【如何決定氮氣的純度】

如何決定氮氣的純度

【 不景氣時代 - 鼓勵以修代買 0910201992 小鄭 】

無論是在化工、電子或半導體及光電等製程中，由於氧活性很強會與系統之物質產生反應形成非期望之氧化物，影響產品之良率，造成產線嚴重之損失。因之在一些精密產業之製程中需要以非常高純度之氮氣予以氮封，使系統在一無氧之環境作業。在論及製氮製程之前，在此先簡述 O2 及 N2 之物性；及 O2 對製程產品之氧化反應機構。

一、O2 及 N2 之物性 & 氧化反應機構

1、O2 及 N2 之物性

• N2 為三鍵之雙原子分子，其鍵結層中有一內層之自由電子對球狀 (S)軌域，而其三鍵分別由3個啞鈴型 (P) 軌域形成共價鍵及π鍵；因其自由電子對電子雲密度對此三鍵結電子雲之排斥力小，故此三鍵之鍵結力極強而說明了N2 化學穩定性。

•聽到「氧氣有毒」相信大家都嚇一跳吧？但這是千真萬確的事實。

•O2 為雙鍵之雙原子分子，其鍵結層中除一內層之自由電子對球狀 (S)軌域外，另有一啞鈴型(P軌域)之自由電子對，此P自由電子對將會對其參予鍵結之另2個 P軌域電子雲產生排斥；導致此雙鍵之鍵結力弱，因而說明了O2 化學穩定性極為不穩定。

2、O2 & H2O 在物質表面之氧化反應

1. 物質表面之氧化或腐蝕均屬電化學反應

2. 在含有溶氧之中性水溶液中物質表面之腐蝕反應式，( 以鐵之腐蝕反應做說明 )：

2Fe ---> 2Fe 2 4e 氧化

O2 2H2O 4e ---> 4 OH- 還原

4OH- 2Fe 2 ---> 2Fe(OH)2

3. 在乾燥之有氧環境的物質表面氧化反應：

M ---> M 2 2e 陽極

½ O2 2e ---> O-2 陰極

M ½ O2 ---> MO

•潔淨物質表面與化學吸附陰離子之介面反應不需要活化能，故其速度極快。在 -195℃ 氧便能在鉬表面形成一單一分子層，在鐵表面形成多層氧化物。

•在半導體及晶體結晶格中均有其缺陷，且物質表面凹凸並無真正之平面因而導致電性缺陷，由於此電性缺陷加速界面反應之進行。

3、充氮無氧作業環境

 1. 填充氮氣主要目的為排除氧氣與水氣，這兩個因素會與晶圓產生化學反應，在晶圓表面生成氧化物，降低製程良率。

 2. 在高流量（＞18 L/min）之下，使用導流管情況之效果明顯地優於不使用導流管；另外在進氣口方面，使用單一進氣口，可產生單純的流場，使FOUP內部會有均勻的氮氣濃度分佈，其有利於驅除空氣效果，若配置多個出氣口，更可以加快其填充速度。

 3. 在一L*W*H=6*1*1空間，N2 purge流量 3Nm3/hr 條件下，其空間殘氧量可降到50~10ppm 以下。

 4. 飛利浦“製造技術中心”在實驗對氮氣爐的研究中發現既使殘氧降到 10 ppm 以下之高濃度N2環境，在焊錫表面仍發生氧化現象。

2007-07-05 11:20:46 補充

二、氮氣生產製程

早期氮氣之生產均以深冷製程利用低溫先將空氣液化後於精餾塔中利用空氣中氮、氧、氬沸點之不同將其各成分予以分餾純化，生產至少 5N ( 99.999% ) 以上之高純度液氮或氣氮。近來此深冷製氮製程技術已非常成熟，整個系統操作已邁向全自動化，且操作簡易穩定。

近期由於分子篩量產之普遍化及品質之增進，以及 PSA 、TSA、VPSA等製程均已發展至非常成熟之階段；因此對於一些氮氣使用量少 (200 Nm3/hr 以下氮氣用量 )且不需高純度氮氣之製程已逐漸改為以 PSA 製程來製作氣氮。( PSA 製程原理將於後詳述 )

2007-07-05 11:25:32 補充

PSA 製程空氣分離生產氣氮，係利用氧分子之體積較氮分子小，氧分子比氮分子容易進入分子篩孔徑內，因之而將氮氧予以分離。然而由於在分離過程中，氧分子進入分子篩孔徑之時，同時會有大量之氮分子進入分子篩孔徑內，而消耗大量之氮；因之，生產一份之氮氣需大量之空氣，是故，其空氣壓縮機縮需之動力較深冷製氮系統大很多，非常耗電。以 生產 100 ppm 含氧量之氮氣而言，其所需之動力約為深冷製氮之 2.6 ~ 2.9 倍。且其購置成本亦不比深冷製氮製程低。整体而言，其操作成本較深冷製氮製程高很多。

2007-07-05 11:29:12 補充

因為在吸附過程中，唯恐氮分子深度進入分子篩孔徑內而不易脫附再生，故其吸附時間很短 ( 約一分鐘 )；由於兩個吸附塔互相切換之時間極短，且在切換過程中期但器純度將受影響，因此其生產之氮氣純度極不穩定。

因為，PSA吸附塔進氣之壓縮空氣中的水分會嚴重影響其空氣分離之效率，因之製氮之 PSA 系統均以具有斥水性之碳分子篩來作為分離用之吸附劑。如果製氮吸附塔前僅設置冷凍吸附式乾燥機，則其生產氮氣之壓力露點將 > -40℃ 以上。

2007-07-05 11:31:57 補充

使用時間越久，其露點將隨之越高。目前PSA 製氮機系統配置時為了節省設備購置成本，提高業主購置 PSA 製氮機之意願，往往未於 PSA 製氮機前設置吸附式乾燥機，因此其生產之氮氣之露點高，亦即其氮氣之水氣含量高 ( 可高達 100 ~ 500 ppm 以上 )，且此含高水氣含量 ( 4000 ppm 以上 ) 之壓縮空氣長期進入 PSA 製氮機內，將會嚴重影響吸附劑之吸附效率及使用壽命，

2007-07-05 11:32:37 補充

而且其同時會使得 PSA 製氮機前之活性碳槽吸附碳氫化合物之效率大大降低 ( 因油氣分子在質傳擴散進入活性碳活化孔隙時將有大量之水氣分子與其競爭而阻礙油氣分子進入活性碳孔洞內之機率 )。如此作法對業主不甚公平。

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li>2007-07-05 11:34:44 補充

由於碳分子篩會吸附壓縮空氣中之碳氫化合物而嚴重影響其使用壽命；一般 PSA 系統其分子篩之使用壽命均超過 10 年以上，為使分子篩不受壓縮過程之潤滑油所污染而中毒，在此建議使用絕對無油之壓縮機；如果使用微油式壓縮機，則其需有非常完善之過濾系統，否則在 PSA 吸附塔前端之活性碳塔將因大量吸附壓縮空氣內油氣而提早飽和，一般廠商配置之活性碳槽壽命將縮短至約一個月就需更換，若不及時更換， PSA 之吸附劑壽命將嚴重縮短。

2007-07-05 11:37:34 補充

1、PSA 製氮

A、何謂分子篩？

分子篩 ( 俗稱沸石 zeolite ) 屬酸性觸媒，為以矽鋁為擔體之鹼金屬結晶物 ( Mx/n﹝(AlO2)x(SiO2)y﹞*zH2O )，加熱後，結晶水被移去，留下了空洞體積約佔50%的多孔性結構晶體，此種多孔性結構晶體能夠藉著孔徑的不同，選擇性的移去某種特定的物質。

分子篩晶體上之孔徑的大小係由晶體上所存在之鹼金屬陽離子所決定，並且它的性質隨著結經構造中陽離子和不存物的不同而有差異。

2007-07-05 11:39:28 補充

分子篩A Type ( 吸附劑 ADS-14 屬之 )及X Type ( 13X屬之) 之晶體結構及化學結構模型如下所示：

圖1、13X 化學結構 A TYPE 晶體結構 X TYPE 晶體結構

分子篩 (5A or ADS-14 ) 其實驗式為 4CaO‧Al2O3‧4SO2，其晶體上之陽離子為Ca+2；而13X分子篩晶體上之陽離子為Na+；故此類分子篩均具有極強之正電性。該分子篩對帶陰電性之化合物如氧、氮、硫、氯等之化合物、羰基化合物及水等具有極強之吸附力，而吸附在孔隙之表面或內部上，致使孔隙之選擇性喪失而產生中毒現象。

2007-07-05 11:41:03 補充

吸附劑之吸附、脫附作用主要均在固體微粒內部孔隙進行，則從外表面傳送質量及能量到內部之阻力對於其吸附、脫附之速率有很大之影響。

在吸附分離製程中，主要是應用A和X型分子篩，於表一中就其特性予以分析。

就其X型分子篩而言，其孔洞較A型分子篩為大，對許多分子而言，有較多之選擇性，且其吸附能力、吸附速率亦較A 型為大些。故X型分子篩廣泛用於各種氣體、液體之脫水、脫硫及雜質等之吸附純化。

2007-07-05 11:42:33 補充

而A型分子篩可分為3A ( K型 )、 4A ( Na型 )、5A ( Ca型 )三種，因其孔洞小各有差異且一致性，因此具有極佳之選擇性，常使用於混合成份之分離純化。

2007-07-05 11:43:16 補充

吸附劑 &分子篩

•分子篩主要以 4 種型態存在。

•此 4 種型態分別為 3A、4A、5A及13X，不論哪一種均對極性之水分子吸附力極強。

•► 3A ：主要用於不飽和碳氫化合物脫水製程之分子篩吸附劑。

•► 4A ：主要用於密閉氣體或液體乾燥系統靜態脫水之分子篩吸附劑。

•► 5A ：主要用於自碳氫化合物中分離正烷烴之分子篩吸附劑。

•► 13X ：用於氣體之乾燥、空分廠進料之純化及乾燥、液體碳氫化合物及天然氣之除 (極性分子 )雜質。

•N2 PSA用之碳分子篩係由以上加碳衍生而來主要為抗水性。

2007-07-05 11:44:37 補充

B、 PSA N2 氣體純度

• PSA 出口氮氣之含水量決定於其前端之進氣處理。而其含水量對氮氣純度影響極大。

–PSA 進氣僅由冷凍式乾燥機處理，則 PSA 大氣露點 > -40℃ ( 其一般使用一段時間後，其露點將 > -20℃ 以上 )。

–PSA 進氣由吸附式乾燥機處理，則 PSA 大氣露點約Min. -70℃ 以下。

•PSA 對於Ar 、CO2、CO 等氣之分離不盡理想。故出口仍有少量此種氣體存在。

2007-07-05 11:45:08 補充

•故，針對 PSA 氮氣產生機而言，以 O2 含量表示 N2 之純度，並不恰當，其差異太大。

•若 N2 純度需 99.99%，則對於 PSA N2產生機，其出口含氧量最多不可高於 50 ppm ，大氣露點不可高於 -60 ℃。

2007-07-05 11:46:51 補充

C、PSA 變壓吸附程序

在PSA氣體分離製程中，其主要之分離機構的心臟為分子篩之吸附塔。該吸附塔在每一操作循環中，包括有四個基本操作機構：

加壓 --- 增加欲分離純化之氣體流 ( 進#不景氣時代鼓勵以修代買 #洽0910201992 小鄭 )中欲被吸附成份分子之濃度( 分壓 ) 。吸附塔內之壓力由Pl升至Ph。

吸附 --- 保持高壓氣體之進料及吸附塔內之壓力，分子篩進行吸附作用，直至分子篩達飽和為止。在此過程中，被分離之高純度氣體由另一端送出。

2007-07-05 11:48:51 補充

降壓 --- 停止進料降壓過程中，吸附塔殘留之高壓氣體以逆於加壓時之方向排出吸附塔，使壓力由Ph降至Pl。

脫附 --- 系統降壓後，以一部份被分離成份之高純度氣體來持續沖洗( purge ) 吸附床，將殘流之脫附氣體成份排出，以保持脫附氣體成份在系統內之低濃度，以使得分子篩進行脫附再生。

在上圖中，兩個吸附塔內充滿碳分子篩，並以 7 kg/cm²G 之壓縮空氣交替自吸附塔底部進料。空氣成份中之氧氣、二氧化碳、及水汽等均會被吸附劑所吸附

2007-07-05 11:49:36 補充

當吸附塔Ａ正進行生產N2 程序時，塔Ｂ之吸附床會降壓至大氣壓，並由頂部導入部份純N2 氣體在大氣壓之條件下進行脫附再生製程。分子篩內之O2、CO2、水汽等將被脫附除去。當塔Ｂ完成再生且塔Ｂ達飽和時，塔Ｂ由頂部自塔Ａ導進N2 建壓，其與塔Ａ達壓力平衡後，即改由塔Ｂ底部進料生產氮氣，塔Ｂ則進行再生循環。如此，空氣將經由循環交替操作此二吸附塔經由加壓---降壓之條件變化來生產N2 氮氣。

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