CN207227005U - 利用mocvd尾气制氢的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了利用MOCVD尾气制氢的装置，该装置包含：气体压缩机、第一变温吸附净化设备、第一变压吸附提氢器和气体二次纯化装置；其中，所述气体压缩机、第一变温吸附净化设备、第一变压吸附提氢器和气体二次纯化装置依次连接。该装置结构简单，能高效的回收MOCVD尾气中的氢气。
Description
技术领域
本实用新型涉及发光二极管制备技术领域。更具体地，涉及一种利用MOCVD尾气制氢的装置。
背景技术
在MOCVD生产LED中，MOCVD设备一方面需要大量的氢气供应，另一方面有大量排出含有氢气的尾气。由于MOCVD设备排出的尾气中含有氨气，目前人们最常采用的方法是用水吸收氨气来处理尾气，然后直接放空，这些含氢尾气大量排放到空气中，一方面造成资源浪费，另一方面也会给生产厂区造成火灾隐患。
经过水吸收后的尾气，主要有以下气体成分(按比例排序)：氮气(60～80％)、氢气(15～35％)、水汽(～3％)、氨气(～1％)、其它所有杂质(～1％)。以上比例只是大致估算，实际上有可能有较大的出入，而且与LED生产厂家的工艺参数相关。如何能采用简单的装置、方法，有效循环利用这些氢气，一直是LED生产厂家需要考虑的问题。
实用新型内容
针对以上问题，本实用新型的目的在于提供一种利用MOCVD尾气制氢的装置。
为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
利用MOCVD尾气制氢的装置，所述装置包含：气体压缩机、第一变温吸附净化设备、第一变压吸附提氢器和气体二次纯化装置；
其中，所述气体压缩机、第一变温吸附净化设备、第一变压吸附提氢器和气体二次纯化装置依次连接。
优选地，所述气体二次纯化装置由第二变温吸附净化设备和/或第二变压吸附提氢器组成；
其中，当所述气体二次纯化装置由第二变温吸附净化设备和第二变压吸附提氢器组成时，所述第一变压吸附提氢器、第二变温吸附净化设备和第二变压吸附提氢器依次连接；或，所述第一变压吸附提氢器、第二变压吸附提氢器和第二变温吸附净化设备依次连接。
优选地，所述装置还包含：靶触媒催化反应装置，所述靶触媒催化反应装置设于第二变温吸附净化设备内。
优选地，所述第一变压吸附提氢器上设有解析气出口，第一变温吸附净化设备上设有再生进气口；所述第一变压吸附提氢器的解析气出口与第一变温吸附净化设备的再生进气口连接。
优选地，所述第二变压吸附提氢器上设有解析气出口；第二变压吸附提氢器的解析气出口与气体压缩机的进气口连接。
优选地，所述气体压缩机的压力范围为8～50bar。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型装置结构简单、成本低，便于LED生产厂家使用。
此外，本实用新型利用MOCVD尾气制氢的效率高且制氢的杂质少，不仅解决了MOCVD尾气排放造成的环境污染问题，还能将制得的氢用作MOCVD原料气使用。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为实施例1的利用MOCVD尾气制氢的装置的结构示意图。
图2为实施例2的利用MOCVD尾气制氢的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。
为了进一步说明本实用新型的内容，以下对其中的一些技术名词作进一步解释：
本实用新型所述的“MOCVD尾气”，是指在LED生产过程中，MOCVD设备排出的尾气通过水吸收装置后得到的含氢尾气，即这些气体是已经过水吸收装置后，其中大部分氨气已被水吸收掉的气体，而不是由MOCVD设备直接排出来的气体。其中“水吸收装置”在LED生产厂家经常使用，属于成熟技术，不属于本实用新型的内容。MOCVD尾气中主要由以下气体成分(按比例排序)：氮气(60～80％)、氢气(15～35％)、水汽(～3％)、氨气(～1％)、其它所有杂质(～1％)。以上比例只是大致估算，实际上有可能有较大的出入，而且与LED生产厂家的工艺参数相关。
本实用新型所述的“MOCVD”，是英文Metal Organic Chemical Vapor Deposition的缩写，中文意思是“金属有机物化学气相外延”。MOCVD是LED厂家最关键的设备。
本实用新型所述的“LED”，是英文Light Emitting Diode的缩写，中文意思是“光发射二极管”或者“发光二极管”。尤其指氮化镓材料的蓝光、绿光、紫光(紫外)、白光发光二极管。
用MOCVD生产LED，MOCVD需要以下高纯度气体：氢气、氮气、氨气、金属有机源(MO)。MOCVD一般需要同时通入以上四种气体。即使某一段时间不需要通入氮气，其中的氨气(必须通入)在高温下也会分解出氮气(2NH3→N2+3H2)。因此，在氢气中混入微量的氮气(5％以下或更低)不会影响LED生产。微量氮气混入氢气中，应属于无害杂质。这里所述的“高纯度气体”，本意是“有害杂质含量非常低的气体”，有害杂质含量在ppm(百万分之一)量级，“有害杂质”指的是对LED生产有影响的杂质，特别是水、氧气、以及含有氧元素的杂质。氢气中混入微量的氮气，不属于“有害杂质”。
分子筛吸附和气体提纯原理：任何一种分子筛，在吸附平衡情况下，温度越低，压力越高，吸附量越大。反之，温度越高，压力越低，则吸附量越小。因此，气体的吸附分离方法，通常采用变压吸附或变温吸附两种循环过程。①变压吸附：温度不变，在加压的情况下吸附，用减压(抽真空)或常压解析的方法，称为变压吸附(Pressure Swing Absorption,PSA)。可见，变压吸附是通过改变压力来吸附和解析的。变压吸附解析时，只需要降低压力，排出气体，这些排出的气体称为“解析气”。②变温吸附：压力不变，在常温或低温的情况下吸附，用高温解析的方法，称为变温吸附(Temperature Swing Absorption,TSA)。显然，变温吸附是通过改变温度来进行吸附和解析的。
本实用新型中的“第一变温吸附净化设备”和“第二变温吸附净化设备”均是利用上述分子筛变温吸附原理工作，如变温分子筛吸附器。以除去MOCVD尾气中的有害杂质，例如水汽、氨气、氧气以及其他含氧杂质等，从而获得高纯度氢气。变温吸附(TSA)操作是在低温(常温)吸附等温线和高温吸附等温线之间的垂线进行，由于吸附剂的比热容较大，热导率(导热系数)较小，升温和降温都需要较长的时间，因此变温吸附主要用于含吸附质较少的气体净化方面。本实用新型中，第一变温吸附净化设备主要吸附MOCVD尾气中的水汽和氨气，第二变温吸附净化设备主要吸附气体中的氧气和水汽，这些水汽和氨气就是吸附质。
本实用新型中的“第一变压吸附提氢器”和“第二变压吸附提氢器”均是利用上述分子筛变压吸附原理工作，如变压分子筛吸附器。以除去混合气中的氮气，但同时也一并去除了其中的氧气、甲烷等气体。由于变压吸附基本没有温度变化，分子筛不需要加热和冷却的过程(此过程时间较长)，只是通过改变压力过程(此过程时间很短)，因此分子筛可以吸附很多吸附质。例如，在本实用新型中，尾气中氮气含量比氢气含量高很多！氮气就是吸附质。分子筛需要频繁的“吸附”和“解析”，变压吸附正好能够满足这一要求。但变压吸附也有一个缺点，就是很难将吸附质降低到10ppm以下，即本实用新型中的氮气含量一般都在10ppm以上。不过，本实用新型中氢气中的微量氮气不会影响到LED生产，属于无害杂质，不必苛求。在分子筛“解析”时，分子筛吸附的氮气全部解析掉。这些解析掉的气体叫“解析气”，其成分主要是氮气但混有少许氢气。
具体的，结合图1和图2，本实用新型利用MOCVD尾气制氢的装置包含：气体压缩机100、第一变温吸附净化设备200、第一变压吸附提氢器300和气体二次纯化装置；
其中，所述气体压缩机100、第一变温吸附净化设备200、第一变压吸附提氢器300和气体二次纯化装置依次连接。
在利用MOCVD尾气制氢时，MOCVD尾气从气体压缩机100的进气口101进入气体压缩机100，经过气体压缩机100加压后，变成高压气体，高压气体依次经气体压缩机100的出气口102、第一变温吸附净化设备200的进气口201，进入第一变温吸附净化设备200内，通过第一变温吸附净化设备200去除高压气体中的水汽、氨气等有害杂质。去杂后的高压气体经出气口202、第一变压吸附提氢器300的进气口301，进入第一变压吸附提氢器300内，通过第一变压吸附提氢器300去除高压气体中的氮气，以及氧气、甲烷等杂质，得到纯度较高的氢气。该纯度较高的氢气再经过第一变压吸附提氢器300的出气口302进入气体二次纯化装置，通过气体二次纯化装置，对氢气中的微量的氧气、水汽和/或氮气的含量等进行进一步的去除，从而得到高纯的氢气。这些氢气可为MOCVD设备提供原料，再次被MOCVD设备循环利用。
由于第一变压吸附提氢器300的解析气中氢气含量非常低，可将其用作第一变温吸附净化设备200的再生用气，以节省运行成本。在一些具体的实施方式中，可在第一变温吸附净化设备200上设再生进气口203，在第一变压吸附提氢器300上设解析气出口303，该解析气出口303与第一变温吸附净化设备200的再生进气口203连接相通。将第一变压吸附提氢器300中的解析气通过再生进气口203输入第一变温吸附净化设备200中。例如，可通过第一管道400连接相通，通过在第一管道400上设置阀门以控制管道400的连通和闭合来进行控制。
本实用新型中的气体二次纯化装置主要是用来对氢气中的微量的氧气、水汽和/或氮气的含量等进行进一步的去除。在一些具体的实施方式中，所述气体二次纯化装置由第二变温吸附净化设备700和/或第二变压吸附提氢器500组成。当气体二次纯化装置由第二变温吸附净化设备700组成时，可将第二变温吸附净化设备700的进气口701与第一变压吸附提氢器300的出气口302连接相通，用于进一步除去高压气体中残余的水汽等有害杂质。当气体二次纯化装置由第二变压吸附提氢器500组成时，可将第二变压吸附提氢器500的进气口501与第一变压吸附提氢器300的出气口302连接相通，用于进一步除去高压气体中的氮气，得到含氮量更低的氢气。当气体二次纯化装置由第二变温吸附净化设备700和第二变压吸附提氢器500组成时，可将，第二变温吸附净化设备700的进气口701与第一变压吸附提氢器300的出气口302连接相通，第二变温吸附净化设备700的出气口702与第二变压吸附提氢器500的进气口501连接相通。也可以将第二变压吸附提氢器500的进气口501与第一变压吸附提氢器300的出气口302连接相通，第二变压吸附提氢器500的出气口502与第二变温吸附净化设备700的进气口701连接相通。
为了进一步降低高压气体中氧气的含量。在一些具体的实施方式中，本实用新型的装置中还包含设置于第二变温吸附净化设备700内的靶触媒催化反应装置800。该靶触媒催化反应装置800可内嵌于第二变温吸附净化设备700内。在靶触媒的催化作用下，将进入第二变温吸附净化设备700内的高压气体中的氧气先与氢气反应生成水，然后通过第二变温吸附净化设备700变温吸附，除去生成的水，也即除去了高压气体中的氧气。
由于第二变压吸附提氢器500的解析气中氢气含量较高，该解析气可以直接排空，也可以通过再次加压重复利用。以便于①提高氢气回收效率，因为解析气中的氢含量较高，重新提纯再次利用，可以提高氢气的回收效率；②解析气中含水量几乎为零，而MOCVD尾气含水量接近饱和状态，两者混合后降低了其中的水汽含量，有利于气体压缩机100工作。在一些具体的实施方式中，第二变压吸附提氢器500设有解析气出口503。在一些优选地实施方式中，解析气出口503与气体压缩机100的进气口101连接相通，从而实现对解析气中的氢气的重复利用。例如，可通过第二管道600使两者连接相通，并且通过在第二管道600上设置阀门以控制第二管道600的连通和闭合来进行控制。
由于MOCVD尾气一般处在常压(与大气压力基本相同)。本实用新型利用气体压缩机100将MOCVD尾气压缩成高压气体，以满足变压吸附和变温吸附的要求。一般情况下，压力越高，变压吸附制氢的效率也越高，变温吸附的效果也越好(纯度更高，有害杂质少)。但是，压力越高，设备的成本也高，气体压缩机100的能耗也越大，不是压力越高就越好。在表压8～50bar的压力下都可以满足要求。要综合考虑设备投入、氢气回收效率、能耗等多方面因素，决定将MOCVD尾气加压到一个最佳压力。
以下通过具体的实施例来进行详细说明：
实施例1
结合图1，一种用MOCVD尾气制氢的装置，包含气体压缩机100、第一变温吸附净化设备200、第一变压吸附提氢器300和第二变温吸附净化设备700，气体压缩机100的出气口102与第一变温吸附净化设备200的进气口201连接相通，第一变温吸附净化设备200的出气口202与第一变压吸附提氢器300的进气口301连接相通，第一变压吸附提氢器300的出气口302与第二变温吸附净化设备700的进气口701连接相通。其中，第一变压吸附提氢器300上的解析气出口303与第一变温吸附净化设备200的再生进气口203通过第一管道400连接相通。
该装置可用在LED芯片厂内使用MOCVD尾气制氢。用MOCVD尾气制氢时，MOCVD尾气经过气体压缩机100压缩变成压力为8～50bar的高压气体，然后进入第一变温吸附净化设备200，通过第一变温吸附净化设备200去除高压气体中的水汽、氨气等有害杂质，再进入第一变压吸附提氢器300，去除高压气体中的氮气、氧气、甲烷等，再进一步的通过第二变温吸附净化设备700中的水汽等。得到含氢量为95％以上的氢气。这些氢气为MOCVD设备提供原料，再次被MOCVD设备循环利用。同时，第一变压吸附提氢器300中排除的解析气可通过第一管道400进入第一变温吸附净化设备200的再生进气口203，作为其再生用气。
此外，本实施例中，在第二变温吸附净化设备700中可以内嵌靶触媒催化反应装置800，将高压气体中的氧气与氢气反应生成水汽，水汽再被第二变温吸附净化设备700除去，使得氢气中氧含量更进一步降低在10ppm以下。
该装置设备投资成本低，结构简单，便于实际应用。当然，氢气回收效率与氢气中允许的氮气含量有关，也与MOCVD尾气中含氢量有关。如果允许氢气中氮气含量高一些，那么氢气的回收效率也高一些；另外，如果MOCVD尾气中含氢量高一些，那么氢气的回收效率也高一些。经过第一变压吸附设备的氢气回收效率在40-90％之间。
实施例2
结合图2，一种用MOCVD尾气制氢的装置，包含气体压缩机100、第一变温吸附净化设备200、第一变压吸附提氢器300、第二变压吸附提氢器500和第二变温吸附净化设备700，气体压缩机100的出气口102与第一变温吸附净化设备200的进气口201连接相通，第一变温吸附净化设备200的出气口202与第一变压吸附提氢器300的进气口301连接相通，第一变压吸附提氢器300的出气口302与第二变压吸附提氢器500的进气口501连接相通，第二变压吸附提氢器500的出气口502与第二变温吸附净化设备700的进气口701连接相通，第一变压吸附提氢器300上的解析气出口303与第一变温吸附净化设备200的再生进气口203通过第一管道400连接相通，第二变压吸附提氢器500上的解析气出气口503与气体压缩机100的进气口101通过第二管道600连接相通。其中，第二变温吸附净化设备700内设有靶触媒催化反应装置800。
本实用新型的装置可用在LED厂内使用MOCVD尾气制氢。用MOCVD尾气制氢时，MOCVD尾气经过气体压缩机100压缩变成压力为8～50bar的高压气体，然后进入第一变温吸附净化设备200，通过第一变温吸附净化设备200去除高压气体中的水汽、氨气等有害杂质，再进入第一变压吸附提氢器300，去除高压气体中的氮气、氧气、甲烷等，得到氢气含量为50～80％左右的氢氮混合气，氢氮混合气再通过第二变压吸附提氢器500进一步除去氮气、氧气、甲烷等，得到氢气含量为95％以上的高压气体，再通过第二变温吸附净化设备700，第二变温吸附净化设备700中的靶触媒催化反应装置800将高压气体中的氧气与氢气反应生成水汽，水汽再被第二变温吸附净化设备700除去，使得氢气中氧含量在10ppm以下。从第二变温吸附净化设备700的出气口702处得到高纯度的氢气。其中，第一变压吸附提氢器300中排除的解析气可通过第一管道400进入第一变温吸附净化设备200，作为其再生用气。第二变压吸附提氢器500中排除的解析气可通过第二管道600进入气体压缩机100进行加压提纯，减少了浪费，同时，解析气中含水量几乎为零，而MOCVD尾气含水量接近饱和状态，两者混合后降低了其中的水汽含量的百分比，有利于气体压缩机工作。
本实施例中，氢气的回收效率达到60-95％，具体与MOCVD尾气中含氢量有关。
此外，本实施例中，第二变温吸附净化设备700与第二变压吸附提氢器500的位置可互换。也即，第一变压吸附提氢器300的出气口302与第二变温吸附净化设备700的进气口701连接相通，第二变温吸附净化设备700的出气口702与第二变压吸附提氢器500的进气口501连接相通。得到的效果与本实施例中相近。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
Claims (6)
1.利用MOCVD尾气制氢的装置，其特征在于，所述装置包含：气体压缩机、第一变温吸附净化设备、第一变压吸附提氢器和气体二次纯化装置；
其中，所述气体压缩机、第一变温吸附净化设备、第一变压吸附提氢器和气体二次纯化装置依次连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体二次纯化装置由第二变温吸附净化设备和/或第二变压吸附提氢器组成；
其中，当所述气体二次纯化装置由第二变温吸附净化设备和第二变压吸附提氢器组成时，所述第一变压吸附提氢器、第二变温吸附净化设备和第二变压吸附提氢器依次连接；或，所述第一变压吸附提氢器、第二变压吸附提氢器和第二变温吸附净化设备依次连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包含：靶触媒催化反应装置，所述靶触媒催化反应装置设于第二变温吸附净化设备内。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一变压吸附提氢器上设有解析气出口，第一变温吸附净化设备上设有再生进气口；所述第一变压吸附提氢器的解析气出口与第一变温吸附净化设备的再生进气口连接。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二变压吸附提氢器上设有解析气出口；第二变压吸附提氢器的解析气出口与气体压缩机的进气口连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体压缩机的压力范围为8～50bar。
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|---|---|---|---|---|
| CN110643404A (zh) * | 2019-09-23 | 2020-01-03 | 山东红枫环境能源有限公司 | 一种能提高甲烷回收率的两级串联变压吸附沼气提纯系统 |
| CN112126478A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-12-25 | 山东钢铁集团日照有限公司 | 一种焦炉煤气制lng装置中tsa塔的再生方法 |
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2017
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| CN110643404B (zh) * | 2019-09-23 | 2024-04-09 | 山东红枫环境能源有限公司 | 一种能提高甲烷回收率的两级串联变压吸附沼气提纯系统 |
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