CN105731481B - 一种三氯化硼的提纯方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三氯化硼的提纯方法，将3N三氯化硼原料通入气瓶提纯管道内气化，将气化后的三氯化硼气体依次通过分解罐加热催化分解、水冷器冷却、吸附罐吸附、精馏塔精馏，将所含与三氯化硼沸点接近的低沸点杂质气体和含硅及其他金属杂质去除，最后经低温灌装，完成5N三氯化硼提纯。本发明还提供一种提纯设备。与现有技术相比，本发明能够提高三氯化硼的提纯纯度，同时，流程简单，操作方便。

Description

一种三氯化硼的提纯方法及其设备

技术领域

本发明属化工制造领域，涉及化合物的提纯和制备，尤其涉及一种三氯化硼的提纯方法及其设备。

背景技术

三氧化硼可以作为阳离子聚合催化剂和合成硼化合物的原料,还用可以作半导体的掺杂剂或浊刻剂,但对其纯度要求特别高。

三氯化硼的提纯方法有多种，如吸附、蒸馏、气提等，但现有技术中都仅限于如何除去三氯化硼中难除的光气，如US3037337、US3043665、US327581、US4204926，这些专利中选用硼、硅或其他金属作为催化剂来分解光气，但没有说明其它杂质元素的去除。美国专利US6238636采用惰性气体带出三氯化硼，经过加热活性碳分解光气，再经活性碳吸附后，利用气提的方法除去一些气体杂质，而这种方法得到的高纯三氯化硼中最终会有部分惰性气体难以除去。

综上可知，如何提供一种高纯度的、杂质含量低或者不含杂质的三氯化硼是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例公开了一种三氯化硼的提纯方法及其设备，能够提高三氯化硼的提纯纯度，同时，流程简单，操作方便。

本发明实施例中的一种三氯化硼的提纯方法，将三氯化硼原料通入气瓶提纯管道内气化，将气化后的三氯化硼气体依次通过分解罐加热催化分解、水冷器冷却、吸附罐吸附、精馏塔精馏，将所含与三氯化硼沸点接近的低沸点杂质气体和含硅及其他金属杂质去除，最后经低温灌装，完成三氯化硼提纯。

优选地，包括以下步骤：

(1)气化：将三氯化硼原料通入气瓶提纯管道中，并在气瓶外设置加热设备，控制气瓶内压力范围为0.4-0.7Mpa，并保持气瓶中饱和压力恒定；

因为三氯化硼本身的有毒性和强腐蚀性，一般将三氯化硼装在钢质气瓶 中，三氯化硼的沸点较低，为12.5℃，故其常温下通常为气态，但是常温下三氯化硼在钢质气瓶中的压力比较小；为提升其压力，在气瓶外设置加热设备，根据高压端压力控制加热功率，控制气瓶内压力并保持钢瓶中饱和压力恒定，同时应避免原料瓶中压力过大，导致意外出现。

(2)加热催化分解：将经(1)步骤气化后的三氯化硼气体通入预热至200℃的分解罐中，以活性碳作催化剂，将三氯化硼中的光气分解为氯气和一氧化碳；

由于三氯化硼中的气体杂质光气很难通过吸附及精馏除去，因此需先将光气进行分解再除去，本发明预先将此分解罐通过加热炉预热至200℃左右，并采用活性碳作为反应催化剂加速分解反应，经过分解反应罐中的分解反应三氯化硼中光气被分解为氯气和一氧化碳。

(3)冷却：将步骤(2)反应后的气体通过水冷器冷至室温，所述室温温度范围为20-25℃；

由于光气分解反应是个可逆反应，在高温下易重新生成光气，因此三氯化硼出分解罐后要马上进行冷却，本发明中在分解罐后连接的提纯管道上裹有冷凝水夹层、即水冷器对从分解罐出来的分解形成的氯气和一氧化碳气体以及三氯化硼气体进行冷却，使三氯化硼的温度冷至20-25℃。

(4)吸附：将冷却后的气体通入装有吸附剂的吸附罐进行吸附，所述冷却后的气体从吸附罐底部进入、从吸附罐的顶部出，气体的流速控制0.15-0.4m/s，所述吸附剂为活性碳；

分解形成的氯气和一些含硅有机物的沸点与三氯化硼相差不大，不宜采用精馏法除去。因此本步骤采用吸附剂吸附的方法，分解后形成的混合气体从吸附罐底部进入吸附罐，从下往上直至从吸附罐顶部导出，为了使得吸附效果更好，将气体流速控制在0.15-0.4m/s区间，否则会造成气体走捷径等问题，经过吸附后，大部分的Cl₂、含硅及一些金属杂质被除去。

(5)精馏：将经步骤(4)后的三氯化硼气体通过颗粒过滤器后引入精馏塔进行精馏，所述精馏塔包括加热釜、第一冷凝器和第二冷凝器，所述三氯化硼气体依次通过加热釜、第一冷凝器和第二冷凝器进行精馏，所述第二冷凝器中的温度低于所述第一冷凝器中的温度；

经过步骤(4)后的三氯化硼通过颗粒过滤器后进入到精馏塔中。精馏塔设有加热釜和两个冷凝器，两个冷凝器分别设定不同的温度，为了减少在精馏过程中三氯化硼的损失，将第二个冷凝器温度设定的比第一个冷凝器低。同时，通过第二个冷凝器的尾气排出，其它低沸点的杂质气体被排出提纯管道。

(6)将经步骤(5)精馏后的三氯化硼进行常温降温处理，并出料，所述常温降温温度范围为20-25℃。

精馏完毕，降温至常温，同时保持精馏塔加热釜内的压力0.1Mpa以上，此时可以出料。将接收钢瓶经冷冻室低温处理后放在三氯化硼出料处，接收钢瓶的外面设置有冷却设施，保证出料接收钢瓶处于冷却状态。接好软管，先对出料管路进行抽空，保证管道中无空气，抽空完成后打开精馏塔加热釜釜底出料口的阀门和接收钢瓶阀，将精馏塔釜内的提纯产品压入冷冻室内的接收钢瓶中，从而完成三氯化硼精馏和提纯工艺。

优选地，步骤(1)中所述气瓶内的压力为0.5Mpa。

优选地，步骤(4)中所述吸附罐分两层，所述吸附罐上面一层占吸附罐高度的1/5，并装有去除氯气活性碳，所述吸附罐下面一层占吸附罐高度的4/5，装有去除有机硅的活性炭。

优选地，所述第一冷凝器的温度设置为-20―-40℃，所述第二个冷凝器的温度设定为-40―-80℃。

本发明还公开一种三氯化硼的提纯方法的设备，包括用于装盛三氯化硼原料的气瓶、加热装置、分解罐、水冷器、吸附罐、精馏塔和接收钢瓶，所述气瓶、分解罐及所述吸附罐的外壁设置有所述加热装置，所述气瓶、分解罐、水冷器、吸附罐、精馏塔和接收钢瓶通过提纯管道依次连接。一般选取加热炉作为加热装置对气瓶、分解罐和吸附罐进行加热，本发明中为了更好地对三氯化硼中的光气进行分解，将含有光气的三氯化硼从分解罐的底部引入，从顶部导出，这样反应的时间就更充裕，分解效果更好，吸附罐中的反应原理如分解罐，待提纯的三氯化硼从吸附器的底部导入，从顶部导出并引入精馏塔。

优选地，所述精馏塔包括加热釜和冷凝器，所述冷凝器包括第一冷凝器 和第二冷凝器，所述加热釜、第一冷凝器和第二冷凝器依次通过提纯管道连接形成回路。

优选地，所述冷凝器尾部还开有回流管道，所述冷凝器通过所述回流管道将三氯化硼回流入精馏塔加热釜内。

优选地，还包括抽空管道，所述抽空管道与所述提纯管道连接，所述抽空管道中充满惰性气体，所述惰性气体为氮气。

优选地，所述抽空管道和所述提纯管道上设置有若干控制阀。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明采用加热气瓶的方式给三氯化硼增压，利用三氯化硼自身的蒸气压，同时利用冷却气瓶的方式，形成压力差从而出料，避免通过使用机械泵的方式引入杂质，也避免采用惰性气体增压出料导致提纯后的产品中惰性气体杂质含量过大的问题产生。同时，采用本发明中的精馏方法能够除去一些沸点相差较大的气体杂质，实现提纯后的三氯化硼产品纯度较高，既去除三氯化硼原料本身含有的大量杂质，又不会二次带入惰性气体，能够提供一种高纯度的三氯化硼气体。

附图说明

图1为本发明实施例中三氯化硼的提纯工艺流程图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种三氯化硼的提纯方法，具体参见图1，图1为本发明实施例中三氯化硼的提纯工艺流程图，本发明实施例中，为了对3N三氯化硼原料进行提纯，将放置三氯化硼原料的气瓶1、分解罐2、水冷器3、吸附罐4、精馏塔6和接收钢瓶10通过提纯管道11依次连接，形成一个封闭的提纯工艺管路，将三氯化硼原料通入气瓶1提纯管道11内通过加热增压气化，将气化后的三氯化硼气体依次通过分解罐2加热催化分解、水冷器3冷却、吸附罐4吸附、精馏塔6精馏，将所含低沸点杂质气体和含硅及其他金属杂质去除，最后降温至常温灌装，完成三氯化硼提纯工艺。本实施例中精馏塔6包括加热釜7和冷凝器，冷凝器包括第一冷凝器8和第二冷凝器9，加热釜7、第一冷凝器8和第二冷凝器9依次通过提纯管道11连接形成回路，冷凝器尾部还开有回流管道，冷凝器通过回流管道将三氯化硼回流入精馏塔6加热釜7内，精馏后将三氯化硼降温至常温，并出料，通过前述工艺，能够得到较纯的5N三氯化硼。

下面通过具体的实施例来进行更为详细的描述。

(1)、预准备步骤：首先将提纯工艺所采用的***安装连接完毕并进行抽空，脱光气柱、即分解罐2预热到200℃，夹套的水冷器3装入冷却循环水，该循环水从水冷器3的底部进入，顶部流出，设定第一个冷凝器温度为-20℃，第二个冷凝器温度为-50℃。两个冷凝器通冷剂1小时以上，保证冷凝器温度到达设定温度。

(2)、将装有原料的气瓶1与***管道接好，关闭原料气瓶1与分解罐2之间的提纯管道11上的阀门V₁13，打开与原料气瓶1连接的抽空管路的阀门V₂14进行抽空。

(3)、抽空完成后关闭阀门V₂14，打开原料气瓶1开关阀，观察开关阀旁减压阀高压端压力，调节流量至1Nm³/h，初始实验流量从0.3Nm³/h开始。

(4)、开启给装有原料的气瓶1加热的加热炉5，通过加热炉5对气瓶1进行加热并提升瓶内压力，依据高压端压力控制加热功率，控制压力在0.5Mpa左右，并保持原料气瓶1中饱和压力恒定。

(5)、将三氯化硼气体依次通过脱光气柱(分解罐2)进行分解，水冷器3进行降温，吸附器4进行吸附除杂。

(6)、打开吸附罐4与精馏塔6之间提纯管道11上的阀门V₄15，经过吸附罐4吸附后的三氯化硼过热蒸汽进入精馏塔6。开启精馏塔6内加热釜7，控制压力在0.2Mpa，温度不超过40℃。

(7)、打开精馏塔6与第一冷凝器8之间的提纯管道11上的阀门V₈18，蒸出气体进入第一冷凝器8。当第一冷凝器8内压力达0.1Mpa后，打开第一冷凝器8顶端与第二冷凝器9之间提纯管道11上的阀门V₁₀19，并开启第一冷凝器8顶部排气减压阀V₁₅23、V₁₆24去吸收放空，设定流量为0.1Nm³/h，然后打开第二冷凝器9顶部设置的抽空管道12上的阀门V₁₁20、V₁₇25，并常压下通过尾气吸收塔，然后排空。

(8)、待3N三氯化硼气体放完后，关闭吸附罐5与精馏塔6间的阀门V₄15，对三氯化硼进行精馏。

(9)、精馏完毕，降温至常温，室温的范围选取20-25℃，同时保持加热釜7内压力值在0.1Mpa以上，此时可以出料。接收钢瓶10经冷冻室低温处理后放在出料口，接好软管，关闭精馏塔6内加热釜7与接收钢瓶10之间的提纯管道11上的阀门V₆16、第二冷凝器9底部与加热釜7和接收钢瓶10之间的三角连接提纯管道11上的阀门V₁₂21、接收钢瓶10与加热釜7之间的提纯管道11上的阀门V₇17，打开与接收钢瓶10连接的抽空管道12上的V₁₃22，对阀门V₇17到接收钢瓶10之间的提纯管道11进行抽空。抽空完成后打开V₆16、加热釜7与接收钢瓶10之间的提纯管道11上的阀门V₇17和接收钢瓶阀，将精馏塔6塔釜内提纯后的三氯化硼产品压入冷冻室内的接收钢瓶10内。

经过上述提纯工艺后，三氯化硼中的各项杂质含量均明显低于行业内的标准，如下表表1所示：

表1

以上对本发明所提供的一种三氯化硼的提纯方法及其设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种三氯化硼的提纯方法，其特征在于，将3N三氯化硼原料通入气瓶提纯管道内气化，将气化后的三氯化硼气体依次通过分解罐加热催化分解、水冷器冷却、吸附罐吸附、精馏塔精馏，将所含低沸点杂质气体和含硅及其他金属杂质去除，最后经低温灌装，完成5N三氯化硼的提纯；包括以下步骤：

(1)气化：将三氯化硼原料通入气瓶提纯管道中，并在气瓶外设置加热设备，控制气瓶内压力范围为0.4-0.7MPa ，并保持气瓶中饱和压力恒定；

(2)加热催化分解：将经(1)步骤气化后的三氯化硼气体通入预热至200℃的分解反应罐中，以活性碳作催化剂，将三氯化硼中的光气分解为氯气和一氧化碳；

(3)冷却：将步骤(2)反应后的气体通过水冷器冷至室温，所述室温温度范围为20-25℃；

(4)吸附：将冷却后的气体通入装有吸附剂的吸附罐进行吸附，所述冷却后的气体从吸附罐底部进入、从吸附罐的顶部出，气体的流速控制在0.15-0.4m/s，所述吸附剂为活性碳；

(5)精馏：将经步骤(4)后的三氯化硼气体通过颗粒过滤器后引入精馏塔进行精馏，所述精馏塔包括加热釜、第一冷凝器和第二冷凝器，所述三氯化硼气体依次通过加热釜、第一冷凝器和第二冷凝器进行精馏，所述第二冷凝器中的温度低于所述第一冷凝器中的温度；

(6)将经步骤(5)精馏后的三氯化硼进行常温降温处理，并出料，所述常温降温温度范围为20-25℃。

2.如权利要求1所述的一种三氯化硼的提纯方法，其特征在于，步骤(1)中所述气瓶内的压力为0.5Mpa 。

3.如权利要求2所述的一种三氯化硼的提纯方法，其特征在于，步骤(4)中所述吸附罐分两层，所述吸附罐上面一层占吸附罐高度的1/5，并装有去除氯气活性碳，所述吸附罐下面一层占吸附罐高度的4/5，装有去除有机硅的活性炭。

4.如权利要求2所述的一种三氯化硼的提纯方法，其特征在于，所述第一冷凝器的温度设置为-20―-40℃，所述第二个冷凝器的温度设定为-40―-80℃。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的三氯化硼的提纯方法的设备，包括用于装盛三氯化硼原料的气瓶、加热装置、分解反应罐、水冷器、吸附罐、精馏塔和接收钢瓶，所述气瓶、分解反应罐及所述吸附罐的外壁设置有所述加热装置，所述气瓶、分解反应罐、水冷器、吸附罐、精馏塔和接收钢瓶通过提纯管道依次连接。

6.如权利要求5所述的三氯化硼的提纯方法的设备，其特征在于，所述精馏塔包括加热釜和冷凝器，所述冷凝器包括第一冷凝器和第二冷凝器，所述加热釜、第一冷凝器和第二冷凝器依次通过提纯管道连接形成回路。

7.如权利要求6所述的三氯化硼的提纯方法的设备，其特征在于，所述冷凝器尾部还开有回流管道，所述冷凝器通过回流管道将三氯化硼回流入精馏塔加热釜内。

8.如权利要求5所述的三氯化硼的提纯方法的设备，其特征在于，还包括抽空管道，所述抽空管道与所述提纯管道连接，所述抽空管道中充满惰性气体，所述惰性气体为氮气。

9.如权利要求8所述的三氯化硼的提纯方法的设备，其特征在于，所述抽空管道和所述提纯管道上设置有若干控制阀。