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(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)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(cè)的加熱器進(jìn)行加熱，瓶內(nèi)原料氣的壓力達(dá)到2.0-4.0MPa時(shí)打開第一減壓器，原料氣依次進(jìn)入為分子篩吸附器。當(dāng)吸附器中氣體的壓力達(dá)到2.0-4.0MPa時(shí)，打開第二減壓器，將經(jīng)過吸附器除去雜質(zhì)之后的氣體收集到外側(cè)設(shè)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(jìn)行化學(xué)改性，具有物理吸附和化學(xué)反應(yīng)的功能，提高吸附劑的吸附性能，實(shí)現(xiàn)對氧化亞氮中水、二氧化碳雜質(zhì)的深度脫除，得到了高純氧化亞氮產(chǎn)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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 氧化亞氮（N20)俗稱笑氣，化學(xué)名稱為一氧化二氮。微電子、光電子器件生產(chǎn)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(gè)環(huán)節(jié)都離不開電子氣體，因此， 電子氣體被稱為半導(dǎo)體材料的"糧食"和"源"。半導(dǎo)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(zhì)量，電子氣體純度每提高一個(gè)數(shù)量級，都會極大地推動(dòng)半導(dǎo)體器件質(zhì) 的飛躍。由于電子氣體質(zhì)量決定著1C技術(shù)的發(fā)展，而半導(dǎo)體器件又廣泛地應(yīng)用于民用和軍 工領(lǐng)域，且發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，它影響到國民經(jīng)濟(jì)和國防的許多方面。高純氧化亞氮（N 20)主要 用于半導(dǎo)體光電器件研制生產(chǎn)的介質(zhì)膜工藝，是直接影響光電器件質(zhì)量的不可替代的關(guān)鍵 電子氣體。以高純氧化亞氮作為關(guān)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(guān)鍵原材料。隨著電子元器件制 造技術(shù)工藝水平不斷提高，其工藝對原材料的雜質(zhì)含量要求也越來越高，尤其其工藝對敏 感的雜質(zhì)含量要求越來越嚴(yán)格，如水份、二氧化碳等雜質(zhì)，而氧化亞氮的雜質(zhì)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(dá)不到器件要求，因此深度脫除氧化亞氮中 水、二氧化碳雜質(zhì)的方法是生產(chǎn)高純氧化亞氮的關(guān)鍵技術(shù)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(xué)凈化和分子篩 純化等工藝生產(chǎn)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(chǎn)的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)沒有提到作為 電子級氧化亞氮中關(guān)鍵雜質(zhì)水的指標(biāo)，二氧化碳含量為2PPm，也處于較高含量水平，同時(shí) 產(chǎn)品中雜質(zhì)含量與現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)《電子工業(yè)用氣體氧化亞氮》（GB/T 14600-2009)及國外 同類水平產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)均有較大出入，已無法滿足現(xiàn)有電子工業(yè)用高純（電子氣）氧化亞 氮的純度要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)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(guī)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(zhì)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)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(cè)設(shè)有加 熱器，原料瓶與13X分子篩吸附器之間的氣體管路上設(shè)有第一減壓閥；所述收集瓶的外側(cè) 設(shè)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(shè)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(gè)真空閥。
[0006] 所述加熱器的熱導(dǎo)介質(zhì)是水，加熱器的高度是900-1100毫米，加熱器的內(nèi)直徑是 400-600 暈米。
[0007] 所述冷凍裝置的介質(zhì)是酒精和液氮的混合體。
[0008] 所述13X分子篩吸附器中裝有經(jīng)500-600°C高溫活化4小時(shí)后冷卻的13X分子篩， 所述5A分子篩吸附器中裝有經(jīng)500-600°C高溫活化4小時(shí)后冷卻的5A分子篩，所述3A分 子篩吸附器中裝有經(jīng)500-600°C高溫活化4小時(shí)后冷卻的3A分子篩，所述改性分子篩吸附 器中裝有經(jīng)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(guān)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(tài)，關(guān)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(dá)到2-4MPa ; (c) 打開第一減壓閥使原料氣順著氣體管路依次進(jìn)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(jìn)行吸附除雜； (d) 當(dāng)吸附器內(nèi)氣壓達(dá)到2-4MPa時(shí)，打開第二減壓閥開始進(jìn)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(shù)方案的指導(dǎo)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(jīng)過提純工藝得到高純的氧化亞氮產(chǎn)品。但是，氧 化亞氮液體汽化時(shí)消耗大量的汽化熱，原料鋼瓶會發(fā)生急劇的降溫，從而導(dǎo)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(tǒng)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(fā)明通過加熱的方式，增加一個(gè)恒溫水 浴裝置，確保原料氧化亞氮鋼瓶汽化時(shí)的溫度穩(wěn)定，并保持恒定的飽和蒸汽壓，保持吸附裝 置高壓狀態(tài)吸附工作，提高吸附劑的吸附性能，確保實(shí)現(xiàn)對氧化亞氮中水、二氧化碳雜質(zhì)的 深度脫除，產(chǎn)出高純氧化亞氮產(chǎn)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(zhì)降到" ΚΓ6"數(shù)量級僅靠傳統(tǒng)的物理凈化滿足 不了實(shí)際需要。上述技術(shù)方案，在物理吸附的基礎(chǔ)上，通過對傳統(tǒng)的分子篩進(jìn)行化學(xué)改性， 使之具有物理吸附功能的同時(shí)還具有化學(xué)反應(yīng)的功能，進(jìn)一步深度脫除N 20中的水、二氧化 碳雜質(zhì)。具體實(shí)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(zhì)為改性3A、5A、13分子篩，使之具有物理吸附功能，同時(shí)還具有化學(xué)反應(yīng)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(fā)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(shè)置在其外側(cè)的加熱器進(jìn)行加熱， 瓶內(nèi)原料氣的壓力達(dá)到2. 0- 4. OMPa時(shí)打開第一減壓器，原料氣依次進(jìn)入各分子篩吸附 器。當(dāng)吸附器中氣體的壓力達(dá)到2.0- 4. OMPa時(shí)，打開第二減壓器，將經(jīng)過吸附器除雜之后 的氣體收集到外側(cè)設(shè)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(jìn)行化學(xué)改性，使之同時(shí)具有物理吸附和化學(xué)反應(yīng)的功能，提高 吸附劑的吸附性能，實(shí)現(xiàn)對氧化亞氮中水、二氧化碳雜質(zhì)的深度脫除，得到了高純氧化亞氮 產(chǎn)品。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是一種脫除氧化亞氮中雜質(zhì)的裝置的結(jié)構(gòu)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(shí)施方式】
[0014] 圖1示出了一種脫除氧化亞氮中雜質(zhì)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(cè)設(shè)有加熱器1，加熱器1的熱導(dǎo)介質(zhì)是水，加熱器1的高度是1000毫米，內(nèi) 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(shè)有第一減壓閥 3。收集瓶9的外側(cè)設(shè)有冷凍裝置10,冷凍裝置10的介質(zhì)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(shè)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(gè)真空閥12。
[0015] 13X分子篩吸附器4中裝有經(jīng)500-600°C高溫活化4小時(shí)后冷卻的13X分子篩，所 述5A分子篩吸附器5中裝有經(jīng)500-600°C高溫活化4小時(shí)后冷卻的5A分子篩，所述3A分 子篩吸附器7中裝有經(jīng)500-600°C度高溫活化4小時(shí)后冷卻的3A分子篩，所述改性分子篩 吸附器6中裝有經(jīng)高溫活化的改性分子篩。
[0016] 實(shí)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(dá)到2. OMPa時(shí)打開第一減壓閥3使原料氣順著氣體管路（11)依次進(jìn)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(jìn)行吸 附除雜。吸附器內(nèi)壓力達(dá)到2. OMPa時(shí)打開第二減壓閥8,控制吸附器壓力始終為2. OMPa， 收集產(chǎn)品瓶溫度是-100 - _140°C，收集5Kg產(chǎn)品。收集到的氧化亞氮產(chǎn)品中水、二氧化碳 雜質(zhì)含量分別為H20〈lPPm、C0 2〈lPPm。
[0017] 實(shí)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(dá)到3. OMPa時(shí)打開第一減壓閥3使原料氣順著氣體管路（11)依次進(jìn)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(jìn)行吸 附除雜。吸附器內(nèi)壓力達(dá)到3. OMPa時(shí)打開第二減壓閥8,控制吸附器壓力始終為3. OMPa， 收集產(chǎn)品瓶溫度是-100 - _140°C，收集5Kg產(chǎn)品。收集到的氧化亞氮產(chǎn)品中水、二氧化碳 雜質(zhì)含量分別為H20〈lPPm、C0 2〈lPPm。
[0018] 實(shí)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(dá)到4. OMPa時(shí)打開第一減壓閥3使原料氣順著氣體管路（11)依次進(jìn)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(jìn)行吸 附除雜。吸附器內(nèi)壓力達(dá)到4. OMPa時(shí)打開第二減壓閥8,控制吸附器壓力始終為4. OMPa， 收集產(chǎn)品瓶溫度是-100--140°C，收集5Kg產(chǎn)品。收集到的氧化亞氮產(chǎn)品中水、二氧化碳雜 質(zhì)含量分別為H20〈lPPm、C0 2〈lPPm。
【權(quán)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(cè)設(shè)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(shè) 有第一減壓閥（3);所述收集瓶（9)的外側(cè)設(shè)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(shè)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(gè)真空閥（12 )。
2. 根據(jù)權(quán)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(dǎo)介質(zhì)是水，加熱器（1)的高度是900-1100毫米，加熱器（1)的內(nèi) 直徑是400-600毫米。
3. 根據(jù)權(quán)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(zhì)是酒精和液氮的混合體。
4. 根據(jù)權(quán)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(jīng)500-600°C高溫活化4小時(shí)后冷卻的13X分子篩， 所述5A分子篩吸附器（5)中裝有經(jīng)500-600°C高溫活化4小時(shí)后冷卻的5A分子篩，所述3A 分子篩吸附器（7)中裝有經(jīng)500-600°C度高溫活化4小時(shí)后冷卻的3A分子篩，所述改性分 子篩吸附器（6)中裝有經(jīng)高溫活化的改性分子篩。
5. 權(quán)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(guān)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(tài)，關(guān)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(dá)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(jìn)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(jìn)行吸附除雜； (d) 當(dāng)吸附器內(nèi)氣壓達(dá)到2-4MPa時(shí)，打開第二減壓閥（8)開始進(jìn)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(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】高天龍, 牛永進(jìn), 梁肅臣 申請人:中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司