[发明专利]一种四氟化碳制备工艺及其设备

说明书

技术领域

本发明涉及四氟化碳制备。

背景技术

四氟化碳(CF₄)是目前微电子工业中使用的等离子体蚀刻气体，广泛用于 硅、二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃及钨等薄膜材料的蚀刻，在电子器件表面清 洗、太阳能电池生产、激光技术、低温制冷、气体绝缘、泄漏检测剂、印刷电 路生产中的去污剂、润滑剂及制动液等方面也有大量应用。

CF₄最早就是通过氟碳直接反应法制得的，该方法经过不断的发展与完善， 如今已成为工业上制备全氟烷的最主要的方法之一。

氟气与碳反应剧烈，反应不易控制。因此，人们一直在研究四氟化碳的安 全生产工艺。JP58162536公开了一种在氟化卤素抑爆剂存在下使碳与F₂反应来 制备高纯CF₄的工艺，反应器由耐腐蚀的软钢制成，采用BrF₃作抑爆剂，使用 60目的石油焦与F₂在127℃下反应制备CF₄。JP58203924介绍了采用IF₅作为抑 爆剂，用F₂和石油焦反应制备CF₄的工艺。这两种工艺都采用毒性极强的氟化 卤素作抑爆剂，对设备及操作条件要求苛刻，并且工艺都较为复杂。

专利RU2181351采用电解KF·2HF生成的含HF的阳极气作氟源，使之在 700～1200℃下与含质量分数5％～25％活性炭的木炭反应来制备CF₄。阳极气中的 HF兼作反应稀释气，产物经水洗、碱洗得到一定纯度的CF₄。该反应过程存在 的问题是反应温度较高，对反应器的材质要求也较高，并且反应不易控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供一种安全、高效制备四氟化碳的工艺。

本发明要解决的另一技术问题是提供该工艺的专用设备。

本发明工艺是利用氟气和固体含碳原料直接反应，采用两级反应器制备。 第一反应器为内置托盘的水平反应器，第二反应器为立式反应器。先将固体含 碳原料均匀地平铺于托盘上，然后通入氟气在引燃气的作用下与碳接触反应。 第一反应器产物中未完全反应的F₂进入第二级立式反应器与固体含碳原料进一 步反应，一、二级反应器通过气体管道连接。

由于氟气和碳反应为强放热反应，本发明利用降温水系统带走反应放出的 热量，使反应平稳进行。二级反应器的温度由电加热和降温水系统控制。

适于本发明的固体含碳原料可以是木炭、活性碳、延迟石油焦或煅后石油 焦，优选延迟石油焦或煅后石油焦。延迟石油焦是原料油在高温下裂解生产轻 质油品时的副产物，主要组分是碳，碳含量85％～90％，另外，还含有氮、氢、 硫及重金属等元素。煅后石油焦是在1300℃左右煅烧延迟石油焦后的产物，其 特点是含碳量高，杂质含量低，含碳量在95％以上

固体含碳原料较佳的粒径在2～40mm，并且在装入反应器之前最好进行干燥 处理，以除去其中的水分与挥发性杂质。

氟气与固体含碳原料直接反应不易引发，本发明在第一反应器上设置一个 引燃气喷嘴，反应引发阶段利用氟气与引燃气的反应热来引发氟与固体含碳原 料的反应。

适宜的引燃气体为低碳链烷烃或其氟代烷烃，这些气体具有容易与氟气反 应、反应放热量大又不引入其它杂质等优点。较佳的引燃气可以选择甲烷、乙 烷或二氟甲烷等。

氟气与固体含碳原料被引发后反应放热量很大，为避免剧烈反应，本发明 中氟气在进入第一反应器之前采用对固体含碳原料为惰性的气体对其进行稀 释。常规的稀释气体为氮气(沸点-195.8℃)或氦气(沸点-268.9℃)，但考虑到 后期目标产物纯化的能量消耗，本发明稀释气体优选四氟化碳(沸点-127.9℃)、 六氟化硫(沸点-64℃)、氟化氢(沸点-20℃)、氮气或氦气中的至少一种气体。 优选氟化氢。适宜的稀释气体的体积分数为10％～50％，较佳的范围为20％～40％。

第一反应器反应温度一般在300～500℃，第二反应器反应温度一般在300～ 550℃之间。反应温度的最佳范围取决于固体含碳原料的种类、空隙率、氟气与 固体含碳原料的接触时间以及对反应器的腐蚀性。一般来说温度低于250℃，反 应的转化率会明显降低，温度高于550℃会加剧反应器的腐蚀和导致能耗增加。