CN1727278A - 用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备及工艺方法 - Google Patents

用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备及工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备及工艺方法，氨储罐中的氨先经过活性氧化铝吸附塔除去其中大部分硫化物，然后经过活性炭吸附塔，除去其中大部分有机物；然后经过精馏塔，除去其中大部分粉尘和水以及部分剩余的有机物；然后经过缓冲罐；最后将氨气、高纯氮气和除水后的氟化氢按一定比例和速率通入反应器并在反应器中发生剧烈的化学反应，生成氟化铵，反应器中的物质最终为氟化铵和氟化氢的混合物，从而配成NH4F－xHF的电解液体系，然后将该混合物输入常规电解槽，电解制备三氟化氮。用该法得到的电解原料在生产三氟化氮时，电解槽的电流密度高，设备简单，可操作性强，设备运行安全稳定，尤其是可将生产原料的成本降至原来的30％－ 50％。

Description

用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备及工艺方法
(一)、技术领域
本发明属于一种用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备及工艺方法，它适用于以NH3-xHF为原料合成三氟化氮气体。
(二)、背景技术
三氟化氮在常温下是无色、无臭、性质稳定的气体，沸点为-129℃，熔点为-208℃，另外，它还是一种强氧化剂。三氟化氮作为一种优良的等离子蚀刻气体，在离子蚀刻时具有优异的蚀刻速率和选择性，而且，在蚀刻物表面不留任何残留物，是非常良好的清洗剂，因此，在半导体和微电子行业有着非常广阔的前景，另外，其在高能激光领域也得到到了广泛地应用。三氟化氮的制备方法通常有两种：即以用NH3与F2为原料制备三氟化氮为代表的化学合成法，以及以NH4F-xHF为原料通过电解槽制备三氟化氮的电解法。电解法的优点是生产运行相对较为安全稳定、气体的纯度和产率都较高，因此，这一方法被很多企业较为广泛地采用，但其最大的缺点是电解原料成本太高。
(三)、发明内容：
为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备及工艺方法，用该法得到的电解原料在生产三氟化氮时，电解槽的电流密度高，设备简单，可操作性强，设备运行安全稳定，尤其是可将生产原料的成本降至原来的30％-50％。
用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备包括氨储罐、活性氧化铝吸附塔、活性炭吸附塔、精馏塔、缓冲罐、反应器、电解槽、氨储罐、氟化氢除水塔、缓冲罐、高纯氮气储罐，其特征在于：氨储罐通过管道、调节阀以及质量流量计与活性氧化铝吸附塔相连，活性氧化铝吸附塔通过管道及调节阀与活性炭吸附塔相连，活性炭吸附塔通过管道及调节阀与精馏塔相连，精馏塔通过管道与调节阀与缓冲罐相连，缓冲罐通过管道与调节阀与反应器相连；氟化氢储罐通过管道、调节阀及质量流量计与氟氢化钾除水塔相连，氟氢化钾除水塔通过管道与调节阀与缓冲罐相连，缓冲罐通过管道与调节阀与反应器相连；高纯氮气储罐通过管道、调节阀及质量流量计与反应器相连，反应器通过管道及调节阀与电解槽相连，电解槽通过管道及调节阀与后续设备相连，所述反应器内筒及其内部一切与原料有接触的零部件均采用蒙乃尔合金材料，液氨储罐到反应器之间的管路及设备不得采用铜质材料。
用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的工艺方法为：本发明以NH3-xHF为原料经过一系列过程首先合成NH4F-yHF液态体系，并以此液体为电解液电解制备三氟化氮气体，其特征在于：反应器中NH3与HF的摩尔配比x＝2.0-4，反应温度为70℃-180℃，反应压力为0.1MPa-0.6Mpa，最终NH4F-yHF体系中的y＝1.3-2.0，氨储罐中的液态氨汽化后经过阀门和质量流量计到达装有活性氧化铝的吸附塔，吸附塔中的操作压力为0.3MPa-0.7Mpa，操作温度为0℃-80℃，在吸附塔中，氨气中的大部分硫化物被吸附掉，氨气从吸附塔流出后，经过阀门流进内装活性炭的吸附塔，吸附塔的操作压力为0.3MPa-0.6Mpa，操作温度为-20℃-70℃，在吸附塔中，原料氨气中的大部分有机物被吸附掉，氨气从吸附塔流出后经过控制阀流进精馏塔，精馏塔的操作温度为：顶温-30℃-10℃，釜温-20℃-50℃；氨气流出精馏塔后经单向阀和缓冲罐流进反应器，在反应器中氨气与来自氟化氢储罐的气态氟化氢以及来自储罐的高纯氮气相遇，并在此发生剧烈的化学反应生成氟化氢铵，本发明在反应器上配置了搅拌装置和循环水冷装置，由于我们将NH3与HF原料体系的摩尔配比定为x＝2.2-4，反应温度为70℃-180℃，反应压力为0.1MPa-0.6Mpa，因此，反应器中的物质最终为氟化氢铵和氟化氢的液态混合物，该混合物经阀门流进常规电解槽，并在电解槽中电解合成三氟化氮。
用该设备和方法得到的电解原料在生产三氟化氮时，电解槽的电流密度高，设备简单，可操作性强，设备运行安全稳定，尤其是可将生产原料的成本降至原来的30％-50％。
(四)、附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图为本发明原理图。
(五)、具体实施方式
如附图所示，1—氨储罐，2、5、7、13、15、16、19、25、27、30—控制阀门，3、26、29—质量流量计，4—活性氧化铝吸附塔，6—活性炭吸附塔，8—精馏塔，9、23—单向阀，10、22—缓冲罐，11—搅拌器电机，12—反应器，14—电解槽，17—阳极，18—阴极，21—循环冷却水套，22—缓冲罐，24—氟氢化钾除水塔。
实现本发明技术目的所需的设备包括：氨储罐1、活性氧化铝吸附塔4、活性炭吸附塔6、精馏塔8、缓冲罐10、反应器12、电解槽10、氨储罐20、氟化氢除水塔24、缓冲罐22、高纯氮气储罐23。其特征在于：氨储罐1通过管道、调节阀2以及质量流量计3与活性氧化铝吸附塔4相连，活性氧化铝吸附塔4通过管道及调节阀5与活性炭吸附塔6相连，活性炭吸附塔6通过管道及调节阀与精馏塔8相连，精馏塔8通过管道与调节阀与缓冲罐10相连，缓冲罐10通过管道与调节阀与反应器12相连；氟化氢储罐28通过管道、调节阀25、调节阀27及质量流量计26与氟氢化钾除水塔24相连，氟氢化钾除水塔24通过管道与调节阀与缓冲罐22相连，缓冲罐22通过管道与调节阀与反应器12相连；高纯氮气储罐23通过管道、调节阀30及质量流量计29与反应器12相连。反应器12通过管道及调节阀19与电解槽14相连，电解槽通过管道及调节阀15、调节阀16与后续设备相连。所述反应器12内筒及其内部一切与原料有接触的零部件均采用蒙乃尔合金材料，液氨储罐1到反应器12之间的管路及设备不得采用铜质材料。
本发明以NH3-xHF为原料经过一系列过程电解合成三氟化氮气体。由于液氨的价格远低于与其纯度相当的氟化氢铵的价格，另外，在进一步纯化问题上，液氨较氟化氢铵也要容易和方便的多，因此，本发明的技术目的(降低原料成本)便得到了较为完美的实现。反应器12中NH3与HF原料体系的摩尔配比x＝2.0-4，反应温度为70℃-180℃，反应压力为0.0MPa-0.6Mpa，反应速率具体多大由吸附塔和精馏塔的处理能力及反应器的反应能力决定。
氨储罐中的液态氨汽化后经过装有活性氧化铝的吸附塔4时，由于活性氧化铝对NH3和硫化物在吸附方面有着相当好的选择性，因此，氨气中的大部分硫化物在这里将会被比较彻底地吸附掉，吸附塔4中的操作压力为0.3MPa-0.7Mpa，操作温度为20℃-80℃。
氨气经过内装活性炭的吸附塔6时，由于活性炭对氨和有机物的选择性明显，在这里，氨气中的大部分有机物被吸附掉，吸附塔6的操作压力为0.3MPa-0.6Mpa，操作温度为10℃-70℃。
氨气经过精馏塔8时，由于氨气与水的沸点相差很大，因此，氨与水在此处可以被较好的分离，精馏塔8的操作温度为：顶温-30℃-10℃，釜温-20℃-50℃。
氟化氢经过氟氢化钾除水塔24时，水与氟氢化钾反应生成氟化氢和氢氧化钾，从而，使氟化氢中的水被较为彻底的除去，氟化氢除水塔24的操作压力为0.2MPa-0.6Mpa，操作温度为20℃-70℃。
氨气经一系列处理后在反应器中与来自氟化氢储罐并经氟氢化钾除水的气态氟化氢相遇，并在此发生剧烈的化学反应生成氟化氢铵，由于氨与氟化氢反应十分剧烈，同时有大量的反应热产生，因此，本发明在反应器上配置了搅拌装置和循环水冷装置，以对反应温度进行进一步控制。
由于我们将NH3与HF原料体系的摩尔配比定为x＝2.0-4，反应温度为70℃-180℃，反应压力为O.0MPa-0.6Mpa，因此，反应器中的物质最终为液态的氟化氢铵和氟化氢的混合物，该混合物经阀门流进常规电解槽，并在电解槽中电解合成三氟化氮，在电解槽中电解生成的三氟化氮经阀门后只须简单处理，便可进入后续工段以进一步净化处理。
经过上述过程配制的电解液，在常规电解槽14进行正常电解的过程中，从阳极室出口取样进行分析，结果如表1：
表1、本发明所述方法生产合成的三氟化氮产品气的组成
物质名称     O2+N2     CF4     NF3     NxFy     CO2     N2O
含量     22.209％     0     73.707％     0.8％     1.2％     0.23％
表1说明：用本发明的方法合成的三氟化氮产品中，O2和N2的浓度之和以及N2O、NxFy等的浓度与用传统方法相比略低于传统方法，CF4在此没有被检测出来，NF3的浓度与用传统方法相比略高于传统方法。

Claims (4)

1、用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备包括氨储罐(1)、活性氧化铝吸附塔(4)、活性炭吸附塔(6)、精馏塔(8)、缓冲罐(10)、反应器(12)、电解槽(10)、氨储罐(20)、氟化氢除水塔(24)、缓冲罐(22)、高纯氮气储罐(23)，其特征在于：氨储罐(1)通过管道、调节阀(2)以及质量流量计(3)与活性氧化铝吸附塔(4)相连，活性氧化铝吸附塔(4)通过管道及调节阀(5)与活性炭吸附塔(6)相连，活性炭吸附塔(6)通过管道及调节阀与精馏塔(8)相连，精馏塔(8)通过管道与调节阀与缓冲罐(10)相连，缓冲罐(10)通过管道与调节阀与反应器(12)相连；氟化氢储罐(28)通过管道、调节阀(25)、调节阀(27)及质量流量计(26)与氟氢化钾除水塔(24)相连，氟氢化钾除水塔(24)通过管道与调节阀与缓冲罐(22)相连，缓冲罐(22)通过管道与调节阀与反应器(12)相连；高纯氮气储罐(23)通过管道、调节阀(30)及质量流量计(29)与反应器(12)相连，反应器(12)通过管道及调节阀(19)与电解槽(14)相连，电解槽通过管道及调节阀(15)、调节阀(16)与后续设备相连，所述反应器(12)内筒及其内部一切与原料有接触的零部件均采用蒙乃尔合金材料，液氨储罐(1)到反应器(12)之间的管路及设备不得采用铜质材料。
2、根据权利要求1所述的用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备，其特征在于：氟化氢除水塔(24)中装有氟氢化钾颗粒。
3、用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的工艺方法，其特征在于：以NH3-xHF为原料经过一系列过程首先合成NH4F-yHF液态体系，并以此液体为电解液电解制备三氟化氮气体，反应器(8)中NH3与HF的摩尔配比x＝2.0-4，反应温度为70℃-180℃，反应压力为0.0MPa-0.6Mpa，最终NH4F-yHF体系中的y＝1.3-2.0，氨储罐(1)中的液态氨汽化后经过阀门(2)和质量流量计(3)到达装有活性氧化铝的吸附塔(4)，吸附塔(4)中的操作压力为0.3MPa-0.7Mpa，操作温度为0℃-80℃，在吸附塔(4)中，氨气中的大部分硫化物被吸附掉，氨气从吸附塔(4)流出后，经过阀门(5)流进内装活性炭的吸附塔(6)，吸附塔(6)的操作压力为0.3MPa-0.6Mpa，操作温度为-20℃-70℃，在吸附塔(6)中，原料氨气中的大部分有机物被吸附掉，氨气从吸附塔(6)流出后经过控制阀(7)流进精馏塔(8)，精馏塔(8)的操作温度为：顶温-30℃-10℃，釜温-20℃-50℃；氨气流出精馏塔(8)后经单向阀(9)和缓冲罐(10)流进反应器(12)，在反应器(12)中氨气与来自氟化氢储罐(28)的气态氟化氢以及来自储罐(31)的高纯氮气相遇，并在此发生剧烈的化学反应生成氟化氢铵，本发明在反应器(12)上配置了搅拌装置(11)和循环水冷装置(21)，由于我们将NH3与HF原料体系的摩尔配比定为x＝2.2-4，反应温度为70℃-180℃，反应压力为0.1MPa-0.6Mpa，因此，反应器中的物质最终为氟化氢铵和氟化氢的液态混合物，该混合物经阀门(19)流进常规电解槽(14)，并在电解槽(14)中电解合成三氟化氮。
4、根据权利要求2所述的用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的工艺方法，其特征在于：所述反应器(12)中的反应物为NH3与HF。
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