CN210214801U - 氧气纯化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氧气纯化装置，包括催化氧化反应器和吸附反应器，所述催化氧化反应器的入口与原料气入口相连，且所述原料气入口与催化氧化反应器的入口之间设有加热器，所述催化氧化反应器的出口通过冷却器与所述吸附反应器的入口相连，所述吸附反应器的出口与产品气出口相连，所述产品气出口还通过再生气管路与吸附反应器的出口相连，所述再生气管路上设有第二加热器，所述吸附反应器的入口处还设有再生气排气管路，所述再生气排气管路上设有冷却器。本实用新型所述的氧气纯化装置采用外置加热器，气体进入催化氧化反应器后气流比较平均，反应器自上而下温度比较平均，能对原料气中杂质进行深度脱除，达到ppt级。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种氧气纯化装置。
背景技术
近年来，随着集成电路等行业的高速发展，在集成电路成品制作工艺过程中对使用气体纯度的要求越来越高，杂质要求小于1ppb。而工业氧气大部分来源于深冷式空气分离装置和水电解装置制氧，两种气体来源杂质都达到 ppm～ppb级的烃类、一氧化碳、二氧化碳和水，不能满足集成电路等行业的正常使用。
目前，纯化氧气普遍采用前端催化后端干燥吸附的技术。前端催化工艺可使杂质反应生成二氧化碳和水，后端深度吸附工艺吸附脱除二氧化碳和水等杂质。此技术虽然在一定程度上脱除杂质烃类、一氧化碳、二氧化碳和水，但脱除深度不能达到ppt级，已经不能满足生产使用需求。
实用新型内容
本实用新型针对以上问题的提出，而研究设计一种氧气纯化装置。本实用新型采用的技术手段如下：
一种氧气纯化装置，包括催化氧化反应器和吸附反应器，所述催化氧化反应器的入口与原料气入口相连，且所述原料气入口与催化氧化反应器的入口之间设有第一加热器，所述催化氧化反应器的出口通过冷却器与所述吸附反应器的入口相连，所述吸附反应器的出口与产品气出口相连，所述产品气出口还通过再生气管路与吸附反应器的出口相连，所述再生气管路上设有第二加热器，所述吸附反应器的入口处还设有再生气排气管路，所述再生气排气管路上设有冷却器。
进一步地，包括催化氧化反应器、第一吸附反应器和第二吸附反应器，所述催化氧化反应器的出口连接第一冷却器后通过两个管路支路分别与第一吸附反应器的入口和第二吸附反应器的入口相连，所述第一吸附反应器的出口和第二吸附反应器的出口分别通过控制阀与产品气出口相连，所述产品气出口连接再生气主控制阀后通过两个再生气支路分别与第一吸附反应器的出口和第二吸附反应器的出口相连，所述再生气主控制阀与第一吸附反应器之间的再生气支路上设有第二加热器Ⅰ，所述再生气主控制阀与第二吸附反应器之间的再生气支路上设有第二加热器Ⅱ，所述第一吸附反应器的入口处设有第一再生气排气管路，所述第一再生气排气管路上设有第二冷却器，所述第二吸附反应器的入口处设有第二再生气排气管路，所述第二再生气排气管路上设有第三冷却器。
进一步地，所述氧气纯化装置还包括换热器，所述换热器的冷媒入口与原料气入口相连，所述换热器的冷媒出口通过管路与催化氧化反应器的入口相连，所述第一加热器设置于所述换热器的冷媒出口与所述催化氧化反应器的入口之间的管路上，所述催化氧化反应器的出口通过管路与换热器的热媒入口相连，所述换热器的热媒出口连接第一冷却器后通过两个管路支路分别与第一吸附反应器的入口和第二吸附反应器的入口相连。
进一步地，所述加热器包括加热器壳体和设置在所述加热器壳体内部的多根加热棒，所述加热器壳体内还设有从加热器的入口端到出口端排布的折流板。
进一步地，多根加热棒相互平行，所述折流板垂直于加热棒。
进一步地，所述催化氧化反应器的内部空间的上部和下部设有多孔结构板，催化剂填充于上部和下部的多孔结构板之间，所述吸附反应器的内部空间的上部和下部也设有多孔结构板，吸附剂填充于上部和下部的多孔结构板之间。
进一步地，所述多孔结构板为烧结金属板。
进一步地，所述催化氧化反应器中的催化剂为钯催化剂，所述吸附反应器中的吸附剂为锰吸附剂和干燥剂。
与现有技术比较，本实用新型所述的氧气纯化装置采用外置加热器，可把原料氧气加热到指定温度，气体进入催化氧化反应器后可气流比较平均，反应器自上而下温度比较平均，能对原料气中的氢、水、一氧化碳、二氧化碳烃类等杂质进行深度脱除，达到ppt级。
附图说明
图1是本实用新型实施例的结构示意图。
图2是本实用新型实施例所述的加热器的结构示意图。
图3是本实用新型实施例所述的催化氧化反应器/吸附反应器的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种氧气纯化装置，包括催化氧化反应器6、第一吸附反应器 10和第二吸附反应器11，所述催化氧化反应器6的出口连接第一冷却器7后通过两个管路支路分别与第一吸附反应器10的入口和第二吸附反应器11的入口相连，所述第一吸附反应器10的出口和第二吸附反应器11的出口分别通过控制阀与产品气出口2相连，其中第一吸附反应器10通过第一控制阀14与产品气出口2相连，第二吸附反应器11通过第二控制阀15与产品气出口2相连，所述第一冷却器7与第一吸附反应器10之间的管路支路上设有第三控制阀19，所述第一冷却器与第二吸附反应器11之间的管路支路上设有第四控制阀20。所述产品气出口2同时作为再生气入口连接再生气主控制阀18后通过两个再生气支路分别与第一吸附反应器10的出口和第二吸附反应器11的出口相连，所述再生气主控制阀18与第一吸附反应器10之间的再生气支路上设有第二加热器Ⅰ12再生气主控制阀18与第二加热器Ⅰ12之间设有第一再生气控制阀16，所述，所述再生气主控制阀18与第二吸附反应器11之间的再生气支路上设有第二加热器Ⅱ13，所述再生气主控制阀18与第二加热器Ⅱ13之间设有第二再生气控制阀17。所述第一吸附反应器10的入口处设有第一再生气排气管路，这里第一吸附反应器10的入口作为再生气的出口，所述第一再生气排气管路上设有第二冷却器8，所述第二吸附反应器11的入口处设有第二再生气排气管路，这里第二吸附反应器11的入口作为再生气的出口，所述第二再生气排气管路上设有第三冷却器9，所述第二冷却器8和第三冷却器9均通过放空主控制阀23与放空出口3相连，所述第二冷却器8与放空主控制阀23之间设有第一放空阀21，所述第三冷却器9与放空主控制阀23之间设有第二放空阀22。
作为优选方案，所述氧气纯化装置还包括换热器4，所述换热器4设置于原料气入口1和第一加热器5之间，所述换热器4的冷媒入口与原料气入口1相连，所述换热器4的冷媒出口通过管路与催化氧化反应器6的入口相连，所述第一加热器5设置于所述换热器4的冷媒出口与所述催化氧化反应器6的入口之间的管路上，所述催化氧化反应器6的出口通过管路与换热器4的热媒入口相连，所述换热器4的热媒出口连接第一冷却器7后通过两个管路支路分别与第一吸附反应器10的入口和第二吸附反应器11的入口相连。
本实施例中，所述催化氧化反应器6中的催化剂为钯催化剂，所述催化剂的活性温度为200-230℃，所述吸附反应器中，也就是第一吸附反应器10和第二吸附反应器11中的吸附剂为锰吸附剂和干燥剂。
如图2所示，所述加热器包括加热器壳体和设置在所述加热器壳体内部的多根加热棒27，所述加热器壳体内还设有从加热器的入口端到出口端排布的折流板26，所述的加热器为第一加热器5和第二加热器(第二加热器Ⅰ12和第二加热器Ⅱ13)的统称，本实施例中第一加热器和第二加热器的实质结构相同。本实施例中，多根加热棒27相互平行纵向设置，所述折流板26垂直于加热棒，也就是说，折流板26横向设置，加热器入口24设置于加热器侧面的上端，加热器出口25设置于加热器侧面的下端。加热器正常工作时，气体自加热器入口24进入加热器，沿折流板26的路径流动，此时，加热棒27处于加热状态，待气体自加热器出口25放出时即为热气。折流板26的设置，气体在加热器内部流动路径加长，与加热棒27进行更充分的热交换，加热效率大大提高。
如图3所示，所述催化氧化反应器的内部空间的上部和下部设有多孔结构板30，所述催化剂填充于上部和下部的多孔结构板30之间。同理，也参考图3，所述吸附反应器的内部空间的上部和下部也设有多孔结构板30，所述吸附剂填充于上部和下部的多孔结构板30之间。本实施例中，所述多孔结构板30为烧结金属板。所述烧结金属板采用40-50微米精度，当气体压力为0.7Mpa时，反应器上、下两层烧结金属板对反应器进出口气压力降约为0.0017Mpa(相对于整体设备压力降，烧结金属板造成的阻力降可以忽略不计)。当气体自反应器入口 28进入反应器，受封头和多孔结构板30的阻力影响进行短暂混流、均压，因为多孔结构板30(烧结金属板)气密性均匀，并有相应的阻力，使气体能满面积，均匀地通过烧结金属板进入填料(催化剂/吸附剂)，不会出现气体通过填料时中间气流大、四周气流小的现象，避免使反应器内越靠近反应器内壁的催化剂或吸附剂得不到良好的利用。若利用填料本身的物理阻力进行均压，则填料上部相当一部分得不到良好利用，而本实施例使各位置的填料均能得到充分均匀的利用，之后气体从反应器出口29排出。
本实施例的工作过程如下：
原料氧气从原料气入口1进入装置，作为冷媒经过换热器4，然后经过第一加热器5后进入催化氧化反应器6，接着原料氧气再作为热媒经过换热器4，之后经过第一冷却器7，将原料氧气冷却至常温后再进入深度吸附工序。催化氧化反应器6内的催化氧化反应是在高温下进行的，深度脱除原料氧气中的氢、烃类、一氧化碳等杂质。
上述原料氧气经过第一冷却器7后通过第三控制阀19进入第一吸附反应器10，再经过第一控制阀14至产品气出口2；或者，原料氧气经过第一冷却器7 后通过第四控制阀20进入第二吸附反应器11，再经过第二控制阀15至产品气出口2。第一吸附反应器10和第二吸附反应器11内大容量吸附干燥机、深度吸附剂可深度脱除水、二氧化碳至ppt级。为了实现连续作业，第一吸附反应器 10和第二吸附反应器11交替使用，二者中的一个吸附饱和后进入活化阶段，另一个进行吸附工作，进入活化阶段的吸附反应器活化完成后进入等待阶段。当然，如果对生产的连续性没有要求，也可以设置一个吸附反应器，配套一个加热器和一个冷却器。
第一吸附反应器10吸附饱和后，由产品气管路分出一路氧气，经再生气主控制阀18后通过第一再生气控制阀16进入第二加热器Ⅰ12再进入第一吸附反应器10对第一吸附反应器10内的大容量吸附干燥剂和深度吸附剂进行高温活化，通过第一吸附反应器10后的再生氧气经过第二冷却器8冷却至常温在通过第一放空阀21和放空主控制阀23至放空出口3；或者，第二吸附反应器11吸附饱和后，由产品气管路分出一路氧气，经再生气主控制阀18后通过第二再生气控制阀17进入第二加热器Ⅱ13再进入第二吸附反应器11对第二吸附反应器 11内的大容量吸附干燥剂和深度吸附剂进行高温活化，通过第二吸附反应器11 后的再生氧气经过第三冷却器9冷却至常温在通过第二放空阀22和放空主控制阀23至放空出口3。第一吸附反应器10和第二吸附反应器11内大容量吸附干燥机、深度吸附剂在经过高温活化氧气活化时，会把常温吸附的大量水、二氧化碳等杂质释放到活化氧气中，并随着活化氧气放空，活化温度为180-210℃。本实施例所述的控制阀均为气动阀，也可以根据需要使用其他阀门。
本实施例采用加热器外置的形式，克服了现有技术瓶颈，实现了杂质脱除深度达到ppt级。现有技术中，催化氧化反应器采用内置加热器，杂质脱除深度无法达到ppt级，其原因为内部加热器不易控制，气体进入反应器后分布不均匀，反应器上部有相当高度催化剂不能达到使用温度，催化利用率较低，使用气量较小时，反应器底部容器富集热量导致反应器上部温度不能达到使用温度，而反应器底部温度超过使用温度。使用流量大时，反应器内上部催化也有相当高度催化剂不能达到使用温度。这样以来，催化剂不能正常发挥催化作用，使得杂质不能有效脱除。而在本申请之前，本领域技术人员普遍认为采用外置加热器的话，再生气入口处的温度会比再生气出口处的温度高，而这样会导致反应器内温度不均一，所以一直对设置外置加热器存在技术偏见。而本实施例中，反应器入口处与出口处的温度差为20-30摄氏度，再加上设置烧结板和折流板使气流平均分布，完全可以控制在催化剂的活性温度区间内，保证了催化剂的催化效果，使得氧气内的杂质在反应器内发生充分的催化氧化反应，使脱除深度达到ppt级。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种氧气纯化装置，包括催化氧化反应器和吸附反应器，其特征在于：所述催化氧化反应器的入口与原料气入口相连，且所述原料气入口与催化氧化反应器的入口之间设有第一加热器，所述催化氧化反应器的出口通过冷却器与所述吸附反应器的入口相连，所述吸附反应器的出口与产品气出口相连，所述产品气出口还通过再生气管路与吸附反应器的出口相连，所述再生气管路上设有第二加热器，所述吸附反应器的入口处还设有再生气排气管路，所述再生气排气管路上设有冷却器。
2.根据权利要求1所述的氧气纯化装置，其特征在于：包括催化氧化反应器、第一吸附反应器和第二吸附反应器，所述催化氧化反应器的出口连接第一冷却器后通过两个管路支路分别与第一吸附反应器的入口和第二吸附反应器的入口相连，所述第一吸附反应器的出口和第二吸附反应器的出口分别通过控制阀与产品气出口相连，所述产品气出口连接再生气主控制阀后通过两个再生气支路分别与第一吸附反应器的出口和第二吸附反应器的出口相连，所述再生气主控制阀与第一吸附反应器之间的再生气支路上设有第二加热器Ⅰ，所述再生气主控制阀与第二吸附反应器之间的再生气支路上设有第二加热器Ⅱ，所述第一吸附反应器的入口处设有第一再生气排气管路，所述第一再生气排气管路上设有第二冷却器，所述第二吸附反应器的入口处设有第二再生气排气管路，所述第二再生气排气管路上设有第三冷却器。
3.根据权利要求2所述的氧气纯化装置，其特征在于：还包括换热器，所述换热器的冷媒入口与原料气入口相连，所述换热器的冷媒出口通过管路与催化氧化反应器的入口相连，所述第一加热器设置于所述换热器的冷媒出口与所述催化氧化反应器的入口之间的管路上，所述催化氧化反应器的出口通过管路与换热器的热媒入口相连，所述换热器的热媒出口连接第一冷却器后通过两个管路支路分别与第一吸附反应器的入口和第二吸附反应器的入口相连。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的氧气纯化装置，其特征在于：所述加热器包括加热器壳体和设置在所述加热器壳体内部的多根加热棒，所述加热器壳体内还设有从加热器的入口端到出口端排布的折流板。
5.根据权利要求4所述的氧气纯化装置，其特征在于：多根加热棒相互平行，所述折流板垂直于加热棒。
6.根据权利要求4所述的氧气纯化装置，其特征在于：所述催化氧化反应器的内部空间的上部和下部设有多孔结构板，催化剂填充于上部和下部的多孔结构板之间，所述吸附反应器的内部空间的上部和下部也设有多孔结构板，吸附剂填充于上部和下部的多孔结构板之间。
7.根据权利要求6所述的氧气纯化装置，其特征在于：所述多孔结构板为烧结金属板。
8.根据权利要求1所述的氧气纯化装置，其特征在于：所述催化氧化反应器中的催化剂为钯催化剂，所述吸附反应器中的吸附剂为锰吸附剂和干燥剂。
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| CN115092893A (zh) * | 2022-07-05 | 2022-09-23 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学士官学校 | 一种高纯氧制取装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |