1、2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 207 超高纯氮气纯化设备在磨具行业中的应用 超高纯氮气纯化设备在磨具行业中的应用 于志日1,李 楠1,安 勋1,杜霞茹1,徐 卫1,侯 蕾1,肖 菲1,吴 熠1,李宏涛2(1大连凯特利催化工程技术有限公司;2大连圣迈化学有限公司,辽宁 大连 116085)摘 要:摘 要:高纯氮作为冷却气和保护气,广泛应用于电子、半导体、多晶硅和磨具加工等行业。制备高纯氮通常采用空气分离方法,利用氮气和氧气沸点不同,使空气中的氮气和氧气分离,制得的氮气再经过纯化,得到符合要求的高纯氮。
2、本纯化设备内装填 O-345M 脱氧剂、13X 分子筛和 PEN 高效脱氧剂,普通氮气通过补氢脱氧、吸附脱水和残存氧脱除,达到氧含量、水含量均小于 1ppm 的要求,实现氮气纯化。设立 A、B 两个干燥塔,方便工作和再生的需要,保证吸附效果。关键词:关键词:高纯氮;保护气;补氢脱氧;纯化;模具加工 近年来电子、半导体、多晶硅和磨具加工等行业发展迅速,同时对制造生产过程中用到的氮气要求愈发严格,普遍认为氮气纯度越高,产品质量越好1。经过几十年的发展,高纯氮生产技术日渐成熟,通常采用空气分离方法,利用氮气和氧气沸点不同,使空气中的氮气和氧气分离,制得的氮气再经过纯化,得到符合要求的高纯氮2。纯化过
3、程采用加氢脱氧工艺,即向氮气中加入比例合适的氢气,在脱氧剂的作用下反应生成水,脱除大部分氧;残存的氧和水再经过干燥塔和脱氧塔,完成脱水和脱氧3。表 14列出纯氮、高纯氮和超纯氮的技术要求。表 1 纯氮、高纯氮和超纯氮的技术要求 表 1 纯氮、高纯氮和超纯氮的技术要求 指标 项目 纯氮 高纯氮 超纯氮 N2纯度(体积分数)/10-2 99.99 99.999 99.9999 O2含量(体积分数)/10-6 50 3 0.1 Ar 含量(体积分数)/10-6 -2 H2含量(体积分数)/10-6 15 1 0.1 CO 含量(体积分数)/10-6 5 1 0.1 CO2含量(体积分数)/10-6
4、10 1 0.1 CH4含量(体积分数)/10-6 5 1 0.1 H2O 含量(体积分数)/10-6 15 3 0.5 为满足嘉善台展模具有限公司对氮气中氧、水含量的特殊要求(均为 1ppm 以下),我公司在现场配备了超高纯氮气纯化设备,并进行了现场试验。该纯化设备采用催化和化学吸附工艺联用,进行氮气纯化。采用专利催化剂,纯化深度高,全面保证产品质量。其中补氢脱氧反应器中装有 O-345M脱氧剂,后端干燥脱氧塔中装有 13X 分子筛和 PEN 高效脱氧剂,上述脱氧剂及分子筛均为本公司自主研发产品。本文考察氮气通过上述纯化器,尾气中氧含量及水含量的脱除效果,以及单个干燥脱氧塔的使用时间。1 实
5、验部分 1 实验部分 超纯氮气纯化设备、所用到的催化剂由大连凯特利催化工程技术有限公司提供,简易流程如图 1 所示。加氢脱氧塔装有 O-345M 脱氧剂,体积 78L。干燥脱氧塔分 A、B 两个塔,图 1 超纯氮气纯化设备简易流程图 图 1 超纯氮气纯化设备简易流程图 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.069208 于志日:超高纯氮气纯化设备在磨具行业中的应用 方便一个工作一个备用,上部装有 13X 分子筛,下部装有PEN 高效脱氧剂,均为 39L。上游氮气含氧量在 50-70ppm 之间。第一部分加氢脱氧反应在常温、常压下进行,氮气流量 180Nm3/h 上下浮
6、动,按照 H2/O2化学计量比 1.8/1 补氢,补氢流量随氮气主流量变化。末端脱水及脱氧在常温、常压下进行,当氧含量或者水含量超标,视为失活,重生的同时切换到另个塔工作。纯化后的氮气通过测氧仪、露点仪和测氢仪在线进行分析,仪器在出厂前均进行校正,保证结果准确。2 结果与讨论 2 结果与讨论 图 2 A 塔累计时间与出口氧(水)的关系曲线 图 2 A 塔累计时间与出口氧(水)的关系曲线 图 3 B 塔累计时间与出口氧(水)的关系曲线 图 3 B 塔累计时间与出口氧(水)的关系曲线 首先通氮气,经加氢脱氧塔干燥脱氧塔 A,脱除氮气中的氧气,干燥脱氧塔 B 准备。反应半小时后开始记录出口氧、水含量
7、。当反应进行到 195 小时,出口氧超过 1ppm 时,视为干燥脱氧塔 A 失活,进入再生过程并切换到干燥脱氧塔B 继续工作。在 B 塔工作到 120 小时,此时出口氧和出口水仍在 1ppm 以下。图 2、图 3 分别是累计时间与 A、B 两塔出口氧和出口水的关系曲线。考虑到脱氧的同时不引进氢气,本次补氢比例为1.8/1,未按照 2/1 计算,在 O-345M 脱氧剂脱除大部分氧后,残余氧被后端的 PEN 高效脱氧剂脱除,保证脱氧的同时不引进氢气,出口氢含量基本为零。3 结 论 3 结 论(1)通过对上游氮气纯化,达到了脱除氧气的目的,出口氧和出口水均小于 1ppm,同时补氢量合适,避免引进氢气,符合现场用气标准。(2)纯化过程中,A、B 两塔切换工作,保证脱水和残存氧合格。实验时正值夏季,反应在环境温度下进行,若环境温度降低,脱氧效果也会降低,适当提高反应器温度,能确保反应正常进行。参考文献 参考文献 1 王开兵,邓韬,许高坡,等.PPB 级高纯氮生产的工艺设计及其技术特点分析J.广州华工,2021,49(10):137-139.2 徐长江.浅析高纯氮气在冶金与电子行业的应用J.化工管理,2018(17):167.3 朱银在.变压吸附氮气纯化技术的应用进展J.气体分离,2006(1):22-26.4 纯氮高纯氮和超纯氮:GB/T 8979-2008S.