Hoe werkt een purifier?
4 typen van chemische zuivering van gassen uitgelegd
De behoefte aan schonere gassen neemt toe. Niet alleen semiconductor industrie, maar ook in de farmacie, waterstofeconomie en in research. Voor een maximale betrouwbaarheid van de uitkomst van een proces zijn schone gassen essentieel. Vaak worden gassen als CDA ( Clean Dry Air), CO2 en waterstof gezuiverd tot een aanzienlijk verhoogde downstream kwaliteit. Het gas bevat uiteindelijk nog maar heel weinig vervuiling < 0,1 ppb ( parts per billion) en heeft een zuivere kwaliteit van 99,9999999% (9N).
In het maken van schoon gas worden filters en purifiers gebruikt. De 4 meest gebruikte technologien daarvoor leggen we hier uit.
Technologie van purifiers
In dit artikel proberen we engineers te helpen bij het maken van keuzes in het ontwerp door de 4 verschillende purifier methoden uit te leggen. Deze zijn:
- Getter
- Reactive catalyst
- Catalytic
- Adsorber
1. Getter type purifiers
Onomkeerbare reactie met zirkonium
Purifiers van het getter type gebruiken zirkonium legeringen om gassen te zuiveren. Zirkonium legeringen zijn hoog reactief met een groot aantal gassen die vaak een verontreiniging vormen, zoals:
- CO, koolstofmonoxide
- CO2, koolstofdioxide
- N2, stikstof
- O2, zuurstof
- H2, waterstof
De reacties die plaatsvinden in de purifier zijn onomkeerbaar en vormen oxiden, nitriden en carbiden.
- CO + Zr => ZrO + ZrC
- CO2 + Zr => 2 ZrO + ZrC
- N2 + Zr => 2 ZrN
- O2 + Zr => 2 ZrO
- H2O + Zr => 2 ZrO + 2H
Illustratie: Het getter purifier principe werkt beter op hoge temperatuur, omdat diffusie van onzuiverheden in het granulaat wordt bevorderd.
Heated getter purifiers
In getter purifiers is het vat gevuld met korrels, pellets of granulaat van de zirkoniumlegering. Het doorstromend gas raakt de korrels aan de buitenkant en dat is ook waar de reacties zullen plaastvinden. De gassen die een verontreiging vormen kunnen in de korrels diffunderen, maar zullen dat veel beter doen onder verwarmde atmosfeer.
Getter purifiers kunnen dus onder kamertemperatuur goed werken, maar veel gevallen wordt het rendement pas acceptabel als het granulaat verhit wordt, zodat diffundering verbetert. We noemen de getter purifier in dat geval een heated getter purifier. Twee termen die vaak door elkaar gebruikt worden.
Voor waterstof geldt een uitzondering. Dat reageert omgekeerd evenredig met de temperatuur: hoe lager de temperatuur, hoe hoger de zuiverings capaciteit voor waterstof en bij hogere temperatuur neemt het reactievermogen af.
Voordelen van getter purifiers
- Beste technologie om stikstof te verwijderen uit inerte gassen bij lage temperatuur.
- Kan genitreerd of gehydrateerd worden voor het zuiveren van N2 en H2 en mengsels daarvan.
Nadelen van getter purifiers
- Niet regenereerbaar, alleen vervangbaar
- Heeft een gevaarlijke stoffen klassering omdat het spontaan ontvlambaar is.
- Als gekozen wordt voor een hoge bedrijfstemperatuur (heated getter), brengt dat hogere operationele kosten met zich mee.
Toepassingen van getter purifiers
2. Reactive catalyst purifiers
De gassen die een verontreiniging vormen reageren met overgangsmetalen. Voorbeelden daarvan zijn nikkel en koper.
Er wordt gestreefd naar een zo groot mogelijk oppervlak tussen het procesgas en het metaal. Daarvoor wordt het metaal afgezet op inerte substraten die fijnmazig opgebouwd zijn. Bijvoorbeeld aluminiumoxide, silica of diatomeeënaarde (foto).
De metalen die gebruikt worden zijn zeer reactief met een verscheidenheid aan gassoorten die vaak als verontreiniging aangemerkt worden, zoals:
- CO, koolstofmonoxide
- CO2, koolstofdioxide
- H2, waterstof
- H2O, water
- O2, zuurstof
Foto: Een voorbeeld van een granulaat uit een purifier, bestaande uit 4 verschillende componenten.
Het grote voordeel van deze technologie is dat de reacties die plaatsvinden zogeheten chemisorbtie reacties zijn en daarom omkeerbaar zijn. Een paar voorbeelden:
- Ni + CO => NiCO
- 2Ni + O2 => 2NiO
- Ni + H2 => 2NiH
De prestaties van dit type purifier wordt sterk beïnvloed door de vorm van het oppervlak waarop de depositie van het nikkel of koper heeft plaatsgevonden.
Voordelen van reactive catalyst purifiers
- Werkt efficiënt bij omgevingstemperaturen
- Lage COO in vergelijking met gettertechnologie
- Kan worden geconditioneerd voor zuivering van H2 en veel andere soorten verontreinigingen: CO2, halogenen, corrosieve gassen.
- Kan een breed scala aan gassen reinigen: CO2, halogenen, sommige corrosieve en hydride gassen.
Nadelen van reactive catalyst purifiers
- Is minder goed in het verwijderen van lichte koolwaterstoffen.
- Het purifier medium heeft de klassificatie van gevaarlijke goederen en is spontaan ontbrandbaar.
Toepassingen van reactive catalyst purifiers
Het reactive catalyst purifier type is waarschijnlijk het meest gebruikte purifier type, vanwege zijn veelzijdigheid en herbruikbaarheid.
De veelheid aan toepassingen valt uiteen in drie hoofdgroepen:
3. Katystisch type purifier
De katalytische purifier is opgeboud uit palladium of platinum. Het zet chemische reacties in gang, maar neemt daar zelf niet aan deel. Er wordt een laag percentage metaal afgezet op een inert substraat met een groot oppervlak. Ze worden gebruikt om THC, CO, H2 te verminderen van hoge PPM niveaus tot lage PPT niveaus.
Dit type purifier is een echte katalysator en het medium wordt niet verbruikt.
Voordelen van de katalitische purifier
- Geen afgebakende maximale levensduur.
- Heeft geen regeneratie nodig.
- Efficiënte verwijdering van THC zonder risico op exotherme reacties.
- Is breed toe te passen (CDA, CO2, O2, edelgassen en veel meer).
Nadelen van de katalitische purifier
- Hoge operationele temperatuur
- De reacties leveren afvalproducten op die door een aparte adsorber purifier in de uitgangsleiding geplaatst moet worden.
- Hoge aanschafkosten (CAPEX)
- Hoge operationele kosten (OPEX)
Toepassingen van de katalytische purifier
De catalytische purifier is waarschijnlijk het purifier type dat het minst frequent gebruikte wordt. Vooral in UHP toepassingen van zuurstof wordt dit type gebruikt. En dan met name voor de verwijdering van koolwaterstoffen uit O2.
Foto: Vier verschillende soorten granulaat voor purifiers. De vorm verschilt om het absorbtievermogen te controleren.
4. Adsorber type purifiers
De adsorber purifiers zijn feitelijk moleculaire zeven. Vaak opgebouwd uit silicagel of koolstof. Ook op de consumentenmarkt wordt dit principe wel toegepast. Bijvoorbeeld in wasemkappen of purifiers voor in huis.
De adsorbers zijn zeer efficiënt voor bepaalde onzuiverheden. Vooral kooldioxide CO2, water H2O, zuren, basen en zware koolwaterstoffen worden goed verwijderd.
De adsorber verwijdert onzuiverheden door fysische adsorptie en dat maakt de efficientie afhankelijk van de poriegrootte.
De reacties vinden plaats aan het oppervlak zonder diffusie in de bulk. Het adsorber granulaat is zeer poreus, om de oppervlakte te vergroten.
Foto: Purifiers worden altijd voorzien van filters op de inlet en eventueel ook de outlet. De deeltjes grootte varieert van 1μm tot 1,5 nm.
Voordelen van de adsorber type purifiers
- Werkt efficient bij kamertemperatuur.
- Regenereerbaar.
Nadelen van de adsorber type purifiers
- Kan geen lichte koolwaterstoffen verwijderen, zoals methaan.
- Sommige types zijn NIET regeneerbaar.
Toepassingen van de adsorber type purifiers
Subcategorieen
Point-of-use gas purifiers
Worden direct op de plek van de verbruiker geinstalleerd. Doorgaans met een debiet van 0,1-100 slpm.
Meer informatie
Micro-bulk gas purifiers
Ook wel Area purifiers genoemd. Worden vaak gebruikt om een aantal machines te voeden met ultra puur proces gas. Nominale flows 100-1200 slpm.
Meer informatie
Bulk gas purifiers
Gasvoeding in semicon fabs, of bij industriele gasleveranciers. Flows van 60-20.000 nm3/hr.
Meer informatie
Purifier regeneratie
Snelle, vakkundige regeneratie van alle merken en typen purifiers.
Meer informatie
WE MAKE YOUR TECHNOLOGY WORK
NL - Tel. +31 70 413 07 50
USA - Tel. +(1) 973 383 0691
CN - Tel. +86 (10) 56865822/56865835
TW - Tel. +886-(0)3-5600560