СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕПТАФТОРИДА ЙОДА
METHOD OF PRODUCING IODINE HEPTAFLUORIDE

Настоящее изобретение относится способу получения гептафторида йода, который используют в качестве фторирующего агента или в качестве газа для травления или очистки в электронной промышленности или атомной промышленности.
Уровень техники
7
2
5
2
До настоящего времени в качестве способа получения гептафторида йода (IF) был известен способ получения гептафторида йода посредством нагнетания газообразного фтора (F) в жидкий нагретый пентафторид йода (IF) и пропускания пентафторида йода совместно о газообразным фтором через реакционную зону с температурой 280-290°С (непатентный документ 1). Кроме того, был предложен способ, в котором пентафторид йода или йод (I) превращают в пар и смешивают с потоком газообразного фтора с использованием испарителя, установленного перед реактором, и затем смесь газов вводят в реактор, нагретый до температуры, при которой оба газа вступают в реакцию, тем самым получая гептафторид йода (патентный документ 1). В патентном документе 1 описано, что реакцию нельзя продолжать из-за температуры красного каления, возникающей вокруг входного отверстия в случае подачи исходного материала и фтора непосредственно в реактор без использования испарителя. С другой стороны, в качестве способа получения пентафторида йода предложен способ, в котором йод в твердом состоянии диспергируют в предварительно полученном жидком пентафториде йода и затем подают газообразный фтор с охлаждением при температуре 20-30°С (патентный документ 2). Как отмечено выше, согласно традиционным способам получения гептафторида йода, необходимо осуществлять реакцию в две стадии, где предварительно из йода и фтора синтезируют пентафторид йода и затем проводят его реакцию со фтором, или проводить сложную операцию, при которой пентафторид йода или йод превращают в пар и смешивают с потоком газообразного фтора, а затем смесь газов вводят в реактор, тем самым преобразуя ее в гептафторид йода.
Патентный документ 1: Рассмотренная патентная заявки Японии № 2-39443-В2.
Патентный документ 2: Патент Германии №2035521.
Непатентный документ 1: Ind. Eng. Chem., 42, 1383 (1950).
Описание изобретения
Задачи, решаемые изобретением
Йод и фтор являются простыми веществами, галогенами и активными веществами, и необходимо осторожное обращение с ними. Однако в промышленном масштабе возможно безопасное обращение с обоими из этих веществ. Поэтому чрезвычайно полезно обеспечить возможность получения гептафторида йода в промышленном масштабе посредством подачи йода и фтора непосредственно в реактор и, более того, путем одностадийной реакции.
Настоящее изобретение заключается в обеспечении в промышленном масштабе производства гептафторида йода, легкого и непрерывного, эффективного и стабильного способа получения гептафторида йода путем одностадийной реакции, путем подачи йода и фтора непосредственно в реактор.
Средства решения задач изобретения
В результате проведенных исследований настоящие заявители обнаружили, что возможно непрерывное и эффективное получение гептафторида йода в одном реакторе путем непрерывной подачи газообразных йода и фтора в присутствии гептафторида йода и при осуществлении реакции в газовой фазе, что позволяет решить задачи настоящего изобретения.
При прямом взаимодействии между йодом и фтором реакция происходит крайне энергично, что приводит к большому тепловыделению. Поэтому в ректоре с поршневым режимом потока без внешних устройств для циркуляции, таком как реактор традиционных способов, даже в случае малых габаритов, реактор повреждается сразу после достижения условий температуры красного каления. Однако возможно сохранение температуры реакции постоянной с помощью немедленного поглощения количества выделяющейся теплоты путем подачи большого количества охлажденного циркулирующего газа или перемешиваемого и смешиваемого газа.
Кроме того, если сравнить уравнение (1) реакции между йодом и фтором с уравнением (2) реакции между йодом и гептафторидом йода, последняя реакция выделяет меньшее количество теплоты на моль йода по сравнению с теплотой первой реакции. Следовательно, она проходит относительно мягко. Более того, газообразный йод, подаваемый непрерывно, взаимодействует с гептафторидом йода в циркулирующем газе или перемешиваемом и смешиваемом газе в соответствии с уравнением (2), и он быстро преобразуется в гептафторид йода путем реакции с фтором по уравнению (3). Таким образом, в реакционном газе почти полностью отсутствует пентафторид йода, и возможно селективное получение гептафторида йода.
Заявителями обнаружено, что возможно обеспечить гораздо более мягкое протекание реакции путем проведения дополнительной реакции между йодом и гептафторидом йода по сравнению с реакцией между йодом и фтором, тем самым достигая целей настоящего изобретения.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает способ получения гептафторида йода, в котором реакцию проводят путем подачи фторсодержащего и йодсодержащего газа в реактор, в котором присутствует гептафторид йода, при осуществлении циркуляции и смешивания газа в реакторе. Кроме того, изобретение обеспечивает способ получения гептафторида йода, в котором реакцию проводят путем подачи фторсодержащего и йодсодержащего газа в реактор, в котором присутствует гептафторид йода и фтор, при осуществлении циркуляции и смешивания газа в реакторе. Или изобретение обеспечивает способ получения гептафторида йода, в котором циркулирующий и смешиваемый газ в реакторе имеет концентрацию гептафторида йода от 1 об.% до 98 об.% и концентрацию фтора от 2 об.% до 98 об.%.
Технический эффект изобретения
Согласно способу по настоящему изобретению, если гептафторид йода получают из фтора и йода, обеспечивают изначальное совместное присутствие гептафторида йода, чтобы подавить локальную реакцию. Таким путем возможно получение гептафторида йода в мягких условиях.
Наилучший вариант реализации изобретения
Далее настоящее изобретение описано более подробно.
Установка, используемая в настоящем изобретении, может быть любой установкой, способной обеспечить непрерывную подачу газообразных йода и фтора в циркулирующий и смешиваемый газ в реакторе и имеющей конструкцию, способную обеспечить выпуск газа из реактора. В качестве реактора возможно использовать реактор с циркуляцией внутреннего типа или циркуляцией внешнего типа, с естественным или принудительным охлаждением. В качестве материала реактора возможно использовать никель, монель, инконель, хастеллой, алюминий, медь, железо и т.д., но никель, монель и подобные материалы предпочтительны для высокотемпературной части.
4
2
2
Предпочтительно вводить газообразный фтор в место, где он разбавляется находящимся внутри циркуляционным газом сразу же по мере поступления, чтобы быстро разбавить его циркуляционным газом. Используемый газообразный фтор может быть смешан с фтористым водородом или таким соединением, как CF, О и т.д., которые не вступают в реакцию со фтором при комнатной температуре. Кроме того, он может быть разбавлен инертным газом, таким как N, Ar и т.д. Достаточно, чтобы чистота используемого газообразного фтора составляла 2 об.% или выше. Более того, возможно синтезировать гептафторид йода, даже если концентрация фтора в циркулирующем и смешиваемом газе, перед подачей исходных материалов и при подаче исходных материалов, составляет менее 2 об.%. Однако 2 об.% или более является предпочтительным, чтобы эффективно синтезировать гептафторид йода. Более того, предпочтительно, чтобы концентрация фтора составляла не выше 98 об.%, чтобы получить эффект смягчения условий реакции путем смешивания с гептафторидом йода.
Для селективного получения гептафторида йода необходимо, чтобы расход подаваемого фтора в семь или более раз превышал расход подаваемого йода. Если расход подаваемого фтора превышает расход подаваемого йода менее чем в семь раз, в качестве примеси образуется пентафторид йода.
Присутствие гептафторида йода в циркулирующем и смешиваемом потоке перед подачей исходных материалов и при подаче исходных материалов эффективно даже в небольших количествах. Однако предпочтительным является количество 1 об.% или более для осуществления непрерывной выработки. Более того, поскольку предпочтительно, чтобы концентрация фтора в циркулирующем и смешиваемом газе составляла 2 об.% или более, предпочтительно устанавливать концентрацию гептафторида йода в циркулирующем и смешиваемом газе 98 об.% или менее.
2
Йод нагревают, испаряют и подают непосредственно в реактор. Йод можно подавать сам по себе, но гораздо проще подавать его с использованием газа-носителя, такого как N, Ar и др.
Если концентрация газа-носителя слишком высокая, становится невозможным поддерживать вышеуказанную концентрацию фтора и концентрацию гептафторида йода в циркулирующем и смешиваемом газе, соответствующие предпочтительным условиям. Поэтому предпочтительно концентрация йода в газе-носителе составляет 0,5 об.% или более. Если газ-носитель не используют, подаваемый в реактор йод немедленно расходуется в реакции.
Чтобы получить эффект разбавления путем циркуляции газа, расход циркулирующего газа в 60-200000 раз, предпочтительно в 1000-100000 раз превышает расход йода.
Достаточно, чтобы время пребывания газа в реакторе с внутренней циркуляцией или внешней циркуляцией составляло 30 с или более, но 2 мин или более предпочтительно для получения гептафторида йода высокой чистоты.
Достаточно, чтобы температура реакции составляла от 100°С до 350°С. Реакция является медленной при низкой температуре, и гептафторид йода разлагается при высокой температуре. Следовательно, предпочтительно поддерживать температуру 150-320°С, чтобы получить гептафторид йода высокой чистоты.
Далее настоящее изобретение поясняется конкретными примерами.
Пример 1
2
2
2
2
2
3
3
В емкость из нержавеющей стали объемом 2,3 л загружали 1,5 кг йода, изготовленного Wako Pure Chemical Industries Ltd., с последующей продувкой N внутреннего объема емкости из нержавеющей стали, а затем емкость из нержавеющей стали нагревали до 138°С. В качестве реактора использовали реактор с внутренней циркуляцией, изготовленный из Ni, объемом 4 л (диаметр: 120 мм, длина: 400 мм) и оборудованный мешалкой. Перед подачей фтора и йода в реактор нагреватель реактора предварительно устанавливали на 230°С. Температура газа внутри также составляла 230°С. До начала реакции мешалку вращали со скоростью 900 об/мин и циркуляцию газа проводили в условиях линейной скорости, приведенной к сечению потока, 0,25 м/с (расход газа внутренней циркуляции: 73,5 станд.л/мин). Состав газа в реакторе до начала реакции устанавливали следующим: 30 об.% гептафторида йода, 30 об.% фтора и 40 об.% N и общее давление устанавливали равным 0,88 МПа. Для подачи йода газообразный N подавали с расходов 13 станд.см/мин в жидкий йод, находящийся в емкости из нержавеющей стаяли, и часть йода при давлении насыщенных паров смешивали с газообразным N для подачи в реактор. Концентрация йода в смеси газообразного N и йода составляла 27,7 об.%. Фтор подавали при расходе 45 станд.см/мин через другое входное отверстие, отличное от входного отверстия для подачи йода. Газ выводили из выходного отверстия реактора, расположенного в месте, отличном от места подачи, чтобы давление в реакторе после подачи фтора и йода можно было поддерживать на том же уровне, что и до начала реакции.
2
Через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали с помощью инфракрасного спектрофотометра с преобразованием Фурье (ПФ-ИК) и спектрофотометра (УФ). В результате через указанные промежутки времени состав газа оказался следующим: 30 об.% гептафторида йода, 0,5 об.% пентафторида йода, 29,8 об.% фтора и 39,7 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала и устанавливалась постоянной через 20 мин. Температура газа внутри реактора в это время составляла 235°С, что показывает повышение температуры на 5°С по сравнению с температурой до реакции.
Пример 2
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что и в примере 1, за исключением расходов газов. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 18 станд.см/мин, а для фтора составляла 55 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентрации йода 27,7 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
Через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали. В результате через 120 мин и через 240 мин после начала реакции был установлен следующий состав: 23,1 об.% гептафторида йода, 0,1 об.% пентафторида йода, 46,7 об.% фтора и 30,1 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала и устанавливалась постоянной через 20 мин. Температура газа внутри реактора в это время составляла 235°С, что показывает повышение температуры на 5°С по сравнению с температурой до реакции.
Пример 3
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что и в примере 1, за исключением расходов газов. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 18 станд.см/мин, а для фтора составляла 40 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентрации йода 27,7 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
Через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали. В результате через 120 мин и через 240 мин после начала реакции был установлен следующий состав: 32,2 об.% гептафторида йода, 1,6 об.% пентафторида йода, 20,7 об.% фтора и 45,5 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала и устанавливалась постоянной через 20 мин. Температура газа внутри реактора в это время составляла 235°С, что показывает повышение температуры на 5°С по сравнению с температурой до реакции.
Пример 4
2
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что и в примере 1, за исключением состава газа в реакторе в начале реакции и расходов газов. Состав газа в начале реакции устанавливали следующим: 1,5 об.% гептафторида йода, 2,5% фтора и 96 об.% N. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 95 станд.см/мин, а для фтора составляла 55 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентрации йода 5 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
2
Через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали. В результате через 120 мин после начала реакции был установлен следующий состав: 8,0 об.% гептафторида йода, 0,3 об.% пентафторида йода, 15,7 об.% фтора и 76,0 об.% N. Затем, через 240 мин после начала реакции, был установлен следующий состав: 7,9 об.% гептафторида йода, 0,4 об.% пентафторида йода, 15,8 об.% фтора и 75,9 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала в течение 10 мин, затем снижалась и устанавливалась постоянной через 30 мин. Температура газа внутри реактора составляла 245°С через 10 мин и 240°С через 30 мин.
Пример 5
2
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что и в примере 1, за исключением состава газа в реакторе в начале реакции и расходов газов. Состав газа в начале реакции устанавливали следующим: 50 об.% гептафторида йода, 2% фтора и 48 об.% N. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 10 станд.см/мин, а для фтора составляла 45 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентрации йода 50 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
Через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали. В результате через 120 мин и через 240 мин после начала реакции был установлен следующий состав: 39,9 об.% гептафторида йода, 0,1 об.% пентафторида йода, 40,2 об.% фтора и 19,8 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала в течение 5 мин после начала реакции и затем устанавливалась постоянной. Температура газа внутри реактора составляла 233°С через 5 мин, и рост температуры составил 3°С.
Пример 6
2
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что ив примере 1, за исключением состава газа в реакторе в начале реакции и расходов газов. Состав газа в начале реакции устанавливали следующим: 2 об.% гептафторида йода, 50% фтора и 48 об.% N. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 10 станд.см/мин, а для фтора составляла 45 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентрации йода 50 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
Через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали. В результате через 120 мин и через 240 мин после начала реакции был установлен следующий состав: 39,9 об.% гептафторида йода, 0,1 об.% пентафторида йода, 40,2 об.% фтора и 19,8 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала в течение 10 мин после начала реакция, затем снижалась и устанавливалась постоянной через 30 мин. Температура газа внутри реактора составляла 245°С через 10 мин, и температура газа внутри реактора составляла 233°С через 30 мин.
Пример 7
2
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что и в примере 1, за исключением состава газа в реакторе в начале реакции и расходов газов. Состав газа в начале реакции устанавливали следующим: 50 об.% гептафторида йода и 50 об.% N. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 10 станд.см/мин, а для фтора составляла 45 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентрации йода 50 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
2
Через 60 мин, 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали. В результате через 60 мин после начала реакции был установлен следующий состав: 41,7 об.% гептафторида йода, 1,8 об.% пентафторида йода, 20,7 об.% фтора и 35,8 об.% N. Затем, через 120 и через 240 мин после начала реакции был установлен следующий состав: 39,9 об.% гептафторида йода, 0,1 об.% пентафторида йода, 40,2 об.% фтора и 19,8 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала в течение 5 мин, а затем устанавливалась постоянной. Температура газа внутри реактора составляла 233°С через 5 мин, и рост температуры составил 3°С.
Пример 8
2
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что и в примере 1, за исключением состава газа в реакторе в начале реакции и расходов газов. Состав газа в начале реакции устанавливали следующим: 0,8 об.% гептафторида йода, 7,2% фтора и 92 об.% N. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 95 станд.см/мин, а для фтора составляла 55 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентрации йода 5 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
Анализ газа на выходе из реактора через 120 мин м 240 мин после начала подачи фтора и йода показал следующий состав: 7 об.% гептафторида йода, 1 об.% пентафторида йода, 12,2 об.% фтора и 79,8 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала в течение 20 мин после начала реакции, а затем устанавливалась постоянной. Температура газа внутри реактора составляла 235°С через 20 мин, и рост температуры составил 5%.
Пример 9
2
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что и в примере 1, за исключением состава газа в реакторе в начале реакции и расходов газов. Состав газа в начале реакции устанавливали следующим: 0,8 об.% гептафторида йода и 99,2 об.% N. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 95 станд.см/мин, а для фтора составляла 55 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентрации йода 5 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
2
Анализ газа на выходе из реактора через 10 мин после начала подачи фтора и йода показал следующий состав: 4,2 об.% гептафторида йода, 1 об.% пентафторида йода, 8,2 об.% фтора и 86,6 об.% N. Кроме того, анализ газа на выходе из реактора через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода показал следующий состав: 7 об.% гептафторида йода, 1 об.% пентафторида йода, 12,2 об.% фтора и 79,8 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала в течение 20 мин после начала реакции, а затем устанавливалась постоянной. Температура газа внутри реактора составляла 235°С через 20 мин, и рост температуры составил 5°С.
Пример 10
2
2
3
3
Эксперимент проводили таким же способом, что и в примере 1, за исключением состава газа в реакторе в начале реакции и расходов газов. Состав газа в начале реакции устанавливали следующим: 97 об.% гептафторида йода и 3 об.% фтора. Что касается расходов подаваемых газов, эта величина для смеси газообразного N и йода составляла 10 станд.см/мин, а для фтора составляла 45 станд.см/мин. Эксперимент проводили при концентраций йода 50 об.% в смеси газообразного N и йода.
2
2
Температура внутри реактора в ходе реакции медленно возрастала в течение 150 мин и устанавливалась постоянной. Температура через 150 мин составляла 232°С. Через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали. В результате, через 120 мин после начала реакции был установлен следующий состав: 44,9 об.% гептафторида йода, 0,6 об.% пентафторида йода, 38,2 об.% фтора и 16,3 об.% N. Затем, через 240 мин после начала реакции, был установлен следующий состав: 39,9 об.% гептафторида йода, 0,1 об.% пентафторида йода, 40,2 об.% фтора и 19,8 об.% N.
Пример 11
Реактор использовали как реактор с внешней циркуляцией, путем выноса из реактора примера 1 мешалки в качестве устройства циркуляции и прикрепления к нему внешнего циркуляционного насоса. Расход циркулирующего газа с помощью внешнего циркуляционного насоса устанавливали 73,5 станд.л/мин. Эксперимент проводили в тех же условиях, что и в примере 1, в отношении температуры нагревателя реактора, состава газа до начала реакции, общего давления, способа подачи газа и расхода газа. Температура газа внутри реактора до начала реакции составляла 230°С.
2
2
Через 120 мин и 240 мин после начала подачи фтора и йода газ на выходе из реактора анализировали. В результате, через 120 мим после начала реакций был установлен следующий состав; 29,7 об.% гептафторида йода, 0,5 об.% пентафторида йода, 29,9 об.% фтора и 39,9 об.% N. Затем, через 240 мин после начала реакции, был установлен следующий состав: 29,9 об.% гептафторида йода, 0,6 об.% пентафторида йода, 29,1 об.% фтора и 40,4 об.% N.
Кроме того, температура газа внутри реактора в ходе реакции постепенно возрастала и устанавливалась постоянной через 25 мин.
Температура газа внутри реактора в это время составляла 236°С, что показывает увеличение температуры на 6°С по сравнению с температурой до реакции.
Сравнительный пример 1
2
2
2
2
2
3
В емкость из нержавеющей стали объемом 2,3 л загружали 1,5 кг йода, изготовленного Wako Pure Chemical Industries Ltd., с последующей продувкой N внутреннего объема емкости из нержавеющей стали, а затем емкость из нержавеющей стали нагревали до 138°С. В качестве реактора использовали реактор с поршневым режимом потока, изготовленный из Ni, объемом 4 л (диаметр: 120 мм, длина: 400 мм) и не оборудованный устройством для циркуляции газа, таким как мешалка, циркуляционный насос и подобные приспособления. Перед подачей фтора и йода в реактор предварительно устанавливали температуру нагревателя реактора 230°С. Температура газа внутри достигала 230°С. Состав газа в реакторе до начала реакции устанавливали следующим: 30 об.% фтора и 70 об.% N, а общее давление устанавливали равным 0,88 МПа. В данном способе для подачи йода газообразный N плавали с расходом 26 станд.см/мин в жидкий йод, находящийся в емкости из нержавеющей стали, и часть йода при давлении насыщенных паров смешивали с газообразным N для подачи в реактор. Концентрация йода в смеси газообразного N и йода составляла 16,1 об.%.
3
Фтор подавали при расходе 45 станд.см/мин через другое входное отверстие, отличное от входного отверстия для подачи йода. Газ выводили из выходного отверстия реактора, расположенного в месте, отличном от места подачи, чтобы давление в реакторе оставалось постоянным после подачи исходных материалов.
После начала реакции температура вблизи ввода быстро возрастала. За 60 мин температура повысилась до 450°С. Поэтому подача исходных материалов была прекращена.