氨的精製方法與精製裝置的製作方法
2023-11-01 06:54:32 2
專利名稱：氨的精製方法與精製裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及對含有各種雜質的粗氨氣體進行精製的精製方法，更詳細地講，涉及提供半導體工業、化學工業、研究單位等必需的高純度氨氣的氨精製方法及其精製裝置。
背景技術：
氨一般經常用於半導體製造工業等，在製造現場使用由原料氨精製的氨。原料氨是氨生產廠合成的氨、或從使用現場回收的回收氨等。該原料氨中除了金屬類外，還含有水、氫、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等的非金屬雜質，為了在半導體製造等中使用，必須精製成高純度的氨。
過去，已進行了各種除去上述原料氨中所含雜質的研究。例如，有關除去水分，專利文獻1-特開平9-142833號公報公開了使氨與氧化鋇接觸而除去的方法。另外，對一氧化碳與二氧化碳，專利文獻2-特開平6-107412號公報公開了使氨與鎳催化劑接觸而除去的方法。
然而，如上所述，因為原料氨中含有多種雜質，必須實施專利文獻1或專利文獻2等中提出的個別的物質除去方法。因此，產生精製氨需要許多精製工序的問題。即，為了高效率地得到大量的高純度氨，必須連續進行精製。個別的精製工序多時，存在連續精製需要大規模精製設備的問題。
發明內容
本發明的第1個目的是提供不用多步的精製工序而可以高效率地除去原料氨中所含多種非金屬雜質的氨精製方法及其精製裝置。另外，第2個目的是提供尤其可以高效率地除去水與氧的雜質、有助於高效進行連續精製的氨精製方法及其精製裝置。此外，第3個目的是提供高效率地除去多種的非金屬雜質、可精製高純度氨且可簡化連續精製工序的氨精製方法及精製裝置。
本發明是為解決前述問題而完成的，本發明的第1方案是對含沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體進行精製的方法，包括在熱交換器構成的蒸餾部導入前述粗氨氣體後，利用前述熱交換器的冷卻作用將氨氣液化，從前述蒸餾部將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態排氣，從前述粗氨氣體中除去前述低沸點雜質氣體。
本發明的第2方案是前述第1方案的氨氣精製方法，其中，在前述蒸餾部設置貯存液化的氨的液化氨貯存部，通過對該液化氨貯存部內的液化氨進行加熱而排氣除去殘留於液化氨中的低沸點雜質。
本發明的第3方案是前述第1或2方案的氨氣精製方法，其中，通過從前述液化氨貯存部排出液化氨並通過加熱部而進行氣化。
本發明的第4方案是對至少含水分與氧的粗氨氣體進行精製的方法，包括在吸附水分的水分吸附部和分離氧的催化劑部導入前述粗氨氣體，從前述粗氨氣體中除去水分與氧。
本發明的第5方案是對至少含水分與氧的粗氨氣體進行精製的方法，包括設置至少一對吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部，一方面，在一方的前述水分吸附部與前述催化劑部導入前述粗氨氣體，從前述粗氨氣體中除去水分與氧，另一方面，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通入還原氣體進行再生。
本發明的第6方案是前述第5方案的氨氣精製方法，其中，對於一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部分，交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去、和利用通入前述還原氣體的再生而進行連續精製。
本發明的第7方案，是對含水分、和沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體進行精製的方法，包括第一除去工序、氣化工序和第二除去工序，在所述第一除去工序中，在熱交換器構成的蒸餾部導入前述粗氨氣體，利用前述熱交換器的冷卻作用將氨氣液化，從前述蒸餾部將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態的排氣，從前述粗氨氣體中除去前述低沸點雜質氣體，在所述氣化工序中，從前述蒸餾部排出在前述蒸餾部液化的氨，通過加熱部，使之氣化，在所述第二除去工序中，在吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部導入前述氣化工序中氣化的氨氣，從該氨氣中除去水分與氧。
本發明的第8方案是前述第7方案的氨氣精製方法，其中包括第三除去工序，在所述第三除去工序中，設置貯存在前述第一除去工序已液化的氨的液化氨貯存部，通過對該液化氨貯存部內的液化氨進行加熱而排氣除去液化氨中殘留的低沸點雜質，通過前述第三除去工序將液化氨導入前述氣化工序，使之氣化。
本發明的第9方案是前述第7或第8方案的氨氣精製方法，其中，前述第二除去工序包括除去處理和再生處理，在所述除去處理中，在至少設一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的一方的前述水分吸附部與前述催化劑部導入前述氣體工序中氣化的氨氣，從該氨氣中除去水分與氧，在所述再生處理中，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通入還原氣體進行再生。
本發明的第10方案是前述第9方案的氨氣精製方法，其中，對於前述一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部，交替地反覆進行水分與氧的前述除去處理、和通入前述還原氣體的前述再生處理而進行連續精製。
本發明的第11方案是前述第1～10任一種方案的氨氣精製方法，其中，前述粗氨氣體是將原料氨分離成液相與氣相而得到的氣相成分氣體。
本發明的第12方案是對含沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體進行精製的精製裝置，具有導入前述粗氨氣體後、利用冷卻作用將氨氣液化的熱交換器構成的蒸餾部，在前述蒸餾部設將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態排氣的排氣通路。
本發明的第13方案是前述第12方案的氨氣精製裝置，其中，前述蒸餾部包括貯存已液化的粗氨的液化氨貯存部和從前述液化氨貯存部內的液化氨中分離前述低沸點雜質氣體的加熱裝置。
本發明的第14方案是前述第12或13的方案的氨氣精製裝置，其中，具有使前述蒸餾部排出的液化氨氣化的氣化裝置。
本發明的第15方案是對至少含水分與氧的粗氨氣體進行精製的精製裝置，具有吸附水分的水分吸附部和分離氧的催化劑部，在前述水分吸附部與前述催化劑部導入前述粗氨氣體，從前述粗氨氣體中除去水分與氧。
本發明的第16方案是對至少含水分與氧的粗氨氣體進行精製的精製裝置，具有至少一對吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部，設有向各個的前述水分吸附部與前述催化劑部導入前述粗氨氣體的粗氨氣體導入通路和向各個的前述水分吸附部與前述催化劑部導入還原氣體的還原氣體導入通路，在一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述粗氨氣體導入通路導入前述粗氨氣體，從前述粗氨氣體中除去水分與氧，另一方面，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述還原氣體導入通路通入還原氣體進行再生。
本發明的第17方案是前述第16方案的氨氣精製裝置，具有控制前述粗氨氣體導入通路與還原氣體導入通路的開關的連續精製控制部，使得對於一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去、和通入前述還原氣體的再生。
本發明的第18方案是對含水分以及沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體進行精製的精製裝置，具有導入前述粗氨氣體後利用冷卻作用將氨氣進行液化的熱交換器構成的蒸餾部、設在前述蒸餾部的將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態排氣的排氣通路、使前述蒸餾部排出的液化氨氣化的氣化裝置、吸附水分的水分吸附部、分離氧的催化劑部、和將利用前述氣化裝置氣化的氨氣導入前述水分吸附部與前述催化劑部的氨氣導入通路。
本發明的第19方案是前述第18方案的氨氣精製裝置，其中，在前述蒸餾部設置貯存前述蒸餾部液化的粗氨的液化氨貯存部，前述液化氨貯存部包括用於分離殘留於前述液化氨貯存部內的液化氨中的低沸點雜質的加熱裝置。
本發明的第20方案是前述第18或19方案的氨氣精製裝置，其中，具有至少一對前述水分吸附部與前述催化劑部，在各個的前述水分吸附部與前述催化劑部設置導入用前述氣化裝置氣化的氨氣的前述氨氣導入通路，且在各個的前述水分吸附部與前述催化劑部設置導入還原氣體的還原氣體導入通路，在一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述氨氣導入通路導入前述氣化的氨氣，從該氨氣中除去水分與氧，另一方面在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述還原氣體導入通路通入還原氣體進行再生。
本發明的第21方案是前述第20方案的氨氣精製裝置，其中，具有控制前述氨氣導入通路與前述還原氣體導入通路的開關的連續精製控制部，使得對於一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去、和通入前述還原氣體的再生。
本發明的第22方案是前述第12～21方案的任一項的氨氣精製裝置，其中，前述粗氨氣體是通過將原料氨分離成液相與氣相得到的氣相成分氣體。
若採用本發明第1方案的氨氣精製方法，則可在熱交換器構成的蒸餾部導入粗氨氣體後，利用前述熱交換器的冷卻作用將氨氣液化，通過從前述蒸餾部將沸點比氨低的低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態的排氣，從前述粗氨氣體中除去前述低沸點雜質氣體。
此外，本發明中的粗氨氣體是氣體狀態的原料氨。另外，上述沸點比氨低的低沸點雜質氣體是含在粗氨氣中的氫(H2)、氧(O2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氮(N2)、甲烷(CH4)等。
若採用本發明第2方案的精製方法，可在前述第1方案中，在前述蒸餾部設貯存液化了的氨的液化氨貯存部，通過對該液化氨貯存部內的液化氨進行加熱，可以排氣除去殘留於液化氨中的低沸點雜質，可以精製更高純度的氨。
若採用本發明第3方案的精製方法，在前述第1或第2方案中，由於從前述液化氨貯存部排出液化氨後，再通過加熱部使之氣化，故可以呈氣體狀態排出前述第1或第2方案中高純度精製的氨，供給連續工序。
若採用本發明第4方案的精製方法，可以在吸附水分的水分吸附部和分離氧的催化劑部導入粗氨氣體，從前述粗氨氣體中至少除去作為非金屬雜質的水分與氧。此外，本發明的催化劑部，例如若使用鎳催化劑，不僅除去氧，而且也可以除去一氧化碳(CO)。該鎳催化劑的使用在以下本發明的實施方案的催化劑部也發揮同樣的除去效果。另外，作為用於本發明水分吸附部的水分吸附劑，優選是分子篩、活性氧化鋁等。
若採用本發明第5方案的精製方法，由於設至少一對吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部，在一方的前述水分吸附部與前述催化劑部導入粗氨氣體，從前述粗氨氣體中至少除去作為非金屬雜質的水分與氧，另一方面，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通入還原氣體進行再生，因此可以利用再生作業不中斷地、連續進行水分與氧的除去處理，可以提高高純度氨的精製效率。作為再生使用的還原氣體，使用氫與氮的混合氣或氫與自精製氨氣的混合氣。
若採用本發明第6方案的精製方法，由於在前述第5方案中對一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去、和前述通入還原氣體的再生進行連續精製，故可以大量精製高純度氨。
若採用本發明第7方案的精製方法，由於包括第一除去工序、氣化工序和第二除去工序，在所述第一除去工序中，在熱交換器構成的蒸餾部導入含有水分以及沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體，利用前述熱交換器的冷卻作用將氨氣液化，從前述蒸餾部對前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態的排氣，從前述粗氨氣體中除去前述低沸點雜質氣體，在所述氣化工序中，從前述蒸餾部排出在前述蒸餾部液化的氨，使之通過加熱部而氣化，在所述第二除去工序中，在吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部導入前述氣化工序氣化的氨氣，從該氨氣中除去水分與氧，故可以利用前述第一除去工序除去沸點比氨低的低沸點雜質氣體，又可以經前述氣化工序利用前述第二除去工序除去水分與氧，可實現雜質的連續處理工序，精製更高純度的氨。
若採用本發明第8方案的精製方法，由於在前述第7方案中包括設置貯存在前述第一除去工序中液化的氨的液化氨貯存部、通過將該液化氨貯存部內的液化氨進行加熱而排氣除去殘留於液化氨中的低沸點雜質的第三除去工序，通過前述第三除去工序將液化氨導入前述氣化工序而使之氣化，故也可以利用前述第三除去工序除去經前述第一除去工序而殘留的低沸點雜質，還可以提高精製純度。
若採用本發明第9方案的精製方法，在前述第7或8的方案中，前述第二除去工序包括在至少設一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的一方的前述水分吸附部與前述催化劑部導入前述氣化工序氣化的氨氣並從該氨氣中除去水分與氧的除去處理、和在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通入還原氣體進行再生的再生處理，故前述第二除去工序中，通過進行至少一方的前述水分吸附部與前述催化劑部的再生處理，利用再生作業不中斷從前述第1到第二除去工序的連續工序，可連續精製。
若採用本發明第10方案的精製方法，由於在前述第9方案中對前述一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部交替地反覆進行水分與氧的前述除去處理和前述通入還原氣體的前述再生處理而進行連續精製，故可大量精製高純度氨。
若採用本發明第11方案的精製方法，由於前述粗氨氣體使用將原料氨分離成液相與氣相得到的氣相成分氣體，故利用液相大量含水分與金屬類雜質的性質，以水分與金屬類雜質部分含量極少的氣相氨作為精製起始原料，通過實施前述第1～10任一種方案的精製方法進行精製處理，可以精製更高純度的氨。
若採用本發明第12方案的氨氣精製裝置，在熱交換器構成的蒸餾部導入粗氨氣體後，利用前述熱交換器的冷卻作用將氨氣液化，通過前述排氣通路從前述蒸餾部將沸點比氨低的低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態的排氣，可以從前述粗氨氣體中除去低沸點雜質氣體。
若採用本發明第13方案的精製裝置，在前述第12方案中，在前述蒸餾部設貯存已液化氨的液化氨貯存部，通過使用前述加熱裝置對該液化氨貯存部內的液化氨進行加熱，可以排氣除去殘留於液化氨中的低沸點雜質，精製更高純度的氨。
若採用本發明第14方案的精製裝置，由於從前述液化氨貯存部排出液化氨後，使用前述氣化裝置使液化氨氣化，故前述第12或13的方案可以採用氣體狀態排出高純度精製的氨，可供給連續工序。
若採用本發明第15方案的精製裝置，可以在吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部導入粗氨氣體，從前述粗氨氣體中至少除去作為非金屬雜質的水分與氧。
若採用本發明第16方案的精製裝置，設至少一對吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部，在一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述粗氨氣體導入通路導入粗氨氣體，從前述粗氨氣體中至少除去作為非金屬雜質的水分與氧，另一方面在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述還原氣體導入通路通入還原氣體進行再生，故可利用再生作業不中斷地連續進行水分與氧的除去處理，提高高純度氨的精製效率。
若採用本發明第17方案的精製裝置，在前述第16方案中，通過利用前述連續精製控制部控制前述粗氨氣體導入通路與前述還原氣體導入通路的開關，可以對一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部，交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去和通入前述還原氣體的再生而連續進行精製，實現高純度氨的大量精製。
若採用本發明第18方案的精製裝置，通過前述蒸餾部、和設於前述蒸餾部的將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態排氣的前述排氣通路，將含水分與沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體液化，可以從前述蒸餾部將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態的排氣除去，另外，由於通過前述氨氣導入通路將使用前述氣化裝置將液化氨氣化的氨氣導入前述水分吸附部與前述催化劑部，可以從該氨氣中除去水分與氧，因此可實現雜質的連續處理工序，可以精製更高純度的氨。
若採用本發明第19方案的精製裝置，在前述第18方案中，設置貯存已液化的氨的液化氨貯存部，通過使用前述加熱裝置對該液化氨貯存部內的液化氨進行加熱，可以分離除去殘留於液化氨中的低沸點雜質，故可以提高精製純度。
若採用本發明第20方案的精製裝置，在前述第18或19方案中，由於在至少設一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述氨氣導入通路導入前述氣化裝置氣化的氨氣，從該氨氣中除去水分與氧，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述還原氣體導入通路通入還原氣體進行再生，因此可以與利用一方的前述水分吸附部與前述催化劑部的除去處理並行地，進行另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部的再生處理，可以不中斷採用再生作業的除去工序而連續精製。
若採用本發明第21方案的精製裝置，前述第20方案中，通過利用前述連續精製控制部控制前述粗氨氣體導入通路與前述還原氣體導入通路的開關，可以對一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部，交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去和通入前述還原氣體的再生而連續進行精製，可以實現高純度氨的大量精製。
本發明的第22方案，由於前述粗氨氣體使用將原料氨分離成液相與氣相得到的氣相成分氣體，故利用液相大量含水分與金屬類雜質的性質，以水分與金屬類雜質部分含量極少的氣相氨作為精製起始原料，通過實施前述第12～21任一種方案的精製方法進行精製處理，可以精製更高純度的氨。
圖1是本發明精製裝置的簡要構成圖。
圖2是本發明另一個精製裝置的簡要構成圖。
圖3是本發明又一個精製裝置的簡要構成圖。
圖4是說明本發明精製效果用的雜質濃度分析圖。
圖5是說明圖3的精製裝置中的適宜氨使用狀態的氨用量-氣相水分濃度分布圖。
具體實施例方式
以下，根據附圖對本發明的氨精製方法與精製裝置的實施方案詳細地進行說明。
根據圖1對本發明的從粗氨中除去低沸點雜質的精製裝置及其精製方法進行說明。圖1是本實施方案精製裝置的簡要構成圖。原料氨裝在液體氨容器1中，其氣相部12的氨氣成為被精製用粗氨氣。該原料氨分離成液相部11與氣相部12，由於該液相、氣相分離，故含於原料氨中的水分與金屬類雜質基本上殘留在液相部11中。因此，該液相、氣相分離得到的氣相部12的氨，由於水分與金屬類雜質成為預除去的狀態，故在這種狀態下轉移到精製工序，作為起始原料氨，是適合於更高純度精製使用的原料。
除去含於粗氨氣體中的多種非金屬雜質用的蒸餾塔2，由設在該塔上部的熱交換器31構成的蒸餾部3、設於中間部的氣體流入部7及設於下部的液化氨貯存部8構成。蒸餾部3的熱交換器31通過冷媒供給循環路41、42連接冷媒循環裝置4，向熱交換器31循環供給冷媒。冷媒使用乙二醇等，使用設於冷媒循環裝置4上的溫度傳感器監測系統(沒有圖示)，將熱交換器31內保持在-5℃～+10℃。熱交換器31的許多氣體通路32在氣體流入部7與蒸餾塔2最上部空間6之間連通形成。氣體流入部7通過氣體供給通路9與液體氨容器1的氣相部12連通，通過氣體供給通路9供給來自氣相部12的粗氨氣體。由於供給氣體流入部7的粗氨氣體進入氣體通路32，利用熱交換器31與冷媒循環裝置4的冷卻作用被液化，故在蒸餾塔2最下部的液化氨貯存部8形成液滴落下，液化氨被貯存下來。另一方面，在最上部空間6，蒸餾部3的粗氨液化時，沸點低的雜質氣體與一部分氨氣一起堆積，通過設於最上部空間6的排氣通路10，利用排氣裝置(沒圖示)進行排氣，所以可排出雜質氣體。此時，堆積在最上部空間6的雜質氣體主要是氫(H2)、氧(O2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氮(N2)、甲烷(CH4)等。
若採用上述的蒸餾部3，由於將粗氨氣體液化，邊使液化氨81貯存在液化氨貯存部8，邊使沸點比氨低的含非金屬雜質作為氣體進行分離，因此最上部空間6可以分離回收雜質氣體，可以一次除去多種的雜質。所以不需要對氫、氧、一氧化碳、二氧化碳、氮、甲烷等的雜質的分別的除去工序，可以採用單一的蒸餾塔2簡單且高效率地實現氨的高純化。
蒸餾塔2還具有實現氨高純化的殘留雜質排氣功能。即，液化氨貯存部8中內設使溫水循環裝置5供給的溫水在貯存部內循環的溫水循環配管13。利用設於溫水循環裝置5的溫度傳感器監測系統(沒圖示)將溫水保持在30℃-50℃，利用該溫水循環在溫水循環配管13表面產生沸騰(氣化)。因此，蒸餾部3中的粗氨液化時殘留的雜質與液體氨分離後，排到氣體流入部7側，最後在最上部空間6被回收。
由於把利用上述的溫水循環裝置5與溫水循環配管13構成的加熱裝置的加熱功能賦予液化氨貯存部8，因此也可以除去殘留於被蒸餾部3液化的氨中的雜質，可進一步提高氨的精製純度。
貯存在液化氨貯存部8的液體氨通過排出通路14排到氣化部15側。氣化部15配設在溫水槽16內。溫水槽16中內設加熱器18，利用恆溫控制部17控制在30℃～100℃的溫水狀態。因此，通過排出通路14排出的液體氨在氣化部15，受到溫水槽16構成的氣化裝置的氣化作用，返回氣體狀態。可利用排氣裝置(沒圖示)經氣化部15將該再氣化的精製後的氨氣排出，得到高純度的氨氣。
以下，根據圖2對可高效地除去含於粗氨中的水分與氧的精製裝置及其精製方法進行說明。圖2是本實施方案精製裝置的簡要構成圖。本實施方案的精製裝置由一對的水、氧、一氧化碳除去部20、21構成。水、氧、一氧化碳除去部20、21分別具有水分除去部22與催化劑部23、水分除去部24與催化劑部25。水分除去部22、24中填充吸附水分的結晶性沸石組成的分子篩。水分除去部22、24利用分子篩的吸附作用進行水分的除去。作為水分吸附劑，除了分子篩以外，也可以使用活性氧化鋁等的水分吸附劑。催化劑部23、25中填充鎳催化劑。催化劑部23、25中利用鎳催化劑的化學吸附作用吸附除去氧與一氧化碳。利用鎳催化劑除去氧與一氧化碳雜質通過以下的化學反應進行。
各水、氧、一氧化碳除去部20、21形成水分除去部與催化劑部的2層分離結構。例如，使氨精製量為3N(標準狀態)m3/h時，內徑43mm的筒內，在各水分除去部填充分子篩0.3kg(填充高度300mm)。而，在各催化劑部填充鎳催化劑0.8kg(填充高度500mm)。另外，在這些分子篩與鎳催化劑的填充狀態下按0.17m/s的流速通入氨氣時，與催化劑部、水分除去部中各吸附劑的接觸時間是約3秒、1.77秒。此外，將水、氧、一氧化碳除去部20、21製成使水分吸附劑與鎳催化劑混合的單一混成結構，也可得到同樣的吸附效果。
各水、氧、一氧化碳除去部20、21，通過粗氨氣體導入通路51，分別由導入通路29、30，導入來自液體氨容器50的氣相氨氣。液體氨容器50是與圖1實施方案中使用的液體氨容器1同樣的結構，將原料氨進行液相、氣相分離得到的水分與金屬類雜質少的氣相氨氣作為被精製氣體使用。
本裝置中，精製工序(下部→上部)與再生工序(上部→下部)的氣體的流動方向設計成逆向。但，再生工序也可與精製工序同樣地採用下部→上部進行。符號56、58、59表示通往水、氧、一氧化碳除去部20、21的氨氣的氣體導入側開關閥。另外，由再生氣體供給裝置54、55供給的氫還原氣體組成的再生氣體，通過再生氣體導入通路，由再生氣體導入側開關閥61、64供給各水、氧、一氧化碳除去部20、21。
來自各水、氧、一氧化碳除去部20、21的氣體排出通路26、27上連接設有排氣通路28，另外該氣體排出通路上設氣體排出側開關閥62、63。此外，設置從再生氣體供給裝置54、55向水、氧、一氧化碳除去部通入再生氣體，然後回收該再生氣體的再生氣體回收裝置52、53。在該回收側通路上配置回收再生氣體用的開關閥57、60。
作為再生氣體，鎳催化劑用還原氣體使用氫，而分子篩的水分除去使用乾燥氮氣。因此通入氫氣與氮氣作為再生氣體。各水、氧、一氧化碳除去部設加熱器70、71，用於再生時的加熱處理。作為再生處理的一個例子，首先，邊由再生氣體供給裝置54、或55向水、氧、一氧化碳除去部供給乾燥氮氣，進行水分的清除1小時，邊用加熱器70、71將水、氧、一氧化碳除去部加熱到大約200℃。接著，在該加熱狀態下，除了從再生氣體供給裝置54、或55供給乾燥氮氣外，也供給氫氣，進行鎳催化劑的還原處理3小時。鎳催化劑的還原處理通過如下的化學反應進行。
然後，切換成只供給乾燥氮氣，進行吸附水分的除去2小時。最後，邊通入乾燥氮氣，邊慢慢減少加熱器70、71的加熱，大約經5小時恢復到常溫。此外，再生氣體的供給，例如使氨精製量為3N(標準狀態)m3/h時，在乾燥氮氣量為200N(標準狀態)L/h下，也可以使還原氫氣量為4N(標準狀態)L/h。另外，再生處理結束後，如果不立即轉移到精製，在精製前流通一定時間的精製氨氣，則吸附效果好。
採用上述構成，由於使用一對的水、氧、一氧化碳除去部20、21，故將一方用於雜質除去處理，另一方則可進行再生處理。使用精製管理控制裝置(沒有圖示)，例如，從關閉全部閥的狀態打開氣體導入側閥56、58，再打開排氣側的閥62，將粗氨導入水、氧、一氧化碳除去部20。由於粗氨的導入，在催化劑部23利用鎳催化劑除去氧與一氧化碳雜質，又在水分除去部22利用分子篩吸附水分進行水分雜質的除去，連續除去水、氧與一氧化碳得到的精製氨氣通過排氣通路28被排出。
此外，水、氧、一氧化碳除去部20側的精製處理結束時，關閉閥58、62。再打開閥59、63，向水、氧、一氧化碳除去部21導入粗氨，可用催化劑部25與水分除去部24接著進行精製處理。另一方面，對完成精製處理的水、氧、一氧化碳除去部20，通過打開閥57、61進行上述的再生處理。這樣，通過交替地將各水、氧、一氧化碳除去部切換成精製、再生的處理，可以利用水、氧的雜質除去實現高純度氨氣的連續精製，使大量精製成為可能。
以下，根據圖3對可高效率地除去含於粗氨中的多種雜質的精製裝置及其精製方法進行說明。圖3是本實施方案精製裝置的簡要構成圖。此外，本實施方案中，對與圖1及圖2的實施方案相同的結構使用相同符號。
本實施方案的精製裝置由除去含於粗氨氣體中的多種非金屬雜質用的蒸餾塔2、和用於除去水分、氧與一氧化碳雜質的一對水、氧、一氧化碳除去部20、21構成。蒸餾塔2與水、氧、一氧化碳除去部20、21，分別是與圖1、圖2所說明的結構同樣的結構。另外，本實施方案也是在液體氨容器1將原料氨分離成液相部11與氣相部12，從該氣相部12將氣相氨排氣，作為粗氨氣體導入蒸餾塔2。19是氣相部12與氣體供給通路9和氣體流入部7之間的開關閥。
如前所述，蒸餾塔2由蒸餾部3、設於中間部的氣體流入部7及設於下部的液化氨貯存部8構成。由於邊利用蒸餾部3的液化功能將粗氨氣體液化，使液化氨貯存在液化氨貯存部8中，邊將沸點比氨低的含非金屬雜質作為氣體進行分離，因此在蒸餾塔2的最上部空間6可以分離回收雜質氣體，可通過排氣通路10利用排氣一次除去多種的雜質氣體G1。堆積在最上部空間6的雜質氣體主要是氫(H2)、氧(O2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氮(N2)、甲烷(CH4)等。此外，利用設於蒸餾塔2下部的液化氨貯存部8的溫水循環裝置5的加熱作用，蒸餾部3中粗氨液化時殘留的雜質也從液體氨中分離，排到氣體流入部7側，最後在最上部空間6被回收，可以進一步提高精製純度。
貯存於液化氨貯存部8的液體氨通過排出通路14，經溫水槽16導入水、氧、一氧化碳除去部20、21側。液體氨通過溫水槽16而被再次氣化，作為二次被精製氣體導入水、氧、一氧化碳除去部20、21側。各水、氧、一氧化碳除去部20、21分別具有水分除去部22與催化劑部23、水分除去部24與催化劑部25。在水分除去部22、24利用所填充的分子篩的吸附作用進行水分除去。催化劑部23、25利用所填充的鎳催化劑的化學吸附作用吸附除去氧與一氧化碳。因此，在各水、氧、一氧化碳除去部20、21可以進一步除去蒸餾塔2中沒有處理乾淨的水、氧、一氧化碳雜質，最後採用兩步通過排氣通路28得到更多地除去多種雜質中、尤其是水、氧與一氧化碳雜質的高純度的精製氨氣G2。
如上所述，本實施方案的精製裝置，通過將蒸餾塔2與水、氧、一氧化碳除去部20、21連接作為精製體系，可以實現更簡單的高純度精製工序。此外，如前所述，由於使用一對的水、氧、一氧化碳除去部20、21交替地切換成精製、再生，總是可以使一方進行精製處理運轉，因此可以避免使用水、氧、一氧化碳除去部20、21時的再生時的精製處理的中斷，而且可連續精製運轉，故有助於大量精製的低成本化。
圖4表示體現上述精製裝置精製效果的雜質濃度分布測定例。首先，氣相部12的粗氨氣體大量含有ppm級濃度單位的氫(H2)、氧(O2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氮(N2)、甲烷(CH4)等的低沸點雜質和水(H2O)(參照圖4的(1))。通過蒸餾塔2精製該粗氨氣體時，如圖4的(3)所示，除了水(H2O)之外的大多數雜質都減少到ppb級的濃度單位。此外，由於再把通過蒸餾塔2的一次精製氣體導入水、氧、一氧化碳除去部20、21，故如圖4的(4)所示，水也減少到ppb級的濃度單位。因此，若採用使用本實施方案精製裝置的精製方法，可以得到極高純度的精製氨。此外，根據該測定例，在蒸餾塔2基本上除去氧、一氧化碳雜質，在水、氧、一氧化碳除去部20、21階段除去的量極少。
此外，如圖4的(2)所示，最初由於水分大量含在液相中，氣相氨中的水比液相少，但在實施連續精製的過程中氨逐漸減少時，產生氣相中的水分含量急劇增多的現象。把本實施方案精製裝置的測定例示於圖5。由圖5可以看出，液體氨容器1的氨使用率達85％左右時，氣相中的水分急劇地增加。因此，85％左右的使用通常是精製極限，如採用本實施方案的精製裝置，可以說達到氨使用率85％的連續精製是可能的。
如上所述，採用本發明的精製方法與精製裝置，可以高純度地精製工業用原料氨等，並且不使用複雜的精製工序，可將精製工序簡單化，而且也可以簡易地形成連續精製工序。
權利要求
1.氨氣精製方法，其是對含沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體進行精製的方法，特徵在於，在熱交換器構成的蒸餾部導入前述粗氨氣體後，利用前述熱交換器的冷卻作用將氨氣液化，從前述蒸餾部將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態的排氣，從前述粗氨氣體中除去前述低沸點雜質氣體。
2.權利要求1所述的氨氣精製方法，其特徵在於，在前述蒸餾部設置貯存已液化的氨的液化氨貯存部，通過對該液化氨貯存部內的液化氨進行加熱，排氣除去殘留於液化氨中的低沸點雜質。
3.權利要求1或2所述的氨氣精製方法，其特徵在於，通過從前述液化氨貯存部排出液化氨，使之通過加熱部，進行氣化。
4.氨氣精製方法，其是對至少含水分與氧的粗氨氣體進行精製的方法，特徵在於，在吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部導入前述粗氨氣體，從前述粗氨氣體中除去水分與氧。
5.氨氣精製方法，其是對至少含水分與氧的粗氨氣體進行精製的方法，特徵在於，設至少一對吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部，一方面，在一方的前述水分吸附部與前述催化劑部導入前述粗氨氣體，從前述粗氨氣體中除去水分與氧，另一方面，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通入還原氣體進行再生。
6.權利要求5所述的氨氣精製方法，其特徵在於，對於一對前述水分吸附部與前述催化劑部的各部分，交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去、和利用通入前述還原氣體的再生，從而連續進行精製。
7.氨氣精製方法，其是對含水分和沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體進行精製的方法，其特徵在於，包括第一除去工序、氣化工序和第二除去工序，在所述第一除去工序中，在熱交換器構成的蒸餾部導入前述粗氨氣體後，利用前述熱交換器的冷卻作用將氨氣液化，從前述蒸餾部將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態的排氣，從前述粗氨氣體中除去前述低沸點雜質氣體，在所述氣化工序中，從前述蒸餾部排出在前述蒸餾部液化的氨，使之通過加熱部進行氣化，在所述第二除去工序中，在吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部導入前述氣化工序中氣化的氨氣，從該氨氣中除去水分與氧。
8.權利要求7所述的氨氣精製方法，其特徵在於，包括第三除去工序，在所述第三除去工序中，設置貯存在前述第一除去工序中液化的氨的液化氨貯存部，通過對該液化氨貯存部內的液化氨進行加熱而排氣除去殘留於液化氨中的低沸點雜質，通過前述第三除去工序向前述氣化工序導入液化氨進行氣化。
9.權利要求7或8所述的氨氣精製方法，其特徵在於，前述第二除去工序包括除去處理和再生處理，在所述除去處理中，在至少設一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的一方的前述水分吸附部與前述催化劑部導入前述氣化工序氣化的氨氣，從該氨氣中除去水分與氧，在所述再生處理中，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通入還原氣體進行再生。
10.權利要求9所述的氨氣精製方法，其特徵在於，對前述一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部分，交替地反覆進行水分與氧的前述除去處理和通入前述還原氣體的前述再生處理，進行連續精製。
11.權利要求1-10任一項所述的氨氣精製方法，其特徵在於，前述粗氨氣體是將原料氨分離成液相與氣相而得到的氣相成分氣體。
12.氨氣精製裝置，其是對含沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體進行精製的精製裝置，特徵在於，具有導入前述粗氨氣體後、利用冷卻作用將氨氣液化的熱交換器構成的蒸餾部，在前述蒸餾部設置將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態的排氣的排氣通路。
13.權利要求12所述的氨氣精製裝置，其特徵在於，前述蒸餾部包括貯存液化的粗氨的液化氨貯存部和用於從前述液化氨貯存部內的液化氨中分離前述低沸點雜質氣體的加熱裝置。
14.權利要求12或13所述的氨氣精製裝置，其特徵在於，包括使從前述蒸餾部排出的液化氨氣化的氣化裝置。
15.氨氣精製裝置，其是對至少含水分與氧的粗氨氣體進行精製的精製裝置，特徵在於，具有吸附水分的水分吸附部和分離氧的催化劑部，在前述水分吸附部與前述催化劑部導入前述粗氨氣體，從前述粗氨氣體中除去水分與氧。
16.氨氣精製裝置，其是對至少含水分與氧的粗氨氣體進行精製的精製裝置，特徵在於，具有至少一對吸附水分的水分吸附部與分離氧的催化劑部，在各個的前述水分吸附部與前述催化劑部設置導入前述粗氨氣體的粗氨氣體導入通路，在各個的前述水分吸附部與前述催化劑部設置導入還原氣體的還原氣體導入通路，在一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述粗氨氣體導入通路導入前述粗氨氣體，從前述粗氨氣體中除去水分與氧，另一方面，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述還原氣體導入通路通入還原氣體進行再生。
17.權利要求16所述的氨氣精製裝置，其特徵在於，具有控制前述粗氨氣體導入通路與前述還原氣體導入通路的開關的連續精製控制部，使得對於一對的前述水分吸附部與前述催化劑部的各部分，交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去、和通入前述還原氣體的再生。
18.氨氣精製裝置，其是對含水分和沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體進行精製的精製裝置，特徵在於，具有導入前述粗氨氣體後、利用冷卻作用將氨氣液化的熱交換器構成的蒸餾部，設於前述蒸餾部的將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態排氣的排氣通路，使從前述蒸餾部排出的液化氨氣化的氣化裝置，吸附水分的水分吸附部，分離氧的催化劑部，和將前述氣化裝置氣化的氨氣導入前述水分吸附部與前述催化劑部的氨氣導入通路。
19.權利要求18所述的氨氣精製裝置，其特徵在於，把貯存在前述蒸餾部液化的粗氨的液化氨貯存部設在前述蒸餾部，前述液化氨貯存部具有用於分離殘留於前述液化氨貯存部內的液化氨中的低沸點雜質的加熱裝置。
20.權利要求18或19所述的氨氣精製裝置，其特徵在於，具有至少一對前述水分吸附部與前述催化劑部，在各個前述水分吸附部與前述催化劑部設置導入前述氣化裝置氣化的氨氣的前述氨氣導入通路，且在各個前述水分吸附部與前述催化劑部設置導入還原氣體的還原氣體導入通路，在一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述氨氣導入通路導入前述氣化的氨氣，從該氨氣中除去水分與氧，另一方面，在另一方的前述水分吸附部與前述催化劑部通過前述還原氣體導入通路通入還原氣體進行再生。
21.權利要求20所述的氨氣精製裝置，其特徵在於，具有控制前述氨氣導入通路與前述還原氣體導入通路的開關的連續精製控制部，使得對於一對前述水分吸附部與前述催化劑部的各部分，交替地反覆進行前述粗氨氣體的水分與氧的除去、和通入前述還原氣體的再生。
22.權利要求12-21的任一項所述的氨氣精製裝置，其特徵在於，前述粗氨氣體是將原料氨分離成液相與氣相得到的氣相成分氣體。
全文摘要
本發明提供了能夠高效地除去原料氨中含的多種非金屬雜質且可簡化連續精製工序的氨氣精製方法及精製裝置。本發明的氨氣精製裝置具有導入含有水分和沸點比氨低的低沸點雜質氣體的粗氨氣體後利用冷卻作用將氨氣液化的熱交換器構成的蒸餾部3，設於前述蒸餾部3的將前述低沸點雜質氣體直接進行氣體狀態排氣的排氣通路，使從前述蒸餾部3排出的液化氨氣化的氣化裝置，吸附水分的水分吸附部22、24，分離氧的催化劑部23、25，和將前述氣化裝置氣化的氨氣導入前述水分吸附部22、24與前述催化劑部23、25的氨氣導入通路。
文檔編號C01C1/00GK1623900SQ20041006176
公開日2005年6月8日 申請日期2004年6月30日 優先權日2003年12月3日
發明者米田隆, 阪口正美, 池田晶義, 安部敏行 申請人:大陽東洋酸素株式會社