氫氣低溫乾燥－氣提液氨的純化裝置及其方法

2023-12-03 11:34:56 8

專利名稱：氫氣低溫乾燥－氣提液氨的純化裝置及其方法
技術領域：
本發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乾燥-氣提液氨的純化裝置及其方法。
背景技術：
公知的吸附——蒸餾純化後的液氨純度達到5.5N，雜質含量達不到GaN生長工藝要求的指標，純度大於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」。有關藍氨的製備裝置及工藝方法報導甚少。美國採用精餾方法製備藍氨，無詳細資料。如果採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——液平衡數據的情況下很難設計出一套合理的精餾裝置及工藝方法。

發明內容
為了克服現有製備高純度液氨的設備和工藝存在的不足，本發明提供一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置及其方法，用高純氫氣乾燥氣提液氨，除去H2O、O2、N2、CH4等微量雜質，提高液氨的純度本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種氫氣低溫乾燥-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衝罐、預熱器、鈀膜分離器、冷交換器、氫氣出口和乾燥-氣提塔，緩衝罐、預熱器、鈀膜分離器和冷交換器與熱交換器相連接，緩衝罐與冷交換器之間設有循環膜壓機，乾燥-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，其置於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。
使用一種氫氣低溫乾燥-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將壓力為1.2Mpa-1.5Mpa(表壓)的工業用氫氣由氫氣入口經緩衝罐、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乾燥-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—液充分接觸後從塔頂的氫氣出口排出，進入循環模壓機，增壓至1.3(表壓)-1.5Mpa(表壓)，再進入緩衝罐，送入系統中，進行循環，使氫氣循環使用；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製冷，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，如果氫氣溫度高於室溫時，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)、冰機製冷，開啟冰機，通過冷媒入口、冷媒出口使乾燥-氣提塔內的溫度降低到-10℃--25℃，將純度大於5N的的液氨由計量罐一次性加入乾燥-氣提塔內，繼續降溫到-50℃--70℃；將壓力為1.3-1.5Mpa(表壓)的工業用氫氣由氫氣入口進入緩衝罐，經熱交換器回收熱量後，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後，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℃，之後進入乾燥-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—液充分接觸後，從塔頂的氫氣出口排出，經冷交換器回收冷量後，進入循環模壓機，增壓至1.3-1.5Mpa(表壓)再送入系統中，重複上述過程，使氫氣循環使用；在循環過程中，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製冷，經冷媒入口、冷媒出口，被冷到-33℃以下，回收氨後經廢氣出口放空。
由於在循環過程中有廢氣放掉，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，停止循環模壓機，關閉氫氣出口，關閉閥門，開啟出料模壓機，使乾燥-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，本發明是選擇大於8N的高純H2氣乾燥、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，乾燥—氣提其中的H2O及O2、CH4等所有雜質。由於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℃的低溫條件下進行乾燥——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汙染。
本發明的有益效果是，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。回收氣提塔廢氣中的氫氣、氨氣，對大規模生產可降低成本。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，效率高，成本降低。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明的氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化流程示意圖。
圖2是本發明的氫氣乾燥-氣提塔結構示意圖。
圖中，1.乾燥-氣提塔，2.出料膜壓機，3.鈀膜分離器，4.預熱器，5.緩衝罐，6.熱交換器，7.有冷交換器，8.循環膜壓機，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)，並配有相應的緩衝罐5，依據這兩個參數，選擇空塔氣速為0.05-0.1米/秒，設計塔徑為220mm，壁厚為8mm，乾燥-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)，並配有相應的預熱器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有採樣口可檢測露點，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將壓力為1.5Mpa(表壓)的工業用氫氣由氫氣入口17經緩衝罐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進入空的乾燥-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—液充分接觸後從塔頂21的氫氣出口14排出，進入循環模壓機8，增壓至1.5Mpa(表壓)，再進入緩衝罐5，送入系統中，進行循環，使氫氣循環使用；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，如果氫氣溫度高於室溫時，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處進緩衝罐5，再經熱交換器6回收部分熱量後進預熱器4，使溫度升至340℃，進入鈀膜分離器3，壓力降到0.15Mpa(表壓)，提純後的高純氫氣進入到熱交換器6，使溫度降低到150℃，然後經冷交換器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回收冷量後，進循環膜壓機8，增壓至1.5MPa(表壓)重新進入緩衝罐5，循環使用。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，回收氨後經廢氣出口15放空。由於在循環過程中有廢氣放空，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，當雜質含量趨於不變時，即可停止循環。停止循環膜壓機8，氫氣入口17處繼續補充氫氣，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。
由於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
1.一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置，其特徵在於，包括氫氣入口(17)及與其依次相連接的緩衝罐(5)、預熱器(4)、鈀膜分離器(3)、冷交換器(7)、氫氣出口(14)和乾燥-氣提塔(1)，緩衝罐(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，緩衝罐(5)與冷交換器(7)之間設有循環膜壓機(8)，乾燥-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)，其置於塔體(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.根據權利要求1所述的一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置，其特徵在於，所述的篩板(25)每層之間由定距管(31)相連接。
3.根據權利要求1所述的一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置，其特徵在於，所述的乾燥-氣提塔(1)的塔頂(21)內，支承板(23)的上面設有除沫絲網(22)。
4.根據權利要求1所述的一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置，其特徵在於，所述的鈀膜分離器(3)的廢氣出口(15)處設有氨回收罐(9)。
5.根據權利要求1所述的一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置，其特徵在於，所述的塔體(27)和塔頂(21)之間由法蘭盤(32)相連接。
6.根據權利要求1所述的一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置，其特徵在於，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.根據權利要求1所述的一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置，其特徵在於，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乾燥-氣提液氨的純化裝置的方法，其特徵在於，工藝步驟是(一)在未投料之前，先用高純氫氣置換系統將壓力為1.2-1.5Mpa(表壓)的工業用氫氣由氫氣入口(17)經緩衝罐(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)進入空的乾燥-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—液充分接觸後從塔頂(21)的氫氣出口(14)排出，進入循環模壓機(8)，增壓至1.3-1.5Mpa(表壓)，再進入緩衝罐(5)，送入系統中，進行循環，使氫氣循環使用；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，由於在循環過程中有廢氣放空，氫氣不能完全回收，應在氫氣入口(17)處不斷補充工業氫氣。如果氫氣溫度高於室溫時，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)、冰機製冷，開啟冰機，通過冷媒入口(19)、冷媒出口(20)使乾燥-氣提塔(1)內的溫度降低到-10℃--25℃，將純度大於5N的的液氨由計量罐(10)一次性加入乾燥-氣提塔(1)內，繼續降溫到-50℃--70℃；將壓力為1.3-1.5Mpa(表壓)的工業用氫氣由氫氣入口(17)進入緩衝罐(5)，經熱交換器(6)回收熱量後，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後，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℃之後進入乾燥-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—液充分接觸後，從塔頂(21)的氫氣出口(14)排出，經冷交換器(7)回收冷量後，進入循環模壓機(8)，增壓至1.3-1.5Mpa(表壓)再送入系統中，重複上述過程，使氫氣循環使用；在循環過程中，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)中由冰機製冷，經冷媒入口(19)、冷媒出口(20)，被冷到-33℃以下，回收氨後經廢氣出口(15)放空。由於在循環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)，使乾燥-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.根據權利要求7所述的使用權力要求1所述的一種氫氣低溫乾燥-氣提液氨的純化裝置的方法，其特徵在於，所述的脫氧劑為鈀催化劑。
全文摘要
本發明涉及一種氫氣低溫乾燥－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衝罐、預熱器、鈀膜分離器、冷交換器、氫氣出口和乾燥－氣提塔，緩衝罐、預熱器、鈀膜分離器和冷交換器與熱交換器相連接，緩衝罐與冷交換器之間設有循環膜壓機，乾燥－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 優先權日2004年4月18日
發明者竇明洪 申請人:大連保稅區科利德化工科技開發有限公司