氫提純裝置及使用其的氫提純系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用了鈀合金薄膜的氫氣選擇透過性的氫提純裝置及使用其的氫提純系統(tǒng)，更具體而言涉及一種可對導(dǎo)入于盒的一次側(cè)空間的含雜質(zhì)的原料氫進(jìn)行高效加熱的氫提純裝置及使用其的氫提純系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]一直以來，在半導(dǎo)體制造工序中，大量使用高純度的氫氣作為環(huán)境氣體。關(guān)于這樣的氫氣，因半導(dǎo)體的集成度的提高而要求雜質(zhì)的濃度為極低的濃度(PPb水平以下)。
[0003]另一方面，作為工業(yè)大量制造高純度氫的方法，人們公知如下方法:以深冷吸附法、變壓法等，將從甲醇、二甲醚、天然氣、液化石油氣等以水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)而得到的改質(zhì)氣體分離為氫氣與氫氣以外的氣體，從而得到氫。
[0004]深冷吸附法為如下提純方法:將含氫氣體流通于吸附筒以除去氫以外的雜質(zhì)，該吸附筒中填充了將液氮作為制冷劑而被極低溫化后的吸附材料。變壓法為如下提純方法:使含氫氣體依次流通于多個吸附筒，并且反復(fù)進(jìn)行升壓、雜質(zhì)的吸附、雜質(zhì)的解吸以及吸附材料的再生的各個操作，從而去除氫以外的雜質(zhì)。在上述那樣的改質(zhì)氣體中，除了氫以外，還含有一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮?dú)?、水等，在深冷吸附法、變壓法中，很難使這些雜質(zhì)達(dá)到極低的濃度(ppb水平以下)而去除。
[0005]對此，作為以比較少量的方式得到極高純度的氫氣的方法，人們公知如下方法:將含雜質(zhì)的原料氫供給于由鈀合金的薄膜構(gòu)成的氫分離膜，利用氫氣的選擇透過性而僅使氫透過而取出。用于這樣的氫提純的裝置為如下氫提純裝置，其在含雜質(zhì)的原料氫的導(dǎo)入口、純氫的導(dǎo)出口以及在該導(dǎo)入口和該導(dǎo)出口之間的氣體流路中具有鈀合金的薄膜，例如專利文獻(xiàn)I?3所示，為具有如下結(jié)構(gòu)的氫提純裝置，其中，一端被封住的多根鈀合金細(xì)管(氫分離膜)在其另一端的開口部以管板支承，被收納于盒內(nèi)，通過該鈀合金細(xì)管和管板，盒內(nèi)被分隔為一次側(cè)空間(含雜質(zhì)的原料氫的供給側(cè)空間)和二次側(cè)空間(純氫的取出側(cè)空間)這兩個空間。
[0006]【專利文獻(xiàn)I】日本特開昭62-128903號公報(bào)
[0007]【專利文獻(xiàn)2】日本特開平1-145302號公報(bào)
[0008]【專利文獻(xiàn)3】日本特開平1-145303號公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明想要解決的問題
[0010]利用鈀合金的氫分離膜的氫提純方法與深冷吸附法、變壓法相比，具有單位時間的純氫取出量少的缺點(diǎn)，但是除了上述那樣得到高純度的氫氣以外，具有使裝置小型化、簡化的長處。但是使含雜質(zhì)的原料氫接觸于鈀合金細(xì)管而透過該細(xì)管時，需要充分地加熱該細(xì)管和原料氫，除了用于將盒的內(nèi)部加熱的加熱器以外，需要用于預(yù)先加熱原料氫的加熱器等的設(shè)備。
[0011]在利用了鈀合金薄膜的氫分離膜的氫提純中，為了增加單位時間的純氫的取出量，例如，如果進(jìn)行氫提純裝置的大型化，則具有用于預(yù)先加熱原料氫的加熱器等的設(shè)備也為大型的問題，另外，增加氫提純裝置的話，則具有配管等設(shè)備增多而變得復(fù)雜，削弱小型化、簡化的長處的問題。因此，本發(fā)明想要解決的問題為提供一種氫提純裝置、以及使用多個該氫提純裝置的氫提純系統(tǒng)，該氫提純裝置可對導(dǎo)入于盒的一次側(cè)空間的含雜質(zhì)的原料氫進(jìn)行高效加熱。
[0012]用于解決問題的方案
[0013]本發(fā)明人為了解決上述問題而進(jìn)行了深入研宄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)如下成果，進(jìn)而達(dá)成了本發(fā)明的氫提純裝置，即，如果在上述那樣的氫提純裝置中，將盒的一次側(cè)空間的形狀設(shè)定為細(xì)長的形狀，并且將含雜質(zhì)的原料氫的導(dǎo)入配管以通過該盒的細(xì)長的內(nèi)壁與用于將盒內(nèi)加熱的加熱器之間的間隙的方式設(shè)置，則用該加熱器的熱量充分地加熱流通于該導(dǎo)入配管內(nèi)部的原料氫，即使氫提純裝置為大型的情況下，或使用多個氫提純裝置的情況下，仍能夠?qū)⒀b置維持于小型且簡化的形態(tài)。
[0014]S卩，本發(fā)明為一種氫提純裝置，其具有如下結(jié)構(gòu):通過用一端被封住的多根鈀合金細(xì)管和在細(xì)管的開口端部中支撐該細(xì)管的管板，將在外周具有加熱部的盒的內(nèi)部分隔為一次側(cè)空間和二次側(cè)空間，其中，將含雜質(zhì)的原料氫從一次側(cè)空間導(dǎo)入，使其透過鈀合金細(xì)管而從二次側(cè)空間取出純氫，其特征在于，鈀合金細(xì)管的長度為管板的直徑的15倍以上，含雜質(zhì)的原料氫的導(dǎo)入配管以通過盒的側(cè)壁與加熱器之間的間隙的方式而設(shè)置。
[0015]另外，本發(fā)明為一種氫提純系統(tǒng)，其特征在于，并列設(shè)置多個上述氫提純裝置，將多個該氫提純裝置的各個原料氫的導(dǎo)入配管連接于外部的一根原料氫供給配管，將多個該氫提純裝置的各個純氫取出配管連接于外部的一根純氫回收配管。
[0016]發(fā)明的效果
[0017]在本發(fā)明的氫提純裝置中，將盒的一次側(cè)空間設(shè)定為細(xì)長的形狀，含雜質(zhì)的原料氫的導(dǎo)入配管以通過該盒的細(xì)長的側(cè)壁與用于將盒內(nèi)加熱的加熱器之間的方式構(gòu)成。即，在本發(fā)明中，為通過用于將盒內(nèi)加熱的加熱器而充分加熱原料氫的導(dǎo)入配管的結(jié)構(gòu)，故能夠縮小或不需要用于預(yù)先加熱原料氫的加熱器等設(shè)備。特別是在氫提純裝置為大型的場合、氫提純裝置為多個的場合，能在能夠謀求裝置的小型化、簡化的方面發(fā)揮效果。
【附圖說明】
[0018]圖1表示本發(fā)明的氫提純裝置的一個例子的結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖2表示本發(fā)明的圖1以外的氫提純裝置的一個例子的結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖3 (I)表示在圖1的氫提純裝置的管板位置的截面的一個例子的結(jié)構(gòu)圖。圖3 (2)表示在圖1的氫提純裝置的鈀合金細(xì)管位置的截面的一個例子的結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖4表示本發(fā)明的氫提純系統(tǒng)的例子的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明適用于如下氫提純裝置，其中，通過用一端被封住的多根鈀合金細(xì)管和支撐該細(xì)管的開口端部的管板將盒的內(nèi)部分隔為一次側(cè)空間和二次側(cè)空間，將含雜質(zhì)的氫從一次側(cè)空間導(dǎo)入，使其透過鈀合金細(xì)管而從二次側(cè)空間取出純氫。另外，作為適用于本發(fā)明的原料氫，可列舉出:將從甲醇、二甲醚、天然氣、液化石油氣等通過水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)得到的改質(zhì)氣體；通過深冷吸附法、變壓法預(yù)備提純該改質(zhì)氣體而得到的高純度氫。通過該方法得到的氫通常貯藏于液化氣瓶、貯藏管等貯藏裝置。通過本發(fā)明得到的極高純度的提純氫例如用于半導(dǎo)體制造工序中的環(huán)境氣體(載氣)。
[0023]以下，基于圖1?圖4對本發(fā)明的氫提純裝置和使用其的氫提純系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限于此。另外，圖1、圖2為顯示本發(fā)明的氫提純裝置的一個例子的結(jié)構(gòu)圖，圖3(1)為表示在圖1的氫提純裝置的管板位置的截面的一個例子的結(jié)構(gòu)圖，圖3(2)為表示在圖1的鈀合金細(xì)管位置的截面的一個例子的結(jié)構(gòu)圖，圖4為表示本發(fā)明的氫提純系統(tǒng)的一個例子的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]本發(fā)明的氫提純裝置如圖1、圖2所示，其具有如下結(jié)構(gòu):通過用一端被封住的多根鈀合金細(xì)管I和在細(xì)管的開口端部中支撐該細(xì)管的管板2，將在外周具有加熱器3的盒4的內(nèi)部分隔為一次側(cè)空間4’和二次側(cè)空間4”，將含雜質(zhì)的原料氫從一次側(cè)空間4’的原料氫供給口 9導(dǎo)入，使其透過鈀合金細(xì)管而從二次側(cè)空間4”的純氫導(dǎo)出口 11取出純氫，其特征在于，鈀合金細(xì)管I的長度為管板2的直徑的15倍以上，如圖1?圖3所示，含雜質(zhì)的原料氫的導(dǎo)入配管5以通過盒4的側(cè)壁6與加熱器3之間的間隙的方式而設(shè)置。
[0025]以下，對本發(fā)明的氫提純裝置的各個組成部進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]本發(fā)明的氫提純裝置的盒的形態(tài)如圖1、2所示，正面的外形呈U字形、3字形或與其類似的形狀，在截面為圓形的容器的開口部上設(shè)置具有純氫導(dǎo)出口的蓋。在本發(fā)明的氫提純裝置中，流通原料氫的導(dǎo)入配管5的內(nèi)部的原料氫通過用加熱器3充分加熱直到到達(dá)原料氫供給口 9，以該方式將盒4 (特別是4’側(cè))設(shè)定為細(xì)長形狀(以管板的直徑變小的方式)。另外，加熱器3橫跨設(shè)置于盒的側(cè)壁中的至少鈀合金細(xì)管所設(shè)置部分的側(cè)壁的外周整體上。由此，在本發(fā)明中，優(yōu)選將鈀合金細(xì)管I的長度設(shè)定為遠(yuǎn)長于管板2的直徑，通常為管板直徑的15倍以上，優(yōu)選為20倍以上。另外，盒4的二次側(cè)空間4”側(cè)在裝置小型化的方面優(yōu)選為較小，故盒的管板的上游側(cè)的空間的體積相對地比盒的管板的下游側(cè)的空間的體積大，通常為盒的管板的下游側(cè)的空間的體積的10倍以上，優(yōu)選為15倍以上，更進(jìn)一步優(yōu)選為20倍以上。但是，上述體積為不考慮上述鈀合金細(xì)管的存在的情況。
[0027]在本發(fā)明的氫提純裝置中，含雜質(zhì)的原料氫的導(dǎo)入配管5如前述那樣，以通過盒4的側(cè)壁6與加熱器3之間的間隙的方式而設(shè)定，但如圖3所示，優(yōu)選在原料氫的導(dǎo)入配管5與盒的側(cè)壁6與加熱器3之間的間隙中填充導(dǎo)熱水泥等固體的導(dǎo)熱介質(zhì)12，將源自加熱器3的熱量高效地傳遞給原料氫的導(dǎo)入配管5。以夾設(shè)導(dǎo)熱介質(zhì)而通過盒的側(cè)壁與加熱器之間的間隙的方式設(shè)定的原料氫的導(dǎo)入配管(具有圖3那樣的結(jié)構(gòu)的原料氫的導(dǎo)入配管)的長度通常為盒4的側(cè)壁6的長度的50%以上，優(yōu)選為80%以上，更進(jìn)一步優(yōu)選為90%以上。另外，上述盒4的側(cè)壁6的長度為圖1、圖2中的盒4的側(cè)壁6的直線部分的長度。
[0028]另外，在本發(fā)明的氫提純裝置中，原料氫的導(dǎo)入配管5通常以與鈀合金細(xì)管平行的方式設(shè)置，但也可設(shè)置為螺旋狀。在以與鈀合金細(xì)管平行的方式設(shè)置的場合，通過盒的側(cè)壁與加熱器之間的間隙的結(jié)構(gòu)的原料氫的導(dǎo)入配管的長度通常為30cm以上，優(yōu)選為40cm以上。另外，原料氫的導(dǎo)入配管5的內(nèi)徑通常為6mm以下。如果導(dǎo)入配管5的內(nèi)徑超過6mm，則流通導(dǎo)入配管5的內(nèi)部的原料氫將有可能無法充分加熱。
[0029]本發(fā)明的氫提純裝置中使用的鈀合金細(xì)管I如圖1所示，由在管板2側(cè)的一端具有開口端部7，在相反側(cè)的一端具有閉口端部8的管構(gòu)成。鈀合金細(xì)管I如上述那樣，其長度為管板的直徑的15倍以上，具體為20?200cm。另外，外徑通常為1.0?5.0mm,厚度通常為30?100 μ m。另外，鈀合金細(xì)管I相對于一個鈀合金膜組件而言使用3?100根。它們的配置沒有特別限制，相鄰的鈀合金細(xì)管之間的間隔通常設(shè)定為1.0?2.5_。
[0030]作為上述鈀合金細(xì)管I的結(jié)構(gòu)成分，可示例出以鈀和銅為主成分的合金、以鈀和銀為主成分的合金、以鈀和銀和金為主成分的合金。使用這些合金的場合，優(yōu)選鈀50?70界1:%和銅30?50wt%的合金、鈕60?9(^1:%和銀10?40wt%