CN215101984U - 一种高纯度电子级氯化氢生产装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高纯度电子级氯化氢生产装置，包括三氯化磷储罐、纯水储罐、反应釜、水洗塔、冷凝器、吸附器、脱轻精馏塔、脱重精馏塔和膜压机，三氯化磷储罐和纯水储罐均连通于反应釜，反应釜通过水洗塔连通于冷凝器，冷凝器通过吸附器连通于脱轻精馏塔，脱轻精馏塔通过脱重精馏塔连通于膜压机，膜压机通过过滤器连通于收集瓶。本实用新型有益效果：本实用新型用纯水和三氯化磷在反应釜中生成氯化氢，制备过程简易，两级水洗塔可以除去三氯化磷，提高氯化氢气体的纯度；冷凝器和吸附器除去氯化氢气体的水分；脱轻精馏塔可以除去轻组分杂质物，脱重精馏塔可以除去重组分杂质物；搅拌电机提高纯水与三氯化磷充分反应，提高氯化氢纯度。

Description

一种高纯度电子级氯化氢生产装置

技术领域

本实用新型涉及高纯气体制备技术领域,尤其是一种高纯度电子级氯化氢生产装置。

背景技术

高纯电子级氯化氢是集成电路生产中硅片蚀刻、钝化、外延、气相抛光、吸杂和洁净处理等工艺的重要材料，也可用于金属冶炼，光导通讯和科学研究等领域。随着大规模集成电路的发展，对氯化氢纯度的要求越来越高，除了应具有99.999％以上的纯度，对其中杂质的含量要求越来越苛刻，尤其要求严格限制碳氢化合物和碳氧化合物的含量，以防止硅片加工过程中产生积碳。

过去我国大多从外国进口电子级氯化氢，但近年来，我国电子工业所需的化学气体的研制，在技术上已有不少突破和发展。国内也有单位已成功开发出相关的电子级氯化氢产品,但还远不能满足市场需求。氯化氢是工业上一种常见的副产物，是一种价格便宜、很难处理的化学品。

目前已有研究人员在研究制备过程中成功合成了电子级氯化氢，同时从这些合成方法中发现解析法和盐酸脱析法制备氯化氢工艺简单可大规模生产；但是制备的氯化氢纯度偏低，越来越不满足电子工业，尤其是集成电路的要求。

针对上述问题，现有技术公开了一些技术方案，如下：

1、中国专利公开了一种高纯氯化氢的制备方法(公开号：CN110697656A)，本实用新型使用一种苯乙烯/离子液高交联吸附剂，具备更加优良的吸附氯化氢杂质的效果，是产品气体杂质含量有效降低；而且本实用新型增加了一种深度分离式气体纯化器，经测试，所制备的高纯氯化氢的水分能够减少至100ppb及以下，气体杂质能减少至50ppb及以下；而且本实用新型的较之前的分离式气体过滤器技术，进行了工艺放大，流速最高可以达到400标准升/分钟，大大提升了生产效率。

2、中国专利公开了一种电子级高纯氯化氢制备方法(公开号：CN110255501A)，利用甲苯与氯化氢进行氯化反应，生产氯甲苯，同时产生副产品氯化氢气体，本副产品作为原料，原料通过脱水、液化、精馏去除轻组分、精馏去除重组分后，获得电子级高纯氯化氢。本实用新型将原来甲苯氯化工艺后所产生的氯化氢，转化为盐酸的工艺改变为生产电子级高纯氯化氢的生产方法，工业盐酸在现实化工生产中基本是富于的废液，需要处理；故此本实用新型变废为宝，没有造成新的污染。

3、中国专利公开了一种制备高纯氯化氢的方法(公开号：CN106276796A)，首先制备了高效吸附剂。电子级的氢气，电子级的氯化氢进入合称炉合成氯化氢，再进入装有本高效吸附剂的吸附塔精制脱氯，吸附后的氯化氢气体再经过冷却液化，除去氢气和不凝气，得到高纯氯化氢产品。

4、中国专利公开了一种电子级氯化氢的提纯方法(公开号：CN106276796A)，包括：将工业级的纯度为99％的液态氯化氢引入到第一精馏塔的中间位置进行精馏，以除去轻组分；从第一精馏塔再沸器底部出来的液体用泵引入到第二精馏塔的中间位置进行精馏，经第二再沸器加热产生的氯化氢气体经过第二冷凝器冷凝，控制回流比，使其部分回流至第二精馏塔内，另一部分转入中间储罐内储存，从第二再沸器底部将残液抽出至废液储罐，以除去重组分；经过至少一个内部设有分子筛的吸附塔吸附纯化，得到的纯度为99.999％以上的高纯氯化氢。本实用新型避免了其它杂质介质的引入，而且操作简单，生产成本低。

上述技术方案中虽然一定程度上提高了氯化氢的纯度，但是因为制备工艺的差异，存在以下几种问题；

1、现有技术中有些采用高纯氯化氢和高纯氢气合成氯化氢作为原料，再纯化得到高纯氯化氢，高纯氯化氢和高纯氢气的成本比尾气回收的成本高并且涉及到剧毒化学品氯气，危险性高；另外高纯氢气是易燃气体，在运输过程及生产过程中容易与空气接触遇明火发生爆炸。

2、现有技术中有些制氯化氢的产生尾气杂质含量高种类多不利于生产高纯电子级氯化氢，导致氯化氢气体纯度不高。

因此，对于上述问题有必要提出是一种高纯度电子级氯化氢生产装置。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供了是一种高纯度电子级氯化氢生产装置，以解决上述问题。

一种高纯度电子级氯化氢生产装置，包括三氯化磷储罐、纯水储罐、反应釜、水洗塔、冷凝器、吸附器、脱轻精馏塔、脱重精馏塔和膜压机，所述三氯化磷储罐和纯水储罐均连通于所述反应釜，所述反应釜通过水洗塔连通于所述冷凝器，所述冷凝器通过吸附器连通于所述脱轻精馏塔，所述脱轻精馏塔通过脱重精馏塔连通于所述膜压机，所述膜压机通过过滤器连通于收集瓶。

优选地，所述水洗塔和吸附器均设置有两组。

优选地，所述三氯化磷储罐和纯水储罐均设置有加热器。

优选地，所述反应釜包括反应罐、搅拌电机和搅拌浆，所述搅拌电机安装在反应罐的上端，所述搅拌电机的输出端伸入反应罐内并固定于所述搅拌浆。

优选地，所述反应罐内壁设置有加热管。

优选地，所述水洗塔包括塔体、喷淋头和水泵，所述喷淋头安装在塔体的内上部，所述喷淋头通过连接管连接水泵的出水口，所述水泵的进水口连接纯水储罐。

优选地，所述冷凝器设置有冷凝列管。

一种高纯度电子级氯化氢生产工艺，其工艺步骤为：

S1、将纯水储罐中的纯水加入反应釜中，将三氯化磷储罐的三氯化磷加入反应釜中；

S2、开启搅拌电机，使得三氯化磷与纯水发生反应，生成氯化氢和亚磷酸；

S3、反应釜的加热器加热使得生成的氯化氢气体进入水洗塔进行洗涤去除夹带的三氯化磷；

S4、洗涤后氯化氢气体进入冷凝器冷冻除去大部分水分，再进入吸附器中深度脱水；

S5、脱水后氯化氢气体进入脱轻精馏塔除轻组分杂质物，然后再进入脱重精馏塔除去重组分杂质物；

S6、除杂后经过膜压机增压后通过过滤器充入收集瓶。

优选地，所述吸附器的内上部设置有冷却管，所述吸附器的内下部设置有多层吸附剂，所述吸附剂包括3A分子筛、4A分子筛、5A分子筛、13X分子筛或氧化铝中的一种和几种混合。

优选地，所述轻组分杂质物包括H₂、O₂、N₂、CO和CO₂，所述重组分杂质物包括PCl₃。

与现有技术相比，本实用新型有益效果：

1、本实用新型利用纯水和三氯化磷在反应釜中生成氯化氢，制备过程简易，制备成本低，纯水和三氯化磷在生产制造及运输中不易发生泄露等安全事故，两级水洗塔可以除去三氯化磷，提高氯化氢气体的纯度；

2、本实用新型的冷凝器和吸附器除去氯化氢气体的水分；脱轻精馏塔可以除去轻组分杂质物，脱重精馏塔可以除去重组分杂质物；进一步提高氯化氢气体的纯度。

3、本实用新型反应釜的搅拌电机和搅拌浆，可以使得纯水与三氯化磷充分反应，提高氯化氢纯度。

附图说明

图1是本实用新型的高纯度电子级氯化氢生产装置结构图；

图2是本实用新型的反应釜结构图；

图3是本实用新型的水洗塔结构图；

图4是本实用新型的冷凝器结构图；

图5是本实用新型的吸附器结构图；

图6是本实用新型的高纯度电子级氯化氢生产流程图；

图中附图标记：1、三氯化磷储罐；2、纯水储罐；3、反应釜；4、水洗塔；5、冷凝器；6、吸附器；7、脱轻精馏塔；8、脱重精馏塔；9、膜压机；10、过滤器；11、收集瓶；12、反应罐；13、搅拌电机；14、搅拌浆；15、加热管；16、喷淋头；17、水泵；18、冷凝列管；19、冷却管；20、吸附剂；21、塔体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1并结合图2和图6所示，一种高纯度电子级氯化氢生产装置，包括三氯化磷储罐1、纯水储罐2、反应釜3、水洗塔4、冷凝器5、吸附器6、脱轻精馏塔7、脱重精馏塔8和膜压机9，所述三氯化磷储罐1和纯水储罐2均连通于所述反应釜3，所述反应釜3通过水洗塔4连通于所述冷凝器5，所述冷凝器5通过吸附器6连通于所述脱轻精馏塔7，所述脱轻精馏塔7通过脱重精馏塔8连通于所述膜压机9，所述膜压机9通过过滤器10连通于收集瓶11。

进一步的，所述水洗塔4和吸附器6均设置有两组。

采用进一步的技术方案有益效果：采用两级洗涤和吸附可以提高洗涤和吸附效果。

进一步的，所述三氯化磷储罐1和纯水储罐2均设置有加热器。

采用进一步的技术方案有益效果：加热器可以设置在储罐的外部，也可以设置在储罐的内部；加热器分别对三氯化磷储罐1和纯水储罐2进行加热，脱除三氯化磷和纯水原料中大部分空气组分。

进一步的，所述反应釜3包括反应罐12、搅拌电机13和搅拌浆14，所述搅拌电机13安装在反应罐12的上端，所述搅拌电机13的输出端伸入反应罐内并固定于所述搅拌浆14。

采用进一步的技术方案有益效果：搅拌电机13驱动搅拌浆14转动，进而对纯水和三氯化磷进行混合搅拌，使其充分发生反应，并便于使其生成的氯化氢溢出。

进一步的，所述反应罐12内壁设置有加热管15。

采用进一步的技术方案有益效果：加热管15对反应罐12进行加热，使得氯化氢气体从亚磷酸溢出分离。

进一步的，所述水洗塔4包括塔体21、喷淋头16和水泵17，所述喷淋头16安装在塔体21的内上部，所述喷淋头16通过连接管连接水泵17的出水口，所述水泵17的进水口连接纯水储罐2。

采用进一步的技术方案有益效果：分离出的氯化氢气体难免会有夹带未完成反应的三氯化磷，则需要纯水再次进行反应，对其进行洗涤。

进一步的，所述冷凝器5设置有冷凝列管18。

采用进一步的技术方案有益效果：冷凝列管18对氯化氢气体进行冷却，使得氯化氢气体含有的水分凝结起来；进而起到脱水的作用。

一种高纯度电子级氯化氢生产工艺，其工艺步骤为：

S1、将纯水储罐2中的纯水加入反应釜3中，将三氯化磷储罐1的三氯化磷加入反应釜3中；

S2、开启搅拌电机13，使得三氯化磷与纯水发生反应，生成氯化氢和亚磷酸；

S3、反应釜3的加热器加热使得生成的氯化氢气体进入水洗塔4进行洗涤去除夹带的三氯化磷；

S4、洗涤后氯化氢气体进入冷凝器5冷冻除去大部分水分，再进入吸附器6中深度脱水；

S5、脱水后氯化氢气体进入脱轻精馏塔7除轻组分杂质物，然后再进入脱重精馏塔8除去重组分杂质物；

S6、除杂后(通过监测器在线监测合格后：在氯化氢输送管道中设置有气体分析检测器，实时检测氯化氢气体的纯度)经过膜压机9增压后通过过滤器10充入收集瓶11。

进一步的，所述吸附器6的内上部设置有冷却管19，所述吸附器6的内下部设置有多层吸附剂20，所述吸附剂20包括3A分子筛、4A分子筛、5A分子筛、13X分子筛或氧化铝中的一种和几种混合。

3A分子筛：是一种碱金属硅铝酸盐，有时，它也被称为3A沸石分子筛；3A分子筛的孔径是3A，主要用于吸附水，不吸附直径大于3A的任何分子

4A分子筛的孔径为4A，吸附水，甲醇、乙醇、硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、乙烯、丙烯，不吸附直径大于4A的任何分子(包括丙烷)，对水的选择吸附性能高于任何其他分子。

5A分子筛是一种化学物质，分子式是3/4CaO·1/4Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·9/2H₂O；可吸附小于该孔径的任何分子，一般称为钙分子筛。

13X型分子筛，也叫钠X型分子筛，是碱金属硅铝酸盐，具有一定的碱性，属于一类固体碱，其化学式为Na₂O·Al₂O₃·2.45SiO₂·6H₂0，其孔径10A，吸附大于3.64A小于10A任何分子。

其中1A＝0.1纳米。

进一步的，所述轻组分杂质物包括H₂、O₂、N₂、CO和CO₂，但不仅限于上述几种轻组分杂质物，所述重组分杂质物包括PCl₃，但不仅限于上述几种重组分杂质物。

与现有技术相比，本实用新型有益效果：

1、本实用新型利用纯水和三氯化磷在反应釜3中生成氯化氢，制备过程简易，制备成本低，两级水洗塔可以除去三氯化磷，提高氯化氢气体的纯度；

2、本实用新型的冷凝器5和吸附器6除去氯化氢气体的水分；脱轻精馏塔7可以除去轻组分杂质物，脱重精馏塔8可以除去重组分杂质物；进一步提高氯化氢气体。

3、本实用新型反应釜的搅拌电机13和搅拌浆14，可以使得纯水与三氯化磷充分反应，提高氯化氢纯度。

4、本实用新型投资成本低，可以同时生产亚磷酸和氯化氢两种产品，产品纯度高，副产物少，氯化氢经过纯化后得到电子级的氯化氢，产品附加值大大提升。

工作流程：

1、原料的预处理，三氯化磷储罐1中的三氯化磷和纯水罐中的纯水由于与空气接触，难免会含有空气和二氧化碳等杂质，这时通过加热器三氯化磷和纯水罐进煮沸，脱除空气和二氧化碳等杂质(因为空气氮气、氧气和二氧化碳都是易挥发，低沸点气体，一旦加热沸腾，就会快速从液体中溢出)。

2、氯化氢的生产，首先对反应釜抽空置换(避免反应釜3内原有气体杂质影响生产物的纯度)，将处理好的纯水先加入反应釜中，开启搅拌电机，对纯水进行搅拌，将处理好的三氯化磷经过计量(利用流量计)后进入反应釜中，生成氯化氢和亚磷酸，加热脱除溶于水和亚磷酸的氯化氢，氯化氢气体进入除杂工序，亚磷酸从反应釜底部出料(氯化氢的沸点为-85℃，水的沸点是100℃，亚磷酸200℃，氯化氢的沸点很低，稍微加热就可以沸腾，就可以从水或亚磷酸中分离出来)。

3、氯化氢气体的除杂，氯化氢气体进入两级水洗塔4，脱除夹带的三氯化磷，再进入冷凝器5冷冻除去大部分水分，再进入吸附器6中深度脱水，脱水后氯化氢气体进入脱轻精馏塔7除轻组分杂质物，然后再进入脱重精馏塔8除去重组分杂质物；除杂通过监测器在线监测合格后经过膜压机9增压后通过过滤器10充入收集瓶11。

其中纯水与三氯化磷的化学反应式为：PCl₃+3H₂O＝H₃PO₃+3HCl，由于HCl气体沸点低，产生后就会快速分离出来。

其中水洗塔4的喷淋头16在水泵17的作用下将纯水从喷淋头16喷洒出来，与氯化氢气体夹带的三氯化磷发生反应，产生氯化氢和亚磷酸(PCl₃+3H₂O＝H₃PO₃+3HCl)，产生氯化氢随着氯化氢气体一起进入冷凝器5中；产生的亚磷酸从水洗塔4的底部回收起来。

氯化氢气体(用于除去夹带氯化氢气体中的水分)进入冷凝器时，将冷凝器5的温度将至0℃以下即可，因为水的熔点为0℃，氯化氢的熔点为-114.2℃，沸点为-85℃，冷凝器5的温度只要低于0℃，高于-85℃，就可以将水凝结起来，而不会对氯化氢进行凝结和液化，进而起到脱水的作用。

吸附器6内设置有多层吸附剂20，吸附剂可以吸附水分，但是不能吸附氯化氢气体，进而可以进一步的起到脱水的作用。

脱水后通过脱轻精馏塔7可以除去轻组分杂质物；通过脱重精馏塔8可以除去重组分杂质物。

其中轻组分杂质物包括H₂、O₂、N₂、CO和CO₂，其中H₂的熔点-259.2℃，O₂的熔点-218.4℃，N₂的熔点-210℃，CO的熔点-205℃，CO₂的熔点-56.6℃(二氧化碳的熔点是在527kPa的高压下测得的，常压下不存在液态二氧化碳)；而氯化氢的熔点为-114.2℃,因此可以得出将脱轻精馏塔将温度降温-114.2℃左右，就可以将氯化氢凝结，而其他的气体由于熔点，沸点很低，不会凝结，将氯化氢气体与轻组分杂质物分离。

其中重组分杂质物包括PCl₃，其中PCl₃沸点为74.2℃，而氯化氢(HCl)的沸点为-85℃，因此可以在脱重精馏塔中设置有加热装置，将温度加热高至-85℃，而低于74.2℃，就可以将氯化氢气体从PCl₃中分离出来。

为了更清楚地说明本实用新型提出的一种高纯电子级氯化氢纯化生产装置及其工艺带来的技术效果，本实用新型提供以下实施例组数据进行阐述。应当理解，下列实施例组的数据仅为更好地说明本实用新型提出的高纯氯化氢气体纯化生产工艺的技术效果，其并不等同于所有的实验数据。

对比实验1：

选取实验组1和对照组1-4，实验组1利用本实用新型的工作原理流程纯化后的氯化氢，对照组1-4分别是利用背景技术的对比文件1-4对应的实施例纯化后的氯化氢，然后利用检测设备检测各自气体成分，检测的项目包括有氯化氢、水、杂质物气体和副产物，其中杂质物气体在每组实验成分是不同，比如在实验组1中杂质物气体主要指的是的H₂、O₂、N₂、CO和CO₂；其中副产物气体在每组实验成分是不同的，比如在实验1中副产物主要是PCl₃，具体实验结果如下表1所示：

表1为氯化氢纯化后各组分的气体成分含量：

实施例	氯化氢(％)	水分(％)	杂质物气体(％)	副产物(％)
					实验组1	99.9999	0	0.0001	0
对照组1	99.999	0.0003	0.0005	0.0002
					对照组2	99.999	0.0002	0.0005	0.0003
对照组3	99.999	0.0003	0.0005	0.0002
					对照组4	99.999	0.0004	0.0005	0.0001

对比分析1，结合实验组1与对照组1-4可得出，实验组1氯化氢的纯度高于对照组1-4(本实用新型氯化氢气体的纯度高达99.9999％，而对照组1-4只有99.999％)，同时实验组1中没有检测到水分，同时只有极其少了杂质物气体，对照组1-4都检测到水分和其他杂质物气体，由此可得出利用本实用新型的工艺方案，可以减少杂质物气体的生成，可以提高氯化氢的纯度。

对比分析2，结合实验组1与对照组1-4可得出，实验组1氯化氢气体中没有检测到副产物，而对照组1-4都具有较多含量的副产物，由此可得出利用本实用新型的工艺方案可以提高对副产物的去除效果，进而提高氯化氢气体的纯度。

对比实验2：

选取实验组1和实验组2，实验组1利用本实用新型的工作原理流程纯化后的氯化氢，实验组2是在本实用新型技术方案的基础上，水洗塔4和吸附器6均只采用一个，看水洗塔4和吸附器6的数量对纯化后的氯化氢(HCl)的纯度影响；具体数据如下表2所示：

表2为实验组1-2的氯化氢气体纯化后组成分纯度结果；

实施例	氯化氢(％)	水分(％)	三氯化磷(％)	杂质物气体(％)
					实验组1	99.9999	0	0	0.0001
实验组2	99.999	0.0003	0.0006	0.0001

对比分析3，结合实验组1-2，可得出实验组1对水分和三氯化磷可以完成除去，而实验组2还有有些水分和三氯化磷(PCl₃)杂质物，由此可得出水洗塔的数量少，可能会导致洗涤效果不好，同时吸附器的数量少也会导致水分吸附脱去的不彻底，因此水洗塔4和吸附器6的数量多可以提高去杂效果，提高氯化氢(HCl)纯度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种高纯度电子级氯化氢生产装置，其特征在于：包括三氯化磷储罐(1)、纯水储罐(2)、反应釜(3)、水洗塔(4)、冷凝器(5)、吸附器(6)、脱轻精馏塔(7)、脱重精馏塔(8)和膜压机(9)，所述三氯化磷储罐(1)和纯水储罐(2)均连通于所述反应釜(3)，所述反应釜(3)通过水洗塔(4)连通于所述冷凝器(5)，所述冷凝器(5)通过吸附器(6)连通于所述脱轻精馏塔(7)，所述脱轻精馏塔(7)通过脱重精馏塔(8)连通于所述膜压机(9)，所述膜压机(9)通过过滤器(10)连通于收集瓶(11)。

2.如权利要求1所述的一种高纯度电子级氯化氢生产装置，其特征在于：所述水洗塔(4)和吸附器(6)均设置有两组。

3.如权利要求1所述的一种高纯度电子级氯化氢生产装置，其特征在于：所述三氯化磷储罐(1)和纯水储罐(2)均设置有加热器。

4.如权利要求1所述的一种高纯度电子级氯化氢生产装置，其特征在于：所述反应釜(3)包括反应罐(12)、搅拌电机(13)和搅拌浆(14)，所述搅拌电机(13)安装在反应罐(12)的上端，所述搅拌电机(13)的输出端伸入反应罐(12)内并固定于所述搅拌浆(14)。

5.如权利要求4所述的一种高纯度电子级氯化氢生产装置，其特征在于：所述反应罐(12)内壁设置有加热管(15)。

6.如权利要求1所述的一种高纯度电子级氯化氢生产装置，其特征在于：所述水洗塔(4)包括塔体(21)、喷淋头(16)和水泵(17)，所述喷淋头(16)安装在塔体(21)的内上部，所述喷淋头(16)通过连接管连接水泵(17)的出水口，所述水泵(17)的进水口连接纯水储罐(2)。

7.如权利要求1所述的一种高纯度电子级氯化氢生产装置，其特征在于：所述冷凝器(5)内设置有冷凝列管(18)。

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