原料气处理系统和原料气处理方法与流程

本公开涉及气体纯化，具体涉及一种原料气处理系统和原料气处理方法。

背景技术：

1、高纯度的惰性气体是电子、医疗等行业不可或缺的原料。惰性气体原料气，例如n2原料气，包含甲烷、一氧化碳、氢气等还原性气体杂质，对原料气进行纯化后才能获得符合标准的高纯度惰性气体，原料气的纯化主要包括高温催化氧化和吸附两个步骤。原料气中杂质的催化氧化反应在高温(300℃)催化单元中进行，原料气中的杂质与氧气反应生成水和二氧化碳，杂质的催化反应如下：

2、ch4+2o2→2h2o+co2

3、2co+o2→2co2

4、2h2+o2→2h2o

5、经高温催化单元催化反应后的气体继续被通入后端的常温吸附单元，经吸附单元吸附其中的水、二氧化碳和氧气后获得纯化后的n2。吸附单元至少设置两个，当其中一个吸附饱和时切换至另一个继续吸附，吸附饱和的吸附单元启动再生程序进行再生，再生结束后等待下一次切换，如此循环进行以达到不间断供气的目的。

6、高温催化反应需要氧气，虽然原料气中本身含氧，但氧气含量波动较大，且原料气中的氧气含量不足以将高温催化单元中处于还原态的金属单质重新氧化为具有催化活性的金属氧化物，因此，高温催化单元中的金属氧化物催化剂可能在反应过程中不断的被还原性杂质还原为金属单质，最终全部失去催化活性，无法去除气体中甲烷、氢气和一氧化碳杂质，影响下游工艺。

7、因此，在实际的高温催化步骤中需要进行额外加氧以防止上述情况发生。在惰性气体纯化系统中，氧气经调压阀和限流器添加进入高温催化反应单元，其中通过控制限流器进气端压力来对氧气的进气量进行控制，再通过浮子进气量计显示进气量。采用此方式供应氧气存在下述两个缺陷：

8、1.调压阀和限流器只能手动控制，无法实现自动控制。当原料气进气量增加时其中甲烷的含量也增加，如果此时供应氧气的进气量不变，甲烷与氧气的高温催化反应不充分，杂质去除不干净，无法达到纯度要求，严重可造成后端产品报废；

9、当原料气进气量减小时，高温催化单元实际氧消耗量也减少，如果此时供应氧气的进气量不变，多余的氧进入吸附单元，使吸附单元很快达到饱和，缩短吸附单元的循环周期。通过加大吸附单元体积虽然能够延长吸附单元的循环周期，但又会使成本增加。而由于高浓度氧导致吸附单元饱和后，氧杂质会进入后端工艺管路，影响惰性气体纯度，严重也会造成后端产品报废。

10、2.通过浮子进气量计显示氧气进气量，受氧气的压力影响较大。由于浮子进气量计的校准压力为固定值，当实际氧气压力波动较大时，进气量显示不准确，实际进气量偏大或偏小，造成加氧量不准确，容易导致氧气或甲烷杂质超标。

技术实现思路

1、基于此，本公开的目的是精确的控制惰性气体原料气纯化过程中通入高温催化单元的氧气量。

2、为实现上述目的，本公开提供一种原料气处理系统，包括：

3、进气单元，设有进气量监测模块，所述进气量监测模块用于监测通入催化氧化单元的原料气的体积流量，所述原料气为包含能够与氧反应的还原性气体杂质的惰性气体；

4、加氧单元，设有进气量控制模块，所述进气量控制模块用于监测和调节通入所述催化氧化单元的氧气的体积流量；

5、催化氧化单元，所述原料气中的所述还原性气体杂质和所述氧气在所述催化氧化单元内发生氧化反应获得纯化气；

6、控制单元，连接所述进气量监测模块和所述进气量控制模块，根据所述原料气中所述还原性气体杂质的浓度控制所述进气量控制模块调节所述氧气的体积流量，所述还原性气体杂质的浓度以原料气中的最大浓度为计；

7、所述控制单元还每隔时间间隔t根据所述纯化气的氧气浓度的变化控制所述进气量控制模块调整一次通入所述催化氧化单元的氧气的体积流量a：

8、当在时间间隔t后的所述纯化气中检测到有剩余的氧气，则将所述体积流量a调整为：时间间隔t前通入催化氧化单元的氧气体积流量减去时间间隔t后的所述纯化气中氧气的体积流量；

9、当在时间间隔t后的所述纯化气中未检测到氧气，则将所述体积流量a调整为：时间间隔t前通入催化氧化单元的氧气体积流量加上纯化气在时间间隔t后减少的氧气体积流量。

10、所述纯化气在时间间隔t后减少的氧气体积流量，为根据所述当在时间间隔t后的所述纯化气中未检测到氧气时的调整方法，在前一个时间间隔t后的所述纯化气中检测到有剩余的氧气时，在所述前一个时间间隔t后减少的氧气体积流量，

11、或为在此次时间间隔t后减少的氧气体积流量；

12、优选地，当在时间间隔t后的所述纯化气中未检测到氧气且时间间隔t前调整时没有减少氧气体积流量，则将所述体积流量a调整为：时间间隔t前通入催化氧化单元的氧气体积流量加上最近的一次调整氧气体积流量减少时对应的体积流量减少量。

13、优选地，所述原料气包含至少两种所述还原性气体杂质。

14、优选地，所述控制单元按以下方式计算所述氧气的体积流量：

15、根据各所述还原性气体杂质在所述原料气中的体积比计算各所述还原性气体杂质完全发生氧化反应所需的氧气体积比，

16、再将各所述还原性气体杂质完全发生氧化反应所对应的氧气体积比的加和乘以所述原料气的体积流量。

17、优选地，所述原料气包括gb/t8979中的高纯氮或超高纯氮。

18、优选地，还包括检测单元，所述检测单元连接所述控制单元，至少用于检测所述原料气在催化氧化反应前的氧气浓度和经催化氧化反应后获得的纯化气的氧气浓度。

19、更优选地，所述控制单元每隔时间间隔t根据所述纯化气的氧气浓度的变化控制所述进气量控制模块每隔时间间隔t调整一次通入所述催化氧化单元的氧气的体积流量。

20、更优选地，所述氧气的体积流量为：

21、将所述控制单元计算所得的氧气体积流量与补偿系数加和，所述补偿系数的值为0～0.2ppm的氧气对应的体积流量。

22、为实现上述目的，本公开还提供一种在前述原料气处理系统中进行的原料气处理方法，包括以下步骤：

23、s1.进气单元中的进气量监测模块将监测到的原料气的体积流量a反馈至控制单元；

24、s2.所述控制单元根据原料气中还原性气体杂质的浓度计算出与所述体积流量a中的还原性气体杂质反应所需的氧气的体积流量a，所述还原性气体杂质的浓度以原料气中的最大浓度为计；

25、s3.所述控制单元控制加氧单元中的进气量控制模块将氧气的体积流量调整为所述体积流量a。

26、优选地，所述控制单元计算按以下方式计算所述体积流量a：

27、根据各所述还原性气体杂质在所述原料气中的体积比计算各所述还原性气体杂质完全发生氧化反应所需的氧气体积比，再将各所述还原性气体杂质完全发生氧化反应所对应的氧气体积比的加和乘以所述原料气的体积流量。

28、更优选地，还包括每时间间隔t调整一次所述体积流量a的步骤：

29、检测单元每隔时间间隔t对催化氧化反应后获得的纯化气的氧气浓度进行检测并将结果反馈至控制单元，

30、所述控制单元对所述时间间隔t前、后的所述纯化气的氧气浓度进行比较，

31、当在时间间隔t后的所述纯化气中检测到有剩余的氧气，则将所述体积流量a调整为：时间间隔t前通入催化氧化单元的氧气体积流量减去时间间隔t后的所述纯化气中氧气的体积流量；

32、当在时间间隔t后的所述纯化气中未检测到氧气，则将所述体积流量a调整为：时间间隔t前通入催化氧化单元的氧气体积流量加上纯化气在时间间隔t后减少的氧气体积流量；

33、所述纯化气在时间间隔t后减少的氧气体积流量，为根据所述当在时间间隔t后的所述纯化气中未检测到氧气时的调整方法，在前一个时间间隔t后的所述纯化气中检测到有剩余的氧气时，在所述前一个时间间隔t后减少的氧气体积流量，

34、或为在此次时间间隔t后减少的氧气体积流量；

35、当在时间间隔t后的所述纯化气中未检测到氧气且时间间隔t前调整时没有减少氧气体积流量，则将所述体积流量a调整为：时间间隔t前通入催化氧化单元的氧气体积流量加上最近的一次调整氧气体积流量减少时对应的体积流量减少量。

36、更优选地，还包括对氧气的体积流量进行补偿的步骤：

37、所述体积流量a为：所述控制单元计算所得的氧气体积流量与补偿系数加和，所述补偿系数的值为0～0.2ppm的氧气对应的体积流量。

38、本公开要求保护的技术方案取得了以下有益效果：

39、1)实现了加氧单元和原料气进气单元的联动，能够根据原料气的体积流量和其中还原性气体杂质的浓度自动调节催化氧化所需氧气的体积流量，精确控制了加氧量，避免加氧过多或不足，在保证还原性气体杂质与氧气充分反应的同时保证了纯化系统运行的稳定性。

40、2)检测单元实现了对原料气在催化氧化前、后中的氧气浓度的检测，并以经催化氧化后获得的纯化气中的氧气浓度的变化计算并控制实际所需的加氧量，进一步实现了对氧气量的精准控制。