[發明專利]極低壓條件下制備高純氨的方法

無效

• 申請號: 201210447585.2
• 申請日: 2012-11-09
• 公開（公告）號: CN102910649A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 鮑堅仁;鮑堅斌
• 申請（專利權）人: 湖南高安新材料有限公司
• 主分類號: C01C1/04
• 分類號: C01C1/04;C01C1/02
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 張文祎

技術領域

本發明涉及一種制備高純氨的方法，尤其是涉及一種極低壓條件下制備高純氨的方法。

背景技術

現代微電子和光電子等工業的發展對氮化物特別是氮化鎵（GaN）和氮化硅（Si₃N₄）提出了更高的質量要求。這些氮化物是在高溫下由高純氨參與的化學反應而生成。為了合成高質量的氮化物中，必須要使用高純度的氨氣（高純氨），高純氨的純度至少在99.999%（5N），通常要達到99.9999%（6N）甚至99.99999%（7N），因為氨氣的純度對上述工業有著極為顯著的影響，比如在氮化硅的制備中，如果氨氣中含有50ppm的水或氧，就不會生成Si₃N₄而只會生成氧化硅SiO₂；又如在MOCVD中，如果氨氣中含有3ppm的水或氧，其制備的外延片的發光波長將無法控制。

其中氨合成的這一步涉及一個比較簡單的化學反應體系，其反應方程式如下:

ΔH=-46.22kJ/mol.

該平衡體系僅涉及NH₃、N₂和H₂三種物質。由于這是一個可逆反應，所以在工業生產中通常采用哈勃（Haber）循環工藝。除了催化劑，該反應首先需要考慮的最重要的參數是溫度和壓力（嚴格地說應該是壓強，單位是Pa或者MPa≡10⁶Pa，但通常都使用壓力這個說法）。

由于該反應是體積減少的反應，所以高壓的條件有利于合成氨反應的進行，如果反應壓力越高，那么反應的平衡常數就越大。根據合成氨反應的壓力不同，合成氨工藝被分為高壓、中壓、低壓反應。這個分類的界限不是很明確，通常認為，高壓反應在60MPa以上，中壓反應在20～60MPa，低壓反應在10～20MPa。由于經過百年發展的合成氨在技術上已經相當成熟，采用何種合成氨反應主要取決于經濟指標，通常采用中、低壓反應工藝。本發明把反應壓力≤10MPa以下的反應定義為極低壓反應。從工程角度來看，極低壓反應有很多好處，因為工程上更容易實現，壓力容器的制造變得簡單，而且更為安全。

同時合成氨反應還是一個放熱的反應，這意味著如果反應溫度越低，那么反應的平衡常數就越大，但是反應溫度的降低也會減慢反應速率，這意味著反應達到平衡的時間會太長，所以合成氨反應存在一個最適宜的溫度，既不能太高也太低。從工程角度來看，低溫反應更容易實現，也更安全。

考慮到壓力和溫度對反應平衡常數大小的影響，在極低壓力的條件下的反應必須同時具備極低溫條件，否則，由于合成氨反應的平衡常數太小而變得沒有意義。

要實現合成氨反應，其中一個關鍵是催化劑的使用，催化劑要具備好的活性、穩定且不易中毒、長壽命。只有那些不容易中毒的催化劑才能真正用于合成氨生產，通常合成氨催化劑要保持2年以上的壽命。

合成氨工業已經經過一百年的發展，在這百年中，氨合成催化劑一直是合成氨工業的研發核心，人們也找到了不少低溫活性高的催化劑，但是低溫活性高的催化劑容易中毒而失去催化性質，原因在于合成氨需要的原料氣的純度不夠高，其中含有很多對催化劑有害的雜質。一般說來，催化劑的低溫活性越高意味著催化劑越容易跟雜質相結合而中毒，通常低溫活性較低的催化劑的抗中毒性通常要好一些。因此在催化劑使用中，人們為了保證其壽命而往往選用一些低溫活性不是最高的催化劑。

雖然提高原料氣的純度可以延長催化劑的壽命，但是，在通常的情況下這是不經濟的，把原料氣的純度提高到催化劑不易中毒的程度需要除去其中的各種雜質，這個代價是非常高的，另外為此提高原料氣的純度也是不必要的，因為氨的主要用途是制造氮肥和其他化工原材料，人們對氨的純度要求通常并不高，通常獲得所謂的一級氨（純度為99.9%）已經完全足夠了。

由于合成氨產業規模的增加會降低氨的生產成本，因此合成氨工廠的規模變得越來越大，目前一座典型的合成氨工廠的年產量是30萬噸，為了保證合成氨生產的經濟性，需要考慮的工藝參數有很多，壓力和溫度是其中最關鍵的兩個參數。經驗表明，≤10MPa的低壓反應和≤400℃的低溫反應用于傳統的低純氨生產被認為是不經濟的，原因在于≤10MPa的反應的平衡常數太小，除非反應溫度≤400℃，而≤400℃時又由于反應太慢而不夠經濟。

事實證明，現有的高活性的催化劑還不容易滿足合成氨大工業生產的需要，高活性的催化劑太容易受到原料氣中的雜質而中毒失效了。由于這個原因，工業上的合成氨通常都在較高壓力和較高溫度下完成，選用的催化劑往往也不是活性最高的。