CN102774845A

CN102774845A - 三氟化硼-11电子特气的生产装置及方法

Info

Publication number: CN102774845A
Application number: CN201210234168XA
Authority: CN
Inventors: 徐姣; 张卫江
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明涉及三氟化硼-11（¹¹BF₃）电子特气的生产装置及方法，三氟化硼原料气体从合成装置底部进入，苯甲醚则从合成装置顶部喷流而下，在10—25℃的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼－苯甲醚络合物；由裂解装置中裂解开来的BF₃气体由化学交换塔底部进入，气液逆流充分接触，在15—30℃的操作温度下，发生化学交换反应；较重的¹¹B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的¹⁰B同位素则在塔底液相络合物中富集；富集后的¹¹BF₃气体由底部进入到合成装置中，重新与苯甲醚合成液相络合物；富集¹⁰B同位素的液相络合物则进入分解装置，在140—170℃受热分解为¹¹BF₃贫气，再进入化学交换塔进行化学交换；如此反复运行，直至¹¹BF₃气体¹¹B丰度达到99.7%以上，从¹¹BF₃产品出口处采出产品。

Description

三氟化硼-11电子特气的生产装置及方法

技术领域

本发明涉及三氟化硼-11（¹¹BF₃）电子特气的生产装置及方法，技术适用于电子、医药等行业，为之提供高丰度、高纯度需要的¹¹BF₃的生产工艺。

背景技术

三氟化硼-11（¹¹BF₃）气体在工业生产上的有很多方面的应用，可以用于电子工业和光纤工业，可作为制备光纤预制件的原料，是硅和锗外延、扩散和离子注入过程的P型掺杂源。在半导体制造过程中¹¹BF₃是重要的离子注入气，同时作为硼掺杂剂用于硅离子布植方面，生产出的芯片具有高集成、高密度特点，且体积小、性能优越。随着电子、通讯行业的飞速发展，¹¹BF₃气体的应用还有很大的发展前景。

对于¹¹BF₃的生产，发达国家如美国、德国、日本等都有大规模工业生产厂，其中美国的联合信号公司及德国的BASF公司生产的瓶装¹¹BF₃在国际上有较高的影响，日本钢铁化学公司生产的¹¹BF₃尽管有较高的纯度，但其规模相对较小。我国目前尚不具备₁₁BF₃气体的生产能力。

¹¹BF₃气体生产的工艺技术主要有两个难点：一是丰度要求。¹¹BF₃电子特气的丰度要求≥99.7%，而¹¹B天然丰度为80%左右。二是纯度要求。¹¹BF₃作为电子特气，对各种杂质的要求相当严格，达到ppm级，产品总纯度≥99.995%。上世纪八十年代，我国开展超纯气体的攻关，产品纯度达到99.995%以上，实现了超纯产品的生产，其技术已大规模用于航空航天、光伏太阳能等领域，为电子特气的生产奠定了基础。因而真正制约¹¹BF₃电子特气生产的因素为99.7%的丰度要求，目前国内尚未有成功报道。

发明内容

本发明技术在国内率先提出了¹¹BF₃气体生产工艺技术，产品丰度达到99.7%以上，满足电子特气行业的要求，是一条可大规模工业化的技术路线。

本发明的技术方案如下：

三氟化硼-11（¹¹BF₃）电子特气的生产装置，由合成装置（2）、化学交换塔（3）、裂解装置（5）串联而成；裂解塔顶设置有塔顶冷凝器（4）、塔底设置有加热釜（6）组成；从合成装置中喷流而下的液相，通过泵打至化学交换塔顶，再经泵打至裂解装置塔顶；经裂解装置加热裂解开的气体经过冷凝器，从化学交换塔底部进入，与喷淋而下的液相逆流，发生交换反应，使¹¹B在气相中富集；裂解装置中上升的苯甲醚气体冷凝下来后，先由换热器7换热，再经泵打至合成装置塔顶，重新发生合成反应。

在¹¹BF₃气体出口连接有吸附装置，吸附装置由一级吸附塔（10）、二级吸附塔（11）、中压精馏塔（12）和低压精馏塔（14）组成。待净化的BF₃气体由吸附塔（10）顶部进入，从底部出来后再进入吸附塔（11）顶部，然后再由中压精馏塔（12）底部进入，从中压精馏塔（12）顶部出来后经由中间冷凝器（13），由低压精馏塔（14）中进入，低压精馏塔（14）底部为净化后的高纯¹¹BF₃产品气。

本发明的富集¹¹BF₃方法，三氟化硼原料气体从合成装置（2）底部进入，苯甲醚则从合成装置（2）顶部喷流而下，在10—25℃的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼－苯甲醚络合物；由裂解装置中裂解开来的BF₃气体由化学交换塔（3）底部进入，气液逆流充分接触，在15—30℃的操作温度下，发生化学交换反应；较重的¹¹B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的¹⁰B同位素则在塔底液相络合物中富集；富集后的¹¹BF₃气体由底部进入到合成装置（2）中，重新与苯甲醚合成液相络合物；富集¹⁰B同位素的液相络合物则进入分解装置（5），在140—170℃受热分解为¹¹BF₃贫气，再进入化学交换塔（3）进行化学交换；如此反复运行，直至¹¹BF₃气体¹¹B丰度达到99.7%以上，从¹¹BF₃产品出口8处采出产品。

从¹¹BF₃产品出口采出的富集¹¹BF₃气体，在一级吸附塔（10）中除去部分的杂质气体后，进入内装活性氧化铝的二级吸附塔（11），进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔（12）和低压精馏塔（14）组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度高达99.995％的¹¹BF₃产品气，从精馏塔（14）底部获得。

本发明的效果是为高丰度高纯度¹¹BF₃电子特气的工业化生产，提供一条可行的工艺技术及生产装置，获得的¹¹BF₃产品气丰度达到家99.7%，纯度达到99.995%以上，满足目前国内外¹¹BF₃电子特气的产品要求。

附图说明

图1：化学交换精馏法富集¹¹BF₃工艺流程图；

图2：气体净化工艺及装置流程图；

1.BF₃钢瓶；2.合成装置；3.化学交换塔；4.冷凝器；5.裂解装置；6.加热釜；7.换热器；8.¹¹BF₃产品气；9.¹⁰BF₃·苯甲醚络合物；10.一级吸附塔；11.二级吸附塔；12.中压精馏塔；13.中间冷凝器兼再沸器；14.低压精馏塔。

具体实施方式

采用原料：天然丰度的三氟化硼气体和苯甲醚。

装置如图1、2所示：由合成装置（2）、化学交换塔（3）、裂解装置（5）串联而成；裂解塔顶设置有塔顶冷凝器（4）、塔底设置有加热釜（6）组成；从合成装置中喷流而下的液相，通过泵打至化学交换塔顶，再经泵打至裂解装置塔顶；经裂解装置加热裂解开的气体经过冷凝器，从化学交换塔底部进入，与喷淋而下的液相逆流，发生交换反应，使¹¹B在气相中富集；裂解装置中上升的苯甲醚气体冷凝下来后，先由换热器7换热，再经泵打至合成装置塔顶，重新发生合成反应。

在¹¹BF³气体出口连接有吸附装置，吸附装置一级吸附塔（10）、二级吸附塔（11）、中压精馏塔（12）和低压精馏塔（14）组成。待净化的BF₃气体由一级吸附塔（10）顶部进入，从底部出来后再进入二级吸附塔（11）顶部，然后再由中压精馏塔（12）底部进入，从中压精馏塔（12）顶部出来后经由中间冷凝器（13），由低压精馏塔（14）中进入，低压精馏塔（14）底部为净化后的高纯BF₃产品气。

实例1：原料气钢瓶1三氟化硼原料气体从合成装置底部进入，苯甲醚则从合成装置顶部喷流而下，在10—15℃的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼－苯甲醚络合物。在裂解装置中裂解开来的BF₃气由化学交换塔底部进入，气液逆流充分接触，在20—25℃的操作温度下，发生化学交换反应。较重的¹¹B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的¹⁰B同位素则在塔底液相络合物中富集。富集后的¹¹BF₃气体由底部进入到合成装置中，重新与络合剂合成液相络合物。富集¹⁰B同位素的液相络合物则进入裂解装置，在140—150℃受热分解为的¹¹BF₃贫气，再进入交换塔进行化学交换。如此反复不停运行，直至¹¹BF₃气体¹¹B丰度达到99.7%以上，采出产品。然后进入吸附塔进行除杂，气体进料后经过降温并在一级吸附塔10中进一步除去部分的杂质气体，再将¹¹BF₃充入内装活性氧化铝的二级吸附塔11，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔和低压精馏塔组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度可高达99.995％的¹¹BF₃产品气。

实例2：三氟化硼原料气体从合成装置底部进入，苯甲醚则从合成装置顶部喷流而下，在15—20℃的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼－苯甲醚络合物。在裂解装置中裂解开来的BF₃气由化学交换塔底部进入，气液逆流充分接触，在25—30℃的操作温度下，发生化学交换反应。较重的¹¹B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的¹⁰B同位素则在塔底液相络合物中富集。富集后的¹¹BF₃气体由底部进入到合成装置中，重新与络合剂合成液相络合物。富集¹⁰B同位素的液相络合物则进入裂解装置，在150—160℃受热分解为的¹¹BF₃贫气，再进入交换塔进行化学交换。如此反复不停运行，直至¹¹BF₃气体¹¹B丰度达到99.7%以上，采出产品。然后进入吸附塔进行除杂，气体进料后经过降温并在一级吸附塔10中进一步除去部分的杂质气体，再将¹¹BF₃充入内装活性氧化铝的二级吸附塔11，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔和低压精馏塔组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度可高达99.995％的¹¹BF₃产品气。

实例3：三氟化硼原料气体（1）从合成装置底部进入，苯甲醚则从合成装置顶部喷流而下，在20—25℃的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼－苯甲醚络合物。在裂解装置中裂解开来的BF₃气由化学交换塔底部进入，气液逆流充分接触，在15—20℃的操作温度下，发生化学交换反应。较重的¹¹B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的¹⁰B同位素则在塔底液相络合物中富集。富集后的¹¹BF₃气体由底部进入到合成装置中，重新与络合剂合成液相络合物。富集¹⁰B同位素的液相络合物则进入裂解装置，在160—170℃受热分解为的¹¹BF₃贫气，再进入交换塔进行化学交换。如此反复不停运行，直至¹¹BF₃气体¹¹B丰度达到99.7%以上，采出产品。然后进入吸附塔进行除杂，气体进料后经过降温并在一级吸附塔10中进一步除去部分的杂质气体，再将¹¹BF₃充入内装活性氧化铝的二级吸附塔11，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔和低压精馏塔组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度可高达99.995％的¹¹BF₃产品气。

本发明三氟化硼-11（¹¹BF₃）电子特气的生产装置及方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变工艺参数、结构设计等环节实现。本发明的系统已通过不同的实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的系统进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims

1.一种三氟化硼-11电子特气的生产装置，其特征是由合成装置2、化学交换塔3、裂解装置5串联而成；裂解塔顶设置有塔顶冷凝器4、塔底设置有加热釜6组成；从合成装置中喷流而下的液相，通过泵打至化学交换塔顶，再经泵打至裂解装置塔顶；经裂解装置加热裂解开的气体经过冷凝器，从化学交换塔底部进入，与喷淋而下的液相逆流，发生交换反应，使¹¹B在气相中富集；裂解装置中上升的苯甲醚气体冷凝下来后，先由换热器7换热，再经泵打至合成装置塔顶，重新发生合成反应。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是在¹¹BF₃气体出口连接有吸附装置，吸附装置一级吸附塔10、二级吸附塔11、中压精馏塔12和低压精馏塔14组成；待净化的BF₃气体由吸附塔10顶部进入，从底部出来后再进入吸附塔11顶部，然后再由中压精馏塔12底部进入，从中压精馏塔12顶部出来后经由中间冷凝器13，由低压精馏塔14中进入，低压精馏塔14底部为净化后的高纯BF₃产品气。

3.权利要求1的三氟化硼-11电子特气的生产方法，其特征是三氟化硼原料气体从合成装置2底部进入，苯甲醚则从合成装置2顶部喷流而下，在10—20℃的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼－苯甲醚络合物；从裂解装置中裂解开来的BF₃气体由化学交换塔3底部进入，气液逆流充分接触，在15—30℃的操作温度下，发生化学交换反应；¹¹B同位素以气体形式在塔顶富集，¹⁰B同位素则在塔底液相络合物中富集；富集后的¹¹BF₃气体由底部进入到合成装置2中，重新与苯甲醚合成液相络合物；富集¹⁰B同位素的液相络合物则进入分解装置5，在140—170℃受热分解为¹¹BF₃贫气，再进入化学交换塔3进行化学交换；如此反复运行，直至¹¹BF₃气体¹¹B丰度达到99.7%以上，从¹¹BF₃产品出口8处采出产品。

4.如权利要求2所述的生产方法，其特征是从¹¹BF₃产品出口8采出的富集¹¹BF₃气体，在吸附塔10中除去部分的杂质气体后，进入内装活性氧化铝的吸附塔11，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔12和低压精馏塔14组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度高达99.995％的¹¹BF₃产品气，从精馏塔14底部获得。