本分案申請是基于申請?zhí)枮?01280002946.0，申請日為2012年3月9日，發(fā)明名稱為“制造高純度氯化氫的方法和系統(tǒng)”的中國專利申請的分案申請。
本發(fā)明一般地涉及一種制造高純度氯化氫的方法及系統(tǒng)，更具體地，涉及一種制造高純度氯化氫的方法及系統(tǒng)，其中純度為3n(99.9％)至6n(99.9999％)的高純度氯化氫可使用較簡單的方法利用低能量通過以下更簡單的工藝來制造：使純化氫氣與純化氯化物在約1,200℃至1,400℃的高溫下反應以合成氯化氫，將該氯化氫轉(zhuǎn)化成液態(tài)且純化該液態(tài)氯化氫。
背景技術：
無水氯化氫(hcl)，亦稱為無水鹽酸，是一種分子量為36.47、在室溫及大氣壓下以氣態(tài)存在且在大氣壓及-85℃下液化的化合物。氯化氫用于制造各種化學品，包括醫(yī)學藥物及染料中間物，特別地，高純度氯化氫能夠有利地用于半導體制造工藝中。
如本文所使用的，術語“氯化氫”是指氣體或液體無水鹽酸，術語“鹽酸”是指35wt％-37wt％的氯化氫水溶液。此外，除非本文中另有規(guī)定，否則術語“高純度氯化氫”是指氯化氫的純度為3n(99.9％)或高于3n，優(yōu)選地為3n(99.9％)至6n(99.9999％)。如本文所用，術語“粗氫氣”及“粗氯氣”分別指未純化的氫氣(h2)及未純化的氯氣(cl2)，且術語“氫氣”及“氯氣”是指純化的氫氣及氯氣，或混合物中的氫氣及氯氣成分。
氯化氫的合成通常通過使粗氯氣(cl2)與經(jīng)過電解鹽水制造的粗氫氣(h2)在1,200℃至1,300℃高溫下彼此反應而實現(xiàn)。
[反應式1]
h2+cl2→2hcl+44,000kcal
當將根據(jù)反應式1獲得的hcl氣體進行冷卻并且將其吸收到水中時，產(chǎn)生35wt％-37wt％的鹽酸水溶液。慣常通過使用鹽酸進行濕式處理來制造無水鹽酸。具體而言，通過在蒸發(fā)器中對35wt％-37wt％的鹽酸水溶液進行加熱以產(chǎn)生氯化氫氣體且使氯化氫氣體脫水、干燥、純化及冷卻，隨后進行壓縮和冷卻來制造液體氯化氫。這種傳統(tǒng)制造方法的缺點在于，因為在高溫下處理鹽酸而需要大量設備維護成本，并且國為使用大量蒸汽而需要大量能源成本。
若根據(jù)反應式1制造的hcl氣體可在其制造的后直接壓縮并冷卻，則無水氯化氫可以簡單且容易地制造。然而，通過電解鹽水制造的粗氫氣(h2)通常含有大量水，并且在一般電解槽中制造的粗氯氣(cl2)含有氧氣(o2)、氮氣(n2)、二氧化碳(co2)、水(h2o)及金屬組分，且因此純度為約99.8％。在這些雜質(zhì)中，水及氧氣會干擾壓縮及液化氯化氫的工藝。具體而言，水及在氯化氫合成期間轉(zhuǎn)化成水的氧氣使得難以對例如壓縮機的設備進行操作。因此，當從原料中移除水及氧氣時，用于壓縮氯化氫的壓縮機可易于使用，從而使得有可能制造純度為3n或低于3n的氯化氫。然而，為了制造用于半導體制造方法及其類似方法中的高純度(99.999％或高于99.999％)氯化氫，不僅需要移除水及氧氣，還需要移除其它雜質(zhì)。具體而言，二氧化碳氣體一旦與氯化氫氣體混合，則幾乎不可能與氯化氫氣體分離。因此，氯化氫的制造基于在生產(chǎn)率及成本方面具有缺點的濕式工藝。
技術實現(xiàn)要素：
[技術問題]
因此，本發(fā)明正在為了解決在先技術中存在的以上問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種通過干式工藝以成本較低且較簡單的方式制造高純度氯化氫的方法及系統(tǒng)，其可用于替代使用鹽酸作為起始材料來制造高純度氯化氫的傳統(tǒng)濕式工藝。
[技術方案]
為達成以上目標，本發(fā)明提供一種制造高純度氯化氫的方法，其包括以下步驟：將作為原料的粗氫氣及粗氯氣各自純化至99.999％或高于99.999％的純度；使過量摩爾量的純化氫氣與純化氯氣在1,200℃至1,400℃的范圍內(nèi)的溫度下反應以合成氯化氫；通過壓縮使該氯化氫轉(zhuǎn)化成液態(tài)；及通過分餾純化該氯化氫并分離未反應的氫氣。
在制造高純度氯化氫的本發(fā)明方法中，可通過使用用以移除水及氧氣的催化劑及吸附劑從通過電解鹽水制造的粗氫氣中移除水及氧氣來純化粗氫氣，并且可通過對粗氯氣進行第一次吸附工藝以移除水，對粗氯氣進行第一次低溫蒸餾工藝以移除金屬組分，然后對粗氯氣進行第二次低溫蒸餾工藝以移除氣體組分來純化粗氯氣。
在本發(fā)明的方法中，第一低溫蒸餾在-25℃至15℃的溫度下進行，第二低溫蒸餾在-35℃至5℃的溫度下進行。
在本發(fā)明的方法中，純化氫氣優(yōu)選地以大于純化氯氣10–20mole％的量使用。
本發(fā)明還提供一種制造高純度氯化氫的系統(tǒng)，其包含：分別供應純化至99.999％或高于99.999％純度的氫氣及氯氣的氫氣及氯氣供應管；使經(jīng)由氫氣及氯氣供應管供應的氫氣及氯氣彼此反應以合成氯化氫的反應器；通過壓縮使氯化氫液化的壓縮機；及通過分餾來純化液化氯化氫且分離并移除未反應氫氣的蒸餾塔。
在制造高純度氯化氫的本發(fā)明系統(tǒng)中，優(yōu)選地在壓縮機前方或后方提供冷卻器。
壓縮機或蒸餾塔優(yōu)選地包含兩級或超過兩級。
此外，制造高純度氯化氫的本發(fā)明系統(tǒng)可進一步包含冷卻/吸收塔，其中使由壓縮機產(chǎn)生的氯化氫在未經(jīng)純化的情況下溶解以制備鹽酸。
此外，氯氣純化系統(tǒng)提供于氯氣供應管前方且可包含：用于從粗氯氣中移除水的吸附塔；用于移除金屬組分的第一低溫蒸餾塔；用于冷卻第一低溫蒸餾塔中蒸餾的氯氣的冷卻器；及用于移除除氯氣以外的氣體組分的第二低溫蒸餾塔。
此外，所述粗氯氣在-25℃至15℃的溫度下經(jīng)過所述第一低溫蒸餾塔以移除金屬組分，并且在-35℃至5℃的溫度下經(jīng)過所述第二低溫蒸餾塔以移除氣體組分。
此外，所述氫氣以大于所述氯氣10-20摩爾(mole)％的量添加到所述反應器中。
[技術效果]
根據(jù)制造高純度氯化氫的本發(fā)明方法及系統(tǒng)，純度為3n至6n的高純度氯化氫可使用完全封閉的干式工藝，通過使氫氣直接與氯氣反應以合成氯化氫，壓縮且冷卻所合成的氯化氫并且在簡單蒸餾塔中從氯化氫中移除未反應的氫氣，從而以簡單且容易的工藝來完成制造。此外，根據(jù)本發(fā)明，制造方法可易于簡化及自動化，且能量消耗可顯著降低。
附圖說明
圖1表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于制造高純度氯化氫的系統(tǒng)的配置示意圖；
圖2表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于從原始材料粗氯氣中移除雜質(zhì)的氯氣純化系統(tǒng)的配置示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的以上目的、特征及優(yōu)勢將從參照附圖所描述的以下實施例而變得更加清楚。
在本發(fā)明的說明書中所揭示的本發(fā)明的實施例中，特定的結構或功能描述的目的只在于描述本發(fā)明的實施例，且本發(fā)明的實施例可以各種形式實施且不應解釋為限于本發(fā)明的說明書中所述的實施例。
本發(fā)明可經(jīng)各種修改且可具有各種形式，且特定實施例將圖示于附圖中且將詳述于說明書中。然而，本發(fā)明不限于特定實施例且應解釋為包括本發(fā)明的精神及范圍中所包括的所有變化、等同實施方式及替代實施方式。
諸如“第一”和/或“第二”的術語可用于描述各種組件，但組件不受限于該等術語。這些術語僅用于區(qū)分一組件與其他組件的目的。舉例而言，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，第一組件可指定為第二組件，且同樣，第二組件亦可指定為第一組件。
當陳述某一特定組件“連接”或“耦接”于另一組件時，應了解該特定組件可經(jīng)直接連接或聯(lián)接，但其他組件可插入于該特定組件與該另一組件之間。相反，當陳述某一特定組件“直接連接”或“直接耦接”于另一組件時，應理解為沒有其他組件插入于該特定組件與該另一組件之間。其他描述組件之間的關系的術語，即“在…之間”及“直接在…之間”或“鄰近于…”及“直接鄰近于…”，應以相同方式加以解釋。
用于本說明書中的術語僅用于描述特定實施例，并不意在限制本發(fā)明。除非另外明確規(guī)定，否則單數(shù)術語可包括復數(shù)術語的含義。在本申請案中，應了解諸如“包含”或“具有”的術語表示存在所提出的特征、數(shù)值、步驟、操作、組件、零件或其組合，且因此不排除存在或添加一或多個其他特征、步驟、操作、組件、零件或其組合的可能性。
除非另外定義，否則本文中使用的所有術語，包括技術或科學術語，不另外定義，與本領域普通技術人員通常所了解的術語具有相同的含義。當諸如通常使用的字典中定義的術語未在本說明書中明確定義時，該等術語應解釋為具有與該等術語在相關技術的背景下所具有的含義相同的含義，且不應解釋為具有理想含義或過度拘泥形式的含義。
在下文中，本發(fā)明的優(yōu)選地實施例將參照附圖加以描述。各個附圖中的相同標號表示相同部件。
制造高純度氯化氫的本發(fā)明方法包括以下步驟：將作為原料的粗氫氣及粗氯氣各自純化至99.999％或高于99.999％的純度；使過量摩爾量的純化氫氣與純化氯氣在1,200℃至1,400℃的范圍內(nèi)的溫度下反應以合成氯化氫；通過壓縮使該氯化氫轉(zhuǎn)化成液態(tài)；通過分餾純化該氯化氫并分離未反應的氫氣。
如上所述，通過電解鹽水制造的粗氫氣(h2)的純度僅為95％-96％，且在一般電解槽中產(chǎn)生的粗(cl2)氣體含有氧氣(o2)、氮氣(n2)、二氧化碳(co2)、水(h2o)及金屬組分，且因此純度為約99.8％。在本發(fā)明中，純度為99.9999％或高于99.9999％的氫氣可通過使用催化劑及吸附劑從粗氫氣中移除水及氧氣來提供，且純度為99.9999％或高于99.9999％的氯氣可通過使用隨后描述的氯氣純化系統(tǒng)從粗氯氣中移除水及其他雜質(zhì)來提供。
圖1為展示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于制造高純度氯化氫的系統(tǒng)的配置示意圖。如圖1中所示，制造高純度氯化氫的本發(fā)明系統(tǒng)可包含：分別供應純化至99.999％或高于99.999％純度的氫氣及氯氣的氫氣及氯氣供應管；使經(jīng)由氫氣及氯氣供應管供應的氫氣及氯氣彼此反應以合成氯化氫的反應器；通過壓縮使氯化氫液化的壓縮機；及通過分餾來純化液化氯化氫且分離并移除未反應的氫氣的蒸餾塔。
此外，制造高純度氯化氫的本發(fā)明系統(tǒng)可進一步包含在氯氣供應管前方提供的氯氣純化系統(tǒng)。圖2展示氯氣純化系統(tǒng)的一個實施例。
如圖2中所示，氯氣純化系統(tǒng)可包含：用于從純度為99.8％的氯氣中移除水的吸附塔；用于從氯氣中移除金屬組分的第一低溫蒸餾塔；用于冷卻在第一低溫蒸餾塔中蒸餾的氯氣的冷卻器；及用于從氯氣中移除氣體組分的第二低溫蒸餾塔。此氯氣純化系統(tǒng)可與以上制造高純度氯化氫的系統(tǒng)連接以便其可向氯化氫制造系統(tǒng)供應純化的高純度氯氣?；蛘撸葰饧兓到y(tǒng)也可以與氯化氫制造系統(tǒng)相分離，以便向氯化氫制造系統(tǒng)供應在氯氣純化系統(tǒng)中純化且儲存于貯槽中的純化高純度氯氣。
使用氯氣純化系統(tǒng)，純度為99.9999％或高于99.9999％的高純度氯氣可通過以下方式獲得：使純度為99％-99.9％的粗氯氣穿過吸附塔以移除水，使粗氯氣穿過第一低溫蒸餾塔(溫度：-25℃至15℃)以移除諸如鐵、鉻及鎳的金屬組分，且接著使粗氯氣穿過第二低溫蒸餾塔(溫度：-35℃至5℃)以移除諸如二氧化碳、氮氣及氧氣的氣體組分。
在制造高純度氯化氫的本發(fā)明系統(tǒng)中，作為原料的氯氣及氫氣的流動速率受流動控制閥(fvc)控制。對于氫氣與氯氣的反應，氫氣優(yōu)選地以大于氯氣的添加量。理論上，應使氫氣與氯氣以1:1摩爾比反應以產(chǎn)生氯化氫。然而，當未反應的氯氣殘留在氯化氫中時，將不易于與氯化氫分離，且殘留氯氣的毒性會對反應系統(tǒng)造成損害。出于此原因，對于氫氣與氯氣的反應，氫氣優(yōu)選地以大于氯氣10-20mole％的添加量。
反應器優(yōu)選地由在高溫下不受原料氯氣或氯化氫影響的石墨制成，且壓縮機優(yōu)選地由可抵抗氯化氫的材料制成。壓縮機優(yōu)選地為包含兩級或超過兩級的往復式壓縮機。此外，為提高壓縮效率，優(yōu)選地在壓縮機前方或后方提供冷卻器。反應器的操作溫度為1,200℃至1,400℃，且優(yōu)選地為1,300℃±50℃。為維持此溫度，通過與空氣燃燒來加熱氫氣，且由此加熱產(chǎn)生的水由在初始合成階段中產(chǎn)生的hcl氣體吸收且與鹽酸一起移除。在初始反應之后，反應器的溫度可由反應熱維持。在反應之后，一部分未反應氫氣在穿過冷卻器之前或之后適當?shù)嘏懦?，由此降低冷卻效率，對液化氯化氫進行通過分餾移除金屬組分及其類似物的純化工藝及分離并移除未反應氫氣的工藝。以此方式，可通過使液化氯化氫穿過多級蒸餾塔且經(jīng)由塔頂移除諸如氫氣的雜質(zhì)來制造純度為6n或高于6n的高純度氯化氫。液化氯化氫因分壓而含有極少量氫氣，且此氫氣在一些工藝中可能充當雜質(zhì)。出于此原因，液化氯化氫優(yōu)選地在低溫下在蒸餾塔中蒸餾以完全移除殘留氫氣。在制造高純度氯化氫的本發(fā)明系統(tǒng)中，壓縮機或蒸餾塔優(yōu)選地包含提供較高效率的兩級或超過兩級。將在蒸餾塔中進行分餾的氯化氫儲存于儲存純化液體氯化氫的氯化氫貯槽中。
此外，為提高經(jīng)濟效率，制造高純度氯化氫的本發(fā)明系統(tǒng)可進一步包含冷卻/吸收塔，其可通過將一部分合成氣體在液化之前溶解于超純水中來制造37-38wt％的鹽酸(具有5n(99.999％)或高于5n的高純度)水溶液。
如上所述，在制造高純度氯化氫的本發(fā)明方法及系統(tǒng)中，視原料及反應產(chǎn)物的純化程度而定，可產(chǎn)生純度在3n(99.9％)至6n(99.9999％)的范圍內(nèi)的氯化氫。此外，與傳統(tǒng)的濕式工藝相比較，制造方法可簡化且能量消耗可顯著降低。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以更具成本效益的方式制造大量高純度氯化氫。
在下文中，將基于實施例進一步描述本發(fā)明。然而，應理解這些實施例僅出于說明目的且不意在限制本發(fā)明的范圍。
實施例
在本發(fā)明的實施例中，使用制造高純度氯化氫的系統(tǒng)，其包含：用于使純化的高純度氫氣與純化的高純度氯氣反應的反應器10；用于冷卻及壓縮在反應器中獲得的氯化氫氣體的壓縮機20；用于穿過壓縮機的氯化氫的冷卻器21；用于將穿過壓縮機的氯化氫溶解于去離子水中以制備高純度鹽酸且儲存所制備的鹽酸的鹽酸貯槽60；用于分餾在壓縮機中液化的氯化氫以移除未反應氫氣及其類似物的兩級蒸餾塔(亦即第一蒸餾塔40及第二蒸餾塔50)；及用于儲存在蒸餾塔中純化的氯化氫的氯化氫貯槽30。使用此氯化氫制造系統(tǒng)，氯化氫得以制造。具體而言，氫氣及氯氣分別以約80m3/h及約70m3/h的流動速率引入反應器中，以使引入的氫氣量比氯氣量多出大約15mole％。反應器維持在約1,300℃。在壓縮機出口處合成氯化氫的溫度為約60℃至165℃，且將合成氯化氫通過使用冷卻器冷卻至約-20℃而液化，且當液化氯化氫穿過蒸餾塔時，將其冷卻至約-40℃。
下面的表1表示對作為原料的粗氫氣及粗氯氣、純化之后的氫氣及氯氣以及如根據(jù)本發(fā)明所進行的在壓縮機及蒸餾塔中純化之后的氯化氫的純度及雜質(zhì)的分析結果。下面的表2表示對在冷卻/吸收塔中從使用制造高純度氯化氫的本發(fā)明系統(tǒng)所制造的氯化氫形成的鹽酸水溶液的純度
及雜質(zhì)的分析結果。從表1和表2中可以看出，使用制造高純度氯化氫
的本發(fā)明系統(tǒng)制造的氯化氫的純度為5n-6n(99.999％-99.9999％)。
[表1]
[表2]
如上所述及附圖中所表示的本發(fā)明的示意性實施例不應解釋為限制本發(fā)明的技術范圍。本發(fā)明的范圍僅受限于權利要求書，本領域技術人員可以以各種形式修改本發(fā)明的技術主題。因此，只要這些修改對于本領域普通技術人員是顯然的，則均包括在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[主要附圖標號說明]
10hcl合成反應器
20壓縮機
21冷卻器
30氯化氫貯槽
40第一hcl蒸餾塔
50第二hcl蒸餾塔
60鹽酸貯槽
70第一低溫蒸餾塔
80cl2冷卻器
90第二低溫蒸餾塔
[工業(yè)適用性]
如上所述，在制造高純度氯化氫的本發(fā)明方法及系統(tǒng)中，視原料及反應產(chǎn)物的純化程度而定，可產(chǎn)生純度在3n(99.9％)至6n(99.9999％)的范圍內(nèi)的氯化氫。此外，與傳統(tǒng)的濕式工藝相比較，根據(jù)本發(fā)明的制造方法可得以簡化并且能量消耗可顯著降低。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以以更具成本效益的方式制造大量高純度氯化氫。