DE60118329T2

DE60118329T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stickstofftrifluorid

Info

Publication number: DE60118329T2
Application number: DE60118329T
Authority: DE
Inventors: Jr. Donald Prentice Berkeley Heights Satchell; Johannes Petrus Moreleta Park Le Roux
Original assignee: BOC Group Inc; South African Nuclear Energy Corp Ltd
Current assignee: Messer LLC; South African Nuclear Energy Corp Ltd
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: EP1215169A1; KR100839274B1; JP4188590B2; SG101529A1; ATE321732T1; AU9718001A; EP1215169B1; KR20020047000A; ZA200110101B; CN100333993C; JP2002201011A; AU782332B2; TWI250126B; US6986874B2; US20020127167A1; DE60118329D1; CN1358665A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Stickstofftrifluorid und Fluorwasserstoff aus Ammoniak und elementarem Fluor unter Verwendung eines Ammoniumhydrogenfluoridschmelzezwischenprodukts.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Stickstofftrifluorid kann mit Hilfe der Gasphasenreaktion von Ammoniak und Fluor hergestellt werden. Reaktion 1 veranschaulicht die gewünschte Herstellungsreaktion der Gasphase NF₃. 3F2(g) + NH3(g) → NF3(g) + 3HF(g)(ΔH = –904 KJ/g mol NF3) Reaktion 1wobei (g) die Gasphase bezeichnet. Oftmals wird ein fester Katalysator verwendet, um die erforderliche Betriebstemperatur zu senken, wodurch der Ertrag an NF₃ vergrößert wird. Jedoch ist es bei dieser äußerst exothermen Reaktion sehr schwierig, die Reaktortemperatur zu regeln. Folglich erzeugt die Ammoniak- und Fluor-Gasphasenreaktion wesentliche Mengen an HF, N₂, N₂F₂ und NH₄F, wobei die Erträge an NF₃ typischerweise wesentlich weniger als zehn Prozent betragen.
U.S.-Patent Nr. 4,091,081 lehrt ein ergiebigeres Verfahren, das Stickstofftrifluorid [NF₃] und als Nebenprodukt Ammoniumhydrogenfluorid [NH₄F(HF)x] erzeugt, indem ein geschmolzenes Ammoniumhydrogenfluorid [NH₄F(HF)x] mit gasförmigem Fluor [F₂] und Ammoniak [NH₃] in Kontakt gebracht wird. U.S.-Patent Nr. 5,637,285 beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem der Ertrag weiter erhöht wird, indem ein hohes Niveau an Mischintensität verwendet wird und ein Ammoniumhydrogenfluorid ein HF/NH₃-Molverhältnis von mehr als 2,55 (äquivalent zu einem Schmelzsäurewert x von mehr als 1,55) aufweist. Jedoch ist das Verfahren, das in dem Patent '285 beschrieben ist, aus mehreren Gründen unerwünscht. Das Verfahren, das in dem Patent '285 offenbart ist, erzeugt einen Ammoniumhydrogenfluoridabstoffstrom, wodurch Entsorgungsprobleme hervorgerufen werden. Des Weiteren ist es schwierig, das HF/NH₃-Molverhältnis oder den x-Wert des Massenammoniumhydrogenfluorids [NH₄F(HF)x] auf dem gewünschten Niveau zu halten. Es bleibt in der Technik ein Bedarf nach einem ergiebigen Verfahren zur Herstellung von Stickstofftrifluorid ohne die oben genannten Nachteile bestehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Stickstofftrifluorid unter Verwendung eines Ammoniumhydrogenfluoridschmelzezwischenprodukts ohne die Erfordernis einer genauen Regelung des Schmelzsäurewerts. Die vorliegende Erfindung umfasst das Kontaktieren eines fluorhaltigen Zuflusses mit flüssigem Ammoniumhydrogenfluorid, beispielsweise mit der Säure-Base-Stöchiometrie NH₄F(HF)_x, wobei x der Schmelzsäurewert ist, in einem Reaktionsbereich für eine Zeitdauer und unter Bedingungen, die ausreichen, um Stickstofftrifluorid zu erzeugen. Während des Kontaktierungsschritts nimmt der effektive Schmelzsäurewert des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids, das die gasförmige Zufuhr berührt, ab, während der Massenschmelzsäurewert etwa konstant gehalten wird. Vorzugsweise wird der effektive Schmelzsäurewert von einem Wert oberhalb des Optimalwerts, der den höchsten Stickstofftrifluoridertrag bei den Betriebsbedingungen des Reaktionsbereichs ergibt, auf etwa den Optimalwert verringert. Ein Reaktionsproduktstrom, der Stickstofftrifluorid enthält, wird aus dem Reaktionsbereich entfernt. Auf diese Weise wird die Erzeugung des unerwünschten Nebenprodukts Stickstoff unterdrückt, ohne Ertragsverlust oder ohne eine genaue Regelung des Massenschmelzsäurewerts x auf einen einzelnen Wert zu erfordern.
Ein bestimmtes Verfahren zur Senkung des effektiven Schmelzsäurewerts während des Kontaktierungsschritts besteht darin, den fluorhaltigen Zufluss in einer Reihe von Reaktoren mit dem flüssigen Ammoniumhydrogenfluorid zu berühren, wobei jeder nachfolgende Reaktor Ammoniumhydrogenfluorid mit einem fortschreitend niedrigeren Schmelzsäurewert enthält. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der abnehmende effektive Schmelzsäurewert dadurch erreicht, dass ein gasförmiges Gemisch aus elementarem Fluor und Fluorwasserstoff gebildet wird. Das gasförmige Gemisch wird für eine Zeitdauer und unter Bedingungen, die ausreichen, um Stickstofftrifluorid zu erzeugen, in einem Reaktionsbereich mit flüssigem Massenammoniumhydrogenfluorid in Kontakt gebracht. Aufgrund des Vorhandenseins des Fluorwasserstoffs in der gasförmigen Zufuhr ist der anfängliche effektive Schmelzsäurewert in dem Reaktionsbereich größer als der Schmelzsäurewert des flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorids. Bei einer Ausführungsform ist der anfängliche effektive Schmelzsäurewert mindestens um etwa 0,05 größer als der Schmelzsäurewert des flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorids in dem Reaktionsbereich, vorzugsweise mindestens um etwa 0,1 größer und bevorzugter mindestens um etwa 0,3 größer. Der Schmelzsäurewert des flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorids beträgt vorzugsweise weniger als etwa 1,8, bevorzugter weniger als etwa 1,6.
Bei einer Ausführungsform wird ein Reaktionsproduktstrom, der Stickstofftrifluorid und mitgeführtes flüssiges Ammoniumhydrogenfluorid umfasst, aus dem oben beschriebenen Reaktionsbereich entfernt. Der Reaktionsproduktstrom wird vorzugsweise in einen Regenerationsbereich, wie beispielsweise einen separaten Rührbehälter, eingeleitet, wobei der Betriebsdruck des Regenerationsbereichs niedriger als der Betriebsdruck des Reaktionsbereichs ist, wodurch die Freigabe von gasförmigem Fluorwasserstoff aus dem mitgeführten flüssigen Ammoniumhydrogenfluorid verursacht wird. Ein Regenerationsproduktstrom, der Stickstofftrifluorid und Fluorwasserstoff enthält, kann daraufhin aus dem Regenerationsbereich entfernt werden und in einen separaten Bereich eingeleitet werden, um den Fluorwasserstoff von dem Stickstofftrifluorid zu trennen. Mindestens ein Teil des in dem separaten Bereich getrennten Fluorwasserstoffs wird vorzugsweise zur Verwendung in dem gasförmigen Zufuhrgemisch zum Reaktionsbereich zurückgeführt und verdampft.
Es ist ebenfalls vorzuziehen, flüssiges Ammoniumhydrogenfluorid aus dem Regenerationsbereich zum Reaktionsbereich zurückzuführen. Bei einer Ausführungsform reicht die Strömungsrate von zum Reaktionsbereich zurückgeführtem flüssigem Ammoniumhydrogenfluorid aus, um der äußerst exothermen Reaktionswärme der Stickstofftrifluoriderzeugung entgegenzuwirken. Beispielsweise ist es wünschenswert, dass die Strömungsrate des zurückgeführten Ammoniumhydrogenfluorids mindestens etwa dem 1000fachen der stöchiometrischen Strömungsrate, die erforderlich ist, um mit dem Fluor in dem Zufluss zu reagieren, bevorzugter mindestens etwa dem 2000fachen und sogar mindestens etwa dem 2500fachen der stöchiometrischen Strömungsrate entspricht. Das zurückgeführte flüssige Ammoniumhydrogenfluorid wird vorzugsweise durch einen Gas-Flüssigkeit-Abscheidebehälter geleitet, um eine Gasphase von dem flüssigen Ammoniumhydrogenfluorid zu trennen, bevor das Ammoniumhydrogenfluorid zum Reaktionsbereich zurückgeführt wird. Die Gasphase, die in dem Abscheidebehälter gesammelt wird, wird mit dem Regenerationsproduktstrom kombiniert.
Ein Zusatzstrom aus Ammoniumhydrogenfluorid kann nach Bedarf in das Verfahren der vorliegenden Erfindung eingeleitet werden. Der Zusatzstrom kann durch Reagieren von Ammoniak mit Fluorwasserstoff in einem zweiten Reaktionsbereich erzeugt werden. Vorzugsweise wird der Zusatzammoniumhydrogenfluoridstrom in den Regenerationsbereich eingeleitet. Bei einer Ausführungsform wird der Zusatzammoniumhydrogenfluoridstrom beispielsweise in einem Brüdenabscheider mit dem Regenerationsproduktstrom in Kontakt gebracht, um mitgeführtes Ammoniumhydrogenfluorid aus dem Regenerationsproduktstrom zurückzugewinnen. Alternativ kann Ammoniak direkt zum ersten Reaktionsbereich geleitet werden, um das Ammoniumhydrogenfluorid zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung schafft ebenfalls eine Vorrichtung zur Herstellung von Stickstofftrifluorid. Die Vorrichtung kann eine Zufuhr eines gasförmigen Gemisches aus elementarem Fluor und Fluorwasserstoff sowie einen ersten Reaktor umfassen, der mit der Zufuhr des gasförmigen Gemisches in Fluidkommunikation steht. Der Reaktor umfasst vorzugsweise einen Reaktionsbereich und einen Auslass, wobei der Reaktionsbereich so betriebsfähig positioniert ist, dass das gasförmige Gemisch mit einem flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorid in Kontakt gebracht wird. Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Regenerator umfassen, der mit dem Auslass des ersten Reaktors in Fluidkommunikation steht und einen Regenerationsbereich und einen Produktauslass umfasst. Der Regenerationsbereich ist so betriebsfähig positioniert, dass ein Regenerationsproduktstrom, der Stickstofftrifluorid und Fluorwasserstoff umfasst, von dem flüssigen Ammoniumhydrogenfluorid getrennt wird. Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Abscheider umfassen, der mit dem Produktauslass des Regenerators in Fluidkommunikation steht. Der Abscheider umfasst einen Gasauslass und einen Flüssigkeitsauslass, wobei der Abscheider so betriebsfähig positioniert ist, dass Fluorwasserstoff in flüssiger Form von gasförmigem Stickstofftrifluorid getrennt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem die Erfindung somit im Allgemeinen beschrieben wurde, wird im Folgenden auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind, und wobei:
1 ein Verfahrensablaufdiagramm einer Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Diagramm der geschätzten Reaktionsverteilung von F2(c₁, c₂ und c₃) als Funktion des Schmelzsäurewerts x von NH₄F(HF)_x in Chargenlaborexperimenten ist; und
3 ein Diagramm des Stickstofftrifluoridertrags als Funktion des Schmelzsäurewerts x von NH₄F(HF)_x bei unterschiedlichen Fluorwasserstoffteildrücken in der Fluorzufuhr ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen verwirklicht werden und ist nicht als auf die hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt zu verstehen; stattdessen werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und Fachleuten den Bereich der Erfindung völlig vermittelt. Gleiche Nummern bezeichnen durchweg gleiche Elemente.
Der Begriff „Ammoniumhydrogenfluorid", wie er hierin verwendet wird, umfasst sämtliche Ammoniumpoly(-Hydrogenfluorid)-Komplexe und Ammoniumfluormetallatpoly(-Hydrogenfluorid)-Komplexe. Die Ammoniumhydrogenfluoridzusammensetzungen können generisch mit Hilfe der Säure-Base-Stöchiometrie von NH₄M_yF_z(HF)_x beschrieben werden, wobei M ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Folgendem besteht: Gruppe IA bis VA, Gruppe IB bis VIIB und Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente oder Mischungen davon; y typischerweise 0–12 beträgt; z typischerweise 1–12 beträgt und so ausgewählt wird, dass die Ladungsneutralität des Komplexes aufrechterhalten wird; und x der Schmelzsäurewert ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt y 0 und z 1, wodurch sich ein Komplex mit einer Säure-Base-Stöchiometrie von NH₄F(HF)_x ergibt. Jedoch können andere Ammoniumhydrogenfluoridkomplexe verwendet werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine vereinfachte Beschreibung der NF₃-Herstellungsverfahrenschemie, die an der vorliegenden Erfindung beteiligt ist, wird im Folgenden gegeben. Das Ammoniumhydrogenfluoridschmelzezwischenprodukt NH₄F(HF)_x, wobei x der Schmelzsäurewert ist, wird typischerweise durch Reaktion von gasförmigem Ammoniak entweder mit gasförmigem HF mit Hilfe der unten genannten Reaktion 2 oder mit der NH₄F(HF)_x Schmelze mit Hilfe der unten genannten Reaktion 3 gebildet. NH3(g) + (1 + x)HF(g) → NH4F(HF)x(λ) Reaktion 2 NH3(g) + αNH4F(HF)x+(x+1)/α(λ) → (α + 1)NH4F(HF)x (λ)Reaktion 3wobei (λ) eine Spezies in der flüssigen Phase bezeichnet.
Das Ammoniumhydrogenfluoridprodukt aus entweder Reaktion 2 oder Reaktion 3 kann mit einer gasförmigen Fluorzufuhr reagieren, um das gewünschte Stickstofftrifluoridprodukt mit Hilfe der unten genannten Reaktion 4 zu erzeugen. 3c1F2(g) + c1(α + 1)NH4F(HF)x(λ) → c1NF3(g) + αc1NH4F(HF)x(λ) + c1(4 + x) HF(λ) Reaktion 4wobei c₁ der Bruchteil der F₂-Zufuhr ist, der reagiert, um NF₃ zu erzeugen, und α das Verhältnis der Produktrate von NH₄F(HF)_x(λ) zu seiner stöchiometrischen Zufuhrrate ist.
Die größere konkurrierende Reaktion, unten genannte Reaktion 5, erzeugt N₂ anstelle von NF₃. 3c2F2(g) + c2(α + 2)NH4F(HF)x → c2N2 + αc2NH4F(HF)x + c2(8 + 2x)HF(λ) Reaktion 5wobei c₂ der Bruchteil der F₂-Zufuhr ist, der reagiert, um N₂ zu erzeugen.
Alternativ könnte F₂ durch den NF₃-Reaktor geleitet werden, ohne zu reagieren, wie unten in Reaktion 6 gezeigt. c3F2(g) → c3F2(g) Reaktion 6wobei c₃ der Bruchteil der F₂-Zufuhr ist, der nicht reagiert. Die oben genannte Analyse setzt voraus, dass die Reaktionen 4 bis 6 alle die Fluorreaktionen (c₁ + c₂ + c₃ = 1) beschreiben.
Das HF-Nebenprodukt kann durch Verdampfen mit Hilfe der Reaktion 7 aus der NH₄F(HF)_x-Schmelze entfernt werden. c1(4 + x)HF(λ) + c2(8 + 2x)HF(λ) → c1(4 + x)HF(g) + c2(8 + 2x)HF(g) Reaktion 7
2 ist ein Diagramm der geschätzten Reaktionsertragsverteilung von F₂(c₁, c₂ und c₃) in NF₃-Laborchargenexperimenten bei einer gegebenen Reihe von Verfahrensparametern. Diese Analyse weist darauf hin, dass Reaktion 5 für NH₄F(HF)_x-Schmelzsäurewerte, die geringer als der Optimalwert sind (d.h. geringer als der Schmelzwert, der den höchsten NF₃-Ertrag ergibt), primär für eine geringere NF₃-Umwandlung verantwortlich ist. Für NH₄F(HF)_x-Schmelzsäurewerte, die größer als der Optimalwert sind, ist nicht reagiertes F₂ (Reaktion 6) primär für eine geringere NF₃-Umwandlung verantwortlich.
2 veranschaulicht ebenfalls den herkömmlichen F₂-Reaktionspfad A und den bevorzugten F₂-Reaktionspfad B. Bei der Methode, die in U.S.-Patent Nr. 5,637,285 beschrieben ist, wird Fluor entweder in einer einzelnen Blasensäule oder in einem einzelnen Rührbehälter mit der NH₄F(HF)_x-Schmelze in Kontakt gebracht. Beide Reaktortypen arbeiten im Wesentlichen auf einem einzigen NH₄F(HF)_x-Säurepegel, so dass die F₂-Zufuhr in Gegenwart eines konstanten Schmelzsäurewerts in NF₃ umgewandelt wird, wie durch Pfad A gezeigt. Im Gegensatz dazu wird bei dem bevorzugten Reaktionspfad B anfänglich das Fluorgas mit einer NH₄F(HF)_x-Schmelze in Kontakt gebracht, die einen x-Säurewert aufweist, der größer als der Optimalwert ist, was niedrigere Fluorreaktionsraten, jedoch eine höhere NF₃-Selektivität zur Folge haben würde, und daraufhin wird das Fluor mit NH₄F(HF)_x-Schmelzen in Kontakt gebracht, die fortschreitend niedrigere x-Säurewerte aufweisen, um bei einer nur geringfügigen Abnahme der NF₃-Selektivität fortschreitend höhere F₂-Reaktionsraten zu erzielen. Mit dieser Methode könnte ohne genaue Kenntnis des optimalen NH₄F(HF)_x-Schmelzsäurewerts oder der sorgfältigen Regelung des NH₄F(HF)_x-Massenschmelzsäurewerts x eine nahezu optimale NF₃-Umwandlung erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ein effizientes Verfahren und eine effiziente Vorrichtung zur Herstellung von Stickstofftrifluorid, das bzw. die ein Ammoniumhydrogenfluoridzwischenprodukt verwendet, ohne eine genaue Aufrechterhaltung des Schmelzsäurewerts des Massenammoniumhydrogenfluorids auf einem optimalen Sollwert zu erfordern. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein fluorhaltiger Zufluss mit einem flüssigen Ammoniumhydrogenfluorid, wie beispielsweise [NH₄F(HF)_x], wobei x der Schmelzsäurewert ist, für eine Zeitdauer und unter Bedingungen, die ausreichen, um Stickstofftrifluorid zu erzeugen, in Kontakt gebracht. Um den oben beschriebenen Reaktionspfad B besser nachzuahmen, wird der effektive Schmelzsäurewert x des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids, das mit dem fluorhaltigen Zufluss in Kontakt steht, während des Kontaktierungsschritts verringert. Der „effektive Schmelzsäurewert x" des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids, das mit den fluorhaltigen Gasblasen in Kontakt steht, ist der Schmelzsäurewert, der mit dem Fluorwasserstoffteildruck (HF-Teildruck) in den fluorhaltigen Gasblasen bei den Betriebsbedingungen des Reaktors (d.h. der Temperatur und dem Druck des Reaktors) im Gleichgewicht stehen würde. Vorzugsweise umfasst der Verringerungsschritt die Verringerung des effektiven Schmelzsäurewerts des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids von einem Wert oberhalb des Optimalwerts, der den höchsten Stickstofftrifluoridertrag bei den Bedingungen des Reaktionsbereichs ergibt, auf etwa den Optimalwert. Der anfängliche effektive Schmelzsäurewert ist mindestens um etwa 0,05 größer als der Schmelzsäurewert des flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorids in dem Reaktionsbereich, vorzugsweise ist er mindestens um etwa 0,1 größer oder er ist mindestens um etwa 0,3 größer. Bei einer Ausführungsform wird der Säurewert beispielsweise von einem anfänglichen Wert von etwa 1,8 bis etwa 2,0 auf einen niedrigeren Wert von etwa 1,6 bis etwa 1,8 verringert.
Bei einer Ausführungsform findet der Kontaktierungsschritt in einer Reihe von Reaktoren oder Stufen statt, wie beispielsweise Rührbehältern oder Blasensäulen, wobei jeder nachfolgende Reaktor Ammoniumhydrogenfluorid mit einem fortschreitend niedrigeren Massenschmelzsäurewert x enthält. Bei dieser Ausführungsform wird das fluorhaltige Gas vorzugsweise mit dem Ammoniumhydrogenfluorid in einer Strömung gegen den Strom in Kontakt gebracht. Wenn der fluorhaltige Gasstrom einen ersten Reaktor oder eine erste Stufe verlässt, steht der HF-Teildruck in dem fluorhaltigen Strom mit dem Massenschmelzsäurewert x des Ammoniumhydrogenfluorids der ersten Stufe im Gleichgewicht. Folglich ist der anfängliche effektive Schmelzsäurewert x des Ammoniumhydrogenfluorids in der zweiten Stufe höher als der Massenschmelzsäurewert x der zweiten Stufe und so weiter.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die nur eine einzelne Reaktionsstufe benötigt, wird Fluorwasserstoff [HF] zur elementaren Fluorzufuhr hinzugefügt, so dass der effektive Schmelzsäurewert x größer als der Schmelzsäurewert x des Massenammoniumhydrogenfluorids ist, wenn das gasförmige Zufuhrgemisch das flüssige Massenammoniumhydrogenfluorid in dem Reaktionsbereich anfänglich kontaktiert. Der effektive Schmelzsäurewert des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids, das mit den fluorhaltigen Gasblasen in Kontakt steht, nimmt ab, wenn die Gasblasen durch den Reaktionsbereich strömen. Wie oben erwähnt, ist der effektive Schmelzsäurewert x des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids, das mit den fluorhaltigen Gasblasen in Kontakt steht, der Schmelzsäurewert, der mit dem HF-Teildruck in der Gasblase bei den Betriebsbedingungen des Reaktors im Gleichgewicht stehen würde. Der anfängliche effektive Schmelzsäurewert x ist der Schmelzsäurewert x, der mit dem HF-Teildruck in dem fluorhaltigen Zufluss zum Reaktionsbereich im Gleichgewicht stehen würde, wenn die Blase in den Reaktionsbereich eintritt. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Gasblase aus dem Reaktionsbereich austritt, steht der HF-Teildruck der Gasblase im Wesentlichen mit dem Massenschmelzsäurewert im Gleichgewicht. Daher entspricht der effektive Schmelzsäurewert x etwa dem Massenschmelzsäurewert, wenn die Gasblase aus dem Reaktionsbereich austritt. Der Schmelzsäurewert x des Massenammoniumhydrogenfluorids ist als Säurewert des Massenvolumens von Ammoniumhydrogenfluorid, das in dem Reaktionsbereich enthalten ist, definiert. Da das Ammoniumhydrogenfluorid in dem Reaktionsbereich typischerweise gut vermischt ist, kann angenommen werden, dass der Massensäurewert im gesamten Reaktionsbereich gleichförmig ist. Der Reaktionsbereich ist als der Ort definiert, in dem das Ammoniumhydrogenfluorid und die fluorhaltige Zufuhr unter Bedingungen in Kontakt gebracht werden, unter denen Stickstofffluorid erzeugt werden kann.
Im Wesentlichen ermöglicht die Hinzufügung von Fluorwasserstoff zur Reaktorzufuhr jeder gasförmigen Zufuhrblase, entlang des bevorzugten Reaktionspfads B zu wandern, wie in 2 gezeigt. Wenn beispielsweise jede F₂-HF-Blase durch eine Massenammoniumhydrogenfluoridschmelze mit einem Schmelzsäurewert auf oder etwas unter dem optimalen Pegel strömt, liegt der effektive Schmelzsäurewert anfänglich bei oder über dem optimalen Säurewert und nimmt danach ab, wenn die Blase mit dem Ammoniumhydrogenfluorid interagiert. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die fluorhaltige Blase aus dem Reaktionsbereich austritt, steht der Fluorwasserstoffteildruck in der Blase im Wesentlichen mit dem Schmelzsäurewert des Massenammoniumhydrogenfluorids im Gleichgewicht. Für eine Blase, die den Reaktionsbereich verlässt, entspricht der effektive Schmelzsäurewert folglich im Wesentlichen dem Massenschmelzsäurewert.
Gleichung E1 bietet eine nützliche Schätzung des effektiven Schmelzsäurewerts x von NH₄F(HF)_x für ein Zufuhrgas, das Fluorwasserstoff und elementares Fluor enthält.
wobei t die Schmelztemperatur von NH₄F(HF)_x in °C, x der Schmelzsäurewert und P der Fluorwasserstoffdampfdruck in mm Hg ist. Ein komplizierender Faktor ist, dass der tatsächliche Fluorwasserstoffteildruck eine wesentliche Funktion anderer Betriebsbedingungen des Reaktionsbereichs sein kann, insbesondere des Wassergehalts. Der Fluorwasserstoffteildruck nimmt bei kleinen Zunahmen des Wassergehalts des Ammoniumhydrogenfluorids drastisch ab. Trotz dieser und anderer ähnlicher Beschränkungen zeigt die praktische Erfahrung, dass Gleichung E1 eine zuverlässige Orientierungshilfe für die Einstellung des Fluorwasserstoffteildrucks in dem Zufuhrgas, das elementares Fluor enthält, bereitstellt. Wie oben erwähnt, ist der HF-Teildruck in der Fluorzufuhr so eingestellt, dass der anfängliche effektive Schmelzsäurewert x des Ammoniumhydrogenfluorids größer als der gemessene Schmelzsäurewert x des Massenammoniumhydrogenfluorids ist.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung ist in 1 veranschaulicht. Wie hierin angemerkt, wird ein Zufluss 1, der elementares Fluor enthält, dem Reaktor 100 zugeführt. Der Zufluss des Stroms 1 beträgt typischerweise zwischen etwa 0,01 und etwa 0,05 Kubikmeter pro Quadratmeter Querschnittsfläche des Behälters pro Sekunde. Wie in 1 schematisch angemerkt, wird der fluorhaltige gasförmige Zufluss 1 mit einem gasförmigen Fluorwasserstoffstrom bei der Mischposition 12 gemischt. Typischerweise wird ein zurückgeführter flüssiger Fluorwasserstoffstrom 5 vor dem Mischen mit dem fluorhaltigen Zufluss 1 unter Verwendung einer Heizvorrichtung 1000 verdampft. Das resultierende gasförmige Gemisch 14 aus Fluor und Fluorwasserstoff wird daraufhin in den Reaktor 100 geleitet. Vorzugsweise beträgt der Teildruck des Fluorwasserstoffs in der gasförmigen Zufuhrmischung 14 mindestens etwa 15 kPa (äquivalent zu einem effektiven Schmelzsäurewert x von Ammoniumhydrogenfluorid von mindestens etwa 1,49), bevorzugter mindestens etwa 25 kPa (äquivalent zu einem effektiven Schmelzsäurewert von Ammoniumhydrogenfluorid von mindestens etwa 1,67) bei einer Betriebstemperatur des Reaktors 100 von 130°C. Bei einer Ausführungsform beträgt der HF-Teildruck in dem Zufluss 14 etwa 15 bis etwa 60 kPa, vorzugsweise etwa 30 bis etwa 50 kPa bei den Betriebsbedingungen des Reaktors 100.
Ein zurückgeführter Ammoniumhydrogenfluoridstrom 6[NH₄F(HF)_x-Strom] wird ebenfalls in den Reaktor 100 geleitet. Wie gezeigt, kann das gasförmige Zufuhrgemisch 14 vor dem Eintritt in den Reaktor 100 mit dem zurückgeführten Strom 6 kombiniert werden, obwohl dies nicht erforderlich ist. Bei dieser Ausführungsform umfasst der „Reaktionsbereich" den Abschnitt der Rohrleitung, der in den Reaktor 100 führt, nachdem die beiden Ströme gemischt sind. Alternativ könnten die beiden Ströme 6 und 14 an separaten Stellen in den Reaktor 100 eintreten. Der zurückgeführte Ammoniumhydrogenfluoridstrom 6 tritt vorzugsweise mit einer Strömungsrate von mindestens etwa dem 1000fachen der stöchiometrischen Zufuhrrate in den Reaktor 100 ein, bevorzugter von mindestens etwa dem 2000fachen der stöchiometrischen Zufuhrrate, und am meisten wird mehr als etwa das 2500fache der stöchiometrischen Zufuhrrate bevorzugt.
Bei einer Ausführungsform weist die Ammoniumhydrogenfluoridschmelze, die in den Reaktor 100 eintritt, einen Massenschmelzsäurewert von weniger als etwa 1,8, bevorzugter von weniger als etwa 1,6 auf. Bei einer Ausführungsform beträgt der Massenschmelzsäurewert in dem Reaktor 100 etwa 1,5 oder weniger. Wie oben erläutert, verursacht das Vorhandensein des Fluorwasserstoffs in dem gasförmigen Zufluss 14, dass der anfängliche effektive Schmelzsäurewert des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids, das die gasförmige Zufuhr kontaktiert, höher ist als der Säurewert des Massenschmelzmaterials in dem Reaktor 100. Vorzugsweise ist der anfängliche effektive Schmelzsäurewert mindestens um etwa 0,05 größer als der Schmelzsäurewert des Massenammoniumhydrogenfluorids in dem Reaktor 100, bevorzugter ist er mindestens um etwa 0,1 größer oder er ist mindestens um etwa 0,3 größer.
Da der Stickstofftrifluoridertrag mit abnehmender Temperatur zunimmt, bis der Schmelzpunkt der Ammoniumhydrogenfluoridschmelze erreicht ist, ist es vorteilhaft, den Reaktor 100 bei niedrigeren Temperaturen zu betreiben und die Temperaturgradienten zu minimieren. Trotz der sehr starken exothermen Reaktionswärme, die an der Produktion des Stickstofftrifluorids beteiligt ist, kann der maximale Temperaturanstieg in dem Reaktor 100 auf nicht mehr als etwa 4–5°C begrenzt werden, indem eine hohe Strömungsrate des Ammoniumhydrogenfluoridstroms 6 verwendet wird. Darüber hinaus stellen der Reaktor 100, der Regenerator 200 (weiter unten erörtert) und die verbindende Rohrleitung einen umfangreichen Oberflächenbereich zur Ableitung von übermäßiger Wärme von der Vorrichtung 10 bereit. Wenn des Weiteren die verbindende Rohrleitung zwischen dem Reaktor 100 und dem Regenerator 200 eine angemesse Größe aufweist, ist die Strömungsrate des zurückgeführten Stroms 6 etwa proportional zur Strömungsrate des fluorhaltigen Zuflusses 1, die ihrerseits etwa proportional zur Reaktionswärme ist. Somit nimmt der maximale Temperaturanstieg im Reaktor 100, wenn überhaupt, bei einer zunehmenden Strömungsrate des Fluorzuflusses 1 nur geringfügig zu.
Der Reaktor 100 ist vorzugsweise ein Rührbehälterreaktor, obwohl andere in der Technik bekannte Reaktorkonfigurationen, wie beispielsweise Blasensäulen, verwendet werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Reaktor 100 eine Turbine oder eine andere in der Technik bekannte Rührvorrichtung, die zum Rühren von Gas-Flüssigkeit-Gemischen nützlich ist. Wie gezeigt, umfasst die Rührvorrichtung bei einer Ausführungsform ein Belüftungsflügelrad 130 und eine Steigleitung 18, um die Zuflüsse in das Flügelrad zu leiten. Die Stromeinspeisung in die Turbine oder eine andere Rührvorrichtung ist vorzugsweise größer als etwa 1 Kilowatt pro Kubikmeter Ammoniumhydrogenfluoridschmelze, bevorzugter größer als etwa 5 Kilowatt pro Kubikmeter Schmelze. Die Tiefe der Ammoniumhydrogenfluoridschmelze in dem Reaktor 100 beträgt vorzugsweise mehr als etwa einen Meter, bevorzugter mehr als etwa zwei Meter. Der Reaktor 100 wird vorzugsweise bei einem Druck von etwa 80 bis etwa 200 kPa und einer Temperatur von etwa 120 bis etwa 150°C betrieben.
Bei einer Ausführungsform erstreckt sich eine Gasproduktumgehungsleitung 30 von der Oberseite des Reaktors 100 zum Brüdenabscheider 500, der weiter unten beschrieben wird, oder zu einer Zwischenstelle zwischen dem Reaktor 100 und dem Regenerator 200. Der Hauptzweck der Umgehungsleitung 30 besteht darin, über die Fähigkeit zu verfügen, den Reaktor 100 vor dem Abschalten des Reaktors zu spülen. Darüber hinaus kann die Strömungsrate in der Umgehungsleitung 30 während des normalen Reaktorbetriebs dazu verwendet werden, die Strömungsrate des Rückführungsammoniumhydrogenfluoridstroms 6[NH₄F(HF)_x-Strom] sowie die Gasströmung zum Regenerator 200 zu verringern. Die maximale Strömungsrate des Stroms 6 und die maximale Gasströmung zum Regenerator 200 werden ohne Gasströmung durch die Umgehungsleitung 30 vom Reaktor 100 zum Brüdenabscheider 500 erreicht, was normalerweise die bevorzugte Betriebspraxis ist. Übermäßige Strömungsraten der Umgehungsleitung 30 vom Reaktor 100 zum Brüdenabscheider 500 können zu einer Abnahme des Höhenunterschieds 120 zwischen der Höhe 110 der Reaktorschmelze und der Höhe 210 der Regeneratorschmelze führen, was unerwünscht ist.
Ein Reaktorproduktstrom 7 wird dem Reaktor 100 entzogen und einem Regenerator 200 zugeführt. Der Reaktionsproduktstrom 7 umfasst Stickstofftrifluorid, Fluorwasserstoff und Stickstoff, die im Reaktor 100 erzeugt werden, sowie mitgeführte Ammoniumhydrogenfluoridschmelze und geringe Mengen an nicht reagiertern Fluor. Der Zufluss des Reaktorproduktstroms 7 liegt typischerweise zwischen etwa 0,1 und etwa 0,5 Kubikmeter pro Quadratmeter Querschnittsfläche des Behälters pro Sekunde. Falls nötig, kann beispielsweise während des Starts der Vorrichtung 10 ein Stickstoffstrom 28 in den Reaktionsproduktstrom 7 eingeleitet werden.
Der Regenerator 200 kann denselben Typ Rührbehälter umfassen wie der Reaktor 100. Wie bei dem Reaktor 100 ist die Stromeinspeisung in die Turbine oder eine andere Rührvorrichtung vorzugsweise größer als etwa 1 Kilowatt pro Kubikmeter Ammoniumhydrogenfluoridschmelze, bevorzugter größer als etwa 5 Kilowatt pro Kubikmeter Schmelze. Wie gezeigt, umfasst die Rührvorrichtung vorzugsweise ein Belüftungsflügelrad 220 und eine Steigleitung 22, um den Zufluss in das Flügelrad zu leiten.
Der Regenerator 200 wird bei einem niedrigeren Druck als der Reaktor 100 betrieben. Vorzugsweise ist der Betriebsdruck des Regenerators 200 mindestens um etwa 50 kPa geringer als der Betriebsdruck des Reaktors 100. Bei einer Ausführungsform beträgt der Druck des Regenerators 200 etwa 5 bis etwa 20 kPa. Der niedrige Druck des Regenerators 200 ermöglicht die Freigabe von gasförmigem Fluorwasserstoff aus dem mitgeführten flüssigen Ammoniumhydrogenfluorid,das in den Regenerator 200 eintritt. Der Betriebsdruckunterschied zwischen dem Reaktor 100 und dem Regenerator 200 wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass der Regenerator 200 über den Reaktor 100 angehoben wird, so dass der Druck des Reaktors 100 dem Druck des Regenerators 200 plus dem Flüssigkeitssäulendruck, der aus dem Höhenunterschied resultiert, entspricht. Der erforderliche Höhenunterschied 120 zwischen der Oberfläche 210 der Ammoniumhydrogenfluoridschmelze im Regenerator 200 und der Oberfläche 110 der Schmelze im Reaktor 100, der zur Erreichung des gewünschten Druckunterschieds benötigt wird, kann unter Verwendung eines typischen spezifischen Gewichts der Ammoniumhydrogenfluoridschmelze von 1,3 geschätzt werden. Kleinere Einstellungen des Vorrats der Ammoniumhydrogenfluoridschmelze in den beiden Behältern 100 und 200 könnten dazu verwendet werden, die Höhe 210 der Schmelze im Regenerator 200 zu regeln. Bei einer Ausführungsform beträgt die Höhe 120 mindestens etwa 6 Meter, bevorzugter mindestens etwa 8 Meter. Die Betriebstemperatur des Regenerators 200 ist vorzugsweise nicht mehr als etwa 5°C geringer als die des Reaktors 100.
Ein Regenerationsproduktstrom 16, der Stickstofftrifluorid, Fluorwasserstoff, Stickstoff und mitgeführtes Ammoniumhydrogenfluorid enthält, wird aus dem Regenerator 200 entnommen und einem Brüdenabscheider 500 zugeführt, wobei das mitgeführte Ammoniumhydrogenfluorid durch Kontakt in Gegenströmung mit einem Zusatzammoniumhydrogenfluoridstrom 9 zurückgewonnen wird. Wie Fachleuten ersichtlich ist, können andere Ausrüstungsarten verwendet werden, um die mitgeführte Flüssigkeit von dem Produktstrom 16 zu trennen.
Das Zusatzammoniumhydrogenfluorid wird in einem zweiten Reaktor 400 erzeugt, wobei ein Fluorwasserstoffstrom 8 und ein Ammoniakstrom 2 gemischt werden und reagieren, um die Ammoniumhydrogenfluoridschmelze zu bilden. Da die Reaktion äußerst exotherm ist, wird ein Kühlwandfallfilmreaktor bevorzugt. Vorzugsweise beträgt der Schmelzsäurewert des Ammoniumhydrogenfluoridstroms 9, der den zweiten Reaktor 400 verlässt, mindestens etwa 1,8 und bevorzugter mindestens etwa 2,0. Die Verwendung eines relativ hohen Schmelzsäurewerts für den Zusatzstrom 9 ist vorteilhaft, da er die Temperatur des Regeneratorproduktstroms 16 schnell senkt, wodurch der Zerfall des Stickstofftrifluorids minimiert wird. Darüber hinaus ermöglichen höhere Schmelzsäurewerte, dass der zweite Reaktor 400 mit herkömmlichem Kühlwasser mit einer Temperatur von 40°C gekühlt wird.
Wie oben angemerkt, wird die Ammoniumhydrogenfluoridschmelze vom Regenerator 200 über den Strom 6 zum Reaktor 100 zurückgeführt. Vorzugsweise wird das zurückgeführte Ammoniumhydrogenfluorid durch einen Gas-Flüssigkeit-Abscheider 300 geleitet, der eine Ruhezone bereitstellt, die einer Gas-Flüssigkeit-Abscheidung zuträglich ist. Der gasförmige Strom 20 vom Gas-Flüssigkeit-Abscheider 300 wird vorzugsweise mit dem Regeneratorproduktstrom 16 stromaufwärts vom Brüdenabscheider 500 kombiniert oder direkt dem Brüdenabscheider zugeführt. Der Hauptzweck des Gas-Flüssigkeit-Abscheiders 300 besteht darin, einen ausreichenden Dichteunterschied zwischen den Strömen 6 und 7 zu erzeugen, so dass die bevorzugte Strömungsrate des Ammoniumhydrogenfluorids im Strom 6 erreicht wird. Jedoch kann bei der vorliegenden Erfindung eine bedeutende Mitführung von Gas im Strom 6 toleriert werden.
Nach der Entfernung des mitgeführten Ammoniumhydrogenfluorids wird ein gasförmiger Produktstrom 10 aus dem Brüdenabscheider 500 entfernt und vorzugsweise durch eine Reihe von Verfahrensschritten geleitet, die dafür ausgelegt sind, das rohe Stickstofftrifluoridprodukt vom Fluorwasserstoff zu trennen. Wie gezeigt, wird der gasförmige Produktstrom 10 bei einer Ausführungsform durch eine Kühlvorrichtung 600 geleitet, die eine Vakuumpumpe versorgt. Vorzugsweise verringert die Kühlvorrichtung 600, die eine Vakuumpumpe versorgt, die Temperatur des Produktstroms 10 auf weniger als etwa 50°C. Der Produktstrom 10 wird daraufhin durch eine Vakuumpumpe 700 geleitet, die vorzugsweise eine Trockenvakuumpumpe mit Zwischenstufenkühlung umfasst. Der Ablassdruck der Vakuumpumpe 700 ist vorzugsweise etwas größer als der atmosphärische Druck. Danach tritt der Produktstrom 10 in einen Gas-Flüssigkeit-Abscheider 800 ein, der vorzugsweise mit einem Rückflusskondensator 900 ausgerüstet ist. Der Abscheider 800 umfasst einen Gasstromauslass 26 und einen Flüssigkeitsstromauslass 24. Der rohe Stickstofftrifluoridstrom 3 enthält vorzugsweise weniger als etwa 1% des Fluorwasserstoffs, der im Produktstrom 10 enthalten ist. Dies kann mit Hilfe einer Temperatur des Rückflusskondensators 900 von etwa –30° C erreicht werden. Der Rohproduktstrom 3 kann daraufhin unter Verwendung von Reinigungsverfahren, die in der Technik bekannt sind, gereinigt werden, um ein marktfähiges Produkt zu erzeugen.
Wie in 1 angemerkt, steht der Flüssigkeitsauslass 24 des Abscheiders 800 mit zwei Fluorwasserstoffströmen, 5 und 8, die im Verfahren verwendet werden, in Fluidkommunikation, wodurch die Rückführung von Fluorwasserstoff ermöglicht wird. Darüber hinaus kann nach Bedarf ein Nebenprodukt-Fluorwasserstoffstrom 4 aus dem Verfahren entfernt werden.
Das folgende Verfahren kann verwendet werden, um die Betriebsdrücke des Reaktors 100 und des Regenerators 200 einzustellen und den Schmelzsäurewert des Ammoniumhydrogenfluorids zu regeln. Wie oben angemerkt, wird vorgezogen, den Rückflusskondensator 900 bei einer ausreichend niedrigen Temperatur zu betreiben, um im Wesentlichen den gesamten Fluorwasserstoff aus dem Produktstrom 10 zurückzugewinnen. Sowohl die Strömungsrate des Ammoniakzuflusses 2 als auch die Strömungsrate des Nebenprodukt-Fluorwasserstoffstroms 4 können basierend auf der Strömungsrate der Fluorzufuhr 1 und den erwarteten Werten von c₁, c₂ und c₃ in den Reaktionen 4–6 geschätzt werden. Danach kann der Druck im Regenerator 200 so eingestellt werden, dass angemessene Strömungsraten der Ströme 6 und 8 bereitgestellt werden. Wie oben erwähnt, hat dies im Allgemeinen einen Druck des Regenerators 200 im Bereich von etwa 5–20 kPa zur Folge. Die regelmäßige Messung der Azidität der Ammoniumhydrogenfluoridschmelze in dem Rückführungsstrom 6, dem Reaktorproduktstrom 7 oder in dem Schmelzvorrat des Reaktors 100 oder des Regenerators 200 könnte dazu verwendet werden, die geschätzten Werte von c₁, c₂ und c₃ und die Strömungsraten der Ströme 2 und 4 zu aktualisieren. Da der Vorrat an Fluorwasserstoff im Reaktor 100, im Regenerator 200 und in der verbindenden Rohrleitung im Verhältnis zur Strömungsrate des Nebenproduktstroms 4 groß ist, würden sogar wesentliche Fehler bei den Schätzungen für die Fluorzufuhrrate, die Ammoniumzufuhrrate oder die Werte von c₁, c₂ und c₃ eine langsame Änderung der Schmelzsäurewerte des Ammoniumhydrogenfluorids in Strom 6 und 7 zur Folge haben.
Die nachfolgenden Tabellen 1–3 bieten eine Zusammenfassung beispielhafter Stromeigenschaften für mehrere der in 1 bezeichneten Ströme.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
BEISPIEL 1
Die Daten in 3 veranschaulichen die Nützlichkeit der Hinzufügung von Fluorwasserstoff zu einer Fluorzufuhr. Bei den Betriebsbedingungen des Reaktors, die in 3 angegeben sind, beträgt der optimale Schmelzsäurewert x etwa 1,7. Der HF-Teildruck von 35 kPa entspricht einem anfänglichen effektiven Schmelzsäurewert x von etwa 1,8. Die Daten in 3 zeigen, dass die nachteilige Wirkung von NH₄F(HF)_x-Massenschmelzsäurewerten x, die unterhalb des Optimalwerts von 1,7 liegen, durch die Hinzufügung von HF zur F₂-Zufuhr drastisch verringert wird. Oberhalb des optimalen NH₄F(HF)_x-Schmelzsäurewerts x hat die Hinzufügung von HF zur Fluorzufuhr eine geringe Wirkung auf das Verhältnis zwischen der NF₃-Umwandlung und dem NH₄F(HF)_x-Schmelzsäurewert. Die optimale Leistung würde erreicht werden, wenn der anfängliche effektive Schmelzsäurewert bei dem optimalen Massenschmelzsäurewert liegt. Jedoch besteht einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung darin, dass der Benutzer einen anfänglichen effektiven Schmelzsäurewert x, der etwas größer ist als der optimale Wert, und einen NH₄F(HF)_x-Massenschmelzsäurewert, der etwas unterhalb des Optimalwerts liegt, wählen kann und sicher sein kann, dass die NF₃-Produktionsrate wesentlich weniger empfindlich auf Änderungen des optimalen NH₄F(HF)_x-Säurewerts aufgrund von nicht erfassten Änderungen der Betriebsbedingungen des Reaktors oder Abweichungen des NH₄F(HF)_x-Säurewerts reagiert. Darüber hinaus werden durch das Vorhandensein von HF in der Fluorzufuhr ebenfalls die Zuverlässigkeit und der Betrieb des Begasungsrohrs oder einer anderen Blasenvorrichtung verbessert, indem die Wahrscheinlichkeit einer Blockierung durch Ammoniumhydrogenfluorid verringert wird.
Fachleuten werden viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich sein, auf die diese Erfindung zutrifft und die den Nutzen der Lehren aufweisen, die in den vorgenannten Beschreibungen und den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Daher versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll und dass Modifikationen und andere Ausführungsformen im Bereich der angehängten Ansprüche enthalten sein sollen. Obwohl hierin spezifische Begriffe verwendet werden, werden diese lediglich in einem generischen und beschreibenden Sinn und nicht zum Zweck der Einschränkung verwendet.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Stickstofftrifluorid, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines fluorhaltigen Zuflusses; Kontaktieren des fluorhaltigen Zuflusses mit flüssigem Ammoniumhydrogenfluorid in einem Reaktionsbereich für einen Zeitraum und unter Bedingungen, die ausreichen, um Stickstofftrifluorid zu erzeugen, Verringern des effektiven Schmelzsäurewerts des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids während des Kontaktierungsschritts; und Entfernen eines Reaktionsproduktstroms, der Stickstofftrifluorid enthält, aus dem Reaktionsbereich.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kontaktierungsschritt das Kontaktieren des fluorhaltigen Zuflusses mit flüssigem Ammoniumhydrogenfluorid in einer Reihe von Reaktoren umfasst, und jeder nachfolgende Reaktor Ammoniumhydrogenfluorid enthält, das einen fortschreitend niedrigeren Massenschmelzsäurewert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verringerungsschritt das Verringern des effektiven Schmelzsäurewerts des flüssigen Ammoniumhydrogenfluorids von einem Wert oberhalb des Optimalwerts, der den höchsten Stickstofftrifluoridertrag bei einer Temperatur und einem Druck des Reaktionsbereichs ergibt, auf etwa den Optimalwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der fluorhaltige Zufluss elementares Fluor und Fluorwasserstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ammoniumhydrogenfluorid eine Säure-Base-Stöchiometrie von NH₄M_yF_z(HF)_x aufweist, wobei M ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Folgendem besteht: Gruppe IA bis VA, Gruppe IB bis VIIB und Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente oder Mischungen davon; y 0–12 beträgt; z 1–12 beträgt; und x der Schmelzsäurewert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines gasförmigen Gemischs aus elementarem Fluor und Fluorwasserstoff; Einleiten des gasförmigen Gemischs in einen Reaktionsbereich, der ein Massenammoniumhydrogenfluorid enthält; Kontaktieren des gasförmigen Gemischs mit dem flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorid für einen Zeitraum und unter Bedingungen, die ausreichen, um Stickstofftrifluorid zu erzeugen, wobei der anfängliche effektive Schmelzsäurewert des Ammoniumhydrogenfluorids größer als der Schmelzsäurewert des flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorids ist; und Entfernen eines Reaktionsproduktstroms, der Stickstofftrifluorid enthält, aus dem Reaktionsbereich.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der anfängliche effektive Schmelzsäurewert mindestens um etwa 0,05 größer als der Schmelzsäurewert des flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorids in dem Reaktionsbereich ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schmelzsäurewert des flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorids geringer als etwa 1,8 ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der anfängliche Teildruck des Fluorwasserstoffs in dem gasförmigen Gemisch bei der Betriebstemperatur und dem Betriebsdruck des Reaktionsbereichs mindestens etwa 15 kPa beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Betriebstemperatur des Reaktionsbereichs etwa 120 bis etwa 150°C beträgt und der Betriebsdruck des Reaktionsbereichs etwa 80 bis etwa 200 kPa beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kontaktierungsschritt in einem Rührbehälterreaktor stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines gasförmigen Gemischs aus elementarem Fluor und Fluorwasserstoff; Einleiten des gasförmigen Gemischs in einen Reaktionsbereich, der ein Massenammoniumhydrogenfluorid enthält; Kontaktieren des gasförmigen Gemischs mit dem flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorid, das einen Massenschmelzsäurewert von weniger als etwa 2,0 aufweist, für einen Zeitraum und unter Bedingungen, die ausreichen, um Stickstofftrifluorid zu erzeugen, wobei der anfängliche effektive Schmelzsäurewert größer ist als der Schmelzsäurewert des flüssigen Massenammoniumhydrogenfluorids und der anfängliche Teildruck des Fluorwasserstoffs in dem gasförmigen Gemisch bei der Betriebstemperatur und dem Betriebsdruck des Reaktionsbereichs des Weiteren mindestens etwa 15 kPa beträgt; Entfernen eines Reaktionsproduktstroms aus dem Reaktionsbereich, wobei der Reaktionsproduktstrom Stickstofftrifluorid und mitgerissenes flüssiges Ammoniumhydrogenfluorid umfasst; Einleiten des Reaktionsproduktstroms in einen Regenerationbereich, wobei der Betriebsdruck des Regenerationbereichs geringer ist als der Betriebsdruck des Reaktionsbereichs, so dass von dem mitgerissenen flüssigen Ammoniumhydrogenfluorid gasförmiger Fluorwasserstoff freigegeben wird; Entfernen eines Regenerationsproduktstroms aus dem Regenerationsbereich, wobei der Regenerationsproduktstrom Stickstofftrifluorid und Fluorwasserstoff umfasst; Einleiten des Regenerationsproduktstroms in einen Trennbereich, um Fluorwasserstoff von Stickstofftrifluorid zu trennen; Zurückführen von flüssigem Ammoniumhydrogenfluorid vom Regenerationsbereich zum Reaktionsbereich; und Zurückführen mindestens eines Teils des Fluorwasserstoffs, der im Trennbereich abgesondert wurde, zur Verwendung in dem gasförmigen Gemisch aus elementarem Fluor und Fluorwasserstoff.