1、2023 年 第 1 期 化学工程与装备 2023 年 1 月 Chemical Engineering&Equipment 41 超纯水洁净氮气的用量超纯水洁净氮气的用量 潘海关1,2，杜晶晶1,2，程建香1,2（1爱环吴世（苏州）环保股份有限公司；2江苏省绿色功能型水处理剂工程技术研究中心，江苏 苏州 215011）摘摘 要要：近年来，某国不断对我国半导体产业进行制裁和打压，一直卡脖子的芯片被推上了风口浪尖，也让我们意识到核心科技要掌握在自己手上。而超纯水的生产对于半导体的生产过程起到至关重要的作用。超纯水的制造过程尤为精确，每一个环节容不得出现任何问题。精致的超纯水需要超洁净的氮气进行密
2、封，与外界空气隔绝。本次研究主要针对超纯水使用的洁净氮气的用量进行研究。大大降低洁净氮气的使用量，从而降低运行成本。关键词：关键词：半导体；超纯水；洁净氮气；微调比例阀 1 1 技术领域技术领域 本研究方向涉及半导体行业生产过程中用到的超纯水系统。其中针对终端超纯水的密闭封存，与空气进行隔绝，采用高纯氮气。为了降低氮气用量从而降低运行成本。包括系统工艺、控制逻辑方面进行相关研究。对半导体的研制、生产减少成本，以至于对大量的电子产品起到降低成本的作用。2 2 技术背景技术背景 超纯水系统是现在半导体生产上使用非常重要的设备，由于在工业生产上对超纯水的使用量非常大，一般的小型超纯水机并不能满足要求
3、，而超纯水系统在这种时候就是用来提供大量生产用水。在半导体行业生产制造过程中，由于电子设备对冲洗用水中金属离子的含量要求非常高，必然需要增加使用 CEDI 电渗析技术才能将水中金属离子去除掉。然而电渗析生产的产品水，水质可达到 17.5Mcm以上，已经属于高纯纯水，如果与空气接触，水质会瞬间下降。这就需要对于电渗析的产水进行封存，与空气隔绝，隔绝用的氮气纯水需99.999%。后面再将此部分的水净化成超高纯度的超纯水。3 3 详细内容详细内容 3.1 工艺说明 超纯水系统总体来说一般可分为三个部分：超纯水制备区；超纯水密闭封存区；超纯水输送系统。超纯水的制备过程是很复杂很重要的部分，由如下几个部
4、分组成：前处理系统、脱盐纯化处理系统、精致超纯水系统。前处理系统主要包括：多介质过滤器、活性炭过滤器、脱盐纯化处理系统主要包括：阴阳离子交换塔、脱炭酸塔、精密过滤器、以及双级逆渗透系统。精致超纯水系统主要包括：脱氧脱碳工艺系统、TOC 及UV 杀菌系统、核子级混合床及终端超滤过滤系统。在向工艺生产车间设备输送超纯水的环节中，输送的管道对水质有污染影响，需要考虑在车间生产区再设置二级抛光混床系统，及终端过滤系统，除去在向生产车间输送超纯水的环节中，管道内壁有污染物析出，从而影响水质。超纯水制备的过程，是一个极其精细的过程。首先设备自身的品质，对制备超纯水有决定性的作用。同时安装施工的过程，为了避
5、免混入杂质，中间环节的管控也尤为重要。在对设备及施工严格要求的前提下，还要避免空气对水质的污染。当 CEDI 电渗析系统制备的高纯水时，需要到水箱中进行封存。封存过程需要使用高纯洁净氮气进行封存，避免混入空气、氧气、二氧化碳等气体。这就需要对氮气的选用、控制以及平时的维护，相当注重。氮气必须采用纯度大于 5 个 9 的高纯洁净氮气。氮气的补充跟补水量、用水量有直接关系。如果控制不好，那么氮气量用量会非常大，对于整个超纯水的制备过程成本会上升。这就需要对氮气的补充过程与水量进行匹配。系统控制可采用比例调整阀、静压式液位计，变频器等控制设备进行高精度匹配。在超纯水的封存阶段，降低超纯氮气的使用量。
6、降低生产过程的成本，从而降低后续一系列成本的成本。氮封系统设置在“超纯水密闭封存区”，用于对电渗析系统的产水进行封存，与空气隔绝。保证高纯的水质。3.2 氮封系统说明 图图 1 1 系统的组成系统的组成 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.10342 潘海关：超纯水洁净氮气的用量 1 氮气系统；2 比例三通阀；3 水封器；4 纯水箱；5 输送水泵；说明：比例三通阀是通过纯水箱中的静压式液位计反馈模拟量信号，精准的控制三通阀的开度。说明：氮气系统采用高纯氮，纯度99.999%的氮气，配备二次减压阀及微压阀，保证氮气压力的存在。说明：配备水封器，进行优化处理，正压可达
7、2.8KPa。说明：纯水箱为经过熏蒸水箱，减少析出物。氮气的正常用量：瞬时 N2补充（最大）3.2.1 最大出水水量按照 8.4m3/H 计，当 EDI 不在补水时，N2用气量最大。即氮气的最大补充量为 8.4m3/H（当前温度，视为 25）根据克拉伯龙方程 PV=nRT 可得 P1V1/T1=P2V2/T2 (P1=P2)8.4/298.15=V2/273.15 V2=7.7Nm3/H 结论一：即最大用气量为 7.7Nm3/H (理论最大气量)3.2.2 系统补水说明 当液位低于 M 位后，二级 RO+EDI 系统启动产水，补到H 位后停止补水；运行中氮气补气说明（1）当水箱中低于 0.0K
8、Pa 时，补充 N2。当达到 3.0KPa时，停止补氮气；（2）即当纯水槽为常压的情况下，水位波动24mm 不会补充氮气；3.2.3 系统设有调整液位的装置比例式调整三通阀。当液位下降时，通过三通阀微调，保持水箱的液位高度波动很小。结论二：将液位的波动控制在 24mm 以内，则基本不用 补充氮气；3.2.4 用水量波动大的情况 当后续用水量波动大，液位变化24mm 时。单次用气量为：(1.5*1.5*3.14)/4*0.8*0.03=0.04m3按照每天持续波动 100 次计算 那么每天用气量约 4 Nm3/D 结论三：实际氮气用量与水箱液位变化有直接关系；3.3 系统的控制方式 此氮封控制系
9、统是一个典型的闭环控制系统。检测单元：纯水箱静压式液位计（输出 420mA 模拟信号）；控制对象:比例三通阀（可接收 420mA 模拟信号）；控制器：PLC 控制系统。控制原理：将纯水箱液位计信号，利用 PLC 的 AD 模块，读入到 PLC 控制器；将采集到的纯水箱液位计 420mA 模拟信号，转换成数字量信号，换算成以米为单位的液位高度（PV值），与触摸屏上设定的液位高度(SV 值)比较；调用 PLC的 PID 调节指令，并进行 PID 参数设置，经过 PID 运算得出数字值，再通过 PLC 的 DA 模块转换成模拟量，给到控制纯水箱进水的比例三通阀，控制三通阀的补水开度，实现纯水箱的恒液
10、位控制。通过以上的设置，可以将实际液位控制在 24mm 之内变化。这样氮气的使用量基本为“0”。运行数据及结论运行数据及结论 序号 氮气瓶出口压力 减压后压力 氮气累积使用量 每日氮气使用量 天 0.2-14Mpa 0.20.4Mpa 0-65Nm3 04Nm3 1 天 12.1 0.25 26.858 0.003 2 天 12.1 0.25 26.869 0.011 3 天 12.1 0.25 26.901 0.032 4 天 12.1 0.25 26.915 0.014 5 天 12.1 0.25 26.919 0.004 6 天 12.1 0.25 27.018 0.099 7 天 12
11、.1 0.25 27.033 0.015 8 天 12.1 0.25 27.042 0.009 9 天 12.1 0.25 27.046 0.004 10 天 12.1 0.25 27.089 0.043 11 天 12.1 0.25 27.107 0.018 12 天 12.1 0.25 27.13 0.023 13 天 12.1 0.25 27.15 0.02 14 天 12.1 0.25 27.215 0.065 15 天 12.1 0.25 27.223 0.008 潘海关：超纯水洁净氮气的用量 43 3.4 结 论 从数据可以看出，每天氮气用量基本在 0.01-0.1 之间。通过本次
12、研究及实际使用来看，氮气用量大幅缩减。实际用量仅为常规用量的 1/160。对于每小时用水量在 5-6m3的系统，每年节约费用约 5.3 万元。4 4 结束语结束语 依据本实验研究实施例为启示，通过上述的控制结构，可将氮气用量，减少到常规用量的 1/160，对于超纯水系统的氮气用量，大幅缩减。大大节省了系统的运行费用。可以大范围推广使用。随着今后对半导体、显示玻璃等高精尖行业，对超纯水的用量越来越大，本研究有着非常重要的意义。参考文献参考文献 1 中马高明,宫崎洋一.超纯水制造系统以及超纯水制造方法P.2 崔玉川.城市与工业节约用水手册M.2002.3 孙琴.我国实用新型法律保护制度探讨J.St
13、udy on nitrogen dosage of Ultrapure Water PanHaiGuan1,2、DuJingJing1,2、ChengJianXiang1,2(1.AQUA WORTH(SUZHOU)ENVIRONMENTAL PROTECTION CO.,LTD.；2.Jiangsu Green Functional Water treatment Agent Engineering Technology Research Center,Jiangsu SuZhou 215011)Abstract:Abstract:In recent years,Chinas semicon
14、ductor industry continued to impose sanctions and pressure,has been stuck in the neck of the chip was pushed to the forefront,but also let us realize that the core technology to master in their own hands.The production of ultra-pure water plays an important role in the semiconductor production proce
15、ss.Ultrapure water is made with such precision that there is no room for any problems at any stage.Delicate ultrapure water requires ultra-clean nitrogen to seal it off from the outside air.This study mainly focuses on the amount of clean nitrogen used in ultrapure water.Greatly reduce the use of cl
16、ean nitrogen,thus reducing operating costs.Keywords:Keywords:Semiconductor Ultrapure Water Clean Nitrogen Trim proportional valve （上接第（上接第 1616 页）页）_ 5 Tronko M D,Bogdanova T I,Komissarenko I V,et al.Thyroid carcinoma in children and adolescents in Ukraine after the Chernobyl nuclear accident:statistical data and clinicomorphologic characteristicsJ.Cancer,1999,86(1):149-156.6 Lujanien G.Fukushima Accident:Radioactivity Impact on the EnvironmentJ.Journal of Environmental Radioactivity,2014,129:16
