淺談超純氬氣工藝流程設(shè)計(jì)

董 濤，蘇耀華，蔡 晉，任少科，姜 濤，張宏雷，高天龍

(中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116031)

1 前 言

氬氣以其特有的物理性能和相對于其他惰性氣體成本較低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微電子材料和器件、分析測試、鋼鐵冶煉、金屬焊接與切割等領(lǐng)域。器件的質(zhì)量與超純氣體的純度密切相關(guān)，隨著相關(guān)行業(yè)尤其是半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，對氬氣的純度要求越來越高。高純氬氣的純度可以達(dá)到99.999%，通過純化系統(tǒng)可以脫除其含有的H2O、O2、N2等雜質(zhì)，可以得到純度為99.9999%的超純氬，雜質(zhì)為10-9級。本文對超純氬氣的工藝流程設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，包括低溫泵、汽化器的選型，純化器、充裝位及真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

2 設(shè)計(jì)條件

產(chǎn)氣能力為20 Nm3/h，原料純度為99.999%，氬氣原料具體指標(biāo)如表1所示。純化后產(chǎn)品指標(biāo)優(yōu)于GB/T 16945—2009《電子工業(yè)用氣體 氬》的99.9999%。

表1 氬氣原料技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of argon raw material

3 原理流程

根據(jù)原料來源、原料技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品指標(biāo)要求等設(shè)計(jì)工藝流程如圖1所示。

圖1 超純氬氣工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of ultra-pure argon

自低溫儲罐V01來的99.999%氬氣原料氣經(jīng)過低溫泵P01增壓至15 MPa，進(jìn)入高壓汽化器E01氣化后進(jìn)入高壓緩沖瓶組X01，再進(jìn)入氣體純化凈化系統(tǒng)G01。首先通過干燥器脫除氣體中的CO2、H2O等雜質(zhì)。然后進(jìn)入吸氣器中，深度脫除氣體中的雜質(zhì)CH4、CO、O2、N2。根據(jù)現(xiàn)場狀況工作溫度為550～600℃。吸氣劑為消耗型填料，使用壽命與氣體中的雜質(zhì)含量成反比，吸附飽和后更換。需要避免原料指標(biāo)大幅度波動引起大量雜質(zhì)氣體進(jìn)入吸氣器造成吸氣劑壽命下降的現(xiàn)象；最后進(jìn)入催化器，深度脫除氣體中的氫氣雜質(zhì)。采用的吸附劑脫除雜質(zhì)有一定容量，當(dāng)吸附劑吸附雜質(zhì)達(dá)到飽和后，可通入再生氣對其進(jìn)行加熱再生。通過以上工序可以將原料中的CH4、H2O、CO、CO2、O2、N2、H2等雜質(zhì)深度轉(zhuǎn)化從而脫除。然后通過精密過濾器過濾去除顆粒物雜質(zhì)。最后通過充裝面板X02進(jìn)行抽空、放空、充氣，充入內(nèi)壁拋光并經(jīng)加熱抽空后的合格氣瓶中。

4 設(shè)備選型

4.1 低溫泵

產(chǎn)氣能力為20 Nm3/h，液氬密度為1394 kg/m3(-185.9℃，101.3 kPa)，液氬分子量為39.948，可換算成需要的液體體積為25.6 L/h。按此選用低溫泵流量75 L/h，變頻調(diào)節(jié)泵的流量達(dá)到所需流量，溫度-196℃，工作壓力≤16.5 MPa。

4.2 汽化器

根據(jù)產(chǎn)氣能力，汽化器的氣化能力需大于20 Nm3/h，且工作壓力為16.5 MPa。經(jīng)調(diào)研選用空溫式汽化器，氣化能力為150 Nm3/h，工作壓力為16.5 MPa。

4.3 純化系統(tǒng)

純化系統(tǒng)包括吸附器、吸氣器、脫氫器、過濾器。根據(jù)原料氣中CO2、H2O、CH4、CO、O2、N2、H2雜質(zhì)含量以及產(chǎn)氣能力、連續(xù)工作時間、可計(jì)算得到需要吸附劑、吸氣劑、脫氫劑的體積，并以此得到設(shè)備的直徑及高度。

吸附器工作溫度：常溫工作；工作壓力：≤15 MPa；V=15 L，Φ159。

吸氣器工作溫度：500 ℃；工作壓力：≤15 MPa；V=15 L，Φ159。

脫氫器工作溫度：常溫工作；工作壓力：≤15 MPa；V=2 L，Φ76。

過濾器過濾精度：0.003 μm；工作壓力：≤20 MPa。

純化系統(tǒng)中的吸氣劑為雜質(zhì)脫除的關(guān)鍵材料。目前國外意大利賽斯公司可研制不同類型的吸氣劑[1]。國內(nèi)有研工程技術(shù)研究院有限公司、大連凱特利催化工程技術(shù)有限公司及其它從事氣體純化的相關(guān)公司也均有研制及生產(chǎn)。

4.4 真空泵

系統(tǒng)中配有真空系統(tǒng)，真空抽氣量為8 L/s，配防返油電磁真空帶充氣閥。

4.5 充裝面板

充裝面板需具有放空、抽空功能，預(yù)留分析口，設(shè)有安全閥可在系統(tǒng)超壓時排放。

4.6 充裝位

按GB/T 14194—2017《壓縮氣體氣瓶充裝規(guī)定》要求，氣瓶的充裝流量不得大于8 Nm3/h。當(dāng)產(chǎn)氣能力為20 Nm3/h時，其同時充瓶個數(shù)必須大于3個，以保證充裝速度不能過快。本裝置設(shè)有8個充裝瓶位，可根據(jù)產(chǎn)品需要開啟相應(yīng)數(shù)量的瓶位。超純氬氣的鋼瓶閥不同于高純氬的鋼瓶閥。高純氬的瓶閥型號為PX-32A，瓶閥出口螺紋為G5/8"，為外螺紋，超純氬氣的瓶閥型號為CGA580，出口螺紋為內(nèi)螺紋。充裝位需配備與鋼瓶閥相匹配的接頭，以便系統(tǒng)連接。另外為消除鋼瓶內(nèi)壁雜質(zhì)對氬氣產(chǎn)品純度產(chǎn)生的影響，產(chǎn)品鋼瓶需經(jīng)過內(nèi)部拋光處理并且在充裝之前經(jīng)過加熱抽空裝置進(jìn)行處理。

4.7 閥門、管道選用

考慮到氬氣的超純潔凈度，閥門在選用時優(yōu)選膜片閥，保證系統(tǒng)的氣密性；管道、接頭等選用EP級。管路非焊接接口采用VCR連接，焊接接口采用自動軌道焊接方式。管道焊接必須在內(nèi)管與外管均通入99.999%純度的氬氣保護(hù)下進(jìn)行，防止氣體管件的污染。

4.8 管徑選取

根據(jù)化工工藝設(shè)計(jì)手冊[2]記載，壓縮氣體在3～25 MPa(A)時推薦流速為0.5～3 m/s。

式中，d為管道的內(nèi)徑，mm；v為管道內(nèi)介質(zhì)的體積流量，m3/h；u為介質(zhì)在管道內(nèi)的平均流速，m/s。

根據(jù)產(chǎn)氣能力20 Nm3/h，工作壓力按15 MPa，則工作壓力下體積流量約為1.33 m3/h。流速取3 m/s，則d為3.9 mm?？蛇x1/4"管道，壁厚0.035"。按此管徑尺寸帶入上述公式，校核實(shí)際流速為2.2 m/s。

考慮到1/4"管道尺寸為6.35 mm，管徑較細(xì)，柔性

較強(qiáng)，安裝時需要制作固定支架防止管道彎曲變形，或者選用更大規(guī)格的管徑。

4.9 安全性考慮

除以上工藝設(shè)計(jì)外，在汽化器出口設(shè)有超壓報(bào)警、超壓連鎖停泵及充裝壓力超壓切斷，系統(tǒng)中設(shè)置安全閥。純化系統(tǒng)對純化柱的溫度控制采用自動控制，保證系統(tǒng)生產(chǎn)和再生時的安全可靠。氬氣為窒息性氣體，裝置區(qū)需布置氧含量報(bào)警儀，可聲光報(bào)警，連鎖啟動風(fēng)機(jī)，防止人員窒息。

5 結(jié) 語

對超純氬氣的工藝流程設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，包括工藝流程、設(shè)備選型及系統(tǒng)安全性等。設(shè)計(jì)可滿足超純氬氣處理量及處理純度要求，工藝流程簡單、設(shè)備選型合理經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)安全可靠，可為后續(xù)實(shí)施提供參考和借鑒。