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用于生产液氩和/或氩气产品的方法和系统

阅读:1027发布:2020-06-21

专利汇可以提供用于生产液氩和/或氩气产品的方法和系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 申请 涉及用于生产液氩和/或氩气产品的方法和系统。具体地,本申请提供了由包含氩气的气体混合物制备纯化的液氩和/或氩气产品的方法和系统。本申请的所述方法和系统可高效地去除待处理的气体混合物中的 氧 气和氮气等空气组分,和一氧化 碳 、二氧化碳、 水 、 油雾 等碳氢化合物和粉尘等其他杂质,以获得高纯度的氩气和/或液氩产品。,下面是用于生产液氩和/或氩气产品的方法和系统专利的具体信息内容。

1.一种用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的方法,所述方法包括:
a)使待处理的气体混合物经受预处理以去除其中的油雾、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物;
b)使a)的所述经预处理的气体混合物与催化化单元接触,从而使所述气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物;
c)使b)的所述经催化氧化的气体混合物与脱氧单元接触,并向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气以使其中的氧含量降低到2ppm以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物;
d)使c)的所述经加氢脱氧的气体混合物与吸附单元接触,以去除所述气体混合物中的、二氧化和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物;
e)测定d)的所述待精馏处理的气体混合物的流量,并通过用精馏合格缓冲气进行调节而使所述待精馏处理的气体混合物的流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内;以及f)使e)的所述待精馏处理的气体混合物经低温精馏处理以去除氮气和氢气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品。
2.根据权利要求1所述的方法,其还包括:g)回收和/或纯化f)中被去除的氢气。
3.根据权利要求1所述的方法,其中在f)中,所述低温精馏处理包括:
i)使e)的所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分成为物料流股;
ii)使i)的所述物料流股与热源进行热交换,得到气化的物料流股;以及iii)使ii)的所述气化的物料流股与液态低温冷凝介质进行热交换,获得纯化的氩气产品;并且,ii)的所述气化的物料流股中的至少一部分被冷凝为回流液,所述回流液作为所述精馏处理的液态低温冷凝介质。
4.根据权利要求1所述的方法,其中ii)中所述的热源是通过对e)的所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分进行加压升温或加热升温处理而获得的,所述热源的压为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高1-7℃时相应的氩的压力,所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
5.根据权利要求1所述的方法,其中在i)中,对e)的所述待精馏处理的气体混合物进行如下处理而得到所述物料流股:
ia)使e)的所述待精馏处理的气体混合物经压缩机压缩成为高温高压待处理的气体混合物流股;
ib)使ia)的所述高温高压待处理的气体混合物流股在换热器中经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股;以及
ic)使ib)的所述低温高压待处理的气体混合物流股的至少一部分经节流膨胀后成为所述物料流股。
6.一种用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的系统,所述系统包括:
预处理单元,其与待处理的气体混合物流体连通并去除其中的油雾、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物;
催化氧化单元,其与所述预处理单元流体连通,所述催化氧化单元使所述经预处理的气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物;
脱氧单元,其与所述催化氧化单元流体连通,向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气后,所述脱氧单元使所述经催化氧化的气体混合物中的氧含量降低到约2ppm以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物;
吸附单元,其与所述脱氧单元流体连通,所述吸附单元包含吸附剂以去除所述经加氢脱氧的气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物;
第一缓冲单元,其与所述待精馏处理的气体混合物流体连通并包含用于测定所述待精馏处理的气体混合物的流量的流量测定装置,所述第一缓冲单元中包含精馏合格缓冲气,所述精馏合格缓冲气被用于调节所述待精馏处理的气体混合物的流量,并使该流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内;以及
低温精馏单元,其与所述吸附单元及所述第一缓冲单元流体连通,以去除所述待精馏处理的气体混合物中的氮气和氢气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品。
7.根据权利要求6所述的系统,所述系统还包括氢回收单元,所述氢回收单元与所述低温精馏单元流体连通并用于回收在所述低温精馏单元中被去除的氢气;和/或,所述系统还包括脱氧准备单元,其分别与所述催化氧化单元和所述脱氧单元流体连通,所述脱氧准备单元包含去除所述经催化氧化的气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待脱氧单元处理的气体混合物。
8.根据权利要求6所述的系统,其中所述预处理单元包括粗处理装置和精密处理装置。
9.根据权利要求6所述的系统,所述系统还包括氧测量单元,所述氧测量单元与所述预处理单元流体连通并可测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度;和/或,所述系统还包括杂质测量单元,所述杂质测量单元与所述预处理单元流体连通并可测量所述经预处理的气体混合物中的杂质浓度。
10.根据权利要求6所述的系统,其中所述低温精馏单元包括一个或多个精馏塔,每个精馏塔配备冷凝回流器和再沸器,其中所述冷凝回流器位于所述精馏塔上端,所述再沸器位于所述精馏塔下端;
所述低温精馏单元使所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分成为物料流股;
所述物料流股与所述再沸器进行热交换,得到气化的物料流股;所述气化的物料流股与所述冷凝回流器进行热交换,在所述精馏塔底端获得纯化的氩气产品;所述气化的物料流股中的至少一部分经所述冷凝回流器热交换后冷凝为回流液;所述回流液作为所述精馏处理的液态低温冷凝介质。

说明书全文

用于生产液氩和/或氩气产品的方法和系统

技术领域

[0001] 本申请涉及液氩和/或氩气产品的生产,特别是由待处理的气体混合物制备纯化的液氩和/或氩气产品的系统和方法。

背景技术

[0002] 单晶生产中需要大量使用氩气产品作为单晶硅炉内的保护气。一般情况下,每台单晶硅炉每天需要消耗氩气产品约100-200kg,而1000台单晶硅炉每天需要消耗高纯度的氩气产品约100-200吨。因此,高纯度的氩气产品具有极高的经济价值。即使不考虑氩气产品的价格,没有可靠的氩气产品来源,每天100-200吨的消耗量也常常难以保证,这增加了单晶硅生产的不确定性。
[0003] 现有的氩气回收技术,常常由于受到回收方式的限制,仅能够处理小流量和低含量的含氩尾气。利用空气分离原理的精氩生产技术为氩气回收提供了许多借鉴和帮助,但是单晶硅生产过程中氩气的回收与空气分离中的精氩生产还有许多不同之处。例如,单晶硅生产过程中待处理的含氩尾气常常含有较高浓度的氧和氮等杂质,且含氩尾气流量不稳定、常常在较大范围内波动,这些都是精氩生产中不常遇到的问题,硅蒸气在排放过程中遇到氧气被氧化成SiO2,此外,可能使用有油真空而产生大量油雾混合到含氩的尾气中。因此,仍需开发能够有效生产高纯度液氩和/或氩气产品的方法和系统。该方法和系统继而能够降低单晶硅生产的成本,并达到节能减排的目的。
发明内容
[0004] 本申请提供了用于生产液氩和/或氩气产品的方法和系统,所述方法和系统通过对含氩气体混合物的回收、纯化处理以及对能量的综合利用而实现了有效生产高纯度的液氩和/或氩气产品的目的。
[0005] 一方面,本申请提供了一种用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的方法。所述方法可包括:a)使待处理的气体混合物经受预处理以去除其中的油雾、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物;b)使a)的所述经预处理的气体混合物与催化氧化单元接触,从而使所述气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物;c)使b)的所述经催化氧化的气体混合物与脱氧单元接触,并向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气以使其中的氧含量降低到2ppm以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物;d)使c)的所述经加氢脱氧的气体混合物与吸附单元接触,以去除所述气体混合物中的、二氧化和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物;e)测定d)的所述待精馏处理的气体混合物的流量,并通过用精馏合格缓冲气进行调节而使所述待精馏处理的气体混合物的流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内;以及f)使e)的所述待精馏处理的气体混合物经低温精馏处理以去除氮气和氢气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品。
[0006] 在某些实施方式中,所述方法的c)中,向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气以使其中的氧含量降低到0.1ppm以下。
[0007] 在某些实施方式中,所述方法还包括:g)回收和/或纯化f)中被去除的氢气。
[0008] 在某些实施方式中,所述方法的a)的所述预处理包括粗处理和精密处理。在某些实施方式中,所述粗处理包括使用选自下列的一种或多种:使用吸油毡吸附油雾,通过过滤装置过滤粉尘,通过水喷淋脱除油雾和粉尘,通过旋转装置集中分离脱除油雾和粉尘,和/或产生包含微气泡的水并通过向所述待处理的气体混合物喷淋所述包含微气泡的水来去除油雾。在某些实施方式中,所述精密处理包括使用下述的一种或多种:膜过滤器、陶瓷过滤器、金属过滤器和/或活性炭吸附器。
[0009] 在某些实施方式中,所述方法通过深冷精馏、闪蒸、和/或吸附来回收和/或纯化所述氢气。
[0010] 在某些实施方式中,所述方法的b)中,在使所述经预处理的气体混合物与所述催化氧化单元接触之前,测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度;和/或,在使所述经预处理的气体混合物与所述催化氧化单元接触之前,测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度;和/或,在使所述经预处理的气体混合物与所述催化氧化单元接触之前,去除所述经预处理的气体混合物中的水和二氧化碳。
[0011] 在某些实施方式中,当所测得的所述氧浓度超过4%(v/v)时,通过将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并通入脱氧合格缓冲气来使其氧浓度为4%(v/v)以下。在某些实施方式中,当所测得的所述氧浓度超过2%(v/v)时,通过将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并通入脱氧合格缓冲气来使其氧浓度为2%(v/v)以下。
[0012] 在某些实施方式中,所述方法的c)中,向所述脱氧单元中通入的氢气与所测得的所述经预处理的气体混合物中的氧的摩尔比为2.2:1至3:1。
[0013] 在某些实施方式中,所述方法的b)中,所述催化氧化将包括碳氢化合物和一氧化碳的还原性气体氧化为水和二氧化碳。
[0014] 在某些实施方式中,所述方法的b)中,当所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数小于氧化所述经预处理的气体所需氧气的摩尔分数时,则添加氧气,使所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数比所述经预处理的气体所需氧气的摩尔分数高10-50%。
[0015] 在某些实施方式中,所述方法的中b)中所述的催化氧化单元包含催化剂,且所述催化剂选自下组:Carulite催化剂,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。
[0016] 在某些实施方式中,所述方法的c)中所述的脱氧单元包含催化剂,且所述催化剂选自下组:Cu,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。
[0017] 在某些实施方式中,所述方法的所述待处理的气体混合物中待去除的杂质包括:油雾、粉尘、硅粉等其它颗粒物,硅蒸气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、水和/或碳氢化合物等。
[0018] 在某些实施方式中,所述方法中所述待处理的气体混合物为单晶硅炉或铸锭炉产生的废气。
[0019] 在某些实施方式中,当所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数大于2%或所述经预处理的气体混合物进行所述催化氧化的温度超过400摄氏度时,所述的催化氧化单元包括分段反应器;和/或,当所述脱氧单元进行反应的温度超过400摄氏度时,所述的脱氧单元包括分段反应器。
[0020] 在某些实施方式中,所述方法还包括,在a)之前,控制所述单晶硅炉或铸锭炉中废气的排放时机,从而使得所述待预处理的气体混合物中氩气的含量保持至少为80%。
[0021] 在某些实施方式中,所述方法中所述待预处理的气体混合物为来自两个或更多个单晶硅炉或铸锭炉的废气,并且当所述两个或更多个单晶硅炉或铸锭炉中的任一个需与环境气体流体连通时,停止从该单晶硅炉或铸锭炉向所述待预处理的气体混合物中排放尾气。
[0022] 在某些实施方式中,所述方法中所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量为至少99%。在某些实施方式中,所述方法中所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量为至少99.999%。
[0023] 在某些实施方式中,所述方法的d)中采用至少两个吸附单元,且当所述至少两个吸附单元之一进行吸附时,对其中的另一个吸附单元进行再生,从而所述至少两个吸附单元交替进行吸附与再生,继而实现对所述气体混合物持续进行吸附处理。
[0024] 在某些实施方式中,所述精馏合格缓冲气中氧含量为0.1ppm以下氩含量不低于98%,且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。在某些实施方式中,所述基本上不含油雾是指所述精馏合格缓冲气中油雾的粒径为0.1μm以下。
在某些实施方式中,不含粉尘或其它颗粒物是指所述精馏合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径为0.1μm以下。在某些实施方式中,所述基本上不含一氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中一氧化碳的含量为0.1ppm以下。在某些实施方式中,所述基本上不含二氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中二氧化碳的含量为0.1ppm以下。在某些实施方式中,所述基本上不含水是指所述精馏合格缓冲气的露点温度为-50℃以下。在某些实施方式中,所述基本上不含碳氢化合物是指所述精馏合格缓冲气中的非甲烷总的总含量为0.1ppm以下。
[0025] 在某些实施方式中,所述脱氧合格缓冲气中氧含量为0.1ppm以下,氩含量不低于98%,且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。在某些实施方式中,所述基本上不含油雾是指所述脱氧合格缓冲气中油雾的粒径为0.1μm以下。
在某些实施方式中,所述基本上不含粉尘或其它颗粒物是指所述脱氧合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径为0.1μm以下。在某些实施方式中,所述基本上不含一氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中一氧化碳的含量为0.1ppm以下。在某些实施方式中,不含二氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中二氧化碳的含量为约0.1ppm以下。在某些实施方式中,所述基本上不含水是指所述脱氧合格缓冲气中的水的露点温度低于-40℃。在某些实施方式中,所述基本上不含碳氢化合物是指所述脱氧合格缓冲气中非甲烷总烃的含量为约0.1ppm以下。
[0026] 在某些实施方式中,所述精馏处理的流量操作弹性范围为所述精馏处理的设计负荷流量的60%至120%。
[0027] 在某些实施方式中,所述方法的f)中,所述低温精馏处理包括:i)使e)的所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分成为物料流股;ii)使i)的所述物料流股与热源进行热交换,得到气化的物料流股;以及iii)使ii)的所述气化的物料流股与液态低温冷凝介质进行热交换,获得纯化的氩气产品;并且,ii)的所述气化的物料流股中的至少一部分被冷凝为回流液,所述回流液作为所述精馏处理的液态低温冷凝介质。
[0028] 在某些实施方式中,所述方法的ii)中所述的液态低温冷凝介质为液氮或液化空气或液氩。
[0029] 在某些实施方式中,ii)中所述的液态低温冷凝介质为液氩。在某些实施方式中,所述方法中,作为ii)中所述液态低温冷凝介质的液氩为对经冷凝获得的所述纯化的液氩进行节流膨胀后获得的低压液氩。在某些实施方式中,所述方法的ii)中的经气化的所述液态低温冷凝介质经复热后成为纯化的氩气产品。
[0030] 在某些实施方式中,所述方法的ii)中所述液态低温冷凝介质的压为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度降低1-7℃时相应的液氩压力。
[0031] 在某些实施方式中,所述方法中所述液态低温冷凝介质的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度降低2-3℃时相应的液氩压力。
[0032] 在某些实施方式中,所述方法中所述液态低温冷凝介质的压力为0.02-0.2MPa。
[0033] 在某些实施方式中,所述方法的ii)中与所述液态低温冷凝介质进行热交换的所述物料流股的压力为0.1-1.0MPa,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0034] 在某些实施方式中,所述方法的iii)中所述的热源是通过对e)的所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分进行加压和升温处理而获得的,所述热源的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高1-7℃时相应的氩的压力,所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0035] 在某些实施方式中,所述方法的所述热源的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高2-3℃时相应的氩的压力,所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。在某些实施方式中,所述方法的所述热源的压力为0.7-0.15MPa,所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0036] 在某些实施方式中,所述方法的i)中,对e)的所述待精馏处理的气体混合物进行如下处理而得到所述物料流股:ia)使e)的所述待精馏处理的气体混合物经压缩机压缩成为高温高压待处理的气体混合物流股;ib)使ia)的所述高温高压待处理的气体混合物流股在换热器中经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股;以及ic)使ib)的所述低温高压待处理的气体混合物流股的至少一部分经节流膨胀后成为所述物料流股。
[0037] 在某些实施方式中,所述方法的iii)中所述的热源是ib)中获得的所述低温高压待处理的气体混合物流股的一部分。
[0038] 在某些实施方式中,所述方法通过使所述经气化的液态低温冷凝介质与所述高温高压待处理的气体混合物流股在所述换热器中进行热交换而使所述经气化的液态低温冷凝介质被复热后成为纯化的氩气产品,且使所述高温高压待处理的气体混合物流股经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股。
[0039] 在某些实施方式中,所述方法中所述热源与所述经冷凝获得的纯化的液氩进行过热交换后,经节流膨胀成为所述物料流股的一部分。
[0040] 在某些实施方式中,所述方法中所述液态低温冷凝介质的温度为-170℃至-198℃。
[0041] 在某些实施方式中,所述方法的i)中所述物料流股的温度为-165℃至-197℃,且所述低温冷凝介质的温度比所述物料流股的温度低至少1-5℃。
[0042] 在某些实施方式中,所述方法中经冷凝获得的所述纯化的液氩的温度为-160℃至-196℃,且所述纯化的液氩的温度比所述物料流股的温度低0.5℃至5℃。
[0043] 在某些实施方式中,所述方法的所述热源的温度为-170℃至-195℃,且所述热源的温度比所述纯化的液氩的温度高至少1-5℃。
[0044] 在某些实施方式中,所述方法中所述吸附单元中包含吸附剂,且所述吸附剂包括下列的一种或多种:活性炭、活性氧、改性硅胶、炭分子筛、天然沸石、改性沸石、硅铝基分子筛、介孔分子筛、基分子筛、金属有机框架材料、以及它们的混合物。
[0045] 另一方面,本申请提供了一种用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的系统,所述系统包括:预处理单元,其与待处理的气体混合物流体连通并去除其中的油雾、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物;催化氧化单元,其与所述预处理单元流体连通,所述催化氧化单元使所述经预处理的气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物;脱氧单元,其与所述催化氧化单元流体连通,向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气后,所述脱氧单元使所述经催化氧化的气体混合物中的氧含量降低到约2ppm以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物;吸附单元,其与所述脱氧单元流体连通,所述吸附单元包含吸附剂以去除所述经加氢脱氧的气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物;第一缓冲单元,其与所述待精馏处理的气体混合物流体连通并包含用于测定所述待精馏处理的气体混合物的流量的流量测定装置,所述第一缓冲单元中包含精馏合格缓冲气,所述精馏合格缓冲气被用于调节所述待精馏处理的气体混合物的流量,并使该流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内;以及低温精馏单元,其与所述吸附单元及所述第一缓冲单元流体连通,以去除所述待精馏处理的气体混合物中的氮气和氢气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品。
[0046] 在某些实施方式中,所述系统的所述脱氧单元使所述经催化氧化的气体混合物中的氧含量降低到0.1ppm以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物。
[0047] 在某些实施方式中,所述系统还包括氢回收单元,所述氢回收单元与所述低温精馏单元流体连通并用于回收在所述低温精馏单元中被去除的氢气。
[0048] 在某些实施方式中,所述系统的所述预处理单元包括粗处理装置和精密处理装置。
[0049] 在某些实施方式中,所述系统的所述粗处理装置包括选自下列的一种或多种:吸油毡、粉尘过滤装置和/或、水喷淋装置和/或用于同时脱除油雾和粉尘同时脱除装置的旋转装置。
[0050] 在某些实施方式中,所述系统的所述水喷淋装置产生包含微气泡的水并通过向所述待处理的气体混合物喷淋所述包含微气泡的水来去除油雾。
[0051] 在某些实施方式中,所述系统的所述精密处理装置包括下列中的一种或多种:膜过滤器、陶瓷过滤器、金属过滤器和/或活性炭吸附器。
[0052] 在某些实施方式中,所述系统的所述氢回收单元包括选自下列的装置:深冷精馏装置、闪蒸装置和/或吸附装置。
[0053] 在某些实施方式中,所述系统还包括氧测量单元,所述氧测量单元与所述预处理单元流体连通并可测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度。
[0054] 在某些实施方式中,所述系统还包括各种杂质测量单元,所述杂质测量单元与所述预处理单元流体连通并可测量所述经预处理的气体混合物中的杂质浓度。所述杂质测量单元可以去除所述经预处理的气体混合物中的水和二氧化碳。
[0055] 在某些实施方式中,所述系统还包括第二缓冲单元,所述第二缓冲单元包含脱氧合格缓冲气且与所述经预处理的气体混合物流体连通,当测得的所述氧浓度超过4%(v/v)时,将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并从所述第二缓冲单元向所述经预处理的气体混合物中通入脱氧合格缓冲气来使其中的氧浓度为4%(v/v)以下。
[0056] 在某些实施方式中,所述系统中,当测得的所述氧浓度超过2%(v/v)时,将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并从所述第二缓冲单元向所述经预处理的气体混合物中通入脱氧合格缓冲气来使其中的氧浓度为2%(v/v)以下。
[0057] 在某些实施方式中,所述系统中向所述脱氧单元中通入的氢气与所测得的所述经预处理的气体混合物中的氧的摩尔比为2.2:1至3:1。
[0058] 在某些实施方式中,所述系统的所述催化氧化单元将包括碳氢化合物和一氧化碳的还原性气体氧化为水和二氧化碳。
[0059] 在某些实施方式中,所述系统的所述催化氧化单元包含催化剂,且所述催化剂选自下组:Carulite催化剂,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。
[0060] 在某些实施方式中,所述系统的所述脱氧单元包含催化剂,且所述催化剂选自下组:Cu,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。
[0061] 在某些实施方式中,当所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数大于2%或所述经预处理的气体混合物进行所述催化氧化的温度超过400摄氏度时,所述的催化氧化单元包括分段反应器;和/或,当所述脱氧单元进行反应的温度超过400摄氏度时,所述的脱氧单元包括分段反应器。
[0062] 在某些实施方式中,所述系统中所述待处理的气体混合物中待去除的杂质包括:油雾、粉尘、其它颗粒物、硅蒸气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、水和/或碳氢化合物。
[0063] 在某些实施方式中,所述系统中所述待处理的气体混合物为单晶硅炉或铸锭炉产生的废气。
[0064] 在某些实施方式中,所述系统还包括进气调节,所述进气调节阀控制所述单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通,从而使得所述待预处理的气体混合物中氩气的含量保持至少为80%。
[0065] 在某些实施方式中,所述系统包括两个或更多个所述进气调节阀,其中每个进气调节阀独立地控制一个单独的单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通,并且当任一个所述单晶硅炉或铸锭炉需与环境气体流体连通时,相应的进气调节阀阻断该单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通。
[0066] 在某些实施方式中,所述系统中所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量为至少99%。在某些实施方式中,所述系统中所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量为至少99.999%。
[0067] 在某些实施方式中,所述系统包括至少两个吸附单元,且当所述至少两个吸附单元之一进行吸附时,对其中的另一个吸附单元进行再生,从而所述至少两个吸附单元交替进行吸附与再生,继而实现对所述经加氢脱氧的气体混合物持续进行吸附处理。
[0068] 在某些实施方式中,所述系统中所述精馏合格缓冲气中氧含量为0.1ppm以下,氩含量不低于98%,且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。
[0069] 在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含油雾是指所述精馏合格缓冲气中油雾的粒径为0.1μm以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含粉尘或其它颗粒物是指所述精馏合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径为约0.1μm以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含一氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中一氧化碳的含量为0.1ppm以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含二氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中二氧化碳的含量为0.1ppm以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含水是指所述精馏合格缓冲气的露点温度约-50℃以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含碳氢化合物是指所述精馏合格缓冲气中非甲烷总烃的总含量的总含量为约
0.1ppm以下。
[0070] 在某些实施方式中,所述系统中所述脱氧合格缓冲气中氧含量为0.1μm以下,氩含量不低于98%,且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含油雾是指所述脱氧合格缓冲气中油雾的粒径为0.1μm以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含粉尘或其它颗粒物是指所述脱氧合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径为0.1μm以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含一氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中一氧化碳的含量为0.1ppm以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含二氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中二氧化碳的含量为0.1ppm以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含水是指所述脱氧合格缓冲气中的水的露点温度为-4℃以下。在某些实施方式中,所述系统中所述基本上不含碳氢化合物是指所述脱氧合格缓冲气中非甲烷总烃的含量为0.1ppm以下。
[0071] 在某些实施方式中,所述系统中所述低温精馏单元进行精馏处理的流量操作弹性范围为所述低温精馏单元设计负荷流量的60%至120%。
[0072] 在某些实施方式中,所述系统中所述低温精馏单元包括一个或多个下述组件:压缩机、节流阀、换热器、精馏塔、冷凝器蒸发器和/或再沸器
[0073] 在某些实施方式中,其中所述低温精馏单元包括一个或多个精馏塔,每个精馏塔配备冷凝回流器和再沸器,其中所述冷凝回流器位于所述精馏塔上端,所述再沸器位于所述精馏塔下端;所述低温精馏单元使所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分成为物料流股;所述物料流股与所述再沸器进行热交换,得到气化的物料流股;所述气化的物料流股与所述冷凝回流器进行热交换,在所述精馏塔底端获得纯化的氩气产品;所述气化的物料流股中的至少一部分经所述冷凝回流器热交换后冷凝为回流液;所述回流液作为所述精馏处理的液态低温冷凝介质。
[0074] 在某些实施方式中,所述系统中所述冷凝器中的所述液态低温冷凝介质与所述再沸器中的所述热源相互独立。
[0075] 在某些实施方式中,所述系统中所述冷凝器中的所述液态低温冷凝介质与所述再沸器中的所述热源之间通过选自下列的过程连通:压缩、节流膨胀和/或换热。
[0076] 在某些实施方式中,所述系统中所述液态低温冷凝介质为液氮、液化空气或液氩。在某些实施方式中,所述系统中所述液态低温冷凝介质为液氩。
[0077] 在某些实施方式中,所述系统中所述液态低温冷凝介质的液氩为对经冷凝获得的所述纯化的液氩进行节流膨胀后获得的低压液氩。
[0078] 在某些实施方式中,所述系统中经气化的所述液态低温冷凝介质经复热后成为纯化的氩气产品。
[0079] 在某些实施方式中,所述系统中所述液态低温冷凝介质的压力为所述低温精馏单元中操作压力下所述物料流股的露点温度降低1-7℃时相应的液氩压力。在某些实施方式中,所述系统中所述液态低温冷凝介质的压力为所述低温精馏单元中操作压力下所述物料流股的露点温度降低2-3℃时相应的液氩压力。在某些实施方式中,所述系统中所述液态低温冷凝介质的压力0.01-0.2MPa。
[0080] 在某些实施方式中,所述系统中与所述液态低温冷凝介质进行热交换的所述物料流股的压力为0.1-1.0MPa,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0081] 在某些实施方式中,所述系统中所述的热源是通过在所述低温精馏单元中对所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分进行加压和降温处理而获得的,所述热源的压力为所述低温精馏单元中操作压力下所述物料流股的露点温度升高1-7℃时相应的氩的压力,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0082] 在某些实施方式中,所述系统中所述热源的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高2-3℃时相应的氩的压力,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。在某些实施方式中,所述系统中所述热源的压力为0.15-0.7MPa,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0083] 在某些实施方式中,所述系统中所述低温精馏单元还包括一个或多个压缩机、换热器和节流阀,所述压缩机与所述换热器流体连通且所述换热器与所述节流阀流体连通,所述待精馏处理的气体混合物经所述压缩机压缩而成为高温高压待处理的气体混合物流股,且所述高温高压待处理的气体混合物流股在所述换热器中经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股;且所述低温高压待处理的气体混合物流股的至少一部分流经所述节流阀被节流膨胀后成为所述物料流股。
[0084] 在某些实施方式中,所述系统中所述热源是在所述换热器中经降温处理而获得的所述低温高压待处理的气体混合物流股的一部分。
[0085] 在某些实施方式中,所述系统中在所述换热器中,所述经气化的液态低温冷凝介质与所述高温高压待处理的气体混合物流股进行热交换而使所述经气化的液态低温冷凝介质被复热后成为纯化的氩气产品,而所述高温高压待处理的气体混合物流股经降温处理后成为所述低温高压待处理的气体混合物流股。
[0086] 在某些实施方式中,所述系统中所述节流阀还与所述再沸器流体连通,所述热源在所述再沸器中与所述经冷凝获得的纯化的液氩进行过热交换后,经所述节流阀节流膨胀而成为所述物料流股的一部分。
[0087] 在某些实施方式中,所述系统中所述液态低温冷凝介质的温度为-170℃至-198℃。
[0088] 在某些实施方式中,所述系统中所述物料流股的温度为-165℃至-197℃,且所述低温冷凝介质的温度比所述物料流股的温度低至少1-5℃。
[0089] 在某些实施方式中,所述系统中经冷凝获得的所述纯化的液氩的温度为-160℃至-196℃,且所述纯化的液氩的温度比所述物料流股的温度低0.5℃至5℃。
[0090] 在某些实施方式中,所述系统中所述热源的温度为-170℃至-195℃,且所述热源的温度比所述纯化的液氩的温度高至少1-5℃。
[0091] 在某些实施方式中,所述系统中所述吸附单元中包含吸附剂,且所述吸附剂包括下列的一种或多种:活性炭、活性氧化铝、改性硅胶、炭分子筛、天然沸石、改性沸石、硅铝基分子筛、介孔分子筛、钛基分子筛、金属有机框架材料、以及它们的混合物。
[0092] 在某些实施方式中,所述系统还包括至少一个控制单元,其中所述控制单元与所述预处理单元、所述催化氧化单元、所述脱氧单元、所述吸附单元、所述第一缓冲单元、所述第二缓冲单元以及所述低温精馏单元可操作地连接,以调节所述系统的温度、压力、和/或所述系统中流体的流通方式和/或流量。
[0093] 本领域技术人员能够从下文的详细描述中容易地洞察到本公开的其它方面和优势。下文的详细描述中仅显示和描述了本公开的示例性实施方式。如本领域技术人员将认识到的,本公开的内容使得本领域技术人员能够对所公开的具体实施方式进行改动而不脱离本申请所涉及发明的精神和范围。相应地,本申请的附图说明书中的描述仅仅是示例性的,而非为限制性的。

附图说明

[0094] 本申请所涉及的发明的具体特征如所附权利要求书所显示。通过参考下文中详细描述的示例性实施方式和附图能够更好地理解本申请所涉及发明的特点和优势。对附图简要说明书如下:
[0095] 图1显示了本申请所提供的系统的一个实例的示意图。
[0096] 图2显示了单晶硅生产中氩气浓度随时间变化的测量曲线。

具体实施方式

[0097] 以下由特定的具体实施例说明本申请发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所公开的内容容易地了解本申请发明的其他优点及功效。
[0098] 在本申请中,“ppm”通常指parts per million,即用某种物质的质量占整个体系的质量的百万分比或占整个体系的体积的百万分比来表示的浓度,也称百万分比浓度。例如,当整个体系为溶液体系时,1ppm可等于1mg/L。又例如,当整个体系为固体时,1ppm可等于1μg/g。
[0099] 在本申请中,“ppb”通常指parts per billion,即用某种物质的质量占整个体系的质量的十亿分比或占整个体系的体积的十亿分比来表示的浓度。例如,当整个体系为溶液体系时,1ppb可等于1μg/L。又例如,当整个体系为固体时,1ppb可等于1μg/Kg。
[0100] 在本申请中,“流体”通常指有固定质量而无固定形状的物体,如液体和气体。
[0101] 在本申请中,“低温冷凝介质”通常指可通过热交换使待处理的气体和/或液体遇冷而凝结的物质。例如,本申请中的低温冷凝介质可以为液氮、液氩和/或液体二氧化碳等。
[0102] 在本申请中,“吸附处理”通常指利用吸附剂的物理吸附和/或化学吸附性能,通过吸附剂对于混合物中不同组分的吸附能力的差异而实现分离的方法。不欲被理论所束缚,在所述吸附处理的过程中,为实现循环操作可对使用过的吸附剂进行再生(如通过调节压力和/或温度)。例如,所述吸附处理可包括变压吸附、变温吸附和/或变温变压吸附等。
[0103] 在本申请中,“冷凝处理”与“冷凝”可互换地使用,且通常是指通过低温冷凝介质与待处理的气体和/或液体之间的热交换,使待处理的气体和/或液体中的部分或全部组分遇冷而凝结的过程。
[0104] 在本申请中,“液氮”通常指氮气的液体形态,“液氩”通常指氩气的液体形态,“液体二氧化碳”通常指二氧化碳的液体形态。
[0105] 在本申请中,“变压吸附”通常是利用吸附剂对于混合物(例如气体混合物)中不同组分的吸附能力的差异在压力变化时发生改变的特性而实现分离的方法。例如,变压吸附可以包括基于平衡效应的变压吸附,基于动力学效应的变压吸附以及基于位阻效应的变压吸附等。基于平衡效应的变压吸附通常是利用不同组分分子在吸附剂上平衡吸附量的差异进行分离。基于动力学效应的变压吸附通常是是根据不同组分分子扩散进入吸附剂孔内的速率不同,适当选择吸附时间控制目标组分和非目标组分的吸附量来实现分离。基于位阻效应的变压吸附通常是利用吸附剂颗粒内微孔对各组分分子的位阻效应的不同而实现分离。
[0106] 在本申请中,“变温吸附”通常是利用吸附剂对于混合物(例如气体混合物)中不同组分的吸附能力的差异在温度变化时发生改变的特性而实现分离的方法。
[0107] 在本申请中,“变压变温吸附”通常是利用吸附剂对于混合物(例如气体混合物)中不同组分的吸附能力的差异在压力及温度变化时发生改变的特性而实现分离的方法。
[0108] 在本申请中,术语“约”通常是指在指定数值以上以下0.5%-10%的范围内变动,例如在指定数值以上以下0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%、8%、8.5%、9%、9.5%、或10%的范围内变动。
[0109] 在本申请中,“流体连通”通常指在两个或多个装置之间可将一装置中的流体引入另一装置中。
[0110] 在本申请中,“压缩”通常是指通过施加压力而使流体的体积减小和/或压强增加的过程。可以通过各种适当的手段实现压缩,例如,可以通过鼓机、抽风机和/或压缩机实现压缩。
[0111] 在本申请中,“催化氧化”通常是指在催化剂的存在下进行的氧化反应。
[0112] 在本申请中,“脱氧”通常是指降低被处理的对象(例如,气体混合物)中的氧含量或者去除被处理的对象中的氧的过程。
[0113] 在本申请中,“精馏处理”通常是指利用回流使混合物得到高纯度分离的蒸馏方法。“深冷精馏”通常是指在很低的温度下(例如,-190℃或更低)进行的精馏处理。
[0114] 在本申请中,“基本上不影响”通常是指对结果、目的、外观或可观察到的其它方面不带来实质性的变化。
[0115] 在本申请中,“基本上不含”通常是指含量通过常规手段未被检测到,或者含量不影响所需的特性或目标。例如,“基本上不含”可指含量低于约5%,低于约4.5%,低于约4%,低于约3.5%,低于约3%,低于约2.5%,低于约2%,低于约1.5%,低于约1%,低于约
0.5%,低于约0.4%,低于约0.3%,低于约0.2%,低于约0.1%,低于约0.05%或更低。
[0116] 在本申请中,“精馏合格缓冲气”通常是指其组分、状态、物理化学性质等适于进行精馏处理的气体或气体组合物。例如,所述精馏合格缓冲气的氧含量可不高于约40ppm,氩含量可不低于98%,且可基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。
[0117] 在本申请中,“操作弹性范围”通常是指在指定值或设定值之上或之下一定范围内且不实质上影响操作效果的数值范围。
[0118] 在本申请中,“粗处理”通常是指对待处理的气体混合物进行初步处理的过程。
[0119] 在本申请中,“精密处理”通常是指对经初步处理的气体混合物进行进一步处理,以去除其中的杂质和/或增加所需组分的浓度。
[0120] 在本申请中,“脱氧合格缓冲气”通常是指其组分、状态、物理化学性质等适于进行脱氧处理的气体或气体组合物。例如,所述脱氧合格缓冲气中的氧含量可不高于约40ppm,氩含量可不低于98%,且可基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物。
[0121] 在本申请中,“还原性气体”通常是指在适当的条件下能够或者易于被氧化的气体或气体混合物。例如,所述还原性气体可包括一氧化碳、硫化氢、甲烷、或一氧化硫等。
[0122] 在本申请中,“废气”通常是指在生产(例如,单晶硅生产)过程中产生的需被进一步处理、排放和/或回收的气体或气体混合物。
[0123] 在本申请中,“环境气体”通常是指系统和/或装置周围的外部环境中存在的气体或气体混合物,例如空气。
[0124] 在本申请中,“设计负荷流量”通常是指针对特定装置、系统或设备预设或计算确定的合理负荷流量,从而保证该装置、系统或设备在所述负荷流量下正常运转。
[0125] 在本申请中,“复热”通常是指使目标物体、系统或气体混合物的温度降低后又再次上升的操作或过程。
[0126] 用于制备液氩和/或氩气产品的方法
[0127] 一方面,本申请提供了一种用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的方法。所述方法可包括:a)使待处理的气体混合物经受预处理以去除其中的油雾、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物;b)使a)的所述经预处理的气体混合物与催化氧化单元接触,从而使所述气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物;c)使b)的所述经催化氧化的气体混合物与脱氧单元接触,并向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气以使其中的氧含量降低到2ppm以下(例如,约0.1ppm以下,约0.5ppm以下,约1ppm以下,约1.5ppm以下,约2ppm以下,约5ppm以下),从而获得经加氢脱氧的气体混合物;d)使c)的所述经加氢脱氧的气体混合物与吸附单元接触,以去除所述气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物;e)测定d)的所述待精馏处理的气体混合物的流量,并通过用精馏合格缓冲气进行调节而使所述待精馏处理的气体混合物的流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内;以及f)使e)的所述待精馏处理的气体混合物经低温精馏处理以去除氮气和氢气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品。
[0128] 本申请的所述方法中,在c)中可向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气以使其中的氧含量降低到0.1ppm以下(例如,可以为约0.1ppm以下,约0.05ppm以下,约0.04ppm以下,约0.03ppm以下,约0.02ppm以下,约0.01ppm以下)。
[0129] 预处理可以包括用于去除待处理的气体混合物中的油雾、粉尘和其它颗粒物的所有可采用的手段和方法。在某些实施方式中,预处理还可以包括用于去除待处理的气体混合物中的水、二氧化碳、和/或碳氢化合物等的手段和方法,从而获得经预处理的气体混合物。在本申请的所述方法的某些实施方式中,
[0130] 所述预处理可包括粗处理和精密处理,且所述粗处理可在所述精密处理之前进行。
[0131] 所述粗处理可包括使用选自下列的一种或多种手段:使用吸油毡吸附油雾,通过过滤装置过滤粉尘,通过水喷淋脱除油雾和粉尘,或通过旋转装置分离脱除油雾和粉尘,和/或产生包含微气泡的水并通过向所述待处理的气体混合物喷淋所述包含微气泡的水来去除油雾。所述微气泡的直径可以为,例如约30-100μm,40-100μm,50-100μm,60-100μm,70-100μm,80-100μm,90-100μm,95-100μm。在某些实施方式中,所述粗处理可包括利用上述一种或多种手段交替进行除尘除油雾,从而持续去除所述待处理的气体混合物中的油雾、粉尘和其它颗粒物。
[0132] 所述精密处理可包括使用下述的一种或多种手段:膜过滤器、陶瓷过滤器、金属过滤器和/或活性炭吸附器。
[0133] 在本申请所述的方法中,所述待处理的气体混合物中待去除的杂质可以包括但不限于,例如油雾、粉尘、硅粉等其它颗粒物,硅蒸气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、水和/或碳氢化合物。
[0134] 在某些实施方式中,所述待处理的气体混合物为单晶硅炉或铸锭炉产生的废气。
[0135] 在本申请的所述方法中,在使所述经预处理的气体混合物与所述催化氧化单元接触之前,可测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度。例如,当所测得的所述氧浓度可以为至少4%(v/v)(例如,为至少约4.5%(v/v),至少约5%(v/v),至少约6%(v/v),至少约7%(v/v),至少约8%(v/v),至少约9%(v/v),至少约10%(v/v)或更高)时,可通过将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并通入脱氧合格缓冲气来使其氧浓度可以为
4%(v/v)以下(例如,为约4%(v/v)以下,约3.5%(v/v)以下,约3%(v/v)以下,约2.5%(v/v)以下,约2%(v/v)以下,约1.5%(v/v)以下,约1%(v/v)以下或更低)。例如,当所测得的所述氧浓度可以为至少2%(v/v)(例如,为至少约2.5%(v/v),至少约3%(v/v),至少约
3.5%(v/v),至少约4%(v/v),至少约4.5%(v/v),至少约5%(v/v),至少约5.5%(v/v)或更高)时,可通过将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并通入脱氧合格缓冲气来使其氧浓度可以为2%(v/v)以下(例如,为约2%(v/v)以下,约1.5%(v/v)以下,约1%(v/v)以下,约0.5%(v/v)以下或更低)。例如,当所测得的所述氧浓度超过约4%(v/v)时,可将该经预处理的气体混合物全部或部分排放至废气储罐或其它合适的地方,并使剩余的所述经预处理的气体混合物与脱氧合格缓冲气混合,从而用于与所述催化氧化单元接触。
在某些实施方式中,当所测得的所述氧浓度可以为4%(v/v)时,可将该经预处理的气体混合物全部排空,并将储罐中的脱氧合格缓冲气通入所述催化氧化单元。
[0136] 向所述脱氧单元中通入的氢气与所测得的所述经预处理的气体混合物中的氧的摩尔比可以为约2.2:1至约3:1,例如,约2.4:1至约3.2:1,约2.5:1至约3.1:1,约2.6:1至约3:1,约2.7:1至约3:1,约2.8:1至约3:1,约2.9:1至约3:1,或者约2.9:1至约3:1等。
[0137] 在本申请的所述方法中,所述催化氧化可将包括碳氢化合物和一氧化碳的还原性气体氧化为水和二氧化碳。当所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数小于氧化所述经预处理的气体所需氧气的摩尔分数时,则添加氧气,使所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数可以比所述经预处理的气体所需氧气的摩尔分数高10-50%(例如,高10-50%、12-50%、15-50%、15-45%、20-45%、25-45%、25-40%、25-35%、25-30%或28-
30%)。
[0138] 所述催化氧化单元可包含催化剂,且所述催化剂可选自下组:Carulite催化剂,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。
[0139] 在本申请的所述方法中,所述脱氧单元可包含催化剂,且所述催化剂可选自下组:Cu,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。
[0140] 在本申请的所述方法中,当所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数大于2%(例如,大于3%、大于4%、大于5%、大于6%、大于7%、大于8%、大于9%、大于10%或大于15%)或所述经预处理的气体混合物进行所述催化氧化的温度超过400摄氏度时(例如,超过410摄氏度、420摄氏度、430摄氏度、440摄氏度、450摄氏度、460摄氏度、470摄氏度、480摄氏度、490摄氏度或500摄氏度),所述的催化氧化单元可以包括分段反应器;和/或,当所述脱氧单元进行反应的温度超过400摄氏度时(例如,超过410摄氏度、420摄氏度、430摄氏度、440摄氏度、450摄氏度、460摄氏度、470摄氏度、480摄氏度、490摄氏度或500摄氏度),所述的脱氧单元可以包括分段反应器。
[0141] 所述催化氧化可在约50℃至约400℃的温度下进行。例如,所述催化氧化可在约60℃至约350℃的温度下,约70℃至约330℃的温度下,约80℃至约320℃的温度下,约90℃至约310℃的温度下,约100℃至约300℃的温度下,约110℃至约290℃的温度下,约120℃至约280℃的温度下,约130℃至约270℃的温度下,约140℃至约260℃的温度下,约150℃至约
250℃的温度下,约160℃至约240℃的温度下等进行。
[0142] 在本申请所述的方法中,所通入的氢气可以来自与所述脱氧单元流体连通的氢气储罐。在某些实施方式中,所通入的氢气来自氢气发生器,所述氢气发生器可通过,例如点解法、甲醇裂解法或蒸汽甲烷重整(Steam Methane Reforming,SMR)等产生氢气。
[0143] 在本申请所述方法的某些实施方式中,所述吸附单元可包括变压吸附装置、变温吸附装置和/或变温变压吸附装置。所述吸附单元中可包含吸附剂。所述吸附剂可:1)为动态吸附量大、分离系数高、且解吸容易的吸附剂;2)具有足够的耐磨强度和抗压强度;和/或3)对所有待分离的气体或气体混合物具有化学惰性。例如,所述吸附剂可包括下列的一种或多种:活性炭、炭分子筛、天然沸石、改性沸石、硅铝基分子筛、介孔分子筛、钛基分子筛、金属有机框架材料、以及它们的混合物。
[0144] 在本申请所述方法的某些实施方式中,可采用至少两个吸附单元,且当所述至少两个吸附单元之一进行吸附时,对其中的另一个吸附单元进行再生,从而所述至少两个吸附单元交替进行吸附与再生,继而实现对所述气体混合物持续进行吸附处理。所述至少两个吸附单元可各自独立地包括变压吸附装置、变温吸附装置和/或变温变压吸附装置。
[0145] 在本申请所述的方法中,所述精馏合格缓冲气可以为适于进行精馏处理的气体或气体组合物。例如,所述精馏合格缓冲气中氧含量可为0.1ppm以下(例如,为0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、
0.02ppm以下或0.01ppm以下),氩含量不低于98%(例如,不低于97%,96%,95%,94%,
93%,92%,91%,90%,88%,86%,85%,80%),且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。
[0146] 在本申请中,例如,所述基本上不含油雾是指所述精馏合格缓冲气中油滴的粒径可为约0.1μm以下(例如,为0.08μm以下、0.06μm以下、0.04μm以下、0.02μm以下、0.15μm以下或0.01μm以下)。在本申请中,例如,所述不含粉尘或其它颗粒物是指所述精馏合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径可为约0.1μm以下(例如,为0.08μm以下、0.06μm以下、0.04μm以下、0.02μm以下、0.15μm以下或0.01μm以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含一氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中一氧化碳的含量可为约0.1ppm以下(例如,为0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、
0.02ppm以下或0.01ppm以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含二氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中二氧化碳的含量可为0.1ppm以下(例如,为0.09ppm以下、0.08ppm以下、
0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、0.02ppm以下或
0.01ppm以下)。在某些实施方式中,所述基本上不含水是指所述精馏合格缓冲气的露点温度为约-50℃以下(例如,约-90℃以下、-80℃以下、-70℃以下、-60℃以下、-55℃以下或-50℃以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含碳氢化合物是指所述脱氧合格缓冲气中非甲烷总烃的含量为约0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、0.02ppm以下或0.01ppm以下)。
[0147] 在本申请所述的方法中,所述脱氧合格缓冲气可以为适于进行脱氧处理的气体或气体组合物。例如,所述脱氧合格缓冲气中的氧含量可为0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、
0.02ppm以下、0.01ppm以下或0.1ppm以下),氩含量可不低于98%(例如,不低于99%,不低于99.5%,不低于99.9%,不低于99.99%或更高)。此外,所述脱氧合格缓冲气可基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物
[0148] 在本申请中,例如,所述基本上不含油雾是指所述脱氧合格缓冲气中油滴的粒径可为约0.1μm以下(例如,约0.08μm以下、0.06μm以下、0.04μm以下、0.02μm以下、0.15μm以下或0.01μm以下)。在本申请中,例如,所述不含粉尘或其它颗粒物是指所述脱氧合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径可为约0.1μm以下(例如,约0.08μm以下、0.06μm以下、0.04μm以下、0.02μm以下、0.15μm以下或0.01μm以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含一氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中一氧化碳的含量可为约0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、
0.02ppm以下或0.01ppm以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含二氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中二氧化碳的含量可为0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、0.02ppm以下或0.01ppm以下)。在某些实施方式中,所述基本上不含水是指所述脱氧合格缓冲气的露点温度为约-40℃以下(例如,约-90℃以下、-80℃以下、-70℃以下、-60℃以下、-50℃以下或-40℃以下)。
在本申请中,例如,所述基本上不含碳氢化合物是指所述脱氧合格缓冲气中非甲烷总烃的含量为约0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、
0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、0.02ppm以下或0.01ppm以下)。
[0149] 在本申请所述的方法中,所述精馏处理的流量操作弹性范围可为所述精馏处理的设计负荷流量的60%至120%,例如,为所述设计负荷流量的75%至115%,为所述设计负荷流量的80%至110%,为所述设计负荷流量的85%至105%,为所述设计负荷流量的90%至100%,为所述设计负荷流量的95%至105%,为所述设计负荷流量的99%至102%。
[0150] 在本申请所述的方法中,所述纯化的液氩和/或氩气产品可包括液氩、氩气和/或液氩与氩气的混合物。
[0151] 在本申请所述的方法中,所述待处理的气体混合物为单晶硅炉或铸锭炉产生的废气,且本申请所述的方法还可包括,在使所述废气经受预处理之前,控制所述单晶硅炉或铸锭炉中废气的排放时机,从而使得所述待预处理的气体混合物中氩气的含量保持至少为80%(v/v)(例如,至少85%(v/v)、至少90%(v/v)、至少95%(v/v)、至少98%(v/v)、至少
99%(v/v)、至少99.5%(v/v)、至少99.9%(v/v)、至少99.99%(v/v)或更高)。在某些实施方式中,所述待预处理的气体混合物可以为来自两个或更多个单晶硅炉或铸锭炉的废气,并且当所述两个或更多个单晶硅炉或铸锭炉中的任一个需与环境气体流体连通时,可停止从该单晶硅炉或铸锭炉向所述待预处理的气体混合物中排放废气。例如,当需要打开任一单晶硅炉或铸锭炉的开口(例如,当需要取出炉中的产品或者需要向炉中加入原料时)而使环境中的空气进入炉中时,可断开该单晶硅炉或铸锭炉与预处理装置之间的流体连接(例如,通过关闭使该单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理装置流体连通的控制阀),从而确保所述空气不与待预处理的气体混合物混合,继而确保所述待预处理的气体混合物中氩气的含量保持为至少80%(v/v)(例如,至少85%(v/v)、至少90%(v/v)、至少95%(v/v)、至少98%(v/v)、至少99%(v/v)、至少99.5%(v/v)、至少99.9%(v/v)、至少99.99%(v/v)或更高)。
[0152] 在本申请所述的方法中,所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量可为至少约96%。例如,所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量可为至少约97%,至少约98%,至少约99%,至少约99.9%,至少约99.99%,至少约99.999%或更高。
[0153] 在本申请所述的方法中,向所述脱氧单元中通入所述氢气的方式和所通入的氢气量基本上不影响所述b)中催化氧化反应的效率。例如,可向所述脱氧单元中包含催化剂的填料装置的中间部位通入适量的氢,从而避免所通入的氢在所述催化氧化反应之前与氧发生反应。
[0154] 在本申请所述的方法中,所述低温精馏处理可包括:i)所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分成为物料流股;ii)使i)的所述物料流股与液态低温冷凝介质进行热交换,从而使所述液态低温冷凝介质的至少一部分被气化,而所述物料流股中的至少一部分氩气被冷凝为液氩;以及iii)使ii)中经冷凝获得的所述纯化的液氩与热源进行热交换,从而使所述纯化的液氩气化为纯化的氩气产品。所述液态低温冷凝介质可以为液氮或液氩。
[0155] 在某些实施方式中,所述液态低温冷凝介质为液氩。例如,ii)中所述的液态低温冷凝介质为液氩。又例如,ii)中所述液态低温冷凝介质的液氩为对经冷凝获得的所述纯化的液氩进行节流膨胀后获得的低压液氩。又例如,所述方法的ii)中的经气化的所述液态低温冷凝介质经复热后成为纯化的氩气产品。
[0156] 在本申请中,所述方法的ii)中所述液态低温冷凝介质的压力可比所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度降低1-7℃(例如,降低1℃,2℃,3℃,4℃,5℃,6℃,7℃)时相应的液氩压力。例如,所述液态低温冷凝介质的压力可为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度降低2-3℃时(例如,降低2℃,2.5℃,2.8℃,3℃,
3.2℃,3.5℃)相应的液氩压力。例如,所述液态低温冷凝介质的压力可为0.02-0.2Mpa(例如,0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.10Mpa、0.12Mpa、0.14Mpa、0.16Mpa、0.18Mpa或
0.2Mpa)。
[0157] 在本申请中,ii)中与所述液态低温冷凝介质进行热交换的所述物料流股的可压力为0.1-1.0MPa(例如,0.001Mpa,0.01Mpa,0.1Mpa,0.2Mpa,0.3Mpa,0.4Mpa,0.5Mpa,0.6Mpa,0.7Mpa,0.8Mpa,0.9Mpa,1.0Mpa,1.5Mpa,2.0Mpa),且其压力可比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1Mpa(例如,0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa或0.10Mpa)。
[0158] 在本申请中,所述方法的iii)中所述的热源是通过对e)的所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分进行加压和升温处理而获得的,所述热源的压力可为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高1-7℃(例如,升高0.5℃,1℃,2℃,3℃,4℃,5℃,6℃,7℃,8℃,9℃,10℃,12℃)时相应的氩的压力,且所述热源的压力可比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1Mpa(例如,0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa或
0.10Mpa)。
[0159] 例如,所述方法的所述热源的压力可为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高2-3℃(例如,升高0.5℃、0.8℃、1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、2.8℃或3℃)时相应的氩的压力,且所述热源的压力可比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1Mpa(例如,0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa或0.10Mpa)。又例如,所述热源的压力可为0.15-0.7MPa(例如,0.15Mpa,0.2Mpa,0.3Mpa,0.4Mpa,0.5Mpa,0.6Mpa,0.7Mpa,0.8Mpa),且所述热源的压力可比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1Mpa(例如,0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa或0.10Mpa)。
[0160] 在本申请所述的方法中,可对所述待精馏处理的气体混合物进行如下处理而得到所述物料流股:ia)使e)的所述待精馏处理的气体混合物经压缩机压缩成为高温高压待处理的气体混合物流股;ib)使ia)的所述高温高压待处理的气体混合物流股在换热器中经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股;以及ic)使ib)的所述低温高压待处理的气体混合物流股的至少一部分经节流膨胀后成为所述物料流股。例如,所述热源可以是ib)中获得的所述低温高压待处理的气体混合物流股的一部分。
[0161] 在本申请所述的方法中,可首先对所述待精馏处理的气体混合物进行压缩而使之成为高温高压的待处理的气体混合物流股。随后,可在换热器中对所述高温高压的待处理的气体混合物流股进行降温处理,而得到低温高压的待处理的气体混合物流股。之后,可将该低温高压待处理的气体混合物流股的一部分可用作所述热源,而将该低温高压待处理的气体混合物流股的另一部分经节流膨胀后作为温度和压力进一步降低的所述物料流股。
[0162] 例如,可通过使所述经气化的液态低温冷凝介质与所述高温高压待处理的气体混合物流股在所述换热器中进行热交换而使所述经气化的液态低温冷凝介质被复热后成为纯化的氩气产品,并且使所述高温高压待处理的气体混合物流股经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股。在本申请所述的方法中,所述热源可与所述经冷凝获得的纯化的液氩进行过热交换后,经节流膨胀成为所述物料流股的一部分。
[0163] 在本申请所述的方法中,所述液态低温冷凝介质的温度可以为-170℃至-198℃(例如,为-170℃、-175℃、-180℃、-185℃、-190℃、-195℃或-198℃)。例如,所述物料流股的温度可以为-165℃至-197℃(例如,为-165℃、-170℃、-175℃、-180℃、-185℃、-190℃、-195℃或-197℃),且所述低温冷凝介质的温度可比所述物料流股的温度低至少1-5℃(例如,低至少1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、3.5℃、4℃、4.5℃或5℃)。例如,经冷凝获得的所述纯化的液氩的温度可以为-160℃至-196℃(例如,约-200℃以下,约-190℃以下,约-180℃以下,约-170℃以下,约-160℃以下,约-150℃以下,约-140℃以下,或者约-130℃以下),且所述纯化的液氩的温度可比所述物料流股的温度低约0.5℃至约5℃(例如,低0.5℃、1℃、
1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、3.5℃、4℃、4.5℃或5℃)。例如,所述热源的温度可以为-170℃至-
195℃(例如,为-170℃、-175℃、-180℃、-185℃、-190℃、-193℃或-195℃),且所述热源的温度可比所述纯化的液氩的温度高至少1-5℃(例如,高至少1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、
3.5℃、4℃、4.5℃或5℃)。
[0164] 所述压缩可采用容积式压缩机(例如活塞式压缩机或螺杆式压缩机)和/或速度式压缩机(例如,离心式压缩机)。
[0165] 通常,离心式压缩机主要靠高速叶片将能量传递给管道中连续流动的气体使之获得极大的速度,同时提高压力,具有单位功率机组重量轻,体积小,占地少,没有气阀、活塞、活塞环等易损零件,可实现无油压缩,运转平稳可靠,设备基础轻,供气脉动性小,维护费用低等优点。
[0166] 通常,螺杆式压缩机属容积型回旋式压缩机中的一种,由于不出现余隙容积中剩余气体的再膨胀过程,在转子和机壳之间具有很小的间隙,相互之间没有滑动摩擦,所以内效率和机械效率都比较高。由于它无吸排气阀装置,易损件少,维护管理方便,使用寿命长。
[0167] 通常,活塞式压缩机是传统型容积式压缩机,目前使用最为广泛,有宽阔的工作压力范围,变工况适应性较强。
[0168] 本申请中,所述方法还可包括:g)回收和/或纯化f)中被去除的氢气。例如,可通过深冷精馏、闪蒸、和/或吸附来回收和/或纯化所述氢气。
[0169] 所述深冷精馏可以包括在深冷的温度条件下(例如,至少部分温度处于或低于-110℃下,例如处于或低于-120℃、处于或低于-130℃、处于或低于-140℃、处于或低于-150℃、处于或低于-160℃、处于或低于-170℃、处于或低于-180℃、处于或低于-190℃、和/或处于或低于-200℃,或更低)进行精馏的方法。闪蒸可以包括使被加热到接近其沸点的物质(例如,气液混合物等)突然进入负压空间,从而实现轻组份与重组分的分离。吸附可以包括变压吸附、变温吸附或变压变温吸附。变压吸附通常是指利用吸附剂对于混合物(例如气体混合物)中不同组分的吸附能力的差异在压力变化时发生改变的特性而实现分离的方法。
变温吸附通常是指利用吸附剂对于混合物(例如气体混合物)中不同组分的吸附能力的差异在温度变化时发生改变的特性而实现分离的方法。
[0170] 用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的系统
[0171] 在另一个方面,本申请提供了一种用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的系统。所述系统可包括:预处理单元,其与待处理的气体混合物流体连通并去除其中的油雾、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物;催化氧化单元,其与所述预处理单元流体连通,所述催化氧化单元使所述经预处理的气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物;脱氧单元,其与所述催化氧化单元流体连通,向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气后,所述脱氧单元使所述经催化氧化的气体混合物中的氧含量降低到2ppm(例如,约0.1ppm以下,约0.5ppm以下,约1ppm以下,约1.5ppm以下,约2ppm以下,约5ppm以下)以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物;吸附单元,其与所述脱氧单元流体连通,所述吸附单元包含吸附剂以去除所述经加氢脱氧的气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物;第一缓冲单元,其与所述待精馏处理的气体混合物流体连通并包含用于测定所述待精馏处理的气体混合物的流量的流量测定装置,所述第一缓冲单元中包含精馏合格缓冲气,所述精馏合格缓冲气被用于调节所述待精馏处理的气体混合物的流量,并使该流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内;以及低温精馏单元,其与所述吸附单元及所述第一缓冲单元流体连通,以去除所述待精馏处理的气体混合物中的氮气和氢气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品。
[0172] 本申请所述的系统还可包括氢回收单元,所述氢回收单元可与所述低温精馏单元流体连通并用于回收和/或纯化在所述低温精馏单元中被去除的氢气。例如,所述氢回收单元可包括选自下列的装置:深冷精馏装置、闪蒸装置、和/或吸附装置。
[0173] 在本申请所述的系统中,所述预处理单元可包括粗处理装置和精密处理装置。所述粗处理装置和所述精密处理装置可流体连通。所述粗处理装置可包括选自下列的一种或多种:吸油毡、粉尘过滤装置、水喷淋装置,和/或用于同时脱除油雾和粉尘的旋转装置。例如,所述水喷淋装置可产生包含微气泡的水并通过向所述待处理的气体混合物喷淋所述包含微气泡的水来去除油雾。所述微气泡的直径可以为,例如约30-100mm,40-100mm,50-100mm,60-100mm,70-100mm,80-100mm,90-100mm,95-100mm。
[0174] 在某些实施方式中,所述粗处理装置中可包括上述一种或多种装置,所述一种或多种装置可交替进行除尘除油,从而持续去除所述待处理的气体混合物中的油、粉尘和其它颗粒物。
[0175] 例如,所述粗处理装置可包括通过气液分离装置进行除油。所述气液装置可为一套组合式气液分离罐。所述组合式气液分离罐可采用以下的步骤分离除油:第一步除油,旋风分离器,除去较大油滴。一定速度的气流中夹带的液滴通过气相进口切向进入分离器下部,依靠气油的密度差,油滴被甩向罐体内壁,沿壁面导流至底部,气流上升,经碰撞导流挡板进行碰撞分离,再进入下一级分离。第二步除油,利用两层旋流板进一步气油分离。第三步除油,利用旋流除雾器(ZL200710018412.8)后一步气油分离。气流进入后形成旋流,液滴被甩到壁面而聚集成液膜下流,叶片倾斜一定的度,有利于油滴汇聚并流向塔壁,多个S型通道增加气流接触时间和碰撞分离机率。分离后的气相通过罐体顶部气相出口N2排出。二级和三级气油分离后的污油汇到一起排出。
[0176] 所述精密处理装置可包括下列中的一种或多种:膜过滤器、陶瓷过滤器、金属过滤器和/或活性炭吸附器。
[0177] 在本申请所述的系统中,所述待处理的气体混合物中待去除的杂质可包括:油、粉尘、硅粉等其它颗粒物,硅蒸气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、水和/或碳氢化合物。例如,所述待处理的气体混合物可为单晶硅炉或铸锭炉产生的废气。
[0178] 本申请所述的系统还可包括进气调节阀,所述进气调节阀控制所述单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通,从而使得所述待预处理的气体混合物中氩气的含量保持至少为80%(例如,至少85%(v/v)、至少90%(v/v)、至少95%(v/v)、至少98%(v/v)、至少99%(v/v)、至少99.5%(v/v)、至少99.9%(v/v)、至少99.99%(v/v)或更高)。例如,所述系统可包括两个或更多个所述进气调节阀,其中每个进气调节阀可独立地控制一个单独的单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通,并且当任一个所述单晶硅炉或铸锭炉需与环境气体流体连通时,相应的进气调节阀阻断该单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通。在某些实施方式中,所述待预处理的气体混合物为来自两个或更多个单晶硅炉或铸锭炉的废气,并且当所述两个或更多个单晶硅炉或铸锭炉中的任一个需与环境气体流体连通时,可通过关闭所述进气调节阀而停止从该单晶硅炉或铸锭炉向所述待预处理的气体混合物中排放废气。例如,当需要打开任一单晶硅炉或铸锭炉的开口(例如,当需要取出炉中的产品或者需要向炉中加入原料时)而使环境中的空气进入炉中时,可通过调节所述进气调节阀而在打开该单晶硅炉或铸锭炉开口的同时,断开该单晶硅炉或铸锭炉与预处理装置之间的流体连接,从而确保所述空气不与待预处理的气体混合物混合,继而确保所述待预处理的气体混合物中氩气的含量保持为至少80%(v/v)(例如,至少85%(v/v)、至少90%(v/v)、至少95%(v/v)、至少98%(v/v)、至少99%(v/v)、至少99.5%(v/v)、至少99.9%(v/v)、至少99.99%(v/v)或更高)。
[0179] 本申请所述的系统还可包括氧测量单元,所述氧测量单元可与所述预处理单元流体连通并可测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度。
[0180] 本申请所述的系统还可包括第二缓冲单元,所述第二缓冲单元可包含脱氧合格缓冲气且与所述经预处理的气体混合物流体连通。例如,当测得的所述氧浓度超过约4%(v/v)(例如,为至少约4.5%(v/v),至少约5%(v/v),至少约6%(v/v),至少约7%(v/v),至少约8%(v/v),至少约9%(v/v),至少约10%(v/v)或更高)时,可将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并从所述第二缓冲单元向所述经预处理的气体混合物中通入脱氧合格缓冲气来使其中的氧浓度不超过约4%(v/v)(例如,为约4%(v/v)以下,约3.5%(v/v)以下,约3%(v/v)以下,约2.5%(v/v)以下,约2%(v/v)以下,约1.5%(v/v)以下,约1%(v/v)以下或更低)。例如,当测得的所述氧浓度超过约2%(v/v)(例如,为至少约2.5%(v/v),至少约3%(v/v),至少约3.5%(v/v),至少约4%(v/v),至少约4.5%(v/v),至少约5%(v/v),至少约5.5%(v/v)或更高)时,可将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并从所述第二缓冲单元向所述经预处理的气体混合物中通入脱氧合格缓冲气来使其中的氧浓度不超过约2%(v/v)(例如,为约2%(v/v)以下,约1.5%(v/v)以下,约1%(v/v)以下,约0.5%(v/v)以下或更低)。
[0181] 在本申请所述的系统中,所述催化氧化单元可将包括碳氢化合物和一氧化碳的还原性气体氧化为水和二氧化碳。所述催化氧化单元可包含催化剂,且所述催化剂可选自下组:Carulite催化剂,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。例如,所述催化氧化单元可包括一个或多个催化氧化反应装置(例如,一个或多个填料塔,其中每个填料塔可包括一个或多个催化氧化床层),其中每一个反应装置可独立地包含一种或多种所述催化剂。所述催化氧化可在约50℃至约400℃的温度下进行。例如,所述催化氧化可在约60℃至约350℃的温度下,约70℃至约330℃的温度下,约80℃至约320℃的温度下,约90℃至约310℃的温度下,约100℃至约300℃的温度下,约110℃至约290℃的温度下,约120℃至约280℃的温度下,约
130℃至约270℃的温度下,约140℃至约260℃的温度下,约150℃至约250℃的温度下,约
160℃至约240℃的温度下进行。
[0182] 在本申请所述的系统中,所述脱氧单元中通入适当比例的氢气后,所述脱氧单元使所述经催化氧化的气体混合物中的氧含量降低到0.1ppm以下(例如,可以为约0.1ppm以下,约0.05ppm以下,约0.04ppm以下,约0.03ppm以下,约0.02ppm以下,约0.01ppm以下)。
[0183] 所述脱氧单元可包含催化剂,且所述催化剂可选自下组:Cu,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。所述脱氧单元可包括一个或多个反应装置(例如,一个或多个填料塔,其中每个填料塔可包括一个或多个脱氧床层),其中每一个反应装置可独立地包含一种或多种所述催化剂。
[0184] 在本申请所述的系统中,向所述脱氧单元中通入的氢气与所测得的所述经预处理的气体混合物中的氧的摩尔比可以为约2.2:1至约3:1,例如,约2.4:1至约3.2:1,约2.5:1至约3.1:1,约2.6:1至约3:1,约2.7:1至约3:1,约2.8:1至约3:1,约2.9:1至约3:1,或者约2.9:1至约3:1等。
[0185] 在本申请所述的系统中,所通入的氢气可以来自与所述脱氧单元流体连通的氢气储罐。在某些实施方式中,所述系统包括氢气发生器用于产生向所述脱氧单元中通入的氢气。所述氢气发生器可通过,例如点解法、甲醇裂解法或蒸汽甲烷重整(Steam Methane Reforming,SMR)等产生氢气。
[0186] 在本申请所述的系统中,所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量可为至少约96%。例如,所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量可为至少约97%,至少约98%,至少约99%,至少约99.9%,至少约99.99%,至少约99.999%或更高。
[0187] 在本申请所述的系统中,向所述脱氧单元中通入所述氢气的方式和所通入的氢气量基本上不影响所述催化氧化反应的效率。例如,可向所述脱氧单元中包含催化剂的填料装置的中间部位通入适量的氢,从而避免所通入的氢在所述催化氧化反应之前与氧发生反应。
[0188] 在本申请所述的系统中,所述吸附单元中可包含吸附剂。所述吸附剂可:1)为动态吸附量大、分离系数高、且解吸容易的吸附剂;2)具有足够的耐磨强度和抗压强度;和/或3)对所有待分离的气体或气体混合物具有化学惰性。例如,所述吸附剂可包括下列的一种或多种:活性炭、炭分子筛、天然沸石、改性沸石、硅铝基分子筛、介孔分子筛、钛基分子筛、金属有机框架材料、以及它们的混合物。
[0189] 在本申请所述的系统可包括至少两个吸附单元,且当所述至少两个吸附单元之一进行吸附时,对其中的另一个吸附单元进行再生,从而所述至少两个吸附单元交替进行吸附与再生,继而实现对所述经加氢脱氧的气体混合物持续进行吸附处理。所述至少两个吸附单元可各自独立地包括变压吸附装置、变温吸附装置和/或变温变压吸附装置。
[0190] 在本申请所述的系统中,所述精馏合格缓冲气可以为适于进行精馏处理的气体或气体组合物。例如,所述精馏合格缓冲气中氧含量可为0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、
0.02ppm以下或0.01ppm以下),氩含量不低于98%(例如,不低于97%,96%,95%,94%,
93%,92%,91%,90%,88%,86%,85%,80%),且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。
[0191] 在本申请中,例如,所述基本上不含油雾是指所述精馏合格缓冲气中油滴的粒径可为约0.1μm以下(例如,约0.08μm以下、0.06μm以下、0.04μm以下、0.02μm以下、0.15μm以下或0.01μm以下)。在本申请中,例如,所述不含粉尘或其它颗粒物是指所述精馏合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径可为约0.1μm以下(例如,约0.08μm以下、0.06μm以下、0.04μm以下、0.02μm以下、0.15μm以下或0.01μm以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含一氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中一氧化碳的含量可为约0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、
0.02ppm以下或0.01ppm以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含二氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中二氧化碳的含量可为0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、0.02ppm以下或0.01ppm以下)。在某些实施方式中,所述基本上不含水是指所述精馏合格缓冲气的露点温度为约-50℃以下(例如,约-90℃以下、-80℃以下、-70℃以下、-60℃以下、-55℃以下或-50℃以下)。
在本申请中,例如,所述基本上不含碳氢化合物是指所述脱氧合格缓冲气中非甲烷总烃的含量为约0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、
0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、0.02ppm以下或0.01ppm以下)。
[0192] 在本申请所述的系统中,所述脱氧合格缓冲气可以为适于进行脱氧处理的气体或气体组合物。例如,所述脱氧合格缓冲气中的氧含量可为0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、
0.02ppm以下、0.01ppm以下或0.1ppm以下),氩含量可不低于98%(例如,不低于99%,不低于99.5%,不低于99.9%,不低于99.99%或更高)。此外,所述脱氧合格缓冲气可基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物
[0193] 在本申请中,例如,所述基本上不含油雾是指所述脱氧合格缓冲气中油滴的粒径可为约0.1μm以下(例如,约0.08μm以下、0.06μm以下、0.04μm以下、0.02μm以下、0.15μm以下或0.01μm以下)。在本申请中,例如,所述不含粉尘或其它颗粒物是指所述脱氧合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径可为约0.1μm以下(例如,约0.08μm以下、0.06μm以下、0.04μm以下、0.02μm以下、0.15μm以下或0.01μm以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含一氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中一氧化碳的含量可为约0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、
0.02ppm以下或0.01ppm以下)。在本申请中,例如,所述基本上不含二氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中二氧化碳的含量可为0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、0.02ppm以下或0.01ppm以下)。在某些实施方式中,所述基本上不含水是指所述脱氧合格缓冲气的露点温度为约-40℃以下(例如,约-90℃以下、-80℃以下、-70℃以下、-60℃以下、-50℃以下或-40℃以下)。
在本申请中,例如,所述基本上不含碳氢化合物是指所述脱氧合格缓冲气中非甲烷总烃的含量为约0.1ppm以下(例如,0.09ppm以下、0.08ppm以下、0.07ppm以下、0.06ppm以下、
0.05ppm以下、0.04ppm以下、0.03ppm以下、0.02ppm以下或0.01ppm以下)。
[0194] 在本申请所述的系统中,所述低温精馏单元进行精馏处理的流量操作弹性范围可以为所述低温精馏单元设计负荷流量的60%至120%,例如,为所述设计负荷流量的70%至120%,为所述设计负荷流量的75%至115%,为所述设计负荷流量的80%至110%,为所述设计负荷流量的85%至105%,为所述设计负荷流量的90%至100%,为所述设计负荷流量的95%至105%,为所述设计负荷流量的99%至102%。
[0195] 在本申请所述的系统中,所述低温精馏单元可包括一个或多个下述组件:压缩机、节流阀、换热器、精馏塔、冷凝蒸发器、和/或再沸器。
[0196] 例如,所述低温精馏单元可包括一个或多个精馏塔,每个精馏塔配备冷凝回流器和再沸器,其中所述冷凝回流器位于所述精馏塔上端,所述再沸器位于所述精馏塔下端;所述低温精馏单元使所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分成为物料流股;所述物料流股与所述再沸器进行热交换,得到气化的物料流股;所述气化的物料流股与所述冷凝回流器进行热交换,在所述精馏塔底端获得纯化的氩气产品;所述气化的物料流股中的至少一部分经所述冷凝回流器热交换后冷凝为回流液;所述回流液作为所述精馏处理的液态低温冷凝介质。
[0197] 在本申请中,所述冷凝器中的所述液态低温冷凝介质可与所述再沸器中的所述热源相互独立。例如,所述冷凝器中的所述液态低温冷凝介质可与所述再沸器中的所述热源之间通过选自下列的过程连通:压缩、节流膨胀和/或换热。
[0198] 在本申请所述的系统中,所述液态低温冷凝介质可为液氮或液氩。在某些实施方式中,所述液态低温冷凝介质为液氩。例如,所述液态低温冷凝介质的液氩可为对经冷凝获得的所述纯化的液氩进行节流膨胀后获得的低压液氩。
[0199] 在本申请所述的系统中,经气化的所述液态低温冷凝介质可经复热后成为纯化的氩气产品。
[0200] 在本申请所述的系统中,所述液态低温冷凝介质的压力可为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度降低1-7℃(例如,降低1℃,2℃,3℃,4℃,5℃,6℃,7℃))时相应的液氩压力。例如,所述液态低温冷凝介质的压力可为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度降低2-3℃时(例如,降低2℃,2.5℃,2.8℃,3℃,3.2℃,3.5℃)相应的液氩压力。例如,所述液态低温冷凝介质的压力可为0.02-0.2Mpa(例如,为
0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.10Mpa、0.12Mpa、0.14Mpa、0.16Mpa、0.18Mpa或
0.2Mpa)。
[0201] 在本申请所述的系统中,所述液态低温冷凝介质进行热交换的所述物料流股的可压力为0.1-1.0MPa(例如为0.1Mpa,0.2Mpa,0.3Mpa,0.4Mpa,0.5Mpa,0.6Mpa,0.7Mpa,0.8Mpa,0.9Mpa,1.0Mpa,1.5Mpa,1.9Mpa),且其压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-
0.1Mpa(例如,0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa或0.10Mpa)。
[0202] 在本申请所述的系统中,所述热源是通过对所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分进行加压和升温处理而获得的,所述热源的压力可为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高1-7℃(例如,升高1℃,2℃,3℃,4℃,5℃,6℃或7℃)时相应的氩的压力,且所述热源的压力可比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1Mpa(例如,高0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa或0.10Mpa)。
[0203] 例如,所述系统的所述热源的压力可为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高2-3℃(例如,升高1℃,1.5℃,2℃,2.5℃,2.8℃,3℃,3.2℃,3.5℃,4℃,5℃)时相应的氩的压力,且所述热源的压力可比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1Mpa(例如,高0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa或0.10Mpa)。又例如,所述热源的压力可为0.15-0.7MPa(例如,为0.15Mpa,0.2Mpa,0.3Mpa,0.4Mpa,0.5Mpa,0.6Mpa,
0.7Mpa,0.8Mpa),且所述热源的压力可比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1Mpa(例如,高0.02Mpa、0.04Mpa、0.06Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa或0.10Mpa)。
[0204] 在本申请所述的系统中,所述低温精馏单元还可包括一个或多个压缩机、换热器和节流阀,所述压缩机与所述换热器流体连通且所述换热器与所述节流阀流体连通,所述待精馏处理的气体混合物经所述压缩机压缩而成为高温高压待处理的气体混合物流股,且所述高温高压待处理的气体混合物流股在所述换热器中经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股;且所述低温高压待处理的气体混合物流股的至少一部分流经所述节流阀被节流膨胀后成为所述物料流股。例如,可首先使所述待精馏处理的气体混合物经压缩机压缩而成为高温高压的待处理的气体混合物流股。随后,可在换热器中对所述高温高压的待处理的气体混合物流股进行降温处理,而得到低温高压的待处理的气体混合物流股。之后,可将该低温高压待处理的气体混合物流股的一部分可用作所述热源,而将该低温高压待处理的气体混合物流股的另一部分经节流阀节流膨胀后作为温度和压力进一步降低的所述物料流股。
[0205] 在本申请所述的系统中,所述热源可以是在所述换热器中经降温处理而获得的所述低温高压待处理的气体混合物流股的一部分。
[0206] 在本申请所述的系统中,在所述换热器中,所述经气化的液态低温冷凝介质可与所述高温高压待处理的气体混合物流股进行热交换而使所述经气化的液态低温冷凝介质被复热后成为纯化的氩气产品,而所述高温高压待处理的气体混合物流股经降温处理后成为所述低温高压待处理的气体混合物流股。
[0207] 在本申请所述的系统中,所述节流阀还可与所述再沸器流体连通,所述热源在所述再沸器中与所述经冷凝获得的纯化的液氩进行过热交换后,经所述节流阀节流膨胀而成为所述物料流股的一部分。
[0208] 在在本申请所述的系统中,所述液态低温冷凝介质的温度可以为-170℃至-198℃(例如,为-170℃、-175℃、-180℃、-185℃、-190℃、-195℃或-198℃)。所述物料流股的温度可以为-165℃至-197℃(例如,为-165℃、-170℃、-175℃、-180℃、-185℃、-190℃、-195℃或-197℃),且所述低温冷凝介质的温度可比所述物料流股的温度低至少1-5℃(例如,低至少1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、3.5℃、4℃、4.5℃或5℃)。经冷凝获得的所述纯化的液氩的温度可以为-160℃至-196℃(例如,为约-200℃以下,约-190℃以下,约-180℃以下,约-170℃以下,约-160℃以下,约-150℃以下,约-140℃以下,或者约-130℃以下),且所述纯化的液氩的温度可比所述物料流股的温度低约0.5℃至约5℃(例如,低0.5℃、1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、3.5℃、4℃、4.5℃或5℃)。所述热源的温度可以为-170℃至-195℃(例如,为-
170℃、-175℃、-180℃、-185℃、-190℃、-193℃或-195℃),且所述热源的温度可比所述纯化的液氩的温度高至少1-5℃(例如,高至少1℃、1.5℃、2℃、2.5℃、3℃、3.5℃、4℃、4.5℃或5℃)。
[0209] 所述压缩机可以为以下的一种或多种:容积式压缩机(例如活塞式压缩机或螺杆式压缩机)和/或速度式压缩机(例如,离心式压缩机)。
[0210] 通常,离心式压缩机主要靠高速叶片将能量传递给管道中连续流动的气体使之获得极大的速度,同时提高压力,具有单位功率机组重量轻,体积小,占地少,没有气阀、活塞、活塞环等易损零件,可实现无油压缩,运转平稳可靠,设备基础轻,供气脉动性小,维护费用低等优点。
[0211] 通常,螺杆式压缩机属容积型回旋式压缩机中的一种,由于不出现余隙容积中剩余气体的再膨胀过程,在转子和机壳之间具有很小的间隙,相互之间没有滑动摩擦,所以内效率和机械效率都比较高。由于它无吸排气阀装置,易损件少,维护管理方便,使用寿命长。
[0212] 通常,活塞式压缩机是传统型容积式压缩机,目前使用最为广泛,有宽阔的工作压力范围,变工况适应性较强。
[0213] 本申请所述的系统还可包括至少一个控制单元。所述控制单元可与所述预处理单元、所述催化氧化单元、所述脱氧单元、所述吸附单元、所述第一缓冲单元、所述第二缓冲单元以及所述低温精馏单元可操作地连接,以调节所述系统的温度、压力、和/或所述系统中流体的流通方式和/或流量。
[0214] 图1显示了本申请所提供的系统的一个实例。首先,使待处理的气体混合物113经预处理单元101预处理,以去除其中的油、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物114。可将经预处理的气体混合物114通入吸附单元102中,以进一步去除其中的水、二氧化碳、碳氢化合物等,得到经预处理的气体混合物115。随后,通过氧测量单元103检测所述经预处理的气体混合物115中的氧浓度,当测得的所述氧浓度超过约4%(v/v)时,将所述经预处理的气体混合物115的至少一部分作为流股127排放掉并从第二缓冲单元112向所述经预处理的气体混合物116中通入脱氧合格缓冲气124来使其中的氧浓度不超过约4%(v/v)。使含氧量合格的经预处理的气体混合物116与催化氧化及加氢脱氧单元104中的催化氧化部分接触,从而使所述气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物。继而,使所述经催化氧化的气体混合物与所述催化氧化及加氢脱氧单元104中的加氢脱氧部分接触,并从氢发生单元109向所述加氢脱氧部分中通入适当比例的氢气126以使其中的氧含量降低到不超过约40ppm,从而获得经加氢脱氧的气体混合物117。所述第二缓冲单元112中的气体可来自经催化氧化和加氢脱氧处理后的流股125。随后,使所述经加氢脱氧的气体混合物117与吸附单元105接触,以去除所述气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物120。测定所述待精馏处理的气体混合物
120的流量,并通过来自第一缓冲单元111的精馏合格缓冲气119进行调节而使所述待精馏处理的气体混合物120的流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内。所述第一缓冲单元111中的缓冲气体可部分地来自经所述吸附单元105处理后的流股118。之后,使所述待精馏处理的气体混合物120经低温精馏单元106处理以去除氢气和氮气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品121,并储存到产品罐107中。同时,可将需去除的氢气122经氢回收单元108处理而回收。液氩储罐110与所述低温精馏单元106流体连通,以向其中供应作为冷源的液氩
123。
[0215] 图2显示了单晶硅生产中氩气浓度随时间变化的测量曲线。由图2可以看出,在不设置控制阀门的情况下,当打开单晶硅炉或铸锭炉而使其与环境气体流体连通时,待处理的气体混合物中氩气的含量变化剧烈,这将严重影响氩气回收的能力。
[0216] 本申请还涉及下列具体实施方案:
[0217] 1、一种用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的方法,所述方法包括:
[0218] a)使待处理的气体混合物经受预处理以去除其中的油雾、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物;
[0219] b)使a)的所述经预处理的气体混合物与催化氧化单元接触,从而使所述气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物;
[0220] c)使b)的所述经催化氧化的气体混合物与脱氧单元接触,并向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气以使其中的氧含量降低到2ppm以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物;
[0221] d)使c)的所述经加氢脱氧的气体混合物与吸附单元接触,以去除所述气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物;
[0222] e)测定d)的所述待精馏处理的气体混合物的流量,并通过用精馏合格缓冲气进行调节而使所述待精馏处理的气体混合物的流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内;以及[0223] f)使e)的所述待精馏处理的气体混合物经低温精馏处理以去除氮气和氢气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品。
[0224] 2、根据实施方案1所述的方法,其中在c)中,向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气以使其中的氧含量降低到0.1ppm以下。
[0225] 3、根据实施方案1-2中任一项所述的方法,其还包括:g)回收和/或纯化f)中被去除的氢气。
[0226] 4、根据实施方案1-3中任一项所述的方法,其中a)的所述预处理包括粗处理和精密处理。
[0227] 5、根据实施方案4所述的方法,其中所述粗处理包括使用选自下列的一种或多种:使用吸油毡吸附油雾,通过过滤装置过滤粉尘,通过水喷淋脱除油雾和粉尘,通过旋转装置分离脱除油雾和粉尘,和/或产生包含微气泡的水并通过向所述待处理的气体混合物喷淋所述包含微气泡的水来去除油雾。
[0228] 6、根据实施方案4-5中任一项所述的方法,其中所述精密处理包括使用下述的一种或多种:膜过滤器、陶瓷过滤器、金属过滤器和/或活性炭吸附器。
[0229] 7、根据实施方案3-6中任一项所述的方法,其中通过深冷精馏、闪蒸、和/或吸附来回收和/或纯化所述氢气。
[0230] 8、根据实施方案1-7中任一项所述的方法,其中在b)中,在使所述经预处理的气体混合物与所述催化氧化单元接触之前,测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度;和/或,
[0231] 在使所述经预处理的气体混合物与所述催化氧化单元接触之前,测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度;和/或,
[0232] 在使所述经预处理的气体混合物与所述催化氧化单元接触之前,去除所述经预处理的气体混合物中的水和二氧化碳。
[0233] 9、根据实施方案8所述的方法,其中当所测得的所述氧浓度超过4%(v/v)时,通过将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并通入脱氧合格缓冲气来使其氧浓度不超过约4%(v/v)。
[0234] 10、根据实施方案8所述的方法,其中当所测得的所述氧浓度超过2%(v/v)时,通过将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并通入脱氧合格缓冲气来使其氧浓度不超过约2%(v/v)。
[0235] 11、根据实施方案8-10中任一项所述的方法,其中在c)中,向所述脱氧单元中通入的氢气与所测得的所述经预处理的气体混合物中的氧的摩尔比为约2.2:1至约3:1。
[0236] 12、根据实施方案1-11中任一项所述的方法,其中在b)中,所述催化氧化将包括碳氢化合物和一氧化碳的还原性气体氧化为水和二氧化碳。
[0237] 13、根据实施方案1-12中任一项所述的方法,其中在b)中,当所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数小于氧化所述经预处理的气体所需氧气的摩尔分数时,则添加氧气,使所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数比所述经预处理的气体所需氧气的摩尔分数高10-50%。
[0238] 14、根据实施方案1-13中任一项所述的方法,其中b)中所述的催化氧化单元包含催化剂,且所述催化剂选自下组:Carulite催化剂,铂催化剂,钯催化剂及其任意组合。
[0239] 15、根据实施方案1-14中任一项所述的方法,其中c)中所述的脱氧单元包含催化剂,且所述催化剂选自下组:Cu,铂催化剂,钯催化剂及其任意组合。
[0240] 16、根据实施方案1-15中任一项所述的方法,其中所述待处理的气体混合物中待去除的杂质包括:油、粉尘、硅粉等其它颗粒物,硅蒸气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、水和/或碳氢化合物;和/或,
[0241] 所述待处理的气体混合物为单晶硅炉或铸锭炉产生的废气。
[0242] 17、根据实施方案1-16中任一项所述的方法,其中当所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数大于2%或所述经预处理的气体混合物进行所述催化氧化的温度超过400摄氏度时,所述的催化氧化单元包括分段反应器;和/或,
[0243] 当所述脱氧单元进行反应的温度超过400摄氏度时,所述的脱氧单元包括分段反应器。
[0244] 18、根据实施方案17所述的方法,其还包括,在a)之前,控制所述单晶硅炉或铸锭炉中废气的排放时机,从而使得所述待预处理的气体混合物中氩气的含量保持至少为80%。
[0245] 19、根据实施方案18所述的方法,其中所述待预处理的气体混合物为来自两个或更多个单晶硅炉或铸锭炉的废气,并且当所述两个或更多个单晶硅炉或铸锭炉中的任一个需与环境气体流体连通时,停止从该单晶硅炉或铸锭炉向所述待预处理的气体混合物中排放尾气。
[0246] 20、根据实施方案1-19任一项所述的方法,其中所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量为至少约99%。
[0247] 21、根据实施方案1-20任一项所述的方法,其中所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量为至少约99.999%。
[0248] 22、根据实施方案1-21中任一项所述的方法,其中d)中采用至少两个吸附单元,且当所述至少两个吸附单元之一进行吸附时,对其中的另一个吸附单元进行再生,从而所述至少两个吸附单元交替进行吸附与再生,继而实现对所述气体混合物持续进行吸附处理。
[0249] 23、根据实施方案1-22中任一项所述的方法,其中所述精馏合格缓冲气中氧含量为0.1ppm以下,氩含量不低于98%,且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。
[0250] 24、根据实施方案23所述的方法,其中所述基本上不含油雾是指所述精馏合格缓冲气中油滴的粒径为0.1μm以下。
[0251] 25、根据实施方案23或24所述的方法,其中所述基本上不含粉尘或其它颗粒物是指所述精馏合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径为0.1μm以下。
[0252] 26、根据实施方案23-25中任一项所述的方法,其中所述基本上不含一氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中一氧化碳的含量为0.1ppm以下。
[0253] 27、根据实施方案23-26中任一项所述的方法,其中所述基本上不含二氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中二氧化碳的含量为0.1ppm以下。
[0254] 28、根据实施方案23-27中任一项所述的方法,其中所述基本上不含水是指所述精馏合格缓冲气的露点温度为-50℃以下。
[0255] 29、根据实施方案23-28中任一项所述的方法,其中所述基本上不含碳氢化合物是指所述精馏合格缓冲气中非甲烷总烃的总含量为0.1ppm以下。
[0256] 30、根据实施方案9或10所述的方法,其中所述脱氧合格缓冲气中氧含量为0.1ppm以下,氩含量不低于98%,且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。
[0257] 31、根据实施方案30所述的方法,其中所述基本上不含油雾是指所述脱氧合格缓冲气中油滴的粒径为0.1μm以下。
[0258] 32、根据实施方案30或31所述的方法,其中所述基本上不含粉尘或其它颗粒物是指所述脱氧合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径为0.1μm以下。
[0259] 33、根据实施方案30-32中任一项所述的方法,其中所述基本上不含一氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中一氧化碳的含量为0.1ppm以下。
[0260] 34、根据实施方案30-33中任一项所述的方法,其中所述基本上不含二氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中二氧化碳的含量为0.1ppm以下。
[0261] 35、根据实施方案30-34中任一项所述的方法,其中所述基本上不含水是指所述精馏合格缓冲气的露点温度为-40℃以下。
[0262] 36、根据实施方案30-35中任一项所述的方法,其中所述基本上不含碳氢化合物是指所述精馏合格缓冲气中非甲烷总烃的总含量为0.1ppm以下。
[0263] 37、根据实施方案1-36中任一项所述的方法,其中所述精馏处理的流量操作弹性范围为所述精馏处理的设计负荷流量的60%至120%。
[0264] 38、根据实施方案1-37中任一项所述的方法,其中在f)中,所述低温精馏处理包括:
[0265] i)使e)的所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分成为物料流股;
[0266] ii)使i)的所述物料流股与热源进行热交换,得到气化的物料流股;以及[0267] iii)使ii)的所述气化的物料流股与液态低温冷凝介质进行热交换,获得纯化的氩气产品;并且,ii)的所述气化的物料流股中的至少一部分被冷凝为回流液,所述回流液作为所述精馏处理的液态低温冷凝介质。
[0268] 39、根据实施方案38所述的方法,其中ii)中所述的液态低温冷凝介质为液氮或液化空气或液氩。
[0269] 40、根据实施方案39所述的方法,其中ii)中所述的液态低温冷凝介质为液氩。
[0270] 41、根据实施方案40所述的方法,其中作为ii)中所述液态低温冷凝介质的液氩为对经冷凝获得的所述纯化的液氩节流膨胀后获得的低压液氩。
[0271] 42、根据实施方案41所述的方法,其中ii)中的经气化的所述液态低温冷凝介质经复热后成为纯化的氩气产品。
[0272] 43、根据实施方案40-42中任一项所述的方法,其中ii)中所述液态低温冷凝介质的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度降低1-7℃时相应的液氩压力。
[0273] 44、根据实施方案43所述的方法,其中所述液态低温冷凝介质的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度降低2-3℃时相应的液氩压力。
[0274] 45、根据实施方案40-44中任一项所述的方法,其中所述液态低温冷凝介质的压力0.02-0.2MPa。
[0275] 46、根据实施方案40-45中任一项所述的方法,其中ii)中与所述液态低温冷凝介质进行热交换的所述物料流股的压力为0.1-1.0MPa,且其压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0276] 47、根据实施方案40-46中任一项所述的方法,其中iii)中所述的热源是通过对e)的所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分进行加压和升温处理而获得的,所述热源的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高1-7℃时相应的氩的压力,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0277] 48、根据实施方案47所述的方法,其中所述热源的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高2-3℃时相应的氩的压力,所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0278] 49、根据实施方案40-48中任一项所述的方法,其中所述热源的压力为0.7-0.15MPa,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0279] 50、根据实施方案40-49中任一项所述的方法,其中在i)中,对e)的所述待精馏处理的气体混合物进行如下处理而得到所述物料流股:
[0280] ia)使e)的所述待精馏处理的气体混合物经压缩机压缩成为高温高压待处理的气体混合物流股;
[0281] ib)使ia)的所述高温高压待处理的气体混合物流股在换热器中经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股;以及
[0282] ic)使ib)的所述低温高压待处理的气体混合物流股的至少一部分经节流膨胀后成为所述物料流股。
[0283] 51、根据实施方案50所述的方法,其中iii)中所述的热源是ib)中获得的所述低温高压待处理的气体混合物流股的一部分。
[0284] 52、根据实施方案50所述的方法,其中通过使所述经气化的液态低温冷凝介质与所述高温高压待处理的气体混合物流股在所述换热器中进行热交换而使所述经气化的液态低温冷凝介质被复热后成为纯化的氩气产品,且使所述高温高压待处理的气体混合物流股经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股。
[0285] 53、根据实施方案47-52中任一项所述的方法,其中所述热源与所述经冷凝获得的纯化的液氩进行过热交换后,经节流膨胀成为所述物料流股的一部分。
[0286] 54、根据实施方案38-53中任一项所述的方法,其中所述液态低温冷凝介质的温度为-170℃至-198℃。
[0287] 55、根据实施方案38-54中任一项所述的方法,其中i)中所述物料流股的温度为-165℃至-197℃,且所述低温冷凝介质的温度比所述物料流股的温度低至少1-5℃。
[0288] 56、根据实施方案38-55中任一项所述的方法,其中经冷凝获得的所述纯化的液氩的温度为-160℃至-196℃,且所述纯化的液氩的温度比所述物料流股的温度低约0.5℃至约5℃。
[0289] 57、根据实施方案38-56中任一项所述的方法,其中所述热源的温度为-170℃至-195℃,且所述热源的温度比所述纯化的液氩的温度高至少1-5℃。
[0290] 58、根据实施方案1-57中任一项所述的方法,其中所述吸附单元中包含吸附剂,且所述吸附剂包括下列的一种或多种:活性炭、活性氧化铝、改性硅胶、炭分子筛、天然沸石、改性沸石、硅铝基分子筛、介孔分子筛、钛基分子筛、金属有机框架材料、以及它们的混合物。
[0291] 59、一种用于制备纯化的液氩和/或氩气产品的系统,所述系统包括:
[0292] 预处理单元,其与待处理的气体混合物流体连通并去除其中的油雾、粉尘和其它颗粒物从而获得经预处理的气体混合物;
[0293] 催化氧化单元,其与所述预处理单元流体连通,所述催化氧化单元使所述经预处理的气体混合物中的还原性气体被催化氧化,以获得经催化氧化的气体混合物;
[0294] 脱氧单元,其与所述催化氧化单元流体连通,向所述脱氧单元中通入适当比例的氢气后,所述脱氧单元使所述经催化氧化的气体混合物中的氧含量降低到约2ppm以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物;
[0295] 吸附单元,其与所述脱氧单元流体连通,所述吸附单元包含吸附剂以去除所述经加氢脱氧的气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待精馏处理的气体混合物;
[0296] 第一缓冲单元,其与所述待精馏处理的气体混合物流体连通并包含用于测定所述待精馏处理的气体混合物的流量的流量测定装置,所述第一缓冲单元中包含精馏合格缓冲气,所述精馏合格缓冲气被用于调节所述待精馏处理的气体混合物的流量,并使该流量在精馏处理的流量操作弹性范围之内;以及
[0297] 低温精馏单元,其与所述吸附单元及所述第一缓冲单元流体连通,以去除所述待精馏处理的气体混合物中的氮气和氢气,从而获得纯化的液氩和/或氩气产品。
[0298] 60、根据实施方案59所述的系统,其中所述脱氧单元使所述经催化氧化的气体混合物中的氧含量降低到约0.1ppm以下,从而获得经加氢脱氧的气体混合物。
[0299] 61、根据实施方案59或60所述的系统,其还包括氢回收单元,所述氢回收单元与所述低温精馏单元流体连通并用于回收在所述低温精馏单元中被去除的氢气。
[0300] 62、根据实施方案59-61中任一项所述的系统,其还包括脱氧准备单元,其分别与所述催化氧化单元和所述脱氧单元流体连通,所述脱氧准备单元包含去除所述经催化氧化的气体混合物中的水、二氧化碳和/或碳氢化合物,从而获得待脱氧单元处理的气体混合物。
[0301] 63、根据实施方案59-62中任一项所述的系统,其中所述预处理单元包括粗处理装置和精密处理装置。
[0302] 64、根据实施方案63所述的系统,其中所述粗处理装置包括选自下列的一种或多种:吸油毡、粉尘过滤装置、水喷淋装置和/或用于同时脱除油雾和粉尘的旋转装置。
[0303] 65、根据实施方案64所述的系统,其中所述水喷淋装置产生包含微气泡的水并通过向所述待处理的气体混合物喷淋所述包含微气泡的水来去除油雾。
[0304] 66、根据实施方案63-65中任一项所述的系统,其中所述精密处理装置包括下列中的一种或多种:膜过滤器、陶瓷过滤器、金属过滤器和/或活性炭吸附器。
[0305] 67、根据实施方案61-66中任一项所述的系统,其中所述氢回收单元包括选自下列的装置:深冷精馏装置、闪蒸装置、和/或吸附装置。
[0306] 68、根据实施方案59-67中任一项所述的系统,其还包括氧测量单元,所述氧测量单元与所述预处理单元流体连通并可测量所述经预处理的气体混合物中的氧浓度;和/或,[0307] 所述系统还包括杂质测量单元,所述杂质测量单元与所述预处理单元流体连通并可测量所述经预处理的气体混合物中的杂质浓度。
[0308] 69、根据实施方案68所述的系统,其还包括第二缓冲单元,所述第二缓冲单元包含脱氧合格缓冲气且与所述经预处理的气体混合物流体连通,当测得的所述氧浓度超过4%(v/v)时,将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并从所述第二缓冲单元向所述经预处理的气体混合物中通入脱氧合格缓冲气来使其中的氧浓度不超过4%(v/v)。
[0309] 70、根据实施方案69所述的系统,其中当测得的所述氧浓度超过2%(v/v)时,将所述经预处理的气体混合物的至少一部分排放掉并从所述第二缓冲单元向所述经预处理的气体混合物中通入脱氧合格缓冲气来使其中的氧浓度不超过2%(v/v)。
[0310] 71、根据实施方案69或70所述的系统,其中向所述脱氧单元中通入的氢气与所测得的所述经预处理的气体混合物中的氧的摩尔比为约2.2:1至约3:1。
[0311] 72、根据实施方案59-71中任一项所述的系统,其中所述催化氧化单元将包括碳氢化合物和一氧化碳的还原性气体氧化为水和二氧化碳。
[0312] 73、根据实施方案59-72中任一项所述的系统,其中所述催化氧化单元包含催化剂,且所述催化剂选自下组:Carulite催化剂,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。
[0313] 74、根据实施方案59-73中任一项所述的系统,其中所述脱氧单元包含催化剂,且所述催化剂选自下组:Cu,铂催化剂,钯催化剂,及其任意组合。
[0314] 75、根据实施方案59-74中任一项所述的系统,其中当所述经预处理的气体混合物中氧气的摩尔分数大于2%或所述经预处理的气体混合物进行所述催化氧化的温度超过400摄氏度时,所述的催化氧化单元包括分段反应器;和/或,
[0315] 当所述脱氧单元进行反应的温度超过400摄氏度时,所述的脱氧单元包括分段反应器。
[0316] 76、根据实施方案59-75中任一项所述的系统,其中所述待处理的气体混合物中待去除的杂质包括:油、粉尘、其它颗粒物、硅蒸气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、水和/或碳氢化合物。
[0317] 77、根据实施方案59-76中任一项所述的系统,其中所述待处理的气体混合物为单晶硅炉或铸锭炉产生的废气。
[0318] 78、根据实施方案77所述的系统,其还包括进气调节阀,所述进气调节阀控制所述单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通,从而使得所述待预处理的气体混合物中氩气的含量保持至少为80%。
[0319] 79、根据实施方案78所述的系统,其包括两个或更多个所述进气调节阀,其中每个进气调节阀独立地控制一个单独的单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通,并且当任一个所述单晶硅炉或铸锭炉需与环境气体流体连通时,相应的进气调节阀阻断该单晶硅炉或铸锭炉与所述预处理单元之间的流体连通。
[0320] 80、根据实施方案59-79中任一项所述的系统,其中所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量为至少约99%。
[0321] 81、根据实施方案80所述的系统,其中所述纯化的液氩和/或氩气产品中氩的含量为至少约99.999%。
[0322] 82、根据实施方案59-81中任一项所述的系统,其包括至少两个吸附单元,且当所述至少两个吸附单元之一进行吸附时,对其中的另一个吸附单元进行再生,从而所述至少两个吸附单元交替进行吸附与再生,继而实现对所述经加氢脱氧的气体混合物持续进行吸附处理。
[0323] 83、根据实施方案59-82中任一项所述的系统,其中所述精馏合格缓冲气中氧含量为0.1ppm以下,氩含量不低于98%,且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。
[0324] 84、根据实施方案83所述的系统,其中所述基本上不含油雾是指所述精馏合格缓冲气中油滴的粒径为0.1μm以下。
[0325] 85、根据实施方案83所述的系统,其中所述基本上不含粉尘或其它颗粒物是指所述精馏合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径为0.1μm以下。
[0326] 86、根据实施方案83所述的系统,其中所述基本上不含一氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中一氧化碳的含量为0.1ppm以下。
[0327] 87、根据实施方案83所述的系统,其中所述基本上不含二氧化碳是指所述精馏合格缓冲气中二氧化碳的含量为0.1ppm以下。
[0328] 88、根据实施方案83所述的系统,其中所述基本上不含水是指所述精馏合格缓冲气的露点温度为-50℃以下。
[0329] 89、根据实施方案83所述的系统,其中所述基本上不含碳氢化合物是指所述精馏合格缓冲气中非甲烷总烃的总含量为0.1ppm以下。
[0330] 90、根据实施方案69或70所述的系统,其中所述脱氧合格缓冲气中氧含量为0.1ppm以下,氩含量不低于98%,且基本上不含油雾、粉尘或其它颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物。
[0331] 91、根据实施方案90所述的系统,其中所述基本上不含油雾是指所述脱氧合格缓冲气中油滴的粒径为0.1μm以下。
[0332] 92、根据实施方案90所述的系统,其中所述基本上不含粉尘或其它颗粒物是指所述脱氧合格缓冲气中粉尘或其它颗粒物的粒径为0.1μm以下。
[0333] 93、根据实施方案90所述的系统,其中所述基本上不含一氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中一氧化碳的含量为0.1ppm以下。
[0334] 94、根据实施方案90所述的系统,其中所述基本上不含二氧化碳是指所述脱氧合格缓冲气中二氧化碳的含量为0.1ppm以下。
[0335] 95、根据实施方案90所述的系统,其中所述基本上不含水是指所述脱氧合格缓冲气的露点温度为-40℃以下。
[0336] 96、根据实施方案90所述的系统,其中所述基本上不含碳氢化合物是指所述脱氧合格缓冲气中非甲烷总烃的总含量为0.1ppm以下。
[0337] 97、根据实施方案59-96中任一项所述的系统,其中所述低温精馏单元进行精馏处理的流量操作弹性范围为所述低温精馏单元设计负荷流量的60%至120%。
[0338] 98、根据实施方案59-97中任一项所述的系统,其中所述低温精馏单元包括一个或多个下述组件:压缩机、节流阀、换热器、精馏塔、冷凝器、蒸发器和/或再沸器。
[0339] 99、根据实施方案98所述的系统,其中所述低温精馏单元包括一个或多个精馏塔,每个精馏塔配备冷凝回流器和再沸器,其中所述冷凝回流器位于所述精馏塔上端,所述再沸器位于所述精馏塔下端;
[0340] 所述低温精馏单元使所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分成为物料流股;
[0341] 所述物料流股与所述再沸器进行热交换,得到气化的物料流股;所述气化的物料流股与所述冷凝回流器进行热交换,在所述精馏塔底端获得纯化的氩气产品;所述气化的物料流股中的至少一部分经所述冷凝回流器热交换后冷凝为回流液;所述回流液作为所述精馏处理的液态低温冷凝介质。
[0342] 100、根据实施方案99所述的系统,其中所述冷凝器中的所述液态低温冷凝介质与所述再沸器中的所述热源相互独立。
[0343] 101、根据实施方案99所述的系统,其中所述冷凝器中的所述液态低温冷凝介质与所述再沸器中的所述热源之间通过选自下列的过程连通:压缩、节流膨胀和/或换热。
[0344] 102、根据实施方案99-101中任一项所述的系统,其中所述液态低温冷凝介质为液氮、液化空气或液氩。
[0345] 103、根据实施方案102所述的系统,其中所述液态低温冷凝介质为液氩。
[0346] 104、根据实施方案103所述的系统,其中所述液态低温冷凝介质的液氩为对经冷凝获得的所述纯化的液氩进行节流膨胀后获得的低压液氩。
[0347] 105、根据实施方案103或104述的系统,其中经气化的所述液态低温冷凝介质经复热后成为纯化的氩气产品。
[0348] 106、根据实施方案99-105中任一项所述的方法,其中所述液态低温冷凝介质的压力为所述低温精馏单元中操作压力下所述物料流股的露点温度降低1-7℃时相应的液氩压力。
[0349] 107、根据实施方案106所述的方法,其中所述液态低温冷凝介质的压力为所述低温精馏单元中操作压力下所述物料流股的露点温度降低2-3℃时相应的液氩压力。
[0350] 108、根据实施方案99-107中任一项所述的方法,其中所述液态低温冷凝介质的压力0.01-0.2MPa。
[0351] 109、根据实施方案99-108中任一项所述的方法,其中与所述液态低温冷凝介质进行热交换的所述物料流股的压力为0.1-1.0MPa,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0352] 110、根据实施方案99-109中任一项所述的方法,其中所述的热源是通过在所述低温精馏单元中对所述待精馏处理的气体混合物的至少一部分进行加压和降温处理而获得的,所述热源的压力为所述低温精馏单元中操作压力下所述物料流股的露点温度升高1-7℃时相应的氩的压力,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0353] 111、根据实施方案110所述的方法,其中所述热源的压力为所述低温精馏处理中操作压力下所述物料流股的露点温度升高2-3℃时相应的氩的压力,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0354] 112、根据实施方案99-111中任一项所述的方法,其中所述热源的压力为0.15-0.7MPa,且所述热源的压力比所述低温冷凝介质的压力高0.02-0.1MPa。
[0355] 113、根据实施方案99-112中任一项所述的系统,其中所述低温精馏单元还包括一个或多个压缩机、换热器和节流阀,所述压缩机与所述换热器流体连通且所述换热器与所述节流阀流体连通,所述待精馏处理的气体混合物经所述压缩机压缩而成为高温高压待处理的气体混合物流股,且所述高温高压待处理的气体混合物流股在所述换热器中经降温处理而成为低温高压待处理的气体混合物流股;且所述低温高压待处理的气体混合物流股的至少一部分流经所述节流阀被节流膨胀后成为所述物料流股。
[0356] 114、根据实施方案113所述的系统,其中所述热源是在所述换热器中经降温处理而获得的所述低温高压待处理的气体混合物流股的一部分。
[0357] 115、根据实施方案113或114所述的系统,其中在所述换热器中,所述经气化的液态低温冷凝介质与所述高温高压待处理的气体混合物流股进行热交换而使所述经气化的液态低温冷凝介质被复热后成为纯化的氩气产品,而所述高温高压待处理的气体混合物流股经降温处理后成为所述低温高压待处理的气体混合物流股。
[0358] 116、根据实施方案113-116中任一项所述的系统,其中所述节流阀还与所述再沸器流体连通,所述热源在所述再沸器中与所述经冷凝获得的纯化的液氩进行过热交换后,经所述节流阀节流膨胀而成为所述物料流股的一部分。
[0359] 117、根据实施方案99-116中任一项所述的系统,其中所述液态低温冷凝介质的温度为-170℃至-198℃。
[0360] 118、根据实施方案99-117中任一项所述的系统,其中所述物料流股的温度为-165℃至-197℃,且所述低温冷凝介质的温度比所述物料流股的温度低至少1-5℃。
[0361] 119、根据实施方案99-118中任一项所述的系统,其中经冷凝获得的所述纯化的液氩的温度为-160℃至-196℃,且所述纯化的液氩的温度比所述物料流股的温度低约0.5℃至约5℃。
[0362] 120、根据实施方案99-119中任一项所述的系统,其中所述热源的温度为-170℃至-195℃,且所述热源的温度比所述纯化的液氩的温度高至少1-5℃。
[0363] 121、根据实施方案59-120中任一项所述的系统,其中所述吸附单元中包含吸附剂,且所述吸附剂包括下列的一种或多种:活性炭、活性氧化铝、改性硅胶、炭分子筛、天然沸石、改性沸石、硅铝基分子筛、介孔分子筛、钛基分子筛、金属有机框架材料、以及它们的混合物。
[0364] 122、根据实施方案59-121中任一项所述的系统,其还包括至少一个控制单元,其中所述控制单元与所述预处理单元、所述催化氧化单元、所述脱氧单元、所述吸附单元、所述第一缓冲单元、所述第二缓冲单元以及所述低温精馏单元可操作地连接,以调节所述系统的温度、压力、和/或所述系统中流体的流通方式和/或流量。
[0365] 不欲被任何理论所限,下文中的实施例仅仅是为了阐释本申请的方法和系统的工作方式,而不用于限制本申请发明的范围。
[0366] 实施例
[0367] 实施例1 用于回收单晶硅生产尾气中的氩产品的系统和方法
[0368] 1、设备及方案
[0369] 本实施例中提供了用于以约240Nm3/h进行氩气回收的系统和方法。所述方法中采用了深冷法分离原理,所述系统中包括压缩机带、预冷机组、除油系统、加氢除氧系统、分子筛纯化系统和用于进行单塔精馏制氮的精馏塔。
[0370] 此外,所述系统还包括分析单元和控制单元,所述分析单元和控制单元包括配套的计算软件,用于对本系统和方法进行流程优化分析和运行控制。
[0371] 具体地,所述系统主要包括:压缩系统、精密除油系统、预冷系统、末级高精度除油系统油过滤器、加氢除氧系统、分子筛吸附纯化系统、分馏塔冷箱系统、液体后备及输入系统、和仪电控系统等。
[0372] ●待处理的气体混合物压缩
[0373] 首先,使待处理的气体混合物进入压缩机吸入口,将其压缩至所需压力后经末级冷却器冷却至40摄氏度以下。
[0374] ●预冷
[0375] 本实施例中的预冷系统包括氟利昂蒸发器、冷压缩机、冷凝器、蒸发器、水分离器和控制系统。使待处理的气体混合物经预冷机组冷却到5~8℃,然后经水分离器分离掉游离水,之后使该气体混合物进入除油单元,对其进行除油处理。
[0376] 所述制冷压缩机采用节能装置,并设置热气旁通管路,当吸气压力低于0.3Mpa时起作用,采用国际品牌的制冷压缩机运行可靠、省电、寿命长,制冷效率高。彻底避免了全封闭压缩机容易烧机所带来的弊病。又可避免半封闭制冷压缩机轴封处容易漏油漏氟里昂、维修率高的缺点。将制冷压缩机设置为具有自动卸载的功能,充分达到节能效果。
[0377] 本实施例的预冷系统中采用铂热电阻和二次控制仪表来控温,避免了感温包容易泄漏和温控器测温不准的缺点。
[0378] 此外,本实施例的预冷系统设有多重保护系统确保制冷系统稳定运行:
[0379] 1)流量保护系统:当气体混合物低于1/3负荷流量或预设的其他流量时预冷机组时预冷机组会自动停止冷冻机的运转,高于1/2负荷预冷机组未启动会自动报警,确保制冷压缩机不带液,同时保护分子筛纯化器的稳定运行;
[0380] 2)冷冻机温度保护电子:当压缩比过高或吸取温度过高时造成排气温度偏高,制冷机会自动切断电源保护冷冻机;
[0381] 3)低压保护装置;
[0382] 4)高压保护装置;
[0383] 5)特殊结构的冷凝水排净装置,防止蒸发器结冻堵。
[0384] ●高精度除油预处理
[0385] 使所述经压缩的气体混合物经预处理单元中的除油单元处理。所述除油单元包括精密过滤器及末端高精度油过滤器。通过三组精密过滤器,使经预处理的气体混合物中的油雾的粒径下降到0.1μm以下。所述除油单元可包括水喷淋装置,所述水喷淋装置产生包含微气泡的水并通过向所述待处理的气体混合物喷淋所述包含微气泡的水来去除油雾,其能够高效地去除所述气体混合物中的大部分油雾。
[0386] 其中,所述末级高精度油过滤器利用低温条件下,吸附量增加的原理,末级高精度油过滤器可以深度去除穿透的油雾。
[0387] ●加氢除氧系统
[0388] 在本实施例中,加氢除氧系统包括反应炉和冷却器。为了去除原料氩气中的氧气组分,需要在反应炉前通入氢气,在催化剂作用下使氧气含量下降至1ppm。该反应过程放热,采用后冷却器使待处理的气体混合物降温。
[0389] ●分子筛纯化系统
[0390] 在本实施例中,吸附单元可包括分子筛纯化系统,其可包括分子筛吸附器、电加热器、切换阀门和控制系统。所述分子筛纯化系统的吸附器可包括至少两只分子筛吸附器,其能够吸附气体混合物中的水分、二氧化碳和一些碳氢化合物。所述至少两只分子筛吸附器中的一只工作时,其它分子筛吸附器被再生。
[0391] 所述分子筛纯化系统还可包括纯化器自动切换阀门,其采用气缸式切换阀门,并采用2位5通电磁阀确保纯化器稳定运行,不会发生阀门内泄漏现象。
[0392] 所述分子筛纯化系统还可包括电加热管,其采用独特的棒状设计,确保故障率低,拆卸方便。当电热管故障时可单根抽取,进行更换;芯体采用折流板结构确保再生气体均匀流过电热管表面,使电热管不发生局部过热现象。
[0393] 所述分子筛纯化系统还可包括电加热器控制元件,其采用再生气流量与电加热器的起停连控制,充分保证再生气电加热器的长期安全运行,电加热器控制元件采用二组电加热器,当温度高于设定温度值时,可停开一组电加热器,当温度低于设定值时,再起动该组电加热器,达到节能的要求。
[0394] ●分馏塔冷箱系统
[0395] 所述分馏塔冷箱系统可包括冷箱、主换热器、精馏塔、冷凝蒸发器、阀门、和管道等。待精馏的气体混合物可进入主换热器进行换热,进一步被冷却后经节流膨胀、并被送入精馏塔中上部参与精馏。在塔底获得液氩,废气从塔顶排出。
[0396] 塔底液氩经节流后与外部补充的液氩汇合送入冷凝蒸发器,冷凝蒸发器蒸发出来的氩气进入主换热器复热至常温,出冷箱压力即可直接送给用户,无需氩气产品压缩机,降低了产品压缩过程中,二次污染的风险。
[0397] 设备冷箱内部件采用全铝合金结构,冷箱内、外表面均采取防腐措施,使冷箱整体更加美观,经久耐用。精馏塔采用特殊工艺制作,充分保证塔板制作的平整度,确保工况稳定,以获得产品的高提取率。
[0398] 针对分馏塔内关键部件―低温截止阀、节流阀,特采用高强度防锈铝阀体结构,流体进出阀体均为焊接结构,一改传统的法兰式连接,从根本上消除了分馏塔内可能存在的漏点,使得分馏塔能长期稳定的运行得到充分的保障。
[0399] 专门定制的低温角式截止阀采用不锈连接板,可避免因阀杆冒汗、结霜对阀门连接板造成的侵蚀。
[0400] 改进的精馏塔支撑、阀架等均采用不锈钢材料制作以及特殊的绝热支撑结构,以减少冷量损失,避免跑冷现象发生。
[0401] 采用三维配管设计,确保冷箱内管道走向合理、恰当的应力补偿。
[0402] ●液体后备及输入系统
[0403] 液体后备系统是为了保证机组发生意外情况时,供气不至立刻中断。液体后备系统的容量,根据现场条件及供气保障需求进行设计。同时,为了降低装置运行成本,本流程利用补充液氩的冷量作为精馏塔的冷源。注入冷箱的液氩将从后备系统引出。
[0404] ●仪电控制系统
[0405] 本实施例中的系统采用先进的DCS计算机控制技术,实现了中控、机旁、就地一体化的控制,可有效的监控整套回收设备的生产过程。成套控制系统具有设计先进可靠、性能价格比高等特点。
[0406] 2、具体实施方案
[0407] 待处理的气体混合物的组成如表1所示:
[0408]项目 数值
待处理的气体混合物流量 240Nm3/h
Ar >95%
N2 <4%
O2 <1%
CO2 ≤400ppm
C2H2 ≤0.5ppm
H2 <0.7ppm
CO ≤0.5ppm
N2O <0.3ppm
SOX <0.2ppm
CnHm(除C2H2)外 ≤8ppm
含尘量 <30mg/m3
[0409] 表1待处理的气体混合物的组成
[0410] 大气条件如表2所示:
[0411]项目 数值
大气压力 0.1013MPa(A)
环境温度 32℃
相对最高湿度 95%
大气含氧量 20.95%
极端最高温度 42℃
极端最低温度 -20℃
地震烈度 7麦氏度
风速 10级以上
冬季主导风向 西北风
夏季主导风向 南风
日最大降雨量 250mm
[0412] 表2大气条件
[0413] 实施例2 用于回收单晶硅生产尾气中的氩产品的系统和方法
[0414] 1.设计方案和基础条件
[0415] 待处理气体混合物的流量:2400Nm3/h
[0416] 待处理气体混合物中的主要杂质组分:粉尘、碳氢化合物、CO、N2、O2等,各杂质组分含量约为2-6%。
[0417] 待处理气体混合物进口的压力:2.5kg/cm2
[0418] 经纯化的氩产品纯度:99.999%,其中O2的杂质含量小于1ppm,技术指标具体见表3。
[0419]
[0420] 表3经纯化的氩产品的成分分析
[0421] *氩气中没有计量水含量
[0422] **上述计量是体积分率
[0423] 2.主要设备
[0424] 本系统涉及的主要设备参见表4。
[0425]
[0426]
[0427] 表4主装置工艺设备一览表
[0428] 结合各类压缩机能耗、稳定性、工况特点等及本实施例工艺流程特点,本实施例中待处理的气体混合物压缩机推荐选用螺杆压缩机
[0429] 由于吸附剂性能的好坏将直接影响产品的纯度和回收率指标而且是装置连续长期稳定运行以及装置使用寿命的保证,因而是变压吸附气体分离装置中的关键技术。
[0430] 变压吸附装置在吸附剂选型上应遵循如下原则:
[0431] (1)选择动态吸附量大、分离系数高、且解吸容易的吸附剂;
[0432] (2)针对不同的待处理的气体混合物组成以及不同的产品质量指标要求选择不同种类的吸附剂;或
[0433] (3)为保证吸附剂的使用寿命,所选用的吸附剂必须具有足够的耐磨强度和抗压强度,对所有待分离的气体介质具有化学惰性。
[0434] 作为关键设备的PSA程控阀,选用高性能程控阀,具有体积小、动作快、密封性能好、寿命长的特点并具有开关速度独立调节和关闭缓冲功能,达到100万次开关无泄漏(商务保证水平)的先进水平,可更好地保证装置长期运行的可靠性,并有防静电与火花设计,进一步保证了系统的安全。
[0435] 本实施例的方法和系统抗波动能力强:采用高效填料,杂质脱除深度高,吸附容量随待处理的气体混合物杂质增高大幅提高,抗原料波动能力强,可多次再生,反复使用,填料使用寿命长。
[0436] 本实施例的方法和系统设计先进、抗意外能力强:根据填料特点,采用先进工艺,配合独特设计反应气和控制方案,短时间断电、断水均不影响产气;经多年的配置优化,在单个电器、仪表元件故障情况均不影响正常产气,大部分元件可实现不间断产气在线维修。
[0437] 本实施例的方法和系统在实施过程中采用洁净施工,安全可靠:采用知名品牌洁净管件、阀门,全自动轨道焊接,氦离子试漏,洁净施工,严格保证产品质量;所有元件均符合相关国家安全规定。
[0438] 本实施例的方法和系统性能可靠:主要元件、仪表均采用进口知名品牌,性能可靠。
[0439] 本实施例的方法和系统中冷源部分循环,冷量得到充分利用。
[0440] 3.成本和收益
[0441] 每使用一公斤氩气将节省0.33元(按照氩气2016年市价1元/公斤,回用成本0.67元/公斤计算)。按1000台单晶硅炉计算,扣除折旧费用,每年可节省831万元。项目的经济效益、社会效益比较大。目前太阳能硅片使用的晶体生长炉很多,做这项工作很有意义。
[0442] 实施例3 采用包括气液分离装置的粗处理装置进行除油
[0443] 气液分离装置为一套组合式气液分离罐。采用以下的步骤分离除油:第一步除油,利用旋风分离器,除去较大油滴。一定速度的气流中夹带的液滴通过气相进口切向进入分离器下部,依靠气油的密度差,油滴被甩向罐体内壁,沿壁面导流至底部,气流上升,经碰撞导流挡板进行碰撞分离,再进入下一级分离。第二步除油,利用两层旋流板进一步气油分离。第三步除油,利用旋流除雾器进一步进行气油分离。气流进入后形成旋流,液滴被甩到壁面而聚集成液膜下流,叶片倾斜一定的角度,有利于油滴汇聚并流向塔壁,多个S型通道增加气流接触时间和碰撞分离机率。分离后的气相通过罐体顶部气相出口排出。二级和三级气油分离后的污油汇到一起排出。
[0444] 前述详细说明是以解释和举例的方式提供的,并非要限制所附权利要求的范围。目前本文所列举的实施方案的多种变化对本领域普通技术人员来说是显而易见的,且保留在所附的权利要求和其等同方案的范围内。
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