一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置與方法
【專利摘要】一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置與方法，屬于化工生產【技術領域】。該裝置包括原料瓶、收集瓶和吸附器，吸附器為依次連接的13X分子篩吸附器、5A分子篩吸附器、改性分子篩吸附器和3A分子篩吸附器。原料瓶通過外側的加熱器進行加熱，瓶內原料氣的壓力達到2.0-4.0MPa時打開第一減壓器，原料氣依次進入為分子篩吸附器。當吸附器中氣體的壓力達到2.0-4.0MPa時，打開第二減壓器，將經過吸附器除去雜質之后的氣體收集到外側設有冷凍裝置收集瓶中。該方法通過高壓吸附提高吸附劑的吸附深度和吸附速度，并通過對分子篩進行化學改性，具有物理吸附和化學反應的功能，提高吸附劑的吸附性能，實現對氧化亞氮中水、二氧化碳雜質的深度脫除，得到了高純氧化亞氮產品。
【專利說明】一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置與方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置與方法，其屬于化工生 產【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 氧化亞氮（N20)俗稱笑氣，化學名稱為一氧化二氮。微電子、光電子器件生產過 程中，從芯片的生長到最后器件的封裝，幾乎每一步、每一個環節都離不開電子氣體，因此， 電子氣體被稱為半導體材料的"糧食"和"源"。半導體器件性能的好壞，在很大程度上取決 于所用電子氣體的質量，電子氣體純度每提高一個數量級，都會極大地推動半導體器件質 的飛躍。由于電子氣體質量決定著1C技術的發展，而半導體器件又廣泛地應用于民用和軍 工領域，且發展勢頭強勁，它影響到國民經濟和國防的許多方面。高純氧化亞氮（N 20)主要 用于半導體光電器件研制生產的介質膜工藝，是直接影響光電器件質量的不可替代的關鍵 電子氣體。以高純氧化亞氮作為關鍵氣體源材料，采用PECVD工藝低溫淀積Si0 2膜，其掩 蔽膜、鈍化膜、器件抗反增透膜的形成，N20都是必不可少的關鍵原材料。隨著電子元器件制 造技術工藝水平不斷提高，其工藝對原材料的雜質含量要求也越來越高，尤其其工藝對敏 感的雜質含量要求越來越嚴格，如水份、二氧化碳等雜質，而氧化亞氮的雜質水、二氧化碳 含量過高，將造成Si0 2膜含氫量大，膜的致密性達不到器件要求，因此深度脫除氧化亞氮中 水、二氧化碳雜質的方法是生產高純氧化亞氮的關鍵技術工藝。
[0003] 中國專利CN1827524A《電子級笑氣提純工藝》，該專利是通過化學凈化和分子篩 純化等工藝生產電子級笑氣，但是該提純工藝工作壓力為0. 3-1. OMPa，屬于低壓吸附，在此 工藝條件下，無法提升吸附劑的吸附性能。而且該工藝生產的產品技術指標沒有提到作為 電子級氧化亞氮中關鍵雜質水的指標，二氧化碳含量為2PPm，也處于較高含量水平，同時 產品中雜質含量與現有國家標準《電子工業用氣體氧化亞氮》（GB/T 14600-2009)及國外 同類水平產品技術指標均有較大出入，已無法滿足現有電子工業用高純（電子氣）氧化亞 氮的純度要求。
【發明內容】
[0004] 為解決上述技術問題，本發明提供一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置 與方法，利用恒溫加熱，在高壓條件下采用常規分子篩和改性分子篩，深度脫除氧化亞氮中 水和二氧化碳雜質。
[0005] 本發明的技術方案是：一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置，包括原料 瓶和收集瓶，該裝置還包括吸附器，所述吸附器為通過氣體管路依次連接的13X分子篩吸 附器、5A分子篩吸附器、改性分子篩吸附器和3A分子篩吸附器；所述原料瓶的外側設有加 熱器，原料瓶與13X分子篩吸附器之間的氣體管路上設有第一減壓閥；所述收集瓶的外側 設有冷凍裝置，收集瓶與3A分子篩吸附器之間的氣體管路上設有第二減壓閥，在第二減壓 閥與收集瓶之間的氣體管路分支上連接一個真空閥。
[0006] 所述加熱器的熱導介質是水，加熱器的高度是900-1100毫米，加熱器的內直徑是 400-600 暈米。
[0007] 所述冷凍裝置的介質是酒精和液氮的混合體。
[0008] 所述13X分子篩吸附器中裝有經500-600°C高溫活化4小時后冷卻的13X分子篩， 所述5A分子篩吸附器中裝有經500-600°C高溫活化4小時后冷卻的5A分子篩，所述3A分 子篩吸附器中裝有經500-600°C高溫活化4小時后冷卻的3A分子篩，所述改性分子篩吸附 器中裝有經高溫活化的改性分子篩。
[0009] 所述的裝置深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的方法包括以下步驟： (a) 關閉第一減壓閥，打開第二減壓閥和真空閥，將真空泵接至真空閥處抽真空，使得 從第一減壓閥到收集瓶都處于真空狀態，關閉第二減壓閥和真空閥； (b) 將加熱器加熱到25°C，使置于加熱器中的原料瓶中氣壓達到2-4MPa ; (c) 打開第一減壓閥使原料氣順著氣體管路依次進入13X分子篩吸附器、5A分子篩吸 附器、改性分子篩吸附器和3A分子篩吸附器進行吸附除雜； (d) 當吸附器內氣壓達到2-4MPa時，打開第二減壓閥開始進行氣體收集，收集瓶的收 集溫度是_1〇〇 _ _140°C。
[0010] 采用上述技術方案的指導思想是：一般在相同溫度下，吸附劑對純化氣體的吸附 深度和吸附容量是隨著壓力的增加而增加，吸附速度亦隨著壓力增加而加快。氧化亞氮提 純過程是由液化氣體汽化變成氣體，氣體經過提純工藝得到高純的氧化亞氮產品。但是，氧 化亞氮液體汽化時消耗大量的汽化熱，原料鋼瓶會發生急劇的降溫，從而導致原料鋼瓶中 氧化亞氮的飽和蒸汽壓隨之降低。這樣，吸附系統壓力也會降低，為解決吸附壓力的降低而 影響吸附劑的吸附深度、吸附容量以及吸附速度，本發明通過加熱的方式，增加一個恒溫水 浴裝置，確保原料氧化亞氮鋼瓶汽化時的溫度穩定，并保持恒定的飽和蒸汽壓，保持吸附裝 置高壓狀態吸附工作，提高吸附劑的吸附性能，確保實現對氧化亞氮中水、二氧化碳雜質的 深度脫除，產出高純氧化亞氮產品。一般氣體脫水、脫二氧化碳可采用堿液、固體堿以及3A、 5A、13分子篩等，但這種方法把N 20中水雜質降到" ΚΓ6"數量級僅靠傳統的物理凈化滿足 不了實際需要。上述技術方案，在物理吸附的基礎上，通過對傳統的分子篩進行化學改性， 使之具有物理吸附功能的同時還具有化學反應的功能，進一步深度脫除N 20中的水、二氧化 碳雜質。具體實施的改性分子篩為：以氧化鋰、氧化鈉、氧化鉀為活性的高效吸附劑，活性物 質為改性3A、5A、13分子篩，使之具有物理吸附功能，同時還具有化學反應的活性，深度吸 附功能，主要深度吸附原料中的水和C0 2，其原理為：MO + H20 = M(0H)x，MO + C02= MC03 ，其中：M - Li、Na、K、Cs 等。 toon] 本發明的有益效果是：這種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置包括原料 瓶、收集瓶和吸附器，吸附器為通過氣體管路依次連接的13X分子篩吸附器、5A分子篩吸附 器、改性分子篩吸附器和3A分子篩吸附器。原料瓶通過設置在其外側的加熱器進行加熱， 瓶內原料氣的壓力達到2. 0- 4. OMPa時打開第一減壓器，原料氣依次進入各分子篩吸附 器。當吸附器中氣體的壓力達到2.0- 4. OMPa時，打開第二減壓器，將經過吸附器除雜之后 的氣體收集到外側設有冷凍裝置收集瓶中。該方法通過高壓吸附提高吸附劑的吸附深度和 吸附速度，并通過對分子篩進行化學改性，使之同時具有物理吸附和化學反應的功能，提高 吸附劑的吸附性能，實現對氧化亞氮中水、二氧化碳雜質的深度脫除，得到了高純氧化亞氮 產品。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1是一種脫除氧化亞氮中雜質的裝置的結構圖。
[0013] 圖中：1、加熱器，2、原料瓶，3、第一減壓閥，4、13X分子篩吸附器，5、5A分子篩吸附 器，6、改性分子篩吸附器，7、3A分子篩吸附器，8、第二減壓閥，9、收集瓶，10、冷凍裝置，11、 氣體管路，12、真空閥。
【具體實施方式】
[0014] 圖1示出了一種脫除氧化亞氮中雜質的裝置的原理圖。圖中，深度脫除氧化亞氮 中水和二氧化碳的裝置包括原料瓶2、收集瓶9和吸附器，吸附器為通過氣體管路11依次連 接的13X分子篩吸附器4、5A分子篩吸附器5、改性分子篩吸附器6和3A分子篩吸附器7。 原料瓶2的外側設有加熱器1，加熱器1的熱導介質是水，加熱器1的高度是1000毫米，內 直徑是500毫米。原料瓶2與13X分子篩吸附器4之間的氣體管路11上設有第一減壓閥 3。收集瓶9的外側設有冷凍裝置10,冷凍裝置10的介質是酒精和液氮的混合體。收集瓶 9與3A分子篩吸附器7之間的氣體管路11上設有第二減壓閥8,在第二減壓閥8與收集瓶 9之間的氣體管路分支上連接一個真空閥12。
[0015] 13X分子篩吸附器4中裝有經500-600°C高溫活化4小時后冷卻的13X分子篩，所 述5A分子篩吸附器5中裝有經500-600°C高溫活化4小時后冷卻的5A分子篩，所述3A分 子篩吸附器7中裝有經500-600°C度高溫活化4小時后冷卻的3A分子篩，所述改性分子篩 吸附器6中裝有經高溫活化的改性分子篩。
[0016] 實施例1 將裝有25Kg氧化亞氮的原料瓶2放置到加熱器1中，加熱加熱器1到溫度25°C，原料 瓶2壓力達到2. OMPa時打開第一減壓閥3使原料氣順著氣體管路（11)依次進入13X分子 篩吸附器（4)、5A分子篩吸附器（5)、改性分子篩吸附器（6)和3A分子篩吸附器（7)進行吸 附除雜。吸附器內壓力達到2. OMPa時打開第二減壓閥8,控制吸附器壓力始終為2. OMPa， 收集產品瓶溫度是-100 - _140°C，收集5Kg產品。收集到的氧化亞氮產品中水、二氧化碳 雜質含量分別為H20〈lPPm、C0 2〈lPPm。
[0017] 實施例2 將裝有25Kg氧化亞氮的原料瓶2放置到加熱器1中，加熱加熱器1到溫度25°C，原料 瓶2壓力達到3. OMPa時打開第一減壓閥3使原料氣順著氣體管路（11)依次進入13X分子 篩吸附器（4)、5A分子篩吸附器（5)、改性分子篩吸附器（6)和3A分子篩吸附器（7)進行吸 附除雜。吸附器內壓力達到3. OMPa時打開第二減壓閥8,控制吸附器壓力始終為3. OMPa， 收集產品瓶溫度是-100 - _140°C，收集5Kg產品。收集到的氧化亞氮產品中水、二氧化碳 雜質含量分別為H20〈lPPm、C0 2〈lPPm。
[0018] 實施例3 將裝有25Kg氧化亞氮的原料瓶2放置到加熱器1中，加熱加熱器1到溫度25°C，原料 瓶2壓力達到4. OMPa時打開第一減壓閥3使原料氣順著氣體管路（11)依次進入13X分子 篩吸附器（4)、5A分子篩吸附器（5)、改性分子篩吸附器（6)和3A分子篩吸附器（7)進行吸 附除雜。吸附器內壓力達到4. OMPa時打開第二減壓閥8,控制吸附器壓力始終為4. OMPa， 收集產品瓶溫度是-100--140°C，收集5Kg產品。收集到的氧化亞氮產品中水、二氧化碳雜 質含量分別為H20〈lPPm、C0 2〈lPPm。
【權利要求】
1. 一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置，包括原料瓶（2)和收集瓶（9)，其特 征在于，該裝置還包括吸附器，所述吸附器為通過氣體管路（11)依次連接的13X分子篩吸 附器（4)、5A分子篩吸附器（5)、改性分子篩吸附器（6)和3A分子篩吸附器（7);所述原料瓶 (2)的外側設有加熱器（1)，原料瓶（2)與13X分子篩吸附器（4)之間的氣體管路（11)上設 有第一減壓閥（3);所述收集瓶（9)的外側設有冷凍裝置（10)，收集瓶（9)與3A分子篩吸附 器（7)之間的氣體管路（11)上設有第二減壓閥（8)，在第二減壓閥（8)與收集瓶（9)之間的 氣體管路分支上連接一個真空閥（12 )。
2. 根據權利要求1所述的一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置，其特征在 于：所述加熱器（1)的熱導介質是水，加熱器（1)的高度是900-1100毫米，加熱器（1)的內 直徑是400-600毫米。
3. 根據權利要求1所述的一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置，其特征在 于：所述冷凍裝置（10)的介質是酒精和液氮的混合體。
4. 根據權利要求1所述的一種深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的裝置，其特征在 于：所述13X分子篩吸附器（4)中裝有經500-600°C高溫活化4小時后冷卻的13X分子篩， 所述5A分子篩吸附器（5)中裝有經500-600°C高溫活化4小時后冷卻的5A分子篩，所述3A 分子篩吸附器（7)中裝有經500-600°C度高溫活化4小時后冷卻的3A分子篩，所述改性分 子篩吸附器（6)中裝有經高溫活化的改性分子篩。
5. 權利要求1所述的裝置深度脫除氧化亞氮中水和二氧化碳的方法，其特征在于，包 括以下步驟： (a) 關閉第一減壓閥（3)，打開第二減壓閥（8)和真空閥（12)，將真空泵接至真空閥 (12)處抽真空，使得從第一減壓閥（3)到收集瓶（9)都處于真空狀態，關閉第二減壓閥（8) 和真空閥（12); (b) 將加熱器（1)加熱到25°C，使置于加熱器（1)中的原料瓶（2)中氣壓達到2-4MPa ; (c) 打開第一減壓閥（3)使原料氣順著氣體管路（11)依次進入13X分子篩吸附器（4)、 5A分子篩吸附器（5)、改性分子篩吸附器（6)和3A分子篩吸附器（7)進行吸附除雜； (d) 當吸附器內氣壓達到2-4MPa時，打開第二減壓閥（8)開始進行氣體收集，收集瓶 (9)的收集溫度是-100 - -140°C。
【文檔編號】B01D53/02GK104140085SQ201410360551
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】高天龍, 牛永進, 梁肅臣 申請人:中昊光明化工研究設計院有限公司