本发明专利技术涉及改进反应工艺，其允许取得优异的ＮＦ↓［３］产品产量，同时最小化从工艺气体中逃出的未反应氟和最小化通过工艺引起的熔融物废料（ＨＦ／ＮＨ↓［３］）。基本的ＮＦ↓［３］工艺为Ｆ↓［２］与铵离子源例如氟化氢铵（ａｍｍｏｎｉｕｍ ａｃｉｄ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）在形成ＮＦ↓［３］的条件下反应，工艺中的改进包括：在第一温度下，将所述Ｆ↓［２］和所述铵离子源以平流（ｃｏｃｕｒｒｅｎｔｌｙ）引入且向下流通过填充柱或棒状柱；在所述的柱中使所述Ｆ↓［２］和铵离子源发生反应；和在比所述第一温度高的第二温度下，从所述柱去除ＮＦ↓［３］和副产物的混合物。
【技术实现步骤摘要】
用于生产三氟化氮的工艺专利技术背景目前，在半导体制造中对NF3的需求量大且在增加。早期的生产NF3的工艺包括通过F2的铵离子直接氟化，在搅拌反应容器中使气体F2与液体(熔融的)氟化氢铵(AAF)接触。早期的工艺操作以在反应液体中HF与氨(ammonia)的摩尔比为2.0比2.5(熔融比)和在氟化氢铵熔点以上的温度下运行，NH4HF2的熔点为127℃。后期用于生产NF3的工艺由于使用更高的HF/NH3熔融比，影响了氟化氢铵的直接氟化。下面的专利和文章描述生产和提纯NF3的工艺。US4,091,081公开了早期通过在搅拌反应容器中260°F以上400°F以下的温度下通过氟化氢铵的直接氟化生产NF3的工艺。HF/NH3比保持为2到2.5。US4,156,598公开了通过氟化氢铵的直接氟化生产NF3的工艺。为了延长在提纯NF3的工艺中所使用吸附柱的寿命，在从反应产物中去除吸收的N2O和水之前，以低于0.03的体积百分比的程度去除N2F2。US5,637,285公开了通过铵源直接氟化生产NF3，例如采用HF/NH3熔融比至少为2.55的氟化氢铵且输入反应介质的功率大于每立方米1000瓦特。公开的用于NF3生产的典型的铵源反应物包括分子式为NH4Hx-1Fx(NH4)yMFz.nHF的化合物，其中x大于2.55；y为1-4；z为2-8，且n足够大以保持反应物为液体。专利权人知道通过比现有技术工艺熔融比更低的工艺，会产生更多的副产品HF，但是其指出部分HF可以被回收和循环使用。专利权人也指出即使使用更高的熔融比，也可得到低水平的熔融废料(每1b的NF3，1.351b铵酸氟化物)，该熔融废料的水平比US4,091,081中公开的工艺所得到的水平低很多。US2003/152,507(A1)公开了不需要牺牲F2到NF3的高转化率，使用具有NF3反应器的热机循环以消除或大幅减少过去由于搅拌器或涡轮而需要机械能输入的生产NF3工艺。在一方面，反应器包括混合区和反应区，其中HF经过蒸汽喷嘴。使用能够经受反复压缩和膨胀的工作液体HF和NH4F(HF)x产生机械能。-->专利技术的简要描述本专利技术涉及一种改进的反应工艺，通过该工艺能得到优良的NF3产量，同时最小化离开工艺气体的未反应的氟化物量和产生最小量的液体熔融物废料(HF/NH3)。基本的NF3工艺在于在形成NF3的条件下使F2和铵离子源，例如氟化氢铵(ammonium acid fluoride)反应，在工艺中的改进包括：在第一温度引入F2和所述的铵离子源以平流(cocurrently)通过填充柱或棒状柱(monolith column)；使所述的F2和铵离子源在所述的柱内反应以产生NF3和副产物HF；和优选地在比第一温度高的第二温度下从所述柱上去除包含NF3和副产物的反应产物。通过该工艺可取得显著的优点，包括：能够显著地减少与NF3工艺相关的生产成本和废料的产生；能够在低压降下操作，并具有极好的反应物通过量(throughput)，由此减少了NF3生产的资金消耗；能够减小或消除在反应中期间产生的危险的液体熔融物废料；和通过增加氟化物的转化和选择性，能够增加产品产量并减少在气体产物线上未反应的F2的量。附图的简要描述该图是生产NF3的流程图。专利技术的详细说明氟化物和液体HF/NH3混合物(熔融)的反应产生的反应产品包括作为气体产物的NF3、HF、N2和其它的氟化氮以及液体HF/NH3熔融物。遗憾地是，早期的最佳化NF3产量的现有技术工艺也增加了液体HF/NH3熔融物的量。另外，这些现有技术工艺通常导致氟化物的不完全转化和中等(moderate)的产品选择性。在现有工艺中存在两个问题，一个是减少作为废物处理的液体熔融物的水平，也就是没有通过工艺回收的液体熔融物的量，另一个是减少工艺中逃出的未反应的氟化物的水平。本专利技术涉及对通过F2和铵离子源，优选氟化氢铵的反应来生产三氟化氮的改进。在该工艺中铵离子源和包含气体的氟以平流通过柱反应，即填充柱或结构柱例如棒状柱，反应物包括NF3，副产品包括从柱中提取的HF。随着反-->应混合物向下经过柱，由于发热反应温度随着柱长度而升高。另外，通过反应由于铵离子的去除和副产品HF的形成，酸值也就是HF水平升高。因此，HF增加导致HF/NH3熔融比在反应产物中增加。与现有的技术工艺相比，本工艺解决了从工艺中放出液体熔融物废料和低F2转化的问题。控制在柱中的条件以使F2和铵离子源在填充或单个柱的入口处的进气温度低于柱出口处的反应产物的温度。在柱中的温度升高控制在大约1到30℃的范围内且优选大约从8到20℃。因为在控制柱中温度升高的条件下操作该工艺，能迫使反应所产生的过量HF从液体熔融物变到气体。这样，过量的HF不用气体氟反应去除，且在后续回收步骤中分离而不与液体熔融物在一起。通过适当的控制，可以减少或消除工艺中作为废料的液体熔融物水平。为了利于理解本专利技术，可以参考附图。在NF3工艺中，通过管2引入F2，随同包含熔融再循环物的液铵离子通过管4到达反应柱6的顶端。气体氟进料管2也可包含惰性气体如N2和NF3。由F2和液铵离子熔融混合物产生的表示或计算为HF/NH3的进料熔融比的范围大约从2.4到5，优选范围从2.6到4，最优选的范围从2.6到3.6。平流引入由通过管2和4的反应物混合形成进料混合物以在柱6中建立栓塞流并产生良好分散的反应气体-液体混合物。为了利于气体分散和混合，柱6填充任意的填料，如环、拉西环或构造填料如棒状柱。棒状柱或填满填料的柱允许足够的压力降以提供必要的能量输入到反应混合物中，以产生优异的反应率和优异的产量。在柱6入口或进料端的反应温度与柱6的其它任何部分相比优选为最低。典型地，入口反应料的温度范围从90到200℃，优选从120到180℃。柱中压强的典型范围从10磅/平方英寸(psia)到500磅/平方英寸，优选为大约20磅/平方英寸到50磅/平方英寸。F2和包含铵离子的熔融物之间的反应是高度放热的，因此释放出大量热量。通过控制柱中的液体熔融物比和液体熔融物对F2反应流速来保持柱中温度。柱内液体熔融物比例升高，例如高于初始液体熔融物比例0.01到0.5的量，优选从0.03到0.1。据此意味着在反应产物和料之间的熔融比的差别从0.01到0.5，优选从0.03到0.1。反应产物中的熔融比与入口液体进料的熔融比的差别大于0.5，由于热很难从柱中去除会导致反应失控。继续参考附图，反应产物通过管8从柱6的底部收回，通常在相分离器10-->中减压和分离。通过管12除去包含HF、N2F2、N2副产品、其它的氟化合物和未反应F2的粗品NF3蒸汽，通过管14除去作为底部级分的包含液体铵离子的熔融物。任何适当的相分离装置可以用作相分离器10以分离液相和气相。管8中反应物出口温度被控制得比入口温度高大约1到30℃，因此，出口温度典型的从120到230℃，优选范围是128到195℃，由于闪蒸和相分离，在管14中相分离后的液体熔融物温度典型的比管8中的低1到20℃。控制管14中熔融的压强为15磅/平方英寸到150磅/平方英寸，优选范围为20磅/平方英寸到50磅/平方英寸。因为接近柱出口的温度增加和压强减少(相当于反应本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种通过铵离子源的氟化来生产ＮＦ↓［３］的工艺，其包括：将包含Ｆ↓［２］和铵离子源的液体混合物引入到选自无规填充柱或结构填充柱的柱的入口；所述的液体混合物以平流通过柱，从而使所述Ｆ↓［２］和铵离子源在所述柱中发生反应产生ＮＦ ↓［３］和副产物ＨＦ；从所述柱的出口去除包含ＮＦ↓［３］的反应产物；和从反应产物中回收ＮＦ↓［３］。
【技术特征摘要】
US 2004-9-20 10/9452431.一种通过铵离子源的氟化来生产NF3的工艺，其包括：将包含F2和铵离子源的液体混合物引入到选自无规填充柱或结构填充柱的柱的入口；所述的液体混合物以平流通过柱，从而使所述F2和铵离子源在所述柱中发生反应产生NF3和副产物HF；从所述柱的出口去除包含NF3的反应产物；和从反应产物中回收NF3。2.如权利要求1的工艺，其中引入到所述柱入口包含反应物F2和铵离子源的液体混合物的温度比在所述柱出口的反应产物的温度低。3.如权利要求2的工艺，其中铵离子源选自NH4NO3、(NH4)3PO4、(NH4)2SO4、(NH4)2CO3、NH4HCO3、NH4HSO4、NH4IO4、NH4ClO4和NH4BrO4；NH3、NH4F、NH4HF2、NH4Cl、NH4Br、NH4I、NH4NO3、(NH4)3PO4、(NH4)2SO4、(NH4)2CO3、NH4HCO3、NH4HSO4、NH4OSO2F、NH4OSO2Cl、NH4OSO2CF3、NH4OSO2CH3、NH4OC(O)CF3、NH4OC(O)CH3、NH4N(SO2CF3)2、NH4OIOF4、NH4OTeF5、(NH4)2(B12F12)、NH4BrF6、NH4IF6、NH4ClF6、NH4VF6、NH4RuF7、(NH4)3FeF6、(NH4)2SiF6、(NH4)3AlF6、NH4SbF6、NH4AsF6、NH4BiF6、NH4Sb2F11、NH4As2F11、NH4Sb3F16。4.如权利要求2的工艺，其中用HF/NH3表示的液体混合物的熔融比为大约2.4到5。5.如权利要求4的工艺，其中在柱出口的反应产物与引入到所述柱入口的液体混合物的温度差为1到30℃。6.如权利要求5的工艺，其中所述铵离子源是氟化氢铵。7.如权利要求6的工艺，其中所述柱是棒状柱。8.如权利要求6的工艺，其中出口温度...
【专利技术属性】
技术研发人员：VP德霍拉基亚，AG特斯鲁基斯，AJ泽恩德，RP博伊梅，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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