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中 華 大 學 碩 士 論 文

高科技產業供氣系統最適模式之研究 -以氮氣為例

Optimization Supply Model of High Technology Industry Research-A case of Nitrogen

系 所 別:科技管理學系碩士班 學號姓名:M10103030 范 盛 燈 指導教授:林 錦 煌 博 士

中 華 民 國 103 年 7 月

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高科技產業供氣系統最適模式之研究 - 以氮氣為例

摘要

臺灣的經濟發展由於產業型態的調整改變得宜,使得工業的興起和高科技產業 的升級創造了臺灣的高經濟價值。這一路走來,氮氣的運用伴隨著科技產業的升級,

佔有極重要的角色,尤其是科技產業的發展結果,氮氣的運用更形重要。因為科技業 製程的不斷翻新而使得用氮氣量越來越大,純度的提高也都是與日俱增的。龐大的運 輸車隊增加了許多的營運成本,同時也造成嚴重的交通負擔,運補過程的充裝或卸載 也容易造成氣體或管道的汙染,對製程形成不良的風險存在。本研究以高科技產業中 氮氣供應為例,深入探討不同區域設置的高科技工廠與氮氣生產工廠之間的供應模式 和影響關係,期望藉由各種不同供氣系統中,比較歸納以探討不同行業之氮氣供應模 式之差異性、優越性或是著重點,找出最適化的高科技產業的氮氣供應模式,這也是 氮氣供應行業未來的要求和發展努力方向。本研究利用個案研究法及深入訪談方式等 質性研究方法,針對幾家具代表性的高科技產業公司就供氣模式對用氣廠商生產運行 之影響進行深度訪談,及就訪談結果之資料進行彙整與分析。本研究發現高科技產業 的氮氣供應模式,會因為用氣規模和距離氮氣生產工廠的距離及用氣工廠是零星分佈 或是群聚設置而有不同選擇,如鋼瓶供應模式、桶槽供應模式、用氣端供應模式、管 道供應模式等。不同的用氣條件或地理背景而做不同的供氣模式選擇,此可做為未來 高科技廠商新設或改建時候的選用參考或決策依據,亦為本文的實質貢獻和價值所 在。

關鍵字:供氣系統、高科技產業、氮氣、最適模式

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Optimization Supply Model of High Technology Industry Research-A case of Nitrogen

Abstract

Taiwan's economic development due to the adjustment of industrial patterns changes, the industrial rise and high-tech industries upgrading, created high economic value in Taiwan. Along the way, the use of nitrogen with upgrading the technology industry associated a very important role, especially in the development of the results of the technology industry, nitrogen is more important. Because the production process continued renovation and makes the gas consumption is growing both improving purity.

Huge vehicle increased the number of operating costs, but also caused serious traffic burden, filling or unloading process easy to cause pollution of gas or piping, that is formation of undesirable risks exist. For the next nitrogen delivery system, In this study, the high-tech industry, nitrogen supply, for example, to explore in depth the relationship between different modes of supply and high-tech factories and locales between nitrogen production plant, expected by the various supply systems, compare to find the optimal induction future requirements and development efforts in the direction of the high-tech industry nitrogen supply mode, which is the nitrogen supply industry. In this study, case study and expert interviews and other qualitative research methods, for several furniture companies representative of the high-tech industry and the literature on the impact associated gas production run of the model gas manufacturers conducted in-depth interviews, interviews of emergency compilation and analysis of data carried. The study found that high-tech industries nitrogen supply mode, depending on the gas scale and distance from the nitrogen production plants to consumption plants or consumption plants are scattered or cluster settings are significantly different nitrogen supply mode. Like cylinder supply mode、tank supply mode、on site supply mode、piping supply mode et al.

This can be a reference or basis for decision making as high-tech manufacturers in the future when planning or modify, and also a substantial contribution to the value of this thesis.

Keywords:Gas Supply、High Technology Industry、Nitrogen、The optimum mode.

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誌謝辭

在步入社會工作二十餘年之後,能夠再度回到學校上課,重拾書本學習,彌補 年輕時的缺憾,心裡實感珍貴難得。幸運地,也在期間內順利完成研究所的課程和 學業,由衷的感謝許多老師的細心指導和同學們的提攜與協助。

本論文之完成須要由衷的感謝我的指導教授林錦煌教授,感謝您在校務忙碌之 際與教學繁忙之餘,給予我論文寫作上的不吝情指導以及對於本研究給予精闢的評 論與指教。同時也感謝接受本論文個案研究深入談的幾位受訪先進先生,可以在本 研究的過程中不吝地分享實務上的經驗,使得本研究更具有寶貴的參考價值。

同時也感謝碩班同學們在這期間裡給予的幫助,我們一起接受老師的指導,彼 此討論並且互相勉勵,年輕人總是想法上更為靈活,讓我學習到很多;能夠在這兩 年學習生涯中,按部就班地順利的完成學程。

最重要的是感謝我的家人,無條件支持我,雖然在我這半百之年總是分配在家 庭上的時間不夠,但是你們的信任與關愛,成為支持我最大的動力,讓我能夠勇敢 的大步向前,我愛你們。

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目錄

摘要 ... I ABSTRACT ... II 致謝辭 ... III 目錄 ... IV 表目錄 ... VI 圖目錄 ... VII

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究背景與動機 ... 1

第二節 研究目的 ... 2

第三節 研究流程 ... 3

第四節 論文架構 ... 4

第二章 文獻探討 ... 5

第一節 何謂高科技產業 ... 5

第二節 高科技產業的定義 ... 6

第三節 高科技產業的特色 ... 9

第四節 氮 ... 10

第五節 高科技產業中氮氣的應用 ... 11

第六節 氮氣的市場 ... 12

第三章 研究方法與設計 ... 15

第一節 深入訪談 ... 15

第二節 研究範圍 ... 25

第四章 研究結果與討論 ... 26

第一節 氮氣的生產方式 ... 26

第二節 氮氣的儲存 ... 36

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第三節 氮氣的供應模式 ... 39

第四節 各種供應模式之優點及缺點 ... 50

第五節 不同行業別之間供氣模式或系統的差異性 ... 53

第六節 氮氣供應價值與使用關係 ... 59

第五章 個案驗證 ... 63

第一節 現場製氮供應模式之可行性 ... 64

第二節 鋼瓶供應模式之可行性 ... 65

第三節 桶槽供應模式之可行性 ... 65

第四節 配管供應模式之可行性 ... 67

第五節 用氣成本 ... 70

第六章 結論與建議 ... 73

第一節 研究結論 ... 73

第二節 未來研究建議 ... 76

參考文獻 ... 78

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表目錄

表 1 氮的物理與化學性質表 ... 10

表 2 我國主要工業氣體廠商 ... 14

表 3 個案訪談對象 ... 16

表 4 氮氣的生產方式 ... 26

表 5 膜製氮環境溫度與產品氣流量、產品質量質的關係表 ... 30

表 6 液體氮與氣體氮換算表 ... 37

表 7 AISI 不銹鋼材料化學成分表 ... 56

表 8 有縫鋼管與無縫鋼管之特性比較表 ... 57

表 9 管徑與流速關係計算表 ... 63

表 10 現場製氮供應模式投入十年成本估算表 ... 64

表 11 桶槽供應模式投入十年成本估算表供氣站所需使用面積 ... 67

表 12 地下配管供應模式投入十年成本估算表供氣站所需使用面積 ... 67

表 13 小結各種供氣模式投入十年成本與供氣站所需使用面積 ... 68

表 14 三大氣體廠使用地下管路供應模式區域表 ... 69

表 15 竹科廠商氮氣供應模式調查表 ... 70

表 16 不同行業對氮氣需求差異表 ... 75

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圖目錄

圖 1 研究流程圖 ... 3

圖 2 PSA 製氮結構圖 ... 28

圖 3 AMSA 製氮結構及各種氣體滲透率分布順序圖 ... 29

圖 4 模組入口壓力與產品氣流量關係圖 ... 31

圖 5 FLOXAL 製氮結構及各種氣體滲透率分布順序圖 ... 32

圖 6 ASU 製氣流程圖 ... 33

圖 7 Generator 製氮流程圖 ... 34

圖 8 Micro-LN 製氮流程圖 ... 36

圖 9 使用端(on site)氣體供應流程圖 ... 40

圖 10 生產端(off site)氣體供應模式 ... 43

圖 11 鋼瓶供應模式 ... 44

圖 12 集裝格供應模式 ... 44

圖 13 小液罐結構圖 ... 46

圖 14 桶槽供應模式結構圖 ... 48

圖 15 氮氣供應價值與使用關係 ... 59

圖 16 竹科廠商氮氣供應模式調查比例圖 ... 69

圖 17 氮氣用量和工廠距離關係與供氣模式圖 ... 74

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第一章、緒論

第一節 研究背景與動機

臺灣產業隨著經濟發展的趨勢變化,早期是以勞力密集型傳統製造業為主要類 型,後來因應時代的變遷,在政府規劃引領下調整發展方向,轉型蛻變成為以技術密集 型的高科技化產業為經濟發展主體。在 1980 年 12 月在新竹設立第一個科學園區,設立 後很快地廠商進駐趨近飽和,為配合產業的需要,於是附近基地陸續設立,形成了臺灣 的矽島美譽。政府為了配合科技發展的需要及區域的平衡發展,於是陸續又在臺灣南部 設立台南科學園區、高雄生技園區、台中科學園區設等以滿足業界需求。普遍業界對於 園區設廠的需求殷切,可見台灣科技製程產業的發展蓬勃而迅速。在 2012 年全國經濟 產值為 17.7 兆元新台幣,而三大科學園區的年產值也已達 2 兆元新台幣(國科會統計資 料庫,2013 ),由此可見科學園區的設立不僅成功帶動傳統產業的轉型,激勵工業技術 升級,更創造我國高科技產業發展契機;以及高科技產業在經濟產業鏈上所佔的重要 性,當今高科技產業儼然已經成為台灣經濟產值的骨幹。

在高科技產業裡,各種不同的氣體普遍提供給各不同的製程階段使用,尤其大宗 氣體 (Bulk Gas) 的供應系統都面臨到因製程的不斷翻新而使得氣體用量越來越大,其 中又以氮氣 (Nitrogen) 用量成長尤為明顯,國內自 1970 年起氮氣的用量已超過氧氣 (Oxygen)用量,也象徵國內產業已經升級,逐漸邁向已開發國家之列。由於氮的物理特 性與運輸成本的考量,大都將氮氣液化後運送。龐大的液氮運輸車隊增加了許多的營運 供應成本,同時也造成附近嚴重的交通負擔,液氮運補過程中的充裝或卸載也容易造成 氣體或管道的汙染,形成對製程造成不良的風險存在。

由於國內高科技產業廠商大多面臨國內外同業的強烈競爭關係,莫不極盡利用既 有土地資源和廠房空間進行生產,競相更新製程,開創最大生產效能,縮短建設時程,

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降低建設成本,使用先進物料進行生產,提高產品製造良率,以創造最大市場商機價值。

尤其是既有廠房擴充產能的時候,無不感到土地資源不敷使用的窘境(訪 D7),因為高科 技產業投資規模越來越大,相對的降低建設成本也越來顯得重要。對氮氣輸送系統而 言,如何在不降低系統污染控制水準和不犧牲安全配置的前提之下,努力降低建設成本 和運行操作成本,同樣是氣體供應系統的一個莫大的挑戰。尤其是半導體製程所需求高 精密度之技術特性,高純度的氮氣將直接影響到製程產品之良率,進而影響到高科技產 業之競爭力,足見氮氣供應在高科技產業發展上有著多麼的重要。

以台灣高科技產業發展之迅速,氮氣輸送供應系統面臨著高純度、大流量、嚴格 的安全措施和大力降低建設成本等幾個方面的挑戰。為了要滿足生產目標需求,必須要 規劃適宜的管路架構、維持較佳的氣體純度、供應充足的氮氣量給製程現場生產使用。

合理的供氣規劃和系統配置,運用節約空間的方法,活化供氣站空間利用,配合適當的 選型材料,可顯著降低建廠初始投資費用。這有賴於氮氣輸送系統承包廠商須具備有更 強大的供氣系統設計能力來努力達成目標。同時這幾個要求也是氣體供應行業未來的發 展方向,所以需要藉由目前業界各種不同氮氣供應系統模式中分析探討,比較歸納以找 出最適化的高科技產業的氮氣供應模式。

第二節 研究目的

綜合上述,本研究之研究目的如下:

1.深入探討了解科技產業所使用的各種氮氣供應模式。

2.探討不同業者選擇供氣模式的考量因素有那些

3.對不同供氣模式做出比較,建構在不同考量因素下的最適化供氣模式。

並希望藉由此研究之結果,對於氮氣供應模式規劃或對高科技產業供氣發展上做 出整理與重點分析,並對氮氣供應系統舉出清晰輪廓。期盼這份研究對於對氣體供應系 統有興趣的人等提供參考,或是氣體供應從事者、科技產業廠務工程師在供氣系統相關

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研究或實務層面上能有進一步的了解與認識。

第三節 研究流程

有如前述氮氣的運用對於科技產業之重要性,及氮氣供應技術和方法也和產業發 展息息相關,於是展開此研究的進行。先是對目前科技廠商氮氣的供應系統進行觀察與 了解然後確立研究主題與研究範圍,繼而蒐集相關文獻對於科技產業之定義與氮氣生產 和儲存和供應的相關資訊進行整理。

有感於氮氣供應系統的適化研究屬於技術探討類型題材,所以採用質性研究方 式,設計訪談題目,選擇不同區域的資深氮氣從業人員進行深入訪談,探詢業界對氮氣 供應系統的需求、看法或期待。並與文獻資料作比較分析,加以不同氮氣供應系統模式 個案分析優缺點、投入成本及使用空間問題。最後,從而找出一些正確及可行的對策方 向,整個流程如圖1:

圖 1 研究流程圖

確立研究主題與研究範圍

文獻探討與整理

建立研究架構

深入訪談問卷設計

進行深入(專家)訪談

分析與討論

個案驗證

結論與建議

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第四節 論文架構

本論文架構將如下分為六章:

第一章 緒論

此章主要在介紹本研究之研究背景,研究動機,研究目的以及論文架構和流程。

第二章 文獻探討

此章主要在探討國內外學者對於高科技產業之定義與特色,以及氮的特性和氮氣 在高科技產業之應用。

第三章 研究方法設計

本章主要在說明本研究之方法、研究流程、研究對象、問卷設計以及研究限制。

第四章 分析與討論

充分討論氮氣生產方式和供應模式之類型,各有何優缺點。

第五章 個案驗證

綜合本研究之氮氣供應內容,選擇個案論證。加以比較分析使用不同供氣模式之 設備、使用空間、成本討論。

第六章 結論與建議

綜合個案分析的結果以提出本研究之結論,並對產業界之氮氣使用者及後續之研究 者提供參考和建議。

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第二章 文獻探討

第一節 何謂高科技產業

台灣的高科技產業緣起於 1959 年,社會有感於國內高等師資及科學研究領域不 及世界潮流等原因,在胡適、吳大猷等學人倡議下,政府在行政院成立「國家長期科 學發展委員會」,簡稱「長科會」;為我國基礎科學和科學教育研究方面進行培育計畫,

開始有計畫地為我國科技發展奠基,推動台灣科學發展,科學的種子自此又再次萌 發。1967 年國家長期科學發展委員會擴充改組為「國家科學委員會」,簡稱「國科會」。 1969 年擴充改組為「行政院國家科學委員會」,負責推動和規劃我國整體科學發展和 科學園區籌設。2014 年 3 月改制為科技部,現其主要任務包括:規劃國家科技發展 政策、政府科技預算之審議、推動基礎及應用科技研究、推動重大科技研發計畫、規 劃產業前瞻技術研發,以及發展科學工業園區。

早期臺灣經濟型態以勞力密集的傳統小型工業為主,內容非常廣泛,包括手工 具、五金、家電、自行車、家具、陶瓷、成衣、印染、製鞋、製傘、螺絲、紡紗、織 布等,產值和出口值均占製造業比重相當高。到了 1980 年因為國內產業由於天然資 源不足、石化工業造成環境的汙染、工資持續上漲不利外商投資等問題,為了實現產 業轉型升級,於是政府提出了「策略性產業」的補貼政策,針對機械、電機、資訊、

電子等技術密集度高、汙染量少的「策略性工業」提供租稅優惠政策,期望能加速產 業升級。這些「策略性工業」可謂是後來台灣高科技產業發展的初始方向。

在國家經濟建設計劃中,為了實現產業轉型升級,政府於 1981 年底召開的第二 次經濟會議上首次提出發展策略性工業的任務,並明確規定了「策略性工業」必須具 備 1.市場潛力大、2.產業關聯性大、3.附加價格高、4.技術層次高、5.汙染程度低、6.

能源依存度低的六項特點。

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根據 1991 年政府所擬定的「國家建設六年計劃」執行原則中,行政院經濟建設 委員會與經濟部工業局為了推動工業發展,期望於 2002 年時,台灣的製造業年產值 能達到三千二百億美元,並成為工業化國家之目標,除了全面促進工業水準提升,加 速傳統工業現代化及積極培訓所需技術人才外,結合各方資源,推動「十大新興工 業」,做為我國未來適合發展之「高科技新興工業」,正式針對高科技產業的特性提 出前述六項原則外,再根據這「兩大、兩高、兩低」的原則,選擇十項適合台灣發展 的高科技產業,推動「十大新興工業」,作為台灣未來發展高科技產業的基礎。分別 為 1.通訊工業、2.資訊工業、3.消費性電子工業、4.半導體工業、5.精密機械與自動化 工業、6.航太工業、7.高級材料工業、8.特用化學藥品與製藥工業、9.生物技術工業、

10.環境保護工業(經濟部工業局,1994)。這可說是台灣的科技產業興起之過程。

第二節 高科技產業的定義

所謂的高科技產業(High-technology Industry)是一個模糊的相對性形容詞,表示企 業產品中技術附加價值高的用品,是以經濟角度對企業及其產品評價。至今尚未有清 晰或統一的定義,許多學者或機構也一直嘗試用不同的面相去解釋它或定義它。對高 科技產業的定義可分三類:第一類是「對產業的投入為基礎的定義」,主要是以研究 開發費用占總產值(或銷售額)的比重、科技人員占總雇員的比重,或以高科技占產業 的比重為指標;第二類的定義則是「以產品的性質為基礎的定義」,主要是以高科技 產業的性質做為指標;至於第三的定義最簡單易懂,直接將視為高科技的產業明確列 出,如通訊設備、生物科技等(國家政策研究基金會,2007 )。綜合蒐集各論述後整理 敘述如下:

第一類是對產業投入的基礎量化來定義,如研究經費佔總產值(或總銷售額)比 例、高學歷科技人員數量與總雇員數之比例等。其下又可以再細分為:

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1.高科技產業的定義應符合三項條件(Sherman,1982):(1)投注相當比例資金於新技術 之研究發展;(2)擁有較高比例之技術人力;(3)以產品產銷創新或發明新產品為主。

2.高科技產業的定義(Boretsky,1982)為:(1)研究發展費用佔總產值之比例 10%以上;

(2)員工中科學家、工程師及技術專家佔 10%以上者為高科技產業。

3.高科技產業係指研究發展支出占銷售值的比率大於 3% 之產業(美國國家科學基金 會,1981)。

4.高科技產業定義為研究發展支出和技術人員所占之比例在全美國製造業平均數二 倍以上者(美國勞工統計局,1983)。

5.投入研發經費達產品銷售額的 10%以上比率、科技人員佔總雇員 10%以上比率,且 產品零組件大多受到智慧財產權保護、屬高度國際分工等特性者為高科技產業(薛 琦、張祥憲,1992)。

6.中國稱科技產業為高新技術產業,其定義是具有大專以上學歷的科技人員占職工總 數的比重,用於高新技術及其產品的研究開發費用占總收入的比重,技術性收入與 產品產值的總和占總收入的比重,用於高新技術及其產品的研究開發費用占總收入 的比重,技術性收入與產品產值的總和占總收入的比重來定義(張春山,2001)。

第二類是以產品的性質或特性來定義,主要以接近高科技產業者皆可列入,其 下又可以再細分為:

1.以產品的研究發展費用與售價之關係來判定「技術密集度」,而技術密集密在全部 產品的前面四分之一者是高科技產業(Kelly,1977)。

2.台灣政府於 1991 年所擬定的「國家建設六年計劃」執行原則(經濟部工業局,1994) 中,正式針對高科技產業的特性提出六項原則,分別為(1)市場潛力大、(2)產業關聯 性大、(3)附加價格高、(4)技術層次高、(5)汙染程度低、(6)能源依存度低。

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3.科技產業定義為,所應用的科技尚在不斷發展進步的科技之產業,除了涉及多領 域、先進的技術,以研究發展高度技術或科技創新為主的的高科技產業外,任何產 業均可能由於投入研發成為科技產業,如紡織業(孫震,1996)。

4.高科技產業者必須具備有三項特性:即高技術密集、高資本密集及產品高附加價率 (楊維楨,1997)。

5.高科技產業應符合三項評估準則:(1)具有堅強的科學技術基礎,(2)新技術能迅速淘 汰現有技術,(3)新技術之應用能創造市場與需求(Ryan & Shan klin,1984)。

第三類是直接將可是為高科技產業的產業別列出來說明,也是最為清楚明白的表 達方式,其細項如下:

1.依據我國經濟部所定義及國內科學園區可以核准入區生產製造的高科技產業項目 共有六大類,分別包含:

(1)積體電路產業,包含 IC 設計、IC 製造、IC 材料、IC 構裝、測試、製程設 備、晶圓材料等。

(2)光電產業,包含光電系統及元件如光電半導體、平面顯示器、彩色顯示器、光 碟機、數位相機、接觸式影像感應器,和光學系統元件如鏡片、儀器等。

(3)電腦及周邊產業,包括電腦系統、儲存設備、輸入設配、輸出設備、網路設 備、特殊軟體及關鍵性電子電機零組件。

(4)通訊產業,包括電訊系統(電話機、數據機、交換機等)。

(5)精密機械,自動化系統、自動化元件等。

(6)生物技術,疫苗試劑、醫療料器材、檢驗認證服務。

2.我國政府以「國家建設六年計劃執行原則中的六項標準」,選出下列產業為高科技 產業,這些產業包括通訊、資訊軟體、消費電子、積體電路、精密機械、自動化、

航太高級材料、特用化學、製藥、醫療保健、污染防治等(經濟部工業局,1994)。

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3.日本是以積體電路、辦公室自動化、新材料工業、工業用機器人、生物科技、資訊 網路系統、電腦及光電工業與航太及太空業為高科技產業;美國的高科技產業包括 化工製藥、電機通訊、科學儀器、航空及飛彈、電腦及辦公室自動化設備等產業;

韓國則列舉半導體及電腦,精密化學工業等九項產業為高科技產業(李誠,2001)。

綜合以上說明,高科技產業的定義要因可概括為下列幾項:

1.研究經費投入量佔總產值(或總銷售額)比例之程度。

2.較高學歷科技人員數量與總顧員數支比例。

3.技術密集性。

4.具有堅強的科學技術基礎。

5.新技術之應用能創造市場與需求。

6.具有科技創新的意涵。

第三節 高科技產業的特色

對於高科技產業不論是以何種方式來定義,它結合了新的科技技術與製造的能 力,大多具有知識密集、資本密集、產品的生命週期短、高利潤回收、成長率高與高 風險等特性,使得該產業容易造成進入障礙較高,若能在產品的導入期或成熟期掌握 更新技術就將能完全取代原有技術而左右市場,並取得較高的市場主導優勢(蔡宏 明,1999)。

高科技產業的主要特色有三個:一是投資金額較高,二是風險性較大,三是附 加價值較高。由於在生產過程上技術能力與科技運用是首要生產要素,所以都有創新 與較大的市場潛力,產品具較高附加價值,世界各國均以發展高科技產業作為帶動整 個國家產業發展的引導功能(國家政策研究基金會,2007 )。也正因為高科技產業的特 性與傳統產業大不相同,且其屬於高附加價值與低污染產業型態,因此普遍受到各國

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政府重視。高科技產業的發展常被視為一國邁向已開發國家的經濟指標,更是推動一 國未來經濟發展最重要的原動力,因此高科技產業的研究十分重要。由此可知高科技 產業的發展潛力與其重要性,無怪乎各國莫不卯足全力,以發展高科技產業為最重要 的策略性產業以增進國家經濟競爭力。

第四節 氮

氮,在一般室溫和壓力條件下是呈氣態存在的,英文全名為 Nitrogen,化學元 素代號為 N,是無色、無臭、無味的穩定性氣體。氮原子的外層有 5 個電子,因此它 在絕大多數化合物中都是三價的,其物理特性在常溫下幾乎不與任何元素產生反應,

只有在高溫時才能與少數金屬或非金屬元素化合,其特性如表 1。

表 1

氮的物理與化學性質表

資料來源 : 高壓氣體,2008,第 13 卷,第四期。

氮,通常被視為惰性氣體之一。氮氣屬於工業氣體的一種,而其應用也由傳統 化肥氨之原料應用,引伸到各行業中如生鮮食品之急速冷凍、儲藏(液態溫度極低達

分子量 28.01

沸點 @ 1atm -320.5℉(-195.8℃) 凝固點 @ 1atm -346.0℉(-210.0℃)

臨界溫度 -232.5℉(-146.9℃)

臨界壓力 -492.3psia(33.5atm)

液態密度 @ BP,1atm 50.45 lb/scf 氣態密度 @ 68℉(20℃),1atm 0.0725 lb/scf 氣態比重(空氣=1)@ 68℉(20℃),1atm 0.967

液態比重(水=1)@ 68℉(20℃),1atm 0.808 特定容積 @ 68℉(20℃),1atm 13.80 scf/lb

蒸發潛熱 2399 BTU/lb mole

膨脹比率(由液態至氣態),BP to 68℉(20℃) 1 to 649

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負 195.8℃),工業之冷卻、脆化之應用,化工、電子等之惰性氣體保護以避免非必要 的化學反應,產品或儲槽之氮封保壓,設備維修前後之清掃及氣壓輸送之應用,若經 純化提高純度使水分含量少於 2×10-6,也可被視為乾燥的,可適用於需要防護水分污 染的產品,包羅萬象、不一而足。其應用的原理特性主要在於氮的惰性及乾燥性和液 體的低溫性。

第五節 高科技產業中氮氣的應用

早期氮氣的開發成為化肥氨,對農業發展的貢獻已被公認其價值功能,在二次 界大戰後,新的煉鋼生產方式造就了氧氣的需求量突飛猛進,雖然氮氣僅只是生產氧 氣的副產品,卻也大量被使用於惰性介質和液態制冷等工業用途當中。

台灣的大宗工業氣體產業初始於 1950 年代左右,當時應用市場大多使用於拆 船、焊接等工業(氧氣運用量頗大),後來隨產業發展的變化,配合鋼鐵、石化、化纖 等工業的興起,使得工業氣體產量和用量都明顯提昇了許多(氧氣與氮氣同等量大)。

約當 1955 年間 ,由於電子、化學品、金屬製品、航空和食品工業的興起更使得氮氣 用量上昇,氮氣的標準要求純度也上升到 99.995%等級。隨著產業結構的科技化,氮 氣運用愈形複雜,由於電子、化學、藥品和科技產業的精密需求,把氮氣的純度往上 推上升到 6 個 N (99.9999%)等級。高科技產業所用的氣體種類繁多,在生產過程中各 種氣體的運用配合更為緊密。高科技產業的產品與製程皆複雜而求新多變,不但產業 界使用氣體朝向種類更為多樣化、大量化、純度也明顯提高了許多,氮氣的使用在高 科技產業中一直占著相當重要的角色,是製程中不可缺少的重要原料之一。其運用的 複雜程度也相對的反映出產業的科技化程度,高科技產業產業使用的氣體純度規格要 求,由 ppm 級純度(不純物體積量低於百萬分之一) 提昇為 ppb 級(不純物體積量低於 十億分之一),稱為電子級氣體,使用管路稱為電子級配管,有別於傳統工業等級。

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到了 1980 年以後電子產業(或稱之為科技產業)崛起,漸成為大宗氣體之應用主 力,氮氣的用量需求亦開始超越氧氣,也象徵國內產業已經升級,逐漸邁向已開發國 家之列。工業愈發達國家對工業用氣體需求愈大,工業用大宗氣體乃成為各種輕、重 工業製程之生產要素之一。當然,工業用大宗氣體又以氮氣最具代表性。

大宗氣體當中,使用量最大的氣體為氮氣。在科技產業製程中,氮氣多方面的 參與了大部份生產過程,可用來吹淨或保護晶圓、設備的驅動、機器的保養吹淨、

腔體的持壓保潔、系統的耐壓測試、氮封保鮮、製程降溫、製程部分化學變化等。

隨著產業結構的轉型,高科技產業除了製程的複雜程度遠高於傳統產業之外,廠房 內設備與管線配置的密度和精密度也和其他工業有顯著的不同。尤其是以積體電路 的生產過程最具代表性,一個成功的積體電路製造技術必須維持很好的製程良率與 產品的可靠度,其製造加工過程對氮氣的運用有著密不可分的依賴關係。即使在減 產或是停產時候,氮氣仍常見於保護機器使用或作為維護工具氣體之用。一個十二 吋半導體工廠每個月的氮氣用量即可高達數千噸,可見氮氣在半導體的製造過程中 扮演了極為關鍵性的重要角色。

不但如此,氮在金屬加工業仍有重要的被應用於模具加工技術,陳磊(2010)發 表「氣體軟氮化工藝」運用於模具的表面硬化技術。這與傳統的熱處理技術截然不 同,是以滲氮為主的低溫氮碳共滲,鋼表面滲入氮原子的同時,還有少量的碳原子 滲入而形成極其細小的碳化物。由於該程序處理溫度低,時間短, 所以工件變形 小,脆性低。

第六節 氮氣的市場

一般所謂的大宗氣體,是指用氣量較大的氣體,一般如氮氣(Nutrogen-N2)、氧 氣(Oxygen-O )、氬氣(Argon-Ar)、氦氣(Helium-He)、氫氣(Hydrogen-H )、二氧化碳

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(Carbon Dioxide-CO2)、乙炔(Ethyne-C2H2)等。除了乙炔多用於傳統工業的切割施工用 途之外,其他都廣泛被使用於高科技產業中。在惰性氣體族類中,同樣的作為空氣提 純物質,氮是不會衍生毒性,是對環境非常友善的氣體。

在美國,氮氣占工業氣體市場總額的 17% (2002 年 18 億美元),是工業氣體中最 重要的氣體項目。應用領域中用氣量也最大。氮產量由 1997 年的 229.39 億立方米,

增加到 2002 年 269.04 億立方米(梁玉譯,2003)。

目前,美國氮總產量超過382.32億立方米(13500億立方英呎),約相當於15萬噸/

天。其中,約283.2億立方米(10000億立方英呎)為現場/管線生產,液態氮產品產量約 為113.28億立方米(4000億立方英呎) (梁玉譯,2003)。美國主要氮氣生產廠家有4家,

普萊克斯 (Praxair) 公司、空氣產品 (Air Product) 公司、液化空氣 (Air Liquid) 公司 和林德 (Linde) 集團。普萊克斯公司產品佔有率最大,為全美氮氣總產量的1/4,即 25%,空氣產品公司和液化空氣公司次之,分別占21%和20%,Linde占15%。此外,

梅塞爾(Messer)公司占6%,林德/AGA占3%,NSC占1%,其他9%。工業氣體具規模 經濟與就近服務之特性。過去,國際氣體大廠常以併購方式達到提昇量產規模經濟,

及提供客戶完整解決方案之目的,如2001年 Air Liquide 併購了規模排名第七的 Messer 以及2006年 Linde 併購了規模排名第三的 BOC 等(王志方,2009)。而我國 氣體廠商因相較國外氣體廠商具本地市場發展優勢,管線佈建及瓶裝罐裝通路均較具 完整基礎,於是在1985年國內氣體廠商陸續與國際大廠透過入資方式,以合併或結盟 形成互補效果,目前全球工業氣體供應顯然形成寡占市場。

聯華實業股份有限公司於1985與英國氧氣公司 (BOC) 合資成立的聯華氣體工 業,並從國外注入先進技術並與世界接軌成為國際性氣體供應商。1987年三福化工廠 與美國Air Products and Chemicals ., Inc.結盟,大量引進美國的技術及管理知識。亞東 工業氣體公司成立於1987年。是由國內知名的遠東新世紀集團和法國液空集團(Air Liquide Far Eastern , ALFE) 分別挹注 35% 和 65% 的資金共同成立,跨足工業氣體

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供應。氣體工業在台灣已形成主要供應商只有聯華、三福及亞東三家規模較大,聯華、

三福均同持股藍海氣體及遠東氣體,2008 年我國一般工業氣體市佔率為:三福 30%、聯華 30%、亞東 10%約 三分天下局勢,工業氣體市場集團寡占性亦為明顯。

我國整體高壓氣體市場產值年約 200 億新台幣,規模較大廠商有:聯華氣體工 業、三福氣體、亞東工業氣體、聯亞科技、遠東氣體工業、藍海氣體工業及東聯化 學等。其中,聯華、三福、亞東為我國三大工業氣體空氣分離廠。聯華資本規模最大,

聯亞科技實收資本規模接近亞東工業氣體,高於三福氣體,藍海氣體工業、 遠東氣 體工業之實收資本規模較小,低於10億元新台幣,國內各主要氣體公司投資額如表2。

表 2

我國主要工業氣體廠商 公司 聯華氣體

工業 三福氣體 亞東工業 氣體

遠東氣體 工業

藍海氣體

工業 聯亞科技 實收資本額

(億元) 32.94 14.22 19.75 2.00 8.00 17.22 公司

所在地

臺北市 大同區

臺北市 中山區

臺北市 大安區

臺北市 大同區

臺北市 中山區

新竹市 東區 核准設立

日期 1984.11.8 1961.12.2 1987.5.8 1988.6.28 2008.8.11 1988.11.30 資料來源:經濟部 2011 年 9 月 。

由聯華氣體公司沿革(www.boclh.com.tw)中可看出,聯亞科技是聯華氣體於1988 年與科學園區九家半導體公司合資成立的子公司。而遠東氣體和藍海氣體兩家也是聯 華氣體和三福氣體先後合資成立的公司,大型氣體公司藉由策略聯盟方式取得更大的 市場競爭優勢,同時亦壓縮了其他競爭者的發展空間,由完全競爭市場催化為寡占市 場明顯。

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第三章 研究方法與設計

研究方法自1970年代歐美學界即有所謂「質」與「量」的研究方法爭議,1980 年後質性研究方法才漸漸被接受(胡幼慧,1996)。直到2004年才在代表管理學界權威 的管理學會期刊 (AMJ ; Academy of Management Journal) 的宣告之下,被接納成為一 種正式的研究方法(彭玉樹,2010)。

高科技產業氮氣供應系統模式的規劃和設計將對於建造成本、運行的效率和製 程生產品質有重大的影響性。所以,本研究計畫經由對科技產業界氮氣供應系統的觀 察、資料的收集,再經由文獻的分析法和實際從事氣體供應系統技術管理人員的深入 訪談方式來作技術討論、比較各廠商現行使用的各種供氣差異情形並分析、歸納以找 出較為適合的氮氣供應系統模式。

希望藉由此研究結果,使得較合宜的氮氣供氣模式獲得驗證,對供氣相關研究 或運行實務上將有某程度上的助益,讓用氣規劃者或使用者能作為參考,由既有環境 背景條件之下,判斷選擇較適化的氮氣供應模式。

第一節 深入訪談

「深入訪談」是質性研究很重要的一種蒐集資料的方法,由於本研究性質屬於 工程技術及管理研討質性研究,計畫採用研究者對氮氣供應系統的觀察和對業界資深 從業人員進行深入訪談 (in-depth interview) 的方式進行,採取一對一的訪談方式,訪 問受訪者的意見、想法及觀點,以獲得研究資訊。為使調查完整性及有利於深入了解 業界所真實的運作情形,所以計畫對實際從事氣體供應系統規劃或管理人員作深入訪 談。

本研究之深入訪談之對象,選擇符合科技產業之定義的科技廠廠商人員,並分

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佈在不同區域,而且屬於不同產品導向之公司,希望訪談內容能有普遍性而不侷促,

訪談對象如表 3。

表 3

個案訪談對象

受訪公司 A B C D

受訪者 新建工程處副理 業務部經理 氣化課課長 產管部副理

專業年資 18 16 8 16

產業 晶圓代工 氣體供應銷售 太陽能光電 DRAM

地區 竹科 竹科 新豐工業區 中科

本研究之訪談將依據研究目的,列出主要之提問題目,透過面對面的談話過程,

廣泛又深入的了解到受訪者對研究問題的個人看法與實質感受以獲得研究資訊。在實 際進行採訪時,可依受訪者之意見不同而稍做延伸性的調整以獲得更完整的資料(蕭 全政、江耀國、曾淑芬、劉鴻暉,2004)。

經由蒐集資料完成後,將正式訪談之手稿或錄音繕寫成為訪談紀錄,內容條列 整理,反覆閱讀,逐句逐段檢視,再依據不同訪談對象加以編碼,如訪 A、訪 B、訪 C……以識別辨認資料來源。將蒐集的個案資料進行分類,加以比對、整理,找出其 共同性與差異性,找出具意義的項目,並予以相應附註於論文相關論述當中。

一、深入訪談題目

基於我公司設計部門對於氮氣供應系統的周延性檢討及用氣客戶反應滿意度調 查,我們懇切地想要了解您對氮氣供應模式的看法,本人敬請邀您提供給我們第一手 訊息。

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1.請問您有從事氮氣使用或供應管理的經驗嗎? 若是有,是從事多少時間了?

2.請問貴公司使用氮氣是或使用哪一種供應模式? 鋼瓶 ? 桶槽 ? 地下管?

3.能否概述一下使用情形,使用順暢性如何?

4.氮氣供應上有沒有值得稱許的地方或是發現哪方面有希望改善的地方嗎 ? 5.您有沒有想要對氮氣供應廠商哪一方面希望能多了解一點或希望能提供更多哪方

面的服務?

承蒙您的支持,希望您能同意我的邀約,向您請益。

感謝

聯友科技設計部-范盛燈

二、深入訪談內容

(一)A 君,T 公司(晶片加工廠)新建工程處副理-2014.01.09。

1.請問您是否有從事氮氣使用或供應管理的相關經驗嗎?

若有,使用或供應管理從事多少時間?

答:在現在工作(新建廠工程處)之前,我是在氣體供應廠商做氣體供應系統配管規 劃設計繪圖工作,如果加在一起就與氣體供應結緣了十七年了。時間好快,在氣 體廠工作時,須要負責的範圍比較局部,像是兩人一組,規劃一般氣體或是特殊 氣體供應範圍,配合業主的製程需要,滿足必要法規要求就不會有太大的問題,

倒是套圖整合管路路徑較麻煩,須要快速大量協調並改圖。轉換了業主角色就不 一樣,須要管理下包、要全盤掌握自己公司製程需求細節、標準化問題、進度等 等,不見得比較輕鬆。

2.使用氮氣或供應管理何種供應模式 ? 鋼瓶 ? 桶槽 ? 地下管 ?

答:我們公司生產規模這麼大,每個十二吋廠氮氣至少用三萬立方米/每小時以上。

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鋼瓶只有少數純化氮氣用於特氣設備或盤面 purge,也當作是特殊氣氣角色使用 了。一般氮氣都要求供應廠商直接埋管供應進來,當然廠內儲存桶槽也有,但是 那些 240 罐是作備用(back-up)的,所以主要還是由地下管供應氮氣。

3.沒考慮讓其他氣體廠商使用低溫液態槽車供貨競爭嗎?

答:我們並沒有明文限制不能使用低溫液態槽車供氮,但是那做法一定不可行,幾 乎每小時要 1.7 車,廠內外會因槽車太多受不了。接續填充也恐怕來不及,加上 不停填充過程拆裝過程,難保帶來汙染風險。

4.就使用或供應管理之經驗概述相關使用情形,含使用操作之順暢性 ?

答:還是地下管供應比較好,至少不用擔心槽車供應不及而斷氣,廠務也不必整天 釘在氣站看灌充,可以更有效的做好其他的廠務供應工作。我們所有的工廠所用 的氮氣都是使用下管供應,氣站管理只要調壓適當後幾乎是全自動供應,只要不 定期到各站巡視一下正常性即可。我們重視的不但是量的絕對充足,物料品質的 穩定也是不可忽視的,所以我們都有做入料檢測,除了檢測合格後才准予灌入之 外,輸送使用階段也都是在線監測氣體純度品質,以確保製程良率。

5.氮氣供應系統上有無值得稱許的地方或是發現哪方面有希望改善的部分?

答:你們到目前為止都還沒有不良紀錄是不錯啦,埋管口徑夠大,品質也穩定。希 望改善的部分是對氣站內設備投入太過於斤斤計較,甚至不能滿足我公司政策要 求。比如說,我公司為保持生產穩定及風險控制,對於物料庫存有一定的堅持,

氮氣是最重要氣體原物料,不但直接參與製程生產,也是很多支援性儀錶的動 力,甚至還是壓縮空氣的唯一備用源。所以廠內液氮儲存量必須是平常氮氣消耗 用量的 12 小時總量,同時蒸發器數量也是要平常氮氣消耗用量兩倍量才能做切 換使用,萬一地下管破損或路況影響使得槽車運補困難,也才有時間加強調度或

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依序停機,氣體生產工廠內雖有大量的液氮儲存,在製氮機跳機時候仍然可能因 為廣大需求而救援無力,這是我們堅持要防備的。

6.您有沒有想對氣體供應廠商哪方面希望能多了解一點或希望能提供更多其他方 面的服務?

答:(1)既然我們使用氮氣是由你們的的地下管供應,就已經把雙方繫在一起了,經 不起任何的意外。我們希望能夠延伸風險管理而能夠到氮氣生產工廠了解管 理數據情況,或是把數據直接傳過來,好確保我們物料上游的品質沒有問題。

(2)雖然我們有要求地下供應管路要有雙迴路,但是在園區邊緣廠區仍有顯得壓 力較低,應該要想辦法克服。

7.是的,感謝您寶貴的意見。

第一點確實是很先進的想法,直接把供應端源頭資訊納入品質管理範圍,可 以讓彼此更緊密的鏈在一起。但是我們氮氣廠是同步供給整個竹科園區所有客 戶,若須將氮氣訊息傳遞給所有客戶手中並不容易。而且氮氣是由竹科園區內三 個氮氣工廠生產,純度分別都合格但數字不一,同時注入地下管網中呈互補供應 型態,所以任何一個氮氣廠的氮氣產品純度並不盡然代表供應到該用氣廠區的氮 氣純度。倒是很歡迎您隨時到我們任何一個廠做參觀了解和視察。

第二點,針對地下供應管路要有雙迴路,和壓力補充問題。我們公司最近已 擴充完成一台 30000Nm3/h 及 50000 Nm3/h 兩座製氮機,30000Nm3/h 製氮機已輸 出供氣,製氮機 50000 Nm3/h 則正在試車中,相信很快就可以輸出供氣了。目前 也已自我 C 廠,埋管 20 英寸”不鏽鋼管至我 A 廠附近支援該區壓力偏低問題,已 完成總計畫的 3/4 以上長度。相信很快就能大幅度改善地下管網局部壓力不足現 象。

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(二)B 君,氮氣生產公司業務銷售經理-2014.02.10。

1.請問您是否有從事氮氣使用或供應管理的相關經驗嗎 ?

答:我們聯華氣體是台灣最大的氣體供應商,也是台灣第一家氣體廠商。負責供應 品質良好的氣體給廣大客戶使用,雖然我不在生產單位但接觸客戶十幾年也算是 供應管理吧。

2.請問您供應的氮氣客戶是用甚麼方式供應的 ? 鋼瓶 ? 桶槽 ? 地下管方式 還是 現場生產直接供應?

答:那得看客戶狀況而定,新竹科學園區內大多都是用地下管供應,新豐工業區也 大部分是用地下管供應,也有部分用桶槽供應的。南科有地下管供應也有在客戶 端裝機制氮,也有些客戶是用桶槽供應的。廣源也開始埋地下管了,其他工業區 就很多是桶槽供應的較多。

3.您的客戶群裡有使用鋼瓶供應的嗎 ?

答:沒有,一般零散的小用量客戶必須經由我們的下游經銷商供貨,我們是有產銷 機制的,生產廠主要供應工業區或科學園區內的較大用量客戶,或經銷商無法供 應量大的客戶。相形之下生產廠的客戶都是用量較大的廠商。

4.客戶們應使用哪一種方式供應有一定的規範嗎 ?

答:當然有,基本上能使用地下管供氣就用地下管供應,沒有地下管的只能用製氮 機或桶槽供了。

5.為什麼 ?

答:因為對大家都好,如果使用地下管供應氮氣,我們不用安裝桶槽和蒸發器而少 了一些投入成本。客戶也多了一些氣站空間出來,管理人員平常也不用擔心叫

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貨和填充的問題,方便許多。

6.請問若使用地下管供應可省多少成本呢 ?

答:常只要區域內有地下管網,主管應在前期是均攤的,個別客戶承擔額度不高。

當有新增客戶時,大都由原預留閥續接出去即可,成本應會更小於桶槽和蒸發 器的設置費用。當然還是得看延伸續接管路長度(一般都不會太長),和桶槽、

蒸發器的規格經內部報酬率法 IRR(Internal Rate of Return Method)分析後即 可表現出來。

7.那麼請問您會因使用地下管供應模式而主動讓利給客戶嗎?

答:首先如果有選擇地下管供應的機會,客戶首先就已經獲利,如節省氣站空間和 操作方便等。整體而言氮氣的生產成本是不變的,而且占了單價的比重約六 成,最大差異度在運輸,運輸成本占價格的比重並不高,約一成比重。所以只 能當談判的籌碼而談不上主動讓利的程度。

(三)C 君,新竹工業區太陽能光電廠氣體供應管理課長-2014.05.16。

1.請問您從事氮氣使用或供應管理多少時間?

答:如果把待在前一個公司的時間加起來將近有十年了吧,雖然這家光電廠建廠沒 幾年,但是之前是在氮氣廠上班負責製程管理和品質監測,所以應該都算是氮氣 供應或管理年資。

2.您這邊氮氣供應是用哪一種方式 ? 桶槽還是地下管呢 ?

答:桶槽和地下管都有,桶槽 40000Liter,地下管 100A。平常使用地下管供氮氣,

桶槽是備用的。

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3.怎麼這麼大 ? 我看了一下您這邊的用氣量大都 230Nm3/h 而已 ?

答:那是因為當初建廠規劃時候是預計用 400Nm3/h,最近太陽能電池產業比較淡,

所以氮氣用量也比較少。其實我們廠房很大,產能可以再擴充一倍,最大氮氣用 量可達 800Nm3/h。

4.使用上您覺得如何 ? 有需要我們改進的嗎 ?

答:使用上氮氣是很好,但是有個隔離閥很緊,把手轉不動,須外加較長柄輔助才 行。還有氣站大管怎麼會不銹鋼管還生鏽 ? 場內配管雖然不是你們做的也是會 生鏽,我有清查是同一家的管子,是台灣的 D 牌子。

5.我會記下廠牌,做下紀錄,隔離閥是 T 廠商供應的 FL 球閥,管子是台灣的 D 牌子。

做下紀錄,通知供應商做說明。一般這種不銹鋼管產生銹斑現象發生原因有可能 是上游鋼材合金材質不恰當或是熱處理程序不到位,造成組織不理想(如肥粒鐵組 織)、碳原子晶界析出等。或是後天加工存放環境周遭和碳鋼混放時間長、加工後 酸洗殘液沖洗不完全等原因。若是不同區段銹斑程度不一,也有可能是靜電腐蝕 造成。改善方法為仔細巡查管線使否與電管接觸,通常愈接近接觸點電位差愈大,

銹斑就愈明顯,若發現只要將之分開就可以免除惡化。若銹斑輕微只要使用細砂 布打光即可恢復金屬光澤,但若發現時已鏽斑嚴重則使用油漆塗佈以減緩腐蝕或 增加美觀。

6.我們的客服工作表現如何呢 ?

答:還好啦,定時都會主動來關心一下,也沒有甚麼大問題。但是我發現每次來巡 檢人員是很認真到處檢查,問題是用抄寫而不是用表格勾選方式操作,這跟我以 前在氮氣廠時候巡檢不一樣,我還是認為使用檢查表逐一檢查比較好。

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7.感謝您的建議,我也認同使用檢查表逐一檢查比隨機性檢查好,不會遺漏應該檢 查項目而且可以將檢查內容結果保存備查,我將建議內部改善作法。

(四)D 君,台中科學園區 DRAM 廠氣體供應管理副理-2014.4.17。

1.您看起來頗為資深,應該從事氮氣使用或供應管理很多年了吧 ?

答:是阿,先是待氣體廠十幾年,最近偶而參與建案,碰氣體差不多十七年了。現 在是救援角色顧好供應站運行就好了。

2.您這邊氮氣供應是用哪一種方式 ? 桶槽還是地下管呢 ?

答:都不算是,雖然桶槽和地下管都有但都是備用的,主要還是用製氮機現場製氮 直接供應。

3.請教您,氣體廠的工作性質和建廠或是現在運行有什麼差別?

答:不太一樣,氣體廠主要是產氮,他的過程比較定性,當開機穩定後,只要注意 監測數據和曲線變化即可。當有異常時就需要靠經驗去判斷調整了,因為機器性 能不一樣,不能單靠理論去做調整。建廠階段工作很累,因為有開機送氣的時程 目標,一般都會很趕,工程期間又常常零件不齊全而無法就緒,若安裝不夠妥當,

以後問題就多,試車就會試得很辛苦。運行是好一點,工作重點在供氣穩定就好,

但是面對全廠的生產進行全靠我們支撐,這壓力也是很大的。這個廠比較特殊,

廠內先後蓋了三萬和一萬五的兩套製氮機,後來廠外自己的製氮工廠也蓋起來 了,又埋了氮氣地下管相連通,這是很好的,我們可以自給自足,多的就灌入地 下管送出去,機器維修時還可以引地下管氮氣進來支援,不用盼望液氮連夜送來。

4.有甚麼缺點嗎 ?

答:有,有種寄人籬下的感覺,因為水電需要做甚麼調整時都要向業主事先提報申

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請,甚至被否決,曾經我們想把一萬五的製氮機換成三萬的,業主就有意見,因 為水、電都要向業主分流過來,業主有容量的考量,所以我們的發展會受限制。

氣站內管路修改或空間運用都要協調,連門禁都要被管制。

5.有優點嗎 ?

答:有,我們公司都是保守的打帶跑策略,想當初中科初期這個廠蓋起來時候,我 們在中台灣的液氮不夠,這種大量液氮若用槽車運輸,又從南、北台灣運來真不 知道怎麼跑。可以在客戶廠內製氮供已經是很好了。運輸費也是很貴的,幾乎是 成本的六成,即使業主是為了自保才同意我們進來設氮氣廠,這是互補,可以理 解。

6.請問您對 DRAM 這產業看法如何 ?

答:最近變化很大,最近十年來一直價格不好。英飛凌倒了,爾必達也破產了,我 們茂德也倒了,力晶和南亞科差一點也倒了。華邦因為及早調整產品架構而閃過 這波惡浪,即使成為水餃股,但也留得青山在。權利金問題拖垮了茂德和力晶,

錯失了兩年前宣明智先生倡導的台灣 DRAM 整併自強計畫,茂德無力回天而消 失,力晶落得賣廠下市重整,南亞科靠背後金主苦撐。終於今年 DRAM 產業已 經轉好,力晶返代工也已出現盈餘,華邦股價也已浮出面值,南亞科更是爆發性 成長。所以這次是趨勢成長而不是個案。

7.那麼我們供應商也會獲得商機吧 ?

答:我們這個廠今年也有擴廠計畫,現在正全面評估中,反而供氣站因為當初計畫 沒有逐步實現,時間久了太多階段性的局部擴充或臨時性的需要而增加一些供氣 設備,現在需要大舉擴充反而變成是剩下可用空間不夠或是小型設備重複投入的 現象,需要重新檢討調整。既要顧及既有產線生產不中斷,又要經濟投入滿足將

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來需求,將是很大的工程。

張紹勳(2001) 認為,深入訪談的優點包括 :一、較具彈性,可以獲得第一手的 資料;二、可擴展範圍,提高回收率;三、可訪問較複雜的問題,可以深入探究問題;

四、可以觀察到受訪者非語言的行為,並幫助資料的研判;五、可高度控制訪談過程;

六、經訓練過的訪談者,可以應付不同狀況。

相反的個別訪談的缺點有 : 一、成本過高,時間過於冗長,樣本代表性受影響;

二、安排個體的事物,而非事務;三、可能有訪問者的偏差問題,造成刺激缺乏標準 化;四、缺乏保密和隱密性,受訪者可能不會據實以告,收集的資料可能有偏差。

第二節 研究範圍

以設備使用完整的氮氣供氣系統架構而言,其範圍應自氮氣源始端至設備的氣 體接入口為止,包含過程中所有氣體狀態、控制單元等。因為科技產業當中,氮氣使 用範圍非常的廣泛,氮氣運用控制過程細節依產業科技化的程度不同而差異甚多,無 法做廣泛而周全的涵蓋探討,所以特別將研究內容範圍訂定在上游氣源即氮氣生產至 氮氣供應站部分,做充分的分析探討。如此設定範圍,涵蓋了普遍性和共通部分,也 符合於業界工程發包程序時候的發包區分慣例。

(34)

第四章 研究結果與討論

第一節 氮氣的生產方式

由於產業界大量使用氮氣,對氮氣之品質、純度、數量等條件因使用之場所需 求不同而有所區別,但對氮氣的依存度卻日漸升高。於是現行各專業氣體廠商因應這 種需要而發展出低溫製造與非低溫製造兩大類截然不同的製造方式,如表 4。

表 4

氮氣的生產方式

低 溫 製 程

PSA-Pressure Swing Adsorption,

壓力變化吸附法。

分子篩或活性碳等之壓力變化吸附方式 除去不純物方式將氣體純化。

AMSA-Advance Membrane Supply Approach。

利用高分子薄膜滲透方式將氣體純化。

FLOXAL-MEMBRANE Separation System

與 AMSA 相似,其使用之薄膜為杜邦公 司發展的中空尼龍纖維束簡(稱為

MSDAL)來純化氮氣之小型製氮設備。

低 溫 製 程

ASUZ–Air Separation System Union

將原料空氣壓縮經由純化去除水份及二 氧化碳後.再經膨脹冷凍後經精餾塔分 餾、精餾而得氮、氧、氬氣。

N2 Generator

原理與 ASU 相近,是小型化的 ASU,但 只用來生產氮氣,有約 5%產品氣轉為液 態產出。

Micro-LN

原理與 ASU 相近,是更小型化的 ASU。

而其冷源則來自外加之液氮。也只用來生 產氮氣。

氮是空氣中含量最多的氣體,約佔空氣總體積的體積比 78.03%,重量比 75.5%,

是自然含量最大的氣體種類(李偉祥,2008)。所以生產氮氣大都是採用抽取大量空氣 後,加以過濾、分離、純化程序而得。

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定點現場使用場合,與傳統低溫製氮方法相比,此技術能夠更廉價投入即可進行生產 氮氣,但是生產氮氣單位成本較高,純度等級較低。而傳統低溫製程常為量大、生產 程序複雜、純度高(5N 以上)、價格高之冷凍空氣分離方式產氮,需要人力較多故呈 工廠型態設立。

吸附是利用多孔性質固體物當媒介,當流質與它接觸時讓流質中某些成份留置 在媒介物上,使得通過的流質發生某些成份數量或濃度變化的過程(田春剛,2007)。

變壓吸附(簡稱 PSA-Pressure Swing Adsorption)技術是 1959 年由美國埃索公司首先開 發成功,是將原料空氣經過濾後壓縮初步除水後,再利用分子篩或活性碳等作為吸附 劑,運 用壓力變化輔助吸附之方式除去水份、二氧化碳、氧氣等,達到純化製氮的 目的,其製氮法原理如圖 2。

A、B 兩塔為分子篩或活性碳容器,因為各種氣體分子的體積大小差異,所以形 成在碳分子篩表面上的擴散速率不同,直徑較小的氧氣體分子(體積直徑約 2.8 埃) 擴 散較快,較多地進入碳分子篩微孔,直徑較大的氮氣體分子(體積直徑約 3.0 埃)擴散 較慢,進入碳分子篩較少,同時根據碳分子篩隨壓力不同,吸附氧、氮的容量也有差 異的特性,吸附塔加壓時碳分子篩優先吸附氧分子,這樣在氮在氣相中被富集起來,

形成了成品氮氣。在減壓時,引導成品氮氣進行充吹使碳分子篩脫附所吸附的氧及其 他雜質成分,讓碳分子篩得以再生。

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圖 2 PSA 製氮結構圖

資料來源 : 台灣區高壓氣體工業同業公會,知識園地,氣體百科。

但是這種產氮方式一般是使用兩具吸附塔更替使用,約兩分鐘一個循環。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 自塔 A 純化後的氮氣在大氣壓之條件下進行充吹脫附使分子篩內已吸附之 O2、

CO2、水汽等被吹落脫附除去,完成再生程序。當塔 B 完成再生且塔 A 達吸附飽和 時,塔 B 由頂部自塔 A 導進氮氣建壓,其與塔 A 達壓力平衡後,即改由塔 B 底部進 料生產氮氣,塔 A 則開始進行再生循環。如此,通過全自動控制系統按特定程式自 動控制加壓吸附,減壓脫附,常壓解吸的循環交替過程,以實現連續生產氮氣之目的。

分子篩主要任務為吸附水分和非氮氣雜質,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,進氣由吸附式乾燥機處理優於冷凍 式乾燥機處理,去水分較為徹底。所以程序上是原料空氣吸入後,先經冷凍是乾燥機

Compressed air N2

Vent

A B

Close

Open

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做初步除水和油份後,在進一步由分子篩進行更徹底的消除水分子以提高氮氣品質。

此類型產能大多為單機流量 200Nm3/h 以下。與其他製氮方式相比,此為現場裝 置設備,能夠以廉價投入即可生產氮氣使用,比起傳統低溫製程非低溫製氮耗用能源 較小,可間斷使用,不須太多前置時間以提升氣體品質,機動即時等優點,用途廣泛。

因為 PSA 製程純度等級較低,約為 95%至 99% 的粗氮(韓光瑤,1999),生產氮氣的 純度最高可以達到 99.9%;當氮氣純度為 99.5%時,其能耗約為 0.42kWh/m3(石江、

郜豫 1996)。

另一非低溫製程製氮方法為 AMSA (Advance Membrane Supply Approach) – 高 分子膜製氮技術,原理如圖 3。由美國陶道氏化學公司(DOW Chemical)在 50 年代首 創開發出來,利用混合型空氣通過高分子膜時後,由於各種單純氣體對高分子膜的溶 解度或擴散係數不同(氧分子的體積較氮分子小,故擴散速度較大)而導致不同氣體在 膜中相對滲透率不同而形成篩濾功能,使得氮氣順利被分離出來。

圖 3 AMSA 製氮結構及各種氣體滲透率分布順序圖 資料來源 : 天津梅塞爾凱德氣體系統有限公司,2007。

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當產能提升超過隔膜的生產能力時,產品純度就會下降。產能體現在產品氣流 量上,產品氣純度一般是由氧含量和露點來表示。高分子膜製氮系統的產能取決於隔 膜的擴散能力,產能和產品氣體純度相互影響,薄膜製氮技術裝置流程及操作簡單,

可以提供純度為99%的氮氣,並且可以同時獲得純度為30%〜40%的富氧氣體,因而 在小型集氧生產設備中應用是合適的。

膜分離技術是利用具有特殊的有機高分子和無機材料,形成不同形態結構的濾 膜,在一定的壓力驅動力作用下,使氣體因透過膜的速率或能力的不同而達到分離或 特定成份聚集的目的。

由沈宗荣(2011)等人研究結果顯示,環境溫度越高,高分子膜入口溫度越高,產 品氣流量越大;環境溫度越高,產品氣氧含量相對較低;露點相對較高,產品氣質量 下降,其間關係如表5所示:

表 5

膜製氮環境溫度與產品氣流量、產品質量質的關係表 環境溫度

加熱器出 口溫度℃

模組入口 溫度℃

產品流量 Nm3/h

氧含量

% 露點℃ 溫差℃

10 54.4 47.2 33 1.46 -99.9 7.2 15 54.7 49.1 32 1.22 -95.5 5.6 20 54.8 49.8 36 0.98 -95.4 5.0 25 54.9 50.1 42 0.94 -92.2 4.8 30 55.1 50.4 45 0.97 -88.6 4.7 註:加熱器出口與模組入口存在一定距離,有熱損失所以存在一定溫差。

資料來源 :天然氣技術與經濟,2011,第一期。

另一個影響流量的重要因素是壓縮機的輸出壓力,如圖4所示。它反映了壓縮機 加壓、卸載運行全過程中壓力與流量關係,具有普遍性,能夠較精確反映壓力與流量 的關係。由圖中可以看出,壓縮機載入過程中,隨著壓力上升,產品氣流量不斷加大,

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直到產能極限時,產品氣流量加大趨勢並不明顯。降載的過程中,隨著壓力逐漸降低,

產品氣流量也隨之降低。所以,在高分子膜的負荷極限前,膜製氮的流量與壓縮機的 輸出壓力呈正向關係。

0 10 15

5 25 30

20 35 45 40

產品氣流量Nm3 /h

模組入口壓力 - Mpa

1.01 1.04 1.07 1.10 1.13 1.16 1.19 1.22 1.24 1.21 1.18 1.15 1.12 1.09 1.031.06

圖 4 模組入口壓力與產品氣流量關係圖

資料來源 :天然氣技術與經濟,2011,第一期。

FLOXAL製氮法之原理相似於AMSA,使用之薄膜為杜邦公司發展的中空尼龍 纖維束簡稱為MSDAL來純化氮氣之小型製氮設備(高銘樹,2004)。主要是一個圓筒 形的高分子材料製成的中空纖維膜束,每束像列管式換熱器一樣包含上百萬根中空纖 維,以提供最大限度的分離面積,每根中空纖維直徑約幾十微米1,就像人的頭髮絲 一般細微,壓縮空氣由中空纖維束模組的一端進入,氣體分子在壓力作用下,經過吸 附、擴散、逸出,從中空纖維管束的另一端排出產品氣。由於每種氣體對纖維的滲透 速率均不相同,氧、水蒸氣、二氧化碳等因相對體積較小而滲透速率較快,即由高壓 內側纖維壁向低壓外側滲出容易,由膜元件一側的排氣口排出;而氮氣因為相對體積 較大故滲透速率較慢,被集合在高壓內側,由模組件的另一端排出,從而實現了氧和

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氮的分離目的(沈宗荣、王剛、廖倫豐、邊遠,2011)。其原理如圖5所示:

圖 5 FLOXAL 製氮結構及各種氣體滲透率分布順序圖 資料來源 : 天津梅塞爾凱德氣體系統有限公司,2007。

這種超細化高壓中空纖維膜空分制氮系統方式因為須利用氣體壓力已迫使通過中空 纖維膜束,從而實現了氧、氮的分離,分離出來的氮氣壓力一般大於20kg/cm2,生產 氮氣量可以從 1 Nm3/h 到 5000 Nm3/h,可得到體積純度95〜99.99%氮氣,同時得到 30〜45% 體積純度的富氧氣體(韓光瑤,1999)。

註 1 - 微米 (Micrometer) 是長度單位,符號 µm。1 微米相當於 1 公尺的一百萬分 之一(10-6),此即為「微」的字義)。

低溫製程生產氮氣是利用壓縮機抽取大量空氣後,經除水桶 (reciver tank) 除去 壓縮空氣中的部分液態水和油份,再送入一個 PPU (Pre-Purifier Unit) 分子篩純化塔 (內有活性氧化鋁、分子篩雙層床),在那裡空氣中的二氧化碳和水分被吸附除去。而 同時另一個分子篩塔則使用從冷箱排出的廢氣來進行再生。經過純化後的空氣進入冷 箱,在空氣換熱器中與逆流而出的產品氮氣、廢氣等進行熱交換冷卻至接近液化溫 度。利用氮、氧、氬氣的沸點不同,將沸點較高之雜質陸續冷凍下來然後使用後段廢

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氣來將它吹除,如此可階段性的將不同氣體分離出來。再經膨脹冷凍後送至精餾塔分 餾、精餾而得高品質氮氣,產氮純度可達99.999% (5N) 以上的ppb等級。生產過程中 無須投入原料或助劑,並無公害產生,是一種智慧兼具環保型的產業。

A.S.U (Air Separation Union) 為具有較完整而複雜的空氣分離系統設備,可以同 時生產出氮、氧、氬氣,而這三種氣體為空氣中含量最高者,製氮流程如圖 6。

圖 6 ASU 製氣流程圖

資料來源 : 聯華氣體工業股份有限公司,2011。

氣體製造廠透過壓縮機及熱交換器的組合,將空氣一次又一次的壓縮、冷卻、

再壓縮、再冷卻…。數道次的程序之後,空氣中原本所內含的熱能被冰水帶走了。而 空氣中如氧、氮、氬等主要成分因其臨界壓力、溫度的不同。在不同梯次的冷凝器中 被冷凝收集下來,以液態的方式存在。在精餾或分餾階段是利用各種氣體不同的液化 臨界溫度差異之特點,分別篩出不同氣體並排除而進行純化,並利用純化過程中不純 的低溫廢氣作為冷源循環於前段製程,引發前製程氣體預冷的冷源,最能後才予以排

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除。

在氣體生產分餾過程中,氮氣、氧氣的純度取決於精餾板數目的多寡,精餾板 數目較多則可進行精餾次數也多,所以產品氮氣純度會提高。通常精餾塔會分為一座 高壓塔及一座低壓塔,主冷凝器則架構於高低壓塔之間。它的作用是低壓塔的再沸器 同時也是高壓塔的冷凝器。其目的是將沸點(-182.96℃)較高的液氧蒸發並將沸點更低 (-195.8℃)的氣氮冷凝。高壓塔主要是將空氣初步分離,低壓塔用來做最後的分餾、

氧氣由底部流出而氮氣由頂部流出。

由塔頂引出之高純度之氮氣產品可經由連續性在線監測 (CQC - Continue Quality Control) 系統確認產品氮氣品質合格後導入儲存、分裝或是以管線直接輸送 到客戶端使用。如果需要將氮氣液化時,則將精餾塔生產之氣氮切換至液體模式生 產,使氣態氮轉換為液態氮 (LIN) 型式,可以大量壓縮體積 (見表 5) 後便於儲存和 運輸到客戶供其使用。

Generator 是最典型的空氣分離裝置,專門用於大量生產氮氣,一般稱為製氮 機,製氮流程如圖7。

圖 7 Generator 製氮流程圖

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