[发明专利]一种低温变压吸附制备超纯氢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体纯化的方法，特别涉及一种超纯氢的制备工艺。

背景技术

随着半导体工业、非晶体硅太阳能电池、光导纤维等产业的发展，氢气用量越来越多，对氢气的纯度要求也越来越高。在大规模、超大规模和兆位级集成电路制造过程中，需要使用大量的高纯氢甚至超纯氢，氢气中微量杂质都会改变半导体表面特性。在非晶硅太阳能电池的制造过程中需要氢与硅烷的混合气，要求氢气纯度在5N以上。在制造石英玻璃纤维的过程中，需采用氢氧焰加热(1200～1500℃)，历经数十次沉积，对氢气纯度和洁净度都有很高要求。此外，氢气在石化工业、冶金、食品加工、航空航天等领域中都有广泛用途，其纯度对产品的质量有很大的影响。

现有超纯氢的制备方法有：冷凝低温吸附法、钯膜扩散法、金属氢化物分离法。

冷凝低温吸附法：首先，采用低温冷凝法(干燥器)进行预处理，以清除氢中的杂质水和二氧化碳。第二步，采用传统的低温吸附法，经预处理的氢在换热器中预冷，然后进入吸附塔，在液氮蒸发温度下(-196℃)进行吸附，可制得纯度为99.9999％的超高纯氢。由于温度极低，因此该法生产超纯氢耗能高，对设备要求高，而且在实际操作过程中对温度控制，液氮的调节还存在问题，使得装置不能正常生产，产品质量很不稳定。

钯膜扩散法：原料气需先透过预纯化器除氧和水，再经过滤器除尘后，送入钯合金扩散室纯化，利用钯合金膜在一定温度(400～500℃)，只能使氢透过，其它杂质气体不能渗透的特性，使氢气得到纯化。得到氢的纯度可达99.9999％。由于金属钯膜价格昂贵，且生产量小，因此钯膜扩散法提纯技术仅适用于小规模生产。

金属氢化物分离法：氢气进入氢合金纯化器之前通常需先进行预处理，以除去大部分氧、一氧化碳、水等杂质。然后利用贮氢合金对氢进行选择性化学吸收，生成金属氢化物，氢中杂质则浓缩于氢化物之外随废氢排出，氢化物再发生分解反应放出氢，使氢得到纯化。其产品纯度可达99.9999％以上。由于氢化物不稳定，在反复吸放使用后，会引起合金碎裂形成微粉，其性能会明显下降，应用次数不多就需要更换，因此生产成本就会比较高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种低温(-30～-35℃)下，利用变压吸附制备7N超纯氢气的方法。

本发明的技术方案是：一种低温变压吸附制备超纯氢的方法，包括如下步骤：

(1)以水电解氢装置纯化后99.999％的氢气为原料气，降温至-30～-35℃；

(2)对步骤(1)中氢气进行变压吸附提纯，所述变压吸附提纯包括步骤：

A吸附过程：原料气经塔底进入吸附塔进行吸附；

B均压降过程：吸附过程结束后，顺着吸附方向将塔内较高压力的氢气通入其它已完成再生的较低压力吸附塔，共进行两次；

C顺放过程：在均压降压过程结束后，顺着吸附方向将吸附塔压力降至压力为0.8MPa，顺放的气体进入顺放气罐；

D逆放过程：在顺放过程结束后，逆着吸附方向将吸附塔压力降至0.1～0.2MPa，逆放解吸气进入排空管路放空；

E冲洗过程：顺放罐的气体冲洗吸附塔，冲洗解吸气进入解吸气混合罐；

F均压升压过程：在冲洗过程完成后，用来自其它吸附塔的较高压力产品气依次对该吸附塔进行升压，共进行两次；

G最终升压过程：在两次均压升过程完成后，通过升压调节阀用产品氢气将吸附塔压力升至吸附压力1.6MPa。

步骤(1)所述的降温是采取换热器进行降温的，所述换热器优选为板式换热器，其中含有的冷冻介质优选地为FD-3，所述FD-3的冷却温度优选为-30℃～-35℃，是通过制冷机实现的。

步骤(2)所述的变压吸附提纯系统由四个吸附塔及对应的程控阀组构成。

步骤(2)中所述吸附塔中的吸附剂为AZ9-12P或AZ2-12L。

四个吸附塔依次循环进行上述吸附过程，优选地整个装置利用程控阀、电磁阀通过PLC控制系统，由电脑统一控制。

变压吸附的原理表明：1)、同一种吸附质在吸附剂上的吸附容量随该吸附质的分压(即气相压力)升高而增加，随分压降低而减小；2)、不同的吸附质在同一种吸附剂上的吸附容量随分子量、极性增大而增加，随分子量、极性减少而减小；3)、不同的吸附剂对同一种吸附质的吸附能力随吸附剂本身特有的性能而不同。

利用第一个性质我们可以将某组分吸附分离，并将其解析出来，同时将吸附剂再生。利用第二个性质可以将混合组分中的特定组分吸附分离。利用第三个性质可以控制被吸附组分的净化深度及合理的再生成本。