CN110803708A - 一种电子级三氯化硼的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电子级三氯化硼的制备方法，氯气和氢气从底部充入光催化反应器，光催化反应器中，沸腾床反应器反应产物中光气在光照下分解成一氧化碳和氯气，氯气和氢气在紫外光照下反应生成氯化氢并自光催化反应器顶部采出；上述氯化氢经换热、汽化处理后与硼粉在沸腾床反应器中反应，反应产物从沸腾床反应器顶部采出进入脱轻塔再沸器换热后进入光催化反应器；光催化反应器底部采出三氯化硼粗品进入脱轻塔，脱轻塔塔顶采出进入脱重塔再沸器换热后进入分凝器冷凝冷却后液相回流脱轻塔；脱轻塔塔釜物料进入脱重塔，脱重塔塔顶经冷凝器冷凝后采出6N三氯化硼产品。本发明简单可靠，能耗低，易于实现，便于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及三氯化硼制备领域领域，特别是涉及一种电子级三氯化硼的制备方法。
背景技术
三氯化硼为无色发烟液体或气体，遇水分解生成氯化氢和硼酸，并放出大量热量，在湿空气中因水解而生成烟雾，三氯化硼反应能力较强，能形成多种配位化合物，常用作有机合成催化剂，同时在半导体集成电路制造行业中广泛用作蚀刻剂。随着半导体行业的迅速发展，集成电路精细程度越来越高，因此三氯化硼作为集成电路制造过程的辅助原材料，纯度要求也越来越高。
CN201810492240.6提出一种高纯度三氯化硼制备方法及装置，采用两台精馏塔脱氢脱重，得到纯度99.9995％(5.5N)的三氯化硼。但是该专利中未表明所使用的的原料纯度，而且三氯化硼原料中含有的光气与三氯化硼分离困难，只采用普通精馏脱氢脱重，不仅需要较高的设备投资，而且能耗较大。
CN201780032828.7提出一种三氯化硼的制造方法，该方法通过充分除去反应体系内的水分来抑制水分造成的副产物的生成，采用水含量低于1ppm的含氯气体与碳化硼接触生产三氯化硼。该方法采用高温吸附脱水，吸附剂为含沸石的干燥剂。
CN201210217421.0提出一种无筛板的流化床及三氯化硼的制备方法，该方法采用粉末原料碱土金属硼化物在无筛板的流化床床体中与无水氯化氢反应制备三氯化硼，反应温度550℃-700℃，碱土金属硼化物反应后生成氯化钙和硼化钙固废。该方法反应温度较高，生成的固废难以处理。
CN201811032751.6提出一种三氯化硼的纯化方法，先将液相三氯化硼粗品通入压力4.5-5.5bar，温度30-40℃的紫外光分解器中，然后将处理后的三氯化硼压入两级精馏塔中脱氢脱重得到三氯化硼。该方法没有说明三氯化硼的原料纯度和精制后三氯化硼能达到的纯度，同时紫外光分解器中将碳酰氯分解为CO和Cl2，后续需进一步处理，环境不友好。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种电子级三氯化硼的制备方法，以硼粉和氯气为原料，采用沸腾床反应器和光催化反应器两种反应合成三氯化硼，精制单元采用双效精馏方式，合理利用反应过程的高品位热量，能够有效降低精制单元的能耗和冷耗，精制得到纯度≥99.9999％的三氯化硼产品。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：
一种电子级三氯化硼的制备方法，包括步骤如下：
氯气和氢气从底部充入光催化反应器R102，光催化反应器R102中，沸腾床反应器R101反应产物中的光气在紫外光照下分解成一氧化碳和氯气，氯气和氢气在紫外光照下反应生成氯化氢并自光催化反应器R102顶部采出；
上述的氯化氢经换热、汽化处理后与硼粉在沸腾床反应器R101中反应生成三氯化硼和氢气，反应产物从沸腾床反应器R101顶部采出进入脱轻塔再沸器E102换热后进入光催化反应器R102；
光催化反应器R102底部采出三氯化硼粗品进入脱轻塔T101，脱轻塔T101塔顶采出气相进入脱重塔再沸器E104换热后进入分凝器E103冷凝冷却后液相回流脱轻塔T101，气相作为轻组分采出；
脱轻塔T101塔釜物料进入脱重塔T102，脱重塔T102塔顶采出气相经脱重塔冷凝器E105冷凝后部分回流，部分作为三氯化硼产品采出。
优选的，光催化反应器R102顶部采出的氯化氢进入到HCl冷阱E101换热，HCl冷阱E101顶部采出未冷凝的轻杂质，下部采出氯化氢进入汽化器F101，汽化器F101顶部采出气相氯化氢,经压缩机压C101缩后送入到沸腾床反应器R101底部。
优选的，所述的硼粉的纯度≥99.9％，氯气和氢气纯度≥99.999％。
优选的，所述的硼粉和氯气的摩尔比为1:1.5-1:3。
优选的，所述沸腾床反应器温度300-800℃，压力1-5MPa。
优选的，所述光催化反应器温度30-60℃，压力0.4-1MPa。
优选的，所述脱轻塔操作压力0.4-1MPa，脱重塔操作压力0.25-0.5MPa。
优选的，所述脱轻塔塔顶温度与脱重塔塔釜温度温差≥12℃。
本发明相比于现有技术，具有以下的有益效果：
1.采用沸腾床反应器和光催化反应器两种反应步骤合成三氯化硼，反应温度低，所需设备材质要求低，反应过程更加安全可靠。
2.采用硼粉和氯气反应制备三氯化硼，可有效减少光气和水的生成，降低三氯化硼精制难度。
3.沸腾床反应器反应生成的氢气在光催化反应器中反应生成氯化氢，同时光催化反应器能将沸腾床反应器反应生成的微量光气彻底分解。
4.反应热充分利用，同时采用双效精馏工艺，能够有效降低精制单元的能耗和冷耗，三氯化硼精制单元不需要外来热源。
5.选用硼粉和氯气作为反应原料，反应产物中杂质较少。且硼粉选择性高。
附图说明
图1为本发明的电子级三氯化硼的制备方法的工艺流程图；
图中：R101-沸腾床反应器；E101-HCl冷阱；F101-汽化器；C101-压缩机；R102-光催化反应器；T101-脱轻塔，E102-脱轻塔再沸器，E103-分凝器，T102-脱重塔；E104-脱重塔再沸器；E105-脱重塔冷凝器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明电子级三氯化硼的制备方法.其工艺是：
硼粉和经压缩机C101压缩后的氯化氢在沸腾床反应器R101中进行反应生成三氯化硼和氢气，反应产物从沸腾床反应器R101顶部采出，经脱轻塔再沸器E102进行换热后进入光催化反应器R102；
氢气和氯气从光催化反应器R102底部加入，在紫外光照作用下，氢气和氯气在光催化反应器R102中反应生成氯化氢，氯化氢等气相组分从光催化反应器R102顶部采出进入HCl冷阱E101，三氯化硼粗品从光催化反应器R102底部采出进入脱轻塔T101中部。
HCl冷阱E101顶部采出氢气、氧气、氮气等轻杂质，底部采出氯化氢进入汽化器F101，汽化后的氯化氢经压缩机C101压缩后进入沸腾床反应器R101参与反应，汽化器F101底部采出重杂质。
脱轻塔T101塔顶气相采出进入脱重塔再沸器E104进行换热，然后经分凝器E103冷凝冷后液相部分回流，气相部分作为轻组分采出；脱轻塔T101塔釜采出进入脱重塔T102。脱重塔T102塔顶气相采出经脱重塔冷凝器E105冷凝后部分回流，部分作为产品采出，脱重塔T102塔釜采出重组分。
实施例1
硼粉和经换热后的氯化氢在沸腾床反应器R101中发生反应，沸腾床反应器R101温度300℃，压力1MPa，反应产物从沸腾床反应器顶部采出进入脱轻塔再沸器E102进行换热后进入光催化反应器R102。氯气从光催化反应器底部充入，硼粉和充入氯气的摩尔比为1:1.5，同时充入适量氢气保证氯气全部反应生成氯化氢，光催化反应器R102温度30℃，压力0.4MPa。光催化反应器R102顶部气相采出进入HCl冷阱E101，光催化反应器底部采出三氯化硼粗品进入脱轻塔T101。HCl冷阱E101顶部采出未冷凝的轻杂质，下部采出氯化氢进入汽化器F101，汽化器F101顶部采出气相氯化氢经压缩机压缩后进入沸腾床反应器R101，底部采出重杂质进入三废。
脱轻塔T101压力0.4MPa，塔顶气相采出进入脱重塔再沸器E104进行换热，经换热后物料经分凝器E103冷凝冷却后液相作为脱轻塔T101回流，气相作为轻组分采出，塔釜物料进入脱重塔。脱重塔T102压力0.25MPa，脱重塔T102塔顶气相采出经脱重塔冷凝器E105冷凝后部分回流，部分作为产品采出，脱重塔T102塔釜采出重组分。
优选的，所述脱轻塔T101塔顶温度与脱重塔T102塔釜温度温差≥12℃。
本实施例所制备的三氯化硼的纯度≥99.9999％。
实施例2
硼粉和经换热后的氯化氢在沸腾床反应器R101中发生反应，沸腾床反应器R101温度500℃，压力3MPa，反应产物从沸腾床反应器顶部采出进入脱轻塔再沸器E102进行换热后进入光催化反应器R102。氯气从光催化反应器底部充入，硼粉和充入氯气的摩尔比为1:2，同时充入适量氢气保证氯气全部反应生成氯化氢，光催化反应器R102温度50℃，压力0.8MPa。光催化反应器R102顶部气相采出进入HCl冷阱E101，光催化反应器底部采出三氯化硼粗品进入脱轻塔T101。HCl冷阱E101顶部采出未冷凝的轻杂质，下部采出氯化氢进入汽化器F101，汽化器F101顶部采出气相氯化氢经压缩机压缩后进入沸腾床反应器R101，底部采出重杂质进入三废。
脱轻塔T101压力0.8MPa，塔顶气相采出进入脱重塔再沸器E104进行换热，经换热后物料经分凝器E103冷凝冷却后液相作为脱轻塔T101回流，气相作为轻组分采出，塔釜物料进入脱重塔。脱重塔T102压力0.4MPa，脱重塔T102塔顶气相采出经脱重塔冷凝器E105冷凝后部分回流，部分作为产品采出，脱重塔T102塔釜采出重组分。
优选的，所述脱轻塔T101塔顶温度与脱重塔T102塔釜温度温差≥12℃。
本实施例所制备的三氯化硼的纯度≥99.9999％。
实施例3
硼粉和经换热后的氯化氢在沸腾床反应器R101中发生反应，沸腾床反应器R101温度500℃，压力5MPa，反应产物从沸腾床反应器顶部采出进入脱轻塔再沸器E102进行换热后进入光催化反应器R102。氯气从光催化反应器底部充入，硼粉和充入氯气的摩尔比为1:3，同时充入适量氢气保证氯气全部反应生成氯化氢，光催化反应器R102温度60℃，压力1MPa。光催化反应器R102顶部气相采出进入HCl冷阱E101，光催化反应器底部采出三氯化硼粗品进入脱轻塔T101。HCl冷阱E101顶部采出未冷凝的轻杂质，下部采出氯化氢进入汽化器F101，汽化器F101顶部采出气相氯化氢经压缩机压缩后进入沸腾床反应器R101，底部采出重杂质进入三废。
脱轻塔T101压力1MPa，塔顶气相采出进入脱重塔再沸器E104进行换热，经换热后物料经分凝器E103冷凝冷却后液相作为脱轻塔T101回流，气相作为轻组分采出，塔釜物料进入脱重塔。脱重塔T102压力0.5MPa，脱重塔T102塔顶气相采出经脱重塔冷凝器E105冷凝后部分回流，部分作为产品采出，脱重塔T102塔釜采出重组分。
优选的，所述脱轻塔塔顶温度与脱重塔塔釜温度温差≥12℃。
本实施例所制备的三氯化硼的纯度≥99.9999％。
本发明提出的一种电子级三氯化硼的制备方法，以硼粉和氯气为原料，采用沸腾床反应器和光催化反应器两种反应步骤合成三氯化硼，精制单元采用双效精馏的方式，并合理利用反应过程的高品位热量，能够有效降低精制单元的能耗和冷耗，精制得到纯度≥99.9999％的三氯化硼产品。本发明方法简单可靠，易于实现，便于工业化生产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电子级三氯化硼的制备方法，其特征在于，包括步骤：
氯气和氢气从底部充入光催化反应器(R102)，光催化反应器(R102)中，沸腾床反应器(R101)反应产物中的光气在紫外光照下分解成一氧化碳和氯气，氯气和氢气在紫外光照下反应生成氯化氢并自光催化反应器(R102)顶部采出；
上述的氯化氢经换热、汽化处理后与硼粉在沸腾床反应器(R101)中反应生成三氯化硼和氢气，反应产物从沸腾床反应器R101顶部采出进入脱轻塔再沸器(E102)换热后进入光催化反应器(R102)；
光催化反应器(R102)底部采出三氯化硼粗品进入脱轻塔(T101)，脱轻塔(T101)塔顶采出气相进入脱重塔再沸器(E104)换热后进入分凝器(E103)冷凝冷却后液相回流脱轻塔(T101)，气相作为轻组分采出；
脱轻塔(T101)塔釜物料进入脱重塔(T102)，脱重塔(T102)塔顶采出气相经脱重塔冷凝器E105冷凝后部分回流，部分作为三氯化硼产品采出。
2.根据权利要求1所述电子级三氯化硼的制备方法，其特征在于，光催化反应器(R102)顶部采出的氯化氢进入到HCl冷阱(E101)换热，HCl冷阱(E101)顶部采出未冷凝的轻杂质，下部采出氯化氢进入汽化器(F101)，汽化器(F101)顶部采出气相氯化氢，经压缩机压(C101)缩后送入到沸腾床反应器(R101)底部。
3.根据权利要求1所述电子级三氯化硼的制备方法，其特征在于，所述的硼粉的纯度≥99.9％，氯气和氢气纯度≥99.999％。
4.根据权利要求1所述电子级三氯化硼的制备方法，其特征在于，所述的硼粉和氯气的摩尔比为1:1.5-1:3。
5.根据权利要求1所述电子级三氯化硼的制备方法，其特征在于，所述沸腾床反应器温度300-800℃，压力1-5MPa。
6.根据权利要求1所述电子级三氯化硼的制备方法，其特征在于，所述光催化反应器温度30-60℃，压力0.4-1MPa。
7.根据权利要求1所述电子级三氯化硼的制备方法，其特征在于，所述脱轻塔操作压力0.4-1MPa，脱重塔操作压力0.25-0.5MPa。
8.根据权利要求1所述电子级三氯化硼的制备方法，其特征在于，所述脱轻塔(T101)塔顶温度与脱重塔(T102)塔釜温度温差≥12℃。
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