[发明专利]一种超纯氨的全温程吸附萃取深度脱水除杂的净化方法

说明书

本发明公开一种超纯氨的全温程吸附萃取深度脱水除杂的净化方法，包括液相吸附、萃取解吸、萃取剂再生以及浅冷精馏工序，工业级液氨经过预处理工序得到5N级（纯度≥99.999%）液氨，进入液相吸附工序，原料中的水分及微量杂质组分被吸附塔吸附后，再通过浅冷精馏工序脱除氧氮为主的杂质组分，得到纯度为7N级的超纯氨；液相吸附工序完成后，通入吸附塔进行萃取解吸工序，从被吸附在吸附剂中及吸附塔内死空间中溶解出水及微量杂质组分。富集水分及微量杂质组分的萃取解吸气，进入萃取剂再生工序再生并返回到萃取解吸工序循环使用。本发明采用吸附‑萃取解吸工艺，通过吸附机理与萃取解吸溶解机理相结合，制得超纯氨的产品纯度大于等于7N级，收率可达98~99%。

技术领域

本发明属于化工分离与净化的技术领域，更具体的说是涉及一种超纯氨的全温程吸附萃取深度脱水除杂的净化方法。

背景技术

超纯氨（纯度≥99.99999%（7N））是电子工业所需的重要气体材料之一，主要用于半导体元件集成片氮化硅膜及氮化镓发光二极管（LED）的制备。超纯氨主要的杂质含量限制指标之一：二氧化碳与一氧化碳（CO2+CO）≤60ppbv，氩（Ar）≤10ppbv，氢（H2）≤50ppbv，氧（O2）≤10ppbv，甲烷（CH4）≤10ppbv，水（H2O）≤1ppbv，其它杂质多为金属等。其中，在超纯氨中对氮化硅膜及氮化镓芯片等影响最大的杂质是氧和水分。比如，氮化硅膜的质量与使用效果与氨的纯度有很大关系。若氨中含有50ppmv的微量水分用于硅片气相沉积生长（MOCVD）氮化硅掩膜时，得到的却是氧化硅而不是氮化硅；含有微量氧（>3ppmv）的氨，同样会使二极管发出的绿光（波长500nm）中掺杂有红外光（波长900nm）和红光（波长700nm），使得LED产品质量受到很大影响。因此，必须将氨中的氧和水分为主的杂质脱除净化到ppb级水平，达到超纯氨的质量指标。

由于氨的沸点在水分和氧气之间，因而要针对工业纯氨（4~5N）为原料深度脱水除杂而达到电子级超纯氨的质量要求，需要针对高于氨沸点的高沸点杂质组分及低于氨沸点的低沸点杂质组分分别进行脱除净化，其中，水与氨极易互溶、极性接近，是最难分离的杂质组分。比如，水分是相对较高沸点的杂质组分，针对深度脱水有精馏、蒸发、化学吸附，以及物理吸附等方法；氧是属于低沸点杂质组分，一般采用低温精馏方法进行脱除。

精馏法是利用氨与水的沸点差异，沸点较低的氨组分以气态形式从精馏釜（塔）顶逸出，沸点较高的微量水分被浓缩在精馏釜（塔）底而排出。但精馏釜（塔）顶逸出的氨气，由于平衡关系，至多能达到8~10ppmv的脱水纯度，无法达到含水量小于1ppbv级的深度脱水程度；此外，大量的液氨被气化而微量的水分被浓缩，能耗高，尤其是液氨自身所具有的冷量特征没有得到充分的利用，能效极低。但低温精馏脱除液氨中微量的氧气、氮气等低沸点杂质组分，相对合理且成熟。

蒸发与精馏类似，在精馏过程中通过精密控制使液氨由液态的储存形式转化为气态，形成闪蒸操作，可以脱除大量的水，但无法达到深度脱水的效果。不过，闪蒸操作相对于精馏能耗要低，且也可以脱除液氨中的微量金属杂质组分，可以作为初脱水及其他微量杂质的工序。

物理吸附法是干燥脱水最为常用的方法，是利用水分与吸附剂具有较强的吸附力和亲和力而实现脱水，其中，在气相吸附中，氨组分和水分的极性差异相比于液相吸附要小，气相吸附中极易产生共吸附现象，吸附深度不够。传统的液相吸附虽然吸附深度要高于气相吸附，但无论是气相吸附还是液相吸附，都需要通过热载体氮气或氢气加热再生，吸附与解吸再生的循环操作难以匹配，吸附剂受到周期性的温度应力比较大，使得吸附剂使用寿命缩短。