專利名稱：超高純液態二氧化碳用高壓輸送系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及對不用泵而以高于環境的壓力將超高純液態二氧化碳輸送至使用點的方法和裝置的改進。
背景技術：
許多工業過程都需要高壓、超高純的液態二氧化碳。例如，電子工業中的一些發展應用要求使用高流速和高壓下的超臨界二氧化碳。其它應用如除去光刻膠、沉積、光刻術等都需要輸送至使用點(POU)、壓力為2,000-10,000psig的超高純(UHP)液態二氧化碳。后者取決于許多因素，例如應用的細節、工具設計、工藝原理等。
獲得高壓二氧化碳的一種方法是將液態二氧化碳泵至所需的輸送壓力。然而，將液態二氧化碳泵至高壓會向產品流中引入雜質如微粒、烴、鹵代烴等。
在新近設計或開發的就地方法中，輸送至使用點的二氧化碳的量是重要的。在這些情況下，循環來自使用點的廢二氧化碳可以提高該方法的經濟性。
以下專利代表輸送超高純高壓氣體和液體的方法及其回收方法。
US 6,023,933公開了一種方法，該方法能夠為諸如半導體制造這樣的應用輸送壓力高達67,000psig的超高純(UHP)氬氣。在該方法中，提供液化物理狀態的高純氣體，引入蒸發容器，然后在足以蒸發該液化氣體的等容蒸發器中加熱。隨著液體在等容蒸發器中蒸發，壓力達到所需的壓力，例如10,000-67,000psig。當液體基本蒸發時，使用另一個裝置來輸送蒸氣。
US 6,327,872公開了一種在750-1020psig的壓力下將液態二氧化碳輸送至使用點的方法。它們的方法是將液態二氧化碳輸送至聚集容器中，然后等容加熱其中所含的液態二氧化碳，從而升高壓力。如果等容加熱持續高于約31℃的臨界溫度，則液態二氧化碳變為超臨界流體，從而就不能再將液態二氧化碳輸送至使用點了。
WO 03/033114A1和WO 03/033428A1公開了用于多種應用的從第一二氧化碳凈化裝置開始的CO2就地輸送系統。該凈化裝置包括至少一種諸如催化氧化器、蒸餾塔、相分離器或吸附塔這樣的裝置。不同的應用產生了多種流出液，該流出液含有二氧化碳組分和污染物組分。將至少一種流出液流的至少一部分循環回位于大量CO2儲存與輸送應用之間的第一凈化裝置。‘428公開了使用第二二氧化碳凈化裝置來形成預凈化供料。
需要創造一種無泵的系統，該系統可以在高壓下輸送UHP高壓液態二氧化碳，并實現從使用點回收排放的廢氣。
發明內容
此發明涉及對相關共同未決申請中描述的、用于在高于環境壓力的壓力，典型的是在超過2000psig的壓力下輸送高壓液態二氧化碳的早期方法的改進。基本方法包括在固化容器中至少部分固化二氧化碳，在所述固化容器中等容加熱固相二氧化碳，從而提高固化容器中的壓力，從所述的固化容器中抽出高壓液態二氧化碳，并將該高壓液態二氧化碳輸送至所述的使用點。對于實現從所述使用點回收廢二氧化碳，并將回收與在所述固化容器中至少部分固化所述二氧化碳的再生步驟相結合的改進包括任選地，使廢二氧化碳經過初始凈化步驟，從而除去廢氣中污染使用點的雜質；在所述固化容器中至少部分固化二氧化碳的條件下，從所述的固化容器中抽出并蒸發液態二氧化碳；將得到的、從所述固化容器中抽出并膨脹的二氧化碳與得到的凈化廢氣混合，形成混合的二氧化碳流；將該混合的二氧化碳氣流壓縮至工藝壓力(process pressure)；任選地，使得到的混合壓縮氣體通過凈化器以除去壓縮機污染；和，將凈化的混合壓縮氣體引入固化容器的工藝上游中。
該工藝有顯著的優點，這些優點包括能夠將液態二氧化碳輸送至使用點，并將在固化容器中固化液態二氧化碳與從使用點回收廢氣并將其循環到工藝中相結合；能夠將無泵高壓UHP液態CO2輸送系統與CO2循環系統相結合以消除重復且昂貴的壓縮機和凈化系統；能夠避免在使用點的上游直接使用泵或壓縮機，然而卻能夠將幾乎任何操作壓力的凈化液態二氧化碳流輸送至使用點；和，能夠將液態二氧化碳轉化為固體二氧化碳與從使用點回收廢二氧化碳相結合；
該圖是將高壓UHP液態CO2輸送至使用點(POU)的組合無泵、循環系統與CO2循環和再生系統結合的流程圖。
具體實施例方式
為了便于理解基本工藝，參考附圖。
該圖描述了用于將超高純液態二氧化碳無泵輸送至使用點并回收廢二氧化碳的就地系統。
在總的方法中，將處于初始工藝壓力和溫度參數下的液態二氧化碳流，例如，工藝壓力為300psig、溫度為-5°F的液態二氧化碳通過管道100輸送至大量CO2供給罐102中。然后，通過管道104從大量CO2供給罐102中移出二氧化碳，并裝入凈化系統106中以除去通常存在于大量CO2輸送中的污染物。(例如半導體工藝需要比工業級大量輸送CO2更高的純度)。供料的凈化需要不同的方法，例如過濾、蒸餾、吸附等以獲得在應用中需要的理想二氧化碳純度。
凈化后，通過管道108從凈化系統106中抽出超高純二氧化碳并以工藝壓力送到冷凝器110中。將蒸氣轉變為液體形式，并通過管道112抽出液體，在那里將其裝入固化容器114中。任選地，有可能繞過冷凝器110并將蒸氣從凈化系統106直接輸送到固化容器114中。然而，優選的是將液態二氧化碳而不是二氧化碳蒸氣引入固化容器114中。
在固化容器114中，使至少一部分液態二氧化碳固化，并且持續填充該容器直至在其中有大量的固體二氧化碳。當形成固體二氧化碳時，將來自冷凝器110的其它液態二氧化碳加入到固化容器114中，直至其基本上，或優選完全被固體二氧化碳填滿，或優選用二氧化碳的固-液混合物，即軟冰(slush)填滿。由于固體二氧化碳的密度約比液態二氧化碳的密度大1.5倍，所以可以以高壓輸送大量二氧化碳。為了輔助固化工藝冷凝器，例如可以使用通常位于固化容器114內的換熱器。
為了實現固相二氧化碳轉化為液體，并實現其在固化容器114內加壓，通過關閉合適的閥(未示出)而將固化容器114與上游系統，例如冷凝器110隔開。通過加熱器(未示出)加入熱量，從而實現將固體二氧化碳轉化為液體。等容加熱，即保持固化容器114內體積恒定的同時加熱二氧化碳，為將這樣形成的液態二氧化碳的壓力升高至工藝中所需的任何壓力提供了機制(mechanism)。優選以300-10,000psig的壓力并以例如室溫但低于臨界溫度的輸送溫度例如77°F輸送來自固化容器114中的液態二氧化碳。而且，不用使固化容器114內的二氧化碳的平均軟冰溫度或內部溫度發生顯著變化就可以獲得這種壓力。也能夠在窄的溫度范圍下操作，并且能夠在窄的溫度范圍下操作可以充分利用固化容器114內的能量。
通過管道116從固化容器114中抽出液態二氧化碳，并輸送至標明為118的使用點。以通常等于其中所含固體二氧化碳融化速率的速率從固化容器114中抽出并除去液態二氧化碳產物。用這種方式，然后，立即用固體二氧化碳轉化為液態二氧化碳時形成的液態二氧化碳代替從固化容器114中除去的液態二氧化碳。由于以基本上等于液態二氧化碳形成速率的速率實現液態二氧化碳的抽出，所以固化容器114內的壓力可以保持在所需的水平。當固相二氧化碳基本上或完全轉變為液體時，停止從固化容器114中抽出液態二氧化碳。不可能再以所需的壓力將在固化容器114內剩余的液體CO2輸送至使用點118。需要再生(regeneration)。
如果最終用戶希望在它們的應用使用點中使用超臨界二氧化碳，則可以在就地充分加熱從固化容器114中輸送出來的液態二氧化碳，從而形成所述的超臨界二氧化碳，并使用得到的超臨界二氧化碳。在很多情況下，超臨界二氧化碳可以代替液態二氧化碳，因為它具有與液態形式相似的性能。
在這一點上，無泵工藝循環從頭開始。這意味著，必須降低現在留在固化容器114中的液態二氧化碳的溫度，至少部分二氧化碳固化和提供額外的CO2補給。否則，從固化容器114中除去液體，缺少固體C02轉化為液態CO2將導致液體輸送壓力緊接著且明顯下降。為了向使用點提供連續的液態二氧化碳流，使用多種裝置，這樣，當一個固化容器中的固體二氧化碳相耗盡時，開閉合適的閥門，并將相同的無泵裝置投入生產。
與本發明有關的改進在于從使用點118回收廢二氧化碳氣且將其與固化容器114中的二氧化碳固化工藝相結合。通過管道120從使用點118除去廢二氧化碳氣并充入凈化裝置122中。使用的凈化工藝是這樣一種工藝，其可以除去進入使用點處二氧化碳的污染雜質。取決于管道120中廢二氧化碳氣中現在存在的雜質的類型，除去雜質可以簡單至將液體冷凝并將其與現在在蒸氣相中的雜質相分離，或者其需要更嚴格的方法，例如過濾、蒸餾、吸附等。獲得所需純度的提純方法在工藝操作者的范圍內。
大量CO2作為蒸氣流離開凈化裝置122，從而管道124中蒸氣流的壓力低于上游流，例如冷凝器110的壓力。因此，必須壓縮現在凈化的廢二氧化碳以回收二氧化碳并將其返回到工藝中。
在努力使與高成本的冷凍有關的投資需求最小的過程中，將回收工藝與二氧化碳固化步驟結合是優選的選擇。在這個步驟中，通過管道126抽出固化容器114中在高的工藝輸送壓力下形成的蒸氣，并等焓或等熵膨脹至等于二氧化碳三相點的壓力，即75psia，或稍低于該壓力例如5-10psia的壓力，從而降低固化容器114中的溫度。或者，可以繼續膨脹至稍高于大氣壓的壓力，但正如將要解釋的，這沒有節省能量。用等燴或等熵膨脹實現溫度相應下降，且固化容器114中液態二氧化碳部分固化。從成本的觀點看，等焓膨脹是優選的，因為等焓膨脹與功或等熵膨脹相反，不向氣流中引入額外的雜質。將額外的液體引入固化容器114中，并繼續膨脹直至獲得所需的固體二氧化碳含量。使用等焓或等熵膨脹的方法可以除去固化容器114中的冷凝器和相關的冷凍設備或使它們的尺寸最小，從而降低投資費用。
為了循環現在管道124中的凈化的廢氣和現在在管道126中、來自固化容器114的膨脹蒸氣，使用壓縮機128將管道124和126中的蒸氣壓縮至設備工藝壓力。在附圖中所示的工藝中，壓縮機128是一個二級壓縮機。使管道124中的二氧化碳蒸氣膨脹至管道126中膨脹二氧化碳蒸氣的壓力，其中管道124中的二氧化碳蒸氣壓力通常高于大氣壓以防止空氣泄漏到使用點118中。混合現在壓力相似的兩股氣流，并引入壓縮機128的第二級，從而實現將混合氣壓縮至工藝壓力。一旦管道126中的蒸氣已膨脹至管道124中廢氣的壓力，將兩股氣流都壓縮至工藝壓力。膨脹、然后再壓縮從管道126中獲得的二氧化碳的選擇沒有節省能量。
在壓縮機128中壓縮后，作為優選的選擇，進行額外的凈化以除去已由壓縮機128引入的雜質。在實現凈化中，通過管道130從壓縮機128中除去壓縮蒸氣，并在凈化裝置132中除去可能的雜質，例如烴油。
正如可以容易觀察到的，因為各個物流中所含雜質有很大的差別，凈化裝置106、122和132常常使用不同的機制來實現向其供給的各進料流的凈化。因此，在附圖中顯示了三個凈化系統，并且從可操作的觀點看，這是優選的。然而，有可能減少凈化器的數量，并將凈化移動至工藝中的不同位置。例如，可以將來自使用點的廢二氧化碳的凈化轉移到壓縮后的某點，并且將處理過的混合流體或混合的壓縮二氧化碳流轉移到初始凈化裝置中，在那里從大量供給中除去雜質。然而，在這些點壓縮之后的凈化需要足以處理更大體積氣體的不同凈化系統和不同的凈化方法。例如，大量供給裝置凈化器106中的再循環氣體的凈化就不是優選的，因為待處理的氣體體積增加，并且大量供給中的雜質已經從于固化容器114獲得的膨脹蒸氣中除去。同樣，來自使用點的廢二氧化碳中的雜質污染來自固化容器的蒸氣也沒好處。從操作的觀點看，如圖所示，凈化各物流是較簡單的，但是在物流的哪里凈化，且凈化多少在操作者的范圍內。
在凈化室132中凈化后，通過管道134除去蒸氣，并將其返回到固化容器114的工藝上游。如圖所示，將蒸氣返回到冷凝器110，在那里它被冷凝。任選地，可以將凈化的物流返回至大量CO2供給罐102，但這將提高對凈化單元106的負荷。這種返回不是必需的，因為管道134內蒸氣中的純凈二氧化碳不含存在于大量CO2供給進料中的污染物。
權利要求
1.一種在高壓下將高壓液態二氧化碳輸送到使用點的方法，該方法包括在工藝壓力和溫度下將二氧化碳引入固化容器中，使固化容器中的二氧化碳至少部分固化，在所述固化容器中等容加熱該固相二氧化碳，從而提高固化容器中的壓力，從所述固化容器中抽出高壓液態二氧化碳，并將該高壓液態二氧化碳輸送到所述的使用點，該方法對于從所述使用點回收廢二氧化碳，并將回收與在所述固化容器中至少部分固化所述二氧化碳的再生步驟相結合的改進包括在至少部分固化所述固化容器中二氧化碳的條件下，從所述的固化容器中抽出并蒸發液態二氧化碳；將從所述固化容器中抽出并膨脹的所得二氧化碳與來自所述使用點的廢氣混合，形成混合二氧化碳流；將混合的二氧化碳氣流壓縮至工藝壓力；除去廢二氧化碳中所含的雜質；和將得到的壓縮氣體引入固化容器的工藝上游。
2.權利要求1的方法，其中所述進料流是液態二氧化碳，其被輸送至所述的固化容器中以轉化為固相二氧化碳。
3.權利要求2的方法，其中所述高壓為300-10,000psig。
4.權利要求3的方法，其中將固化容器中的二氧化碳轉化為由固體二氧化碳和液態二氧化碳組成的軟冰。
5.權利要求1的方法，其中在凈化步驟中凈化來自所述使用點的廢二氧化碳，從而在壓縮前除去廢二氧化碳中所含的雜質。
6.權利要求5的方法，其中將來自所述壓縮步驟的壓縮氣體送往凈化器以除去可能引入所述壓縮氣體中的壓縮機污染物。
7.權利要求5的方法，其中通過等焓膨脹實現抽出并蒸發二氧化碳以部分固化二氧化碳。
8.權利要求7的方法，其中進行等焓膨脹至壓力等于或稍低于二氧化碳的臨界壓力。
9.權利要求8的方法，其中使用二級壓縮機，在所述壓縮機的初級中壓縮來自使用點的廢二氧化碳，其與來自所述固化容器的等焓膨脹的二氧化碳相結合，并被壓縮至工藝壓力。
全文摘要
本發明涉及對不用泵而以高于環境的壓力將超高純液態二氧化碳輸送至使用點的方法和裝置的改進。在該方法中，將高純二氧化碳供料填充到容器中，并至少部分固化。一旦填充完，就以恒定的容器體積等容加熱軟冰或固體，從而將固相二氧化碳轉變為液體。然后，以所需的壓力、以固相二氧化碳轉變為液體的速率從容器中抽出液體。其改進在于實現部分固化和二氧化碳的循環。
文檔編號F17C5/06GK1644976SQ20051000471
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月19日 優先權日2004年1月19日
發明者V·Y·格斯泰恩 申請人:氣體產品與化學公司