[实用新型]一种安全的小流量气体纯化装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及气体提纯(纯化)领域。具体地说，涉及一种可以在较高的杂质浓度下利用吸气剂安全地去除气体中的包括水、氧、甲烷、轻质烃、一氧化碳或二氧化碳在内的杂质气体的气体纯化装置。

背景技术

本实用新型所说的小流量指气体的流量小于等于每分钟5标准升。所说的较高的杂质浓度指气体中的杂质体积含有比率高于十万分之一但小于千分之一。

在化学工业及电子工业的很多工艺中大量使用超高纯度(指气体中的杂质气体被去除后的体积含有比率在10ppb(ppb为十亿分之一))及其以下的各种气体，如氮气，氦气，氩气，氢气等。此时，上述惰性气体中通常含有的氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷及轻质烃、水等杂质因其化学性而使所述气体无法适用于高工艺性的要求。因此要对超高纯度气体中的各种杂质进行监测分析。目前对超高纯度气体中的杂质进行分析的方法多为比较测量法，即将被分析气体样品与一个杂质含量极低的标准气体样品进行比较。例如常用的气相色谱仪就是将纯度高于被分析气体的载气和被分析的样品气体轮流进样到仪器中，以载气的结果为基准零点，测量样品气体中各个杂质峰的高度来确定其浓度。

为了保证气体分析的准确性，一般要求标准气体的杂质含量比被分析气体的杂质含量低一个数量级左右。目前国标99.999％到99.9999％纯度的气体中的杂质浓度已经达到0.1ppm。这就要求标准气体中的杂质含量小于0.01ppm，即10ppb。这样的气体纯度只能通过使用气体纯化器将低纯度的气体纯化后才能达到。此类纯化器的流量虽然不需要很大，但是去除杂质的种类要多。而且对源气中杂质浓度的适应范围要宽。在气体流量有较大变化时依然能够保持纯化性能。

目前对上述标准气体的纯化主要使用的是吸气剂技术。吸气剂技术使用吸气剂材料对气体进行纯化。吸气剂材料是由铁，锆，钒等金属制成的合金材料。其特点是材料表面不会和氦，氖，氩一类的惰性气体反应，但可以和某些杂质气体分子，如水汽，氧，一氧化碳，二氧化碳，甲烷等气体反应发生化学反应。而且在高温下(300-400℃)由这些杂质分子带到表面的氧，碳等原子不断扩散进入材料内部，从而能够维持材料表面长时间的和各类杂质分子反应。这一材料特性被用来对某些气体进行纯化。

由于上述反应均在吸气剂材料的表面进行，所以总反应量和单位体积吸气剂材料的表面积成正比。增加吸气剂材料表面积的方法是将其制造成颗粒，甚至粉末状。颗粒(粉末)的几何尺寸越小，其堆积后的单位体积表面积就越大。为取得最佳的气体纯化效果，一般选用几何尺寸较小的粉末。

上述反应的速率则与吸气剂材料的温度成正比。在高温下氧，碳等原子在吸气剂材料中的扩散速度加快，使得材料表面的化学键可以更快的被已经捕捉到的氧，碳等原子释放从而从气体中捕捉新的杂质。所以其反应速率加快。一般吸气剂材料优化的使用温度为300-400摄氏度。

公开号为CN1050047，公开日为1991年03月20日的发明名称为“非蒸散型低温激活吸气剂及其制造方法”的中国专利公开了一种吸气剂及其制造方法，所述吸气剂由锆基合金组成，即，由锆、钒、铁、钛合金组成。据该专利文献的说明书介绍，所述吸气剂可以用于气体纯化。其推荐的激活温度需450℃，工作温度在300℃左右。

公开号为CN1355720，公开日为2002年06月26年的发明名称为“组合式热吸气剂净化系统”的中国专利公开了一种利用吸气剂材料制造的气体净化器。其特征分别在于，将吸气剂柱或吸气剂材料封装在金属容器内，使不纯气体经由进出口流经其间，加热使用，进行气体纯化。但是该专利中由于加热器安装在顶部，造成这部分首先接触到气体的吸气剂材料的温度是最高的。当进入气体纯化器的源气中的杂质含量较高时，高浓度的杂质在高温下和吸气剂材料剧烈反应并大量发热从而导致整个金属容器的温度急剧升高。急剧升高的温度又进一步提高了杂质和材料的反应速率加速放热。这样的恶性循环会造成金属容器的温度达到上千摄氏度从而造成金属容器部分融化带来巨大的安全隐患。