氩精制方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供用简便的工序、少量的能耗来精制氩的方法。向含有作为不纯物的氮、一氧化碳、氢及甲烷的氩气中添加氧，在一氧化碳氧化塔３１中在催化剂的作用下氧化一氧化碳变成二氧化碳。向氢气中添加氢，在脱氧塔３３中在催化剂作用下使氧和氢反应变成水。在除碳干燥单元５０中用吸附剂从氩气中去除二氧化碳及水。该氩气在主热交换器６０等设备中被冷却并液化之后，导入精馏塔７０，用以氩为主成分的还流液进行精馏。从精馏塔顶部７６使氮与浓缩的氩气分离，从底部７７使甲烷与浓缩的液体氢分离，从中段的气相中回收高纯度的氩气。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到精制含有不纯物的氩气并回收高纯度氩气的工艺方法及其装置，特别涉及到适合精制从单晶硅拉制装置中排出的氩气的工艺方法及其装置。作为半导体元件的原料被使用的单晶硅是由拉制法(直拉法)制造的，在单晶硅拉制装置(制造装置)中，为了控制硅结晶中的氧浓度，确保所制造的单晶硅的纯度，要向容器内大量供给作为保护气体的氩气。在从单晶硅拉制装置排出的氩气之中含有氮(N2)、氧(O2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)等等的不纯物，除此之外还有甲烷(CH4)、其他的碳化氢。氩气(Ar)在空气中只占0.93％，一般通过空气的深冷分离来精制。因此，氩气是比较昂贵的。从而希望精制从单晶硅拉制装置中排出的排出气(含有不纯物气体的氩气)并回收高纯度的氩气，进而进行再利用。对于精制含有不纯物气体的氩气并回收高纯度氩气的方法，已公开发表了各种工艺。例如，特开昭63-189774号、特开平1-230975号、特开平2-272288号及特开平5-256570号各公开公报上公布了在由吸附工艺除去了CO、CO2、H2O等不纯物之后，通过深冷分离和催化剂进行精制，得到精制氩气的方法。另外，在特开平2-282682号、特开平3-39886号、特公平4-12393号及特公平5-29834号的各公报上公布了含有用催化剂把CO、H2、碳化氢等不纯物变换成H2O及CO2工序的氩气回收方法。在上述各文献记述的氩气精制方法中，用催化剂把不纯物碳化氢通过氧化而转换成H2O和CO2，从而去除上述碳化氢。在该过程中，为了促进反应、添加过量的O2。即添加比氩气多的O2、添加的O2的量在去除碳化氢之后还有残余。为了从氩气中去除该O2，通常采用让O2与H2反应变成H2O来去除O2的方法。由于使用催化剂进行氧化反应之际，需要来自外部的热源，上述的各方法从能量效率方面来看不能说是圆满的方法。本专利技术是鉴于上述情况而完成的，本专利技术的目的在于提供一种由简便的工序组成的、能量消耗量少的氩气精制方法。本专利技术的氩精制方法是精制至少含有氮、一氧化碳、氧及甲烷的氩气以得到高纯度氩的氩精制方法，其特征在于，该方法备有四道工序，第一道工序向上述氩气添加空气或氧，使氩气中所含有的一氧化碳在催化剂作用下氧化而变成二氧化碳；第二道工序向经过了第一道工序的氩气中添加氢气、氩气中含有的氧气和氢气在催化剂的作用下进行反应为成水；第三道工序用吸附剂从经过了第二道工序的氩气中去除二氧化碳及水；第四道工序冷却经过了第三道工序的氩气之后，导入精馏塔，用以氩为主成分的还流液进行精馏去除氮、氧、甲烷、回收高纯度的氩气。最好是在上述第四道工序中，首先冷却经过了第三道工序的氩气、使氩气的大部分液化的同时，分离并去除浓缩着氢的氩气，其次，把液化了的氩导入精馏塔。最好上述精馏塔的精馏部由上段部、中段部、下段部构成，把上述液化的氩导入上段部和中段部之间，从上述精馏塔的顶部分离出浓缩着氮、氢的氩气，从上述精馏塔的底部分离出浓缩着甲烷的液体氩，从中段部和下段部之间回收上述高纯度的氩气。另外，在上述工艺中使用的氩精制装置是精制至少含有氮、一氧化碳、氧及甲烷的氩气而得到高纯度氩的氩精制装置，其特征在于，该装置备有一氧化碳氧化塔、脱氧塔、吸附塔、主热交换器、精馏塔。上述一氧化碳氧化塔用于向上述氩气中添加空气或氧，使氩气中含有的氧化碳在催化剂作用下氧化而变成二氧化碳；上述脱氧塔导入从上述一氧化碳氧化塔出来的氩气、添加氢，使氩气中含有的氧和氢在催化剂作用下反应变成水，上述吸附塔导入从上述脱氧塔出来的氩气，用吸附剂去除二氧化碳及水，上述主热交换器导入从上述吸附塔出来的氩气，冷却该氩气；上述精馏塔用于导入从上述主热交换器出来并冷却了的氩，用以氩为主成分的还流液进行精馏，去除氮、氧、甲烷、回收高纯度氩气。最好，在上述热交换器和上述精馏塔之间设置气液分离器，在从上述热主交换器出来的气液混合物中，将氢被浓缩了的氩气分离并去除，把液体氩导入上述精馏塔内。最好，上述精馏塔的精馏部由上段部、中段部、下段部构成，上述液体氩导入上段部和中段部之间，从上述精馏塔的顶部分离浓缩着氮及氢的氩气，从上述精馏塔的底部分离出浓缩着甲烷的液体氩，从中段部与下段部之间回收上述高纯度氩气。根据本专利技术的氩精制方法，从含有不纯物的氩气中，首先把与氩(沸点-186℃)之间沸点之差小的一氧化碳(沸点-192℃)及氧(沸点-183℃)分别变成二氧化碳及水并去除。其次，把去除了一氧化碳及氧的氩导入精馏塔，用以氩为主成分的还流液进行精馏，属于低沸点不纯物的氮(沸点-196℃)及氢(沸点-253℃)从精馏塔的顶部分离出去，属于高沸点不纯物的甲烷(沸点-162℃)从精馏塔的底部分离出去，其结果，从精馏塔的中段的气相中回收高纯度氩气。由于一氧化碳及氧与氩之间沸点之差小，所以在用精馏塔分离时必须有较多的精馏段。根据本专利技术的氩精制方法，由于分别把一氧化碳及氧变成二氧化碳及水并去除，所以可以比较容易的去除它们，为了去除甲烷，用精馏塔分离代替原有的在催化剂作用下氧化甲烷的方法。由于氩和甲烷之间沸点之差大，所以用精馏塔可以比较容易地分离甲烷。由于上述的结果，根据本专利技术的氩精制方法，与原有的方法相比可以简化工艺方法。再有，在工艺方法的途中向含有不纯物的氩气中添加的氧的量，与原有的方法比较可以减少。另外，在使用催化剂的氧化反应时，由于不需要来自外部的热源，可以降低工艺方法的整体的能量消耗。最好通过从外部向上述精馏塔供给高纯度的液体氩，以补充在精馏工序中所需要的冷热的一部分。由此，由于可以从外部用氩进行冷热的补给，所以装置的构成可以单纯化。附图说明图1是表示基于本专利技术的氩精制工艺方法的一个例子的流程图。图2是表示基于本专利技术的氩精制工艺方法的另一个例子的流程图。图3是组合基于本专利技术的氩精制装置的方法的说明图。在图1中，表示了基于本专利技术的氩精制方法的流程图的一个例子。图中，10表示单晶硅拉制装置(制造装置)，30表示预备精制单元，40表示冷却单元，50表示除碳干燥单元，60表示主热交换器，70表示精馏塔，80表示氩冷凝器，90表示高纯度氩罐。向单晶硅拉制装置10中，供给作为保护气体的高纯度的氩气(沸点-186℃)。在从单晶硅拉制装置10由真空泵12排出的气体(下面称氩排气)中除含有粉尘外，还含有H2、N2、O2、CO、CO2、碳化氢等的杂质。碳化氢在20Vol PPM以下主要是CH4。在本例中，真空泵12使用的是机械密封的干密封型真空泵。在图1中，为了简化，单晶硅拉制装置10和真空泵12分别只图示了一台，实际上并列配置了若干个装置。由于从这些单晶硅拉制装置10中排出的氩排气的量是对应单晶硅拉制装置10的运转台数而变化的，所以先收容在气体保存器13中。收容在气体保存器13里的氩排气，通过吸气过滤器单元14，由压缩机15导入预精制单元30。导入预备精制单元30的氩排气的流量被设定成与从单晶硅拉制单元10中排出的氩排气的平均流量相平衡。在吸气过滤器单元14中从氩排气中去除尘埃。为了补充在后续的氧化工序中所需要的氧量，在从吸气过滤器单元14出来的氩排气中通过配管P31添加微量的空气。氩排气由压缩机15升压到3.5-9.0kg/cm2G程度的压力。该压力值被设定成与在后续的除碳干燥工程中的最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氩精制方法，它是精制至少含有氮、一氧化碳、氧及甲烷的氩气而得到高纯度氩的氩精制方法，其特征在于，该方法包括：四道工序，在第一道工序中：在上述氩气中添加空气或者氧，使氩气中所含有的一氧化碳在催化剂的作用下氧化变成二氧化碳；在第二道工序中：在经过了第一道工序的氩气中添加氢，使氩气中所含有的氧和氢在催化剂的作用下进行反应变成水；在第三道工序中：使用吸附剂从经过了第二道工序的氩气中去除二氧化碳及水；在第四道工序中：将经过第三道工序的氩气冷却之后，导入精馏塔，使用以氩为主成分的还流液进行精馏，去除氮、氢、甲烷，回收高纯度的氩气。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：山本隆夫，山下直彦，
申请(专利权)人：液化空气日本有限公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]