专利名称：三氟化硼-11电子特气的生产装置及方法
技术领域：
本发明涉及三氟化硼-11 (11BF3)电子特气的生产装置及方法，技术适用于电子、医药等行业，为之提供高丰度、高纯度需要的11BF3的生产工艺。
背景技术：
三氟化硼-11 (11BF3)气体在工业生产上的有很多方面的应用，可以用于电子工业和光纤工业，可作为制备光纤预制件的原料，是硅和锗外延、扩散和离子注入过程的P型掺杂源。在半导体制造过程中11BF3是重要的离子注入气，同时作为硼掺杂剂用于硅离子布植方面，生产出的芯片具有高集成、高密度特点，且体积小、性能优越。随着电子、通讯行业的飞速发展，11BF3气体的应用还有很大的发展前景。对于11BF3的生产，发达国家如美国、德国、日本等都有大规模工业生产厂，其中美国的联合信号公司及德国的BASF公司生产的瓶装11BF3在国际上有较高的影响，日本钢铁化学公司生产的11BF3尽管有较高的纯度，但其规模相对较小。我国目前尚不具备nBF3气体的生产能力。11BF3气体生产的工艺技术主要有两个难点一是丰度要求。11BF3电子特气的丰度要求彡99. 7%，而11B天然丰度为80%左右。二是纯度要求。11BF3作为电子特气，对各种杂质的要求相当严格，达到ppm级，产品总纯度彡99. 995%。上世纪八十年代，我国开展超纯气体的攻关，产品纯度达到99. 995%以上，实现了超纯产品的生产，其技术已大规模用于航空航天、光伏太阳能等领域，为电子特气的生产奠定了基础。因而真正制约11BF3电子特气生产的因素为99. 7%的丰度要求，目前国内尚未有成功报道。
发明内容
本发明技术在国内率先提出了 11BF3气体生产工艺技术，产品丰度达到99. 7%以上，满足电子特气行业的要求，是一条可大规模工业化的技术路线。本发明的技术方案如下三氟化硼-11 (11BF3)电子特气的生产装置，由合成装置(2)、化学交换塔(3)、裂解装置(5)串联而成；裂解塔顶设置有塔顶冷凝器(4)、塔底设置有加热釜(6)组成；从合成装置中喷流而下的液相，通过泵打至化学交换塔顶，再经泵打至裂解装置塔顶；经裂解装置加热裂解开的气体经过冷凝器，从化学交换塔底部进入，与喷淋而下的液相逆流，发生交换反应，使11B在气相中富集；裂解装置中上升的苯甲醚气体冷凝下来后，先由换热器7换热，再经泵打至合成装置塔顶，重新发生合成反应。在11BF3气体出口连接有吸附装置，吸附装置由一级吸附塔(10)、二级吸附塔
(11)、中压精馏塔(12)和低压精馏塔(14)组成。待净化的BF3气体由吸附塔(10)顶部进入，从底部出来后再进入吸附塔(11)顶部，然后再由中压精馏塔(12)底部进入，从中压精馏塔(12)顶部出来后经由中间冷凝器(13)，由低压精馏塔(14)中进入，低压精馏塔(14)底部为净化后的高纯11BF3产品气。
本发明的富集11BF3方法，三氟化硼原料气体从合成装置(2)底部进入，苯甲醚则从合成装置(2)顶部喷流而下，在10 — 25°C的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼一苯甲醚络合物；由裂解装置中裂解开来的BF3气体由化学交换塔(3)底部进入，气液逆流充分接触，在15 — 30°C的操作温度下，发生化学交换反应；较重的11B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的kiB同位素则在塔底液相络合物中富集；富集后的11BF3气体由底部进入到合成装置(2)中，重新与苯甲醚合成液相络合物；富集kiB同位素的液相络合物则进入分解装置(5)，在140— 170°C受热分解为11BF3贫气，再进入化学交换塔(3)进行化学交换；如此反复运行，直至11BF3气体11B丰度达到99. 7%以上，从11BF3产品出口 8处采出产品。从11BF3产品出口采出的富集11BF3气体，在一级吸附塔(10)中除去部分的杂质气体后，进入内装活性氧化铝的二级吸附塔(11)，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔(12)和低压精馏塔(14)组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度高达99. 995%的11BF3产品气，从精馏塔(14)底部获得。
本发明的效果是为高丰度高纯度11BF3电子特气的工业化生产，提供一条可行的工艺技术及生产装置，获得的11BF3产品气丰度达到家99. 7%，纯度达到99. 995%以上，满足目前国内外11BF3电子特气的产品要求。
图I :化学交换精馏法富集11BF3工艺流程图；图2 :气体净化工艺及装置流程图；I. BF3钢瓶；2.合成装置；3.化学交换塔；4.冷凝器；5.裂解装置；6.加热釜；
7.换热器；8. 11BF3产品气；9. 10BF3 苯甲醚络合物；10. —级吸附塔；11. 二级吸附塔；12.中压精馏塔；13.中间冷凝器兼再沸器；14.低压精馏塔。
具体实施例方式采用原料天然丰度的三氟化硼气体和苯甲醚。装置如图1、2所示由合成装置(2)、化学交换塔(3)、裂解装置(5)串联而成；裂解塔顶设置有塔顶冷凝器(4)、塔底设置有加热釜(6)组成；从合成装置中喷流而下的液相，通过泵打至化学交换塔顶，再经泵打至裂解装置塔顶；经裂解装置加热裂解开的气体经过冷凝器，从化学交换塔底部进入，与喷淋而下的液相逆流，发生交换反应，使11B在气相中富集；裂解装置中上升的苯甲醚气体冷凝下来后，先由换热器7换热，再经泵打至合成装置塔顶，重新发生合成反应。在11BF3气体出口连接有吸附装置，吸附装置一级吸附塔(10)、二级吸附塔(11)、中压精馏塔(12)和低压精馏塔(14)组成。待净化的BF3气体由一级吸附塔(10)顶部进入，从底部出来后再进入二级吸附塔(11)顶部，然后再由中压精馏塔(12)底部进入，从中压精馏塔(12)顶部出来后经由中间冷凝器(13)，由低压精馏塔(14)中进入，低压精馏塔(14)底部为净化后的高纯BF3产品气。实例I :原料气钢瓶I三氟化硼原料气体从合成装置底部进入，苯甲醚则从合成装置顶部喷流而下，在10 — 15°C的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼一苯甲醚络合物。在裂解装置中裂解开来的BF3气由化学交换塔底部进入，气液逆流充分接触，在20—25°C的操作温度下，发生化学交换反应。较重的11B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的kiB同位素则在塔底液相络合物中富集。富集后的11BF3气体由底部进入到合成装置中，重新与络合剂合成液相络合物。富集kiB同位素的液相络合物则进入裂解装置，在140— 150°C受热分解为的11BF3贫气，再进入交换塔进行化学交换。如此反复不停运行，直至11BF3气体11B丰度达到99. 7%以上，采出产品。然后进入吸附塔进行除杂，气体进料后经过降温并在一级吸附塔10中进一步除去部分的杂质气体，再将11BF3充入内装活性氧化铝的二级吸附塔11，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔和低压精馏塔组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度可高达99. 995%的11BF3产品气。实例2 :三氟化硼原料气体从合成装置底部进入，苯甲醚则从合成装置顶部喷流而下，在15 — 20°C的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼一苯甲醚络合物。在裂解装置中裂解开来的BF3气由化学交换塔底部进入，气液逆流充分接触，在25—30°C的操作温度下，发生化学交换反应。较重的11B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的kiB同位素则在塔底液相络合物中富集。富集后的11BF3气体由底部进入到合成装置中，重新与络合剂合成液相络合物。富集kiB同位素的液相络合物则进入裂解装置，在150— 160°C受热分解为的11BF3 贫气，再进入交换塔进行化学交换。如此反复不停运行，直至11BF3气体11B丰度达到99. 7%以上，采出产品。然后进入吸附塔进行除杂，气体进料后经过降温并在一级吸附塔10中进一步除去部分的杂质气体，再将11BF3充入内装活性氧化铝的二级吸附塔11，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔和低压精馏塔组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度可高达99. 995%的11BF3产品气。实例3 :三氟化硼原料气体(I)从合成装置底部进入，苯甲醚则从合成装置顶部喷流而下，在20— 25°C的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼一苯甲醚络合物。在裂解装置中裂解开来的BF3气由化学交换塔底部进入，气液逆流充分接触，在15 — 20°C的操作温度下，发生化学交换反应。较重的11B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的kiB同位素则在塔底液相络合物中富集。富集后的11BF3气体由底部进入到合成装置中，重新与络合剂合成液相络合物。富集kiB同位素的液相络合物则进入裂解装置，在160— 170°C受热分解为的nBF3贫气，再进入交换塔进行化学交换。如此反复不停运行，直至11BF3气体11B丰度达至IJ 99. 7%以上，采出产品。然后进入吸附塔进行除杂，气体进料后经过降温并在一级吸附塔10中进一步除去部分的杂质气体，再将11BF3充入内装活性氧化铝的二级吸附塔11，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔和低压精馏塔组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度可高达99. 995%的11BF3产品气。本发明三氟化硼-11 (11BF3)电子特气的生产装置及方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变工艺参数、结构设计等环节实现。本发明的系统已通过不同的实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的系统进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
权利要求
1.一种三氟化硼-11电子特气的生产装置，其特征是由合成装置2、化学交换塔3、裂解装置5串联而成；裂解塔顶设置有塔顶冷凝器4、塔底设置有加热釜6组成；从合成装置中喷流而下的液相，通过泵打至化学交换塔顶，再经泵打至裂解装置塔顶；经裂解装置加热裂解开的气体经过冷凝器，从化学交换塔底部进入，与喷淋而下的液相逆流，发生交换反应，使11B在气相中富集；裂解装置中上升的苯甲醚气体冷凝下来后，先由换热器7换热，再经泵打至合成装置塔顶，重新发生合成反应。
2.如权利要求I所述的装置，其特征是在11BF3气体出口连接有吸附装置，吸附装置一级吸附塔10、二级吸附塔11、中压精馏塔12和低压精馏塔14组成；待净化的BF3气体由吸附塔10顶部进入，从底部出来后再进入吸附塔11顶部，然后再由中压精馏塔12底部进入，从中压精馏塔12顶部出来后经由中间冷凝器13，由低压精馏塔14中进入，低压精馏塔14底部为净化后的高纯BF3产品气。
3.权利要求I的三氟化硼-11电子特气的生产方法，其特征是三氟化硼原料气体从合成装置2底部进入，苯甲醚则从合成装置2顶部喷流而下，在10 — 20°C的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼一苯甲醚络合物；从裂解装置中裂解开来的BF3气体由化学交换塔3底部进入，气液逆流充分接触，在15 — 30°C的操作温度下，发生化学交换反应；nB同位素以气体形式在塔顶富集，kiB同位素则在塔底液相络合物中富集；富集后的11BF3气体由底部进入到合成装置2中，重新与苯甲醚合成液相络合物；富集kiB同位素的液相络合物则进入分解装置5，在140— 170°C受热分解为11BF3贫气，再进入化学交换塔3进行化学交换；如此反复运行，直至11BF3气体11B丰度达到99. 7%以上，从11BF3产品出口 8处采出产品。
4.如权利要求2所述的生产方法，其特征是从11BF3产品出口8采出的富集11BF3气体，在吸附塔10中除去部分的杂质气体后，进入内装活性氧化铝的吸附塔11，进一步除去杂质气体，最后气体进入由中压精馏塔12和低压精馏塔14组成的精馏装置，在两精馏塔内进行多次气液接触和传质，最终得到纯度高达99. 995%的11BF3产品气，从精馏塔14底部获得。
全文摘要
本发明涉及三氟化硼-11(11BF3)电子特气的生产装置及方法，三氟化硼原料气体从合成装置底部进入，苯甲醚则从合成装置顶部喷流而下，在10—25℃的操作温度下，发生络合反应形成三氟化硼－苯甲醚络合物；由裂解装置中裂解开来的BF3气体由化学交换塔底部进入，气液逆流充分接触，在15—30℃的操作温度下，发生化学交换反应；较重的11B同位素以气体形式在塔顶富集，较轻的10B同位素则在塔底液相络合物中富集；富集后的11BF3气体由底部进入到合成装置中，重新与苯甲醚合成液相络合物；富集10B同位素的液相络合物则进入分解装置，在140—170℃受热分解为11BF3贫气，再进入化学交换塔进行化学交换；如此反复运行，直至11BF3气体11B丰度达到99.7%以上，从11BF3产品出口处采出产品。
文档编号C01B35/06GK102774845SQ201210234168
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者张卫江, 徐姣 申请人:天津大学