СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ХЛОРИСТОГО ВОДОРОДА ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ
METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCTION OF HIGH-PURITY HYDROGEN CHLORIDE

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к способу и системе для производства хлористого водорода высокой чистоты и, более конкретно, к способу и системе для производства хлористого водорода высокой чистоты, в которых хлористый водород высокой чистоты с чистотой от 3 н (99,9%) до 6 н (99,9999%) можно произвести с низкими затратами энергии при помощи простого процесса путем проведения реакции очищенного водорода с очищенным хлором при высокой температуре приблизительно 1,200~1,400°C для синтеза хлористого водорода, превращения хлористого водорода в жидкое состояние и очистки находящегося в жидком состоянии хлористого водорода.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Безводный хлористый водород (HCl), также известный как безводная соляная кислота, представляет собой соединение, которое характеризуется молекулярной массой 36,47, находится в газообразном состоянии при комнатной температуре и атмосферном давлении и превращается в жидкое состояние при атмосферном давлении и -85°C. Хлористый водород используют в производстве различных химических продуктов, включая медицинские препараты и полуфабрикаты красок, и, в частности, хлористый водород высокой чистоты преимущественно используют в процессе производства полупроводников.
2
2
При использовании в настоящем документе выражение "хлористый водород" относится к газообразной или жидкой безводной соляной кислоте, и выражение "соляная кислота" относится к 35-37 мас.% водному раствору хлористого водорода. Кроме того, если иное точно не определено в настоящем документе, выражение "хлористый водород высокой чистоты" относится к хлористому водороду с чистотой 3 н (99,9%) или выше, предпочтительно от 3 н (99,9%) до 6 н (99,9999%). При использовании в настоящем документе выражения "сырой водород" и "сырой хлор" относятся к неочищенному водороду (H) и неочищенному хлору (Cl) соответственно, и выражения "водород" и "хлор" относятся или к очищенному водороду и хлору, или элементарным водороду и хлору в смесях.
2
2
Синтез хлористого водорода обычно проводят путем обеспечения реакции сырого хлора (Cl) и сырого водорода (H), полученных электролизом рассола, друг с другом при высокой температуре 1200~1300°C.
Когда газообразный HCl, полученный согласно уравнению реакции 1, охлаждают и абсорбируют в воде, получают 35-37 мас.% водный раствор соляной кислоты. Обычно производство безводной соляной кислоты проводят при помощи мокрого способа, используя соляную кислоту. В частности, жидкий хлористый водород производят путем нагревания 35-37 мас.% водного раствора соляной кислоты в испарителе с получением газообразного хлористого водорода и дегидратирования, сушки, очистки и охлаждения газообразного хлористого водорода с последующим сжатием и охлаждением. Этому обычному способу производства присущи недостатки, состоящие в том, что требуются большие эксплуатационные расходы на оборудование, поскольку соляную кислоту обрабатывают при высокой температуре, и требуются большие затраты на энергию из-за использования большого количества пара.
2
2
2
2
2
2
Если газообразный HCl, произведенный согласно уравнению реакции 1, можно было бы сжимать и охлаждать непосредственно после его производства, безводный хлористый водород можно было бы производить простым и легким способом. Однако сырой водород (H), произведенный электролизом рассола, обычно содержит большое количество воды, и сырой хлор (Cl), произведенный в обычной электролитической ячейке, содержит кислород (О), азот (N), диоксид углерода (СО), воду (HO) и металлические компоненты и таким образом обладает чистотой приблизительно 99,8%. Среди этих примесей вода и кислород препятствуют проведению процесса сжатия и превращения в жидкость хлористого водорода. В частности, вода и кислород, который превращается в воду во время синтеза хлористого водорода, затрудняют работу оборудования, такого как компрессор. Таким образом, когда воду и кислород удаляют из исходных материалов, компрессор для сжатия хлористого водорода можно с легкостью использовать, делая возможным производство хлористого водорода с чистотой 3 н или ниже. Однако для производства хлористого водорода высокой чистоты (99,999% или выше), который используют в процессах производства полупроводников и подобном, не только воду и кислород, но и другие примеси необходимо удалять. В частности, газообразный диоксид углерода, если смешался с газообразным хлористым водородом, фактически невозможно отделить от газообразного хлористого водорода. По этой причине производство хлористого водорода основано на мокром способе, который является невыгодным с точки зрения продуктивности и стоимости.
Раскрытие настоящего изобретения
Техническая проблема
Таким образом, настоящее изобретение было создано, принимая во внимание вышеописанные проблемы, возникающие в уровне техники, и целью настоящего изобретения является обеспечение способа и системы для производства хлористого водорода высокой чистоты при помощи сухого способа более экономичным и простым способом, который может заменить обычный мокрый способ производства хлористого водорода высокой чистоты при помощи соляной кислоты в качестве исходного материала.
Техническое решение
Для выполнения вышеуказанных целей настоящее изобретение предусматривает способ производства хлористого водорода высокой чистоты, предусматривающий стадии: очистки как сырого водорода, так и сырого хлора как исходных материалов до чистоты 99,999% или выше; реакцию избыточного молярного количества очищенного водорода с очищенным хлором при температуре в диапазоне от 1200°С до 1400°С для синтеза хлористого водорода; превращения хлористого водорода в жидкое состояние путем сжатия и очистки хлористого водорода и отделения непрореагировавшего водорода посредством фракционной дистилляции.
В способе согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты очистку сырого водорода можно выполнять путем удаления воды и кислорода из сырого водорода, произведенного электролизом рассола, при помощи катализатора и адсорбента для удаления воды и кислорода, и очистку сырого хлора можно выполнять путем подвергания газообразного сырого хлора первому процессу адсорбции для удаления воды, подвергания сырого хлора первому низкотемпературному процессу дистилляции для удаления металлических компонентов и затем подвергания сырого хлора второму низкотемпературному процессу дистилляции для удаления газообразных компонентов.
В способе согласно настоящему изобретению очищенный водород предпочтительно используют в количестве большем на 10-20 мольн. %, чем очищенного хлора.
Настоящее изобретение также предусматривает систему для производства хлористого водорода высокой чистоты, содержащую: подающие водород и хлор трубопроводы для подачи водорода и хлора, очищенных до чистоты 99,999% или выше, соответственно; реактор, в котором водород и хлор, поданные через подающие водород и хлор трубопроводы, реагируют друг с другом для синтеза хлористого водорода; компрессор для превращения в жидкое состояние хлористого водорода путем сжатия и дистилляционную колонну для очистки сжиженного хлористого водорода и отделения и удаления непрореагировавшего водорода путем фракционной дистилляции.
В системе согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты холодильную установку предпочтительно предусматривают перед компрессором или после него.
Компрессор или дистилляционная колонна предпочтительно содержит две или более ступени.
Кроме того, система согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты может дополнительно содержать охлаждающую/абсорбционную колонну, в которой хлористый водород, полученный из компрессора, растворяют без очистки для получения соляной кислоты.
Кроме того, система очистки хлора предусматривается перед подающим хлор трубопроводом и может содержать: адсорбционную колонну для удаления воды из газообразного сырого хлора; первую низкотемпературную дистилляционную колонну для удаления металлических компонентов; охлаждающее устройство для охлаждения хлора, очищенного в первой низкотемпературной дистилляционной колонне, и вторую низкотемпературную дистилляционную колонну для удаления газообразных компонентов, отличных от хлора.
Полезные результаты
В соответствии со способом и системой согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты хлористый водород высокой чистоты с чистотой от 3 н до 6 н можно производить очень простым и легким способом посредством полностью закрытого сухого способа при помощи реакции водорода непосредственно с хлором для синтеза хлористого водорода, сжатия и охлаждения синтезированного хлористого водорода и удаления непрореагировавшего водорода из хлористого водорода в простой дистилляционной колонне. Кроме того, согласно настоящему изобретению способ производства можно легко упростить и автоматизировать, и потребление энергии можно значительно снизить.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема, показывающая конфигурацию системы для производства хлористого водорода высокой чистоты согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 представлена схема, показывающая конфигурацию систему очистки хлора для удаления примесей из исходного материала-газообразного сырого хлора согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное раскрытие изобретения
Вышеуказанные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из следующих вариантов осуществления изобретения, поясненных с учетом сопутствующих графических материалов.
Согласно вариантам осуществления настоящее изобретение, раскрытым в описании настоящего изобретения, конкретные структурные или функциональные описания служат примером только для описания вариантов осуществления настоящего изобретения, и варианты осуществления настоящего изобретения могут выполняться в различных формах и не должны пониматься как ограничивающие варианты осуществления, раскрытые в описании настоящего изобретения.
Настоящее изобретение можно по-разному модифицировать, и оно может принимать различные формы, и конкретные варианты осуществления будут показаны на чертежах и будут описаны более подробно в описании. Однако настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления и должно рассматриваться как включающее все изменения, эквиваленты и замены, включенные в сущность и объем настоящего изобретения.
Выражения, такие как «первый» и/или «второй», можно использовать для описания различных компонентов, однако компоненты не ограничены выражениями. Выражения используют только с целью различения компонента и других компонентов. Например, первый компонент можно назвать вторым компонентом без отклонения от объема настоящего изобретения, и, аналогично, второй компонент можно также назвать первым компонентом.
Когда указано, что конкретный компонент «соединен» или «связан» с другим компонентом, должно быть понятно, что конкретный компонент может быть непосредственно соединен или присоединен, однако другие компоненты могут быть помещены между конкретным компонентом и другим компонентом. В отличие от этого, когда указано, что конкретный компонент «непосредственно соединен» или «непосредственно связан» с другим компонентом, должно быть понятно, что никакие другие компоненты не помещены между конкретным компонентом и другим компонентом. Другие выражения для описания взаимосвязи между компонентами, такие как «между ~» и «непосредственно между ~» или «расположенный рядом с ~» и «непосредственно прилегающий к ~», должны толковаться таким же образом.
Выражения, используемые в настоящем описании, используются только для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Выражения единственного числа могут включать значение выражений во множественном числе, если иное ясно не определено. Согласно настоящей заявке должно быть понятно, что выражения, такие как «содержит» или «имеет», предназначены обозначать, что предлагаемые признаки, номера, стадии, действия, компоненты, части или их комбинации имеются в наличии, и вероятность существования или добавления одного или нескольких других признаков, стадий, действий, компонентов, частей или их комбинаций не исключена таким образом.
Если иное не определено, все выражения, используемые в настоящем документе, включая технические или научные выражения, не определенные иначе, имеют такое же значение, что и выражения, обычно понимаемые специалистами в настоящей области техники. Выражения, как такие, которые определены в обычно используемых словарях, следует толковать как имеющие такое же значение, что и выражения в контексте уровня техники, и не должны толковаться как имеющие значения, которые являются абстрактными или являются чересчур формальными, когда выражения точно не определены в настоящем описании.
В дальнейшем в этом документе предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на сопутствующие чертежи. Подобные номера ссылок на каждом из чертежей указывают на подобные объекты.
Способ согласно изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты предусматривает стадии: очистки как сырого водорода, так и сырого хлора как исходных материалов до чистоты 99,999% или выше; проведения реакции избыточного молярного количества очищенного водорода с очищенным хлором при температуре, находящейся в диапазоне от 1200°C до 1400°C, для синтеза хлористого водорода; превращения хлористого водорода в жидкое состояние путем сжатия и очистки хлористого водорода и отделения непрореагировавшего водорода посредством фракционной дистилляции.
2
2
2
2
2
2
Как описано выше, газообразный сырой водород (Н), произведенный электролизом рассола, характеризуется чистотой только 95-96%, и сырой (Cl) газ в обычной электролитической ячейке содержит кислород (О), азот (N), диоксид углерода (СО), воду (НО) и металлические компоненты и, таким образом, характеризуется чистотой приблизительно 99,8%. Согласно настоящему изобретению водород с чистотой 99,9999% или выше можно обеспечить путем удаления воды и кислорода из сырого водорода при помощи катализатора и адсорбента, и хлор с чистотой 99,9999% или выше можно обеспечить путем удаления воды и других примесей из сырого хлора при помощи системы очистки хлора, которая будет описана позже.
Фиг. 1 представляет собой схему, показывающую конфигурацию системы для производства хлористого водорода высокой чистоты согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, система согласно изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты может содержать: подающие водород и хлор трубопроводы для подачи водорода и хлора, очищенных до чистоты 99,999% или выше, соответственно; реактор, в котором водород и хлор, поданные через подающие водород и хлор трубопроводы, реагируют друг с другом для синтеза хлористого водорода; компрессор для превращения в жидкое состояние хлористого водорода путем сжатия и дистилляционную колонну для очистки сжиженного хлористого водорода и отделения и удаления непрореагировавшего водорода посредством фракционной дистилляции.
Кроме того, система согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты может дополнительно содержать систему очистки хлора, предусмотренную перед подающим хлор трубопроводом. Фиг. 2 показывает вариант осуществления системы очистки хлора.
Как показано на фиг. 2, система очистки хлора может содержать: адсорбционную колонну для удаления воды из газообразного хлора с чистотой 99,8%; первую низкотемпературную дистилляционную колонну для удаления металлических компонентов из газообразного хлора; охлаждающее устройство для охлаждения хлора, очищенного в первой низкотемпературной дистилляционной колонне, и вторую низкотемпературную дистилляционную колонну для удаления газообразных компонентов из хлора. Эта система очистки хлора может быть соединена поточно с вышеуказанной системой для производства хлористого водорода высокой чистоты так, что она может подавать очищенный хлор высокой чистоты в систему производства хлористого водорода. Альтернативно, система очистки хлора может также находиться отдельно от системы производства хлористого водорода так, что очищенный хлор высокой чистоты, очищенный в системе очистки хлора и хранящийся в резервуаре, можно подавать в систему производства хлористого водорода.
При помощи системы очистки хлора хлор высокой чистоты с чистотой 99,9999% или выше можно получить путем пропускания газообразного сырого хлора с чистотой 99-99,9% через адсорбционную колонну для удаления воды, пропускания сырого хлора через первую низкотемпературную дистилляционную колонну (температура: от -25°C до 15°C) для удаления металлических компонентов, таких как железо, хром и никель, и затем пропускания сырого хлора через вторую низкотемпературную дистилляционную колонну (температура: от -35°C до 5°C) для удаления газообразных компонентов, таких как диоксид углерода, азот и кислород.
В системе согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты скорости потока хлора и водорода, которые являются исходными материалами, контролируют посредством клапана регулирования потока (КРП). Для реакции водорода с хлором водород предпочтительно добавляют в количестве большем, чем хлор. Теоретически, водород и хлор следует приводить в реакцию при молярном соотношении 1:1 для производства хлористого водорода. Однако, когда непрореагировавший хлор остается в хлористом водороде, будет нелегко отделить его от хлористого водорода, и токсичность оставшегося хлора может вызывать разрушение реакционной системы. По этой причине для реакции водорода с хлором водород предпочтительно добавляют в количестве большем на 10-20 мольн.%, чем хлор.
Реактор предпочтительно изготовлен из графита, который не поддается воздействию исходного материала-хлора или хлористого водорода при высокой температуре, и компрессор предпочтительно изготовлен из материала, который может выдерживать воздействие хлористого водорода. Компрессор предпочтительно представляет собой поршневой компрессор, содержащий две или более ступеней. Кроме того, с целью увеличения силы сжатия холодильную установку предпочтительно предусматривают перед компрессором или после него. Рабочая температура реактора составляет 1200-1400°C и предпочтительно 1300±50°C. С целью поддержания этой температуры водород нагревают путем сжигания с воздухом, и воду, полученную вследствие этого нагревания, абсорбируют газообразным НСl, произведенным на начальной стадии синтеза, и удаляют с соляной кислотой. После начальной реакции температуру реактора можно поддерживать теплотой реакции. После реакции часть непрореагировавшего водорода подходящим образом отводят перед прохождением через холодильную установку или после нее, таким образом снижая эффективность охлаждения, сжиженный хлористый водород подвергают процессу очистки от удаляющихся металлических компонентов и подобного посредством фракционной дистилляции и процессу отделения и удаления непрореагировавшего водорода. Таким образом, хлористый водород высокой чистоты с чистотой 6 н или выше можно производить путем пропускания сжиженного хлористого водорода через многоступенчатую дистилляционную колонну и удаления примесей, таких как водород, через верх колонны. Сжиженный хлористый водород содержит очень незначительное количество водорода из-за парциального давления, и этот водород может выступать в качестве примеси в некоторых процессах. По этой причине сжиженный хлористый водород предпочтительно очищают в дистилляционной колонне при низкой температуре для полного удаления оставшегося водорода. В системе согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты компрессор или дистилляционная колонна предпочтительно содержит две или более ступени, которые обеспечивают большую эффективность. Хлористый водород, подвергнутый фракционной дистилляции в дистилляционной колонне, хранят в резервуаре для хлористого водорода, который сохраняет очищенный жидкий хлористый водород.
Кроме того, для увеличения экономической эффективности система согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты может дополнительно содержать охлаждающую/абсорбционную колонну, которая может производить 37-38 мас. % водный раствор соляной кислоты с высокой чистотой 5 н (99,999%) или выше путем растворения части синтезированного газа в ультрачистой воде перед сжижением.
Как описано выше, в способе и системе согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты хлористый водород можно производить с чистотой, находящейся в диапазоне от 3 н (99,9%) до 6 н (99,9999%), в зависимости от степени очистки исходных материалов и продукта реакции. Кроме того, процесс производства можно упростить, и потребление энергии можно значительно снизить по сравнению с обычным мокрым способом. Таким образом, согласно настоящему изобретению большое количество хлористого водорода высокой чистоты можно производить более рентабельным способом.
Далее в настоящем документе настоящее изобретение будет описано более детально со ссылкой на примеры. Необходимо понимать, однако, что эти примеры представлены только для целей иллюстрации и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.
Пример
3
3
Согласно примеру настоящего изобретения использовали систему для производства хлористого водорода высокой чистоты, которая содержит: реактор 10 для проведения реакции очищенного водорода высокой чистоты с очищенным хлором высокой чистоты; компрессор 20 для охлаждения и сжатия газообразного хлористого водорода, полученного в реакторе; холодильную установку 21 для хлористого водорода, прошедшего через компрессор; резервуар 60 соляной кислоты для растворения хлористого водорода, прошедшего через компрессор, в деионизированной воде для получения соляной кислоты высокой чистоты и хранения полученной соляной кислоты; двухступенчатую дистилляционную колонну (т.е. первую дистилляционную колонну 40 и вторую дистилляционную колонну 50) для фракционной дистилляции хлористого водорода, превращенного в жидкость в компрессоре, для удаления непрореагировавшего водорода и подобного, и резервуар 30 хлористого водорода для хранения хлористого водорода, очищенного в дистилляционной колонне. Хлористый водород производили при помощи этой системы производства хлористого водорода. В частности, водород и хлор вводили в реактор при скоростях потока приблизительно 80 м/ч и приблизительно 70 м/ч соответственно, так, что количество введенного водорода было больше на приблизительно 15 мольн. %, чем таковое хлора. Реактор поддерживали при приблизительно 1300°C. Температура синтезированного хлористого водорода на выходе из компрессора составляла приблизительно 60~165°C, и синтезированный хлористый водород переводили в жидкое состояние путем охлаждения до приблизительно -20°C при помощи холодильной установки, и сжиженный хлористый водород охлаждали до приблизительно -40°C, в то время как он проходил через дистилляционную колонну.
Таблица 1 ниже показывает результаты анализа чистоты и примесей сырого водорода и сырого хлора в качестве исходных материалов, водорода и хлора после очистки и хлористого водорода после очистки в компрессоре и дистилляционной колонне, как осуществляется согласно настоящему изобретению. Таблица 2 ниже показывает результаты анализа чистоты и примесей водного раствора соляной кислоты, образованной в охлаждающей/абсорбционной колоне из хлористого водорода, произведенного при помощи системы согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты. Как можно увидеть из таблиц 1 и 2, хлористый водород, произведенный при помощи системы согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты, характеризовался чистотой 5 н - 6 н (99,999-99,9999%).
Типичные варианты осуществления настоящего изобретения, которое описано выше и показано на чертежах, не должны толковаться как ограничивающие техническую сущность настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения ограничен только объектами, изложенными в формуле изобретения, и специалисты в настоящей области техники могут модифицировать и изменять технические объекты настоящего изобретения в различных формах. Таким образом, поскольку эти усовершенствования и изменения очевидны для специалистов в настоящей области техники, они включены в объем защиты настоящего изобретения.
[Описание номеров позиций на чертежах]
10: реактор для синтеза HCl; 20: компрессор;
21: холодильная установка; 30: резервуар хлористого водорода;
40: первая дистилляционная колонна HCl;
50: вторая дистилляционная колонна HCl;
60: резервуар соляной кислоты;
70: первая низкотемпературная дистилляционная колонна;
2
80: охлаждающее Cl устройство;
90: вторая низкотемпературная дистилляционная колонна.
Промышленная применимость
Как описано выше, в способе и системе согласно настоящему изобретению для производства хлористого водорода высокой чистоты хлористый водород можно производить с чистотой, находящейся в диапазоне от 3 н (99,9%) до 6 н (99,9999%), в зависимости от степени очистки исходных материалов и продукта реакции. Кроме того, процесс производства можно упростить, и потребление энергии можно значительно снизить по сравнению с обычным мокрым способом. Таким образом, согласно настоящему изобретению большое количество хлористого водорода высокой чистоты можно производить более рентабельным способом.