CN116425118A - 裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法及其裂解反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氟气的生产与提纯的技术领域,具体涉及裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法及其裂解反应器。所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,包括以下步骤:将NF3通入干燥塔,干燥后的NF3气体进入裂解反应器,反应后的裂解气体,通入冷凝套管冷却降温,通过气体缓冲罐,然后经过1#压缩机压缩,进入1#冷却器降温;热裂解后的气体进入精馏阶段,经过1#精馏塔脱重,塔釜的重组分去干燥塔,塔顶的组分经过2#冷却器冷却,继续进入2#精馏塔脱N2,塔顶的N2排空,塔底的氟气经过2#压缩机压缩后充装到钢瓶内。本发明提供的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,纯度高,收率高;本发明还提供其裂解反应器。

Description

裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法及其裂解反应器
技术领域
本发明属于氟气的生产与提纯的技术领域,具体涉及裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法及其裂解反应器。
背景技术
在温度为200℃以上时,三氟化氮(NF3)的氧化性和氧气(O2)相似,在高温下NF3裂解,生成F·自由基和深蓝色的NF2·自由基,之后NF2·自由基通过反应转变为其他物种,如N2F4、N2F2、N2等。现有的三氟化氮裂解均是在反应釜中进行反应,停留时间控制困难,反应难以完全进行,导致氟气产品的纯度低,且整个反应过程能耗高。
CN106698352A公开了一种制备高纯氟气或高纯含氟混合气的方法及装置,将电解制得的氟气或者采用电解制得的氟气调配的含氟混合气经气体增压装置增压并调整流量后,过滤去除固体颗粒杂质,然后依次经一级冷凝器冷凝-60~-100℃、二级冷凝器冷凝-120~-180℃,制得高纯氟气或高纯含氟气体。所得氟气产品的纯度达到99.9%以上,满足现有电子行业和精细化工的生产用氟气要求。
CN101423195A公开了一种氟气的提纯方法,利用氟气与杂质气体沸点的差异,通过低温精馏实现氟气提纯的方法,将提纯的氟气经预冷器冷却至-50~-150℃后,通入精馏塔中,控制精馏塔中再沸器的温度在-100℃~-180℃之间,冷凝器的温度在-150~-200℃之间,进行全回流,达到平衡后,控制回流比1:1~1:20,检测并收集符合要求的馏分即为成品,得到更高纯度的氟气,氟气提纯后纯度可达99.9%。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷,提供一种裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,纯度高,收率高;本发明还提供其裂解反应器。
本发明所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,括以下步骤:
(1)热裂解反应:将NF3通入干燥塔,干燥后的NF3气体进入裂解反应器,反应后的裂解气体,通入冷凝套管冷却,降温至80-100℃,降温后的裂解气体通过气体缓冲罐,然后经过1#压缩机压缩,进入1#冷却器降温至45-55℃;
(2)精馏反应:热裂解后的气体进入精馏阶段,首先经过1#精馏塔脱重,塔釜的重组分重新回到步骤(1)的干燥塔,塔顶的组分经过2#冷却器冷却后,继续进入2#精馏塔脱N2,塔顶的N2直接排空,塔底的氟气经过2#压缩机压缩后充装到钢瓶内。
NF3的纯度为≥99.999wt.%,流速为12-36kg/h。
干燥塔中填料为5A型分子筛。
解反应器的压力为0.2-0.3MPa,温度为1100-1250℃,停留时间为35-45s。
气体缓冲罐压力为0.5-0.6MPa。
1#压缩机压缩至压力为1.4-1.5MPa。
1#精馏塔塔顶温度为62-65℃,塔釜温度为85-88℃,塔压为1.3-1.4MPa;2#精馏塔塔顶温度为42-45℃,塔釜温度为60-63℃,塔压为1.1-1.2Mpa。
1#精馏塔和2#精馏塔的填料为镍铬合金。
所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法所用的裂解反应器,包括壳体,壳体内部设置有反应管,反应管外部设置有隔热层,隔热层连接有电源接线柱,在反应管上设置有电磁线圈,在反应管上设置有进料口和出料口,壳体外部设置有气孔、观察孔。
反应管的管长为40-45m,内径为0.020-0.030m的盘管式的反应管。
具体的,所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,括以下步骤:
(1)热裂解反应:从NF3管路过来的99.999%纯度的NF3,流速为12-36kg/h,首先要进入到干燥塔进行脱水处理,干燥塔中填料为5A型分子筛;从干燥塔出来后的NF3气体进入裂解反应器,反应器压力为0.2-0.3MPa,温度在1100-1250℃,控制气体在反应器的停留时间在35-45s左右;反应之后的气体混合物组成为NF3、N2F2、N2F4、N2和F2,通过冷凝套管冷却裂解气体,将温度降到80-100℃,裂解气体通过气体缓冲罐,气体缓冲罐压力为0.5-0.6Mpa,然后从气体缓冲罐经过1#压缩机压缩,压缩至1.4-1.5MPa,并进入1#冷却器降温至45-55℃。
(2)精馏反应:热裂解后的气体进入精馏阶段,首先经过1#精馏塔脱重,塔釜的NF3、N2F2、N2F4重组分重新回到步骤(1)的干燥塔脱水再反应,塔顶的N2和F2经过2#冷却器冷却后,继续进入2#精馏塔脱N2,塔顶的N2直接排空,塔底的氟气经过2#压缩机压缩后充装到钢瓶内。1#精馏塔塔顶温度:62-65℃,塔釜温度:85-88℃,塔压:1.3-1.4Mpa。2#精馏塔塔顶温度:42-45℃,塔釜温度:60-63℃,塔压:1.1-1.2Mpa。1#精馏塔和2#精馏塔均为加压精馏塔,填料为镍铬合金。
本发明中的三氟化氮裂解反应制备高纯度的氟气采用管式反应器,根据三氟化氮、氟气、氮气等产物的沸点不同,对氟气进行精馏提纯。本发明对三氟化氮的停留时间,控制的更准确,也对之后精馏分离出来的三氟化氮循环利用提供了便利。反应后的氟气纯度更高,分离收集更方便。本发明在裂解反应后加了二级精馏,一方面可以提高氟气的纯度,另一方面可以将未反应的三氟化氮返回裂解反应器中循环使用,进而提高三氟化氮的使用率和氟气的纯度和产率。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果是:
(1)采用本发明的裂解反应器,使三氟化氮裂解完全,便于对裂解三氟化氮生产高纯氟气的工艺条件进行掌控,提高出料口氟气的含量,易于投料和收集,未反应三氟化氮也会循环使用,降低成本。
(2)采用本发明的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,通过二级精馏对氟气进一步提纯,使最终氟气的含量达到99.99wt.%。
附图说明
图1为本发明的裂解三氟化氮生产高纯氟气的工艺流程图。
图2为本发明的裂解反应器的结构示意图。
图1中:1、NF3管路;2、干燥塔;3、裂解反应器;4、冷凝套管;5、气体缓冲罐;6、1#压缩机;7、1#冷却器;8、1#精馏塔;9、2#冷却器;10、2#精馏塔;11、2#压缩机;12、钢瓶。
图2中:13、进料口;14、出料口;15、电源接线柱;16、气孔;17、电磁线圈;18、反应管;19、隔热层;20、观察孔;21、壳体。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示,本发明所述的裂解反应器,包括壳体21,壳体21内部设置有反应管18,反应管18外部设置有隔热层19,隔热层19连接有电源接线柱15,在反应管18上设置有电磁线圈17,在反应管18上设置有进料口13和出料口14,壳体21外部设置有气孔16、观察孔20。
反应管18的管长为40m,内径为0.025m的盘管式的反应管。1#精馏塔8和2#精馏塔10均为加压精馏塔,填料为镍铬合金。
以下实施例均采用以上裂解反应器。
实施例1
所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,如图1所示,括以下步骤:
(1)热裂解反应:从NF3管路过来的99.999%纯度的NF3,流速为12kg/h,首先要进入到干燥塔2进行脱水处理,干燥塔2中填料为5A型分子筛;从干燥塔出来后的NF3气体进入裂解反应器3,反应器压力为0.2MPa,温度在1100℃,控制气体在反应器的停留时间在35s左右;反应之后的气体混合物组成为NF3、N2F2、N2F4、N2和F2,通过冷凝套管4冷却裂解气,将温度降到80℃,裂解气体通过气体缓冲罐5,气体缓冲罐5压力为0.5Mpa,然后从气体缓冲罐5经过1#压缩机6压缩,压缩至1.4MPa,并进入1#冷却器7降温至45℃。
(2)精馏反应:热裂解后的气体进入精馏阶段,首先经过1#精馏塔8脱重,塔釜的NF3、N2F2、N2F4重组分重新回到步骤(1)的干燥塔2脱水再反应,塔顶的N2和F2经过2#冷却器9冷却后,继续进入2#精馏塔10脱N2,塔顶的N2直接排空,塔底的氟气经过2#压缩机11压缩后充装到钢瓶12内。1#精馏塔塔顶温度:62℃,塔釜温度:85℃,塔压:1.3Mpa。2#精馏塔塔顶温度:42℃,塔釜温度:60℃,塔压:1.1Mpa。
实施例2
所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,如图1所示,括以下步骤:
(1)热裂解反应:从NF3管路过来的99.999%纯度的NF3,流速为36kg/h,首先要进入到干燥塔2进行脱水处理,干燥塔2中填料为5A型分子筛;从干燥塔出来后的NF3气体进入裂解反应器3,反应器压力为0.3MPa,温度在1200℃,控制气体在反应器的停留时间在45s左右;反应之后的气体混合物组成为NF3、N2F2、N2F4、N2和F2,通过冷凝套管4冷却裂解气,将温度降到100℃,裂解气体通过气体缓冲罐5,气体缓冲罐5压力为0.6Mpa,然后从气体缓冲罐5经过1#压缩机6压缩,压缩至1.5MPa,并进入1#冷却器7降温至55℃。
(2)精馏反应:热裂解后的气体进入精馏阶段,首先经过1#精馏塔8脱重,塔釜的NF3、N2F2、N2F4重组分重新回到步骤(1)的干燥塔2脱水再反应,塔顶的N2和F2经过2#冷却器9冷却后,继续进入2#精馏塔10脱N2,塔顶的N2直接排空,塔底的氟气经过2#压缩机11压缩后充装到钢瓶12内。1#精馏塔塔顶温度:65℃,塔釜温度:88℃,塔压:1.4Mpa。2#精馏塔塔顶温度:45℃,塔釜温度:63℃,塔压:1.2Mpa。
实施例3
所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,如图1所示,包括以下步骤:
(1)热裂解反应:从NF3管路过来的99.999%纯度的NF3,流速为30kg/h,首先要进入到干燥塔2进行脱水处理,干燥塔2中填料为5A型分子筛;从干燥塔出来后的NF3气体进入裂解反应器3,反应器压力为0.25MPa,温度在1250℃以上,控制气体在反应器的停留时间在40s左右;反应之后的气体混合物组成为NF3、N2F2、N2F4、N2和F2,通过冷凝套管4冷却裂解气,将温度降到100℃以下,裂解气体通过气体缓冲罐5,气体缓冲罐5压力为0.6Mpa,然后从气体缓冲罐5经过1#压缩机6压缩,压缩至1.5MPa,并进入1#冷却器7降温至50℃。
(2)精馏反应:热裂解后的气体进入精馏阶段,首先经过1#精馏塔8脱重,塔釜的NF3、N2F2、N2F4重组分重新回到步骤(1)的干燥塔2脱水再反应,塔顶的N2和F2经过2#冷却器9冷却后,继续进入2#精馏塔10脱N2,塔顶的N2直接排空,塔底的氟气经过2#压缩机11压缩后充装到钢瓶12内。1#精馏塔塔顶温度:65℃,塔釜温度:85℃,塔压:1.4Mpa。2#精馏塔塔顶温度:45℃,塔釜温度:60℃,塔压:1.2Mpa。
以上实施例的裂解监控、反应条件与结果如表1所示。
表1
Figure BDA0004166633180000051
由以上表格可以看出,利用本发明的裂解反应器,采用本发明的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,裂解反应器的反应温度达到1100℃时,氟气的收率达到100%。
当然,上述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等,均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)热裂解反应:将NF3通入干燥塔,干燥后的NF3气体进入裂解反应器,反应后的裂解气体,通入冷凝套管冷却,降温至80-100℃,降温后的裂解气体通过气体缓冲罐,然后经过1#压缩机压缩,进入1#冷却器降温至45-55℃;
(2)精馏反应:热裂解后的气体进入精馏阶段,首先经过1#精馏塔脱重,塔釜的重组分重新回到步骤(1)的干燥塔,塔顶的轻组分经过2#冷却器冷却后,继续进入2#精馏塔脱N2,塔顶的N2直接排空,塔底的氟气经过2#压缩机压缩后充装到钢瓶内。
2.根据权利要求1所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,其特征在于:NF3的纯度为≥99.999wt.%,流速为12-36kg/h。
3.根据权利要求1所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,其特征在于:干燥塔中填料为5A型分子筛。
4.根据权利要求1所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,其特征在于:裂解反应器的压力为0.2-0.3MPa,温度为1100-1250℃,停留时间为35-45s。
5.根据权利要求1所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,其特征在于:气体缓冲罐压力为0.5-0.6MPa。
6.根据权利要求1所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,其特征在于:1#压缩机压缩至压力为1.4-1.5MPa。
7.根据权利要求1所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,其特征在于:1#精馏塔塔顶温度为62-65℃,塔釜温度为85-88℃,塔压为1.3-1.4MPa;2#精馏塔塔顶温度为42-45℃,塔釜温度为60-63℃,塔压为1.1-1.2Mpa。
8.根据权利要求1所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法,其特征在于:1#精馏塔和2#精馏塔的填料为镍铬合金。
9.一种权利要求1-8任一项所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法所用的裂解反应器,其特征在于:包括壳体(21),壳体(21)内部设置有反应管(18),反应管(18)外部设置有隔热层(19),隔热层(19)连接有电源接线柱(15),在反应管(18)上设置有电磁线圈(17),在反应管(18)上设置有进料口(13)和出料口(14),壳体(21)外部设置有气孔(16)、观察孔(20)。
10.根据权利要求9所述的裂解三氟化氮生产高纯氟气的方法所用的裂解反应器,其特征在于:反应管(18)的管长为40-45m,内径为0.02-0.030m的盘管式的反应管。
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