超高純氨精餾系統(tǒng)的節(jié)能新工藝①

趙海峰，曾愛武，賈鵬飛，王吉紅

(天津大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，天津 300072）

超高純氨精餾系統(tǒng)的節(jié)能新工藝①

趙海峰，曾愛武，賈鵬飛，王吉紅

(天津大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，天津 300072）

隨著我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體發(fā)光器件 (LED）的快速發(fā)展，超純氨需求量將會大幅增加。目前，該市場主要為國外公司壟斷，國內(nèi)現(xiàn)有超高純氨的生產(chǎn)水平還比較落后，針對超高純氨的特性和技術(shù)難點，經(jīng)過大量理論計算與實驗研究，開發(fā)出了單塔連續(xù)節(jié)能精制工藝，通過此工藝不僅可得到合格的高純氨產(chǎn)品，同時較現(xiàn)有的雙塔連續(xù)工藝可節(jié)能15%。目前，我們已經(jīng)將該工藝實現(xiàn)了工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，設(shè)備投資及生產(chǎn)成本得到了降低。

超高純氨;精餾;純化;節(jié)能

超純氨作為電子工業(yè)中氮化硅膜的成膜氣體，已經(jīng)在半導(dǎo)體、液晶面板、氮化鎵系LED生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，在多晶硅太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷增加［1］。特別是近年來隨著國家對新能源產(chǎn)業(yè)政策的扶持力度不斷加大，太陽能光伏電池和半導(dǎo)體發(fā)光器件 (藍光LED）產(chǎn)品迅猛發(fā)展，對超純氨的純度提出了更高的要求。超高純氨是藍光LED上游產(chǎn)業(yè)外延片生產(chǎn)的三大核心材料之一，占外延片生產(chǎn)成本的20%左右，其品質(zhì)直接影響到外延片的質(zhì)量和優(yōu)良率，對LED生產(chǎn)特別是高功率、高亮度LED生產(chǎn)十分關(guān)鍵。目前超高純氨的生產(chǎn)技術(shù)及市場主要為國外公司所壟斷。

超高純氨純度要求到99.99999%，其中H2、N2、Ar、CH4、CO、CO2等雜質(zhì)總和要求小于100 ×10－9;水分要求小于50×10－9;各類金屬雜質(zhì)要控制在10－9數(shù)量級。用于生產(chǎn)超高純氨的原料主要采用工業(yè)液氨，其中的雜質(zhì)大體可分為兩大部分:一是沸點比氨低的易氣化組分，如CH4、H2、N2、O2、CO2等，這部分稱為輕組分，另外是沸點比氨高的難氣化組分，如H2O及油分等，這部分則稱為重組分。由于氨與輕組分CH4、N2、O2等的沸點差較大，它們之間具有較大的相對揮發(fā)度，根據(jù)精餾理論分析，采用加壓精餾，在精餾塔內(nèi)形成汽液兩相逆流接觸發(fā)生傳質(zhì)，對氨氣進行提純，只要精餾的理論板數(shù)足夠，就可以將氨中的CH4、H2、N2、O2、CO2等雜質(zhì)去除到符合超高純度氨氣的要求。而重組分 (主要為水）與氨相比，雖然具有較高的沸點，但是與氨分子之間有較大的締合力，因此要想通過精餾的方法除去，所需要的能耗較高。

目前國內(nèi)外有能力生產(chǎn)純度大于99.9999% 超純氨的公司，其工藝路線均采用精餾結(jié)合吸附的方式。而就工藝核心的精餾系統(tǒng)來講，或者因為規(guī)模小而采用間歇精餾的工藝，或者采用雙塔連續(xù)精餾的路線。

間歇精餾生產(chǎn)超純氨工藝是采用單塔分批次進料、精餾，從塔頂分時間段采用合格產(chǎn)品和不合格品，多見于國內(nèi)公司。其生產(chǎn)能力有限，成品收率較低，產(chǎn)品純度不易控制，同時單位能耗比連續(xù)精餾工藝高30%以上。

圖1 超高純氨單塔連續(xù)精餾系統(tǒng)示意圖Fig.1 The chart of single tower distillation process for ultra-purity ammonia

雙塔連續(xù)精餾生產(chǎn)超純氨工藝是采用兩塔串聯(lián)連續(xù)操作，分別完成脫輕和脫重過程，多見于國外或外資企業(yè)裝置。與間歇精餾工藝相比，連續(xù)流程生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定易控。

由于原料液氨的價格相對較低廉，因此超純氨的生產(chǎn)成本主要為能耗。根據(jù)目前市場情況測算，超純氨的生產(chǎn)成本中能耗方面的支出占原料方面支出的十倍以上。而對于純度更高的超高純氨來說，還需要增加更多的能耗成本來達到要求。因此如何降低生產(chǎn)過程中的能耗非常重要。

本實驗室在目前國外公司通常采用的雙塔連續(xù)精餾工藝基礎(chǔ)上，進行了充分的模擬計算和研究對比。設(shè)計將原有兩個精餾塔結(jié)合起來，通過側(cè)線采出合格成品的方式，以達到節(jié)約能耗及設(shè)備投資的目的。單塔連續(xù)精餾流程示意見圖1。

表1 兩種流程模擬對比情況Table 1 The contrast of simulation results between single and double towers

表2 現(xiàn)場在線分析結(jié)果Table 2 The online analysis results of single tower

為驗證該流程的可行性，以年產(chǎn)1500 t超高純氨為例，選用合適的熱力學(xué)模型［2］，對雙塔精餾與單塔精餾進行了模擬計算，兩種流程結(jié)果對比如表1所示。通過結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，單塔連續(xù)精餾得到超高純氨的流程是可行的。理論操作能耗可以降低15%左右。同時為了驗證計算結(jié)果，針對兩種流程分別進行了實驗研究，實驗結(jié)果驗證了單塔流程模擬的可靠性。

由于將兩塔合二為一，且對產(chǎn)品純度要求更高，因此對該精餾塔的工程設(shè)計提出了更高的要求。結(jié)合模擬計算結(jié)果和小試實驗數(shù)據(jù)，研究開發(fā)出了特殊處理的新型高效填料，配置最新設(shè)計的集成式的高效液體收集分布一體的塔內(nèi)件輔助裝置以保證液體的均勻分布。同時在填料層中部設(shè)置可再分布型填料，以改善液體下降過程中的壁流、偏流現(xiàn)象。2011年初首套年產(chǎn)1500 t超高純氨單塔連續(xù)精餾裝置在江蘇某公司試運行，經(jīng)過八個多月的運行，取得了滿意的成果，系統(tǒng)的可靠性、產(chǎn)品的純度和穩(wěn)定性得到了驗證。現(xiàn)場在線取樣分析結(jié)果見表2。

首套單塔連續(xù)精餾工業(yè)化裝置的開車成功，標志著本工藝成熟、可靠、穩(wěn)定，為超高純氨的生產(chǎn)和節(jié)能提供了一條可行的道路。

［1］孫福楠．高純氨的大規(guī)模生產(chǎn) ［J］．半導(dǎo)體技術(shù)，1998(1）:44-46．

［2］馬沛生．化工熱力學(xué) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

The Energy Saving Distillation Process of Ultra-Purity Ammonia

ZHAO Haifeng，ZENG Aiwu，JIA Pengfei，WANG Jihong
(State Key Laboratory of Chemical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

With the development of the electronic industry，the demand of ultra purity ammonia increases substantially．However，the production technology of ultra purity ammonia in our country is relatively backward．Considering the technical difficulties and the requirement of environment for this process，wemaster the core technologies of this process for high-purity ammonia production after years of our efforts．At present，this process has been realized in large-scale industrialized production，in which the cost of equipment and operating is reduced．Themost important is that the product performance reached the international advanced level．

ultra-purity ammonia;distillation;purification;energy saving

TQ113.26

B

1007-7804(2012）01-0018-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.01.005

2011-12-01

趙海峰 (1979），男，現(xiàn)在天津大學(xué)從事精餾分離設(shè)計方面工作。