基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法和装置与流程

1.本技术属于制氮技术领域，具体而言，涉及一种基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法和装置。


背景技术：

2.采用传统制氮系统制得的产品氮气，其纯度约为99.5％，称之为“普氮”，普氮中含有约为0.5％的氧，但是在电子工业部门，尤其在半导体器件和集成电路的制造过程中，需要大量高纯度氮气(纯度约为99.999％)作为保护气、稀释气和运载气等，氮气作为制造大规模集成电路的基础材料，其纯度直接影响到电子产品的合格率和可靠性，因此需要将普氮净化提纯为高纯氮。
3.而现有的普氮提纯的方法一般包括两种，第一种是配氢法，例如电解水制氢、天然气制氢等，以氢气为脱氧剂，脱除氮气里的杂质氧气，第二种是催化剂法，也即在碳载型催化剂的作用下，使氮气中的杂质氧气与催化剂提供的碳发生反应，从而脱除氮气中含有的杂质氧气。但是这两种方法虽然能够除去氮气中的氧气，但是第一种配氢法需要提供氢气源，且存在一定的安全问题，第二种催化剂法需要消耗碳载型催化剂本身，因此必须定期更换催化剂，应用起来也很不方便。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。
5.本发明第一方面的技术方案提供了一种基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法。
6.本发明第二方面的技术方案提供了一种基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯装置。
7.本发明第一方面的技术方案提供的一种基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法，包括如下步骤：
8.步骤s1、对甲醇进行加热、加压处理，得到温度在220℃～270℃之间、压力在0.6mpa～2.0mpa之间的甲醇气体；
9.步骤s2、将加热和加压后的甲醇气体通入含有固体催化剂的裂解器中，在固体催化剂的作用下进行甲醇的裂解反应，得到包括co2、co和h2的第一混合气；
10.步骤s3、将第一混合气和普氮通入除氧器，脱除普氮中的氧气，得到第二混合气，除氧器内的温度为650℃～700℃之间；
11.步骤s4、将第二混合气进行气体分离，得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。
12.本发明提供的，先对甲醇进行加热、加压处理，得到加热和加压后的甲醇气体，然后将加热和加压后的甲醇气体通入含有固体催化剂的裂解器中，这样在固体催化剂的作用下，甲醇能够进行裂解反应，得到包括co2、co和h2的第一混合气；将第一混合气和普氮共同通入除氧器，这样第一混合气中的co和h2能够与o2反应，进而脱除普氮中的氧气，得到第二混合气，第二混合气包括反应生成的co2、h2o和氮气，以及未发生反应的co和h2。当然，也可在除氧器内设置镍基或贵金属催化剂，这样可以在催化剂的作用下，加快脱除普氮中的氧
气，其中，普氮指的是纯度在99.5％以下的氮气。值得说明的是，在该过程中co2不参与反应从除氧器中输出，作为第二混合气的一部分，co和h2能够与氧气反应生成co2和h2o。进一步，将第二混合气进行气体分离，即可得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。本发明提供的基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法，以甲醇作为原料，通过甲醇的裂解反应生成的co和h2来除去普氮中的氧气，这样保证氧气的去除率，也即通过co和h2共同来去除普氮中的氧气，相比于现有技术，单独采用h2或碳载型催化剂来去除普氮中的氧气而言，生产流程简便，且安全性高。进一步由于本技术采用甲醇裂解的方式制氢，相比于现有技术中，采用电解水制氢来吸收普氮中的氧气而言，甲醇更节省成本，相比于天然气制氢，不会受限于天然气的供应，提高了脱氧效率。
13.在上述技术方案中，在将加热和加压后的甲醇气体通入含有固体催化剂的裂解器中之前，先向裂解器中通入保护气体3min～10min，以排出裂解器中的空气。
14.在该技术方案中，在将加热和加压后的甲醇气体通入含有固体催化剂的裂解器中之前，先向裂解器中通入保护气体3min～10min，以排出裂解器中的空气，这样就可以排出裂解器中的氧气，使得裂解器中的氧气含量较低，能够确保甲醇在裂解反应中生成大量的co，提高后期除氧效率。该方法在裂解反应之后，得到的第一混合气中，co的含量为28％～32％，co2的含量为1％～2％，h2的含量为65％～75％；进一步，保护气体为高纯度的氮气，这样可以确保裂解器中的氧气被完全排出。
15.在上述技术方案中，固体催化剂包括：氧化铜、氧化锌、氧化铬。
16.在该技术方案中，固体催化剂包括：氧化铜、氧化锌、氧化铬；其中，氧化铜是主催化剂组分，可以加快甲醇裂解的反应速度，在催化剂的作用下发生脱氢反应，生成co和h2，氧化锌作为助催化剂存在，可以进一步促进催化作用，氧化铬具有较好的耐热性，能够维持催化作用的稳定。
17.在上述技术方案中，将第二混合气进行气体分离，得到氧含量小于等于0.0005％的氮气的步骤，具体包括：将第二混合气通入含有氧化铜的反应器中，除去第二混合气中的co和h2，得到第三混合气体；依次对第三混合气体进行碱洗、干燥得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。
18.在该技术方案中，先将第二混合气通入含有氧化铜的反应器中，对反应器进行加热，这样可以除去第二混合气中的co和h2，得到第三混合气，第三混合气体包括反应生成的co2和h2o以及氮气，然后将第三混合气通入碱管中除去co2，最后通过干燥器对第三混合气体进行干燥，除去h2o；该方案依次将第二混合气通入含有氧化铜的反应器、碱管和干燥器，这样就能够在除氧的步骤后，完全吸收氮气中夹杂的co、h2、h2o以及co2，确保输出纯净的高纯度氮气。
19.本发明第二方面提供了一种基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯装置，包括：加热加压器，用于对甲醇进行加热和加压，得到温度在220℃～270℃之间、压力在0.6～2.0mpa之间的甲醇气体；裂解器，与加热加压器连接，加热加压后的甲醇气体通入裂解器后，裂解器用于在固体催化剂的作用下进行甲醇的裂解反应，得到包括co2、co和h2的第一混合气；除氧器，与裂解器连接，第一混合气和普氮通入除氧器后，能够脱除普氮中的氧气，得到第二混合气，除氧器内的温度为650℃～700℃之间；气体分离器，与除氧器连接，用于对第二混合气进行气体分离，得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。
20.本发明提供的基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯装置，包括：加热加压器、裂解器、除氧器和气体分离器，加热加压器用于对甲醇进行加热和加压；裂解器与加热加压器连接，用于对加热和加压后的甲醇气体进行裂解，生成包括co2、co和h2的第一混合气；除氧器与裂解器连接，第一混合气和普氮通入除氧器后，第一混合气中的co和h2能够脱除普氮中的氧气，除氧器中得到第二混合气；气体分离器与除氧器连接，能够对第二混合气进行气体分离，得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。本发明提供的基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯装置，以甲醇作为原料，通过甲醇的裂解反应生成的co和h2来除去普氮中的氧气，这样保证氧气的去除率，也即通过co和h2共同来吸收普氮中的氧气，相比于单独采用co或h2或碳载型催化剂来吸收普氮中的氧气而言，生产流程简便，且安全性高。进一步由于本装置能够采用甲醇裂解的方式制氢，相比于现有技术中，采用电解水制氢来吸收普氮中的氧气而言，甲醇更节省成本，相比于天然气制氢，不会受限于天然气的供应，提高了脱氧效率。
21.在上述技术方案中，气体分离器包括：反应器，与除氧器连接，反应器包括加热装置和氧化铜，氧化铜能够在加热状态下除去第二混合气中的co和h2，得到第三混合气；碱管，与反应器连接，用于除去第三混合气中的co2；干燥器，与碱管连接，用于除去第三混合气中的h2o，得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。
22.在该技术方案中，气体分离器包括：反应器、碱管和干燥器，反应器与除氧器连接，反应器包括加热装置和氧化铜，氧化铜能够在加热状态下除去第二混合气中的co和h2，得到第三混合气，第三混合气体包括co2和h2o和氮气；碱管与反应器连接，用于除去第三混合气中的co2；干燥器与碱管连接，用于除去第三混合气中的h2o，得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。本装置依次将第二混合气通入含有氧化铜的反应器、碱管和干燥器，这样就能够在除氧的步骤后，完全吸收co、co2、h2和h2o，确保输出纯净的高纯度氮气。
23.根据本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实践了解到。
附图说明
24.根据本发明的实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
25.图1示出了本发明的实施例提供的基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法的流程示意图；
26.图2示出了本发明的实施例提供的基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯装置的示意性方框图。
27.其中，图2中的零部件名称与标号的对应关系如下：
28.1加热加压器，2裂解器，21固体催化剂，3除氧器，4气体分离器，41反应器，411氧化铜，42碱管，43干燥器，5普氮储存罐。
具体实施方式
29.为了能够更清楚地理解根据本发明的实施例的上述方面、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对根据本发明的实施例进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解根据本发明的实施例，但是，根据本发明的实施例还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，根据本发明的实施例的防护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
31.实施例一
32.如图1所示，本实施例提供了一种基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法，包括如下步骤：
33.s1：对甲醇进行加热、加压处理，得到温度在220℃～270℃之间、压力在0.6mpa～2.0mpa之间的甲醇气体；
34.s2：将加热和加压后的甲醇气体通入含有固体催化剂的裂解器中，在固体催化剂的作用下进行甲醇的裂解反应，得到包括co2、co和h2的第一混合气；
35.s3：将第一混合气和普氮通入除氧器，脱除普氮中的氧气，得到第二混合气，除氧器内的温度为650℃～700℃之间；
36.s4：将第二混合气进行气体分离，得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。
37.本实施例提供的基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法，先对甲醇进行加热、加压处理，得到加热和加压后的甲醇气体，然后将加热和加压后的甲醇气体通入含有固体催化剂的裂解器中，这样在固体催化剂的作用下，甲醇能够进行裂解反应，得到包括co2、co和h2的第一混合气；具体而言，在甲醇的裂解过程中包括化学反应方程式如下：
38.主反应：ch3oh
→
co 2h
2-90.7kj/mol
39.辅反应：co h2o
→
co2 h2 41.2kj/mol
40.辅反应：2co o2→
2co
2-283kj/mol
41.在甲醇的裂解反应之后，将第一混合气和普氮共同通入除氧器，这样第一混合气中的co和h2能够脱除普氮中的氧气，得到第二混合气。具体而言，co和h2与氧气的化学反应方程式如下：
42.2co o2→
2co2；
43.o2 2h2→
2h2o；
44.总反应：co h2 o2→
co2 h2o；
45.在该过程中co2不参与反应从除氧器中输出，作为第二混合气的一部分，co和h2能够吸收氮气中的氧气生成co2和h2o。进一步，将第二混合气进行气体分离，即可得到氧含量小于等于0.0005％的氮气。本发明提供的基于甲醇裂解反应的普氮除氧提纯方法，以甲醇作为原料，通过甲醇的裂解反应生成的co和h2来除去普氮中的氧气，这样保证氧气的去除率，也即通过co和h2共同来吸收普氮中的氧气，相比于单独采用co或h2来吸收普氮中的氧气而言，生产流程简便，且安全性高。进一步由于本技术采用甲醇裂解的方式制氢，相比于现有技术中，采用电解水制氢来吸收普氮中的氧气而言，甲醇更节省成本，相比于天然气制氢，不会受限于天然气的供应，提高了脱氧效率。
46.在上述实施例中，在将加热和加压后的甲醇气体通入含有固体催化剂的裂解器中之前，先向裂解器中通入保护气体3min～10min，以排出裂解器中的空气，这样就可以排出裂解器中的氧气，使得裂解器中的氧气含量较低，能够抑制co被氧化成co2，确保甲醇在裂解反应中生成大量的co，提高后期除氧效率。该方法在裂解反应之后，得到的混合气体中，co的含量为26％～30％，co2的含量为1％～3％，h2的含量为66％～73％；进一步，保护气体
和h2o，确保输出纯净的高纯度氮气。
55.在根据本发明的实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的方面，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在根据本发明的实施例中的具体含义。
56.此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
57.尽管已经采用特定结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。
58.以上仅为根据本发明的实施例的优选实施例而已，并不用于限制根据本发明的实施例，对于本领域的技术人员来说，根据本发明的实施例可以有各种更改和变化。凡在根据本发明的实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在根据本发明的实施例的防护范围之内。