CN201101934Y

CN201101934Y - 一种安全的小流量气体纯化装置

Info

Publication number: CN201101934Y
Application number: CNU2007200744002U
Authority: CN
Inventors: 江晓松
Original assignee: SIMPURE TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd
Current assignee: SIMPURE TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2017-09-05

Abstract

一种安全的小流量气体纯化装置，属气体提纯(纯化)领域。包括设置有一进气端和一出气端的容器，容器内装载有吸附剂，其所述的容器为一长度/内径比大于25的金属管；所述金属管的两端，设置变径式接头；在变径式接头和管道的端口之间设置多孔材料过滤片；在两端多孔材料过滤片之间的金属管中，填充气体吸附剂；其中，在进气端部分的管段内填充颗粒状气体吸附剂，在出气端的管段内填充粉末状气体吸附剂；在金属管的中间部分区域，设置有受温度控制电路控制的加温部件。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，适用于各种小流量的气体纯化领域。

Description

一种安全的小流量气体纯化装置

技术领域

本实用新型涉及气体提纯(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、一氧化碳或二氧化碳在内的杂质气体的气体纯化装置。

背景技术

本实用新型所说的小流量指气体的流量小于等于每分钟5标准升。所说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。

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年的发明名称为“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，加热使用，进行气体纯化。但是该专利中由于加热器安装在顶部，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3日的发明名称为“带有吸气剂安全装置的半导体制作系统”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，该实用新型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，该实用新型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。

所以开发一种在较高杂质浓度下能够安全使用的小流量气体纯化方法和装置对气体分析行业中标准气体的提供有很重要的意义。

实用新型内容

为了解决上述技术的缺陷，本发明提供一种安全的小流量气体纯化装置，其在源气体中杂质浓度很高时的安全性有所提高，对在源气体中杂质浓度很高时纯化装置的使用寿命有所提高，且所述小流量气体纯化装置的制造成本低廉，结构简单。

本实用新型的技术方案如下：

一种安全的小流量气体纯化装置，包括设置有一进气端6和一出气端7的容器，容器内装载有吸附剂，其特征是：所述的容器为一长度/内径比大于25的金属管1；所述金属管的两端，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；在两端多孔材料过滤片之间的金属管中，填充气体吸附剂；其中，在进气端部分的管段内填充颗粒状气体吸附剂4，在出气端的管段内填充粉末状气体吸附剂5；在金属管的中间部分区域，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。

其所述多孔材料过滤片3的孔隙尺寸在0.003到20微米之间。

其所述颗粒状气体吸附剂4的几何尺寸为1到10毫米。

所述粉末状气体吸附剂5的几何尺寸为0.1到0.5毫米。

所述金属管中填充颗粒状气体吸附剂部分和粉末状气体吸附剂部分的长度比例为1∶5～5∶1。

所述的金属管1为直管、U型弯管或螺旋状管。

所述金属管1内加温区域的长度和金属管总长度的比例为1∶2～1∶5。

所述金属管1的内壁为抛光面。

本实用新型带来以下两个优点：

(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热的。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。在本实用新型中，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。而当气体进入到加热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。本实用新型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是本实用新型的气体纯化装置的结构示意图；

图2是使用本实用新型的实施案例1的结构示意图；

图3是使用本实用新型的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

以下参照附图对本实用新型的超高纯度惰性气体纯化装置的结构进行具体说明：

在图1中，金属管道1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。对不锈钢管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。不锈钢管的端口插入不锈钢变径式接头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。颗粒状气体吸附剂和粉末状气体吸附剂的比例为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的不锈钢变径式接头将不锈钢管的另外一端按上述步骤拧紧密封。

本实用新型的具体操作方法如下：

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热区，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。并且在进气端和加热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，从而在进气端和加热区间之间的管道上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热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，由于进气端和加热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热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

参照图2所示，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加热到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。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
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	源气杂质浓度(10^-6)	15.3	11.8	6.4	26.5	6.2	27.5

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中示意的螺线状管之外，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。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
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	源气杂质浓度(10^-6)	0.145	0.127	0.13	0.142	0.142	0.124

实施例3

除了加热温度为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。

在实施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热，气体纯化性能没有发现任何差别。

根据本实用新型，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。

本实用新型适用于各种小流量的气体纯化领域。

Claims

1.一种安全的小流量气体纯化装置，包括设置有一进气端(6)和一出气端(7)的容器，容器内装载有吸附剂，其特征是：

所述的容器为一长度/内径比大于25的金属管(1)；

所述金属管的两端，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)；

在两端多孔材料过滤片之间的金属管中，填充气体吸附剂；

其中，在进气端部分的管段内填充颗粒状气体吸附剂(4)，在出气端的管段内填充粉末状气体吸附剂(5)；

在金属管的中间部分区域，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。

2.按照权利要求1所述之安全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。

3.按照权利要求1所述之安全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)的几何尺寸为1到10毫米。

4.按照权利要求1所述之安全的小流量气体纯化装置，其特征是所述粉末状气体吸附剂(5)的几何尺寸为0.1到0.5毫米。

5.按照权利要求1所述之安全的小流量气体纯化装置，其特征是所述金属管中填充颗粒状气体吸附剂部分和粉末状气体吸附剂部分的长度比例为1∶5～5∶1。

6.按照权利要求1所述之安全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型弯管或螺旋状管。

7.按照权利要求1所述之安全的小流量气体纯化装置，其特征是所述金属管(1)内加温区域的长度和金属管总长度的比例为1∶2～1∶5。

8.按照权利要求1所述之安全的小流量气体纯化装置，其特征是所述金属管(1)的内壁为抛光面。