深冷氣體分離的前處理裝置和采用它的前處理方法
【專利摘要】本發(fā)明的課題在于提供一種用于深冷氣體分離裝置的前步驟，可有效地去除原料氣體中所包含的水和/或二氧化碳的深冷氣體分離的前處理裝置和前處理方法。一種深冷氣體分離的前處理裝置，其包括：二重管，在該二重管中，制冷劑在內(nèi)側(cè)流路中流通，原料氣體在帶有翅片的外側(cè)流路中流通，該深冷氣體分離的前處理裝置同時地進行在原料氣體中作為雜質(zhì)而包含的水和/或二氧化碳的去除，與制冷劑和原料氣體之間的熱交換，金屬板按照下述方式多個地設(shè)置于外側(cè)流路中，該金屬板是在具有與外側(cè)流路的截面有相同形狀的面的環(huán)狀板中，設(shè)置有原料氣體流通用的缺口部的金屬板，該方式為：鄰接的金屬板的缺口部位于在原料氣體的流通方向上相互不重合的位置。
【專利說明】
深冷氣體分離的前處理裝置和采用它的前處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及設(shè)置于深冷氣體分離裝置的前步驟，可同時地進行原料氣體中包含的水和/或二氧化碳的去除，與制冷劑和原料氣體之間的熱交換的具有二重管的深冷氣體分離的前處理裝置和采用它的前處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體制造步驟中，運載氣體采用大量的氫。作為以工業(yè)方式容易而大量地獲得氫的方法，包括:比如使用液化石油氣、液化天然氣等的碳氫化合物的水蒸氣重整的工藝(脫硫步驟、水蒸氣重整步驟、氫精制(PSA法、深冷吸接法)步驟等)來制造的方法。在這樣的工藝的深冷氣體分離步驟(深冷吸接步驟)之前，在水蒸氣重整氣體中，除了氫以外，還包含一氧化碳、甲烷等的碳氫化合物、二氧化碳、水等。
[0003]另外，在半導(dǎo)體制造步驟中，作為以工業(yè)方式容易而大量地制備作為運載氣體而大量使用的氮、氦等的氣體的方法，包括通過深冷氣體分離法，將空氣冷卻到極低溫，根據(jù)沸點的不同，分離為各自的成分的方法。深冷空氣分離通常通過分凝、蒸餾、吸接等的操作而進行。
[0004]在上述氫、氮、氦等的工業(yè)制造中，由于在深冷氣體分離步驟前的原料氣體中作為雜質(zhì)而包含的水和二氧化碳在氫、氮、氦等變?yōu)橐后w之前的冷卻階段的溫度下凝固，固接于管、閥等上，產(chǎn)生不良狀況，故在將原料氣體供給到深冷氣體分離裝置之前，必須要求去除它們的處理。
[0005]作為在供給到深冷氣體分離裝置之前，對原料氣體進行前處理的裝置或方法，比如，人們公知將原料氣體(水蒸氣改性氣體、空氣)導(dǎo)入吸接塔來去除水和二氧化碳的裝置或方法。
[0006]專利文獻1: JP特開平I一95280號公報
[0007]專利文獻2: JP特開平5—157447號公報
[0008]專利文獻3: JP特開平6—185856號公報
[0009]專利文獻4: JP特開2006—349322號公報
[0010]專利文獻5: JP特表2008—527295號公報[0011 ] 專利文獻6: JP特表2009—52807號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]發(fā)明要解決的課題
[0013]但是，因設(shè)置作為前處理裝置的吸接塔，用于進行深冷氣體分離的裝置變得較復(fù)雜、尺寸大，另外也花費設(shè)置成本和作業(yè)成本。
[0014]于是，本發(fā)明要解決的課題在于提供設(shè)置于深冷氣體分離裝置的前步驟，可高效地去除原料氣體中所包含的水和/或二氧化碳的深冷氣體分離的前處理裝置和前處理方法。
[0015]發(fā)明的公開方案
[0016]本發(fā)明人為了解決這些課題，進行了深入研究，其結(jié)果是發(fā)現(xiàn)，如果可同時地進行在深冷氣體分離中基本必須的原料氣體和制冷劑(制品氣體)的熱交換，與水和/或二氧化碳的去除，則可解決上述課題；另外，在熱交換的原料氣體的冷卻時，如果通過設(shè)置于原料氣體的流路上的金屬板，在一定條件下控制原料氣體的流通，則可使在原料氣體中所包含的水和/或二氧化碳在金屬板的表面上冷卻、固接，可從原料氣體中去除它們，于是得到了本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置和采用它的前處理方法。
[0017]即，本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置包括:二重管，在該二重管中，制冷劑在內(nèi)側(cè)流路中流通，原料氣體在帶有翅片的外側(cè)流路中流通，深冷氣體分離的前處理裝置同時地進行在原料氣體中作為雜質(zhì)而包含的水和/或二氧化碳的去除，與制冷劑與原料氣體之間的熱交換，其特征在于，金屬板按照下述方式多個地設(shè)置于外側(cè)流路中，該金屬板是在具有與外側(cè)流路的截面有相同形狀的面的環(huán)狀板中，設(shè)置有原料氣體流通用的缺口部的金屬板，該方式為:鄰接的金屬板的缺口部位于在原料氣體的流通方向上相互不重合的位置。
[0018]另外，本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理方法的特征在于，使制冷劑在上述的深冷氣體分離的前處理裝置的內(nèi)側(cè)流路中流通，并且使原料氣體在外側(cè)流路中流通，將在原料氣體中作為雜質(zhì)而包含的水和/或二氧化碳于設(shè)置于外側(cè)流路的金屬板的表面上冷卻而固接，由此從原料氣體中去除上述成分。
[0019]發(fā)明的效果
[0020]在過去的深冷氣體分離步驟中，在深冷氣體分離之前，分別進行填充吸接材料的吸接筒等的水和/或二氧化碳的去除，與熱交換器的原料氣體和制冷劑(制品氣體)的熱交換。但是，本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置和采用它的前處理方法可同時地進行水和/或二氧化碳的去除，與熱交換。其結(jié)果是，用于進行深冷氣體分離的裝置簡單且尺寸小，另外可抑制設(shè)置成本和作業(yè)成本。
【附圖說明】
[0021]圖1為表示本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置的一個例子的剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2為表示用于本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置的金屬板的例子的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖3為表示本發(fā)明的二重管部分的一個例子的局部放大的剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖4為表不本發(fā)明的圖3以外的二重管部分的一個例子的局部放大的剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖5為表示本發(fā)明的圖3、圖4以外的二重管部分的一個例子的局部放大的剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖6為表示本發(fā)明的圖3?圖5以外的二重管部分的一個例子的局部放大的剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖7為表示本發(fā)明的圖3?圖6以外的二重管部分的一個例子的局部放大的剖面結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明適用于下述裝置，該裝置設(shè)置于深冷氣體分離裝置的前步驟，同時地進行原料氣體與制冷劑(制品氣體)的熱交換，與水和/或二氧化碳的去除。作為通過深冷氣體分離而制備的精制氣體，能列舉出氫、氦、氮、一氧化碳、氬、氧等。
[0029]下面根據(jù)圖1?圖7，對本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置和采用它的前處理方法進行具體地說明，但是本發(fā)明并不限于這些說明。
[0030]另外，圖1為表示本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置的一個例子的剖面結(jié)構(gòu)圖。圖2為表示用于本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置的金屬板的例子的結(jié)構(gòu)圖。圖3?圖7為表示本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置的二重管部分的例子的局部放大的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0031]本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置，像圖1所示的那樣，包括:二重管3，該二重管3使制冷劑在內(nèi)側(cè)流路I中流通，使原料氣體在帶有翅片6的外側(cè)流路2中流通，該深冷氣體分離的前處理裝置同時地進行于原料氣體中去除作為雜質(zhì)而包含的水和/或二氧化碳，與制冷劑和原料氣體之間的熱交換。在該裝置中，圖2所示的那樣的金屬板7按照下述方式多個地設(shè)置于外側(cè)流路2中，該金屬板7為在具有與外側(cè)流路2的截面有相同形狀的面的環(huán)狀板中，設(shè)置有原料氣體流通用的缺口部11的金屬板，該方式為:像圖3所示的那樣，鄰接的金屬板7的缺口部11位于在原料氣體的流通方向8上相互不重合的位置。
[0032]用于本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置的金屬板7通常像圖3、圖4所示的那樣，按照與原料氣體的流通方向8相垂直的方式設(shè)置于外側(cè)流路2中。在該場合，金屬板7的外周13像圖2(1)?圖2(3)所示的那樣，呈直徑與二重管的外管5的內(nèi)徑實質(zhì)上相同的圓弧形狀，或像圖2(4)所示的那樣，金屬板7的外周13具有與二重管的外管5的內(nèi)徑實質(zhì)上相同的直徑的圓形狀。另外，金屬板7的內(nèi)周12與上述相同，呈直徑與二重管的內(nèi)管4的外徑相同的圓弧形狀或圓形狀。
[0033]但是，在本發(fā)明中，金屬板7像圖5所示的那樣，也可按照不與原料氣體的流通方向8相垂直的方式設(shè)置于外側(cè)流路2中。在該場合，金屬板7的外周13對應(yīng)于向流通方向8的斜率，設(shè)定為實質(zhì)上與二重管的外管5接觸的橢圓的圓弧形狀或橢圓形狀。另外，金屬板7的內(nèi)周12對應(yīng)于向流通方向8的斜率，設(shè)定為與二重管的內(nèi)管4接觸的橢圓的圓弧形狀或橢圓形狀。
[0034]金屬板7的原料氣體流通用的缺口部既可為I個，也可為多個，但是在僅僅相同形狀的金屬板采用多個的場合，在將其設(shè)置于原料氣體的流路內(nèi)部時，限定于相互鄰接的金屬板的缺口部不重合的形狀和大小。金屬板7的缺口部的面積通常為沒有缺口部的場合的金屬板7的面積的5?40%，優(yōu)選為10?30%。金屬板的厚度通常為0.1?1.0mm的范圍內(nèi)。另夕卜，為了容易將金屬板安裝于二重管的內(nèi)管的外側(cè)，像圖2(4)所示的那樣，也可設(shè)置狹縫14ο
[0035]作為用于金屬板7的金屬材料，可列舉有碳素鋼、錳鋼、鉻鋼、鉬鋼、不銹鋼、鎳鋼、鎢鋼等的金屬，但是，在它們當(dāng)中，優(yōu)選采用不銹鋼。
[0036]在本發(fā)明中，金屬板7通常設(shè)置于二重管的外側(cè)流路2的翅片6的間隙中，像圖6、圖7所示的那樣，也可僅僅設(shè)置兼具翅片6的功能的金屬板7。
[0037]本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置可通過下述方式制造，該方式為:比如像圖3?圖5所示的那樣，在將金屬板7于帶有翅片的內(nèi)管4的翅片中的鄰接的兩個翅片部分的間隙固定后，或像圖6、圖7所示的那樣，在將兼具翅片6的功能的金屬板7固定于內(nèi)管4上后，插入具有原料氣體的導(dǎo)入口9和處理后的原料氣體的排出口 10的外管5中。另外，二重管的長度通常在20?200cm的范圍內(nèi)，二重管的外徑通常在2?20cm的范圍內(nèi)。
[0038]在本發(fā)明中，在將金屬板7固定于二重管的內(nèi)管4的外周上時，鄰接的金屬板7的缺口部11按照位于在原料氣體的流通方向8上，即使在局部也不重合的位置的方式設(shè)定。在金屬板7的缺口部11于原料氣體的流通方向8上重合的場合，由于原料氣體呈直線地通過其一部分，難以通過借助制冷劑而冷卻的金屬板7的表面，故具有以下危險:包含于原料氣體中的水和/或二氧化碳難以在金屬板7的表面上冷卻并固定，無法從原料氣體中去除水和/或二氧化碳。另外，如果設(shè)定具有這樣的缺口部11的位置關(guān)系的至少兩個金屬板7，則其前處理裝置針對金屬板的設(shè)定條件，在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0039]還有，在金屬板7的外周13和二重管的外管5之間，實質(zhì)上沒有間隙。另外，在金屬板7的內(nèi)周12和二重管的內(nèi)管4之間，在缺□部11以外的部位，優(yōu)選沒有間隙，另外，優(yōu)選即使在缺口部11的部位，像圖2(1)、圖2(2)所示的那樣，缺口的部分為從中心部朝向外周方向而擴大的形狀。通過形成這樣的形狀，可高效地將來自制冷劑的冷卻效果傳遞給金屬板7，可在金屬板7的表面上，有效地冷卻、固接水和/或二氧化碳。
[0040]本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理方法為下述方法，其中，使制冷劑在前述的深冷氣體分離的前處理裝置的內(nèi)側(cè)流路I中流通，并且使原料氣體在外側(cè)流路2中流通，使原料氣體中作為雜質(zhì)而包含的水和/或二氧化碳在設(shè)置于外側(cè)流路2中的金屬板7的表面上冷卻而固接，由此，從原料氣體中去除上述成分。
[0041]原料氣體為包含從氫、氦、氮、一氧化碳、氬、氧以及碳氫化合物中選出的至少兩種以上的氣體或空氣。在本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理方法中，關(guān)于原料氣體的供給流量和壓力，沒有特別的限$1」，但是流量通常在10?10001113/1^的范圍內(nèi)，壓力通常在0.05?2MPa的范圍內(nèi)。另外，按照以下方式設(shè)定冷卻條件:通過制品氣體等的制冷劑，在原料氣體的壓力條件下，在到達原料氣體的排出口 10之前，原料氣體中所含的水或二氧化碳發(fā)生凝固。
[0042](實施例)
[0043]下面通過實施例，具體地對本發(fā)明說明，但是，本發(fā)明并不限于這些說明。
[0044](實施例1)
[0045](深冷氣體分離的前處理裝置的制作)
[0046]從市場銷售的熱交換器中取出二重管3，按照下述方式，在內(nèi)管4(長度:1200mm，夕卜徑:9.5mm)的螺旋狀的翅片6(外徑:25mm)的間隙中，安裝圖2(1)所示的形狀的不銹鋼制的金屬板7 (內(nèi)徑:9.5mm，外徑:30mm，厚度:0.5mm) 50個，該方式為:像圖3所示的那樣，鄰接的金屬板7的缺口部11位于相互不重合的位置。缺口部的面積為沒有缺口部的場合的金屬板7的面積的30%。將安裝有金屬板7的內(nèi)管4，插入具有原料氣體的導(dǎo)入口 9和處理后的原料氣體的排出口 10的外管5(長度:1100mm，內(nèi)徑:30mm)中，完成前處理裝置。
[0047](前處理裝置的水去除試驗)
[0048]在像前述那樣制作的前處理裝置的內(nèi)側(cè)流路I內(nèi)部，按照流通制冷劑的方式連接管，于外側(cè)流路2連接原料氣體的供給管和處理后氣體的取出管。另外，于前處理裝置的后段，設(shè)置冷卻俘獲裝置。接著，使制冷劑在前處理裝置的內(nèi)側(cè)流路I中流通，將翅片6和金屬板7冷卻到一 100 °C以下，并且在外側(cè)流路2中，以10m3/hr (壓力表的壓力:0.5MPa)的流量，供給作為原料氣體的約20°C的氫(含水率:10ppm)兩個小時。另外，在原料氣體中，按照本發(fā)明的實質(zhì)，以兩種以上的低沸點氣體為主成分，但是為了簡化試驗，采用以氫為主成分的氣體。
[0049]在試驗的實施中，以10分鐘的間隔，測定從排出口10獲得的處理后的氣體的含水率，并且測定在冷卻俘獲裝置中因水的凍結(jié)導(dǎo)致的管的堵塞所造成的壓力損失。其結(jié)果是，在原料氣體的供給開始30分鐘后，處理后的氣體的含水率穩(wěn)定，在Ippm以下。另外，可確認:沒有測定到冷卻俘獲裝置中的壓力損失的增加，在處理后的氣體中，不含有使后段的裝置產(chǎn)生不良狀況的量的水。另外，處理后的氣體的溫度為一 10°C。
[0050](實施例2)
[0051]針對實施例1的深冷氣體分離的前處理裝置的制作，只是將金屬板7替換為圖2(2)所示的那樣的形狀的類型，其它方面與實施例1相同地制作前處理裝置。另外，金屬板7的內(nèi)徑、外徑、厚度與實施例1的金屬板相同，缺口部的面積為沒有缺口部的場合的金屬板7的面積的20 %。
[0052]針對像這樣制作的前處理裝置，與實施例1相同，進行前處理裝置的水去除試驗。其結(jié)果是，在原料氣體的供給開始30分鐘后，處理后的氣體的含水率穩(wěn)定，在Ippm以下。另夕卜，沒有測定到冷卻俘獲裝置中的壓力損失的增加。
[0053](實施例3)
[0054]在不銹鋼制的內(nèi)管4(長度:1200mm，外徑:9.5mm)中，按照鄰接的金屬板7的缺口部11位于相互錯開45度的位置的方式等間隔地安裝50個金屬板7(內(nèi)徑:9.5mm，外徑:30mm，厚度:0.3mm)，該金屬板由不銹鋼制成，為圖2(4)所示的那樣的形狀，具有翅片的功能。缺口部的面積為沒有缺口部的場合的金屬板7的面積的25 %。將安裝有金屬板7的內(nèi)管4插入外管5(長度:1100mm，內(nèi)徑:30mm)中，該外管5由不銹鋼制成，具有原料氣體的導(dǎo)入口9和處理后的原料氣體的排出口 10，完成前處理裝置。
[0055]針對像這樣制作的前處理裝置，與實施例1相同，進行前處理裝置的水去除試驗。其結(jié)果是，在原料氣體的供給開始30分鐘后，處理后的氣體的含水率穩(wěn)定，在Ippm以下。另夕卜，沒有測定到冷卻俘獲裝置中的壓力損失的增加。
[0056](比較例I)
[0057]針對實施例1的深冷氣體分離的前處理裝置的制作，沒有在市場銷售的熱交換器中安裝金屬板，原樣地將該熱交換器用作前處理裝置。
[0058]針對該前處理裝置，與實施例1相同，進行前處理裝置的水去除試驗。其結(jié)果是，在原料氣體的供給開始30分鐘后，處理后的氣體的含水率在70?SOppm的范圍內(nèi)。另外，從原料氣體的供給開始60分鐘后起，沒有測定到冷卻俘獲裝置中的壓力損失的增加。
[0059](比較例2)
[0060]針對實施例1的深冷氣體分離的前處理裝置的制作，除了按照鄰接的金屬板7的缺口部11位于相互重合的位置的方式安裝的方面，其它的方面與實施例1相同，制作前處理裝置。
[0061]針對像這樣制作的前處理裝置，與實施例1相同，進行前處理裝置的水去除試驗。其結(jié)果是，在原料氣體的供給開始30分鐘后，處理后的氣體的含水率在50?60ppm的范圍內(nèi)。另外，從原料氣體的供給開始80分鐘后起，沒有測定到冷卻俘獲裝置中的壓力損失的增加。
[0062]像上述那樣，本發(fā)明的深冷氣體分離的前處理裝置和采用它的前處理方法像實施例所示的那樣，可同時地進行熱交換和水的去除。另外，與水的去除相同，也可進行二氧化碳的去除。其結(jié)果是，用于進行深冷氣體分離的裝置簡單、尺寸小，另外可抑制設(shè)置成本和作業(yè)成本。
[0063]標(biāo)號的說明:
[0064]標(biāo)號I表示內(nèi)側(cè)流路；
[0065]標(biāo)號2表示外側(cè)流路；
[0066]標(biāo)號3表示二重管；
[0067]標(biāo)號4表示內(nèi)管；
[0068]標(biāo)號5表;^外管；
[0069]標(biāo)號6表不翅片；
[0070]標(biāo)號7表示金屬板；
[007? ]標(biāo)號8表示原料氣體的流通方向；
[0072]標(biāo)號9表不原料氣體的導(dǎo)入口 ；
[0073]標(biāo)號10表不處理后的原料氣體的排出口；
[0074]標(biāo)號11表示缺口部；
[0075]標(biāo)號12表不金屬板的內(nèi)周；
[0076]標(biāo)號13表不金屬板的外周；
[0077]標(biāo)號14表示狹縫。
【主權(quán)項】
1.一種深冷氣體分離的前處理裝置，其包括:二重管，在該二重管中，制冷劑在內(nèi)側(cè)流路中流通，原料氣體在帶有翅片的外側(cè)流路中流通，深冷氣體分離的前處理裝置同時地進行在原料氣體中作為雜質(zhì)而包含的水和/或二氧化碳的去除，與制冷劑與原料氣體之間的熱交換，其特征在于， 金屬板按照下述方式多個地設(shè)置于外側(cè)流路中，該金屬板是在具有與外側(cè)流路的截面有相同形狀的面的環(huán)狀板中，設(shè)置有原料氣體流通用的缺口部的金屬板，該方式為:鄰接的金屬板的缺口部位于在原料氣體的流通方向上相互不重合的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深冷氣體分離的前處理裝置，其特征在于，原料氣體包含:從氫、氦、氮、一氧化碳、氬、氧以及碳氫化合物中選出的至少兩種以上的氣體，或空氣。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深冷氣體分離的前處理裝置，其特征在于，金屬板設(shè)置于翅片中的鄰接的兩個翅片部分的間隙中。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深冷氣體分離的前處理裝置，其特征在于，金屬板為下述的金屬板，其通過將包含于原料氣體中的水和/或二氧化碳于該金屬板的表面上冷卻而固接，由此從原料氣體中去除水和/或二氧化碳。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深冷氣體分離的前處理裝置，其特征在于，金屬板由不銹鋼形成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深冷氣體分離的前處理裝置，其特征在于，制冷劑為已冷卻的制品氣體。7.—種深冷氣體分離的前處理方法，其特征在于，使制冷劑在權(quán)利要求1所述的深冷氣體分離的前處理裝置的內(nèi)側(cè)流路中流通，并且使原料氣體在外側(cè)流路中流通，將在原料氣體中作為雜質(zhì)而包含的水和/或二氧化碳于設(shè)置于外側(cè)流路的金屬板的表面上冷卻而固接，由此從原料氣體中去除上述成分。
【文檔編號】B01D53/00GK106076054SQ201610269036
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月27日 公開號201610269036.9, CN 106076054 A, CN 106076054A, CN 201610269036, CN-A-106076054, CN106076054 A, CN106076054A, CN201610269036, CN201610269036.9
【發(fā)明人】暉末八, 兒玉義文, 植村訓(xùn)之
【申請人】日本派歐尼株式會社