DE112016000984T5

DE112016000984T5 - Verfahren zur Raffination von Argongas und Rückgewinnungs-und Raffinationsvorrichtung für Argongas

Info

Publication number: DE112016000984T5
Application number: DE112016000984.4T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Kurosawa; Hideaki Matsushima
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2018-01-04
Also published as: JP6304089B2; CN107428532A; US20180050912A1; US11305994B2; WO2016152027A1; JP2016179916A; CN107428532B; KR20170130412A; KR102508050B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Raffinieren eines Argongases bereit, bei dem Sauerstoff zu dem Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff als Verunreinigungen enthaltenden Argongas gegeben wird, sodass Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid in einem Katalysatorturm in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden, oder bei dem Wasserstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass Sauerstoff in Wasser umgewandelt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Überwachen von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff auf einer Ablassseite des Katalysatorturms, und mindestens eines aus Zugeben von Sauerstoff zu dem Argongas, wenn eines von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, und Zugeben von Wasserstoff, wenn Sauerstoff auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, wobei der zuzugebende Sauerstoff oder der zuzugebende Wasserstoff in Bezug auf eine kontinuierliche Zuführung des Argongases zu dem Katalysatorturm periodisch zu dem Katalysatorturm gegeben wird. Demzufolge ist es möglich, ein Verfahren zur Raffinieren eines Argongases bereitzustellen, das keinen Metallturm benötigt, um überschüssigen Sauerstoff oder Wasserstoff zu entfernen, geringe Anlagekosten aufweist und selten ein Versagen bei der periodischen Zugabe von Sauerstoff und Wasserstoff zu dem Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff enthaltenden Argongas aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Raffinieren von Argongas, das sehr geringe Mengen Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid als Verunreinigungen enthält, sowie eine Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas.
STAND DER TECHNIK
In einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen, die zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls durch ein CZ(Czochralski)-Verfahren oder ein ZS(Zonenschmelz)-Verfahren verwendet wird, wird Argongas als Ofenatmosphärengas verwendet. Das Argongas ist ein Gas, das in geringen Mengen in Luft enthalten ist, und auch ein Gas, das teurer als Gase wie etwa Sauerstoff oder Stickstoff ist. Daher wurden Anlagen zur Rückgewinnung, Raffination und Wiederverwendung von Argongas, das aus der Vorrichtung abgelassen wurde (das im Folgenden als Argon-Abgas bezeichnet wird), entworfen (Patentliteratur 1, Patentliteratur 2).
Bei der Herstellung von einkristallinem Silicium wird zur Verbesserung der Qualität hochreines Argongas verwendet, jedoch wird die Reinheit des Argon-Abgases aus der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen aufgrund von Beimischungen von Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff oder dergleichen verringert und das Argon-Abgas kann nicht so, wie es ist verwendet werden. Daher muss es raffiniert werden und es wurden verschiedene Raffinationsverfahren vorgeschlagen (Patentliteratur 1, Patentliteratur 2).
Bei der Raffination von Verunreinigungen im Argongas wird ein allgemeines Verfahren durch ein Verfahren zur Adsorption von Verunreinigungen unter Verwendung eines Adsorptionsmittels wie etwa Zeolith durchgeführt, jedoch werden Verunreinigungen wie etwa Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid und dergleichen kaum adsorbiert. Daher werden in einem vorhergehenden Schritt eines Adsorptionsprozesses Wasserstoff oder Sauerstoff zugegeben, um eine Reaktion unter Verwendung eines Platinkatalysators oder dergleichen zu verursachen, wodurch Wasserstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoffmonoxid in ein Material, z. B. Wasser und Kohlenstoffdioxid, umgewandelt werden, das ohne Weiteres durch das Adsorptionsmittel adsorbiert werden kann.
Es wird angenommen, dass in einem Umwandlungsverfahren, um Wasserstoff und Sauerstoff zu dem in dem Argon-Abgas enthaltenen Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid zuzugeben und diese dadurch mittels einer katalytischen Reaktion in Wasser und Kohlenstoffdioxid umzuwandeln, die auf der folgenden chemischen Formel basierende katalytische Reaktion auf einer Oberfläche des Katalysators durchgeführt wird. H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (1) CO + (1/2)O₂ → CO₂ (2)
Um den gesamten Wasserstoff, Sauerstoff und das gesamte Kohlenstoffmonoxid, die in dem Argon-Abgas enthalten sind, durch diese Reaktion in Wasser und Kohlenstoffdioxid umzuwandeln, sodass in den nachfolgenden Schritten des katalytischen Reaktionsprozesses kein Wasserstoff, kein Sauerstoff und kein Kohlenstoffmonoxid verbleibt, müssen notwendigerweise genaue Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff gemäß den stöchiometrischen Verhältnissen in dieser chemischen Formel zugegeben werden.
Jedoch verändern sich die Mengen von Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid in dem Argon-Abgas, das aus der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen abgelassen wird, ständig und es ist sehr schwierig, die zuzugebenden Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff entsprechend den schwankenden Mengen anzupassen. Daher wird im Allgemeinen ein Verfahren verwendet, bei dem übermäßig große Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff als die vorher angenommenen, in dem Argon-Abgas enthaltenen Mengen von Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid zugegeben werden, um die katalytische Reaktion durchzuführen, und überschüssigen Wasserstoff oder überschüssigen Sauerstoff, die nach der katalytischen Reaktion verbleiben, dann durch ein anderes Verfahren zu entfernen.
Patentliteratur 1 beschreibt ein Verfahren, bei dem überschüssiger Wasserstoff zu einem Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid als Verunreinigungen enthaltenden Argon-Abgas gegeben wird, wodurch eine katalytische Reaktion zur Umwandlung des Sauerstoffs in Wasser bewirkt wird, und überschüssiger Wasserstoff und überschüssiges Kohlenstoffmonoxid unter Verwendung von Kupferoxid durch die folgende Reaktion bei einer Temperatur von 320°C in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden. H₂ + CuO → H₂O + Cu (3) CO + CuO → CO₂ + Cu (4)
Patentliteratur 2 beschreibt ein Verfahren, bei dem überschüssiger Wasserstoff zu einem Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid als Verunreinigungen enthaltenden Argon-Abgas gegeben wird, wodurch Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid durch eine katalytische Reaktion in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden, und dann überschüssiger Sauerstoff durch die folgende Reaktion unter Verwendung eines Metalls bei einer Temperatur von 250°C entfernt wird. O₂ + Metall → Metalloxid (5)
LITERATURLISTE
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: Japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. S62-119104
Patentliteratur 2: Japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2012-229151

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABEN
Als hochreines Argongas zur Verwendung als ein Ofenatmosphärengas in einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen wird ein hochreines Argongas mit einer Wasserstoffkonzentration von ungefähr 1 mol ppm oder weniger, einer Sauerstoffkonzentration von ungefähr 1 mol ppm oder weniger und einer Kohlenstoffmonoxidkonzentration von ungefähr 1 mol ppm oder weniger verwendet. Selbstverständlich müssen im Falle der Rückgewinnung, Raffination und Wiederverwendung eines abzulassenden Argon-Abgases Verunreinigungen raffiniert und entfernt werden, sodass dieses Reinheitsniveau erreicht werden kann.
Gemäß der tatsächlichen Leistung der Herstellung von Siliciumeinkristallen, die vom vorliegenden Erfinder durchgeführt wird, beträgt die Konzentration von jedem von Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid in der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen ungefähr mehrere mol ppm bis 100 mol ppm und diese Konzentration schwankt im Bereich von mehreren Dutzend mol ppm.
Unter der Annahme zum Beispiel, dass die Wasserstoffkonzentration, die in einem Argon-Abgas mit einer Durchflussmenge von 500 Nm³/h enthalten ist, 100 mol ppm beträgt und die Wasserstoffkonzentration im Argongas nach der Raffination ungefähr null beträgt (1 mol ppm oder weniger), wird daher basierend auf Ausdruck (1) zur Umwandlung von 100% dieses Wasserstoffs in Wasser durch eine katalytische Reaktion, die auf der Zugabe von Sauerstoff basiert, die folgende zugegebene Menge (A) von Sauerstoff benötigt. A = 500 Nm³/h × 100 mol ppm × 1/2 = 0,025 Nm³/h = 0,417 Nl/min
Des Weiteren wird eine zugegebene Menge (B) Sauerstoff zur Umwandlung von 100% des Wasserstoffs von 1 mol ppm zu Wasser wie folgt berechnet. B = 500 Nm³/h × 1 mol ppm × 1/2 = 0,00417 Nl/min
Das bedeutet, um die Sauerstoffkonzentration nach der katalytischen Reaktion auf 1 mol ppm oder weniger einzustellen, muss die Menge des zuzugebenden Sauerstoffs kontinuierlich mit einer Genauigkeit von 0,00417 Nl/min oder weniger im richtigen Anteil bezogen auf eine Schwankung der Wasserstoffkonzentration im Argon-Abgas gesteuert werden. Dies ist technisch sehr anspruchsvoll.
Daher wurde für die Raffination eines Argon-Abgases ein Entfernungsverfahren entworfen, das nicht nur die katalytische Reaktion von im Argon-Abgas enthaltenen Gasen und eines zugegebenen Gases nutzt, sondern auch überschüssiges Gas nach einer katalytischen Reaktion durch Verwendung eines oxidierten Metalls oder eines reduzierten Metalls entfernt. Wenn die überschüssigen Gase Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid sind, wird das oxidierte Metall auf der Abströmseite eines Katalysatorturms präpariert, wie in 6 gezeigt, und Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid werden oxidiert und durch mit dem Metall verbundenen Sauerstoff in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt (siehe Patentliteratur 1). Wenn das überschüssige Gas Sauerstoff ist, wird ein Verfahren zur Präparation des reduzierten Metalls genutzt, wie in 7 gezeigt, um ein oxidiertes Metall zu erzeugen und dadurch Sauerstoff zu entfernen (siehe Patentliteratur 2). 6 zeigt ein Beispiel, bei dem das oxidierte Metall CuO ist, und 7 zeigt ein Beispiel, bei dem das reduzierte Metall Cu ist.
Jedoch muss bei diesem Metalle verwendenden Verfahren, da eine Reaktion bei einer hohen Temperatur von 250°C oder mehr verursacht werden muss, im Allgemeinen ein elektrisches Heizgerät verwendet werden, was jedoch im Hinblick auf Energie ein unvorteilhaftes Verfahren ist. Darüber hinaus ist während des Betriebs der Raffinationsvorrichtung ein Betrieb zur Regenerierung der Metalle erforderlich. Wenn zum Beispiel im Falle des Umwandelns von Wasserstoff in Wasser unter Verwendung des oxidierten Metalls die gesamten Metalle in einem Turm (der hier im Folgenden als ein Metallturm bezeichnet wird) reduziert sind, arbeiten sie nicht länger effizient und müssen daher durch einen Regenerationsbetrieb wieder in oxidierte Metalle umgewandelt werden (Einführung von Sauerstoff und eine Hochtemperaturreaktion). Daher ist eine Anlage für die Regeneration erforderlich, was ein Faktor zur Erhöhung von Anlagekosten sein kann.
Wenn des Weiteren im Falle, dass die Wassererzeugung aus Wasserstoff unter Verwendung z. B. eines oxidierten Metalls durchgeführt wird, die angenommene Sauerstoffkonzentration übersteigender Sauerstoff zu dem Argon-Abgas in der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen gemischt wird, wenn die Reaktion bereits fortgeschritten ist und viel reduziertes Metall in dem Metallturm vorhanden ist, kann in einigen Situationen plötzlich eine oxidative Reaktion des reduzierten Metalls auftreten. In diesem Fall wird eine große Menge Reaktionswärme abgelassen, sodass das Innere des Metallturms eine extrem hohe Temperatur aufweist, was möglicherweise zu einem Ausfall des Metallturms führen kann. Daher muss der überschüssige Sauerstoff kontinuierlich kontrolliert werden, um ihn am Mischen zu hindern, was zu einer weiteren Erhöhung der Anlagekosten führt.
Angesichts dieser Probleme ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Raffination eines Argongases und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung und Raffination für ein Argongas bereitzustellen, bei dem/der Sauerstoff und Wasserstoff in passenden Anteilen zugeführt werden können, selbst wenn die in einem Argongas enthaltenen Mengen von Verunreinigungen schwanken, indem Sauerstoff und Wasserstoff zu dem mindestens eines aus Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff als Verunreinigungen enthaltenden Argongas gegeben werden und das/die nicht länger einen Metallturm zur Entfernung von überschüssigem Sauerstoff oder Wasserstoff benötigt, geringe Anlagekosten aufweist und selten Betriebsstörungen aufweist.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE
Um den Gegenstand zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Raffinieren eines Argongases bereit, bei dem Sauerstoff zu dem mindestens eines von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff als Verunreinigungen enthaltenden Argongases gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid unter Verwendung einer katalytischen Reaktion in einem Katalysatorturm in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden, oder bei dem Wasserstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Sauerstoff unter Verwendung einer Katalysatorreaktion in dem Katalysatorturm in Wasser umgewandelt wird, und mindestens eines von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff dadurch aus dem Argongas entfernt wird,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Überwachen von mindestens einem von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff auf einer Ablassseite des Katalysatorturms, und
mindestens eines aus Zugeben von Sauerstoff zu dem Argongas auf einer Einlassseite des Katalysatorturms, wenn eines von Wasserstoff und Sauerstoffmonoxid auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, und Zugeben von Wasserstoff zu dem Argongas auf der Einlassseite des Katalysatorturms, wenn Sauerstoff auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird,
wobei der zuzugebende Sauerstoff oder Wasserstoff in Bezug auf eine kontinuierliche Zuführung von Argongas zu dem Katalysatorturm periodisch zu dem Katalysatorturm gegeben werden, und wodurch mindestens eines von in dem Argongas enthaltenen Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff entfernt wird.
Wie oben beschrieben können, wenn mindestens eines von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff überwacht wird und Sauerstoff und Wasserstoff periodisch zugegeben werden, Sauerstoff und Wasserstoff in passenden Anteilen zugeführt werden, selbst wenn die Mengen dieser in dem Argongas enthaltenen Verunreinigungen schwanken, und das Argongas kann kontinuierlich raffiniert werden.
Zu diesem Zeitpunkt umfasst das Verfahren auf einer Abströmseite des Katalysatorturms vorzugsweise keinen der Schritte des Entfernens von aufgrund der katalytischen Reaktion im Überschuss vorhandenem Sauerstoff durch eine Oxidationsreaktion mit Metall, und des Entfernens von aufgrund der katalytischen Reaktion im Überschuss vorhandenem Wasserstoff durch eine Reduktionsreaktion mit einem Metall.
Wenn die Entfernung von überschüssigem Sauerstoff durch die Oxidationsreaktion mit dem Metall und das Entfernen von überschüssigem Wasserstoff durch die Reduktionsreaktion mit dem Metall nicht vorgesehen sind, ist der Metallturm auf der Abströmseite des Katalysatorturms, wie oben beschrieben, nicht länger erforderlich, die Anlagenstruktur wird einfacher, die Anlagenkosten können verringert werden, die Regeneration des Metalls in dem Metallturm durch Oxidation oder Reduktion ist nicht länger erforderlich, und das Auftreten eines Anlageversagens aufgrund des Metallturms kann beseitigt werden. Darüber hinaus kann auch der Energieverbrauch verringert werden.
Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise eine Gesamtmenge des in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenen Wasserstoffs und Kohlenstoffmonoxids mit einer Menge des in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenen Sauerstoffs verglichen, und wenn die Gesamtmenge von Wasserstoff und Sauerstoffmonoxid das Doppelte der Menge von Sauerstoff in Bezug auf ein Moläquivalent-Verhältnis übersteigt, ist das hinzuzugebende Gas Sauerstoff, und wenn das Gleiche weniger als das Doppelte beträgt, ist das hinzuzugebende Gas Wasserstoff.
Durch den Vergleich der Gesamtmenge von in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenem Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid mit der Menge von Sauerstoff, wie oben beschrieben, kann im Voraus bestimmt werden, welches von Sauerstoff und Wasserstoff als hinzuzugebendes Gas verwendet wird, und so kann das Argongas durch die Raffinationsvorrichtung mit nur einer Art von Katalysatorturm raffiniert werden.
Zu diesem Zeitpunkt ist das zu raffinierende Argongas vorzugsweise ein Argon-Abgas, das aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen abgelassen wird.
Wenn das Argon-Abgas, das aus der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen abgelassen wird, auf diese Weise durch das Verfahren raffiniert wird, können Betriebskosten der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen niedrig unterdrückt werden.
Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise eine Menge Sauerstoff oder Wasserstoff, die periodisch zugegeben wird, an eine stöchiometrische Menge von Sauerstoff oder Wasserstoff angeglichen, die aufgrund der katalytischen Reaktion während eines Zeitraums, in dem kein Sauerstoff und Wasserstoff zugegeben werden, unzureichend ist.
Wie oben beschrieben, wird die stöchiometrische Menge Wasserstoff oder Sauerstoff, die aufgrund der katalytischen Reaktion unzureichend ist, zugegeben, eine Erzeugung von überschüssigem Sauerstoff und Wasserstoff kann verhindert werden.
Darüber hinaus wird zum Erreichen des Gegenstands gemäß der vorliegenden Erfindung eine Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas bereitgestellt, das mindestens eines von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff als Verunreinigungen enthält,
umfassend:
mindestens eines aus einem Katalysatorturm, in dem Sauerstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid unter Verwendung einer katalytischen Reaktion in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden, und einem Katalysatorturm, in dem Wasserstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Sauerstoff unter Verwendung einer katalytischen Reaktion in Wasser umgewandelt wird,
Nachweismittel zum Überwachen von mindestens einem von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff auf einer Ablassseite des Katalysatorturms, und
mindestens eines aus Sauerstoffzugabemitteln zum Zugeben von Sauerstoff zu dem Argongas auf einer Einlassseite des Katalysatorturms, wenn eines von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid an der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, und Wasserstoffzugabemitteln zum Zugeben von Wasserstoff zu dem Argongas auf der Einlassseite des Katalysatorturms, wenn Sauerstoff auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird,
wobei die Sauerstoffzugabemittel und die Wasserstoffzugabemittel bezogen auf die kontinuierliche Zuführung von Argongas zu dem Katalysatorturm periodisch Sauerstoff oder Wasserstoff zugeben.
Wie oben beschrieben können, wenn Sauerstoff und Wasserstoff durch die Sauerstoffzugabemittel bzw. die Wasserstoffzugabemittel periodisch zugegeben werden, Sauerstoff und Wasserstoff in passenden Anteilen zugeführt werden, selbst wenn die Mengen dieser in dem Argongas enthaltenen Verunreinigungen schwanken, und das Argongas kann kontinuierlich raffiniert werden.
Zu diesem Zeitpunkt umfasst die Vorrichtung auf der Abströmseite des Katalysatorturms vorzugsweise keines aus einem Metallturm, in dem aufgrund der katalytischen Reaktion im Überschuss vorhandener Sauerstoff durch eine Oxidationsreaktion mit Metall entfernt wird, und einem Metallturm, in dem aufgrund der katalytischen Reaktion im Überschuss vorhandener Wasserstoff durch eine Reduktion mit einem Metall entfernt wird.
Gemäß der Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas, die keinen Metallturm aufweist, wird die Anlagenstruktur, wie oben beschrieben, einfacher, die Anlagenkosten können verringert werden, eine Regeneration des Metalls im Metallturm durch Oxidation oder Reduktion ist nicht länger erforderlich und das Auftreten eines Anlageversagens aufgrund des Metallturms kann beseitigt werden. Darüber hinaus kann auch der Energieverbrauch verringert werden.
Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise eine Gesamtmenge des in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenen Wasserstoffs und Kohlenstoffmonoxids mit einer Menge des in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenen Sauerstoffs verglichen, und wenn die Gesamtmenge von Wasserstoff und Sauerstoffmonoxid das Doppelte der Menge von Sauerstoff in Bezug auf ein Moläquivalent-Verhältnis übersteigt, ist das hinzuzugebende Gas Sauerstoff, und wenn das Gleiche weniger als das Doppelte beträgt, ist das hinzuzugebende Gas Wasserstoff.
Da durch den Vergleich der Gesamtmenge von in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenem Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid mit der Menge von Sauerstoff, wie oben beschrieben, im Voraus bestimmt werden kann, welches von Sauerstoff und Wasserstoff als hinzuzugebendes Gas verwendet wird, und so kann die Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas, die nur eine Art von Katalysatorturm aufweist, bereitgestellt werden.
Zu diesem Zeitpunkt ist das zu raffinierende Argongas vorzugsweise ein Argon-Abgas, das aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen abgelassen wird.
Wenn das Argon-Abgas, das aus der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen abgelassen wird, wie oben beschrieben, mit der Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas raffiniert wird, können Betriebskosten der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen niedrig unterdrückt werden.
Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise eine Menge Sauerstoff oder Wasserstoff, die periodisch zugegeben wird, an eine stöchiometrische Menge von Sauerstoff oder Wasserstoff angeglichen, die aufgrund der katalytischen Reaktion während eines Zeitraums, in dem kein Sauerstoff und Wasserstoff zugegeben werden, unzureichend ist.
Wenn die stöchiometrische Menge Wasserstoff oder Sauerstoff, die aufgrund der katalytischen Reaktion unzureichend ist, wie oben beschrieben zugegeben wird, kann eine Erzeugung von überschüssigem Sauerstoff und Wasserstoff verhindert werden.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben, können bei der Raffination von sehr geringe Mengen von Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid als Verunreinigungen enthaltendem Argongas durch die periodische Zugabe von Wasserstoff und Sauerstoff Entfernungsanlagen die auf der Abströmseite des Katalysatorturms installiert sind und überschüssigen Wasserstoff und überschüssigen Sauerstoff verarbeiten, beseitigt, die Kosten für eine Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas verringert, die Vorrichtung stabil betrieben und der Energieverbrauch gesenkt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die die Zugabe von Sauerstoff zu einem Argon-Abgas zeigt, um eine katalytische Reaktion zu verursachen;
2 ist eine schematische Ansicht einer Sauerstoffzugabe-Durchflussmenge, wenn Sauerstoff durch ein Verfahren zum Raffinieren eines Argongases gemäß der vorliegenden Erfindung periodisch zugegeben wird;
3 ist eine schematische Ansicht, die eine sauerstoffrückhaltende Funktion auf einer Katalysatoroberfläche zeigt;
4 ist eine schematische Ansicht, die die Reaktion von auf der Katalysatoroberfläche zurückgehaltenem Sauerstoff mit Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid in dem Argongas zeigt, die in Wasser und Kohlenstoffdioxid umzuwandeln sind;
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Raffinationsflusses des Argon-Abgases aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Raffinationsflusses des Argon-Abgases aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen gemäß einer herkömmlichen Technologie (Patentliteratur 1) zeigt; und
7 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Raffinationsflusses des Argon-Abgases aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen gemäß einer herkömmlichen Technologie (Patentliteratur 2) zeigt.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM(EN) DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, sind eine Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas und ein Verfahren zum Raffinieren eines Argongases gefordert, die geringe Vorrichtungskosten, einen stabilen Betrieb und geringe Energiekosten realisieren.
Bei der Raffination eines Argon-Abgases aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen oder dergleichen richteten die vorliegenden Erfinder ihre Aufmerksamkeit darauf, dass zwischen den Mengen von zugegebenem Wasserstoff und Sauerstoff und den Mengen von überschüssigem Wasserstoff und Sauerstoff, die aus einem Katalysatorturm ausströmen, eine Zeitverzögerung besteht, wenn Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmoloxid in dem Argon-Abgas gegeben werden, um eine katalytische Reaktion zu verursachen.
Zum Beispiel wurde gefunden, dass bei einer konstanten Wasserstoffkonzentration auf der Einlassseite des Katalysatorturms, wenn eine zuzugebende Sauerstoff-Durchflussmenge zunächst konstant gehalten wird und dann die zugegebene Sauerstoff-Durchflussmenge plötzlich auf ein stöchiometrisches Verhältnis oder höher erhöht wird, eine Zeitverzögerung von mehreren Minuten bis mehreren Dutzend Minuten nach der Erhöhung der Sauerstoff-Durchflussmenge am Einlass besteht, bis überschüssiger Sauerstoff auf der Ablassseite des Katalysatorturms erscheint.
Des Weiteren wurde auch gefunden, dass bei einer konstanten Sauerstoffkonzentration auf der Einlassseite des Katalysatorturms und Zugabe von Wasserstoff ebenfalls eine Zeitverzögerung von mehreren Minuten bis mehreren Dutzend Minuten nach Beginn der starken Zugabe von Wasserstoff besteht, bis der Wasserstoff auf der Ablassseite des Katalysatorturms erscheint. Dies führt zu der Vermutung, dass der Katalysatorturm eine Sauerstoff- und Wasserstoffrückhaltefunktion besitzt.
Infolge ernsthafter Untersuchungen zum Erreichen der Gegenstände haben die vorliegenden Erfinder gefunden, dass ein in herkömmlichen Beispielen eingesetzter Metallturm beseitigt werden kann, indem die Sauerstoff- und wasserstoffrückhaltende Funktion eines Katalysators angewandt wird, um Sauerstoff und Wasserstoff periodisch zu dem Katalysatorturm zu geben, und haben so die vorliegende Erfindung vollendet. Das heißt, die vorliegende Erfindung beseitigt einen im Anschluss an den Katalysatorturm vorgesehenen Metallturm, der überschüssigen Wasserstoff oder überschüssigen Sauerstoff beseitigt, und ermöglicht eine Verringerung der Anlagekosten, eine Energieeinsparung und eine Verringerung der Häufigkeit des Auftretens von Vorrichtungsversagen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden detailliert in Bezug auf die Abbildungen beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
[Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für Argongas]
Im Folgenden wird nun eine Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für Argongas unter Bezug auf 1 bis 5 beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht, die die Zugabe von Sauerstoff zu einem Argon-Abgas zeigt, um eine katalytische Reaktion zu verursachen, und es handelt sich um eine Ansicht, bei der Sauerstoff auf der Einlassseite eines Katalysatorturms zugegeben oder eingeblasen wird. Das Argon-Abgas enthält mindestens eines von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff als Verunreinigung. Wenn Sauerstoff periodisch zugegeben oder eingeblasen wird, muss der zugegebene Sauerstoff in diesem Fall ausreichend gleichmäßig in das Argon-Abgas gemischt werden, bis es eine Oberfläche eines Katalysators erreicht.
2 ist eine schematische Ansicht von Sauerstoffzugabe-Durchflussmengen, wenn Sauerstoff gemäß der vorliegenden Erfindung periodisch zugegeben wird. Die Zugabedurchflussmenge muss eine Menge sein, die deutlich über ein stöchiometrisches Verhältnis hinausgeht und unterhalb einer Sauerstoff rückhaltenden Menge des Katalysators liegt, sodass der Sauerstoff nicht zu einer Abströmseite des Katalysatorturms fließt. Daher muss ein Zusammenhang zwischen einer Menge des Katalysators und einer Sauerstoff rückhaltbaren Menge des Katalysators durch Durchführen eines Tests im Voraus geprüft werden. Wenn die Menge von Katalysator zu klein ist, wird die Oxidationsreaktion unzureichend oder die Sauerstoffzugabeintervalle werden in einigen Fällen zu kurz und unrealistisch, und daher ist Aufmerksamkeit erforderlich.
3 ist eine schematische Ansicht, die ein Bild der sauerstoffrückhaltenden Funktion auf einer Katalysatoroberfläche zeigt, die von den vorliegenden Erfindern angenommen wird. Da nicht bekannt ist, wie der Sauerstoff auf der Katalysatoroberfläche zurückgehalten wird, ist der zurückgehaltene Sauerstoff versuchsweise durch das Symbol „O” dargestellt. Eine Sauerstoffmenge, die periodisch zuzugeben oder einzublasen ist, darf nicht eine Sauerstoffmenge überschreiten, die auf der Katalysatoroberfläche zurückgehalten werden kann. Wenn in der Mitte des Katalysatorturms ein Wasserstoff-Densitometer und ein Kohlenstoffmonoxid-Densitometer (Nachweismittel) zur Überwachung von überschüssigem (nicht umgesetztem) Wasserstoff und überschüssigem (nicht umgesetztem) Kohlenstoffmonoxid, die auf der Ablassseite des Katalysatorturms erscheinen, installiert sind oder wenn die Katalysatortürme auf zwei Plattformen installiert sind und zwischen ihnen diese Densitometer installiert sind, es darüber hinaus möglich, mit dem Austreten einer Wasserstoffkomponente aus dem Katalysatorturm oder Verzögerungszeiten der Densitometer auf der Ablassseite des Katalysatorturms umzugehen.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Bild einer Reaktion des auf der Katalysatoroberfläche zurückgehaltenen Sauerstoffs und dem Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid in dem Argongas zeigt, wenn Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff in dem Argongas enthalten sind, was von den vorliegenden Erfindern angenommen wird. Der in dem Argongas vorher vorhandene Sauerstoff wird zeitweilig auf der Katalysatoroberfläche zurückgehalten. Außerdem reagiert er, wie der bereits auf der Katalysatoroberfläche zurückgehaltene Sauerstoff mit Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid in dem Argongas, und dadurch werden Wasser und Kohlenstoffdioxid erzeugt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung unter Verwendung von 3 und 4 die Annahme der vorliegenden Erfinder ausdrückt, um ein in dem Katalysatorturm auftretendes Phänomen auf leicht verständliche Weise zu erklären.0} Ob diese Annahme richtig oder falsch ist, wirkt sich nicht auf die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung aus.
Wenn dieser Zustand sich fortsetzt, wird des Weiteren der auf der Katalysatoroberfläche zurückgehaltene Sauerstoff vollständig durch die Reaktion verbraucht, der Sauerstoff wird unzureichend und auf der Ablassseite des Katalysatorturms erscheinen nicht umgesetzter Wasserstoff und nicht umgesetztes Kohlenstoffmonoxid. In so einem Zustand wird Sauerstoff wieder periodisch zugegeben oder eingeblasen, sodass der Sauerstoff auf der Katalysatoroberfläche zurückgehalten wird. Dieser Vorgang wird wiederholt durchgeführt.
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Raffinationsflusses des Argon-Abgases aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen zeigt, und ein Metallturm, der in einer Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas gemäß herkömmlichen Technologien (6 und 7) auf der Abströmseite des Katalysatorturms vorhanden ist, ist nicht erforderlich. In 5 entspricht ein von einer gestrichelten Linie umgebener Teil der Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für Argon-Abgas. Das aus der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen abgelassene Argon-Abgas wird durch eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung auf einen vorbestimmten Druck gebracht und dann der Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung 10 für ein Argon-Abgas zugeführt. Die Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für Argon-Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung weist mindestens eines aus einem Katalysatorturm, in dem Sauerstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid unter Verwendung einer katalytischen Reaktion in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden, und einem Katalysatorturm auf, in dem Wasserstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Sauerstoff unter Verwendung einer katalytischen Reaktion in Wasser umgewandelt wird. Jedoch zeigt 5 ein Beispiel, bei dem die Vorrichtung nur den Katalysatorturm aufweist, in dem Sauerstoff zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid gegeben wird, um diese in Wasser und Kohlenstoffdioxid umzuwandeln.
Die Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für das Argon-Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf einer Ablassseite des Katalysatorturms mit Nachweismitteln zum Überwachen von mindestens einem von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff versehen. Eine Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung 10 für Argon-Abgas wie in 5 gezeigt, ist mit Nachweismitteln für Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid versehen.
Des Weiteren umfasst die Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für Argon-Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens eines aus Sauerstoffzugabemitteln zum Zugeben von Sauerstoff zu dem Argongas auf einer Einlassseite des Katalysatorturms, wenn eines von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid auf der Auslassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, und Wasserstoffzugabemitteln zum Zugeben von Wasserstoff zu dem Argongas auf der Einlassseite des Katalysatorturms, wenn Sauerstoff auf der Auslassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird. In 5 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem die Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung 10 für Argon-Abgas die Sauerstoffzugabemittel umfasst.
Wenn entweder Wasserstoff oder Kohlenstoffmonoxid durch das Nachweismittel nachgewiesen werden, wird durch das Sauerstoffzugabemittel unverzüglich kurzzeitig eine vorbestimmte große Durchflussmenge Sauerstoff in den Katalysatorturm gegeben. Infolgedessen wird der Sauerstoff wiederum durch den Katalysator in dem Katalysatorturm zurückgehalten.
Als ein auf der Rückseite dieses Katalysatorturms angebrachter Adsorptionsturm ist einer ausreichend, der durch den Katalysatorturm erzeugtes Wasser und Kohlenstoffdioxid sowie Stickstoff adsorbieren und entfernen kann, und es kann der gleiche Adsorptionsturm wie solche in herkömmlichen Beispielen verwendet werden oder es kann jegliche andere Art verwendet werden. In dem Beispiel einer Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für Argon-Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung wie in 5 gezeigt, wie auch bei den in 6 und 7 gezeigten herkömmlichen Techniken werden Wasser und Kohlenstoffdioxid in einem ersten Adsorptionsturm adsorbiert und entfernt und Stickstoff wird in einem zweiten Adsorptionsturm adsorbiert. Als Adsorptionsmittel für Wasser und Kohlenstoffdioxid bzw. Stickstoff werden in Patentliteratur 1 zum Beispiel Zeolith und Mordenit-Typ-Zeolith offenbart und diese Materialien können verwendet werden.
Die oben beschriebenen Modi entsprechen alle einem Fall, bei dem eine Verunreinigungsmenge in dem Argon-Abgas stöchiometrisch (Gesamtmenge von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid) > (Sauerstoffmenge) erfüllt, die Zugabe von Sauerstoff allein vor dem Katalysatorturm ausreichend sein kann, und dies ist ein Beispiel, bei dem keine Wasserstoffzugabemittel vorgesehen sind. Gemäß einem Ergebnis eines durch die vorliegenden Erfinder durchgeführten Tests ist wie bei Sauerstoff auch eine wasserstoffrückhaltende Funktion auf der Katalysatoroberfläche vorhanden, sodass wenn die stöchiometrische Bedingung für die Verunreinigungsmenge in dem Argon-Abgas (Gesamtmenge von Wasserstoff + Kohlenstoffmonoxid) < (Sauerstoffmenge) erfüllt ist, das hinzuzugebende oder einzublasende Gas zu Wasserstoff verändert wird, wobei die gleiche Vorrichtungsstruktur übernommen werden kann. Ein Unterschied zu der in 5 gezeigten Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung 10 für Argon-Abgas liegt darin, dass anstelle der Sauerstoffzugabemittel Wasserstoffzugabemittel vorgesehen sind und das nachzuweisende Gas Sauerstoff ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass bei Verwendung eines Moläquivalents gesagt werden kann, dass Sauerstoff durch die Sauerstoffzugabemittel zugegeben wird, wenn die Gesamtmenge des in dem Argon-Abgas enthaltenen Wasserstoffs und Kohlenstoffmonoxids das Doppelte der Sauerstoffmenge in Bezug auf ein Moläquivalent-Verhältnis übersteigt, oder Wasserstoff durch die Wasserstoffzugabemittel zugegeben wird, wenn das Gleiche weniger als das Doppelte beträgt.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Konzentration der Verunreinigungen in dem Argon-Abgas im Laufe der Zeit schwankt und das hinzuzufügende Gas verändert werden muss, sowohl Sauerstoffzugabemittel als auch Wasserstoffzugabemittel einzuschließen.
In der Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für Argon-Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung wird die gleiche Menge Sauerstoff oder Wasserstoff zugegeben wie eine stöchiometrische Menge von Sauerstoff oder Wasserstoff, die aufgrund der katalytischen Reaktion im Katalysatorturm während einer Zeit ohne Sauerstoff- oder Wasserstoffzugabe fehlt, und auf diese Weise kann die Produktion von überschüssigem Sauerstoff oder Wasserstoff verhindert werden.
[Raffinationsverfahren für Argongas]
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Raffinieren eines Argongases unter Verwendung der in 5 gezeigten Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für Argon-Abgas beschrieben.
Zunächst wird bei einer solchen Raffination von Argon-Abgas wie in 1 gezeigt bei der Umwandlung von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid in Wasser und Kohlenstoffdioxid durch zusätzlichen Sauerstoff unter Verwendung des Katalysatorturms der zusätzliche Sauerstoff übermäßig für ein stöchiometrisches Verhältnis in einer kurzen Zeit (im Sinne eines Peaks) zugegeben oder eingeblasen und der Sauerstoff wird dadurch in dem Katalysatorturm zurückgehalten. Auf der Ablassseite des Katalysatorturms werden Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid kontinuierlich überwacht. Dann reagieren Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid mit dem im Katalysatorturm zurückgehaltenen Sauerstoff und so werden Wasser und Kohlenstoffdioxid erzeugt, bis Wasserstoff oder Kohlenstoffmonoxid auf der Ablassseite des Katalysatorturms erscheinen. Darüber hinaus wird, wenn Wasserstoff oder Kohlenstoffmonoxid auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen werden, wieder ein Vorgang des Einblasens (Zugebens) von Sauerstoff durchgeführt, der übermäßig für das stöchiometrische Verhältnis ist. Diese Situation bedeutet, dass die stöchiometrische Menge von Sauerstoff als Ganzes durch periodisches Einblasen des übermäßigen Sauerstoffs über eine kurze Zeit, wie in 2 gezeigt, zugegeben wird, und die Raffination des Argon-Abgases kann kontinuierlich fortschreiten.
Außerdem werden, wenn die Konzentrationen von in dem Argon-Abgas enthaltenem Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid sich verändert haben, infolgedessen nur Intervalle von kurzzeitigem Einblasen verändert. D. h., die Zeitintervalle des Erscheinens von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid auf der Ablassseite des Katalysatorturms werden verkürzt, wenn die Konzentrationen von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid erhöht sind, oder die Zeitintervalle des Erscheinens von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid an der Ablassseite des Katalysatorturms werden einfach verlängert, wenn die Konzentrationen gesenkt werden. Daher muss die problematische Anpassung bezüglich einer zusätzlichen Menge von Sauerstoff nicht durchgeführt werden und eine automatische Kontrolle kann einfach realisiert werden.
Was den im Argon-Abgas enthaltenen Sauerstoff angeht, kann das gleiche Raffinationsverfahren angewandt werden, wenn die Zugabe von Sauerstoff durch die Zugabe von Wasserstoff verändert wird und das Erscheinen von Sauerstoff überwacht wird.
Wenn die zu entfernenden Gase Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Sauerstoff sind, müssen wie oben beschrieben, da zwei Arten von Gasen zugegeben werden, die Katalysatoren unabhängig voneinander in zwei Stufen vorgesehen sein (ein Katalysator zum Entfernen von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid und ein Katalysator zum Entfernen von Sauerstoff), wenn Konzentrationen von zu entfernenden Gasen sich deutlich verändern. Im Falle eines Argon-Abgases aus der normalen Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen kommt es jedoch häufig vor, dass eine Größenordnungskorrelation einer Gesamtmenge von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid und einer Sauerstoffmenge fest ist, eine geringere Menge Gas von einer größeren Menge Gas für die katalytische Reaktion verwendet wird und daher kann das Einbauen von entweder den Sauerstoffzugabemitteln oder den Wasserstoffzugabemitteln gewöhnlich ausreichend sein.
BEISPIELE
Zwar wird die vorliegende Erfindung im Folgenden unter Bezug auf Beispiele detaillierter beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
(Beispiele)
Ein Argon-Abgas aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen (eine CZ-Vorrichtung) wurde durch eine Vorrichtung zur Rückgewinnung und Raffination für ein Argongas und ein Verfahren zum Raffinieren eines Argongases gemäß der vorliegenden Erfindung raffiniert (basierend auf dem in 5 dargestellten Raffinationsfluss).
Die Vorrichtungsbetriebsbedingungen der Vorrichtung zur Rückgewinnung und Raffination 10 für ein Argongas sind im Folgenden beschrieben.
Durchflussmenge Argon-Abgas: 500 Nm³/h
Verunreinigungskonzentrationen in dem Argon-Abgas
Wasserstoff: 5 bis 20 mol ppm
Sauerstoff: 20 bis 30 mol ppm
Kohlenstoffmonoxid: 60 bis 100 mol ppm
Stickstoff: 50 bis 100 mol ppm
Es ist darauf hinzuweisen, dass dieses Argon-Abgas kontinuierlich stöchiometrisch (Gesamtmenge von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid) > (Sauerstoffmenge) erfüllt.
Katalysator: Pt-Katalysator
Zugegebenes Gas: Sauerstoff (4 Nl Sauerstoff wurden pro periodischem Einblasen eingeblasen)
Eine periodische Einblasmenge von 4 Nl wurde erhalten, indem die Haltefähigkeit des Katalysators tatsächlich im Voraus gemessen wurde.

Tabelle 1 zeigt Werte, die durch Umwandeln der jeweiligen Konzentrationen, d. h., Minimalwerte (Min), Mittelwerte (Ave) und Maximalwerte (Max) der Konzentrationen der Verunreinigungen (Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid) in dem Argon-Abgas in Durchflussmengen durch eine Berechnung erhalten wurden, sowie die Ergebnisse des Erhaltens von Intervallen der periodischen Zugabe unter Verwendung dieser Werte. Des Weiteren wurden durch eine Berechnung auch die Durchflussmengen der Verunreinigungen und die Intervalle der periodischen Zugabe erhalten, wenn eine Durchflussmenge des Argon-Abgases 487 Nm³/h beträgt, die Wasserstoffkonzentration 7 mol ppm beträgt, die Sauerstoffkonzentration 23 mol ppm beträgt und die Sauerstoffmonoxid-Konzentration 65 mol ppm beträgt (Beispiel 1) und wenn eine Durchflussmenge des Argon-Abgases 498 Nm³/h beträgt, die Wasserstoffkonzentration 3 mol ppm beträgt, die Sauerstoffkonzentration 27 mol ppm beträgt und die Sauerstoffmonoxid-Konzentration 95 mol ppm beträgt (Beispiel 2), und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. [Tabelle 1]

		Bereich der Betriebsbedingungen			Beispiele
	Einheit	Min	Ave	Max	Beispiel	Beispiel
	Einheit	Min	Ave	Max	1	2
Durchflussmenge Argon-Abgas	Nm³/h	500	500	500	487	498
Wasserstoffkonzentration	Mol ppm	5	10	20	7	3
Sauerstoffkonzentration	Mol ppm	20	25	30	23	27
Kohlenstoffmonoxidkonzentration	Mol ppm	60	80	100	65	95
Differenz im Argon-Abgas	Mol ppm	25	40	60	26	44
Periodische Sauerstoffeinblasmenge	NI	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0
Durchflussmenge Wasserstoff	Nl/min	0,04167	0,08333	0,16667	0,05682	0,02490
Durchflussmenge Sauerstoff	Nl/min	0,16667	0,20833	0,25000	0,18668	0,22410
Durchflussmenge Kohlenstoffmonoxid	Nl/min	0,50000	0,66667	0,83333	0,52758	0,78850
Intervall der periodischen Zugabe	min	38,4	24,0	16,0	37,9	21,9
Differenzen nach katalytischer Reaktion	Nl	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000

Die berechneten Werte aus Tabelle 1 werden nun in Bezug auf eine Spalte der Minimalwerte (Min) der Konzentrationen als ein Beispiel beschrieben.
Da die Wasserstoffkonzentration 5 mol ppm ist, beträgt die Durchflussmenge davon 0,04167 Nl/min (= 500 Nm³/h × 5 mol ppm = 0,0025 Nm³/h = 0,04167 Nl/min).
Basierend auf der gleichen Berechnung beträgt die Durchflussmenge von Sauerstoff 0,16667 Nl/min, da dessen Konzentration 20 mol ppm beträgt, und die Durchflussmenge von Kohlenstoffmonoxid beträgt 0,50000 Nl/min, da dessen Konzentration 60 mol ppm beträgt.
Die in Tabelle 1 aufgeführte „Differenz im Argon-Abgas” stellt die Konzentrationen von Gasen dar, die infolge der katalytischen Reaktion im katalytischen Turm verbleiben, wenn kein Gas zugegeben wird. Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid können als Gesamtmenge behandelt werden und müssen nicht unterschieden werden. Die „Differenz im Argon-Abgas” wird durch den folgenden Ausdruck berechnet. Differenz im Argon-Abgas = Wasserstoffkonzentration + Kohlenstoffmonoxidkonzentration – 2x Sauerstoffkonzentration (6)
Im Fall der Minimalwerte der Konzentration, beträgt basierend auf Ausdruck (6) die Differenz im Argon-Abgas 25 mol ppm (= 5 + 60 – 2 × 20).
Darüber hinaus wird das in Tabelle 1 aufgeführte „Intervall der periodischen Zugabe” durch den folgenden Ausdruck berechnet Intervall der periodischen Zugabe = periodische Sauerstoffeinblasmenge {(1/2) × (Durchflussmenge Wasserstoff + Durchflussmenge Kohlenstoffmonoxid) – Durchflussmenge Sauerstoff} (7)
Im Falle der Minimalwerte der Konzentrationen beträgt das Intervall der periodischen Zusage basierend auf Ausdruck (7) 38,4 min (= 4 = ({0,5 × ((0,04167 + 0,50000) – 0,16667}). Durchflussmengen der Verunreinigungen und die Intervalle der periodischen Zugabe in den anderen Fällen lassen sich auf die gleiche Weise berechnen.
In allen in Tabelle 1 aufgeführten Rechenergebnissen ist die Differenz nach der katalytischen Reaktion (eine Gesamtmenge von überschüssigem Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid oder eine Menge von überschüssigem Sauerstoff) Null.

Bei dem Argon-Abgas von sowohl dem in Tabelle 1 aufgeführten Beispiel 1 als auch Beispiel 2 sind die Durchflussmengen der Verunreinigungen, die durch eine Berechnung erhalten wurden, ein tatsächlich gemessenes Intervall der periodischen Zugabe und eine tatsächlich gemessene Differenz nach einer katalytischen Reaktion, wenn die Raffination unter Verwendung der in 5 gezeigten Vorrichtung zur Rückgewinnung und Raffination 10 für ein Argongas gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, in Tabelle 2 aufgeführt. Sauerstoff liegt im Überschuss vor, wenn die Differenz nach der katalytischen Reaktion ein positives Vorzeichen hat, und eine Gesamtmenge Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid liegt im Überschuss vor, wenn diese ein negatives Vorzeichen hat. [Tabelle 2]

	Einheit	Beispiel 1	Beispiel 2
Durchflussmenge Argon-Abgas	Nm³/h	487	498
Wasserstoffkonzentration	Mol ppm	7	3
Sauerstoffkonzentration	Mol ppm	23	27
Kohlenstoffmonoxidkonzentration	Mol ppm	65	95
Differenz im Argon-Abgas	Mol ppm	26	44
Periodische Sauerstoffeinblasmenge	Nl	4,0	4,0
Durchflussmenge Wasserstoff	Nl/min	0,05682	0,02500
Durchflussmenge Sauerstoff	Nl/min	0,18668	0,22500
Durchflussmenge Kohlenstoffmonoxid	Nl/min	0,52758	0,79167
Intervall der periodischen Zugabe	min	36,1	23,2
Differenzen nach katalytischer Reaktion	Nl	0,382	–0,507

Anschließend wurden die Verunreinigungskonzentrationen in dem Argongas nach der Raffination des in den Spalten von Beispiel 1 und Beispiel 2 in Tabelle 2 aufgeführten Argon-Abgases gemessen und die Ergebnisse sind im Folgenden beschrieben.
Verunreinigungskonzentrationen in dem raffinierten Argon-Abgas
Wasserstoff ≤ 1 mol ppm
Sauerstoff ≤ 1 mol ppm
Kohlenstoffmonoxid ≤ 1 mol ppm
Kohlenstoffdioxid ≤ 1 mol ppm
Stickstoff ≤ 2 mol ppm
Auf diese Weise hatte das raffinierte Argongas die Reinheit, die für eine Wiederverwendung in der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen ausreichend ist.
Wie oben beschrieben ist die Vorrichtung zur Rückgewinnung und Raffination eines Argongases und das Verfahren zum Raffinieren eines Argongases gemäß der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass Argongas wiedergewonnen und raffiniert als Ofenatmosphärengas in der Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen (der CZ-Vorrichtung oder der ZS-Vorrichtung) wiederverwendet wird, die Kosten für die Vorrichtung zur Rückgewinnung und Raffination reduziert werden können, die Vorrichtung stabil betrieben werden kann und ein Beitrag zu Energieeinsparungen erreicht werden kann.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsform beschränkt ist. Die Ausführungsform ist ein veranschaulichendes Beispiel und jedes Beispiel, das im Wesentlichen die gleiche Konfiguration aufweist und die gleichen Funktionen und Wirkungen wie das in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschriebene technische Konzept ausübt, ist im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.

Claims

Verfahren zum Raffinieren eines Argongases, bei dem Sauerstoff zu dem mindestens eines von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff als Verunreinigungen enthaltenden Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid unter Verwendung einer katalytischen Reaktion in einem Katalysatorturm in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden, oder bei dem Wasserstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Sauerstoff unter Verwendung einer Katalysatorreaktion in dem Katalysatorturm in Wasser umgewandelt wird, und mindestens eines von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff dadurch aus dem Argongas entfernt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Überwachen von mindestens einem von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff auf einer Ablassseite des Katalysatorturms, und mindestens eines aus Zugeben von Sauerstoff zu dem Argongas auf einer Einlassseite des Katalysatorturms, wenn eines von Wasserstoff und Sauerstoffmonoxid auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, und Zugeben von Wasserstoff zu dem Argongas auf der Einlassseite des Katalysatorturms, wenn Sauerstoff auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, wobei der zuzugebende Sauerstoff oder Wasserstoff in Bezug auf eine kontinuierliche Zuführung von Argongas zu dem Katalysatorturm periodisch zu dem Katalysatorturm gegeben werden, und wodurch mindestens eines von in dem Argongas enthaltenen Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff entfernt wird.
Verfahren zum Raffinieren eines Argongases nach Anspruch 1, wobei das Verfahren auf einer Abströmseite des Katalysatorturms keinen der Schritte des Entfernens von aufgrund der katalytischen Reaktion im Überschuss vorhandenem Sauerstoff durch eine Oxidationsreaktion mit Metall, und des Entfernens von aufgrund der katalytischen Reaktion im Überschuss vorhandenem Wasserstoff durch eine Reduktionsreaktion mit einem Metall umfasst.
Verfahren zum Raffinieren eines Argongases nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Gesamtmenge des in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenen Wasserstoffs und Kohlenstoffmonoxids mit einer Menge des in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenen Sauerstoffs verglichen wird, und wenn die Gesamtmenge von Wasserstoff und Sauerstoffmonoxid das Doppelte der Menge von Sauerstoff in Bezug auf ein Moläquivalent-Verhältnis übersteigt, das hinzuzugebende Gas Sauerstoff ist, und wenn das Gleiche weniger als das Doppelte beträgt, das hinzuzugebende Gas Wasserstoff ist.
Verfahren zum Raffinieren eines Argongases nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zu raffinierende Argongas vorzugsweise ein Argon-Abgas ist, das aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen abgelassen wird.
Verfahren zum Raffinieren eines Argongases nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Menge Sauerstoff oder Wasserstoff, die periodisch zugegeben wird, an eine stöchiometrische Menge von Sauerstoff oder Wasserstoff angeglichen wird, die aufgrund der katalytischen Reaktion während eines Zeitraums, in dem kein Sauerstoff und Wasserstoff zugegeben werden, unzureichend ist.
Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas, das mindestens eines von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff als Verunreinigungen enthält, umfassend: mindestens eines aus einem Katalysatorturm, in dem Sauerstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid unter Verwendung einer katalytischen Reaktion in Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden, und einem Katalysatorturm, in dem Wasserstoff zu dem Argongas gegeben wird, sodass in dem Argongas enthaltener Sauerstoff unter Verwendung einer katalytischen Reaktion in Wasser umgewandelt wird, Nachweismittel zum Überwachen von mindestens einem von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff auf einer Ablassseite des Katalysatorturms, und mindestens eines aus Sauerstoffzugabemitteln zum Zugeben von Sauerstoff zu dem Argongas auf einer Einlassseite des Katalysatorturms, wenn eines von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid an der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, und Wasserstoffzugabemitteln zum Zugeben von Wasserstoff zu dem Argongas auf der Einlassseite des Katalysatorturms, wenn Sauerstoff auf der Ablassseite des Katalysatorturms nachgewiesen wird, wobei die Sauerstoffzugabemittel und die Wasserstoffzugabemittel bezogen auf die kontinuierliche Zuführung von Argongas zu dem Katalysatorturm periodisch Sauerstoff oder Wasserstoff zugeben.
Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung hinter dem Katalysatorturm keines aus einem Metallturm, in dem aufgrund der katalytischen Reaktion im Überschuss vorhandener Sauerstoff durch eine Oxidationsreaktion mit Metall entfernt wird, und einem Metallturm, in dem aufgrund der katalytischen Reaktion im Überschuss vorhandener Wasserstoff durch eine Reduktionsreaktion mit einem Metall entfernt wird.
Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Gesamtmenge des in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenen Wasserstoffs und Kohlenstoffmonoxids mit einer Menge des in dem zu raffinierenden Argongas enthaltenen Sauerstoffs verglichen wird, und wenn die Gesamtmenge von Wasserstoff und Sauerstoffmonoxid das Doppelte der Menge von Sauerstoff in Bezug auf ein Moläquivalent-Verhältnis übersteigt, Sauerstoff zugegeben wird, und wenn das Gleiche weniger als das Doppelte beträgt, Wasserstoff zugegeben wird.
Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das zu raffinierende Argongas vorzugsweise ein Argon-Abgas ist, das aus einer Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumeinkristallen abgelassen wird.
Rückgewinnungs- und Raffinationsvorrichtung für ein Argongas nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei eine Menge Sauerstoff oder Wasserstoff, die periodisch zugegeben wird, an eine stöchiometrische Menge von Sauerstoff oder Wasserstoff angeglichen wird, die aufgrund der katalytischen Reaktion während eines Zeitraums, in dem kein Sauerstoff und Wasserstoff zugegeben werden, unzureichend ist.