專利名稱：氨純化處理方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
氨純化處理方法及裝置是為生產(chǎn)第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵GaN所需的高純氨，需要進行去除雜質(zhì)，特別是去除水份雜質(zhì)面純化的方法及所使用的設(shè)備。
背景技術(shù)：
氮化鎵GaN是第三代半導(dǎo)體材料，用于制備蘭光發(fā)光二極管和蘭光激光器，廣泛用于微電子、光電子領(lǐng)域和照明工程，有廣闊的應(yīng)用前景和開發(fā)前途。GaN膜是鎵源(TMGa三甲基鎵)和氮源(NH3氨)采用金屬有機化學(xué)氣相淀積(MOCVD)工藝制備的，對Ga源和N源均要求有極高純度如NH3，要求純度達99.9999％(6N)通常叫″蘭氨″，現(xiàn)在還有更高純度的高純氨7N，叫“白氨”。6N高純氨的雜質(zhì)總量是1PPm(1×10-6)，7N的雜質(zhì)總量是100PPb(1×10-7)，其主要有害雜質(zhì)氣體是CO2、CO、O2、THC(總烴)、H2O，其中最有害最難除的是O2和H2O，H2O比O2還更難除盡。H2O與NH3有許多相近的特點，H2O從NH3中深度脫出十分困難，通常有效的純化技術(shù)可以將水脫至1～2PPm，達不到要求。采用特別的、精細的吸附技術(shù)和精餾技術(shù)，采用催化劑(Catalysts)、分子篩(mol.sieves)、吸氣劑(getters)、干燥劑(desiccants)、鈀透射(Pd diffusers)等方法和技術(shù)，當特別有效時，可以使NH3純度達到6N和7N，將水脫至0.2PPm(6N)和50PPb(7N)左右但多半都用在GaN制備系統(tǒng)上作為高純氨的終端純化。
制備高純氨的技術(shù)最早見于二十世紀七十年代，如SU55ZlOO(.1977)、SU554207(1977)。較多見于二十世紀九十年代，如EP470936.EP484301(1992).JP[9312813](1993).US5496778.US5755934.US5846386.WO 9639358.WO 0020330(1998)等。上述各專利采用的方法基本基于精餾、催化轉(zhuǎn)化、物理吸附等過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是要解決氨純化處理過程中水去除比較困難的技術(shù)問題，提供一種采用化學(xué)吸附法對氨進行深度脫水的氨純化處理方法及設(shè)備。利用碳化鈣(電石)的強烈吸水作用，脫除高純氨中的痕量水。
碳化鈣對水有特別敏感的反應(yīng)，即使痕量水也可以發(fā)生作用，反應(yīng)速度較快。對氨純化，與氨基本不反應(yīng)，也不吸附，有較高的選擇性。
本發(fā)明氨純化處理具體方法，是將原料氨經(jīng)硅膠吸附器33、分子篩吸附器34吸附，進入碳化鈣吸附器進行深度吸附雜質(zhì)水后，再經(jīng)活性炭吸附器36、脫氧劑吸附器37、經(jīng)過濾器38和冷凝器39得到高純氨產(chǎn)品，或者經(jīng)過濾器46后進入脫氣精餾得到高純氨產(chǎn)品。
這樣，本發(fā)明的氨純化處理裝置，由依次串聯(lián)的硅膠吸附器33、分子篩吸附器34、碳化鈣吸附器35、活性炭吸附器36、脫氧劑吸附器37的吸附單元、過濾器38和冷凝器39構(gòu)成。
另一種本發(fā)明氨純化處理裝置，由依次串聯(lián)的硅膠吸附器33、分子篩吸附器34、碳化鈣吸附器35的吸附單元和過濾器38、脫氣精餾塔構(gòu)成。
由于本發(fā)明有效地去除了難以深度去除的水成份，使得氨的純度大大提高；深度去除水成份后更有利于其他成份的去除，用碳化鈣反應(yīng)去除水成份過程產(chǎn)生的成分，也可以在后續(xù)吸附或精餾過程方便的去除。
用碳化鈣吸附脫除氨中水實驗對比結(jié)果


一般getter專利也有這幾個特點，但getter工作時多半需要加熱，再生重復(fù)使用，getter成分中含有金屬，價格比較昂貴。采用本發(fā)明的方法，可在常溫下使用，雖然不再生、一次性使用、但材料易得、價格便宜。所以與getter專利記載的技術(shù)方案相比，本發(fā)明方法具有簡單、生產(chǎn)成本低廉的優(yōu)點。
1.碳化鈣吸附水的反應(yīng)原理是(1)碳化鈣遇水后，分解成氧化鈣和乙炔。
氧化鈣還可以進一步吸水生成氫氧化鈣(2)但高純氨中僅有痕量水，反應(yīng)只停留在第(1)步。
采用碳化鈣脫水，高純氨中的水含量可以降低到0.2PPm以下。
2.碳化鈣作為這種吸附劑使用時，其使用條件有以下要求1)需采用雜質(zhì)成份少的.質(zhì)量好的.未與濕氣接觸的新鮮電石塊。
2)電石塊要在干燥潔凈的環(huán)境中破碎篩分，取粒徑3～5mm范圍較宜。考慮較大的氣一固接觸面積，顆粒小好，考慮阻力降小一點，顆粒又不要太小。
篩選出來的碳化鈣顆粒使用前要在密閉干燥容器中保存。
3)所采用碳化鈣顆粒的容量以滿足氨氣與其有足夠的接觸時間為依據(jù)空塔停留時間可保持在10秒左右或空速取200～500/時。
4)可在常溫氣態(tài)條件下工作。碳化鈣與水反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度低對反應(yīng)有利，但只有痕量水存在，產(chǎn)生的熱量極小，對溫度不產(chǎn)生影響。氨在氣態(tài)狀況下才會有與固相碳化鈣的良好接觸。
5)要同時考慮處理有害副產(chǎn)物乙炔的措施。對于高純氨來說，乙炔也是有害雜質(zhì)氣體，制備高純氨時，本來就有去除CO、CO2、CH4、O2等不凝氣的安排，C2H2的加入，只不過加大雜質(zhì)氣的處理量，未增加太大難度。
6)保持適度的更換周期。碳化鈣吸水生氧化鈣白色粉末包裹在顆粒表面，阻擋顆粒的吸水作用。根據(jù)實驗，碳化鈣顆粒中有1/4～1/3蒙有白色粉末時，應(yīng)重新裝填吸附器。


附圖表示了本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1為碳化鈣吸附器的標準型結(jié)構(gòu)示意圖，圖2碳化鈣吸附器的緊湊型結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為吸附組合純化氨流程結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為吸附一精餾組合純化氨流程結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為純化氨緊湊純化流程結(jié)構(gòu)示意圖。
吸附器設(shè)計成標準型和緊湊型兩種，吸附器的高徑比取6～8范圍1)標準型(圖1)吸附器下端安裝有篩板14、40目的不銹鋼絲網(wǎng)15二層鋪平在篩板上，打開裝卸料手孔或法蘭蓋13，將碳化鈣顆粒11裝入吸附器筒體12內(nèi)，吸附器設(shè)有進氣口16、出氣口17和吹掃排污口18、吸附器筒體內(nèi)出氣口開口部位用不銹鋼絲網(wǎng)充塞，起過濾作用。
2)緊湊型(圖2)當吸附器體型不大或吸附劑碳化鈣更換不頻繁時，卸料可以將吸附器放倒，采用緊湊型結(jié)構(gòu)比較方便。碳化鈣顆粒21通過裝卸料口22裝卸，物料裝入吸附器筒體23內(nèi)，氣體進口為一插底細管、管底口端管壁密集鉆孔并用不銹鋼絲網(wǎng)纏繞25防止進氣被堵塞、出氣管26設(shè)在吸附器頂端。
具體實施例[實施例1]采用吸附組合純化流程(圖3)，一套2公斤/小時氨純化處理裝置，原料氨自鋼瓶31汽化經(jīng)流量計32到吸附單元，經(jīng)硅膠吸附器33、分子篩吸附器34、碳化鈣吸附器35、活性炭吸附器36、脫氧劑吸附器37、經(jīng)過濾器38和冷凝器39收集產(chǎn)出的高純氨產(chǎn)品。原料氨純度99.5％，含水200PPm；經(jīng)過硅膠、分子篩吸附后含水2PPm，通過碳化鈣后，含水0.2PPm，產(chǎn)品純度6N。
采用吸附—精餾組合純化流程(圖4)，一套2公斤/小時氨純化處理裝置。原料自鋼瓶41汽化經(jīng)流量計42到吸附單元，經(jīng)硅膠吸附器43、分子篩吸附器44、碳化鈣吸附器45、經(jīng)過濾器46后進入脫氣精餾單元，基本純化的高純氨，在靠近塔的上部的進氣口進入精餾塔47、汽相組分在塔頂冷凝器48冷凝、不凝性氣體和一部份氨氣排出，冷凝的液氨回流到精餾塔，塔底有沸器49，一部份氨汽化，大部份氨作為高純氨產(chǎn)品從塔底取出。原料氨純度99.5％含水150PPm、硅膠、分子篩脫水后含水1.5PPm，通過碳化鈣后含水0.2PPm、產(chǎn)品純度6N。
采用緊湊純化流程(圖5).一套2公斤/小時純化裝置原料氨自鋼瓶51汽化，經(jīng)過濾器52進入碳化鈣吸附器53.又經(jīng)過濾器54，進入冷凝器55.冷凝的液氨收集到中間鋼瓶56、鋼瓶56移出純化收集系統(tǒng)，在位置57多次、微量、緩慢釋放不凝性氣體，直至檢驗合格，作為產(chǎn)品放置于位置58、原料氨純度99.5％含水150PPm，碳化鈣純化后含水0.2PPm。產(chǎn)品純度5.8N。
權(quán)利要求
1.一種氨純化處理方法，將原料氨經(jīng)硅膠吸附器(33)、分子篩吸附器(34)吸附，進入碳化鈣吸附器進行深度吸附雜質(zhì)水后，再經(jīng)活性炭吸附器(36)、脫氧劑吸附器(37)、經(jīng)過濾器(38)和冷凝器(39)得到高純氨產(chǎn)品，或者經(jīng)過濾器(46)后進入脫氣精餾得到高純氨產(chǎn)品。
2.一種氨純化處理裝置，由依次串聯(lián)的硅膠吸附器(33)、分子篩吸附器(34)、碳化鈣吸附器(35)、活性炭吸附器(36)、脫氧劑吸附器(37)的吸附單元、過濾器(38)和冷凝器(39)構(gòu)成。
3.一種氨純化處理裝置，由依次串聯(lián)的硅膠吸附器(33)、分子篩吸附器(34)、碳化鈣吸附器(35)的吸附單元和過濾器(38)、脫氣精餾塔構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明是將原料氨經(jīng)硅膠吸附器、分子篩吸附器吸附，進入碳化鈣吸附器進行深度吸附雜質(zhì)水后，再經(jīng)活性炭吸附器、脫氧劑吸附器、經(jīng)過濾器和冷凝器得到高純氨產(chǎn)品，或者經(jīng)過濾器后進入脫氣精餾得到高純氨產(chǎn)品。處理裝置，由依次串聯(lián)的硅膠吸附器、分子篩吸附器、碳化鈣吸附器、活性炭吸附器、脫氧劑吸附器的吸附單元、過濾器和冷凝器或脫氣精餾塔構(gòu)成。本發(fā)明有效地去除了難以深度去除的水成分，使得氨的純度大大提高。
文檔編號C01C1/02GK1704336SQ20041002063
公開日2005年12月7日 申請日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者王同文 申請人:大連保稅區(qū)科利德化工科技開發(fā)有限公司