Способ очистки аргона,неона и гелия от примесей газов и паров Советский патент 1982 года по МПК C01B23/00 

(541 СПОСОБ ОЧИСТКИ АРГОНА, НЕОНА И ГЕЛИЯ ОТ ПРИМЕСЕП ГАЗОВ И ПАРОВ

Изобретение относится к области глубокой очистке благородных газов и может быть использовано в полупроводниковой и атомной прог-шшленности а также при проведедии ряда физических: экспериментов. Известен способ очистки инертных газов пропусканием их через кальцие вую стружку,нагретую до 680-700С C Недостаток этого способа связан с низкой глубиной очистки, которая при 700°С достигает 510 относительного содержания кислорода. Известен способ очистки инертных газов пропусканием их под давлением 2 кгс/см последовательно через помещенную в металлическую емкость и нагретую в печи до 660°С кальциевую , затем через нагретую до медную стружку и заполненный цеолитом адсорбер, охла аденный до 77С 2. Недостатки известного способа обусловлены низкой его эффективност Для известного способа характерна низкая степень очистки, позволяющая при однократном пропускании исходного газа через систему реакторов уменьшить содержание кислорода в ар гоне от до 10 объемных долеЯ и только после многократной ( до 2000 раз) циркуляции трехлитровой порции газа через систему реакторов в течение 4 ч содержание кислорода в аргоне снижается до 10 объемных долей. Многократная циркуляция газа необходимая для достижения высоких степеней очистки, приводит к низкой производительности всего процесса, недостаточной для его промышленного использования. В процессе изготовления и засыпки в реактор поверхность кальциевой стружки окисляется кислородом и насыщается азотом воздуха, что не только снижает эффективность взаимодействия кальция с примесями в очищаемом газе, а следовательно, снижает глубину очистки, .но и вызы- вает снижение срока службы стружки. Целью изобретения является увеЛйчение степени очистки и срока службы кальциевой стружки. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу очистки аргона, неона и гелия от примесей газов и паров пропусканием газа через кальциевую стружку при высокой температуре процесс проводят при 740760 С.

С целью устранения потерь кальция- очищенный газ пропускают {ерез кальциевую стружку при температуре ниже .

При пропускании очищаемого газа через кальциевую стружку при 740760 С время работы ( срок службы стружки составляет 20-30 дней, в то время как при пропускании его через стружку при температурах ниже 740с срок службы стружки резко сокращается, одновременно снижается степень очистки газа. Верхний предел указанного температурного интервала опредляется близостью его к температуре плавления кальция ( ).

Увеличение степени очистки газов и срока службы кальциевой стружки в описываемом способе обусловлено тем

что при 740-7бО°С давление паров кальция над стружкой равно 0,40,6 мм рт. ст. и не- зависит от толщины слоя на стружке нелетучих продуктов реакции примесей с кальцием.

Последнее оказывается возможным потому, что слой продуктов реакции на кальциевой стружке при 740-760 С является рыхлым, и пары кальция легко проникают через его поры. Проникшие в газовую фАзу пары кальция, смешиваясь с очищаемым газом, эффективно реагируют с примесями, обеспечивая более высокую степень очистки от химически активных примесей, чем Ксшьциевая стружка в способе-прототипе при , когда давление раров кальция над ней равно 4- 10 мм рт. ст. и влияние их на процесс очистки мало. Поглощение же примесей при взаимодействии очищаемого газа с поверхностью стружки происходит не столь эффективно, как в смеси очищаемого газа с парами кальция, поскольку слой продуктов реакции на поверхности стружки при препятствует контакту очищаемого газа со стружкой. Устранение потерь кальция достигается тем, что уносимые очищенным газом пары кальция конденсируются на кальциевой стружке при последующем прохождении этого газа через нее при температуре ниже , когда давление паров кальция не превышает 10 мм рт. ст.

На чертеже предсвавлена схема осуществления предложенного способа,

В состав схемы входит реактор 1, состоящий из корпуса 2 и внутреннего патрона 3, заполненного кальциевой стружкой, приготовленной в среде инертного газа, ячейка нагрева очищаемого газа 4, рекуператор 5, фильтр б и две термометрические ячейки -7. Половина корпуса реактора теплоизолирована асбестом 8. Ячейка нагрева внутри своего корпуса содержит нагревательную спираль 9.

Пример 1. Аргон с исходным содержанием электроотрицательных примесей экв. Qy после пoдoгpeV ва в рекуператоре и ячейке нагрева до подают в реактор, заполненный кальциевой стружкой. Корпус реактора имеет размеры 150-101500 мм. Диаметр внутреннего патрона 110 мм. Стружку для заполнения патрона готовят фрезерованием кальциевой заготовки в среде аргона.

В первой, теплоизолированной части реактора, за счет теплообмена между нагретым газом и стружкой устанавливается температура 750°С, а

s во второй, нетеплоизолированной части, газ охлаждается за счет отдачи тепла в окружающую среду, в результате чего стружка прогревается в среднем лишь до .

Q Поступающий в реактор аргон смешивается в первой его половине с парами кальция, образуя гомогенную смесь, в которой содержащиеся в газе примеси вступают с кальцием, приво с дя К образованию нелетучих соединений. Во второй, более холодной половине реактора, пары кальция и продукты реакции осаждаются на стружку, а их остаток, уносимый потоком

Q очищенного в реакторе газа, улавливается фильтром.

В результате осуществления описанного процесса при производительности 50 суммарное содержание

с электроотрицательных примесей в очищенном аргоне снижается до величины

- а

экв. 02.

В процессе очистки удаляются практически все мешающие полупроводниковому производству примеси: кислород,вода, азот, углеводород, водород, окислы углерода и азота, органика, масла и т.д.

Изменение направления продувки газа через реактор в процессе очистки fc частотой не менее раза в сутки) позволяет более полно использовать кальций в реакторе и увеличивает срок его работы в 4 раза по сравнению с режимом работы реактора в

0 условиях продувки газа в одном направлении .

Пример 2. В условиях примера 1 осуществляют очистку гелия с исходным суммарным содержанием электроотрицательных примесей, равным 10 экв. Oj. При производительности 50 в результате однократного пропускания гелия через реактор суммарное содержание электроотрицательных примесей снижается до уровня 10 экв. 0.

Аналогичные эксперименты по очистке, неона свидетельствует о том, что он чистится предлагаемым способом

5 более эффективно, чем аргон.

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоит в том, что он позволяет добиться высоких степеней очистки. Так, при однократном осуществлении операции очистки аргона в предлагаемом способа лсмзтигается в 10 раз более высокая степень очистки, чем в прототипе. Более высокий эффект достигается при очистке неона и гелия. Реализация предлагаемого способа в промьви ленности позволяет также добиться более полного использования кальциевой стружки, а также увеличения срока ее работы.

формула изобретения

пропусканием газа через кальциевую стружку при высокой температуре, отличающийся тем, что, с целью увеличения степени очистки и срока службы стружки процесс проводят при температуре 740-7бО С.

стружку при температуре ниже 500 Gi

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Машиностроение, 1974, с. 210.

2.Zarlad Н., Preprint Berkeley UCRL-20690, 1971 (прототип).