Технология и аппаратурное оформление абсорбционной очистки трифторида азота от тетрафторметана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Блинов, Илья Андреевич

• Блинов, Илья Андреевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Блинов, Илья Андреевич

Оглавление

Введение

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

Заключение

Выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология и аппаратурное оформление абсорбционной очистки трифторида азота от тетрафторметана»

Введение

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.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Блинов, Илья Андреевич

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 °С.

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 10000 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 диссертационного исследования кандидат технических наук Блинов, Илья Андреевич, 2011 год

Литература

1. 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.

2. Adah В. Richmond. Separation of gaseous fluorides. Патент США № 3125425;

заявл. 23.02.61, опубл. 17.03.64.

3. Philip В. Henderson, Charles G. Сое, Donald E. Fowler, Montford S. Benson. Pro-

cess for kinetic gas-solid chromatographic separations. Патент США № 5069690; Int. CI. B01D 15/08; заявл. 21.02.91; опубл. 03.12.91.

4. Takashi Suenaga, Tukasa Fujii, Kobayashi Yoshiyuki. Method of refining nitrogen

trifluoride gas. Патент США № 5069887; Int. CI. C01B 7/19; заявл. 10.01.91; опубл. 03.12.91.

5. Игумнов С. М., Харитонов В. П. Способ очистки газообразного трифторида

азота. Патент РФ № 2206499; МПК С01В 21/083; заявл. 26.02.02; опубл. 20.06.03.

6. Способ очистки трифторида азота. Виноградов Д. В., Зайцев С. А., Барабанов

В. Г. Патент РФ № 2350552 С1, МПК С01В 21/083, заявл. 18.06.07, опубл. 27.03.09

7. Справочник химика. Том 1. Изд-е 2-е, пер. и доп. - JI.-M.: Государственное

научное издательство технической литературы, 1962. - 1072 с.

8. Young-Kyun Lee. Method for purifying nitrogen trifluoride. Патент США №

7569122; Int. CI. B01D 3/00; заявл. 31.08.06, опубл. 04.08.09.

9. Алексеев Ю. И., Асович В. С., Пашкевич Д. С. Способ выделения трифтори-

да азота и установка для его осуществления. Патент РФ № 2289543; МПК С01В 21/083; заявл. 02.02.04, опубл. 20.12.06.

10. Process for purifying perfluorinated products. European patent application № 1229000; Int. CI. C01B 21/083; заявл. 10.11.98; опубл. 07.08.02.

11. Mark Brandon Shiflett, Akimichi Yokozeki. Process for purifying perfluorinated products. Заявка патент США № 2007/297965 AI; Int. CI. C01B 21/00; заявл. 30.05.07; опубл. 27.12.07.

12. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: «Химия», 1971.-830 с.

13. J. Т. Ashton, R. A. Dawe, К. W. Miller, Е. В. Smith, and В. J. Stickings // J. Chem. Soc. (A). 1968. - P. 1793-1796.

14. J. Phys. Chem. Ref. Data. 2005. Vol. 3. No. 1. 225 p.

15. R. T. Rewick, W. E. Tolberg, and M. E. Hill. // J. Chem. Eng. Data. 1979. V. 15. -P. 527-530.

16. R. J. Gillespie and G. P. Pez. // Inorg. Chem. 1969. V. 8. - P. 1233-1235.

17. G. Archer and J. H. Hildebrand // J. Phys. Chem. 1963. V. 67. - P. 1830-1833.

18. E. Wilhelm and R. Battino // J. Chem. Thermodyn. 1971. V. 3. - P. 379-392.

19. R. J. Wilcock, R. Battino, W. F. Danforth, and E. Wilhelm// J. Chem. Thermodyn. 1978. V. 10.-P. 817-822.

20. J. Dymond and J. H. Hildebrand // Ind. Eng. Chem. Fundam. 1961. V. 6. - P. 130-131.

21. L. R. Field, E. Wilhelm, and R. Battino // J. Chem. Thermodyn. 1974. V. 6. - P. 237-243.

22. R. J. Wilcock, R. Battino, and E. Wilhelm // J. Chem. Thermodyn. 1977. V. 9. -P. 111-115.

23. G. Archer and J. H. Hildebrand // J. Phys. Chem. 1963. V. 67. - P. 1830-1833.

24. S. Bo, R. Battino, and E. Wilhelm // J. Chem. Eng. Data 1993. V. 38. - P. 611616.

25. J. Pardo, M. C. Lopez, J. Santafe, F. M. Royo, and J. S. Urieta // Fluid Phase Eq. 1995. V. 109.-P. 29-37.

26. M. A. Gallardo, J. M. Melendo, J. S. Urieta and C. Gutierrez Losa // Can. J. Chem. 1987. V. 65. - P. 2198-2202.

27. F. Gibnal, M. C. Lopez, F. M. Royo. J. Pardo, and J. S. Urieta // Fluid Phase Eq. 1993. V. 87.-P. 285-294.

28. 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.

29. R. J. Powell // J. Chem. Eng. Data. 1971. V. 17. - P. 302-304.

30. Исикава H., Кобаяси E. Фтор. Химия и применение. Пер. с япон. - М.:Мир, 1982.-280 с.

31. Pierotti R.A. // Chem. Rev. 1976. V. 76. - P. 717-732.

32. Фиалков Ю. Я. Растворитель как средство управления химическим процессом. - Л.: Химия, 1990. - 240 с.

33. Панкратов A.B. Химия фторидов азота. - М.: «Химия», 1973 - 264 с.

34. Розенкоп 3. П. Извлечение двуокиси серы из газов. - М.: Госхимиздат, 1952

- 192 с.

35. Аксельрод Ю. В., Васильев Б. Т. и др. // Хим. пром. №1. 1964 г. - С. 39 - 44.

36. 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.

37. Аксельрод Ю. В. и др. Очистка технологических газов. - М.: Химия, 1969 г. -392 с.

38. Галкин Н. П., Зайцев В. А., Серегин М. Б. Улавливание и переработка фтор-содержащих газов. - М.: Атомиздат, 1975. - 240 с.

39. Зельвенский Я. Д., Титов А. А., Шалыгин В. А., Хим. пром. // 1966. №10. -С. 771-776.

40. Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд.2-е, переработ, и доп. - М.: «Химия», 1976.

- 769 с.

41. 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.

42. Кафаров В. В. Основы массопередачи: Учебник для студентов вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1979. - 439 с.

43. Коган В. Б., Фридман В. Н., Кафаров В. В. Справочник по растворимости. Том 1. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1964. - 645 с.

44. 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.

45. 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, № 2 -

C. 18-22.

46. Glemser О., Biermann U. // Chem. Ber. 1965. V. 98. - P. 446.

47. Glemser О. Abstracts, 4 Symposium on Fluorine Chemistry. 1967. Colorado. - P. 36.

48. T. Midlgley, A.Henne // Ind. Eng. Chem. 1930. V. 22. - P. 542.

49. 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.

50. К.Д. Неницеску. Органическая химия. Т.1. -М.: ИЛ, 1963. - 541 с.

51. Н. Pacini et al. // Tetrahedorn. 1966. V. 22. - P. 1747.

52. Новые фторирующие реагенты в органическом синтезе. Под ред. Л. С. Германа, B.C. Земкова. - Новосибирск: Наука. (СО), 1987. - 120 с.

53. Успехи химии фтора. Т. 3 - 4. Под ред. С. Стейси и др. - Л.: «Химия», 1970. - 448 с.

54. Хенне А. Органические реакции. Сб. 2. - М.: ИЛ,1950. - 386 с.

55. О. Ruff, R. Keim // Anorg. allgem. Chem. 1931. V. 201. - P. 245.

56. У. Шеппард, К. Шартс Органическая химия фтора. Пер. с англ. под ред. Ю. А. Чебуркова. - М.: Мир, 1972. - 480 с.

57. Хладон 12. Технические условия. ГОСТ 19212-87.

58. Хроматограф «Кристалл 2000М». Руководство по эксплуатации. Часть 1. 214.2.840.030 РЭ Описание и работа. СКТБ «ХРОМАТЭК», Йошкар-Ола. 2001.

59. Хлороформ. Технические условия. ГОСТ 20015-88.

60. Трифторид азота - сырец. Методика выполнений измерений объемной доли примесных компонентов газохроматографическим методом. М-02-505-100-02. ООО «НьюКем», С.-Петербург, 2002

61. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. - М.: Химия, 1969.-624 с.

62. Углерод четыреххлористый. Технические условия. ГОСТ 20288-74.

63. 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.

64. Физические величины. Справочник под редакцией И. С. Григорьева, Е. С. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

65. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Спр. изд-е в 4 томах под ред. В. П. Глушко. Т.1. - М.: Наука, 1978. - 495 с.

66. Регулярная насадка для процессов абсорбции и ректификации. Sulzer Chemtech. СПб. 2005 - 24 с.

67. Б.Льюис, Г.Эльбе. Горение, пламя и взрывы в газах. - М.: Мир, 1968. - 592 с.

68. Монахов В.Т.Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1979.-423 с.

69. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1986. - 448 с.

70. Guidelines for Pressure Relief and Effluent Handling System. Center for Chemical Process Safety of American Institute of Chemical Engineering. New York, 1998.

71. 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.

72. Три фторид азота. Методика выполнения измерений объемной доли примесных компонентов газохроматографическим способом. М-02-505-116-04. ООО «Ньюкем», СПб, 2004.

73. Рысс. И. Г. Химия фтора и его неорганических соединений. М.: Госхимиз-дат, 1956.-720 с.

74. Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Ч 2. М.: Химия, 1995. - 400 с.

75. Альперт JI. 3. Основы проектирования химических установок. 4-е изд., М.: Высшая школа, 1989 - 304 с.