單晶矽生產中氬氣回收純化裝置的製作方法
2023-09-16 23:34:30
專利名稱：單晶矽生產中氬氣回收純化裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是ー種單晶矽生產中氬氣回收純化裝置。
背景技術：
直拉法(Czochralski method)是生產單晶娃的主要方法，全球70% 80%的單晶矽通過直拉法生產。最常用的直拉法生產單晶矽エ藝是採用即像真空エ藝又像流動氣氛エ藝的減壓拉晶エ藝；減壓エ藝是在矽單晶拉制過程中，連續等速地向單晶爐爐膛內通入高純度氬氣，同時真空泵不斷地從爐膛向外抽送氬氣，保持爐膛內真空度穩定在20託左右，這種エ藝既有真空エ藝的特點，又有流動氣氛エ藝的特點。減壓拉晶エ藝的真空泵一般採用滑閥泵，滑閥泵是用油來保持密封的機械真空泵。氬氣攜帶單晶拉制過程中由於 高溫而產生的矽氧化物和雜質揮發物，並通過真空泵的抽送排放到大氣。通過對排放氬氣的分析，主要雜質成分為，氧氣、氮氣、一氧化碳、ニ氧化碳、甲烷等烷烴，液態潤滑油霧。回收利用這部分氬氣有很大現實意義。專利文獻CN102153057A中掲示的氬氣回收純化方法採用高溫催化反應除去一氧化碳和氧氣(為保證氧氣除淨氫氣雜質必須過量或主動加入氫氣)，常溫變壓吸附除去水和ニ氧化碳，低溫變溫吸附除去氮氣。該方法的缺點是氬氣回收率低，設備控制複雜，不能直接除去氫氣，如需除去氫氣還必須加其它除氫裝置。專利文獻US5706674中掲示兩種氬氣回收純化方法方法(一)常溫下經過鹼性溶液洗滌除去氬氣中攜帯的固體雜質、油霧等，高溫催化除去氧氣，常溫吸附除去ニ氧化碳和水，低溫精餾除去碳氫化合物等重組分和氮氣、氫氣、一氧化碳等輕組分，低溫精餾所需冷量由液體節流和新鮮液氬補充。方法(ニ)常溫下經過鹼性溶液洗滌除去氬氣中攜帯的固體雜質、油霧等，高溫催化除去氧氣，催化除去氫氣、一氧化碳，常溫吸附除去ニ氧化碳和水，低溫吸附除去氮氣和甲烷。該專利文獻方法的缺點是需要使用鹼性溶液，低溫精餾採用雙塔結構耦合控制複雜，常溫吸附再生需使用氮氣，低溫吸附再生需使用氬氣，氬氣回收率低。氬氣回收純化的公知技木對來自單晶爐回收的氬氣進行粗除油，再經壓縮冷卻後高精度除油除塵；接著通過高溫催化使甲烷等烴類和ー氧化碳同氧氣反應生產水和ニ氧化碳，催化反應中保證氧氣過量(雜質氧氣不夠則加入氧氣)；最後通過冷卻後在催化劑作用下使過量氧氣同加入的氫氣反應生成水，並保證反應氫氣過量，處理後氬氣中雜質成分為水、ニ氧化碳、氫氣和氮氣。
實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有技術存在的不足，而提供一種氬氣回收率高，回收氬氣純度高，氧氣含量低，回收純化能耗低，特別適合用於大型單晶矽生產企業進行大量氬氣回收純化再利用的單晶矽生產中氬氣回收純化的方法與裝置。[0009]本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的，所述單晶矽生產中氬氣回收純化裝置，該裝置包括一用於對從單晶爐中收集的氬氣進行粗油過濾並可當氣體緩存罐使用的粗油過濾器；在所述粗油過濾器之後依次相連有氬氣壓縮機和一水冷卻器，並在其後相連有可除去氬氣中油霧和固體顆粒高精度除油系統；一依次通過加熱器和回熱器相接於所述高精度除油系統的一級催化反應器，該催化反應器選用氧化鈦或氧化鋁為載體的金屬鈀催化劑，並使甲烷、一氧化碳、烷烴類雜質同氧氣反應生成水和二氧化碳；另一通過所述回熱器相接於所述一級催化反應器的二級催化反應器，也選用氧化鈦或氧化鋁為載體的金屬鈀催化劑，並使氧氣和氫氣反應生成水；一組至少由兩隻吸附器構成的常溫吸附單元相接於所述的二級催化反應器，用於 吸附氬氣中的水和二氧化碳；所述常溫吸附單元通過一低溫板式換熱器以及節流閥連通於低溫精餾塔，該低溫精餾塔的底部為蒸發器單元，頂部為冷凝器單元，在該低溫精餾塔的底部設置有純液氬產品出口，而在低溫精餾塔的頂部設置有精餾廢氣出口。所述的高精度除油系統包括高效除油器、精密過濾器、活性碳過濾器和高效除塵過濾器中的至少兩種串聯構成，並可將通過的氬氣除去其中的油霧和固體顆粒；所述的高精度除油系統之後經過了一級催化反應器和二級催化反應器後相接有由三個吸附器構成的常溫吸附單元，該常溫奶吸附單元包括三臺常溫吸附器，並經過粗氬氣進口閥、粗氬氣出口閥、置換氣進口閥、再生空氣進口閥、均壓閥、再生氣和置換氣出口閥、洩壓閥、放空消聲器、再生加熱器相接組成；三臺常溫吸附器中的一臺進行吸附工作、一臺進行再生、一臺進行氣體置換，相互之間通過時間程序控制器進行自動控制切換。所述的高精度除油系統之後並接有一對氬氣中的甲烷、一氧化碳等氧化性雜質進行分析，從而計算反應需氧量，同時檢測氬氣中雜質氧氣含量的一級分析控制單元，所述一級分析控制單元通過比較計算確定是否需要加入壓縮空氣補充氧氣量進氬氣，所述一級分析控制單元單元的位置也可以加在粗油過濾器上；在所述二級催化反應器之前並接有對氬氣中的氧氣進行分析確定氧氣反應所需氫氣量的二級分析控制單元，以便加入過量氫氣使氧氣反應完全。本實用新型回收的氬氣中雜質成分至少含有一氧化碳、甲烷等烷烴、氧氣、氮氣和二氧化碳，裝置單元主要包括油過濾器、高溫催化氧化一氧化碳和甲烷等烴類的催化反應器、常溫加氫除氧催化反應器、常溫吸附二氧化碳和水的常溫吸附單元、低溫精餾分離氫氣和氮氣的低溫精餾分離單元，氬氣回收率可達90%甚至更高，回收氬氣純度達到99. 9995%以上，氧氣含量2PPm以下，回收純化能耗低，特別適合用於大型單晶矽生產企業的大量氬氣回收純化再利用。
圖I是本實用新型實施方式的氬氣回收純化裝置的結構說明圖。圖2是本實用新型實施方式的三吸附器常溫吸附裝置的結構說明圖。
具體實施方式
[0019]下面將結合附圖對本實用新型做詳細的介紹本實用新型所述的ー種單晶矽生產中氬氣回收純化的方法，該方法是先對來自單晶爐回收的氬氣進行粗除油，再經壓縮冷卻後高精度除油除塵，除去氬氣中的油霧核固體顆粒；接著通過高溫催化反應使甲烷等烴類和ー氧化碳同氧氣反應生成水和ニ氧化碳，催化反應中保證氧氣過量；再通過冷卻後在催化劑作用下使過量氧氣同加入的氫氣反應生成水，並保證反應氫氣過量，處理後氬氣中雜質成分為水、ニ氧化碳、氫氣和氮氣；經過兩次催化反應之後的氬氣經過常溫吸附單元以便吸附水和ニ氧化碳，得到只含有氮氣和氫氣為雜質的氬氣；將上述氬氣冷卻後送入低溫精餾塔，使氬氣與氮氣和氫氣產生精餾分離，得到純液氬，再經復熱後得到純氬產品。本實用新型所述的常溫吸附單元由三個吸附器組成，其中一個吸附器進行吸附エ作，一個吸附器包括洩壓、加溫、吹冷的再生工作，一個吸附器進行置換工作；所述再生工作的氣體使用空氣，再生結束後並用來自低溫精餾產生的、成分為氬氣、氮氣和氫氣廢氣置換再生空氣；所述的三個吸附器通過時間程序控制器自動控制運行切換。所述的低溫精餾塔採用單塔結構，精餾塔蒸發器所需熱量通過空氣冷凝提供，精 餾塔冷凝器所需冷量通過來自精餾塔蒸發器的節流液空提供；其中低溫精餾分離所需冷量主要由壓縮空氣膨脹製冷產生；精餾塔蒸發器熱量來自氣態空氣冷凝；精餾塔冷凝器的冷量來自液體空氣蒸發。圖I所示，本實用新型所述進入低溫精餾塔之前氬氣118的冷卻是先經過低溫板式換熱器119與逆流低溫エ藝介質換熱後冷卻液化成為溫度約_170°C液氬120，液氬120通過節流閥121節流後進入低溫精餾塔122，該低溫精餾塔122中氬氣同氮氣和氫氣這兩種輕組分產生精餾分離，從精餾塔底部得到回收的純液氬產品123，從精餾塔頂部排出精餾廢氣127,精懼廢氣成分為気氣、氮氣和氫氣,精懼廢氣127通過低溫板式換熱器119加熱後作為常溫吸附單元117的置換氣；純液氬產品123經過氬泵124加壓到用戶需要的壓カ的液氬125，再經過低溫板式換熱器119復熱成常溫氬氣126，常溫氬氣126就是回收提純的氬氣產品。低溫精餾塔的冷量、精餾塔蒸發器熱量和精餾塔冷凝器冷量供給採用的エ藝介質是不含水份和ニ氧化碳的空氣；外供壓縮空氣130進低溫板式換熱器119，在低溫板式換熱器119中間分為兩股，ー股從低溫板式換熱器119中抽進ー膨脹機132膨脹製取冷量，另ー股為從低溫板式換熱器119底出的低溫空氣140，膨脹後低溫空氣133再回到低溫板式換熱器119釋放冷量，復熱到常溫成為常溫空氣134，常溫空氣134再分成兩股，ー股為135作為常溫吸附單元的再生氣，再生多餘的一股137放空。所述低溫空氣140進低溫精餾塔的蒸發器141提供熱量並自身冷凝，冷凝後的液態空氣142通過節流閥143節流後進入精餾塔冷凝器144，在精餾塔冷凝器144中液空142蒸發汽化為精餾塔上升蒸汽冷凝產生回流液提供冷量，液態空氣142在冷凝器144中汽化為氣態空氣145,氣態空氣145通過低溫板式換熱器119復熱後排放。一種用於如上所述單晶矽生產中氬氣回收純化方法的裝置，見圖I所示，該裝置包括一用於對從單晶爐中收集的氬氣100進行粗油過濾並可當氣體緩存罐使用的粗油過濾器101 ；在所述粗油過濾器101之後依次相連有氬氣壓縮機102和一水冷卻器103，並在其後相連有可除去氬氣中油霧和固體顆粒高精度除油系統104 ；一依次通過加熱器108和回熱器107相接於所述高精度除油系統104的一級催化反應器109，該催化反應器109選用氧化鈦或氧化鋁為載體的金屬鈀催化劑，並使甲烷、一氧化碳、烷烴類雜質同氧氣反應生成水和ニ氧化碳；另一通過所述回熱器107相接於所述一級催化反應器109的ニ級催化反應器114，也選用氧化鈦或氧化鋁為載體的金屬鈀催化劑，並使氧氣和氫氣反應生成水；一組至少由兩隻吸附器構成的常溫吸附單元117相接於所述的ニ級催化反應器114，用於吸附氬氣中的水和ニ氧化碳；所述常溫吸附單元117通過ー低溫板式換熱器119以及節流閥121連通於低溫精餾塔122，該低溫精餾塔122的底部為蒸發器単元141，頂部為冷凝器単元144，在該低溫精餾塔的底部設置有純液氬產品123出口，而在低溫精餾塔的頂部設置有精餾廢氣127出口。所述的高精度除油系統104包括高效除油器、精密過濾器、活性碳過濾器和高效除塵過濾器中的至少兩種串聯構成，並可將通過的氬氣除去其中的油霧和固體顆粒；所述的高精度除油系統104之後經過了一級催化反應器和ニ級催化反應器後相接有由三個吸附器構成的常溫吸附單元117，該常溫奶吸附単元117包括三臺常溫吸附器202，並經過粗氬氣進ロ閥201、粗氬氣出ロ閥203、置換氣進ロ閥204、再生空氣進ロ閥205、均壓閥206、再生氣和置換氣出口閥207、洩壓閥208、放空消聲器209、再生加熱器210相接組成；三臺常溫吸附器202中的一臺進行吸附工作、一臺進行再生、一臺進行氣體置換，相互之間通過時間程序控制器進行自動控制切換。所述的高精度除油系統104之後並接有一對氬氣105中的甲烷、一氧化碳等氧化性雜質進行分析，從而計算反應需氧量，同時檢測氬氣105中雜質氧氣含量的ー級分析控制単元106，所述ー級分析控制單元106通過比較計算確定是否需要加入壓縮空氣補充氧氣量進氬氣105，所述ー級分析控制單元106単元的位置也可以加在粗油過濾器101上；在所述ニ級催化反應器114之前並接有對氬氣111中的氧氣進行分析確定氧氣反應所需氫氣量的ニ級分析控制單元112，以便加入過量氫氣使氧氣反應完全。本實用新型中常溫吸附除水和ニ氧化碳的再生氣體使用空氣而不是氮氣，再生結束後並用來自低溫精餾產生的廢氣(成分為氬氣、氮氣和氫氣)置換再生空氣而不採用氬氣置換。優點是不需額外購買氮氣和提高了氬氣回收率。本實用新型中常溫吸附部分可採用氬氣回收率更高的三吸附器結構，常規結構為兩吸附器結構，一個吸附工作，ー個再生(再生包括洩壓、加溫、吹冷、置換和升壓五個部分組成)。置換在再生中所佔時間短，為保證吸附器內空氣置換乾淨，置換氣量不能太小，而置換氣來自低溫精餾產生的廢氣。採用三吸附器結構則在廢氣量很少的情況下也可以很好置換空氣。三個吸附器其中一個吸附工作，ー個再生(再生包括洩壓、加溫、吹冷)，ー個置換。這樣設置使吸附器的置換時間可以同正常工作時間相等，保證了置換效果，並可以使置換用廢氣的利用率達到了 100%。本實用新型低溫精餾採用單塔結構，精餾塔蒸發器所需熱量通過空氣冷凝提供，精餾塔冷凝器所需冷量通過來自精餾塔蒸發器的節流液空提供。低溫精餾分離所需冷量主要由壓縮空氣膨脹產生，相對於液體節流產生冷量的效率高很多，適合用於大量氬氣回收裝置可減少氬氣回收能耗。[0036]實施例圖I所示氬氣回收純化裝置，從單晶爐中收集的氬氣100進粗油過濾器101，101單元對氬氣進行粗油過濾並可當氣體緩存罐使用。粗濾油後氬氣經氬氣壓縮機102增壓到約0. 9MPa CA),並經過水冷卻器103冷卻到常溫，進入高精度除油系統104得到氬氣105，104単元包括高效除油器、精密過濾器、活性碳過濾器和高效除塵過濾器。氬氣105中已經除去了氬氣中油霧和固體顆粒。分析控制單元106對氬氣105中的甲烷、一氧化碳等氧化性雜質進行分析，從而計算反應需氧量，同時檢測氬氣105中雜質氧氣含量，通過比較計算確定是否需要加入壓縮空氣補充氧氣量進氬氣105，106単元的位置也可以加在粗油過濾器101上。氬氣105經回熱器107和加熱器108後，溫度達到約380°C經過催化反應器109得到氬氣110，109単元中的催化劑一般為氧化鈦或氧化鋁為載體的金屬鈀催化劑，在催化反應器109中甲烷、一氧化碳、烷烴類等雜質同氧氣反應生成水和ニ氧化碳。氬氣110中雜質成分只剩下水、ニ氧化碳、氮氣和氧氣。氬氣110經過回熱器107回收熱量冷卻得到氬氣111。分析控制單元112對氬氣111中的氧氣進行分析確定氧氣反應所需氫氣量，並加入氫氣，為使氧氣反應完全氫氣必須過量。加入氫氣後的IS氣113通入催化反應器114, 114單元中的催化劑一般也為氧化鈦或氧化鋁為載體的金屬鈀催化劑，同109單元中催化劑不同主要是金屬鈀的含量，在催化反應器114中氧氣和氫氣反應生成水。氬氣出催化反應器114並經冷卻器115冷卻到常溫後得到氬氣116，氬氣在冷卻器115冷卻一般會產生冷凝水，該部分冷凝水必須自動排放。氬氣116中雜質成分為水、ニ氧化碳、氮氣和氫氣。氬氣116經常溫吸附單元117吸附水和ニ氧化碳，117単元可採用兩吸附器結構，但也不局限於兩吸附器結構，也可採用更合理的三吸附器結構，圖2為三吸附器結構。出常溫吸附單元117的！！氣118雜質成分只剩下氮氣和氫氣,IS氣118經過低溫板式換熱器119與逆流低溫エ藝介質換熱後冷卻液化成為溫度約_170°C液氬120，液氬120通過節流閥121節流後進入精餾塔122，122單元是單精餾塔結構，底部為蒸發器単元141，頂部為冷凝器単元144。精餾塔122中氬氣同氮氣和氫氣這兩種輕組分產生精餾分離，從精餾塔底部得到回收的純液氬產品123，從精餾塔頂部排出精餾廢氣127，精餾廢氣成分為氬氣、氮氣和氫氣，精餾廢氣127通過低溫板式換熱器119加熱後作為常溫吸附單元117的置換氣。純液氬產品123經過氬泵124加壓到用戶需要的壓カ的液氬125，再經過低溫板式換熱器119復熱成常溫氬氣126，常溫氬氣126就是回收提純的氬氣產品。低溫精餾的冷量、精餾塔蒸發器熱量和精餾塔冷凝器冷量供給採用的エ藝介質是空氣，該空氣中不含水份和ニ氧化碳。外供壓縮空氣130進低溫板式換熱器119，在低溫板式換熱器119中間分為兩股，ー股從低溫板式換熱器119中抽進膨脹機132膨脹製取冷量，另ー股為從低溫板式換熱器119底出的低溫空氣140，膨脹後低溫空氣133再回到低溫板式換熱器119釋放冷量，復熱到常溫成為常溫空氣134，常溫空氣134再分成兩股，ー股為135作為常溫吸附單元的再生氣，再生多餘的一股137放空。低溫空氣140進精餾塔蒸發器141提供熱量並自身冷凝，冷凝後的液態空氣142通過節流閥143節流後進入精餾塔冷凝器144，在精餾塔冷凝器144中液空142蒸發汽化為精餾塔上升蒸汽冷凝產生回流液提供冷量，液態空氣142在冷凝器144中汽化為氣態空氣145,氣態空氣145通過低溫板式換熱器119復熱後排放。圖2所示為三吸附器常溫吸附裝置的結構說明圖，該裝置可以替代圖I裝置中的常溫吸附單元117。圖2中粗氬氣進ロ閥201、常溫吸附器202、粗氬氣出ロ閥203、置換氣進口閥204、再生空氣進口閥205、均壓閥206、再生氣和置換氣出口閥207、洩壓閥208、放空消聲器209，再生加熱器210。三臺常溫吸附器202，一臺進行吸附工作、一臺進行再生、一臺進行氣體置換，通過時間程序控制器進行自動控制切換。吸附器工作程序又可以細分為吸附工作、再生洩壓、再生加熱、再生吹冷、氣體置換和再生升壓六個步驟。本實用新型對單晶矽爐生產中的氬氣進行回收純化，氬氣回收率能達到
90%甚至更高，回收氬氣純度達到99. 9995%以上，氧氣含量2PPm以下，回收能耗低。
權利要求1.一種單晶矽生產中氬氣回收純化裝置，其特徵在於該裝置包括一用於對從單晶爐中收集的氬氣(100)進行粗油過濾並可當氣體緩存罐使用的粗油過濾器(101); 在所述粗油過濾器(101)之後依次相連有氬氣壓縮機(102)和一水冷卻器(103)，並在其後相連有可除去氬氣中油霧和固體顆粒高精度除油系統(104)； 一依次通過加熱器(108)和回熱器(107)相接於所述高精度除油系統(104)的一級催化反應器(109)，該催化反應器(109)選用氧化鈦或氧化鋁為載體的金屬鈀催化劑，並使甲烷、一氧化碳、烷烴類雜質同氧氣反應生成水和二氧化碳； 另一通過所述回熱器(107)相接於所述一級催化反應器(109)的二級催化反應器(114)，也選用氧化鈦或氧化鋁為載體的金屬鈀催化劑，並使氧氣和氫氣反應生成水； 一組至少由兩隻吸附器構成的常溫吸附單元(117)相接於所述的二級催化反應器(114)，用於吸附氬氣中的水和二氧化碳；所述常溫吸附單元(117)通過一低溫板式換熱器(119)以及節流閥(121)連通於低溫精餾塔(122)，該低溫精餾塔(122)的底部為蒸發器單元(141 )，頂部為冷凝器單元(144)，在該低溫精餾塔的底部設置有純液氬產品(123)出口，而在低溫精餾塔的頂部設置有精餾廢氣(127)出口。
2.根據權利要求I所述的單晶矽生產中氬氣回收純化裝置，其特徵在於所述的高精度除油系統(104)包括高效除油器、精密過濾器、活性碳過濾器和高效除塵過濾器中的至少兩種串聯構成，並可將通過的氬氣除去其中的油霧和固體顆粒；所述的高精度除油系統(104)之後經過了一級催化反應器和二級催化反應器後相接有由三個吸附器構成的常溫吸附單元(117)，該常溫奶吸附單元(117)包括三臺常溫吸附器(202)，並經過粗氬氣進口閥(201)、粗氬氣出口閥(203)、置換氣進口閥(204)、再生空氣進口閥(205)、均壓閥(206)、再生氣和置換氣出口閥(207)、洩壓閥(208)、放空消聲器(209)、再生加熱器(210)相接組成；三臺常溫吸附器(202)中的一臺進行吸附工作、一臺進行再生、一臺進行氣體置換，相互之間通過時間程序控制器進行自動控制切換。
3.根據權利要求I或2所述的單晶矽生產中氬氣回收純化裝置，其特徵在於所述的高精度除油系統(104)之後並接有一對氬氣(105)中的甲烷、一氧化碳等氧化性雜質進行分析，從而計算反應需氧量，同時檢測氬氣(105)中雜質氧氣含量的一級分析控制單元(106)，所述一級分析控制單元(106)通過比較計算確定是否需要加入壓縮空氣補充氧氣量進氬氣(105)，所述一級分析控制單元(106)單元的位置也可以加在粗油過濾器(101)上；在所述二級催化反應器(114)之前並接有對氬氣(111)中的氧氣進行分析確定氧氣反應所需氫氣量的二級分析控制單元(112)，以便加入過量氫氣使氧氣反應完全。
專利摘要一種單晶矽生產中氬氣回收純化裝置，該裝置包括一用於對從單晶爐中收集的氬氣進行粗油過濾的粗油過濾器；在所述粗油過濾器之後依次相連有氬氣壓縮機和一水冷卻器，並在其後相連有可除去氬氣中油霧和固體顆粒高精度除油系統；一依次通過加熱器和回熱器相接於所述高精度除油系統的一級催化反應器以及通過所述回熱器相接於所述一級催化反應器的二級催化反應器；一組至少由兩隻吸附器構成的常溫吸附單元相接於所述的二級催化反應器；所述常溫吸附單元通過一低溫板式換熱器以及節流閥連通於低溫精餾塔，在該低溫精餾塔的底部設置有純液氬產品出口；它具有氬氣回收率高，回收氬氣純度高，氧氣含量低，回收純化能耗低等特點。
文檔編號C01B23/00GK202519029SQ201220111489
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者何暉, 周智勇, 夏紅麗, 張振友, 翟暉, 顧燕新 申請人:杭州杭氧股份有限公司