[发明专利]高纯氨制备工艺中冷量利用装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于节能领域，涉及一种合成高纯氨中能量利用装置及方法，尤其是涉及一种高纯氨制备工艺中冷量利用装置及方法。

背景技术

现代微电子和光电子等工业的发展对氮化物特别是氮化镓（GaN）和氮化硅（Si₃N₄）提出了更高的质量要求。在制备高质量的氮化物中，必须要使用高纯度的氨气（高纯氨），通常高纯氨的纯度需要在99.9999%以上。中国专利ZL2009100662709.3，名称为“氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨的方法”公开了一种区别于传统的通过精馏获得高纯氨的新方法：在该专利中获得高纯氨的工艺，既有高温流程：比如氨催化裂解所需的高温（约800℃）和氨合成所需的高温（约400℃），也有低温流程：氨合成后需要把介质(包括氨气、氢氮混合气)降低至低温（通常在－25℃以下）。这些过程都需要消耗相当多的能量，如何在这些工艺流程降低能耗是一个重要的课题，因为降低能耗意味着降低成本。在该专利中在能量的利用方面还存在如下缺陷：

1）在三步法的氨合成这一步中，在得到高纯氨气后，还需要把氨气跟氢氮混合气分离出来，为了尽可能分离氨气和氢氮混合气，分离通常需要对介质制冷降至－25～－50℃以下的低温，通过把氨气液化成液氨后跟氢氮混合气分离，这一步制冷需要消耗相当多的能量。

2）在三步法的氨催化裂解这一步中，又需要把低纯氨（通常为液氨而不是氨气）加热气化然后再升温至约800℃的高温，然后分解为氢氮混合气，这一步也要消耗相当多的能量，能量的消耗可以分为三部分：液氨的气化、气化后的氨气的升温和氨分解作为一个吸热反应要消耗的能量，其中前两部分消耗的能量基本相当。液氨的气化潜热很大，在一个大气压的条件下，1克氨的气化潜热为1368焦耳，这一方面意味着液氨气化需要大量的能耗，另一方面也意味着液氨含有大量的冷量。

3）前面跟液氨分离出来的氢氮混合气需要重新进入合成塔，刚分离出来的氢氮混合气也含有相当多的冷量，这些冷量没能得到充分的利用。

4）在高纯氨制造过程中，需要消耗相当多的氮气，主要用于纯化系统的再生或者管道、容器的吹扫等，这些氮气往往通过液氮气化而得，而液氮是一种非常好的冷源，而该液氮冷源也未能得到充分的运用。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种高纯氨制备工艺中冷量的利用装置。该装置是在中国专利ZL 2009100662709.3提供的技术方案的基础上，能充分利用好该技术中产生的冷量来降低能耗，这些冷量几乎达到整个制冷所需冷量的50～85%，生产成本大大降低。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种高纯氨制备工艺中冷量的利用方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种高纯氨制备工艺中冷量的利用装置，包括换冷器、氨冷器、深冷器、液氮换冷器和氨分离器；

所述换冷器包括横向通道和纵向通道，横向通道和纵向通道互不连通；

所述氨冷器包括横向通道和纵向通道，横向通道和纵向通道互不连通；

所述深冷器包括横向通道和纵向通道，横向通道和纵向通道互不连通；

所述液氮换冷器包括横向通道和纵向通道，横向通道和纵向通道互不连通；

高纯氨合成氨出塔气经过冷却降至室温后，气体通过换冷器的横向通道进口端进入换冷器，换冷器的横向通道出口端通过第一管道与氨冷器横向通道进口端连接相通，所述氨冷器横向通道出口端通过第二管道与深冷器横向通道进口端连接相通，所述深冷器横向通道出口端通过第三管道与液氮换冷器横向通道进口端连接相通，所述液氮换冷器横向通道出口端通过第四管道与氨分离器进口端连接相通，所述氨分离器设有两个出口端，第一出口端通过第五管道与换冷器纵向通道入口端连接相通，第二出口端连接高纯液氨排出管；

所述氨冷器纵向通道进口端连接低纯液氨输入管，出口端连接氨气出口管；

所述深冷器纵向通道进口端连接制冷介质输入管，出口端连接制冷介质出口管；

所述液氮换冷器纵向通道进口端连接液氮输入管，出口端连接氮气出口管。

优选地，所述换冷器、氨冷器、深冷器和液氮换冷器采用管壳式换热器结构。

优选地，所述换冷器、氨冷器、深冷器和液氮换冷器采用不锈钢或碳钢材质。

为解决上述第二个技术问题，利用上述装置对高纯氨制备工艺中冷量的利用方法，包括如下步骤：