DE112015000360T5 - Verfahren zum Rückgewinnen und Reiningen von Argongas aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung und Vorrichtung zum Rückgewinnen und Reinigen von Argongas - Google Patents

Verfahren zum Rückgewinnen und Reiningen von Argongas aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung und Vorrichtung zum Rückgewinnen und Reinigen von Argongas Download PDF

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Abstract

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst: Einführen eines Argon-Abgases, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung in einen Speichertank für Argon-Abgas; Entfernen von Feststoffen in einer Vorbehandlungsanlage, die die Feststoffe im Argon-Abgas entfernt; Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser und Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid durch eine katalytische Reaktion; und Entfernen des Wassers, des Kohlendioxids und des Stickstoffs, um ein rückgewonnenes Gas zu erhalten, wobei im Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas und in einer Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas die katalytische Reaktion nur mit Kompressionswärme durchgeführt wird, indem ein Katalysator in einem zweistufigen Kompressor angeordnet wird und das Wasser mittels eines Trockners vorher entfernt wird und dann im Schritt zum Erhalten des rückgewonnenen Gases der Stickstoff und das Kohlendioxid in einem Adsorptionsturm mit normaler Temperatur adsorbiert und entfernt werden. Demgemäß ist es möglich, ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas vorzusehen, das ein Entfernen von Verunreinigungsgas, das in einem großen Luftvolumen des Argongases enthalten ist, welches auf der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, unter Verwendung einer einfachen, kostengünstigen Anlage dauerhaft ermöglicht.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückgewinnen und Reinigen eines Argongases aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung und eine Vorrichtung zum Rückgewinnen und Reinigen eines Argongases durch dieselbe.
  • STAND DER TECHNIK
  • In einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung, die zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls auf der Grundlage des Czochralski(CZ)-Verfahrens verwendet wird, wird ein Impfkristall mit einer stark erwärmten Siliziumschmelze in einem Tiegel in einer Argonatmosphäre in Kontakt gebracht und unter Drehen hochgezogen, wodurch ein Einkristall wachsen gelassen wird. Für die Rückgewinnung, Reinigung und Regenerierung von Argongas ist es wichtig, das Argongas mittels einer Vakuumpumpe in diese Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abzugeben und dann ein Verunreinigungsgas durch einen Vorprozess zum Entfernen von Siliziumoxiden, die in diesem Abgas enthalten sind, zu entfernen.
  • Wie in der Patentliteratur 1 offenbart ist, wird hier wie folgt vorgeschlagen: ein Schritt zum Entfernen von Feststoffgehalten in einem Abgas, ein Schritt zum Verdichten des Abgases, ein Schritt zum Entfernen von Ölgehalten, ein katalytischer Reaktionsschritt zum Zugeben von Wasserstoff, der eine stöchiometrische Menge überschreitet, die für den Sauerstoff im Abgas benötigt wird, um den Sauerstoff durch eine katalytische Reaktion in Wasser umzuwandeln, ein Adsorptionsschritt zum Adsorbieren und Entfernen von Wasser und von Kohlendioxid, die mittels der katalytischen Reaktion produziert werden, unter Verwendung eines Adsorptionszylinders bei normalen Temperaturen und ein Verfahren zum Reinigen des Abgases, das jeden Schritt durchlaufen hat.
  • Weiter wird in der Patentliteratur 2 das folgende Verfahren vorgeschlagen, nämlich: Ein Abgas wird mittels eines Gebläses in einen Gasbehälter aufgenommen und strömt dann durch einen Wärmetauscher zum Vorerwärmen und eine Heizeinrichtung über einen Staubabscheider, der Feststoffgehalte entfernt, einen Kompressor, der das Abgas verdichtet, einen Ölentfernungszylinder und ein Ölfilter, Sauerstoff im Abgas und Wasserstoff, das vorher dem Abgas zugesetzt wurde, werden durch eine katalytische Reaktion unter Verwendung eines katalytischen Zylinders in Wasser umgewandelt, und das Wasser und Kohlendioxid werden adsorbiert und durch einen Adsorptionszylinder über eine Kühleinrichtung entfernt. Das Abgas wird weiter in eine Kühlbox eingeleitet, die mittels eines Hauptwärmetauschers gekühlt wird, und dann einem Gas-Flüssigkeits-Kontakt in einem rektifizierenden Zylinder unterzogen, und ein Verunreinigungsgas mit einem niedrigeren Siedepunkt als Argon, wird abgetrennt und durch Verflüssigung und Rektifikation beseitigt, um so die Reinheit eines Argon-Abgases zu verbessern.
  • Demgegenüber schlägt die Patentliteratur 3 ein Verfahren vor, umfassend einen Schritt zum Erwärmen eines Abgases, zum Zugeben von Luft oder Sauerstoff, zum Umwandeln von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Kohlendioxid und Wasser unter Verwendung eines katalytischen Zylinders, dann zum Kühlen derselben, zum Adsorbieren und Entfernen des Kohlendioxids und des Wassers in einem Adsorptionszylinder mit normalen Temperaturen, weiter zum Kühlen des Abgases auf –10 bis –50° und zum Adsorbieren des verbleibenden Kohlenmonoxids und Stickstoffs nach einem Schritt zum Entfernen von Feststoffgehalten im Abgas, einem Schritt zum Verdichten des Abgases und einem Schritt zum Beseitigen der Ölgehalte.
  • 3 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zum Rückgewinnen und Reinigen eines Argongases gemäß der Patentliteratur 1 und der Patentliteratur 2 zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, wird in der Patentliteratur 1 ein Abgas (3(1)) aus einem Einkristallherstellungsofen mittels eines Gebläses zuerst verdichtet (3(2)) und in einen Gasbehälter gegeben (3(3)). Dann werden mittels eines Staubabscheiders fester Staub (3(4)) entfernt und auf 730 kPa verdichtet (3(5)) sowie die Ölgehalte entfernt (3(6)). Danach wird das Abgas durch eine Heizeinrichtung auf 100 bis 300°C erwärmt (3(7-a)), Wasserstoff, der eine stöchiometrische Menge überschreitet, die für Sauerstoff im Abgas erforderlich ist, wird zugesetzt, Sauerstoff wird in Wasser umgewandelt bzw. Kohlenmonoxid wird in einem katalytischen Zylinder in Kohlendioxid umgewandelt (3(8)), diese werden durch einen Wärmerückgewinnungswärmetauscher geleitet und mittels einer Kühleinrichtung auf 10°C gekühlt (3(9)), und dann werden Wasser und das Kohlendioxid mittels eines Adsorptionsturms adsorbiert (3(10)). Anschließend wird das Abgas in eine Kühlbox eingeleitet, und Stickstoff, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff werden rektifiziert und entfernt (3(11)), um so das hochreine Argon zur Verfügung zu stellen (3(12)).
  • Wie in 3 gezeigt ist, werden bis zum Entfernen von Ölgehalten im Abgas in der Patentliteratur 2 weitgehend dieselben Schritte wie in der Patentliteratur 1 durchgeführt, dann wird mittels der Heizeinrichtung auf 100 bis 350°C erwärmt (3(7-b)), der Wasserstoff, der die stöchiometrische Menge überschreitet, die für den Sauerstoff im Abgas erforderlich ist, wird zugesetzt und eine Umwandlung in Wasser wird im katalytischen Zylinder auf diese Weise durchgeführt. Anschließend wird das Abgas durch die Kühleinrichtung strömen gelassen, werden das Wasser und das Kohlendioxid adsorbiert und bei normalen Temperaturen entfernt. Dann wird das Abgas wie in der Patentliteratur 1 in die Kühlbox eingeführt, und der Stickstoff, das Kohlenmonoxid und andere, noch zu reagierende Stoffe werden entfernt, so dass das hochreine Argon zur Verfügung gestellt wird.
  • 4 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zum Rückgewinnen und Reinigen von Argongas gemäß der Patentliteratur 3 zeigt. Wie in 4 gezeigt ist, werden bis zum Entfernen von Ölgehalten im Abgas in der Patentliteratur 3 dieselben Schritte wie in der Patentliteratur 1 und der Patentliteratur 2 durchgeführt (4(1) bis (5)). Dann wird mittels der Heizeinrichtung auf 200 bis 350°C erwärmt (4(6)), es wird eine etwas kleinere Menge an Sauerstoff als eine stöchiometrische Menge zugesetzt, die für den Wasserstoff und das Kohlenmonoxid im Abgas erforderlich ist, und das Abgas wird durch eine Reaktion im katalytischen Zylinder in das Wasser oder das Kohlendioxid umgewandelt (4(7)). Danach wird das Abgas durch die Kühleinrichtung auf normale Temperaturen gekühlt (4(8)) und dann in einen ersten Adsorptionszylinder eingeleitet, und das Wasser und das Kohlendioxid werden adsorbiert und unter Verwendung eines Zeoliths entfernt (4(9)). Weiterhin werden im zweiten Adsorptionszylinder der Stickstoff und das Kohlenmonoxid, das noch reagieren muss, aus dem Abgas, das bei niedrigeren Temperaturen (–10 bis –50°C) gehalten wird, unter Verwendung des Zeoliths in einem Adsorptionsturm entfernt (4(10)), so dass das hochreine Argon zur Verfügung gestellt wird (4(11)).
  • ENTGEGENHALTUNGSLISTE
  • PATENTLITERATUREN
    • Patentliteratur 1: japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2000-88455
    • Patentliteratur 2: japanisches Patent Nr. 4024347
    • Patentliteratur 3: japanisches Patent Nr. 3496079
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHES PROBLEM
  • Während des Rückgewinnens und Reinigens eines Argon-Abgases, das aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, müssen Verunreinigungsgase (Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid und dergleichen), die in diesem Abgas enthalten sind, so weit wie möglich entfernt werden, wobei die Hauptvoraussetzung darin besteht, so weit wie möglich zu verhindern, dass atmosphärische Komponenten von außen eingemischt werden, bis das Abgas rückgewonnen und gereinigt ist. Weiterhin ist es notwendig, das Entfernen des Sauerstoffs oder des Kohlenmonoxids im Abgas durch ein anschließendes Adsorptionsverfahren oder ein Rektifikationsverfahren zu erleichtern, indem dieses vorher unter Anwendung einer katalytischen Reaktion in Wasser oder Kohlendioxid umgewandelt wird. Daher muss das Abgas auf Temperaturen erwärmt werden, die für die katalytische Reaktion notwendig sind, muss ein Reaktionsgas (Wasserstoff oder Sauerstoff), das für die katalytische Reaktion erforderlich ist, zugesetzt werden und muss das Abgas nach der Reaktion gekühlt werden, um einen nachfolgenden Schritt (einen Adsorptionsschritt) zu unterstützen. Darüber hinaus wird Feuchtigkeit, die durch die katalytische Reaktion erzeugt wird, gut mittels eines Zeoliths, der als Adsorptionsmittel verwendet wird, adsorbiert, wobei allerdings seine Adsorptionsfähigkeit allmählich abhängig vom Zeolithtyp durch die adsorbierte Feuchtigkeit abnimmt. Demgegenüber ist es im Fall des Entfernens von Stickstoff oder Sauerstoff, die im Argongas enthalten sind, bekannt, dass eine Rektifikation durchgeführt wird, um die Reinheit des Argongases zu verbessern. Weiter wird bei niedrigen Temperaturen der Stickstoff und dergleichen im Argon adsorbiert und durch den Zeolith entfernt. Allerdings werden in diesen Fällen die Anlagen komplex, und eine Anlage zur Rektifikation ist eine Hochdruckgasherstellungsanlage, und die Bedienung dieser Anlage unterscheidet sich von allgemeinen Anlagen, die Belastung hinsichtlich der Kosten und des Betriebs ist hoch und ein Bearbeiten einer großen Luftmenge an Abgas ist nicht leicht.
  • Im Hinblick auf die Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas und eine Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas, die dauerhaft ein Verunreinigungsgas entfernen kann, das in einer großen Luftmenge von Argongas enthalten ist, welches aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, unter Verwendung einer einfachen kostengünstigen Anlage vorzusehen.
  • LÖSUNG DES PROBLEMS
  • Um die Aufgabe zu erzielen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst: Einführen eines Argon-Abgases, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung in einen Speichertank für Argon-Abgas; Entfernen der Feststoffe in einer Vorbehandlungsanlage, die die Feststoffe im Argon-Abgas entfernt; Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser und Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid mittels einer katalytischen Reaktion; und Entfernen des Wassers, des Kohlendioxids und des Stickstoffs, um ein rückgewonnenes Gas zu erhalten,
    wobei die katalytische Reaktion nur mit Kompressionswärme durchgeführt wird, indem ein Katalysator in einem zweistufigen Kompressor angeordnet wird, und das Wasser mittels eines Trockners vorher entfernt wird und dann der Stickstoff und das Kohlendioxid in einem Adsorptionsturm mit normaler Temperatur im Schritt zum Erhalten des rückgewonnenen Gases adsorbiert und entfernt werden.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas ist es möglich, das Verunreinigungsgas, das in einer großen Luftmenge des Argongases enthalten ist, welches aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, unter Verwendung einer einfachen kostengünstigen Anlage dauerhaft zu entfernen.
  • Weiter ist es bevorzugt, die Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung mit dem Speichertank für Argon-Abgas über ein Argon-Abgasrohr direkt zu verbinden, ohne dass eine fluidleitende Einrichtung installiert wird, so dass ein Überdruck konstant beibehalten wird, ohne dass im Argon-Abgasrohr eine Stelle mit einem Unterdruck auftritt.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas ist es möglich, eine Infiltration der Luft aufgrund eines Lecks aus einem oder mehreren Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtungen sicher zu unterdrücken, die mit den Rohren oder Verbindungsrohren dafür verbunden sind.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass beim Schritt zum Umwandeln dem Argon-Abgas Sauerstoff zugesetzt wird, während eine Zugabemenge vor einer ersten Stufe der Kompressionseinheit im zweistufigen Kompressor geregelt wird, dann ein einstufiger Kompressionsbetrieb durchgeführt wird, die Temperatur des Argon-Abgases durch Kompressionswärme auf 100 bis 200°C erhöht wird, die durch den Kompressionsbetrieb erzeugt wird, und anschließend das Kohlenmonoxid und der zugesetzte Sauerstoff sofort einer katalytischen Reaktion in einer ersten Stufe einer katalytischen Einheit unterzogen werden, die stromabwärts zur ersten Stufe der Kompressionseinheit installiert ist, um diese in das Kohlendioxid umzuwandeln, und Wasserstoff dann dem Argon-Abgas zugesetzt wird, während eine Zugabemenge vor der zweiten Stufe einer Kompressionseinheit im zweistufigen Kompressor geregelt wird, um die zweite Stufe eines Kompressionsbetriebs durchzuführen, eine Temperatur des Argon-Abgases durch Kompressionswärme auf 100 bis 200°C angehoben wird, die durch den Kompressionsbetrieb erzeugt wird, und dann der Sauerstoff und der zugesetzte Wasserstoff sofort der katalytischen Reaktion in einer zweiten Stufe der katalytischen Einheit unterzogen werden, die der zweiten Stufe der Kompressionseinheit nachgeschaltet ist, um diese in das Wasser umzuwandeln.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas kann das Verunreinigungsgas im Abgas weiter wirksam entfernt werden.
  • In diesem Fall ist es bevorzugt, in einer Einheit keine Wärmequelle zu verwenden, bei der es sich nicht um die erste Stufe der Kompressionseinheit und die zweite Stufe der Kompressionseinheit handelt.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas kann die katalytische Reaktion mit minimaler Energie realisiert werden.
  • In diesem Fall ist es bevorzugt, einen Zwischenkühler direkt stromabwärts zur ersten Stufe der katalytischen Einheit zu installieren und einen Nachkühler direkt stromabwärts zur zweiten Stufe der katalytischen Einheit zu installieren, um das Argon-Abgas zu kühlen, ohne eine Kühlvorrichtung vorzusehen, und zwar außerhalb der zweiten Stufe des Kompressors.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas ist eine Gefriereinrichtung außerhalb des zweistufigen Kompressors nicht erforderlich, und die katalytische Reaktion kann mit minimaler Energie realisiert werden.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass bei der Einführung des Argon-Abgases in den zweistufigen Kompressor eine feste Menge des Argon-Abgases konstant durch den zweistufigen Kompressor strömen gelassen wird, indem ein Ansaugdruck oder ein Abgabedruck in Bezug auf eine Schwankung hinsichtlich einer Durchflussmenge des Argon-Abgases an einem Einlass des zweistufigen Kompressor überwacht wird, um eine Umgehungsregelung durchzuführen.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas können Reaktionen in den jeweiligen katalytischen Einheiten stabilisiert werden.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Trockner ein Trockner vom Nichtausspültyp ist, der ein Adsorptionsmittel auf Silika-Aluminiumoxid-Basis, aktivierter Aluminiumoxidbasis oder synthetischer Zeolithbasis aufweist.
  • Wenn die Entfeuchtung mit solch einem Trockner durchgeführt wird, kann die Feuchtigkeit dauerhaft entfernt werden, während der Verlust des Abgases so weit wie möglich reduziert wird, und der Kapazitätsabbau des Adsorptionsmittels (des Zeoliths) aufgrund der Feuchtigkeit im Schritt zum Adsorbieren des Stickstoffs oder des Kohlendioxids vermieden werden kann.
  • Weiter ist es bevorzugt, dass es sich bei dem Adsorptionsturm mit normaler Temperatur um einen Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Mehrfachturmtyp handelt.
  • Wenn der Adsorptionsturm verwendet wird, können die Adsorption und das Entfernen wirksamer durchgeführt werden.
  • In diesem Fall ist es bevorzugt, einen Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ als Adsorption mit normaler Temperatur vom Mehrfachturmtyp zu verwenden, und die Adsorption und das Entfernen des Stickstoffs und des Kohlendioxids im Argon-Abgas, die Desorption des adsorbierten Stickstoffs und Kohlendioxids und den Druckanstieg im Adsorptionsturm abwechselnd zu tauschen und zu wiederholen.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas, das einen solchen Adsorptionsturm verwendet, können, wenn die Adsorption, die Desorption und das Unterdrucksetzen in jedem Turm abwechselnd getauscht und wiederholt werden, der Stickstoff und das Kohlendioxid im Abgas kontinuierlich adsorbiert und entfernt werden.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass beim Durchführen des Druckanstiegs in einem Adsorptionsturm im Adsorptionsturm bei normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ die Menge an rückgewonnenem Gas, das für den Druckanstieg verwendet wird, in Übereinstimmung mit einer einströmenden Menge an Argon-Abgas, das in den Adsorptionsturm strömt, unter Messen der einströmenden Menge geregelt wird.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas kann eine Druckschwankung im Adsorptionsturm absorbiert werden, und die Adsorption kann dauerhaft durchgeführt werden.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, die Zeiten der Adsorption, der Desorption und des Druckanstiegs in Übereinstimmung mit einer Schwankung in einer Durchflussmenge des Argon-Abgases automatisch zu ändern.
  • Wenn der Adsorptionsturm verwendet wird, können die Adsorption, die Desorption und die Unterdrucksetzung wirksamer abwechselnd getauscht und wiederholt werden.
  • Zusätzlich ist es bevorzugt, dass, wenn ein Niveau des Speichertanks für Argon-Abgas mit einer Schwankung hinsichtlich der Durchflussmenge des Argon-Abgases gesenkt wird, die volle Menge an rückgewonnenem Gas automatisch zum Speichertank für Argon-Abgas zurückgeführt wird.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas kann der Betrieb kontinuierlich ohne Stilllegung der Anlage ausgeführt werden.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass, wenn Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid in dem rückgewonnenen Gas vorbestimmte zulässige Werte überschreiten, die Zufuhr des rückgewonnenen Gases zur Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung sofort gestoppt wird, und ein Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas ins Freie abgegeben wird oder wieder dem Speichertank für Argon-Abgas zugeführt wird.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas kann verhindert werden, dass das Verunreinigungsgas zur Seite der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung strömt.
  • Weiter ist es bevorzugt, dass, wenn Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenmonoxid im Argon-Abgas vorbestimmte zulässige Werte an einem Einlass des Adsorptionsturms mit normaler Temperatur überschreiten, die Zufuhr des Argon-Abgases zum Adsorptionsturm mit normaler Temperatur sofort gestoppt wird und ein Teil oder das gesamte Argon-Abgas ins Freie abgegeben wird oder wieder dem Speichertank für Argon-Abgas zugeführt wird.
  • Gemäß dem Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas kann verhindert werden, dass das Verunreinigungsgas zur stromabwärtigen Seite strömt.
  • Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas vorgesehen, umfassend:
    einen Speichertank für Argon-Abgas, der ein Argon-Abgas, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung aufnimmt;
    eine Vorbehandlungsanlage, die Feststoffe im Argon-Abgas entfernt;
    einen zweistufigen Kompressor, der einen darin angeordneten Katalysator hat, wobei der Katalysator eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser und zum Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid nur mittels Anwendung von Kompressionswärme ermöglicht, die durch Verdichten des Argon-Abgases erzeugt wird;
    einen Trockner, umfassend ein Adsorptionsmittel, das das Entfernen des Wassers ermöglicht; und
    einen Adsorptionsturm mit normaler Temperatur, enthaltend ein Adsorptionsmittel, das das Entfernen des Kohlendioxids und des Stickstoffs ermöglicht.
  • Bei der Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas handelt es sich um eine einfache kostengünstige Vorrichtung, die das Verunreinigungsgas dauerhaft entfernen kann, das in der großen Luftmenge des Argongases enthalten ist, welches aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird.
  • Außerdem ist es bevorzugt, den Speichertank für Argon-Abgas durch ein Argon-Abgasrohr direkt mit einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung zu verbinden, ohne eine fluidleitende Einrichtung zu installieren.
  • Gemäß der Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas ist es möglich, die Infiltration von Luft aufgrund eines Lecks aus einer oder mehreren Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtungen sicher zu unterdrücken, die mit den Rohren oder Verbindungsrohren dafür verbunden sind.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der zweistufige Kompressor umfasst: eine Sauerstoffdurchflussmengeneinstellvorrichtung, die dem Argon-Abgas Sauerstoff zusetzt, während eine Abgabemenge geregelt wird; die erste Stufe einer Kompressionseinheit, die eine erste Kompression durchführt; die erste Stufe einer katalytischen Einheit, die einen darin angeordneten Katalysator aufweist und eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid nur unter Anwendung von Kompressionswärme durchführt, die durch die erste Kompression erzeugt wird; eine Wasserstoffdurchflussmengeneeinstellvorrichtung, die dem Argon-Abgas Wasserstoff unter Regelung der Abgabemenge zusetzt; die zweite Stufe einer Kompressionseinheit, die eine zweite Kompression durchführt; und die zweite Stufe einer katalytischen Einheit, die einen darin angeordneten Katalysator aufweist und eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser nur unter Anwendung von Kompressionswärme durchführt, die durch die zweite Kompression erzeugt wird.
  • Gemäß der Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas kann das Verunreinigungsgas im Abgas weiter wirksam entfernt werden.
  • In diesem Fall ist es bevorzugt, keine Wärmequelle in eine Einheit aufzunehmen, bei der es sich nicht um die erste Stufe der Kompressionseinheit und die zweite Stufe der Kompressionseinheit handelt.
  • Gemäß der Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas kann die katalytische Reaktion mit minimaler Energie realisiert werden.
  • Es ist weiter bevorzugt, der ersten Stufe der katalytischen Einheit direkt einen Zwischenkühler nachzuschalten, der zweiten Stufe der katalytischen Einheit direkt einen Nachkühler nachzuschalten und keine Kühleinrichtung außerhalb des zweistufigen Kompressors zu installieren.
  • Gemäß der Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas ist eine Gefriereinrichtung außerhalb des zweistufigen Kompressors nicht erforderlich, und die katalytische Reaktion kann mit minimaler Energie realisiert werden.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas weiter eine automatische Druckeinstellvorrichtung umfasst, die den Einlassdruck oder den Abgabedruck in Bezug auf eine Schwankung in einer Durchflussmenge des Argon-Abgases an einem Einlass des zweistufigen Kompressors konstant überwacht, um eine Umgehungsregelung auszuführen.
  • Gemäß der Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas können, wenn katalytische Reaktionen in den jeweiligen katalytischen Einheiten durchgeführt werden, die Reaktionen stabilisiert sein.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Trockner ein Trockner vom Nichtausspültyp ist, der Adsorptionsmittel auf Silika-Aluminiumoxid-Basis, aktivierter Aluminiumoxidbasis oder synthetischer Zeolithbasis hat.
  • Gemäß dem Trockner kann die Feuchtigkeit dauerhaft entfernt werden, während der Verlust des Abgases so weit wie möglich reduziert wird, und die Adsorption der Feuchtigkeit an das Adsorptionsmittel (an den Zeolith oder dergleichen) kann während der Adsorption und dem Entfernen des Stickstoffs oder des Kohlendioxids im Adsorptionsturm vermieden werden.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Adsorptionsturm mit normaler Temperatur ein Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ ist.
  • Gemäß dem Adsorptionsturm können die Adsorption und das Entfernen wirksamer durchgeführt werden.
  • Weiter ist es bevorzugt, dass die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas weiter eine Analysevorrichtung für rückgewonnenes Gas umfasst, die Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid im rückgewonnenen Gas misst.
  • Wenn die Vorrichtung weiter vorgesehen ist, kann eine Änderung der Konzentration des Verunreinigungsgases laufend gemessen werden.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas weiterhin ein Rückführrohr für rückgewonnenes Gas aufweist, das einen Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas wieder dem Speichertank für Argon-Abgas zuführt, wenn das Niveau des Speichertanks für Argon-Abgas gesenkt wird oder ein Messwert der Analysevorrichtung für rückgewonnenes Gas einen zulässigen Wert überschreitet.
  • Wenn die Vorrichtung weiter vorgesehen ist, kann verhindert werden, dass das Verunreinigungsgas zur Seite der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung strömt.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas weiter ein Spülventil umfasst, das einen Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas oder das Argon-Abgas ins Freie abgibt, wenn Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid im Argon-Abgas vorbestimmte zulässige Werte an einem Einlass des Adsorptionsturms mit normaler Temperatur überschreiten oder einen Messwert der Analysevorrichtung für rückgewonnenes Gas einen zulässigen Wert überschreitet.
  • Wenn die Vorrichtung weiter vorgesehen ist, kann verhindert werden, dass das Verunreinigungsgas zur stromabwärtigen Seite strömt.
  • VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Verunreinigungsgas im Argon-Abgas (dem Abgas), das aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, mit minimaler Energie entfernt. Darüber hinaus wird die Feuchtigkeit, die leicht an den Zeolith adsorbiert wird und demgegenüber schwer zu regenerieren ist, wenn sie adsorbiert ist, zuvor in einem Trockner entfernt, z. B. einem Trockner vom Nichtausspültyp, der ein Adsorptionsmittel auf Silika-Aluminiumoxid-Basis, aktivierter Aluminiumoxidbasis oder synthetischer Zeolithbasis hat, und dann wird restlicher Stickstoff oder Kohlendioxid durch das Adsorptionsmittel (z. B. den Zeolith in einem Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Mehrturmtyp) im Adsorptionsturm mit normaler Temperatur entfernt, wodurch die Lebensdauer des Adsorptionsmittels (des Zeoliths) verlängert wird. Weiter ist gemäß der vorliegenden Erfindung, da die Anlage nicht komplex ist und keine Hochdruckgasherstellungsanlage verwendet wird, die Handhabung einfach, können die Konstruktionskosten und Betriebskosten reduziert werden und kann ein großes Luftvolumen des Abgases dauerhaft verarbeitet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Fließdiagramm, das ein Beispiel für ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ist ein Fließdiagramm, das ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas gemäß der Patentliteratur 1 und der Patentliteratur 2 zeigt; und
  • 4 ist ein Fließdiagramm, das ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas gemäß der Patentliteratur 3 zeigt.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend nun ausführlicher beschrieben.
  • Wie oben beschrieben, wird ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas gefordert, das ein Verunreinigungsgas, das in einem großen Luftvolumen des Argongases enthalten ist, welches aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, unter Verwendung einer einfachen kostengünstigen Anlage dauerhaft entfernen kann.
  • Als Ergebnis des Durchführens einer umfangreichen Untersuchung zum Lösen der Aufgabe haben die vorliegenden Erfinder entdeckt, dass die oben erwähnten Probleme mittels eines Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahrens für Argongas gelöst werden können, das die folgenden Schritte umfasst: Einführen eines Argon-Abgases, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung in einen Speichertank für Argon-Abgas; Entfernen von Feststoffen in einer Vorbehandlungsanlage, die die Feststoffe im Argon-Abgas entfernt; Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser und Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid mittels einer katalytischen Reaktion; und Entfernen des Wassers, des Kohlendioxids und des Stickstoffs, um ein rückgewonnenes Gas zu erhalten, wobei die katalytische Reaktion nur mit Kompressionswärme durch Anordnen eines Katalysators in einem zweistufigen Kompressor durchgeführt wird und das Wasser vorher mittels eines Trockners entfernt wird und dann der Stickstoff und das Kohlendioxid in einem Adsorptionsturm mit normaler Temperatur beim Schritt zum Erhalten des rückgewonnenen Gases adsorbiert und entfernt werden, wodurch das Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung zum Abschluss gebracht wird.
  • Weiterhin wird, wie oben beschrieben, eine Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas gefordert, bei der es sich um eine einfache und kostengünstige Vorrichtung handelt, die ein Verunreinigungsgas dauerhaft entfernen kann, das in einem großen Luftvolumen von Argongas enthalten ist, welches aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird.
  • Als Ergebnis des Durchführens einer umfangreichen Untersuchung zum Lösen der Aufgabe haben die vorliegenden Erfinder entdeckt, dass die oben erwähnten Probleme durch eine Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas gelöst werden kann, die folgendes umfasst:
    einen Speichertank für Argon-Abgas, der ein Argon-Abgas, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung aufnimmt;
    eine Vorbehandlungsanlage, die Feststoffe im Argon-Abgas entfernt;
    einen zweistufigen Kompressor, der einen darin angeordneten Katalysator hat, wobei der Katalysator eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser und Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid nur unter Anwendung der Kompressionswärme ermöglicht, die durch das Verdichten des Argon-Abgases erzeugt wird;
    einen Trockner, der ein Adsorptionsmittel enthält, das das Beseitigen des Wassers ermöglicht; und
    einen Adsorptionsturm mit normaler Temperatur, der ein Adsorptionsmittel aufweist, das das Entfernen des Kohlendioxids und des Stickstoffs ermöglicht, wodurch die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung zum Abschluss gebracht wird.
  • Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun nachfolgend speziell mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei aber die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
  • Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas
  • Eine Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun nachfolgend mit Bezug auf 2 beschrieben, wobei aber die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 2 gezeigt ist, hat eine Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung 100 für Argongas hat einen Reinigungstank 2 für Argon-Abgas, der ein Argon-Abgas, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung 1 aufnimmt, eine Vorbehandlungsanlage 3, die Feststoffgehalte im Argon-Abgas entfernt, einen zweistufigen Kompressor 5, der eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser bzw. zum Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid durchführt, indem nur Kompressionswärme verwendet wird, die durch Komprimieren des Argon-Abgases erzeugt wird, und der einen darin angeordneten Katalysator aufweist, einen Trockner 11, der ein Adsorptionsmittel enthält, das das Wasser entfernen kann, und einen Adsorptionsturm 13 mit normaler Temperatur, der ein Adsorptionsmittel enthält, das das Kohlendioxid und den Stickstoff entfernen kann.
  • Da eine solche Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas die katalytische Reaktion durchführt, indem nur die Kompressionswärme des zweistufigen Kompressors verwendet wird, kann ein Verunreinigungsgas im Argon-Abgas mit minimaler Energie entfernt werden. Weiter wird die Feuchtigkeit, die leicht an das Adsorptionsmittel, wie beispielsweise den Zeolith, adsorbiert wird, und nach dem Adsorbieren schwer zu regenerieren ist, durch den Trockner vorher entfernt werden, woraufhin der restliche Stickstoff oder das restliche Kohlendioxid durch das Adsorptionsmittel (den Zeolith oder dergleichen) im Adsorptionsturm mit normaler Temperatur entfernt wird, so dass die Lebensdauer des Adsorptionsmittels (des Zeoliths) verlängert wird.
  • Im Speichertank 2 für Argon-Abgas kann ein Luftvolumen mittels einer LIC (einer Niveauanzeigeregelung) 20 in Übereinstimmung mit einer Schwankung hinsichtlich der aufzunehmenden Menge des Argon-Abgases aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung 1 automatisch geregelt werden.
  • Die Vorbehandlungsanlage 3 umfasst vorzugsweise z. B. ein Mittel zum Lösen und Entfernen eines Feststoffs (eines Siliziumoxids) im Argon-Abgas, das aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung 1 abgegeben wird, indem der Feststoff mit einer starken alkalischen Lösung in Kontakt gebracht wird, und ein Mittel zum Entfernen von Nebel, der eine alkalischen Komponente enthält, im Argon-Abgas nach dem Entfernen des Siliziumoxids unter Verwendung eines Demisters.
  • Als Katalysator, der im zweistufigen Kompressor 5 angeordnet ist, gibt es z. B. Pt (Platin).
  • Die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung kann je nach Bedarf weiter die folgenden Anlagen und andere umfassen.
  • Obwohl der Speichertank 2 für Argon-Abgas mit der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung 1 durch ein Argon-Abgasrohr verbunden ist, ist es zu dieser Zeit bevorzugt, den Speichertank 2 für Argon-Abgas mit der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung 1 durch das Argon-Abgasrohr direkt zu verbinden, ohne dass eine fluidleitende Einrichtung dazwischen installiert wird. Gemäß einer solchen Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas ist es möglich, die Infiltration von Luft aufgrund eines Lecks von einem oder mehreren Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtungen zu unterdrücken, die mit Rohren oder ihren Verbindungsrohren verbunden sind.
  • Ein Luftkomponentenüberwachungsmesser (QICA) 19 kann auf einer vorgeschalteten Seite des Speichertanks 2 für Argon-Abgas vorgesehen sein. Wenn der Luftkomponentenüberwachungsmesser vorgesehen ist, kann die Luftkomponentenkonzentration im Abgas konstant überwacht werden. Wenn die Luftkomponentenkonzentration einen festen numerischen Wert übersteigt, kann das Abgas sofort durch Öffnen des Spülventils 18 für Argon-Abgas in die Umgebung außerhalb des Systems abgegeben werden.
  • Weiterhin umfasst der zweistufige Kompressor 5 vorzugsweise eine Sauerstoffdurchflussmengeneinstellvorrichtung (O2MFC (einen Massenflussregler)) 6, die dem Argon-Abgas Sauerstoff hinzufügt, während die Abgabemenge geregelt wird, eine erste Stufe der Kompressionseinheit 5-1A, die eine erste Kompression durchführt, eine erste Stufe der katalytischen Einheit 5-2A, die einen darin angeordneten Katalysator hat und eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Kohlenmonoxids in das Kohlendioxid durchführt, indem nur die Kompressionswärme verwendet wird, die durch die erste Kompression erzeugt wird, eine Wasserstoffdurchflussmengeneinstellvorrichtung (H2MFC) 7, die dem Argon-Abgas Wasserstoff hinzufügt, während die Abgabemenge geregelt wird, eine zweite Stufe der Kompressionseinheit 5-1B, die eine zweite Kompression durchführt, und eine zweite Stufe der katalytischen Einheit 5-2B, die einen darin angeordneten Katalysator hat und eine katalytische Reaktion zum Umwandeln von Sauerstoff in Wasser durchführt, indem nur Kompressionswärme verwendet wird, die durch die zweite Kompression erzeugt wird. Eine solche Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas kann weiter wirksam das Verunreinigungsgas im Abgas entfernen.
  • Zur Zeit des Einführens des Abgases in den zweistufigen Kompressor 5 ist es bevorzugt, die Kohlenmonoxidkonzentration im Abgas vorher mittels eines CO-Densitometers 4 zu messen. Die Kohlenmonoxidmenge im Abgas wird aus diesem Messwert und einem Messwert eines Abgasströmungsmessers 12 an einem Auslass des Trockners 11 berechnet, die Sauerstoffmenge wird bestimmt, die für eine vollständige Verbrennung des Kohlenmonoxids in einer katalytischen Reaktion erforderlich oder überschüssig ist, und der Sauerstoff wird automatisch zugesetzt. Darüber hinaus wird vor dem Durchführen der zweistufigen Kompression (der zweiten Kompression) des Abgases Wasserstoff automatisch zugesetzt. Es ist bevorzugt, die Zugabemenge an Wasserstoff so einzustellen, dass die Sauerstoffkonzentration im Abgas, die mittels eines O2-Densitometers 9 gemessen wird, an einem Auslass des Kompressors unter einen festgelegten Wert fällt, und zwar auf der Grundlage eines Messergebnisses einer Abgasdurchflussmenge am Auslass des Trockners 11 mit dem Abgasdurchflussmesser 12.
  • In diesem Fall ist es bevorzugt, keine Wärmequelle in einer Einheit aufzunehmen, bei der es sich nicht um die erste Stufe der Kompressionseinheit und die zweite Stufe der Kompressionseinheit handelt. Darüber hinaus ist es bevorzugt, einen Zwischenkühler 5-3A direkt stromabwärts zur ersten Stufe der katalytischen Einheit zu installieren, einen Nachkühler 5-3B direkt stromabwärts zur zweiten Stufe der katalytischen Einheit zu installieren und das Installieren einer Kühleinrichtung außerhalb der zweiten Stufe des Kompressors 5 zu vermeiden. Gemäß einer solchen Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas kann die katalytische Reaktion mit minimaler Energie realisiert werden.
  • Weiter hat die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung 100 für Argongas vorzugsweise eine automatische Druckeinstellvorrichtung 8, die konstant den Einlassdruck oder den Abgabedruck in Bezug auf eine Schwankung hinsichtlich der Agon-Abgasdurchflussmenge an einem Einlass der zweiten Stufe des Kompressors 5 überwacht, um eine Umgehungsregelung durchzuführen. Demgemäß ist während des Durchführens der katalytischen Reaktion in jeder katalytischen Einheit die Reaktion stabilisiert.
  • Weiterhin ist der Trockner 11 vorzugsweise ein Trockner vom Nichtausspültyp, der ein Adsorptionsmittel auf einer Silika-Aluminiumoxid-Basis, aktivierten Aluminiumoxidbasis oder synthetischen Zeolithbasis aufweist. Gemäß einem solchen Trockner kann Feuchtigkeit dauerhaft entfernt werden, während der Verlust des Abgases so weit wie möglich reduziert wird, und es kann verhindert werden, dass die Feuchtigkeit während des Adsorbierens und Entfernens des Stickstoffs oder des Kohlendioxids in einem Adsorptionsturm an das Adsorptionsmittel (Zeolith) adsorbiert wird. Her dient als spezielles Beispiel für das Adsorptionsmittel auf Silika-Aluminiumoxid-Basis trockenes Moon SK-400 (Shirakawa Seisakusho) oder dergleichen.
  • Darüber hinaus ist der Adsorptionsturm 13 mit normaler Temperatur vorzugsweise ein Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ. Mit einem solchen Adsorptionsturm kann die Adsorption und Entfernung wirksamer durchgeführt werden. Da nach dem Durchführen der Adsorption und dem Entfernen ein Verunreinigungsgas (der Stickstoff, das Kohlendioxid) im Adsorptionsturm an das Adsorptionsmittel adsorbiert wurde, muss eine Desorption (Abtrennung) des Verunreinigungsgases durchgeführt werden, um einen anschließenden Adsorptionsvorgang zu unterstützen. Um die Desorption des Verunreinigungsgases zu fördern, ist es bevorzugt, einen Druck im Adsorptionsturm, in dem die Desorption durchgeführt wird, mittels einer Vakuumpumpe 14 auf atmosphärischen Druck oder weniger zu reduzieren.
  • Darüber hinaus hat die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung 100 für Argongas vorzugsweise auch eine Analysevorrichtung (QICA) 16 für rückgewonnenes Gas, die Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid im rückgewonnenen Gas misst. Wenn weiter eine solche Vorrichtung vorgesehen ist, können Änderungen der Konzentration des Verunreinigungsgases im rückgewonnenen Gas konstant gemessen werden.
  • Weiterhin weist die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung 100 für Argongas vorzugsweise ein Rückführrohr für rückgewonnenes Gas auf, durch das ein Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas dem Speichertank 2 für Argon-Abgas wieder zugeführt wird, wenn das Niveau im Speichertank 2 für Argon-Abgas gesenkt wird oder ein Messwert der Analysevorrichtung 16 für rückgewonnenes Gas einen zulässigen Wert überschreitet. In diesem Fall ermöglicht ein Öffnen oder Schließen eines Reject-Ventils 17 die Regelung der Rückführung. Weiterhin kann verhindert werden, wenn die Regelung auf diese Weise ausgeführt wird, dass das Verunreinigungsgas zur Seite der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung strömt.
  • Außerdem hat die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung 100 für Argongas weiterhin vorzugsweise ein Spülventil 22, welches einen Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas oder das Argon-Abgas ins Freie abgibt, wenn Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid im Argon-Abgas vorbestimmte zulässige Werte überschreiten oder ein Messwert der Analysevorrichtung 16 für rückgewonnenes Gas einen zulässigen Wert überschreitet. Wenn weiter eine solche Vorrichtung vorgesehen ist, kann verhindert werden, dass das Verunreinigungsgas zur stromabwärtigen Seite strömt.
  • Um ein Ausgangsmaterialgas (das Argon-Abgas) zu lagern, ist es darüber hinaus bevorzugt, einen Puffertank 10 mit einer Druckanalysevorrichtung 21 (PICA) je nach Bedarf vorzusehen. Darüber hinaus ist es zum Lagern des rückgewonnenen Gases bevorzugt, einen Puffertank 15 für rückgewonnenes Gas mit einer Druckanalysevorrichtung 23 vorzusehen. Außerdem ist es auch bevorzugt, einen Durchflussmesser 24 vorzusehen, der so aufgebaut ist, dass er die Durchflussmenge des rückgewonnenen Gases misst.
  • Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas
  • Ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas, das die folgenden Schritte umfasst: Einführen eines Argon-Abgases, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung in einen Speichertank für Argon-Abgas; Entfernen von Feststoffen in einer Vorbehandlungsanlage, die die Feststoffe im Argon-Abgas entfernen; Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser und Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid mittels einer katalytischen Reaktion; und Entfernen des Wassers, des Kohlendioxids und des Stickstoffs, um ein rückgewonnenes Gas zu erhalten, wobei die katalytische Reaktion nur mit Kompressionswärme durchgeführt wird, indem ein Katalysator in einem zweistufigen Kompressor angeordnet wird und das Wasser durch einen Trockner vorher entfernt wird und dann der Stickstoff und das Kohlendioxid adsorbiert werden und in einem Adsorptionsturm mit normaler Temperatur beim Schritt zum Erhalten des rückgewonnenen Gases entfernt werden.
  • Gemäß einem solchen Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas kann ein Verunreinigungsgas, das in einem großen Luftvolumen des Argongases enthalten ist, das aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, dauerhaft durch Verwendung einer einfachen kostengünstigen Anlage beseitigt werden.
  • Das Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun nachfolgend mit Bezug auf 1 beschrieben, wobei aber die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
  • Schritt des Einführens von Argon-Abgas
  • 1 ist ein Fließdiagramm, das ein Beispiel für das Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie durch (1) und (2) in 1 angegeben, wird ein Argon-Abgas, das Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid und weitere Stoffe enthält, zuerst aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung in den Speichertank für Argon-Abgas eingeführt.
  • Dabei ist es bevorzugt, das Abgas, das aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgeleitet wurde, direkt in den Speichertank für Argon-Abgas einzuleiten, ohne durch eine fluidleitende Einrichtung, wie beispielsweise ein Gebläse, verdichtet zu werden. Das bedeutet, dass es bevorzugt ist, die Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung mit dem Speichertank für Argon-Abgas durch ein Argon-Abgasrohr direkt zu verbinden. Das liegt daran, dass viele Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtungen angeschlossen werden, wenn Abstände von den Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtungen zum Abgas aufnehmenden Speichertank lang sind oder wenn eine große Menge an Abgas aufgenommen wird, wodurch das Ausschalten einer Stelle mit einem Unterdruck in den Rohren verhindern kann, dass eine große Menge an Luftkomponenten (Sauerstoff, Stickstoff und andere Stoffe) in das Abgas eingemischt werden, selbst wenn eine unerwartete Leckage in vielen angeschlossenen Herstellungsöfen oder an Verbindungsstellen ihrer Abgasgänge auftritt, so dass der Betrieb dauerhaft durchgeführt werden kann.
  • Hier ist es bevorzugt, einen Plan für die Abgasrohre festzulegen, die in dem Bereich eines zulässigen Rückdrucks einer Vakuumpumpe in Verbindung mit der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung und eines Arbeitsdrucks des Speichertanks für Argon-Abgas betrieben werden können. Demgemäß wird ein Druck in den Abgasrohren nirgendwo zu einem Unterdruck, wird ein konstanter Unterdrucksetzungszustand vorgesehen und kann daher verhindert werden, dass die Luftkomponenten in ein kleines Leck eindringen. Es ist davon auszugehen, dass eine unerwartete Infiltration von Luft in das Abgas konstant durch Installieren des Luftkomponentenüberwachungsmessers auf einer stromaufwärtigen Seite des Speichertanks für Argon-Abgas überwacht werden kann, und das Abgas stromaufwärts vom Speichertank für Argon-Abgas in die Luft abgegeben werden kann, wenn die Luftkomponenten, die eingestellte Konzentrationen überschreiten, erfasst werden.
  • Schritt zum Entfernen von Feststoffen
  • Dann wird, wie durch (3) in 1 angegeben ist, das Argon-Abgas in eine Vorbehandlungsanlage vom Speichertank für Argon-Abgas eingeführt, um Feststoffe zu beseitigen. Als Vorbehandlungsanlage kann die oben beschriebene Anlage verwendet werden.
  • Schritt zum Umwandeln
  • Anschließend wird durch katalytische Reaktion der Sauerstoff in Wasser umgewandelt bzw. das Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umgewandelt. In der vorliegenden Erfindung wird die katalytische Reaktion durchgeführt, indem ein Katalysator im zweistufigen Kompressor angeordnet ist, und es wird nur Kompressionswärme, die erzeugt wird, wenn das Abgas verdichtet wird, verwendet. In der vorliegenden Erfindung wird das Abgas einer zweistufigen Kompression unterzogen, indem ein zweistufiger Kompressor verwendet wird, da ein Druck in einem Adsorptionsschritt, der der letzte Schritt ist, der in den Bereich von 0,3 bis 1,1 MPa fällt, bevorzugt ist. Es ist bevorzugt, die katalytische Reaktion wie folgt durchzuführen.
  • Zuerst wird, wie durch (4) in 1 angegeben, die Menge an Kohlenmonoxid berechnet, indem die Konzentration an Kohlenmonoxid im Abgas vorher gemessen wird und auch die Durchflussmenge des Abgases gemessen wird, Sauerstoff, der in Bezug auf eine notwendigen stöchiometrischen Menge oder darüber geregelt wird, dem Abgas zugesetzt wird, und ein einstufiger Verdichtungsbetrieb in der ersten Stufe der Kompressionseinheit durchgeführt wird. Ein Druck des Abgases in der ersten Stufe der Kompressionseinheit wird auf ungefähr Atmosphärendruck bis 0,3 MPa oder mehr durch den einstufigen Verdichtungsbetrieb eingestellt. Dabei werden das Abgas und der zugesetzte Sauerstoff ausreichend gerührt und eine Abgastemperatur wird durch die Kompressionswärme auf höhere Temperaturen angehoben.
  • Dann schreitet eine Reaktion des Kohlenmonoxids und des zugesetzten Sauerstoffs im Abgas fort, das durch Einführen des Abgases in die erste Stufe der katalytischen Einheit erwärmt wird, die direkt stromabwärts zur ersten Stufe der Kompressionseinheit installiert ist, und das Kohlendioxid wird erzeugt (2CO + O2 → CO2).
  • Anschließend wird, wie durch (5) in 1 angegeben, der Wasserstoff vergleichbar mit einer Menge an überschüssigem Sauerstoff im Abgas vorher zugegeben, und die zweite Stufe des Kompressionsbetriebs wird durchgeführt. Ein Druck des Abgases in der zweiten Stufe der Kompressionseinheit wird auf 0,3 bis 1,1 MPa mittels der zweiten Stufe des Kompressionsbetriebs eingestellt. Dabei werden das Abgas und der zugesetzte Wasserstoff ausreichend gerührt und die Temperatur des Abgases wird durch die Kompressionswärme auf höhere Temperaturen angehoben.
  • Dann schreitet eine Reaktion des Sauerstoffs und des zugesetzten Wasserstoffs im Abgas fort, das durch Einführen des Abgases in die zweite Stufe der katalytischen Einheit erwärmt wird, die direkt stromabwärts zur zweiten Stufe der Kompressionseinheit installiert ist, und es wird Wasser erzeugt (O2 + 2H2 → 2H2O). Die Abgastemperaturen sowohl in der ersten als auch in der zweiten Stufe erreichen ungefähr 100 bis 200°C durch die Wärme, die während der Kompression erzeugt wird, und diese Temperatur ist eine ausreichend hohe Temperatur für den Sauerstoff, den Wasserstoff und das Kohlenmonoxid im Abgas, um im Katalysator, wie beispielsweise Pt (Platin), zu reagieren, der im Kompressor installiert ist. Demgemäß ist eine solche Wärmeeinrichtung vor der katalytischen Reaktion wie die in der Patentliteratur 1 und 2 offenbarten nicht länger notwendig, und die katalytische Reaktion kann mit minimaler Energie realisiert werden.
  • In diesem Fall ist es bevorzugt, das Argon-Abgas durch Installieren eines Zwischenkühlers direkt stromabwärts zur ersten Stufe der katalytischen Einheit und durch Installieren eines Nachkühlers direkt stromabwärts zur zweiten Stufe der katalytischen Einheit zu kühlen, ohne dass eine Kühleinrichtung außerhalb des zweitstufigen Kompressors vorgesehen wird. In diesem Fall wird, da die durch die Kompression erzeugte Wärme durch den Zwischenkühler und den Nachkühler, die im Kompressor vorgesehen sind, auf normale Temperaturen gekühlt wird, ermöglicht das Installieren der Katalysatoren zwischen den jeweiligen Kompressionseinheiten und den jeweiligen Kühlern ein Weglassen einer solchen Kühleinrichtung stromabwärts zu einem katalytischen Zylinder, wie er in der Patentliteratur 1 und 2 offenbart ist.
  • Weiter ist es während des Einführens des Argon-Abgases in den zweistufigen Kompressor bevorzugt, eine festgelegte Menge an Argon-Abgas durch den zweistufigen Kompressor strömen zu lassen, indem der Einlassdruck oder der Abgabedruck im Hinblick auf eine Schwankung in der Argon-Abgasdurchlassmenge am Einlass des zweistufigen Kompressors konstant überwacht wird, um eine Umgehungsregelung durchzuführen. Ein solches Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas ermöglicht ein Stabilisieren der Reaktion in jeder katalytischen Einheit.
  • Schritt zum Erhalten von rückgewonnenem Gas
  • Nach der katalytischen Reaktion können das Wasser, das Kohlendioxid und der Stickstoff, die im Abgas verbleiben, bei normalen Temperaturen adsorbiert werden, indem ein Adsorptionsmittel, wie beispielsweise ein Zeolith, verwendet wird. Allerdings hat von diesen Stoffen das Wasser eine sehr starke Affinität für den Zeolith, so dass es leicht adsorbiert werden kann. Da das Wasser aus einigen Zeolitharten schwer zu desorbieren ist und schwer zu regenerieren ist, kann demgegenüber die Adsorptionsfähigkeit des Zeoliths verringert werden. Wie mittels (6) in 1 angegeben ist, wird von dem Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff, die im Abgas verbleiben, nur beim Wasser die Feuchtigkeit bis an die äußerste Grenze mittels eines Trockners vorher entfernt, z. B. eines Trockners vom Nichtausspültyp mit einem Adsorptionsmittel auf Aluminiumoxidbasis. Demgemäß kann die Feuchtigkeit dauerhaft entfernt werden, während der Verlust des Abgases so weit wie möglich reduziert wird, und es ist möglich, eine Adsorption der Feuchtigkeit an das Adsorptionsmittel (den Zeolith) beim Schritt zum Adsorbieren des Stickstoffs oder des Kohlendioxids und ein Abfallen der Adsorptionsfähigkeit zu vermeiden.
  • Weiter übernimmt der Trockner ein Zwei-Turm-Tauscherwärmungsregenerierungssystem, welches bevorzugt eine Adsorption auf einer Seite und eine Regeneration im anderen Turm durchführt. Demgemäß ermöglicht ein Erwärmen oder Kühlen eines Spülgases, das während der Regeneration erzeugt wird, das Mischen von Stoffen, bei denen es sich nicht um Feuchtigkeit handelt, in einem regenerierten Gas mit dem entfeuchteten Gas und das Überführen derselben in einen anschließenden Schritt, ohne sie aus dem System zu entfernen. Weiterhin ist es bevorzugt, die Feuchtigkeit im Abgas zu entfernen, bis eine Taupunkttemperatur von –70°C oder darunter erreicht ist.
  • Der Stickstoff und das Kohlendioxid bleiben im Abgas, das durch den Trockner hindurchgeleitet wurde. Anschließend werden, wie durch (7) in 1 angegeben, der Stickstoff und das Kohlendioxid, die im Abgas bleiben, adsorbiert und unter Verwendung eines Adsorptionsmittels, z. B. des Zeoliths, der im Adsorptionsturm mit normaler Temperatur enthalten ist, entfernt. Demgemäß sind ein Adsorptionsturm mit niedriger Temperatur mittels einer Hochdruck-Gasherstellungsanlage und eine Gefriereinrichtung, wie beispielsweise eine Kühlbox, die in den Patentliteraturen 1 bis 3 offenbart ist, nicht notwendig, und das Verunreinigungsgas, das in einem großen Luftvolumen des Argongases enthalten ist, welches aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, kann mittels einer einfachen kostengünstigen Anlage dauerhaft beseitigt werden.
  • Wenn dabei die Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid im Argon-Abgas vorbestimmte zulässige Werte am Einlass des Adsorptionsturms mit normaler Temperatur überschreiten, ist es bevorzugt, die Zufuhr des Argon-Abgases zum Adsorptionsturm mit normaler Temperatur sofort zu stoppen und einen Teil oder das gesamte Argon-Abgas nach außen abzugeben oder dasselbe zum Speichertank für Argon-Abgas zurückzuführen.
  • Hier kann als Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vorzugsweise ein Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Mehrfachturm-Typ, wie beispielsweise ein Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ, verwendet werden. Obwohl der Adsorptionsturm, der zwei Türme, drei Türme oder mehr Türme verwendet, betrieben werden kann, ermöglicht im Fall des Drei-Turm-Typs ein abwechselndes Tauschen und Wiederholen (1) der Adsorption, (2) der Desorption und (3) des Druckanstiegs in jedem Turm kontinuierlich das Adsorbieren und Entfernen des Stickstoffs und des Kohlendioxids im Abgas. Während der Adsorption beträgt der Druck vorzugsweise 0,3 MPa oder mehr und 1,1 MPa oder weniger. Darüber hinaus sind als Temperatur während der Adsorption normale Temperaturen wünschenswert, aber es kann je nach Bedarf ein Kühlvorgang erfolgen.
  • Der Adsorptionsturm kann auf der Grundlage eines PSA(Pressure Swing Adsorption = Druckwechseladsorption)-Systems betrieben werden. Darüber hinaus wird während der Desorption eine Abgasventilation durchgeführt, bis ein atmosphärischer Druck erzielt wird; danach wird der Druck durch die Vakuumpumpe auf den atmosphärischen Druck oder weniger reduziert, wodurch die Desorption des Verunreinigungsgases (des Stickstoffs, des Kohlendioxids) gefördert wird, das an das Adsorptionsmittel adsorbiert wird. Nach der Desorption wird während der Druckerhöhung ein Teil des Gases, das durch den Adsorptionsturm hindurchgeleitet wurde, um eine hohe Reinheit zu erzielen, eingeleitet, um den Druck zu erhöhen, und die Druckwiederherstellung wird durchgeführt, bis ein vorbestimmter Druck erzielt wird, um den nächsten Adsorptionsvorgang zu unterstützen. Wenn diese Vorgangsreihe mittels einer automatischen Regelung wiederholt durchgeführt wird, kann das im Abgas befindliche Verunreinigungsgas entfernt werden.
  • In diesem Fall ist es während des Druckanstiegs in einem Adsorptionsturm im Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ bevorzugt, die Menge des zum Anheben des Drucks verwendeten rückgewonnenen Gases in Übereinstimmung mit einer einströmenden Menge an Argon-Abgas, das in den Adsorptionsturm strömt, durch Messen dieser einströmenden Menge zu regeln. Demgemäß kann eine Druckschwankung im Adsorptionsturm absorbiert werden, und der Adsorptionsbetrieb kann dauerhaft durchgeführt werden.
  • Darüber hinaus ist es bevorzugt, die Zeiten der Adsorption, der Desorption und des Druckanstiegs in Übereinstimmung mit einer Schwankung in der Durchflussmenge des Argon-Abgases automatisch zu ändern. Demgemäß können die Adsorption, die Desorption und der Druckanstieg wirksamer durchgeführt werden.
  • Wenn das Wasser und das Verunreinigungsgas auf diese Weise entfernt werden, wie durch (8) in 1 angegeben, kann ein hochreines Gas (das rückgewonnene Gas) erhalten werden. Es ist bevorzugt, das durch den Adsorptionsturm hindurchgeleitete hochreine Gas (das rückgewonnene Gas) durch ein Filter hindurchströmen zu lassen, während es einer Druckregelung unterzogen wird, so dass feine Partikel entfernt werden, und dann dieses Gas der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung zuzuführen.
  • Dabei ist es zum Beispiel, wenn die Verunreinigungsgaskonzentration (die Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid) im rückgewonnenen Gas einen festgelegten Wert (einen zulässigen Wert) überschreitet, bevorzugt, einen Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas sofort dem Speichertank für Argon-Abgas wieder zuzuführen oder dieses in die Luft (nach draußen) abzugeben.
  • Wenn weiter die Menge an Abgas aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung unzureichend ist, wird das Niveau des Speichertanks für Argon-Abgas auf ein festgelegtes Niveau gesenkt. Wenn die Zufuhr des rückgewonnenen Gases zur Einkristallherstellungsvorrichtung dabei gestoppt wird und dieses Gas wieder dem Speichertank für Argon-Abgas zugeführt wird, kann der Betrieb dauerhaft durchgeführt werden, ohne die Anlage abzuschalten.
  • Selbst in einer solchen Situation wird ein gekauftes Argongas automatisch von einem CE(cold evaporator = Kaltverdampfer)-Tank durch einen Verdampfer anstelle des rückgewonnenen Gases zugeführt, und die Zufuhr des Argongases wird ohne eine Druckschwankung im Hinblick auf die Einkristallherstellungsvorrichtung beibehalten. Dies liegt daran, dass ein Zufuhrrohr des aufgenommenen Argongases mit dem gekauften Argongas verbunden ist, das vom CE-Tank zugeführt wird, der Druck des rückgewonnenen Argongases üblicherweise leicht höher ist, und daher das rückgewonnene Argongas auf einer Prioritätsbasis verwendet wird. Wenn daher der Druck auf der Seite des rückgewonnenen Gases durch ein Aussetzen der Zufuhr auf diesem Grund gesenkt wird, wird das gekaufte Argongas automatisch von der Seite des CE-Tanks zugeführt.
  • BEISPIELE
  • Obwohl die vorliegende Erfindung auf der Grundlage eines Beispiels genauer beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
  • (Beispiel)
  • Als erstes wurde die Vorrichtung gemäß der vorliegenden, in 2 gezeigten Erfindung verwendet, und es wurde ein Abgas aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung in einen Speichertank für Argon-Abgas gegeben. Die Vorrichtung wurde betrieben, wobei der Druck eines Abgas aufnehmenden Systems auf 2,0 kPaG (ein Überdruck) eingestellt wurde. Demgemäß wurde eine Infiltration von Luftkomponenten in das Abgas erfolgreich auf ein minimales Niveau gedrückt und wurde ein Betrieb durchgeführt, ohne dass die Leistung einer Vakuumpumpe der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung oder eines Speichertanks für Argon-Abgas behindert wurde. Die Aufnahmemenge wurde an die Situation angepasst. Das Abgas wurde nach dem Entfernen von Feststoffgehalten durch eine Vorbehandlungsanlage in einen zweistufigen Kompressor überführt.
  • Dann wurde die CO-Konzentration im Abgas in einer vorgeschalteten Stufe des zweistufigen Kompressors gemessen, es wurde die Menge an Abgas, das durch einen Kompressor durchgeleitet wurde, gemessen und berechnet, und es wurde die Menge an dem Abgas zuzugebenden Sauerstoff bestimmt. Die Zugabemenge an Sauerstoff betrug üblicherweise 20 Nl/min oder weniger.
  • Das Abgas wurde nach seinem Druckanstieg auf 0,3 MPa oder mehr von einem Wert nahe am atmosphärischen Druck durch eine erste Stufe der Kompressionseinheit durch eine katalytische Einheit geleitet, und die Abgastemperatur betrug nach der Kompression ungefähr 170 bis 190°C. Das Abgas wurde nach seinem Durchleiten durch die katalytische Einheit in einen Zwischenkühler eingeführt und gekühlt.
  • Anschließend wurde der Wasserstoff vor dem Einführen in eine zweite Stufe der Kompressionseinheit zugesetzt. Obwohl die Zugabemenge üblicherweise 20 Nl/min oder weniger war, erfolgte eine Regelung durch ein Oximeter, das an einem Auslass des zweitstufigen Kompressors installiert war, auf eine niedrigere Erfassungsgrenze oder weniger. Nach der Zugabe des Wasserstoffs wurde das Abgas in die zweite Stufe der Kompressionseinheit eingeführt und auf 0,3 bis 1,1 MPa verdichtet. Die Temperatur nach der Verdichtung betrug 170 bis 190°C, und das Abgas wurde sofort durch die katalytische Einheit geleitet und in einem Nachkühler gekühlt.
  • Nachdem das Gas durch den zweistufigen Kompressor hindurchgeleitet wurde, wurde es in einen Trockner vom Nichtausspültyp gegeben, um die Feuchtigkeit im Abgas so weit wie möglich zu reduzieren, und es wurde eine Entfeuchtung durchgeführt, bis eine Taupunkttemperatur von –70°C oder weniger erreicht war. Dabei wurde der Trockner betrieben, ohne dass mit Ausnahme eines Entwässerns das Abgas aus dem System entfernt wurde.
  • Fast alle Feststoffe, die Feuchtigkeit, der Sauerstoff, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff waren aus dem Abgas entfernt, nachdem es durch den Trockner vom Nichtausspültyp hindurchgeleitet worden war.
  • Für den Zweck zum Entfernen von Stickstoff und Kohlendioxid, die im Abgas zurückgeblieben sind, wurde das Abgas in den Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ eingeführt. Der Arbeitsdruck betrug während der Adsorption 0,3 bis 1,1 MPa, und es wurde eine Abgasventilation im Turm durchgeführt, bis atmosphärischer Druck erreicht war, und dann wurde der Druck durch eine Vakuumpumpe während der Desorption reduziert. Nach dem Ende der Desorption wurde zum Erhöhen des Drucks im Turm ein Teil des Gases mit hoher Reinheit nach einem Durchleiten durch den Adsorptionsturm (ein rückgewonnenes Gas) verwendet, wodurch der Druck erhöht wurde. Der Druck wurde von einem druckreduzierten Zustand bis auf 1.1 MPa angehoben, und das Verarbeiten schritt zum anschließenden Adsorptionsbetrieb fort, sobald der Druckanstieg abgeschlossen war. Automatische Ventile wurden an einem Einlass und einem Auslass jedes Turms vorgesehen, um den Betrieb automatisch zu wiederholen, und der automatische Betrieb wurde kontinuierlich durchgeführt, wodurch das rückgewonnene Gas dauerhaft erhalten wurde.
  • Wenn die Verunreinigungsgaskonzentration im rückgewonnenen Gas erhöht wurde oder das Niveau im Speichertank für Argon-Abgas gesenkt wurde, wurden kontinuierliche Vorgänge der Anlage stabilisiert, indem das rückgewonnene Gas wieder dem Speichertank für Argon-Abgas zugeführt wurde oder das rückgewonnene Gas in die Luft abgegeben wurde.
  • Tabelle 1 zeigt den Abläufe des Behandlungsschritts, die Behandlungsbedingungen und die Ergebnisse der Verunreinigungskonzentration des rückgewonnenen Gases im Beispiel und wie in den Patentliteraturen 1 bis 3 beschrieben.
  • Tabelle 1
    Figure DE112015000360T5_0002
  • Figure DE112015000360T5_0003
  • Figure DE112015000360T5_0004
  • Wie in Tabelle 1 im Beispiel gezeigt ist, wurde als Verunreinigungsgaskonzentration im rückgewonnenen Gas, H2 ≤ 5 ppm, O2 ≤ 0,5 ppm, N2 ≤ 5 ppm, CO, CO2 ≤ 0,5 ppm und die Feuchtigkeit (die Taupunkttemperatur) ≤ –70°C beobachtet.
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, ist weiter in der vorliegenden Erfindung ein Adsorptionsturm mit niedriger Temperatur, der eine Hochdruckgasherstellungsanlage oder eine Gefriereinrichtung usw., wie beispielsweise eine Kühlbox, verwendet, wie in den Patentliteraturen 1 bis 3 beschrieben, nicht notwendig, und es hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer einfachen kostengünstigen Anlage es ermöglicht, das Verunreinigungsgas, das im großen Luftvolumen des Argongases enthalten ist, das aus der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung abgegeben wird, dauerhaft zu entfernen.
  • Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt ist. Die vorstehende Ausführungsform dient nur als veranschaulichendes Beispiel, und der technische Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst jedes Beispiel, das weitgehend dieselbe Konfiguration aufweist und dieselben Funktionen und Wirkungen wie das in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschriebene technische Konzept hat.

Claims (25)

  1. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas, umfassend: einen Schritt zum Einführen eines Argon-Abgases, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung in einen Speichertank für Argon-Abgas; einen Schritt zum Entfernen von Feststoffen in einer Vorbehandlungsanlage, die die Feststoffe im Argon-Abgas entfernt; einen Schritt um Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser und zum Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid durch eine katalytische Reaktion; und einen Schritt zum Entfernen des Wassers, des Kohlendioxids und des Stickstoffs, um ein rückgewonnenes Gas zu erhalten, wobei die katalytische Reaktion nur mit Kompressionswärme durchgeführt wird, indem ein Katalysator in einem zweistufigen Kompressor angeordnet wird, und das Wasser mittels eines Trockners vorher entfernt wird und dann im Schritt zum Erhalten des rückgewonnenen Gases der Stickstoff und das Kohlendioxid in einem Adsorptionsturm mit normaler Temperatur adsorbiert und entfernt werden.
  2. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach Anspruch 1, wobei die Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung direkt mit dem Speichertank für Argon-Abgas über ein Argon-Abgasrohr verbunden ist, ohne dass eine fluidleitende Einrichtung installiert wird, so dass ein Überdruck konstant aufrechterhalten wird, ohne dass im Argon-Abgasrohr eine Stelle mit einem Unterdruck auftritt.
  3. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Schritt zum Umwandeln dem Argon-Abgas Sauerstoff zugesetzt wird, während die Zugabemenge stromaufwärts zur ersten Stufe der Kompressionseinheit im zweistufigen Kompressor geregelt wird, dann der einstufige Kompressionsbetrieb durchgeführt wird, die Temperatur des Argon-Abgases durch Kompressionswärme auf 100 bis 200°C erhöht wird, die durch den Kompressionsbetrieb erzeugt wird, und danach das Kohlenmonoxid und der zugesetzte Sauerstoff sofort der katalytischen Reaktion in einer ersten Stufe der katalytischen Einheit unterzogen werden, die stromabwärts zur ersten Stufe der Kompressionseinheit installiert ist, um sie in das Kohlendioxid umzuwandeln, und Wasserstoff dann dem Argon-Abgas zugesetzt wird, während eine Zugabemenge stromaufwärts zu einer zweiten Stufe der Kompressionseinheit im zweistufigen Kompressor geregelt wird, um eine zweite Stufe des Kompressionsbetriebs durchzuführen, eine Temperatur des Argon-Abgases durch Kompressionswärme auf 100 bis 200°C erhöht wird, die durch den Kompressionsbetrieb erzeugt wird, und dann der Sauerstoff und der zugesetzte Wasserstoff sofort der katalytischen Reaktion in einer zweiten Stufe der katalytischen Einheit unterzogen werden, die stromabwärts zur zweiten Stufe der Kompressionseinheit installiert ist, um sie in Wasser umzuwandeln.
  4. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach Anspruch 3, wobei die Wärmequelle in keiner Einheit verwendet wird, bei der es sich nicht um die erste Stufe der Kompressionseinheit und die zweite Stufe der Kompressionseinheit handelt.
  5. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Zwischenkühler direkt stromabwärts zur ersten Stufe der katalytischen Einheit installiert ist und ein Nachkühler direkt stromabwärts zur zweiten Stufe der katalytischen Einheit installiert ist, um das Argon-Abgas zu kühlen, ohne eine Kühleinrichtung außerhalb des zweistufigen Kompressors vorzusehen.
  6. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während des Einführens des Argon-Abgases in den zweistufigen Kompressor eine festgelegte Menge an Argon-Abgas konstant durch den zweistufigen Kompressor strömen gelassen wird, indem konstant ein Eingangsdruck oder ein Abgabedruck in Bezug auf eine Schwankung hinsichtlich einer Durchflussmenge des Argon-Abgases am Einlass des zweistufigen Kompressors überwacht wird, um eine Umgehungsregelung durchzuführen.
  7. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Trockner ein Trockner vom Nichtauspültyp ist, der ein Adsorptionsmittel auf Silika-Aluminiumoxid-Basis, aktivierter Aluminiumoxidbasis oder synthetischer Zeolithbasis hat.
  8. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Adsorptionsturm mit normaler Temperatur ein Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Mehr-Turm-Typ ist.
  9. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach Anspruch 8, wobei der Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Mehr-Turm-Typ ein Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ ist, und die Adsorption und das Entfernen des Stickstoffs und des Kohlendioxids im Argon-Abgas, die Desorption des adsorbierten Stickstoffs und Kohlendioxids und der Druckanstieg im Adsorptionsturm in den jeweiligen Adsorptionstürmen abwechselnd getauscht und wiederholt werden.
  10. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach Anspruch 9, wobei während des Durchführens des Druckanstiegs in einem Adsorptionsturm im Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ eine Menge an rückgewonnenem Gas, das zum Druckanstieg verwendet wird, in Übereinstimmung mit einer einströmenden Menge an Argon-Abgas geregelt wird, das in den Adsorptionsturm strömt, indem die einströmende Menge gemessen wird.
  11. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach Anspruch 9 oder 10, wobei Zeiten der Adsorption, der Desorption und des Druckanstiegs automatisch in Übereinstimmung mit einer Schwankung hinsichtlich der Durchflussmenge des Argon-Abgases geändert werden.
  12. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei bei einer Senkung eines Niveaus des Speichertanks für Argon-Abgas aufgrund einer Schwankung hinsichtlich der Durchflussmenge des Argon-Abgases die gesamte Menge des rückgewonnenen Gases automatisch wieder dem Speichertank für Argon-Abgas zugeführt wird.
  13. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei, wenn Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid im rückgewonnenen Gas vorbestimmte zulässige Werte überschreiten, die Zufuhr des rückgewonnenen Gases zur Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung sofort gestoppt wird und ein Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas nach außen abgegeben wird oder wieder dem Speichertank für Argon-Abgas zugeführt wird.
  14. Rückgewinnungs- und -reinigungsverfahren für Argongas nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei, wenn Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenmonoxid im Argon-Abgas vorbestimmte zulässige Werte am Einlass des Adsorptionsturms mit normaler Temperatur überschreiten, die Zufuhr von Argon-Abgas zum Adsorptionsturm mit normaler Temperatur sofort gestoppt wird und ein Teil oder das gesamte Argon-Abgas nach außen abgegeben wird oder wieder dem Speichertank für Argon-Abgas zugeführt wird.
  15. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas, umfassend: einen Speichertank für Argon-Abgas, der ein Argon-Abgas, das Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung aufnimmt; eine Vorbehandlungsanlage, die Feststoffe im Argon-Abgas entfernt; einen zweistufigen Kompressor, der einen darin angeordneten Katalysator aufweist, wobei der Katalysator eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser und zum Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid nur unter Anwendung von Kompressionswärme ermöglicht, die durch Verdichten des Argon-Abgases erzeugt wird; einen Trockner, der ein Adsorptionsmittel umfasst, das das Entfernen des Wassers ermöglicht; und einen Adsorptionsturm mit normaler Temperatur, der ein Adsorptionsmittel umfasst, das das Entfernen des Kohlendioxids und des Stickstoffs ermöglicht.
  16. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach Anspruch 15, wobei der Speichertank für Argon-Abgas direkt mit einer Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung über ein Argon-Abgasrohr verbunden ist, ohne dass eine fluidleitende Einrichtung installiert wird.
  17. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach Anspruch 15 oder 16, wobei der zweistufige Kompressor umfasst: eine Sauerstoffdurchflussmengeneinstellvorrichtung, die dem Argon-Abgas Sauerstoff zusetzt, während die Zugabemenge geregelt wird; eine erste Stufe der Kompressionseinheit, die eine erste Kompression durchführt; eine erste Stufe der katalytischen Einheit, die einen darin angeordneten Katalysator hat und eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid nur unter Anwendung von Kompressionswärme durchführt, die durch die erste Kompression erzeugt wird; eine Wasserstoffdurchflussmengeneinstellvorrichtung, die dem Argon-Abgas Wasserstoff zusetzt, während die Zugabemenge geregelt wird; eine zweite Stufe der Kompressionseinheit, die eine zweite Kompression durchführt; und eine zweite Stufe der katalytischen Einheit, die einen darin angeordneten Katalysator hat und eine katalytische Reaktion zum Umwandeln des Sauerstoffs in Wasser nur unter Anwendung von Kompressionswärme durchführt, die durch die zweite Kompression erzeugt wird.
  18. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach Anspruch 17, wobei die Wärmequelle in keiner Einheit enthalten ist, bei der es sich nicht um die erste Stufe der Kompressionseinheit und die zweite Stufe der Kompressionseinheit handelt.
  19. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach Anspruch 17 oder 18, wobei ein Zwischenkühler direkt stromabwärts zur ersten Stufe der katalytischen Einheit installiert ist, ein Nachkühler direkt stromabwärts zur zweiten Stufe der katalytischen Einheit installiert ist und außerhalb des zweistufigen Kompressors keine Kühleinrichtung installiert ist.
  20. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas weiter eine automatische Druckeinstellvorrichtung umfasst, die konstant einen Eingangsdruck oder einen Abgabedruck in Bezug auf eine Schwankung hinsichtlich der Durchflussmenge des Argon-Abgases an einem Einlass des zweistufigen Kompressors überwacht, um eine Umgehungsregelung durchzuführen.
  21. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei der Trockner ein Trockner vom Nichtausspültyp mit einem Adsorptionsmittel auf Silika-Aluminiumoxid-Basis, aktivierter Aluminiumoxidbasis oder synthetischer Zeolithbasis ist.
  22. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei der Adsorptionsturm mit normaler Temperatur ein Adsorptionsturm mit normaler Temperatur vom Drei-Turm-Typ ist.
  23. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas weiter eine Analysevorrichtung für rückgewonnenes Gas umfasst, die die Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid im rückgewonnenen Gas misst.
  24. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach Anspruch 23, wobei die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas weiter ein Rückführrohr für rückgewonnenes Gas umfasst, das einen Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas dem Speichertank für Argon-Abgas wieder zuführt, wenn das Niveau des Speichertanks für Argon-Abgas gesenkt wird oder ein Messwert der Analysevorrichtung für rückgewonnenes Gas einen zulässigen Wert überschreitet.
  25. Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Rückgewinnungs- und -reinigungsvorrichtung für Argongas weiter ein- Spülventil umfasst, das einen Teil oder das gesamte rückgewonnene Gas oder das Argon-Abgas nach außen abgibt, wenn die Konzentrationen an Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid im Argon-Abgas vorbestimmte zulässige Werte an einem Einlass des Adsorptionsturms mit normaler Temperatur überschreiten oder ein Messwert der Analysevorrichtung für rückgewonnenes Gas einen zulässigen Wert überschreitet.
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