專利名稱：一種低溫蒸發制取超凈高純鹽酸的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種工業化生產超凈高純鹽酸的方法。
背景技術：
超凈高純試劑是集成電路(IC)和超大規模(VLSI)制作過程中關鍵性基礎化工材料之一，主要用于芯片的精洗和腐蝕，具有品種多、用量大、技術要求高、貯存有效期短、強腐蝕性等特點。超凈高純試劑產品主要包括硫酸、氫氟酸、過氧化氫(雙氧水)、氫氧化銨(氨水)、硝酸、鹽酸、氟化銨、磷酸、異丙醇、無水乙醇、甲醇、丙酮、丁酮、環己烷、乙酸丁酯、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯等。超凈高純鹽酸是其中一個重要的試劑。
目前，超凈高純鹽酸試劑的生產主要有等溫擴散法以及由此發展的亞沸蒸餾法、高效精餾法。
等溫擴散法又叫等溫蒸餾或等壓蒸餾。等溫蒸餾法就是將盛有揮發性試劑的容器和裝有高純水的容器置于同一密閉室中。試劑的蒸汽會被水所吸收，直至蒸汽壓達到平衡為止。假若水的純度及容器的潔凈度均很高，即可得到純度很高的試劑。其蒸餾速度隨試劑的揮發度而定，當然是很慢的。提純的試劑的純度，主要取決于所用的純水的純度以及容器與環境的潔凈程度。這個方法在亞沸蒸餾使用前，美國國家標準局一直用以配制痕量分析中需用的低空白的高純試劑。例如，在洗凈的直徑為30厘米的干燥器內，加入3公斤試劑鹽酸，內置石英杯，杯中放300毫升電導水。在20～30℃下一周之內，或在15℃下兩周之內，可得到約10N的高純鹽酸。
亞沸蒸餾法是一種對等溫蒸餾法的改進。由于等溫擴散法速率太慢，有人想到適當地加熱試劑母液，但是遠離沸點，而讓揮發性的溶質，例如氯化氫，更多逸入氣相以增大濃度差，推動傳遞速率。由于遠未達到沸點，和液體平衡的氣相也就不再是由大量蒸氣及其微細液滴所組成，而是以分子狀態逸出氣液界面，進入氣相與液相平衡。此時蒸氣中就極少或可能不夾帶進金屬離子或固體微粒了。再在其氣相空間放一個冷凝器，由于冷凝器表面溫度低于被加熱的液體溫度，所以以分子狀態存在于氣相空間的蒸氣又在冷凝管上冷凝成液體，收集起來，就是高純試劑。
目前在實驗室中已經普遍應用等溫擴散法和亞沸蒸餾法制備超凈高純鹽酸。提純的鹽酸不僅純度高，而且濃度高，操作和設備都比較簡單，但是缺點是產量小，速度慢，時間、物料的消耗都比較多，無法滿足工業化生產的要求。
高效精餾法是目前應用較普遍的工業生產方法，但是由于蒸餾的蒸汽會有微細的液滴形成氣溶膠，而帶入產品中，影響產品純度，所以此法難以生產高等級的試劑。
專利申請0315469.8描述了一種采用改進亞沸蒸餾的高效平面蒸發、吸收器為核心技術的制備超凈高純鹽酸的工藝路線，在高效平面蒸發、吸收器中，氯化氫分子在氣相中分子擴散，其推動力為氯化氫和鹽酸母體相平衡的分壓、氯化氫和吸收液相平衡的分壓之差，過程的速率與平衡分壓之差成正比而與“蒸發”表面和冷凝吸收面之間的距離成反比。為此通過大幅度地增大“蒸發”表面，增大冷凝吸收面，控制工藝條件，如溫度、壓力、濃度，增大溶質分子在鹽酸母液和吸收液的分壓之差，減小“蒸發”表面和溶解表面或者冷凝吸收面之間的距離，都可以大大強化過程的速率，提高過程的效率。
但是實踐中我們發現，由于此技術采用有以下缺點(1)由于采用表面加熱蒸發技術，加熱器與蒸發表面、冷凝表面距離過近，造成冷凝面上鹽酸的反復蒸發、冷凝，降低了過程速率；(2)在加熱、冷凝過程中氣相溫度波動過大，造成平面蒸發、吸收器液層波動過大，難以控制；(3)盡管過程速率得到了強化，由于仍然是分子擴散過程，仍不夠理想。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是公開一種低溫蒸發制取超凈高純鹽酸的裝置和方法，以克服現有技術存在的難以控制和速率較低的缺陷。
本發明的方法包括如下步驟(1)電解氫和電解氯首先在電解氫凈化吸附塔和電解氯凈化吸附塔中經過干燥、吸附凈化，除去部分雜質，在燃燒器中氫氣和氯氣在常壓、400～600℃、氫氣過量5～10％的條件下，發生燃燒反應生成氯化氫，生成的高溫氯化氫氣體冷卻至50～200℃后進入吸附塔，脫除殘留氯氣和微量雜質，然后進入第一洗滌塔，用產品酸洗滌，除去部分雜質和大部分固體雜質，然后氣體進入鼓泡塔，與鼓泡塔中的還原性吸收劑進行反應，除去氯化氫氣體中絕大部分的砷等物質，然后氣體進入第二洗滌塔，用產品酸洗滌，進一步凈化氯化氫氣體，同時防止鼓泡塔中的還原性吸收劑夾帶進入后續工段，最終凈化后的氯化氫氣體在吸收塔中用電導水吸收，制成高純鹽酸，經過精密過濾后，此中間產品鹽酸質量，可以達到MOS級；所說的吸附塔的吸附劑選自護活性炭或分子篩，氯化氫氣體在吸附塔中的線速度為0.5～10米/秒；第一洗滌塔的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10；鼓泡塔的操作溫度為30～80℃，線速度為0.2～5米/秒，還原性吸收劑選自堿土金屬或過渡金屬氯化物；第二洗滌塔的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10；吸收塔的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10，所說的電導水指地是18.2兆歐姆的電子級超純水；所說的中間產品酸指的是電導水吸收氯化氫在吸收塔的底的得到的鹽酸產品；所說的精密過濾指地是采用氟材料，孔徑小于0.5微米，在常溫、微正壓條件下過濾；(2)步驟(1)的高純鹽酸與惰性載氣在加熱蒸發器中加熱到40～100℃，在低溫下氯化氫和水蒸氣蒸發，與惰性載氣一起送入冷凝器冷凝到20～80℃，水蒸氣冷凝，氯化氫氣體溶入水蒸氣中，生成鹽酸，經精密過濾后鹽酸產品送入產品罐，此鹽酸產品的質量達到超過semi C8級。如此再經過二級低溫蒸發和冷凝，經精密過濾后，此鹽酸產品的質量達到超過semiC12級。
所說的惰性載氣選自氮氣、氬氣；所說的精密過濾指地是采用采用氟材料，孔徑小于0.5微米，在常溫、微正壓條件下過濾由上述公開的技術方案可見，本發明的方法，操作簡單，速率大大提高，產品純度可達到semi C8級和semi C12級。本發明應用了惰性載氣強化了氯化氫和水蒸氣的傳質過程，提高了過程速率。
圖1為超凈高純鹽酸工業生產的流程簡圖。
具體實施方法參見圖1，用于實現所述方法的裝置，至少包括加熱蒸發器9；與加熱蒸發器9通過管線相連接的冷凝器10；與冷凝器10通過管線相連接的惰性載氣循環裝置11，惰性載氣循環裝置11通過管線與加熱蒸發器9相連接。
實施例1采用圖1的流程。
(1)0.2米3/小時的電解氫和0.2米3/小時的電解氯首先在電解氫凈化吸附塔1和電解氯凈化吸附塔2中經過干燥、吸附凈化，在燃燒器3中氫氣和氯氣在常壓、400℃下，反應生成氯化氫，生成的高溫氯化氫氣體冷卻至50～200℃后進入吸附塔4，脫除殘留氯氣和微量雜質，然后進入第一洗滌塔5，用產品酸洗滌，然后氣體進入鼓泡塔6，與鼓泡塔中的還原性吸收劑進行反應，除去氯化氫氣體中絕大部分的砷等物質，然后氣體進入第二洗滌塔7，用產品酸洗滌，進一步凈化氯化氫氣體，同時防止鼓泡塔6中的還原性吸收劑夾帶進入后續工段，最終凈化后的氯化氫氣體在吸收塔8中用電導水吸收，獲得0.5公斤/小時高純鹽酸，經過精密過濾后，產品鹽酸質量可以達到MOS級；所說的吸附塔4的吸附劑選自活性炭或分子篩，氯化氫氣體在吸附塔4中的線速度為0.2～5米/秒；第一洗滌塔5的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10；鼓泡塔6的操作溫度為30～80℃，線速度為0.3米/秒，還原性吸收劑選自選自堿土金屬或過渡金屬氯化物；第二洗滌塔7的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10；吸收塔8的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10，所說的電導水指地是18.2兆歐姆的電子級超純水；所說的產品酸指地是電導水吸收氯化氫在吸收塔的底的得到的鹽酸經過精密過濾得到產品；所說的精密過濾指地是采用采用氟材料，孔徑小于0.5微米，在常溫、微正壓條件下過濾；(2)0.5公斤/小時步驟(1)的高純鹽酸與0.05米3的氮氣在加熱蒸發器9中加熱到70℃，在低溫下氯化氫和水蒸氣蒸發，與氮氣一起送入冷凝器10冷凝到30℃，水蒸氣冷凝，氯化氫氣體溶入水蒸氣中，生成鹽酸，經精密過濾后鹽酸產品送入產品罐12，獲得0.2公斤/小時的鹽酸產品，質量達到超過semi C8級；冷凝器10排出的氮氣通過惰性載氣循環裝置11，送回加熱蒸發器9；如此再經過二級低溫蒸發和冷凝，經精密過濾后，此鹽酸產品的質量達到超過semi C12級。
產品的純度采用ICP-MS儀器進行分析。
權利要求
1.一種低溫蒸發制取超凈高純鹽酸的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)電解氫和電解氯首先在電解氫凈化吸附塔(1)和電解氯凈化吸附塔(2)中經過干燥、吸附凈化，然后在燃燒器(3)中氫氣和氯氣在常壓、400～600℃、氫氣過量5～10％的條件下反應生成氯化氫，生成的高溫氯化氫氣體冷卻至50～200℃后進入吸附塔(4)，然后進入第一洗滌塔(5)，用產品酸洗滌，然后氣體進入鼓泡塔(6)，與鼓泡塔中的還原性吸收劑進行反應，然后氣體進入第二洗滌塔(7)，用產品酸洗滌，凈化后的氯化氫氣體在吸收塔(8)中用電導水吸收，經過精密過濾后，獲得中間產品鹽酸；(2)步驟(1)的高純鹽酸與惰性載氣在加熱蒸發器(9)中加熱到40～100℃，在低溫下氯化氫和水蒸氣蒸發，與惰性載氣一起送入冷凝器(10)冷凝到20～80℃，水蒸氣冷凝，氯化氫氣體溶入水蒸氣中，生成鹽酸，經精密過濾后，獲得鹽酸產品。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所說的吸附塔4的吸附劑選自活性炭或分子篩，氯化氫氣體在吸附塔4中的線速度為0.5～10米/秒。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，第一洗滌塔5的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，鼓泡塔6的操作溫度為30～80℃，線速度為0.2～5米/秒，還原性吸收劑選自堿土金屬或過渡金屬氯化物。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，第二洗滌塔7的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，吸收塔8的操作溫度為30～80℃，氣液比為1～10。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所說的惰性載氣選自氮氣、氬氣。
8.根據權利要求1～7任一項所述的方法，其特征在于，經過二級低溫蒸發和冷凝、精密過濾。
9.一種實現權利要求1～8任一項所述方法的裝置，其特征在于，至少包括加熱蒸發器(9)；與加熱蒸發器(9)通過管線相連接的冷凝器(10)；與冷凝器(10)通過管線相連接的惰性載氣循環裝置(11)，惰性載氣循環裝置(11)通過管線與加熱蒸發器(9)相連接。
全文摘要
一種低溫蒸發制取超凈高純鹽酸的裝置，至少包括加熱蒸發器(9)，與加熱蒸發器(9)通過管線相連接的冷凝器(10)，與冷凝器(10)通過管線相連接的惰性載氣循環裝置(11)，惰性載氣循環裝置(11)通過管線與加熱蒸發器(9)相連接。采用本發明的裝置制備超凈高純鹽酸，操作簡單，速率大大提高，semi C8級和semi C12級。本發明應用了惰性載氣強化了氯化氫和水蒸氣的傳質過程，提高了過程速率。
文檔編號C01B7/07GK1644487SQ20041009333
公開日2005年7月27日 申請日期2004年12月21日 優先權日2004年12月21日
發明者徐志剛, 陳江, 陳青如, 吳勇強, 范巧, 朱希濤 申請人:上海氯堿化工股份有限公司, 華東理工大學