專利名稱：一種低能耗的7n電子級超純氨純化工藝和裝置的制作方法
技術領域：
本技術涉及一種氣體的純化工藝和裝置，特別涉及一種低能耗的99. 99999%(7N)電子級超純氨純化工藝和裝置。
背景技術：
超純氨是半導體工業(yè)中重要的電子氣體，作為一種理想的氮源常用于合成氮化物，其主要應用有I、金屬有機化合物氣相淀積(MOCVD)制備氮化鎵(GaN)是LED的基礎。超純氨為 氮源。2、化學氣象沉積(CVD)制備Si3N4絕緣層，廣泛應用在大規(guī)模集成電路、液晶顯示器。超純氨為氮源。3、等離子氣相沉積爐(PECVD)制備Si3N4減發(fā)射膜，減發(fā)射膜沉積在晶體硅太陽能電池表面，增大電池片對太陽光線的吸收。超純氨為氮源。4、超純氨在超硬陶瓷如氮化硼，生物以及醫(yī)藥領域也有廣泛的應用。隨著科技的發(fā)展，為了合成高質量的氮化物，微電子工業(yè)等對超純氨的純度要求越來越高，如超純氨國家標準從99. 9995% (5N5)，發(fā)展到99. 99994% ^N4，藍氨)，直到現(xiàn)在市場需求99. 99999% (7N，白氨)。同時，隨著市場對超純氨的需求量越來越大，超純氨的純化工藝也不斷涌現(xiàn)，總的原則是采用不同純化手段合理組合，進行逐級純化，最終達到5N5，6N4，7N等不同等級要求，常用的純化手段有過濾、吸附、精餾等。在諸多已有專利中，CN101817540A、CN201520645U所描述的純化工藝，原料液氨經氨泵打入氣化器，加熱氣化、然后經吸附除油、吸附除水、PPb級精餾、終端吸附純化這一逐步純化的工藝，得到7N電子級超純氨，具有一定的可行性和代表性。從專利的工藝敘述中，整個純化過程始終圍繞著液氨氣化和氣氨冷凝進行各項單元操作。物料順序經過各個操作單元，氣化器和精餾再沸器中的液氨氣化由獨立的加熱系統(tǒng)加熱，精餾塔頂冷凝器和終端純化出口冷凝器中的氣氨冷凝由獨立的冷凍機組冷卻，整個過程片面關注于如何去除氨中雜質，提高氨的純度，沒考慮到從能量綜合利用的角度對工藝流程進行優(yōu)化。對于工業(yè)化應用勢必能耗很高。其他現(xiàn)有專利也存在同樣的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有氨純化工藝只追求產品高純度，不顧工藝高能耗的不足，提供一種低能耗的7N電子級超純氨純化工藝和裝置。本發(fā)明的技術方案是一種新型低能耗的7N電子級超純氨純化工藝及裝置，具體工藝步驟為(I)原料氨的提純氣化將99. 8%的工業(yè)氨從原料氨罐依靠自身壓力輸送到精餾塔頂高效能量轉化器和終端純化出口高效能量轉化器，原料氨減壓氣化的同時，精餾塔頂出來的經過提純的氣氨以及終端純化出口的成品氣氨得到冷凝。因為根據(jù)液氨的理化性質可知，減壓后液氨極易揮發(fā)氣化，并且吸收大量熱量，通常作為制冷劑，本發(fā)明通過高效能量轉化器將原料液氨氣化與提純后氣氨冷凝有機結合起來，做到能量高效轉換，大幅度降低能耗，徹底去除傳統(tǒng)工藝中的冷凍機組。在上述工藝步驟中，原料液氨在氣化的同時，也得到初步的除油除水。因為雖然氨與水有著很好的互溶性，但是水在氨的氣液兩相中的平衡溶解度有很大差異，本工藝采用新型高效能量轉化器，通過控制轉化器中殘留液氨量以及穩(wěn)定的能量轉換，將約20%的含水量很高的液氨排放到廢氨罐，同時有效控制液氨不發(fā)生沸騰蒸發(fā)，可以使蒸發(fā)氣氨中水分含量降至IOOppm左右。(2)輔助加熱氣化以及氣氨中的液滴捕集在高效能量轉化器中得到氣化的原料氨進入有輔助加熱的氣化器進行進一步加熱氣化，氣化過程嚴格控制氣化溫度40-60°C，盡量減少水分蒸發(fā)。若想獲得高純氣氨必須克服固有觀念，在氣化工序就考慮除油、除水，因為油滴粘度大，液滴表面張力增加，本發(fā)明在氣化器上部設置液滴捕集器，將氣氨中液滴有效除去,使氣氨中油水達到50-80ppm，此舉將使后工序處理能力大為增加，并節(jié)省處理成 本。(3)超濾除油氣化并去除液滴的氣氨進入超濾除油器，利用成熟的超濾技術，可將油含量有效控制在O. Ippm以下。同時，可以克服傳統(tǒng)工藝中利用活性炭除油的弊端，大大降低精餾負荷，因為活性炭在除油的同時，易夾帶活性炭顆粒并且再生消耗高。(4)吸附干燥除水除油后的氨氣進入吸附干燥器，利用特制的沸石分子篩進行深度除水，特點是高強度分子篩適合長周期運行，同時選擇性吸附可有效克服氨、水之間的范德華力，脫水效率高，凈化后氣氨中水含量< lppm。(5)高效精密精餾提純利用計算機輔助設計的高效精密精餾塔，塔上部去除輕組分H2, O2, N2, Ar, CH4, CO等雜質,使其降到彡IOppb0利用一級二級精懼再沸器,控制再沸器液位和切換時間來除去CO2，使其彡Ippm ;同時去除水分，達到ppb級；高沸物和金屬離子等雜質，達到PPt級。在靠近塔釜的位置，精餾出料。(6)終端精制純化從精餾塔出來的氣氨可以穩(wěn)定的達到5N5，6N4的純度等級，要想達到7N級純度要求，必須利用特制復合型吸附劑，將不同選擇性的吸附劑嚴格按設計要求進行分層裝填。按吸水；吸CO, CO2, CH4 ;吸H2，N2，02，Ar ;最后一層吸CxHy的順序，逐層吸附，深度去除H2O, CO2, CxHy?？梢允巩a品純度穩(wěn)定達到99. 99999% (7N)。通過本發(fā)明的純化工藝和設備，不僅可以產品純度達到7N，而且徹底取消了傳統(tǒng)工藝的冷凍機組，液氨氣化器的加熱也變成了輔助加熱，大幅度降低了能耗。


圖I為背景技術純化工藝流程簡圖。其中1.液氨儲罐2.液氨泵3-1. 3-2.氣化器4-1. 4-2.除油器5-1. 5-2.吸附干燥器6.精餾塔7-1. 7-2.再沸器8-1. 8-2.終端純化器9-1. 9-2.冷凝器10.產品儲槽11.冷凍機組12.廢氨儲槽圖2為本專利技術純化工藝流程簡圖。其中1.液氨儲罐2-1.2-2.高效能量轉化器3-1. 3-2.氣化器4.氣氨泵5-1. 5-2.超濾除油器6-1. 6-2.吸附干燥器7.精餾塔
8-1. 8-2.再沸器9-1. 9-2.終端純化器10.產品儲槽11.廢氨儲槽
具體實施例方式以下參照附圖對本發(fā)明進行說明。本發(fā)明原料氨采用工業(yè)級99. 8%的液氨，設計7N電子級超純氨年產量1500噸。如圖2所示，將99. 8%的工業(yè)氨從原料氨罐I依靠自身壓力輸送到精餾塔頂高效能量轉化器2-1和終端純化出口高效能量轉化器2-2，原料氨減壓氣化的同時，精餾塔頂7出來的經過提純的氣氨以及終端純化9出口的成品氣氨得到冷凝。在上述工藝步驟中，原料液氨在氣化的同時，也得到初步的除油除水。本工藝采用新型高效能量轉化器2-1，2-2，通過控制轉化器中殘留液氨量以及穩(wěn)定的能量轉換，將約20%的含水量很高的液氨排放到廢氨罐，同時有效控制液氨不發(fā)生沸騰蒸發(fā)，可以使蒸發(fā)氣氨中水分含量降至IOOppm左右。、
在高效能量轉化器中得到氣化的原料氨進入有輔助加熱的氣化器3-1，3-2進行進一步加熱氣化，氣化過程嚴格控制氣化溫度40-60°C，盡量減少水分蒸發(fā)。在氣化器上部設置液滴捕集器，將氣氨中液滴有效除去，使氣氨中油水達到50-80ppm，此舉將使后工序處理能力大為增加，并節(jié)省處理成本。氣化并去除液滴的氣氨進入超濾除油器5-1，5_2，利用成熟的超濾技術，可將油含量有效控制在O. Ippm以下。除油后的氨氣進入吸附干燥器6-1，6-2，凈化后氣氨中水含量彡Ippm0經過除油除水予純化的氣氨進入高效精密精餾塔7提純塔上部去除輕組分H2,
O2,N2, Ar，CH4, CO等雜質，使其降到彡lOppb。利用一級二級精餾再沸器8_1，8_2，控制再沸器液位和切換時間來除去CO2，使其彡Ippm ;同時去除水分，達到ppb級；高沸物和金屬離子等雜質，達到PPt級。在靠近塔釜的位置，精餾出料。從精餾塔出來的氣氨可以穩(wěn)定的達到5N5，6N4的純度等級，在終端純化器9_1，
9-2，利用特制復合型吸附劑，將不同選擇性的吸附劑嚴格按設計要求進行分層裝填。按吸水 M CO, CO2, CH4 M H2，N2，02，Ar ;吸 CxHy 的順序，逐層吸附，深度去除 H2O, CO2, CxHy0可以使產品純度穩(wěn)定達到99. 99999% (7N)。經過整套純化工藝處理后得到的超純氨雜質含量如表I所示表I :超純氨純度及各項雜質含量指標
超純氨純度雜質含量(ppb)—
(%)Ar CO2 I CO IH2 I O2HaO CxHy
99.9999910 20 10 20 10 I 丨 10本發(fā)明與背景技術同等規(guī)模(1500噸/年)能耗對比見表2 本發(fā)明與背景技術同等規(guī)模(1500噸/年)能耗對比表
I要項目背景技術本發(fā)明節(jié)
原料氨氣化器90KW*2__45Kff*290KW
精餾再沸器_ 160Kff*2 — 160Kff*2 一O 一
冷凍機組_ 250KW O —250KW 一
總容量750KW 410KW340KW —
綜上所述，本 發(fā)明工藝及裝備，在穩(wěn)定產出7N電子級超純氨的同時，可以比背景技術節(jié)約能耗45%以上。
權利要求
1.本發(fā)明提供一種低能耗的7N電子級超純氨的純化工藝和工藝裝備，其工藝特征是 (1)原料氨的提純氣化將99.8%的工業(yè)氨從原料氨罐依靠自身壓力輸送到精餾塔頂高效能量轉化器和終端純化出口高效能量轉化器，原料氨減壓氣化的同時，精餾塔頂出來的經過提純的氣氨以及終端純化出口的成品氣氨得到冷凝。
(2)原料液氨在氣化的同時，也得到初步的除油除水。本工藝通過控制高效能量轉化器中殘留液氨量以及穩(wěn)定的能量轉換，將含水量很的液氨排放到廢氨罐，可以使蒸發(fā)氣氨中水分含量降至IOOppm左右。
(3)輔助加熱氣化以及氣氨中的液滴捕集在高效能量轉化器中得到氣化的原料氨進入有輔助加熱的氣化器進行進一步加熱氣化。在氣化器上部設置液滴捕集器，將氣氨中液滴有效除去，使氣氨中油水達到50-80ppm。
(4)超濾除油氣化并去除液滴的氣氨進入超濾除油器，利用成熟的超濾技術，可將油含量有效控制在O. Ippm以下。
(5)吸附干燥除水除油后的氨氣進入吸附干燥器，利用特制的沸石分子篩進行深度除水,純化后氣氨中水含量< lppm。
(6)高效精密精餾提純高效精密精餾塔，塔上部去除輕組分H2,O2，N2, Ar，CH4, CO等雜質，使其降到彡IOppb0塔底部控制再沸器液位和切換時間來除去C02，使其彡lppm;去除水分，達到ppb級；去除高沸物和金屬離子等雜質,達到ppt級。
(7)終端精制純化采用復合型吸附劑，將不同選擇性的吸附劑嚴格按設計要求進行分層裝填，逐層吸附，深度去除H2O, C02，CxHy?？梢允巩a品純度穩(wěn)定達到99. 99999% (7N)。
2.本發(fā)明的裝置技術，其主要特征為 (1)高效能量轉化器液氨蒸發(fā)與氣氨冷凝一體化設備，液氨減壓蒸發(fā)設有蒸發(fā)空間同時液氨液位可控，含水含油量高的液氨排至廢氨罐，液氨汽化同時得到初步提純。
(2)帶液滴捕集器的輔助氣化器氣化器上部設置液滴捕集器，捕集的液滴含水含油，排至廢氨罐 (3)超濾除油器采用微米級濾芯進行超濾除油。
(4)吸附干燥除水器采用極性沸石分子篩變溫吸附進行深度除水。
(5)高效精密精餾塔頂部采出輕組分H2,O2, N2, Ar, CH4, CO ;底部除去高沸物、金屬雜質和CO2。
(6)終端精制純化器填充復合型吸附劑，分層裝填，逐層吸附，深度去除H2O,CO2,CxHy0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低能耗的7N電子級超純氨純化工藝和裝備，其基本工藝步驟是①工業(yè)級原料氨的提純氣化；②原料液氨在氣化同時的除油除水；③輔助加熱氣化以及氣氨中的液滴捕集；④超濾除油；⑤變溫吸附干燥除水；⑥高效精密精餾提純；⑦終端精制純化。通過以上逐步純化工藝，產品氨純度可以達到99.99999％(7N)，而且徹底取消了傳統(tǒng)工藝的冷凍機組，液氨氣化器的加熱也變成了輔助加熱，大幅度降低了能耗。
文檔編號C01C1/02GK102730717SQ201110084948
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權日2011年4月6日
發(fā)明者李訓竹 申請人:李訓竹