DE60108801T2

DE60108801T2 - Verfahren zur Reinigung von Stickstofftrifluorid durch kontinuierliche Tieftemperaturdestillation

Info

Publication number: DE60108801T2
Application number: DE60108801T
Authority: DE
Inventors: Zbigniew Tadeusz Fidkowski; John Frederick Cirucci; Rakesh Agrawal; Shyam Ramchand Suchedo; Steven Ray Auvil
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: ZA200103625B; JP2002012414A; ES2237508T3; CA2345873C; US6276168B1; EP1153884B1; KR100398494B1; EP1153884A1; ATE288876T1; DE60108801D1; CA2345873A1; JP3653006B2; KR20010104647A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Abtrennung und Gewinnung von Fluorverbindungen aus Multikomponentenfluids, die Fluorverbindungen enthalten, und insbesondere die Reinigung von Stickstofftrifluorid (NF₃) durch kontinuierliche kryogene Destillation.
Fluorverbindungen werden verbreitet bei der Herstellung von Halbleitern eingesetzt. Diese Verbindungen können kostspielig sein und die Umwelt schädigen, wenn sie freigesetzt werden. Stickstofftrifluorid wird als Ätzgas und als Kammerreinigungsgas eingesetzt.
Im Verfahren zur Herstellung von Stickstofftrifluorid wird ein Gasgemisch erzeugt, das Stickstofftrifluorid, Stickstoff, Sauerstoff, Dinitrogenoxid, Fluorwasserstoff und andere Komponenten enthält. Stickstoff und Sauerstoff sind leichter flüchtig als Stickstofftrifluorid, während Dinitrogenoxid und Fluorwasserstoff schwerer flüchtig sind und bei niedriger Temperatur und höheren Konzentrationen Feststoffe bilden können. Dieses Gasgemisch kann dann durch kryogene Destillation gereinigt werden, um nach der Entfernung größerer Menger aktiver Fluoride und schwerer Komponenten Stickstofftrifluorid zu erhalten, wenn Stickstofftrifluorid von hoher Reinheit erforderlich ist.
Die diskontinuierliche Destillation ist ein kosteneffektives Verfahren zur Reinigung relativ kleiner Produktmengen, weil sie einfach ist und beim Betrieb erhebliche Flexibilität ermöglicht. Dieser wirtschaftliche Vorteil geht verloren, wenn größere Produktmengen gereinigt werden müssen. Dies liegt daran, dass bei der diskontinuierlichen Destillation Lagerkapazitäten für die Beschickung und das Zwischenprodukt zwischen den Produktionschargen gebraucht werden. Die Lagerung größerer Mengen Gas ist schwierig. Erreicht werden kann sie entweder durch Kompression in Lagertanks oder durch Verflüssigung. Beide Verfahren sind wegen des Kapitalaufwands für große Lagertanks und der Betriebskosten, die beim häufigen Umfüllen von Chargen anfallen, teuer.
Die chargenweise Verarbeitung ist auch eine Quelle für die umweltschädliche Freisetzung von Fluorverbindungen während häufiger Umfüllungen, Spülungen der Verfahrensleitungen und der Entlüftung von Lagertanks.
Die kryogene Destillation von Fluorverbindungen mit Zusatz einer Waschflüssigkeit ist in US-A-5,502,969 (Jin et al.), 5,626,023 (Fisher et al.) und 5,771,713 (Fisher) offenbart. Die Waschflüssigkeit wird zugesetzt, um Fluorverbindungen aus einem Trägergas zu absorbieren oder die Verfestigung einiger Komponenten zu verhindern. Eine (bzw. zwei oder drei) Destillationssäule(n) wird bzw. werden dazu verwendet, leicht flüchtige Fluorverbindungen von der Waschflüssigkeit zu trennen. (Alternativ trennen die folgenden Säulen die weniger leicht flüchtigen Fluorverbindungen entweder von der Waschflüssigkeit oder von den verbleibenden schweren Komponenten ab.) Bei allen diesen Systemen erfolgt die Verarbeitung chargenweise.
Ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von ultrareinem Stickstofftrifluorid ist in US-A-5,832,746 (Nagamura) offenbart. Dieses Verfahren umfasst das Unter-Druck-Setzen eines Stickstofftrifluoridbeschickungsgases; die Eliminierung von Feuchtigkeit, CO₂ und teilweise CF₄ aus dem Beschickungsgas; das Abkühlen und Hindurchleiten des Beschickungsgases durch einen Kaltadsorber, um N₂F₂, N₂F₄ und N₂O zu eliminieren und den CF₄-Gehalt weiter zu verringern; die Verflüssigung des Beschickungsgases in einem Bodenreboiler/Kondensator einer Destillationssäule mit mittlerem Druck; und die Nutzung der zugeführten Wärme, um die schweren Komponenten des Beschickungsgases in dieser Säule abzutrennen. Dann wird das resultierende Gemisch in eine Destillationssäule mit niedrigem Druck geleitet, die mittels eines zweiten Reboilers/Kondensators mit der Destillationssäule mit mittlerem Druck wärmeintegriert ist. Dort wird es destilliert, um ultrareines NF₃ als Bodenprodukt und einen Dampf zu ergeben, der als Abfall abdestilliert wird. Dieses Verfahren könnte relativ teuer sein, weil das NF₃-Beschickungsgas unter Druck gesetzt werden muss. Es könnte wegen der doppelten Wärmeintegration (zwischen dem Beschickungsgas und der Destillationssäule mit mittlerem Druck sowie zwischen den Destillationssäulen mit mittlerem und niedrigen Druck) auch schwierig sein, dieses Verfahren zu steuern.
In allen diesen Destillationsverfahren des Standes der Technik wird ein Rückfluss dadurch zur Verfügung gestellt, dass ein Teil eines Destillatdampfes gegen eine kryogene Flüssigkeit, z.B. flüssigen Stickstoff, kondensiert wird. Dazu müssen ein Kondensator und die zugehörigen Steuerinstrumente verwendet werden.
Andere Verfahren zur Reinigung eines NF₃-Beschickungsgases von bestimmten Komponenten sind in der Patentliteratur beschrieben. In US-A-5,069,887 (Suenaga et al.) wird ein Adsorptionsverfahren auf einem Molekularsieb verwendet, um NF₃ von CF₄ zu trennen. In US-A-5,183,647 (Harada et al.) sind Bedingungen offenbart, die die chemische Zersetzung von N₂F₂ aus NF₃-Beschickungsgas begünstigen. US-A-5,779,863 (Ha et al.) offenbart ein Verfahren zur Trennung und Reinigung von Perfluorverbindungen (PFCs), darunter NF₃, unter Einsatz eines Destillationssäulensystems, das drei oder vier Destillationssäulen umfasst.
Erwünscht ist ein sicheres und wirtschaftliches, kontinuierliches kryogenes Destillationsverfahren zur Reinigung von Stickstofftrifluorid.
Außerdem ist ein solches Verfahren gefragt, das die erwünschte Trennung bei maximaler Gewinnung erreicht, ohne dass Fluorverbindungen in die Umwelt freigesetzt werden.
Ferner ist ein Verfahren zur Gewinnung von Stickstofftrifluorid aus Multikomponentenfluids erwünscht, das die Schwierigkeiten und Nachteile des Standes der Technik überwindet, um bessere und vorteilhaftere Ergebnisse zur Verfügung zu stellen.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Gewinnung von Stickstofftrifluorid (NF₃) aus einem NF₃ enthaltenden Multikomponentenfluid (Beschickungsstrom) durch kontinuierliche Destillation.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem Multikomponentenfluid, das NF₃ mit einer ersten Flüchtigkeit, eine oder mehrere Komponenten mit geringerer Flüchtigkeit als NF₃ und eine oder mehrere Komponenten mit höherer Flüchtigkeit als NF₃ umfasst. Das Verfahren verwendet eine erste Destillationssäule und eine zweite Destillationssäule, wobei jede Destillationssäule ein oberes und ein unteres Ende aufweist. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. Der erste Schritt besteht darin, das Multikompo nentenfluid an einer ersten Zufuhrstelle in die erste Destillationssäule einzuspeisen. Der zweite Schritt ist das Einspeisen einer kryogenen Flüssigkeit in die erste Destillationssäule an einer Stelle oberhalb der ersten Zufuhrstelle. Der dritte Schritt ist das Entfernen der leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der ersten Destillationssäule. Der vierte Schritt ist das Abziehen eines Gemischs, das NF₃ und die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, aus der ersten Destillationssäule an einer Stelle unterhalb der ersten Zufuhrstelle. Der fünfte Schritt ist das Einspeisen des Gemischs in die zweite Destillationssäule an einer zweiten Zufuhrstelle. Der sechste Schritt ist die Trennung von NF₃ vom Gemisch in der zweiten Destillationssäule. Der siebte Schritt ist das Entfernen eines NF₃-Stroms vom oberen Ende der zweiten Destillationssäule.
In einer Abwandlung der ersten Ausführungsform umfasst das Verfahren einen zusätzlichen Schritt. Der zusätzliche Schritt besteht darin, dass vom Boden der zweiten Destillationssäule ein Strom entfernt wird, der die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält.
Eine zweite Ausführungsform weist die gleichen multiplen Schritt auf wie die erste Ausführungsform, umfasst aber noch drei zusätzliche Schritte. Der erste zusätzliche Schritt besteht darin, einen flüssigen Strom an oder nahe der zweiten Zufuhrstelle aus der zweiten Destillationssäule abzuziehen. Der zweite zusätzliche Schritt besteht im Einspeisen des flüssigen Stroms in die erste Destillationssäule an einer Stelle unterhalb der ersten Zufuhrstelle. Der dritte zusätzliche Schritt besteht aus der Entfernung eines Stroms, der die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, vom Boden der ersten Destillationssäule.
Eine dritte Ausführungsform ist ein Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem Multikomponentenfluid, das NF₃ mit einer ersten Flüchtigkeit, eine oder mehrere Komponenten mit geringerer Flüchtigkeit als NF₃ und eine oder mehrere Komponenten mit höherer Flüchtigkeit als NF₃ enthält. Bei diesem Verfahren werden eine erste Destillationssäule und eine zweite Destillationssäule verwendet, wobei jede Destillationssäule ein oberes und ein unteres Ende hat. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. Der erste Schritt ist das Einspeisen des Multikomponentenfluids in die erste Destillationssäule an einer ersten Zufuhrstelle. Der zweite Schritt ist das Entfernen der schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten vom Boden der ersten Destillationssäule. Der dritte Schritt ist das Abziehen eines Gemischs, das NF₃ und die leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten umfasst, aus der ersten Destillationssäule an einer über der ersten Zufuhrstelle liegenden Stelle. Der vierte Schritt ist das Einspeisen des Gemischs in die zweite Destillationssäule an einer zweiten Zufuhrstelle. Der fünfte Schritt ist das Einspeisen einer kryogenen Flüssigkeit in die zweite Destillationssäule an einer Stelle oberhalb der zweiten Zufuhrstelle. Der sechste Schritt ist das Entfernen der leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der zweiten Destillationssäule. Der siebte Schritt ist das Entfernen eines NF₃-Stroms vom Boden der zweiten Destillationssäule.
Eine vierte Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem Multikomponentenfluid, das NF₃ mit einer ersten Flüchtigkeit, eine oder mehrere schwerer als NF₃ flüchtige Komponenten und eine oder mehrere leichter als NF₃ flüchtige Komponenten enthält. Das Verfahren verwendet eine erste Destillationssäule und eine zweite Destillationssäule, wobei jede Destillationssäule ein oberes und ein unteres Ende hat. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. Der erste Schritt ist das Einspeisen des Multikomponentenfluids in die erste Destillationssäule an einer ersten Zufuhrstelle. Der zweite Schritt ist das Einspeisen einer kryogenen Flüssigkeit in die erste Destillationssäule an einer zweiten Zufuhrstelle oberhalb der ersten Zufuhrstelle. Der dritte Schritt ist das Entfernen der leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der ersten Destillationssäule. Der vierte Schritt ist das Abziehen eines NF₃ enthaltenden Gemischs aus der ersten Destillationssäule an einer Zwischenposition zwischen der ersten Zufuhrstelle und der zweiten Zufuhrstelle. Der fünfte Schritt ist das Einspeisen des Gemischs in die zweite Destillationssäule an oder nahe dem oberen Ende der zweiten Destillationssäule. Der sechste Schritt ist das Entfernen eines Dampfstroms vom oberen Ende der zweiten Destillationssäule. Der siebte Schritt ist das Einspeisen des Dampfstroms in die erste Destillationssäule an einer Stelle oberhalb der ersten Zufuhrstelle. Der achte Schritt ist das Entfernen eines NF₃-Stroms vom Boden der zweiten Destillationssäule. Der neunte Schritt ist das Entfernen der schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten vom Boden der ersten Destillationssäule.
Eine fünfte Ausführungsform ist ein Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem Multikomponentenfluid, das NF₃ mit einer ersten Flüchtigkeit, eine oder mehrere schwerer als NF₃ flüchtige Komponenten und eine oder mehrere leichter als NF₃ flüchtige Komponenten enthält. Das Verfahren verwendet eine erste Destillationssäule und eine zweite Destillationssäule, wobei jede Destillationssäule ein oberes und ein unteres Ende hat. Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. Der erste Schritt ist das Einspeisen des Multikomponentenfluids in die erste Destillationssäule an einer ersten Zufuhrstelle unterhalb des oberen Endes der ersten Destillationssäule. Der zweite Schritt ist das Einspeisen einer kryogenen Flüssigkeit in die erste oder zweite Destillationssäule benachbart dem oberen Ende der ersten oder zweiten Destillationssäule. Der dritte Schritt ist das Abziehen eines NF₃ enthaltenden Gemischs aus der ersten Destillationssäule. Der vierte Schritt ist das Einspeisen des Gemischs in die zweite Destillationssäule an einer zweiten Zufuhrstelle. Der fünfte Schritt ist das Trennen von NF₃ von dem Gemisch in der zweiten Destillationssäule. Der sechste Schritt ist das Entfernen eines NF₃-Stroms aus der zweiten Destillationssäule.
Es gibt verschiedene Variationen der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Zum Beispiel kann die kryogene Flüssigkeit aus der aus flüssigem Stickstoff flüssigem Argon, flüssigem Helium und Gemischen davon bestehenden Gruppe ausgewählt werden. In einer Abwandlung ist die NF₃-Konzentration im Multikomponentenfluid größer als etwa 5 Mol-%. In einer anderen Abwandlung umfassen die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten Stickoxid und/oder Fluorwasserstoff, und die leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten umfassen Stickstoff und/oder Sauerstoff.
Kurze Beschreibung verschiedener Ansichten der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Begleibtzeichnungen beispielhaft beschrieben.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 ist ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem NF₃ enthaltenden Multikomponentenfluid (Beschickungsstrom) durch kontinuierliche Destillation.
Der NF₃-Beschickungsstrom, der sowohl leichter als auch schwerer als NF₃ flüchtige Komponenten enthält, wird nach dem Abkühlen auf eine kryogene Temperatur und ggfs. nach dem Kondensieren in eine erste Destillationssäule eines Destillationssäulensystems geleitet, das mindestens zwei Destillationssäulen umfasst, wo ein flüssiger kryogener Strom (z.B. flüssiger Stickstoff) ebenfalls eingeleitet wird und (i) die leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der ersten Destillationssäule entfernt werden und ein NF₃ und schwerer flüchtige Komponenten enthaltendes Gemisch, das unter der Zufuhrstelle aus der ersten Destillationssäule abgezogen wurde, in eine zweite Destillationssäule geleitet wird, wo NF₃ als Kopfprodukt entfernt wird, oder (ii) schwerer als NF₃ flüchtige Komponenten vom Boden der ersten Destillationssäule entfernt werden und ein NF₃ und leichter flüchtige Komponenten enthaltendes Gemisch, das oberhalb der Zufuhrstelle aus der ersten Destillationssäule abgezogen wurde, in eine zweite Destillationssäule geleitet wird, wo NF₃ als Bodenprodukt entfernt wird.
Beispiele für die leichter flüchtigen Komponenten im NF₃-Beschickungsstrom sind Stickstoff und/oder Sauerstoff; Beispiele für die schwerer flüchtigen Komponenten sind Dinitrogenoxid und Fluorwasserstoff Die Konzentration aller schwerer flüchtigen Verunreinigungen, die eine Schmelztemperatur über der Betriebstemperatur des Destillationssystems haben, muss im Beschickungsstrom auf ein Niveau verringert werden, das sicherstellt, dass sie an allen Stellen im Destillationssystem unterhalb ihrer Löslichkeitsgrenzen liegen. Typische Verfahren zur Verringerung der Konzentration schwerer flüchtiger Verunreinigungen umfassen die Absorption und die Adsorption. Beispielsweise wird aus dem Beschickungsstrom Wasser entfernt, ehe er auf seine kryogene Temperatur gekühlt wird. Im Allgemeinen wird Wasser durch Adsorption über einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. Im Adsorptionsverfahren werden auch der N₂O-Gehalt und der HF-Gehalt verringert.
Die Konzentration von NF₃ im NF₃-Beschickungsstrom unterliegt zwar keinen Einschränkungen, aber damit das Destillationsverfahren wirtschaftlich attraktiv ist, wird eine höhere NF₃-Konzentration im NF₃-Beschickungsstrom bevorzugt. Im Allgemeinen ist die NF₃-Konzentration im NF₃-Beschickungsstrom größer als 5 Mol-%, vorzugsweise größer als 10 Mol-%, stärker bevorzugt größer als 30 Mol-%.
Die Einleitung einer kryogenen Flüssigkeit wie flüssigen Stickstoffs stellt einer Destillationssäule flüssigen Rückfluss zur Verfügung. (Anstelle von flüssigem Stickstoff können auch andere kryogene Flüssigkeiten wie Argon, Helium oder Gemische davon verwendet werden.) Flüssiger Stickstoff wird im Allgemeinen am oberen Ende der Destillationssäule eingeleitet. Flüssiger Stickstoff wird in die Destillationssäule eingeleitet, wenn leichter als NF₃ flüchtige Komponenten verworfen werden, d.h. der aus dem oberen Ende der Destillationssäule austretende Dampf ist arm an NF₃, aber reich an den leichter flüchtigen Komponenten.
Somit wird bei der Option (i), wo die leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der ersten Destillationssäule entfernt werden, flüssiger Stickstoff in das obere Ende der ersten Destillationssäule geleitet. Bei der Option (ii), wo die leichter flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der zweiten Destillationssäule entfernt werden, wird flüssiger Stickstoff in das obere Ende der zweiten Destillationssäule geleitet. Ähnlich wird bei der Option (ii), wenn die leichter flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der ersten Destillationssäule entfernt werden, anschließend flüssiger Stickstoff in das obere Ende der ersten Destillationssäule geleitet. Beim bevorzugten Modus wird flüssiger Stickstoff direkt in das obere Ende der Destillationssäule geleitet, und es wird kein Kondensator verwendet.
Eine Ausführungsform der Erfindung gemäß Option (i) ist in 1 zu sehen. Ein Beschickungsstrom 101 wird in eine erste Destillationssäule 103 geleitet, wo der Beschickungsstrom in einen Destillatdampfstrom 105, der leichter als NF₃ flüchtige Komponenten enthält, und einen Bodenproduktstrom 107, der NF₃ und schwerer flüchtige Komponenten enthält, getrennt wird. Der Strom 107 wird als Flüssigkeit, Dampf oder als Zweiphasenstrom aus der ersten Destillationssäule 103 abgezogen. Dann wird der Strom 107 in eine zweite Destillationssäule 109 geleitet, wo er in einen aus reinem NF₃ bestehenden oberen Produktstrom 111 und einen Bodenproduktstrom 113, der eine Lösung von schwerer flüchtigen Komponenten in NF₃ enthält, getrennt. Der aus reinem NF₃ bestehende obere Produktstrom 111 oder ein Teil davon kann als Dampf oder Flüssigkeit abgezogen werden. Der Strom 113 kann wieder zu den Reinigungsschritten (nicht gezeigt), z.B. in ein dem Destillationssystem vorgeschaltetes Adsorptionsverfahren, geleitet werden.
Die erste Destillationssäule 103 hat einen Reboiler 106, während die zweite Destillationssäule 109 einen Reboiler 112 und einen Kondensator 110 aufweist. Vorzugsweise hat die erste Destillationssäule 103 keinen Kondensator, und ein flüssiger Stickstoffstrom 115 wird als Rückfluss direkt am oberen Ende der ersten Destillationssäule 103 eingeleitet. Ggfs. kann die erste Destillationssäule 103 einen Kondensator aufweisen, und der flüssige Stickstoffstrom 115 kann als Kühlmedium in diesem bedarfsweise verwendeten Kondensator verwendet werden, anstatt als Rückfluss direkt ans obere Ende der ersten Destillationssäule 103 geleitet zu werden. Allerdings wird dieses ggfs. eingesetzte Verfahren meistens nicht bevorzugt.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung gemäß Option (i) ist in 2 zu sehen. Sie unterscheidet sich insofern von der vorhergehenden Ausführungsform als der Bodenproduktstrom 113, der die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, jetzt vom Boden der ersten Destillationssäule 103 (anstatt aus der zweiten Destillationssäule 109) abgezogen wird. Der Strom 113 kann wieder zu den Reinigungsschritten (nicht gezeigt), z.B. in ein dem Destillationssystem vorgeschaltetes Adsorptionsverfahren zurückgeleitet werden. Ein Beschickungsstrom 117 für die zweite Destillationssäule 109 wird jetzt als Nebenstrom aus der ersten Destillationssäule 103 abgezogen. Der Abzugspunkt des Beschickungsstroms 117 liegt jetzt unterhalb der Zufuhrstelle für den Beschickungsstrom 101. Die erste Destillationssäule 103 weist einen Reboiler 106 auf. Die zweite Destillationssäule 109 hat einen Kondensator 110, aber keinen Reboiler. Ein flüssiger Bodenstrom 127 aus der zweiten Destillationssäule 109 wird in die erste Destillationssäule 103 zurückgeleitet. Vorzugsweise wird ein flüssiger Stickstoffstrom 115 direkt am oberen Ende der ersten Destillationssäule 103 als Rückfluss eingeleitet. Ggfs. kann die erste Destillationssäule 103 einen Kondensator (nicht gezeigt) aufweisen, und der flüssige Stickstoffstrom 115 kann als Kühlmedium in diesem bedarfsweise verwendeten Kondensator verwendet werden, anstatt als Rückfluss direkt ans obere Ende der ersten Destillationssäule 103 geleitet zu werden. Jedoch wird dieses ggfs. eingesetzte Verfahren meistens weniger bevorzugt.
Eine Ausführungsform der Erfindung gemäß Option (ii) ist in 3 zu sehen. Ein Beschickungsstrom 101 wird in eine erste Destillationssäule 103 geleitet, wo der Beschickungsstrom in einen Produktdestillatstrom 137, der NF₃ und alle leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, und einen Bodenproduktstrom 113, der NF₃ und schwerer flüchtige Komponenten enthält, getrennt wird. Der Strom 113 kann wieder zu den Reinigungsschritten (nicht gezeigt), z.B. in ein dem Destillationssystem vorgeschaltetes Adsorptionsverfahren geleitet werden. Der Strom 137 kann als Dampf, als Flüssigkeit oder als Zweiphasenstrom aus der ersten Destillationssäule 103 abgezogen werden. Der Strom 137 wird in die zweite Destillationssäule 109 geleitet, wo er in einen Destillatstrom 105, der leichter als NF₃ flüchtige Komponenten enthält, und einen Bodenproduktstrom 111 aus reinem NF₃ getrennt wird. Der Strom 111 kann als Flüssigkeit oder als Dampf abgezogen werden. Die erste Destillationssäule 103 hat einen Reboiler 106 und einen Kondensator 108. Die zweite Destillationssäule 109 hat einen Reboiler 112. Vorzugsweise wird ein flüssiger Stickstoffstrom 115 als Rückfluss direkt am oberen Ende der zweiten Destillationssäule 109 eingeleitet. Ggfs. kann die zweite Destillationssäule 109 einen Kondensator (nicht gezeigt) enthalten, und der flüssige Stickstoffstrom 115 kann als Kühlmedium in diesem bedarfsweise verwendeten Kondensator verwendet werden, anstatt als Rückfluss direkt zum oberen Ende der zweiten Destillationssäule 109 geleitet zu werden. Jedoch wird dieses Verfahren meistens weniger bevorzugt.
Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung gemäß Option (ii) ist in 4 zu sehen. Sie unterscheidet sich insofern von der vorherigen Ausführungsform (3), als der Destillatstrom 105, der die leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, jetzt vom oberen Ende der ersten Destillationssäule 103 abgezogen wird. Ein Beschickungsstrom 147 für die zweite Destillationssäule 109 wird als Seitenstrom aus der ersten Destillationssäule 103 abgezogen. Der Abzugspunkt des Beschickungsstroms 147 befindet sich oberhalb der Zufuhrstelle für den Beschickungsstrom 101. Die erste Destillationssäule 103 hat einen Reboiler 106 und die zweite Destillationssäule 109 einen Reboiler 112, aber keine hat einen Kondensator. Ein oberer Dampfstrom 157 aus der zweiten Destillationssäule 109 wird zur ersten Destillationssäule 103 zurückgeleitet. Vorzugsweise wird ein flüssiger Stickstoffstrom 115 direkt als Rückfluss am oberen Ende der ersten Destillationssäule 103 eingeleitet, und diese Säule hat keinen Kondensator. Gegebenenfalls kann die erste Destillationssäule 103 einen Kondensator (nicht gezeigt) aufweisen, und der flüssige Stickstoffstrom 115 kann als Kühlmedium in diesem bedarfswei se eingesetzten Kondensator verwendet werden, anstatt als Rückfluss direkt zur ersten Destillationssäule 103 geführt zu werden. Jedoch wird dieses Verfahren meistens weniger bevorzugt.
Ein Beispiel einer Computersimulation für die in 4 gezeigte Ausführungsform ist in Tabelle 1 zu sehen. Jeder Säulenabschnitt enthält entweder Böden oder eine Packung, die acht (8) theoretischen Stufen gleichwertig ist.
Tabelle 1 Beispiel einer Computersimulation für die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung ist wertvoll, weil sie ein kontinuierliches Destillationsverfahren vorstellt, das umweltfreundlicher als diskontinuierliche Destillationsverfahren ist und eine wirtschaftliche Produktion im größeren Maßstab ermöglicht. Im diskontinuierlichen Destillationsverfahren müssen die Edukte und die Zwischenprodukte bis zum Gebrauch gelagert werden. Wenn der Produktionsmaßstab signifikant zunimmt, ist eine Lagerung in mehreren Tanks erforderlich, und das Umfüllen größerer Mengen an Material aus solchen verschiedenen Lagertanks ist mühsam und bietet öfter Gelegenheit für ein unkontrolliertes Austreten bzw. eine Freisetzung in die Umwelt. Auch entstehen bei häufigem Anfahren und Anhalten einer Säule für die diskontinuierliche Destillation mehr Materialfraktionen, die den Produktspezifikationen nicht entsprechen und dann zwischengelagert und rückgeführt werden müssen, wobei sie leicht in die Umwelt entweichen könnten.
Die Erfindung stellt ein sicheres und wirtschaftliches, kontinuierliches kryogenes Destillationsverfahren für die Reinigung von Stickstofftrifluorid zur Verfügung. Die erwünschte Trennung wird bei maximaler Gewinnung und ohne Freisetzung von Fluorverbindungen in die Umwelt erreicht. Die Verwendung eines direkten flüssigen Stickstoffrückflusses verhindert, dass Stickstofftrifluorid in die Umwelt entweicht. Da außerdem ein Strom, der schwere Komponenten und NF₃ enthält, kontinuierlich wieder ins Verfahren eingeleitet werden kann, wird kein NF₃ in die Umwelt freigesetzt. Das Verfahren lässt sich einfacher betreiben als Verfahren des Standes der Technik.
Obwohl die Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurde, ist sie nicht auf die dargestellten Details beschränkt.

Claims

Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem Multikomponentenfluid, das NF₃ mit einer ersten Flüchtigkeit, eine oder mehrere Komponenten mit geringerer Flüchtigkeit als NF₃ und eine oder mehrere Komponenten mit höherer Flüchtigkeit als NF₃ umfasst, wobei in dem Verfahren eine erste Destillationssäule und eine zweite Destillationssäule verwendet werden und jede Destillationssäule ein oberes und unteres Ende aufweist, umfassend die Schritte: Einspeisen des Multikomponentenfluids in die erste Destillationssäule an einer ersten Zufuhrstelle; Einspeisen einer kryogenen Flüssigkeit in die erste Destillationssäule an einer Stelle oberhalb der ersten Zufuhrstelle; Entfernen der leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der ersten Destillationssäule; Abziehen eines Gemischs, das NF₃ und die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, aus der ersten Destillationssäule an einer Stelle unterhalb der Zufuhrstelle; Einspeisen des Gemischs in die zweite Destillationssäule an einer zweiten Zufuhrstelle; Abtrennen von NF₃ vom Gemisch in der zweiten Destillationssäule; und Entfernen eines NF₃-Stroms vom oberen Ende der zweiten Destillationssäule.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem den Schritt der Entfernung eines Stroms, der die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, vom Boden der zweiten Destillationssäule umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem folgende Schritte umfasst: Abziehen eines flüssigen Stroms aus der zweiten Destillationssäule an oder nahe der zweiten Zufuhrstelle; Einspeisen des flüssigen Stroms in die erste Destillationssäule an einer Stelle unterhalb der ersten Zufuhrstelle und Entfernen eines Stroms, der die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, vom Boden der ersten Destillationssäule.
Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem Multikomponentenfluid, das NF₃ mit einer ersten Flüchtigkeit, eine oder mehrere Komponenten mit geringerer Flüchtigkeit als NF₃ und eine oder mehrere Komponenten mit höherer Flüchtigkeit als NF₃ umfasst, wobei in dem Verfahren eine erste Destillationssäule und eine zweite Destillationssäule verwendet werden und jede Destillationssäule ein oberes und unteres Ende aufweist, umfassend die Schritte: Einspeisen des Multikomponentenfluids in die erste Destillationssäule an einer ersten Zufuhrstelle; Entfernen der schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten vom Boden der ersten Destillationssäule; Abziehen eines Gemischs, das NF₃ und die leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten enthält, aus der ersten Destillationssäule an einer Stelle oberhalb der ersten Zufuhrstelle; Einspeisen des Gemischs in die zweite Destillationssäule an einer zweiten Zufuhrstelle; Einspeisen einer kryogenen Flüssigkeit in die zweite Destillationssäule an einer Stelle oberhalb der zweiten Zufuhrstelle; Entfernen der leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der zweiten Destillationssäule; und Entfernen eines NF₃-Stroms vom Boden der zweiten Destillationssäule.
Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem Multikomponentenfluid, das NF₃ mit einer ersten Flüchtigkeit, eine oder mehrere Komponenten mit geringerer Flüchtigkeit als NF₃ und eine oder mehrere Komponenten mit höherer Flüchtigkeit als NF₃ umfasst, wobei in dem Verfahren eine erste Destillationssäule und eine zweite Destillationssäule verwendet werden und jede Destillationssäule ein oberes und unteres Ende aufweist, umfassend die Schritte: Einspeisen des Multikomponentenfluids in die erste Destillationssäule an einer ersten Zufuhrstelle; Einspeisen einer kryogenen Flüssigkeit in die erste Destillationssäule an einer Zufuhrstelle oberhalb der ersten Zufuhrstelle; Entfernen der leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten vom oberen Ende der ersten Destillationssäule; Abziehen eines Gemischs, das NF₃ enthält, aus der ersten Destillationssäule an einer Zwischenposition zwischen der ersten Zufuhrstelle und der zweiten Zufuhrstelle; Einspeisen des Gemischs in die zweite Destillationssäule an oder nahe deren oberem Ende; Entfernen eines dampfförmigen Stroms vom oberen Ende der zweiten Destillationssäule; Einspeisen des dampfförmigen Stroms in die erste Destillationssäule an einer Stelle oberhalb der ersten Zufuhrstelle; Entfernen eines NF₃-Stroms vom Boden der zweiten Destillationssäule; und Entfernen der schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten vom Boden der ersten Destillationssäule.
Verfahren zur Gewinnung von NF₃ aus einem Multikomponentenfluid, das NF₃ mit einer ersten Flüchtigkeit, eine oder mehrere Komponenten mit geringerer Flüchtigkeit als NF₃ und eine oder mehrere Komponenten mit höherer Flüchtigkeit als NF₃ umfasst, wobei in dem Verfahren eine erste Destillationssäule und eine zweite Destillationssäule verwendet werden und jede Destillationssäule ein oberes und unteres Ende aufweist, umfassend die Schritte: Einspeisen des Multikomponentenfluids in die erste Destillationssäule an einer ersten Zufuhrstelle unter dem oberen Ende der ersten Destillationssäule; Einspeisen einer kryogenen Flüssigkeit in die erste oder zweite Destillationssäule nahe dem oberen Ende der ersten oder zweiten Destillationssäule; Abziehen eines NF₃ enthaltenden Gemischs aus der ersten Destillationssäule; Einspeisen des Gemischs in die zweite Destillationssäule an einer zweiten Zufuhrstelle; Abtrennen von NF₃ vom Gemisch in der zweiten Destillationssäule; und Entfernen eines NF₃-Stroms aus der zweiten Destillationssäule.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die kryogene Flüssigkeit aus der aus flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Helium und deren Gemischen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die NF₃-Konzentration im Multikomponentenfluid mehr als etwa 5 Mol-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die schwerer als NF₃ flüchtigen Komponenten Dinitrogenoxid und/oder Fluorwasserstoff einschließen und bei dem die leichter als NF₃ flüchtigen Komponenten Stickstoff und/oder Sauerstoff einschließen.