CN107399718A - 一种超高纯氧气、氮气纯化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体、LED、光伏太阳能生产等领域，具体的涉及一种超高纯氧气、氮气纯化方法。主要技术方案如下：包括催化氧化工序、干燥脱氧工序、再生工序；所述的催化氧化工序为：原料气经过原料气入口进入换热器换热后进入催化脱烃器，原料气中的包含H₂、CO、CH₄、TCH的杂质在催化脱烃器内转化成H₂O、CO₂，原料气再次经换热器进入水冷却器降温；所述的催化脱烃器内设置加热系统和氧化催化剂；本发明可以对氧气或氮气中的H₂O、CO、CO₂、CH₄、TCH等杂质深度脱出，还可脱除氮气中的氧气杂质解决了气体杂质影响电子行业生产器件，造成电子元件质量下降的问题。

Description

一种超高纯氧气、氮气纯化方法

技术领域

本发明属于半导体、LED、光伏太阳能生产等领域，具体涉及光电子行业生产用保护气，更具体的为一种超高纯氧气、氮气纯化方法。

背景技术

目前，我国纯化氧气、氮气采用最普遍的一种技术是前端加氢脱氧，后端干燥脱水。此项技术脱氧过程中会产生一定量的反应水，同时由于脱氧时采用过氢操作，脱氧效果完全依赖于加入的氢，故加氢必须过量，由此导致产品氮气中氢含量严重超标，直接排放会产生安全隐患并对环境造成很大的危害；且该技术只能脱除氮气中的氧、水，而对于H₂、CO、CH₄、TCH(总烃类)等杂质则不能去除，上述杂质对电子器件的生产起着重要影响，故不能满足国内大规模集成电路生产需求。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种超高纯氧气、氮气纯化方法，对原料气中H₂O、CO、CO₂、N₂、CH₄、TCH等杂质深度脱除，解决了气体杂质影响电子行业生产器件，造成电子元件质量下降的问题。

本发明的技术方案如下：一种超高纯氧气、氮气纯化方法，包括催化氧化工序、干燥脱氧工序、再生工序；

所述的催化氧化工序为：原料气经过原料气入口进入换热器换热后进入催化脱烃器，原料气中的包含H₂、CO、CH₄、TCH的杂质在催化脱烃器内转化成H₂O、CO₂，原料气再次经换热器进入水冷却器降温；所述的催化脱烃器内设置加热系统和氧化催化剂；

所述的干燥脱氧工序为：经水冷却器降温后的原料气进入脱氧干燥器；所述的脱氧干燥器包括脱氧干燥器A、脱氧干燥器B，所述的脱氧干燥器A、脱氧干燥器B循环作为脱氧反应器和再生反应器，所述的脱氧干燥器A、脱氧干燥器B内设有温度传感器、电加热器、储热机构；所述的脱氧干燥器A、脱氧干燥器B通过程控阀门连接再生气入口，所述的水冷却器分别与冷却水入口、阀门水冷却器A、阀门水冷却器B连接；

所述的再生工序为：脱氧干燥器A、脱氧干燥器B内的脱氧剂在加热条件下，以通入再生气的方式进行再生；

所述的催化氧化工序、干燥脱氧工序、再生工序通过控制系统实现，所述的控制系统包括中央控制单元、以及分别与中央控制单元连接的流量计、程控阀门、交流接触器、压力传感器、加温元件、报警装置。

进一步的，所述的氧化催化剂为本领域常规材料。所述的脱氧剂为本领域常规材料，所述的脱氧剂为本领域常规材料，优选为申请号为201410407743.0中公开的脱氧剂。

进一步的，所述的催化氧化工序中：经水冷却器降温至25℃-28℃。

进一步的，所述的再生气为氮气、氢气或二者的混合物。

进一步的，所述的原料气中的包含H₂、CO、CH₄、TCH的杂质在催化脱烃器内转化成H₂O、CO₂，转化过程的温度为330℃。

本发明的有益效果如下：本发明可以对氧气或氮气中的H₂O、CO、CO₂、CH₄、TCH等杂质深度脱除，还可脱除氮气中的氧气杂质解决了气体杂质影响电子行业生产器件，造成电子元件质量下降的问题。纯化系统干燥脱氧工序采用两塔纯化流程，其中一个吸附干燥器工作(吸收杂质)，另一个吸附干燥器则进行再生(或保压待用)，这样两个吸附干燥器交替工作和再生，从而可实现对原料气的连续净化。且本发明的纯化系统既可应用于氧气纯化，也可应用于氮气纯化，适用性好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1、换热器，2、催化脱烃器，3、水冷却器，4、脱氧干燥器A，5、脱氧干燥器B，6、阀门水冷却器A，7、阀门水冷却器B，8、产品气出口，9、再生气入口，10、原料气入口，11、冷却水入口，12、冷却水排放口，13、废气排放出口、14、仪表气入口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示：一种超高纯氧气、氮气纯化方法，包括催化氧化工序、干燥脱氧工序、再生工序；所述的催化氧化工序为：原料气经过原料气入口10进入换热器1换热后进入催化脱烃器2，原料气中的包含H₂、CO、CH₄、TCH的杂质在催化脱烃器2内转化成H₂O、CO₂，原料气再次经换热器1进入水冷却器3降温；所述的催化脱烃器2内设置加热系统和氧化催化剂；所述的干燥脱氧工序为：经水冷却器3降温后的原料气进入脱氧干燥器；所述的脱氧干燥器包括脱氧干燥器A4、脱氧干燥器B5，所述的脱氧干燥器A4、脱氧干燥器B5循环作为脱氧反应器和再生反应器，所述的脱氧干燥器A4、脱氧干燥器B5内设有温度传感器、电加热器、储热机构；所述的脱氧干燥器A4、脱氧干燥器B5通过程控阀门连接再生气入口9，所述的水冷却器3分别与冷却水入口11、阀门水冷却器A6、阀门水冷却器B7连接；所述的再生工序为：脱氧干燥器A4、脱氧干燥器B5内的脱氧剂在加热条件下，以通入再生气的方式进行再生；所述的催化氧化工序、干燥脱氧工序、再生工序通过控制系统实现，所述的控制系统包括中央控制单元、以及分别与中央控制单元连接的流量计、程控阀门、交流接触器、压力传感器、加温元件、报警装置。所述的氧化催化剂为本领域常规材料。所述的脱氧剂为本领域常规材料，优选为申请号为201410407743.0中公开的脱氧剂。

所述的催化氧化工序中：经水冷却器3降温至25℃-28℃。所述的再生气为氮气、氢气或二者的混合物。所述的原料气中的包含H₂、CO、CH₄、TCH的杂质在催化脱烃器2内转化成H₂O、CO₂，转化过程的温度为330℃。

以下对本发明的纯化系统的工作过程进行说明：

纯化工艺由催化氧化工序(O)和两塔干燥脱氧工序(W)两个工序组成。原料气首先进入催化氧化工序，在氧化催化剂的作用下，将原料气中的H₂、CO、CH₄，TCH等杂质，转化为H₂O和CO₂；然后进入干燥脱氧工序深度脱除气体中的H₂O、CO₂(O₂)等杂质，干燥脱氧工序采用的脱氧剂脱除杂质有一定容量，当脱氧剂吸收杂质达到饱和后，可通入氮氢混合气对其进行再生，在纯化的原料气为氧气时，再生步骤仅通入氮气，使得脱氧剂仅吸收原料气中的H₂O、CO₂，而不吸收O₂。干燥脱氧工序采用两塔纯化流程，其中一个脱氧干燥器工作(吸收杂质)，另一个脱氧干燥器则进行再生(或保压待用)，这样两个脱氧干燥器交替工作和再生，从而可实现对原料气的连续净化。具体分为以下步骤：

1)催化氧化工序主要由催化脱烃器2、换热器1、水冷却器3等设备组成，催化脱烃器2内装氧化催化剂，为主要工序设备，催化脱烃器2自带加热系统，氧化催化剂的杂质脱除机理为：

H₂、CO、CH₄在催化剂的作用下与气体中的氧气发生反应得到转化脱除：

当气体中的氧气不足时，杂质还可以与氧化态的催化剂发生反应，得到转化脱除：

CO+H₂+CH₄+AO₂————H₂O+CO₂+AO

(“AO₂”代指氧化态的催化剂，“AO”代指还化态的催化剂。)

当原料气中的氧气过量时，还原态的催化剂可与氧气发生反应又生成氧化态的催化剂：

经过氧化催化剂的原料气，其中的H₂、CO、CH₄、TCH等杂质被脱除到10ppb以下；

2)经过催化氧化工序后，原料气进入干燥脱氧工序。本工序中采用申请号为201410407743.0中公开的脱氧剂，杂质脱除深度高，抗波动能力强；脱氧干燥器集成内加热器，升温速度快，内置储热机构，短时间断电，不影响产气指标。工序由脱氧吸附器、阀门组(自动设备采用气开膜片阀)、再生气冷却器、以及相关的流量计仪表等组成。

脱氧干燥器内装脱氧剂，气体中的氧气在常温下与还原态的脱氧剂发生反应而得到脱除：脱氧：O₂+AO——AO₂；

脱氧剂吸附杂质有一定容量，当脱氧剂吸附饱和后，可加热通氢对其进行再生。

再生：

本工序所采用脱氧剂为经过改性处理的产品，具备深度脱除水和二氧化碳的功能，吸附饱和后在脱氧剂再生时可同步再生，恢复吸附活性。

两台脱氧干燥器交替进行工作和再生以实现对原料气的连续净化。从而保证使用企业的连续、不间断生产。

3)整套系统采用Siemens公司的S7系列PLC作为中心控制单元，采用触摸控制屏对整个生产工艺过程实施监测和控制。具备自动再生时序控制(阀门开关、温度控制)、自动、手动操作、运行状态监控等功能。可实现远程监控或接入客户的中央控制系统(MODBUS)，并可实现双控平台。

4)本系统温度控制由PLC、固态继电器、热电偶、电加热器等组成。系统各反应器温度由热电偶进行检测并将信号传给PLC，PLC则根据预先编制、设定的程序和条件，控制固态继电器电流的通断，以控制电加热器的开、停，从而对各反应器的温度进行控制。具有加热功能的反应器具有3点温控，通常其中任何一点达到设定的报警或联锁温度都会发出报警或联锁。控制系统的可实反应器温度、压力、流量、冷却水断流等异常情况时的报警和根据情况进行自动联锁等。

报警说明：当PLC得到的反馈信号异常，并且持续超过所设定的报警值的时间超过抗波延时(避免波动导致误报警)，装置将发出报警信号。可人工进入报警显示界面，根据提示判断故障点。所有的报警信息都会记录在报警列表里。报警时装置仍保持净化产气状态。

联锁说明：联锁操作在报警之后，或同时发出报警。部分报警信号在设定的时间内没有得到处理，或信号超标达到所设定的联锁值，装置将根据情况自动采取相应的联锁方案，以避免危险事故的发生。非跨线联锁，不会中断产气，但再生步骤等将停止。

以上自控方案可靠地保证了填料再生效果和整套系统的安全。

以纯化氮气为例对本发明的纯化系统进行说明：

如图1，原料氮气经入口阀门、流量计后进入换热器1，换热后的气体进入催化脱烃器2，在一定温度和氧化催化剂的作用下，将气体中的H₂、CO、CH₄、TCH等杂质，转化为H₂O和CO₂而除去，反应后的气体经水冷却器3冷却至常温后通过程控阀门进入脱氧干燥器，深度脱除原料氮气中的氧气、水、二氧化碳等杂质后，经出口阀门输送至使用点。当一台脱氧干燥器处于吸附产气步骤时，则另一台脱氧干燥器则处于再生的不同步骤，每台脱氧干燥器经历相同的步骤程序。

下面以脱氧干燥器A4为例说明每台脱氧干燥器的工作过程如下(以下步骤均在PLC的控制下全自动运行，所有加热的温度、各个时序的时间可进行设定)：

1)脱氧(A)

原料气自下而上通过脱氧干燥器A4，原料气中的氧气、二氧化碳、水被吸附分离。吸附工作的时间为工作周期，工作周期可根据设备参数进行设定，并需要在实际工作中根据实际情况进行调整。

过程压力：工作压力。

过程温度：常温。

步骤执行时间：半个周期。

2)切换

当工作脱氧干燥器A4吸附产气时间达到切换时间后，切塔至备用脱氧干燥器B5工作，结束工作的脱氧干燥器A4进行再生。切换操作过程说明如下：

切塔(操作)：2分钟

确认脱氧干燥器B5三点温度(TIC1/2/3)均小于切换许可温度(60℃)，PLC发出打开脱氧干燥器B5入口、出口阀门信号，根据回信确认入口、出口阀门打开，关闭结束工作的脱氧干燥器A4入口和出口阀门。

如脱氧干燥器B5三点温度(TIC1/2/3)有任一点大于切换许可温度(60℃)，则不切换，并报警。

如在规定的阀门报警判断时间内标准设定为30秒，经阀门回信判断，阀门没有打开，则切换时序暂停，脱氧干燥器A4继续保持加热状态，并发出报警信号。故障排除后，手动暂停返回继续运行，仍首先判断阀门回信位置是否正确，正确时序继续执行。

结束工作的脱氧干燥器则进入再生阶段。再生步骤一般由卸压、再生、吹冷、充压等几个步骤组成，总时间约为24～36小时(再生各段时间均可设定)。脱氧干燥器再生完毕后，保压待用，待另一台脱氧干燥器结束工作时，切换至进行原料处理。以下以脱氧干燥器A4为例说明再生步骤：

过程压力：工作压力。

过程温度：常温。

步骤执行时间：2分钟。

3)卸压(A)

确认再生脱氧干燥器A4入口阀门、出口阀门回信显示为关闭，打开再生吸附器再生放空阀，由卸压限流阀的旁通管缓慢卸压至常压，以避免脱氧干燥器A4压力剧烈波动影响填料寿命，执行时间达到步骤执行时间后，确认吸附器压力小于再生许可压力(标准设定为0.1Mpa)后执行下一步骤：再生步骤。如不小于再生压力，则继续卸压，推迟执行下一步，直至脱氧干燥器A4的压力小于再生压力。

过程压力：由工作压力降至常压(当时外界大气压)。

过程温度：常温。

步骤执行时间：约为20min。

4)再生

打开再生脱氧干燥器A4的加热器给其加热，同时打开再生氮气阀门抽取确定量产品氮气，打开再生氢气阀门配入确定量的氢气，打开再生吸附器再生气入口阀、打开卸压限流阀再生脱氧干燥器A4再生气出口阀通入再生氮气、氢气对脱氧干燥器A4进行再生。用手动阀调节再生氮气、氢气流量至额定流量。若纯化的原料气为氧气，则再生阶段无需通入氢气。

再生时脱氧剂生成的水以及解吸出来的水和二氧化碳被再生气体携带出脱氧干燥器A4，再通过阀门水冷却器A6冷却后放空。

过程压力：常压。

再生温度：控制为260℃。

步骤执行时间：约为16hr。

5)吹扫冷却(B→A)

当脱氧剂再生完毕后，停止加热。关闭再生氢气入口阀，停止加入再生氢气，继续用再生气吹扫脱氧干燥器A4，直到步骤时间结束后，确认脱氧干燥器A4的三点温度(TICA1/2/3)温度均低于切换许可温度(60℃)，执行下一步，如确认步骤时间结束脱氧干燥器A4的三点温度(TICA1/2/3)有任一点的温度大于60℃，则继续吹扫，推迟执行下一步直到确认脱氧干燥器A4的三点温度(TICA1/2/3)温度均低于60℃后开始执行下一步骤。

过程压力：常压。

过程温度：从260℃到常温。

步骤执行时间：约为14hr。

6)充压：

再生结束后用产品气给脱氧干燥器A4升压至工作压力，以避免切换时压力波动过大影响吸附剂寿命。

关闭脱氧干燥器A4再生放空阀、卸压限流阀，用产品气给脱氧干燥器A4升压，

过程压力：常压到工作压力。

过程温度：常温。

步骤执行时间：约为20min。

7)备用：

升压时间结束后关闭再生氮阀门，再生脱氧干燥器A4再生气入口阀。进入保压备用步骤。至此脱氧干燥器A4完成了一个工作循环，然后该吸附器处于保压待用状态，等待该半周期结束。开始准备进行下一个循环。

过程压力：常压到工作压力。

过程温度：常温。

步骤执行时间：至工作吸附器工作周期结束。

综上，大处理量超高纯纯化系统由自控系统全自动控制，实现对原料气的纯化。

Claims (4)

1.一种超高纯氧气、氮气纯化方法，其特征在于：包括催化氧化工序、干燥脱氧工序、再生工序；

所述的催化氧化工序为：原料气经过原料气入口(10)进入换热器(1)换热后进入催化脱烃器(2)，原料气中的包含H₂、CO、CH₄、TCH的杂质在催化脱烃器(2)内转化成H₂O、CO₂，催化反应后的原料气经换热器(1)进入水冷却器(3)降温；所述的催化脱烃器(2)内设置加热系统和氧化催化剂；

所述的干燥脱氧工序为：经水冷却器(3)降温后的原料气进入脱氧干燥器；所述的脱氧干燥器包括脱氧干燥器A(4)、脱氧干燥器B(5)，所述的脱氧干燥器A(4)、脱氧干燥器B(5)循环作为脱氧反应器和再生反应器，所述的脱氧干燥器A(4)、脱氧干燥器B(5)内设有温度传感器、电加热器、储热机构；所述的脱氧干燥器A(4)、脱氧干燥器B(5)通过程控阀门连接再生气入口(9)，所述的水冷却器(3)分别与冷却水入口(11)、阀门水冷却器A(6)、阀门水冷却器B(7)连接；

所述的再生工序为：脱氧干燥器A(4)、脱氧干燥器B(5)内的脱氧剂在加热条件下，以通入再生气的方式进行再生；

所述的催化氧化工序、干燥脱氧工序、再生工序通过控制系统实现，所述的控制系统包括中央控制单元、以及分别与中央控制单元连接的流量计、程控阀门、交流接触器、压力传感器、加温元件、报警装置。

2.如权利要求1所述的超高纯氧气、氮气纯化方法，其特征在于：所述的催化氧化工序中：经水冷却器(3)降温至25℃-28℃。

3.如权利要求1所述的超高纯氧气、氮气纯化方法，其特征在于：所述的再生气为氮气、氢气或二者的混合物。

4.如权利要求1所述的超高纯氧气、氮气纯化方法，其特征在于：所述的原料气中的包含H₂、CO、CH₄、TCH的杂质在催化脱烃器(2)内转化成H₂O、CO₂，转化过程的温度为330℃。