一种制备三氟化氯的方法
阅读说明：本技术 一种制备三氟化氯的方法 (Method for preparing chlorine trifluoride ) 是由 丁勇 张堃 梁战军 汤鲲彪 陈功俊 赵彬 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于无机氟化工技术领域,具体涉及一种制备三氟化氯的方法,包括：将氟气和氯气分别预热后,充分混合后,常压下进行反应,得到三氟化氯混合气体；将三氟化氯混合气体进行冷凝,得到三氟化氯粗品；将三氟化氯粗品进行精馏提纯、冷凝,得到三氟化氯产品。本发明方法能够在无催化剂常压条件下一步制备获得三氟化氯,工艺操作简单,反应时间短,温度和压力易于控制、反应过程安全,可实现工业化生产。(The invention belongs to the technical field of inorganic fluorine chemical industry, and particularly relates to a method for preparing chlorine trifluoride, which comprises the following steps: respectively preheating fluorine gas and chlorine gas, fully mixing, and reacting at normal pressure to obtain chlorine trifluoride mixed gas; condensing the chlorine trifluoride mixed gas to obtain a chlorine trifluoride crude product; and (3) rectifying, purifying and condensing the chlorine trifluoride crude product to obtain a chlorine trifluoride product. The method can prepare chlorine trifluoride at normal pressure without a catalyst by one step, has the advantages of simple process operation, short reaction time, easy control of temperature and pressure, safe reaction process and realization of industrial production.)
技术领域
本发明属于无机氟化工技术领域，具体涉及一种制备三氟化氯的方法。
背景技术
三氟化氯是无色腐蚀性气体或者淡黄色液体，液体密度1.825g/cm3，熔点-76.34，沸点11.75℃。易溶于无水氟化氢、四氯化碳等。三氟化氯是强氧化剂，化学反应活性高，具有易燃特性，和水、有机化合物能发生爆炸反应，属于危险化学品。
近年来，随着半导体、液晶、太阳能和LED行业的快速发展，三氟化氯在CVD(化学气相沉积室)清洗工艺环节得到了广泛的应用，且需求量呈不断上升趋势，三氟化氯已成为IC行业关键特种气体之一。高纯三氟化氯用做电子气体，化学活性倾向于氟气，但比氟气温和，比氟碳电子气更为环保，其GWP值(全球变暖潜能值)为零，被视为LPCVD(低压力化学气相沉积法)清洗气体。在半导体工业中，LPCVD工艺用于形成多硅晶膜和SiN膜，高纯三氟化氯主要用作CVD清洗气体，其在清洗质量、效率和减少温室效应方面有明显优势。
由于三氟化氯化学性质活泼，氧化性强，化学反应活性高,对生产工艺条件控制和设备材料的要求也很苛刻，限制了它的规模化生产和应用。三氟化氯的制备方法最早由鲁夫(Ruff)和克鲁克(Krug)在1930年提出的，由氟气和氯气反应首先生成一氟化氯，一氟化氯进一步与氟气反应生成三氟化氯，反应分两步进行，需要经过两次提纯分离过程。用该方法合成三氟化氯时，反应效率较低，不适用于工业化生产。
现有技术中，制备三氟化氯的方法主要分为以下几类：
(1)、以固体金属氯化物(NaCl或CaCl2)为原料与氟气反应生成氯气和一氟化氯，一氟化氯进一步与氟气反应生成三氟化氯。该方法优点是原料易得，缺点是涉及气固反应，反应器结构复杂，原料转化率较低，且反应需要分两步进行，涉及两次分离提纯过程，工艺操作复杂。
(2)、将氟气通入液态四氯化碳或四氯化硅，反应生成氯气,然后再利用氟气与氯气进一步反应生成三氟化氯。该方法缺点是原料不易得，反应需要分两步进行，涉及气液和气气反应两种反应器，工艺操作复杂，粗产品中杂质太多，不利提纯，难以工业化大规模生产。
(3)、将氯气、氟气和稀释气体混合后通入装有催化剂的反应器中，利用氟化镍等作为催化剂，在(100～400)℃下制备三氟化氯。该方法优点是反应为一步催化合成，缺点是反应需要添加催化剂、反应压力较高。
综上所述，目前已知的三氟化氯制备方法是主要气固反应、气液反应、气气催化合成反应等，具有反应温度和反应压力较高，工艺复杂，对设备耐蚀性耐高温要求高，过程不易控制，影响了制备三氟化氯的安全性和产率，难以工业化大规模生产。
因此，亟待开发一种新的三氟化氯制备方法，能够有效克服现有技术中存在的种种缺陷，保证制备三氟化氯的安全性和产率的前提下，能够实现工业化大规模生产。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中三氟化氯制备方法中存在的诸多缺陷，提供一种制备三氟化氯的方法，该方法能够在无催化剂常压条件下一步制备获得三氟化氯，工艺操作简单，反应时间短，温度和压力易于控制、反应过程安全，可实现工业化生产。
实现本发明目的的技术方案：一种制备三氟化氯的方法，所述方法包括：
步骤(1)、将氟气和氯气分别预热后，充分混合后，常压下进行反应，得到三氟化氯混合气体；
步骤(2)、将三氟化氯混合气体进行冷凝，得到三氟化氯粗品；
步骤(3)、将三氟化氯粗品进行精馏提纯、冷凝，得到三氟化氯产品。
进一步地，所述步骤(1)中氟气的纯度大于98％，氯气的纯度大于99.9％。
进一步地，所述步骤(1)中氟气与氯气的摩尔比不小于3:1。
进一步地，所述步骤(1)中氟气的预热温度为100～200℃，氯气的预热温度为100～200℃。
进一步地，所述步骤(1)中反应的温度为250～350℃，表压力为0～0.01MPa。
进一步地，所述步骤(2)具体为：将三氟化氯混合气体进行冷凝，冷凝得到的液体为三氟化氯粗品，不凝性气体通过尾气净化系统处理后放空。
进一步地，所述步骤(2)中冷凝的温度为-35～-20℃。
进一步地，所述步骤(3)中精馏提纯过程中精馏塔的塔釜温度为12～15℃，塔顶温度为6～9℃，回流比为25～50。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种制备三氟化氯的方法在氟气、氯气进入反应器前均经过预热，增强了反应活性；在氟气、氯气进入反应器后经混合室混合后再进行反应，保证氟气和氯气接触充分，延长了氟气和氯气在反应器内部的接触时间，使得通过本方法无需添加催化剂，在常压条件下，一步即可制备得到三氟化氯，工艺操作简单；
2、本发明提供的一种制备三氟化氯的方法简化了三氟化氯生产工艺，副产物少；三氟化氯粗品纯度大于93％，产率大于80％；三氟化氯产品纯度大于99％。产率大于85％。
3、本发明提供的一种制备三氟化氯的方法反应时间短，温度和压力易于控制，反应过程连续、安全，适用于规模化工业生产。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
无催化剂常压下一步制备三氟化氯的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤(1)、使用氮气对系统进行吹扫，采用纯度为98.5％的氟气和纯度为99.9％的氯气，氟气与氯气的摩尔比为3:1，分别将氟气预热到100℃，氯气预热到100℃；预热后的氟气和氯气进入反应器混合室混合后，进入反应器，在温度为250℃、压力为0MPa(表压)下进行反应，得到三氟化氯混合气。
步骤(2)、三氟化氯混合气进入冷凝器，在-35℃下进行冷凝，获得冷凝液体，即三氟化氯粗品；冷凝后，不凝性低沸点气体杂质，例如ClF、ClO2F、F2等气体通过气相出口管路送至尾气净化系统，经净化处理后放空。去除大部分低沸点气体杂质的三氟化氯粗品的纯度为94.2％，产率为84.6％。
步骤(3)、将三氟化氯粗品导入精馏塔进行精馏纯化，将塔釜升温至12℃，全回流2h，当塔釜温度稳定在12～13℃，塔顶温度稳定在7～8℃时，控制回流比为25，塔顶气相纯度大于99.0％时，取塔顶产品，进行-20℃冷凝，冷凝后灌装保存，得到三氟化氯产品；当塔釜温度大于15℃时，停止精馏。最终得到的三氟化氯产品的纯度为99％，产率为85.5％。
实施例2
无催化剂常压下一步制备三氟化氯的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤(1)、使用氮气对系统进行吹扫，采用纯度为98.8％的氟气和纯度为99.95％的氯气，氟气与氯气的摩尔比为3.2:1，分别将氟气预热到160℃，氯气预热到160℃；预热后的氟气和氯气进入反应器混合室混合后，进入反应器，在温度为320℃、压力为0.008MPa(表压)下进行反应，得到三氟化氯混合气。
步骤(2)、三氟化氯混合气进入冷凝器，在-25℃下进行冷凝，获得冷凝液体，即三氟化氯粗品；冷凝后，低沸点气体杂质，例如ClF、ClO2F、F2等气体，通过气相出口管路送至尾气净化系统，经净化处理后放空。去除大部分低沸点气体杂质的三氟化氯粗品的纯度为93.5％，产率为85.0％。
步骤(3)、将三氟化氯粗品导入精馏塔进行精馏纯化，将塔釜升温至13℃，全回流2.5h，当塔釜温度稳定在13～14℃，塔顶温度稳定为8～9℃时，控制回流比为40，塔顶气相纯度大于99％时，取塔顶产品，进行-20℃冷凝，冷凝后灌装保存，得到三氟化氯产品；当塔釜温度大于15℃时，停止精馏。最终得到的三氟化氯产品的纯度为99.2％，产率为88％。
实施例3
无催化剂常压下一步制备三氟化氯的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤(1)、使用氮气对系统进行吹扫，采用纯度为99％的氟气和纯度为99.99％的氯气，氟气与氯气的摩尔比为3.5:1，分别将氟气预热到200℃，氯气预热到200℃；预热后的氟气和氯气进入反应器混合室混合后，进入反应器，在温度为350℃、压力为0.01MPa(表压)下进行反应，得到三氟化氯混合气。
步骤(2)、三氟化氯混合气进入冷凝器，在-20℃下进行冷凝，获得冷凝液体，即三氟化氯粗品；冷凝后，低沸点气体杂质，例如ClF、ClO2F、F2等气体，通过气相出口管路送至尾气净化系统，经净化处理后放空。去除大部分低沸点气体杂质的三氟化氯粗品的纯度为93％，产率为86％。
步骤(3)、将三氟化氯粗品导入精馏塔进行精馏纯化，将塔釜升温至14℃，全回流3h，当塔釜温度稳定在14～15℃，塔顶温度稳定为9～10℃时，控制回流比为50，塔顶气相纯度大于99％时，取塔顶产品，进行-20℃冷凝，冷凝后灌装保存，得到三氟化氯产品；当塔釜温度大于15℃时，停止精馏。最终得到的三氟化氯产品的纯度为99.1％，产率为86％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种医用分子筛制氧机