TW434183B - Process and device for the production of ultra-pure inert gas - Google Patents

Description

A7 _B7___ 五、發明説明（丨〉 本發明是有關於由空氣中製造高純度惰性氣體的領域 〇 在許多工業的領域中發現高純度惰性氣體的應用，且 特定是在電子業的領域中，該惰性流體在液態中或是氣體 狀態中皆可》 通常，高純度惰性流體’例如氮氣或是氬氣’是藉由 低溫蒸餾大氣的氣體來製造，以此製造一不定純度的惰性 流體，且隨後純化該惰性流體以從其中移除該殘留的雜質 ’例如氫氣(H2)、一氧化碳(C0)和微量的氧氣(02)，因而獲 得一高純度的惰性流體，該流體也就是含有少於幾個ppb( 爲十億分之一體積)的雜質。 通常，經由低溫蒸餾所製造的惰性流體其隨後的純化 作用是藉由在一多種類型的吸附劑物質上吸附該殘留的雜 質來實行，例如該吸附劑物質爲吸氣劑、泡沸石和多孔的 金屬氧化物。 此外’同樣已知在使其進行上面所提及的低溫蒸餾之 前，放置該預備要蒸餾的氣體到一前處理中。 一般而言，該氣體是藉由觸媒氧化某些包含在氣體中 可氧化的雜質來作前處理，例如一氧化碳(C0)和氫氣(h2) ’以使得轉換這些可氧化的種類變成二氧化碳(co2)和水 (H2o);爲了避免它們在低溫蒸餾中造成黏附須將二氧化碳 和水移除。 爲了此一目的所使用的該氧化觸媒一般含有一種金屬 ’例如鉑或是鈀，沈澱在像是爲氧化鋁的支撐器上β I . I—Jw·^t ~F '訂 線 (ίΛ先閱靖背而之注項再本页) '.'仏尺度埤力丨屮w阳家杜彳ί ) ΛΊ現枋（210X297公犛) — 一 " ~ — 434183 A7 B7 ίί ή 卬 五、發明説明（ 然而，該氣體的此一前處理存在有許多的限制。 首先，其已知爲氧化觸媒一般是暴露在中毒的危險中

I ，由於在預備要處理的氣體中所含有的各種污染物，例如 ，特別是成份含有鹵素或是硫磺，以及由該壓縮氣體所產 生的油性蒸氣，造成隨著時間的進行爲逐漸地降低活性。 其次，爲了製造一不含氧氣的惰性流體，其必須將高 效能的低溫蒸餾與此一前處理結合，並且此是藉由增加一 個或是更多的低溫蒸餾塔的高度來達成，因而結果必然是 爲明顯地增加了投資費用，且因而用這個方法來製造該惰 性流體的費用爲過多。 此外，經由低溫蒸餾所製造之該惰性氣體的後處理也 是不理想，因爲它需要使用到純化裝置或是純化器’該純 化裝置與純化器通常是昂貴的，並且有時候不適合對於一 特定的雜質作有效地純化，例如，特別是氫氣’要移除氫 氣是困難的，因爲它顯現出一相對爲短的的滲透時間’因 而需要在高溫下(在200°c的程度)頻繁地使該吸收床再生。 對於前處理以及/或是後處理氣體以及/或是後處理其 所製造的惰性氣體，在習知技術中的幾個文件’說明了此 種型態的方法，例如特定是文件EP-A-G24G27〇、EP-A_ 0197717、EP-A-0438282 或是 EP-A-0606081。 因此本發明的目標是以提出使其爲可能製造例如鳥氮 氣或是氬氣之高純度惰性氣體的一種方法和一個裝置’且 可以使用於電子的產業，其方法和裝置沒有習知技術的缺 點，保證有效率地移除例如爲氫氣的特定雜質’具有合理 5 ---------ίί------ΐτ------¾ (討先閱讀背.&之注#-亨項.i>>^r';7本玎) 43 4 i B a A7 __B7___ 五、發明説明（$ ) 的費用並且爲容易應用在工業的程度上。 因#本發明爲有關於由氣體中製備一高純度惰性氣體 的方法，包括的連續步驟有： a) 低溫蒸餾壓縮的氣體， b) 回收一含有氫氣雜質(H2)和殘留雜質的不純惰性流 體， c) 藉由至少一個吸附床，該床含有至少一個吸附劑， 吸附至少一些包含在該不純惰性流體中的殘留雜質， d) 回收一含有氫氣雜質的中間物惰性流體， e) 藉由滲透以移除包含在該中間物惰性流體中的氫氣 雜質， f) 回收在氣體狀態中的一高純度惰性流體。 根據特定狀態，本發明的方法可能包括有一個或是更 多的在下面的特徵： -其更包括一滲透氣體混合物的回收’該混合物含有該 惰性氣體和氫氣： -該滲透氣體混合物包含有少於10%的氫氣’並且一 般爲少於1%的氫氣’其相當於原來包含在中間物惰性流體 中實際上所有的氫氣’剩下的大體上爲該惰性氣體； -儲存該滲透氣體混合物； -其更包括了藉由該滲透氣體混合物的方法使至少二個 吸收床的再生： -在該再生之前’在合適之處加入一氫氣成份到該滲透 氣體混合物中，以使獲得含有從1到5%氫氣的再生混合物 ---------ίί------IT-------^ ' I (对先閲讀背而之注意事項洱功，^本丌) 乂丨K ㈣（（.NS ) Λ4· ( 2 丨0X 297 公楚）

S A7 _____B7_ 五、發明説明（) ，剩下的大體上爲該惰性氣體； -在步驟e)之前，其包括至少加熱以及/或是蒸發含有 [ 氫氣雜質之該惰性流體的一個步驟： -在步驟a)之前，其包括至少乾燥以及/或是去碳化該 氣體的一個步驟： -從交換或是未交換的天然或合成泡沸石或是多孔的金 屬氧化物中，選擇該吸附器物質； 1 -該惰性氣體是從氬氣和氮氣中所p出的。 本發明同樣也是有關於一種由大氣氣體中製備一高純 度惰性氣體的裝置，包含有； -用來壓縮大氣氣體的裝置， -用來低溫蒸餾該壓縮氣體的裝置，其至少包括一個低 溫蒸餾塔， •用來回收至少一種含有氫氣雜質(h2)和殘留雜質之不 純惰性流體的裝置， -用來吸附至少一些該殘留雜質的裝置，該裝置包含有 至少一種吸附器， -用來回收一含有氫氣雜質的中間物惰性流體， ''含有至少一組件用來滲透該中間物惰性流體的滲透裝 ® ’該中間物惰性流體含有氫氣雜質， -以及用來回收一高純度惰性流體的裝置。 * 根據該特定的例子，本發明的裝置可能含有一個或是 更多的下面的特徵： 〜含有一純化之薄膜組件的滲透裝置，該滲透裝置被置 —------—丽· 一 — — --- ---------裝------訂------線 . (对先閱讀背1FJ之;'i念事項再读Ϊ-:·*';本灯) 434183 ί 合 fl B7 五、發明説明（$ ) 入其溫度可以被規律化的室內： -該滲透裝置的滲透輸出口爲連接到至少爲一機器上， | 該機器是從真空幫浦或和壓縮機中所選出的。因此其可能 放置該薄膜組件的滲透邊到一部分真空上： -該吸收裝置包含有至少二個並聯操作的吸收器； -其更包括了用來回收一滲透氣體混合物的裝置，該渗 透氣體混合物含有或是藉由該惰性氣體和在中間物惰性流 體中實際上所含有之全部氫氣的滲透分量來形成。在滲透 氣體混合物中的氫氣含量爲少於10%，且一般爲少於或是 等於l°/p 本發明更是有關於一再生氣體混合物，其包括了從1 到5°/。氫氣和惰性氣體，該氣體混合物能夠經由上面所提到 的方法來獲得。 現在本發明將由二個實施例的幫助以及參考附於後的 附圖1和附圖2來作更加詳細地說明，該實施例是用來做 舉例說明的方式但不是提供作任何的限制。 附圖1顯示了由大氣氣體中用來製造一超純惰性流體 裝置的第一個實施例，在這個例子中該惰性流體是氮氣。 大氣氣體是藉由壓縮的裝置（未顯示出)被壓縮，且然 後送到一滲透區域中（未顯示出），在該區域中爲了移除例 如來自於（：02和H2o的雜質，將該氣體乾燥以及去碳论。 該乾燥以及去碳化的壓縮氣體然後被送到一氣體分離 單元1中，該單元包含有一個或是更多的熱交換器，以及 一個或是更多的低溫蒸餾塔，在這單元中其被分餾。 I» u —I n n n In It D n _ _ .1 - T I .: _f 1 i__ 1 1 *-° (对先¾讀背(6之注&事項再^y-:t本打) 木紙依又度这；丨；1ί.^!\Ίγ·今丨( 2I〇x297公釐） 43^ ： 五、發明説明（b) 在該氣體分鮮元的輸出日上’回收在液態或是在氣 體狀態中之不純的惰性流體’在此爲氮氣* ° 在此方法中所製造的該不純低溫氮氣，含有從幾個 ppm(爲百萬分之-體積)到數十個ppm的雜質。 使得製造不純氮氣的能力爲非常經濟有效设，其應該 被加重，例如在與具有較高純度氮氣的產物之比較上，假 定使其可能降低在一個或是更多的低溫蒸餾塔內部之塡充 物相當大高度。 - 在此方法中所製造的不純氮氣，一般含有像是爲氧氣 (〇2)和一氧化碳(C0)的殘留雜質以及氫氣雜質(Hz)，該雜質 爲起先就存在於大氣氣體中。 在此方法中所製造的不純氮氣’然後藉由在純化區域 3之中的吸收，將被置放到一後處理中’該純化區域包括 了並聯操作的二個吸附器3a和3b以及VICE VERSA，也 就是說當吸附器3a在純化相中時，該吸附器3b是在再生 相之中。 這些吸附器3a和3b的每一個都含有一個或是更多的 吸附床，該吸附床使其爲可能移除在該不純氮氣中所含有 的殘留雜質，特定是一氧化碳(C0)和氧氣(〇2)，所以中間 純度的氮氣或是”中間物”氮氣可以在該純化區域3的輸出 口被回收，該中間物氮氣也就是本質上含有氫氣雜質\H2) 的氮氣。 該雜質CO和02的移除可以是在液態以及/或是在氣 體狀態中來實行，例如，藉由像是多孔金屬氧化物的吸附 _ _9 ___ 本紙》Λ度这川tKIM忧呤（CNSM4叹核（2丨0X297公釐〉 1 I 1 I 1·"訂----------線 {誚先閱讀背而之注念事項再".?ϊ本) 4341 8g 义:j Π .1 vl :ί: B7 五、發明説明（Ί ) 器的裝置，例如一活性的霍加劑(將CO轉換成co2的觸媒 )或是任何其他合適的吸附器。

I 含有氫氣雜質的該中間物氮氣，在該純化區域3的輸 出口上藉由回收裝置4來回收，並且在被導入到該滲透區 域6之前，在一個或是更多的熱交換器5中任意加熱以及/ 或是蒸發，該滲透區域至少含有一個並且以多個較適合的 滲透組件6a和6b，例如，爲被置入一其溫度被調節之室 內的薄膜組件，例如該室內保持在從5°C到60°C的溫度中 ，以在40°C的程度爲較適合。 在該固定的(retentate)輸出口上，回收裝置7運送一高 純度氮氣的流體到一場所8,在此處其可被使用或是作儲 存，該高純度也就是指含有少於1 ppb的雜質。 此外，在滲透的輸出口 9上，滲透的流體被回收，其 成份爲一氮氣與氫氣的混合物，並且一般而言含有少於1% 的氫氣•剩下的大體上都是氮氣。 含有氮氣和氫氣的此一滲透流體，隨後被機器10來壓 縮並且儲存在一個或是更多的緩衝容器Π之中，該緩衝容 器目的是爲了隨後要使用到。 特定而言，這個滲透流體可以用來使被包含在吸捫器 3a和3b之中的該吸收床再生，該再生就是指再活化。 在這些例子中，吸收器的再生較適合發生在熱狀to中 ，在一還原化合物(氫氣)的百分比爲從1到5%的程度中’ 熱狀態是指在溫度是從200到250°C的等級》 然而，在特定的例子中必須加入一氫氣成份到滲透流 --------->t------IT--------味 (1A先閱讀 f«6之·./XA事項再JAK·本 Π )

A 83 A7 修正 89:12. 3 太士 Μ 鉑亦/____ 五、發明說明（y > 體中，以使獲得具有氫氣程度爲在前述範圍中的再生流體 提挺一讀足氫氣進料13是爲了此一目的。 -在它導入到吸附器3a或是3b之前，藉由通過一加熱 器I4將該再生流體被加熱到該再生溫度。 儲存在容器U之中的滲透流體’假若合適的話’同樣 也可以送到使用者的所在處12,在此處它將依其現狀來使 用，這也就是說，在此處其供應的氣體不需要高純度’例 如當作一淸除、噴流、情性或是乾燥用的氣體時。 該滲透較適合在該組件的輸入口處、在4〇°C程度的溫 度下且在從5到10 bar的壓力下實行。 根據該特定狀態，該滲透的壓力可以是大氣壓力或是 爲部份真空(例如絕對壓力0.2 bar):在這個例子中，因而 該機器10是一真空幫浦，或是一以放置在下游處之壓縮機 作爲進料的真空幫浦。 附圖2相似於附圖1，並且該相同的部份具有其爲同 樣的參考資料。 然而，在這個例子中，顯示在附圖2之中的該滲透區 域6 ’包括了不是2個而是3個並聯排列的滲透組件，該 組件可能增加生產速率。 此外，附圖2與附圖1不同的是存在有一熱交換器15 ’該交換器使其爲可能在氣體流動進入到滲透區域6之前 ’在該中間純度的氣體流動之間進行熱交換，在固定邊上 所回收的高純度氮氣流體，以及離開該滲透區域6的該滲 透流體(氮氣/氫氣的混合物）。 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公茇） (猜先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--— 111!訂-! I ί 經濟部智慧財產局員工消货合作社印製

表格 A7 — 87 _____ 五、發明説明（5 ) 這個特定的裝置具有的優點爲，使其可能將溫度規律 化系統能量消耗爲最小。 雖然附圖1和附圖2顯示爲用來製造高純度氮氣的裝 置，這些裝置以也可以用來生產其他的高純度惰性氣體’ 例如，特別是氬氣。 執行本發明的方法，使其可能獲得在下面表格中所對 照的結果。 試驗序號 1 2 3 4 在滲透區域輸入口的壓力 (絕對壓力bar) 7.38 7.35 7.36 8.25 在滲透區域輸入口的流動速率 m3(stp)_h_1 5,02 6.00 6.00 5.02 滲透的流動速率 m3(stp)(N2/H2).h·' 2.09 1.57 1.24 1.51 固定的流動速率 m3(stp)(N2/H2).h*1 2.93 4.43 4.76 3.5 1 在滲透區域輸入口的H2程度 (PPb) 900 900 200 4000 在固定邊輸出口的H2程度 (PPb) N.D. N.D. N.D. N.D. 滲透溫度（°C) 50 24 25 40 滲透壓力（絕對壓力bar) 0.65 0.80 0.40 A.P.

N.D.=在參考 RGA3 之下，未被 TRACE ANALYTICAL 公司所製造的分析器探測出。 ________________________12__ 木紙乐尺度述川屮内丨ΛΙ家彳（（'Μ ) Λ4叹核（210X297公嫠） ---------'>!------ix-------球 (动先間請背面之注意事項再βΐΐτ本打) . 4341 8$ A7 B7 祕 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1 σ ) A.P.=大氣壓力。 ；ih面游表格爲實際操作本發明的方法，使其可能由含 有大於4000 ppb之Η:雜質的氮氣中，並且在各種的流動 速率、壓力和溫度條件下，製造出超純氮氣(少於5 ppb的 H2)。 經由三種不同分離技術爲評定良好連結的性能，也就 是低溫蒸餾、藉由吸附而純化、以及藉由滲透而分離，一 方面，本發明的方法和裝置爲可能生產出非常高純度的惰 性流體，該情性氣體可以特定使用在電子業的領域中，且 另一方面，利用某些的廢氣或是滲透氣體，該氣體通常被 去電荷放到大氣中，爲了不同的目的來回收它們和使用它 們，特定爲使該吸附器再生，該吸附器是使用在藉由吸收 的純化相之間。 圖式簡單說明 圖1顯示由大氣氣體中用來製造一超純情性流體裝置 的第一個實施例。 圖2顯示由大氣氣體中用來製造一超純惰性流體裝置 的第二個實施例。 圖式元件符號說明 1 氣體分離單元 3 純化區域 3a 吸附器 3b 吸附器 4 回收裝置 本紙張尺度適用中國國家兩（CNS)A4規格（210x297公変_) 13 1 J----I I----^-----訂·!-線 I (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) /「 3 4

五、發明說明（丨丨） 5 /熱交換器 k 滲透區域： 6a 滲透組件' 6b 滲透組件 7 回收裝置 8 場所 9 滲透輸出口 10 機器 11 緩衝容器 12 使用者所在處 13 補足氫氣進料 14 加熱器 15 熱交換器 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----訂---- I --- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. AS B8 C8 D8

   本丨 六、申請專利範圍 1. 一種由空氣中製備一高純度惰性氣體的方法，其係 包含蓮續，驟：’ -a)低溫蒸餾麼縮的氣體， b) 回收一含有氫氣雜質(H2)和殘留雜質的不純惰性流 體， c) 藉由至少一個吸附床，該來含有至少—種吸附劑， 來吸附至少一些包含在該不純惰性流體中的殘留雜質， d) 回收一含有氫氣雜質的中間物情性流體， e) 藉由滲透以移除包含在該中間物惰性流體中的氫氣 雜質， f) 回收在氣體狀態中的一高純度惰性流體。 2. 根據申請專利範圍第i項的方法，其中更包括一滲 透氣體混合物的回收，該滲透氣體混合物含有該惰性氣體 和氣氣。 3. 根據申請專利範圍第2項的方法，其中該滲透氣體 混合物含有少於10%的氫氣，剩下的大體上爲該惰性氣體 4. 根據申請專利範圍第2項和第3項中任一項的方法 ，其中該滲透氣體混合物被儲存。 5. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中其更包括了 藉由該滲透氣體混合物使至少一個吸附床再生。 6. 根據申請專利範圍第5項的方法，.其中在該再生之 前，加入一氫氣補充物到該滲透的氣體混合物中，以使得 獲得含有1到5%氫氣的再生混合物，剩下的大體上爲該惰 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐） L — .1 ------^---1----訂--- - - - - --線 (請先W讀背面之ii意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局負工消費合作杜印製 4341 S3 00 OQ88 A&CD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 性氣體。/ .i根读申請專利範圍第1項的方法，其中在步驟e)之 前，其包括加熱以及/或是蒸發含有氫氣雜質的該惰性流體 的至少一個步驟。 8. 根據申請專利範圍第1項的方法’其中在步驟a)之 前，它包括了乾燥以及/或是去碳化該氣體的至少一個步驟 〇 9. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中該吸附物質 係選自交換或是未交換的天然或合成的泡沸石或是多孔的 金屬氧化物中。 10. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中該惰性氣體 是選自氬氣和氮氣中。 11. 一種由大氣氣體中製備一高純度惰性氣體的裝置， 其係包含： -用來壓縮大氣氣體的裝置， -用來低溫蒸餾該壓縮氣體的裝置（1)，該裝置包括至 少一個低溫蒸餾塔， -用來回收至少一種含有氫氣雜質(H2)和殘留雜質的不 純惰性流體的裝置（1、2)， -用來吸附至少一些該殘留雜質的裝置(3、3a、3b)， 該裝置包含有至少一種吸附器(3a、3b)， -用來回收一含有氫氣雜質的中間物惰性氣體(4)， -含有至少一個用來使該中間物惰性流體滲透之組件的 滲透裝置(6、6a、6b、6c)，該中間物惰性流體含有氫氣雜 2 (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 質， ：- ‘以友相來回收一高純度惰性氣體的裝置(7)。 -12.根據申請專利範圍第11項的裝置’其中該滲透裝 置（6 ' 6a、6b、6c)含有多個薄膜組件(6a ' 6b、6c)，該薄 膜組件被置入其溫度被調節的室(6)內。 13. 根據申請專利範圍第11項的裝置，其中該吸附裝 置(3、3a、3b)含有至少二個並聯操作的吸附器(3a、3b)。 14. 根據申請專利範圍第11項的裝置，其中其更包括 用來回收一滲透氣體混合物的裝置(9、U)，該混合物含有 該惰性氣體和少於10%的氫氣。 15. 根據申請專利範圍第U項和第12項中任一項的裝 置，其中該滲透裝置(6、6a、6b、6c)的滲透輸出口爲連接 到至少一部機器（1〇)，該機器是選自真空幫浦或和壓縮機 中。 ---I I---------11 灰· ----I 訂--- .------I I (諝先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 3 本紙張尺度適用中國圏家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）