專利名稱：經(jīng)過(guò)濾和吸附提純低溫流體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提純低溫流體的方法，更具體說(shuō)涉及提純處于液態(tài)、氣態(tài)、超臨界狀態(tài)或兩相狀態(tài)的低溫流體以脫除其中所含有的固態(tài)和/或液態(tài)和/或氣態(tài)雜質(zhì)中至少一種的方法和裝置。
當(dāng)前，低溫流體被應(yīng)用于許多不同的工業(yè)領(lǐng)域中。比如，在電子學(xué)領(lǐng)域中通常使用氮、氦、氖、氬、氘、氪和氙。
該領(lǐng)域特別需要盡可能純的這些化合物，即要脫除其大部分雜質(zhì)，以避免由于電子元件與所述雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而造成的損壞。比如，可以舉出使用超純的氦作為可以用于保持構(gòu)成存儲(chǔ)器或處理器的集成電路晶片溫度恒定，或者冷卻“晶片”的惰性氣體。
在涉及提供超純氫的電子學(xué)領(lǐng)域中對(duì)其需求日益增長(zhǎng)。
許多提純低溫流體如惰性流體的方法是先有技術(shù)所公知的，但是它們一般具有許多缺點(diǎn)或不足，即—它們不適合于提純低溫流體，無(wú)論它們呈何種形態(tài)即液體、氣體、超臨界狀態(tài)和/或兩相狀態(tài)均不適用，因此需要加熱和/或冷卻的步驟，根據(jù)不同情況，要把待提純的低溫流體加熱到給定溫度，在此溫度下進(jìn)行脫除雜質(zhì)；—它們必須使用昂貴的吸附劑，比如吸氣劑類吸附劑；—使用的吸附劑只有在“熱”的狀態(tài)下，即在高于0℃，甚至在100℃的溫度下才是有效的；—在給定的時(shí)間內(nèi)可以處理的低溫流體的數(shù)量上受到限制；—它們被限制于一類低溫流體，比如氬或氦，這就是說(shuō)同樣的方法和/或同樣的設(shè)備不能夠用來(lái)提純本質(zhì)不同的低溫流體；—它們限于能夠使用吸附劑或只以選擇方式進(jìn)行反應(yīng)，這就是說(shuō)對(duì)某些雜質(zhì)可以反應(yīng)，而對(duì)另一些則不能反應(yīng)的催化劑除去的雜質(zhì)，這就導(dǎo)致低溫流體只能部分提純，比如傳統(tǒng)的吸附劑或催化劑不能夠除去含在氦中的氮雜質(zhì)；—它們一般包括一步或幾步氧化催化的步驟，以便將尤其是雜質(zhì)氫和/或一氧化碳轉(zhuǎn)化為水和/或二氧化碳。
比如，文獻(xiàn)US-A-3,996,082敘述了借助于A型合成沸石提純氣體氬中的氧雜質(zhì)的方法。
文獻(xiàn)US-A-2,874,030敘述了提純氬氣中的氧雜質(zhì)的方法，在該方法中，用過(guò)量的氫通過(guò)催化反應(yīng)將氧轉(zhuǎn)化為水，然后用脫水的方法除去形成的水。
另外，文獻(xiàn)EP-A-0350656敘述了一種提純惰性氣體中的氧、一氧化碳和氫雜質(zhì)的方法，其中，在基于還原銅的第一催化劑，然后在基于氧化銅的第二催化劑存在下，在150-250℃的溫度下通過(guò)催化氧化除去一氧化碳和氫，得到二氧化碳和水，然后在環(huán)境溫度下通過(guò)分子篩型吸附劑吸附將它們除去。
此外，文獻(xiàn)FR-9604955敘述了一種為應(yīng)用管道提供超純氦的方法，其中從儲(chǔ)槽中抽取液體或超臨界狀態(tài)的氦，借助于鋼絲織物將氦過(guò)濾，以留住固體雜質(zhì)，將過(guò)濾過(guò)的氦汽化，將得到的氦氣送到應(yīng)用管道中。在此文獻(xiàn)中明確表示，不能夠留住溶解在液體或超臨界狀態(tài)氦中的氫和/或氖雜質(zhì)。
文獻(xiàn)FR-9507943敘述了一種在低于30℃的溫度下，通過(guò)用專門(mén)的多孔金屬氧化物型吸附劑，吸附提純惰性氣體，比如氮和稀有氣體，除去其中的氧和一氧化碳雜質(zhì)的方法，補(bǔ)充地用精餾除去雜質(zhì)氫。
再有，文獻(xiàn)FR-9611271涉及低溫流體比如液氮、液氬或液氦的提純，通過(guò)在氧化鋁、氧化硅、沸石或氧化鈦型載體上載有金屬如鉑、鈀、銠或銥的吸附劑上吸附，除去其中的雜質(zhì)氫、一氧化碳和/或氧。
此外，文獻(xiàn)US-A-4,659,351敘述了通過(guò)兩步得到液體氦的方法，其中主要由氦和氮，以及幾種少量雜質(zhì)組成的氣流，經(jīng)過(guò)一個(gè)冷卻步驟，使所述的少量雜質(zhì)和氮冷凝，然后將它們除去；然后將富含氦的氣流經(jīng)過(guò)變壓吸附(PSA)過(guò)程，在這里得到比較純的氦氣流，隨后此氦被冷凝為液氦。我們很容易理解，無(wú)論在能耗的成本還是得到的氦的純度方面，這個(gè)方法具有許多缺點(diǎn)和不足。實(shí)際上，從能耗和財(cái)務(wù)的觀點(diǎn)看，需要使用氦汽化/液化的步驟是非常不利的，而且得到的氦只是比較純的，其雜質(zhì)含量太高以致無(wú)法被用于尤其是電子學(xué)的特定應(yīng)用中。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種呈任意狀態(tài)，即液態(tài)、兩相狀態(tài)、氣態(tài)或超臨界狀態(tài)低溫流體的提純方法和裝置，從經(jīng)濟(jì)和能耗的觀點(diǎn)看，它比現(xiàn)有的方法和裝置更少有損失，它適合于提純不同的低溫流體，可以得到純的，即至少除去了其主要的固體和/或液體和/或氣體雜質(zhì)的低溫流體。
因此，本發(fā)明涉及提純沸點(diǎn)為Pe的選自氦、氫、氘(D2)、氪、氙、氖和氬(關(guān)于氦理解為氦及其同位素He3和He4)的液態(tài)、兩相狀態(tài)、氣態(tài)或超臨界狀態(tài)低溫流體以除去至少一種沸點(diǎn)為Pe’的雜質(zhì)的方法，這里Pe’＞Pe，該方法至少包括—機(jī)械過(guò)濾至少一種固態(tài)雜質(zhì)的步驟，—吸附至少一種液態(tài)或氣態(tài)雜質(zhì)的步驟，而且，在該方法中，回收至少一部分至少是部分提純的、含有最多大約1ppb所述雜質(zhì)的低溫流體。
換句話說(shuō)，通過(guò)機(jī)械過(guò)濾留住待提純的低溫流體中所含有的固態(tài)(晶體)雜質(zhì)，同時(shí)借助于至少一種吸附材料吸附液態(tài)或氣態(tài)雜質(zhì)。
此外，根據(jù)不同的情況，本發(fā)明的方法包括如下特征中的一種或幾種—在105Pa的壓力下，該低溫流體的沸點(diǎn)Pe低于-100℃，優(yōu)選低于-150℃，更優(yōu)選低于-240℃；—待提純的低溫流體是氦，包括氫、氖、氮、一氧化碳、二氧化碳、氧、氬、氙、氪、烴和水；—待提純的低溫流體是氫，包括氖、氮、一氧化碳、二氧化碳、氧、氬、氙、氪、烴和水；—待提純的低溫流體是氖，而被除去的雜質(zhì)包括氮、一氧化碳、二氧化碳、氧、氬、氙、氪、烴和水；—該機(jī)械過(guò)濾是借助于在金屬或陶瓷上過(guò)濾，或者借助于用來(lái)除去液態(tài)或氣態(tài)雜質(zhì)使用的吸附材料來(lái)進(jìn)行。實(shí)際上，所述吸附材料還可以發(fā)揮濾器的作用以便留住在待提純的低溫流體中含有的顆粒和固體(晶體)雜質(zhì)；在此情況下，過(guò)濾步驟和吸附步驟將是所謂“并行”的。
—雜質(zhì)的吸附是借助于選自活性炭、金屬陽(yáng)離子交換或未交換的沸石、氧化硅凝膠、氧化鋁的吸附劑或其它各種能夠有效地阻止在待提純的低溫流體中所含有的一種或多種可溶的或氣態(tài)雜質(zhì)的多孔吸附劑，比如碳織物進(jìn)行的。
—至少一個(gè)機(jī)械過(guò)濾步驟是在至少一個(gè)吸附步驟之前和/或之后進(jìn)行的，優(yōu)選在吸附步驟之前和之后進(jìn)行。通過(guò)在不同的步驟中使用相同的、相似的或不同的吸附材料和過(guò)濾裝置使多個(gè)吸附步驟和多個(gè)過(guò)濾步驟交替進(jìn)行也是可能的。
—在吸附步驟中使用的低溫流體和/或一種或幾種過(guò)濾器中所含有的雜質(zhì)吸附劑要進(jìn)行至少一個(gè)再生步驟。該吸附材料的再生可以按照比如如下的操作模式進(jìn)行—將如活性炭的吸附材料在100-150℃的溫度下烘烤幾個(gè)小時(shí)(只是在第一次使用時(shí))；—借助于惰性氣體如氮?dú)猓诃h(huán)境溫度下和大氣壓下吹掃提純裝置；—接著在環(huán)境溫度下和大氣壓力下，借助于待提純的氣體進(jìn)行吹掃。
在進(jìn)行此兩次吹掃后，該提純系統(tǒng)適合于進(jìn)行新一輪的提純。
本發(fā)明還涉及實(shí)施本發(fā)明方法的裝置，其特征在于，它包括一個(gè)待提純的低溫流體的提純區(qū)(該提純區(qū)包括至少一個(gè)機(jī)械過(guò)濾器和至少一個(gè)吸附床)、將待提純低溫流體送入所述提純區(qū)的裝置和被提純的最多含有1ppb雜質(zhì)的低溫流體的回收裝置。
根據(jù)不同的情況，本發(fā)明的裝置還可以包括—提純的低溫流體的儲(chǔ)存裝置；—將提純的低溫流體在線送到使用處的輸送裝置；—能夠比如按照上述操作模式再生所述吸附材料的吸附材料再生裝置。
因此，按照本發(fā)明的方法優(yōu)選可以用來(lái)提純處于如下?tīng)顟B(tài)的低溫流體
—液態(tài)或在冷卻下的，即在低于其沸點(diǎn)的溫度下的，—?dú)鈶B(tài)的，即在高于其液化溫度或沸點(diǎn)若干度的溫度下的，比如在高于所述沸點(diǎn)大約5-20℃的溫度下，—兩相的，即呈液/氣混合物形式的，因此處于基本上等于泡點(diǎn)，或沸點(diǎn)的溫度下，或者在所述泡點(diǎn)附近浮動(dòng)，—或者是超臨界狀態(tài)的，比如對(duì)于氦，在2.275×105Pa的壓力下，在大約-268℃的溫度下。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以借助于機(jī)械過(guò)濾和/或吸附雜質(zhì)的方法，將在大氣壓下沸點(diǎn)低于-100℃，優(yōu)選低于-150℃，更優(yōu)選低于-240℃的低溫流體，比如氦、氪、氙、氬、氫、氘(D2)或氖進(jìn)行超提純，除去至少一種沸點(diǎn)高于所述低溫流體的、處于固態(tài)和/或液態(tài)和/或氣態(tài)的雜質(zhì)。
本發(fā)明的方法優(yōu)選在大約-273～-240℃的溫度范圍和105～30×105Pa，優(yōu)選105～10×105Pa的壓力范圍內(nèi)實(shí)施。
在下面的表I中示例性地給出了在大氣壓力下不同化合物的沸點(diǎn)表I
本發(fā)明特別適合于提純優(yōu)選處于液態(tài)的氦，以及氫。
現(xiàn)在，參照附圖，借助于僅供說(shuō)明但不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制的實(shí)施例，更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。


圖1表示可以用于實(shí)施下面詳述的試驗(yàn)的傳統(tǒng)的試驗(yàn)裝置。
圖2表示實(shí)施本發(fā)明方法的工業(yè)裝置。
在圖1上，表示的是真空隔熱的儲(chǔ)罐1，以避免或最大限度地減少進(jìn)入的熱量，其中裝有液氦2和上部的氣體氦3。在此試驗(yàn)裝置中，被雜質(zhì)污染的氦的提純區(qū)包括一個(gè)含有吸附材料(在這里是活性炭)用來(lái)吸附液體或氣體類型雜質(zhì)的濾芯4和兩個(gè)機(jī)械過(guò)濾器5和5’，它們分別安裝在所述提純?yōu)V芯4的上游和下游，該過(guò)濾器5和5’用來(lái)阻止固體(晶體)類型的雜質(zhì)。
機(jī)械過(guò)濾器一般是由金屬質(zhì)粉，比如金屬粉或合金粉壓，優(yōu)選是不銹鋼粉制成的，成型為所得到的圓片形結(jié)構(gòu)。改變得到的圓片或過(guò)濾器的幾何形狀，特別是其直徑、其厚度和其孔隙度也是可能的。舉例來(lái)說(shuō)，可以列舉PORAL公司或METAFRAN公司生產(chǎn)的過(guò)濾器或金屬燒結(jié)過(guò)濾器。這樣的金屬機(jī)械過(guò)濾器還可以裝有某種密封，比如CAJONTM公司制造的VCR密封(帶有金屬接點(diǎn)表面密封的接合)。
含雜質(zhì)的液氦2沿著箭頭6所指出的方向，即自下而上進(jìn)入提純區(qū)。過(guò)濾器5首先捕集固體雜質(zhì)，然后液體雜質(zhì)被吸附材料比如活性炭吸附在提純芯4上，而最后，由于吸附材料摩擦產(chǎn)生的固體顆粒由過(guò)濾器5’捕集。
如此得到的超純液氦經(jīng)過(guò)管線7送入到分析儀9和9’中，如有必要，送入大氣排放管8。
按照這種配置，提純的是液態(tài)的氦。但是，為了測(cè)試本發(fā)明方法對(duì)于氣態(tài)氦的效率，我們進(jìn)行同樣的操作，所不同的是在上層氣相3中設(shè)置提純區(qū)，以便使過(guò)濾器5中氦入口10位于液氦液面以上，因此處在上層氣相中，在這里提取待提純的氣相氦。
在各種情況下，按照傳統(tǒng)的方式，通過(guò)增大容器1中的壓力，將氣相或液相的氦相繼經(jīng)過(guò)過(guò)濾器5、提純?yōu)V芯4、過(guò)濾器5’和管線7進(jìn)行輸送。
此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)管線7和7’與裝有超純氦的儲(chǔ)罐12相連，該超純氦尤其可以用來(lái)預(yù)先或在提純步驟之后吹掃，即清潔包括過(guò)濾器5和5’，以及提純芯4的提純區(qū)。
此外，另一個(gè)儲(chǔ)罐11裝有含有已知數(shù)量雜質(zhì)的氦，用來(lái)以人工的方式為裝在容器1中的液態(tài)或氣態(tài)氦添加已知數(shù)量的雜質(zhì)，以測(cè)試本發(fā)明的提純方法的效果。
在圖2上顯示的是提純液態(tài)氦的工業(yè)裝置。其上面是氣相氦23的液相氦22裝在隔熱的容器21，比如一個(gè)儲(chǔ)槽或罐槽卡車中。
分別借助于取樣裝置23’和22’抽取隔熱容器21中的氣相氦23或液相氦22，并通過(guò)管線27’送入到提純區(qū)，該提純區(qū)包括第一過(guò)濾器25，它位于裝有吸附材料如活性炭或其它各種適合于吸附一種或幾種液態(tài)或氣態(tài)雜質(zhì)的多孔吸附材料的提純芯24的上游，該提純芯24又位于第二過(guò)濾器25’的上游。
因此，由儲(chǔ)槽21引出的含雜質(zhì)氦在提純區(qū)被提純，得到的超純氦通過(guò)管線27送入超純氦的隔熱儲(chǔ)槽30中，如有必要送入到使用場(chǎng)所(未標(biāo)出)。
很容易理解，低溫流體的操作是一種棘手的過(guò)程，為了保證優(yōu)化操作，應(yīng)該注意務(wù)必使本發(fā)明所使用的整套裝置正確地隔熱，以避免，或者是更好地消除各種有害的熱量進(jìn)入，優(yōu)選使用真空隔熱。
另外，正如我們將在下面的說(shuō)明實(shí)施例中所看到的，我們還將要根據(jù)不同的情況，放棄一個(gè)或者另一個(gè)，甚至兩個(gè)過(guò)濾器25和25’，仍然得到符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，特別是電子學(xué)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的超純低溫流體。在此情況下，正是多孔吸附材料同時(shí)保證了固體顆粒的機(jī)械過(guò)濾和液態(tài)或氣態(tài)雜質(zhì)的吸附。
為了能夠使位于提純芯中的吸附材料和能夠捕集固體雜質(zhì)的過(guò)濾器再生，必須使或者希望使該提純區(qū)經(jīng)受再生的工藝過(guò)程，比如一種傳統(tǒng)的方法就是讓提純區(qū)返回到環(huán)境溫度下，借助于惰性氣體比如氮?dú)獯祾咚龅奶峒儏^(qū)，從而使吸附和/或攔截的雜質(zhì)升華和/或解吸附，隨后，首先用超純氦氣，然后用超純液氦進(jìn)行“清潔”即吹掃，然后就進(jìn)入了一個(gè)新的提純期。
實(shí)施例在下面實(shí)施例中，借助于通常的商品分析儀監(jiān)測(cè)待提純低溫流體中的雜質(zhì)數(shù)量。比如借助于TRACE ANALYTICAL公司的商品RGA3色譜儀來(lái)測(cè)定一氧化碳和氫的雜質(zhì)含量，其檢出限對(duì)于一氧化碳為大約1ppb，對(duì)于氫為大約5ppb，這里ppb表示十億分之一體積，借助于大阪酸素工業(yè)株式會(huì)社的OSK型分析儀測(cè)定雜質(zhì)氧的含量，其對(duì)于氧的檢出限為1ppb。
為了進(jìn)行更完全的分析監(jiān)測(cè)，借助于適當(dāng)?shù)姆治鰞x，比如APIMS(大氣壓離子質(zhì)譜儀)型分析儀很容易監(jiān)測(cè)其它雜質(zhì)(氮、氖、二氧化碳等)，其對(duì)于這些雜質(zhì)的檢出限低于1ppb。
可以用來(lái)進(jìn)行不同的試驗(yàn)的傳統(tǒng)裝置如圖1所示。
實(shí)施例1在此實(shí)施例中，只是通過(guò)由裝有SWAGELOCK公司的多孔金屬過(guò)濾器(厚度2.5mm，孔隙度2μm)的VCR接頭組成的燒結(jié)過(guò)濾器進(jìn)行機(jī)械過(guò)濾，來(lái)提純液態(tài)氦，除去其雜質(zhì)氧、一氧化碳和氫。
在液態(tài)氦的溫度下，除了氫以外的雜質(zhì)都呈固態(tài)，而一部分氫仍然呈液態(tài)。
在提純之前，該液態(tài)氦含有大約1ppm(百萬(wàn)分之一份體積)一氧化碳、大約5ppm氧和大約2ppm氫，以及痕量其它的固體雜質(zhì)，即二氧化碳、水、氮和氖。
在提純以后，純氦含有少于1ppb的一氧化碳和少于1ppb的氧，相反，在過(guò)濾器的下游檢出了100至幾百ppb的氫，這與壓力和溫度的操作條件有關(guān)。
因此，在機(jī)械過(guò)濾器上提純液態(tài)氦的方法就雜質(zhì)氫而言具有其局限性。然而，當(dāng)待提純的氦不含有氫類型的雜質(zhì)時(shí)，這種過(guò)濾就足以捕集所有其它雜質(zhì)。
實(shí)施例2此實(shí)施例在各方面都與前面的實(shí)施例類似，所不同的是機(jī)械過(guò)濾(過(guò)濾器或燒結(jié)金屬)與吸附，特別是在適當(dāng)?shù)奈絼?這里是活性炭)上面進(jìn)行的氫的吸附過(guò)程相連。
在此情況下，這次與前面的實(shí)施例相反，使用與吸附相連的機(jī)械過(guò)濾可以得到不含有氫類型雜質(zhì)的超純液氦。實(shí)際上，此氫雜質(zhì)被活性炭吸附。
如此得到的超純氦完全符合電子學(xué)應(yīng)用的規(guī)范和需要，這就是說(shuō)，該純液氦含有少于1ppb的各種雜質(zhì)。
應(yīng)該注意到，溶解于液氦中的雜質(zhì)比如氫的吸附可以在機(jī)械過(guò)濾的上游和/或下游進(jìn)行。該機(jī)械過(guò)濾優(yōu)選放置在吸附材料的前后兩側(cè)。
實(shí)施例3此實(shí)施例與前面的實(shí)施例相似，所不同的是僅僅借助于吸附材料的顆粒床(在此處還是活性炭床)來(lái)除去在液氦中含有的雜質(zhì)，換句話說(shuō)，省去了金屬機(jī)械過(guò)濾器。
令人意外地是，如在實(shí)施例2中一樣，我們得到了超純的液氦，盡管沒(méi)有用金屬機(jī)械過(guò)濾器。因此，多孔的活性炭不僅吸附了液態(tài)或氣態(tài)的雜質(zhì)，而且進(jìn)行了過(guò)濾，即以機(jī)械方式阻攔了固體或結(jié)晶的雜質(zhì)(所謂的吸附與過(guò)濾“并行”)。
實(shí)施例4此實(shí)施例與實(shí)施例2相似，所不同的是待提純的氦不僅含有雜質(zhì)一氧化碳、氫和氧，而且還含有其它的雜質(zhì)，即水、二氧化碳(1ppm)、氮(1ppm)和氖(1ppm)。
在提純后的液氦中含有少于1ppb的其各種不同的雜質(zhì)和污染物，而雜質(zhì)水、二氧化碳、氮和氖則完全除去。
實(shí)施例5此實(shí)施例與實(shí)施例2相似，只是用碳織物，比如ACTITEX公司的Actitex CS 1501類商品代替了吸附劑(活性炭)。
得到的結(jié)果和實(shí)施例2的結(jié)果相同。
當(dāng)同時(shí)使用機(jī)械過(guò)濾和碳織物吸附時(shí)，也得到了超純的液氦。
實(shí)施例6此實(shí)施例與實(shí)施例2相似，只是待提純的低溫流體是液態(tài)的氖(沸點(diǎn)等于-246℃)，它含有如下的沸點(diǎn)比氖高的雜質(zhì)；氮(4ppm)、氧(1ppm)、二氧化碳(2ppm)和乙烷(1ppm)。
在提純以后，得到的超純氖中所含的各種雜質(zhì)使用分析儀無(wú)法檢測(cè)其含量。
因此，本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于氖的提純。
實(shí)施例7此實(shí)施例與實(shí)施例2相同，只是待提純的低溫流體是液態(tài)氪(沸點(diǎn)為-153℃)，其中所含的沸點(diǎn)高于氪的雜質(zhì)為水(3ppm)、乙烷(2ppm)和二氧化碳(2ppm)。
提純以后，得到的超純氪不含有可檢出數(shù)量的這些不同雜質(zhì)。
因此，本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于提純氪。
實(shí)施例8此實(shí)施例與實(shí)施例2相同，只是待提純的低溫流體是液態(tài)氙(沸點(diǎn)為-108℃)，其中沸點(diǎn)高于氙的雜質(zhì)為水(3ppm)、二氧化碳(2ppm)和乙烷(1ppm)。
提純以后，得到的超純氙不含有可檢出數(shù)量的這些不同雜質(zhì)。
因此，本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于提純氙。
實(shí)施例9在此試驗(yàn)室類型的實(shí)施例中，研究使用的過(guò)濾器的孔的尺寸(孔的直徑)對(duì)已知含量人工添加氫、氧和一氧化碳類型雜質(zhì)的液氦提純效果的影響。在提純以前，含雜質(zhì)的氦含有大約1ppm的一氧化碳雜質(zhì)、大約5ppm的氧雜質(zhì)和大約2ppm的氫雜質(zhì)。
根據(jù)不同的情況，只用過(guò)濾(試驗(yàn)1-4)或用過(guò)濾和吸附(試驗(yàn)5-10)，在1.7bar的絕對(duì)壓力和1Nm3/h的流量下，提純含有雜質(zhì)的氦。
使用的過(guò)濾器是金屬或陶瓷型的，其直徑為2-60μm。而且，使用的吸附劑是碳織物(TC)，或者是活性炭(CA)。
得到的結(jié)果匯總在下面的表中。
表
ND分析儀未測(cè)出，比如數(shù)量低于使用的分析儀的檢出限(對(duì)于一氧化碳和氧大約低于1ppb，對(duì)于氫大約5ppb)由前面的表可以清楚地看出，同時(shí)使用至少一個(gè)過(guò)濾步驟和至少一個(gè)雜質(zhì)吸附步驟，可以得到很高純度，比如含有少于1ppb雜質(zhì)的氦。
但是，正如在試驗(yàn)1-4中所顯示的，最好使用孔隙度小于60μm的，優(yōu)選小于20μm的，如果可能，大約2-5μm的，甚至小于2μm的機(jī)械過(guò)濾器。實(shí)際上過(guò)濾器的孔隙度越小，則除去固體或結(jié)晶雜質(zhì)的效率就越高。
但是，我們還看到，只用一個(gè)過(guò)濾步驟不能夠除去某些雜質(zhì)，特別是溶解的雜質(zhì)，比如氫。
反之，同時(shí)使用過(guò)濾和吸附步驟，使得可以得到含有雜質(zhì)少于1ppb的氦，這時(shí)，借助于適當(dāng)?shù)奈絼┍热缁钚蕴炕蛱伎椢铮行У爻チ怂龅目扇苄缘碾s質(zhì)?？梢允褂闷渌奈絼?，特別是交換或未交換的沸石、活性氧化鋁或二氧化硅凝膠。
實(shí)施例10此項(xiàng)前工業(yè)化實(shí)施例的目標(biāo)是，確認(rèn)使用孔徑大約3μm金屬機(jī)械過(guò)濾器的過(guò)濾步驟和用吸附劑如活性炭的吸附步驟的液氦提純方法，其效率隨時(shí)間變化的情況，所述方法使用的壓力為1.7絕對(duì)bar，流量為2500Nm3/h。
待提純的氦中雜質(zhì)氫、一氧化碳和氧的平均含量與實(shí)施例9相同，其雜質(zhì)甲烷和二氧化碳的平均含量分別為0.1ppm和0.5ppm。
在附圖3上表示得到的結(jié)果，這里，雜質(zhì)氧、氮、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的濃度(單位ppb)(C)被列在縱坐標(biāo)上，在橫坐標(biāo)上是提純時(shí)間T(小時(shí))。更確切地說(shuō)，可以看到，在3個(gè)小時(shí)以后，雜質(zhì)的含量保持在1ppb以下，雜質(zhì)測(cè)量的起始點(diǎn)固定于時(shí)間t0。
因此，由所得到的液氦的數(shù)量和純度(雜質(zhì)少于1ppb)以及該方法操作時(shí)間表示的效果可以看出本發(fā)明方法適合于工業(yè)規(guī)模應(yīng)用，也就是說(shuō)，無(wú)需再生即可使用數(shù)小時(shí)。
不過(guò)，在工業(yè)規(guī)模上，務(wù)必在雜質(zhì)穿透之前進(jìn)行過(guò)濾器和/或吸附劑的再生，當(dāng)然，這取決于處理的流量和待除去的雜質(zhì)的質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.對(duì)沸點(diǎn)為Pe的選自氦、氫、氘、氬、氙或氪的液態(tài)、兩相狀態(tài)、氣態(tài)或超臨界狀態(tài)低溫流體進(jìn)行提純以除去至少一種沸點(diǎn)為Pe’的雜質(zhì)的方法，這里Pe’＞Pe，該方法至少包括—借助于機(jī)械過(guò)濾器過(guò)濾至少一種固態(tài)雜質(zhì)的步驟，—和吸附至少一種液態(tài)或氣態(tài)雜質(zhì)的步驟，而且，在該方法中，回收至少一部分至少是部分提純的、含有最多大約1ppb所述雜質(zhì)的低溫流體。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該低溫流體的沸點(diǎn)Pe低于-100℃，優(yōu)選低于-150℃，更優(yōu)選低于-240℃。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，借助于至少一個(gè)孔徑≤60μm，優(yōu)選≤20μm，更優(yōu)選≤5μm的過(guò)濾器進(jìn)行該過(guò)濾過(guò)程。
4.按照權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，待提純的低溫流體是氦，而雜質(zhì)則包括氫、氖、氮、一氧化碳、二氧化碳、氧、氬、氪、氙、烴和水。
5.按照權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，待提純的低溫流體是氫或氘，而雜質(zhì)則包括氖、氮、一氧化碳、二氧化碳、氧、氬、氪、氙、烴和水。
6.按照權(quán)利要求1或3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，借助于至少一個(gè)金屬或陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行該過(guò)濾過(guò)程。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在選自活性炭、碳織物、交換或未交換的沸石、氧化鋁、氧化硅凝膠和它們的混合物等吸附材料上進(jìn)行至少一種雜質(zhì)的吸附。
8.按照權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，至少一個(gè)機(jī)械過(guò)濾步驟是在至少一個(gè)吸附步驟之前和/或之后進(jìn)行的。
9.按照權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，該低溫流體的提純是在1×105～30×105Pa，優(yōu)選1×105～10×105Pa的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行的。
10.按照權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，吸附劑和/或過(guò)濾器要經(jīng)過(guò)再生步驟。
11.適合于實(shí)施權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的方法的裝置，其特征在于包括一個(gè)包含至少一個(gè)機(jī)械過(guò)濾器(25、25’)和至少一個(gè)吸附劑床(24)的待提純低溫流體(22、23)的提純區(qū)(24、25、25’)、向所述提純區(qū)送入待提純低溫流體的喂送裝置(21、22’、23’、27’)和回收最多含有1ppb雜質(zhì)的純低溫流體的回收裝置(27、30)。
12.按照權(quán)利要求11的裝置，其特征在于，它還包括純低溫流體的儲(chǔ)存裝置(30)和/或?qū)⒃摷兊蜏亓黧w送到應(yīng)用場(chǎng)所的管線輸送裝置(27)和/或吸附材料的再生裝置。
全文摘要
將沸點(diǎn)為Pe的選自氦、氫、氘、氬、氖、氙或氪的液態(tài)、兩相狀態(tài)、氣態(tài)或超臨界狀態(tài)低溫流體提純,除去至少一種沸點(diǎn)為Pe’的雜質(zhì)的方法,這里Pe’>Pe,該方法至少包括:機(jī)械過(guò)濾至少一種固態(tài)雜質(zhì)的步驟,和吸附至少一種液態(tài)或氣態(tài)雜質(zhì)的步驟;在該方法中,回收至少一部分至少是部分提純的、含有最多大約1ppb所述雜質(zhì)的低溫流體。實(shí)施此方法的裝置。
文檔編號(hào)B01D53/04GK1241985SQ9718094
公開(kāi)日2000年1月19日 申請(qǐng)日期1997年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月18日
發(fā)明者D·加里, R·拉德尤, P·福賴瑟, F·卡斯特拉尼特 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司