CN101181982A - 高纯氩气的制备装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高纯氩气的制备装置和方法。氩气的净化分为三步进行：第一级用碳质脱氧剂脱氧，第二级用分子筛脱除水、一氧化碳和二氧化碳等，而其分子筛可以自动再生，两级净化后除去氩气中85％以上杂质，第三级用合金吸气剂脱除N2和THC等，这样，一方面延长合金吸气剂寿命，另一方面可以使用廉价的3N级氩气作原料，从而降低生产成本。本发明具有设备简单、生产成本低的优点。

Description

高纯氩气的制备装置和方法

                               技术领域

本发明涉及高纯气体的制取和相应设备，特别是涉及以工业纯99.9％的氩气净化后制取99.9999％高纯氩气的装置和工艺方法。

                               背景技术

高纯氩6N(99.9999％)主要应用在电子、冶金、半导体和仪器分析等产业部门和科研中。例如6N以上的氩气是Si、GaAs、CdTe等单晶的生产和直读光谱仪的工作必不可少的条件。

目前制取高纯氩的方法有以下三种：1，深冷分馏法，该法设备大而且复杂，只适用于空分制气，不适用于终端净化，例如中国专利(CN1362608A)；2，合金吸气法，例如北京有色金属研究总院的“型高纯氩气净化器”，使用锆铝合金作杂质吸收剂，英国Sircal Instruments Ltd.生产的“MP-2000RARE GAS PURIFIER”使用金属钛作杂质吸收剂。该法由于吸附容量小，吸收剂贵，只适用于5N级的氩气作原料的深度净化；3，催化脱氧分子筛脱水作初级净化，再用合金吸气剂作深度净化，例如中国专利(CN1054232A)，但由于脱氧剂的脱氧容量低，只适用于4N级氩气作原料制取6N级高纯氩，并且再生需要使用氢气和抽真空很不方便。本发明与第三种方法相通，由三级净化组成：一级净化用碳质脱氧剂除去O₂等杂质；二级净化用可自动再生的分子筛脱除H₂O、CO₂；第三级用Zr、Ti合金吸气剂脱除其他杂质，从而得到6N级的高纯氩。本发明可以使用廉价的3N级氩气作原料，而且再生采用成品气自动反吹的方法，克服了中国专利(CN1054232A)需要用氢气和抽真空的麻烦。

从现有技术来看，使用Zr、Ti等金属和它们的合金作为吸附剂，能够把氩气纯化得到6N以上高纯氩。但是由于这些合金吸附剂是用稀贵金属制造，而且容易失活，因此，此方法的缺点是成本过高。

                                发明内容

本发明的目的是提供一种工艺设备简单、更为经济的高纯氩气的制备装置。

本发明的目的是这样实现的：一种高纯氩气的制备装置，包括微机自动控制单元，其特征是：还具有，

第一级净化塔TY：内装碳质脱氧剂，主要用于O₂等杂质的脱除，塔内设置有电加热器，含量为99.9％的工业纯氩物流在200～320℃下脱除其中的杂质氧，并达到出口气中O₂≤1ppm；换热器RJ1通过管道与第一级净化塔相连，将第一级净化塔的出口气降温至室温；

第二级净化装置XF：用于在室温下除去杂质CO₂和H₂O，由两个并联的吸附塔XF1和XF2组成，塔内装填分子筛吸附剂、塔内设有用于分子筛再生加热的电加热器，两分子筛吸附塔XF1和XF2的进口管分别经电磁阀DF1和DF2后，再经总管L1与换热器RJ1出口相连，XF1和XF2的出口管分别串接高效过滤器GL1、电磁阀DF5以及高效过滤器GL2、电磁阀DF6后、再与总管L2相连；且GL1和GL2的出口之间由管路L3连通，管路L3上设置有电磁阀DF7和孔板流量计KL；XF1和XF2的进口管上(即进口管上电磁阀的后面)分别接有放空管，两放空管上分别设置有电磁阀DF3和DF4；

第三级净化塔HJ：塔内装填金属吸气剂，塔内设有电加热器，塔的进口管与管路L2相连，塔的出口管上顺次设置有换热器RJ2、高效过滤器GL3。

本发明的另一目的是提供一种采用上述装置制备高纯氩的方法，以比其它方法方便和经济。

本发明的另一目的是这样实现的：一种采用的高纯氩气的制备装置制备高纯氩气的方法，包括以下步骤：

a)、以含量99.9％的工业纯氩气为原料点，在第一级净化塔中、经碳质脱氧剂在200～320℃温度下进行脱氧操作，脱氧后的出口气中O₂≤1ppm；

b)、a步骤脱氧后的出口气经换热器降温至室温；

c)、b步骤换热器的出口气经分子筛吸附塔中的13X分子筛在室温下除去CO₂和H₂O杂质，使杂质含量降到H₂O≤2ppm、CO₂≤0.1ppm；

d)、c步骤吸附塔出口气再经ZrAl16合金、ZrVFe合金或者海绵钛金属吸气剂处理，在450～700℃的温度下，进一步除去O₂、N₂、CO、CO₂、H₂、THC、H₂O杂质，使杂质含量进一步降到O₂≤0.1ppm、N₂≤0.1ppm、THC(总烃)≤0.1ppm、H₂O≤1ppm、H₂≤0.1ppm、CO≤0.1ppm、CO₂≤0.1ppm，从而制得99.9999％的高纯氩气。

上述c步骤中的分子筛吸附塔为两个，一个工作，另一个再生备用；吸附塔中吸附剂的再生是吸附剂的升温到380℃后采用工作塔的出口气对吸附剂反吹脱附杂质的过程。

本发明有两大特点：

第一是经济。使用Zr、Ti等金属和它们的合金吸附剂，能够把氩气纯化得到6N以上的高纯氩，这是众所周知的，但是此方法的成本高。由于氩气中杂质主要是O₂、H₂O、N₂，其次是THC、CO、CO₂和H₂等。如果只用合金吸气剂来吸附全部杂质，则吸附剂容易失活，而合金吸气剂都是用稀贵金属制造的，较贵，故此方法只适合于4N级以上氩气的净化。本发明是把氩气的净化分做三步来进行。第一级用碳质脱氧剂脱氧，该脱氧剂价格低廉，资源丰富。第二级用分子筛，脱除H₂O、CO₂等，而且可以自动再生。经此两级净化后，可以除去氩气中85％以上的杂质。第三级用合金吸气剂脱除N₂和THC等。这样不但大大延长了合金吸气剂的寿命，而且用户可以直接使用廉价的3N级氩气(H₂O+O₂≤3000ppm)气作原料，为用户大大降低生产成本。

第二是方便。(1)、本发明使用的碳质脱氧剂每克的脱氧能力是每克Cu、Ni、Mn等脱氧剂的100倍以上。本发明每添加一次脱氧剂可以用数年。本脱氧剂不能再生，减少到1/2以下后须添加，添加很简单，只须停机几分钟就可以完成。使用Cu、Ni、Mn等脱氧剂虽可再生，但再生要使用氢气，很不方便。例如中国专利(CN1054232A)。(2)、本发明的三级净化工作和再生都由微电脑工业程控机来完成，只要有气源就可建成长期无人管理的超纯气体工作站。

                              附图说明

附图是本发明制备高纯氩气的工艺流程图。

                            具体实施方式

附图中：JF为截止阀，DF为电磁阀，KL为孔板流量计，RJ为热交换器，GL为高效过滤器(其内安装有镍质或不锈钢烧结板或管等)，TC为温度控制器，TY为脱氧剂，XF为分子筛吸附剂，HJ合金吸附剂。

本发明是一种用于氩气净化的工艺流程和根据此流程生产的氩气净化装置。该装置可以把工业纯氩3N(99.9％)净化后得到高纯氩6N(99.9999％)。

高纯氩气的制备装置，包括微机自动控制单元，还具有，

第一级净化塔TY：内装碳质脱氧剂，主要用于O₂等杂质的脱除，塔内设置有电加热器，含量为99.9％的工业纯氩在200～320℃下脱除其中的杂质氧，并达到出口气中O₂≤1ppm；换热器RJ1通过管道与第一级净化塔相连，将第一级净化塔的出口气降温至室温；

第二级净化装置XF：用于在室温下除去杂质CO₂和H₂O，由两个并联的吸附塔XF1和XF2组成，塔内装填分子筛吸附剂、塔内设有用于分子筛再生加热的电加热器，两分子筛吸附塔XF1和XF2的进口管分别经电磁阀DF1和DF2后，再经总管L1与换热器RJ1出口相连，XF1和XF2的出口管分别串接高效过滤器GL1、电磁阀DF5以及高效过滤器GL2、电磁阀DF6后、再与总管L2相连；且GL1和GL2的出口之间由管路L3连通，管路L3上设置有电磁阀DF7；XF1和XF2的进口上分别接有放空管，两放空管上分别设置有电磁阀DF3和DF4；

第三级净化塔HJ：塔内装填金属吸气剂，塔内设有电加热器，塔的进口管与管路L2相连，塔的出口管上顺次设置有换热器RJ2、高效过滤器GL3。

制备高纯氩的工艺步骤为：

a)、以含量99.9％的工业纯氩气为原料气，在第一级净化塔中、经碳质脱氧剂在200～320℃温度下进行脱氧操作，脱氧后的出口气中O₂≤1ppm；

b)、a步骤脱氧后的出口气经换热器降温至室温；

c)、b步骤换热器的出口气经分子筛吸附塔中的13X分子筛在室温下除去CO₂和H₂O杂质，使杂质含量降到H₂O≤2ppm、CO₂≤0.1ppm；

d)、c步骤吸附塔出口气再经ZrAl16合金、ZrVFe合金或者海绵钛金属吸气剂处理，在450～700℃的温度下，进一步除去O₂、N₂、H₂O、CO、H₂、THC等杂质，使杂质含量进一步降到O₂≤0.1ppm、N₂≤0.1ppm、THC(总烃)≤0.1ppm、H₂O≤1ppm、H₂≤0.1ppm、CO≤0.1ppm，从而制得99.9999％的高纯氩气。

第一级净化由JF1、TY、RJ1、TC1组成。TY内装有碳质脱氧剂，碳质脱氧剂可以是大连瑞玛公司的T3093型，工作温度280～320℃；也可以用本公司生产的CuCl+CuO/C型(作为商品可在市场购得)，工作温度200～250℃，同时脱除H₂和CO。

原理为C+O₂→CO₂(大连瑞玛公司的T3093型或我公司的CuCl+CuO/C型)

CuO+H₂→Cu+H₂O    Cu+O₂→CuO    CuO+CO→CO₂+Cu(我公司的CuCl+CuO/C型)

经第一级净化后O₂≤1ppm(采用大连瑞玛公司的T3093型或我公司的CuCl+CuO/C型)

H₂≤0.1ppm、CO≤0.1ppm；(采用我公司的CuCl+CuO/C型)

第二级净化由DF(1、2、3、4、5、6、7)、XF(1、2)、KL、GL(1、2)、TC(2、3)等组成。XF内装有分子筛(13X)，室温下可以除去CO₂和H₂O等。XF有两个，一个工作，另一个再生备用。XF的再生采用成品气反吹(成品气从塔的出口进入塔内，逆向吹过吸附剂，再从塔的进口排出并放空)并升温到380℃。脱附杂质的流程，由微电脑选择开、闭有关DF、TC来自动实现。如果原料气中的杂质含量高，可以调整微电脑，缩短工作和再生周期来解决。经过本级净化后杂质可以降到H₂O≤2ppm、CO₂≤0.1ppm。

第三级净化由HJ、TC4、RJ2、GL3、JF2等组成。HJ内装有ZrAl16合金、ZrVFe合金(锦州铁合金研究所)或海绵钛(贵钛集团)等金属吸气剂。净化的原理是，在450～700℃的温度下，N₂、O₂、H₂、C等杂质能与Zr或Ti形成化合物或固溶体，例如ZrN、TiN、ZrO、TiC、TiN、TiH₂等，从而把杂质固定住。经过本级精制后杂质可进一步降到：O₂≤0.1ppm、N₂≤0.1ppm、THC(总烃)≤0.1ppm、H₂O≤1ppm，H₂≤0.1ppm、CO₂≤0.1ppm、CO≤0.1ppm即可以得到6N级的高纯氩气。

本发明能把3N级的氩气在工作现场净化，得到6N级以上的氩气，并且比其他方法简便和经济。

Claims (6)

1.一种高纯氩气的制备装置，包括微机自动控制单元，其特征是：还具有，

第一级净化塔TY：内装碳质脱氧剂，主要用于O₂等杂质的脱除，塔内设置有电加热器，含量为99.9％的工业纯氩物流在200～320℃下脱除其中的杂质氧，并达到出口气中O₂≤1ppm；换热器RJ1通过管道与第一级净化塔相连，将第一级净化塔的出口气降温至室温；

第二级净化装置：用于在室温下除去杂质CO₂和H₂O，由两个并联的吸附塔XF1和XF2组成，塔内装填分子筛吸附剂、塔内设有用于分子筛再生加热的电加热器，两分子筛吸附塔XF1和XF2的进口管分别经电磁阀DF1和DF2后，再经总管与换热器RJ1出口相连，两吸附塔XF1和XF2的出口管分别串接高效过滤器GL1、电磁阀DF5以及高效过滤器GL2、电磁阀DF6后、再与总管L2相连；且GL1和GL2的出口之间由管路L3连通，管路L3上设置有电磁阀DF7；XF1和XF2的进口上分别接有放空管，两放空管上分别设置有电磁阀DF3和DF4；

第三级净化塔HT：塔内装填金属吸气剂，塔内设有电加热器，塔的进口管与管路L2相连，塔的出口管上顺次设置有换热器、高效过滤器GL3。

2.根据权利要求1所述高纯氩气的制备装置，其特征是：所述吸附塔XF1和XF2中装填的分子筛为13X分子筛；第三级净化塔内装填的金属吸气剂为ZrAL16合金、ZrVFe合金或海绵钛体；第一级净化塔内的碳质脱氧剂为T3093型或CuCl+CuO/C型。

3.根据权利要求1或2所述高纯氩气的制备装置，其特征是：所述第二级净化装置中一个吸附塔的再生操作是采用另一工作塔的出口气反吹并升温至380℃脱除杂质的过程。

4.根据权利要求3所述高纯氩气的制备装置，其特征是：所述高效过滤器GL1、GL2和GL3中的过滤介质是镍质或不锈钢烧结板或管。

5.一种采用如权利要求1所述装置制备高纯氩气的方法，包括以下步骤：

a)、以含量99.9％的工业纯氩气为原料点，在第一级净化塔中、经碳质脱氧剂在200～320℃温度下进行脱氧操作，脱氧后的出口气中O₂≤1ppm；

b)、a步骤脱氧后的出口气经换热器降温至室温；

c)、b步骤换热器的出口气经分子筛吸附塔中的13X分子筛在室温下除去CO₂和H₂O杂质，使杂质含量降到H₂O≤2ppm、CO₂≤0.1ppm；

d)、c步骤吸附塔出口气再经ZrAl合金、ZrVFe合金或者海绵钛体金属吸气剂处理，在450～700℃的温度下，进一步除去O₂、N₂、CO、CO₂、H₂、THC、H₂O杂质，使杂质含量进一步降到O₂≤0.1ppm、N₂≤0.1ppm、CO≤0.1ppm、CO₂≤0.1ppm、H₂≤0.1ppm、THC≤0.1ppm、H₂O≤1ppm，，从而制得99.9999％的高纯氩气。

6.根据权利要求5所述装置制备高纯氩气的方法，其特征是：所述c步骤中的分子筛吸附塔为两个，一个工作，另一个再生备用；吸附塔中吸附剂的再生是采用工作塔的出口气通过反吹并升温到380℃脱附杂质的过程。