Технология и аппаратурное оформление абсорбционной очистки трифторида азота от тетрафторметана
![Диссертация: Технология и аппаратурное оформление абсорбционной очистки трифторида азота от тетрафторметана](https://gugn.ru/work/3559235/cover.png)
В России производство особочистого № 3 отсутствует. На сегодняшний день известен ряд способов очистки № 3 от СБ4 на основе ректификации и адсорбции. Однако большинство способов не вышли за рамки лабораторных установок, в промышленности применяются только некоторые из них, что связано со сложностью технологий, большим количеством отходов и, как следствие, низкими технико-экономическими… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Аналитический обзор современного состояния технологий очистки три фторида азота от тетрафторметана
- 1. 1. Трифторид азота для электронной промышленности: получение, квалификация и способы очистки от тетрафторметана
- 1. 2. Растворимость трифторида азота и тетрафторметана в органических жидкостях
- 1. 3. Технологические приемы абсорбционного разделения и очистки газов
- Глава 2. Определение растворимости газов в жидкостях для выбора абсорбента процесса очистки трифторида азота от тетрафторметана
- 2. 1. Экспериментальная установка и методики определения растворимости газов в жидкостях
- 2. 2. Определение растворимости трифторида азота и тетрафторметана в растворителях
- Глава 3. Определение химической устойчивости трихлорметана и тетрахлорметана при взаимодействии с трифторид ом азота
- 3. 1. Литературный обзор процессов взаимодействия трихлорметана и тетрахлорметана при взаимодействии с различными соединениями
- 3. 2. Экспериментальное исследование процесса взаимодействия трифторида азота с трихлорметаном
- 3. 3. Экспериментальное исследование процесса взаимодействия трифторида азота с четыреххлористым углеродом
- Глава 4. Определение массобменных характеристик процесса абсорбции трифторида азота и тетрафторметана
- 4. 1. Разработка математической модели абсорбционной колонны очистки трифторида азота от тетрафторметана
- 4. 2. Экспериментальное исследование процесса абсорбционного разделения трифторида азота и тетрафторметана на лабораторной установке
- 4. 3. Определение массообменной характеристики абсорбентов — высоты теоретической ступени изменения концентрации
- Глава 5. Разработка принципиальной технологической схемы промышленной абсорбционной установки глубокой очистки трифторида азота от тетрафторметана
- 5. 1. Оптимизация материальных потоков узла очистки трифторида азота от тетрафторметана
- 5. 2. Выбор и оптимизация технологических режимов процесса очистки трифторида азота от тетрафторметана
- 5. 3. Расчет ресурса абсорбента
- 5. 4. Определение количества примесей в очищенном трифториде азота в результате фторирования абсорбента
Технология и аппаратурное оформление абсорбционной очистки трифторида азота от тетрафторметана (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
В два последних десятилетия одним из основных направлений мировой инновационной деятельности является развитие технологии наноустройств и микросистемной техники для приоритетных отраслей науки и промышленности. Технологической базой развития указанного направления является наличие производства высокочистых веществ и материалов, в том числе, особочи-стых газов. Широкое применение в полупроводниковой промышленности находят газы — носители фтора, используемые для процессов травления кремния, его соединений, очистки камер парофазного осаждения. В качестве таких газов применяются фторуглероды (тетрафторметан, гексафторпропан, ок-тафторпропан), гексафторид серы, фтор, трифторид азота. Однако фторуглероды при плазмохимическом травлении образуют твердые частицы углерода или карбида кремния, которые ухудшают эксплуатационные свойства готовых изделий из полупроводниковых материалов. Фтор является агрессивным и токсичным газом, чем уступает в этом отношении трифториду азота.
Таким образом, трифторид азота (№ 3) является одним из наиболее перспективных газообразных носителей фтора, находящих применение в производстве полупроводниковых изделий, жидкокристаллических панелей, солнечных элементов и лазерной технике. Мировое потребление особочистого (99,99 масс. %.) № 3 составляет величину около 13 тыс. тонн в год. При этом производство № 3, соответствующего требованиям отечественной промышленности, в России отсутствует. Качество № 3 является определяющим фактором: наличие примесей более 50 ррт недопустимо. Наиболее трудно отделимой примесью в является тетрафторметан (СБД обладающий близкими с физико-химическими характеристиками: температурой кипения, энергией адсорбции, сходной химической активностью, при этом, его начальная концентрация в может достигать 10 ООО ррт в зависимости от способа синтеза. Наличие СР4 в ОТз даже в концентрации порядка 100 ррт приводит к появлению при плазмо-химическом травлении твердых остатков углерода и карбида кремния на поверхности полупроводниковых кремниевых изделий, приводящих к возникновению дефектов.
В России производство особочистого № 3 отсутствует. На сегодняшний день известен ряд способов очистки № 3 от СБ4 на основе ректификации и адсорбции. Однако большинство способов не вышли за рамки лабораторных установок, в промышленности применяются только некоторые из них, что связано со сложностью технологий, большим количеством отходов и, как следствие, низкими технико-экономическими показателями. Поэтому требуется провести углубленные научные исследования по разработке конкурентоспособной малоотходной, экологически безопасной технологии очистки от СР4.
Работа выполнена в соответствии государственными контрактами № 02.523.12.3022 от 02.09.2008 г., № 16.525.11.5005 от 08.06.2011 г. и планами научно-технических и опытных работ ФГУП «РНЦ «Прикладная химия».
Положения, выносимые на защиту.
Предложена новая конкурентоспособная малоотходная промышленная технология глубокой очистки от СР4, основанная на различной растворимости газов в жидкостях.
Установлено, что селективность при растворении С¥-4 и № 3 в трихлор-метане и тетрахлорметане достигает величины 2, причем № 3 в этих растворителях имеет большую растворимость, чем СР4.
Предложена схема организации потоков газа и абсорбента, с выводом абсорбента, насыщенного с последующей его десорбцией, позволяющая производить очистку № 3 с любого начального содержания СР4 до конечного содержания не более 10 ррт.
Выводы.
1. Впервые экспериментально установлена величина растворимости NF3 и CF4 в ряде высокогалогенированных жидкостей, причем показано, что разница растворимостей NF3 и CF4 в трихлорметане и тетрахлорметане делает целесообразным проводить очистку NF3 от CF4, основанную на принципе селективной абсорбции NF3 и последующей десорбции очищенного газа.
2. Для определения состава и количества микропримесей, ресурса абсорбента и оптимизации режимов абсорбции впервые экспериментально изучено взаимодействие трихлорметана и тетрахлорметана с NF3, определены термодинамические и кинетические параметры, предложен механизм реакции, разработана макрокинетическая модель реакций в газовой и жидкой фазе, при этом показано, что образование продуктов их взаимодействия идет с пренебрежимо малыми скоростями вплоть до 150 °C.
3. Экспериментально установлено, что в соответствии с механизмом взаимодействия пассивация фтором внутренней поверхности технологического оборудования позволяет значительно (на порядок) снизить скорость взаимодействия трихлорметана и NF3 в газовой фазе.
4. Разработана и верифицирована математическая модель абсорбционной колонны для расчета абсорбционного разделения газов, имеющих один порядок растворимости в абсорбенте.
5. Для расчета и оптимизации абсорбционной колонны впервые определена высота эквивалентной теоретической ступени изменения концентрации в зависимости от гидродинамического режима в колонне при абсорбции смеси NF3 и CF4 трихлорметаном и тетрахлорметаном.
6. Разработана универсальная малоотходная технология и аппаратурное оформление процесса абсорбционного разделения NF3 и CF4, позволяющая производить очистку до достижения практически любой заданной величины остаточного содержания СР4.
Заключение
.
В настоящей работе разработана промышленная малоотходная технология абсорбционной очистки № 3 от СР4. При получении высокочистого основной проблемой является отделение СР4, концентрация которого в исходном газе может достигать 10 000 ррт, а современная промышленность полупроводников требует содержания СР4 не более чем 25 ррт. Газы имеют близкие физико-химические свойства, что затрудняет применение традиционных способов химической технологии: ректификации, адсорбции. Использование технологий, основанных на этих принципах высокозатратно, имеет образование большого количества отходов, требует использования криогенных температур, высоких давлений и нестандартного технологического оборудования.
В работе показано, что применение абсорбционной технологии позволяет сократить материалоемкость производства, количество образующихся отходов. Одним из основных преимуществ технологии является возможность принципиального достижения любой конечной концентрации СР4.
В качестве абсорбентов предлагается использовать высокогалогениро-ванные жидкости: хлороформ и четыреххлористый углерод. При этом экспериментально установлено, что растворимость № 3 выше в два раза, чем растворимость в них СР4. На основании этого была разработана структурная схема потоков многокаскадной установки очистки причем ее особенностью является то, что целевой компонент поглощается абсорбентом, который подается на десорбцию.
В ходе работы экспериментально установлены макрокинетические характеристики взаимодействия № 3 с хлороформом и четыреххлористым углеродом. Установленные закономерности позволили подтвердить пригодность растворителей в качестве абсорбентов, а также определить и оптимизировать температурные режимы технологического процесса, при которых количество но-вообразующихся примесей не выходит за допустимые пределы.
Разработана математическая модель процесса абсорбции двух газов, имеющих один порядок растворимости в жидкости в колонном аппарате, которая позволила на своей основе создать методику расчета таких абсорбционных аппаратов. При этом разработанная методика обладает универсальность, т. е. позволяет рассчитывать процесс абсорбционной очистки для других систем жидкость-газ-газ. На лабораторной установке проведены испытания разработанной технологии и получены данные для масштабирования абсорбционного аппарата и создания промышленной технологии. На основании полученных результатов разработана и оптимизирована промышленная технология и аппаратурное оформление очистки трифторида азота от тетрафторметана. На основании полученных результатов были выданы Исходные данные на проектирование промышленной установки абсорбционной очистки трифторида азота мощностью 300 т/год. Проектной организацией на основании выданных Исходных данных создан проект, о чем в составлен акт использования результатов диссертации, приведенный в Приложении.
Список литературы
- Маркетинговое исследование по проекту «создание производства трифтори-да азота чистоты 99,99% мощностью 300 т в год» для ГК «Роснанотех». Группа компаний «Аверс», М.: 2011. 49 с.
- Adah В. Richmond. Separation of gaseous fluorides. Патент США № 3 125 425-заявл. 23.02.61, опубл. 17.03.64.
- Philip В. Henderson, Charles G. Сое, Donald E. Fowler, Montford S. Benson. Process for kinetic gas-solid chromatographic separations. Патент США № 5 069 690- Int. CI. B01D 15/08- заявл. 21.02.91- опубл. 03.12.91.
- Takashi Suenaga, Tukasa Fujii, Kobayashi Yoshiyuki. Method of refining nitrogentrifluoride gas. Патент США № 5 069 887- Int. CI. C01B 7/19- заявл. 10.01.91- опубл. 03.12.91.
- Игумнов С. М., Харитонов В. П. Способ очистки газообразного трифторидаазота. Патент РФ № 2 206 499- МПК С01 В 21/083- заявл. 26.02.02- опубл. 20.06.03.
- Способ очистки трифторида азота. Виноградов Д. В., Зайцев С. А., Барабанов
- В. Г. Патент РФ № 2 350 552 С1, МПК С01 В 21/083, заявл. 18.06.07, опубл. 27.03.09
- Young-Kyun Lee. Method for purifying nitrogen trifluoride. Патент США № 7 569 122- Int. CI. B01D 3/00- заявл. 31.08.06, опубл. 04.08.09.
- Алексеев Ю. И., Асович В. С., Пашкевич Д. С. Способ выделения трифторида азота и установка для его осуществления. Патент РФ № 2 289 543- МПК С01 В 21/083- заявл. 02.02.04, опубл. 20.12.06.
- Process for purifying perfluorinated products. European patent application № 1 229 000- Int. CI. C01B 21/083- заявл. 10.11.98- опубл. 07.08.02.
- Mark Brandon Shiflett, Akimichi Yokozeki. Process for purifying perfluorinated products. Заявка патент США № 2007/297 965 AI- Int. CI. C01B 21/00- заявл. 30.05.07- опубл. 27.12.07.
- Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: «Химия», 1971.-830 с.
- J. Т. Ashton, R. A. Dawe, К. W. Miller, Е. В. Smith, and В. J. Stickings // J. Chem. Soc. (A). 1968. P. 1793−1796.
- J. Phys. Chem. Ref. Data. 2005. Vol. 3. No. 1. 225 p.
- R. T. Rewick, W. E. Tolberg, and M. E. Hill. // J. Chem. Eng. Data. 1979. V. 15. -P. 527−530.
- R. J. Gillespie and G. P. Pez. // Inorg. Chem. 1969. V. 8. P. 1233−1235.
- G. Archer and J. H. Hildebrand // J. Phys. Chem. 1963. V. 67. P. 1830−1833.
- E. Wilhelm and R. Battino // J. Chem. Thermodyn. 1971. V. 3. P. 379−392.
- R. J. Wilcock, R. Battino, W. F. Danforth, and E. Wilhelm// J. Chem. Thermodyn. 1978. V. 10.-P. 817−822.
- J. Dymond and J. H. Hildebrand // Ind. Eng. Chem. Fundam. 1961. V. 6. P. 130−131.
- L. R. Field, E. Wilhelm, and R. Battino // J. Chem. Thermodyn. 1974. V. 6. P. 237−243.
- R. J. Wilcock, R. Battino, and E. Wilhelm // J. Chem. Thermodyn. 1977. V. 9. -P. 111−115.
- G. Archer and J. H. Hildebrand // J. Phys. Chem. 1963. V. 67. P. 1830−1833.
- S. Bo, R. Battino, and E. Wilhelm // J. Chem. Eng. Data 1993. V. 38. P. 611 616.
- J. Pardo, M. C. Lopez, J. Santafe, F. M. Royo, and J. S. Urieta // Fluid Phase Eq. 1995. V. 109.-P. 29−37.
- M. A. Gallardo, J. M. Melendo, J. S. Urieta and C. Gutierrez Losa // Can. J. Chem. 1987. V. 65. P. 2198−2202.
- F. Gibnal, M. C. Lopez, F. M. Royo. J. Pardo, and J. S. Urieta // Fluid Phase Eq. 1993. V. 87.-P. 285−294.
- M. A. Sanchez, A. M. Mainar, J. A. Pardo, M. С. Lopez, and J. S. Urieta // Can. J. Chem. 2001. V. 79. P. 1460−1465.
- R. J. Powell // J. Chem. Eng. Data. 1971. V. 17. P. 302−304.
- Исикава H., Кобаяси E. Фтор. Химия и применение. Пер. с япон. М.:Мир, 1982.-280 с.
- Pierotti R.A. // Chem. Rev. 1976. V. 76. P. 717−732.
- Фиалков Ю. Я. Растворитель как средство управления химическим процессом. Л.: Химия, 1990. — 240 с.
- Панкратов A.B. Химия фторидов азота. М.: «Химия», 1973 — 264 с.
- Розенкоп 3. П. Извлечение двуокиси серы из газов. М.: Госхимиздат, 1952- 192 с.
- Аксельрод Ю. В., Васильев Б. Т. и др. // Хим. пром. № 1. 1964 г. С. 39 — 44.
- Коуль А. Л., Ризенфельд Ф. С. Очистка газа. Пер. с англ., под. ред. И. И. Абрамсона, 2-е изд. М.: Недра, 1968 г. — 392 с.
- Аксельрод Ю. В. и др. Очистка технологических газов. М.: Химия, 1969 г. -392 с.
- Галкин Н. П., Зайцев В. А., Серегин М. Б. Улавливание и переработка фтор-содержащих газов. М.: Атомиздат, 1975. — 240 с.
- Зельвенский Я. Д., Титов А. А., Шалыгин В. А., Хим. пром. // 1966. № 10. -С. 771−776.
- Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд.2-е, переработ, и доп. М.: «Химия», 1976.- 769 с.
- Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. под ред. Б. И. Соколова. 3-е изд., перераб. и доп. -Л.: Химия, 1982.-592 с.
- Кафаров В. В. Основы массопередачи: Учебник для студентов вузов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1979. — 439 с.
- Коган В. Б., Фридман В. Н., Кафаров В. В. Справочник по растворимости. Том 1. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1964. — 645 с.
- Промышленные фторорганические продукты: справ, изд./ Б. Н. Максимов,
- B. Г. Барабанов, И, JI, Серушкин и др. изд. 2-е, пер. и .доп. — СПб: Химия, 1990.-464 с.
- Лисочкин Я. А., Позняк В. И. Исследование воспламеняемости паровоздушных смесей аммиака и галопроизводных предельных углеводородов с трифторидом азота и фтором // Физика горения и взрыва. 2007 Т. 43, № 21. C. 18−22.
- Glemser О., Biermann U. // Chem. Ber. 1965. V. 98. P. 446.
- Glemser О. Abstracts, 4 Symposium on Fluorine Chemistry. 1967. Colorado. P. 36.
- T. Midlgley, A. Henne // Ind. Eng. Chem. 1930. V. 22. P. 542.
- А. Ловлейс, Д. Роуч, У. Постельник, Алифатические фторсодержащие соединения. Пер. с англ., под ред. И. Л. Кнунянца. М.: Из-во Ин. лит., 1961. -345 с.
- К.Д. Неницеску. Органическая химия. Т.1. -М.: ИЛ, 1963. 541 с.
- Н. Pacini et al. // Tetrahedorn. 1966. V. 22. P. 1747.
- Новые фторирующие реагенты в органическом синтезе. Под ред. Л. С. Германа, B.C. Земкова. Новосибирск: Наука. (СО), 1987. — 120 с.
- Успехи химии фтора. Т. 3 4. Под ред. С. Стейси и др. — Л.: «Химия», 1970. — 448 с.
- Хенне А. Органические реакции. Сб. 2. М.: ИЛ, 1950. — 386 с.
- О. Ruff, R. Keim // Anorg. allgem. Chem. 1931. V. 201. P. 245.
- У. Шеппард, К. Шартс Органическая химия фтора. Пер. с англ. под ред. Ю. А. Чебуркова. М.: Мир, 1972. — 480 с.
- Хладон 12. Технические условия. ГОСТ 19 212–87.
- Хроматограф «Кристалл 2000М». Руководство по эксплуатации. Часть 1. 214.2.840.030 РЭ Описание и работа. СКТБ «ХРОМАТЭК», Йошкар-Ола. 2001.
- Хлороформ. Технические условия. ГОСТ 20 015–88.
- Трифторид азота сырец. Методика выполнений измерений объемной доли примесных компонентов газохроматографическим методом. М-02−505−100−02. ООО «НьюКем», С.-Петербург, 2002
- Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969.-624 с.
- Углерод четыреххлористый. Технические условия. ГОСТ 20 288–74.
- Жаворнков Н. М., Лотхов В. А., Малюсов В. А. Исследование эффективности лабораторных ректификационных колонн со спирально-призматической насадкой // Хим. пром. 1966. № 10. С. 777 781.
- Физические величины. Справочник под редакцией И. С. Григорьева, Е. С. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
- Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Спр. изд-е в 4 томах под ред. В. П. Глушко. Т.1. М.: Наука, 1978. — 495 с.
- Регулярная насадка для процессов абсорбции и ректификации. Sulzer Chemtech. СПб. 2005 24 с.
- Б.Льюис, Г. Эльбе. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968. — 592 с.
- Монахов В. Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. М.: Химия, 1979.-423 с.
- Кутепов A.M., Стерман Л. С., Стюшин Н. Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1986. 448 с.
- Guidelines for Pressure Relief and Effluent Handling System. Center for Chemical Process Safety of American Institute of Chemical Engineering. New York, 1998.
- Kambur M.P., Petrov V. В., Kambur et al. The investigation of industrial per-fluorodekaline fluorination with elemental fluorine // 15th European symposium on fluorine chemistry. Prague. 2007. P 326.
- Три фторид азота. Методика выполнения измерений объемной доли примесных компонентов газохроматографическим способом. М-02−505−116−04. ООО «Ньюкем», СПб, 2004.
- Рысс. И. Г. Химия фтора и его неорганических соединений. М.: Госхимиз-дат, 1956.-720 с.
- Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Ч 2. М.: Химия, 1995. 400 с.
- Альперт JI. 3. Основы проектирования химических установок. 4-е изд., М.: Высшая школа, 1989 304 с.