一种采用混合制冷剂生产高纯氪氙产品的生产系统及工艺的制作方法

本发明涉及高纯氪氙产品生产，具体涉及一种采用混合制冷剂生产高纯氪氙产品的生产系统及工艺。

背景技术：

1、高纯度的氪氙产品作为半导体制造过程中不可或缺的关键材料，为5g等科技创新趋势注入新的成长动力。氪气、氙气是大分子量惰性气体，氪氙的性质决定了其在高端制造领域有不可取代的作用，特别是在集成电路制造与空间技术领域，近年来需求日益增加，供给增量缓慢，供需矛盾日益凸显。

2、我国在稀有气体提取相关产业及企业起步较晚，生产稀有气体氪氙产品的工艺技术目前国内厂家不多，限于氪氙的性质，一般是采用低温氮气或液氮作为制冷剂配套五塔或六塔的生产工艺，需要多次补充冷剂，生产装置工艺路线复杂，操作稳定性能不好，产品纯度有待提高。例如授权公告号为cn 212390705u的中国专利公开了稀有气体氪氙精制及超纯氧的生产装置，包括液氧储罐和氮气循环压缩机，所述液氧储罐通过液氧泵和低温吸附塔与初级浓缩塔相连；所述初级浓缩塔的塔底液相出口与末端带有高压节流阀的催化氧化系统相连；所述高压节流阀依次通过回冷器的管程、次级浓缩塔、氪氙脱氧塔以及气体加热装置与用于存储和分离氪氙的氪氙分离塔，氪氙分离塔的底部通过第一阀门与氙气充装系统相连，氪氙分离塔的中上部通过第二阀门与氪气充装系统相连，该专利采用低温氮气进行制冷且需要多次补充氮气，才能满足氪氙的整个生产过程，生产装置工艺路线复杂，操作稳定性能不好，产品纯度有待提高。

3、因此，需要提供一种采用混合制冷剂生产高纯氪氙产品的生产系统及工艺，以解决上述现有技术存在的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种采用混合制冷剂生产高纯氪氙产品的生产系统及工艺，混合制冷剂一和混合制冷剂二均为一次补给，即可满足稳定运行需求，混合制冷剂三可再利用，冷量利用率高。

2、为实现上述目的，本发明提供一种采用混合制冷剂生产高纯氪氙产品的生产系统及工艺，采用如下技术方案：

3、一种采用混合制冷剂生产高纯氪氙产品的生产系统，包括高纯氪氙生产装置、用于为所述高纯氪氙生产装置提供冷源的混合制冷剂装置；

4、所述高纯氪氙生产装置包括与气源连接的主换热器、与主换热器的出口连接的脱氧单元、与脱氧单元连接的氪气生产单元、与氪气生产单元的出液口连接的氙气生产单元、与氙气生产单元的出液口连接的回收单元，所述回收单元的出口与所述氙气生产单元连接并用于使氙气回收；

5、所述混合制冷剂装置包括用于为所述高纯氪氙生产装置提供冷源的冷凝器，所述冷凝器内注入混合冷凝剂，所述混合冷凝剂包括混合制冷剂一、混合制冷剂二和混合制冷剂三，所述混合制冷剂一为液氮，所述混合制冷剂二为80％的cf4和20％的o2，所述混合制冷剂三为cf4，所述混合冷凝剂分别给脱氧单元、氪气生产单元和氙气生产单元提供冷源。

6、进一步的，所述脱氧单元包括与主换热器的出口通过管道连接的脱氧塔、与脱氧塔底部液相出口通过管道连接的纯化器、与脱氧塔顶部气相出口通过管道连接的分离器一，混合制冷剂装置与分离器一和脱氧塔顶部气相出口连接，用于提供冷源，分离器一第一液相出口通过管道与脱氧塔第二进口连接用于将冷凝的液体回流。

7、进一步的，所述氪气生产单元包括与脱氧单元的出口通过管道连接的纯氪塔、与纯氪塔顶部气相出口通过管道连接的分离器二，纯氪塔底部液相出口通过管道与氙气生产单元连接，混合制冷剂装置与分离器二连接用于提供冷源，分离器二第一出口通过管道与纯氪塔第二进口连接用于将冷凝的液体回流。

8、进一步的，所述氙气生产单元包括与氪气生产单元通过管道到连接的粗氙塔、与粗氙塔第二出口通过管道连接的纯氙塔，粗氙塔顶部气相出口和纯氙塔顶部气相出口通过管道与混合制冷剂装置连接，粗氙塔顶部气相换热后全回流，精馏交换组分后，较纯的氙气至纯氙塔进口，纯氙塔塔顶部气相换热后全回流，精馏后，在纯氙塔底部液相出口得到高纯氙产品。

9、进一步的，所述回收单元包括与粗氙塔底部液相出口通过管道连接的回收塔、与回收塔第二进口通过管道连接的分离器三，回收塔顶部气相出口通过混合制冷剂装置第三进口、混合制冷剂装置第三出口、分离器三进口、分离器液相出口与回收塔第二进口相连；回收塔中抽出口与粗氙塔第三进口相连，分离器三气相出口通过第七调节阀排放至大气；回收塔底部液相出口排放至大气。

10、进一步的，所述混合制冷剂装置包括脱氧塔顶部冷凝器、纯氪塔顶部冷凝器、氙塔顶部冷凝器、混合制冷剂一、混合制冷剂二和混合制冷剂三，外补混合制冷剂一通过纯氪塔顶部冷凝器第三进口、蒸发气出口、第九调节阀、脱氧顶部冷凝器第二进口、脱氧顶部冷凝器第二出口与氪塔冷凝器第四进口相连，外补混合制冷剂二通过氪塔顶部冷凝器第二进口、氪塔顶部冷凝器第二出口、氙塔冷凝器第四进口、氙塔冷凝器气相出口、第十调节阀、第三三通与氪塔顶部冷凝器第二进口相连，外补混合制冷剂三至脱氧塔顶部冷凝器第三进口，脱氧塔顶部冷凝器顶部气相至主换热器(1)第三进口、第三调节阀与回冷器相连。

11、一种采用混合制冷剂生产高纯氪氙产品的生产工艺，包括以下步骤：

12、步骤一：原料气通过主换热器热量交换后，通过第一调节阀、进入脱氧塔内，经塔釜电加热器一、脱氧塔顶部冷凝器分别提供热量和冷量精馏，所述原料气的温度为：20～30℃，压力为：0.65mpa，流量为：800nm/h，气相分率为：1，氪、氙含量分别为：1000～2000ppm、20～200ppm；

13、步骤二：使所述步骤一中进入脱氧塔的原料液进行一次精馏提纯后的气相通过第一三通分别进入脱氧塔顶部冷凝器和主换热器内，经主换热器回收部分冷量后至回冷器，脱氧塔底部粗氪氙液至纯化器内；所述脱氧塔底部粗氪氙液温度：-129.2～-129.5℃，氪氙摩尔分数为：99.97～99.99％；

14、步骤三：所述步骤二中气相通过第一三通进入脱氧塔顶部冷凝器液化后至分离器一内，分离器一底部液相出口回流至脱氧塔第二进口，分离器一第二液相出口通过第十一调节阀至工业氧储罐；所述工业氧的液相温度为：-164～-166℃，摩尔纯度不低于99.98％；

15、步骤四：所述步骤二中脱氧塔釜粗氪氙液通过第四调节阀与纯化器相连，纯化器出口气相至纯氪塔内；纯化器出口温度：30～-35℃，氪氙摩尔分数为：99.995～99.999％；

16、步骤五：所述步骤四中纯氪塔原料气通过纯氪塔顶部冷凝器、电加热器二精馏，多次气化液化后，纯氪塔顶气相经纯氪塔顶部冷凝器液化后至分离器二内、分离器二底部液相出口回流至纯氪塔内，分离器二第二液相出口通过第五调节阀相连与氪气汽化器相连，氪气汽化器进口氪气纯度为99.9998％；

17、步骤六：所述步骤五中纯氪塔底部液相出口与粗氙塔第一进口(43)相连，纯氪塔底部液相出口氙气含量99.98％；

18、步骤七：所述步骤六中粗氙塔原料气通过氙塔冷凝器、加热器三精馏，多次气化液化后，粗氙塔顶气相经氙塔顶部冷凝器(12)液化后回流至粗氙塔(11)内，粗氙塔第二出口通过第十一调节阀进入纯氙塔内，粗氙塔第二出口气相氙气含量为99.999％，温度-90℃；

19、步骤八：所述步骤七中粗氙塔底部液相出口与回收塔第一进口相连，粗氙塔底部液相出口氙气含量为90％，温度-70℃；

20、步骤九：所述步骤七中纯氙塔原料气通过氙塔冷凝器、加热器四精馏，多次气化液化后，纯氙塔顶气相经氙塔冷凝器液化后回流至纯氙塔内，纯氙塔底部液相出口通过第八调节阀与氙气气化器相连，纯氙塔底部液相出口氙气纯度为99.9998％，温度-86℃；

21、步骤十：所述步骤八中回收塔原料气通过氙塔冷凝器、加热器五精馏，多次气化液化后，回收塔顶气经氙塔冷凝器部分液化后回流至分离器三内，分离器三气相通过第七调节阀排放至大气，排放气量0.03nm3/h，温度-115℃，压力0.6mpa；

22、步骤十一：所述步骤十中分离器液相出口回流至回收塔内，回收塔中抽气去粗氙塔，回收塔底部液相出口排放至大气，排放气量0.04nm3/h，温度-78℃，压力0.6mpa；

23、步骤十二：所述步骤十中回收塔中抽气至粗氙塔第三进口，中抽气氙气含量：89％，温度-85℃；

24、步骤十三：所述混合制冷剂三至脱氧塔顶部冷凝器，脱氧塔顶部冷凝器顶部气相通过主换热器复热，混合制冷剂三的温度为-183℃，压力0.65mpa；

25、步骤十四：所述步骤十三中的复热气经第三调节阀送至回冷器继续回收冷量，复热后的气体温度为-69℃，压力0.7mpa；

26、步骤十五：所述混合制冷剂一至氪塔顶部冷凝器，通过第九调节阀、脱氧塔顶部冷凝器液化循环，混合制冷剂一的温度为-178℃，压力0.4mpa；

27、步骤十六：所述混合制冷剂二至氪塔顶部冷凝器液化后至氙塔顶部冷凝器，氙塔冷凝器气相出口通过第十调节阀、第三三通进入氪塔顶部冷凝器第二进口，循环往复，混合制冷剂二的温度为-110℃，压力0.3mpa。

28、本发明的上述技术方案至少包括以下有益效果：

29、1、本发明采用新型混合制冷剂为各精馏塔提供冷量，同时采用热耦合的循环工艺，一次补足制冷剂，即可满足氪氙生产的整个过程，无需多次补充；

30、2、本发明氪氙生产装置采用先脱除氧气，同时塔顶富产工业氧，脱氧塔底生产粗氪氙，塔顶工业氧的生产可采用变负荷调节，满足市场工业氧的销售需求；

31、3、本发明氪氙产品纯度可达到99.9998％以上，解决了国内电子行业、航天行业对进口高纯氪氙的依赖，为国内半导体行业、电子特气行业、航天行业的研究提供了充分的原料，助推经济和社会效益的发展；

32、4、本发明能量高度集成，具体地说混合制冷剂一、混合制冷剂二分别至纯氪塔顶部冷凝器、氙塔顶部冷凝器均为一次补给，就可满足装置一直稳定运行，整个生产过程无需再补给；混合制冷剂三至脱氧塔顶部冷凝器提供冷量后，蒸发气再经主换热器、回冷器再利用，冷量利用率较高；

33、5、本发明脱氧塔与纯氪塔中间设置纯化器，将氪氙产品中的杂质在精馏初期进行脱除，有效减轻纯氪塔、粗氙塔、精氙塔的负荷，减少设备的投资成本；

34、6、本发明设置回收塔，集氪氙装置所有的放空气回收，进一步精馏加工后，提取有用的氪氙组分至粗氙塔，进一步提高氙气产品的价值。