一種單塔低溫精餾回收氬氣的裝置的製作方法

2023-06-17 23:29:21 1

本實用新型屬於氣體生產領域，涉及一種純化回收氣體的裝置，尤其涉及一種單塔低溫精餾回收氬氣的裝置。

背景技術：

氬氣是一種無色無臭的惰性氣體，其分子式為Ar，分子量為39.95，蒸汽壓為202.64kPa(-179℃)，熔點-189.2℃，沸點-185.7℃。在工業生產中，氬氣通常被用作一種高效的保護氣體，使用十分廣泛；例如，氬氣也普遍被用於單晶矽的生產工藝中。

直拉法(Czochralski method)是生產單晶矽的主要方法，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工藝是採用既像真空工藝又像流動氣氛工藝的減壓拉晶工藝。減壓拉晶工藝是指，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，以保持爐膛內真空度穩定在20託左右，可見，這種工藝既具有真空工藝的特點，又具有流動氣氛工藝的特點。減壓拉晶工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，通過該真空泵的抽送排放到大氣。通過對這部分排放的氬氣進行分析，發現其主要雜質成分為氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等烷烴，以及液態潤滑油霧；將排放的氬氣作為回收氬氣，進一步純化處理以期望獲得純氬氣產品，從而實現回收氬氣的循環利用，能夠較大程度地節省生產成本。

純化回收氬氣的公知技術一般包括：對來自單晶爐的回收氬氣進行除油除塵，接著通過高溫催化使甲烷等烴類和一氧化碳同氧氣反應生產水和二氧化碳，催化反應中保證氧氣過量(雜質氧氣不夠則加入氧氣)；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、二氧化碳、氫氣和氮氣；最後經過氬氣常溫吸附單元吸附水和二氧化碳，得到只含有氮氣和氫氣為雜質的粗氬氣。氬氣常溫吸附單元由二個吸附器組成，吸附器中裝有吸附水和二氧化碳的吸附劑，一個吸附器進行吸附工作，另一個吸附器進行包括洩壓、加溫、吹冷的再生工作。所述再生工作的氣體使用氮氣，該再生氮氣來自冷箱中低溫精餾塔生產或外購，氬氣常溫吸附單元通過時間程序控制器自動控制運行切換。

然而，現有技術中存在的裝置或系統往往過於複雜，操作繁瑣，不利於大規模工業化生產與檢修。

例如，CN102583281A公開了一種單晶矽生產中氬氣回收純化的方法與裝置，其中，該方法主要包括以下步驟：先對來自單晶爐的回收氬氣進行粗除油，再經壓縮冷卻後高精度除油除塵，接著通過高溫催化反應使甲烷等烴類和CO與氧氣反應生成水和二氧化碳，且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，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二氧化碳；將上述氬氣冷卻後送入低溫精餾塔，使氬氣與氮氣、氫氣分離，獲得純液氬，再經復熱後得到純氬產品。然而，該方法中的低溫精餾部分使用空氣循環製冷，能耗較高，流程複雜，加入的過量氫氣放空，利用率低。

又如，CN104406364A公開了一種雙塔耦合的氬氣回收純化設備及氬氣回收純化方法，其中使用了具有上下塔耦合結構的低溫精餾塔等一系列設備；雖然該方法所得氬氣回收率高且純度高，但是，其所使用的設備能耗較高而無優勢，並且結構複雜，從而增加了設備投資成本，使得操作過於繁瑣，不利於大規模工業化生產。

因此，研發出一種新型的裝置用於工藝流程更簡潔、操作更方便、能耗更低的氬氣回收方法，是當前本領域研發人員的研究重點之一。

技術實現要素：

本實用新型旨在克服上述現有技術中存在的種種缺陷，提供一種高效地純化回收氬氣的裝置，以滿足精密電子工業、生物醫藥等領域中使用高純氬氣的需求，尤其適用於單晶矽直拉法生產過程。

因此，本實用新型提供了一種單塔低溫精餾回收氬氣的裝置，包括以下設備：回收氬氣壓縮機、第一粗氬氣預冷機、除油器、除氧器、冷卻器、第二粗氬氣預冷機、純化器、換熱器、精餾冷箱；其中，所述精餾冷箱中設置有：再沸器、精餾塔、冷凝蒸發器及冷凝蒸發器外殼；上述各設備之間的連接關係如下：

所述回收氬氣壓縮機、所述第一粗氬氣預冷機、所述除油器通過管線依次串聯，所述活性炭吸附器的出口經管線連接至所述除氧器的輸入管線，系統外氫氣輸入管線也連接至所述除氧器的輸入管線，而所述除氧器的輸入管線連通至所述除氧器的進口；所述除氧器的出口經管線連接至所述冷卻器之後通過管線依次串聯有所述第二粗氬氣預冷機和所述純化器，所述純化器的出口經管線連接至所述換熱器的乾燥粗氬氣入口，換熱器的乾燥粗氬氣出口經管線連接至設置在精餾塔底部的再沸器的入口，所述再沸器的氣液混合流體出口經管線連接至所述精餾塔的塔體中上部；

所述精餾塔塔頂的氬氣出口管線連接至換熱器的純氬氣入口，所述換熱器的純氬氣出口連接純氬氣輸出管線，該純氬氣輸出管線從精餾冷箱向外延伸，用於輸出純氬氣產品。

其中，在一種優選實施例中，所述精餾塔塔底的流體出口經管線連接至設置在所述精餾塔的頂部上的冷凝蒸發器的蒸發側。

其中，在一種優選實施例中，系統外液Ar輸入管線穿過所述冷凝蒸發器外殼，並且連接至冷所述凝蒸發器的蒸發側。

其中，在一種優選實施例中，所述精餾塔塔頂的氬氣出口還包括第二管線，所述第二管線連接至冷凝蒸發器的冷凝側，所述冷凝蒸發器的冷凝側的冷凝氬液出口通過回流管線連接至所述精餾塔內。

其中，在一種優選實施例中，所述冷凝蒸發器的頂部出口經管線連接至換熱器的氫氮混合氣入口，換熱器的氫氮混合氣出口連接至純化器的再生氣入口。

其中，在一種優選實施例中，系統外補充氮氣管線連接至所述純化器的再生氣入口。

其中，在一種優選實施例中，所述單塔低溫精餾回收氬氣的裝置還包括氫氣回收膜壓機；所述冷凝蒸發器的不凝氣吹掃口經管線連接至換熱器的回收氫氣入口，換熱器的回收氫氣出口經管線連接至氫氣回收膜壓機的進口，所述回收膜壓機的出口經管線連接至所述系統外氫氣輸入管線。

其中，在一種優選實施例中，所述換熱器位於所述所述精餾冷箱內。

其中，在一種優選實施例中，所述除油器包括串聯的油過濾器、活性炭吸附器。

其中，在一種優選實施例中，回收氬氣壓縮機與粗氬氣預冷機之間連接有粗氬氣緩衝罐。

在本實用新型的最優選實施例中，所述單塔低溫精餾回收氬氣的裝置包括：回收氬氣壓縮機，粗氬氣緩衝罐，粗氬氣預冷機，油過濾器，活性炭吸附器，除氧器，冷卻器，粗氬氣預冷機，純化器，精餾冷箱和氫氣回收膜壓機；其中，所述精餾冷箱中設置有：換熱器，再沸器，粗液氬節流閥，精餾塔，純液氬節流閥，冷凝蒸發器及冷凝蒸發器外殼；還可以包括其它閥門與若干管線，用於連接以上各設備；並且，上述各設備之間的連接關係如下：

所述回收氬氣壓縮機、所述粗氬氣緩衝罐、所述粗氬氣預冷機、所述油過濾器與所述活性炭吸附器通過管線依次串聯，所述活性炭吸附器的出口經管線連接至所述除氧器的輸入管線，系統外氫氣輸入管線也連接至所述除氧器的輸入管線，而所述除氧器的輸入管線連通至所述除氧器的進口；所述除氧器的出口經管線連接至所述冷卻器，所述冷卻器之後通過管線依次串聯有所述粗氬氣預冷機和所述純化器，所述純化器的出口經管線連接至所述精餾冷箱內的換熱器的乾燥粗氬氣入口，換熱器的乾燥粗氬氣出口經管線連接至設置在精餾塔底部的再沸器的入口，所述再沸器的氣液混合流體出口經設置有粗液氬節流閥的管線連接至所述精餾塔的塔體中上部；

所述精餾塔塔底的純液氬出口經設置有純液氬節流閥的管線連接至設置在所述精餾塔的頂部上的冷凝蒸發器的蒸發側；系統外液Ar輸入管線穿過所述冷凝蒸發器外殼，並且也連接至冷所述凝蒸發器的蒸發側；

所述精餾塔塔頂的氬氣出口分支為兩條管線，其中一條管線連接至換熱器的純氬氣入口，所述換熱器的純氬氣出口連接純氬氣輸出管線，該純氬氣輸出管線從精餾冷箱向外延伸，用於輸出純氬氣產品；其中另一條管線連接至冷凝蒸發器的冷凝側，所述冷凝蒸發器的冷凝側的冷凝氬液出口通過回流管線連接至所述精餾塔內；所述冷凝蒸發器的頂部出口經管線連接至換熱器的氫氮混合氣入口，換熱器的氫氮混合氣出口連接至純化器的再生氣入口，系統外補充氮氣管線也連接至所述純化器的再生氣入口；

所述冷凝蒸發器的不凝氣吹掃口經管線連接至換熱器的回收氫氣入口，換熱器的回收氫氣出口經管線連接至氫氣回收膜壓機的進口，所述回收膜壓機的出口經管線連接至所述系統外氫氣輸入管線。

優選地，上述單塔低溫精餾回收氬氣的裝置中，所述除氧器為催化脫氧反應器，其中使用的催化劑為活性氧化鋁鍍鈀催化劑。

優選地，上述單塔低溫精餾回收氬氣的裝置中，所述粗液氬節流閥與所述純液氬節流閥均為可調節流量的低溫液體節流閥。

與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：

(1)本實用新型所提供的裝置有效利用回收現場所具有的液氬提供系統的便利，如單晶矽廠家會有液氬供應的條件，即所述系統外液Ar，用其補充冷量損失，而不必單獨設置膨脹機；

(2)利用油過濾器、活性炭吸附器、除氧器、純化器等設備進行初步純化，再利用低溫精餾法脫除N2、H2，在此過程中有效回收加入的過量氫氣，從而提高了氬氣的回收率和氫氣的利用率，簡化了低溫精餾的流程和操作，降低了運行能耗；

(3)本實用新型所提供的裝置運動部件少，結構簡單，因而降低了投資成本，並且方便操作；

(4)採用本實用新型所述裝置實施的純化回收氬氣的方法，所獲得的高純氬氣產品可得到廣泛應用，因此，具有良好的市場前景。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1所述單塔低溫精餾回收氬氣的裝置的結構示意圖，其中：

E1-系統外氫氣，E2-系統外補充氮氣，E3-系統外液Ar；1-回收氬氣壓縮機，2-粗氬氣緩衝罐，3-粗氬氣預冷機，4-油過濾器，5-活性炭吸附器，6-除氧器，7-冷卻器，8-粗氬氣預冷機，9-純化器，10-精餾冷箱，11-換熱器，12-再沸器，13-粗液氬節流閥，14-精餾塔，15-純液氬節流閥，16-冷凝蒸發器，17-冷凝蒸發器外殼，18-氫氣回收膜壓機。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本實用新型作進一步闡述，但本實用新型並不限於以下實施方式。

本實用新型提供了一種單塔低溫精餾回收氬氣的裝置，包括以下設備：

回收氬氣壓縮機1，粗氬氣緩衝罐2，粗氬氣預冷機3，油過濾器4，活性炭吸附器5，除氧器6，冷卻器7，粗氬氣預冷機8，純化器9，精餾冷箱10和氫氣回收膜壓機18；其中，所述精餾冷箱10中設置有：換熱器11，再沸器12，粗液氬節流閥13，精餾塔14，純液氬節流閥15，冷凝蒸發器16及冷凝蒸發器外殼17；其它閥門與若干管線，用於連接以上各設備；並且，上述各設備之間的連接關係如下：

所述回收氬氣壓縮機1、所述粗氬氣緩衝罐2、所述粗氬氣預冷機3、所述油過濾器4與所述活性炭吸附器5通過管線依次串聯，所述活性炭吸附器5的出口經管線連接至所述除氧器6的輸入管線，系統外氫氣輸入管線也連接至所述除氧器6的輸入管線，而所述除氧器6的輸入管線連通至所述除氧器6的進口；所述除氧器6的出口經管線連接至所述冷卻器7，所述冷卻器7之後通過管線依次串聯有所述粗氬氣預冷機8和所述純化器9，所述純化器9的出口經管線連接至所述精餾冷箱10內的換熱器11的乾燥粗氬氣入口，換熱器11的乾燥粗氬氣出口經管線連接至設置在精餾塔14底部的再沸器12的入口，所述再沸器12的氣液混合流體出口經設置有粗液氬節流閥13的管線連接至所述精餾塔14的塔體中上部；

所述精餾塔14塔底的純液氬出口經設置有純液氬節流閥15的管線連接至設置在所述精餾塔14的頂部上的冷凝蒸發器16的蒸發側；系統外液Ar輸入管線穿過所述冷凝蒸發器外殼17，並且也連接至冷所述凝蒸發器16的蒸發側；

所述精餾塔14塔頂的氬氣出口分支為兩條管線，其中一條管線連接至換熱器11的純氬氣入口，所述換熱器11的純氬氣出口連接純氬氣輸出管線，該純氬氣輸出管線從精餾冷箱10向外延伸，用於輸出純氬氣產品；其中另一條管線連接至冷凝蒸發器16的冷凝側，所述冷凝蒸發器16的冷凝側的冷凝氬液出口通過回流管線連接至所述精餾塔14內；所述冷凝蒸發器16的頂部出口經管線連接至換熱器11的氫氮混合氣入口，換熱器11的氫氮混合氣出口連接至純化器9的再生氣入口，系統外補充氮氣管線也連接至所述純化器9的再生氣入口；

所述冷凝蒸發器16的不凝氣吹掃口經管線連接至換熱器11的回收氫氣入口，換熱器11的回收氫氣出口經管線連接至氫氣回收膜壓機18的進口，所述回收膜壓機18的出口經管線連接至所述系統外氫氣輸入管線。

在一個優選實施例中，所述除氧器6為催化脫氧反應器，其中使用的催化劑為活性氧化鋁鍍鈀催化劑。

在一個優選實施例中，所述粗液氬節流閥13與所述純液氬節流閥15均為可調節流量的低溫液體節流閥。

下述實施例中的操作如無特別說明均為常規操作，所述裝置如無特別說明均能從公開商業途徑獲得。

實施例1

採用如圖1所示的單塔低溫精餾回收氬氣的裝置對回收氬氣進行純化：

該單塔低溫精餾回收氬氣的裝置包括以下主要設備：回收氬氣壓縮機1，粗氬氣緩衝罐2，粗氬氣預冷機3，油過濾器4，活性炭吸附器5，除氧器6，冷卻器7，粗氬氣預冷機8，純化器9，精餾冷箱10，換熱器11，再沸器12，粗液氬節流閥13，精餾塔14，純液氬節流閥15，冷凝蒸發器16，冷凝蒸發器外殼17和氫氣回收膜壓機18；並且，所述粗液氬節流閥13與所述純液氬節流閥15均為可調節流量的低溫液體節流閥；具體實施步驟包括：

將混入約5％空氣的低壓回收氬氣2400Nm3/h輸送入回收氬氣壓縮機1進行加壓，並通過粗氬氣緩衝罐2穩定壓力；從粗氬氣緩衝罐2輸出的粗氬氣的壓力為0.7MPa，先經粗氬氣預冷機3預冷降溫至6℃，接著進入油過濾器4過濾並輸出油含量小於1ppm的粗氬氣，然後經活性炭吸附器5進一步除去微量油並輸出無油粗氬氣；所述無油粗氬氣與輸入的系統外氫氣E1及回收氫氣一併在除氧器6的輸入管線中混合，並進入所述除氧器6；所述除氧器6為催化脫氧反應器，其中採用了活性氧化鋁鍍鈀催化劑催化氧氣與過量氫氣反應生成水，並釋放出熱量，氧氣被除去，輸出220～240℃的高溫粗氬氣；所述高溫粗氬氣經冷卻器7冷卻至40℃，再通過粗氬氣預冷機8進一步冷卻至7～8℃；然後通過純化器9脫除水和二氧化碳並輸出乾燥粗氬氣，所述乾燥粗氬氣的露點≤-72℃且其中含有的二氧化碳≤0.9ppm；所述乾燥粗氬氣進入精餾冷箱10內的換熱器11，降溫至-161℃，然後進入設置在精餾塔14底部的再沸器12；在該再沸器12中，84％的氣體被液化，從而得到流出的氣液混合流體，流經粗液氬節流閥13節流降壓至0.38MPa後，進入精餾塔14的塔體中上部進行低溫精餾。

由於存在壓力差，該再沸器12的冷凝側為0.672MPa，-168.1℃；其蒸發側為0.38MPa，-171.1℃，沸點溫度會根據壓力改變，從而使再沸器內外側形成溫差3℃，保證了該再沸器12的正常運行。

所述精餾塔14塔底的純液氬流經純液氬節流閥15節流降壓至0.12MPa後，進入冷凝蒸發器16的蒸發側；以260kg/h的流量輸入的系統外液Ar E3也進入所述凝蒸發器16的蒸發側，用於補充冷量損失；

隨著精餾的進行，純氬氣在所述精餾塔14塔頂不斷富集，直至純度達到99.9997～99.9999％後，從塔頂抽出，並分為兩股：第一股純氬氣首先進入換熱器11復熱至-15℃，回收冷量，然後通過純氬氣輸出管線從精餾冷箱10向外輸出純氬氣產品；第二股純氬氣進入冷凝蒸發器16的冷凝側，生成冷凝氬液，回流至所述精餾塔14內，成為塔內的下降液體；所述冷凝蒸發器16的頂部輸出氫氮混合氣，所述氫氮混合氣進入換熱器11復熱至-11℃，回收冷量，然後與輸入的系統外補充氮氣E2一起作為再生氣進入純化器9；

H2含量為40％的回收氫氣從所述冷凝蒸發器16的不凝氣吹掃口抽出，進入換熱器11復熱至-11℃，回收冷量，再進入氫氣回收膜壓機18加壓，再進入系統外氫氣輸入管線，與以70Nm3/h的流量輸入的系統外氫氣混合，用於在除氧器6中參與反應。

以上對本實用新型的具體實施例進行了詳細描述，但其只作為範例，本實用新型並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對該實用進行的等同修改和替代也都在本實用新型的範疇之中。因此，在不脫離本實用新型的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本實用新型的範圍內。