[发明专利]三塔精馏制取7N光电子级超高纯氨的方法

说明书

技术领域：

本发明是采用三塔精馏由99.9％工业液氨制取99.99999％光电子级超高纯氨的方法。涉及超高纯光电子级特种气体的纯化技术。 

技术背景：

近年来，随着全球石油等能源资源逐渐减少，世界各国大力发展清洁能源以及节能技术，重点关注低碳经济。在此背景下，我国的太阳能电池和LED技术及相关产业得到了迅猛发展。在生产制造太阳能电池及LED芯片过程中，都需要用到大量的超纯氨作为氮源，尤其是LED芯片在生长时，所用的氨的纯度越高，制备的LED功耗越小，发光强度越大。 

LED的外延生长是指应用金属有机化学气相沉积工艺MOCVD在一定衬底材料上生长出特定的单晶薄膜。被广泛用作背光光源的高效蓝光LED的制备过程中需要在蓝宝石衬底材料上生长GaN单晶膜。其中，Ga来自金属有机源(MO源)如三甲基镓(TMG)；N来自超高纯氨氮源。可见超高纯氨是蓝光LED外延片的三大核心材料之一。而光电子级超高纯氨的纯度需要达到6N4或7N以上。 

超高纯氨的制取一般都是采用工业液氨通过催化吸附、精馏、过滤等物理化学方法来除去氨中各种轻组分(H₂、O₂、N₂、CH₄、CO、CO₂)杂质、高沸物、水和金属杂质等。工艺过程比较复杂，尤其是采用催化吸附法在除去水和氧等过程中有可能带入新的化学杂质。因此本发明可由工业液氨为原料直接制取7N超高纯氨，可以尽量避免外来污染，达到光电子半导体外延所需的更优良的超高纯氨气。 

发明内容：

根据工业液氨的纯度，优级品为99.9％。随着合成氨厂所采用的煤、石油和天然气等原料的不同，工业液氨中的杂质组成也有区别，一般分析结果：氨中水为500-1000ppm、其他H₂、O₂、N₂、CH₄、CO、CO₂等都在几十到几百ppm、还有少量油类和金属杂质等。 

本发明采用三级精馏方法，第一级精馏塔可以在塔釜除去水分、高沸物和金属杂质，第二级精馏塔可以在塔顶除去轻组分，第三级精馏塔可进一步在塔底除去水分等重组分；在塔顶除去轻组分，得到7N超高纯氨。具体工艺过程见附图1。 

原料液氨首先进入气化器1，然后经过精密过滤器2进入第一级精馏塔3，塔釜再沸器4用热水加热蒸发回流液氨，并少量排出含水废氨，塔顶冷凝器5用冷冻水冷却液化氨气通过高位槽6使液氨回流到精馏塔3顶部。高位槽6上部氨气进入二级精馏塔7，塔釜再沸器8用热水加热蒸发回流液氨同时把初步纯化的液氨送入三级精馏塔11，塔顶冷凝器9用冷冻水 冷却液化氨气，并通过高位槽10使液氨回流到精馏塔7顶部，氨中轻组分杂质通过高位槽10上部排出。进入三级精馏塔11的纯氨，进一步通过塔釜再沸器12把回流液氨蒸发和把含水废氨排出。在塔顶冷凝器13把氨气液化并通过高位槽14把部分液氨作为回流液送入精馏塔11顶部。把另一部分液氨作为超纯氨产品送入产品罐15，通过高位槽14的上部可以进一步把氨中轻组分杂质排出。 

实施举例： 

年产2000t超高纯氨装置，进入第一级精馏塔3的氨气量270Kg/h，其中组成为NH₃99.9％、H₂100ppm、O₂100ppm、N₂200ppm、CH₄50ppm、CO 20ppm、CO₂30ppm、水分500ppm。在塔釜再沸器4排出含水废氨2-3Kg/h，由塔顶冷凝器5下面高位槽6上部的氨气进入第二级精馏塔7的氨气中轻组分杂质含量基本不变，水分含量可降至100ppb以下。在第二级精馏塔7的塔顶冷凝器9下面的高位槽10上部可把含氨轻组分废气排出3-5Kg/h，在第二级精馏塔7的塔釜再沸器8下部液氨纯度可达6N以上，各种杂质组成均在100ppb以下。送入第三级精馏塔11后，在塔釜再沸器12中可把含微量水的液氨废液排出1-2Kg/h，在塔顶冷凝器13下面的高位槽14的上部可把含少量轻组分杂质的废氨排出2-4Kg/h，在高位槽14的下部有一部分液氨送精馏塔11塔顶回流，另一部分液氨已达到7N纯度送入产品罐15.超高纯液氨产量258Kg/h以上，提取率为95％以上。其中氨气纯度为99.99999％，轻组分杂质H₂、O₂、N₂、CH₄、CO、CO₂均少于10ppb，水分少于50ppb。