CN106006672B - 氨浓度提升系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种氨浓度提升系统，其中氨浓度提升系统包括一蒸馏单元、一冷凝单元及一纯化单元。蒸馏单元包括一壳管式加热器，用以加热一氨水，并产生一氨气、及一水气。冷凝单元连接蒸馏单元，并包括至少一壳管式冷凝器，用以接收并冷却壳管式加热器产生的氨气及水气，使大部分水气冷凝成一冷凝液，而氨气则维持在气相，并产生一残余水气。纯化单元连接冷凝单元，并包括至少一壳管式纯化器，用以接收并冷却壳管式冷凝器产生的氨气及残余水气，使部分的残余水气液化为一回收液，而氨气则维持在气相，并且由纯化单元排出。

Description

氨浓度提升系统及其方法

【技术领域】

本发明有关一种氨浓度提升系统及其方法，其中氨浓度提升系统包括一蒸馏单元、一冷凝单元及一纯化单元。

【背景技术】

纯氨是制造LED的氮化镓晶体的重要材料，一般LED厂使用的纯氨虽为6N5(99.99995％)以上的等级，但纯氨仍无法避免含有微量的有机物，例如丙酮、异丙醇、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯等等。

当LED厂以MOCVD制程在高温下(750至1050℃)合成氮化镓时，有机物将会裂解为烷类、烯类、一氧化碳、二氧化碳、碳粒、烯酮等等的衍生杂质。这些衍生杂质会使氮化镓晶体产生差排，形成晶体的缺陷，而至使氮化镓的生产良率降低。然而，要去除纯氨中所含的微量有机物目前仍是极难克服的技术问题。

在另一方面，每提供100公斤的纯氨进入LED制程，将会有80公斤的氨气被排出制程，而一般排出制程的氨气浓度约为10％至15％，并包括氢气、氮气、甲烷、微量气体(一氧化碳、二氧化碳、烯酮)及粒状物(碳粒及金属镓)，一般大都将这些排出的氨气视为废弃物而不再利用。

【发明内容】

本发明的一目的，在于提供一种氨浓度提升系统及其方法，通过蒸馏、冷凝及纯化的过程，可回收废氨气，例如LED厂MOCVD制程排出的废氨气，并制成高纯度的氨气，例如6N5(99.99995％)以上的等级，以再次供给工业上的利用。

本发明的又一目的，在于提供一种氨浓度提升系统及其方法，回收并过滤冷凝及纯化过程所产生的冷凝液及回收液，并将过滤过的冷凝液及回收液再次蒸馏、冷凝及纯化。通过重复的过滤以及回收，使氨气浓度获得有效的提升。

为达到上述目的，本发明提供一种氨浓度提升系统，包括：一蒸馏单元，包括至少一壳管式加热器，壳管式加热器包括至少一蒸馏导管及一蒸馏壳体，且蒸馏壳体包覆蒸馏导管，其中蒸馏壳体加热蒸馏导管内的一氨水，并产生一氨气、一水气及一热氨水；一冷凝单元，连接蒸馏单元，并包括至少一壳管式冷凝器，壳管式冷凝器包括至少一冷凝导管及一冷凝壳体，且冷凝壳体包覆冷凝导管，其中冷凝单元由蒸馏单元接收氨气及水气，并将氨气及水气输送至冷凝导管，冷凝壳体冷却冷凝导管内的氨气及水气，使得大部分的水气冷凝成为一冷凝液，而氨气则维持在气相，并产生一残余水气；及一纯化单元，连接冷凝单元，并包括至少一壳管式纯化器，壳管式纯化器包括至少一纯化导管及一纯化壳体，且纯化壳体包覆纯化导管，其中纯化单元接收冷凝单元传送的氨气及残余水气，并将氨气及残余水气输送至纯化导管，纯化壳体冷却纯化导管内的氨气及残余水气，并使得部分残余水气冷凝成为一回收液，而氨气则维持在气相，并且由纯化单元排出。

为达到上述目的，本发明提供一种氨浓度提升方法，包括以下步骤：加热一氨水，使氨水气化为一氨气及一水气；冷却氨气及水气，以产生一残余水气及一冷凝液，而氨气则维持在气相；及冷却氨气及残余水气，使残余水气液化，并产生一回收液，而氨气则维持在气相。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中壳管式冷凝器还包括一冷凝水槽及一冷凝气槽，冷凝水槽通过冷凝导管连接冷凝气槽。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中冷凝单元包括多个壳管式冷凝器，且这些壳管式冷凝器以串接方式连接。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中壳管式冷凝器的数目为三个或三个以上。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，包括一过滤器，连接蒸馏单元以及冷凝单元，并用以过滤由冷凝单元传送至蒸馏单元的冷凝液，以及过滤由纯化单元经由冷凝单元传送至蒸馏单元的回收液。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中壳管式蒸馏器包括一蒸馏水槽及一蒸馏气槽，蒸馏水槽通过蒸馏导管连接蒸馏气槽，且壳管式冷凝器包括一冷凝水槽及一冷凝气槽，冷凝水槽通过冷凝导管连接冷凝气槽，而过滤器连接蒸馏水槽以及冷凝水槽。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中壳管式纯化器包括一纯化水槽及一纯化气槽，纯化水槽通过纯化导管连接纯化气槽，且纯化水槽连接冷凝水槽。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中蒸馏导管内的氨水加热后还会产生至少一杂质气体，而冷凝单元由蒸馏单元接收及冷却氨气、水气及杂质气体，使部分氨气、水气及杂质气体液化形成冷凝液，且冷凝液包括至少一杂质结晶物，而过滤器则用以滤除冷凝液中的杂质结晶物。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中回收液包括杂质结晶物，且回收液与冷凝液混合并传送至过滤器，并以过滤器滤除冷凝液及回收液中的杂质结晶物。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，包括一吸收单元，连接蒸馏单元，其中吸收单元包括一吸收槽，用以容置一水溶液，水溶液用以吸收一废氨气以产生氨水，并将氨水输送至蒸馏单元。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中氨浓度提升系统的操作压力介于3至7bar之间。

在本发明氨浓度提升系统一实施例中，其中冷凝单元传送至纯化单元的氨气及残余水气的温度介于摄氏6至15度之间。

在本发明氨浓度提升方法一实施例中，包括以下步骤：加热氨水以产生氨气、水气及至少一杂质气体；冷却氨气、水气及杂质气体，以产生残余水气及冷凝液，其中冷凝液包括一杂质结晶物。

在本发明氨浓度提升方法一实施例中，包括以下步骤：过滤冷凝液，以滤除冷凝液中的杂质结晶物。

在本发明氨浓度提升方法一实施例中，包括以下步骤：冷却氨气、水气及杂质气体，以产生残余水气、部分杂质气体及冷凝液，而氨气则维持在气相，其中冷凝液包括杂质结晶物；冷却氨气、残余水气及部分杂质气体，以产生回收液，而氨气则维持在气相，其中回收液包括杂质结晶物；及过滤冷凝液及回收液，以滤除冷凝液及回收液中的杂质结晶物。

在本发明氨浓度提升方法一实施例中，其中氨水浓度提升方法的操作压力介于3至7bar之间。

在本发明氨浓度提升方法一实施例中，其中冷凝液的温度范围介于摄氏6至15度之间。

在本发明氨浓度提升方法一实施例中，包括以下步骤：通过至少一壳管式蒸馏器接收并加热氨水，使氨水气化为氨气及水气；通过至少一壳管式冷凝器接收并冷却氨气及水气，以产生残余水气及冷凝液；及通过至少一壳管式纯化器接收并冷却氨气及残余水气，以产生回收液。

在本发明氨浓度提升方法一实施例中，还包括以下步骤：在加热氨水之前，先使用一水溶液吸收一废氨气，以产生氨水。

在本发明氨浓度提升方法一实施例中，其中吸收废氨气的操作温度介于摄氏8至18度之间。

【附图说明】

图1为本发明一实施例的氨浓度提升系统的构造示意图。

图2为本发明一实施例的氨水浓度提升系统的冷凝单元的构造示意图。

图3A至图3C分别为本发明一实施例的氨浓度提升系统的冷凝单元的传输路径示意图。

图4为本发明一实施例的氨浓度提升方法的步骤流程图。

虽然已通过举例方式在图式中描述了本发明的具体实施方式，并在本文中对其作了详细的说明，但是本发明还允许有各种修改和替换形式。本发明的图式内容可为不等比例，图式及其详细的描述仅为特定型式的揭露，并不为本发明的限制，相反的，依据专利范围的精神和范围内进行修改、均等构件及其置换皆为本发明所涵盖的范围。

【主要组件符号说明】：

10 氨浓度提升系统 11 吸收单元

111 吸收槽 12 蒸馏单元

120 壳管式加热器 121 蒸馏水槽

122 蒸馏气槽 123 蒸馏导管

124 蒸馏壳体 125 蒸馏输送管

13 冷凝单元 130 壳管式冷凝器

131 冷凝水槽 132 冷凝气槽

133 冷凝导管 134 冷凝壳体

14 纯化单元 140 壳管式纯化器

141 纯化水槽 142 纯化气槽

143 纯化导管 144 纯化壳体

15 过滤器 23 冷凝单元

231 第一壳管式冷凝器 2311 第一水槽

2312 第一气槽 2313 第一导管

2314 第一壳体 2315 氨气输入管

2316 冷凝液输出管 2317 冷却液输出管

232 第二壳管式冷凝器 2321 第二水槽

2322 第二气槽 2323 第二导管

2324 第二壳体 233 第三壳管式冷凝器

2331 第三水槽 2332 第三气槽

2333 第三导管 2334 第三壳体

2335 氨气输出管 2336 冷却液输入管

【具体实施方式】

请参阅图1，为本发明一实施例的氨浓度提升系统的构造示意图。如图所示，本发明所述的氨浓度提升系统10包括一蒸馏单元12、一冷凝单元13以及一纯化单元14。

蒸馏单元12包括至少一壳管式加热器120，其中壳管式加热器120包括至少一蒸馏导管123及一蒸馏壳体124。蒸馏壳体124包覆蒸馏导管123，用以加热蒸馏导管123以及蒸馏导管123内的氨水，并产生氨气、水气及热氨水。

蒸馏壳体124可以进一步连接一热能供应器(未显示)，并通过热能供应器提供热能给蒸馏壳体124，例如热能供应器可传送蒸汽或热水至蒸馏壳体124，以加热蒸馏壳体124内的蒸馏导管123以及蒸馏导管123内的氨水。

在本发明一实施例中，壳管式加热器120还可包括一蒸馏水槽121及一蒸馏气槽122，其中蒸馏水槽121通过蒸馏导管123连接蒸馏气槽122，而蒸馏壳体124则不与蒸馏水槽121、蒸馏气槽122及蒸馏导管123相连通。在实际应用时可将氨水输送至蒸馏气槽122，并经由蒸馏导管123传送至蒸馏水槽121。蒸馏导管123及蒸馏导管123内的氨水将会被蒸馏壳体124加热后并产生氨气、水气及热氨水，其中氨气及水气将会被输送至蒸馏气槽122，而热氨水则会被传送至蒸馏水槽121。

在本发明另一实施例中，壳管式加热器120还可包括一蒸馏水槽121、一蒸馏气槽122及一蒸馏输送管125。蒸馏水槽121以及蒸馏气槽122分别通过蒸馏导管123及蒸馏输送管125连通，而蒸馏壳体124则不与蒸馏水槽121、蒸馏气槽122及蒸馏导管123相连通。

在实际应用时氨水可由蒸馏水槽121进入壳管式加热器120，并依序经由蒸馏水槽121、蒸馏输送管125及蒸馏气槽122传输至蒸馏导管123。而后蒸馏导管123及蒸馏导管123内的氨水将会被蒸馏壳体124加热并产生氨气、水气及热氨水，其中氨气及水气将会被传送至蒸馏气槽122，而热氨水则会被传送至蒸馏水槽121，并可由蒸馏水槽121排出蒸馏单元12。在本发明一实施例中，蒸馏单元12的操作压力约为3至7bar，而操作温度约为摄氏140至160℃。

冷凝单元13包括至少一壳管式冷凝器130，其中壳管式冷凝器130包括至少一冷凝导管133及一冷凝壳体134，且冷凝壳体134包覆冷凝导管133。冷凝单元13接收蒸馏单元12传送的氨气及水气，并将氨气及水气输送至冷凝导管133。冷凝壳体134用以冷却冷凝导管133以及冷凝导管133内的氨气及水气，冷凝导管133内大部分的水气会随着温度的下降冷凝成一冷凝液，而氨气则维持在气相。冷凝单元13虽然可将大部分的水气冷凝成冷凝液，但仍有部分的水气会维持在气相，并形成残余水气。

在本发明一实施例中，可以将冰水或冷却液通入冷凝壳体134内，以冷却冷凝壳体134内的冷凝导管133以及冷凝导管133内的氨气及水气。具体来说，冷凝单元13的操作压力约为3至7bar，并将氨气、残余水气冷却至约摄氏6至15℃，而冷凝单元13所产生的冷凝液最低温度约为摄氏6至15℃。

在本发明一实施例中，壳管式冷凝器130还包括一冷凝水槽131及一冷凝气槽132。冷凝水槽131以及冷凝气槽132通过冷凝导管133连通，而冷凝壳体134则不与冷凝水槽131、冷凝气槽132及冷凝导管133相连通。

冷凝水槽131由蒸馏单元12接收氨气及水气，并将接收的氨气及水气传送至冷凝导管133，例如冷凝水槽131可连接蒸馏气槽122，而冷凝水槽131先由壳管式加热器120的蒸馏气槽122接收氨气及水气，再将氨气及水气传送至冷凝导管133。冷凝导管133中的氨气及水气冷却后，部分的水气会在冷凝导管133的管壁冷凝成冷凝液回流至冷凝水槽131，并由冷凝水槽131排出冷凝单元13，而未被冷凝成为冷凝液的氨气及残余水气则会被传送至冷凝气槽132。

在本发明一实施例中，冷凝单元13包括多个壳管式冷凝器130，且壳管式冷凝器130以串接的方式连接。在本发明一实施例中，壳管式冷凝器130的数目为三个或三个以上。

纯化单元14包括至少一壳管式纯化器140，其中壳管式纯化器140包括至少一纯化导管143及一纯化壳体144，且纯化壳体144包覆纯化导管143。纯化单元14接收由冷凝单元13传送的氨气及残余水气，并将氨气及残余水气输送至纯化导管143。纯化壳体144用以冷却纯化导管143以及纯化导管143中的氨气及残余水气，使大部分残余水气冷凝成一回收液，而氨气与少部分残余水气则维持在气相。

氨气及残余水气冷却后，仍维持在气态的氨气与少部分的残余水气，即为本发明氨浓度提升系统10所欲获得的高浓度氨气成品，例如浓度为6N5(99.99995％)等级的氨气，而此高浓度氨气成品将会由纯化单元14排出。

在本发明一实施例中，可以将冰水或冷却液通入纯化壳体144中，以冷却纯化壳体114内的纯化导管143以及纯化导管143中的氨气及残余水气。

在本发明一实施例中，壳管式纯化器140还包括一纯化水槽141及一纯化气槽142。纯化水槽141以及纯化气槽142通过纯化导管143连通，而纯化壳体144则不与纯化水槽141、纯化气槽142及纯化导管143相连通。

纯化水槽141由冷凝单元13接收氨气及残余水气，并将接收的氨气及残余水气传送至纯化导管143，例如纯化水槽141可与冷凝气槽132连接，而纯化水槽141由壳管式冷凝器130的冷凝气槽132接收氨气及残余水气，并将氨气及残余水气传送至纯化导管143。纯化导管143中的氨气及残余水气冷却后，大部分的残余水气会在纯化导管143的管壁上冷凝成回收液回流至纯化水槽141，并由纯化水槽141排出纯化单元14。未被冷凝成回收液的氨气及少部分残余水气将会被传输至纯化气槽142，并可通过纯化气槽142排出氨浓度提升系统10。

本发明所述的氨浓度提升系统10可用以提升LED厂MOCVD制程排出的氨的浓度。然而一般LED厂所使用的氨仍包含微量的有机物，使得MOCVD制程排出的氨也包括烷类、烯类、一氧化碳、二氧化碳、碳粒、烯酮等等的衍生杂质。这些衍生杂质会使氮化镓晶体产生差排，形成晶体的缺陷，而至使氮化镓的生产良率降低。

为此在本发明一实施例中，氨水中有可能含有其它的杂质，使得蒸馏导管123中的氨水被加热后，会产生至少一杂质气体。冷凝单元13由蒸馏单元12接收及冷却氨气、水气及杂质气体，使部分的氨气、水气及杂质气体液化为一冷凝液。具体来说，部分的氨气及水气将会液化为一冷凝氨水，而部分的杂质气体及水气则会液化为至少一杂质水溶液，其中冷凝氨水及杂质水溶液会混合形成冷凝液。

举例来说，当杂质气体为醋酸及二氧化碳时，氨气、水气、醋酸及二氧化碳将会被冷凝导管133冷却，并液化为冷凝氨水、醋酸氨水溶液及碳酸氨水溶液，换言之，冷凝液中将包括冷凝氨水、醋酸氨及碳酸氨。

冷凝导管133内未液化的氨气、部分杂质气体及水气会由冷凝气槽132进入纯化单元14的纯化水槽142，并且被输送至纯化导管143内冷却形成一回收液。具体来说，部分的氨气及水气液化为一回收冷凝氨水，而部分的杂质气体及水气则液化为至少一回收杂质水溶液，其中回收冷凝氨水及回收杂质水溶液会混合形成一回收液。

在本发明一实施例中，冷凝水槽131与纯化水槽141以及蒸馏水槽121连接。冷凝单元13产生的冷凝液可由冷凝水槽131依序传送至蒸馏水槽121，并以蒸馏单元12加热冷凝液，使冷凝液中的冷凝氨水及杂质水溶液气化为氨气、水气及杂质气体，而再次进入冷凝单元13。

而纯化单元14产生的回收液则可由纯化水槽141依序传送至冷凝水槽131及蒸馏水槽121，并以蒸馏单元12加热回收液，使回收液中的回收冷凝氨水及回收杂质水溶液气化为氨气、水气及杂质气体，而再次进入冷凝单元13。

具体来说，在本发明实施例中，当氨浓度提升系统10运作时，回收液与冷凝液会在冷凝水槽131中混合，而蒸馏单元12会同时接收氨水及冷凝液及/或回收液。通过重复的过滤以及回收，由冷凝单元13传输至纯化单元14的氨气浓度将可以获得有效的提升，并且可使进入氨浓度提升系统10中的氨被转换为高浓度氨气成品。

当冷凝液及/或回收液不断被回收、加热，并且在冷凝单元13、纯化单元14及蒸馏单元12间循环时，冷凝液及/或回收液中的杂质浓度将会不断提升，当杂质液体中的杂质累积至饱和浓度时，将会产生至少一杂质结晶物，例如冷凝液及/或回收液中的醋酸氨及碳酸氨饱和后，将会分别产生醋酸氨结晶及碳酸氨结晶。

为此在本发明一实施例中，氨浓度提升系统10可包括一过滤器15，连接蒸馏单元12以及冷凝单元13，使冷凝液可由冷凝水槽131经由过滤器15输送至蒸馏单元12，而回收液则可由纯化水槽141依序经由冷凝水槽131及过滤器15输送至蒸馏单元12。

过滤器15用以过滤冷凝液及/或回收液中的杂质结晶物，并且将过滤后的冷凝液及/或回收液输送至蒸馏单元12，例如过滤器15连接蒸馏单元12的蒸馏水槽121以及冷凝单元13的冷凝水槽131，使得过滤器15可由冷凝水槽131接收冷凝液及/或回收液，并滤除冷凝液及/或回收液中的杂质结晶物，而后再将过滤后的冷凝液及/或回收液输送至蒸馏单元12。

通过过滤器15的设置，可以有效率的去除氨中的衍生杂质。并且将氨浓度提升装置10所产出的高浓度氨气成品再次提供给LED厂使用，如此可避免氮化镓晶体产生差排，形成晶体的缺陷，并进一步提高氮化镓的生产良率。

在本发明一实施例中，氨水浓度提升系统10还包括一吸收单元11，如图1所示，其中吸收单元11包括一吸收槽111，用以容置一水溶液。在实际应用时吸收单元11可用以接收一废氨气，并将废氨气导入吸收槽111内的水溶液，使吸收槽111中的水溶液吸收废氨气并成为氨水，而后再将氨水输送至蒸馏单元12，例如氨水由吸收单元11的吸收槽111输送至蒸馏单元12的蒸馏水槽121。在本发明一实施例中，吸收单元11的操作温度约为摄氏8至18℃。

在本发明一实施例中，废氨气为LED的MOCVD制程所排出的氨气。

请参阅图2，为本发明一实施例的氨水浓度提升系统的冷凝单元的构造示意图。如图所示，冷凝单元23包括多个串接的壳管式冷凝器。在本发明一实施例中，冷凝单元23包括一第一壳管式冷凝器231、一第二壳管式冷凝器232以及一第三壳管式冷凝器233，其中第一壳管式冷凝器231、第二壳管式冷凝器232以及第三壳管式冷凝器233以串接方式连接。为了说明时的便利性，本发明实施例中以冷凝单元23包括三个壳管式冷凝器进行说明，但在实际应用时冷凝单元23内的壳管式冷凝器的数量亦可为一个、两个或三个以上。

请配合参阅图1，本发明实施例所述的冷凝单元23仅是氨浓度提升系统10中的冷凝单元13的一种实施方式，其中冷凝单元23包括多个串接的壳管式冷凝器231/232/233，且冷凝单元23连接蒸馏单元12及纯化单元14。

在本发明一实施例中，冷凝单元23包括一第一壳管式冷凝器231、一第二壳管式冷凝器232及一第三壳管式冷凝器233，其中第一壳管式冷凝器231连接蒸馏单元12，并接收蒸馏单元12所产生的氨气、水气及/或杂质气体，而第三壳管式冷凝器233则连接纯化单元14，并将冷凝单元23中未被冷凝成为冷凝液的氨气、水气及/或杂质气体传送至纯化单元14。

第一壳管式冷凝器231包括一第一水槽2311、一第一气槽2312、至少一第一导管2313以及一第一壳体2314。第一水槽2311及第一气槽2312通过第一导管2313相连通，第一壳体2314则包覆第一导管2313，而不与第一水槽2311、第一气槽2312及第一导管2313相连通。

第二壳管式冷凝器232包括一第二水槽2321、一第二气槽2322、至少一第二导管2323以及一第二壳体2324。第二水槽2321以及第二气槽2322通过第二导管2323相连通，第二壳体2324则包覆第二导管2323，而不与第二水槽2321、第二气槽2322及第二导管2323相连通。

第三壳管式冷凝器233包括一第三水槽2331、一第三气槽2332、至少一第三导管2333以及一第三壳体2334。第三水槽2331以及第三气槽2332通过第三导管2333相连通，第三壳体2334则包覆第三导管2333，而不与第三水槽2331、第三气槽2332及第三导管2333相连通。

第一水槽2311连接一氨气输入管2315及一冷凝液输出管2316，第二水槽2321连接第一水槽2311及第一气槽2312，第三水槽2331连接第二水槽2321及第二气槽2322，而第三气槽2332则连接一氨气输出管2335。当冷凝单元23运作时，氨气通过氨气输入管2315由第一水槽2311输入冷凝单元23，并且通过氨气输出管2335由第三气槽2332输出，而冷凝液则通过冷凝液输出管2316由第一水槽2311排出冷凝单元23。

第一壳体2314连接一冷却液输出管2317，第二壳体2324连接第一壳体2314及第三壳体2334，而第三壳体2334则连接一冷却液输入管2336。当冷凝单元23运作时，可经由冷却液输入管2336将冷却液输入第三壳体2334，并且通过冷却液输出管2317将第一壳体2314内的冷却液排出冷凝单元23。

请参阅图3A至图3C，分别为本发明的氨浓度提升系统的冷凝单元一实施例的传输路径示意图。图3A至图3C是以冷凝单元23来作说明，并包括三个壳管式冷凝器，但这并不为本发明权利范围的限制，此路径示意亦可延伸应用到其它冷凝单元，例如一包括四个或四个以上的壳管式冷凝器的冷凝单元。

当冷凝单元23运作时，冷却液由冷却液输入管2336输入冷凝单元23，并依序流经第三壳体2334、第二壳体2324及第一壳体2314，以冷却第三导管2333、第二导管2323及第一导管2313内的物质，例如氨气、水气及/或杂质气体，最后冷却液由冷却液输出管2317排出冷凝单元23，如图3A所示。在本发明一实施例中，冷却液为冰水。

在本发明一实施例中，冷却液可以分别输入第一壳体2314、第二壳体2324及第三壳体2334的一侧，并且分别由第一壳体2314、第二壳体2324及第三壳体2334的另一侧排出。

氨气、水气及/或杂质气体由氨气输入管2315进入冷凝单元23的第一水槽2311，并经由第一水槽2311输送至第一导管2313。如前段所述，第一导管2313以及第一导管2313中的氨气、水气及/或杂质气体将会被流经第一壳体2314的冷却液冷却。

第一导管2313中的氨气、水气及/或杂质气体被冷却后，部分氨气、大部分的水气及/或杂质气体，会液化为一冷凝氨水、一水溶液及/或杂质水溶液，并混合形成一冷凝液。而未产生相变化的大部分氨气、残余水气及/或残余杂质气体将会依序被输送至第一气槽2312、第二水槽2321及第二导管2323，如图3B所示，而冷凝液将会被送回第一水槽2311，并且由冷凝液输出管2316排出冷凝单元23，如图3C所示。

与第一壳管式冷凝器231的运作方式类似，第二导管2323中的氨水、水气及/或杂质气体将会被流经第二壳体2324的冷却液冷却。部分氨气、大部分的水气及/或杂质气体，会液化并混合形成一冷凝液。维持在气相的大部分氨气、残余水气及/或残余杂质气体将会依序被输送至第二气槽2322、第三水槽2331及第三导管2333，如图3B所示。而冷凝液将会依序被输送至第二水槽2321及第一水槽2311，并且由冷凝液输出管2316排出冷凝单元23，如图3C所示。

为将氨气从水气及/或杂质气体中分离，冷凝单元23的温度及压力将会被调整在使水气及/或杂质气体可冷凝液化为冷凝液，而使大部分氨气仍然维持在气相的条件，例如冷凝单元23的操作压力维持在3至7bar，且输出冷凝单元23的氨气的温度约为摄氏6至15℃，而冷凝单元所产生的冷凝液的最低温度范围介于摄氏6至15度之间。

由于氨气是由第一壳管式冷凝器231依序传送至第二壳管式冷凝器232及第三壳管式冷凝器233，而冷却液则是由第三壳管式冷凝器233依序传送至第二壳管式冷凝器232及第一壳管式冷凝器231，因此第一壳管式冷凝器231的整体温度最高，第二壳管式冷凝器232的整体温度次之，第三壳管式冷凝器233的整体温度最低。例如输入第一壳管式冷凝器231的氨气、水气及/或杂质气体的温度约为摄氏125℃，而第三壳管式冷凝器233所产生的冷凝液的温度则约为摄氏6-15℃，且第三壳管式冷凝器233中的氨气温度约为摄氏6-15℃。

请参阅图4，为本发明氨浓度提升方法一实施例的步骤流程图。本发明所述的氨水浓度提升方法可以应用在氨水浓度提升系统10中，包括步骤S301、S303及S305。

步骤S301为加热一氨水，使氨水气化为一氨气及一水气，例如使用氨浓度提升系统10中的蒸馏单元12加热氨水。在本发明一实施例中，可使用至少一壳管式蒸馏器接收并加热氨水。

在本发明一实施例中，在加热氨水之前，可先使用一水溶液吸收一废氨气，以产生氨水，例如使用氨浓度提升系统10中的吸收单元11吸收废氨水。其中吸收废氨气的较加操作温度介于摄氏8至18度之间。

步骤S303为冷却氨气及水气，以产生一残余水气及一冷凝液，并使氨气维持在气相，例如使用冷凝单元13/23来冷却氨气及水气。在本发明一实施例中，可使用至少一壳管式冷凝器接收并冷却氨气及水气。

在本发明一实施例中，冷却后的氨气及冷却所产生的冷凝液及残于水气的温度介于6至15度之间。

步骤S305为冷却氨气及残余水气，使残余水气液化并产生一回收液，而氨气则维持在气相，例如使用氨浓度提升系统10的纯化单元14来冷却氨气及残余水气。步骤S305中仍维持在气相的氨气，即为本发明氨浓度提升方法所欲获得的高浓度氨气成品，例如浓度为6N5(99.99995％)等级的氨气。在本发明一实施例中，可使用至少一壳管式纯化器接收并冷却氨气及残余水气。

由于在加热氨水的过程中，有可能会产生至少一杂质气体，而在冷却氨气、水气及杂质气体的过程中，部分氨气、大部分的水气及大部分的杂质气体会液化形成冷凝液，当冷凝液中的杂质累积至饱和浓度时，便会产生至少一杂质结晶物，例如醋酸氨结晶及碳酸氨结晶。同样的，回收液中也有可能包含杂质以及杂质结晶物。

为此在本发明一实施例中，还包括步骤S307，为过滤步骤S303及/或步骤S305所产生的冷凝液及/或回收液，以滤除冷凝液及/或回收液中的杂质结晶物。例如使冷凝液及回收液在氨浓度提升系统10中的冷凝水槽131混和，并使用过滤器15过滤冷凝液及回收液中的杂质结晶物。

冷凝液及/或回收液可能包括部分氨水，因此过滤后的冷凝液及/或回收液可以进一步回到步骤S301进行加热，使冷凝液及/或回收液中的氨水及杂质水溶液气化为氨气、水气及杂质气体，而后再将氨气、水气及杂质气体冷却以产生氨气及冷凝液，进而将仍维持在气相的氨气及冷凝液分离，如图4所示。

在本发明一实施例中，步骤S301、S303、S305及S307的操作压力介于3至7bar之间。

说明书中所描述的也许、必须及变化等字眼并非本发明的限制。说明书所使用的专业术语主要用以进行特定实施例的描述，并不为本发明的限制。说明书所使用的单数量值(如一个及该个)亦可为多个，除非在说明书的内容有明确的说明。例如说明书所提及的一个装置可包括有两个或两个以上的装置的结合，而说明书所提的一物质则可包括有多种物质的混合。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (12)

1.一种氨浓度提升系统，其特征在于，所述氨浓度提升系统包括：

一蒸馏单元，包括至少一壳管式加热器，所述壳管式加热器包括至少一蒸馏导管及一蒸馏壳体，且所述蒸馏壳体包覆所述蒸馏导管，其中所述蒸馏壳体加热所述蒸馏导管内的一氨水，并产生一氨气、一水气及一热氨水；

一冷凝单元，连接所述蒸馏单元，并包括至少一壳管式冷凝器，所述壳管式冷凝器包括至少一冷凝导管及一冷凝壳体，且所述冷凝壳体包覆所述冷凝导管，其中所述冷凝单元由所述蒸馏单元接收所述氨气及所述水气，并将所述氨气及所述水气输送至所述冷凝导管，所述冷凝壳体冷却所述冷凝导管内的所述氨气及所述水气，使得大部分的所述水气冷凝成为一冷凝液，而所述氨气则维持在气相，并产生一残余水气；及

一纯化单元，连接所述冷凝单元，并包括至少一壳管式纯化器，所述壳管式纯化器包括至少一纯化导管及一纯化壳体，且所述纯化壳体包覆所述纯化导管，其中所述纯化单元接收所述冷凝单元传送的所述氨气及所述残余水气，并将所述氨气及所述残余水气输送至所述纯化导管，所述纯化壳体冷却所述纯化导管内的所述氨气及所述残余水气，并使得部分所述残余水气冷凝成为一回收液，而所述氨气则维持在气相，并且由所述纯化单元排出。

2.如权利要求1所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述壳管式冷凝器还包括一冷凝水槽及一冷凝气槽，所述冷凝水槽通过所述冷凝导管连接所述冷凝气槽。

3.如权利要求1所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述冷凝单元包括多个壳管式冷凝器，且所述这些壳管式冷凝器以串接方式连接。

4.如权利要求3所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述壳管式冷凝器的数目为三个或三个以上。

5.如权利要求1所述的氨浓度提升系统，其特征在于，还包括一过滤器，连接所述蒸馏单元以及所述冷凝单元，并用以过滤由所述冷凝单元传送至所述蒸馏单元的冷凝液，以及过滤由所述纯化单元经由所述冷凝单元传送至所述蒸馏单元的所述回收液。

6.如权利要求5所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述壳管式蒸馏器包括一蒸馏水槽及一蒸馏气槽，所述蒸馏水槽通过所述蒸馏导管连接所述蒸馏气槽，且所述壳管式冷凝器包括一冷凝水槽及一冷凝气槽，所述冷凝水槽通过所述冷凝导管连接所述冷凝气槽，而所述过滤器连接所述蒸馏水槽以及所述冷凝水槽。

7.如权利要求6所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述壳管式纯化器包括一纯化水槽及一纯化气槽，所述纯化水槽通过所述纯化导管连接所述纯化气槽，且所述纯化水槽连接所述冷凝水槽。

8.如权利要求5所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述蒸馏导管内的所述氨水加热后还会产生至少一杂质气体，而所述冷凝单元由所述蒸馏单元接收及冷却所述氨气、所述水气及所述杂质气体，使部分所述氨气、所述水气及所述杂质气体液化形成所述冷凝液，且所述冷凝液包括至少一杂质结晶物，而所述过滤器则用以滤除所述冷凝液中的杂质结晶物。

9.如权利要求8所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述回收液包括所述杂质结晶物，且所述回收液与所述冷凝液混合并传送至所述过滤器，并以所述过滤器滤除所述冷凝液及所述回收液中的杂质结晶物。

10.如权利要求1所述的氨浓度提升系统，其特征在于，包括一吸收单元，连接所述蒸馏单元，其中所述吸收单元包括一吸收槽，用以容置一水溶液，所述水溶液用以吸收一废氨气以产生所述氨水，并将所述氨水输送至所述蒸馏单元。

11.如权利要求1所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述氨浓度提升系统的操作压力介于3至7bar之间。

12.如权利要求1所述的氨浓度提升系统，其特征在于，其中所述冷凝单元传送至所述纯化单元的氨气及残余水气的温度介于摄氏6至15度之间。