氮气纯化脱氧物料及氮气纯化装置的制作方法

1.本发明涉及电子级纯化气体制造技术领域，特别是涉及一种氮气纯化脱氧物料及氮气纯化装置。


背景技术：

2.电子生产工业中，需要用到特种气体，如高纯的氧气、氮气、二氧化碳、氩气和丙烷等等，这些特种气体的纯度要远远高于普通的工业气体。普通工业气体的纯度在99.99％(通常称为4个9级别)以内，即可满足使用要求，而特种气体，尤其是先进制程的集成电路中，气体的纯度要求则在6个9以上。实际上，在目前最先进的芯片制程中，气体纯度要求甚至达到10个9。我国在芯片制造上受制于外国，特种气体纯度要求无法达标，目前在我国芯片制造产业中，88％的市场份额为外国电子特气生产商占有。
3.特种气体中的高纯氮气在集成电路、半导体和电真空器件制造中用作保护气和运载气。例如半导体行业中，为向反应系统提供所需能量，需要通过气体混合，在硅片表面沉积一层固体膜，这种工艺称为“化学气相沉淀(cvd)”，高纯氮就是用作cvd时的载气。另外，高纯氮在外延、光刻、清洗和蒸发等工序中，也作为置换、干燥、贮存和输送用气体。
4.高纯氮气具有如此巨大的重要性，人们想方设法以空气为原料，希望大批量且纯度更高地获取氮气。然而，空气的成分较为复杂，固体杂质尚且不说，对于气体杂质，例如氧气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和稀有气体等，尽可能降低其含量，是氮气高纯化的关键。获得高纯氮气，使其纯度达到ppb级的工艺流程很长，其中一个关键工艺是去除空气中或者工业纯氮中的氧气。现有技术中已经存在对氮气中包含的氧气进行脱氧的技术，然而，处理过程中需要在高温下进行，耗能较大，处理效率也并不高。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种氮气纯化脱氧物料及氮气纯化装置。
6.第一个方面，本技术提供了一种氮气纯化脱氧物料，包括经混合气预处理的钯触媒；所述混合气包括氮气和水蒸气，所述水蒸气的体积浓度至少为3％；所述预处理为用温度为260℃～550℃的混合气熏蒸所述钯触媒。
7.在第一个方面的某些实现方式中，所述水蒸气的体积浓度为5％。
8.结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述混合气的温度为320℃。
9.结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述熏蒸所述钯触媒的持续时间为5～12小时。
10.第二个方面，本发明申请还提供了一种氮气纯化装置，包括一氧化碳吸附组件、二氧化碳吸附组件和氧气吸附组件，所述氧气吸附组件包括氢气输送部和加热反应部，所述加热反应部内填充有如本发明申请第一个方面中任一项所述的氮气纯化脱氧物料。
11.在第二个方面的某些实现方式中，所述氧气吸附组件还包括氧传感器和电控阀门，所述氧传感器用于检测所述氧气吸附组件入口端的气体含氧量，所述电控阀门设置在所述氢气输送部的出气端，用于控制所述氢气输送部的氢气流量。
12.结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，所述加热反应部的加热温度为200～320℃。
13.结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，所述加热温度为300℃。
14.结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，所述一氧化碳吸附组件中填充有锰铜催化剂，所述二氧化碳吸附组件中填充有分子筛。
15.结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，还包括水蒸气吸附组件，所述水蒸气吸附组件内填充有活性氧化铝。
16.本发明的实施例中提供的技术方案带来如下有益技术效果：
17.本发明申请提供的氮气纯化脱氧物料及氮气纯化装置通过采用经混合气预处理的钯触媒，混合气含有水蒸气，在一定温度下对钯触媒进行熏蒸，所得到的的钯触媒可在更低的反应温度下与氢气反应，去除氮气中的氧气，实现低能耗氮气纯化。
18.本技术附加的方面和优点将在后续部分中给出，并将从后续的描述中详细得到理解，或通过对本发明的具体实施了解到。
附图说明
19.图1为本发明申请一实施例中一种氮气纯化装置的结构框架示意图；
20.图2为本发明申请另一实施例一种氮气纯化装置的结构框架示意图。
具体实施方式
21.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的可能的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文已经通过附图描述的实施例。通过参考附图描述的实施例是示例性的，用于使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面，而不能解释为对本发明的限制。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本发明的特征是非必要技术的，则可能将这些技术细节予以省略。
22.相关领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
23.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
24.下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及该技术方案如何解决上述的技术问题进行详细说明。
25.本技术第一个方面的实施例提供了一种氮气纯化脱氧物料，包括经混合气预处理的钯触媒；混合气包括氮气和水蒸气，水蒸气的体积浓度至少为3％；预处理为用温度为260℃～550℃的混合气熏蒸钯触媒。
26.钯触媒是氮气纯化领域的常见脱氧催化剂，通过钯触媒，在400℃～600℃，氧气可与成分比例得当的氢气快速充分地发生反应，得到水分，去除氮气中夹杂的氧气。然而，该去除工艺中需要将氢气或氧气加热到500摄氏度左右，才能确保钯触媒的催化效率，进而确保氧气被充分快速地从氮气中分离出来，显然，这是一种耗能较高的工业生产条件。
27.经试验测试，将市场上采购得到的用于进行氮气脱氧的钯触媒进行预处理，预处理后得到的钯触媒其催化反应温度相比于未经预处理的大幅度下降。采用温度较高的水蒸气熏蒸钯触媒，可以改变钯触媒的晶粒结构，增加钯触媒中的催化活性位点，从而大幅度降低钯触媒的催化反应温度。
28.本技术提供的氮气纯化脱氧物料通过采用经混合气预处理的钯触媒，其中混合气含有水蒸气，将混合气加热到一定温度下，对钯触媒进行熏蒸，所得到的的钯触媒可在更低的反应温度下，促进氧气与氢气反应，生成水蒸气，从而去除氮气中的氧气，大幅度降低脱氧能耗。
29.可选的，在本技术第一个方面实施例的一些实现方式中，水蒸气的体积浓度为5％。混合气中可以是95％的氮气，5％的水蒸气。试验证明，水蒸气的体积浓度为不小于3％的时候，对于钯触媒的预处理效果才会逐渐明显。
30.可选的，结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，混合气的温度为320℃。混合气的温度需要加热到260℃～550℃，在550℃以上，对于钯触媒的催化活性位点的增加效果不再明显。
31.可选的，在第一个实施例的某些具体实施方式中，熏蒸钯触媒的持续时间为5～12小时。将钯触媒放入罐中，在罐底通入高温混合气，将钯触媒吹起，反复在罐内翻滚，进行5～12小时候，得到预处理后的钯触媒。
32.基于同一发明构思，本发明申请第二个方面，还提供了一种氮气纯化装置10，如图1所示，包括一氧化碳吸附组件11、二氧化碳吸附组件12和氧气吸附组件13，氧气吸附组件13包括氢气输送部和加热反应部，加热反应部内填充有如本发明申请第一个方面中任一项的氮气纯化脱氧物料。氮气纯化装置由多个吸附组件组成，可以先进行一氧化碳、二氧化碳的吸收清除，再进行氧气的脱离，接着再进行其他成分的气体的清除，最后得到纯度更高的氮气。可以直接采用空气作为氮气的生产气源，也可采用粗加工形成的氮气源。本发明采用了具有更低催化反应温度的氮气纯化脱氧物料，能够以更低的能耗，达到相同的脱氧效果。
33.可选的，在第二个方面实施例的某些实现方式中，氧气吸附组件13还包括氧传感器和电控阀门，氧传感器用于检测氧气吸附组件入口端的气体含氧量，电控阀门设置在氢气输送部的出气端，用于控制氢气输送部的氢气流量。通过检测氧气吸附组件的入口端处输入的气体的氧含量，将数据输入到控制器，通过控制器调配位于氢气输送部的出气端的电控阀门，控制输入到氧气吸附组件13中的氢气含量，使氢气和氧气按照充分反应的配比混合，在钯触媒中充分反应，从而充分对氮气中的氧气进行脱氧，并且避免出现对氮气的二次污染。
34.从硬件角度看，控制器可以是cpu(central processing unit，中央处理器)，通用
处理器，dsp(digital signal processor，数据信号处理器)，asic(application specific integrated circuit，专用集成电路)，fpga(field－programmable gate array，现场可编程门阵列)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。控制器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，dsp和微处理器的组合等。
35.可选的，结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，加热反应部的加热温度为200～320℃。加热的方式可以是电加热，用控制器精确控制加热温度。可选的，在一个具体的实施方式中，加热温度为300℃，误差范围可以是
±
5℃。
36.可选的，结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，一氧化碳吸附组件11中填充有锰铜催化剂，二氧化碳吸附组件12中填充有分子筛。这些材料是常见的一氧化碳或二氧化碳吸附剂，可直接从市场上采购。
37.可选的，结合第二个方面的实施例和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，如图2所示，氮气纯化装置10还包括水蒸气吸附组件14，水蒸气吸附组件14内填充有活性氧化铝。水蒸气吸附组件14可以设置在氧气吸附组件13的后方，以便于吸收原本存在于氮气气源中的水蒸气，以及由氧气吸附组件13产生的水蒸气。除了活性氧化铝，可以采用吸潮性较好的无水氯化镍，但需注意无水氯化镍的装载。
38.本发明申请提供的氮气纯化脱氧物料及氮气纯化装置通过采用经混合气预处理的钯触媒，混合气含有水蒸气，在一定温度下对钯触媒进行熏蒸，所得到的的钯触媒可在更低的反应温度下与氢气反应，去除氮气中的氧气，实现低能耗氮气纯化。
39.以下是具体实施例：
40.实施例1：
41.将经过含有水蒸气的高温混合气预处理的钯触媒，应用于氮气纯化过程中的脱氧作业，大幅度降低反应温度，降低生产能耗，获得高纯度的氮气。
42.钯触媒采购自市场上已经应用的脱氧催化剂，混合气中包含3％的水蒸气，其余成分为氮气。将混合气加热至260℃，在熏蒸装置中装载待处理的钯触媒，对钯触媒进行熏蒸，熏蒸持续时间为5小时。
43.将预处理后的钯触媒装载到氮气纯化装置的氧气吸附组件中。启动氮气纯化装置，采用空气作为氮气气源，使得空气依次经过一氧化碳吸附组件、二氧化钛吸附组件和氧气吸附组件，其中氧气吸附组件的工作温度为200℃。经检测，处理后得到的气体样本中氧气含量最小数值为0.81ppm。
44.实施例2：
45.混合气中包含体积浓度为3％的水蒸气，其余为氮气，将混合气加热至300℃，熏蒸钯触媒5小时。采用上述预处理后的钯触媒进行脱氧作业，根据检测到的氮气气源中的氧气含量，输入对应比例的氢气，在200℃下，预处理后的钯触媒可将氮气气源中的氧气充分转化为水蒸汽，经检测，处理后得到的气体样本中氧气含量最小数值为0.78ppm。
46.实施例3：
47.混合气中包含体积浓度为5％的水蒸气，其余为氮气，将混合气加热至260℃，熏蒸钯触媒5小时。采用上述预处理后的钯触媒进行脱氧作业，根据检测到的氮气气源中的氧气
含量，输入对应比例的氢气，在200℃下，预处理后的钯触媒可将氮气气源中的氧气充分转化为水蒸汽，经检测，处理后得到的气体样本中氧气含量最小数值为0.77ppm。
48.实施例3：
49.混合气中包含体积浓度为5％的水蒸气，其余为氮气，将混合气加热至260℃，熏蒸钯触媒12小时。采用上述预处理后的钯触媒进行脱氧作业，根据检测到的氮气气源中的氧气含量，输入对应比例的氢气，在200℃下，预处理后的钯触媒可将氮气气源中的氧气充分转化为水蒸汽，经检测，处理后得到的气体样本中氧气含量最小数值为0.78ppm。
50.实施例4：
51.混合气中包含体积浓度为5％的水蒸气，其余为氮气，将混合气加热至260℃，熏蒸钯触媒8小时。采用上述预处理后的钯触媒进行脱氧作业，根据检测到的氮气气源中的氧气含量，输入对应比例的氢气，在320℃下，预处理后的钯触媒可将氮气气源中的氧气充分转化为水蒸汽，经检测，处理后得到的气体样本中氧气含量最小数值为0.69ppm。
52.实施例5：
53.混合气中包含体积浓度为5％的水蒸气，其余为氮气，将混合气加热至320℃，熏蒸钯触媒8小时。采用上述预处理后的钯触媒进行脱氧作业，根据检测到的氮气气源中的氧气含量，输入对应比例的氢气，在300℃下，预处理后的钯触媒可将氮气气源中的氧气充分转化为水蒸汽，经检测，处理后得到的气体样本中氧气含量最小数值为0.54ppm。
54.实施例6：
55.混合气中包含体积浓度为10％的水蒸气，其余为氮气，将混合气加热至550℃，熏蒸钯触媒12小时。采用上述预处理后的钯触媒进行脱氧作业，根据检测到的氮气气源中的氧气含量，输入对应比例的氢气，在320℃下，预处理后的钯触媒可将氮气气源中的氧气充分转化为水蒸汽，经检测，处理后得到的气体样本中氧气含量最小数值为0.60ppm。
56.对比例：
57.采用钯触媒进行脱氧作业，根据检测到的氮气气源中的氧气含量，输入对应比例的氢气，在500℃下，钯触媒可将氮气气源中的氧气充分转化为水蒸汽，经检测，处理后得到的气体样本中氧气含量最小数值为1ppm左右。
58.根据大量的试验数据以及上述的实施例和对比例可看出，经过水蒸气处理的钯触媒，在对氮气进行脱氧的作业过程中，能够得到良好的应用，大幅度降低氢氧反应的温度，提升氧气的吸收程度，提升氮气纯度。
59.本技术领域技术人员可以理解，本技术中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本技术中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本技术中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
60.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
61.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实
施例或示例中以合适的方式结合。
62.应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
63.以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。