Способ получения гексафторида вольфрама Российский патент 2024 года по МПК C01G41/04 C23C4/123 C23C16/30 C23C16/44 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области химических технологий, а именно к получению легколетучих высших фторидов тугоплавких металлов VI группы, и может быть применено в электронной промышленности для процесса химического осаждения газовой фазы металлического вольфрама.

Уровень техники

Известен способ получения гексафторида вольфрама (RU 2209771). Сущность этого предлагаемого способа получения гексафторида вольфрама заключается в фторировании элементным фтором металлический вольфрам в виде скрапа при повышенной температуре. Процесс ведут при линейной скорости фтора в зоне реакции 0,1-0,5 см/с до остаточного содержания вольфрама в %, которое не меньше 50-кратной величины линейной скорости фтора, измеренной в см/с. Такой способ обеспечивает 99,9% использование фтора.

Однако упомянутое техническое решение не позволяет получать гексафторид вольфрама в непрерывном режиме. Также его недостатком является использование вольфрамового скрапа в качестве источника вольфрамового скрапа, что обуславливает необходимость очистки полученного гексафторида вольфрама от оксифторидов вольфрама и других примесей, присутствующих в вольфрамовом скрапе, использование малой линейной скорости подачи фтора позволяет достичь высокой степени использования фтора, но данный факт обуславливает низкую производительность.

Известен способ получения гексафторида вольфрама (RU 2310608), согласно которому фторирование металлического вольфрама проводят газовой смесью фтора и гексафторида вольфрама. Процесс проводят при рециркуляции газовой смеси и давлении ниже атмосферного, содержание фтора в газовой смеси не менее 50 об. % при степени использования фтора за один проход через реакционную зону не более 40%, а образовавшуюся газовую смесь дополнительно подвергают дофторированию при температуре 300-500°С в присутствии катализатора, в качестве которого используют никель, хром, железо, их фториды, фториды щелочных и щелочноземельных металлов.

Недостатками такого технологического решения является усложнение технологической схемы за счет рециркуляции газовой смеси, использование катализаторов, которые требуют дополнительного производства, также загрязнение готового продукта оксифторидами вольфрама, а при рециркуляции газовой смеси при пониженном давлении парогазовой смеси степень загрязнения увеличивается с каждым циклом. Этот способ не позволяет получать гексафторид вольфрама в непрерывном режиме.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является решение, раскрытое в патенте RU 2315500 (прототип). В этом решении гексафторид вольфрама получают путем предварительной обработки порошка вольфрама водородом при температуре 500-700°С, фторирование техническим фтором с избытком фтора 10-15% от стехиометрии при начальной температуре 200-300°С. Избыток фтора поглощают на свежей порции вольфрамового сырья в реакторе доулавливания при температуре 100-150°С. Затем гексафторид вольфрама конденсируют в баллоны и выдерживают в них при температуре (-25)-(-30)°С в течении часа под разряжением 2-3 кПа.

Однако это решение обладает рядом недостатков, которые осложняют его применение в промышленности. Одним из недостатков является использование высокодисперсного порошка вольфрама. Такой порошок обладает высокой сорбционной способностью и адсорбирует на своей поверхности кислород из воздуха, кроме того, при контакте с воздухом на поверхности частиц высокодисперсного порошка вольфрама образуется пленка из низших оксидов вольфрама. Обработка водородом такого порошка при повышенной температуре 500-700°С не позволяет полностью удалить кислород из исходного вещества. Другим недостатком этого решения является необходимость использования нескольких реакторов в процессе получения гексафторида вольфрама, что усложняет аппаратное исполнение оборудования по получению гексафторида вольфрама. Еще одним недостатком является то, что реакция фторирования вольфрамового порошка протекает в основном на его поверхности, а не во всем объеме, из-за чего скорость протекания реакции во время фторирования не однородна и меняется по мере расходования вольфрамового порошка. Использование водорода для предварительной обработки порошка вольфрама сильно усложняет промышленное применение описанного выше метода, что также является недостатком этого решения.

Краткое описание чертежей

Вариант осуществления предлагаемого способа получения наноразмерного порошка диоксида кремния поясняется следующими фигурами.

Фиг 1. Схема устройства для предлагаемого способа получения гексафторида вольфрама.

Фиг. 1 надписи на чертежах: 1 - реактор, 2 - поток газа-носителя, 3 - вольфрамовая проволока, 4 противоточный индуктор, 5 - расплавленная капля вольфрама, 6 - область конденсации, 7 - область реакции, 8 - поток газа-реагента, 9 - кольцевой зазор.

Сущность изобретения

Технической задачей заявленного изобретения является получение гексафторида вольфрама в газовой фазе с чистотой не менее 99,99% в непрерывном режиме. Поставленная задача решается путем обеспечения способа получения гексафторида вольфрама в газовой фазе в вертикально ориентированном реакторе, который размещают внутри противоточного индуктора, в реакторе организуют непрерывный нисходящий поток газа-носителя, сверху в противоточный индуктор подают вольфрамовую проволоку, с помощью высокочастотного электромагнитного поля противоточного индуктора вольфрамовую проволоку разогревают до температуры плавления, на конце проволоки формируют каплю расплавленного метала, каплю бесконтактно подвешивают между витками противоточного индуктора и испаряют вольфрам с поверхности расплавленной капли, потоком газа-носителя обеспечивают конденсацию паров вольфрама в наночастицы ниже расплавленной капли и вынос горячих наночастиц вольфрама в зону реакции, в зону реакции дополнительно вводя газ-реагент фтор и обеспечивают протекание реакции фтора и вольфрама с образованием гексафторида вольфрама, обеспечивают унос образованного гексафторида вольфрама в зону предварительного охлаждения, после чего гексафторид вольфрама конденсируют в баллоны-конденсаторы.

Описание изобретения

Один вариант осуществления предлагаемого способа получения гексафторида вольфрама представлен на фиг. 1. В трубчатом реакторе 1, изготовленном из кварцевого стекла или другого диэлектрического материала, обеспечивают непрерывный ламинарный поток газа-носителя 2. Сверху подают вольфрамовую проволоку 3 в противоточный индуктор 4 и разогревают ее в высокочастотном поле до температуры плавления и формируют на ее конце каплю 5 расплавленного вольфрама, бесконтактно подвешивают каплю 5 в области между витками противоточного индуктора 4 и обеспечивают испарение вольфрама с поверхности капли 5. Ламинарным потоком газа-носителя 2 осуществляют унос паров испарившегося вольфрама в область конденсации 6. Ниже по потоку обеспечивают область реакции 7 путем дополнительного ввода газа-реагента (в качестве газа-реагента используют фтор) 8 через кольцевой зазор 9 в реакторе 1. Потоком газа-носителя 2 переносят наночастицы из области конденсации 6 в область реакции 7. В области реакции 7 обеспечивают фторирования вольфрама путем химической реакции между свежесконденсированными наночастицами вольфрама и фтором и получают гексафторид вольфрама в газовой фазе. Полученный гексафторид вольфрама вместе с потоком газа-носителя 2 направляют в область предварительного охлаждения газовой смеси, затем гексафторид вольфрама конденсируют в баллонах-конденсаторах. Непрерывность процесса обеспечивают восполнением испаряемой капли путем равномерной подачи вольфрамовой проволоки 3 в расплавленную каплю 5. В качестве газа-носителя используют газ из ряда инертных газов (предпочтительно: аргон либо гелий). Абсолютное давление в газовой системе поддерживают равным 10⁵ - 5*10⁴ Па, расход газа носителя составляет 0,12 - 0,6 норм.м³/час. В качестве газа-реагента используют фтор, расход газа реагента составляет 0,044 - 0,44 норм.м³/час. Положение области реакции регулируют положением кольцевого зазора относительно нижнего витка индуктора, данное расстояние составляет не менее 10 мм и не более 50 мм.

Высокая чистота продукта, полученного в соответствии с заявленным изобретением, достигается несколькими факторами. Первый фактор заключается в том, что исходные вещества, используемые в процессе получения гексафторида вольфрама, имеют чистоту не менее 99,99%. Другим фактором, влияющим на чистоту получаемого продукта, является проведение синтеза в бесконтактном режиме, т.е. отсутствие контакта реагентов со стенками реактора, так как процесс протекает в ламинарном потоке газа.

Дополнительные материалы

Достижение технического результата подтверждается следующими примерами:

Пример 1

При осуществлении предлагаемого способа восполнение капли ведут со скоростью подачи вольфрамовой проволоки в расплавленную каплю 2 г/час. В качестве газа-носителя используют аргон, абсолютное давление в зоне реактора поддерживают равным 5*10⁴ Па, расход газа-носителя поддерживают 0,12 норм.м³/час, газ-реагент подают в эквимолярном соотношении относительно скорости подачи вольфрамовой проволоки, таким образом расход фтора поддерживают на уровне 0,044 норм.м³/час. Кольцевой зазор устанавливают на расстоянии 50 мм от нижнего витка индуктора. Полученный гексафторид вольфрама конденсируют в баллоне-конденсаторе.

Выход гексафторида вольфрама составляет 99,9-99,95% от стехиометрического.

Пример 2

Заявленный способ применяют в условиях Примера 1, но скорость подачи вольфрамовой проволоки составляет 20 г/час, соответственно расход газа-реагента поддерживают равным 0,44 норм.м³/час, а расход газа-носителя поддерживают равным 0,6 норм.м³/час.

Выход гексафторида вольфрама в данном примере составляет 99,9-99,95%.

Данный пример демонстрирует, что увеличение производительности не приводит к уменьшению полученного итогового продукта.

Пример 3

Заявленный способ применяют в условиях Примера 2, но абсолютное давление в реакторе поддерживают на уровне 10⁵ Па и кольцевой зазор устанавливают на расстоянии 10 мм от нижнего витка индуктора.

Выход гексафторида вольфрама в данном примере составляет 99,95-99,99%.

Данный пример демонстрирует, что изменение абсолютного давления в реакторе и уменьшение расстояния между нижним витком индуктора и кольцевым зазором незначительно увеличивает получение гексафторида вольфрама.

Из приведенных примеров видно, что предлагаемый способ позволяет получать чистый гексафторид вольфрама с получением гексафторида вольфрама не ниже 99,9%.

Во всех случаях чистота полученного гексафторида вольфрама составила не менее 99,99%, что свидетельствует о том, что предложенный способ не вносит дополнительные загрязнения в процессе получения гексафторида вольфрама и может быть использован для получения гексафторида вольфрама высокой чистоты в промышленности.

Изобретение относится к способу получения гексафторида вольфрама в газовой фазе. Фторирование вольфрама проводят в вертикально ориентированном реакторе. В упомянутом реакторе обеспечивают непрерывный нисходящий поток газа-носителя и непрерывную равномерную подачу вольфрамовой проволоки сверху внутрь упомянутого реактора в область нагрева посредством высокочастотного электромагнитного поля индуктора. Затем на конце вольфрамовой проволоки формируют каплю расплавленного вольфрама, из которой испаряют вольфрам в высокочастотном электромагнитном поле индуктора, и конденсируют наночастицы вольфрама. Затем из зоны конденсации потоком газа-носителя уносят сконденсированные наночастицы вольфрама в зону реакции. В упомянутую зону реакции вводят газ-реагент в виде фтора, и осуществляется взаимодействие наночастиц вольфрама с фтором с получением гексафторида вольфрама в газовой фазе. Полученный гексафторид вольфрама вместе с потоком газа-носителя направляют в область предварительного охлаждения. Затем из потока газа-носителя осуществляют конденсирование гексафторида вольфрама в баллоны-конденсаторы. Обеспечивается получение гексафторида вольфрама в газовой фазе с чистотой не менее 99,99% в непрерывном режиме. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

1. Способ получения гексафторида вольфрама в газовой фазе, включающий фторирование вольфрама с получением гексафторида вольфрама и конденсирование гексафторида вольфрама в баллоны-конденсаторы, отличающийся тем, что указанное фторирование вольфрама проводят в вертикально ориентированном реакторе, в котором обеспечивают непрерывный нисходящий поток газа-носителя и непрерывную равномерную подачу вольфрамовой проволоки сверху внутрь упомянутого реактора в область нагрева посредством высокочастотного электромагнитного поля индуктора, затем с помощью высокочастотного электромагнитного поля индуктора осуществляют нагрев вольфрамовой проволоки до температуры плавления и на ее конце формируют каплю расплавленного вольфрама, из которой испаряют вольфрам в высокочастотном электромагнитном поле индуктора, пары испарившегося вольфрама уносят от расплавленной капли потоком газа-носителя в зону конденсации, в которой из паров вольфрама конденсируют наночастицы вольфрама, затем из зоны конденсации потоком газа-носителя уносят сконденсированные наночастицы вольфрама в зону реакции, расположенную ниже по упомянутому потоку газа-носителя, причем в упомянутую зону реакции вводят газ-реагент в виде фтора, и в упомянутой зоне реакции осуществляется взаимодействие наночастиц вольфрама с фтором с получением гексафторида вольфрама в газовой фазе, полученный гексафторид вольфрама вместе с потоком газа-носителя направляют в область предварительного охлаждения, затем из потока газа-носителя осуществляют упомянутое конденсирование гексафторида вольфрама в баллоны-конденсаторы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно вводят газ-реагент в виде фтора в реактор выше зоны реакции через кольцевой зазор, расположенный на расстоянии не менее 10 мм и не более 50 мм от нижнего витка индуктора в реакторе.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют инертный газ.