多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置的制作方法

本实用新型属于多晶硅生产中氢气的纯化
技术领域：
，具体而言，涉及一种多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置。
背景技术：
：氢气是生产电子级多晶硅过程中的一种重要原料，主要用于多晶硅生产的冷氢化、CVD还原、还原尾气处理单元。氢气的纯度直接影响生产的电子级多晶硅产品的品质，随着电子工业的发展，对氢气的纯度也提出了越来越高的要求，现在使用的氢气纯度已经由4N、5N，上升到6N及以上。由于电子级多晶硅是一种高纯度的产品，所以保证其生产所必需的原料氢气的纯度是至关重要的。目前，氢气纯化的工艺和装置主要是利用催化反应法、钯合金扩散法、金属氢化物分离法、变压吸附法、低温吸附法等设计的。其中，催化反应法，是利用钯或铂作催化剂，将氢气中的氧气在催化剂存在的情况下与氢气反应生成水，再通过分子筛脱水后，可以得到纯度99.999％的氢气。变压吸附(PSA)技术，是以特定的吸附剂(多孔固体物质)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加、低压下吸附量减少的特性，将原料气在一定压力下通过吸附床，达到氢和杂质组分的分离。钯膜分离法，是膜分离法中的一种，是在一定温度下，氢分子在钯膜一侧离解成氢原子，溶于钯并扩散到另一侧，然后结合成分子；经一级分离可得到99.99％－99.9999％纯度的氢。低温分离法，是低温冷凝基于氢气与其它气体沸点差异大的原理，在操作温度下，除去氢气以外所有高沸点组分冷凝为液体的分离方法，使用这种方法得到的氢气的纯度可以达到6N以上。以上几种氢气净化方法是在氢气净化生产过程中常见的几种方法，但在应用于电子级多晶硅生产过程中也存在以下问题：催化反应法，利用该方法干燥的氢气，只能除去氢气中的氧，而无法去除氢气中的其他杂质，所以无法满足电子级多晶硅生产的需要。变压吸附法，变压吸附可以大规模的净化氢气，而且对原料氢气的纯度要求不高(40％以上)，但利用变压吸附净化的氢气纯度也较低，不能满足电子级多晶硅生产的需要。钯膜分离法，由于金属钯属于贵金属，造价昂贵，而且氧、水、重烃等容易造成钯膜的损坏；在大规模电子级多晶硅的生产工况下，该方法并不适合。鉴于此，特提出本实用新型。技术实现要素：本实用新型的目的在于提供一种多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置，能够提高氢气净化的纯度，同时降低氢气超纯化的成本，并且该装置设备简单，成本较低，运行稳定可靠，得到的产品纯度稳定性好。为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置，包括除氧器和氢气超纯化装置，氢气超纯化装置内设置有低温换热器和多个串联的吸附罐，多个串联的吸附罐浸泡在液氮中；除氧器的进口与原料氢气的进气管道连接，除氧器的出口与低温换热器连接，低温换热器与吸附罐连接；吸附罐上设置有氢气出口管道，在吸附罐的氢气出口管道上并联一个设有氢气在线检测分析装置的管道。作为进一步优选技术方案，除氧器为催化除氧器，催化除氧器内设有钯催化剂。作为进一步优选技术方案，氢气在线检测分析装置为在线氦离子化气相色谱分析仪。作为进一步优选技术方案，串联的吸附罐的数量为3～5个。作为进一步优选技术方案，在原料氢气的进气管道上设有安全阀。作为进一步优选技术方案，液氮与进入吸附罐中的氢气进行换热，气化的液氮通过氮气放空管道排出。作为进一步优选技术方案，吸附罐包括第一吸附罐、第N吸附罐和设置在第一吸附罐和第N吸附罐之间的至少一个吸附罐，低温换热器的原料氢气出口与第一吸附罐的底端连接，第N吸附罐的超纯氢气出口与低温换热器的超纯氢气进口连接，低温换热器的超纯氢气出口与用氢单元连接。作为进一步优选技术方案，还包括氮气加热器，所述氮气加热器通过管道与氢气超纯化装置连接。作为进一步优选技术方案，还包括真空泵，所述真空泵通过管道与氢气超纯化装置连接。作为进一步优选技术方案，还包括与所述串联的吸附罐相并联的多个备用吸附罐。与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型的超纯氢气的纯化装置，先将原料氢气输送至除氧器进行除氧，然后进入低温换热器中对原料氢气进行降温，降温后的氢气进入至装填有吸附剂的吸附罐中，且吸附罐浸泡在液氮中，以提供低温环境，使得在低温环境下氢气中较高沸点的气体被吸附剂吸附；经过吸附后的、超纯化的氢气经过氢气在线检测分析装置检测合格后直接进入用氢单元而不进入氢气储罐，避免氢气的二次污染；从而可以获得氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水分含量极低的超纯氢气，且产品纯度稳定，超纯氢气的纯度可以达到7N及以上，满足电子级多晶硅的生产需求。该工艺流程简单合理，操作简便、易于实施，控制方便。本实用新型的纯化装置可以满足的处理气量为10－300Nm3/H，运行稳定可靠，同时还具有运行成本低，设备投资少，操作方便，维护简便，可靠性高的特点，易于推广应用。附图说明为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本实用新型一种实施方式提供的多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置结构示意图。图标：1－除氧器；2－氢气超纯化装置；3－低温换热器；4－吸附罐；5－液氮储罐；6－原料氢气储罐；7－氮气进口；8－氮气加热器；9－氢气在线检测分析装置；10－超纯氢气出口管道；11－氮气放空管道；12－氢气安全阀放空管道；13－液氮出口管道；14－真空泵；15－抽真空出口。具体实施方式下面对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。下面对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本实用新型在至少一个实施例中提供一种多晶硅生产中超纯氢气的纯化方法，包括以下步骤：原料氢气先进入除氧器中进行除氧，再进入低温换热器中对原料氢气进行降温；出低温换热器的氢气进入浸泡在液氮中的多个串联的吸附罐中，通过吸附罐中的吸附剂对氢气中的杂质进行吸附；在吸附罐的氢气出口管道上并联一个设有氢气在线检测分析装置的管道，完成吸附后，少量氢气进入该氢气在线检测分析装置中进行检测，经检测合格后，得到的超纯氢气直接进入用氢单元中。本实用新型的氢气超纯化的方法主要包括三个步骤：(1)除氧步骤，将原料氢气或粗氢气或经过预处理后的氢气送入除氧器中进行除氧，以降低原料氢气中的氧含量；(2)降温步骤，完成除氧步骤后，将原料氢气送入低温换热器中，通过低温换热器对原料氢气进行降温，可以减少液氮的消耗量；(3)低温吸附步骤，完成降温步骤后，将原料氢气送入浸泡在液氮中的多个串联的吸附罐中，通过液氮提供低温环境，在低温环境下氢气中的杂质气体(沸点较高的气体)被吸附罐中的吸附剂吸附。完成吸附后的超纯氢气从最后一个吸附罐排出，并且少部分的超纯化后的氢气进入氢气在线检测分析装置中，通过该分子装置分析检测超纯化后的氢气中一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气等杂质，经检测合格后氢气直接进入后续的用氢单位中，而不进入用氢储罐，这样可以避免氢气的二次污染。因此，本实用新型提供的多晶硅生产中超纯氢气的纯化方法，先将原料氢气输送至除氧器进行除氧，然后进入低温换热器中对原料氢气进行降温，降温后的氢气进入至装填有吸附剂的吸附罐中，且吸附罐浸泡在液氮中，以提供低温环境，使得在低温环境下氢气中较高沸点的气体被吸附剂吸附；经过吸附后的、超纯化的氢气经过氢气在线检测分析装置检测合格后直接进入用氢单元而不进入氢气储罐，避免氢气的二次污染；从而可以获得氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水分含量极低的超纯氢气，且产品纯度稳定，超纯氢气的纯度可以达到7N及以上，满足电子级多晶硅的生产需求。在一种优选的实施方式中，原料氢气的压力为0.8～1.2MPa，优选为0.9～1.1MPa，进一步优选为1.0MPa；和/或，原料氢气的纯度为3～5N，优选为4～5N，进一步优选为5N；和/或，得到的超纯氢气的纯度≥7N。本实用新型的原料氢气优选是来自氢气高压储罐压力约1.0MPa(10bar)、纯度为5N的经过预处理的具有一定纯度的氢气；然而并不限于此，实际生产中，还可以根据工况，选择任何其他压力进行操作。可以理解的是，本实用新型采用的原料氢气是经过预处理后的氢气或者高纯氢气，对于原料氢气的来源或、预处理的方法不做特殊限制，例如可以是来自电解槽电解并经过纯化的5N的高纯氢气；然而并不限于此，实际生产中，还可以根据工况，选择上述适宜范围内的纯度的氢气进行操作。本实用新型的方法可将原料氢气的纯度提高1～5个数量级或者以上，得到的超纯氢气的纯度可以达到7N以上，可以将各种微量杂质甲烷、氮气和水蒸汽等有效去除，与传统的变压吸附、催化反应法等相比，氢气的纯度进一步明显提高，且操作简便，成本不高。利用本实用新型的方法提纯后的氢气作为生产多晶硅的原料，不仅可以提高多晶硅产品的纯度和质量，而且可以降低生产过程中的氢耗、能耗和减少污染排放。在一种优选的实施方式中，除氧器为催化除氧器，催化除氧器内设有钯催化剂。上述除氧器可采用现有的催化除氧器，催化除氧器内设有金属钯催化剂，进而在金属钯的催化下，氢气与氧气反应生成水，以降低原料氢气中的氧气含量。需要说明的是，本实用新型对于除氧器的具体结构形式不作特殊限制，可采用本领域常用的任何形式的除氧器；该除氧步骤的具体操作条件也是本领域常规的，可以由本领域技术人员根据实际情况进行调控。在一种优选的实施方式中，原料氢气在低温换热器中与从吸附罐中流出的超纯氢气进行换热，以回收低温超纯氢气的冷量，降低原料氢气的温度和提高超纯氢气的出口温度。在一种优选的实施方式中，从吸附罐中流出的氢气，与进入低温吸附器的原料氢气进行换热，经过冷量回收的超纯氢气温度达到常温后，直接进入用氢单元。在低温换热器中，原料氢气与从吸附罐中经吸附剂吸附后得到的低温超纯氢气进行换热，这样不仅可以降低进入吸附罐的氢气温度，减少液氮的消耗量，还可以提高出口氢气的温度，因为在后续的用氢单元中都需要常温的氢气；从而可以节省能源、资源消耗，降低企业的生产成本。所述的用氢单元例如可以为用于还原三氯氢硅的还原装置、尾气回收利用装置(碳吸附塔再生过程中反吹)等。在一种优选的实施方式中，串联的吸附罐的数量为2～6个，优选为3～5，进一步优选为3个；优选地，还包括与所述串联的吸附罐相并联的多个备用吸附罐；优选地，吸附罐内吸附床层的温度为－192～－198℃，优选为－194～－196℃。本实用新型的吸附罐和低温吸附器均设置在氢气超纯化装置中，低温吸附器位于吸附罐的上方，吸附罐浸泡在液氮中，氢气超纯化装置上设有液氮进入管道、液氮出口管道和氮气放空管道。根据本实用新型，对于装置中吸附罐的数量不做特殊限制，其可以根据氢气的纯度、装置的生产情况、实际工况等，在上述范围内适宜的增加或减少吸附罐的数量。作为优选，吸附罐的数量为3个，3个吸附罐依次进行串联。这里需要说明的是，本实用新型对于吸附罐中装填的吸附剂的类型不做特殊限制，可以采用本领域常用的用于吸附氢气中杂质的任何可再生的吸附剂，例如活性炭、改性活性炭、分子筛等；并且在多个吸附罐中装填同类型的吸附剂。根据本实用新型，在氢气超纯化装置中还可以设置多个备用吸附罐，与上述吸附罐进行并联，使得上述吸附罐处于吸附模式时，这些备用吸附罐处于再生模式，进而提高生产效率。根据本实用新型，吸附罐内吸附床层的温度为－192～－198℃，优选为－194～－196℃。在该低温条件下进行吸附，更有利于氢气中的杂质的去除，吸附效果更好。在一种优选的实施方式中，在原料氢气的进气管道上设有安全阀；本实用新型在氢气进口管道设有安全阀，以保证氢气超纯化装置发生故障时，保证本装置压力在安全范围内。根据本实用新型，系统内氢气压力在0.9～1MPa范围内。优选地，液氮与进入吸附罐中的氢气进行换热，气化的液氮通过氮气放空管道排出；根据本实用新型，液氮储存在一个立式的储罐中，通过输送管道进入氢气超纯化装置中。在氢气超纯化装置中，液氮与氢气换热后，气化的液氮通过氮气放空管道排入大气，待液氮下降至底限时通过自控回路从液氮储罐补充液氮，达到高限时停止补充。优选地，所述氢气在线检测分析装置为在线氦离子化气相色谱分析仪。通过该在线氦离子化气相色谱分析仪可以分析检测氢气中的CO、CO2、CH4、N2等杂质，检测精度高。本实用新型对于该气相色谱分析仪的具体安装位置没有特殊限制，只需要与氢气超纯化装置通过管道连接在一起即可。作为优选，该气相色谱分析仪与氢气出口管道是并联的，而且气相色谱分析仪的进口管道较小并且有调节阀，以保证少部分氢气进入气相色谱分析仪中。在一种优选的实施方式中，吸附罐中的吸附剂达到饱和后，先将液氮从氢气超纯化装置中排出，再向氢气超纯化装置中通入经过氮气加热器加热后的氮气，使得吸附罐外侧受热并使吸附剂中的杂质脱附，部分杂质通过放空管线放空，剩余部分杂质利用真空泵从吸附罐中抽出，完成吸附剂的再生；优选地，氮气加热器的温度为50～85℃，优选为55～80℃。优选地，氢气超纯化装置的运行时间(超纯工作时间)在240小时左右。根据本实用新型，氢气超纯化装置在运行时间240小时左右，吸附罐中的吸附剂基本达到饱和，需要对其进行再生。再生的方法主要是首先将其中的液氮排出后，氮气通过一个氮气加热器加热后，通入吸附罐外侧加热使吸附剂中的杂质脱附后，部分通过放空管线放空，剩余的杂质利用真空泵从吸附罐中抽出，完成吸附剂的再生，以备用。应当理解的是，上述氢气纯化的方法的说明中未详细描述的内容，均是本领域技术人员容易想到的常用参数，因此可以省略对其的详细说明。本实用新型在至少一个实施例中提供一种多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置，包括除氧器和氢气超纯化装置，氢气超纯化装置内设置有低温换热器和多个串联的吸附罐，多个串联的吸附罐浸泡在液氮中；除氧器的进口与原料氢气的进气管道连接，除氧器的出口与低温换热器连接，低温换热器与吸附罐连接；吸附罐上设置有氢气出口管道，在吸附罐的氢气出口管道上并联一个设有氢气在线检测分析装置的管道。本实用新型提供的多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置可以用于实现上述的多晶硅生产中超纯氢气的纯化方法。该纯化装置能够提高氢气净化的纯度，同时降低氢气超纯化的成本，得到的产品纯度稳定性好，可以获得氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水分含量极低的超纯氢气，且产品纯度稳定，超纯氢气的纯度可以达到7N及以上，满足电子级多晶硅的生产需求。本实用新型的纯化装置可以满足的处理气量为10－300Nm3/H，运行稳定可靠，同时还具有运行成本低，设备投资少，操作方便，维护简便，可靠性高的特点，易于推广应用。在一种优选的实施方式中，除氧器为催化除氧器，催化除氧器内设有钯催化剂；和/或，氢气在线检测分析装置为在线氦离子化气相色谱分析仪；和/或，串联的吸附罐的数量为2～6个，优选为3～5，进一步优选为3个；和/或，在原料氢气的进气管道上设有安全阀，和/或，液氮与进入吸附罐中的氢气进行换热，气化的液氮通过氮气放空管道排出；和/或，吸附罐包括第一吸附罐、第N吸附罐和设置在第一吸附罐和第N吸附罐之间的至少一个吸附罐，低温换热器的原料氢气出口与第一吸附罐的底端连接，第N吸附罐的超纯氢气出口与低温换热器的超纯氢气进口连接，低温换热器的超纯氢气出口与用氢单元连接。在一种优选的实施方式中，还包括氮气加热器和真空泵，所述氮气加热器和真空泵分别通过管道与氢气超纯化装置连接；和/或，还包括与所述串联的吸附罐相并联的多个备用吸附罐。应当理解的是，本实用新型的多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置与前述的多晶硅生产中超纯氢气的纯化方法是基于同一实用新型构思的，因而至少与前述的多晶硅生产中超纯氢气的纯化方法具有相同的优势，本实用新型再次不再赘述。需要说明的是，本实用新型的各装置、设备的连接管道上还设置有阀门，例如在截止阀、止回阀、球阀、调节阀、控制阀等，本实用新型对于各管道上阀门种类、阀门数量、阀门控制等不作特殊限制，可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择设置。下面结合具体实施例和附图，对本实用新型作进一步说明。实施例1如图1所示，一种多晶硅生产中超纯氢气的纯化装置，包括除氧器1和氢气超纯化装置2，氢气超纯化装置2内设置有低温换热器3和位于低温换热器3下方的多个串联的吸附罐4，多个串联的吸附罐4浸泡在液氮中；除氧器1的进口与原料氢气储罐6通过管道连接，除氧器1的出口与低温换热器3的原料氢气进口通过管道连接；吸附罐4包括第一吸附罐、第N吸附罐和设置在第一吸附罐和第N吸附罐之间的至少一个吸附罐，低温换热器3的原料氢气出口与第一吸附罐的底端连接，第N吸附罐的超纯氢气出口与低温换热器3的超纯氢气进口连接，低温换热器3的超纯氢气出口与用氢单元连接；吸附罐4上设置有超纯氢气出口管道10，在吸附罐4的超纯氢气出口管道10上并联一个设有氢气在线检测分析装置9的管道。其中，除氧器1为催化除氧器，催化除氧器内设有钯催化剂；氢气在线检测分析装置9为在线氦离子化气相色谱分析仪；串联的吸附罐4的数量为2～6个，优选为3～5，进一步优选为3个。此外，在原料氢气的进气管道上设有安全阀，安全阀与氢气安全阀放空管道12连接。液氮储罐5通过管道与氢气超纯化装置2连接；在氢气超纯化装置2的底部连接有液氮出口管道13。液氮与进入吸附罐4中的氢气进行换热，气化的液氮通过氮气放空管道11排出。氮气进口7通过管道与氮气加热器8连接，氮气加热器8通过管道与氢气超纯化装置2连接。真空泵14通过管道与氢气超纯化装置2连接；真空泵14还与抽真空出口15连接。实施例2一种多晶硅生产中超纯氢气的纯化方法，包括以下步骤：来自氢气高压储罐压力约为1.0MPa、纯度为5N的原料氢气先进入装有钯催化剂的催化除氧器中进行除氧，再进入低温换热器中对原料氢气进行降温；原料氢气在低温换热器中与从吸附罐中流出的超纯氢气进行换热，以回收低温超纯氢气的冷量，降低原料氢气的温度和提高超纯氢气的出口温度；出低温换热器的氢气进入浸泡在液氮中的3个串联的吸附罐中，通过吸附罐中的吸附剂对氢气中的杂质进行吸附；吸附罐内吸附床层的温度为－194～－196℃；在吸附罐的氢气出口管道上并联一个设有氢气在线检测分析装置在线氦离子化气相色谱分析仪的管道，完成吸附后，少量氢气进入该在线氦离子化气相色谱分析仪中进行检测，检测氢气中的CO、CO2、CH4、N2等杂质，经检测合格后，得到的超纯氢气直接进入用氢单元中。并且，在氢气进口管道设有安全阀，以保证氢气超纯化装置发生故障时，保证本装置压力在安全范围内。液氮与进入吸附罐中的氢气进行换热，气化的液氮通过氮气放空管道排出。在运行时间240小时左右，吸附罐中的吸附剂基本达到饱和，需要对其进行再生。再生的方法主要是，先将液氮从氢气超纯化装置中排出，再向氢气超纯化装置中通入经过氮气加热器加热后的氮气，使得吸附罐外侧受热并使吸附剂中的杂质脱附，部分杂质通过放空管线放空，剩余部分杂质利用真空泵从吸附罐中抽出，完成吸附剂的再生以备用。其中，氮气加热器的温度为55～80℃。下表1给出了本实用新型的纯化方法在实际运行中的氢气的净化效果，超纯氢气可达到7N以上。表1原料氢气和产品氢气纯度检测结果序号名称进口杂质含量(PPm)出口杂质含量(PPb)1N2＜500＜12O2＜5＜13CO＜5＜14CO2＜5＜15CH4＜5＜16H2O＜5＜1从表1中可以看出，经本实用新型的方法纯化后的氢气，其中的杂质N2、O2、CO、CO2、CH4、H2O含量明显下降，满足电子级多晶硅的生产需要。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。当前第1页1 2 3