Спосіб очищення аміаку, суміші азоту й водню, або азоту, водню й аміаку

Реферат: Винахід належить до способу очищення аміаку або суміші азоту й водню, або азоту, водню й аміаку, відповідно до якого: а) аміак або суміш газів під тиском від 0,1 до 25 МПа пропускають через колону, заповнену оксидом алюмінію з великою площею питомої поверхні, б) аміак або суміш газів потім пропускають через колону, заповнену СаО, NaOH, KОН або розплавом NaOH/KOH, окремо або в суміші, при температурі від 20 до 70 °С і під тиском від 0,1 до 25 МПа, в) далі аміак або суміш газів пропускають через колону, заповнену активованим вугіллям, що 2 має питому площу 1003000 м /г з нітратами (V) або нітратами (III) натрію, калію, цезію, магнію, кальцію, стронцію, барію або церію, нанесеними на його поверхню окремо або в суміші, вищезгадані кроки реалізують у послідовному процесі зі швидкістю газового потоку в діапазоні 3 від 100 до 1000 м /год. UA 111880 C2 (12) UA 111880 C2 UA 111880 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід відноситься до способу очищення аміаку, сумішей азоту й водню, або азоту, водню й аміаку, з високим ступенем чистоти. За останні кілька десятиліть наукові дослідження призвели до багатьох відкриттів в області електроніки, які відносяться до застосування нових матеріалів. Нітриди алюмінію, галію й індію є особливо привабливими групами хімічних сполук, які будуть використовуватися в нових електронних технологіях. У процесах синтезу зазначених нітридів використовується аміак особливо високої чистоти - менш 0,1 (ppm) частин на мільйон домішок. З іншого боку, виникає необхідність очищення синтезу-газу (водню й азоту) у потоці синтезу аміаку, в якому використовуються каталізатори з більш високою ефективністю, ніж у звичайного залізного каталізатора. Такі каталізатори значно більш чутливі до присутності домішок у потоці синтез-газу. Чистота аміаку пов'язана як із чистотою синтез-газу, який використовують для виробництва аміаку, так і з методами очищення сирого аміаку. Способи одержання синтез-газу з належною чистотою (суміш Н2 і N2), відомі й описані в багатьох джерелах літератури [W. Bobrownicki, С. Pawlikowski, "ТЕХНОЛОГІЯ АЗОТНИХ СПОЛУК", WNT, Варшава 1974; Інформаційні матеріали Kellogg Brown & Root, http://www.kbr.com, від 15.05.2012]. Остаточне очищення свіжого газу від пари води й оксидів вуглецю здійснюють шляхом адсорбції на молекулярних ситах або промиванням газу потоком рідкого аміаку або рідкого азоту. Чистота цих газових потоків достатня, щоб одержати технічний аміак у великих промислових масштабах, але зовсім незадовільна для застосування одержаного NH3 в електроніці. Для цього типу застосування необхідно видалити з аміаку такі домішки, як H2O (г), Кокс, CH4, O2 й Ar. Для очищення аміаку з високим ступенем чистоти використовують два основних способи. Більше старий полягає у пропущенні газоподібного аміаку, що містить 80 ррm (частинок домішок на мільйон) при атмосферному тиску через рідкий аміак із розчиненими солями металів. Після очищення NH3 містить 0,6 (ppm) м.д у вигляді кисневмісних сполук [US4075306]. Іншим способом одержання аміаку високої чистоти є фракційна перегонка рідкого аміаку при тиску 2÷30 МПа. Аміак із чистотою 99,99 % очищали до рівня 10 (ppm) м.д [US7001490]. Перегонці рідкого аміаку можуть передувати стадії видалення вуглеводнів і води шляхом адсорбції. Процес адсорбції здійснюється з використанням відомих гранул, наприклад, гранульованого активованого вугілля для видалення вуглеводнів і сульфату кальцію (VI) для видалення води. Такий спосіб відомий з опису патенту US7297181, відповідно до якого був отриманий аміак із чистотою 99,9995 %. Використання солей металів у першому способі практично виключає його застосування в області електроніки, тому що солі вважаються надзвичайно небажаним елементом у напівпровідникових матеріалах. У наступних двох методах використовується процес перегонки, який вимагає складного встаткування та використання значної кількості енергії. Метою винаходу є створення способу, який дозволяє одержати аміак високої чистоти, технологічно придатним методом у великому масштабі, і забезпечує ефективне очищення як синтез-газу, так і нечистого аміаку. Спосіб очищення аміаку, суміші азоту й водню, або азоту, водню й аміаку, відповідно до винаходу, є багатоступінчастим процесом, який складається з наступних етапів: а) аміак або суміш газів під тиском від 0,1 до 25 МПа пропускають через колону, заповнену оксидом алюмінію з великою питомою площею поверхні при кімнатній температурі, щоб зв'язати нафтові залишки; б) аміак або суміш газів потім пропускають через колону, заповнену CaО, NaOH, KOH або розплавом NaOH / KOH окремо або в суміші, при температурі від 20 до 70 °C в і під тиском від 0,1 до 25 МПа, для того щоб попередньо зв'язати водяну пару; в) далі, аміак або суміш газів пропускають через колону, заповнену активованим вугіллям, що має питому площу 2 100÷3000 м /г з нітратами (III) або (V) натрію, калію, цезію, магнію, кальцію, стронцію, барію або церію, нанесеними на його поверхню окремо або в суміші, з метою видалення вирішальної більшості кисню, що міститься в сполуках, які не були вилучені раніше (в основному H2O й CO); вищезгадані кроки реалізуються у послідовному процесі зі швидкістю газового потоку в 3 3 діапазоні від 100 дм /год. до 1000 м /год. У випадку, коли спосіб відповідно до даного винаходу використовується для очищення аміаку, додатково застосовується попередній етап видалення метану над рідким аміаком 3 шляхом видалення газу над рідиною в кількості 1÷100 дм /годину. В стадії а) і б) аміак, переважно розпакований до тиску від 0,1 до 0,8 МПа, вводиться в колону. На стадії с) упакування колони активується перед використанням потоком інертного газу (наприклад, азоту) або водню, або їхньою сумішшю з тиском 0,1÷25 МПа, при температурі 250÷700 °C. 1 UA 111880 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Під час циклу очищення, в стадії в) суміш газів пропускають через колону, переважно під тиском від 0,1 до 25 МПа при температурі 170÷425 °C, у той час як аміак пропускають через колону переважно під тиском від 0,1 до 0,8 МПа при температурі 170÷425 °C. В стадії а) використовується оксид алюмінію зі специфічною поверхнею площею не нижче, 2 ніж 50 м /грам, для наповнення колони. Наповнення колони в стадії а) може бути регенероване шляхом виключення частини колони з потоку і пропущення потоку інертного газу (наприклад, азоту), або водню, або суміші цих газів через нього при температурі 200÷700 °C. Наповнення колони на стадії с) можна регенерувати шляхом виключення частини колони з потоку і пропущенням потоку інертного газу (наприклад, азоту), або водню, або суміші цих газів через нього при 250÷700 °C. Рішення відповідно до винаходу дозволяє одержати аміак або суміші азоту й водню, або азоту, водню й аміаку, з чистотою 99,9999 % за допомогою технологічного апарата з простою конструкцією й одночасно з використанням легкодоступних хімічних речовин. Спосіб відповідно до винаходу, представлений більш докладно у варіантах здійснення. У всіх прикладах вимірювання чистоти аміаку було оцінене для точки роси в газі. Набори колон для реалізації способу відповідно до винаходу схематично показані у варіантах на Фіг.1 і 2. Приклад 1 Використовувана система показана на Фіг. 1. Очищався технічний рідкий аміак із чистотою 3 99,98 % за вагою. Газ продувався в об'ємі 30 дм /годину над рідким NH3 у проміжну ємність (1) з 3 об'ємом 1000 дм . Рідкий аміак із цього резервуара направлявся на декомпресію (2), а потім, під тиском 0,5 МПа, пропускався через колону (3), заповнену оксидом алюмінію, що має питому 2 площу 90 м /г. Під тим самим тиском, потік аміаку направлявся в колону (4), заповнену СаО. Аміак спочатку сушили таким чином: пропускали через колону (5) з вугільним наповнювачем, 2 що має питому площу 500 м /г, насиченим сумішшю нітратів (V) магнію та кальцію, який сушили та нагрівали при 300 °C під потоком суміші водню з азотом у мольному співвідношенні 3:1. У 3 ході цього процесу був одержаний потік аміаку з витратою 500 дм /год., що містить менш 1 (ppm) м.д. домішок. Приклад 2 Використовувана система показана на Фіг. 2. Очищали суміш азоту й водню (при мольному співвідношенні 1:3), що містить 150 частин на мільйон домішок. Потік газів під тиском 7,5 МПа 2 пропускався через колону (1), заповнену оксидом алюмінію, що має питому площу 150 м /г. Під тим самим тиском, потік аміаку направлявся в колону (2), заповнену СаО. Гази спочатку сушили таким чином: пропускали при 290ºC через колону (3) з вуглецевим шаром, що має питому 2 площу 800 м /г насиченим нітратом (V) кальцію, який сушили та нагрівали при 400 °C у потоці 3 азоту. У ході цього процесу був отриманий потік газів із витратою 300 дм /хв, що містять менше 0,5 1 (ppm) м.д. домішок. Приклад 3 Використовувана система показана на Фіг. 2. Була очищена газоподібна суміш азоту й водню (при мольному співвідношенні 1:3), що містить додатково 5 % за об'ємом аміаку. Рівень домішок у суміші 100 (ppm) м.д… Потік газів під тиском 6 МПа пропускали через колону (1), 2 заповнену оксидом алюмінію, що має питому площу 100 м /г. Під тим самим тиском, потік аміаку направлявся в колону (2), заповнену СаО. Гази спочатку сушили таким чином: пропускали через 2 колону (3) з вугільним шаром, що має питому площу 1200 м /г, насиченим нітратом (V) кальцію, який сушили та нагрівали при 250 °C у потоці суміші водню й азоту з мольним відношенням 1:3. 3 У ході цього процесубув отриманий потік газів із витратою 200 дм /хв і такий самий склад, як і введений, що містить менше 0,5 (ppm) м.д. домішок. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб очищення аміаку, суміші азоту й водню, або азоту, водню й аміаку, з використанням етапу видалення вуглеводнів і води шляхом адсорбції, який відрізняється тим, що: а) аміак або суміш газів під тиском від 0,1 до 25 МПа пропускають через колону, заповнену 2 оксидом алюмінію з питомою поверхнею не нижче ніж 50 м /г, б) аміак або суміш газів потім пропускають через колону, заповнену CaO, NaOH, KОН або розплавом NaOH/KOH окремо або в суміші при температурі від 20 до 70 °С і під тиском від 0,1 до 25 МПа, в) далі аміак або суміш газів пропускають при температурі 170-425 °С через колону, заповнену 2 активованим вугіллям, що має питому площу 1003000 м /г з нітратами (V) або нітратами (III) 2 UA 111880 C2 5 10 15 20 натрію, калію, цезію, магнію, кальцію, стронцію, барію або церію, нанесеними на його поверхню окремо або в суміші, а також активованими перед використанням потоком інертного газу або водню, або їхньої суміші, при тиску 0,1-25 МПа та при температурі 250-700 °С, вищезгадані кроки реалізують у послідовному процесі зі швидкістю газового потоку в діапазоні від 100 3 3 дм /год. до 1000 м /год. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для очищення аміаку додатково застосовують попередній етап видалення метану з потоку над рідким аміаком шляхом видалення газу над 3 рідиною в кількості 1-100 дм /год. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що на стадіях а), б) аміак під тиском від 0,1 до 0,8 МПа вводять в колону. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що на стадії в) суміш газів пропускають через колону під тиском від 0,1 до 25 МПа. 5. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що на стадії в) аміак пропускають через колону під тиском від 0,1 до 0,8 МПа. 6. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що наповнення колони на стадії а) регенерують шляхом пропускання потоку інертного газу або водню, або суміші цих газів, через нього при температурі 200-700 °С. 7. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що наповнення колони на стадії в) регенерують шляхом пропускання потоку інертного газу або водню, або суміші цих газів, через нього при температурі 250-700 °С. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3