使用稀有氣體添加劑通過變壓吸附制造臭氧制造技術

本發明專利技術涉及使用稀有氣體添加劑通過變壓吸附制造臭氧。將氦氣作為添加劑加入任何被引導到臭氧發生器（如介電放電（冷等離子體）臭氧發生器）的氧氣流中，其中所述發生器的流出物被引導到吸附過程以從所述氧氣分離臭氧。還公開了一種改進的ＰＳＡ循環，其被設計成減少維持臭氧生成和回收過程所需的補充氦氣和氧氣的量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及使用稀有氣體添加劑通過變壓吸附制造臭氧。
技術介紹
臭氧是氧氣的反應性三原子同素異形體，其可用于化學生產、消毒、飲用水處理、 空氣凈化、織物和木漿的漂白、廢水處理以及食品加工。用于這些應用的臭氧大部分是使用 空氣或高 純度氧氣作為進料氣體通過電暈放電系統制造的。臭氧也可以由空氣或氧氣通過 紫外線作用或通過冷等離子體(cold plasma)發生器制造。在大多數大的臭氧工業應用中，高純度氧氣被用作臭氧發生器進料氣體。在商 業電暈放電發生器中氧氣向臭氧的轉化率一般在4-13%之間，在某些應用中，產生的氧 氣_臭氧混合物不經進一步處理就被作為產品直接提供給下游用戶。由于未反應氧氣的成 本是臭氧系統操作成本的主要部分，所以在許多情形下希望從所述氧氣-臭氧混合物中回 收氧氣以再循環到臭氧發生器。這可以例如通過變壓吸附(pressure swingadsorption, PSA)來完成，其中臭氧從臭氧發生器出口流中被選擇性吸附，并且回收的臭氧耗盡的氧氣 被再循環到臭氧發生器。所述被吸附的臭氧被吹掃氣體(swe印gas)如空氣或氮氣解吸， 并且臭氧和吹掃氣體的混合物被作為產品提供給下游用戶。臭氧-氧氣PSA系統往往使用沸石吸附劑來從氧氣中選擇性吸附臭氧。眾所周知 沸石吸附劑會促進臭氧的分解，并且臭氧分解的程度會不利地影響臭氧成本且會提高消耗 臭氧的過程的操作成本。如美國專利5，810，910中所述，可通過使用含有預吸附的組分如 水、二氧化碳、氬氣或六氟化硫的沸石降低臭氧分解的程度。這些不與臭氧發生反應的組分 在臭氧吸附之前被吸附在吸附劑上。在使用冷等離子體發生器來產生臭氧的臭氧-氧氣PSA系統中，為了穩定等離子 體放電常常向氧氣進料氣體中加入氮氣。令人遺憾的是氮氣向生產過程中的添加往往導 致形成N0X，其可能對臭氧-氧氣PSA系統有幾點不利影響。在濕氣(moisture)存在下， NOx將形成硝酸，其是高度腐蝕性的，并可縮短系統部件包括例如臭氧發生器陰極的使用壽 命。此外，NOx吸附到氧氣-臭氧PSA系統中使用的許多類型的吸附劑上并且如果"吹掃步 驟"(以從吸附劑除去臭氧)中使用的氣體量不足以同樣除去吸附的NOx，NOx還會積累。 吸附的NOx還催化臭氧分解，這減少可在產生的氣體流中回收的臭氧量。需要替代方案來改進冷等離子體臭氧制備的穩定性和效率并且不形成不希望的 副產物如NOx。
技術實現思路
在一方面，本專利技術包括一種方法，其包括(a)將來自進料氣體管線的進料氣體混 合物輸送通過介電等離子體臭氧發生器(dielectricplasma ozone generator)，所述進料 氣體管線與氧氣源(oxygen supply)和氦氣源相連接，所述氧氣源包括至少90%的氧氣， 所述進料氣體混合物包括至少的氦氣；和(b)生成包含臭氧的發生器流出物。在另一個方面，本專利技術包括一種方法，其包括(a)將來自進料氣體管線的進料氣體混合物輸送通過介電等離子體臭氧發生器，所述進料氣體管線與氧氣源和氦氣源相 連接，所述氧氣源包括至少90 %的氧氣，所述進料氣體混合物包括至少1 %的稀有氣體 (noble gas)；和(b)生成包括至少2%的臭氧的發生器流出物；(c)在至少一個吸附劑容 器的每一個中執行吸附循環，其包括順序重復執行以下步驟，其中所述至少一個吸附劑容 器的每一個都包含對臭氧比對氧氣或氦氣具有更大吸附力(adsorption affinity)的吸附 劑(i)將所述發生器流出物輸送通過所述吸附劑容器并將離開所述吸附劑容器的氣體引 導到回收管線，所述回收管線與所述進料氣體管線流體連通；(ii)將清洗氣體輸送通過所 述吸附劑容器并將離開所述吸附劑容器的氣體引導通過所述回收管線；和(iii)將吹掃氣 體輸送通過所述吸附劑容器并從所述吸附劑容器取出含有所述吹掃氣體和臭氧的產物氣 體。在另一方面，本專利技術包括一種裝置，其包括臭氧發生器；適于向所述臭氧發生器 提供進料氣體混合物的進料氣體管線；能夠向所述進料氣體管線提供由至少90%的氧氣 組成的氣體的氧氣提供源；能夠向所述進料氣體管線提供氦氣的氦氣提供源；和控制器， 其在操作上設置成控制從所述氦氣提供源到所述進料氣體管線的氦氣流動從而使得所述 進料氣體混合物包括至少的氦氣。附圖說明圖1是本專利技術的一個實施方案的工藝流程圖；圖2是顯示來自使用不同進料氣體混合物組成的三個臭氧發生試驗的數據的表； 禾口圖3是顯示圖1所示PSA臭氧系統的系統循環的圖表。 具體實施例方式本專利技術包括將氦氣作為添加劑加入任何被引導到臭氧發生器(如介電放電 (dielectric discharge)(冷等離子體)臭氧發生器)中的氧氣流中，其中所述發生器的流 出物被引導到吸附過程以從氧氣分離臭氧。本專利技術進一步包括改進的PSA循環，其被設計 成減少維持所述臭氧發生和回收過程所需的補充氦氣和氧氣的量。除非在本文中另有說明，否則說明書、附圖和權利要求中提到的所有百分比都應 理解為是基于體積的。在權利要求中，使用了字母(例如(a)、(b)和(C))來標記要求保護的步驟。這些 字母被用于幫助提及所述方法步驟，并不意欲表明要求保護的步驟的執行順序，除非并且 只有在權利要求中具體提到了這樣的順序。參見圖1，顯示了 PSA臭氧系統10。該系統10包括產生臭氧的臭氧發生子系統 11，和從臭氧發生過程的流出物分離臭氧、暫時貯存所述臭氧、然后將臭氧通過產物氣體管 線22輸送用于工業過程中的吸附子系統13。臭氧發生子系統11通過將進料氣體混合物經由進料氣體管線24引入臭氧發生器 12中產生臭氧。在此實施方案中，臭氧發生器12為介電放電(冷等離子體)臭氧發生器。 進料氣體管線24中的進料氣體混合物優選地基本由氧氣和氦氣構成。進料氣體管線24與氧氣源14相連，其提供包括至少90%的氧氣，更優選地至少99%的氧氣的空氣。進料氣體管線24還與氦氣源16相連，其優選地在進料氣體混合物中保持氦氣濃度為至少1%，更優 選地為2-5%。所述進料氣體混合物還包含來自再循環管線29的再循環的氣體。優選地在 進料氣體混合物中保持氧氣濃度為至少90%，更優選地至少95%。所述再循環的氣體的典 型組成將在本文中加以詳述。流過管線26的來自臭氧發生器12的發生器流出物基本上由 氧氣、氦氣和臭氧構成。典型的介電放電臭氧發生器將進料氣體中約4-13%的氧氣轉化成 臭氧。在此實施方案中，氧氣和氦氣是通過液化氣體罐提供的。作為備選，可以采用任何 合適的提供可靠的氧氣和氦氣供應的方式。相比環境空氣(ambient air)來說優選氧氣源， 因為環境空氣含有較低百分比的氧氣且含有大量的氮氣。可以采用任何合適的方式，如控 制器和可調節的閥(未顯示)，來控制來自氧氣源14、氦氣源16和回收管線28的流動以實 現所要求的進料氣體混合物組成。如本文中將更加詳細描述的那樣，提供回收管線28以使得能夠回收氧氣和氦氣， 并由此減少維持所述臭氧發生過程所需的補充氧氣和氦氣的量。回收管線28優選地包括 壓縮機20，其補償通過系統10的壓降和在再循環管線29中以及由此在進料氣體管線24中 保持要求的壓力。在此實施方案中，所述進料氣體混合物在其進入臭氧發生器12時(即，在進料氣 體管本文檔來自技高網...

【技術保護點】
方法，包括：（ａ）將來自進料氣體管線的進料氣體混合物輸送通過介電等離子體臭氧發生器，所述進料氣體管線與氧氣源和氦氣源相連接，所述氧氣源包括至少９０％的氧氣，所述進料氣體混合物包括至少１％的氦氣；和（ｂ）從所述介電等離子體臭氧發生器生成包括臭氧的發生器流出物。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：AO韋斯特，SP岡戈利，EL小韋斯特，
申請(專利權)人：氣體產品與化學公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]