專利名稱：氫氣低溫干燥－氣提液氨的純化裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液氨的提純設備及其方法，特別是涉及一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置及其方法。
背景技術：
公知的吸附——蒸餾純化后的液氨純度達到5.5N，雜質含量達不到GaN生長工藝要求的指標，純度大于6.4N的高純氨是GaN生長工藝的N2源，對氨中的雜質含量要求很低。如O2100ppb，H2O200ppb，CH450ppb，CO2100ppb，CO50ppb，H2100ppb，Ar200ppb。把這種液氨稱作“藍氨”。有關藍氨的制備裝置及工藝方法報導甚少。美國采用精餾方法制備藍氨，無詳細資料。如果采用精餾除去液氨中如此微量的雜質，精餾塔的濃度分布，溫度分布相差很小，液體負荷很大，這就使原本耗能較大的精餾過程變得更加不合理。在缺少汽——液平衡數(shù)據(jù)的情況下很難設計出一套合理的精餾裝置及工藝方法。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有制備高純度液氨的設備和工藝存在的不足，本發(fā)明提供一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置及其方法，用高純氫氣干燥氣提液氨，除去H2O、O2、N2、CH4等微量雜質，提高液氨的純度本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置，包括氫氣入口及與其依次相連接的緩沖罐、預熱器、鈀膜分離器、冷交換器、氫氣出口和干燥-氣提塔，緩沖罐、預熱器、鈀膜分離器和冷交換器與熱交換器相連接，緩沖罐與冷交換器之間設有循環(huán)膜壓機，干燥-氣提塔由塔頂、中心進氣管、塔體和塔底組成，塔頂上設有原料氨入口、高純氫氣入口；塔體上設有冷媒入口、冷媒出口，塔體內設有的冷卻盤管與塔體內設置的固定板相連接；中心進氣管的上端設有高純氫氣入口，其置于塔體內的部分設有多層篩板，其下端與噴頭相連接；塔體和塔頂之間設有支承板，塔底設有產品氨出口，篩板每層之間由定距管相連接。支承板的上面設有除沫絲網，鈀膜分離器的廢氣出口處設有氨回收罐，塔體和塔頂之間由法蘭盤相連接，中心進氣管的上端與中心管法蘭盤固定連接，冷交換器與熱交換器之間連接有出料膜壓機。
使用一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置的方法，具體工藝步驟是(一)在未投料之前，先用高純氫氣置換系統(tǒng)將壓力為1.2Mpa-1.5Mpa(表壓)的工業(yè)用氫氣由氫氣入口經緩沖罐、熱交換器進入到預熱器，升溫到300-350℃，進入鈀膜分離器，其出口氫氣壓力降至0.13Mpa-0.15Mpa(表壓)，經過熱交換器，降溫至100℃-150℃，經冷交換器進入空的干燥-氣提塔內的中心進氣管，由噴頭噴出，再經多層篩板再分布，使氣—液充分接觸后從塔頂?shù)臍錃獬隹谂懦?，進入循環(huán)模壓機，增壓至1.3(表壓)-1.5Mpa(表壓)，再進入緩沖罐，送入系統(tǒng)中，進行循環(huán)，使氫氣循環(huán)使用；在氫氣出口處檢測露點，當其接近鈀膜分離器出口的高純氫氣露點時，停止氫氣置換。
在循環(huán)過程中，鈀膜分離器中的廢氣減壓到0.12Mpa-0.15Mpa(表壓)，進入氨回收罐，在氨回收罐中由冰機制冷，經冷媒入口、冷媒出口，被冷到-33℃以下，經廢氣出口放空，氫氣不能完全回收，應在氫氣入口處補充氫氣。
在置換過程中，如果氫氣溫度高于室溫時，可適度開啟冰機，打開冷媒入口、冷媒出口使其降至室溫為止；(二)、冰機制冷，開啟冰機，通過冷媒入口、冷媒出口使干燥-氣提塔內的溫度降低到-10℃--25℃，將純度大于5N的的液氨由計量罐一次性加入干燥-氣提塔內，繼續(xù)降溫到-50℃--70℃；將壓力為1.3-1.5Mpa(表壓)的工業(yè)用氫氣由氫氣入口進入緩沖罐，經熱交換器回收熱量后，溫度達到200℃-250℃，再進入預熱器，使溫度達到300-350℃，在預熱器內填充的鈀催化劑的作用下除去氧氣后，進入鈀膜分離器，其出口處氫氣純度達到8N-9N，壓力降至0.13-0.15Mpa，進入熱交換器，降溫至100℃-150℃，經過冷交換器降溫至20℃-50℃，之后進入干燥-氣提塔內的中心進氣管，由噴頭噴出，再經多層篩板再分布，使氣—液充分接觸后，從塔頂?shù)臍錃獬隹谂懦觯浝浣粨Q器回收冷量后，進入循環(huán)模壓機，增壓至1.3-1.5Mpa(表壓)再送入系統(tǒng)中，重復上述過程，使氫氣循環(huán)使用；在循環(huán)過程中，鈀膜分離器中的廢氣減壓到0.12Mpa-0.15Mpa(表壓)，進入氨回收罐，在氨回收罐中由冰機制冷，經冷媒入口、冷媒出口，被冷到-33℃以下，回收氨后經廢氣出口放空。
由于在循環(huán)過程中有廢氣放掉，氫氣不能完全回收，應在氫氣入口處補充氫氣。
(三)、在氫氣出口處進行取樣分析，當氫氣中雜質含量保持衡定時，停止循環(huán)模壓機，關閉氫氣出口，關閉閥門，開啟出料模壓機，使干燥-氣提塔內的壓力增至1-1.3Mpa(表壓)，將出料膜壓機停機，關閉氫氣入口，在塔底的產品氨出口處排出產品氨，本發(fā)明是選擇大于8N的高純H2氣干燥、氣提液氨，使氨中雜質含量降低到ppb級。利用鈀膜分離技術使氫氣純度達到8N以上，氫氣通過鈀膜分離可達到9N，即雜質總量為10-9(1ppb)，直接通入液氨，干燥—氣提其中的H2O及O2、CH4等所有雜質。由于液氨中的雜質總量是高純氫氣中的雜質總量的幾百倍，所以有很大的推動力，具有很高的傳質速率。
選擇-50℃--70℃的低溫條件下進行干燥——氣提。因為溫度越低，氨氣的飽和蒸汽壓越低。所以可減少氨的損失。
為保護鈀膜，在預熱器中填充鈀催化劑，使氧氣與氫氣反應生成水，避免在鈀膜表面反應放熱燒壞鈀膜。投料前，將所有的設備、管道、閥門及包裝容器等用高純氫氣置換，分析氣提塔出口氫氣的純度，當達到8N時，再投原料。這樣可保證產品不被污染。
本發(fā)明的有益效果是，可使液氨的純度及其雜質含量達到GaN生長工藝要求的指標?；厥諝馓崴U氣中的氫氣、氨氣，對大規(guī)模生產可降低成本。預熱器中填充鈀催化劑除氧可避免鈀管受損，保證氫氣質量平穩(wěn)，效率高，成本降低。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1是本發(fā)明的氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化流程示意圖。
圖2是本發(fā)明的氫氣干燥-氣提塔結構示意圖。
圖中，1.干燥-氣提塔，2.出料膜壓機，3.鈀膜分離器，4.預熱器，5.緩沖罐，6.熱交換器，7.有冷交換器，8.循環(huán)膜壓機，9.氨回收罐，10.原料氨計量罐，11.原料氨入口，12.氨產品出口，13.高純氫氣入口，14.氫氣出口15.廢氣出口，16.回收氨出口，17.氫氣入口，18.近路閥，19.冷媒入口，20.冷媒出口，21.塔頂，22.除沫絲網，23.支承板，24.冷卻盤管，25.多層篩板，26.中心進氣管，27.塔體，28.噴頭，29.塔底，30.固定板，31.定距管，32.法蘭盤，33.中心管法蘭盤。
具體實施例方式
實施例選定計量罐每次加入量為50公斤純度＞5N的液氨，氫氣循環(huán)膜壓機8選擇流量為5m3/h的單級膜式壓縮機，，壓力為0-1.5Mpa(表)，并配有相應的緩沖罐5，依據(jù)這兩個參數(shù)，選擇空塔氣速為0.05-0.1米/秒，設計塔徑為220mm，壁厚為8mm，干燥-氣體塔1高為3200mm，容積約為100立升，內有懸吊式十塊篩板25，間矩為250mm，塔頂21內，支承板23的上面設有除沫絲網22，高150mm。為減小氣體阻力篩板25厚度為2mm，直徑為190mm，小孔直徑為3mm，同心圓分布，開孔率為14％和10％兩種，即1，3，5，7，9五塊板全部開孔，2，4，6，8，10五塊板在φ100內不開孔。這使氣體折流，塔內螺旋式冷卻盤管用φ12×2的管子纏繞，外徑約為215mm。傳熱面約為2.5m2。噴頭為球面直徑為Φ80mm，小孔直徑為2mm。出料膜壓機2選擇2m3/h，壓力為0-1.5Mpa(表)的膜式壓縮機。
鈀膜分離器3選用5m3/h流量，入口壓力為1.5Mpa(表)，出口壓力為0.18Mpa(表)，并配有相應的預熱器4。再配上冷交換器7，熱交換器4及氨回收罐9等輔助設備及相應的溫度、壓力測量顯示儀表。即組成現(xiàn)有流程。在膜分離器出口的氫氣管線上裝有露點儀，檢測氫氣中水含量，氫氣出口14有采樣口可檢測露點，用色譜法檢測其中雜質含量。
操作步驟大致為如下一、在未投料之前，先用高純氫氣置換系統(tǒng)將壓力為1.5Mpa(表壓)的工業(yè)用氫氣由氫氣入口17經緩沖罐5、熱交換器6進入到預熱器4，升溫到340℃，進入鈀膜分離器3，其出口氫氣壓力降至0.15Mpa(表壓)，經過熱交換器6，降溫至150℃，經冷交換器7進入空的干燥-氣提塔1內的中心進氣管26，由噴頭28噴出，再經多層篩板25再分布，使氣—液充分接觸后從塔頂21的氫氣出口14排出，進入循環(huán)模壓機8，增壓至1.5Mpa(表壓)，再進入緩沖罐5，送入系統(tǒng)中，進行循環(huán)，使氫氣循環(huán)使用；在氫氣出口14處檢測露點，當其接近鈀膜分離器3出口的高純氫氣露點(-100℃)時，停止氫氣置換。
在置換過程中，鈀膜分離器3中的廢氣由1.5Mpa(表壓)減壓到0.12Mpa(表壓)，在氨回收罐9中被冷卻到-33℃以下，經廢氣出口15放空，氫氣不能完全回收，應在氫氣入口17處補充氫氣，如果氫氣溫度高于室溫時，可適度開啟冰機，打開冷媒入口19、冷媒出口20使其降至室溫為止；二、開啟冰機，使冷媒由入口19進入氣提塔冷卻盤管降溫達到-20℃時，把5N的原料液氨由計量罐10一次進入氣提塔內50Kg，繼續(xù)降溫，當溫度達到-50℃時，氫氣由12Mpa經減壓器達到1.5Mpa(表壓)，由氫氣入口17處進緩沖罐5，再經熱交換器6回收部分熱量后進預熱器4，使溫度升至340℃，進入鈀膜分離器3，壓力降到0.15Mpa(表壓)，提純后的高純氫氣進入到熱交換器6，使溫度降低到150℃，然后經冷交換器7，被氣提塔氫氣出口14的低溫氣體冷卻，溫度降至40℃，再進入氣提塔1氣提液氨，解吸液氨中的水、氧氣、甲烷等各種雜質，在氣提雜質的同時，氨氣也被帶出，所以氣提塔1的氫氣出口14的氫氣中除了有液氨中的各種雜質外還有5％--10％的氨氣，這種低壓氣體經冷交換器7回收冷量后，進循環(huán)膜壓機8，增壓至1.5MPa(表壓)重新進入緩沖罐5，循環(huán)使用。鈀膜分離器3中的廢氣由1.5Mpa(表壓)減壓到0.12Mpa(表壓)，在氨回收罐9中被冷卻到-33℃以下，回收氨后經廢氣出口15放空。由于在循環(huán)過程中有廢氣放空，氫氣不能完全回收，應在氫氣入口17處補充氫氣。
三、記錄循環(huán)的時間及氫氣用量，利用色譜法在氫氣出口14處檢測氫氣中的雜質含量，當雜質含量趨于不變時，即可停止循環(huán)。停止循環(huán)膜壓機8，氫氣入口17處繼續(xù)補充氫氣，開啟近路閥18，開啟出料膜壓機2使氣提塔1內的壓力增至1.2Mpa(表壓)，在產品氨出口12處放料，包裝。
由于色譜法檢測靈敏度只能檢測到100ppb，經檢測，完全可使液氨雜質含量降到100ppb以下。
權利要求
1.一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置，其特征在于，包括氫氣入口(17)及與其依次相連接的緩沖罐(5)、預熱器(4)、鈀膜分離器(3)、冷交換器(7)、氫氣出口(14)和干燥-氣提塔(1)，緩沖罐(5)、預熱器(4)、鈀膜分離器(3)和冷交換器(7)與熱交換器(6)相連接，緩沖罐(5)與冷交換器(7)之間設有循環(huán)膜壓機(8)，干燥-氣提塔(1)由塔頂(21)、中心進氣管(26)、塔體(27)和塔底(29)組成，塔頂(21)上設有原料氨入口(11)、高純氫氣入口(13)；塔體(27)上設有冷媒入口(19)、冷媒出口(20)，塔體(27)內設有的冷卻盤管(24)與其內設置的固定板(30)相連接；中心進氣管(26)的上端設有高純氫氣入口(13)，其置于塔體(27)內的部分設有多層篩板(25)，下端與噴頭(28)相連接；塔體(27)和塔頂(21)之間設有支承板(23)，塔底(29)設有產品氨出口(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置，其特征在于，所述的篩板(25)每層之間由定距管(31)相連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置，其特征在于，所述的干燥-氣提塔(1)的塔頂(21)內，支承板(23)的上面設有除沫絲網(22)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置，其特征在于，所述的鈀膜分離器(3)的廢氣出口(15)處設有氨回收罐(9)。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置，其特征在于，所述的塔體(27)和塔頂(21)之間由法蘭盤(32)相連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置，其特征在于，所述的中心進氣管(26)的上端與中心管法蘭盤(33)固定連接。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置，其特征在于，所述的冷交換器(7)與熱交換器(6)之間連接有出料膜壓機(2)。
8.使用權力要求1所述的一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置的方法，其特征在于，工藝步驟是(一)在未投料之前，先用高純氫氣置換系統(tǒng)將壓力為1.2-1.5Mpa(表壓)的工業(yè)用氫氣由氫氣入口(17)經緩沖罐(5)、熱交換器(6)進入到預熱器(4)，升溫到300-350℃，進入鈀膜分離器(3)，其出口氫氣壓力降至0.13Mpa-0.15Mpa(表壓)，經過熱交換器(6)，降溫至100℃-150℃，經冷交換器(7)進入空的干燥-氣提塔(1)內的中心進氣管(26)，由噴頭(28)噴出，再經多層篩板(25)再分布，使氣—液充分接觸后從塔頂(21)的氫氣出口(14)排出，進入循環(huán)模壓機(8)，增壓至1.3-1.5Mpa(表壓)，再進入緩沖罐(5)，送入系統(tǒng)中，進行循環(huán)，使氫氣循環(huán)使用；在氫氣出口(14)處檢測露點，當其接近鈀膜分離器(3)出口的高純氫氣露點時，停止氫氣置換，在置換過程中，鈀膜分離器(3)中的廢氣由1.5Mpa(表壓)減壓到0.12Mpa(表)，經氨回收罐(9)，由廢氣出口(15)放空，由于在循環(huán)過程中有廢氣放空，氫氣不能完全回收，應在氫氣入口(17)處不斷補充工業(yè)氫氣。如果氫氣溫度高于室溫時，可適度開啟冰機，打開冷媒入口(19)、冷媒出口(20)使其降至室溫為止；(二)、冰機制冷，開啟冰機，通過冷媒入口(19)、冷媒出口(20)使干燥-氣提塔(1)內的溫度降低到-10℃--25℃，將純度大于5N的的液氨由計量罐(10)一次性加入干燥-氣提塔(1)內，繼續(xù)降溫到-50℃--70℃；將壓力為1.3-1.5Mpa(表壓)的工業(yè)用氫氣由氫氣入口(17)進入緩沖罐(5)，經熱交換器(6)回收熱量后，溫度達到200℃-250℃，再進入預熱器(4)，使溫度達到300-350℃，在預熱器(4)內填充的脫氧劑的作用下除去氧氣后，進入鈀膜分離器(3)，其出口處氫氣純度達到8N-9N，壓力降至0.13-0.15Mpa，進入熱交換器(6)，降溫至100℃-150℃，經過冷交換器(7)降溫至20℃-50℃之后進入干燥-氣提塔(1)內的中心進氣管(26)，由噴頭(28)噴出，再經多層篩板(25)再分布，使氣—液充分接觸后，從塔頂(21)的氫氣出口(14)排出，經冷交換器(7)回收冷量后，進入循環(huán)模壓機(8)，增壓至1.3-1.5Mpa(表壓)再送入系統(tǒng)中，重復上述過程，使氫氣循環(huán)使用；在循環(huán)過程中，鈀膜分離器(3)中的廢氣減壓到0.12Mpa-0.15Mpa(表壓)，進入氨回收罐(9)，在氨回收罐(9)中由冰機制冷，經冷媒入口(19)、冷媒出口(20)，被冷到-33℃以下，回收氨后經廢氣出口(15)放空。由于在循環(huán)過程中需有放掉廢氣，氫氣不能完全回收，應在氫氣入口(17)處補充氫氣。(三)、在氫氣出口(14)處進行取樣分析，當氫氣中雜質含量保持衡定時，停止循環(huán)模壓機(8)，關閉氫氣出口(14)，關閉閥門(18)，開啟出料模壓機(2)，使干燥-氣提塔(1)內的壓力增至1-1.3Mpa(表)，將膜壓機(2)停機，關閉氫氣入口(17)，在塔底(29)的產品氨出口(12)處排出產品氨，
9.根據(jù)權利要求7所述的使用權力要求1所述的一種氫氣低溫干燥-氣提液氨的純化裝置的方法，其特征在于，所述的脫氧劑為鈀催化劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氫氣低溫干燥－氣提液氨的純化設備及其方法。設備主要包括氫氣入口及與其依次相連接的緩沖罐、預熱器、鈀膜分離器、冷交換器、氫氣出口和干燥－氣提塔，緩沖罐、預熱器、鈀膜分離器和冷交換器與熱交換器相連接，緩沖罐與冷交換器之間設有循環(huán)膜壓機，干燥－氣提塔由塔頂、中心進氣管、塔體和塔底組成，塔頂上設有原料氨入口、高純氫氣入口；塔體上設有冷媒入口、冷媒出口，方法是，氫氣通過鈀膜分離可達到9N，即雜質總量為10
文檔編號C01C1/02GK1562749SQ20041002043
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月18日 優(yōu)先權日2004年4月18日
發(fā)明者竇明洪 申請人:大連保稅區(qū)科利德化工科技開發(fā)有限公司