CN110523351A - 一种溴化氢的合成装置及合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溴化氢的合成装置及合成方法，合成装置包括溴气供给单元、氨气供给单元、反应器、冷凝器、气液分离器以及溴化氢储罐，溴气供给单元的出口和氨气供给单元的出口连接至反应器的物料入口，反应器的物料出口连接至冷凝器的物料入口，冷凝器的物料出口连接至气液分离器的物料入口，气液分离器的液相出口连接至溴化氢储罐。本发明通过溴与氨气反应生成溴化氢和氮气，杂质组分少，反应条件比氢气和溴反应温和，无需催化剂，不存在催化剂失活问题，反应中不使用易燃易爆物质，且反应后产物没有腐蚀性，对后续管道及设备无腐蚀，扩大了管道设备材质的选择范围，反应产生的杂质组分单一，便于后续进一步分离提纯。

Description

一种溴化氢的合成装置及合成方法

技术领域

本发明涉及溴化氢制备领域，具体涉及一种溴化氢的合成装置及合成方法。

背景技术

半导体行业中电子级溴化氢主要应用于蚀刻工艺中。等离子溴化氢蚀刻技术可以精确控制蚀刻深度及垂直度，同时不破坏臭氧层，不产生温室气体，是氟碳类蚀刻气体的良好替代品。随着半导体行业的发展，其对制程的主要工艺蚀刻用到的电子级溴化氢纯度提出了更高的要求；因此在制程过程中，如果杂质的污染，很容易导致晶片内电路功能的损坏，使得集成电路的失效及影响几何特征的形成。因此在制程过程中需要有效的去除溴化氢中的杂质组分。

目前溴化氢的合成主要有氢气和溴直接燃烧合成，直接燃烧合成工艺使用氢气和溴燃烧反应，得到溴化氢，此种方法虽然能够得到比较纯净的溴化氢，但是反应条件苛刻，喷嘴设计复杂，容易混和不均，氢气容易发生爆炸危险，燃烧反应需要在高温600-800℃下进行，或者加催化剂将反应温度降低到100-120℃，但此温度下反应催化剂容易失活，失去催化作用，实际使用中需要经常更换催化剂，操作复杂。硫磺、水、溴反应得到溴化氢，产物中有硫酸，容易腐蚀管路，后续处理复杂，且硫磺属于易燃易爆品，不易储存。溴、赤磷、浓溴酸在常温下反应得到溴化氢，但是反应杂质组分多，且反应使用易燃易爆的磷，增加反应风险；含有大量亚磷酸和水分，对后续管路有腐蚀，后续提纯复杂。溴素芳烃取代反应得到溴化氢，利用溴与甲苯、二甲苯、四氢化萘等芳烃发生取代反应放出溴化氢气体，该取代反应溴素转化率低，反应产生的含苯环芳烃多，后续难以分离。溴化钾磷酸共热制取溴化氢，是利用溴化钾与浓磷酸共热产生溴化氢气体的方法，该方法在实际操作中需要剧烈加热，反应控制难度大。三溴化磷水解是将三溴化磷滴加到水或者氢溴酸中水解反应得到溴化氢的方法，该方法存在原料易水解，昂贵，不易保存和运输等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种溴化氢的合成装置及合成方法，杂质组分少，反应温和，无需催化剂，反应中不使用易燃易爆物质，且反应后产物没有腐蚀性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种溴化氢的合成装置，包括溴气供给单元、氨气供给单元、反应器、冷凝器、气液分离器以及溴化氢储罐，

所述溴气供给单元的出口和所述氨气供给单元的出口连接至所述反应器的物料入口，所述反应器的物料出口连接至所述冷凝器的物料入口，所述冷凝器的物料出口连接至所述气液分离器的物料入口，所述气液分离器的液相出口连接至所述溴化氢储罐。

进一步的，所述反应器设有相对布置的第一物料入口和第二物料入口，所述溴气供给单元的出口连接至所述第一物料入口，所述氨气供给单元的出口连接至所述第二物料入口。

进一步的，所述反应器内填充有与反应气体接触的陶瓷球。

进一步的，所述陶瓷球的直径为2-4mm。

进一步的，所述合成装置包括串联设置的两级所述冷凝器。

进一步的，所述溴气供给单元包括液溴储罐、液溴进料泵以及溴加热器，所述液溴储罐的出口连接至所述液溴进料泵的入口，所述液溴进料泵的出口连接至所述溴加热器，所述溴加热器的出口连接至所述反应器的物料入口，所述氨气供给单元包括液氨钢瓶和氨加热器，所述液氨钢瓶的出口连接至所述氨加热器，所述氨加热器的出口连接至所述反应器的物料入口。

进一步的，所述溴气供给单元包括串联设置的两级所述溴加热器，所述氨气供给单元包括串联设置的两级所述氨加热器。

进一步的，所述气液分离器的气相出口连接至尾气处理装置。

本发明还提供另外一个技术方案：一种溴化氢的合成方法，采用如上所述的合成装置，所述合成方法包括如下步骤：

(1)将溴气和氨气按质量比为14-12:1的比例通入所述反应器中进行反应，产生溴化氢气体和氮气；

(2)将步骤(1)产生的溴化氢气体和氮气通入所述冷凝器中进行冷凝，产生液态溴化氢和不凝性氮气；

(3)将步骤(2)中产生的液态溴化氢和不凝性氮气通入所述气液分离器中进行气液分离，将不凝性氮气分离出，获得液态溴化氢。

进一步的，步骤(1)中，溴气和氨气在200-250℃的条件下进行反应。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1)本发明公开的溴化氢的合成装置及合成方法，通过溴与氨气反应生成溴化氢和氮气，杂质组分少，反应条件比氢气和溴反应温和，无需催化剂，不存在催化剂失活问题，反应中不使用易燃易爆物质，且反应后产物没有腐蚀性，对后续管道及设备无腐蚀，扩大了管道设备材质的选择范围，反应产生的杂质组分单一，便于后续进一步分离提纯。

2)本发明公开的溴化氢的合成装置及合成方法，反应器进料方式为对撞式有利于加强溴气与氨气的混合；

3)本发明公开的溴化氢的合成装置及合成方法，反应器内填装直径为3mm的陶瓷小球增加传热与混合，使反应充分进行。

附图说明

图1是本发明公开的溴化氢的合成装置的示意图。

其中，10、溴气供给单元；11、液溴储罐；12、液溴进料泵；13、溴加热器；20、氨气供给单元；21、液氨钢瓶；22、氨加热器；30、反应器；40、冷凝器；50、气液分离器；60、溴化氢储罐；70、废气处理装置；801、803、804、控制阀；802、804、806、质量流量计。

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

参见图1，如其中的图例所示，一种溴化氢的合成装置，包括溴气供给单元10、氨气供给单元20、反应器30、冷凝器40、气液分离器50以及溴化氢储罐，

溴气供给单元10的出口和氨气供给单元20的出口连接至反应器30的物料入口，反应器30的物料出口连接至冷凝器40的物料入口，冷凝器40的物料出口连接至气液分离器50的物料入口，气液分离器50的液相出口连接至所述溴化氢储罐60。

本实施例中优选的实施方式，反应器30设有相对布置的第一物料入口和第二物料入口，溴气供给单元10的出口连接至第一物料入口，氨气供给单元20的出口连接至所述第二物料入口。

本实施例中优选的实施方式，反应器30内填充有与反应气体接触的陶瓷球31。

本实施例中优选的实施方式，陶瓷球31的直径为2-4mm。

本实施例中优选的实施方式，合成装置包括串联设置的两级冷凝器40。

本实施例中优选的实施方式，溴气供给单元10包括液溴储罐11、液溴进料泵12以及溴加热器13，液溴储罐11的出口连接至液溴进料泵12的入口，液溴进料泵12的出口连接至溴加热器13，溴加热器13的出口连接至反应器30的物料入口，氨气供给单元20包括液氨钢瓶21和氨加热器22，液氨钢瓶21的出口连接至氨加热器22，氨加热器22的出口连接至反应器30的物料入口。

本实施例中优选的实施方式，溴气供给单元10包括串联设置的两级溴加热器13，氨气供给单元20包括串联设置的两级氨加热器23。

本实施例中优选的实施方式，气液分离器40的气相出口连接至尾气处理装置70。

本发明还提供另外一个技术方案：一种溴化氢的合成方法，采用如上所述的合成装置，合成方法包括如下步骤：

(1)将溴气和氨气按质量比为14-12:1的比例通入反应器30中进行反应，产生溴化氢气体和氮气；

(2)将步骤(1)产生的溴化氢气体和氮气通入冷凝器40中进行冷凝，产生液态溴化氢和不凝性氮气；

(3)将步骤(2)中产生的液态溴化氢和不凝性氮气通入气液分离器50中进行气液分离，将不凝性氮气分离出，获得液态溴化氢。

本实施例中优选的实施方式，步骤(1)中，溴气和氨气在200-250℃的条件下进行反应。

上述加热器采用列管式换热器，上述冷凝器采用列管式冷凝器。

液溴储罐和液氨钢瓶的出口侧还设有过滤器

反应制取溴化氢具体步骤如下：

第一步：启动液溴进料泵12，调节控制阀801，使质量流量计802的溴素流量为5-6kg/h；调节氨气控制阀803，使氨气质量流量计804为0.3-0.5kg/h；

第二步，控制一级溴加热器13将溴素加热至80-100℃，控制一级氨加热器22，将氨气加热至80-100℃；

第三步：控制二级溴加热器13将溴素加热至200-250℃，控制二级氨加热器22，将氨气加热至200-250℃；

第四步：溴气和氨气进入反应器，进入方式为对撞式，且反应器内有加强传热与混合的陶瓷小球，有利于加强氨气和溴气的混合与传热，使反应充分进行，反应器加热套设定300-350℃，控制反应器内温度200-250℃，压力2-3bar；

第五步，反应后气体经两级冷凝器40冷凝后温度维持在-50—60℃，进入气液分离器50，将不凝气N2分离出,调节控制阀805，使质量流量计806为0.5-1kg/h；

第六步：维持溴化氢储罐60内温度为-60～-65℃，经分离后的溴化氢液体进入产品储罐得到粗品溴化氢。

后续可以进行粗品溴化氢进一步提纯分离得到电子级的溴化氢产品。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种溴化氢的合成装置，其特征在于，包括溴气供给单元、氨气供给单元、反应器、冷凝器、气液分离器以及溴化氢储罐，

所述溴气供给单元的出口和所述氨气供给单元的出口连接至所述反应器的物料入口，所述反应器的物料出口连接至所述冷凝器的物料入口，所述冷凝器的物料出口连接至所述气液分离器的物料入口，所述气液分离器的液相出口连接至所述溴化氢储罐。

2.如权利要求1所述的溴化氢的合成装置，其特征在于，所述反应器设有相对布置的第一物料入口和第二物料入口，所述溴气供给单元的出口连接至所述第一物料入口，所述氨气供给单元的出口连接至所述第二物料入口。

3.如权利要求1所述的溴化氢的合成装置，其特征在于，所述反应器内填充有与反应气体接触的陶瓷球。

4.如权利要求3所述的溴化氢的合成装置，其特征在于，所述陶瓷球的直径为2-4mm。

5.如权利要求1所述的溴化氢的合成装置，其特征在于，所述合成装置包括串联设置的两级所述冷凝器。

6.如权利要求1所述的溴化氢的合成装置，其特征在于，所述溴气供给单元包括液溴储罐、液溴进料泵以及溴加热器，所述液溴储罐的出口连接至所述液溴进料泵的入口，所述液溴进料泵的出口连接至所述溴加热器，所述溴加热器的出口连接至所述反应器的物料入口，所述氨气供给单元包括液氨钢瓶和氨加热器，所述液氨钢瓶的出口连接至所述氨加热器，所述氨加热器的出口连接至所述反应器的物料入口。

7.如权利要求6所述的溴化氢的合成装置，其特征在于，所述溴气供给单元包括串联设置的两级所述溴加热器，所述氨气供给单元包括串联设置的两级所述氨加热器。

8.如权利要求1所述的溴化氢的合成装置，其特征在于，所述气液分离器的气相出口连接至尾气处理装置。

9.一种溴化氢的合成方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的合成装置，所述合成方法包括如下步骤：

(1)将溴气和氨气按质量比为14-12:1的比例通入所述反应器中进行反应，产生溴化氢气体和氮气；

(2)将步骤(1)产生的溴化氢气体和氮气通入所述冷凝器中进行冷凝，产生液态溴化氢和不凝性氮气；

(3)将步骤(2)中产生的液态溴化氢和不凝性氮气通入所述气液分离器中进行气液分离，将不凝性氮气分离出，获得液态溴化氢。

10.如权利要求9所述的合成方法，其特征在于，步骤(1)中，溴气和氨气在200-250℃的条件下进行反应。