一种高纯卤化氢的合成及提纯装置的制作方法

1.本实用新型涉及卤化氢生产装置，具体为一种高纯卤化氢的合成及提纯装置。


背景技术：

2.卤化氢包括hf、hcl、hbr、hi、hat五种化合物。其中碘化氢是用于制备碘化物、碘代烷和有机反应中的还原剂，是卤素气态氢化物中最不稳定、还原性最强、水溶液酸性最强的。碘化氢的不稳定性和反应性使得其难以储存和运输。实验室和小批量制备中，将水滴加在碘和磷的混合物或碘化磷上，能制得碘化氢：
[0003] 2p+3i2+6h2o
→
2h3po3+6hi；
[0004]
pi3+3h2o
→
h3po3+3hi。
[0005]
碘化氢的水溶液叫氢碘酸，氢碘酸是强酸，还原性比盐酸和氢碘酸强。
[0006]
溴化氢，水溶液又名氢溴酸，是制造无机溴化物和烷基溴化物的常用原料。高纯溴化氢，被广泛应用于大规模集成电路、平板显示、光伏等高精尖制造领域的刻蚀制程，是刻蚀工艺中十分关键的电子气体。
[0007]
目前工业溴化氢的合成主要用氢气和溴直接燃烧合成，燃烧合成法是相对经济、环保的合成工艺，能够得到比较纯净的溴化氢。实验室和小批量制备中，也采用其他化学方法来合成溴化氢，例如：硫磺、水、溴反应得到溴化氢，溴、赤磷、浓溴酸反应得到溴化氢，化学合成法“三废”多，成本高，产品杂质组分多，后续提纯复杂。
[0008]
现有溴化氢气体合成方法，采用电加热器将溴素加热至490-510℃之间通入合成炉中，然后氢气由合成炉炉头处进入合成炉，氢气在高温溴气中燃烧并合成溴化氢气体半成品，溴化氢气体半成品与红磷混合进行反应除溴。该方法溴素加热温度过高，能耗大，设备要求高，红磷容易自燃，增加了装置危险性，产品纯度不太高，不适应电子级高纯溴化氢生产。
[0009]
现有工艺中也有采用置换点火法合成高纯溴化氢气体，先将氢气与压缩空气混合后点火燃烧，再用溴蒸气逐渐替换压缩空气与氢气反应，合成溴化氢气体。采用置换点火法氢气与空气反应会生成水分，增加后续脱水除杂的难度。通入压缩空气也增加了反应的危险性。
[0010]
氯化氢，水溶液为盐酸，是广泛应用的基础化学品。高纯氯化氢广泛应用于大规模集成电路和光电产业，是刻蚀工艺中必要的电子气体。
[0011]
目前工业氯化氢的合成主要采用石墨合成炉由氢气和氯气直接燃烧合成，石墨氯化氢合成炉通常由燃烧器、炉筒、冷却装置及安全防爆装置构成。燃烧器位于设备下部，由氯气、氢气输入管和灯头等组成。灯头为一同心套管，内管通氯气，内外管间隙通氢气。现有石墨氯化氢合成炉适合工业级氯化氢的大规模生产，产品质量不高，不适合用于电子级高纯氯化氢的生产。


技术实现要素：

[0012]
本实用新型为了获得高纯度的工业级卤化氢，提供一种高纯卤化氢的合成及提纯装置。
[0013]
本实用新型的方案是，一种高纯卤化氢的合成及提纯装置，包括依次连接的合成炉、冷却器、吸附塔、压缩机、缓冲罐、脱轻塔、脱重塔、成品冷凝器。
[0014]
所述的合成炉包括炉体，炉体内为燃烧室，炉体上部设有炉头，炉头中穿设有内管和外管，内管穿设在外管内部，内管的下端不超出外管的下端口，且内管的下端封闭，内管的下段周壁设有喷气孔，内管和外管上部均为独立供气，炉体内靠近外管下端口的位置设有点火装置，炉体下部设有尾气排出口。
[0015]
所述的卤元素气体走外管，氢气走内管，氢气从内管侧面喷出，与卤元素气体形成均匀的混合气体，在燃烧嘴自动点火稳定燃烧生成卤化氢气体。再通过采用吸附塔脱除水分等不易精馏分离的杂质，采用脱轻塔、脱重塔两塔进行精馏，过量的氢气及轻组份杂质从脱轻塔塔顶排出，重组份杂质从脱重塔塔底排出。最终高纯度的卤化氢产品从脱重塔塔顶排出，冷凝液化后贮存于产品贮罐，用专用钢瓶充装。
[0016]
本实用新型的优点在于：
[0017]
1. 炉头固定在燃烧室顶部，合成炉上进下出，由于热气是上行的，这与卤元素气反应前需要升温，卤化氢合成后需要降温是一致的，有利于反应的温度控制，更加节能；
[0018]
2. 反应中氢气是过量的，氢气比重轻，易上浮富集于上部，合成炉上进下出，有利于卤素充分反应，降低卤化氢合成气中单质卤的含量。
[0019]
3. 在反应前用高纯氮气置换合成炉内空气，并采用卤素直接点火避免在点火过程中引入空气，降低了反应的爆炸危险性，减少了杂质的引入。
[0020]
4. 卤化氢合成气中单质卤的含量低，避免了红磷除卤过程，降低了装置的危险性和生产成本。
[0021]
5. 采用吸附塔脱除水分等不易精馏分离的杂质，吸附塔采用两塔并联，当吸附效率降低需要再生时，可以切换使用。
[0022]
6. 采用脱轻塔、脱重塔两塔进行精馏，过量的氢气及轻组份杂质从脱轻塔塔顶排出，重组份杂质从脱重塔塔底排出，产品纯度高，质量稳定。
[0023]
本实用新型装置流程短，设备简单，操作安全方便，产品纯度高，成本低。
附图说明
[0024]
图1为本实用新型用于碘化氢的制备装置；
[0025]
图2为本实用新型用于溴化氢的制备装置；
[0026]
图3为本实用新型用于氯化氢的制备装置；
[0027]
图4为合成炉的结构示意图；
[0028]
图5为炉头结构示意图；
[0029]
其中：1-合成炉；2-冷却塔；3-吸附塔a；4-吸附塔b；5-压缩机；6-缓冲罐；7-脱轻冷凝器；8-脱轻塔；9-脱轻再沸器；10-脱重塔；11-脱重冷凝器；12-成品冷凝器；13-成品罐；14-脱重再沸器；15-熔解釜；16-汽化过热器；17-内管；18-外管；19-炉头；20-点火装置；21-炉体；22-尾气排出口；23-喷气孔。
具体实施方式
[0030]
结合附图，对本实用新型做进一步说明。
[0031]
实施例1
[0032]
如图1所示意，用于合成碘化氢，依次包括合成炉1、冷却器2、吸附塔、压缩机5、缓冲罐6、脱轻塔8、脱重塔10、成品冷凝器12。
[0033]
如图4、5所示意，所述的合成炉1包括炉体21，炉体21内为燃烧室，炉体21上部设有炉头19，炉头19中穿设有内管17和外管18，内管17穿设在外管18内部，内管17的下端不超出外管18的下端口，且内管17的下端封闭，内管17的下段周壁设有喷气孔23，内管17和外管18上部均为独立供气，炉体21内靠近外管18下端口的位置设有点火装置20，炉体21下部设有尾气排出口22。
[0034]
在合成炉1前设有熔解釜15和汽化过热器16，汽化过热器16连接外管18。
[0035]
所述的吸附塔包括并联设置的吸附塔a3、吸附塔b4，所述的脱轻塔8上方设有脱轻冷凝器7，所述的脱重塔10上方设有脱重冷凝器11。
[0036]
本实用新型生产碘化氢的具体步骤包括：
[0037]
1) 用高纯氮气置换合成炉内空气，至尾气氧含量小于2%；
[0038]
2) 从炉头顶部向合成炉中通入氢气，氢气纯度为99.99%，流量为8m3/h；
[0039]
3) 启动点火装置；
[0040]
4) 将碘加热气化并预热至300℃，从炉头侧管通入合成炉中，碘纯度为99%，流量为氢气摩尔量的80%；
[0041]
5) 碘气与氢气在炉头处点火燃烧，合成碘化氢气体，合成炉的温度控制在500℃；
[0042]
6) 将合成的碘化氢气体冷却至50℃以下；
[0043]
7) 将合成的碘化氢气体通入吸附塔，吸附剂为改性分子筛；
[0044]
8) 碘化氢气体通过压缩机增压后通入脱轻塔精馏，脱轻塔的温度控制在-13至-16℃，过量的氢气及轻组份杂质从塔顶排出；
[0045]
9) 碘化氢液体通过两塔的压力差从脱轻塔流入脱重塔精馏，脱重塔的温度控制在-24至-27℃，重组份杂质从塔顶排出。
[0046]
10) 碘化氢气体从脱重塔塔顶排出，冷凝液化流入成品罐，检测后进行产品充装。
[0047]
检测方法：
[0048]
合成的碘化氢气体采用水定量吸收，碱液滴定法测定，检测纯度为99.5%。（注：由于氢气不溶于水，此方法过量的氢气被排除在外，检测纯度实际为不计氢气的碘化氢纯度。但氢气在脱轻塔的精馏中也不被液化，直接从塔顶排出，该检测纯度在生产控制中经常使用。）
[0049]
精馏后的碘化氢气体采用气相色谱仪在线检测，检测纯度为99.99%。
[0050]
实施例2
[0051]
如图2所示意，用于制备溴化氢，依次包括合成炉1、冷却器2、吸附塔、压缩机5、缓冲罐6、脱轻塔8、脱重塔10、成品冷凝器12。
[0052]
如图4、5所示意，所述的合成炉1包括炉体21，炉体21内为燃烧室，炉体21上部设有炉头19，炉头19中穿设有内管17和外管18，内管17穿设在外管18内部，内管17的下端不超出外管18的下端口，且内管17的下端封闭，内管17的下段周壁设有喷气孔23，内管17和外管18
上部均为独立供气，炉体21内靠近外管18下端口的位置设有点火装置20，炉体21下部设有尾气排出口22。
[0053]
在合成炉1前设有用于处理液溴的汽化过热器16，汽化过热器16连接外管18。
[0054]
所述的吸附塔包括并联设置的吸附塔a3、吸附塔b4，所述的脱轻塔8上方设有脱轻冷凝器7，所述的脱重塔10上方设有脱重冷凝器11。
[0055]
本实用新型生产溴化氢的具体步骤包括：
[0056]
1) 用高纯氮气置换合成炉内空气，至尾气氧含量小于2%；
[0057]
2) 从炉头顶部向合成炉中通入氢气，氢气纯度为99.99%，流量为12m3/h；
[0058]
3) 启动点火装置；
[0059]
4) 将溴素加热气化并预热至200℃，从炉头侧管通入合成炉中，溴素纯度为99.99%，流量为氢气摩尔量的95%；
[0060]
5) 溴气与氢气在炉头处点火燃烧，合成溴化氢气体；
[0061]
6)将合成的溴化氢气体冷却至60℃以下；
[0062]
7) 将合成的溴化氢气体通入吸附塔，吸附剂为改性分子筛；
[0063]
8) 溴化氢气体通过压缩机增压后通入脱轻塔精馏，脱轻塔的温度控制在-23至-26℃，过量的氢气及轻组份杂质从塔顶排出；
[0064]
9) 溴化氢液体通过两塔的压力差从脱轻塔流入脱重塔精馏，脱重塔的温度控制在-34至-37℃，重组份杂质从塔顶排出。
[0065]
10) 高纯溴化氢气体从脱重塔塔顶排出，冷凝液化流入成品罐，检测后进行产品充装。
[0066]
检测方法：
[0067]
合成的溴化氢气体采用水定量吸收，碱液滴定法测定，检测纯度为99.97%。（注：由于氢气不溶于水，此方法过量的氢气被排除在外，检测纯度实际为不计氢气的溴化氢纯度。由于氢气在脱轻塔的精馏中不被液化，直接从塔顶排出，该检测纯度在生产控制中经常使用。）
[0068]
精馏后的溴化氢气体采用气相色谱仪在线检测，检测纯度为99.9994%。
[0069]
实施例3
[0070]
如图3所示意，用于制备氯化氢，依次包括合成炉1、冷却器2、吸附塔、压缩机5、缓冲罐6、脱轻塔8、脱重塔10、成品冷凝器12。
[0071]
如图4、5所示意，所述的合成炉1包括炉体21，炉体21内为燃烧室，炉体21上部设有炉头19，炉头19中穿设有内管17和外管18，内管17穿设在外管18内部，内管17的下端不超出外管18的下端口，且内管17的下端封闭，内管17的下段周壁设有喷气孔23，内管17和外管18上部均为独立供气，炉体21内靠近外管18下端口的位置设有点火装置20，炉体21下部设有尾气排出口22。
[0072]
所述的吸附塔包括并联设置的吸附塔a3、吸附塔b4，所述的脱轻塔8上方设有脱轻冷凝器7，所述的脱重塔10上方设有脱重冷凝器11。
[0073]
本实用新型生产氯化氢的具体步骤包括：
[0074]
1) 用高纯氮气置换合成炉内空气，至尾气氧含量小于2%；
[0075]
2) 从炉头顶部向合成炉中通入氢气，氢气纯度为99.99%，流量为20m3/h；
[0076]
3) 启动点火装置；
[0077]
4) 将氯气从炉头侧管通入合成炉中，氯气纯度为99.99%，流量为氢气摩尔量的95%；
[0078]
5) 氯气与氢气在炉头处点火燃烧，合成氯化氢气体；
[0079]
6) 将合成的氯化氢气体冷却至60℃以下；
[0080]
7) 将合成的氯化氢气体通入吸附塔，吸附剂为改性分子筛；
[0081]
8) 氯化氢气体通过压缩机增压后通入脱轻塔精馏，脱轻塔的温度控制在-20至-24℃，过量的氢气及轻组份杂质从塔顶排出；
[0082]
9) 氯化氢液体通过两塔的压力差从脱轻塔流入脱重塔精馏，脱重塔的温度控制在-28至-32℃，重组份杂质从塔顶排出。
[0083]
10) 高纯氯化氢气体从脱重塔塔顶排出，冷凝液化流入成品罐，检测后进行产品充装。
[0084]
检测方法：
[0085]
合成的氯化氢气体采用水定量吸收，碱液滴定法测定，检测纯度为99.95%。（注：由于氢气不溶于水，此方法过量的氢气被排除在外，检测纯度实际为不计氢气的氯化氢纯度。由于氢气在脱轻塔的精馏中不被液化，直接从塔顶排出，该检测纯度在生产控制中经常使用。）
[0086]
精馏后的氯化氢气体采用气相色谱仪在线检测，检测纯度为99.9993%。