[发明专利]生产三氟化氮的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及使用氟化氢铵熔融中间体的由氨和元素氟生产三氟化氮和氟化氢的方法和装置。

背景技术

三氟化氮可由氨和氟的气相反应制得。反应1说明了所需的气相NF₃产生反应。

    (g)(△H＝-904千焦/克摩尔NF₃)

                             反应1其中(g)代表气相。通常使用固体催化剂来降低所需的操作温度，这会增加NF₃的产率。但是，在这种高度放热反应中难以控制反应器温度。其结果是气相氨和氟的反应实际产生大量HF、N₂、N₂F₂和NH₄F，而NF₃的产率实际上一般低于10％。

美国专利4,091,081描述了一种产率较高的方法，该方法通过将熔融的氟化氢铵[NH₄F(HF)_x]与氟气[F₂]和氨气[NH₃]接触，产生三氟化氮[NF₃]和副产物氟化氢铵[NH₄F(HF)_x]。美国专利5,637,285描述了一种类似方法，该方法通过利用高度的混合强度和HF/NH₃摩尔比大于2.55(相当于熔体酸性x大于1.55)的氟化氢铵，进一步提高了产率。但是由于若干原因，专利‘285中所述的方法是不好的。专利‘285中所披露的方法会产生氟化氢铵废液，从而产生处理问题。另外，难以将氟化氢铵本体的HF/NH₃的摩尔比或x值保持在所需值。本领域仍需要没有上述缺点的生产三氟化氮的高产率方法。

发明内容

本发明提供了使用无需精确控制熔体酸度值的氟化氢铵熔融中间体来生产三氟化氮的方法和装置。本发明包括将含氟原料流和氟化氢铵液体在反应区中于足以产生三氟化氮的条件下接触一段时间，来生成三氟化氮，氟化氢铵例如具有酸碱化学计量式(acid-base stoichiometry)NH₄F(HF)_x，其中x是熔体酸度值。在接触步骤中，与进料气体接触的氟化氢铵液体的有效熔体酸度值下降，而总熔体酸度值基本保持不变。优选使氟化氢铵液体的有效熔体酸度值从高于反应区操作条件下三氟化氮最高产率时最佳值以上的数值下降到接近于最佳值。从反应区中排出包含三氟化氮的反应产物流。以这种方式，抑制了不需要的副产物氮的生成，而不会牺牲产率或要将总熔体酸度值x精确控制在单一值。

接触步骤时降低有效熔体酸度值的一个方法是将含氟原料流和氟化氢铵液体在一系列反应器中接触，其中每个连续反应器所含的氟化氢铵的熔体酸度值逐渐降低。在优选的实施方式中，通过形成元素氟和氟化氢的混合气体，来降低有效酸度值。混合气体在足以生产三氟化氮的条件下于反应区与氟化氢铵本体液(bulkliquid)接触一段时间。由于进料气体中存在氟化氢，反应区中的初始有效熔体酸度值会大于氟化氢铵本体液的熔体酸度值。在一实施方式中，反应区中的初始有效熔体酸度值至少比氟化氢铵本体液的熔体酸度值约大0.05，优选至少约大0.1，更优选至少约大0.3。氟化氢铵本体液熔体酸度值优选约小于1.8，更优选约小于1.6。

在一个实施方式中，从上述反应区中排出包含三氟化氮和夹带的氟化氢铵液体的反应产物流。反应产物流优选进入再生区如分离搅拌釜中，再生区中的操作压力低于反应区的操作压力，这使氟化氢气体从夹带的氟化氢铵液体中放出。然后，可从再生区排出包含三氟化氮和氟化氢的再生产物流，并使其进入分离区，以从三氟化氮中分离出氟化氢。优选由分离区分离出的氟化氢至少有一部分进行循环和蒸发，以用于进入反应区的进料混合气体。

还优选使氟化氢铵从再生区循环到反应区。在另一实施方式中，氟化氢铵循环液进入反应区的流速足以抵消三氟化氮生产时放出的高热量。例如，循环的氟化氢铵的流速宜至少约为和原料流中氟反应所需的化学计量流速的1,000倍，更优选至少约为2,000倍，或甚至至少约为化学计量流速的2,500倍。氟化氢铵循环液优选经过气-液分离罐，以在氟化氢铵循环到反应区之前从氟化氢铵液体中分离出气相。分离罐中收集的气相与再生产物流混合。