一种双塔联合的氩气回收纯化系统及方法

技术领域

本发明涉及气体净化与回收技术领域，特别涉及一种双塔联合的氩气回收纯化系统及方法。

背景技术

直拉法(Czochralski method)是生产单晶硅的主要方法，全球大部分的单晶硅通过直拉法生产。最常用的直拉法生产单晶硅工艺是采用即像真空工艺又像流动气氛工艺的减压拉晶工艺；减压工艺是在硅单晶拉制过程中，连续等速地向单晶炉炉膛内通入高纯度氩气，同时真空泵不断地从炉膛向外抽送氩气，保持炉膛内真空度稳定在20托左右，这种工艺既有真空工艺的特点，又有流动气氛工艺的特点。减压拉晶工艺的真空泵一般采用滑阀泵，滑阀泵是用油来保持密封的机械真空泵。氩气携带单晶拉制过程中由于高温而产生的硅氧化物和杂质挥发物，并通过真空泵的抽送排放到大气。通过对排放氩气的分析，主要杂质成分为，灰尘，O

现有技术中，常见的氩气回收纯化方法为：首先对来自单晶炉回收的氩气进行粗除油，再经压缩冷却后高精度除油除尘；接着通过高温催化使甲烷等烃类和一氧化碳同氧气反应生产水和二氧化碳，催化反应中保证氧气过量(杂质氧气不够则加入氧气)；通过冷却后在催化剂作用下使过量氧气同加入的氢气反应生成水，并保证反应氢气过量，处理后氩气中杂质成分为水、二氧化碳、氢气和氮气；接着经过氩气常温吸附单元吸附水和二氧化碳，得到只含有氮气和氢气为杂质的粗氩气，最后通入氩气精馏塔分离出氢气和氮气，得到氩气。其中，氩气精馏塔通常需要加入液氩来提供冷量，由于一般氩的回收率是92％，需要弥补8％液氩气化来弥补氩气的损耗，但通常氩气精馏塔通常有2％的液氩提供的冷量就足以，所以还有大约6％液氩会以常温气化的方式来弥补这部分损耗的氩气，造成了冷量的浪费。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种双塔联合的氩气回收纯化系统，用于解决现有技术中在往氩气精馏塔中加入液氩弥补氩气损耗时，液氩的部分冷量会以常温气化的方式被消耗掉，导致造成了冷量浪费的技术问题。

本发明一方面提出一种双塔联合的氩气回收纯化系统，包括：

冷箱；

氩气精馏单元，所述氩气精馏单元设于所述冷箱内，所述氩气精馏单元包括氩气精馏塔、氩气冷凝器及液氩加入口，所述氩气冷凝器设于所述氩气精馏塔的内腔顶部，所述液氩加入口设于所述氩气精馏塔的顶部并与所述氩气冷凝器连通，所述液氩加入口用于往所述氩气冷凝器中加入液氩；

氮气精馏单元，所述氮气精馏单元设于所述冷箱内，所述氮气精馏单元包括氮气精馏塔、第一输送管道和第二输送管道，所述氮气精馏塔通过所述第一输送管道连通所述氩气冷凝器的进口端、通过所述第二输送管道连通所述氩气冷凝器的出口端。

进一步的，所述双塔联合的氩气回收纯化系统，其中，还包括设于所述冷箱外部的氩气粗滤单元和氮气粗滤单元，以及设于所述冷箱内部的第一主换热器和第二主换热器，所述氩气粗滤单元用于回收来自单晶炉的废氩气并将其过滤成仅含氮气、氢气的粗氩气，所述第一主换热器用于接收来自所述氩气粗滤单元的粗氩气，并将粗氩气冷却后送入所述氩气精馏塔内制取纯氩气；

所述氮气粗滤单元用于提取空气并去除其中的二氧化碳和水，所述第二主换热器用于接收来自所述氮气粗滤单元的空气，并将空气冷却后送入所述氮气精馏塔内制取氮气。

进一步的，所述双塔联合的氩气回收纯化系统，其中，所述第一主换热器和所述第二主换热器合二为一。

进一步的，所述双塔联合的氩气回收纯化系统，其中，所述氩气粗滤单元包括第一分子筛和第一氩气输送管道，所述第一氩气输送管道的一端连接所述第一分子筛的出口端、另一端依次连接所述第一主换热器和所述氩气精馏塔；

所述冷箱内设有一膨胀机，所述第一输送管道上外接有第三输送管道，所述第三输送管道用于将所述氮气精馏塔内制取的氮气送入所述第二主换热器内回温，然后将回温后的氮气送入所述膨胀机内膨胀制取冷量，再然后将膨胀后的氮气折返送回所述第二主换热器的冷端供所述第二主换热器回收冷量，最后将氮气作为吹扫气送出所述第二主换热器进入到所述第一分子筛中，其中，第一输送管道上设有用于控制氮气进入到所述氩气冷凝器中的第一节流阀，所述第三输送管道上设有分子筛重生加热器，所述分子筛重生加热器用于对即将进入到所述第一分子筛中的吹扫气进行加热。

进一步的，所述双塔联合的氩气回收纯化系统，其中，所述氩气精馏塔的内腔底部设有再沸器，所述第一氩气输送管道远离所述第一分子筛的一端连接所述再沸器的进口端，所述再沸器的出口端设有连接所述氩气精馏塔中部的第一回流管，所述氩气精馏塔的底部设有连通所述氩气冷凝器的第二回流管，所述第一回流管上设有第二节流阀，所述第二回流管上设有第三节流阀。

进一步的，所述双塔联合的氩气回收纯化系统，其中，所述氩气精馏塔的顶部设有废气排出管和纯氩气排出管，所述废气排出管穿过所述第一主换热器连接所述第一分子筛，所述纯氩气排出管穿过所述第一主换热器伸出所述冷箱外，所述纯氩气排出管的末端连接有一纯氩气压缩机。

进一步的，所述双塔联合的氩气回收纯化系统，其中，所述氩气粗滤单元还包括第二氩气输送管道，所述第二氩气输送管道的一端连接于所述第一分子筛的进口端、另一端连接有一灰尘过滤器，自所述灰尘过滤器之后的所述第二氩气输送管道上依序设置有双膜气柜系统、粗氩气压缩机、水冷器、高精度除油系统、回热器、粗氩气加热器、脱一氧化碳反应器、脱氧反应器及粗氩气冷却器。

进一步的，所述双塔联合的氩气回收纯化系统，其中，所述氮气粗滤单元还包括空气输送管道，所述空气输送管道的一端穿过所述第二主换热器连接所述氮气精馏塔、另一端连接有一空气过滤器，自所述空气过滤器之后的所述空气输送管道上依序设置有空气压缩机、空气冷却单元及第二分子筛；

所述氮气精馏塔的顶部设有氮气输送管道和液氮排出管，所述氮气输送管道穿过所述第二主换热器连接所述第二分子筛，所述液氮排出管伸出所述冷箱外，所述液氮排出管上设有用于控制液氮排出的液氮阀门。

进一步的，所述双塔联合的氩气回收纯化系统，其中，所述氮气精馏塔的底部设有连接自身顶部的第三回流管，所述第三回流管上设有第四节流阀。

本发明另一方面还提出一种双塔联合的氩气回收纯化方法，用于上述技术方案中所述的双塔联合的氩气回收纯化系统，所述方法包括以下步骤：

a)废氩气的净化，对来自单晶炉的废氩气进行过滤，以得到仅含氮气和氢气为杂质的粗氩气；

b)粗氩气精馏，将粗氩气通入氩气精馏塔中按照氩气、氮气及氢气三者沸点不同的特性进行精馏分离，以在氩气精馏塔的塔底得到液氩，在氩气精馏塔的塔顶排出精馏废气，所述精馏废气包括氢气和氮气；

c)冷量回收，通过第一输送管道将氮气精馏塔中的部分氮气转移至氩气精馏塔中，以回收氩气精馏塔中液氩多余的冷量形成液氮，然后通过第二输送管道送回氮气精馏塔；

d)纯氩气的制取，抽取出氩气精馏塔内的液氩并对其复热生成纯氩气。

上述双塔联合的氩气回收纯化系统及方法，通过将氩气精馏单元与氮气精馏单元双结合，使得加入氩气冷凝器中液氩的冷量可以被充分利用，具体的，当用户通过液氩加入口往氩气冷凝器中加入液氩时，氮气精馏塔可通过第一输送管道往氩气冷凝器中送入部分氮气，通入氩气冷凝器中的氮气可回收液氩多余的冷量形成液氮，最后通过第二输送管道将液氮送回氮气精馏塔中，回收的液氮可作为副产品出售，增加了经济效益，避免了液氩常温气化而造成冷量浪费。

附图说明

图1为本发明中氩气回收纯化系统的结构图；

图2为本发明中氩气回收纯化方法的流程图；

主要元件符号说明：

101、灰尘过滤器；102、双膜气柜系统；103、粗氩气压缩机；104、水冷器；105、高精度除油系统；106、回热器；107、粗氩气加热器；108、脱一氧化碳反应器；109、脱氧反应器；110、粗氩气冷却器；111、第一分子筛；112、第一主换热器；113、氩气精馏塔；114、纯氩气压缩机；201、空气过滤器；202、空气压缩机；203、空气冷却单元；204、第二分子筛；205、第二主换热器；206、氮气精馏塔；300、冷箱；11、氩气冷凝器；12、液氩加入口；13、第一氩气输送管道；14、膨胀机；15、第三输送管道；16、第一节流阀；17、分子筛重生加热器；18、再沸器；19、第一回流管；20、第二回流管；21、第二节流阀；22、第三节流阀；23、废气排出管；24、纯氩气排出管；25、第二氩气输送管道；26、第一输送管道；27、第二输送管道；31、空气输送管道；32、氮气输送管道；33、液氮排出管；34、液氮阀门；35、第三回流管；36、第四节流阀；400、分析仪。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明第一实施例中的一种双塔联合的氩气回收纯化系统，包括冷箱300以及设于所述冷箱300内的氩气精馏单元和氮气精馏单元。

上述氩气精馏单元包括氩气精馏塔113、氩气冷凝器11及液氩加入口12，所述氩气冷凝器11设于所述氩气精馏塔113的内腔顶部，所述液氩加入口12设于所述氩气精馏塔113的顶部并与所述氩气冷凝器11连通，所述液氩加入口12用于往所述氩气冷凝器11中加入液氩，一方面用于给氩气冷凝器11提供冷量，另一方面还可以用来弥补精馏过程中存在的氩气损耗，提升氩气的回收率；

需要解释的是，之所以往氩气冷凝器11中加入液氩，其原因是因为氩气在精馏的过程中存在一定的损耗，本实施例中，氩气的回收率大致在92％左右，需要加入8％液氩气化来弥补氩气的损耗，但通常氩气精馏塔113有2％的液氩提供的冷量就足以，所以还有大约6％液氩需要常温气化来弥补这部分损耗的氩气，这就导致了冷量的浪费，为了合理回收这一部分液氩的冷量，我们在氩气精馏单元的基础上额外集成了一个氮气精馏单元。

具体的，所述氮气精馏单元包括氮气精馏塔206、第一输送管道26和第二输送管道27，所述氮气精馏塔206通过所述第一输送管道26连通所述氩气冷凝器11的进口端、通过所述第二输送管道27连通所述氩气冷凝器11的出口端。实际应用中，氮气精馏塔206可通过第一输送管道26向氩气冷凝器11中送入一部分氮气，具体可通过第一节流阀16来控制氮气的流量，氮气在通入氩气冷凝器11后可回收液氩多余的冷量形成液氮，然后通过第二输送管道27送回氮气精馏塔206中，回收的液氮可作为副产品出售，增加了经济效益，避免了液氩常温气化而造成冷量浪费。

具体的，本实施例中，双塔联合的氩气回收纯化系统还包括设于所述冷箱300外部的氩气粗滤单元和氮气粗滤单元，以及设于所述冷箱300内部的第一主换热器112和第二主换热器205；

所述氩气粗滤单元用于回收来自单晶炉的废氩气并将其过滤成仅含氮气、氢气的粗氩气，所述第一主换热器112用于接收来自所述氩气粗滤单元的粗氩气，并将粗氩气冷却后送入所述氩气精馏塔113内制取纯氩气；

在另一个实施例当中，第一主换热器112和第二主换热器205还可以合二为一。

所述氮气粗滤单元用于提取空气并去除其中的二氧化碳和水，所述第二主换热器205用于接收来自所述氮气粗滤单元的空气，并将空气冷却后送入所述氮气精馏塔206内制取氮气。

具体的，所述氩气粗滤单元包括第一分子筛111和第一氩气输送管道13，所述第一氩气输送管道13的一端连接所述第一分子筛111的出口端、另一端依次连接所述第一主换热器112和所述氩气精馏塔113；

本实施例中，第一分子筛111可由两个吸附器组成，其中一个吸附器在进行吸附工作的时候，另一个吸附器进行再生，再生步骤包括泄压、加温、吹冷、置换，两个吸附器通过时间程序控制器自动控制运行切换。

其中，第一分子筛111再生用的吹扫气(氮气)主要通过氮气精馏塔206供应，需要说明的是，通过引入氮气，它与吸附剂上的氩气发生竞争吸附，从而将氩气逐渐替代出来。随后，氮气和其中的氩气一起被收集和处理，而吸附剂则重新准备好进行下一轮吸附。这些再生方法的选择取决于吸附器的设计和应用场景。吸附器再生的目的是确保吸附器能够持续高效地回收氩气，并使吸附剂能够循环使用，降低氩气的浪费和成本。

实际应用中，由于离开氮气精馏塔206的氮气通常有4.0barg及以上的压力，但在第一分子筛111中氮气一般有0.1～0.2barg的压力就足以，因此，若将氮气直接送往第一分子筛111则会有很大一部分功浪费，为了防止这部分功浪费，本实施例中，在冷箱300内设置了一膨胀机14来回收这部分冷量。

具体的，所述第一输送管道26上外接有第三输送管道15，所述第三输送管道15用于将所述氮气精馏塔206内制取的氮气送入所述第二主换热器205内回温到-150℃，然后将回温后的氮气送入所述膨胀机14内膨胀制取冷量，再然后将膨胀后的氮气折返送回所述第二主换热器205的冷端供所述第二主换热器205回收冷量，最后将氮气作为吹扫气送出所述第二主换热器205进入到所述第一分子筛111中，其中，第一输送管道26上设有用于控制氮气进入到所述氩气冷凝器11中的第一节流阀16，所述第三输送管道15上设有分子筛重生加热器17，所述分子筛重生加热器17用于对即将进入到所述第一分子筛111中的吹扫气进行加热。由此可见，本实施例中，氮气精馏塔206内的氮气主要通过第三输送管道15运输至第一分子筛111中作为吹扫气。

具体的，所述氩气精馏塔113的内腔底部设有再沸器18，所述第一氩气输送管道13远离所述第一分子筛111的一端连接所述再沸器18的进口端，所述再沸器18的出口端设有连接所述氩气精馏塔113中部的第一回流管19，所述氩气精馏塔113的底部设有连通所述氩气冷凝器11的第二回流管20，所述第一回流管19上设有第二节流阀21，所述第二回流管20上设有第三节流阀22。本实施例中，再沸器18的热源来自第一氩气输送管道13输送的粗氩气，粗氩气在进入再沸器18后被比它压力低的液氩冷凝成液体；氩气冷凝器11的冷源来自液氩在低压下气化产生的冷量，具体的，一部分液氩可从液氩加入口12加入，另一部分液氩可通过第二回流管20回流至氩气冷凝器11中为塔内上升的粗氩气冷凝提供冷量，当回流的液氩被蒸汽回收冷量气化后通过纯氩气排出管24向外排出。

本实施例中，为了进一步提升氩气精馏塔113底部液氩的纯度，再沸器18用于将氩气精馏塔113底部的液氩重新加热沸腾，液氩部分会转化为气体形式，并通过第一回流管19上升至氩气精馏塔113的中部，继续参与氩气冷凝器11的精馏过程，进一步提升液氩的分离效果。

进一步的，所述氩气精馏塔113的顶部设有废气排出管23和纯氩气排出管24，所述废气排出管23穿过所述第一主换热器112连接所述第一分子筛111，所述纯氩气排出管24穿过所述第一主换热器112伸出所述冷箱300外，所述纯氩气排出管24的末端连接有一纯氩气压缩机114。可以理解的，在本实施例中，氩气精馏塔113顶部不冷凝的气体为精馏废气，该精馏废气主要含有氮气、氢气及少部分氩气，可通过废气排出管23排入第一分子筛111中作为置换气。具体的，当第一分子筛111再生结束后，通过废气排出管23往第一分子筛111中输送置换气(氮气、氢气及氩气)，以将吸附器上剩余的氩气彻底清除。回流的液氩可通过纯氩气排出管24送出冷箱300，并在经过第一主换热器112时会被复热气化，最后通过纯氩气压缩机114压缩送到单晶生产车间。

具体的，所述氩气粗滤单元还包括第二氩气输送管道25，所述第二氩气输送管道25的一端连接于所述第一分子筛111的进口端、另一端连接有一灰尘过滤器101，自所述灰尘过滤器101之后的所述第二氩气输送管道25上依序设置有双膜气柜系统102、粗氩气压缩机103、水冷器104、高精度除油系统105、回热器106、粗氩气加热器107、脱一氧化碳反应器108、脱氧反应器109及粗氩气冷却器110。实际应用中，氩气粗滤步骤如下：首先将来自单晶炉的废氩气通入灰尘过滤器101，过滤掉灰尘后送到双膜气柜系统102，粗氩气压缩机103从双膜气柜系统102抽取粗氩气，经压缩冷却后除油；经过粗氩气加热器107升温后，送到脱一氧化碳反应器108除掉甲烷等烃类化和一氧化碳，在此过程中确保氧气过量，如缺少氧气，可补入从氮气精馏塔206来的空气或富氧空气，反应生成水和二氧化碳；除掉烃类和一氧化碳的粗氩气经过冷却后，加入微过量的氢气送到脱氧反应器109里面去除氧气，反应生成水；经过两次催化反应之后的粗氩气送到第一分子筛111去除里面的水和二氧化碳，第一分子筛111的吸附器可以通过第三输送管道15输送的氮气和废气排出管23输送的精馏废气重生；离开第一分子筛111的粗氩气里面的主要杂质是氢气和氮气，然后送入氩气精馏塔113内精馏，在氩气精馏塔113的顶部分离出含氮氢量高的精馏废气，底部得到纯净的液氩。

另外，本实施例中，在第二氩气输送管道25上还设有两个分析仪400，用于监测氩气粗滤单元的工作状态，以防止碳氢化合物积聚而发生爆炸。

具体的，所述氮气粗滤单元还包括空气输送管道31，所述空气输送管道31的一端穿过所述第二主换热器205连接所述氮气精馏塔206、另一端连接有一空气过滤器201，自所述空气过滤器201之后的所述空气输送管道31上依序设置有空气压缩机202、空气冷却单元203及第二分子筛204；

所述氮气精馏塔206的顶部设有氮气输送管道32和液氮排出管33，所述氮气输送管道32穿过所述第二主换热器205连接所述第二分子筛204，所述液氮排出管33伸出所述冷箱300外，所述液氮排出管33上设有用于控制液氮排出的液氮阀门34。实际应用中，氮气粗滤的步骤如下：首先将环境中的空气通入空气过滤器201，过滤掉灰尘等杂质送入空气压缩机202进行压缩，增加空气的压力和密度，然后通入空气冷却单元203降温，空气冷却单元203中的冷却剂会吸收热量，使得空气冷却并凝结成液体，冷却后的空气液体进入到第二分子筛204去除其中的水和二氧化碳，最后送入氮气精馏塔206内精馏，根据氮气与氧气的沸点差异来实现分离，具体在氮气精馏塔206的顶部分离出纯氮、底部分离出粗液氧，其中，氮气精馏塔206可通过氮气输送管道32往第二分子筛204中送入部分氮气作为吹扫气，以清除或冲洗第二分子筛204上的吸附物质(氧气、水及二氧化碳)，确保第二分子筛204正常运行和吸附性能；而通过第二输送管道27送回的液氮可通过液氮排出管33从氮气精馏塔206内排出。

需要注意的是，回流到第二分子筛204中的气体必须经过适当的处理和控制，以确保第二分子筛204的正常运行和性能。这包括控制回流气体的流量、压力和温度，以及定期的分子筛再生操作。

进一步的，所述氮气精馏塔206的底部设有连接自身顶部的第三回流管35，所述第三回流管35上设有第四节流阀36。可以理解的，该第三回流管35用于将粗液氧回流到氮气精馏塔206顶部的氮气冷凝器中为塔内上升的空气冷凝提供冷量。

综上，本发明上述实施例当中的一种双塔联合的氩气回收纯化系统，通过将氩气精馏单元与氮气精馏单元双结合，使得加入氩气冷凝器中液氩的冷量可以被充分利用，具体的，当用户通过液氩加入口往氩气冷凝器中加入液氩时，氮气精馏塔可通过第一输送管道往氩气冷凝器中送入部分氮气，通入氩气冷凝器中的氮气可回收液氩多余的冷量形成液氮，最后通过第二输送管道将液氮送回氮气精馏塔中，回收的液氮可作为副产品出售，增加了经济效益，避免了液氩常温气化而造成冷量浪费。

请查阅图2，所示为本发明第二实施例中的一种双塔联合的氩气回收纯化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S101，废氩气的净化，对来自单晶炉的废氩气进行过滤，以得到仅含氮气和氢气为杂质的粗氩气；

步骤S102，粗氩气精馏，将粗氩气通入氩气精馏塔中按照氩气、氮气及氢气三者沸点不同的特性进行精馏分离，以在氩气精馏塔的塔底得到液氩，在氩气精馏塔的塔顶排出精馏废气，所述精馏废气包括氢气和氮气；

步骤S103，冷量回收，通过第一输送管道将氮气精馏塔中的部分氮气转移至氩气精馏塔中，以回收氩气精馏塔中液氩多余的冷量形成液氮，然后通过第二输送管道送回氮气精馏塔；

步骤S104，纯氩气的制取，抽取出氩气精馏塔内的液氩并对其复热生成纯氩气。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。