專利名稱：用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的設(shè)備及工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的設(shè)備及工藝方法，它適用于以NH3-xHF為原料合成三氟化氮氣體。
(二)、背景技術(shù)三氟化氮在常溫下是無色、無臭、性質(zhì)穩(wěn)定的氣體，沸點為-129℃，熔點為-208℃，另外，它還是一種強氧化劑。三氟化氮作為一種優(yōu)良的等離子蝕刻氣體，在離子蝕刻時具有優(yōu)異的蝕刻速率和選擇性，而且，在蝕刻物表面不留任何殘留物，是非常良好的清洗劑，因此，在半導(dǎo)體和微電子行業(yè)有著非常廣闊的前景，另外，其在高能激光領(lǐng)域也得到到了廣泛地應(yīng)用。三氟化氮的制備方法通常有兩種即以用NH3與F2為原料制備三氟化氮為代表的化學(xué)合成法，以及以NH4F-xHF為原料通過電解槽制備三氟化氮的電解法。電解法的優(yōu)點是生產(chǎn)運行相對較為安全穩(wěn)定、氣體的純度和產(chǎn)率都較高，因此，這一方法被很多企業(yè)較為廣泛地采用，但其最大的缺點是電解原料成本太高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的設(shè)備及工藝方法，用該法得到的電解原料在生產(chǎn)三氟化氮時，電解槽的電流密度高，設(shè)備簡單，可操作性強，設(shè)備運行安全穩(wěn)定，尤其是可將生產(chǎn)原料的成本降至原來的30％-50％。
用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的設(shè)備包括氨儲罐、活性氧化鋁吸附塔、活性炭吸附塔、精餾塔、緩沖罐、反應(yīng)器、電解槽、氨儲罐、氟化氫除水塔、緩沖罐、高純氮氣儲罐，其特征在于氨儲罐通過管道、調(diào)節(jié)閥以及質(zhì)量流量計與活性氧化鋁吸附塔相連，活性氧化鋁吸附塔通過管道及調(diào)節(jié)閥與活性炭吸附塔相連，活性炭吸附塔通過管道及調(diào)節(jié)閥與精餾塔相連，精餾塔通過管道與調(diào)節(jié)閥與緩沖罐相連，緩沖罐通過管道與調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)器相連；氟化氫儲罐通過管道、調(diào)節(jié)閥及質(zhì)量流量計與氟氫化鉀除水塔相連，氟氫化鉀除水塔通過管道與調(diào)節(jié)閥與緩沖罐相連，緩沖罐通過管道與調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)器相連；高純氮氣儲罐通過管道、調(diào)節(jié)閥及質(zhì)量流量計與反應(yīng)器相連，反應(yīng)器通過管道及調(diào)節(jié)閥與電解槽相連，電解槽通過管道及調(diào)節(jié)閥與后續(xù)設(shè)備相連，所述反應(yīng)器內(nèi)筒及其內(nèi)部一切與原料有接觸的零部件均采用蒙乃爾合金材料，液氨儲罐到反應(yīng)器之間的管路及設(shè)備不得采用銅質(zhì)材料。
用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的工藝方法為本發(fā)明以NH3-xHF為原料經(jīng)過一系列過程首先合成NH4F-yHF液態(tài)體系，并以此液體為電解液電解制備三氟化氮氣體，其特征在于反應(yīng)器中NH3與HF的摩爾配比x＝2.0-4，反應(yīng)溫度為70℃-180℃，反應(yīng)壓力為0.1MPa-0.6Mpa，最終NH4F-yHF體系中的y＝1.3-2.0，氨儲罐中的液態(tài)氨汽化后經(jīng)過閥門和質(zhì)量流量計到達裝有活性氧化鋁的吸附塔，吸附塔中的操作壓力為0.3MPa-0.7Mpa，操作溫度為0℃-80℃，在吸附塔中，氨氣中的大部分硫化物被吸附掉，氨氣從吸附塔流出后，經(jīng)過閥門流進內(nèi)裝活性炭的吸附塔，吸附塔的操作壓力為0.3MPa-0.6Mpa，操作溫度為-20℃-70℃，在吸附塔中，原料氨氣中的大部分有機物被吸附掉，氨氣從吸附塔流出后經(jīng)過控制閥流進精餾塔，精餾塔的操作溫度為頂溫-30℃-10℃，釜溫-20℃-50℃；氨氣流出精餾塔后經(jīng)單向閥和緩沖罐流進反應(yīng)器，在反應(yīng)器中氨氣與來自氟化氫儲罐的氣態(tài)氟化氫以及來自儲罐的高純氮氣相遇，并在此發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)生成氟化氫銨，本發(fā)明在反應(yīng)器上配置了攪拌裝置和循環(huán)水冷裝置，由于我們將NH3與HF原料體系的摩爾配比定為x＝2.2-4，反應(yīng)溫度為70℃-180℃，反應(yīng)壓力為0.1MPa-0.6Mpa，因此，反應(yīng)器中的物質(zhì)最終為氟化氫銨和氟化氫的液態(tài)混合物，該混合物經(jīng)閥門流進常規(guī)電解槽，并在電解槽中電解合成三氟化氮。
用該設(shè)備和方法得到的電解原料在生產(chǎn)三氟化氮時，電解槽的電流密度高，設(shè)備簡單，可操作性強，設(shè)備運行安全穩(wěn)定，尤其是可將生產(chǎn)原料的成本降至原來的30％-50％。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
附圖為本發(fā)明原理圖。
具體實施方式
如附圖所示，1—氨儲罐，2、5、7、13、15、16、19、25、27、30—控制閥門，3、26、29—質(zhì)量流量計，4—活性氧化鋁吸附塔，6—活性炭吸附塔，8—精餾塔，9、23—單向閥，10、22—緩沖罐，11—攪拌器電機，12—反應(yīng)器，14—電解槽，17—陽極，18—陰極，21—循環(huán)冷卻水套，22—緩沖罐，24—氟氫化鉀除水塔。
實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)目的所需的設(shè)備包括氨儲罐1、活性氧化鋁吸附塔4、活性炭吸附塔6、精餾塔8、緩沖罐10、反應(yīng)器12、電解槽10、氨儲罐20、氟化氫除水塔24、緩沖罐22、高純氮氣儲罐23。其特征在于氨儲罐1通過管道、調(diào)節(jié)閥2以及質(zhì)量流量計3與活性氧化鋁吸附塔4相連，活性氧化鋁吸附塔4通過管道及調(diào)節(jié)閥5與活性炭吸附塔6相連，活性炭吸附塔6通過管道及調(diào)節(jié)閥與精餾塔8相連，精餾塔8通過管道與調(diào)節(jié)閥與緩沖罐10相連，緩沖罐10通過管道與調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)器12相連；氟化氫儲罐28通過管道、調(diào)節(jié)閥25、調(diào)節(jié)閥27及質(zhì)量流量計26與氟氫化鉀除水塔24相連，氟氫化鉀除水塔24通過管道與調(diào)節(jié)閥與緩沖罐22相連，緩沖罐22通過管道與調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)器12相連；高純氮氣儲罐23通過管道、調(diào)節(jié)閥30及質(zhì)量流量計29與反應(yīng)器12相連。反應(yīng)器12通過管道及調(diào)節(jié)閥19與電解槽14相連，電解槽通過管道及調(diào)節(jié)閥15、調(diào)節(jié)閥16與后續(xù)設(shè)備相連。所述反應(yīng)器12內(nèi)筒及其內(nèi)部一切與原料有接觸的零部件均采用蒙乃爾合金材料，液氨儲罐1到反應(yīng)器12之間的管路及設(shè)備不得采用銅質(zhì)材料。
本發(fā)明以NH3-xHF為原料經(jīng)過一系列過程電解合成三氟化氮氣體。由于液氨的價格遠低于與其純度相當(dāng)?shù)姆瘹滗@的價格，另外，在進一步純化問題上，液氨較氟化氫銨也要容易和方便的多，因此，本發(fā)明的技術(shù)目的(降低原料成本)便得到了較為完美的實現(xiàn)。反應(yīng)器12中NH3與HF原料體系的摩爾配比x＝2.0-4，反應(yīng)溫度為70℃-180℃，反應(yīng)壓力為0.0MPa-0.6Mpa，反應(yīng)速率具體多大由吸附塔和精餾塔的處理能力及反應(yīng)器的反應(yīng)能力決定。
氨儲罐中的液態(tài)氨汽化后經(jīng)過裝有活性氧化鋁的吸附塔4時，由于活性氧化鋁對NH3和硫化物在吸附方面有著相當(dāng)好的選擇性，因此，氨氣中的大部分硫化物在這里將會被比較徹底地吸附掉，吸附塔4中的操作壓力為0.3MPa-0.7Mpa，操作溫度為20℃-80℃。
氨氣經(jīng)過內(nèi)裝活性炭的吸附塔6時，由于活性炭對氨和有機物的選擇性明顯，在這里，氨氣中的大部分有機物被吸附掉，吸附塔6的操作壓力為0.3MPa-0.6Mpa，操作溫度為10℃-70℃。
氨氣經(jīng)過精餾塔8時，由于氨氣與水的沸點相差很大，因此，氨與水在此處可以被較好的分離，精餾塔8的操作溫度為頂溫-30℃-10℃，釜溫-20℃-50℃。
氟化氫經(jīng)過氟氫化鉀除水塔24時，水與氟氫化鉀反應(yīng)生成氟化氫和氫氧化鉀，從而，使氟化氫中的水被較為徹底的除去，氟化氫除水塔24的操作壓力為0.2MPa-0.6Mpa，操作溫度為20℃-70℃。
氨氣經(jīng)一系列處理后在反應(yīng)器中與來自氟化氫儲罐并經(jīng)氟氫化鉀除水的氣態(tài)氟化氫相遇，并在此發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)生成氟化氫銨，由于氨與氟化氫反應(yīng)十分劇烈，同時有大量的反應(yīng)熱產(chǎn)生，因此，本發(fā)明在反應(yīng)器上配置了攪拌裝置和循環(huán)水冷裝置，以對反應(yīng)溫度進行進一步控制。
由于我們將NH3與HF原料體系的摩爾配比定為x＝2.0-4，反應(yīng)溫度為70℃-180℃，反應(yīng)壓力為O.0MPa-0.6Mpa，因此，反應(yīng)器中的物質(zhì)最終為液態(tài)的氟化氫銨和氟化氫的混合物，該混合物經(jīng)閥門流進常規(guī)電解槽，并在電解槽中電解合成三氟化氮，在電解槽中電解生成的三氟化氮經(jīng)閥門后只須簡單處理，便可進入后續(xù)工段以進一步凈化處理。
經(jīng)過上述過程配制的電解液，在常規(guī)電解槽14進行正常電解的過程中，從陽極室出口取樣進行分析，結(jié)果如表1表1、本發(fā)明所述方法生產(chǎn)合成的三氟化氮產(chǎn)品氣的組成
表1說明用本發(fā)明的方法合成的三氟化氮產(chǎn)品中，O2和N2的濃度之和以及N2O、NxFy等的濃度與用傳統(tǒng)方法相比略低于傳統(tǒng)方法，CF4在此沒有被檢測出來，NF3的濃度與用傳統(tǒng)方法相比略高于傳統(tǒng)方法。
權(quán)利要求
1.用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的設(shè)備包括氨儲罐(1)、活性氧化鋁吸附塔(4)、活性炭吸附塔(6)、精餾塔(8)、緩沖罐(10)、反應(yīng)器(12)、電解槽(10)、氨儲罐(20)、氟化氫除水塔(24)、緩沖罐(22)、高純氮氣儲罐(23)，其特征在于氨儲罐(1)通過管道、調(diào)節(jié)閥(2)以及質(zhì)量流量計(3)與活性氧化鋁吸附塔(4)相連，活性氧化鋁吸附塔(4)通過管道及調(diào)節(jié)閥(5)與活性炭吸附塔(6)相連，活性炭吸附塔(6)通過管道及調(diào)節(jié)閥與精餾塔(8)相連，精餾塔(8)通過管道與調(diào)節(jié)閥與緩沖罐(10)相連，緩沖罐(10)通過管道與調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)器(12)相連；氟化氫儲罐(28)通過管道、調(diào)節(jié)閥(25)、調(diào)節(jié)閥(27)及質(zhì)量流量計(26)與氟氫化鉀除水塔(24)相連，氟氫化鉀除水塔(24)通過管道與調(diào)節(jié)閥與緩沖罐(22)相連，緩沖罐(22)通過管道與調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)器(12)相連；高純氮氣儲罐(23)通過管道、調(diào)節(jié)閥(30)及質(zhì)量流量計(29)與反應(yīng)器(12)相連，反應(yīng)器(12)通過管道及調(diào)節(jié)閥(19)與電解槽(14)相連，電解槽通過管道及調(diào)節(jié)閥(15)、調(diào)節(jié)閥(16)與后續(xù)設(shè)備相連，所述反應(yīng)器(12)內(nèi)筒及其內(nèi)部一切與原料有接觸的零部件均采用蒙乃爾合金材料，液氨儲罐(1)到反應(yīng)器(12)之間的管路及設(shè)備不得采用銅質(zhì)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的設(shè)備，其特征在于氟化氫除水塔(24)中裝有氟氫化鉀顆粒。
3.用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的工藝方法，其特征在于以NH3-xHF為原料經(jīng)過一系列過程首先合成NH4F-yHF液態(tài)體系，并以此液體為電解液電解制備三氟化氮氣體，反應(yīng)器(8)中NH3與HF的摩爾配比x＝2.0-4，反應(yīng)溫度為70℃-180℃，反應(yīng)壓力為0.0MPa-0.6Mpa，最終NH4F-yHF體系中的y＝1.3-2.0，氨儲罐(1)中的液態(tài)氨汽化后經(jīng)過閥門(2)和質(zhì)量流量計(3)到達裝有活性氧化鋁的吸附塔(4)，吸附塔(4)中的操作壓力為0.3MPa-0.7Mpa，操作溫度為0℃-80℃，在吸附塔(4)中，氨氣中的大部分硫化物被吸附掉，氨氣從吸附塔(4)流出后，經(jīng)過閥門(5)流進內(nèi)裝活性炭的吸附塔(6)，吸附塔(6)的操作壓力為0.3MPa-0.6Mpa，操作溫度為-20℃-70℃，在吸附塔(6)中，原料氨氣中的大部分有機物被吸附掉，氨氣從吸附塔(6)流出后經(jīng)過控制閥(7)流進精餾塔(8)，精餾塔(8)的操作溫度為頂溫-30℃-10℃，釜溫-20℃-50℃；氨氣流出精餾塔(8)后經(jīng)單向閥(9)和緩沖罐(10)流進反應(yīng)器(12)，在反應(yīng)器(12)中氨氣與來自氟化氫儲罐(28)的氣態(tài)氟化氫以及來自儲罐(31)的高純氮氣相遇，并在此發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)生成氟化氫銨，本發(fā)明在反應(yīng)器(12)上配置了攪拌裝置(11)和循環(huán)水冷裝置(21)，由于我們將NH3與HF原料體系的摩爾配比定為x＝2.2-4，反應(yīng)溫度為70℃-180℃，反應(yīng)壓力為0.1MPa-0.6Mpa，因此，反應(yīng)器中的物質(zhì)最終為氟化氫銨和氟化氫的液態(tài)混合物，該混合物經(jīng)閥門(19)流進常規(guī)電解槽(14)，并在電解槽(14)中電解合成三氟化氮。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的工藝方法，其特征在于所述反應(yīng)器(12)中的反應(yīng)物為NH3與HF。
全文摘要
本發(fā)明涉及用氨和氟化氫為原料制備三氟化氮的設(shè)備及工藝方法，氨儲罐中的氨先經(jīng)過活性氧化鋁吸附塔除去其中大部分硫化物，然后經(jīng)過活性炭吸附塔，除去其中大部分有機物；然后經(jīng)過精餾塔，除去其中大部分粉塵和水以及部分剩余的有機物；然后經(jīng)過緩沖罐；最后將氨氣、高純氮氣和除水后的氟化氫按一定比例和速率通入反應(yīng)器并在反應(yīng)器中發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成氟化銨，反應(yīng)器中的物質(zhì)最終為氟化銨和氟化氫的混合物，從而配成NH
文檔編號C01B9/08GK1727278SQ20051008539
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月27日
發(fā)明者丁成, 李本東, 楊獻奎, 隋希平 申請人:中國船舶重工集團公司第七一八研究所