專利名稱：高純氨制備工藝中冷量利用裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于節(jié)能領域，涉及一種合成高純氨中能量利用裝置及方法，尤其是涉及一種高純氨制備工藝中冷量利用裝置及方法。
背景技術：
現(xiàn)代微電子和光電子等工業(yè)的發(fā)展對氮化物特別是氮化鎵(GaN)和氮化硅(Si3N4)提出了更高的質量要求。在制備高質量的氮化物中，必須要使用高純度的氨氣(高純氨)，通常高純氨的純度需要在99. 9999%以上。中國專利ZL2009100662709. 3，名稱為“氨催化裂解、氫氮氣純化和氨合成三步集成制備高純氨的方法”公開了一種區(qū)別于傳統(tǒng)的通過精餾獲得高純氨的新方法在該專利中獲得高純氨的工藝，既有高溫流程比如氨催化裂解所需的高溫(約800°C)和氨合成所需的高溫(約400°C)，也有低溫流程氨合成后需要把介質(包括氨氣、氫氮混合氣)降低至低溫(通常在一 25°C以下)。這些過程都需要消耗 相當多的能量，如何在這些工藝流程降低能耗是一個重要的課題，因為降低能耗意味著降低成本。在該專利中在能量的利用方面還存在如下缺陷I)在三步法的氨合成這一步中，在得到高純氨氣后，還需要把氨氣跟氫氮混合氣分離出來，為了盡可能分離氨氣和氫氮混合氣，分離通常需要對介質制冷降至一 25 一50°C以下的低溫，通過把氨氣液化成液氨后跟氫氮混合氣分離，這一步制冷需要消耗相當多的能量。2)在三步法的氨催化裂解這一步中，又需要把低純氨(通常為液氨而不是氨氣)加熱氣化然后再升溫至約800°C的高溫，然后分解為氫氮混合氣，這一步也要消耗相當多的能量，能量的消耗可以分為三部分液氨的氣化、氣化后的氨氣的升溫和氨分解作為一個吸熱反應要消耗的能量，其中前兩部分消耗的能量基本相當。液氨的氣化潛熱很大，在一個大氣壓的條件下，I克氨的氣化潛熱為1368焦耳，這一方面意味著液氨氣化需要大量的能耗，另一方面也意味著液氨含有大量的冷量。3)前面跟液氨分離出來的氫氮混合氣需要重新進入合成塔，剛分離出來的氫氮混合氣也含有相當多的冷量，這些冷量沒能得到充分的利用。4)在高純氨制造過程中，需要消耗相當多的氮氣，主要用于純化系統(tǒng)的再生或者管道、容器的吹掃等，這些氮氣往往通過液氮氣化而得，而液氮是一種非常好的冷源，而該液氮冷源也未能得到充分的運用。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的第一個技術問題是提供一種高純氨制備工藝中冷量的利用裝置。該裝置是在中國專利ZL 2009100662709. 3提供的技術方案的基礎上，能充分利用好該技術中產生的冷量來降低能耗，這些冷量幾乎達到整個制冷所需冷量的50 85%，生產成本大大降低。本發(fā)明要解決的第二個技術問題是提供一種高純氨制備工藝中冷量的利用方法。
為解決上述第一個技術問題，本發(fā)明采用如下的技術方案一種高純氨制備工藝中冷量的利用裝置，包括換冷器、氨冷器、深冷器、液氮換冷器和氨分離器；所述換冷器包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通；所述氨冷器包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通；所述深冷器包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通；所述液氮換冷器包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通；高純氨合成氨出塔氣經過冷卻降至室溫后，氣體通過換冷器的橫向通道進口端進入換冷器，換冷器的橫向通道出口端通過第一管道與氨冷器橫向通道進口端連接相通，所 述氨冷器橫向通道出口端通過第二管道與深冷器橫向通道進口端連接相通，所述深冷器橫向通道出口端通過第三管道與液氮換冷器橫向通道進口端連接相通，所述液氮換冷器橫向通道出口端通過第四管道與氨分離器進口端連接相通，所述氨分離器設有兩個出口端，第一出口端通過第五管道與換冷器縱向通道入口端連接相通，第二出口端連接高純液氨排出管；所述氨冷器縱向通道進口端連接低純液氨輸入管，出口端連接氨氣出口管；所述深冷器縱向通道進口端連接制冷介質輸入管，出口端連接制冷介質出口管；所述液氮換冷器縱向通道進口端連接液氮輸入管，出口端連接氮氣出口管。優(yōu)選地，所述換冷器、氨冷器、深冷器和液氮換冷器采用管殼式換熱器結構。優(yōu)選地，所述換冷器、氨冷器、深冷器和液氮換冷器采用不銹鋼或碳鋼材質。為解決上述第二個技術問題，利用上述裝置對高純氨制備工藝中冷量的利用方法，包括如下步驟從背景技術的技術方案中高純氨合成塔出來的介質(包括氨氣、氫氮混合氣)經過冷卻后降至室溫，然后經過逐步依次降溫，最后達到一 25 一 50°C以下后，大部分氨氣液化為液氨后，然后與氫氮混合氣分離得到高純氨，完整的降溫冷卻流程如圖I所示，每一步降溫都通過換冷器完成，換冷器的結構主要選擇管殼式換熱器，換冷器的材料使用不銹鋼或者碳鋼，對于高純氨的質量要求很嚴的工藝，建議使用不銹鋼材料制作換冷器。具體的步驟如下I)自高純氨合成塔出來的介質經過冷卻后降至室溫后輸送到換冷器橫向通道內降溫，降溫所需的冷量來自氨分離器通過第五管道輸送到的換冷器縱向通道內的低溫氫氮混合氣；經過換冷器后的氫氮混合氣升至接近室溫，然后通過循環(huán)壓縮機重新進入專利ZL2009100662709. 3公開的技術方案中的合成塔開始下一次氨的合成；2 )介質自換冷器橫向通道出口端通過第一管道輸送到氨冷器橫向通道內進一步降溫；換冷器的縱向通道內通入低純液氨，換熱后的低純液氨經過氣化后成為氨氣作為專利ZL 2009100662709. 3公開的技術方案中催化裂解的原料氣；3 )介質自氨冷器橫向通道出口端通過第二管道輸送到深冷器橫向通道內進一步降溫；深冷器的縱向通道內通入外置制冷設備制得的制冷介質；優(yōu)選地，制冷介質為氟利昂、氨、乙醇或乙二醇；優(yōu)選地，制冷介質在外置制冷設備和深冷器之間循環(huán)流動。4)介質自深冷器橫向通道出口端通過第三管道輸送到液氮換冷器橫向通道內進一步降溫；液氮換冷器的縱向通道內通入液氮，換熱后的液氮變?yōu)榈獨夂笞鳛閷＠鸝L2009100662709. 3公開的技術方案中純化系統(tǒng)的再生氣或者管道、容器的吹掃氣；5 )介質自液氮換冷器橫向通道出口端通過第四管道輸送到氨分離器內進行分離，高純液氨自高純液氨排出管排出收集，分離的氫氮混合氣輸送到換冷器縱向通道內作為冷源。以上步驟中，只有步驟3)的制冷需要消耗額外的能量，我們可以稱之為主動制冷，其他步驟都是為了充分利用現(xiàn)有工藝流程中的產生的冷量而無需額外的能耗，可以稱之為非主動制冷。這樣就大大地節(jié)約了低溫流程所需的能耗，經過試驗測量和計算，主動制冷產生的冷量占整個低溫流程所需的冷量只有15 50%。其中，步驟2)的氨冷是專利ZL 2009100662709. 3公開的技術方案制備高純氨所獨有。其中，步驟4)中的液氮冷量的利用也是專利ZL 2009100662709. 3公開的技術方
案所獨有，因為傳統(tǒng)了(低純)氨工藝一般也不會使用到液氮，但是高純氨工藝一般都需要相當數量的液氮，液氮氣化成氮氣后用于提供吹掃管道容器等或者純化器的再生，原因在于氮氣很穩(wěn)定和安全，同時很容易提純到99. 9999999%的純度，氮氣幾乎應用于所有的高純物質制造工藝。本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明在專利ZL 2009100662709. 3公開的技術方案的基礎上，能充分利用好該技術中產生的冷量來降低能耗，這些冷量幾乎達到整個制冷所需冷量的50 85%，生產成本大大降低。


下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的說明圖I為本發(fā)明工藝流程示意圖。
具體實施例方式實施例I參見圖I所示，一種高純氨制備工藝中冷量的利用裝置，包括換冷器2、氨冷器3、深冷器4、液氮換冷器5和氨分離器6 ；所述換冷器2包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通；所述氨冷器3包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通；所述深冷器4包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通；所述液氮換冷器5包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通；高純氨合成氨出塔氣經過冷卻降至室溫后，氣體通過換冷器的橫向通道進口端進入換冷器2，換冷器2的橫向通道出口端通過第一管道701與氨冷器3橫向通道進口端連接相通，所述氨冷器3橫向通道出口端通過第二管道702與深冷器4橫向通道進口端連接相通，所述深冷器4橫向通道出口端通過第三管道703與液氮換冷器5橫向通道進口端連接相通，所述液氮換冷器5橫向通道出口端通過第四管道704與氨分離器6進口端連接相通，所述氨分離器6設有兩個出口端，第一出口端通過第五管道705與換冷器2縱向通道入口端連接相通，第二出口端連接高純液氨排出管706 ；
所述氨冷器3縱向通道進口端連接低純液氨輸入管707，出口端連接氨氣出口管708 ；所述深冷器4縱向通道進口端連接制冷介質輸入管709，出口端連接制冷介質出口管710 ;所述制冷介質輸入管709和制冷介質出口管710外接制冷設備(圖中未示出)；所述液氮換冷器5縱向通道進口端連接液氮輸入管711，出口端連接氮氣出口管712 ；所述換冷器2、氨冷器3、深冷器4和液氮換冷器5采用管殼式換熱器結構；所述換冷器2、氨冷器3、深冷器4和液氮換冷器5采用不銹鋼材質。利用上述裝置對高純氨制備工藝中冷量的利用方法，包括如下步驟從背景技術的技術方案中高純氨合成塔出來的介質(包括氨氣、氫氮混合氣)需要經過冷卻后降至室溫，然后經過逐步依次降溫，最后達到一 25 一 50°C以下后，大部分氨氣液化為液氨后，然后與氫氮混合氣分離得到高純氨，完整的降溫冷卻流程如圖I所示，具體的步驟如下I)自高純氨合成塔出來的介質經過冷卻后降至室溫后輸送到換冷器2橫向通道內降溫，降溫所需的冷量來自氨分離器5通過第五管道705輸送到的換冷器2縱向通道內的低溫氫氮混合氣；經過換冷器2后的氫氮混合氣升至接近室溫，然后通過循環(huán)壓縮機重新進入專利ZL 2009100662709. 3公開的技術方案中的合成塔開始下一次氨的合成；2)介質自換冷器2橫向通道出口端通過第一管道701輸送到氨冷器3橫向通道內進一步降溫；換冷器2的縱向通道內通入低純液氨，換熱后的低純液氨經過氣化后成為氨氣作為專利ZL 2009100662709. 3公開的技術方案中催化裂解的原料氣； 3)介質自氨冷器3橫向通道出口端通過第二管道702輸送到深冷器4橫向通道內進一步降溫；深冷器4的縱向通道內通入外置制冷設備制得的制冷介質；制冷介質為氟利昂、氨、乙醇或乙二醇；制冷介質在外置制冷設備和深冷器之間循環(huán)流動。4)介質自深冷器4橫向通道出口端通過第三管道703輸送到液氮換冷器5橫向通道內進一步降溫；液氮換冷器5的縱向通道內通入液氮，換熱后的液氮變?yōu)榈獨夂笞鳛閷＠鸝L 2009100662709. 3公開的技術方案中純化系統(tǒng)的再生氣或者管道、容器的吹掃氣；5)介質自液氮換冷器5橫向通道出口端通過第四管道704輸送到氨分離器6內進行分離，高純液氨自高純液氨排出管706排出收集，分離的氫氮混合氣經第五管道705輸送到換冷器2縱向通道內作為冷源。顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)·明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
權利要求
1.高純氨制備工藝中冷量的利用裝置，其特征在于，包括換冷器、氨冷器、深冷器、液氮換冷器和氨分離器； 所述換冷器包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通； 所述氨冷器包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通； 所述深冷器包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通； 所述液氮換冷器包括橫向通道和縱向通道，橫向通道和縱向通道互不連通； 所述換冷器的橫向通道出口端通過第一管道與氨冷器橫向通道進口端連接相通，所述氨冷器橫向通道出口端通過第二管道與深冷器橫向通道進口端連接相通，所述深冷器橫向通道出口端通過第三管道與液氮換冷器橫向通道進口端連接相通，所述液氮換冷器橫向通道出口端通過第四管道與氨分離器進口端連接相通，所述氨分離器設有兩個出口端，第一出口端通過第五管道與換冷器縱向通道入口端連接相通，第二出口端連接高純液氨排出管； 所述氨冷器縱向通道進口端連接低純液氨輸入管，出口端連接氨氣出口管； 所述深冷器縱向通道進口端連接制冷介質輸入管，出口端連接制冷介質出口管； 所述液氮換冷器縱向通道進口端連接液氮輸入管，出口端連接氮氣出口管。
2.根據權利要求I所述的利用裝置，其特征在于優(yōu)選地，所述換冷器、氨冷器、深冷器和液氮換冷器米用管殼式換熱器結構。
3.根據權利要求I或2所述的利用裝置，其特征在于優(yōu)選地，所述換冷器、氨冷器、深冷器和液氮換冷器采用不銹鋼或碳鋼材質。
4.利用如權利要求I所述裝置對高純氨制備工藝中冷量的利用方法，其特征在于，具體的步驟如下 O自高純氨合成塔出來的介質經過冷卻后降至室溫后輸送到換冷器橫向通道內降溫，降溫所需的冷量來自氨分離器通過第五管道輸送到的換冷器縱向通道內的低溫氫氮混合氣; 2)介質自換冷器橫向通道出口端通過第一管道輸送到氨冷器橫向通道內進一步降溫；換冷器的縱向通道內通入低純液氨； 3)介質自氨冷器橫向通道出口端通過第二管道輸送到深冷器橫向通道內進一步降溫；深冷器的縱向通道內通入外置制冷設備制得的制冷介質； 4)介質自深冷器橫向通道出口端通過第三管道輸送到液氮換冷器橫向通道內進一步降溫；液氮換冷器的縱向通道內通入液氮，換熱后的液氮變?yōu)榈獨夂笞鳛榧兓到y(tǒng)的再生氣或者管道、容器的吹掃氣； 5 )介質自液氮換冷器橫向通道出口端通過第四管道輸送到氨分離器內進行分離，高純液氨自高純液氨排出管排出收集，分離的氫氮混合氣輸送到換冷器縱向通道內作為冷源。
5.根據權利要求4所述的利用方法，其特征在于，優(yōu)選地，步驟3)中，制冷介質為氟利昂、氨、乙醇或乙二醇。
6.根據權利要求4所述的利用方法，其特征在于，優(yōu)選地，步驟3)中，制冷介質在外置制冷設備和深冷器之間循環(huán)流動。
全文摘要
高純氨制備工藝中冷量的利用裝置，包括換冷器、氨冷器、深冷器、液氮換冷器和氨分離器；換冷器通過第一管道與氨冷器連接，所述氨冷器通過第二管道與深冷器連接，所述深冷器通過第三管道與液氮換冷器連接，所述液氮換冷器通過第四管道與氨分離器連接，所述氨分離器設有兩個出口端，第一出口端通過第五管道與換冷器縱向通道入口端連接相通，第二出口端連接高純液氨排出管；本發(fā)明是在專利ZL 2009100662709.3公開的技術方案的基礎上，能充分利用好該技術中產生的冷量來降低能耗，這些冷量幾乎達到整個制冷所需冷量的50～85%，生產成本大大降低。
文檔編號C01C1/12GK102923731SQ201210447418
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權日2012年11月9日
發(fā)明者鮑堅仁, 鮑堅斌 申請人:湖南高安新材料有限公司