TWI580638B - 氨濃度提升系統及其方法 - Google Patents

Description

氨濃度提升系統及其方法

本發明有關一種氨濃度提升系統及其方法，其中氨濃度提升系統包括一蒸餾單元、一冷凝單元及一純化單元。

純氨是製造LED的氮化鎵晶體的重要材料，一般LED廠使用之純氨雖為6N5(99.99995%)以上的等級，但純氨仍無法避免含有微量的有機物，例如丙酮、異丙醇、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯等等。

當LED廠以MOCVD製程在高溫下(750~1050℃)合成氮化鎵時，有機物將會裂解為烷類、烯類、一氧化碳、二氧化碳、碳粒、烯酮等等的衍生雜質。這些衍生雜質會使氮化鎵晶體產生差排，形成晶體的缺陷，而至使氮化鎵的生產良率降低。然而，要去除純氨中所含的微量有機物目前仍是極難克服的技術問題。

在另一方面，每提供100公斤的純氨進入LED製程，將會有80公斤的氨氣被排出製程，而一般排出製程的氨氣濃度約為10%~15%，並包括氫氣、氮氣、甲烷、微量氣體(一氧化碳、二氧化碳、烯酮)及粒狀物(碳粒及金屬鎵)，一般大都將這些排出的氨氣視為廢棄物而不再利用。

本發明之一目的，在於提供一種氨濃度提升系統及其方法，透過蒸餾、冷凝及純化的過程，可回收廢氨氣，例如LED廠MOCVD製程排出的廢氨氣，並製成高純度的氨氣，例如6N5(99.99995%)以上的等級，以再次供給工業上的利用。

本發明之又一目的，在於提供一種氨濃度提升系統及其方法，回收並過濾冷凝及純化過程所產生的冷凝液及回收液，並將過濾過的冷凝液及回收液再次蒸餾、冷凝及純化。透過重複的過濾以及回收，使氨氣濃度獲得有效的提升。

為達到上述目的，本發明提供一種氨濃度提升系統，包括：一蒸餾單元，包括至少一殼管式加熱器，殼管式加熱器包括至少一蒸餾導管及一蒸餾殼體，且蒸餾殼體包覆蒸餾導管，其中蒸餾殼體加熱蒸餾導管內的一氨水，並產生一氨氣、一水氣及一熱氨水；一冷凝單元，連接蒸餾單元，並包括至少一殼管式冷凝器，殼管式冷凝器包括至少一冷凝導管及一冷凝殼體，且冷凝殼體包覆冷凝導管，其中冷凝單元由蒸餾單元接收氨氣及水氣，並將氨氣及水氣輸送至冷凝導管，冷凝殼體冷卻冷凝導管內的氨氣及水氣，使得大部分的水氣冷凝成為一冷凝液，而氨氣則維持在氣相，並產生一殘餘水氣；及一純化單元，連接冷凝單元，並包括至少一殼管式純化器，殼管式純化器包括至少一純化導管及一純化殼體，且純化殼體包覆純化導管，其中純化單元接收冷凝單元傳送的氨氣及殘餘水氣，並將氨氣及殘餘水氣輸送至純化導管，純化殼體冷卻純化導管內的氨氣及殘餘水 氣，並使得部分殘餘水氣冷凝成為一回收液，而氨氣則維持在氣相，並且由純化單元排出。

為達到上述目的，本發明提供一種氨濃度提升方法，包括以下步驟：加熱一氨水，使氨水氣化為一氨氣及一水氣；冷卻氨氣及水氣，以產生一殘餘水氣及一冷凝液，而氨氣則維持在氣相；及冷卻氨氣及殘餘水氣，使殘餘水氣液化，並產生一回收液，而氨氣則維持在氣相。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中殼管式冷凝器還包括一冷凝水槽及一冷凝氣槽，冷凝水槽透過冷凝導管連接冷凝氣槽。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中冷凝單元包括複數個殼管式冷凝器，且些殼管式冷凝器以串接方式連接。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中殼管式冷凝器的數目為三個或三個以上。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，還包括一過濾器，連接蒸餾單元以及冷凝單元，並用以過濾由冷凝單元傳送至蒸餾單元的冷凝液，以及過濾由純化單元經由冷凝單元傳送至蒸餾單元的回收液。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中殼管式蒸餾器包括一蒸餾水槽及一蒸餾氣槽，蒸餾水槽透過蒸餾導管連接蒸餾氣槽，且殼管式冷凝器包括一冷凝水槽及一冷凝氣槽，冷凝水槽透過冷凝導管連接冷凝氣槽，而過濾器連接蒸餾水槽以及冷凝水槽。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中殼管式純化器包括一純化水槽及一純化氣槽，純化水槽透過純化導管連接純化氣槽，且純化水槽連接冷凝水槽。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中蒸餾導管內的氨水加熱後還會產生至少一雜質氣體，而冷凝單元由蒸餾單元接收及冷卻氨氣、水氣及雜質氣體，使部分氨氣、水氣及雜質氣體液化形成冷凝液，且冷凝液包括至少一雜質結晶物，而過濾器則用以濾除冷凝液中的雜質結晶物。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中回收液包括雜質結晶物，且回收液與冷凝液混合並傳送至過濾器，並以過濾器濾除冷凝液及回收液中的雜質結晶物。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，還包括一吸收單元，連接蒸餾單元，其中吸收單元包括一吸收槽，用以容置一水溶液，水溶液用以吸收一廢氨氣以產生氨水，並將氨水輸送至蒸餾單元。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中氨濃度提升系統的操作壓力介於3至7bar之間。

在本發明氨濃度提升系統一實施例中，其中冷凝單元傳送至純化單元的氨氣及殘餘水氣的溫度介於攝氏6至15度之間。

在本發明氨濃度提升方法一實施例中，還包括以下步驟：加熱氨水以產生氨氣、水氣及至少一雜質氣體；冷卻氨氣、水氣及雜質氣體，以產生殘餘水氣及冷凝液，其中冷凝液包括一雜質結晶物。

在本發明氨濃度提升方法一實施例中，還包括以下步驟：過濾冷凝液，以濾除冷凝液中的雜質結晶物。

在本發明氨濃度提升方法一實施例中，還包括以下步驟：冷卻氨氣、水氣及雜質氣體，以產生殘餘水氣、部分雜質氣體及冷凝液，而 氨氣則維持在氣相，其中冷凝液包括雜質結晶物；冷卻氨氣、殘餘水氣及部分雜質氣體，以產生回收液，而氨氣則維持在氣相，其中回收液包括雜質結晶物；及過濾冷凝液及回收液，以濾除冷凝液及回收液中的雜質結晶物。

在本發明氨濃度提升方法一實施例中，其中氨水濃度提升方法的操作壓力介於3至7bar之間。

在本發明氨濃度提升方法一實施例中，其中冷凝液的溫度範圍介於攝氏6至15度之間。

在本發明氨濃度提升方法一實施例中，包括以下步驟：透過至少一殼管式蒸餾器接收並加熱氨水，使氨水氣化為氨氣及水氣；透過至少一殼管式冷凝器接收並冷卻氨氣及水氣，以產生殘餘水氣及冷凝液；及透過至少一殼管式純化器接收並冷卻氨氣及殘餘水氣，以產生回收液。

在本發明氨濃度提升方法一實施例中，還包括以下步驟：在加熱氨水之前，先使用一水溶液吸收一廢氨氣，以產生氨水。

在本發明氨濃度提升方法一實施例中，其中吸收廢氨氣的操作溫度介於攝氏8至18度之間。

10‧‧‧氨濃度提升系統

11‧‧‧吸收單元

111‧‧‧吸收槽

12‧‧‧蒸餾單元

120‧‧‧殼管式加熱器

121‧‧‧蒸餾水槽

122‧‧‧蒸餾氣槽

123‧‧‧蒸餾導管

124‧‧‧蒸餾殼體

125‧‧‧蒸餾輸送管

13‧‧‧冷凝單元

130‧‧‧殼管式冷凝器

131‧‧‧冷凝水槽

132‧‧‧冷凝氣槽

133‧‧‧冷凝導管

134‧‧‧冷凝殼體

14‧‧‧純化單元

140‧‧‧殼管式純化器

141‧‧‧純化水槽

142‧‧‧純化氣槽

143‧‧‧純化導管

144‧‧‧純化殼體

15‧‧‧過濾器

23‧‧‧冷凝單元

231‧‧‧第一殼管式冷凝器

2311‧‧‧第一水槽

2312‧‧‧第一氣槽

2313‧‧‧第一導管

2314‧‧‧第一殼體

2315‧‧‧氨氣輸入管

2316‧‧‧冷凝液輸出管

2317‧‧‧冷卻液輸出管

232‧‧‧第二殼管式冷凝器

2321‧‧‧第二水槽

2322‧‧‧第二氣槽

2323‧‧‧第二導管

2324‧‧‧第二殼體

233‧‧‧第三殼管式冷凝器

2331‧‧‧第三水槽

2332‧‧‧第三氣槽

2333‧‧‧第三導管

2334‧‧‧第三殼體

2335‧‧‧氨氣輸出管

2336‧‧‧冷卻液輸入管

第1圖：為本發明氨濃度提升系統一實施例的構造示意圖。

第2圖：為本發明氨水濃度提升系統的冷凝單元一實施例的構造示意圖。

第3A圖至第3C圖：分別為本發明的氨濃度提升系統的冷 凝單元一實施例的傳輸路徑示意圖。

第4圖：為本發明氨濃度提升方法一實施例的步驟流程圖。雖然已透過舉例方式在圖式中描述了本發明的具體實施方式，並在本文中對其作了詳細的說明，但是本發明還允許有各種修改和替換形式。本發明之圖式內容可為不等比例，圖式及其詳細的描述僅為特定型式的揭露，並不為本發明的限制，相反的，依據本發明的專利範圍之精神和範圍內，進行修改、均等構件及其置換，皆為本發明所涵蓋的範圍。

請參閱第1圖，為本發明氨濃度提升系統一實施例的構造示意圖。如圖所示，本發明所述的氨濃度提升系統10包括一蒸餾單元12、一冷凝單元13以及一純化單元14。

蒸餾單元12包括至少一殼管式加熱器120，其中殼管式加熱器120包括至少一蒸餾導管123及一蒸餾殼體124。蒸餾殼體124包覆蒸餾導管123，用以加熱蒸餾導管123以及蒸餾導管123內的氨水，並產生氨氣、水氣及熱氨水。

蒸餾殼體124可以進一步連接一熱能供應器(未顯示)，並透過熱能供應器提供熱能給蒸餾殼體124，例如熱能供應器可傳送蒸汽或熱水至蒸餾殼體124，以加熱蒸餾殼體124內的蒸餾導管123以及蒸餾導管123內的氨水。

在本發明一實施例中，殼管式加熱器120還可包括一蒸餾水槽121及一蒸餾氣槽122，其中蒸餾水槽121透過蒸餾導管123連接蒸餾氣槽 122，而蒸餾殼體124則不與蒸餾水槽121、蒸餾氣槽122及蒸餾導管123相連通。在實際應用時可將氨水輸送至蒸餾氣槽122，並經由蒸餾導管123傳送至蒸餾水槽121。蒸餾導管123及蒸餾導管123內的氨水將會被蒸餾殼體124加熱後並產生氨氣、水氣及熱氨水，其中氨氣及水氣將會被輸送至蒸餾氣槽122，而熱氨水則會被傳送至蒸餾水槽121。

在本發明另一實施例中，殼管式加熱器120還可包括一蒸餾水槽121、一蒸餾氣槽122及一蒸餾輸送管125。蒸餾水槽121以及蒸餾氣槽122分別透過蒸餾導管123及蒸餾輸送管125連通，而蒸餾殼體124則不與蒸餾水槽121、蒸餾氣槽122及蒸餾導管123相連通。

在實際應用時氨水可由蒸餾水槽121進入殼管式加熱器120，並依序經由蒸餾水槽121、蒸餾輸送管125及蒸餾氣槽122傳輸至蒸餾導管123。而後蒸餾導管123及蒸餾導管123內的氨水將會被蒸餾殼體124加熱並產生氨氣、水氣及熱氨水，其中氨氣及水氣將會被傳送至蒸餾氣槽122，而熱氨水則會被傳送至蒸餾水槽121，並可由蒸餾水槽121排出蒸餾單元12。在本發明一實施例中，蒸餾單元12的操作壓力約為3至7bar，而操作溫度約為攝氏140至160℃。

冷凝單元13包括至少一殼管式冷凝器130，其中殼管式冷凝器130包括至少一冷凝導管133及一冷凝殼體134，且冷凝殼體134包覆冷凝導管133。冷凝單元13接收蒸餾單元12傳送的氨氣及水氣，並將氨氣及水氣輸送至冷凝導管133。冷凝殼體134用以冷卻冷凝導管133以及冷凝導管133內的氨氣及水氣，冷凝導管133內大部分的水氣會隨著溫度的下降冷凝成一冷凝液，而氨氣則維持在氣相。冷凝單元13雖然可將大部分的水氣冷凝成 冷凝液，但仍有部分的水氣會維持在氣相，並形成殘餘水氣。

在本發明一實施例中，可以將冰水或冷卻液通入冷凝殼體134內，以冷卻冷凝殼體134內的冷凝導管133以及冷凝導管133內的氨氣及水氣。具體來說，冷凝單元13的操作壓力約為3至7bar，並將氨氣、殘餘水氣冷卻至約攝氏6至15℃，而冷凝單元13所產生的冷凝液最低溫度約為攝氏6至15℃。

在本發明一實施例中，殼管式冷凝器130還包括一冷凝水槽131及一冷凝氣槽132。冷凝水槽131以及冷凝氣槽132透過冷凝導管133連通，而冷凝殼體134則不與冷凝水槽131、冷凝氣槽132及冷凝導管133相連通。

冷凝水槽131由蒸餾單元12接收氨氣及水氣，並將接收的氨氣及水氣傳送至冷凝導管133，例如冷凝水槽131可連接蒸餾氣槽122，而冷凝水槽131先由殼管式加熱器120的蒸餾氣槽122接收氨氣及水氣，再將氨氣及水氣傳送至冷凝導管133。冷凝導管133中的氨氣及水氣冷卻後，部分的水氣會在冷凝導管133的管壁冷凝成冷凝液回流至冷凝水槽131，並由冷凝水槽131排出冷凝單元13，而未被冷凝成為冷凝液的氨氣及殘餘水氣則會被傳送至冷凝氣槽132。

在本發明一實施例中，冷凝單元13包括複數個殼管式冷凝器130，且殼管式冷凝器130以串接的方式連接。在本發明一實施例中，殼管式冷凝器130的數目為三個或三個以上。

純化單元14包括至少一殼管式純化器140，其中殼管式純化器140包括至少一純化導管143及一純化殼體144，且純化殼體144包覆純化 導管143。純化單元14接收由冷凝單元13傳送的氨氣及殘餘水氣，並將氨氣及殘餘水氣輸送至純化導管143。純化殼體144用以冷卻純化導管143以及純化導管143中的氨氣及殘餘水氣，使大部分殘餘水氣冷凝成一回收液，而氨氣與少部分殘餘水氣則維持在氣相。

氨氣及殘餘水氣冷卻後，仍維持在氣態的氨氣與少部分的殘餘水氣，即為本發明氨濃度提升系統10所欲獲得的高濃度氨氣成品，例如濃度為6N5(99.99995%)等級之氨氣，而此高濃度氨氣成品將會由純化單元14排出。

在本發明一實施例中，可以將冰水或冷卻液通入純化殼體144中，以冷卻純化殼體114內的純化導管143以及純化導管143中的氨氣及殘餘水氣。

在本發明一實施例中，殼管式純化器140還包括一純化水槽141及一純化氣槽142。純化水槽141以及純化氣槽142透過純化導管143連通，而純化殼體144則不與純化水槽141、純化氣槽142及純化導管143相連通。

純化水槽141由冷凝單元13接收氨氣及殘餘水氣，並將接收的氨氣及殘餘水氣傳送至純化導管143，例如純化水槽141可與冷凝氣槽132連接，而純化水槽141由殼管式冷凝器130的冷凝氣槽132接收氨氣及殘餘水氣，並將氨氣及殘餘水氣傳送至純化導管143。純化導管143中的氨氣及殘餘水氣冷卻後，大部分的殘餘水氣會在純化導管143的管壁上冷凝成回收液回流至純化水槽141，並由純化水槽141排出純化單元14。未被冷凝成回收液的氨氣及少部分殘餘水氣將會被傳輸至純化氣槽142，並可透過純化氣槽 142排出氨濃度提升系統10。

本發明所述之氨濃度提升系統10可用以提升LED廠MOCVD製程排出的氨的濃度。然而一般LED廠所使用的氨仍包含微量的有機物，使得MOCVD製程排出的氨也包括烷類、烯類、一氧化碳、二氧化碳、碳粒、烯酮等等的衍生雜質。這些衍生雜質會使氮化鎵晶體產生差排，形成晶體的缺陷，而至使氮化鎵的生產良率降低。

為此在本發明一實施例中，氨水中有可能含有其他的雜質，使得蒸餾導管123中的氨水被加熱後，會產生至少一雜質氣體。冷凝單元13由蒸餾單元12接收及冷卻氨氣、水氣及雜質氣體，使部分的氨氣、水氣及雜質氣體液化為一冷凝液。具體來說，部分的氨氣及水氣將會液化為一冷凝氨水，而部分的雜質氣體及水氣則會液化為至少一雜質水溶液，其中冷凝氨水及雜質水溶液會混合形成冷凝液。

舉例來說，當雜質氣體為醋酸及二氧化碳時，氨氣、水氣、醋酸及二氧化碳將會被冷凝導管133冷卻，並液化為冷凝氨水、醋酸氨水溶液及碳酸氨水溶液，換言之，冷凝液中將包括冷凝氨水、醋酸氨及碳酸氨。

冷凝導管133內未液化的氨氣、部分雜質氣體及水氣會由冷凝氣槽132進入純化單元14的純化水槽142，並且被輸送至純化導管143內冷卻形成一回收液。具體來說，部分的氨氣及水氣液化為一回收冷凝氨水，而部分的雜質氣體及水氣則液化為至少一回收雜質水溶液，其中回收冷凝氨水及回收雜質水溶液會混合形成一回收液。

在本發明一實施例中，冷凝水槽131與純化水槽141以及蒸餾水槽121連接。冷凝單元13產生的冷凝液可由冷凝水槽131依序傳送至蒸餾 水槽121，並以蒸餾單元12加熱冷凝液，使冷凝液中的冷凝氨水及雜質水溶液氣化為氨氣、水氣及雜質氣體，而再次進入冷凝單元13。

而純化單元14產生的回收液則可由純化水槽141依序傳送至冷凝水槽131及蒸餾水槽121，並以蒸餾單元12加熱回收液，使回收液中的回收冷凝氨水及回收雜質水溶液氣化為氨氣、水氣及雜質氣體，而再次進入冷凝單元13。

具體來說，在本發明實施例中，當氨濃度提升系統10運作時，回收液與冷凝液會在冷凝水槽131中混合，而蒸餾單元12會同時接收氨水及冷凝液及/或回收液。透過重複的過濾以及回收，由冷凝單元13傳輸至純化單元14的氨氣濃度將可以獲得有效的提升，並且可使進入氨濃度提升系統10中的氨被轉換為高濃度氨氣成品。

當冷凝液及/或回收液不斷被回收、加熱，並且在冷凝單元13、純化單元14及蒸餾單元12間循環時，冷凝液及/或回收液中的雜質濃度將會不斷提升，當雜質液體中的雜質累積至飽和濃度時，將會產生至少一雜質結晶物，例如冷凝液及/或回收液中的醋酸氨及碳酸氨飽和後，將會分別產生醋酸氨結晶及碳酸氨結晶。

為此在本發明一實施例中，氨濃度提升系統10可包括一過濾器15，連接蒸餾單元12以及冷凝單元13，使冷凝液可由冷凝水槽131經由過濾器15輸送至蒸餾單元12，而回收液則可由純化水槽141依序經由冷凝水槽131及過濾器15輸送至蒸餾單元12。

過濾器15用以過濾冷凝液及/或回收液中的雜質結晶物，並且將過濾後的冷凝液及/或回收液輸送至蒸餾單元12，例如過濾器15連接蒸 餾單元12的蒸餾水槽121以及冷凝單元13的冷凝水槽131，使得過濾器15可由冷凝水槽131接收冷凝液及/或回收液，並濾除冷凝液及/或回收液中的雜質結晶物，而後再將過濾後的冷凝液及/或回收液輸送至蒸餾單元12。

透過過濾器15的設置，可以有效率的去除氨中的衍生雜質。並且將氨濃度提升裝置10所產出的高濃度氨氣成品再次提供給LED廠使用，如此可避免氮化鎵晶體產生差排，形成晶體的缺陷，並進一步提高氮化鎵的生產良率。

在本發明一實施例中，氨水濃度提升系統10還包括一吸收單元11，如第1圖所示，其中吸收單元11包括一吸收槽111，用以容置一水溶液。在實際應用時吸收單元11可用以接收一廢氨氣，並將廢氨氣導入吸收槽111內的水溶液，使吸收槽111中的水溶液吸收廢氨氣並成為氨水，而後再將氨水輸送至蒸餾單元12，例如氨水由吸收單元11的吸收槽111輸送至蒸餾單元12的蒸餾水槽121。在本發明一實施例中，吸收單元11的操作溫度約為攝氏8至18℃。

在本發明一實施例中，廢氨氣為LED的MOCVD製程所排出的氨氣。

請參閱第2圖，為本發明氨水濃度提升系統的冷凝單元一實施例的構造示意圖。如圖所示，冷凝單元23包括複數個串接的殼管式冷凝器。在本發明一實施例中，冷凝單元23包括一第一殼管式冷凝器231、一第二殼管式冷凝器232以及一第三殼管式冷凝器233，其中第一殼管式冷凝器231、第二殼管式冷凝器232以及第三殼管式冷凝器233以串接方式連接。為了說明時的便利性，本發明實施例中以冷凝單元23包括三個殼管式冷凝器 進行說明，但在實際應用時冷凝單元23內的殼管式冷凝器的數量亦可為一個、兩個或三個以上。

請配合參閱第1圖，本發明實施例所述的冷凝單元23僅是氨濃度提升系統10中的冷凝單元13的一種實施方式，其中冷凝單元23包括複數個串接的殼管式冷凝器231/232/233，且冷凝單元23連接蒸餾單元12及純化單元14。

在本發明一實施例中，冷凝單元23包括一第一殼管式冷凝器231、一第二殼管式冷凝器232及一第三殼管式冷凝器233，其中第一殼管式冷凝器231連接蒸餾單元12，並接收蒸餾單元12所產生的氨氣、水氣及/或雜質氣體，而第三殼管式冷凝器233則連接純化單元14，並將冷凝單元23中未被冷凝成為冷凝液的氨氣、水氣及/或雜質氣體傳送至純化單元14。

第一殼管式冷凝器231包括一第一水槽2311、一第一氣槽2312、至少一第一導管2313以及一第一殼體2314。第一水槽2311及第一氣槽2312透過第一導管2313相連通，第一殼體2314則包覆第一導管2313，而不與第一水槽2311、第一氣槽2312及第一導管2313相連通。

第二殼管式冷凝器232包括一第二水槽2321、一第二氣槽2322、至少一第二導管2323以及一第二殼體2324。第二水槽2321以及第二氣槽2322透過第二導管2323相連通，第二殼體2324則包覆第二導管2323，而不與第二水槽2321、第二氣槽2322及第二導管2323相連通。

第三殼管式冷凝器233包括一第三水槽2331、一第三氣槽2332、至少一第三導管2333以及一第三殼體2334。第三水槽2331以及第三氣槽2332透過第三導管2333相連通，第三殼體2334則包覆第三導管2333， 而不與第三水槽2331、第三氣槽2332及第三導管2333相連通。

第一水槽2311連接一氨氣輸入管2315及一冷凝液輸出管2316，第二水槽2321連接第一水槽2311及第一氣槽2312，第三水槽2331連接第二水槽2321及第二氣槽2322，而第三氣槽2332則連接一氨氣輸出管2335。當冷凝單元23運作時，氨氣透過氨氣輸入管2315由第一水槽2311輸入冷凝單元23，並且透過氨氣輸出管2335由第三氣槽2332輸出，而冷凝液則透過冷凝液輸出管2316由第一水槽2311排出冷凝單元23。

第一殼體2314連接一冷卻液輸出管2317，第二殼體2324連接第一殼體2314及第三殼體2334，而第三殼體2334則連接一冷卻液輸入管2336。當冷凝單元23運作時，可經由冷卻液輸入管2336將冷卻液輸入第三殼體2334，並且透過冷卻液輸出管2317將第一殼體2314內的冷卻液排出冷凝單元23。

請參閱第3A圖至第3C圖，分別為本發明的氨濃度提升系統的冷凝單元一實施例的傳輸路徑示意圖。第3A圖至第3C圖是以冷凝單元23來作說明，並包括三個殼管式冷凝器，但這並不為本發明權利範圍的限制，此路徑示意亦可延伸應用到其他冷凝單元，例如一包括四個或四個以上的殼管式冷凝器的冷凝單元。

當冷凝單元23運作時，冷卻液由冷卻液輸入管2336輸入冷凝單元23，並依序流經第三殼體2334、第二殼體2324及第一殼體2314，以冷卻第三導管2333、第二導管2323及第一導管2313內的物質，例如氨氣、水氣及/或雜質氣體，最後冷卻液由冷卻液輸出管2317排出冷凝單元23，如第3A圖所示。在本發明一實施例中，冷卻液為冰水。

在本發明一實施例中，冷卻液可以分別輸入第一殼體2314、第二殼體2324及第三殼體2334的一側，並且分別由第一殼體2314、第二殼體2324及第三殼體2334的另一側排出。

氨氣、水氣及/或雜質氣體由氨氣輸入管2315進入冷凝單元23的第一水槽2311，並經由第一水槽2311輸送至第一導管2313。如前段所述，第一導管2313以及第一導管2313中的氨氣、水氣及/或雜質氣體將會被流經第一殼體2314的冷卻液冷卻。

第一導管2313中的氨氣、水氣及/或雜質氣體被冷卻後，部分氨氣、大部分的水氣及/或雜質氣體，會液化為一冷凝氨水、一水溶液及/或雜質水溶液，並混合形成一冷凝液。而未產生相變化的大部分氨氣、殘餘水氣及/或殘餘雜質氣體將會依序被輸送至第一氣槽2312、第二水槽2321及第二導管2323，如第3B圖所示，而冷凝液將會被送回第一水槽2311，並且由冷凝液輸出管2316排出冷凝單元23，如第3C圖所示。

與第一殼管式冷凝器231的運作方式類似，第二導管2323中的氨水、水氣及/或雜質氣體將會被流經第二殼體2324的冷卻液冷卻。部分氨氣、大部分的水氣及/或雜質氣體，會液化並混合形成一冷凝液。維持在氣相的大部分氨氣、殘餘水氣及/或殘餘雜質氣體將會依序被輸送至第二氣槽2322、第三水槽2331及第三導管2333，如第3B圖所示。而冷凝液將會依序被輸送至第二水槽2321及第一水槽2311，並且由冷凝液輸出管2316排出冷凝單元23，如第3C圖所示。

為將氨氣從水氣及/或雜質氣體中分離，冷凝單元23的溫度及壓力將會被調整在使水氣及/或雜質氣體可冷凝液化為冷凝液，而使大部 分氨氣仍然維持在氣相的條件，例如冷凝單元23的操作壓力維持在3~7bar，且輸出冷凝單元23的氨氣的溫度約為攝氏6~15℃，而冷凝單元所產生的冷凝液的最低溫度範圍介於攝氏6至15度之間。

由於氨氣是由第一殼管式冷凝器231依序傳送至第二殼管式冷凝器232及第三殼管式冷凝器233，而冷卻液則是由第三殼管式冷凝器233依序傳送至第二殼管式冷凝器232及第一殼管式冷凝器231，因此第一殼管式冷凝器231的整體溫度最高，第二殼管式冷凝器232的整體溫度次之，第三殼管式冷凝器233的整體溫度最低。例如輸入第一殼管式冷凝器231的氨氣、水氣及/或雜質氣體的溫度約為攝氏125℃，而第三殼管式冷凝器233所產生的冷凝液的溫度則約為攝氏6-15℃，且第三殼管式冷凝器233中的氨氣溫度約為攝氏6-15℃。

請參閱第4圖，為本發明氨濃度提升方法一實施例的步驟流程圖。本發明所述之氨水濃度提升方法可以應用在氨水濃度提升系統10中，包括步驟S301、S303及S305。

步驟S301為加熱一氨水，使氨水氣化為一氨氣及一水氣，例如使用氨濃度提升系統10中的蒸餾單元12加熱氨水。在本發明一實施例中，可使用至少一殼管式蒸餾器接收並加熱氨水。

在本發明一實施例中，在加熱氨水之前，可先使用一水溶液吸收一廢氨氣，以產生氨水，例如使用氨濃度提升系統10中的吸收單元11吸收廢氨水。其中吸收廢氨氣的較加操作溫度介於攝氏8至18度之間。

步驟S303為冷卻氨氣及水氣，以產生一殘餘水氣及一冷凝液，並使氨氣維持在氣相，例如使用冷凝單元13/23來冷卻氨氣及水氣。在 本發明一實施例中，可使用至少一殼管式冷凝器接收並冷卻氨氣及水氣。

在本發明一實施例中，冷卻後的氨氣及冷卻所產生的冷凝液及殘於水氣的溫度介於6至15度之間。

步驟S305為冷卻氨氣及殘餘水氣，使殘餘水氣液化並產生一回收液，而氨氣則維持在氣相，例如使用氨濃度提升系統10的純化單元14來冷卻氨氣及殘餘水氣。步驟S305中仍維持在氣相的氨氣，即為本發明氨濃度提升方法所欲獲得的高濃度氨氣成品，例如濃度為6N5(99.99995%)等級之氨氣。在本發明一實施例中，可使用至少一殼管式純化器接收並冷卻氨氣及殘餘水氣。

由於在加熱氨水的過程中，有可能會產生至少一雜質氣體，而在冷卻氨氣、水氣及雜質氣體的過程中，部分氨氣、大部分的水氣及大部分的雜質氣體會液化形成冷凝液，當冷凝液中的雜質累積至飽和濃度時，便會產生至少一雜質結晶物，例如醋酸氨結晶及碳酸氨結晶。同樣的，回收液中也有可能包含雜質以及雜質結晶物。

為此在本發明一實施例中，還包括步驟S307，為過濾步驟S303及/或步驟S305所產生的冷凝液及/或回收液，以濾除冷凝液及/或回收液中的雜質結晶物。例如使冷凝液及回收液在氨濃度提升系統10中的冷凝水槽131混和，並使用過濾器15過濾冷凝液及回收液中的雜質結晶物。

冷凝液及/或回收液可能包括部分氨水，因此過濾後的冷凝液及/或回收液可以進一步回到步驟S301進行加熱，使冷凝液及/或回收液中的氨水及雜質水溶液氣化為氨氣、水氣及雜質氣體，而後再將氨氣、水氣及雜質氣體冷卻以產生氨氣及冷凝液，進而將仍維持在氣相的氨氣及冷凝 液分離，如第4圖所示。

在本發明一實施例中，步驟S301、S303、S305及S307的操作壓力介於3至7bar之間。

說明書中所描述之也許、必須及變化等字眼並非本發明之限制。說明書所使用的專業術語主要用以進行特定實施例的描述，並不為本發明的限制。說明書所使用的單數量詞(如一個及該個)亦可為複數個，除非在說明書的內容有明確的說明。例如說明書所提及之一個裝置可包括有兩個或兩個以上之裝置的結合，而說明書所提之一物質則可包括有多種物質的混合。

以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧氨濃度提升系統

11‧‧‧吸收單元

111‧‧‧吸收槽

12‧‧‧蒸餾單元

120‧‧‧殼管式加熱器

121‧‧‧蒸餾水槽

122‧‧‧蒸餾氣槽

123‧‧‧蒸餾導管

124‧‧‧蒸餾殼體

125‧‧‧蒸餾輸送管

13‧‧‧冷凝單元

130‧‧‧殼管式冷凝器

131‧‧‧冷凝水槽

132‧‧‧冷凝氣槽

133‧‧‧冷凝導管

134‧‧‧冷凝殼體

14‧‧‧純化單元

140‧‧‧殼管式純化器

141‧‧‧純化水槽

142‧‧‧純化氣槽

143‧‧‧純化導管

144‧‧‧純化殼體

15‧‧‧過濾器

Claims (12)

1. 一種氨濃度提升系統，該氨濃度提升系統的操作壓力介於3至7bar之間，包括：一蒸餾單元，包括至少一殼管式加熱器，該殼管式加熱器包括至少一蒸餾導管、一蒸餾水槽、一蒸餾氣槽、一蒸餾輸送管及一蒸餾殼體，且該蒸餾殼體包覆該蒸餾導管，其中該蒸餾水槽透過該蒸餾導管及該蒸餾輸送管連接該蒸餾氣槽，其中該蒸餾殼體加熱該蒸餾導管內的一氨水，並產生一氨氣、一水氣及一熱氨水；一冷凝單元，連接該蒸餾單元，並包括至少一殼管式冷凝器，該殼管式冷凝器包括至少一冷凝導管、一冷凝水槽、一冷凝氣槽及一冷凝殼體，且該冷凝殼體包覆該冷凝導管，其中該冷凝水槽透過該冷凝導管連接該冷凝氣槽，其中該冷凝單元由該蒸餾單元接收該氨氣及該水氣，並將該氨氣及該水氣輸送至該冷凝導管，該冷凝殼體冷卻該冷凝導管內的該氨氣及該水氣，使得大部分的該水氣冷凝成為一冷凝液，而該氨氣則維持在氣相，並產生一殘餘水氣，其中該冷凝液的溫度範圍介於攝氏6至15度之間；一純化單元，連接該冷凝單元，並包括至少一殼管式純化器，該殼管式純化器包括至少一純化導管、一純化水槽、一純化氣槽及一純化殼體，且該純化殼體包覆該純化導管，其中該純化水槽透過該純化導管連接該純化氣槽，且該純化水槽還連接該冷凝水槽，其中該純化單元接收該冷凝單元傳送的該氨氣及該殘餘水氣，並將該氨氣及該殘餘水氣輸送至該純化導管，該純化殼體冷卻該純化導管內的該氨氣及該殘餘水氣，並使得部分該殘餘水氣冷凝成為一回收液，而該氨氣則維持在氣相，並且由該純化單元排出；及一過濾器，連接該蒸餾水槽以及該冷凝水槽，並用以過濾由該冷凝水槽傳送至該蒸餾水槽的該冷凝液，以及過濾由該純化水槽經由該冷凝水槽傳送至該蒸餾水槽的該回收液。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氨濃度提升系統，其中該冷凝單元包括複數個殼管式冷凝器，且該些殼管式冷凝器以串接方式連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述的氨濃度提升系統，其中該殼管式冷凝器的數目為三個或三個以上。
4. 如申請專利範圍第1項所述的氨濃度提升系統，其中該蒸餾導管內的該氨水加熱後還會產生至少一雜質氣體，而該冷凝單元由該蒸餾單元接收及冷卻該氨氣、該水氣及該雜質氣體，使部分該氨氣、該水氣及該雜質氣體液化形成該冷凝液，且該冷凝液包括至少一雜質結晶物，而該過濾器則用以濾除該冷凝液中的雜質結晶物。
5. 如申請專利範圍第4項所述的氨濃度提升系統，其中該回收液包括該雜質結晶物，且該回收液與該冷凝液混合並傳送至該過濾器，並以該過濾器濾除該冷凝液及該回收液中的雜質結晶物。
6. 如申請專利範圍第1項所述的氨濃度提升系統，還包括一吸收單元，連接該蒸餾單元，其中該吸收單元包括一吸收槽，用以容置一水溶液，該水溶液用以吸收一廢氨氣以產生該氨水，並將該氨水輸送至該蒸餾單元。
7. 一種如申請專利範圍第1項所述之氨濃度提升系統的氨濃度提升方法，包括以下步驟：透過該殼管式加熱器加熱該氨水，使該氨水氣化為該氨氣及該水氣；透過該殼管式冷凝器冷卻該氨氣及該水氣，以產生該殘餘水氣及該冷凝液，而該氨氣則維持在氣相；及透過該殼管式純化器冷卻該氨氣及該殘餘水氣，使該殘餘水氣液化，並產生該回收液，而該氨氣則維持在氣相。
8. 如申請專利範圍第7項所述的氨濃度提升方法，還包括以下步驟：透過該殼管式加熱器加熱該氨水以產生該氨氣、該水氣及至少一雜質氣體；透過該殼管式冷凝器冷卻該氨氣、該水氣及該雜質氣體，以產生該殘餘水氣及該冷凝液，其中該冷凝液包括一雜質結晶物。
9. 如申請專利範圍第8項所述的氨濃度提升方法，還包括以下步驟：透過該過濾器過濾該冷凝液，以濾除該冷凝液中的該雜質結晶物。
10. 如申請專利範圍第8項所述的氨濃度提升方法，還包括以下步驟：透過該殼管式冷凝器冷卻該氨氣、該水氣及該雜質氣體，以產生該殘餘水氣、部分該雜質氣體及該冷凝液，而該氨氣則維持在氣相，其中該冷凝液包括該雜質結晶物；透過該殼管式純化器冷卻該氨氣、該殘餘水氣及部分該雜質氣體，以產生該回收液，而該氨氣則維持在氣相，其中該回收液包括該雜質結晶物；及透過該過濾器過濾該冷凝液及該回收液，以濾除該冷凝液及該回收液中的該雜質結晶物。
11. 如申請專利範圍第7項所述的氨濃度提升方法，還包括以下步驟：在加熱該氨水之前，先使用一水溶液吸收一廢氨氣，以產生該氨水。
12. 如申請專利範圍第11項所述的氨濃度提升方法，其中吸收該廢氨氣的操作溫度介於攝氏8至18度之間。