一种电解水制高纯氧的方法
【专利摘要】本发明提供电解水制高纯氧的方法，该方法包括步骤：A、电解水制氧：脱除溶解气的水在工业电解装置中电解，获得工业电解氧；B、预热：对步骤A获得的电解氧进行预热；C、催化脱氢燃烧除杂：步骤B预热后的电解氧在催化脱氢装置中，用钯或铂作催化剂，经催化反应和燃烧，除去氢和可燃气体；D、脱水干燥：除杂后的电解氧经冷却器冷却后进入干燥器，采用分子筛等压变温吸附技术脱除其中的水；E、过滤除杂：脱水干燥的电解氧经过滤器过滤，除去机械杂质，即得高纯氧。由此获得的高纯氧能同时符合“GBT 14599-2008纯氧、高纯氧和超纯氧”和“GBT14604-2009电子工业用气体氧”的要求，优质的产品适合应用于多个领域。
【专利说明】-种电解水制高纯氧的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及氧气的制备方法，特别是一种电解水制高纯氧的方法。
【背景技术】
[0002] 根据"GBT 14599-2008纯氧、高纯氧和超纯氧"中的指标，纯度高于99. 999%的氧 称为高纯氧，高纯氧产品通常由工业氧经纯化处理制取。空气是工业氧生产取之不尽的源 泉，空气分离制氧可以采用四种方法，即低温精馏法、常温变压吸附法、膜分离法和高温碱 性熔盐催化吸收法。低温精馏已有100来年的历史，此法工艺成熟，产品纯度高，在生产气 态氧的同时，也能生产液态氧，适于大规模生产。根据需要，大型全低压空气低温分离装置 也可以在生产工业氧的同时，副产部分高纯氧，但由于装置投资高，若专为生产少量高纯氧 而建，则很不经济。在大规模氧气生产工艺中，其它三种方法在技术成熟程度、能耗和氧的 纯度等方面，都无法与低温精馏法抗衡。
[0003] 由于空气主要是由氮、氧、氩、二氧化碳、甲烷、氢等组分组成，由空气分离法制取 的工业氧组成复杂，特别是含有难于用常温分离法除去的氩、氮等杂质组分，故除如上所 述，根据需要直接在大型低温空气分离装置副产外，一般不用此类工业氧为原料来制作高 纯氧。
[0004] 水是工业氧生产另一种重要原料，电解水法可以同时得到氢气和氧气两种产品。 传统电解水法主要用于制氢，氧系副产品。用电解水法制得的氧气的纯度比较高，通常，一 般电解水制氢工业装置输出纯度为99. 2% -99. 8%，其杂质比较单纯，主要为氢、饱和水蒸 气、微量氮气和烃类（以甲烷为代表）。其中，微量氮杂质主要来自于电解装置所用的水原 料，即来自于电解水原料中溶解的空气，在常温（20°C )常压的空气环境下，Ikg水可溶解 12. 2ml氮。传统电解水法制氢并副产氧的装置中，水中溶解的氮气和其它气体杂质随水进 入电解槽，最终进入产品氧气中。对于烃类，一方面来自于空气的残留，另一方面来自于水 中溶解加温释放，在国标"GBT 14599-2008纯氧、高纯氧和超纯氧"和"GBT14604-2009电子 工业用气体氧"中均对烃类的残留量有要求。但是，按照常规电解水对高纯氧进行纯化，其 烃类残留量一般难于达到指标要求，这就又成了限制电解水法制备高纯氧的一个瓶颈。
[0005] 基于上述原因和现有技术，本发明对电解水制高纯氧的方法进行了改进。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提供一种电解水制高纯氧的方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0008] -种电解水制高纯氧的方法，包括以下步骤：
[0009] A、电解水制氧：脱除溶解气的水在工业电解装置中电解，在电解槽阳极获得工业 电解氧；
[0010] B、预热：对步骤A获得的电解氧进行预热；
[0011] C、催化脱氢、燃烧除杂：步骤B预热后的电解氧在催化脱氢装置中，用钯或钼作催 化剂，经催化反应和燃烧，除去氢和可燃气体；
[0012] D、脱水干燥：步骤C除杂后的电解氧经冷却器冷却后进入干燥器，采用分子筛等 压变温吸附技术脱除其中的水；
[0013] E、过滤除杂：步骤D脱水干燥的电解氧经过滤器过滤，除去机械杂质，即得高纯 氧。
[0014] 所述步骤A中，所述的原料水经脱除氮和其他溶解气体的处理，可减少后续纯化 中杂质气体的存在。具体地，所述原料水采用高纯氧逆流鼓泡反吹的方法脱除其中的溶解 气，当然，其它脱除溶解气的方法也不排出在本发明的构思之外。从步骤A出来的工业电解 氧中含有氢、烃、水和二氧化碳等杂质，此时还达不到高纯氧的要求，后续步骤继续对工业 电解氧进行了纯化处理。
[0015] 所述步骤B中，对电解氧进行预热后再引入催化脱氢装置进行脱氢，可降低催化 脱氢反应的能耗。进一步，所述预热是将电解氧加热至100°c -280°c，更优选预热至220°C。 从能源的充分利用和节约角度出发，优选将步骤C催化脱氢装置的余热回收用于该预热步 骤。
[0016] 所述步骤C，催化脱氢反应的方程式为：2H2+02 = 2H20,催化脱氢反应的反应条件 同该反应的常规反应条件，进一步，优选反应压力为1. 2-1. 6 M P a，温度为100°C -330°c。 脱氢反应后，在该催化脱氢装置上，作为一附属结构设有燃烧用的反应器，该反应器内有3 组电阻杆用于调节反应温度，对电解氧进行燃烧除杂。反应器燃烧温度的高低视氧中烃含 量多少而定，一般烃含量越高，温度越高。进一步，从除杂率和节约能源的角度考虑，燃烧的 温度控制在l〇〇°C -330°C，更优选为280°C。通过该步骤可除去工业电解氧中的氢、烃等可 燃气体，得到无氢、无烃、含水和二氧化碳等杂质的氧气。
[0017] 所述步骤D中，除杂后的电解氧冷却器冷却后进入干燥器及采用分子筛等压变温 吸附技术，充分除去其中的水分、二氧化碳等杂质。进一步，步骤D所述的分子筛为13X分 子筛，由A、B两组组成，工作时一组使用、一组再生，再生气用高纯氧。
[0018] 所述步骤E进一步对脱水干燥后的电解氧进行机械杂质的去除，使氧的纯度得到 进一步提高。具体地，所述用于去除机械杂质的过滤器为精密过滤器（又称保安过滤器）。 当然，此处也可使用其它过滤装置。
[0019] 步骤E获得的高纯氧在压缩充瓶前，用隔膜压缩机对气瓶进行抽真空处理，进一 步保证充瓶的纯度要求。
[0020] 本发明的有益技术效果是：本发明利用脱除溶解气的水为原料，经工业电解获 得电解氧，通过催化脱氢、燃烧除杂、脱水干燥和过滤除杂的纯化步骤，即获得符合"GBT 14599-2008纯氧、高纯氧和超纯氧"中要求的高纯氧，同时在不增加任何投资的情况下，得 到的氧也符合"GBT14604-2009电子工业用气体氧"中二级电子氧的要求。特别是本发明中 的燃烧除杂步骤，对电解氧中的可燃烧气体，特别是氢和烃类等去除充分，而过滤除杂步骤 进一步去除了机械杂质，使本发明的纯化步骤在低投入的情况下，在较简易的分子筛吸附 的条件下，即获得了达到双重国标要求的高纯氧。
【具体实施方式】
[0021] 以下对本发明的优选实施例进行详细描述。优选实施例中未注明具体条件的实验 方法，按照常规条件进行。
[0022] 以下实施例使用的主要生产设备的信息为：工业电解装置：型号： H0N-0-0W-A-20/0. 8,额定产氧量：20Nm3/h。预处理器：处理能力20Nm3/h。催化脱氢装置： 处理能力20Nm 3/h ;该催化脱氢装置上还设有燃烧用的反应器，该反应器内有3组电阻杆用 于调节反应温度，对电解氧进行燃烧除杂；干燥器：处理能力20Nm 3/h ;该干燥器内设有13X 分子筛，该13X分子筛由A、B两组组成，工作时一组使用、一组再生。前述未标明具体型号 的设备为工业常规设备，由市售购买所得。
[0023] 实施例1
[0024] 通过上述生产装置中，按下述流程进行高纯氧的制备：
[0025] (1)电解水制氧：在常温下，用流量为5Nm3/h的高纯氧对原料水进行鼓泡反吹，除 去溶解于水中氮气及其他可溶气体，获得脱除溶解气的水。将上述处理后的水在工业电解 装置中电解，在电解槽阳极获得工业电解氧，所述工业电解氧的纯度为99. 6% (体积比）， 经检测，其中还含有水、二氧化碳、一氧化碳、烃、硫化氢等杂质。
[0026] (2)预热处理：对步骤（2)获得的工业电解氧进行预热，使温度达到250°C左右。
[0027] (3)催化脱氢：步骤⑵获得的工业电解氧引入催化脱氢装置，在市售钯的催化， 温度280°C,压力I. 4MPa下，使电解氧中的杂质氢与氧反应生成水，并在280°C下经反应器 燃烧除去未反应完的氢气、可燃气体等，得到含氧99. 9995%、无氢、无烃、含水和二氧化碳 等杂质的氧气。
[0028] (4)脱水干燥：步骤⑶除杂后的电解氧经冷却器冷却至30°C，进入干燥器，采用 分子筛等压变温吸附技术脱除其中的水分、CO 2等。分子筛干燥器分为A、B两组，电解氧从 A组进经吸附水分、CO2等。A组的出口取一股约A组进气的10%的高纯氧，引入B组对分 子筛进行再生（再生条件为：加热到300°C，压力0· 05MPa，脱出水、CO2等），待下次使用。
[0029] (5)过滤除杂：步骤（4)脱水干燥的电解氧经精密过滤器过滤（保安过滤器），除 去机械杂质，即得纯度为99. 9999%的高纯氧，其各项测试指标详见表1。
[0030] 在压缩充瓶前，用隔膜压缩机对气瓶进行抽真空处理，再进行高纯氧的充瓶，即得 广品商纯氧。
[0031] 实施例2
[0032] 通过上述生产装置中，按下述流程进行高纯氧的制备：
[0033] (1)电解水制氧：在常温下，用流量为5Nm3/h的高纯氧对原料水进行鼓泡反吹，除 去溶解于水中氮气及其他可溶气体，获得脱除溶解气的水。将上述处理后的水在工业电解 装置中电解，在电解槽阳极获得工业电解氧，所述工业电解氧的纯度为99. 5% (体积比）， 经检测，其中还含有水、二氧化碳、一氧化碳、烃、硫化氢等杂质。
[0034] (2)预热处理：对步骤（2)获得的工业电解氧进行预热，使温度达到100°C左右。
[0035] (3)催化脱氢：步骤⑵获得的工业电解氧引入催化脱氢装置，在市售钯的催化， 温度l〇〇°C,压力I. 6MPa下，使电解氧中的杂质氢与氧反应生成水，并在250°C下经反应器 燃烧除去未反应完的氢气、可燃气体等，得到含氧99. 9991 %、无氢、无烃、含水和二氧化碳 等杂质的氧气。
[0036] (4)脱水干燥：步骤⑶除杂后的电解氧经冷却器冷却至20°C，进入干燥器，采用 分子筛等压变温吸附技术脱除其中的水分、CO 2等。分子筛干燥器分为A、B两组，电解氧从 B组进经吸附水分、CO2等。B组的出口取一股约B组进气的10%的高纯氧，引入A组对分 子筛进行再生（再生条件为：加热到300°C，压力0· 05MPa，脱出水、CO2等），待下次使用。
[0037] (5)过滤除杂：步骤（4)脱水干燥的电解氧经精密过滤器过滤，除去机械杂质，即 得纯度为99. 9994%的高纯氧，其各项测试指标详见表1。
[0038] 在压缩充瓶前，用隔膜压缩机对气瓶进行抽真空处理，再进行高纯氧的充瓶，即得 广品商纯氧。
[0039] 实施例3
[0040] 通过上述生产装置中，按下述流程进行高纯氧的制备：
[0041] (1)电解水制氧：在常温下，用流量为5Nm3/h的高纯氧对原料水进行鼓泡反吹，除 去溶解于水中氮气及其他可溶气体，获得脱除溶解气的水。将上述处理后的水在工业电解 装置中电解，在电解槽阳极获得工业电解氧，所述工业电解氧的纯度为99. 5% (体积比）， 经检测，其中还含有水、二氧化碳、一氧化碳、烃、硫化氢等杂质。
[0042] (2)预热处理：对步骤⑵获得的工业电解氧进行预热，使温度达到280°C左右。
[0043] (3)催化脱氢：步骤（2)获得的工业电解氧引入催化脱氢装置，在市售钯的催化， 温度300°C,压力I. 2MPa下，使电解氧中的杂质氢与氧反应生成水，并在300°C下经反应器 燃烧除去未反应完的氢气、可燃气体等，得到含氧99. 9994%、无氢、无烃、含水和二氧化碳 等杂质的氧气。
[0044] (4)脱水干燥：步骤⑶除杂后的电解氧经冷却器冷却至30°C，进入干燥器，采用 分子筛等压变温吸附技术脱除其中的水分、CO 2等。分子筛干燥器分为A、B两组，电解氧从 A组进经吸附水分、CO2等。A组的出口取一股约A组进气的10%的高纯氧，引入B组对分 子筛进行再生（再生条件为：加热到300°C，压力0· 05MPa，脱出水、CO2等），待下次使用。
[0045] (5)过滤除杂：步骤（4)脱水干燥的电解氧经精密过滤器过滤，除去机械杂质，即 得纯度为99. 9998 %的高纯氧，其各项测试指标详见表1。
[0046] 在压缩充瓶前，用隔膜压缩机对气瓶进行抽真空处理，再进行高纯氧的充瓶，即得 广品商纯氧。
[0047] 表1实施例1-3制得高纯氧的测试结果
[0048]
【权利要求】
1. 一种电解水制高纯氧的方法，其特征在于，包括以下步骤： A、 电解水制氧：脱除溶解气的水在工业电解装置中电解，在电解槽阳极获得工业电解 氧； B、 预热：对步骤A获得的电解氧进行预热； C、 催化脱氢、燃烧除杂：步骤B预热后的电解氧在催化脱氢装置中，用钯或钼作催化 齐IJ，经催化反应和燃烧，除去氢和可燃气体； D、 脱水干燥：步骤C除杂后的电解氧经冷却器冷却后进入干燥器，采用分子筛等压变 温吸附技术脱除其中的水； E、 过滤除杂：步骤D脱水干燥的电解氧经过滤器过滤，除去机械杂质，即得高纯氧。
2. 根据权利要求1所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤A所述的原料水， 其采用高纯氧逆流鼓泡反吹的方法脱除其中的溶解气。
3. 根据权利要求1或2所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤B所述预热 是将电解氧加热至l〇〇°C _280°C。
4. 根据权利要求3所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤B所述预热是将 电解氧加热至220°C。
5. 根据权利要求3所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤B所述预热的热 量来自步骤C催化脱氢装置余热的回收。
6. 根据权利要求3所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤C所述燃烧除杂 的温度控制在l〇〇°C -330°C。
7. 根据权利要求6所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤C所述燃烧除杂 的温度控制在280°C。
8. 根据权利要求6所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤D所述的分子筛 为13X分子筛，由A、B两组组成，工作时一组使用、一组再生，再生气用高纯氧。
9. 根据权利要求1所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤E所述的过滤器 为保安过滤器。
10. 根据权利要求1所述的电解水制高纯氧的方法，其特征在于：步骤E获得的高纯氧 在压缩充瓶前，用隔膜压缩机对气瓶进行抽真空处理。
【文档编号】C25B1/04GK104498983SQ201410252178
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】罗绯, 吴冬, 严豪, 袁红, 赵先涌, 王前刚, 李杨, 庄正明, 杨林 申请人:重庆朝阳气体有限公司