Способы получения карбонилфторида и аппарат для его получения

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Окись углерода А и фтор В непрерывно подают в реакционную камеру 1. Реакционный продукт охлаждают в холодной ловушке 2 до температуры ниже кипения фтористого водорода. В ловушке 2 фтористый водород D сжижают, отделяют от карбонилфторида и насосом 6а подают в реакционную камеру 1 в качестве газа-разбавителя. Карбонилфторид очищают от примесей и подают в емкость для хранения 4. Технический результат - увеличение выхода карбонилфторида. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к промышленно применимому способу получения карбонилфторида (COF₂), используемому в качестве очищающего газа или газа для травления для, например, установок для получения полупроводников или в качестве агента для фторирования органических соединений.

Предпосылки создания изобретения

В качестве способа синтеза карбонилфторида известен способ прямого фторирования окиси углерода фтором проточным методом (непатентный документ 1). Однако при осуществлении этой реакции имеется опасность взрыва или снижения выхода карбонилфторида из-за побочной реакции, и необходимо добавлять такой инертный газ, как N₂, He, Ne или Ar в реакционную систему для того, чтобы избежать интенсивного тепловыделения (патентный документ 1).

При таком способе разбавление окиси углерода и фтора как газообразных исходных веществ инертным газом предпочтительно проводить так, чтобы концентрация COF₂ на выходе из реактора была не более 50%. После реакции полученный этим способом COF₂ требует очистки таким методом, как дистилляция или охлаждение продукта до температуры ниже температура плавления COF₂ (-111° для застывания С), с последующим сбором.

Однако способ застывания COF₂ с последующим сбором промышленно не пригоден с точки зрения стоимости такого низкотемпературного хладоагента, как жидкий азот, или с точки зрения снижения общего коэффициента теплопередачи с поверхности охлаждения по мере застывания и накопления CODF₂ в аппарате отверждения/сбора. С другой стороны, при дистилляционной очистке COF₂ (температура кипения под атмосферным давлением -85°С) ожижение происходит за счет конденсации при отделении вышеуказанного инертного газа, имеющего температуру кипения ниже, чем у COF₂, но COF₂ под давлением паров при температуре конденсации (например, от -70 до 20°С) будет теряться вместе с вышеуказанным инертным газом, в результате чего выход COF₂ будет низким.

Патентный документ 1: JP-A-2003-267712

Непатентный документ 1: Handbook of preparative inorganic chemistry I, p.206, 2^nd ed., Academic Press, New York, 1965.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цели, которые должны быть достигнуты изобретением

Цель настоящего изобретения - предложить способ, позволяющий производить COF₂ в промышленном масштабе с хорошим выходом без упомянутых выше технических трудностей.

Средства достижения цели

Настоящее изобретение предлагает способ получения карбонилфторида, который включает непрерывную подачу окиси углерода и фтора в реакционную камеру вместе с газом-разбавителем и предоставление им возможности реагировать друг с другом, который отличается тем, что в качестве газа-разбавителя используют фтористый водород или карбонилфторид.

Далее настоящее изобретение предлагает установку для получения карбонилфторида, в которой окись углерода и фтор реагируют с образованием карбонилфторида, которая отличается тем, что включает устройство для подачи окиси углерода, устройство для подачи фтора, устройство для подачи газа-разбавителя, которым является фтористый водород или карбонилфторид, и реакционную камеру.

Эффекты изобретения

В настоящем изобретении, когда в качестве газа-разбавителя используют карбонилфторид, фтористый водород и COF₂ могут быть легко разделены газожидкостной сепарацией охлаждением полученного реакционного продукта, поскольку температура кипения фтористого водорода (19,5°С под атмосферным давлением) выше, чем температура кипения COF₂ (-85°С под атмосферным давлением).

Далее, по настоящему изобретению, когда используют газ-разбавитель, содержащий главным образом COF₂, можно избежать потерь COF₂ под давлением паров при дистилляционной очистке.

То есть согласно настоящему изобретению извлечение COF₂ из реакционного продукта после завершения реакции является легким, и высокой чистоты может быть получен с хорошим выходом в промышленном масштабе.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет технологическую схему процесса, показывающую осуществление способа производства по настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет схематичный чертеж, показывающий производственный аппарат по настоящему изобретению.

Значения символов

1:	Реакционная камера
2:	Холодная ловушка
3:	Очистка COF2
4:	Емкость хранения COF2
5:	Клапан регулирования давления
6a, 6b, 6c:	Насосы
7:	Реактор
8:	Охлаждающая рубашка
A:	Газ первого исходного вещества
B:	Газ второго исходного вещества
C:	Газ-разбавитель
D:	COF2
F:	Реакционный продукт
Е:	Хладагент

Наилучший способ осуществления изобретения

В настоящем изобретении в качестве газа-разбавителя используют фтористый водород или карбонилфторид. Фтористый водород предпочтителен по той причине, что он является веществом, которое не фторируется фтором, имеющим высокую реакционную способность, его температура кипения близка к нормальной температуре, он легко отделим, поскольку разность температур кипения с COF₂ велика и он доступен по низкой цене. Далее, COF₂ предпочтителен по той причине, что по сравнению со случаем, когда в качестве газа-разбавителя используют такой инертный газ, как N₂, He, Ne или Ar, имеющий низкую температуру кипения, здесь не будет потерь COF₂ под давлением паров при дистилляционной очистке.

Предпочтительно, чтобы отношение расхода питания газа-разбавителя было в интервале от 1 до 100, предпочтительно от 1 до 40 в объемном отношении к расходу питания какого угодно меньшего из расхода питания окиси углерода или расхода питания фтора. В случае, когда вышеуказанное отношение находится в этом интервале, можно избежать интенсивного тепловыделения или снижения реакционного выхода карбонилфторида из-за побочной реакции.

Газ-разбавитель предпочтительно состоит только из фтористого водорода или COF₂ или из их смеси. Однако он может содержать дополнительно инертные газы в интервале, не ухудшающем эффект настоящего изобретения.

Далее, в настоящем изобретении, когда используют газ-разбавитель, содержащий фтористый водород, предпочтительно, чтобы фтористый водород отделялся и извлекался из полученного реакционного продукта и опять подавался в качестве газа-разбавителя в реакционную камеру.

С другой стороны, при использовании в настоящем изобретении газ-разбавитель, содержащий COF₂, предпочтительно, чтобы полученный реакционный продукт очищался для получения COF₂ и часть полученного COF₂ опять подавалась в качестве газа-разбавителя в реакционную камеру.

Здесь в качестве газа-разбавителя, содержащего COF₂, может быть применен сам полученный реакционный продукт. Однако в таком случае в реакционном продукте вероятно будет присутствовать непрореагировавший фтор, и потому рециркулируемый реакционный продукт предпочтительно возвращается по линии подачи фтора.

Очищают вышеуказанный реакционный продукт предпочтительно дистилляцией, и COF₂ высокой чистоты может быть получен дистилляцией под повышенным давлением, например, под давлением от 0,2 до 5 мПа (абсолютное давление, то же применено здесь далее) при температуре от -20 до 130°С.

Фиг.1 показывает схему потоков продуктов при повторном использовании газа-разбавителя, как упомянуто выше. На фиг.1 первым газовым исходным веществом А и вторым газовым исходным веществом В может быть или фтор, или окись углерода. Далее, на фиг.1 ввод питания газа-разбавителя, содержащего фтористый водород, предусмотрен в линию подачи первого газового исходного вещества А, а ввод питания газа-разбавителя, содержащего COF₂, предусмотрен в линию подачи первого газового исходного вещества В. Однако положения вводов подачи для этих газов-разбавителей не ограничиваются вышеуказанным, и они, например, могут быть поданы непосредственно в реакционную камеру.

Однако с точки зрения подавления реакционной способности фтора предпочтительно осуществлять ввод подачи газа-разбавителя в линию подачи фтора.

В настоящем изобретении температура реакционной зоны, в которой смешиваются и реагируют окись углерода и фтор, обычно составляет предпочтительно от 20 до 500°С. Далее, эта температура реакционной зоны является предпочтительно не выше, чем температура теплостойкости материала реакционной камеры, и, например, в случае, когда материалом является SUS304, такая температура предпочтительно не выше 500°С.

С другой стороны, внешняя стенка реакционной камеры предпочтительно охлаждается до температуры от 20 до 100°С, предпочтительно от 20 до 60°С, для подавления образования примесей из-за побочных реакций и тепловой защиты реакционной камеры.

Далее, давление реакции в настоящем изобретении может быть пониженным давлением или повышенным. Оно обычно близко к атмосферному от 0,01 до 0,15 мПа, более предпочтительно от 0,02 до 0,13 мПа.

Отношение расхода питания окиси углерода к расходу питания фтора является предпочтительно таким, чтобы отношение расход питания окиси углерода/расход питания фтора составляло от 1 до 4, особо предпочтительно от 1 до 1,1 в мольном отношении. Если указанное отношение превышает указанный интервал, т.е. если окись углерода добавлена в избытке, то избыточная окись углерода должна быть отделена на последующей стадии очистки реакционного продукта, что может привести к снижению выхода COF₂.

В настоящем изобретении в случае, когда в качестве газа-разбавителя используют газ-разбавитель, содержащий фтористый водород, предпочтительно, чтобы реакционный продукт, выведенный из реакционной камеры, охлаждался до температуры ниже температуры кипения фтористого водорода, например, холодной ловушкой, так, чтобы фтористый водород ожижался, и фтористый водород и COF₂ могли быть разделены сепарацией газ-жидкость. Здесь температура охлаждения для сепарации газ-жидкость составляет предпочтительно от -70 до 10°С.

Способ получения карбонилфторида согласно настоящему изобретению может быть осуществлен посредством установки для получения карбонилфторида, которая включает устройство для подачи окиси углерода, устройство для подачи фтора, устройство для подачи газа-разбавителя, которым является фтористый водород или карбонилфторид, и реакционную камеру.

В случае, когда в качестве газа-разбавителя используют фтористый водород, и его отделяют и извлекают из полученного реакционного продукта и опять подают в качестве газа-разбавителя в реакционную камеру, предпочтительно применять вышеописанную производственную установку, которая имеет устройства для извлечения фтористого водорода из реакционного продукта, выведенного из реакционной камеры, и устройства для возврата извлеченного фтористого водорода в реакционную камеру.

Далее, в случае, когда в качестве газа-разбавителя используют COF₂, полученный реакционный продукт очищают для получения COF₂ и часть полученного COF₂ опять подают в качестве газа-разбавителя в реакционную камеру, предпочтительно применять вышеописанную производственную установку, которая имеет устройства для очистки реакционного продукта, выведенного из реакционной камеры, для получения карбонилфторида и устройства для возврата части извлеченного карбонилфторида в реакционную камеру.

Для осуществления получения карбонилфторида по настоящему изобретению может быть использован, например, аппарат, показанный на фиг.2. Этот реакционный аппарат имеет структуру труба в трубе, и хладагент имеет возможность протекать между внешним цилиндром и внутренним цилиндром F, образующим реакционную камеру. Для проведения реакции во внутренний цилиндр должны быть поданы окись углерода как первое газовое исходное вещество А и фтор как второе газовое исходное вещество В. Аппарат, показанный на фиг.2, иллюстрирует случай, когда газ-разбавитель С подают в каждую из линии подачи окиси углерода и линии подачи фтора. Окись углерода и фтористый водород должны смешиваться во время входа во внутренний цилиндр 1 и взаимодействовать, образуя карбонилфторид.

ПРИМЕРЫ

Теперь настоящее изобретение будет описано подробно со ссылкой на примеры. Пример 1 представляет собой сравнительный пример, а пример 2 представляет пример по настоящему изобретению.

Пример 1

Готовили реакционный аппарат, показанный на фиг.2. Внутренний цилиндр был изготовлен из SUS34 с диаметром 25 мм. Далее, внутреннюю трубу диаметром 12,5 мм использовали для подачи газа первого исходного вещества и для подачи газа второго исходного вещества. При подаче газа первого исходного вещества во внутренний цилиндр подавали фтор с расходом питания 1000 см³/мин (стандартные условия) и при подаче газа второго исходного вещества во внутренний цилиндр 1 подавали газовую смесь 4000 см³/мин (стандартные условия) азота и 1000 см³/мин (стандартные условия) окиси углерода. К этому моменту давление реакции во внутреннем цилиндре составляло 0,12 мПа, и температуру реакции регулировали так, чтобы она не превышала 500°С. Реакционный продукт Е, выведенный по линии выхода реакционного газа, дистиллируют под давлением от 0,2 до 5 мПа для выделения COF₂. Выход полученного COF₂ составляет примерно 80%.

Пример 2

Используя тот же реакционный аппарат, как в примере 1, реакцию проводили таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что вместо азота в качестве газа-разбавителя С подавали 4000 см³/мин (стандартные условия) COF₂. Чистоту продукта реакции Е, выведенного по линии выхода реакционного газа, определяли с помощью газового хроматографа, в результате чего чистота COF₂ составляла 99% и выход составил 90%.

Промышленная применимость

Способ производства по настоящему изобретению может быть применен в промышленности для производства карбонилфторида, который используют как очищающий газ или газ для травления для, например, установок для получения полупроводников или как агент для фторирования органических соединений.

1. Способ получения карбонилфторида, который включает непрерывную подачу окиси углерода и фтора в реакционную камеру вместе с газом-разбавителем и предоставление им возможности реагировать друг с другом, отличающийся тем, что в качестве газа-разбавителя используют фтористый водород, причем отношение расхода питания газа-разбавителя находится в интервале от 1 до 100 в объемном отношении к расходу питания какого угодно меньшего из расхода питания окиси углерода или расхода питания фтора, и после проведения реакции при подаче фтористого водорода в качестве газа-разбавителя фтористый водород извлекают из полученного в результате реакционного продукта, и извлеченный фтористый водород возвращают в цикл для использования в качестве газа-разбавителя для реакции.

2. Способ получения карбонилфторида согласно п.1, в котором полученный реакционный продукт очищают для получения карбонилфторида.

3. Установка для получения карбонилфторида, где окись углерода и фтор реагируют с образованием карбонилфторида, отличающаяся тем, что включает устройство для подачи окиси углерода, устройство для подачи фтора, устройство для подачи газа-разбавителя, которым является фтористый водород, и реакционную камеру, причем установка имеет устройство для извлечения фтористого водорода из реакционного продукта, выведенного из реакционной камеры, и устройство для возврата извлеченного фтористого водорода в реакционную камеру.

4. Установка для получения карбонилфторида согласно п.3, которая имеет устройство для очистки реакционного продукта, выведенного из реакционной камеры, для получения карбонилфторида и устройство для возврата части извлеченного карбонилфторида в реакционную камеру.