专利名称：一种低能耗的7n电子级超纯氨纯化工艺和装置的制作方法
技术领域：
本技术涉及一种气体的纯化工艺和装置，特别涉及一种低能耗的99. 99999%(7N)电子级超纯氨纯化工艺和装置。
背景技术：
超纯氨是半导体工业中重要的电子气体，作为一种理想的氮源常用于合成氮化物，其主要应用有I、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)制备氮化镓(GaN)是LED的基础。超纯氨为 氮源。2、化学气象沉积(CVD)制备Si3N4绝缘层，广泛应用在大规模集成电路、液晶显示器。超纯氨为氮源。3、等离子气相沉积炉(PECVD)制备Si3N4减发射膜，减发射膜沉积在晶体硅太阳能电池表面，增大电池片对太阳光线的吸收。超纯氨为氮源。4、超纯氨在超硬陶瓷如氮化硼，生物以及医药领域也有广泛的应用。随着科技的发展，为了合成高质量的氮化物，微电子工业等对超纯氨的纯度要求越来越高，如超纯氨国家标准从99. 9995% (5N5)，发展到99. 99994% ^N4，蓝氨)，直到现在市场需求99. 99999% (7N，白氨)。同时，随着市场对超纯氨的需求量越来越大，超纯氨的纯化工艺也不断涌现，总的原则是采用不同纯化手段合理组合，进行逐级纯化，最终达到5N5，6N4，7N等不同等级要求，常用的纯化手段有过滤、吸附、精馏等。在诸多已有专利中，CN101817540A、CN201520645U所描述的纯化工艺，原料液氨经氨泵打入气化器，加热气化、然后经吸附除油、吸附除水、PPb级精馏、终端吸附纯化这一逐步纯化的工艺，得到7N电子级超纯氨，具有一定的可行性和代表性。从专利的工艺叙述中，整个纯化过程始终围绕着液氨气化和气氨冷凝进行各项单元操作。物料顺序经过各个操作单元，气化器和精馏再沸器中的液氨气化由独立的加热系统加热，精馏塔顶冷凝器和终端纯化出口冷凝器中的气氨冷凝由独立的冷冻机组冷却，整个过程片面关注于如何去除氨中杂质，提高氨的纯度，没考虑到从能量综合利用的角度对工艺流程进行优化。对于工业化应用势必能耗很高。其他现有专利也存在同样的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有氨纯化工艺只追求产品高纯度，不顾工艺高能耗的不足，提供一种低能耗的7N电子级超纯氨纯化工艺和装置。本发明的技术方案是一种新型低能耗的7N电子级超纯氨纯化工艺及装置，具体工艺步骤为(I)原料氨的提纯气化将99. 8%的工业氨从原料氨罐依靠自身压力输送到精馏塔顶高效能量转化器和终端纯化出口高效能量转化器，原料氨减压气化的同时，精馏塔顶出来的经过提纯的气氨以及终端纯化出口的成品气氨得到冷凝。因为根据液氨的理化性质可知，减压后液氨极易挥发气化，并且吸收大量热量，通常作为制冷剂，本发明通过高效能量转化器将原料液氨气化与提纯后气氨冷凝有机结合起来，做到能量高效转换，大幅度降低能耗，彻底去除传统工艺中的冷冻机组。在上述工艺步骤中，原料液氨在气化的同时，也得到初步的除油除水。因为虽然氨与水有着很好的互溶性，但是水在氨的气液两相中的平衡溶解度有很大差异，本工艺采用新型高效能量转化器，通过控制转化器中残留液氨量以及稳定的能量转换，将约20%的含水量很高的液氨排放到废氨罐，同时有效控制液氨不发生沸腾蒸发，可以使蒸发气氨中水分含量降至IOOppm左右。(2)辅助加热气化以及气氨中的液滴捕集在高效能量转化器中得到气化的原料氨进入有辅助加热的气化器进行进一步加热气化，气化过程严格控制气化温度40-60°C，尽量减少水分蒸发。若想获得高纯气氨必须克服固有观念，在气化工序就考虑除油、除水，因为油滴粘度大，液滴表面张力增加，本发明在气化器上部设置液滴捕集器，将气氨中液滴有效除去,使气氨中油水达到50-80ppm，此举将使后工序处理能力大为增加，并节省处理成 本。(3)超滤除油气化并去除液滴的气氨进入超滤除油器，利用成熟的超滤技术，可将油含量有效控制在O. Ippm以下。同时，可以克服传统工艺中利用活性炭除油的弊端，大大降低精馏负荷，因为活性炭在除油的同时，易夹带活性炭颗粒并且再生消耗高。(4)吸附干燥除水除油后的氨气进入吸附干燥器，利用特制的沸石分子筛进行深度除水，特点是高强度分子筛适合长周期运行，同时选择性吸附可有效克服氨、水之间的范德华力，脱水效率高，净化后气氨中水含量< lppm。(5)高效精密精馏提纯利用计算机辅助设计的高效精密精馏塔，塔上部去除轻组分H2, O2, N2, Ar, CH4, CO等杂质,使其降到彡IOppb0利用一级二级精懼再沸器,控制再沸器液位和切换时间来除去CO2，使其彡Ippm ;同时去除水分，达到ppb级；高沸物和金属离子等杂质，达到PPt级。在靠近塔釜的位置，精馏出料。(6)终端精制纯化从精馏塔出来的气氨可以稳定的达到5N5，6N4的纯度等级，要想达到7N级纯度要求，必须利用特制复合型吸附剂，将不同选择性的吸附剂严格按设计要求进行分层装填。按吸水；吸CO, CO2, CH4 ;吸H2，N2，02，Ar ;最后一层吸CxHy的顺序，逐层吸附，深度去除H2O, CO2, CxHy。可以使产品纯度稳定达到99. 99999% (7N)。通过本发明的纯化工艺和设备，不仅可以产品纯度达到7N，而且彻底取消了传统工艺的冷冻机组，液氨气化器的加热也变成了辅助加热，大幅度降低了能耗。
图I为背景技术纯化工艺流程简图。其中1.液氨储罐2.液氨泵3-1. 3-2.气化器4-1. 4-2.除油器5-1. 5-2.吸附干燥器6.精馏塔7-1. 7-2.再沸器8-1. 8-2.终端纯化器9-1. 9-2.冷凝器10.产品储槽11.冷冻机组12.废氨储槽图2为本专利技术纯化工艺流程简图。其中1.液氨储罐2-1.2-2.高效能量转化器3-1. 3-2.气化器4.气氨泵5-1. 5-2.超滤除油器6-1. 6-2.吸附干燥器7.精馏塔
8-1. 8-2.再沸器9-1. 9-2.终端纯化器10.产品储槽11.废氨储槽
具体实施例方式以下参照附图对本发明进行说明。本发明原料氨采用工业级99. 8%的液氨，设计7N电子级超纯氨年产量1500吨。如图2所示，将99. 8%的工业氨从原料氨罐I依靠自身压力输送到精馏塔顶高效能量转化器2-1和终端纯化出口高效能量转化器2-2，原料氨减压气化的同时，精馏塔顶7出来的经过提纯的气氨以及终端纯化9出口的成品气氨得到冷凝。在上述工艺步骤中，原料液氨在气化的同时，也得到初步的除油除水。本工艺采用新型高效能量转化器2-1，2-2，通过控制转化器中残留液氨量以及稳定的能量转换，将约20%的含水量很高的液氨排放到废氨罐，同时有效控制液氨不发生沸腾蒸发，可以使蒸发气氨中水分含量降至IOOppm左右。、
在高效能量转化器中得到气化的原料氨进入有辅助加热的气化器3-1，3-2进行进一步加热气化，气化过程严格控制气化温度40-60°C，尽量减少水分蒸发。在气化器上部设置液滴捕集器，将气氨中液滴有效除去，使气氨中油水达到50-80ppm，此举将使后工序处理能力大为增加，并节省处理成本。气化并去除液滴的气氨进入超滤除油器5-1，5_2，利用成熟的超滤技术，可将油含量有效控制在O. Ippm以下。除油后的氨气进入吸附干燥器6-1，6-2，净化后气氨中水含量彡Ippm0经过除油除水予纯化的气氨进入高效精密精馏塔7提纯塔上部去除轻组分H2,
O2,N2, Ar，CH4, CO等杂质，使其降到彡lOppb。利用一级二级精馏再沸器8_1，8_2，控制再沸器液位和切换时间来除去CO2，使其彡Ippm ;同时去除水分，达到ppb级；高沸物和金属离子等杂质，达到PPt级。在靠近塔釜的位置，精馏出料。从精馏塔出来的气氨可以稳定的达到5N5，6N4的纯度等级，在终端纯化器9_1，
9-2，利用特制复合型吸附剂，将不同选择性的吸附剂严格按设计要求进行分层装填。按吸水 M CO, CO2, CH4 M H2，N2，02，Ar ;吸 CxHy 的顺序，逐层吸附，深度去除 H2O, CO2, CxHy0可以使产品纯度稳定达到99. 99999% (7N)。经过整套纯化工艺处理后得到的超纯氨杂质含量如表I所示表I :超纯氨纯度及各项杂质含量指标
超纯氨纯度杂质含量(ppb)—
(%)Ar CO2 I CO IH2 I O2HaO CxHy
99.9999910 20 10 20 10 I 丨 10本发明与背景技术同等规模(1500吨/年)能耗对比见表2 本发明与背景技术同等规模(1500吨/年)能耗对比表
I要项目背景技术本发明节
原料氨气化器90KW*2__45Kff*290KW
精馏再沸器_ 160Kff*2 — 160Kff*2 一O 一
冷冻机组_ 250KW O —250KW 一
总容量750KW 410KW340KW —
综上所述，本 发明工艺及装备，在稳定产出7N电子级超纯氨的同时，可以比背景技术节约能耗45%以上。
权利要求
1.本发明提供一种低能耗的7N电子级超纯氨的纯化工艺和工艺装备，其工艺特征是 (1)原料氨的提纯气化将99.8%的工业氨从原料氨罐依靠自身压力输送到精馏塔顶高效能量转化器和终端纯化出口高效能量转化器，原料氨减压气化的同时，精馏塔顶出来的经过提纯的气氨以及终端纯化出口的成品气氨得到冷凝。
(2)原料液氨在气化的同时，也得到初步的除油除水。本工艺通过控制高效能量转化器中残留液氨量以及稳定的能量转换，将含水量很的液氨排放到废氨罐，可以使蒸发气氨中水分含量降至IOOppm左右。
(3)辅助加热气化以及气氨中的液滴捕集在高效能量转化器中得到气化的原料氨进入有辅助加热的气化器进行进一步加热气化。在气化器上部设置液滴捕集器，将气氨中液滴有效除去，使气氨中油水达到50-80ppm。
(4)超滤除油气化并去除液滴的气氨进入超滤除油器，利用成熟的超滤技术，可将油含量有效控制在O. Ippm以下。
(5)吸附干燥除水除油后的氨气进入吸附干燥器，利用特制的沸石分子筛进行深度除水,纯化后气氨中水含量< lppm。
(6)高效精密精馏提纯高效精密精馏塔，塔上部去除轻组分H2,O2，N2, Ar，CH4, CO等杂质，使其降到彡IOppb0塔底部控制再沸器液位和切换时间来除去C02，使其彡lppm;去除水分，达到ppb级；去除高沸物和金属离子等杂质,达到ppt级。
(7)终端精制纯化采用复合型吸附剂，将不同选择性的吸附剂严格按设计要求进行分层装填，逐层吸附，深度去除H2O, C02，CxHy。可以使产品纯度稳定达到99. 99999% (7N)。
2.本发明的装置技术，其主要特征为 (1)高效能量转化器液氨蒸发与气氨冷凝一体化设备，液氨减压蒸发设有蒸发空间同时液氨液位可控，含水含油量高的液氨排至废氨罐，液氨汽化同时得到初步提纯。
(2)带液滴捕集器的辅助气化器气化器上部设置液滴捕集器，捕集的液滴含水含油，排至废氨罐 (3)超滤除油器采用微米级滤芯进行超滤除油。
(4)吸附干燥除水器采用极性沸石分子筛变温吸附进行深度除水。
(5)高效精密精馏塔顶部采出轻组分H2,O2, N2, Ar, CH4, CO ;底部除去高沸物、金属杂质和CO2。
(6)终端精制纯化器填充复合型吸附剂，分层装填，逐层吸附，深度去除H2O,CO2,CxHy0
全文摘要
本发明公开了一种低能耗的7N电子级超纯氨纯化工艺和装备，其基本工艺步骤是①工业级原料氨的提纯气化；②原料液氨在气化同时的除油除水；③辅助加热气化以及气氨中的液滴捕集；④超滤除油；⑤变温吸附干燥除水；⑥高效精密精馏提纯；⑦终端精制纯化。通过以上逐步纯化工艺，产品氨纯度可以达到99.99999％(7N)，而且彻底取消了传统工艺的冷冻机组，液氨气化器的加热也变成了辅助加热，大幅度降低了能耗。
文档编号C01C1/02GK102730717SQ201110084948
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者李训竹 申请人:李训竹