CN101376077B - 一种小流量气体纯化方法和纯化装置 - Google Patents

Abstract

一种小流量气体纯化装置。包括一个金属管道，二个独立的带多孔隔离板的变径接头，一个加热装置，以及一个控制温度装置。管道一端为进气口，另一端为出气口，两端用变径接头加以密封。在进气口和出气口之间的某个区间为加热区，进气口至加热区之间填充颗粒状吸气剂材料并保持适当的温度梯度以降低进气口的温度，在此区间至出气口之间填充粉末状吸气剂材料以保证气体纯化的最佳效果。由此构成小型的气体纯化装置即可去除气体中的氧、氢、一氧化碳、二氧化碳、水等杂质至10ppb或其以下，本气体纯化装置的制造方法简单，能够耐受较高的源气杂质浓度而不会带来安全隐患，适用于各种小流量气体的纯化领域。

Description

一种小流量气体纯化方法和纯化装置

技术领域

本发明涉及气体提纯(纯化)领域。具体地说，涉及一种可以在较高的杂质浓度下，利用吸气剂安全地去除气体中的包括水、氧甲烷、轻质烃、一氧化碳及二氧化碳在内的杂质气体的装置。

背景技术

本发明所说的小流量指气体的流量小于等于每分钟5标准升，所述的较高的杂质浓度指气体中的杂质体积含有比率高于十万分之一但小于千分之一。

在化学工业及电子工业的很多工艺中大量使用超高纯度(指气体中的杂质气体被去除后的体积含有比率在10ppb(ppb为十亿分之一)及其以下)的各种气体，如氮气、氦气、氩气、氢气等。此时，上述惰性气体中通常含有的氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷及轻质烃、水等杂质因其化学性质而使所述气体无法适用于高工艺性的要求。因此要对超高纯度气体中的各种杂质进行监测分析。

目前对超高纯度气体中的杂质进行分析的方法多为比较测量法，即将被分析气体样品与一个杂质含量极低的标准气体样品进行比较。例如常用的气相色谱仪就是将纯度高于被分析气体的载气和被分析的样品气体轮流进样到仪器中，以载气的结果为基准零点，测量样品气体中各个杂质峰的高度来确定其浓度。

为了保证气体分析的准确性，一般要求标准气体的杂质含量比被分析气体的杂质含量低一个数量级左右。目前国标99.999％到99.9999％纯度的气体中的杂质浓度已经达到0.1ppm。这就要求标准气体中的杂质含量小于0.01ppm，即10ppb。这样的气体纯度只能通过使用气体纯化器将低纯度的气体纯化后才能达到。此类纯化器的流量虽然不需要很大，但是去除杂质的种类要多。而且对源气中杂质浓度的适应范围要宽。在气体流量有较大变化时依然能够保持纯化性能。

目前对上述标准气体的纯化主要使用的是吸气剂技术。吸气剂技术使用吸气剂材料对气体进行纯化。吸气剂材料是由铁、锆、钒等金属制成的合金材料。其特点是材料表面不会和氦，氖，氩一类的惰性气体反应，但可以和某些杂质气体分子，如水汽，氧，一氧化碳，二氧化碳，甲烷等气体反应发生化学反应。而且在高温下(300-400℃)由这些杂质分子带到表面的氧，碳等原子不断扩散进入材料内部，从而能够维持材料表面长时间的和各类杂质分子反应。这一材料特性被用来对某些气体进行纯化。

由于上述反应均在吸气剂材料的表面进行，所以总反应量和单位体积吸气剂材料的表面积成正比。增加吸气剂材料表面积的方法是将其制造成颗粒，甚至粉末状。颗粒(粉末)的几何尺寸越小，其堆积后的单位体积表面积就越大。为取得最佳的气体纯化效果，一般选用几何尺寸较小的粉末。如专利号为“CN00808734.2”的中国专利中提到的0.01英寸。

上述反应的速率则与吸气剂材料的温度成正比。在高温下氧，碳等原子在吸气剂材料中的扩散速度加快，使得材料表面的化学键可以更快的被已经捕捉到的氧，碳等原子释放从而从气体中捕捉新的杂质。所以其反应速率加快。一般吸气剂材料优化的使用温度为300-400摄氏度。

公开号为CN1050047，公开日为1991年03月20日的发明名称为“非蒸散型低温激活吸气剂及其制造方法”的中国专利申请公开了一种吸气剂及其制造方法，所述吸气剂由锆基合金组成，即，由锆、钒、铁、钛合金组成。据该专利文献的说明书介绍，所述吸气剂可以用于气体纯化。其推荐的激活温度需450℃，工作温度在300℃左右。

公开号为CN1355720，公开日为2002年06月26日的发明名称为“组合式热吸气剂净化系统”的中国专利公开了一种利用吸气剂材料制造的气体净化器。其特征分别在于，将吸气剂柱或吸气剂材料封装在金属容器内，使不纯气体经由进出口流经其间，加温，进行气体纯化。但是该专利由于加温器安装在顶部，造成这部分首先接触到气体的吸气剂材料的温度是最高的。当进入气体纯化器的源气中的杂质含量较高时，高浓度的杂质在高温下和吸气剂材料剧烈反应并大量发热从而导致整个金属容器的温度急剧升高。急剧升高的温度又进一步提高了杂质和材料的反应速率加速放热。这样的恶性循环会造成金属容器的温度达到上千摄氏度从而造成金属容器部分融化带来巨大的安全隐患。

公开号为CN1276741，公开日为2000年12月13日的发明名称为“带有吸气剂安全装置的半导体制作系统”的中国专利中特别提到了使用吸气剂材料的安全问题。为了提高安全性能，该发明采用了为金属容壁加内衬保护和用温度传感器联动自锁装置的方法。一旦温度传感器探测到温度上升超过预设值，与之联动的气体阀门就停止向吸气剂柱供气。并打开旁通阀门向后续管道输送未经纯化的气体。但由于此安全自锁装置存在滞后，为防止温度冲高融化金属容壁，该发明为金属容壁加内衬进行保护。在该专利给出的实施案例中虽然证明了其安全性，但是此安全措施造成了气体必须不经过纯化直接向下游管道排放，对下游使用纯净气体的设备可能带来工艺上的影响或安全上的隐患。所以没有能够从根本上解决对高杂质浓度的气体安全纯化的难题。

发明内容

为了解决上述技术的缺陷，本发明的第一目的在于，提供一种小流量气体纯化方法，所述方法可用于在较高杂质浓度下安全去除气体中的杂质气体。

本发明的第二目的在于，提供一种小流量气体纯化装置，所述装置可用于在较高杂质浓度下安全去除气体中的杂质气体，且所述小流量气体纯化装置制造成本低，结构简单。

为达到本发明的第一目的，本发明的小流量气体纯化方法如下：

一种小流量气体纯化方法，包括一主要由填充有颗粒状/粉末状吸附剂并设置有加温区域的容器构成的纯化装置，所述的容器具有一进气端和一出气端，使待纯化的气体经由进气端通过填充在容器中的吸附剂而得到纯化后，经出气端输出，其特征是：

所述容器为依次形成进气端、颗粒状气体吸附剂填充段、加温区域、粉末状气体吸附剂填充段和出气端的金属管，

所述金属管的长度/内径比大于25的金属管1；

所述的金属管1的两端，设置变径式接头2，在变径式接头和管道的端口之间设置多孔材料过滤片3；

在所述金属管的进气端和出气端之间的部分区域，设置有受温度控制电路9控制的加温部件8，该区域为加温区域；

在所述金属管的进气端与加温区域之间，填充表面积较小的颗粒状气体吸附剂4，在所述金属管的加温区域与出气端之间，填充表面积较大的粉末状气体吸附剂5；

在进气端和加温区域之间的管道内建立一上升的温度梯度，即，保持进气端的温度控制在50～100℃，保持加温区域气体的最高温度在300～450℃；

纯化过程包括以下步骤：

步骤一，待纯化的气体由进气端被导入纯化装置后，首先与进气端管道中的颗粒状气体吸附剂填充段接触反应；

步骤二，待纯化的气体经过颗粒状气体吸附剂填充段后，进入加温区域时/后，再与管道中的粉末状气体吸附剂接触；

步骤三，待纯化的气体经过粉末状气体吸附剂填充段后，由出气端导出，制得所需的纯化气体。

根据本发明所述的小流量气体纯化方法，其特征是，所述吸气剂为选自铁、锆、，钒或钛等合金吸气剂材料。

根据本发明所述的小流量气体纯化方法，其特征是，其特征在于所述吸气剂优选为意大利SAES公司的ST707或ST198或与之类同的产品。

为达到本发明的第二目的，本发明提供了一种小流量的气体纯化装置，包括设置有一进气端(6)和出气端(7)的容器，容器内装载有吸附剂，其特征是：

所述容器为一长度/内径比大于25的金属管1，

在所述金属管的两端1，设置变径式接头2，在变径式接头和管道的端口之间设置多孔材料过滤片3。

其多孔材料过滤片3的孔隙尺寸在0.003到20微米之间。

在金属管1中填充颗粒状吸附剂部分4和粉末状吸附剂5部分的长度比例为1:5～5:1。

其所述的金属管1为直管、U型管或螺旋状管。

所述金属管1加温区域的长度和金属管总长度的比例为1:2～1:5。

其所述颗粒状气体吸附剂4的几何尺寸为1到3毫米，所述粉末状气体吸附剂5的几何尺寸为0.2到0.5毫米，所述吸气剂为选自铁、锆、钒及钛等合金吸气剂材料。

所述金属管1为不锈钢管，其内壁至少进行过辉光退火处理或电化学抛光处理。

本发明带来以下两个优点：

(1)在待纯化的气体中杂质浓度很高时的安全性有所提高。在过去的设计中纯化罐体是均匀加温的。当待纯化的气体中高浓度的杂质和纯化罐中高温的粉末状气体吸附剂接触时，其反应速度非常快，大量放热从而造成纯化罐急剧升温，带来安全隐患。在本发明中，工艺气体中高浓度的杂质首先和比较低温的颗粒状气体吸附剂反应，其反应速度受到较低温度和较小表面积的双重限制。而且由于进气端温度较低，即使放热也不会使温度上升到不安全的范围内。而当气体进入到加温区和出气端的高温粉末状气体吸附剂接触时，由于杂质已经被进气端的颗粒状气体吸附剂去除了一部分，其反应速度也会降低，不会大量放热带来安全隐患。

(2)对在待纯化的气体中杂质浓度很高时纯化装置的使用寿命有所提高。吸气剂材料的气体纯化使用寿命与其表面积/体积之比成反比。而其去除杂质的效率与其表面积/体积之比成正比。在过去的设计中一般都为了提高其去除杂质的效率而使用表面积/体积之比很大的粉末状气体吸附剂。本发明在杂质浓度较高的进气端使用了表面积/体积之比很小的颗粒状气体吸附剂来提高其使用寿命，在出气端使用表面积/体积之比很大的粉末状气体吸附剂以提高其去除杂质的效率。

附图说明

图1是本发明的气体纯化装置的结构示意图；

图2是使用本发明的实施案例的结构示意图；

图3是使用U型管道和螺旋状管道的实施案例的示意图；

图中，1-金属管道，2-变径式接头，3-多孔材料过滤片，4-颗粒状气体吸附剂，5-粉末状气体吸附剂，6-进气端，7-出气端，8-电加热器，9-温度控制装置，10-气体流入进气端的管道，11-气体流出出气端的管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及安装进行详细说明。

如图1所示的金属管道为经过电化学抛光处理的外径为10毫米，长度为500毫米的316L不锈钢管1。对不锈钢管1的内表面进行的电化学抛光处理以减少其对气体中各种杂质的吸附。不锈钢变径式接头2(制造商有美国SWAGELOK公司等)的较大的一端放入用粉末冶金方法制造的316L不锈钢多孔材料过滤片3(制造商有美国MOTT公司等)。其孔隙尺寸为1微米。不锈钢管1的端口插入不锈钢变径式接头2的较大的一端，并且用卡套式接头专用的密封环和螺母拧紧密封。从不锈钢管1开放的另外一端按要求顺序填充颗粒状气体吸附剂4和粉末状气体吸附剂5。采用的吸气剂材料相当于意大利SAES公司的ST707。其中颗粒状气体吸附剂4的几何尺寸为1-2毫米，粉末状气体吸附剂5的几何尺寸为0.25毫米。

颗粒状气体吸附剂4和粉末状气体吸附剂5的比例为1:3到3:1之间。填满后，用另外一个放了316L不锈钢多孔材料过滤片3的不锈钢变径式接头2将不锈钢管1的另外一端按上述步骤拧紧密封。

本发明的安全小流量气体纯化的具体使用方法如下：

采用一根长度和直径比不小于25的金属管作为气体纯化装置的主要部件。管道的一端为进气端6，另一端为出气端7。在进气端和出气端之间的某个区间为加温区域，通过使用电加热器8和温度控制装置9组成的加热装置保持最高温度在300-450摄氏度。

并且在进气端和加温区间之间填充表面积较小的颗粒状吸气剂材料并保持进气端的温度控制在50-100摄氏度，从而在进气端和加温区间之间的管道内建立适当的温度梯度。温度梯度根据最大气体流量和进气端到加温区之间的距离等因素来调整，在此区间至出气端之间填充表面积较大的粉末状气体吸附剂材料以保证气体纯化的最佳效果。

在待纯化的气体由进气端被导入纯化装置后，首先与进气端管道中的颗粒状气体吸附剂接触，由于进气端和加温区间之间温度梯度的存在，待纯化的气体接触到的颗粒状气体吸附剂的温度是不断升高的。而杂质气体和吸气剂的反应速度与温度和杂质气体的浓度成正比。这样高浓度杂质工艺气体虽然刚接触到的颗粒状气体吸附剂的温度较低，但是由于杂质气体浓度较高，化学反应速度可以得到保证。而随着杂质气体与颗粒状气体吸附剂反应其浓度不断降低，但是由于温度在不断提高从而可以继续保持较高的反应速度。随后，在待纯化的气体进入加温区时并与管道中的粉末状气体吸附剂接触时，气体中的杂质浓度已经在进气端管道中得到降低，而且由于温度和材料表面积都达到了理想的参数，气体中的杂质浓度可以被粉末状气体吸附剂去除至体积比10ppb以下。

实施例1(具体结构参照图2)

使用电加热器8和温度控制装置9组成的加热装置将所述不锈钢管1加温到350-400摄氏度。将待纯化的，杂质总含量约为万分之一的氦气以每分钟0.5标准升的流量通过气体流入进气端的管道10从进气端6进入本实用新型的气体纯化装置。在顺序通过变径式接头2(进气端)，多孔材料过滤片3(进气端)，颗粒状气体吸附剂4，粉末状气体吸附剂5，多孔材料过滤片3(出气端)和变径式接头2(出气端)后，经过出气端7后通过气体流出出气端的管道11向后续的已纯化气体使用端提供了水/氧等杂质含量小于10ppb的氦气。

在实施例1中，纯化装置没有出现温度异常升高等危及安全的现象。表1是氦气纯化前和纯化后的主要杂质浓度表。

表1氦气纯化前后主要杂质浓度表

 

杂质

氧

氢

一氧化碳

水

甲烷

氮

源气杂质浓度(10-6)

15.3

11.8

6.4

26.5

6.2

27.5

纯化后浓度(10-6)

<0.002

<0.002

<0.002

<0.002

<0.002

0.006

实施例2

除所述不锈钢管的外径为20毫米，长度700毫米，所述多孔材料过滤片的孔隙尺寸在20微米，采用的吸气剂材料相当于意大利SAES公司的ST198，在进气端颗粒状气体吸附剂尺寸为3-5毫米，不锈钢管的形状为图3中示意的螺线管型之外，其他如同实施例1。以每分钟5标准升的流量通过总杂质含量低于百万分之一的氮气，得到超高纯度气体。

在实施例2种，纯化前和纯化后的主要杂质浓度见表2。

表2氩气纯化前后主要杂质浓度表

 

杂质	氧	氢	一氧化碳	二氧化碳	总烃	水
							源气杂质浓度(10-6)	0.145	0.127	0.13	0.142	0.142	0.124
纯化后浓度(10-6)	0.0001	0.0018	0.0013	<0.001	<0.001	0.007

实施例3

除了加温温度为250-350℃，颗粒状气体吸附剂和粉末状气体吸附剂的比例为1:1到3:1之间，在进气端颗粒状气体吸附剂尺寸为3-5毫米之外，其它同实施例1。以每分钟0.2标准升的流量通过总杂质含量约为千分之一的氩气，没有发现任何异常升温的迹象，并得到水、氧等杂质含量小于10ppb的超高纯度氮气。

在上述实施例中，也可以先将不锈钢管从中间弯成U型或螺旋状管(如图3所示)再进行上述装配变径式接头和吸气剂材料的填充，用电加热器和温度控制装置组成的加热装置对弯成U型的不锈钢管的底部100到200毫米长的部分进行均匀加温，气体纯化性能没有发现任何差别。

根据本发明，不必采用工艺复杂、成本较高的金属容器制造的气体纯化装置，而是使用结构简单、小型的气体纯化装置，即可强力去除气体中的氧、氢、一氧化碳、二氧化碳、水等杂质，特别是在气体中的杂质气体含量较高的条件下也能够安全，有效地去除杂质气体至体积比浓度10ppb或小于10ppb，适用于各种小流量的气体纯化领域。

Claims (11)

1.一种小流量气体纯化方法，所述小流量指气体的流量小于等于每分钟5标准升，所述方法包括一主要由填充有颗粒状/粉末状吸附剂并设置有加温区域的容器构成的纯化装置，所述的容器具有一进气端(6)和一出气端(7)，待纯化气体经进气端通过填充在容器中的吸附剂而得到纯化后，经出气端输出，其特征是：

所述容器为依次形成进气端(6)、颗粒状气体吸附剂填充段、加温区域、粉末状气体吸附剂填充段和出气端(7)的金属管；

所述金属管为长度/内径比大于25的金属管(1)；

所述的金属管的两端，设置变径式接头(2)，在变径式接头和管道的端口之间设置多孔材料过滤片(3)；

在所述金属管的进气端和出气端之间的部分区域，设置有受温度控制电路(9)控制的加温部件(8)，该区域为加温区域；

在所述金属管的进气端与加温区域之间，填充表面积较小的颗粒状气体吸附剂(4)，在所述金属管的加温区域与出气端之间，填充表面积较大的粉末状气体吸附剂(5)；

在进气端和加温区域之间的管道内建立一上升的温度梯度，即，保持进气端的温度控制在50～100℃，保持加温区域气体的最高温度在300～450℃；

纯化过程包括以下步骤：

步骤一，待纯化的气体由进气端被导入纯化装置后，首先与进气端管道中的颗粒状气体吸附剂填充段接触反应；

步骤二，待纯化的气体经过颗粒状气体吸附剂填充段后，进入加温区域时/后，再与管道中的粉末状气体吸附剂接触；

步骤三，待纯化的气体经过粉末状气体吸附剂填充段后，由出气端导出，制得所需的纯化气体。

2.按照权利要求1所述的小流量气体纯化方法，其特征是，所述吸附剂为选自铁，锆，钒，钛的合金吸附剂材料。

3.按照权利要求1或2所述的小流量气体纯化方法，其特征在于所述吸附剂为意大利SAES公司的ST707或ST198。

4.一种小流量的气体纯化装置，所述小流量指气体的流量小于等于每分钟5标准升，所述装置包括设置有一进气端(6)和出气端(7)的容器，容器内装载有吸附剂，其特征是：所述容器为依次形成进气端(6)、颗粒状气体吸附剂填充段、加温区域、粉末状气体吸附剂填充段和出气端(7)的金属管；

所述金属管为长度/内径比大于25的金属管(1)；

在所述金属管的进气端和出气端之间的部分区域，设置有受温度控制电路(9)控制的加温部件(8)，该区域为加温区域；

在所述金属管的进气端与加温区域之间，填充表面积较小的颗粒状气体吸附剂(4)，在所述金属管的加温区域与出气端之间，填充表面积较大的粉末状气体吸附剂(5)。

5.按照权利要求4所述的小流量气体纯化装置，其特征是，在所述金属管(1)的两端，设置变径式接头(2)，在变径式接头和管道的端口之间设置多孔材料过滤片(3)。

6.按照权利要求5所述的小流量气体纯化装置，其特征是，所述多孔材料过滤片(3)的孔隙尺寸在0.003到20微米之间。

7.按照权利要求4所述的小流量气体纯化装置，其特征是，所述金属管(1)中填充颗粒状气体吸附剂(4)部分和粉末状气体吸附剂(5)部分的粒径长度比例为1∶5～5∶1。

8.按照权利要求7所述的小流量气体纯化装置，其特征是，所述颗粒状气体吸附剂(4)的粒径尺寸为1到3毫米，所述粉末状气体吸附剂(5)的粒径尺寸为0.2到0.5毫米，所述吸附剂为选自铁，锆，钒，钛的合金吸附剂材料。

9.按照权利要求4所述的小流量气体纯化装置，其特征是，所述的金属管(1)为直管、U型管或螺旋状管。

10.按照权利要求4所述的小流量气体纯化装置，其特征是，在所述金属管的进气端和出气端之间设置有加温区域，所述金属管(1)加温区域部分的长度和金属管总长度的比例为1∶2～1∶5。

11.按照权利要求4所述的小流量气体纯化装置，其特征是，所述金属管(1)为不锈钢管，其内壁至少进行过辉光退火处理或电化学抛光处理。

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