходящий поток газа, содержащий водород, загрязненный силаном (SiH4) и, возможно, также фосфином (РН3) и бораном (В2Н6). Обычно в этом отходящем потоке газа примеси присутствуют в количестве порядка 1-2 об.%.
Целью настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для удаления, по меньшей мере, одной газообразной примеси из поступающего потока газа, каковая газообразная примесь обладает меньшей летучестью, чем поступающий поток газа.
В соответствии с настоящим изобретением им обеспечивается способ удаления, по меньшей мере, одной газообразной примеси из поступающего потока газа, каковая газообразная примесь обладает меньшей летучестью, чем поступающий поток газа, каковой способ включает абсорбирование указанной газообразной примеси переохлажденным жидким абсорбентом при первой криогенной температуре и первом давлении и получение, тем самым, очищенного потока газа.
Настоящим изобретением также обеспечивается устройство для осуществления способа, определяемого в предыдущем абзаце, каковое устройство включает, по меньшей мере, одну колонну газожидкостного контакта, предназначенную для приведения в тесный контакт газовой фазы и жидкой фазы, входное отверстие колонны для поступающего потока газа, подлежащего очистке, каковой поступающий поток газа содержит, по меньшей мере, одну газообразную примесь, обладающую меньшей летучестью, чем поступающий газ, первый теплообменник для переохлаждения жидкого абсорбента до первой криогенной температуры, распределительное устройство, размещенное в колонне, для переохлажденного абсорбента и выходное отверстие для очищенного потока газа.
Обычно абсорбент переохлаждают до температуры, при которой давление его паров меньше 1 мм рт. ст. (133,3 Па). Это сводит к минимуму попадание паров абсорбента в поступающий поток газа.
Выбор абсорбента зависит от состава поступающего потока газа и примесей. Примеси могут включать, по меньшей мере, один газообразный гидрид, например, силан. В примере удаления примесей силана из водорода абсорбентом может быть пропан. В этом примере первая криогенная температура обычно лежит в диапазоне от точки замерзания пропана при первом давлении до минус 140°С, предпочтительно, в диапазоне от минус 170°С до минус 150°С. Вообще, чем ниже первая криогенная температура, тем больше удельная поглощающая способность абсорбента по отношению к растворенному силану. Считается, что примерно 99,9% силана, присутствующего в поступающем потоке газа, может быть удалено при первой криогенной температуре, равной примерно минус 170°С.
Первое давление, обычно и удобно, равно атмосферному давлению.
Пропан также может быть использован в качестве абсорбента для удаления из водорода фосфина (РН3) и борана (В2Н6).
Абсорбент, содержащий абсорбированные примеси, желательно регенерировать, после чего он может быть возвращен для повторного абсорбирования. Абсорбент можно регенерировать путем его нагревания до второй криогенной температуры, которая выше первой криогенной температуры, при втором давлении обычно меньшем, чем первое давление. В типичной конфигурации абсорбент, содержащий абсорбированные примеси, непрерывно отбирают, одну часть отобранного абсорбента непрерывно рециркулируют для нового контакта с поступающим потоком газа, а вторую часть отобранного абсорбента непрерывно направляют на регенерацию.
Первое давление обычно равно атмосферному давлению, второе давление может быть достигнуто при помощи вакуумного насоса. Если нужно избежать разрежения, регенерация абсорбента может быть осуществлена при втором давлении, равном первому давлению, и второй криогенной температуре, более высокой, чем первая криогенная температура, путем пропускания потока отдувочного газа через абсорбент, содержащий абсорбированные примеси. Поток отдувочного газа может содержать, например, азот или водород.
Поток поступающего газа, предпочтительно, перед абсорбированием примесей предварительно охлаждают. Предварительное охлаждение осуществляют посредством (косвенного) теплообмена с очищенным потоком газа. С этой целью может быть использован второй теплообменник или регенератор.
Колонна газожидкостного контакта может содержать насадку, повышающую эффективность контакта газовой фазы и жидкой фазы. Насадка может представлять собой структурированную насадку или неупорядоченную насадку.
Регенерация абсорбента, содержащего абсорбированные примеси, неизбежно приводит к потерям некоторого количества абсорбента. Эти потери можно сдержать, если проводить абсорбцию примесей за две обособленные стадии, при этом на первой стадии образуется частично очищенный поток газа, абсорбент после первой стадии регенерируют и используют этот регенерированный абсорбент на второй стадии для завершения очистки поступающего потока газа. Поскольку на первой стадии образуется только частично очищенный поток газа (обычно происходит удаление от 85 до 95% общего количества указанной примеси), на первой стадии можно использовать меньше абсорбента, чем при одностадийном способе, следовательно, меньше абсорбента поступает на регенерацию, таким образом, становится возможным уменьшить потери абсорбента.
Таким образом, устройство, соответствующее настоящему изобретению, может включать первую колонну газожидкостного контакта, в которой имеется входное отверстие для поступающего потока газа, подлежащего очистке, распределительное устройство для переохлажденного абсорбента, первое выходное отверстие для частично очищенного потока газа, соединенное со второй колонной газожидкостного контакта, и второе выходное отверстие для абсорбента, содержащего абсорбированную примесь, соединенное отдельно с распределительным устройством и с регенерационной колонной, в которой происходит высвобождение абсорбированной примеси из указанного абсорбента, содержащего абсорбированную примесь; во второй колонне газожидкостного контакта имеется входное отверстие для частично очищенного потока газа, распределительное устройство для переохлажденного абсорбента, первое выходное отверстие для очищенного потока газа и второе выходное отверстие для абсорбента, содержащего абсорбированную примесь, каковое распределительное устройство второй колонны газожидкостного контакта соединено и со вторым выходным отверстием второй колонны газожидкостного контакта, и с выходным отверстием для регенерированного абсорбента регенерационной колонны.
Переохлаждение абсорбента осуществляют, предпочтительно, посредством теплообмена с соответствующей теплообменной средой. Типичной теплообменной средой является азот при надлежащей криогенной температуре. Постольку температура кипения жидкого азота при атмосферном давлении составляет приблизительно минус 196°С, тогда как абсорбент вообще используют при более высокой температуре, чем эта теплообменная среда может быть получена путем смешивания жидкого азота с перегретым испарившимся азотом. Типично теплообмен может быть осуществлен в нижней части указанной колонны газожидкостного контакта или вовне указанной колонны газожидкостного контакта.
Если второе давление, которое представляет собой давление, при котором регенерируют абсорбент, ниже, чем первое давление, то есть давление, при котором указанная примесь абсорбируется из поступающего потока газа, давление регенерированного абсорбента может быть увеличено перед его возвращением в указанную колонну газожидкостного контакта. С этой целью может быть использован насос с механическим приводом. В качестве альтернативы, регенерированный абсорбент может быть направлен в резервуар временного хранения, в котором его давление увеличивают (до значения, пригодного для возврата абсорбента в колонну газожидкостного контакта) посредством естественного или принудительного испарения абсорбента.
Способ и устройство, соответствующие настоящему изобретению, могут быть использованы для очистки водорода путем удаления, например, примесей силана, борана и фосфина до стандартного уровня, при котором очищенный водород пригоден для использования в качестве топлива в топливных элементах типа РЕМ (Polymer Electrolyte Membrane - мембранный топливный элемент с полимерным электролитом).
Далее способ и устройство, соответствующие настоящему изобретению, описаны для примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой технологическую схему первого устройства для очистки водорода;
Фиг. 2 представляет собой технологическую схему второго устройства для очистки водорода;
Фиг. 3 представляет собой технологическую схему третьего устройства для очистки водорода.
Чертежи сделаны без соблюдения масштаба.
На различных фигурах аналогичные элементы обозначены одинаковыми номерами позиций.
Обратимся к фиг. 1; показанное на ней устройство включает насадочную колонну (или башню) 130 газожидкостного контакта и отдувочную колонну (или резервуар) 150. Отходящий поток газа, содержащий в качестве основных компонентов водород и азот, а также содержащий относительно небольшую долю обычно до 1 или 2 об.%, одного или более газообразного гидрида, такого как силан, поступает по впускному трубопроводу 110 в охлаждающее устройство 120. Источником отходящего потока газа может быть производственный процесс, в котором данные примеси используют в качестве реагентов. Одним из примеров такого производственного процесса может служить производство элементов солнечной батареи, в ходе которого силан и, иногда, также боран и фосфин используют в качестве реагентов.
Отходящий поток газа обычно поступает в устройство 120 при температуре в диапазоне от 0 до 50°С и давлении в диапазоне 1-2 бар.
Устройство 120, предпочтительно, представляет собой теплообменник, в котором температура поступающего потока газа уменьшается вследствие косвенного теплообмена с выходящим холодным потоком газа, образование которого будет описано ниже. В качестве альтернативы, устройство 120 может включать пару регенераторов или рекуператоров. В такой конфигурации один элемент пары охлаждают выходящим потоком газа, тогда как другой элемент пары (который, как таковой, уже предварительно охлажден) используют для охлаждения входящего потока газа. Фактически источником холодного потока газа является колонна 130, которая функционирует при криогенной температуре, входящий поток газа охлаждают до криогенной температуры, равной или близкой к рабочей температуре колонны 130. Охлажденный входящий поток газа поступает в колонну 130 через входное отверстие 112 в дне или вблизи дна. Охлажденный входящий поток газа поднимается по колонне 130, проходя через один или, более типично, множество слоев насадки 131. Насадка может представлять собой неупорядоченную насадку, включающую, например, кольца Пола, или структурированную насадку. По мере прохождения слоев 131 насадки поднимающийся газ вступает в тесный контакт с опускающейся жидкой фазой. Насадка имеет такую конфигурацию, которая способствует облегчению этого контакта. С этой целью может быть использована любая имеющаяся в продаже насадка, предназначенная для колонн газожидкостного контакта.
Жидкая фаза, применяемая в колонне 130 газожидкостного контакта, представляет собой переохлажденный абсорбент, в котором легко растворяется гидридная примесь входящего потока газа, вследствие чего поток газа, по существу, полностью освобождается от этой примеси. Типичным растворителем является пропан. В результате переохлаждения давление паров пропана уменьшается, благодаря чему загрязнение пропаном потока газа уменьшается, в то время как количество гидрида, которое может в нем раствориться, увеличивается. Пропан, который используют в качестве жидкой фазы в колонне 130 газожидкостного контакта, обычно переохлаждают до криогенной температуры (то есть температуры, не превышающей минус 200°С) в диапазоне от минус 155°С до минус 170°С или ниже, но обычно превышающей температуру замерзания пропана.
Пропан особенно хорошо подходит для использования в качестве абсорбента или растворителя в способе, соответствующем настоящему изобретению, так как он поддается переохлаждению до температуры, близкой к нормальной температуре кипения жидкого азота (минус 196°С) без замерзания; такая низкая температура облегчает растворение гидридных примесей. Кроме того, молекула пропана неполярна, не обладает дипольным моментом, что соответствует задаче растворения подобных неполярных молекул, таких как силан и боран. Пропан также обладает очень низким давлением паров при температурах порядка минут 170°С, следовательно, возможность загрязнения подлежащего очистке газа пропаном минимальна.
Нужные низкие температуры легко могут быть достигнуты посредством теплообмена с потоком холодного газообразного азота. Поток холодного газообразного азота с требуемой температурой может быть получен путем регулируемого испарения жидкого азота (температура кипения минус 196°С) с получением газа с необходимой степенью перегрева. Например, поток жидкого азота может быть смешан с потоком газообразного азота. Как показано на фиг. 1, в колонне 130 газожидкостного контакта имеется сборник 133 для жидкого пропана. Сборник снабжен охлаждающим змеевиком 135. Во время пуска холодный азот может быть пропущен по охлаждающему змеевику 135 для того, чтобы понизить температуру жидкого пропана до нужной величины. Пропускание холодного азота по охлаждающему змеевику обычно продолжают все время функционирования устройства, показанного на фиг. 1, чтобы возместить поглощение тепла («теплоприток») из окружающей среды. Чтобы уменьшить этот теплоприток, узел теплообменника 120 и колонны газожидкостного контакта обычно помещают в теплоизоляционный кожух 136, например вакуумный изоляционный кожух.
Поток переохлажденного жидкого пропана непрерывно отводят из сборника 133 колонны 130 газожидкостного контакта при помощи насоса 134. Поток переохлажденного жидкого пропана разделяют на два вторичных потока. Больший из двух вторичных потоков направляют в распределительное устройство 132, расположенное в колонне 130 газожидкостного контакта над слоем или слоями 131 насадки. Переохлажденный жидкий пропан однородно распределяется по слою или слоям 131 насадки. Он абсорбирует или растворяет гидридную примесь или примеси отходящего потока газа, концентрация примесей в пропане по мере его опускания увеличивается. Аналогично, количество примесей в отходящем потоке газа постепенно, по мере его прохождения вверх через слой или слои 131 насадки, уменьшается. По существу, чистый поток газа, содержащий водород и азот, выходит из верхней части колонны 130 газожидкостного контакта. Именно этот поток газа используют для охлаждения в устройстве 120, тем самым, чистый поток газа нагревается приблизительно до комнатной температуры. Очищенный поток газа может быть отведен в качестве продукта по трубопроводу 180 и может быть использован, например, как поток топлива топливного элемента.
Жидкий пропан, содержащий абсорбированную примесь или примеси, после слоя или слоев 131 насадки поступает в сборник 133. Чтобы предотвратить накопление абсорбированных примесей, меньший из двух вторичных потоков переохлажденного жидкого пропана направляют в отдувочный резервуар 150, в котором примесь отделяют или высвобождают из жидкого пропана. Очищенный таким образом жидкий пропан обычно возвращают в сборник 133 колонны 130 газожидкостного контакта. Отделение примеси в резервуаре 150 может быть осуществлено путем увеличения температуры и/или понижения давления жидкости по сравнению с условиями в колонне 130 газожидкостного контакта. В качестве альтернативы или дополнительно, может быть применен отдувочный газ. Однако, в устройстве, показанном на фиг. 1, предусматривается только сочетание повышения температуры и понижения давления с целью отделения абсорбированного газа от жидкого пропана и, тем самым, регенерации жидкого пропана. Как показано на фиг. 1, меньший вторичный поток переохлажденного жидкого пропана подают в отдувочный резервуар 150 через распределительное устройство 151, имеющее форму распыляющего сопла 151. Температура в отдувочном резервуаре 150 увеличивается, вследствие чего образуется пар, содержащий концентрированную смесь гидридной примеси в испарившемся растворителе - жидком пропане. Образование этой паровой фазы протекает при разрежении, пар непрерывно выводят при помощи вакуумного насоса 160. Вакуумный насос 160 может представлять собой многоступенчатый сухой вакуумный насос, включающий несколько ступеней Рутса и кулачковых ступеней.
При температуре абсорбции соответствующее давление паров пропана и, скажем, силана (SiH4) очень низкое. Однако, если температура в отдувочном резервуаре увеличится до, например, минус 140°С, давление паров и силана, и пропана увеличится, при этом давление паров силана будет больше. Условия в отдувочном резервуаре регулируют так, чтобы скорость удаления примесей была равна скорости, с которой они поступают в устройство в отходящем потоке газа. Вообще, чем выше температура в отдувочном резервуаре, тем выше интенсивность потерь пропана с паром, отводимым вакуумным насосом 160. Заявители полагают, что при температуре в отдувочном резервуаре порядка минут 140°С и давлении в отдувочном резервуаре около 0,5 торр, потери пропана могут составлять приемлемую долю относительно количества водорода в отходящем потоке газа (например, менее 10%). Однако ожидается, что при более высокой температуре доля потерь пропана увеличится. Кроме того, рабочие температуры в колонне 130 газожидкостного контакта и отдувочном резервуаре 150 и относительные расходы большего вторичного потока переохлажденного пропана, направляемого в колонну 130, и меньшего вторичного потока, направляемого в указанный резервуар, могут быть оптимизированы по наименьшему энергопотреблению (принимая во внимание потери пропана), возможному без снижения степени чистоты водорода.
Давление пара, отводимого из отдувочного резервуара 150, предпочтительно, увеличивают при помощи вакуумного насоса, по меньшей мере, до атмосферного давления с целью обеспечения возможности его дальнейшей обработки. Обычно его просто сжигают.
Если нужно, в отдувочном резервуаре может быть предусмотрено наличие одного или более слоя насадки. Очищенный жидкий пропан выводят из нижней чести отдувочного резервуара 150 и возвращают в сборник 133 колонны 130 газожидкостного контакта. Для повышения давления возвращаемого жидкого пропана может быть использован насос с механическим приводом (не показан). Если нужно, возвращаемый жидкий пропан может быть охлажден до рабочей температуры колонны газожидкостного контакта посредством теплообмена с холодным газообразным азотом в теплообменнике (не показан) снаружи колонны 130. В качестве альтернативы, поток холодного газообразного азота через охлаждающий змеевик 135 может быть отрегулирован так, чтобы обеспечивать заданную степень переохлаждения. Однако использования в данном процессе насоса с механическим приводом для возвращения жидкого пропана можно избежать, используя для перемещения давление газа. Такая конфигурация показана на фиг. 1. Очищенный жидкий пропан из нижней части отдувочного резервуара 150 поступает в резервуар временного хранения 153, который отделен от сборника 133 колонны 130 запорным клапаном 154. После того, как установленный объем жидкого пропана собран в резервуаре временного хранения 153, закрывают дополнительный запорный клапан 152 между резервуарами 150 и 153. Затем в резервуар временного хранения 153 подают транспортирующий газ. Транспортирующий газ может быть взят из очищенного потока отходящего газа. Запорный клапан 155 открывают, чтобы открыть доступ очищенному потоку газа в свободное пространство в верхней части резервуара временного хранения 153. В качестве альтернативы, транспортирующий газ может поступать из внешнего источника и подаваться в резервуар временного хранения через запорный клапан 156. В любом из этих альтернативных вариантов давления в свободном пространстве резервуара временного хранения достаточно для перемещения очищенного жидкого пропана в сборник 133 колонны 130, когда запорный клапан 154 открыт.
Устройство, показанное на фиг. 1, может быть использовано для эффективной очистки потока газа, содержащего водород или смесь водорода и азота, путем удаления из него одной или более газообразной гидридной примеси, такой как силан, боран и фосифин. В типичном примере концентрация примеси может быть снижена с 10000 частей на миллион по объему до 100 частей на миллион по объему.
Теперь обратимся к фиг. 2; на ней показано альтернативное устройство очистки, в котором использованы две абсорбционные колонны, благодаря чему в отдувочный резервуар 150 поступает более концентрированный раствор гидридной примеси в жидком пропане. В этом случае предварительно охлажденный поток отходящего газа из охлаждающего устройства 120 поступает в первую колонну 230 газожидкостного контакта. Конфигурация колонны 230 аналогична устройству колонны 130 газожидкостного контакта, показанной на фиг. 1. В колонне 230 имеется один или более слой 231 насадки, расположенный под распределительным устройством 232 и над сборником 234, в котором имеется охлаждающий змеевик 235. Подлежащий очистке газ поступает в колонну 230 ниже слоя или слоев насадки 231 и вступает в тесный контакт с переохлажденным жидким пропаном, который подают насосом 234 из сборника 233 в распределительное устройство 232. Через охлаждающий змеевик 235 пропускают холодный азот в количестве, достаточном для поддержания заданной температуры жидкого пропана. Как и при функционировании устройства, показанного на фиг. 1, не весь переохлажденный жидкий пропан, проходящий через насос 234, направляют в распределительное устройство 232. Некоторую его часть направляют в отдувочный резервуар 150. Одно из основных отличий функционирования колонны 230 устройства, показанного на фиг. 2, от функционирования колонны 130 устройства, показанного на фиг. 1, состоит в том, что не ставится задача удалить всю газообразную гидридную примесь в колонне 230. Обычно удаляют только около 90% этой примеси. Следовательно, в этом случае раствор гидрида в жидком пропане, поступающий в отдувочный резервуар 150, более концентрированный. В результате парциальное давление силана или другого гидрида в паровом пространстве отдувочного резервуара 150 намного больше. Поэтому доля пропана в газе, отводимом вакуумным насосом 160, намного меньше, следовательно, потери пропана в данном устройстве снижены. Кроме того, меньше потребность в откачке, поэтому может оказаться возможным использовать вакуумный насос 160 меньшей производительности.
Вторым основным отличием устройств, показанных на фиг. 1 и 2, является то, что очищенный газ из колонны 230 не отбирают в качестве продукта, а направляют во вторую колонну 240 газожидкостного контакта, конструкция которой такая же, как у колонны 230. Так, в колонне 240 имеется один или более слой насадки 241, расположенный ниже распределительного устройства 242 и выше сборника 243. Температуру жидкого пропана в сборнике 243 поддерживают соответствующей переохлажденному состоянию путем пропускания по змеевику 245 холодного азота.
В ходе эксплуатации вторую колонну 240 газожидкостного контакта используют для удаления из частично очищенного отходящего потока газа, отводимого из верхней части колонны 230, по существу, всей оставшейся газообразной гидридной примеси. Частично очищенный поток газа поступает в колонну 240 ниже слоя или слоев 241 насадки, содержащаяся в нем газообразная гидридная примесь абсорбируется опускающимся абсорбентом - жидким пропаном, который рециркулируют из сборника 243 в распределительное устройство 242 при помощи насоса 244. Обычно нисколько жидкости, рециркулируемой насосом 244, не попадает в отдувочный резервуар. Возврат очищенного жидкого пропана из резервуара временного хранения 153 в сборник 243 позволяет регулировать накопление примесей в рециркулируемой жидкости. Обычно вторую колонну 240 снабжают уравнительной трубой, чтобы избыток жидкого пропана перетекал из сборника 243 в сборник первой колонны 230.
Очищенный газ, отводимый из верхней части колонны 240 газожидкостного контакта, используют для охлаждения охлаждающего устройства 120 и отбирают в качестве продукта из трубопровода 180.
Устройство, показанное на фиг. 3, подобно устройству, показанному на фиг. 2, за исключением того, что отдувочный резервуар 150 в этом устройстве функционирует, по существу, при том же давлении, что и колонны 230 и 240 (например, приблизительно при атмосферном давлении). Следовательно, вакуумный насос 160 не нужен. Для отделения абсорбированных или растворенных газообразных примесей, таких как силан, от жидкого пропана в отдувочном резервуаре 150 поток отдувочного газа, обычно азота, подают по трубопроводу 300 в нижнюю часть отдувочного резервуара 150. Поскольку в данном случае отдувочный резервуар 150 функционирует при том же давлении, что и колонны 230 и 240 газожидкостного контакта, нет необходимости повышать давление очищенного пропана с целью его перемещения в сборник 243 колонны 240. Вместо этого отдувочный резервуар 150 устанавливают на достаточном возвышении, чтобы обеспечить перемещение под действием силы тяжести. Таким образом, резервуар временного хранения 153 и соответствующие клапаны 152, 154, 155 и 156 в устройстве, показанном на фиг. 3, не используются. В других отношениях функционирование и конфигурация устройства, показанного на фиг. 3, аналогичны функционированию и конфигурации устройства, показанного на фиг. 2.
В каждое устройство, показанное на чертежах, могут быть внесены изменения, модификации и дополнения. Например, могут быть задействованы различные регуляторы расхода, клапаны одностороннего действия и изолирующие клапаны, соответствующие хорошо известным в данной области критериям. Например, первый изолирующий клапан (не показан) может быть расположен на трубопроводе отходящего газа, или впускном трубопроводе 110, а второй изолирующий клапан - на трубопроводе продукта 180. Таким образом, в случае отказа системы охлаждения пропан может быть полностью заперт путем перекрывания этих двух изолирующих клапанов. Кроме того, каждое из устройств, показанных на чертежах, в нужных местах может быть снабжено продувочными трубопроводами с соответствующими клапанами (не показаны) для продувки газом, таким как азот, который не вступает в химическую реакцию при доминирующих условиях.

Claims (13)

1. Способ удаления, по меньшей мере, одной газообразной примеси из поступающего потока газа, каковая газообразная примесь обладает меньшей летучестью, чем поступающий поток газа, каковой способ включает абсорбирование указанной газообразной примеси переохлажденным жидким абсорбентом при первой криогенной температуре и первом давлении и получение, тем самым, очищенного потока газа, причем в котором указанная газообразная примесь представляет собой гидрид или силан; где поступающий поток газа содержит азот и водород; и абсорбент представляет собой пропан.
2. Способ по п.1, в котором абсорбент переохлажден до температуры, при которой давление его паров меньше 1 мм рт.ст.
3. Способ по п.1, в котором указанная газообразная примесь дополнительно содержит боран (В2Н6), или фосфин, или и то, и другое.
4. Способ по п.1, в котором первая криогенная температура лежит в диапазоне от минус 155°С до минус 170°С.
5. Способ по любому одному из пп.1, 2, 3 или 4, в котором абсорбент регенерируют путем его нагревания до второй криогенной температуры, которая выше первой криогенной температуры.
6. Способ по п.5, в котором абсорбент регенерируют при втором давлении, меньшем, чем первое давление.
7. Способ по п.5, в котором абсорбент регенерируют при втором давлении, равном первому давлению, путем пропускания потока отдувочного газа через абсорбент, содержащий абсорбированные примеси.
8. Способ по п.7, в котором отдувочный газ содержит азот или водород.
9. Способ по любому одному из пп.6, 7 или 8, в котором регенерированный абсорбент возвращают для повторного абсорбирования.
10. Способ по любому одному из пп.6, 7 или 8, в котором абсорбирование примесей осуществляют в две стадии, на первой стадии образуется частично очищенный поступающий поток газа, абсорбент после первой стадии регенерируют и используют этот регенерированный абсорбент на второй стадии для завершения очистки поступающего потока газа.
11. Способ по любому одному из пп.1, 2, 3, 4, 6, 7 или 8, в котором поступающий поток газа подают по ходу потока выше стадии абсорбирования указанной примеси.
12. Способ по любому одному из пп.1, 2, 3, 4, 6, 7 или 8, в котором переохлаждение абсорбента осуществляют посредством теплообмена с теплообменной средой.
13. Способ по любому одному из пп.1, 2, 3, 4, 6, 7 или 8, в котором поступающий поток газа представляет собой отходящий поток газа процесса производства элементов солнечной батареи, а очищенный поступающий поток газа используют в качестве топлива в топливных элементах типа РЕМ.
RU2011109002/05A 2008-08-11 2009-06-24 Очистка потока газа RU2501593C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB0814556.7A GB0814556D0 (en) 2008-08-11 2008-08-11 Purification of gas stream
GB0814556.7 2008-08-11
PCT/GB2009/050724 WO2010018390A1 (en) 2008-08-11 2009-06-24 Purification of a gas stream

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011109002A RU2011109002A (ru) 2012-09-20
RU2501593C2 true RU2501593C2 (ru) 2013-12-20

Family

ID=39790517

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011109002/05A RU2501593C2 (ru) 2008-08-11 2009-06-24 Очистка потока газа

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10130906B2 (ru)
EP (1) EP2310111B1 (ru)
CN (1) CN102119050B (ru)
GB (1) GB0814556D0 (ru)
RU (1) RU2501593C2 (ru)
WO (1) WO2010018390A1 (ru)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102059035B (zh) * 2010-11-26 2012-10-17 黄梅县联兴化工有限责任公司 从四羟甲基硫酸磷生产尾气制取高纯h2与ph3的方法
US9647961B2 (en) 2014-02-14 2017-05-09 Bedrock Automation Platforms Inc. Communication network hopping architecture
CN104958943B (zh) * 2015-06-04 2016-11-02 中国科学院上海应用物理研究所 一种液态氟化氢溶液的分离装置及其方法
CN105749723B (zh) * 2016-04-22 2018-09-11 陕西和尊能源科技有限公司 工业尾气中二氧化碳的净化回收系统
CA3073035C (en) * 2017-08-24 2022-07-26 Exxonmobil Upstream Research Company Method and system for lng production using standardized multi-shaft gas turbines, compressors and refrigerant systems
FR3079426B1 (fr) * 2018-03-30 2022-06-24 Air Liquide Procede de production d'un flux gazeux mettant en œuvre un reservoir de stockage
CN113477053A (zh) * 2021-07-09 2021-10-08 东南大学 一种基于固态发生协同吸附两种重金属的气固反应装置
US12077434B2 (en) * 2022-02-08 2024-09-03 Air Products And Chemicals, Inc. Method for producing high purity hydrogen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2826266A (en) * 1956-07-30 1958-03-11 Phillips Petroleum Co Removal of co2 from natural gas
SU772468A3 (ru) * 1973-07-26 1980-10-15 Компани Эндюстриелль Де Телекоммюникасьон Сит-Алькатель (Фирма) Способ очистки дымовых газов от сернистого ангидрида
SU345716A1 (ru) * 1970-01-15 1981-09-15 Kharlamov V V Способ абсорбционной очистки газов
WO2008068305A2 (en) * 2006-12-08 2008-06-12 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for producing a purified synthesis gas stream

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB728444A (en) 1950-12-09 1955-04-20 Linde Eismasch Ag Improvements in or relating to drying or purifying natural gases or waste gases fromhydrogenating or cracking processes
US2792903A (en) * 1952-02-02 1957-05-21 Jean M Hoff Method of and apparatus for recovering enriched gaseous mixtures
GB814759A (en) 1955-11-23 1959-06-10 Kellogg M W Co Separation of hydrogen-methane mixtures
US2806552A (en) * 1956-02-27 1957-09-17 Phillips Petroleum Co Absorption process
US3121624A (en) * 1961-05-29 1964-02-18 Union Carbide Corp Process and apparatus for purifying gases by absorption
US3266220A (en) 1962-12-27 1966-08-16 Union Oil Co Process for removing acidic constituents from gaseous mixtures
US4100259A (en) 1973-07-26 1978-07-11 Compagnie Industrielle Des Telecommunications Cit-Alcatel Process and apparatus for the purification of fumes and gases and for the production of sulfuric acid
US4102659A (en) * 1976-06-04 1978-07-25 Union Carbide Corporation Separation of H2, CO, and CH4 synthesis gas with methane wash
US4519999A (en) * 1980-03-31 1985-05-28 Union Carbide Corporation Waste treatment in silicon production operations
DE3342816C2 (de) * 1983-11-24 1986-12-18 Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik Berlin GmbH, 1000 Berlin Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Prozeßabgasen
IT1190356B (it) * 1985-05-24 1988-02-16 Snam Progetti Procedimento oriogenico di rimozione selettiva di gas acidi da miscele di gas mediante solventi
US4695662A (en) * 1986-04-04 1987-09-22 Uop Inc. Light paraffin dehydrogenation process
DE3739724A1 (de) 1987-11-24 1989-06-08 Linde Ag Verfahren und vorrichtung zum zerlegen eines gasgemisches
DE3829878A1 (de) 1988-09-02 1990-03-08 Metallgesellschaft Ag Verfahren zum behandeln eines kohlenwasserstoffe und h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)s enthaltenden erdgases
JP3626796B2 (ja) * 1995-10-03 2005-03-09 三菱重工業株式会社 高圧天然ガス中の高濃度炭酸ガスを除去する方法
DE10053345A1 (de) * 2000-10-27 2002-05-08 Bayer Ag Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Silan enthaltenden Gasen
US6751986B2 (en) * 2000-12-22 2004-06-22 The Bog Group, Inc. Structured packing
US6865901B2 (en) * 2002-05-29 2005-03-15 Webasto Thermosysteme International Gmbh System with an internal combustion engine, a fuel cell and a climate control unit for heating and/or cooling the interior of a motor vehicle and process for the operation thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2826266A (en) * 1956-07-30 1958-03-11 Phillips Petroleum Co Removal of co2 from natural gas
SU345716A1 (ru) * 1970-01-15 1981-09-15 Kharlamov V V Способ абсорбционной очистки газов
SU772468A3 (ru) * 1973-07-26 1980-10-15 Компани Эндюстриелль Де Телекоммюникасьон Сит-Алькатель (Фирма) Способ очистки дымовых газов от сернистого ангидрида
WO2008068305A2 (en) * 2006-12-08 2008-06-12 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for producing a purified synthesis gas stream

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010018390A1 (en) 2010-02-18
CN102119050B (zh) 2015-08-26
CN102119050A (zh) 2011-07-06
US10130906B2 (en) 2018-11-20
RU2011109002A (ru) 2012-09-20
US20110120184A1 (en) 2011-05-26
EP2310111B1 (en) 2013-01-23
GB0814556D0 (en) 2008-09-17
EP2310111A1 (en) 2011-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2501593C2 (ru) Очистка потока газа
AU2005249880B2 (en) Method and apparatus for cooling in hydrogen plants
KR102142252B1 (ko) 고순도 액화 탄산 가스 제조 방법 및 장치
CN1331562C (zh) 中心二氧化碳纯化器
RU2730344C1 (ru) Извлечение гелия из природного газа
JP3277340B2 (ja) 半導体製造工場向け各種ガスの製造方法及び装置
RU2597081C2 (ru) Способ комплексного извлечения ценных примесей из природного гелийсодержащего углеводородного газа с повышенным содержанием азота
US20120153514A1 (en) Systems and methods for separating condensable vapors from gases by direct-contact heat exchange
EP3254038B1 (en) System and method for processing a hydrocarbon-comprising fluid
JP2008505830A (ja) アンモニアの精製および移送充填
KR100902911B1 (ko) 폐헬륨가스 농축정제장치
KR102027584B1 (ko) 기체 처리용 용매를 냉각시키는 시스템 및 방법
US8857212B2 (en) Process for the separation of contaminant or mixture of contaminants from a CH4-comprising gaseous feed stream
CN102481510B (zh) 提纯包含汞的气流的方法
CN210340345U (zh) 一种二氧化碳的纯化系统
RU2482903C1 (ru) Способ получения криптоноксеноновой смеси и устройство для его осуществления
US20240115993A1 (en) Mechanical vapor re-compressor heat pump for separating co2 from water vapor in temperature-vacuum swing adsorption cycles
CN216986978U (zh) 挥发性有机物回收系统
CN221739920U (zh) 电子级半导体副产氢气超高纯提纯系统
RU2796506C1 (ru) Устройство для аминовой очистки технологического газа и способ ее осуществления
KR100867643B1 (ko) 폐헬륨가스 농축 장치
JPS5982924A (ja) ガスの増産方法
CN105749723A (zh) 工业尾气中二氧化碳的净化回收系统
RU54313U1 (ru) Устройство для ректификационного разделения смесей
JP3711327B6 (ja) 炭化水素ベーパーの回収方法及び装置

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200625