[发明专利]连续电解法制备三氟化氮工艺及设备

说明书

技术领域

本发明涉及三氟化氮(NF₃)的制备，特别涉及电解法制备三氟化氮工艺及设备。

背景技术

三氟化氮(NF₃)在电子工业中主要用作集成电路、液晶显示器、太阳能薄膜和面板电池等的蚀刻和清洗气体。它还可用作高能化学激光气的氟源、生产全氟铵盐的原料、灯泡的填充气体、火箭的氧化剂等。

目前工业化生产NF₃主要有化学法和熔盐电解法两种。化学法通常是用NH₃与F₂反应制得NF₃粗品，精制提纯得到工业用产品；电解法一般是以NH₄F-xHF为电解液体系电解制备NF₃粗气，进一步提纯得到高纯度产品。

化学法的主要优点是生产过程中避免了氢气(H₂)和三氟化氮的混合而引起的爆炸危险。但该方法须使用的原料氟气(F₂)中四氟化碳(CF₄)杂质较难去除，易混入产品中难以分离，用于制备高纯度的NF₃气体时比较困难。此外，其工艺系统中由于高浓度氟气的存在而工艺设备要求较苛刻。

电解法的优点主要体现在易于控制CF₄的含量，但在电解生产过程中会产生氢气，有导致与NF₃气体混合爆炸的危险性。爆炸不仅可能会损坏电解设备，而且会引起NF₃气体中CF₄含量的升高，给后续提纯带来极大困难。

中国专利ZL03122352.4公开了一种电解法制备三氟化氮气体的工艺方法及设备，如图2所示：电解槽中的阳极电解气通过管道进入压力平衡罐，从压力平衡罐出来的气体通过调节阀进入一个低压罐，从低压罐出来的气体通过管道进入低压冷却塔，进行去除阳极电解气中的NH₄F及HF等高沸点杂质，经过低温冷却塔去除了高沸点杂质后的NF₃气体通过管道进入超低温冷阱进行液化、收集，并采用对冷阱抽真空的办法去除其中低沸点的杂质如N₂、O₂，当超低温冷阱中收集、液化足够的NF₃气体后，对超低温冷阱升温，将NF₃气体蒸馏压入粗品气体罐中，电解槽阳极的材料是高纯度镍。显然，该工艺中超低温冷阱设备降温和升温过程是交替进行的，升温时，电解槽中的气体是不能进入超低温冷阱设备的，整个流程未实现真正连续化；另外，该生产工艺依靠低温冷阱液化气体产生压差提供系统动力，因低温冷阱需通过控制液氮流量来控制温度及气体液化速度，与常温气体收集相比，整体工艺操作连续性和稳定性较差，操作弹性较小，压力不易控制，存在安全隐患，且液氮浪费较大，导致生产成本增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术不足，提供一种连续电解法制备三氟化氮的工艺。该工艺连续、稳定，在常温、常压条件下收集电解的NF₃气体，为后续提纯工艺创造有利条件。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种该连续电解法制备三氟化氮的设备。

本发明的技术方案是：采用电解法制备三氟化氮气体，以熔融的NH₃(HF)_X或加入少量NaF、KF、CsF或LiF中的一种或几种为电解质体系，连续或间歇通入无水HF和NH₃以补充电解液以及调节其熔盐比；电解槽电解产生的阳极粗品进入热解器，除去N_xF_y等不饱和氟氮化合物；经过热解的NF₃粗品进入水洗塔，除去一部分从电解槽挥发出来的HF等酸性气体；水洗后的粗品进入碱洗塔，进一步除去酸性气体以及一些低氟化物等；碱洗后气体通过水环式真空泵，使气体收集于气柜中。

为减少电解过程中的爆炸危险及防止通料管线堵塞，通入NH₃可以用氮气将其浓度稀释至10％～95％(V/V)，优选30％～90％(V/V)。

电解槽中电解质的熔盐比(M_HF/M_NH3)一般为1.5～3.0，优选2.0～2.6。电解槽工作压力-0.01～0.01MPa为宜，优选-0.005～0.005MPa；电解温度90～150℃，优选95～135℃。