一種低溫精餾提純三氟化硼氣體的工藝的製作方法
2023-12-03 11:46:26
本發明涉及一種低溫精餾提純三氟化硼氣體的工藝，其屬於高純三氟化硼生產技術領域。
背景技術：
三氟化硼作為一種特殊的硼試劑和氟化物，廣泛應用於有機合成催化劑，元素硼製造，硼纖維加工，有機硼化合物的製備，高純三氟化硼還可以用於電子工業，是矽和鍺外延，擴散和離子注入過程的P 型摻雜源。
對於三氟化硼的生產，發達國家如美國，德國，日本，印度等都有大規模的生產廠，其中美國的聯合信號公司和德國的BASF生產的瓶裝三氟化硼氣體佔有全球的主要份額。日本鋼鐵化學公司生產的三氟化硼儘管具有較高的純度但其規模相對較小。
長期以來，我國三氟化硼瓶裝氣體包括工業級99.5%和電子級99.99%的一直依賴進口。九十年代初國內為了生產三氟化硼絡合物的需要，開展了三氟化硼氣體合成的研究。目前國內三氟化硼瓶裝氣體純度不高，最高達到99.5%。主要工藝採用以硼酐，發煙硫酸（或三氧化硫），無水氟化氫為原料生產三氟化硼氣體，只是經過初步的過濾和物理吸附後直接壓縮裝瓶，導致三氟化硼氣體產品中二氧化硫，三氧化硫，氟化氫，空氣成分比較高。
幾十年來該合成三氟化硼氣體的工藝雖有了較大改進，但提純工藝無根本變化，一直處於低端水平，導致三氟化硼質量一直沒得到本質提高。到目前為止全世界公開報導的三氟化硼提純工藝專利和文獻寥寥無幾。韓端雄，周俊波文獻報導了三氟化硼低溫精餾工藝，是在三氟化硼沸點附近（約-100℃）進行低溫精餾，採用這種方法主要是為了脫除三氟化硼氣體中的四氟化矽雜質。這種方法是採用氟硼酸鈉在600~700℃，高溫分解法生成的三氟化硼氣體為原料。由於氟硼酸鈉原料中含有2000-3000ppm的SiO 2,反應過程中發生了BF3和SiO2反應生成SiF4，使得原料氣中含有四氟化矽氣體雜質。該方法對由於是超低溫運行，對設備要求嚴格，不適合工業化生產。
目前較為先進的生產三氟化硼氣體是以硼酐，發煙硫酸（或三氧化硫），無水氟化氫為原料，該方法的優點是氣體產品中SiF 4含量低，同時由於採用發煙硫酸或三氧化硫為原料，氣體中水含量也低於50ppm，設備腐蝕也能有效控制，通過低溫精餾的方法易於提純。這種方法的特點是三氟化硼氣體中四氟化矽含量低，採用該法生產的三氟化硼氣體容易提純。
國內還沒有正規的高純的三氟化硼生產廠家，只有中昊光明化工研究設計院有限公司採用氟硼酸鈉高溫熱分解法生產的高純三氟化硼生產線，產量只有公斤級，其它廠家的產品質量都在99.5%左右，並且產品質量不穩定。因此國內三氟化硼產品主要依賴進口。
技術實現要素：
本發明要解決的問題是針對以上不足，為了考慮解決綜合成本，提純效果，本發明提供一種中低溫精餾提純工藝，能滿足實現工業化生產的需要。
本發明採用的技術方案是:
以硼酐，發煙硫酸（或三氧化硫），無水氟化氫為原料合成的三氟化硼氣體為原料，經過氣體壓縮，液化，低溫精餾，收集，充裝得到99.9-99.99%的瓶裝三氟化硼氣體。
所述精餾工藝包括以下步驟：
（1）將合成反應釜出來的三氟化硼原料氣輸送至緩衝罐，通過壓縮機增壓，壓力保持在2.0-4.0MPa，進入液化罐冷凝器液化，冷凝器溫度控制在-30到-50℃.原料氣組成為：BF398%-98.5%，其中雜質含量：空氣（N2+O2 ） 1.0%-1.5%、 SO2 7500-9000ppm、SO 3 100-150ppm、SiF 4 10-20ppm、HF 100-150ppm，水份10-20ppm。
（2）打開進精餾塔進口閥門，精餾塔原料進口在精餾塔的中部，控制進料流量100-150KG/h，精餾塔冷凝器冷劑溫度控制在-20℃到-40℃，保持塔頂壓力為3.0MPa-3.5MPa,塔釜靠遠紅外加熱器提供熱源，控制溫度為10℃-15℃。壓頂和塔釜壓力差控制在0.02MPa。
（3）正常運行後低沸點組分N2，O2等由塔頂出氣口控制排放，進入尾氣吸收池；塔釜高沸點組分SO２濃度達到10%，再開啟塔釜排放閥門排放進入釜液收集罐，氣化後排放進入尾氣處理池進行處理。
（4）監控產品出口的產品雜質，SO２含量小於20ppm，直接打開產品排放閥門從塔頂產品口出料，調節流量100-140KG/h，產品進入產品收集罐。
本發明冷源可以通過成套的制冷機組實現，由於控制溫度範圍在-30℃到-50℃，實現這一溫度控制就可以採用不同的復疊機組，也可以採用螺杆機組。冷源簡單易得，溫度控制簡單平穩。
原料氣體SO3含量小於100ppm，SiF4含量小於50ppm，BF3大於98%。
低溫精餾方法操作溫度範圍-30℃至-50℃，優選-40℃。
低溫精餾方法操作壓力範圍3.0MPa-4.0MPa.優選3.5MPa。
精餾塔釜採用遠紅外加熱，控制塔釜內物料溫度10℃-20℃，優選15℃。
精餾連續進行，產品純度達到99.9%~99.99%。
本發明的主要效果是：工藝簡單，設備投資相對較低，產品收率高，純度高，能夠實現工業化生產。採用單塔精餾，輕組分從塔頂排放，重組分從塔釜排放，塔中出產品的方法。精餾塔塔釜採用遠紅外加熱，靠輻射加熱，特點是釜體受熱均勻，升溫速度快而平穩，溫度容易控制，安裝操作簡單，高效節能。塔釜溫度可以採取遠程控制，對電加熱器進行自動化控制，設定溫度範圍，同時還能通過精餾塔頂部壓力實現連鎖控制，及時糾正。塔頂尾氣排放，由於含有90%以上的三氟化硼氣體成份，可以通過管線排放到三氟化硼絡合罐，進行三氟化硼的絡合處理，進行回收，主要是氣體中的空氣成分不會影響三氟化硼的絡合物質量。
本發明採用以上技術方案，與現有技術比較，具有以下優點：（1）採用的是單塔精餾設備，設備簡單，效果好；（2）採用制冷機製冷，溫度容易控制。精餾操作是在中低溫（-30℃到-50℃）進行，以前的精餾溫度是在三氟化硼的沸點-100℃左右進行，該工藝可以節省能耗。更能有效的減少由於低溫造成的設備洩露問題。該精餾工藝採用連續精餾的方法，能過穩定地進料及產品的產出，大大提高生產能力，降低能源消耗，運行穩定，操作安全。該工藝設備簡單，只需一套精餾塔，設備少，結構簡單，投資少，維護方便。生產過程中沒有廢氣，廢水，廢渣，對環境不會造成汙染，符合當前國家提倡的清潔生產要求。
說明書附圖
圖1是一種低溫精餾提純三氟化硼氣體的工藝的流程圖。
具體實施方式
以下對本發明的優選實施例進行說明，此處所描述的優選實例僅用於說明和解釋本發明。
實例1
三氟化硼原料氣體先進行壓縮，原料氣體組成為：SO2 6000ppm，SO3 50ppm，HF 100ppm，SiF4 15ppm，空氣（N2+O2）1.2%，BF3 98.18%。將氣體壓縮到3.5MPa，進入液化罐進行液化，然後進入精餾塔，塔頂冷凝器冷劑溫度-38℃到-40℃，塔釜內物料溫度12℃-15℃，精餾塔壓力控制在3.35-3.4MPa。進料速度110-120KG/h。連續精餾穩定出料速度100-110KG/h，得到產品分析結果：SO2 12ppm，SO3 5ppm，HF 3ppm，SiF4 14ppm，空氣（N2+O2）251ppm，BF3 99.97%。
實例2
三氟化硼原料氣體先進行壓縮，原料氣體組成為：SO2 8500ppm，SO3 70ppm，HF 110ppm，SiF4 16ppm，空氣（N2+O2）1.1%，BF3 98.03%。將氣體壓縮到3.3MPa，進入液化罐進行液化，然後進入精餾塔，塔頂冷凝器冷劑溫度-40℃到-42℃，塔釜內物料溫度12℃-15℃，精餾塔壓力控制在3.2-3.25MPa。進料速度100-110KG/h。連續精餾穩定出料速度90-100KG/h，得到產品分析結果：SO2 15ppm，SO3 6ppm，HF 3ppm，SiF4 14ppm，空氣（N2+O2）211ppm，BF399.98%。