氮氣產生機和深冷製氮系統那一種氮氣比較純 - 社會議題

By Isabella
at 2007-06-27T00:00

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請問市面上氮氣產生機產生出來的氮氣到底純不純,他的氣體成份有哪些,未何不用無油式空壓機?
那深冷製氮到底是什們?純不純

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By Selena
at 2007-06-27T23:44

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。
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 ( 進料 )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。
2007-07-05 11:51:18 補充：
2、低溫空氣分離製程
O2與N2之沸點不同，利用低溫將空氣液化後，以蒸餾塔予以精餾提純。程序如下：
 1. 空氣壓縮及預冷 5 - 8℃。
 2. 純化去除THC、CO2及乾燥以防於管路中結凍堵塞。(低溫吸附)
 3. 降溫至約 -176℃ 液化空氣。
 4. 蒸餾塔提純
特點：無須冷凍機、利用氣體加速膨脹冷卻製冷及液化空氣之冷源。
 其生產一份氮氣所需之空氣量低於 3 份 ( 亦即氮氣與空氣比 < 1 : 3 )，故深冷製氮所需之動力比 PSA 製氮機小很多；其操作成本至少比 PSA 製氮機少 50% 以上。
2007-07-05 11:52:37 補充：
其深冷製氮製程流程如下：
　　4.1　過濾、壓縮、預冷及淨化
　　原料工藝空氣經吸入口吸入，進入空氣篩檢程式，濾去塵埃和機械雜質，進入空氣壓縮機進行壓縮，壓縮並經後冷器冷卻後的氣體進入組合式空氣預冷系統，在其中被冷卻至5～8℃。
　　出空氣預冷系統的工藝空氣進入用來吸附除去水份、二氧化碳的空氣純化系統，純化系統中的吸附器由兩台立式容器組成；兩台吸附容器採用內絕熱雙層床結構，當一台運行時，另一台則由來自冷箱中的汙氮通過加熱器加熱後進行再生。
2007-07-05 11:53:46 補充：
4.2　液體空氣精餾
從純化系統來的潔淨工藝空氣進入冷箱內的主換熱器，在其中被返流汙氮和氮氣冷卻至液化點。達到液化點的工藝空氣經節流後進分餾塔。在分餾塔中，上升氣體與下流液體充分接觸，傳熱傳質後，在其頂部得到高純氮氣，而在其底部得到富氧液空。一部分純氮進入分餾塔頂部的主冷凝蒸發器被冷凝，在氣氮冷凝的同時，主冷凝蒸發器中的富氧液空得到汽化。液氮一部分作為分餾塔的回流液，一部分可以作為產品通過液氮罐輸出冷箱外。
2007-07-05 11:54:16 補充：
在分餾塔中產生的富氧液空，經節流後進入分餾塔頂部的主冷凝蒸發器，作為分餾塔氮氣液化的冷源。富氧液空汽化後產生的汙氮經主換熱器被正流空氣加熱至一定溫度後，進入到透平膨脹機中膨脹製冷，以維持裝置冷量平衡。膨脹後的汙氮進主換熱器被正流空氣複熱到常溫，作為純化器的再生氣源。
在分餾塔頂部得到的另一部分高純氮氣，經主換熱器複熱後出冷箱，作為產品供用戶使用。
2007-07-05 11:54:51 補充：
4.3 深冷製氮系統 – 高純度、高可靠度；自動化設計、遠端監控
三、結論
若製程系統使用氮氣量低於 200 Nm3/hr 且 N2 純度 < 99.9 %，使用 PSA 製氮機產氮，對系統而言有其便利及降低成本之優點。
然而，當製程所需氮氣純度 ( 請注意我們在此所提為氮氣純度而不只含氧量 ) 99.9 % 以上時，為了製程高良率及高可靠性，建議使用液氮或深冷製氮製程是最符合成本效益。
2007-07-05 12:01:37 補充：
參考資料：
在此非常感謝台灣流力機械有限公司之不吝指教。若須更詳細之資料，請參考台灣流力機械有限公司網站：
http://www.pneumtech.com.tw/

By Candice
at 2007-06-30T10:17

部分覺觀念有誤修正，可能對PSA了解有限。
1.PSA製氮機價格遠低於深冷製氮，深冷製氮至少1500M3/H以上
用量才符合經濟效益，而此種用戶只有TFT、半導體等。
2.PSA可用微油式空壓機，前過濾約只需每年(8000H/年)更換，PSA若不計算設備回收，只計算電費與空壓機保養、PSA保養費則每1立方氮氣機約只需台幣0.8~1.2元(100PPM時)，電價每度2元時。
3.設備回收則若租用LN2(液氮) NT 4.0/Kg時，都可在2~3年內回收，氮氣純度則已可達到10PPM(99.999%)。
4.PSA所需空壓機氣源，其氮氣產氣效能約5~7比1。
以上為評估過之資料。

By Irma
at 2007-06-27T21:17

目前全世界氮氣產生機產氮標準值是99.99%的純度,已這個產氮純度的表準已足可應付非常多的產業使用,他是利用空壓機把氣體打入碳分子篩,利用空壓機的氣體壓力把氧氣吸負住,取出氮氣已備使用,再把不要的其他氣體排出,他的氣體成份到這裡已經可以說只剩下純氮氣跟一些水份了.
氮氣產生機氣動員來自空壓機,可以使用無油式的空壓機阿,小果反而會更好,只不過,一般廠加投資氮氣產生機是為了要節省購買液態氮的消耗成本,微油式空壓機也是可以使用,而且價格比無油式便宜許多,為什麼要多花錢去使用無油式的呢?
深冷製氮:
此過程叫做分餾,原料一樣是空氣,他的原理是把空氣降溫,利用各種氣體的凝固點不同,分餾出各種氣體的液態,比如氮氣的凝固點-196度c,空氣降到這個溫度,凝固的液體即是液態氮,他的氮氣純度可高達99.99995%,這個純度已經是非常的高了,而且非常乾燥,是一般氮氣產生機無法達到的.
2007-07-03 08:26:50 補充：
再次回顧才發覺我的第二段錯字這麼多:
氮氣產生機動"源"來自空壓機,可以使用無油式的空壓機阿,"效"果反而更好,只不過,一般廠"家"投資氮氣產生機是為了節省購買液態氮的消耗成本,微油式空壓機也是可以使用,而且價格比無油式便宜許多,為什麼還要多花錢去購買無油式的呢?

By Daniel
at 2007-07-01T09:46

現代氮氣製造雖有這兩大類極大之分野，但其製程亦伴隨時代之變遷而逐漸融合這兩大類生產極為特殊之製程特性。傳統低溫製程為大量且高純度（6N），需求人力多，價格高之冷凍空氣分離。而最近三十年來發展的非低溫製程為小量、低純度（4N-5N）、即時自動無人化、價格低之吸附方式來純化氮氣製造。傳統低溫製程雖有小型化、現場化、無人化、自動化、按鈕式之發展，而非低溫製程則有大量化、高純度化之演進。
非低溫製程：
PSA：其使用之原理是先將原料空氣壓縮除水後，再利用分子篩或
活性碳等之壓力吸附方式除去水份、二氧化碳、氧氣等。然後再用減壓方式再生分子篩等之吸附功能之簡易製程。此為現場裝置式，為能源損耗最小模式。非低溫製程（PSA）其純度可由99%提升99.999%，單機流量則由1NM3/Hr，到200NM3/Hr為大宗，其用途廣泛，比起傳統低溫製程耗用能源小，即時等優點。故急速在氣體領域中異軍突起。因PSA製程能以流量控制N2產出濃度，於各行業的結合更優能源耗損也越趨減少。
PS:一般來說PSA吸附式氮氣機的主要動力源來自空壓機，廠商能使用無油空壓機供給氣源當然最優，但是無油空壓機的使用壽命比微油短很多，售價又高快一倍，這是很大的因素喔。

氮氣產生機和深冷製氮系統那一種氮氣比較純 - 社會議題

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