>>> Анализ динамики мирового рынка чистых и технических газов с 2009 г. по настоящее время характеризуется наличием стабильного положительного роста как физического, так и стоимостного объема выпускаемой продукции. Данные маркетинговых исследований свидетельствуют о том, что по состоянию на 2015 г. стоимостной объем продукции мирового рынка газов был равен ~ $81,3 млрд., при этом годовой темп роста оставался на уровне 4 ÷ 5%. В перспективе до 2020г. ожидается сохранение положительной динамики и превышение стоимостного объема $90 млрд.

Описанный рост обусловлен рядом объективных факторов, в числе которых – увеличение доли высокотехнологичных производств и, как следствие, рост абсолютного числа потребителей чистых и технических газов. Указанное обстоятельство характерно и для российского сектора производства продуктов разделения воздуха в связи с процессом создания новых высокотехнологичных производств и массовой модернизацией физически и морально устаревшего оборудования производственных линий существующих промышленных предприятий.

Принципиально особо чистые газы отличаются от технических газов меньшим на два – три порядка количеством примесей. Посторонние компоненты являются следами технологического процесса производства, которое осуществляется, как правило, в воздухоразделительных установках, а также могут вноситься в газ при передавливании и транспортировке.

Газы различной чистоты используются для реализации промышленных и лабораторных технологических процессов, а именно: для создания сред требуемого химического состава (окислительных, восстановительных, нейтральных); в качестве реагентов экзо- и эндотермических химических реакций; в системах газопламенной реактивной резки; при выплавке сталей; для термической подготовки образцов; для термостатирования и решения ряда других задач.

Среди основных потребителей чистых газов можно выделить:

• металлургию;
• химическую промышленность;
• энергетику;
• машиностроение;
• пищевую промышленность;
• микроэлектронику и полупроводники;
• медицину и фармацевтику.

Из приведенного выше перечня отраслей промышленности к настоящему моменту наивысшими темпами роста, составляющими от 15% до 25%, характеризуется микроэлектроника.

Одними из базовых процессов технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем являются пайка и эпитаксия (выращивание кристаллов). Для обоих процессов химическая чистота газа имеет определяющее значение.

При газофазной эпитаксии осаждение эпитаксиальных слоев полупроводников осуществляется из паро-газовой среды, носителем реагентов выступает собственно газ, конвекция и диффузия являются основными механизмами транспорта реагентов. При этом химический состав несущей и рабочей среды оказывает прямое влияние на качество выращиваемых кристаллов, выход готовой продукции и экономику производства в целом.

В системах пайки газовая смесь специального состава, создаваемая в рабочей области установки, должна обеспечивать активацию площадки и отсутствие окислений на спаиваемых поверхностях. В зависимости от типа пайки среда может быть инертной или иметь восстановительный потенциал. При этом в качестве рабочего газа могут использоваться: азот; аргон; смесь: 95% азота + 5% водорода; водород. Для исключения процессов окисления и/или интенсификации восстановительной способности перечисленные газы должны быть очищены от кислорода, углекислого и угарного газов, паров воды. Например, при пайке нержавеющей стали 12Х18Н9Т в водороде при температурах выше 1200°С точка росы газа должна быть - 70°С и ниже.

Резюмируя приведенные выше обстоятельства, можно заключить, что современная практика использования газов в химической промышленности, микроэлектронике и других отраслях имеет тенденцию к повышению чистоты газа, обуславливающую качество выходного продукта.

Промышленные способы очистки газов от паро- и газообразных примесей можно разделить на три группы:

1. абсорбция жидкостями;
2. адсорбция твердыми поглотителями;
3. каталитическая очистка.

В зависимости от физико-химических свойств компонентов, типа удаляемых примесей, степени загрязнённости потока и требуемой глубины очистки используют один из вышеперечисленных методов.

Необходимо отметить, что в случаях, когда необходима глубокая очистка потока от комплекса паро- и газообразных примесей, наибольшее распространение получили методы адсорбционной и каталитической очистки в различных фактических исполнениях. Использование систем на основе указанных методов обусловлено их гибкостью, широким диапазоном производительности, а также оптимальным сочетанием таких факторов, как габариты, масса, безопасность и удобство эксплуатации.

Физику процесса адсорбции можно охарактеризовать следующим образом.

Твердые адсорбенты имеют пористую структуру с размером пор от 0,5 до 200 нм и выше. В наиболее распространенных промышленных адсорбентах, таких как синтетические цеолиты (молекулярные сита - МС), размеры микропор составляют величину от 0,5 до 1,5 нм и соизмеримы с размерами промежутков между порами, образованными веществом адсорбента. Это приводит к тому, что все атомы и молекулы вещества адсорбента находятся во взаимодействии с молекулами поглощенных примесей в микропорах. Таким образом, адсорбция в микропорах сводится к заполнению пространства последних адсорбируемыми молекулами. Более крупные поры размером до 200 нм являются каналами, по которым осуществляется подвод вещества к микропорам.

После насыщения адсорбента стадия адсорбции прекращается и молекулярное сито должно быть подвергнуто регенерации – десорбции. Процесс десорбции включает в себя следующие этапы:

• отрыв молекул примесей от активных центров поверхности адсорбента;
• диффузия молекул в первичной пористой структуре;
• диффузия во вторичных порах;
• испарение с наружной поверхности гранул;
• удаление примеси из газовой фазы.

Эффективность процесса десорбции возрастает с повышением температуры газа до 220 ÷ 250°С, при этом перегрев молекулярного сита выше указанной температуры может приводить к разрушению его структуры, в то же время слишком низкая температура газа обуславливает неполную десорбцию примесей из пор и, как следствие, падение адсорбционной емкости.

Описанным способом осуществляется удаление из потока таких газообразных примесей как Н₂О, СО₂.

При организации процессов очистки газа от окислителей: кислорода, оксида углерода и других подобных примесей, часто используют явление, называемое хемосорбцией, – поглощение вещества поверхностью специально подобранного катализатора (хемосорбента) в результате образования химической связи между молекулами удаляемой примеси и хемосорбента. Данный метод, как правило, используется в случае, если концентрация удаляемых примесей в очищаемом потоке не превышает 300 ÷ 500 ppm. При более высоких содержаниях применяют каталитическую или комбинированную очистку.

Хемосорбцию можно рассматривать как химическую реакцию, область протекания которой ограничена поверхностным слоем. В ряде случаев на одной поверхности может протекать одновременно и физическая, и химическая адсорбция, при этом хемосорбент поглощает не любые молекулы, а только те, которые вступают в реакцию с атомами поверхности.

В промышленных и лабораторных установках при реализации описанного механизма широкое распространение получили катализаторы на медной, железной и никелевой основе. Часто применяют смесевые катализаторы. Очистку потока в этом случае можно описать гетерогенной химической реакцией вида:

2 Mе + O₂ → 2MеO

Mе + CO → Mе(CO)

Для регенерации свойств катализатора последний продувается восстановительным газом, при этом реализуется гетерогенная экзотермическая реакция вида:

МеO + H2 →Ме + H₂O

Ме (CO) + 3 H₂ →CH₄ + H₂O+ Ме

На основе описанных выше физических принципов компанией Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) разработаны и серийно изготавливаются установки различной производительности для глубокой очистки таких газов, как азот, аргон и водород, криптон, ксенон, неон, гелий.

В основу установок положена схема с двумя попеременно работающими реакторами, позволяющая обеспечить непрерывную подачу очищенного газа потребителю в течение необходимого по технологическому процессу времени. С целью организации комплексной очистки от указанных выше примесей катализатор и молекулярное сито засыпаны в реактор слоями.

Работу установки очистки можно описать следующим образом:

Сжатый газ поступает в один из попеременно работающих реакторов. В реакторе газ очищается от кислорода на катализаторе, проходит контрольную очистку от влаги на сорбенте. Очищенный и осушенный газ проходит через трубопровод с фильтром финишной очистки и подается потребителю.

Другой реактор в это время находится на стадии регенерации, которая осуществляется регенерирующим газом – смесью очищенного потока и водорода - противотоком течению очищаемого газа. Водород добавляется в поток для проведения химической реакции восстановления оксида активного металла - хемосорбента.

В регенерируемом реакторе водородная смесь нагревается до температуры ~ 230 ºС и после регенерации сбрасывается в атмосферу. В процессе нагрева ведется постоянный контроль температур регенерирующего газа на входе в реактор и выходе из него. Вследствие того, что реакция восстановления катализатора является экзотермической, температура в реакторе растет и может достигнуть предельных значений GW 22 ТЕМА НОМЕРА / РЕДКИЕ ГАЗЫ (280ºС), что приведет к потере требуемых химических свойств катализатора. Поддерживание заданного значения температур в насыпном слое достигается плавным регулированием мощности электронагревателя.

По завершении процесса восстановления происходит планомерное снижение влажности регенерирующего газа на выходе из реактора, высокотемпературный регенерирующий газ продолжает поступать в реактор в течение заданного времени для полного удаления влаги. После завершения этапа осушки слоев катализатора и адсорбента электронагреватель отключается, осушенный и очищенный газ подается в реактор для охлаждения катализатора и адсорбента до рабочей температуры.

По окончании этапа охлаждения активного слоя осуществляется набор давления до рабочего значения процесса очистки, реактор переходит в режим ожидания.

После истечения времени защитного действия отработанный реактор ставится на регенерацию, восстановленный - включается в режим очистки и осушки. Предварительно в отработанном реакторе понижают давление.

Установки тонкой очистки газов производства MV&F являются сложной наукоемкой продукцией, требующей комплексного подхода к процессу проектирования и производства.

Расчет рабочих процессов, протекающих в газодинамических трактах установок, ведется по апробированным авторским методикам. Оптимизация конструкции и компоновочных схем выполняется с использованием программ трехмерного моделирования.

Использование описанного подхода позволяет получить изделие с оптимальными техническими, массогабаритными и эксплуатационными характерис-тиками в минимальные сроки.

Установка тонкой очистки производства MV&F средней или малой производительности смонтирована в шкафу и состоит из реакторов, нагревательных элементов, запорно-регулирующей арматуры, преобразователей давления, температуры, влажности исходного и очищенного потоков. Оборудование и трубопроводы имеют тепловую изоляцию.

Установки очистки MV&F оснащаются контроллером для управления технологическим процессом. Мониторинг параметров процесса осуществляется с помощью цветной сенсорной панели оператора с возможностью удаленного управления и передачи информации по различным протоколам связи. Оборудование изготовлено в общепромышленном исполнении.

Автоматический режим является основным режимом работы установки. Это означает, что переключение на следующий шаг происходит автоматически без ожидания разрешения оператора, как только необходимое условие для перехода к следующему шагу достигнуто. Описанная особенность позволяет эксплуатировать установки MV&F по «безлюдному» принципу без вмешательства эксплуатационного персонала.

Особое внимание уделяется вопросам безопасности при работе с водородом. Специально разработанные защиты и блокировки, встроенные в установки очистки, обеспечивают автоматическое отключение подачи водорода и выключение электронагревателей в случае обнаружения малейших утечек водорода.

Использование средств автоматизированного проектирования, унификация узлов и подсистем, применение современного производственного оборудования, оптимальная организация и планирование производственных процессов позволили сократить среднее время изготовления, накладные расходы на единицу продукции и выйти на реализацию полного цикла производства и заводских испытаний партий из 4-5 изделий, а также предложить покупателям конкурентные цены.

Установки тонкой очистки газов производства MV&F проходят полный комплекс заводских испытаний на подтверждение температуры точки росы и содержания примесей в выходном потоке в пределах, установленных техническим заданием. Продукция соответствует техническим регламентам ТР ТС 032/2013, ТР ТС 010/2011, ТР ТС 004/2011, ТР ТС 020/2011.

Если создается или модернизируется микроэлектронное производство, идет работа с редкими газами или проводятся научные исследования, специалисты компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) подскажут самые эффективные решения и окажут помощь и поддержку как конечным потребителям чистых газов, так и газовым компаниям, проектным и монтажным организациям.

>>>
OOO «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)