CN102923731A - 高纯氨制备工艺中冷量利用装置及方法 - Google Patents
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Abstract
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；换冷器通过第一管道与氨冷器连接，所述氨冷器通过第二管道与深冷器连接，所述深冷器通过第三管道与液氮换冷器连接，所述液氮换冷器通过第四管道与氨分离器连接，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；本发明是在专利ZL 2009100662709.3公开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。
Description
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：
从背景技术的技术方案中高纯氨合成塔出来的介质（包括氨气、氢氮混合气）经过冷却后降至室温，然后经过逐步依次降温，最后达到－25～－50℃以下后，大部分氨气液化为液氨后，然后与氢氮混合气分离得到高纯氨，完整的降温冷却流程如图1所示，每一步降温都通过换冷器完成，换冷器的结构主要选择管壳式换热器，换冷器的材料使用不锈钢或者碳钢，对于高纯氨的质量要求很严的工艺，建议使用不锈钢材料制作换冷器。具体的步骤如下：
1）自高纯氨合成塔出来的介质经过冷却后降至室温后输送到换冷器横向通道内降温，降温所需的冷量来自氨分离器通过第五管道输送到的换冷器纵向通道内的低温氢氮混合气；经过换冷器后的氢氮混合气升至接近室温，然后通过循环压缩机重新进入专利ZL 2009100662709.3公开的技术方案中的合成塔开始下一次氨的合成；
2）介质自换冷器横向通道出口端通过第一管道输送到氨冷器横向通道内进一步降温；换冷器的纵向通道内通入低纯液氨，换热后的低纯液氨经过气化后成为氨气作为专利ZL 2009100662709.3公开的技术方案中催化裂解的原料气；
3）介质自氨冷器横向通道出口端通过第二管道输送到深冷器横向通道内进一步降温；深冷器的纵向通道内通入外置制冷设备制得的制冷介质；优选地，制冷介质为氟利昂、氨、乙醇或乙二醇；优选地，制冷介质在外置制冷设备和深冷器之间循环流动。
4）介质自深冷器横向通道出口端通过第三管道输送到液氮换冷器横向通道内进一步降温；液氮换冷器的纵向通道内通入液氮，换热后的液氮变为氮气后作为专利ZL 2009100662709.3公开的技术方案中纯化系统的再生气或者管道、容器的吹扫气；
5）介质自液氮换冷器横向通道出口端通过第四管道输送到氨分离器内进行分离，高纯液氨自高纯液氨排出管排出收集，分离的氢氮混合气输送到换冷器纵向通道内作为冷源。
以上步骤中，只有步骤3）的制冷需要消耗额外的能量，我们可以称之为主动制冷，其他步骤都是为了充分利用现有工艺流程中的产生的冷量而无需额外的能耗，可以称之为非主动制冷。这样就大大地节约了低温流程所需的能耗，经过试验测量和计算，主动制冷产生的冷量占整个低温流程所需的冷量只有15～50%。
其中，步骤2）的氨冷是专利ZL 2009100662709.3公开的技术方案制备高纯氨所独有。
其中，步骤4）中的液氮冷量的利用也是专利ZL 2009100662709.3公开的技术方案所独有，因为传统了（低纯）氨工艺一般也不会使用到液氮，但是高纯氨工艺一般都需要相当数量的液氮，液氮气化成氮气后用于提供吹扫管道容器等或者纯化器的再生，原因在于氮气很稳定和安全，同时很容易提纯到99.9999999%的纯度，氮气几乎应用于所有的高纯物质制造工艺。
本发明具有如下有益效果：
本发明在专利ZL 2009100662709.3公开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。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明
图1为本发明工艺流程示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图1所示，一种高纯氨制备工艺中冷量的利用装置，包括换冷器2、氨冷器3、深冷器4、液氮换冷器5和氨分离器6；
所述换冷器2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3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4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5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2，换冷器2的横向通道出口端通过第一管道701与氨冷器3横向通道进口端连接相通，所述氨冷器3横向通道出口端通过第二管道702与深冷器4横向通道进口端连接相通，所述深冷器4横向通道出口端通过第三管道703与液氮换冷器5横向通道进口端连接相通，所述液氮换冷器5横向通道出口端通过第四管道704与氨分离器6进口端连接相通，所述氨分离器6设有两个出口端，第一出口端通过第五管道705与换冷器2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706；
所述氨冷器3纵向通道进口端连接低纯液氨输入管707，出口端连接氨气出口管708；
所述深冷器4纵向通道进口端连接制冷介质输入管709，出口端连接制冷介质出口管710；所述制冷介质输入管709和制冷介质出口管710外接制冷设备（图中未示出）；
所述液氮换冷器5纵向通道进口端连接液氮输入管711，出口端连接氮气出口管712；
所述换冷器2、氨冷器3、深冷器4和液氮换冷器5采用管壳式换热器结构；
所述换冷器2、氨冷器3、深冷器4和液氮换冷器5采用不锈钢材质。
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：
从背景技术的技术方案中高纯氨合成塔出来的介质（包括氨气、氢氮混合气）需要经过冷却后降至室温，然后经过逐步依次降温，最后达到－25～－50℃以下后，大部分氨气液化为液氨后，然后与氢氮混合气分离得到高纯氨，完整的降温冷却流程如图1所示，具体的步骤如下：
1）自高纯氨合成塔出来的介质经过冷却后降至室温后输送到换冷器2横向通道内降温，降温所需的冷量来自氨分离器5通过第五管道705输送到的换冷器2纵向通道内的低温氢氮混合气；经过换冷器2后的氢氮混合气升至接近室温，然后通过循环压缩机重新进入专利ZL 2009100662709.3公开的技术方案中的合成塔开始下一次氨的合成；
2）介质自换冷器2横向通道出口端通过第一管道701输送到氨冷器3横向通道内进一步降温；换冷器2的纵向通道内通入低纯液氨，换热后的低纯液氨经过气化后成为氨气作为专利ZL 2009100662709.3公开的技术方案中催化裂解的原料气；
3）介质自氨冷器3横向通道出口端通过第二管道702输送到深冷器4横向通道内进一步降温；深冷器4的纵向通道内通入外置制冷设备制得的制冷介质；制冷介质为氟利昂、氨、乙醇或乙二醇；制冷介质在外置制冷设备和深冷器之间循环流动。
4）介质自深冷器4横向通道出口端通过第三管道703输送到液氮换冷器5横向通道内进一步降温；液氮换冷器5的纵向通道内通入液氮，换热后的液氮变为氮气后作为专利ZL 2009100662709.3公开的技术方案中纯化系统的再生气或者管道、容器的吹扫气；
5）介质自液氮换冷器5横向通道出口端通过第四管道704输送到氨分离器6内进行分离，高纯液氨自高纯液氨排出管706排出收集，分离的氢氮混合气经第五管道705输送到换冷器2纵向通道内作为冷源。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.高纯氨制备工艺中冷量的利用装置，其特征在于，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；
所述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。
2.根据权利要求1所述的利用装置，其特征在于：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。
3.根据权利要求1或2所述的利用装置，其特征在于：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。
4.利用如权利要求1所述装置对高纯氨制备工艺中冷量的利用方法，其特征在于，具体的步骤如下：
1）自高纯氨合成塔出来的介质经过冷却后降至室温后输送到换冷器横向通道内降温，降温所需的冷量来自氨分离器通过第五管道输送到的换冷器纵向通道内的低温氢氮混合气；
2）介质自换冷器横向通道出口端通过第一管道输送到氨冷器横向通道内进一步降温；换冷器的纵向通道内通入低纯液氨；
3）介质自氨冷器横向通道出口端通过第二管道输送到深冷器横向通道内进一步降温；深冷器的纵向通道内通入外置制冷设备制得的制冷介质；
4）介质自深冷器横向通道出口端通过第三管道输送到液氮换冷器横向通道内进一步降温；液氮换冷器的纵向通道内通入液氮，换热后的液氮变为氮气后作为纯化系统的再生气或者管道、容器的吹扫气；
5）介质自液氮换冷器横向通道出口端通过第四管道输送到氨分离器内进行分离，高纯液氨自高纯液氨排出管排出收集，分离的氢氮混合气输送到换冷器纵向通道内作为冷源。
5.根据权利要求4所述的利用方法，其特征在于，优选地，步骤3）中，制冷介质为氟利昂、氨、乙醇或乙二醇。
6.根据权利要求4所述的利用方法，其特征在于，优选地，步骤3）中，制冷介质在外置制冷设备和深冷器之间循环流动。
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