CN202519029U - 单晶硅生产中氩气回收纯化装置 - Google Patents

Abstract

一种单晶硅生产中氩气回收纯化装置，该装置包括：一用于对从单晶炉中收集的氩气进行粗油过滤的粗油过滤器；在所述粗油过滤器之后依次相连有氩气压缩机和一水冷却器，并在其后相连有可除去氩气中油雾和固体颗粒高精度除油系统；一依次通过加热器和回热器相接于所述高精度除油系统的一级催化反应器以及通过所述回热器相接于所述一级催化反应器的二级催化反应器；一组至少由两只吸附器构成的常温吸附单元相接于所述的二级催化反应器；所述常温吸附单元通过一低温板式换热器以及节流阀连通于低温精馏塔，在该低温精馏塔的底部设置有纯液氩产品出口；它具有氩气回收率高，回收氩气纯度高，氧气含量低，回收纯化能耗低等特点。

Description

单晶硅生产中氩气回收纯化装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种单晶硅生产中氩气回收纯化装置。

背景技术

直拉法( Czochralski method)是生产单晶硅的主要方法, 全球70%~80%的单晶硅通过直拉法生产。最常用的直拉法生产单晶硅工艺是采用即像真空工艺又像流动气氛工艺的减压拉晶工艺；减压工艺是在硅单晶拉制过程中, 连续等速地向单晶炉炉膛内通入高纯度氩气，同时真空泵不断地从炉膛向外抽送氩气, 保持炉膛内真空度稳定在20托左右, 这种工艺既有真空工艺的特点, 又有流动气氛工艺的特点。减压拉晶工艺的真空泵一般采用滑阀泵，滑阀泵是用油来保持密封的机械真空泵。氩气携带单晶拉制过程中由于高温而产生的硅氧化物和杂质挥发物，并通过真空泵的抽送排放到大气。

通过对排放氩气的分析，主要杂质成分为，氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等烷烃，液态润滑油雾。

回收利用这部分氩气有很大现实意义。

专利文献CN102153057A中揭示的氩气回收纯化方法：采用高温催化反应除去一氧化碳和氧气（为保证氧气除净氢气杂质必须过量或主动加入氢气），常温变压吸附除去水和二氧化碳，低温变温吸附除去氮气。该方法的缺点是氩气回收率低，设备控制复杂，不能直接除去氢气，如需除去氢气还必须加其它除氢装置。

专利文献US5706674中揭示两种氩气回收纯化方法：方法（一）：常温下经过碱性溶液洗涤除去氩气中携带的固体杂质、油雾等，高温催化除去氧气，常温吸附除去二氧化碳和水，低温精馏除去碳氢化合物等重组分和氮气、氢气、一氧化碳等轻组分，低温精馏所需冷量由液体节流和新鲜液氩补充。方法（二）：常温下经过碱性溶液洗涤除去氩气中携带的固体杂质、油雾等，高温催化除去氧气，催化除去氢气、一氧化碳，常温吸附除去二氧化碳和水，低温吸附除去氮气和甲烷。该专利文献方法的缺点是需要使用碱性溶液，低温精馏采用双塔结构耦合控制复杂，常温吸附再生需使用氮气，低温吸附再生需使用氩气，氩气回收率低。

氩气回收纯化的公知技术：对来自单晶炉回收的氩气进行粗除油，再经压缩冷却后高精度除油除尘；接着通过高温催化使甲烷等烃类和一氧化碳同氧气反应生产水和二氧化碳，催化反应中保证氧气过量（杂质氧气不够则加入氧气）；最后通过冷却后在催化剂作用下使过量氧气同加入的氢气反应生成水，并保证反应氢气过量，处理后氩气中杂质成分为水、二氧化碳、氢气和氮气。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种氩气回收率高，回收氩气纯度高，氧气含量低，回收纯化能耗低，特别适合用于大型单晶硅生产企业进行大量氩气回收纯化再利用的单晶硅生产中氩气回收纯化的方法与装置。

    本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，所述单晶硅生产中氩气回收纯化装置，该装置包括：一用于对从单晶炉中收集的氩气进行粗油过滤并可当气体缓存罐使用的粗油过滤器；

在所述粗油过滤器之后依次相连有氩气压缩机和一水冷却器，并在其后相连有可除去氩气中油雾和固体颗粒高精度除油系统；

一依次通过加热器和回热器相接于所述高精度除油系统的一级催化反应器，该催化反应器选用氧化钛或氧化铝为载体的金属钯催化剂，并使甲烷、一氧化碳、烷烃类杂质同氧气反应生成水和二氧化碳；

另一通过所述回热器相接于所述一级催化反应器的二级催化反应器，也选用氧化钛或氧化铝为载体的金属钯催化剂，并使氧气和氢气反应生成水；

一组至少由两只吸附器构成的常温吸附单元相接于所述的二级催化反应器，用于吸附氩气中的水和二氧化碳；所述常温吸附单元通过一低温板式换热器以及节流阀连通于低温精馏塔，该低温精馏塔的底部为蒸发器单元，顶部为冷凝器单元，在该低温精馏塔的底部设置有纯液氩产品出口，而在低温精馏塔的顶部设置有精馏废气出口。

所述的高精度除油系统包括高效除油器、精密过滤器、活性碳过滤器和高效除尘过滤器中的至少两种串联构成，并可将通过的氩气除去其中的油雾和固体颗粒；所述的高精度除油系统之后经过了一级催化反应器和二级催化反应器后相接有由三个吸附器构成的常温吸附单元，该常温奶吸附单元包括三台常温吸附器，并经过粗氩气进口阀、粗氩气出口阀、置换气进口阀、再生空气进口阀、均压阀、再生气和置换气出口阀、泄压阀、放空消声器、再生加热器相接组成；三台常温吸附器中的一台进行吸附工作、一台进行再生、一台进行气体置换，相互之间通过时间程序控制器进行自动控制切换。

所述的高精度除油系统之后并接有一对氩气中的甲烷、一氧化碳等氧化性杂质进行分析，从而计算反应需氧量，同时检测氩气中杂质氧气含量的一级分析控制单元，所述一级分析控制单元通过比较计算确定是否需要加入压缩空气补充氧气量进氩气，所述一级分析控制单元单元的位置也可以加在粗油过滤器上；在所述二级催化反应器之前并接有对氩气中的氧气进行分析确定氧气反应所需氢气量的二级分析控制单元，以便加入过量氢气使氧气反应完全。

本实用新型回收的氩气中杂质成分至少含有一氧化碳、甲烷等烷烃、氧气、氮气和二氧化碳，装置单元主要包括油过滤器、高温催化氧化一氧化碳和甲烷等烃类的催化反应器、常温加氢除氧催化反应器、常温吸附二氧化碳和水的常温吸附单元、低温精馏分离氢气和氮气的低温精馏分离单元，氩气回收率可达90％甚至更高，回收氩气纯度达到99.9995%以上，氧气含量2PPm以下，回收纯化能耗低，特别适合用于大型单晶硅生产企业的大量氩气回收纯化再利用。

附图说明

图1是本实用新型实施方式的氩气回收纯化装置的结构说明图。

图2是本实用新型实施方式的三吸附器常温吸附装置的结构说明图。

具体实施方式

 下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：本实用新型所述的一种单晶硅生产中氩气回收纯化的方法，该方法是：先对来自单晶炉回收的氩气进行粗除油，再经压缩冷却后高精度除油除尘，除去氩气中的油雾核固体颗粒；接着通过高温催化反应使甲烷等烃类和一氧化碳同氧气反应生成水和二氧化碳，催化反应中保证氧气过量；再通过冷却后在催化剂作用下使过量氧气同加入的氢气反应生成水，并保证反应氢气过量，处理后氩气中杂质成分为水、二氧化碳、氢气和氮气；经过两次催化反应之后的氩气经过常温吸附单元以便吸附水和二氧化碳，得到只含有氮气和氢气为杂质的氩气；将上述氩气冷却后送入低温精馏塔，使氩气与氮气和氢气产生精馏分离，得到纯液氩，再经复热后得到纯氩产品。

本实用新型所述的常温吸附单元由三个吸附器组成，其中一个吸附器进行吸附工作，一个吸附器包括泄压、加温、吹冷的再生工作，一个吸附器进行置换工作；所述再生工作的气体使用空气，再生结束后并用来自低温精馏产生的、成分为氩气、氮气和氢气废气置换再生空气；所述的三个吸附器通过时间程序控制器自动控制运行切换。

所述的低温精馏塔采用单塔结构，精馏塔蒸发器所需热量通过空气冷凝提供，精馏塔冷凝器所需冷量通过来自精馏塔蒸发器的节流液空提供；其中低温精馏分离所需冷量主要由压缩空气膨胀制冷产生；精馏塔蒸发器热量来自气态空气冷凝；精馏塔冷凝器的冷量来自液体空气蒸发。

图1所示，本实用新型所述进入低温精馏塔之前氩气118的冷却是：先经过低温板式换热器119与逆流低温工艺介质换热后冷却液化成为温度约-170℃液氩120，液氩120通过节流阀121节流后进入低温精馏塔122，该低温精馏塔122中氩气同氮气和氢气这两种轻组分产生精馏分离，从精馏塔底部得到回收的纯液氩产品123，从精馏塔顶部排出精馏废气127，精馏废气成分为氩气、氮气和氢气，精馏废气127通过低温板式换热器119加热后作为常温吸附单元117的置换气；纯液氩产品123经过氩泵124加压到用户需要的压力的液氩125，再经过低温板式换热器119复热成常温氩气126，常温氩气126就是回收提纯的氩气产品。

低温精馏塔的冷量、精馏塔蒸发器热量和精馏塔冷凝器冷量供给采用的工艺介质是不含水份和二氧化碳的空气；外供压缩空气130进低温板式换热器119，在低温板式换热器119中间分为两股，一股从低温板式换热器119中抽进一膨胀机132膨胀制取冷量，另一股为从低温板式换热器119底出的低温空气140，膨胀后低温空气133再回到低温板式换热器119释放冷量，复热到常温成为常温空气134，常温空气134再分成两股，一股为135作为常温吸附单元的再生气，再生多余的一股137放空。

所述低温空气140进低温精馏塔的蒸发器141提供热量并自身冷凝，冷凝后的液态空气142通过节流阀143节流后进入精馏塔冷凝器144，在精馏塔冷凝器144中液空142蒸发汽化为精馏塔上升蒸汽冷凝产生回流液提供冷量，液态空气142在冷凝器144中汽化为气态空气145，气态空气145通过低温板式换热器119复热后排放。

一种用于如上所述单晶硅生产中氩气回收纯化方法的装置，见图1所示，该装置包括：

一用于对从单晶炉中收集的氩气100进行粗油过滤并可当气体缓存罐使用的粗油过滤器101；

在所述粗油过滤器101之后依次相连有氩气压缩机102和一水冷却器103，并在其后相连有可除去氩气中油雾和固体颗粒高精度除油系统104；

一依次通过加热器108和回热器107相接于所述高精度除油系统104的一级催化反应器109，该催化反应器109选用氧化钛或氧化铝为载体的金属钯催化剂，并使甲烷、一氧化碳、烷烃类杂质同氧气反应生成水和二氧化碳；

另一通过所述回热器107相接于所述一级催化反应器109的二级催化反应器114，也选用氧化钛或氧化铝为载体的金属钯催化剂，并使氧气和氢气反应生成水；

一组至少由两只吸附器构成的常温吸附单元117相接于所述的二级催化反应器114，用于吸附氩气中的水和二氧化碳；所述常温吸附单元117通过一低温板式换热器119以及节流阀121连通于低温精馏塔122，该低温精馏塔122的底部为蒸发器单元141，顶部为冷凝器单元144，在该低温精馏塔的底部设置有纯液氩产品123出口，而在低温精馏塔的顶部设置有精馏废气127出口。

所述的高精度除油系统104包括高效除油器、精密过滤器、活性碳过滤器和高效除尘过滤器中的至少两种串联构成，并可将通过的氩气除去其中的油雾和固体颗粒；所述的高精度除油系统104之后经过了一级催化反应器和二级催化反应器后相接有由三个吸附器构成的常温吸附单元117，该常温奶吸附单元117包括三台常温吸附器202，并经过粗氩气进口阀201、粗氩气出口阀203、置换气进口阀204、再生空气进口阀205、均压阀206、再生气和置换气出口阀207、泄压阀208、放空消声器209、再生加热器210相接组成；三台常温吸附器202中的一台进行吸附工作、一台进行再生、一台进行气体置换，相互之间通过时间程序控制器进行自动控制切换。

所述的高精度除油系统104之后并接有一对氩气105中的甲烷、一氧化碳等氧化性杂质进行分析，从而计算反应需氧量，同时检测氩气105中杂质氧气含量的一级分析控制单元106，所述一级分析控制单元106通过比较计算确定是否需要加入压缩空气补充氧气量进氩气105，所述一级分析控制单元106单元的位置也可以加在粗油过滤器101上；在所述二级催化反应器114之前并接有对氩气111中的氧气进行分析确定氧气反应所需氢气量的二级分析控制单元112，以便加入过量氢气使氧气反应完全。

本实用新型中常温吸附除水和二氧化碳的再生气体使用空气而不是氮气，再生结束后并用来自低温精馏产生的废气（成分为氩气、氮气和氢气）置换再生空气而不采用氩气置换。优点是不需额外购买氮气和提高了氩气回收率。

本实用新型中常温吸附部分可采用氩气回收率更高的三吸附器结构，常规结构为两吸附器结构，一个吸附工作，一个再生（再生包括泄压、加温、吹冷、置换和升压五个部分组成）。置换在再生中所占时间短，为保证吸附器内空气置换干净，置换气量不能太小，而置换气来自低温精馏产生的废气。采用三吸附器结构则在废气量很少的情况下也可以很好置换空气。三个吸附器其中一个吸附工作，一个再生（再生包括泄压、加温、吹冷），一个置换。这样设置使吸附器的置换时间可以同正常工作时间相等，保证了置换效果，并可以使置换用废气的利用率达到了100％。

本实用新型低温精馏采用单塔结构，精馏塔蒸发器所需热量通过空气冷凝提供，精馏塔冷凝器所需冷量通过来自精馏塔蒸发器的节流液空提供。低温精馏分离所需冷量主要由压缩空气膨胀产生，相对于液体节流产生冷量的效率高很多，适合用于大量氩气回收装置可减少氩气回收能耗。

    实施例：

图1所示氩气回收纯化装置，从单晶炉中收集的氩气100进粗油过滤器101，101单元对氩气进行粗油过滤并可当气体缓存罐使用。粗滤油后氩气经氩气压缩机102增压到约0.9MPa（A），并经过水冷却器103冷却到常温，进入高精度除油系统104得到氩气105，104单元包括高效除油器、精密过滤器、活性碳过滤器和高效除尘过滤器。氩气105中已经除去了氩气中油雾和固体颗粒。分析控制单元106对氩气105中的甲烷、一氧化碳等氧化性杂质进行分析，从而计算反应需氧量，同时检测氩气105中杂质氧气含量，通过比较计算确定是否需要加入压缩空气补充氧气量进氩气105，106单元的位置也可以加在粗油过滤器101上。氩气105经回热器107和加热器108后，温度达到约380℃经过催化反应器109得到氩气110，109单元中的催化剂一般为氧化钛或氧化铝为载体的金属钯催化剂，在催化反应器109中甲烷、一氧化碳、烷烃类等杂质同氧气反应生成水和二氧化碳。氩气110中杂质成分只剩下水、二氧化碳、氮气和氧气。氩气110经过回热器107回收热量冷却得到氩气111。分析控制单元112对氩气111中的氧气进行分析确定氧气反应所需氢气量，并加入氢气，为使氧气反应完全氢气必须过量。加入氢气后的氩气113通入催化反应器114，114单元中的催化剂一般也为氧化钛或氧化铝为载体的金属钯催化剂，同109单元中催化剂不同主要是金属钯的含量，在催化反应器114中氧气和氢气反应生成水。氩气出催化反应器114并经冷却器115冷却到常温后得到氩气116，氩气在冷却器115冷却一般会产生冷凝水，该部分冷凝水必须自动排放。氩气116中杂质成分为水、二氧化碳、氮气和氢气。氩气116经常温吸附单元117吸附水和二氧化碳，117单元可采用两吸附器结构，但也不局限于两吸附器结构，也可采用更合理的三吸附器结构，图2为三吸附器结构。出常温吸附单元117的氩气118杂质成分只剩下氮气和氢气，氩气118经过低温板式换热器119与逆流低温工艺介质换热后冷却液化成为温度约-170℃液氩120，液氩120通过节流阀121节流后进入精馏塔122，122单元是单精馏塔结构，底部为蒸发器单元141，顶部为冷凝器单元144。精馏塔122中氩气同氮气和氢气这两种轻组分产生精馏分离，从精馏塔底部得到回收的纯液氩产品123，从精馏塔顶部排出精馏废气127，精馏废气成分为氩气、氮气和氢气，精馏废气127通过低温板式换热器119加热后作为常温吸附单元117的置换气。纯液氩产品123经过氩泵124加压到用户需要的压力的液氩125，再经过低温板式换热器119复热成常温氩气126，常温氩气126就是回收提纯的氩气产品。低温精馏的冷量、精馏塔蒸发器热量和精馏塔冷凝器冷量供给采用的工艺介质是空气，该空气中不含水份和二氧化碳。外供压缩空气130进低温板式换热器119，在低温板式换热器119中间分为两股，一股从低温板式换热器119中抽进膨胀机132膨胀制取冷量，另一股为从低温板式换热器119底出的低温空气140，膨胀后低温空气133再回到低温板式换热器119释放冷量，复热到常温成为常温空气134，常温空气134再分成两股，一股为135作为常温吸附单元的再生气，再生多余的一股137放空。低温空气140进精馏塔蒸发器141提供热量并自身冷凝，冷凝后的液态空气142通过节流阀143节流后进入精馏塔冷凝器144，在精馏塔冷凝器144中液空142蒸发汽化为精馏塔上升蒸汽冷凝产生回流液提供冷量，液态空气142在冷凝器144中汽化为气态空气145，气态空气145通过低温板式换热器119复热后排放。

图2所示为三吸附器常温吸附装置的结构说明图，该装置可以替代图1装置中的常温吸附单元117。图2中粗氩气进口阀201、常温吸附器202、粗氩气出口阀203、置换气进口阀204、再生空气进口阀205、均压阀206、再生气和置换气出口阀207、泄压阀208、放空消声器209，再生加热器210。三台常温吸附器202，一台进行吸附工作、一台进行再生、一台进行气体置换，通过时间程序控制器进行自动控制切换。吸附器工作程序又可以细分为吸附工作、再生泄压、再生加热、再生吹冷、气体置换和再生升压六个步骤。

     本实用新型对单晶硅炉生产中的氩气进行回收纯化，氩气回收率能达到90％甚至更高，回收氩气纯度达到99.9995%以上，氧气含量2PPm以下，回收能耗低。

Claims (3)

1.一种单晶硅生产中氩气回收纯化装置，其特征在于该装置包括：一用于对从单晶炉中收集的氩气（100）进行粗油过滤并可当气体缓存罐使用的粗油过滤器（101）；

在所述粗油过滤器（101）之后依次相连有氩气压缩机（102）和一水冷却器（103），并在其后相连有可除去氩气中油雾和固体颗粒高精度除油系统（104）；

一依次通过加热器（108）和回热器（107）相接于所述高精度除油系统（104）的一级催化反应器（109），该催化反应器（109）选用氧化钛或氧化铝为载体的金属钯催化剂，并使甲烷、一氧化碳、烷烃类杂质同氧气反应生成水和二氧化碳；

另一通过所述回热器（107）相接于所述一级催化反应器（109）的二级催化反应器（114），也选用氧化钛或氧化铝为载体的金属钯催化剂，并使氧气和氢气反应生成水；

一组至少由两只吸附器构成的常温吸附单元（117）相接于所述的二级催化反应器（114），用于吸附氩气中的水和二氧化碳；所述常温吸附单元（117）通过一低温板式换热器（119）以及节流阀（121）连通于低温精馏塔（122），该低温精馏塔（122）的底部为蒸发器单元（141），顶部为冷凝器单元（144），在该低温精馏塔的底部设置有纯液氩产品（123）出口，而在低温精馏塔的顶部设置有精馏废气（127）出口。

2.根据权利要求1所述的单晶硅生产中氩气回收纯化装置，其特征在于所述的高精度除油系统（104）包括高效除油器、精密过滤器、活性碳过滤器和高效除尘过滤器中的至少两种串联构成，并可将通过的氩气除去其中的油雾和固体颗粒；所述的高精度除油系统（104）之后经过了一级催化反应器和二级催化反应器后相接有由三个吸附器构成的常温吸附单元（117），该常温奶吸附单元（117）包括三台常温吸附器（202），并经过粗氩气进口阀（201）、粗氩气出口阀（203）、置换气进口阀（204）、再生空气进口阀（205）、均压阀（206）、再生气和置换气出口阀（207）、泄压阀（208）、放空消声器（209）、再生加热器（210）相接组成；三台常温吸附器（202）中的一台进行吸附工作、一台进行再生、一台进行气体置换，相互之间通过时间程序控制器进行自动控制切换。

3.根据权利要求1或2所述的单晶硅生产中氩气回收纯化装置，其特征在于所述的高精度除油系统（104）之后并接有一对氩气（105）中的甲烷、一氧化碳等氧化性杂质进行分析，从而计算反应需氧量，同时检测氩气（105）中杂质氧气含量的一级分析控制单元（106），所述一级分析控制单元（106）通过比较计算确定是否需要加入压缩空气补充氧气量进氩气（105），所述一级分析控制单元（106）单元的位置也可以加在粗油过滤器（101）上；在所述二级催化反应器（114）之前并接有对氩气（111）中的氧气进行分析确定氧气反应所需氢气量的二级分析控制单元（112），以便加入过量氢气使氧气反应完全。

Images