專利名稱：三氟化氮生產反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及三氟化氮，并且尤其是涉及一種由氨、元素氟和液態(tài)氟化氫銨生產三氟化氮的反應器系統和方法。
背景技術：
三氟化氮(NF3)用于高能量的液體和固體推進劑這樣的產品中，并且作為氟源用于半導體器件的產品中。三氟化氮可以通過多種方法制備，如在U.S.專利Nos.4,091,081和5,637,285，以及U.S.專利公開No.2002/0127167中所公開的方法，上述的每一個方法在這里一并作為參考。三氟化氮的生產通常來自于一系列如下所描述的反應，即氨和氟氣與液態(tài)氟化氫銨中間體結合。
反應1表示所需的NF3產品的反應。反應2是最迅速的不期望的副反應。
反應3表示沒有起反應的氟氣。
反應1 反應2 反應3這個簡化的表達式假定反應1、反應2、反應3是僅有的氟消耗反應(c1+c2+c3＝1)，并且忽視較慢的、但是重要的產生N2F2和N2F4，OF2、以及其它雜質的氟反應。c1和c2值是所估計的氟進料部分它們反應分別產生所需的NF3產物和不需要的N2副產物的。c3部分代表沒有起反應的氟氣。NH4F(HF)X熔體酸度x值是在熔體中氟化氫與氨的摩爾比減去1。α值是實際的液態(tài)氟化氫銨熔體[NH4F(HF)X]進料速度與最小化學當量的NH4F(HF)X進料速度的比率。通過使用過量NH4F(HF)X來調節(jié)反應區(qū)的溫度。這個簡化的方法表達式忽略了其它因素，如在粗NF3蒸汽產物中的小部分HF。即使有這些限制，反應1、反應2、反應3提供了一個良好的框架來描述NF3生產領域的情況和如下所討論的相關問題。
人們已經嘗試著提高F2至NF3的轉化率。美國專利No.4,091,081公開了通過向塔中的液態(tài)氟化氫銨噴射氟和氨而生產NF3的方法。美國專利NO.5,637,285公開了同時提高氟化氫銨熔體的氟化氫的含量和提高混合強度以提高F2至NF3的轉化率。具體地，NH4F(HF)X熔體酸度“x”值的提高降低了反應2相對于反應1的速率，這有助于提高總的NF3的產率。然而，較高的NH4F(HF)X熔體酸度“x”值也稍微降低了對于一個給定界面的表面積的經反應1的NF3生產率。
盡管美國專利5,637,285實現了NF3產量的提高，一些重要的問題仍然存在。首先，在葉輪外緣高放熱的NF3反應是非常迅速的，這導致了葉輪外緣的局部過熱、加速腐蝕以及機械安全性的問題。其次，由于沒有增加混合軸長度，不能增加溶液的深度，來增加氣體的停留時間，這也增加了機械安全性的問題。
美國專利申請公開號No.US/2002/0127167A1利用了如在美國專利No.5,637,285中公開的高混合強度的優(yōu)點，以及高循環(huán)率以提高有效α值，從而降低局部過熱，提高F2至NF3的轉化率(c1)，并且降低了葉輪腐蝕。然而，該方法沒有提出有關葉輪軸長度或高混合率與高氟濃度相結合的問題。此外，NH4F(HF)X熔體再循環(huán)率受到氣態(tài)產物流速和氣—液分離的限制。
因此在本領域中這是一個重要的優(yōu)點，即提供具有提高產量又不存由于氟氣反應物的腐蝕性能和高剪切速度所引起的混合組件(如葉輪)的腐蝕問題的NF3生產系統。
發(fā)明概述本發(fā)明通常涉及通過氟氣、氨氣和液態(tài)氟化氫銨反應而生產NF3的方法。本發(fā)明提供一種方法，該方法在鄰近相對高濃度的腐蝕性氟反應氣體處提供低能量輸入，并且在鄰近相對低濃度的氟氣處提供高能量輸入。作為本發(fā)明的結果是，提供了具有提高NF3的產率而不過度腐蝕混合組件的NF3生產系統。能量輸入和氟濃度的平衡建立了一個不太助長腐蝕的反應環(huán)境。特別是，反應區(qū)的長寬比和提供給反應區(qū)的功率輸入被選擇用于構建反應區(qū)，在該反應區(qū)中，易于導致腐蝕(如高剪切速度、高能量輸入和高濃度的氟氣)的條件與趨向有利于低腐蝕(低剪切速度、低能量輸入和低濃度的氟氣)的條件平衡。
生產過程在兩個反應區(qū)中進行，第一反應區(qū)是以相對高的長寬比和低的功率輸入為特征的，該區(qū)域用于在相對高濃度下反應氟氣。第二反應區(qū)使得生產過程在具有相對低的長寬比和高的功率輸入下進行，由于部分氟氣已經起反應了，該區(qū)域的氟氣濃度相對較低。
在本發(fā)明的一個具體的方面，提供一種生產NF3的方法，包括在第一反應區(qū)中，在相對低能量的環(huán)境中氟氣以初始濃度和液態(tài)氟化氫銨反應，產生包括NF3和至少部分未反應的氟氣的第一個反應產物；以及b)在第二反應區(qū)中，在相對高能量的環(huán)境中包括未反應氟氣的第一個反應產物反應，產生第二個反應產物，其中以至少充分地降低了在第一和第二反應區(qū)中由于氟氣的腐蝕特性所引起的腐蝕的方式，在第一反應區(qū)中的低能量環(huán)境和第二反應區(qū)中的高能量環(huán)境下充分地將氟氣轉化至NF3。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，至少包括雜質N2F4和NH4(HF)X的作為生產NF3過程中的一部分形成的雜質氣體與氟氣在升高的溫度下反應，至少將部分雜質轉化為NF3，并且基本上完全除去雜質。
附圖簡要說明如下的附圖是本發(fā)明一個實施方式的說明，但不意味著用形成本申請一部分的權利要求的范圍限制本發(fā)明。
附

圖1是本發(fā)明一個實施方式的示意圖，表示一個雙重反應區(qū)系統和一個任選的部件，該部件用氟氣處理部件處理雜質氣體。
發(fā)明的詳細描述本發(fā)明涉及一個由包含氟氣和液態(tài)氟化氫銨的反應混合物產生NF3的方法。如下描述的，反應在具有以不同的能量環(huán)境為特征的兩個反應區(qū)中進行。在氟氣濃度相對高的第一反應區(qū)中的能量環(huán)境是以相對低能量環(huán)境為特征的。在氟氣濃度低于第一反應區(qū)(即因為至少一部分氟氣已在第一反應區(qū)中反應)的第二反應區(qū)中的能量環(huán)境是以相對高能量環(huán)境為特征的。
術語“相對高能量環(huán)境”意指一個反應區(qū)，其中選擇反應條件和/或反應區(qū)的特征，以在氟氣反應物的位置提供比出現在相對低能量環(huán)境中的更多的能量。示范性的反應條件和/或結構條件包括，但不受限于，提供給反應區(qū)的的功率輸入和反應區(qū)的長寬比。通常，較高能量輸入和較低的長寬比有利于高能量環(huán)境，而較低功率輸入和較高的長寬比有利于低能量環(huán)境。
在本發(fā)明的一個具體的方面，具有以不同的功率輸入的不同長寬比為特征的兩個反應區(qū)。在第一反應區(qū)的初始低能量環(huán)境中，長寬比相對高，而混合是在相對低能量輸入下進行的，例如在缺乏移動部件時完成混合的靜態(tài)結構的混合組件存在下，應用于氟氣進料以混合氟氣和其它反應物的壓力。在第二反應區(qū)的高能量輸入反應環(huán)境中，反應區(qū)的長寬比減小并且功率輸入增加，以致于混合組件通常包括一個可用于混合反應物的葉輪。本方法的效果是克服從反應中獲得所需產物(NF3)的有效產量的困難，該反應是以高放熱為特征的、涉及腐蝕性反應物并通常使用產生高剪切的混合組件。特別地，氟氣與液態(tài)氟化氫銨熔體，以及氨氣與液態(tài)氟化氫銨的反應是在這樣的系統中進行的，即將該系統設計成將氣態(tài)氨和氟之間的反應減到最小，并且包含一個一般包括葉輪的混合組件。高熱量、腐蝕性反應物以及反應產生的高剪切速度通常會損害葉輪上的任何保護層(如氟化物層)。高熱量、腐蝕性反應物和與工藝組件有關的高剪切速度的結合迅速腐蝕葉輪，導致工藝組件停止運轉并且損失生產時間來替換葉輪。
本發(fā)明通過在以下條件下。以減少和/或消除葉輪損壞的方式實施這一方法，提出了葉輪損害問題。
本文中使用的術語“長寬比”指反應區(qū)的長度與反應區(qū)的寬度比例。例如，一個由圓柱形容器組成的具有長寬比為2的反應區(qū)的長度是其寬度的兩倍。相反地，長寬比為0.5指反應區(qū)具有的長度是寬度的一半。對于由管道或通道或通道組件組成的反應區(qū)，反應區(qū)長寬比定義為通道的長度與通道的水力直徑比例。通道或者通道組件的水力直徑被定義為四倍的通道橫截面積除以單位長度上的通道壁面積。
術語“功率輸入”指到任一反應區(qū)的機械能量的輸入，但在反應區(qū)之間沒有能量傳遞。典型地，使用混合器、泵、或者壓縮氣體，用于輸入功率到任一反應區(qū)。功率輸入是根據在第一和第二反應區(qū)中，NH4F(HF)X熔體總體積的每立方米所含瓦特數來測定的。根據本發(fā)明的一個具體的方面，提供兩個反應區(qū)，第一個具有相對高的長寬比(即反應區(qū)的長度超過寬度)和低的功率輸入(如中等壓力的氟進料)。所提供的第二反應區(qū)基本上與第一反應區(qū)相反，因為第二反應區(qū)具有相對低的長寬比和相對高的功率輸入。
參見附圖1，所示為三氟化氮生產系統2，其具有第一反應區(qū)4和第二反應區(qū)6。根據本發(fā)明，第一反應區(qū)4一般為具有相對高的長寬比的一個或多個管道或通道的形式，長寬比在約5至150范圍內，優(yōu)選約在10至100。第二反應區(qū)一般具有最大為5的低長寬比，一般約為1。第一反應區(qū)4具有相對低的功率輸入，一般每立方米NH4F(HF)X低于約1000瓦特，優(yōu)選低于500瓦特/m3，并且通過使用靜態(tài)混合元件來靜態(tài)混合反應物，該混合元件注以數字14，并且包括管道40中的靜態(tài)混合元件。包括熱交換性能的靜態(tài)混合組件可以從Chemineer，Inc以商標Kenics獲得。在第一反應區(qū)4中的NH4F(HF)X流量(flowflux)一般在30至300cm3/cm2/秒的范圍，優(yōu)選地從50至200cm3/cm2/秒。
更多的功率被輸入到第二反應區(qū)6中，并且足以運轉動力混合組件8。動力混合組件8的功能包括減小第一反應區(qū)4中產品流10的氣泡大小，經由流38再循環(huán)部分第一反應區(qū)4中產品流10至第一反應區(qū)，轉移一部分第一反應區(qū)4中產品流10至第二反應區(qū)的混合罐中，以回收三氟化氮產物，并且經由流38，從具有較低NH4F(HF)X熔體x值和較低氣體濃度的第二反應區(qū)混合罐中轉移部分NH4F(HF)X熔體至第一反應區(qū)4。所有的這些功能可以通過包含在動力混合組件8中的葉輪執(zhí)行。可使用另外葉輪12，用于促進在第二反應區(qū)混合罐中的混合。動力混合組件8也提供較低量的能量輸入到第一反應區(qū)4中的靜態(tài)混合組件14。
第二反應區(qū)6以關閉的、直立的圓柱形罐的形式為宜，除動力混合組件8外還包括一個來自于第一反應區(qū)4的進料流10。
第二反應區(qū)6也包括粗制的三氟化氮氣體產物出口16，通過該出口從第二反應區(qū)6所獲得粗制的三氟化氮氣體產物被送至進一步的處理，該處理如下文所描述的本發(fā)明的任選方面。
出口16使得充滿氣體的氟化氫銨熔體副產品通過管道18輸送至任選的容器20，該出口優(yōu)選裝有加熱套22以幫助從粗制的NF3產物26中分離NH4F(HF)X副產物。采用傳統的去霧器28方便地除去從粗制的三氟化氮產品26帶走的NH4F(HF)X相當大部分以產生充分不含氟化氫銨的粗制三氟化氮產品30。
第二反應區(qū)6也包括一個入口32，該入口以管道的形式從來源處(未顯示)輸送原料氨至第二反應區(qū)6。從來源處(未顯示)提供氟氣到三氟化氮生產系統2，經由管道34進入到氣體噴霧器36。從這一點氟氣進入到第一反應區(qū)4，氟化氫銨的速率足以確?；旧纤械姆鷼饨浻蛇M料流10離開第一反應區(qū)4。
第二反應區(qū)6提供有出口38，以使得再循環(huán)氟化氫銨離開第二反應區(qū)6，并且再循環(huán)至第一反應區(qū)4中，最后經由進料流10返回到反應區(qū)6中。再循環(huán)的氟化氫銨的輸送通過具有液體入口44和出口46的一個或多個冷卻套42的管道40，以除去大量反應熱并且控制反應器溫度。第一和第二反應區(qū)的溫度一般在110和150℃之間運行，更優(yōu)選在120和140℃之間。
三氟化氮生產系統2可以在各種條件下運行，只要第一反應區(qū)4在相對低能量環(huán)境下運轉，同時第二反應區(qū)6在相對高能量環(huán)境下運轉，因此提供的操作條件非常有利于NF3的生產，而不引起過度的腐蝕。在進行三氟化氮的生產中，所需要的是在第一反應區(qū)4中，至少35％的氟氣轉化至含三氟化氮的第一反應產物中。優(yōu)選地，氟氣轉化為第一反應產物的轉化率至少為45％，最優(yōu)選地至少65％。在第一反應區(qū)4中氟氣的反應降低了在第二反應區(qū)6中氟氣的濃度，從而能夠利用這里所包括的更高能量環(huán)境，例如，反應區(qū)的低長寬比和相對高的功率輸入以足以運行混合組件而不過度地腐蝕。
所希望的是使用液態(tài)NH4F(HF)X熔體酸度x值在約1.2-2.2范圍中，優(yōu)選約1.4-2.0中，以及最優(yōu)選體積比為1.6-1.8，相當于氟化氫銨、氟化氫與氨的比例范圍分別是2.2-3.2∶1，2.4-3.0∶1和2.6-2.8∶1。
從出口16所獲得三氟化氮粗產物一般壓力約為0.5至5絕對巴，優(yōu)選地0.75至3絕對巴和最優(yōu)選地約1至2絕對巴。
如上所描述的本發(fā)明相比現有技術具有幾個優(yōu)點。本發(fā)明避免了加速腐蝕，該腐蝕與現有方法所特有的高氟濃度和高垂直速度的結合有關。由于氟進料是在具有相對低能量環(huán)境(如低功率輸入和高長寬比)的第一反應區(qū)中首先與液態(tài)氟化氫銨接觸，基本上避免在第一反應區(qū)的腐蝕，同時大量的氟轉化至所需的三氟化氮產品中(即轉化率典型地高于35％)。即使氟部分壓力的下降，第二反應區(qū)可被用于保持氟氣轉化，而無過度的腐蝕率。在第二反應區(qū)6中，通過動力混合組件8所引起的包含氟氣和三氟化氮氣的泡沫的相當大部分可以有利地再循環(huán)到第一反應區(qū)4中，以充分提高氣體停留時間，而不必通過例如增加葉輪的長度來改變葉輪。
在本發(fā)明的另一方面中，來自出口30的粗制三氟化氮氣體可以進一步地處理，以除去雜質氣體，其中典型地包括N2F4和單獨的或與N2F2的結合的NH4F(HF)X熔融體。來自出口30的雜質氣體與氟氣在容器48中反應，該容器裝有金屬填料，優(yōu)選為鎳填料。反應溫度一般在200至400℃范圍，同時氣體停留時間約1秒。這些操作條件基本上除去了所有的次氟化雜質[N2F4，N2F2，和NH4F(HF)X]并且生產出一些三氟化氮。
上述實施方式用于說明本發(fā)明，并且在本領域常規(guī)技術內對本發(fā)明的改進和擴展也包含在本申請的范圍內。
權利要求
1.一種生產NF3的方法，包括a)第一反應區(qū)中，在相對低能量的環(huán)境中氟氣以初始濃度與液態(tài)氟化氫銨反應，產生包括NF3和至少一些未反應的氟氣的第一反應產物；以及b)在第二反應區(qū)中，在相對高能量的環(huán)境中，使包括未反應氟氣的第一反應產物反應，產生第二反應產物，其中以至少充分地降低了在第一和第二反應區(qū)中由于氟氣的腐蝕特性所引起的腐蝕的方式，在第一反應區(qū)中的低能量環(huán)境和第二反應區(qū)中的高能量環(huán)境下充分地將氟氣轉化為NF3。
2.根據權利要求1的方法，其中第一反應區(qū)具有第一功率輸入和第一長寬比，并且第二反應區(qū)具有高于第一功率輸入的第二功率輸入，和低于第一長寬比的第二長寬比。
3.根據權利要求1的方法，進一步包括從第二個反應產物中分離NF3。
4.根據權利要求2的方法，其中第一長寬比約為5至150。
5.根據權利要求4的方法，其中第一長寬比約為10至100。
6.根據權利要求2的方法，其中在反應區(qū)中的第一功率輸入低于約1000瓦特/每立方米的NH4F(HF)X。
7.根據權利要求6的方法，其中在第一反應區(qū)的第一功率輸入低于約500瓦特/每立方米的NH4F(HF)X。
8.根據權利要求2的方法，其中第二長寬比高至約5。
9.根據權利要求8的方法，其中第二長寬比約為1。
10.根據權利要求2的方法，其中在第二反應區(qū)中的第二功率輸入至少為5000瓦特/每立方米的NH4F(HF)X。
11.根據權利要求1的方法，其中在第一反應區(qū)中氟氣反應，至少35％的氟氣轉化率第一個反應產物。
12.根據權利要求11的方法，其中在第一反應區(qū)中氟氣反應，至少45％的氟氣轉化為第一個反應產物。
13.根據權利要求12的方法，其中在第一反應區(qū)中氟氣反應，至少65％的氟氣轉化為第一個反應產物。
14.根據權利要求1的方法，其中在第一反應區(qū)中的第一功率輸入部分地從氟氣引入到第一反應區(qū)中獲得。
15.根據權利要求1的方法，包括在第一和第二反應區(qū)中于約110至150℃進行反應。
16.根據權利要求15的方法，包括在第一和第二反應區(qū)于溫度約120至140℃進行反應。
17.根據權利要求1的方法，其中液態(tài)NH4F(HF)X熔體酸度x值約為1.2-2.2。
18.根據權利要求17的方法，其中熔體酸度x值約為1.4-2.0。
19.根據權利要求18的方法，其中熔體酸度x值約為1.6-1.8。
20.根據權利要求1的方法，其中第一反應產物含有包含N2F4的雜質氣體，所述的方法進一步包括雜質氣體與氟氣在升高的溫度下反應，將至少部分雜質氣體轉化為至NF3。
21.根據權利要求20的方法，其中雜質氣體包括N2F4和N2F2。
22.根據權利要求20的方法，包含使雜質氣體與氟氣在200至400℃溫度下的反應。
23.根據權利要求1的方法，其中第一反應區(qū)包括一個靜態(tài)混合元件。
24.根據權利要求1的方法，其中第二反應區(qū)包括一個動力混合組件。
25.生產NF3的裝置，包括a)第一反應區(qū)，用于氟氣在初始濃度下與液態(tài)氟化氫銨的反應；b)用于提供低能量環(huán)境到第一反應區(qū)的工具，以生產包括NF3和至少一些未反應的氟氣的第一反應產物；c)第二反應區(qū)，用于接收第一反應產物和在其中進行未反應的氟氣的反應；并且d)用于提供高能量環(huán)境到第二反應區(qū)的工具，轉化氟氣至NF3，以充分地降低由于氟氣的腐蝕特性引起的在第一和第二反應區(qū)的腐蝕的方式。
全文摘要
一種生產三氟化氮的方法，通過氟氣和液態(tài)氟化氫銨在具有相對低能量輸入的第一反應區(qū)中的反應，以及緊接著在具有相對高能量輸入的第二反應區(qū)中處理所得產物。所得到的三氟化氮粗產品可以進一步在升高的溫度下用氟氣處理，以提高所需產物的產量。
文檔編號C01B21/083GK1535916SQ20031011779
公開日2004年10月13日 申請日期2003年12月23日 優(yōu)先權日2002年12月23日
發(fā)明者D·P·小薩謝爾, D P 小薩謝爾 申請人:波克股份有限公司