一种二氧化碳净化装置
技术领域
本发明涉及二氧化碳净化领域，具体涉及一种二氧化碳净化装置。
背景技术
二氧化碳（英文名称：Carbon dioxide）是空气中常见的化合物，其分子式为CO2，由两个氧原子与一个碳原子通过共价键连接而成。空气中有微量的二氧化碳，约占空气总体积的0.03％。二氧化碳能溶于水中，形成碳酸，碳酸是一种弱酸。由于空气中含有二氧化碳，所以通常情况下雨水的PH值大于等于5.6，CO2本身没有毒性，但当空气中的CO2超过正常含量时，会对人体产生有害的影响。高纯二氧化碳被用于人造金刚石，二氧化碳激光器，光纤生产，电子工业的刻蚀，分析设备用气，超临界状态的非极性，非离子型的低分子量洗剂。二氧化碳在制造过程中有CO，H2O，烃类，O2等有害杂质，二氧化碳生产者也会在生产流程中对以上介质进行净化，但受大化工生产和工艺，工序流程的限制，要生产杂质含量小于1PPm以下的超高纯二氧化碳非常难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二氧化碳净化装置，通过催化剂催化转化+吸附相结合的技术，对二氧化碳中原有的杂质进行净化，保证CO2气体中的杂质含量＜1PPm，从而得到高纯CO2。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种二氧化碳净化装置，包括第一吸附塔、催化塔、第二吸附塔；
所述第一吸附塔内装填硅胶，所述第二吸附塔内装填活性炭，所述活性炭上搭载有高氯酸镁；
所述第一吸附塔设置有进气管和惰性气体管；
所述惰性气体管依次通过一不锈钢电磁阀、稳流阀与所述第一吸附塔进气端导通，所述第一吸附塔出气端与所述催化塔连接；
所述催化塔出气管道依次通过波纹管、金属过滤器与所述第二吸附塔连接，所述第二吸附塔设置有纯气管道。
本方案的优势在于将CO2依次经过三个部分的处理，从而实现净化操作。
第一部分为预处理，第一吸附塔内采用硅胶将CO2中的H2O除掉，CO2本身化学性质较为稳定，但与H2O会生成碳酸，对金属材料和吸附剂都有很强的腐蚀性。我们优选采用硅胶作为预处理吸附剂填料，硅胶在碳酸条件下比3A分子筛更稳定。硅胶再生温度仅需150℃即可，而3A分子筛需要300℃以上的高温，高温情况下，碳酸对材料的腐蚀性会进一步加强，传输和控制我们优选采用防腐蚀电磁阀和聚四氟乙烯管道。
第二部分为催化部分，干燥的CO2通过催化塔内的催化剂进行催化转化，活性炭为载体的催化剂均可用于CO2中O2的催化转化，担载有纳米级的镍，钯、铂等材料的活性炭催化剂，可以将二氧化碳中的甲烷、一氧化碳、烃类、氧气等转化成二氧化碳和水。
第三部分为深度纯化，从第二部分出来的二氧化碳中，仅含有痕量的杂质H2O。在第二吸附塔内我们优选采用担载有无水高氯酸镁的吸附剂，也可用3A分子筛进行深度脱水。采用化学吸附和物理吸附的方法得到高纯二氧化碳。
作为一种优选方案，所述第一吸附塔和第二吸附塔分别设置有第一备用塔和第二备用塔；
所述第一吸附塔和第一备用塔之间，以及第二吸附塔和第二备用塔之间分别设置有开关阀，所述开关阀用于控制所述第一吸附塔、第二吸附塔、第一备用塔、第二备用塔的使用状态。
作为一种优选方案，所述进气管和惰性气体管还分别与所述第一备用塔导通，所述惰性气体管与第一吸附塔和第一备用塔之间分别设置有压力表。
作为一种优选方案，所述第一吸附塔/第一备用塔与所述催化塔之间安还装有流速计，安装流速计能够保证再生气体的流速以及压力，保证再生顺利完成，稳流阀，带有进出气口，能够调节出口出气流量的大小。
作为一种优选方案，所述净化装置的所有管道中均安装有控制阀。
作为一种优选方案，所述进气管用于通入二氧化碳原气进入到第一吸附塔或第一备用塔内；
所述惰性气体管以5L/min的速度通入惰性气体，对所述第一吸附塔或第一备用塔的硅胶进行吹扫。
第一吸附塔内的硅胶用于吸附二氧化碳原气中的水，然后再以5L/min的速度通入惰性气体，对所述硅胶进行吹扫。由于CO2无色，无味，放散到环境中有窒息的危险，同时弥散在空气中的CO2也会对电器、设备有很强的腐蚀性，所以在再生时，我们采用大气组分的氮气或氩气进行吹扫，仅在后期用少量的CO2进行置换，实现安全环保的目的。
作为一种优选方案，所述第一吸附塔和第一备用塔外壁设置有加热带，所述硅胶吸附水后形成硅胶再生，再生时通过所述加热带将第一吸附塔和第一备用塔升温至150℃。
作为一种优选方案，所述催化塔内的催化剂为镍钯催化剂或CTO-1催化剂。
作为一种优选方案，所述第一吸附塔、第一备用塔的进气端和出气端分别设置有聚四氟乙烯阀门。
本发明的有益效果是：
（1）优选采用硅胶作为预处理吸附剂填料，提高了CO2中H2O的吸附。
（2）惰性气体吹扫设计，通过通入5l/min的氮气或氩气，对吸附H2O的硅胶进行吹扫。由于CO2无色，无味，放散到环境中有窒息的危险，同时弥散在空气中的CO2也会对电器、设备有很强的腐蚀性，所以在再生时，我们采用大气组分的氮气或氩气进行吹扫，仅在后期用少量的CO2进行置换，实现安全环保的目的。
（3）硅胶再生初期系统中通入适量氮气，将大量的水带走，用于将吸附塔中残留的氮气和痕量的的水抽出，抽出过程中补入CO2，可用于置换吸附塔中的氮气。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明主视图；
图3为本发明侧视图；
图4为本发明俯视图；
图5为本发明原理图；
图6为原始气体气相色谱仪扫描曲线；
图7为纯净气体气相色谱仪扫描曲线
图8为150℃杂质的PPm变化数据曲线；
图9为200℃杂质的PPm变化数据曲线；
图10为250℃杂质的PPm变化数据曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1-4所示，一种二氧化碳净化装置，包括第一吸附塔1、催化塔2、第二吸附塔16；
第一吸附塔1内装填硅胶，第二吸附塔3内装填活性炭，活性炭上搭载有高氯酸镁；
第一吸附塔1设置有进气管13和惰性气体管5；
惰性气体管5依次通过一不锈钢电磁阀14、稳流阀11与第一吸附塔1进气端导通，第一吸附塔1出气端与催化塔2连接；
催化塔2出气管道依次通过波纹管7、金属过滤器9与第二吸附塔16连接，第二吸附塔16设置有纯气管道6。
作为一种优选方案，第一吸附塔1和第二吸附塔16分别设置有第一备用塔3和第二备用塔12；第一吸附塔1和第一备用塔3之间，以及第二吸附塔16和第二备用塔12之间分别设置有开关阀15，开关阀15用于控制第一吸附塔1、第二吸附塔16、第一备用塔3、第二备用塔12的使用状态。
其工作原理如图5所示，原气首先进入第一吸附塔1内（图5中的吸附塔Ⅰ塔和吸附Ⅱ塔，其中一个作为第一吸附塔1另一个作为第一备用塔3），惰性气体由右侧阀门进入到第一吸附塔1内，在第一吸附塔1内完成第一部预处理，第一吸附塔内采用硅胶将CO2中的H2O除掉，CO2本身化学性质较为稳定，但与H2O会生成碳酸，对金属材料和吸附剂都有很强的腐蚀性。我们优选采用硅胶作为预处理吸附剂填料，硅胶在碳酸条件下比3A分子筛更稳定。硅胶再生温度仅需150℃即可，而3A分子筛需要300℃以上的高温，高温情况下，碳酸对材料的腐蚀性会进一步加强，传输和控制我们优选采用防腐蚀电磁阀和聚四氟乙烯管道。
完成第一部分处理后，进入到催化塔内，进行第二部分的催化转化处理，干燥的CO2通过催化塔2内的催化剂进行催化转化，活性炭为载体的催化剂均可用于CO2中O2的催化转化，担载有纳米级的镍，钯、铂等材料的活性炭催化剂，可以将二氧化碳中的甲烷、一氧化碳、烃类、氧气等转化成二氧化碳和水。
最后进入第二吸附塔16（图中的吸附塔Ⅲ和吸附塔Ⅳ分别为主塔和备用塔）进行第三部分的深度纯化，从第二部分出来的二氧化碳中，仅含有痕量的杂质H2O。在第二吸附塔16内我们优选采用担载有无水高氯酸镁的吸附剂，也可用3A分子筛进行深度脱水。采用化学吸附和物理吸附的方法得到高纯二氧化碳。
作为一种优选方案，进气管13和惰性气体管5还分别与第一备用塔3导通，惰性气体管5与第一吸附塔1和第一备用塔3之间分别设置有压力表8，第一吸附塔1/第一备用塔3与催化塔2之间安还装有流速计10，净化装置的所有管道中均安装有控制阀15。
作为一种优选方案，进气管13用于通入二氧化碳原气进入到第一吸附塔1或第一备用塔3内；惰性气体管5以5L/min的速度通入惰性气体，对第一吸附塔1或第一备用塔3的硅胶进行吹扫。
作为一种优选方案，第一吸附塔1和第一备用塔3外壁设置有加热带，硅胶吸附水后形成硅胶再生，再生时通过加热带将第一吸附塔1和第一备用塔3升温至150℃。
作为一种优选方案，催化塔2内的催化剂为镍钯催化剂或CTO-1催化剂。
作为一种优选方案，第一吸附塔1、第一备用塔3的进气端和出气端分别设置有聚四氟乙烯阀门4，其中上侧的聚四氟乙烯阀门4用于控制进气，下侧的聚四氟乙烯阀门4为废气放空阀。
催化塔2为Ф57×3mm，长度为760mm的304不锈钢管体，其内部装填定量的镍钯催化剂，合理的床层结构，保证催化转化效率，其通过氩气保护气焊接，最终制成一套带进、出气接口的催化塔。
第一吸附塔1、第二吸附塔16、第一备用塔3、第二备用塔12为Ф76×4mm，长度为760mm的304不锈钢管体，其内部装填定量的硅胶+活性炭（担载高氯酸镁）的吸附剂，通过氩气保护气焊接，最终制成2套带进、出气接口。
波纹管7设计为不锈钢波纹管阀。
阀门均采用聚四氟乙烯阀门，是专为具有腐蚀性的气体而配备的，可有效降低二氧化碳对阀门的腐蚀，安装在制作进吸附塔的前端，因此段的气均为原气。
金属过滤器9内部配有过滤精度为0.3μm由不锈钢烧结而成的滤芯，能够有效过滤掉气体中≥0.3μm的颗粒物，从而保证气体的纯度，也带有进出气口。
上述各部件连接采用的316L直径6mm的管道，经过电化学的内外抛光处理，保证气体纯度。
本装置在纯化二氧化碳气体时，使气体先进入第一吸附塔1，利用硅胶床层吸附水进行预处理，接着再通过催化塔2，利用催化塔2内装填的镍钯催化剂进行催化转化，使烃类等杂质转化为水和二氧化碳，最后在第二吸附塔16内担载了高氯酸镁的活性炭，对气体中痕量的水进行吸附，装置整体采用自动化控制（PLC），操作简单。
实验检测：
如图6所示，为原气的分析扫描曲线：
印时间：2019年6月18日，18时13分5秒
进样时间：2019年2月19日，9时20分41秒
样品名称：混合气（配气主份二氧化碳气体+500ppm氧+1000ppm甲烷）钢瓶编号：
分析设备：TCD-01气相色谱仪 桥流：100MA设备编号：
载气： 高纯氢气99.9999%20ml/min检测气： 2 毫升
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序号 保留时间 名称 峰面积%峰面积
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10.007 1.0773521
22.110氧 23.4576653
37.195甲烷 75.47246688
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总计 100326862
气相色谱仪检测的峰面积与其所对应的PPm值，是需要经过以下公式进行换算的。
如上述原气分析报告数据，设氧气的PPm值为V, 配气氧PPm为Y，峰面积为S,则氧气的PPm的V值等于：V=Y/S。
由上述数据可得氧气含量V=76653/500=153.3PPm;同理可得甲烷含量为246.7PPm。
处理后的气体分析如图7所示：
打印时间：2019年6月18日，18时53分48秒
进样时间：2019年2月19日，12时38分23秒
样品名称：混合气（配气主份二氧化碳气体+500ppm氧+1000ppm甲烷）钢瓶编号：
分析设备：TCD-01气相色谱仪 桥流：100mA设备编号：
载气： 高纯氢气99.9999%20ml/min检测气： 2 毫升
装置工作条件
催化塔直径57mm，高度760mm，径高比为0.075：1；空速为1.2h-1,温度为250℃时，经过TCD-01气相色谱仪检测的数据如图7所示。
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序号 保留时间 名称 峰面积%峰面积
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10.010 98.9 13746
22.358氧 1.096152
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总计 10013898
其中，分别测量了150℃、200℃、250℃杂质的PPm变化数据，其含量曲线参考图8-10所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
