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本发明涉及一种防止高纯气体生产装置不需要的停机的系统。本发明提供了一种新型故障-安全温度监测系统，该系统可区分过高的化学吸附剂温度和温度传感组件故障。该系统防止了气体纯化器由于温度传感组件故障而停机，从而防止了高纯气体生产设备的错误停机。

1、  一种用于区分设备故障与气体纯化器床内潜在的灾难性放热反应的系统，包括：
在纯化器床内的不同位置提供一个或多个双温度传感器，其中，第一组温度测量设备紧靠相应的构成每一独立的双温度传感器一部分的第二组温度测量设备放置；
对每一独立的双温度传感器选择第一和第二温度测量设备之间的第一预定温度差；
如果超过了所述第一预定温度差则触发警报，以使操作者修复独立的双温度传感器中的单个温度测量设备的故障；
选择第二预定设定点的温度，当所述双温度传感器中任一温度测量设备超过所述第二预定设定点的温度时，同时未超过所述第一预定温度差时，指示给操作者会发生潜在的灾难性放热反应。

2、  根据权利要求1的系统，其中，采用三个双温度传感器，其分别放置在所述气体纯化器床的上部、中部和下部。

3、  根据权利要求1的系统，其中，第一组温度测量设备连接到第一接收计算机卡片，而第二组温度测量设备连接到第二计算机卡片。

4、  根据权利要求1的系统，其中，当超过第一预定温度差和第二预定温度设定点时，将所述气体纯化器床设为离线。

5、  根据权利要求1的系统，其中，通过每一独立的双温度传感器的两个温度测量设备之间的温度差来确定所述第一预定温度差。

6、  根据权利要求1的系统，其中，第一预定温度差为约5℉到约100℉。

7、  根据权利要求1的系统，其中，第二预定设定点的温度为120℉到约400℉。

8、  一种用来防止气体纯化床内由于放热反应引起的故障的装置，包括：
气体纯化床，在所述气体纯化床内的不同位置具有一个或多个双温度传感器；
每一双温度传感器具有两个彼此紧靠着的温度测量设备；
每一双温度传感器内的两个温度测量设备连接到不同的温度接收计算机卡片；和
编程逻辑控制器，其基于每一双温度传感器的温度测量设备之间的第一预定温度差和第二预定设定点的温度来监测所述气体纯化床内的放热反应，并在双温度传感器中的两个温度测量设备之间的差值低于所述第一预定温度差但超过所述第二预定设定点的温度时通过关停所述气体纯化床来防止故障。

9、  根据权利要求8的装置，进一步包括分别设置在气体纯化床的上部、中部和下部的三个双温度传感器。

10、  根据权利要求8的装置，其中，所述温度传感器设置在纯化器床内的热阱内。

11、  根据权利要求8的装置，其中，双温度传感器的每一温度测量设备放置在单个的或分开的热阱内。

12、  根据权利要求8的装置，其中，温度测量设备位于气体纯化器床的上部、中部和下部处的纯化器床的壁上。

13、  根据权利要求8的装置，还包括位于气体纯化床上游的常规纯氮气源，所述常规纯氮气包含约0.1到约10ppm的氧气、一氧化碳和氢气杂质。

14、  根据权利要求8的装置，还包括位于常规氮气源和气体纯化床之间的隔离阀，其由编程逻辑控制器控制，以在超过第一预定温度差和第二预定设定点的温度时隔离所述气体纯化床。

15、  根据权利要求8的装置，其中，当超过独立的双温度传感器的第一预定温度时，警报被触发并且所述编程逻辑控制器提醒操作者所述双温度传感器的设备故障。

16、  根据权利要求8的系统，其中，气体纯化器床包含选自镍、钯、锆、铂、铑、钌和钛的化学吸附剂。

17、  根据权利要求8的系统，还包括位于气体纯化床上游的常规氮气源，所述常规氮气包含0.1-10ppm的氧气、一氧化碳和氢气杂质。

18、  根据权利要求8的系统，其中，气体纯化器床进一步将常规纯氮气物流纯化至氧气、一氧化碳和氢气杂质含量为0-20ppb的超高纯水平。

防止高纯气体生产装置不需要的停机的系统
技术领域
[0001]本发明涉及超高纯气体生产装置中不需要的纯化器停机的防止。具体地，纯化器被设置为包括新型的故障-安全(fail-safe)温度监测系统，该系统可将过高的化学吸附剂温度与组件故障区分开来，从而避免不需要的停机。
背景技术
[0002]诸如半导体晶片、液晶显示器、发光二极管和太阳能电池的电子元件的生产通常需要包括一氧化碳、氢气和氧气在内的多种杂质含量为10ppb或者更低的氮气。杂质含量处于这种水平的氮气称为超高纯氮气。超高纯氮气用于，例如，在各种电子元件加工过程中产生不含杂质的气氛，从而使所生产的产品中的缺陷数量最少。
[0003]超高纯氮气生产中所用的基础材料是空气。虽然，该系统是参照氮气进行描述的，但是也可应用于许多种气体，如氦气、氢气、氧气、氩气和稀有气体。参见图1，显示了常规的系统100。空气被引入压缩机110中，在其中被压缩到35psig至200psig的压力。将所得高压空气物流进料入吸附系统120，该吸附系统具有平行排列的两个或多个床。吸附系统120通常在室温或接近室温的条件下操作，去除高沸点杂质如水和二氧化碳。所得纯化空气导入低温空气分离单元130，该单元包括，例如，至少一个蒸馏塔，去除大量的中沸点杂质如氧气。离开空气分离单元的氮气物流是常规的纯氮气物流，通常含有1-10ppm的氧气、1-10ppm的一氧化碳和1-10ppm的氢气。空气分离单元还产生含氧气的物流，其可部分用于去除来自吸附系统120的杂质。
[0004]常规的纯氮气物流在基于化学吸附的气体纯化器140中进一步被纯化。该气体纯化器通常包含基于金属如镍的化学吸附剂，并与任何残余的氧气、氢气和一氧化碳反应和/或吸附这些残余气体。在再生步骤中，通过用加热的氢气/超高纯度氮气混合物进行反应或热解吸，来去除与所述金属基催化剂反应或吸附于其上的杂质。通常，1-10％的超高纯氮气物流被用于该目的。离开基于化学吸附的纯化系统140的氮气/氢气/杂质混合物被舍弃。
[0005]随后，将所述纯化器中产生的超高纯氮气物流导入过滤器系统150，以去除任何颗粒，之后将超高纯氮气物流引导至使用地点。
[0006]离开空气分离单元130的常规纯氮气物流可能，例如，在该物流到达气体纯化器140前，被进入所述系统的空气所危害(compromise)。高浓度的某些污染物/杂质如氧气可能引起放热反应。从而，气体纯化器140中的化学吸附剂达到超过预定值的温度，所述预定值通常介于120℉到400℉。在这种情况下，气体纯化器140被设为离线，而至终端用户的超高纯氮气流为不连续的。由于发生这种情况时，终端用户未接收到超高纯氮气，因此导致巨大的经济损失。
[0007]已经进行了各种尝试来监测气体纯化器内的温度，从而使化学吸附剂不超过所规定的温度。Lorimer等在美国专利6,068,685、6,156,105、6,232,204和6,398,846中公开了一种包括吸气柱的气体纯化器，该吸气柱具有金属容器和在入口与出口之间延伸的容器壁。吸气材料通过从流过该材料的气体中吸附杂质来纯化所述气体。在吸气材料的顶端部分设置第一温度传感器，而在吸气材料的底端部分设置第二温度传感器，以迅速检测放热反应的发生，而放热反应表明待纯化气体中存在过量的杂质。
[0008]Christel，Jr.等在美国专利4,832,711中描述了一种通过感测位于吸附前沿之前的温度前沿的发展，从水蒸汽与第二气体的混合物中吸附水蒸汽，以将混合物中的水蒸汽或第—气体浓度降至低于允许的最大浓度的系统。
[0009]Harrison在美国专利4,816,043中公开了使用干燥剂从流体或气体混合物中选择性地分离或分馏组分，例如从加压空气物流中分离水分。通过感测位于吸附前沿之前的温度前沿的发展来确定剩余干燥剂容量。
[0010]愈来愈需要设计一种气体纯化器系统，在该系统中设备故障(即温度传感器、计算机卡片等)与真实事件(即纯化器内的放热反应)被区分开来，而所述真实事件使得必须隔离纯化器，从而导致对终端用户的纯化气体供应不连续。
发明内容
[0011]根据一个实施方案，本发明涉及一种新型故障-安全(fail-safe)温度监测系统，其能区分过高的化学吸附剂温度与组件故障，防止不需要的停机。
附图说明
[0012]通过以下结合附图对本发明优选的实施方案进行详细描述，可以更好地理解本发明的目的和优点，在附图中相同的附图标记指示相同的特征，其中：
[0013]图1为常规超高纯氮气系统即超高纯氮气生产系统(相关技术)的示意图；
[0014]图2为根据本发明实施方案的、具有双化学吸附剂温度传感器的、超高纯氮气生产系统中所用的气体纯化器的示意图；以及
[0015]图3描述了作为本发明主题的化学吸附剂床的双温度传感器的逻辑控制流程图即温度传感器/温度传感器信号接收计算机卡片逻辑图。
具体实施方式
[0016]本发明提供了一种系统，其消除了当设备故障或错误警报时隔离气体纯化器的需要。参照图2，提供了可用于系统100的气体纯化器200。纯化器200可配置为其中具有化学吸附剂床的柱。常规的纯气体物流如氮气进入纯化器200，并暴露于化学吸附剂床210，该床去除诸如氢气、一氧化碳和氧气的杂质。化学吸附剂可由镍、钯或其它任何对所去除的杂质敏感或有选择性且保留该杂质的材料制得。
[0017]化学吸附剂床设计为包括至少一个双温度传感器204、205、206，该传感器设置为紧靠吸附剂床，但在其中不同的位置。所述温度传感器可为基于电阻的设备，如电阻式温度检测器(RTDs)或热电偶。这些设备穿过热阱插入化学吸附剂床210中，所述热阱为伸入床内的并对气流的干扰最小的固定管状设备。温度传感器还可位于纯化器床的壁上。通常，采用超过一个的温度传感器，从而迅速在床内的不同位置处检测到过高的温度。高化学吸附剂温度表明床暴露于过高的杂质水平。通过传感器204、205、206测得的温度转换为电信号，其被送到接收计算机卡片。如果计算机记录到温度超过通常介于120℉到400℉的预定值，通过关闭阀220、230、240将吸附剂床210隔离，并通过打开阀250将床与大气或消除系统(未示出)连通。
[0018]诸如热电偶和热电偶电脑板(thermocouple computer boards)的温度传感装置的故障产生幅度与高温读数所产生的类似的电信号。因此，计算机以与高温读数相同的方式对发生故障的温度传感装置进行解读，从而导致上述的纯化器停机。这种停机是不需要的，因为化学吸附剂温度并未过高。
[0019]本发明满足了对温度传感装置故障和过高化学吸附剂温度进行区分的需求。在一个示例性的实施方案中，可以采用双温度传感器组204A和204B、205A和205B、206A和206B来检测床内不同位置的温度。例如，一组温度传感器可放置在接近纯化器床顶部的位置，而其它传感器可分别放置在靠近纯化器中心以及接近纯化器底部的位置。按以下所述方式使用双温度传感器提供了一种手段来区分设备(即温度传感器、计算机卡片等)故障与真实事件如化学吸附剂床内的温度升高到高于预定水平。后者会导致化学吸附剂的破坏，这会导致纯化器释放出诸如盐酸或硫酸的腐蚀性物质。没有这种区分，则气体纯化器200需要被停机(即，使其离线)，而不管是否有真实事件发生。
[0020]继续参见图2，常规纯氮气由空气分离单元140或备用源160以接近室温的温度和介于约10psia到200psia的压力提供给气体纯化器200，压力优选为50psia到180psia，最优选为100psia到170psia。输入物流的流速范围为1,000cfh-NTP到1,000,000cfh-NTP，优选介于5,000cfh-NTP到750,000cfh-NTP，最优选介于10,000cfh-NTP到500,000cfh-NTP，并包括含量均为0.1-10ppm的氢气、一氧化碳和氧气。
[0021]常规纯氮气物流进入气体纯化器200，并通过和暴露于化学吸附剂床210。该吸附剂床通常含有镍基化学吸附剂。其它可使用的化学吸附剂的例子包括但不限于：钯、锆、铂、铑、钌和钛基材料或对特定杂质具有选择性的其它材料。金属基化学吸附剂与残余的氧气、氢气和一氧化碳反应和/或吸附这些残余气体，从而从常规纯氮气物流中去除这些气体，并产生超高纯氮气物流。离开化学吸附剂床的这种超高纯氮气物流中氢气、一氧化碳和氧气每一种的含量通常都介于0-20ppb，优选0-10ppb，最优选0-1ppb。
[0022]气体纯化器设计为包括至少一个双温度传感器组204A和204B、205A和205B、206A和206B，其位于靠近化学吸附剂210的位置，如上所述。这些温度传感器相对易脆，在化学吸附剂由纯化到再生和返回的转变期间移动时可能破碎。此外，温度传感器每当发生故障时，就需要被去除和更换。因此，通过伸入床内的热阱将温度传感器/检测器插入化学吸附剂床210中。所述双温度传感器可放置在一个或多个热阱中。
[0023]所述双温度传感器作为一组中的一部分使用，从而可检测到温度传感器故障，而排除错误的或误导性的高化学吸附剂温度指示信号。通过确定给定的双温度传感器组内的两个温度传感器之间的温度差来区分温度传感器故障和高化学吸附剂温度。由于给定组的温度传感器(例如204A和204B)彼此设置非常接近，如果两个温度传感器均正常工作，温度差应当很小。通常，所述温度传感器之间的距离为介于0-6英寸，优选介于0-3英寸，最优选介于0-1英寸。然而，如果给定组内的两个温度传感器(例如204A和204B)之间测得的温度的差值超过了第一预定值，那么其中一个温度传感器被确定为发生故障并启动报警，所述第一预定值通常介于5℉至100℉，优选介于10℉至40℉，且最优选介于10℉至25℉。
[0024]除非给定的双热电偶组中的两个温度传感器均显示温度超过了第二预定值，否则未发现已经产生了高化学吸附剂温度。具体地，双温度传感器组204A和204B、205A和205B、206A和206B中的每一个温度传感器均产生电信号，而该电信号被送到温度传感器信号接收计算机卡片207A和207B。与每一双温度传感器组相连的温度传感器接线至(wired to)独立的温度传感器信号接收计算机卡片。在该实施方案中，温度传感器204A、205A和206A被接线到温度传感器信号接收计算机卡片207A，而温度传感器204B、205B和206B被接线至温度传感器信号接收计算机卡片207B。为了启动气体纯化器停机，在每一温度传感器信号接收计算机卡片上，至少一个温度传感器必须指示超过第二预定值的温度。所述第二预定值通常介于120℉至400℉，优选介于150℉至350℉，且最优选介于150℉至300℉。
[0025]温度传感器和温度传感器信号接受计算机卡片逻辑关系如图3所示。参照该图，确定温度传感器204A和204B之间的温度差。如果该温度差超过了第一预定值，则所述温度传感器或所述温度传感器信号接收计算机卡片之一发生故障，并听到报警。在这种情况下，操作者会到达气体纯化器并换出(change out)发生故障的设备，而无需使纯化器离线。另一方面，如果温度差未超过第一预定值，则确定传感器205A和205B之间的温度差。如果该差值超过第一预定值，则所述温度传感器或所述温度传感器信号接收计算机卡片之一已经发生故障，并发出报警，可以实施上述的过程。如果该差值未超过第一预定值，则确定传感器206A和206B之间的温度差。如果该温度差超过第一预定值，则所述温度传感器或所述温度传感器信号接收计算机卡片之一发生故障，并发出报警。如果该差值未超过第一预定值，则检查温度读数的实际值。如果双(热电偶)组中至少一个双热电偶测得的温度超过了第二预定值，则化学吸附剂的温度过高并且将气体纯化器隔离。通过关闭阀220、230和240来隔离化学吸附剂床210。也可通过打开阀250来对化学吸附剂床进行通风。如果温度读数未超过第二预定值，那么气体纯化器工作正常，无需采取行动。图3所示的逻辑图编程到含有所述温度传感器信号接收计算机卡片的计算设备中。该设备通常为计算机或可编程逻辑控制器(PLC)。
[0026]由于至少一个温度传感器必须显示在每一温度传感器信号接收计算机卡片上的过高的温度来启动气体纯化器停机，单个温度传感器或温度传感器信号接收计算机卡片故障将不会导致气体纯化器被隔离。通常，所述系统设计为单个温度传感器或温度传感器信号接收计算机卡片故障将启动报警，以通知操作者发生了故障。
[0027]化学吸附剂需要周期性再生。再次参见图2，再生氮气在热交换器260中通常被加热到400℉-800℉的温度，优选400℉-700℉的温度，最优选400℉-600℉的温度。将热再生氮气物流导入纯化器200，其中其从化学吸附剂210中驱除杂质。通常，含杂质的再生氮气以与纯化产物气体相反的方向循环，并且作为废物离开纯化器200。再生物流的温度通常超过启动化学吸附剂床停机的温度。因此，在再生过程中无需理会化学吸附剂床的高温停机。然而，单个温度传感器或温度传感器信号接收计算机卡片故障仍然可被检测到，因为这些是基于温度差而非绝对温度鉴别的。
[0028]虽然参照本发明的具体实施方案对本发明进行了详细说明，但对本领域技术人员显而易见的是，可以进行各种改变和变型并且可以使用等效物。