本发明专利技术涉及用氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，包括以下三个有机集成的工艺步骤，第一步：通过工业级的低纯氨催化裂解得到合成高纯氨所需的原料气（氢氮混合气）；第二步：将氢氮混合气通过深冷法或者吸附法纯化，特别是通过脱氧、吸附等手段除去各类杂质；第三步：使用高纯度的氢氮混合气，通过哈勃法合成高纯氨，其氨纯度到达９９．９９９％～９９．９９９９９９９％，通常纯度达到６Ｎ以上。本发明专利技术在获得纯度合格的高纯氨后，产品输入高纯氨储罐，而当产品未能达到所需纯度时，把所产生的氨返回到氨催化裂解单元。整个生产系统构成一个环境友好的封闭体系，没有任何氨气的对外排放。并且每一步都降低了获得高纯氨的成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨。高纯 氨常用于合成氮化物，主要应用于光电子、太阳能电池、微电子、液晶显示、超 硬陶瓷、生物与制药等制造领域。
技术介绍
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。GaN是新一代的发光二极管(LED, Light Emitting Diode)的基础，目前普遍采用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD， Metal Organic Chemical Vapor Deposition)制备GaN外延片，用于制造蓝、绿色 发光二极管和蓝光激光器，其中GaN是由三甲基镓(Ga(CH3)3)和高纯氨(NH3) 在MOCVD中高温条件下反应而成。Si3N4作为绝缘层广泛的应用在大规模集成 电路、液晶显示器(LCD, Liquid Crystal Display)和太阳能电池等领域。Si3N4 是通过高纯氨(NH3)与硅垸(SiH4)反应进行淀积。另外高纯氨在超硬陶瓷(比 如氮化硼)、生物与制药领域也有广泛的应用。在合成高质量的氮化物中，必须要使用高纯度的氨气(高纯氨)，因为氨气 的纯度对上述工业有着极为显著的影响，比如在氮化硅的制备中，如果氨气中含 有50ppm的水或氧，就不会生成SbN4而只会生成氧化硅Si02;又如在MOCVD 中，如果氨气中含有3ppm的水或氧，其制备的外延片的发光波长将无法控制。 目前中国所需的高纯氨基本依赖进口，因此，为了中国光电子和微电子产业的良 好、健康发展，以高纯氨为代表的基础原材料的国产化问题显的尤为重要。为了 获得理想的氮化物，微电子工业等对高纯氨的纯度有着非常高的要求，下表所示 的是目前使用高纯氨的典型技术指标和一些常见杂质的沸点。表l.气态6N氨、7N氨的典型指标(单位ppb)<table>table see original document page 3</column></row><table>表2.氨和一些常见杂质的沸点气体H2N2Aro2CH4C02NH3H20沸点(K)20.2777.3587.590.2116.7195.2239.8373.2这些物质的分子量差别都不是很大，这种情况下，物质沸点的高低通常反映 了它们各自之间相互作用的强弱。对于极性分子，例如水和氨，分子间的相互作用比较强，所以沸点较高；对于非极性分子，分子间的相互作用较弱，所以沸点 较低，例如H2和N2等等。对于非极性分子， 一般说来如果分子量越小，那么沸 点也会越低一些，例如H2的沸点比N2和02都要低一些，这儿也有一些特例， 比如CH4，虽然它的分子量比N2和02小，但是沸点较高，原因在于它是5原子 分子，分子体积较大，所以它跟其他分子的相互作用也较大。极性分子和非极性分子在分子间相互作用强弱上，存在着巨大的差异，除了 表现在沸点上的髙低，这种差异在气体的纯化上也有很大的不同极性分子气体 难以提纯(如NH3),非极性分子气体容易提纯(如H2和N2)。如果能够把极性 分子气体(如NH3)的提纯设法转化为非极性分子气体(如H2和N2)的提纯， 那么将会较容易获得高纯度的极性分子气体。从上表可以看到氨既不是沸点最高，也不是最低的，因此传统对氨的提纯必 须采用二级提纯，首先用吸附法除去低沸点的杂质，如02、 C02等，再用精馏 或吸附除去沸点比氨高的物质，如H20。获得高纯氨的最大技术难点是如何彻底地除去氨气中的水。由于NH3和H20 都是极性分子，两者之间通过氢键相结合。由于NH3中水在吸附提纯时存在"马 鞍形"纯化曲线，很难保证高纯氨中H20含量低于lppm。因此，要采用常规方 法分离NH3中微量水是极为困难的，几乎所有为了获得高纯氨而发展起来的技 术和专利重点都是除水。目前普遍采用的高纯氨的制备工艺是低纯氨提纯法，即先把普通纯度的N2 和H2合成为普通纯度的氨，然后再经过提纯得到高纯氨。比如马寺松气体股份 有限公司200580022983.8 "超纯无水氨的现场生成、纯化和分配"，日本派欧尼 01124353.8 "纯化氨的方法"。用低纯氨提纯法制备高纯氨时，由于氨的来源不同，低纯氨中所含杂质的种4类和含量有一定的差别， 一般为油分、N2~2000 ppm， H2~2000 ppm， H20: 300~600ppm， CH4: 600~800 ppm， 02+Ar: 50~200ppm。对微电子工业所用的 高纯氨，H20、 02、油等是最大的有害物质，必须去除到规定浓度以下。虽然普通纯度的氨价格很低，但是用这种方法获得高纯氨还是很困难，所以 高纯氨的价格很高，原因在于普通纯度的氨中混有杂质与氨的结合很强，不管是 用物理方法还是化学方法都很难分离。这些杂质中最难处理的就是氧元素杂质， 主要是02和&0，特别是&0，而氧元素杂质含量恰恰又是表征高纯氨品质的 最重要指标。总之，普通纯度的氨中混有多种难以分离的杂质，特别是氧元素杂质，从而 使得氨的提纯很困难，高纯氨的价格因此很贵。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供用氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备 高纯氨。其合成得到高纯氨的纯度为99. 999% 99. 9999999%，生产成本降低，且 对环境友好。此方法适用于建设高纯氨的精细化工装置。本专利技术的技术方案是氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，其特征在于包括以下三个有机集成的工艺步骤，第一步氨催化裂解得到 所需的原料气氢氮混合气；第二步将氢氮混合气纯化；第三步使用高纯度 的氢氮混合气合成高纯氨。如上所述的氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，其特征 在于其合成得到氨的最终纯度到达99.999%~99.9999999%。如上所述的氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，其特征 在于构成一个从工业级的低纯氨获得高纯氨的循环系统，整个系统对于纯度未 达标的氨产品构成封闭体系；该系统在获得高纯氨后，产品对外输出；而当产品 未能达到所需纯度时，把所产生的氨重新返回到氨催化裂解单元。如上所述的氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，其特征 在于第一步中通过对工业级的低纯氨催化裂解得到合成高纯氨所需的原料气， 除去杂质后的氢氮混合气含有75細2和25%N2如上所述的氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，其特5征在于第二步中将氢氮混合气通过深冷法纯化或者吸附法纯化除去各类杂质，得到纯度为99. 999%~99. 9999999%的氢氮混合气。如上所述的氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，其特征在于第三步中使用高纯度的氢氮混合气，通过哈勃法合成高纯氨，其氨纯度到达99. 999%~99. 9999999%。如上所述的氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，其特 征在于合成高纯氨纯度达到6N以上。本专利技术的氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，适用于 建设高纯氨的精细化工装置，此类生产的规模可为年产几十吨到几万吨，最适宜 的规模是年产几百吨 几千吨高纯氨。本专利技术的工作原理是前面已经指出，N2、 H2的沸点在这些组分中是最本文档来自技高网...
【技术保护点】
氨催化裂解、氢氮气纯化和氨合成三步集成制备高纯氨，其特征在于：包括以下三个有机集成的工艺步骤，第一步：氨催化裂解得到所需的原料气：氢氮混合气；第二步：将氢氮混合气纯化；第三步：使用高纯度的氢氮混合气合成高纯氨。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：鲍坚仁，曾灵琪，朱泽华，
申请(专利权)人：武汉高安新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。