高纯氨生产工艺技术探讨

尹建华，尹爱华，梁雄，王小波，凌磊，张健

(兰州裕隆气体股份有限公司，甘肃 兰州 730060)

0 引言

高纯氨是一种纯度99.999 99%的强腐蚀性、无色有毒物质，标准大气压下，其熔点为-77.7 ℃，沸点为-33.4 ℃，最低自燃点为690 ℃，相对密度为0.597，具有中等火灾危险。高纯氨主要用途包括作为LED的氮源、与硅烷和高纯氩气用于薄膜太阳能电池制造等。现阶段我国作为原料使用的氨大多数来自于再次加工，主要通过制造水煤气，将其中存在的氢气和空气中的氮气进行铁触媒催化合成反应，生成氨气。生产高纯氨需注重安全管理，由于其会对人体造成严重危害，若吸入过多高纯氨，将导致血液氨浓度上升，引发三叉神经末梢反射作用并危及生命。因此针对高纯氨生产工艺技术进行研究讨论具有必要性和现实意义。

1 高纯氨生产工艺技术

1.1 完全过滤吸附型工艺技术

生产阶段需将粗氨利用动力装置完好卸入生产原料存储装置，利用加热处理使生产原料存储装置中的粗氨进行气化反应，便于进入过滤设备有效去除多余杂质，以保障高纯氨生产制造质量。经由过滤设备完成处理的初期氨气需要进行纯化处理，进入纯化设备除去水分、油分，使氨气再次提高纯度。最后利用多组吸附设备将氨气中的轻组分杂质除去，吸附除去的杂质气体包括二氧化碳、氢气、氧气等。按照完全过滤吸附型工艺技术有效落实各个环节，可以将所生产的氨气纯度保持在99.999%以上，使高纯氨产品质量得到可靠保障。

选用完全过滤吸附型工艺技术时，还要借助冷凝设备将符合纯度要求的氨气产品进行液化保存，并安全、可靠地存储在临时罐体。待检测机构对存储在临时罐体中的高纯氨进行检测分析后，确保质量和属性符合高纯氨产品要求，方可通过管道将高纯氨输送至存储成品的罐体。高纯氨产品输送需要借助槽车和钢瓶，以保障高纯氨运输安全。完全过滤吸附型工艺技术中的纯化设备需要按照初期氨气杂质成分进行纯化吸附处理设计，以确保纯化处理效果，若是发现纯化处理质量不符合高纯氨产品质量要求，需及时更换纯化设备。高纯氨完全过滤吸附型工艺技术简易流程如图1所示。

图1 高纯氨完全过滤吸附型工艺技术简易流程图

1.2 完全精馏型工艺技术

高纯氨生产阶段选用完全精馏型工艺技术主要借助精馏塔完成。高纯氨生产原料通过槽车或借助氨水提纯、回收处理再卸装至原料存储罐体，在此期间生产原料主要以液态的形式予以保存管理，因而需要注重观察罐体温度，以此保障生产原料质量。生产高纯氨期间主要利用动力设备和管道将生产原料，即液态氨传输至精馏塔并在塔内完成完全精馏生产。精馏塔可以将原料氨中的多种杂质有效除去，包括氢气、氮气、甲烷等，而沸点低于原料氨的轻组分如氧气，可以通过分离器完成有效除去；余下的原料氨将主要通过精馏设备、冷凝设备进行液化而变成重组分并进入去除塔，最终使重组分的氨在去除塔底部进行加热，使高纯氨发生汽化反应并形成液态的氨。使氨气发生汽化反应，可以将沸点高于氨气的多余水分、油分以及其他杂质颗粒等符合重组分特点的物质利用分离器有效除去，确保高纯氨生产质量符合产品要求。当前，在选用完全精馏型工艺技术生产高纯氨的过程中，已有将轻组分去除塔和重组分除去塔分设多个独立的小体量精馏塔进行杂质除去处理，也可以得到高纯度的氨气[1]。选用完全精馏型工艺技术需要注意冷凝设备运行效果，确保冷凝处理后，液化的氨气质量和属性符合高纯氨产品要求，进而将纯度99.999 9%的高纯氨存储在临时罐体，后续环节与选用完全过滤吸附型工艺技术一致。高纯氨完全精馏型工艺技术简易流程如图2所示。

图2 高纯氨完全精馏型工艺技术简易流程图

1.3 过滤吸附精馏型工艺技术

高纯氨生产阶段选用过滤吸附精馏型工艺技术，需要通过多组吸附设备、过滤设备、精馏设备等。生产原料粗氨需要借助动力设备有序卸入原料存储罐体，并且利用加热处理使生产原料存储装置中的粗氨进行气化反应，便于进入过滤设备有效去除多余杂质，以保障高纯氨生产制造质量。经过加热处理的氨气需要借助过滤设备除去多余杂质颗粒，以保障吸附处理效果。多组吸附设备中包括可以有效纯化的设备，用以除去氨气中的水分、油分，使氨气纯度和质量得到充分保障。其中，纯化设备需要按照初期氨气杂质成分进行纯化吸附处理设计，以确保纯化处理效果，若是发现纯化处理质量不符合高纯氨产品质量要求，需及时更换纯化设备。完成吸附处理、纯化处理随后进入精馏设备进行化工精馏，使轻组分的杂质气体有效除去，此环节可以与纯化处理共同进行，即将纯化设备设计在精馏设备，使其以纯化塔的形式存在。换言之，在选用过滤吸附精馏型工艺技术时，应当遵循具体问题具体分析和因地制宜原则从实际出发，当高纯氨质量和属性得到保障时，纯化处理可在吸附处理环节，也可以在精馏处理环节，此项设计需要考虑节能环保要求[2]。

2 高纯氨生产工艺技术对比分析

2.1 纯度对比分析

从生产高纯氨的实际情况分析，依靠完全过滤吸附型工艺技术所生产制造的产品纯度比其他两种工艺技术的纯度偏低，无法真正符合99.999 99%的高纯氨纯度要求，但完全过滤吸附型工艺技术较为简单，未经精馏塔处理就可以生产制造符合99.999%以上纯度的高纯氨。因此，选用完全过滤吸附型工艺技术时，需要在纯化处理中借助其他方法，例如，在产品从成本存储罐体输出的现场设置纯化设备如纯化塔，将槽车或钢瓶中的成品氨气进行二次纯化处理，以确保交付合作方的高纯度氨气满足客户要求，为获取稳定的经济收益提供可靠支持。

同时，现阶段可以有效支撑完全过滤吸附型工艺技术的过滤设备、吸附设备并不成熟，且多数过滤吸附设备只能有效过滤和吸附轻组分物质，而对于氨中的总碳氢无法起到十分有效的处理效果，这是由于总碳氢分子直径相比氨分子偏大，而且更为稳定，不会被分子筛轻易吸附[3]。

相比之下，完全精馏型工艺技术和过滤吸附精馏型工艺技术因其中包括化工精馏工艺，所以选用这两种工艺技术生产制造的高纯氨质量和性能更为可靠，纯度也能符合99.999 99%级别要求。

综上，仅从高纯氨产品纯度的角度分析，完全过滤吸附型工艺技术具有工艺简单的优势，可以生产纯度99.999%的高纯度氨气；完全精馏型工艺技术因其中包括化工精馏工艺，所生产的高纯氨产品质量和属性更为可靠；过滤吸附精馏型工艺技术融合了前述两种工艺技术的多项处理环节，可以有效地生产出纯度99.999 99%标准以上的高纯氨，且产品质量和属性可靠。

2.2 纯化过程对比分析

包括化工精馏工艺的完全精馏型工艺技术和过滤吸附精馏型工艺技术需要借助精馏塔完成相应处理如加热处理，以此实现化工精馏处理提纯，因而纯化过程更为繁琐，但纯化效果相比完全过滤吸附型工艺技术更具优势。融合化工精馏工艺需要增加精馏塔设计、安装、维护等环节，且生产高纯氨对于精馏塔的性能要求较高，需要在前期设计和调试阶段投入一定成本，尤其是完全精馏型工艺技术的成本投入更高。相比之下，完全过滤吸附型工艺技术的纯化过程较为简单，不包括借助精馏塔进行纯化处理，因而此项技术在成本投入方面更具优势。

2.3 充装过程对比分析

完全精馏型工艺技术的高纯氨充装动力来源主要依靠空气压力差或是泵，过滤吸附精馏型工艺技术或是完全过滤吸附型工艺技术的高纯氨充装动力则主要依靠泵，这是由生产原料粗氨如何进入生产制作环节的动力条件而直接决定的。选用完全精馏型工艺技术的生产原料粗氨是依靠泵而进入生产制作环节，泵可以利用压力差赋予粗氨更大压力而更容易、有效地进入精馏塔，精馏塔到最终成品储罐的压力又降低了一些，但是一般情况下可以形成充足的压差，即最终高纯氨成品罐或钢瓶与生产原料罐体或回收装置之间的压差，由此完成高纯氨成品的充装，若是出现压差不足的情况，即压差无法有效支撑充装流量需求，应当及时利用泵组织实施高纯氨充装。

若是选用完全过滤吸附型工艺技术进行高纯氨生产，则产品的压力最高点主要集中在存储粗氨的罐体内，可以借助对粗氨存储罐体加热处理的方法，使粗氨发生汽化反应，从而促使生产原料粗氨进入生产制作过程，而之后的每一项工艺技术都将逐渐降低压力，由此导致充装阶段出现压差不足的情况，使得高纯氨成品充装速度缓慢，因此才需要选用泵加压对存储成品的钢瓶容器进行充装。相比之下，仅依靠压差进行高纯氨成品充装的速度会较慢，而依靠泵进行加压的充装方式会较快。但是选择泵加压充装会有潜在风险，如泵发生漏油问题，且油分进入高纯氨成品，则产品质量将受到污染。因此，选用高纯氨生产工艺技术时，需要分析后期充装可能出现的情况，以保障高纯氨产品质量。

3 结语

综上所述，完全过滤吸附型工艺技术的实际操作更为简单，但此项工艺技术所生产的高纯氨产品质量相对较低，若是选用性能更好的纯化设备，则可以提高高纯氨产品质量，故不建议选择完全过滤吸附性工艺技术生产高纯氨。完全精馏型工艺技术与过滤吸附精馏工艺技术相比，对于化工精馏工艺的要求更高、对于设备性能的要求也更好，且生产工艺比完全过滤吸附型工艺技术更为复杂。实际生产过程中需要从多方面、多角度控制高纯氨生产制造参数，以此确保成品质量和属性符合要求，主要依靠化工精馏工艺所生产的高纯氨产品质量会更加可靠、稳定。尽管选用纯化设备进行高纯氨生产相比于增加过滤设备、吸附设备所投入的成本更低，但从长远发展和产品质量的角度分析，一旦需要更换纯化设备，后续投入的成本也会增加。