製備高純度溴化氫的方法及設備的製作方法
2023-10-10 06:34:04
專利名稱：製備高純度溴化氫的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及製備高純度溴化氫(HBr)的方法及設備。
背景技術：
溴化氫代替氟化碳氣體已用於半導體製造過程的刻蝕和其它方面，氟化碳氣體影響臭氧層的問題已經提出，它的使用受到了限制。因此要求發展製備大量的高純度的溴化氫技術。
製備高純度溴化氫的傳統方法的一個實例將參照圖2予以敘述。含有溴化氫及雜質的原料貯存於鋼瓶1。加熱鋼瓶1使原料蒸發。蒸發出來的溴化氫用壓力調節閥2調節到一個預先確定的壓力，並且被引入填充分子篩的吸附器3中。依靠分子篩除去氣體中水分以外的雜質，因此純化了溴化氫氣體。然後純化了的溴化氫氣體引入產品鋼瓶5。接著溴化氫氣體被乾冰及乙醇混合物的冷凍劑冷卻、冷凝並貯存於產品鋼瓶5。
然而在上述純化溴化氫方法中，分子篩隨著設備運行時間的推移而逐漸損壞。為了維持產品純度在一個預先確定的水平上，分子篩必須經常更換。因而前面提到的純化方法不適合於製備大量的高純度溴化氫。
發明內容
本發明是為了提供一個能夠製備大量的高純溴化氫的方法及製備。
根據本發明製備高純度溴化氫的方法，包括以下步驟提供一個精餾塔，包含有一個下部空間，一個下部精餾段，一個中部空間，一個上部精餾段，和一個上部空間，它們按照由底部由頂部的順序排列；由溴化氫和沸點低於溴化氫的雜質組成的原料進入中部空間；讓輸入的原料的氣相上升通過上部精餾段，同時氣相與由頂部流下的第一回流液相接觸，使氣相到達上部空間，並把未冷凝的氣體貯存在上部空間；冷卻貯存在上部空間的未冷凝氣體，因此冷凝了一部分未冷凝的氣體；使冷凝的液體用作為第一回流液並且通過上部精餾段向下流到中部空間；將輸入的液相原料與在中間空間第一回流液混合，因此形成第二回流液，並且使第二回流液通過下部精餾段流到下部空間然後將液體貯存在下部空間；加熱在下部空間所貯存的液體以蒸發部分液體，並且讓形成的氣體與頂部流下的第二回流液相接觸，同時上升通過下部精餾段；將貯存在下部空間呈高純度溴化氫狀態的液體排出；同時也將貯存於上部空間未冷凝的氣體排出。
在上部空間冷卻未冷凝氣體的冷卻溫度最好降到-30℃到-50℃的範圍。另一方面，加熱貯存在下部空間溶液的溫度最好降到-15℃到-20℃的範圍。
用於上述的方法製備高純度溴化氫的裝置包括一個包括縱向壓力容器的精餾塔，它分成一個下部空間，一個配有多級的精餾塔板的下部精餾段，一個中部空間，一個配有多級精餾塔板的上部精餾段，和一個上部空間，它們按照由底部向頂部的順序排列；將由溴化氫及沸點低於溴化氫的雜質組成的原料供給中部空間的設備；用於冷卻及冷凝貯存在上部空間的部分氣體的第一熱交換器；用於加熱及蒸發貯存在下部空間的部分液體的第二熱交換器；將貯存在上部空間富集了雜質的氣體排出精餾塔外的設備；和將以高純溴化氫形式貯存在下部的液體取到精餾塔外的產品取出設備。
以下，我們將敘述使用本發明的純化裝置純化溴化氫的方法。
含有溴化氫及沸點低於溴化氫的雜質的原料以氣一液混合物的形式加到中間空間。氣相含有相對大量的雜質；相反，液相含有相對少量的雜質。
原料的氣相上升通過上部精餾塔。在上部精餾塔，含有相對少量雜質的溴化氫液體作為第一回流液流下來。因此，氣相同反相流動的第一回流液相接觸。由於這種接觸，含有高沸點的氣體即溴化氫的組份被冷凝，並混入第一回流液中。另一方面，包含在第一回流液中的低沸點即雜質組份被蒸發。貯存於上部空間的氣體被第一熱交換器冷卻並部分冷凝。通過設置冷卻溫度到一適合條件，例如從-30℃到-50℃範圍，有可能減少冷凝液體的雜質含量。冷凝液體返回上部精餾段，然後作為第一回流液通過精餾段流下來。結果未冷凝的氣體貯存在上部空間，而含有相對少量雜質的溴化氫液體貯存在中部空間。富集雜質的未冷凝氣體被排出上部空間。
另一方面，原料的液相在中部空間與從上部精餾段流下來的第一回流液混合，所得到的混合溶液作為第二回流液通過下部的精餾段流下來並貯存在下部空間。在下部空間的貯存液體，即後面將要描述的高純度溴化氫，由第二熱交換器加熱並部分地蒸發。通過設置加熱溫度到一合適的條件，例如從-15℃到-20℃範圍，在貯存液體裡雜質的含量可以降低。產生的氣體上升通過下部空間並與反向流動的第二回流溶液相接觸，因此，氣相溴化氫冷凝並混入到第二回流液中；另一方面，包含在第二回流液中的雜質被蒸發。結果，高純度的溴化氫液體貯存在下部空間。取出高純度的溴化氫液體並作為產品收回。
第一熱交換器既可以設置在上部空間外邊亦可設置在它的裡邊。在第一熱交換器設置在外邊的情況下，貯存在上部空間的未冷凝的氣體被引入第一熱交換器，並通過與冷凍劑的熱交換熱得到部分冷凝。此後，產生的液體回到上部空間而保留未冷凝的氣體被排出。在第一熱交換器設置在上部空間裡邊的情況下，部分未冷凝的氣體通過與冷凍劑的熱交換在上部空間冷凝。另一方面，未冷凝的氣體的其餘部分從上部空間的頂部附近區段排出。
第二熱交換器要求設置在下部空間的外邊。在這種情況下，貯存在下部空間的液體被引入第二熱交換器，並且通過與空氣熱交換達到部分蒸發。此後，所產生的氣體回到下部空間。
採用這個程序，下部空間的溫度和壓力獲得成功的控制，並且貯存於下部空間的液體的主要雜質被蒸發了，結果是液體中溴化氫的純度增加了。
進而，希望在下部空間裡設置除了第二熱交換器外的第三個熱交換器。在這種情況下，原料加入的方法是利用位於第三熱交換器的加熱介質一側的通道將原料加到中部空間的。
因此原料成功地冷卻到預先確定的溫度，並且輸入到中部空間。
最好是將貯罐安置在精餾塔的外邊。在這種情況下，貯存在下部空間的高純度液態溴化氫通過產品取出設備轉移到貯罐並貯存其中。
在這種情況下，通過將熱交換器設置在高於貯槽內貯存液體內表面的水平上，將溴化氫氣體冷卻到-15℃--20℃，並被冷凝。
附圖簡述
圖1表示根據本發明製備高純度溴化氫的裝置的實施方案的方塊圖。
圖2表示現有技術製備高純度溴化氫的裝置的實施方案的方塊圖。
實現本發明的最佳方式圖1表示根據本發明製備溴化氫的裝置的方塊圖實例。
這裝置主要由下列三部分組成一個原料輸入部分10，一個精餾塔20，和一個產品貯存罐30。此外，這裝置包括附加的設備，例如冷凍機40，去汙設備45，及管道和閥門。精餾塔20和附加設備一起安置在熱絕緣容器28裡邊。
原料輸入部分10包括一個鋼瓶15，用於貯存含有溴化氫及沸點低於溴化氫的雜質的原料；一個加熱器16，為了供給鋼瓶15加熱原料11使用，一個壓力調節閥80，連接在鋼瓶15的頂部。壓力調節閥80通過管道51連接精餾塔20。
精餾塔20由以下五個部分連續地從下向上排列而成，因此形成一個整體的單獨的壓力容器。下部空間26是由壓力容器21的底部到下部精餾段25的下表面之間的空間組成。下部精餾段25是由多級精餾塔板組成。中部空間24是下部精餾段25的上表面到上部精餾段23的下表面的空間組成。上部精餾塔25是通過安裝多級精餾塔板組成。上部空間22是從壓力容器21的頂部到上部精餾段23的上表面之間的空間組成。
在下部空間26內安裝了第3個熱交換器73。第3個熱交換器73的熱介質入口處，通過管道51及壓力調節閥80，連接到原料輸入部分10。另一方面，它的出口處是通過管道52及膨脹閥81連接到精餾塔20的中部空間24。
進一步，下部空間26的外邊與以大氣作為熱源的第二個熱交換器72相連接。第二熱交換器72冷卻介質的入口處，與下部空間26的底部附近部位相連接。另一方面，它的出口處是通過管道55及壓力調節閥82，與下部空間26的頂部附近部位相連接。必須注意的是第2熱交換器72安裝在熱絕緣容器28的外邊，低於下部空間26的預定液體表面的水平上。
向低於下部空間26的預定液面的部位，連接一管道53，為了取出液體(液化的高純度溴化氫)。管道53通過壓力調節閥84連接到產品貯存罐30頂部附近的部位。向較低空間26連接一個液面計27。
第一熱交換器安裝在上部空間22裡邊。第一熱交換器71的冷卻介質入口處，通過管道63、膨脹閥73與冷凍機40相連接。另一方面它的出口處通過管道64與冷凍機40相連接。應當指出，第一熱交換器71可以安裝在上部空間22的外邊。
上部空間22的頂部連接管道56，用以排出貯存在頂部的(主要由雜質組成)未冷凝氣體。管道56通過壓力調節閥83、加熱器76、管道57還與去汙裝置45相連接。
產品貯罐30是一個外邊包著絕緣層的熱絕緣容器。
在產品貯罐30的液面上邊安裝熱交換器74。這個熱交換器74的冷卻介質的入口處，通過管道65及膨脹閥88連接到冷凍機40上。它的出口處通過管道66連接到冷凍機40上。
產品貯罐30的外邊與使用空氣作為熱源的熱交換器75相連接。熱交換器75的冷卻介質的入口處，通過管道59與產品貯罐30的底部附近相連接。另一方面，它的出口處通過壓力調節閥85與產品貯存罐30的頂部附近相連接。
在產品貯罐30的底部連接著管道58為了將產品(高純度液態溴化氫)輸出。
產品貯罐30的頂部通過管道61，排出閥86和加熱器77與去汙裝置45相連接。
以下，我們將解釋用圖1所示的精餾塔製備高純度溴化氫的方法。表1示出主要由溴化氫組成的原料的典型配方。該原料由97.96％(體積)的溴化氫和包括氫(H2)、鹽酸(HCl)、甲烷(CH4)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)及沸點低於溴化氫的那些物質組成。必須注意的是水氣(H2O)含量為2ppm或更少。
表1原料溴化氫(HBr)的組成實例<
態貯存在鋼瓶15中的原料通過加熱器16加熱，在大約35℃時蒸發成為壓力約為20kg/cm2G的氣體。然後該氣體引入安置在下部空間26內的第三熱交換器的加熱介質側。此後，該氣體由貯存在下部空間26的液體(液化的高純度溴化氫)的交換熱所冷卻。所得到的氣體引入膨脹閥81。然後該氣體被絕熱膨脹，並以在溫度約-20℃時大致8kg/cm2壓力的氣—液混合物的形式引入中部空間24。在本實例中原料的荷載量設定為1000Nm3/h。在中部空間24引入的原料中的氣相含有相對大量的雜質而原料中的液相含有相對少量的雜質。
原料中的氣相上升進入上部精餾段23。在上部精餾段23中，第一回流液即含有相對少量雜質的溴化氫從頂部往下流動。因此這氣流與反相流動的第一回流液相接觸。由於這種接觸，高沸點組份即在氣相中的溴化氫被冷凝，並混合到第一回流液中。另一方面，低沸點組份即在回流液中的雜質被蒸發。
在上部空間22裡所貯存的氣體，通過第一熱交換器21被冷卻到-30℃到-50℃範圍。結果氣相中主要的溴化氫被冷凝。於是大部分冷凝的液體是溴化氫，它含有少量低沸點雜質。
該冷凝液回到上部精餾段23，然後作為第一回流液通過上部精餾段23流下來。
結果，富集了雜質的未冷凝氣體貯存在上部空間，含有相對少量雜質的溴化氫液體貯存在中部空間。
富集了雜質的未冷凝氣體從上部空間22通過壓力調節閥83及加熱器76進入去汙裝置45。
在去汙裝置45中，氯化氫、溴化氫及少量的一氧化碳從未冷凝的氣體中除去，所獲得的未冷凝氣體被排到外面。
按表1所列方案如果原料的荷載量是1000Nm3/h，則排放的未冷凝的氣體量為69Nm3/h。
另一方面，在中部空間24，原料的液相同從上部精餾段23流下來的第一回流液相混合。該混合液作為第二回流液往下流通過下部精餾段25並貯存在下部空間26。
貯存在下部空間26裡的液體，即像後面將敘述的高純度溴化氫，被第二熱交換器72和第三熱交換器73加熱到-15℃至-20℃範圍。於是在液體中所含的少量雜質與溴化氫一起蒸發。
設置在下部空間之外的第二熱交換器72，具有控制下部空間26的內部溫度及壓力的功能。由於第2熱交換器72設置在低於下部空間26預定液面的水平上，所以貯於下部空間的液體由重力導入第2熱交換器72中。該液體在其中受溫熱，部分蒸發並返回到下部空間頂部的附近部位。因此該液體可以通過熱交換器72、管道55及壓力調節閥82獨自自動循環。換句話說該液體不需要泵或相類似的設備來循環。
所蒸發的氣體上升通過下部精餾段25，並與反向流動的第二回流溶液相接觸。包含在氣相中的溴化氫冷凝，並混合到第二回流液中。另一方面，存在在第二回流液中的雜質被蒸發。
升到中部空間24的冷凝氣體，與原料的氣相混合，以上面敘述的方法進一步上升通過精餾段23。
結果，液化的高純度的溴化氫(99.9999％)貯存在下部空間26。
液化的高純度溴化氫作為產品從下部空間26取出，並通過管道53和壓力調節閥84，然後貯存在設置在外邊的產品貯存罐30。
按表1所示的方案，如果原料裝載量是1000Nm3/h，純化的高純度溴化氫的量以氣相體積表示是931Nm3/h。
在產品貯罐30裡，液化的高純度溴化氫的溫度大約是-20℃，因此它的壓力大約是8kg/cm2G。該實例中與精餾塔中的壓力有關的關係如下下部空間26的壓力高於中部空間24的約0.3kg/cm2，而產品貯存罐30的壓力低於下部空間26的約0.5kg/cm2。
液化的高純度的溴化氫來自產品貯存罐30的底部，使其通過管道58並且作為產品供入使用的設備中(圖中未表示)。
連接在產品貯存罐30外邊的熱交換器75，通過與大氣進行熱交換來加熱產品貯存罐30的液化溴化氫。蒸發產生的氣體通過壓力調節閥85，並回到產品貯存罐30頂部附近的部位。這條管線用於液化的溴化氫排出時控制該罐的壓力。
安置在高於產品貯存30內部液面的熱交換器74，用於冷卻及冷凝該罐中產生的溴化氫，藉此來調節罐的溫度及壓力。
此外，連接到產品貯存罐30頂部的安全閥86，用於當產品貯存罐過量壓力增加時，通過加熱器77及去汙裝置45將罐內的蒸氣排到外邊。
在此實施方案中，為了使用初始溴化氫的潛熱和顯熱作為加熱貯存在下部空間26內的液體的熱源，第三熱交換器73要安裝在下部空間26。讓原料通過第三熱交換器並引入中部空間24。然而，本發明不限於本實施方案。下部空間26可以單獨地由第二熱交換器72加熱。在這種情況下初始溴化氫氣體可以直接從原料的加料段引入中部空間24。
按照以上所述在本發明的製備高純度的溴化氫的方法及裝置裡，因為溴化氫是使用二級精餾塔來純化，所以沸點低於溴化氫的雜質可以除掉而不會失敗。因此，可以連續而大量地製備出純度為99.9999％的液化溴化氫。
權利要求
1.一種製備高純度溴化氫的方法，包括以下步驟提供一個精餾塔，包含有一個下部空間，一個下部精餾段，一個中部空間，一個上部精餾段，和一個上部空間，它們按照由底部由頂部的順序排列；由溴化氫和沸點低於溴化氫的雜質組成的原料進入中部空間；讓輸入的原料的氣相上升通過上部精餾段，同時氣相與由頂部流下的第一回流液相接觸，使氣相到達上部空間，並把未冷凝的氣體貯存在上部空間；冷卻貯存在上部空間的未冷凝氣體，因此冷凝了一部分未冷凝的氣體；使冷凝的液體用作為第一回流液並且通過上部精餾段向下流到中部空間；將輸入的液相原料與在中間空間第一回流液混合，因此形成第二回流液，並且使第二回流液通過下部精餾段流到下部空間然後將液體貯存在下部空間；加熱在下部空間所貯存的液體以蒸發部分液體，並且讓形成的氣體與頂部流下的第二回流液相接觸，同時上升通過下部精餾段；將貯存在下部空間呈高純度溴化氫狀態的液體排出；同時也將貯存於上部空間未冷凝的氣體排出。
2.根據權利要求1製備高純度溴化氫的方法，其中冷卻在上部空間內未冷凝氣體的溫度在-30℃到-50℃範圍內，和加熱貯存在下部空間的溶液的溫度在-15℃到-20℃範圍內。
3.製備高純度溴化氫的裝置，包括一個包括縱向壓力容器的精餾塔，它分成一個下部空間，一個配有多級的精餾塔板的下部精餾段，一個中部空間，一個配有多級精餾塔板的上部精餾段，和一個上部空間，它們按照由底部向頂部的順序排列；將由溴化氫及沸點低於溴化氫的雜質組成的原料供給中部空間的設備；用於冷卻及冷凝貯存在上部空間的部分氣體的第一熱交換器；用於加熱及蒸發貯存在下部空間的部分液體的第二熱交換器；將貯存在上部空部富集了雜質的氣體排出精餾塔外的設備；和將以高純溴化氫形式貯存在下部的液體取到精餾塔外的產品取出設備。
4.一種根據權利要求3製備高純度溴化氫的裝置，其中第一熱交換器安置於上部空間之外，並用於引導貯存於上部空間的未冷凝氣體，並通過與冷凍劑的熱交換，部分地冷凝如此導入的未冷凝氣體，而產生的液體溶液則返回到上部空間。
5.根據權利要求3製備高純度溴化氫的裝置，其中第一熱交換器安裝於上部空間之外，並用於通過與冷凍劑的熱交換冷凝貯存於上部空間的未冷凝的氣體。
6.根據權利要求3製備高純度的溴化氫的裝置，其中第二熱交換器安裝在下部空間之外，並用於引導貯存於下部空間的液體及通過與大氣的熱交換來使此液體蒸發，並使產生的氣體返回到下部空間。
7.根據權利要求6製備高純度溴化氫的裝置，其中還包括一個安置在下部空間裡的第三熱交換器，其中輸送原料的設備是用於通過一個安置在第三熱交換器的加熱介質一側的通道，將原料送到中部空間。
8.根據權利要求3製備高純度溴化氫的裝置，其中還包括一個安置在精餾塔外的冷凍貯罐，其中所述產品取出設備是用於將貯存在下部空間的高純度溴化氫輸送到該冷凍貯罐。
9.根據權利要求8製備高純度溴化氫的裝置，其中一個熱交換器安裝在高於冷凍貯存罐內液面的水平面，並且產生的溴化氫氣體在-15℃至-20℃範圍的溫度內被冷卻而且冷凝。
全文摘要
本發明涉及製備高純度溴化氫的方法及裝置。含有低沸點雜質的初始溴化氫10被輸送到中部空間24。讓初始溴化氫的氣相上升通過上部精餾段23，被帶入與反相流動的第一返回液相接觸。貯存於上部空間22的末冷凝氣體被冷卻並部分冷凝，讓被冷凝的液體流下來通過上部精餾段23作為第一返回液。另一方面，起始溴化氫的液相與第一返回液在中部空間24混合。讓混合溶液流下來通過下部精餾段25作為第二返回液。貯存在下部空間26的液體被加熱並且部分蒸發。與此同時讓蒸發的物質上升通過下部精餾段25，它被帶入與反相流動的第二返回液接觸。貯存在下部空間26的液體作為高純度的溴化氫被輸送出來。貯存於上部空間22的冷凝氣體被排到外邊。
文檔編號B01D3/32GK1138314SQ9519114
公開日1996年12月18日 申請日期1995年9月13日 優先權日1994年9月14日
發明者長村孝, 富田伸二 申請人:締酸株式會社