KR20040058047A - 삼플루오르화질소 제조 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 비교적 낮은 에너지 투입량을 갖는 제 1 반응 대역에서 플루오르 기체와 액체 암모니아 산 플루오라이드를 반응시킨 다음, 생성된 반응 생성물을 비교적 높은 에너지 투입량을 갖는 제 2 반응 대역에서 처리함으로써, 삼플루오르화질소를 제조하는 방법에 관한 것이다. 생성된 조질의 삼플루오르화질소 생성물을 승온하에 플루오르 기체로 추가로 처리하여, 목적하는 생성물의 수율을 개선시킬 수 있다.

Description

삼플루오르화질소 제조 반응기{NF3 PRODUCTION REACTOR}
본 발명은 포괄적으로 삼플루오르화질소에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 암모니아, 플루오르 원소 및 액체 암모늄 산 플루오라이드로부터 삼플루오르화질소를 제조하기 위한 반응기 시스템 및 방법에 관한 것이다.
삼플루오르화질소(NF3)는 고에너지 액체 및 고체 추진제 및 반도체 장치를 제조하기 위한 플루오르 공급원 같은 제품에 사용되어 왔다. 플루오르화질소는 각각 본원에 참고로 인용되어 있는 미국 특허 제 4,091,081 호 및 제 5,637,285 호, 및 미국 특허 공개 제 2002/0127167 호에 개시된 것과 같은 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 암모니아와 플루오르 기체를 액체 암모늄 산 플루오라이드 중간체와 혼합하는, 아래 기재된 일련의 반응으로부터 삼플루오르화질소를 통상적으로 제조한다.
반응 1은 목적하는 NF3생성 반응을 나타낸다. 반응 2는 가장 신속한 바람직하지 못한 부반응이다. 반응 3은 반응하지 않은 플루오르 기체를 나타낸다.
반응 1:
반응 2:
반응 3: c3F2(g)→c3F2(g)
이 간략화된 식은, 반응 1, 반응 2, 반응 3이 유일한 플루오르 소비 반응이고(c1+c2+c3=1), N2F2및 N2F4, OF2및 다른 불순물을 생성시키는 보다 느리지만 중요한 플루오르 반응은 무시한다고 생각한 것이다. c1및 c2값은 각각 반응하여 목적하는 NF3생성물 및 바람직하지 못한 N2부생물을 생성시키는 플루오르 공급물의 추정 분율이다. c3분율은 반응하지 않은 플루오르 기체를 나타낸다. NH4F(HF)x용융물 산도 x 값은 용융물중 플루오르화수소 대 암모니아의 몰비에서 1을 뺀 것이다. α 값은 실제 액체 암모니아 산 플루오라이드 용융물 [NH4F(HF)x] 공급속도 대 최소 화학량론적 NH4F(HF)x공급속도의 비이다. 과량의 NH4F(HF)x를 사용함으로써 반응 대역의 온도를 조절한다. 이 간략화된 공정 식은 다른 인자, 예를 들어 조질 NF3증기 생성물중 HF의 작은 분율을 무시한다. 이러한 한계점에도 불구하고 반응 1, 반응 2, 반응 3은 NF3제조를 위한 기술 상태 및 아래 논의되는 바와 같이 이러한 기술 상태에 수반되는 문제점을 설명하는 우수한 틀을 제공한다.
F2의 NF3로의 전환을 증가시키려는 노력이 이루어져 왔다. 미국 특허 제 4,091,081 호에서는 칼럼 내에서 액체 암모늄 산 플루오라이드 내로 플루오르 및 암모니아를 살포해 넣음으로써 NF3를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 미국 특허 제 5,637,285 호에는 암모늄 산 플루오라이드 용융물중 플루오르화수소 함량 및 혼합 강도를 동시에 증가시키면 F2의 NF3로의 전환속도가 증가됨이 개시되어 있다. 특히, NH4F(HF)x용융물 산도 "x" 값을 증가시키면 반응 1에 비해 반응 2의 속도가 감소되어 전체적인 NF3수율을 증가시키는 경향이 있다. 그러나, 보다 높은 NH4F(HF)x용융물 산도 "x" 값은 또한 소정의 계면 표면적에 있어서 반응 1을 통한NF3생성 속도를 다소 감소시킨다.
미국 특허 제 5,637,285 호에서 NF3수율을 개선시키기는 하였으나, 몇몇 중요한 문제점이 남아있다. 첫째, 고도로 발열성인 NF3반응이 임펠러 단부에서 가장 빨라서 국부적인 과열, 임펠러 단부에서의 가속화된 부식 및 기계적 신뢰성 문제를 야기시킨다. 둘째, 혼합축 길이를 증가(이는 또한 기계적 신뢰성 문제를 증가시킴)시키지 않고서는, 용액 깊이를 증가시켜 기체 체류 시간을 증가시킬 수 없다.
미국 특허 공개 제 US/2002/0127167 A1 호에서는 미국 특허 제 5,637,285 호에 개시된 보다 높은 혼합 강도 및 보다 높은 순환속도의 이점을 이용하여 유효 α 값을 증가시킴으로써 국부적인 과열을 감소시키고, F2의 NF3로의 전환(c1)을 증가시키며, 임펠러 부식을 감소시킨다. 그러나, 이 방법에서는 임펠러 축 길이 또는 높은 혼합속도와 높은 플루오르 농도의 조합에 관련된 문제를 처리하지 못한다. 또한, 기상 생성물 유속 및 기체-액체 분리에 의해 NH4F(HF)x용융물 재순환 속도가 제한된다.
따라서, 플루오르 기체 반응물의 부식 특성 및 높은 전단속도로 인한 혼합 어셈블리(예: 임펠러)의 부식과 관련된 문제점 없이 개선된 수율을 갖는 NF3제조 시스템을 제공한다면 당해 기술 분야에 상당한 이점이 될 것이다.
하기 도면은 본 발명의 실시태양을 예시한 것으로, 본 명세서의 일부를 구성하는 특허청구범위에 포괄되는 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.
도 1은 2개의 반응 대역 시스템 및 플루오르 기체 처리 어셈블리를 사용하여 불순물 기체를 처리하기 위한 임의적인 어셈블리를 보여주는, 본 발명의 한 실시태양의 개략도이다.
본 발명은 개괄적으로 플루오르 기체, 암모니아 기체 및 액체 암모늄 산 플루오라이드를 반응시킴으로써 NF3를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 비교적 높은 농도의 부식성 반응물인 플루오르 기체 부근에 낮은 에너지 투입량을 제공하고 비교적 낮은 농도의 플루오르 부근에 더 높은 에너지 투입량을 제공하는 방법을 제공한다. 본 발명의 결과, 혼합 어셈블리를 과도하게 부식시키지 않으면서 NF3제조 시스템이 개선된 NF3수율을 갖게 된다. 에너지 투입량과 플루오르 농도 사이의 균형을 맞추면 부식에 덜 이바지하는 반응 환경이 생성된다. 구체적으로, 부식을 야기하는 경향이 있는 조건(예: 높은 전단속도, 높은 에너지 투입량 및 높은 플루오르 기체 농도)이 덜 부식되도록 하는 경향이 있는 조건(낮은 전단속도, 낮은 에너지 투입량 및 낮은 플루오르 기체 농도)과 균형을 이루는 반응 대역을 구성하도록, 반응 대역의 종횡비 및 반응 대역에 공급되는 동력 투입량을 선택한다.
이 방법은 2개의 반응 대역에서 수행되는데, 제 1 반응 대역은 비교적 높은 종횡비 및 낮은 동력 투입량을 특징으로 하며, 비교넉 높은 농도의 플루오르 기체를 반응시키는데 사용되는 대역이다. 제 2 반응 대역은 이 방법이 비교적 낮은 종횡비 및 높은 동력 투입량에서 진행되도록 하며, 여기에서는 플루오르 기체중 일부가 이미 반응되었기 때문에 플루오르 기체의 농도가 비교적 낮다.
본 발명의 특정 요지에서는,
a) 비교적 낮은 에너지 환경의 제 1 반응 대역에서 초기 농도의 플루오르 기체와액체 암모늄 산 플루오라이드를 반응시켜, NF3및 적어도 일부의 미반응 플루오르 기체를 포함하는 제 1 반응 생성물을 생성시키는 단계;
b) 비교적 높은 에너지 환경의 제 2 반응 대역에서 미반응 플루오르 기체를 포함하는 제 1 반응 생성물을 반응시켜, 제 2 반응 생성물을 생성시키는 단계를 포함하며, 이 때
제 1 반응 대역의 낮은 에너지 환경 및 제 2 반응 대역의 높은 에너지 환경이, 플루오르 기체의 부식 특성으로 인한 제 1 반응 대역 및 제 2 반응 대역의 부식을 적어도 실질적으로 감소시키는 방식으로 플루오르 기체를 NF3로 실질적으로 전환시키는, NF3제조 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시태양에서는, 적어도 불순물 N2F4및 NH4(HF)x를 함유하는, NF3를 제조하는 방법의 일부로서 형성되는 불순물 기체를 승온에서 플루오르 기체와 반응시켜, 불순물중 적어도 일부를 NF3로 전환시키고, 본질적으로는 불순물을 완전히 제거한다.
본 발명은 플루오르 기체 및 액체 암모늄 산 플루오라이드를 함유하는 반응 혼합물로부터 NF3를 제조하는 방법에 관한 것이다. 아래에 논의되는 바와 같이, 이 반응은 상이한 에너지 환경을 가짐을 특징으로 하는 2개의 반응 대역에서 수행된다. 플루오르 기체의 농도가 비교적 높은 제 1 반응 대역의 에너지 환경은 비교적 낮은 에너지 환경임을 특징으로 한다. 플루오르 기체의 농도가 제 1 반응 대역보다 낮은(즉, 제 1 반응 대역에서 플루오르 기체중 적어도 일부가 반응되었기 때문에) 제 2 반응 대역의 에너지 환경은 비교적 높은 에너지 환경임을 특징으로 한다.
용어 "비교적 높은 에너지 환경"은, 비교적 낮은 에너지 환경에서 발견되는 것에 비해, 플루오르 기체 반응물이 존재하는 곳에 더욱 많은 에너지를 제공하도록, 반응 조건 및/또는 반응 대역의 특징이 선택되는 반응 대역을 의미한다. 예시적인 반응 조건 및/또는 구조적 조건은 반응 대역에 제공되는 동력 투입량 및 반응 대역의 종횡비를 포함하지만 이들로 국한되는 것은 아니다. 일반적으로, 보다 높은 동력 투입량 및 보다 낮은 종횡비가 높은 에너지 환경에 유리한 반면, 보다 낮은 동력 투입량 및 보다 높은 종횡비가 낮은 에너지 환경에 유리하다.
본 발명의 특정 요지에서는, 2개의 반응 대역이 상이한 동력 투입량 및 상이한 종횡비를 가짐을 특징으로 한다. 제 1 반응 대역의 낮은 초기 에너지 환경에서는, 종횡비가 비교적 높은 한편, 움직이는 부품이 없는 상태에서 혼합시키는 정적 구조의 혼합 어셈블리의 존재하에 플루오르 기체와 다른 반응물을 혼합하기 위해 플루오르 기체 공급물에 가해지는 압력 같은 비교적 낮은 에너지 투입량에서 혼합을 수행한다. 제 2 반응 대역의 높은 에너지 투입량 반응 환경에서는, 반응 대역의 종횡비가 감소되고, 동력 투입량을 증가시켜 전형적으로 임펠러를 포함하는 혼합 어셈블리를 사용하여 반응물을 혼합시킬 수 있도록 한다. 본 방법의 효과는, 부식성 반응물을 포함하고 전형적으로는 높은 전단을 발생시키는 혼합 어셈블리를 이용하는 특징적으로 매우 발열성인 반응으로부터 목적하는 생성물(NF3)의 효과적인수율을 수득하는데 있어서의 난점을 극복하는 것이다. 구체적으로는, 기상 암모니아와 플루오르 사이의 반응을 최소화시키도록 디자인되고 전형적으로 임펠러를 포함하는 혼합 어셈블리를 갖는 시스템에서 플루오르 기체와 액체 암모늄 산 플루오라이드 용융물의 반응 및 암모니아 기체와 액체 암모늄 산 플루오라이드의 반응을 수행한다. 반응으로부터 발생되는 높은 열, 부식성 반응물 및 높은 전단속도는 전형적으로 임펠러상의 임의의 보호층(예: 플루오라이드 층)을 손상시킨다. 공정 어셈블리에 수반되는 높은 열, 부식성 반응물 및 높은 전단속도의 조합은 임펠러를 급속히 부식시켜 공정 어셈블리를 정지시키고 임펠러를 교체하는데 제조 시간을 손실하도록 한다.
본 발명은 임펠러 손상을 감소시키고/시키거나 없애는 조건하에 이러한 방식으로 방법을 수행함으로써 임펠러 손상 문제를 처리한다.
본원에 사용되는 용어 "종횡비"는 반응 대역의 길이 대 반응 대역의 폭의 비를 일컫는다. 따라서, 예컨대 종횡비 2를 갖는 원통형 용기로 구성된 반응 대역은 폭보다 2배 더 큰 길이를 갖는다. 반대로, 0.5의 종횡비는 길이가 폭의 반인 반응 용기를 일컫는다. 도관 또는 채널 또는 채널의 어셈블리로 이루어진 반응 대역의 경우, 반응 대역 종횡비는 채널 길이 대 채널 유체역학(hydraulic) 직경의 비로서 정의된다. 채널 또는 채널의 어셈블리의 유체역학 직경은 단위 길이당 채널 벽 면적으로 나누어진 채널 단면적의 4배로서 정의된다.
용어 "동력 투입량"은 반응 대역으로의 기계적 에너지 투입량을 일컬는 것으로, 반응 대역 사이에서 전달된 에너지는 포함되지 않는다. 전형적으로는, 반응대역에 동력을 투입하는데 혼합기, 펌프 또는 압축 기체가 사용된다. 동력 투입량은 제 1 반응 대역 및 제 2 반응 대역의 총 NH4F(HF)x용융물 부피 세제곱미터당 와트 단위로 측정된다. 본 발명의 특정 요지에 따르면, 2개의 반응 대역이 제공되는데, 제 1 반응 대역은 비교적 높은 종횡비(즉, 폭보다 큰 반응 대역의 길이) 및 낮은 동력 투입량(즉, 온화한 압력의 플루오르 공급물)을 갖는다. 제 2 반응 대역이 비교적 낮은 종횡비 및 비교적 높은 동력 투입량을 갖는다는 점에서 본질적으로 제 1 반응 대역과 반대되는 제 2 반응 대역이 제공된다.
도 1을 보면, 제 1 반응 대역(4) 및 제 2 반응 대역(6)을 갖는 삼플루오르화질소 제조 시스템(2)이 도시되어 있다. 본 발명에 따라, 제 1 반응 대역(4)은 전형적으로 약 5 내지 150, 바람직하게는 약 10 내지 100의 비교적 높은 종횡비를 갖는 하나 이상의 도관 또는 채널의 형태이다. 제 2 반응 대역은 전형적으로 5 이하, 특히 약 1의 낮은 종횡비를 갖는다. 제 1 반응 대역(4)은 전형적으로 NH4F(HF)x세제곱미터당 약 1000와트 미만, 바람직하게는 500와트/m3미만의 비교적 낮은 동력 투입량을 갖고, (14)로 표시되고 도관(40)의 정적 혼합 요소를 포함하는 정적 혼합 요소를 사용함으로써 반응물을 정적으로 혼합시킨다. 열교환능을 갖는 정적 혼합 요소는 케미니어, 인코포레이티드(Chemineer, Inc.)로부터 Kenics라는 상품명으로 시판중이다. 제 1 반응 대역(4)의 NH4F(HF)x유량은 전형적으로 30 내지 300cm3/cm2/초, 바람직하게는 50 내지 200cm3/cm2/초이다.
제 2 반응 대역(6)에 보다 많은 동력이 투입되며, 이러한 동력은 동적 혼합 어셈블리(8)를 작동시키기에 충분하다. 동적 혼합 어셈블리(8) 기능은, 제 1 반응 대역(4) 생성물 스트림(10)의 기포 크기를 감소시키고, 제 1 반응 대역(4) 생성물 스트림(10)의 일부를 스트림(38)을 통해 제 1 반응 대역으로 재순환시키며, 제 1 반응 대역(4) 생성물 스트림(10)의 일부를 제 2 반응 대역의 혼합 탱크로 전달하여 삼플루오르화질소 생성물을 회수하고, 보다 낮은 NH4F(HF)x용융물 x 값 및 보다 낮은 기체 농도를 갖는 제 2 반응 대역 혼합 탱크로부터의 NH4F(HF)x용융물의 일부를 스트림(38)을 통해 제 1 반응 대역(4)으로 전달함을 포함한다. 이러한 기능 모두는 동적 혼합 어셈블리(8) 내에 포함된 임펠러에 의해 수행될 수 있다. 추가의 임펠러(12)를 사용하여 제 2 반응 대역 혼합 탱크 내에서의 혼합을 증진시킬 수 있다. 동적 혼합 어셈블리(8)는 또한 제 1 반응 대역(4)의 정적 혼합 요소(14)에 보다 적은 에너지 투입량을 제공한다.
제 2 반응 대역(6)은 바람직하게는 동적 혼합 어셈블리(8)에 덧붙여 제 1 반응 대역(4)으로부터의 공급물 스트림(10)을 포함하는 밀폐된 직립 원통형 탱크의 형태이다.
제 2 반응 대역(6)은 또한, 제 2 반응 대역(6)으로부터 수득된 조질 삼플루오르화질소 기체 생성물을 이후 기재되는 본 발명의 임의적인 요지에서 추가로 처리하기 위해 보내는, 조질 삼플루오르화질소 기체 생성물 출구(16)도 포함한다.
출구(16)는, 통기되는 암모늄 산 플루오라이드 용융물 부생물이 도관(18)을통해 바람직하게는 조질 NF3생성물(26)로부터 NH4F(HF)x부생물을 분리시키는데 도움을 주기 위해 가열 재킷(22)이 장착된 임의적인 용기(20)로 이동될 수 있도록 한다. 조질 삼플루오르화질소 생성물(26)에 연행된 NH4F(HF)x의 상당량은 통상적인 안개제거장치(28)를 사용하여 유리하게 제거되어, 본질적으로 암모늄 산 플루오라이드를 함유하지 않는 조질 삼플루오르화질소(30)를 생성시킬 수 있다.
제 2 반응 대역(6)은 또한 출발물질인 암모니아를 공급원(도시되지 않음)으로부터 제 2 반응 대역(6)으로 수송하기 위한 도관 형태의 입구(32)도 포함한다. 공급원(도시되지 않음)으로부터 도관(34)을 통해 기체 살포장치(36) 내로 도입함으로써, 삼플루오르화질소 제조 시스템(2)에 플루오르 기체를 공급한다. 플루오르 기체가 제 1 반응 대역(4)에 들어가는 지점에서, 암모늄 산 플루오라이드 속도는 플루오르 기체가 본질적으로 모두 공급물 스트림(10)을 통해 제 1 반응 대역(4)을 나가도록 하기에 충분하다.
제 2 반응 대역(6)에는 재순환가능한 암모늄 산 플루오라이드가 제 2 반응 대역(6)을 떠나도록 하고 제 1 반응 대역(4) 내로 재순환시키고 궁극적으로는 공급물 스트림(10)을 통해 제 2 반응 대역(6)으로 되돌아오게 하는 출구(38)가 제공된다. 재순환된 암모늄 산 플루오라이드가 이동하는 경로는, 많은 반응열을 제거하고 반응기 온도를 조절하기 위한 냉각 유체 입구(44) 및 출구(46)가 있는 하나 이상의 냉각 재킷(42)을 갖는 도관(40)을 통하는 것이다. 제 1 반응 대역 및 제 2 반응 대역의 온도는 전형적으로는 110 내지 150℃, 더욱 바람직하게는 120 내지140℃에서 작동된다.
삼플루오르화질소 제조 시스템(2)은, 제 1 반응 대역(4)이 비교적 낮은 에너지 환경에서 작동되는 한편 제 2 반응 대역(6)이 비교적 높은 에너지 환경에서 작동되어, 과도한 부식 없이 NF3의 생성에 가장 이바지하는 작동 조건을 제공한다면, 다양한 조건에서 작동될 수 있다. 삼플루오르화질소를 제조함에 있어서는, 제 1 반응 대역(4)에서 플루오르 기체의 35% 이상이 삼플루오르화질소를 함유하는 제 1 반응 생성물로 전환되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 플루오르 기체의 제 1 반응 생성물로의 전환율은 45% 이상, 더욱 바람직하게는 65% 이상이다. 제 1 반응 대역(4)에서의 플루오르 기체의 반응은 제 2 반응 대역(6)의 플루오르 기체의 농도를 감소시켜, 예컨대 반응 대역의 낮은 종횡비 및 과도한 부식 없이 혼합 어셈블리를 작동시키기에 충분한 비교적 높은 동력 투입량을 포함하는 보다 높은 에너지 환경을 이용할 수 있도록 한다.
각각 2.2 내지 3.2:1, 2.4 내지 3.0:1 및 2.6 내지 2.8:1의 암모늄 산 플루오라이드 플루오르화수소 대 암모니아 비에 상응하는 약 1.2 내지 2.2, 바람직하게는 약 1.4 내지 2.0, 가장 바람직하게는 1.6 내지 1.8의 부피 비의 액체 NH4F(HF)x용융물 산도 x 값을 이용하는 것이 바람직하다.
출구(16)로부터 수득한 조질 삼플루오르화질소 생성물은 전형적으로 약 0.5 내지 5절대바아, 바람직하게는 0.75 내지 3절대바아, 가장 바람직하게는 약 1 내지 2절대바아의 압력하에 있게 된다.
상기 기재된 본 발명은 종래 기술에 비해 몇가지 이점을 갖는다. 본 발명은 종래 기술의 방법에서 전형적인 높은 플루오르 농도와 높은 전단 속도의 조합에 수반되는 가속화된 부식을 배제한다. 플루오르 공급물이 먼저 비교적 낮은 에너지 환경(예: 낮은 동력 투입량 및 높은 종횡비)을 갖는 제 1 반응 대역에서 액체 암모늄 산 플루오라이드와 접촉하기 때문에, 상당량의 플루오르가 목적하는 삼플루오르화질소 생성물로 전환되는(즉, 전형적으로 35%를 초과하는 전환율) 동안 제 1 반응 대역에서의 부식은 본질적으로 배제된다. 제 2 반응 대역은 하락하는 플루오르 분압에도 불구하고 플루오르 기체의 전환율을 과도한 부식율 없이 유지시키는데 이용될 수 있다. 제 2 반응 대역(6)의 동적 혼합 어셈블리(8)에 의해 연행된 플루오르 기체 및 삼플루오르화질소 기체를 함유하는 기포의 상당량은 제 1 반응 대역(4)으로 유리하게 재순환되어, 임펠러의 길이를 증가시키는 것과 같이 임펠러를 실질적으로 변형시키지 않고서도 기체 체류 시간을 상당히 증가시킨다.
본 발명의 다른 요지에서는, 출구(30)로부터 수득된 조질 삼플루오르화질소 기체를 추가로 처리하여, 전형적으로 N2F4및 NH4F(HF)x용융물을 단독으로 또는 N2F2와 함께 포함하는 불순물 기체를 그로부터 제거할 수 있다. 출구(30)로부터의 불순물 기체를 금속 팩킹, 바람직하게는 니켈 팩킹이 장치된 용기(48)에서 플루오르 기체와 반응시킨다. 반응 온도는 전형적으로 200 내지 400℃이고, 기체 체류 시간은 약 1초이다. 이들 작동 조건은 덜 플루오르화된 불순물[N2F4, N2F2및 NH4F(HF)x]을 본질적으로 모두 제거하고, 일부 삼플루오르화질소를 생성시킨다.
전술한 실시태양은 본 발명을 예시하는 것이며, 당해 분야의 통상적인 기술 내에서의 본 발명의 변형 및 확장은 본 명세서에 포함된다.
본 발명에 따라, 임펠러 같은 혼합 어셈블리의 과도한 부식 없이 NF3를 개선된 수율로 제조할 수 있다.

Claims (25)

  1. a) 비교적 낮은 에너지 환경의 제 1 반응 대역에서 초기 농도의 플루오르 기체와 액체 암모늄 산 플루오라이드를 반응시켜, NF3및 적어도 일부의 미반응 플루오르 기체를 포함하는 제 1 반응 생성물을 생성시키는 단계;
    b) 비교적 높은 에너지 환경의 제 2 반응 대역에서 미반응 플루오르 기체를 포함하는 제 1 반응 생성물을 반응시켜, 제 2 반응 생성물을 생성시키는 단계를 포함하며, 이 때
    제 1 반응 대역의 낮은 에너지 환경 및 제 2 반응 대역의 높은 에너지 환경이, 플루오르 기체의 부식 특성으로 인한 제 1 반응 대역 및 제 2 반응 대역의 부식을 적어도 실질적으로 감소시키는 방식으로, 플루오르 기체를 NF3로 실질적으로 전환시키는,
    NF3의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 반응 대역이 제 1 동력 투입량 및 제 1 종횡비를 갖고, 제 2 반응 대역이 제 1 동력 투입량보다 높은 제 2 동력 투입량 및 제 1 종횡비보다 낮은 제 2 종횡비를 갖는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 2 반응 생성물로부터 NF3를 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    제 1 종횡비가 약 5 내지 150인 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 종횡비가 약 10 내지 100인 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    반응 대역의 제 1 동력 투입량이 NH4F(HF)x세제곱미터당 약 1,000와트 미만인 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 1 반응 대역의 제 1 동력 투입량이 NH4F(HF)x세제곱미터당 약 500와트 미만인 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    제 2 종횡비가 약 5 이하인 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 2 종횡비가 약 1인 방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    제 2 반응 대역의 제 2 동력 투입량이 NH4F(HF)x세제곱미터당 5,000와트 이상인 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    제 1 반응 대역에서의 플루오르 기체의 반응이 플루오르 기체의 35% 이상을 제 1 반응 생성물로 전환시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 1 반응 대역에서의 플루오르 기체의 반응이 플루오르 기체의 45% 이상을 제 1 반응 생성물로 전환시키는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제 1 반응 대역에서의 플루오르 기체의 반응이 플루오르 기체의 65% 이상을 제 1 반응 생성물로 전환시키는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    제 1 반응 대역의 제 1 동력 투입량이 플루오르 기체를 제 1 반응 대역으로 도입함으로써 부분적으로 수득되는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    약 110 내지 150℃에서 제 1 반응 대역 및 제 2 반응 대역에서의 반응을 수행함을 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    약 120 내지 140℃에서 제 1 반응 대역 및 제 2 반응 대역에서의 반응을 수행함을 포함하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    액체 NH4F(HF)x용융물 산도 x 값이 약 1.2 내지 2.2인 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    용융물 산도 x 값이 약 1.4 내지 2.0인 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    용융물 산도 x 값이 약 1.6 내지 1.8인 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    제 1 반응 생성물이 N2F4를 포함하는 불순물 기체를 함유하고,
    상기 방법이 불순물 기체를 승온에서 플루오르 기체와 반응시켜 불순물 기체중 적어도 일부를 NF3로 전환시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    불순물 기체가 N2F4및 N2F2를 포함하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    불순물 기체를 200 내지 400℃에서 플루오르 기체와 반응시킴을 포함하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    제 1 반응 대역이 정적 혼합 요소를 포함하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    제 2 반응 대역이 동적 혼합 어셈블리를 포함하는 방법.
  25. a) 초기 농도의 플루오르 기체와 액체 암모늄 산 플루오라이드를 반응시키기 위한 제 1 반응 대역;
    b) NF3및 적어도 일부의 미반응 플루오르 기체를 포함하는 제 1 반응 생성물을 생성시키기 위해, 제 1 반응 대역에 낮은 에너지 환경을 제공하는 수단;
    c) 제 1 반응 생성물을 수용하고 그중의 미반응 플루오르 기체를 반응시키기 위한 제 2 반응 대역; 및
    d) 플루오르 기체의 부식 특성으로 인한 제 1 반응 대역 및 제 2 반응 대역에서의 부식을 실질적으로 감소시키는 방식으로 플루오르 기체를 NF3로 전환시키기 위해, 제 2 반응 대역에 높은 에너지 환경을 제공하는 수단을 포함하는,
    NF3제조용 장치.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100452233B1 (ko) * 2002-07-19 2004-10-12 한국과학기술연구원 젯트루프식 분사형 반응기를 이용한 삼불화질소 제조방법
US7395823B2 (en) * 2004-04-09 2008-07-08 The Boc Group, Inc. Method and apparatus for local fluorine and nitrogen trifluoride production
US7045107B2 (en) * 2004-09-20 2006-05-16 Air Products And Chemicals, Inc. Process for the production of nitrogen trifluoride
CN1328159C (zh) * 2005-07-27 2007-07-25 中国船舶重工集团公司第七一八研究所 用氨和氟化氢为原料制备三氟化氮的设备及工艺方法
US7413722B2 (en) * 2005-08-04 2008-08-19 Foosung Co., Ltd. Method and apparatus for manufacturing nitrogen trifluoride
US20090038701A1 (en) 2006-01-17 2009-02-12 Baxter International Inc. Device, system and method for mixing
KR101163894B1 (ko) 2007-12-27 2012-07-09 샌트랄 글래스 컴퍼니 리미티드 불소화 기체화합물의 제조방법 및 장치
ITMI20091797A1 (it) * 2009-10-19 2011-04-20 Giordano Colombo Apparecchiatura di reazione ed emulsificazione, particolarmente per emulsionare acqua e combustibile diesel e metodo di emulsificazione utilizzante tale apparecchiatura
US8163262B1 (en) 2011-01-04 2012-04-24 Omotowa Bamidele A Method for production of nitrogen trifluoride from trimethylsilylamines
RU2497567C1 (ru) * 2012-06-06 2013-11-10 ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "СИБУР Холдинг" Газожидкостный реактор
US10751675B2 (en) 2014-11-10 2020-08-25 Eme Finance Ltd. Device for mixing water and diesel oil, apparatus and process for producing a water/diesel oil micro-emulsion
IT201600132801A1 (it) 2016-12-30 2018-06-30 Eme International Ltd Apparato e processo per produrre liquido derivante da biomassa, biocarburante e biomateriale

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4091081A (en) 1977-04-19 1978-05-23 Air Products And Chemicals, Inc. Preparation of nitrogen trifluoride
JPS6071503A (ja) * 1983-09-27 1985-04-23 Central Glass Co Ltd Νｆ↓３の製造法
US4661318A (en) * 1984-03-28 1987-04-28 Phillips Petroleum Company Apparatus for continuous overbasing of petroleum sulfonate with water removal and methanol addition between reaction stages
JP2930351B2 (ja) * 1990-02-06 1999-08-03 関東電化工業株式会社 Ｎｆ▲下３▼の製造法
US5637285A (en) * 1996-01-30 1997-06-10 Air Products And Chemicals, Inc. Process for nitrogen trifluoride synthesis
JP3727797B2 (ja) * 1998-05-22 2005-12-14 セントラル硝子株式会社 三フッ化窒素の製造方法
AU5671001A (en) * 2000-05-12 2001-11-20 Showa Denko Kabushiki Kaisha Process for producing nitrogen trifluoride and use thereof
US6986874B2 (en) * 2000-12-14 2006-01-17 The Boc Group, Inc. Method and apparatus for the production of nitrogen trifluoride
RU2178384C1 (ru) * 2001-05-11 2002-01-20 Общество с ограниченной ответственностью "НьюКем" Способ получения фторидов азота
US6908601B2 (en) * 2002-02-08 2005-06-21 The Boc Group, Inc. Method for the production of nitrogen trifluoride
US6790428B2 (en) * 2002-03-20 2004-09-14 Air Products And Chemicals, Inc. Process for the reduction or elimination of NH3/HF byproduct in the manufacture of nitrogen trifluoride
KR100452233B1 (ko) * 2002-07-19 2004-10-12 한국과학기술연구원 젯트루프식 분사형 반응기를 이용한 삼불화질소 제조방법
US20040096386A1 (en) * 2002-11-19 2004-05-20 Syvret Robert George Method for nitrogen trifluoride production

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CN1535916A (zh) 2004-10-13

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