纯化器种类和原理

知识点：气体纯化器

各种大宗气体纯化器种类

气体	纯化工艺	O2	H2O	CO	CO2	H2	NMHC	CH4	N2
N2	催化+吸附（CAT+Absorb）	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	－
N2	吸附 (Absorb)	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	－	－
H2	吸附 (Absorb)	＜1	＜1	＜1	＜1	－	＜1	－	－
H2	吸气（Getter）	＜1	＜1	＜1	＜1	－	＜1	＜1	＜1
H2	吸附+吸气（Absorb+Getter）	＜1	＜1	＜1	＜1	－	＜1	＜1	＜1
H2	钯管	＜1	＜1	＜1	＜1	－	＜1	＜1	＜1
O2	催化+吸附（CAT+Absorb）	-	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	－
He/Ar	吸附 (Absorb)	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	－	－
He/Ar	吸气（Getter）	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1
He/Ar	吸附+吸气（Absorb+Getter）	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1	＜1

气体	纯化 工艺	O2	H2O	CO	CO2	H2	CH4	Acids	Bases	Refractory compound	Organics
XCDA	吸附(Absorb)	－	＜1	－	－	－	－	＜1	＜1	＜1	＜1

纯化原理

钯管

吸附工序

注：分子筛通常为AL2O3，吸附H2O、CO2。但华邦使用锰分子筛可吸收氧气。这也是华邦宣传的亮点。

吸附加催化

Getter工序与吸附+ Getter

半导体工厂Fab使用到的Gas主要分为2类：大宗气体系统和特种气体系统

大宗气体系统（Bulk Gas）：使用量较大的几种气体，有氮气（N2）、氧气（O2）、氢气（H2）、氩气（AR）、氦气（He）、压缩空气（CDA）。

一、大宗气体系统概述

Bulk Gas System主要由供气系统和管道系统组成，其中的供气系统包含气源、纯化、品质监测等几部分，一般气源设置在独立于生产厂房之外的气站（Gas Yard），而气体的纯化一般设置在生产厂房内专门的纯化间（Purifier Room），这样的目的是可以保证高纯度的气体输送距离减少，既可以保证气体品质，而且可以节约成本。一般高纯度输送气体的管道采用SUS 316L EP级管道。经过纯化的高纯气体从纯化间输送到辅道生产层（Sub Fab）或生产车间的架空地板下，形成配管网络，最后由二次配管系统（Hook up）送至各生产装备。

其中氮气在整个Fab生产制造中使用量最大，根据使用点品质要求不同，又区分为普通氮气（GN2）和工艺纯化氮气（PN2）

N2供应系统示意图

二、大宗气体供气系统

2.1 气体站

2.1.1 首先必须根据工厂所需用气量的情况，选择最合理和经济的供气方式。

概述中已说明使用量最大的是氮气，根据其用量的不同，可考虑采用以下几种方式供气：

1）液氮储罐，用槽车定期进行充灌，高压的液态气体经蒸发器（Vaporizer）蒸发为气态后，供工厂使用。一般的半导体工厂用气量适中时这种方式较为合适，这也是目前采用最多的一种方式。

汽化器Vaporizer

2）采用空分装置现场制氮。这适用于N2用量很大的场合。集成电路芯片制造厂多采用此方式供气，而且还同时设置液氮储罐作备用。

3）氧气和氩气往往采用超低温液氧储罐配以蒸发器的方式供应。

氧气和氩气供应示意图

4）氢气则以气态方式供应，一般采用钢瓶组（Bundle）即可满足生产要求。如用气量较大，则可采用Tube Trailer供气，只是由于道路消防安全审批等因素，目前在国内还很少采用此方式。相信随着我国微电子工业的飞速发展，相关的安全法规会更完善，Tube Trailer供气方式会被更多地采用。如果氢气用量相当大，则需要现场制氢，如采用水电解装置。

氢气和氦气供应示意图

5）氦气以气态方式供应，一般采用钢瓶组（Bundle）即可满足生产要求。如用气量较大，则可采用Tube Trailer/ISO槽车供气。

6）压缩空气主要通过Gas Yard内压缩机产气，干燥机吸附后得到干燥洁净的压缩空气，简称CDA。CDA一般在所有的行业均有使用，半导体Fab使用的压力相对一般行业稍高，常见在8.5bar以上。

在整个气体站，需要特别注意几个问题：

首先,供氢系统和供氧系统的安全性问题是必须予以高度重视的,如气体站的平面布置必须符合国家和行业相关安全规范。

其次，在设计供气压力时不仅要参照最终用户点的压力需求，而且必须考虑纯化器、过滤器以及配管系统的压力降。

2.2气体纯化与过滤

2.2.1气体的品质要求

目前对大宗气体的纯度要求往往达到ppb级，生产工艺线对大宗气体的品质要求较高。

因此，必须用不锈钢管道将大宗气体从气体站送至生产厂房的纯化室（purifier Room）进行纯化，气体经纯化器除去其中的杂质，再经过滤器除去其中的颗粒（Particle）。出于安全考虑，一般将氢气纯化室设计为单独一室，并有防爆、泄爆要求。

2.2.2 纯化器

目前国内采用的气体纯化器都是进口的，主要的生产厂家有SAES、Taiyo、Toyo、JPC、ATTO等。纯化器根据其作用原理的不同可以对不同的气体进行纯化。

一般说来，N2、O2纯化器较多采用触媒吸附式，Ar、H2、He纯化器则以Getter效果最佳，H2纯化器也多采用触媒吸附结合Getter式。

CDA常用加热吸附式干燥机来干燥压缩空气。吸附式干燥机是利用吸附剂（活性氧化铝、硅胶、分子筛）吸附水分的特性来降低压缩空气中水分的含量，一般来说可以使出口气的露点达到-40度以上。

在设计中要注意的是，不同气体纯化器需要不同的公用工程与之相配套。例如，触媒吸附式N2纯化器需要高纯氢气供再生之用；触媒吸附式纯化器需要冷却水。因此，相关的公用工程管线必须在气体纯化间内留有接口。

CDA干燥机后端室内管道需要注意结露问题，很多在设计时未能完全考虑，后期运营时部分管道结露严重，特别是靠近墙面处的管道，对墙面造成一定的影响。

2.3 气体的品质监测

大宗气体在经纯化及过滤后应对其进行品质监测，观察其纯度与颗粒度的指标是否已高于实际的工艺要求。目前着重对气体中的氧含量、水含量和颗粒度进行在线连续监测，而对CO、CO2及THC杂质采用间歇监测，有条件的Fab也会连续监测。测试结果连同其他测试参数（诸如压力、流量等）都会被送往控制室中的SCADA（Supervisory Control and Date Acquisition）系统。同时也可以将数据共享给必要的单位或组织。

2.4 供气系统的可靠性问题

由于微电子行业的投入与产出都是非常的大，任何供气中断都会带来巨大的经济损失。因此在设计中必须充分考虑气体供应系统运行的安全可靠性。若采用现场制气方式，往往还需要设置该种气体的储蓄供气系统作备用。

每一种气体的纯化器都需要有一台作备用。防止在一台纯化器异常时及时切换到备用纯化器。保证气体供应的稳定性。

氢气在石油炼化、化工及精细化工、金属冶炼、电子工业、半导体、浮法玻璃等超过17个行业中使用，应用领域十分广泛，其中大部分的氢气在生产中都是以公辅工程的角色出现，随制随用、中间存储量不大、负荷任意调节，在工业领域已经形成自己的体系。

同时氢气热值高、来源广泛，且清洁无碳排放即氢气与氧气反应生成水、水电解又可以生产氢气和氧气。因此氢能作为高效、清洁的二次能源，优势突出，越来越收到重视。

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我国当前车用氢气需求不足2万吨/年

1.1 我国氢气产量和用途

根据中国氢能联盟统计，2019年中国氢气产量约为3342万吨，其中，氢气作为独立组分而存在（非合成气或者混合气体中含氢）、达到工业氢气质量标准的产量约为1250万吨。在消费端合成氨、合成甲醇、炼化与化工是氢气前三大用途，作为燃料进行燃烧提供热值等是第四大用途，应用在电子工业、浮法玻璃、精细化工等领域的工业纯氢50万吨、约占1.5%，为氢燃料电池汽车提供能源的氢气不足2万吨。工业纯氢和燃料电池用氢占比不高，却是对氢气纯度及杂质含量要求最高的。

资料来源：中国氢能联盟

1.2 各种制氢方式获得的原料气组成

不同的制氢方式得到的氢气纯度和杂质各不相同，各个应用领域对氢气的要求也不尽相同。因此从氢气的制取到应用需要经过纯化这一中间环节。

不同制氢方式含氢量及杂质

资料来源：公开资料、香橙会研究员整理

1.3 各个应用领域对氢气的要求

在合成氨、甲醇的生产中，为防止催化剂中毒，保证产品质量，原料气中硫化物等毒物必须预先去除，使杂质含量降低至符合要求。炼厂用氢的纯度和压力对加氢处理单元的设计和操作有着显著的影响。通常炼厂基于经济性、操作灵活性、可靠性以及易于未来流程拓展的原则来选取合适的氢气分离技术。

在冶金和陶瓷工业，氢气可用于有色金属（钛、钨、钼等）的还原制取，防止金属或陶瓷（TiO2、Al2O3、BeO等）材料在高温煅烧时被烧结或被氧化；在玻璃工业，氢气可防止锡槽中的液态锡被氧化而增加锡耗；在半导体工业，氢气可用于晶体和衬底的制备、氧化、退火、外延、干蚀刻以及化学气相沉积工序。由于氢气与上述行业中产品直接接触，氢气的纯度和杂质含量普遍要求较高，目前大多数厂家采用电解水制氢或外购高纯氢等方式来满足生产需求。很多对氢气纯度和杂质要求极为苛刻的厂家还配置了氢气纯化器进一步纯化氢气。

近年来，质子交换膜燃料电池得到了快速的发展，硫化物、CO与催化剂铂的吸附性比氢更强，优先于氢气占据催化剂表面的活性位点且不易脱除，造成催化剂中毒，使燃料电池的寿命和性能大幅度降低。除了要求氢气的纯度达到99.97%外，对CO、硫化物等杂质要求苛刻。

1.4 我国氢气标准规范

针对不同的氢气制备方法和应用行业要求，国内外不同标准化机构制定了相应的氢气品质标准，国内主要的相关规范如下表。

资料来源：公开资料、香橙会研究员整理

本文仅选取工业纯氢、高纯氢和超纯氢与燃料电池氢的纯度和主要杂质要求对比，可见即使满足了工业高纯氢的纯度要求，在CO、硫化物等杂质上未必满足燃料电池对氢气的需求。

燃料电池车用氢气纯度及杂质要求

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范