以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備及工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備和工藝，設備包括等離子體發(fā)生器、等離子體反應器、冷卻室、氣固分離室、三氟化氮精制裝置；等離子體發(fā)生器與等離子體反應器相連通，等離子體反應器的出料口與冷卻室的進料口相連通，冷卻室還設有低溫氮氣輸入口，冷卻室的出料口與氣固分離室的進料口相連通，氣固分離室的氣相出料口與三氟化氮精制裝置的進料口相連通，氣固分離室的固相出料口為氮化硅排出口，三氟化氮精制裝置設有三氟化氮排出口和廢氣排出口。本發(fā)明工藝路線新穎、合理，裝備要求低，反應安全、容易實現(xiàn)工業(yè)化的低能耗生產(chǎn)，生產(chǎn)的氮化硅和三氟化氮純度高；實現(xiàn)廢物的高附加值利用，具有環(huán)保和經(jīng)濟雙重效益。
【專利說明】以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備及工藝
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及化工領域，特別涉及以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備及工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅陶瓷具有高硬度、強度高、耐磨損、耐高溫，熱膨脹系數(shù)小、導熱系數(shù)大、抗熱震性好，密度低等一系列優(yōu)點，在陶瓷發(fā)動機、機械加工、微電子學、空間科學和核動力工程等領域，具有極為廣闊的應用前景，因而對高性能氮化硅粉的需求量也將日益增加?，F(xiàn)有技術(shù)中常用的氮化硅粉體制備方法有以下幾種:一、硅粉直接氮化法，該方法簡便、成本低，因為硅與氮的反應為放熱反應，為了使硅粉能充分反應，工藝控制比較復雜；同時由于原料本身純度和氮化以后的磨細工序的摻雜，造成粉料的純度不高。二、碳熱還原二氧化硅法，此法利用自然界中十分豐富的二氧化硅為原料，加之較快的反應速率，特別適宜于大規(guī)模生產(chǎn)，但缺點是產(chǎn)物中含碳量較高。三、等離子體化學氣相反應法，該方法利用硅的鹵化物(SiCl4、SiBr4…等)或硅的氫鹵化物(SiHCl3、SiH2CV"等〉與氨或者氮氣加氫氣發(fā)生化學氣相反應，或硅烷(SiH4)與氨或聯(lián)氨(N2H4)發(fā)生化學氣相反應,一般生成無定型氮化娃粉體；該無定型氮化硅粉體在氮氣氣氛下，經(jīng)過熱處理后可以得到α相含量大于95%的氮化硅粉體，但目前該技術(shù)主要局限于實驗室研究，因其反應成本高，且反應危險難以控制而一直未能得到批量生產(chǎn)和實際應用；且制得粉體的氧含量大于2~3%，且殘留氯含量較高，達到60ppm,最終會影響氮化娃陶瓷的性能。
[0003]三氟化氮在常溫下 是無色、無臭、性質(zhì)穩(wěn)定的氣體，沸點為_129°C，熔點為-208°C。另外，它還是一種強氧化劑。三氟化氮作為一種優(yōu)良的等離子蝕刻氣體，在離子蝕刻時具有優(yōu)異的蝕刻速率和選擇性，而且，在蝕刻物表面不留任何殘留物，是非常良好的清洗劑，因此，在半導體和微電子行業(yè)有著非常廣闊的前景，另外，其在高能激光領域也得到到了廣泛地應用。三氟化氮的制備方法通常有兩種:即以用NH3與F2為原料制備三氟化氮為代表的化學合成法，由于F2反應性非常高，且有較強的毒性和腐蝕性，因此該法反應危險性大且因為反應熱高導致副產(chǎn)物多；以及以NH4F-XHF為原料通過電解槽制備三氟化氮的電解法。電解法的優(yōu)點是生產(chǎn)運行較用NH3與F2為原料制備三氟化氮的化學合成法相對安全穩(wěn)定、氣體的純度和產(chǎn)率都較高，因此，這一方法被很多企業(yè)較為廣泛地采用，但其最大的缺點是生產(chǎn)過程成本太高，同時還是存在一定的危險性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種以四氟化硅和氮氣為原料生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備和工藝。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種工藝路線新穎、合理，裝備要求低，反應安全、容易實現(xiàn)工業(yè)化的低能耗生產(chǎn)高純氮化硅和三氟化氮的方法和設備。為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備，其特征在于，包括等離子體發(fā)生器、等離子體反應器、冷卻室、氣固分離室、三氟化氮精制裝置；所述等離子體發(fā)生器與等離子體反應器相連通，所述等離子體反應器的出料口與冷卻室的進料口相連通，所述冷卻室還設有低溫氮氣輸入口，所述冷卻室的出料口與氣固分離室的進料口相連通，所述氣固分離室的氣相出料口與三氟化氮精制裝置的進料口相連通，所述氣固分離室的固相出料口為氮化硅排出口，所述三氟化氮精制裝置設有三氟化氮排出口和廢氣排出口。
[0005]上述方案中，還包括氮氣凈化回收裝置，所述氮氣凈化回收裝置的進料口與三氟化氮精制裝置的廢氣排出口相連通，所述氮氣凈化回收裝置的出料口與等離子體反應器的進料口相連通。
[0006]上述方案中，還包括氣封出料螺旋和高溫結(jié)晶爐，所述氣封出料螺旋的進料口與氣固分離室的固相出料口相連接，所述氣封出料螺旋的出料口與高溫結(jié)晶爐的進料口相連接。
[0007]上述方案中，所述等離子體反應器外設有反應熱冷卻器。
[0008]其中，三氟化氮精制裝置、氮氣凈化回收裝置為混合氣體的分離提純裝置，為現(xiàn)有技術(shù)，其具體結(jié)構(gòu)和工藝過程在此不作贅述。
[0009]本發(fā)明還公開了以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的工藝，包括以下步驟:
[0010]A.將整個反應系統(tǒng)抽真空，然后通入氮氣進行系統(tǒng)氣流清洗，清洗后使整個反應系統(tǒng)充滿氮氣；
[0011]B.開啟等離子體發(fā)生器電源，等離子體反應器內(nèi)產(chǎn)生氮氣等離子體，然后向等離子體反應器內(nèi)通入四氟化硅氣體，四氟化硅氣體與氮離子發(fā)生化學反應，生成氮化硅固體和三氟化氮氣體；同時，也向等離子體反應器內(nèi)通入氮氣，補充反應過程中效果掉的氮氣；
[0012]C.將低溫氮氣充入冷卻室，然后將等離子體反應器內(nèi)反應生成的氮化硅固體、三氟化氮氣體以及未反應的原料氣體一同排出至冷卻室與低溫氮氣混合從而迅速降溫；
[0013]D.將步驟C中降溫的氮化硅固體和包含三氟化氮氣體、未反應原料氣體和氮氣的混合氣體一起排出至氣固分離室，將氮化硅固體分離，從氣固分離室的固相出料口排出；將混合氣體從氣固分離室的氣相出料口排出至三氟化氮精制裝置；
[0014]E.包含三氟化氮氣體、未反應原料氣體和氮氣的混合氣體在三氟化氮精制裝置中，經(jīng)過分離精制，三氟化氮氣體從三氟化氮精制裝置的三氟化氮排出口輸出，其它混合氣體從廢氣排出口排出。
[0015]為了防止在等離子體反應器中生成的三氟化氮與氮化硅在高溫下彼此反應，重新生成四氟化硅，因而在步驟C中，冷卻室內(nèi)通入低溫氮氣，以便迅速降低三氟化氮與氮化硅的溫度至低于25°c，三氟化氮與氮化硅則較難發(fā)生反應。
[0016]上述方案中，所述步驟D后還包括步驟Dl:將從氣固分離室的固相出料口排出的氮化硅經(jīng)氣封出料螺旋送入高溫結(jié)晶爐中進行高溫熔融結(jié)晶。
[0017]上述方案中，所述步驟E后還包括步驟F:將三氟化氮精制裝置的廢氣排出口排出的混合氣體輸出至氮氣凈化回收裝置，將混合氣體中的氮氣分離回收，循環(huán)至等離子體反應器繼續(xù)使用。
[0018]上述方案中，所述步驟B中，通入的四氟化硅氣體與氮氣的摩爾比為1:4~1:16。
[0019]上述方案中，所述步驟C中，低溫氮氣的溫度為15°C~_35°C。[0020]四氟化硅與氮氣反應，生成氮化硅和三氟化氮的反應式:
[0021]3SiF4+4N2 — Si3N4+4NF3
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果在于:本發(fā)明提供一種以四氟化硅和氮氣為原料生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備和工藝。本發(fā)明的工藝路線新穎、合理，裝備要求低，反應安全、容易實現(xiàn)工業(yè)化的低能耗生產(chǎn)，生產(chǎn)的氮化硅和三氟化氮純度高；四氟化硅可來自磷肥生產(chǎn)企業(yè)的副產(chǎn)品，也可來自磷肥生產(chǎn)企業(yè)副產(chǎn)品氟硅酸的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物氟硅酸鹽(例如氟硅酸鈉)，實現(xiàn)廢物的高附加值利用，具有環(huán)保和經(jīng)濟雙重效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本發(fā)明的工藝原理圖。
[0025]圖2為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中:1、等離子體發(fā)生器2、等離子體反應器3、冷卻室
[0027]4、氣固分離室5 、三氟化氮精制裝置6、氮氣凈化分離裝置
[0028]7、反應熱冷卻器8、冷卻室的低溫氮氣輸入口 9、氣封出料螺旋
[0029]10、高溫結(jié)晶爐
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0031]如圖2所示，本發(fā)明是一種以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備。包括等離子體發(fā)生器1、等離子體反應器2、冷卻室3、氣固分離室4、三氟化氮精制裝置5、氮氣凈化分離裝置6 ;等離子體發(fā)生器I與等離子體反應器2相連通，等離子體反應器2外設有反應熱冷卻器7，等離子體反應器2的出料口與冷卻室3的進料口相連通，冷卻室3還設有低溫氮氣輸入口 8，冷卻室3的出料口與氣固分離室4的進料口相連通，氣固分離室4的氣相出料口與三氟化氮精制裝置5的進料口相連通，氣固分離室的固相出料口為氮化硅排出口，氮化硅排出口與氣封出料螺旋9的進料口連接，氣封出料螺旋9的出料口與高溫結(jié)晶爐10的進料口相連接，三氟化氮精制裝置5設有三氟化氮排出口和廢氣排出口。氮氣凈化回收裝置6的進料口與三氟化氮精制裝置5的廢氣排出口相連通，氮氣凈化回收裝置6的出料口與等離子體反應器2的進料口相連通。
[0032]實施例1
[0033]將整個反應系統(tǒng)抽真空，然后通入氮氣進行系統(tǒng)氣流清洗，清洗后使整個反應系統(tǒng)充滿氮氣；開啟等離子體發(fā)生器電源，使氮等離子體進入并充滿等離子體反應器，本實施例中等離子體反應器的功率為10千瓦，然后向等離子體反應器內(nèi)通入四氟化硅氣體和氮氣，通過流量計控制四氟化硅與氮氣的摩爾比為1:4 ;四氟化硅氣體與氮等離子體中的氮離子發(fā)生化學反應，生成氮化硅固體和三氟化氮氣體；將_35°C的低溫氮氣充入冷卻室，然后將等離子體反應器內(nèi)反應生成的氮化硅固體、三氟化氮氣體、未反應的原料氣體一同排出至冷卻室與低溫氮氣混合從而迅速降溫；將降溫后的氮化硅固體和混合氣體一起排出至氣固分離室，在氣固分離室內(nèi)，將氮化硅固體分離，從氣固分離室的固相出料口排出；將包含三氟化氮氣體、未反應的原料氣體、氮氣的混合氣體從氣固分離室的氣相出料口排出至三氟化氮精制裝置；包含三氟化氮氣體、未反應的原料氣體、氮氣的混合氣體在三氟化氮精制裝置中，經(jīng)過分離精制，將三氟化氮氣體從三氟化氮精制裝置的三氟化氮排出口輸出，其它混合氣體從廢氣排出口排出至氮氣凈化回收裝置，將混合氣體中的氮氣分離回收，循環(huán)至等離子體反應器繼續(xù)使用。
[0034]反應時間180分鐘后，收集氮化硅固體57kg，三氟化氮氣體112.6kg。其中氮化硅固體為無定形氮化硅粉，為了使產(chǎn)品具備更好的工業(yè)應用性，將此無定形氮化硅通過氣封出料螺旋9轉(zhuǎn)運送入高溫結(jié)晶爐10中進行高溫熔融轉(zhuǎn)相和結(jié)晶化處理，得到高α相氮化硅粉體。
[0035]實施例2
[0036]將整個反應系統(tǒng)抽真空，然后通入氮氣進行系統(tǒng)氣流清洗，清洗后使整個反應系統(tǒng)充滿氮氣；開啟等離子體發(fā)生器電源，使氮等離子體進入并充滿等離子體反應器，本實施例中等離子體反應器的功率為10千瓦，然后向等離子體反應器內(nèi)通入四氟化硅氣體和氮氣，通過流量計控制四氟化硅與氮氣的摩爾比為1:8 ;四氟化硅氣體與氮等離子體中的氮離子發(fā)生化學反應，生成氮化硅固體和三氟化氮氣體；將0°C的低溫氮氣充入冷卻室，然后將等離子體反應器內(nèi)反應生成的氮化硅固體、三氟化氮氣體、未反應的原料氣體一同排出至冷卻室與低溫氮氣混合從而迅速降溫；將降溫后的氮化硅固體和混合氣體一起排出至氣固分離室，在氣固分離室內(nèi)，將氮化硅固體分離，從氣固分離室的固相出料口排出；將包含三氟化氮氣體、未反應的原料氣體、氮氣的混合氣體從氣固分離室的氣相出料口排出至三氟化氮精制裝置；包含三氟化氮氣體、未反應的原料氣體、氮氣的混合氣體在三氟化氮精制裝置中，經(jīng)過分離精制，將三氟化氮氣體從三氟化氮精制裝置的三氟化氮排出口輸出，其它混合氣體從廢氣排出口排出至氮氣凈化回收裝置，將混合氣體中的氮氣分離回收，循環(huán)至等離子體反應器繼續(xù)使用。
[0037]反應時間200分鐘后，收集氮化硅固體60kg，三氟化氮氣體119.3kg。其中氮化硅固體為無定形氮化硅粉，為了使產(chǎn)品具備更好的工業(yè)應用性，將此無定形氮化硅通過氣封出料螺旋9轉(zhuǎn)運送入高溫結(jié)晶爐10中進行高溫熔融轉(zhuǎn)相和結(jié)晶化處理，得到高α相氮化硅粉體。
[0038]實施例3
[0039]將整個反應系統(tǒng)抽真空，然后通入氮氣進行系統(tǒng)氣流清洗，清洗后使整個反應系統(tǒng)充滿氮氣；開啟等離子體發(fā)生器電源，使氮等離子體進入并充滿等離子體反應器，本實施例中等離子體反應器的功率為10千瓦，然后向等離子體反應器內(nèi)通入四氟化硅氣體和氮氣，通過流量計控制四氟化硅與氮氣的摩爾比為1:16 ;四氟化硅氣體與氮等離子體中的氮離子發(fā)生化學反應，生成氮化硅固體和三氟化氮氣體；將15°C的低溫氮氣充入冷卻室，然后將等離子體反應器內(nèi)反應生成的氮化硅固體、三氟化氮氣體、未反應的原料氣體一同排出至冷卻室與低溫氮氣混合從而迅速降溫；將降溫后的氮化硅固體和混合氣體一起排出至氣固分離室，在氣固分離室內(nèi)，將氮化硅固體分離，從氣固分離室的固相出料口排出；將包含三氟化氮氣體、未反應的原料氣體、氮氣的混合氣體從氣固分離室的氣相出料口排出至三氟化氮精制裝置；包含三氟化氮氣體、未反應的原料氣體、氮氣的混合氣體在三氟化氮精制裝置中，經(jīng)過分離精制，將三氟化氮氣體從三氟化氮精制裝置的三氟化氮排出口輸出，其它混合氣體從廢氣排出口排出至氮氣凈化回收裝置，將混合氣體中的氮氣分離回收，循環(huán)至等離子體反應器繼續(xù)使用。
[0040]反應時間185分鐘后，收集氮化硅固體56.5kg，三氟化氮氣體107.1kgo其中氮化硅固體為無定形氮化硅粉，為了使產(chǎn)品具備更好的工業(yè)應用性，將此無定形氮化硅通過氣封出料螺旋9轉(zhuǎn)運送入高溫結(jié)晶爐10中進行高溫熔融轉(zhuǎn)相和結(jié)晶化處理，得到高α相氮化硅粉體。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備，其特征在于，包括等離子體發(fā)生器、等離子體反應器、冷卻室、氣固分離室、三氟化氮精制裝置；所述等離子體發(fā)生器與等離子體反應器相連通，所述等離子體反應器的出料口與冷卻室的進料口相連通，所述冷卻室還設有低溫氮氣輸入口，所述冷卻室的出料口與氣固分離室的進料口相連通，所述氣固分離室的氣相出料口與三氟化氮精制裝置的進料口相連通，所述氣固分離室的固相出料口為氮化硅排出口，所述三氟化氮精制裝置設有三氟化氮排出口和廢氣排出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備，其特征在于，還包括氮氣凈化回收裝置，所述氮氣凈化回收裝置的進料口與三氟化氮精制裝置的廢氣排出口相連通，所述氮氣凈化回收裝置的出料口與等離子體反應器的進料口相連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備，其特征在于，還包括氣封出料螺旋和高溫結(jié)晶爐，所述氣封出料螺旋的進料口與氣固分離室的固相出料口相連接，所述氣封出料螺旋的出料口與高溫結(jié)晶爐的進料口相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3任一所述的以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的設備，其特征在于，所述等離子體反應器外設有反應熱冷卻器。
5.以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的工藝，其特征在于，包括以下步驟: A.將整個反應系統(tǒng)抽真空，然后通入氮氣進行系統(tǒng)氣流清洗，清洗后使整個反應系統(tǒng)充滿氮氣； B.開啟等離子體發(fā)生器電源，等離子體反應器內(nèi)產(chǎn)生氮氣等離子體，然后向等離子體反應器內(nèi)通入四氟化硅氣體，四氟化硅氣體與氮離子發(fā)生化學反應，生成氮化硅固體和三氟化氮氣體；同時，也向等離子體反應器內(nèi)通入氮氣，補充反應過程中效果掉的氮氣； C.將低溫氮氣充入冷卻室，然后將等離子體反應器內(nèi)反應生成的氮化硅固體、三氟化氮氣體以及未反應的原料氣體一同排出至冷卻室與低溫氮氣混合從而迅速降溫； D.將步驟C中降溫的氮化硅固體和包含三氟化氮氣體、未反應原料氣體和氮氣的混合氣體一起排出至氣固分離室，將氮化硅固體分離，從氣固分離室的固相出料口排出；將混合氣體從氣固分離室的氣相出料口排出至三氟化氮精制裝置； E.包含三氟化氮氣體、未反應原料氣體和氮氣的混合氣體在三氟化氮精制裝置中，經(jīng)過分離精制，三氟化氮氣體從三氟化氮精制裝置的三氟化氮排出口輸出，其它混合氣體從廢氣排出口排出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的工藝，其特征在于，所述步驟D后還包括步驟Dl:將從氣固分離室的固相出料口排出的氮化硅經(jīng)氣封出料螺旋送入高溫結(jié)晶爐中進行高溫熔融結(jié)晶。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6任一所述的以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的工藝，其特征在于，所述步驟E后還包括步驟F:將三氟化氮精制裝置的廢氣排出口排出的混合氣體輸出至氮氣凈化回收裝置，將混合氣體中的氮氣分離回收，循環(huán)至等離子體反應器繼續(xù)使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6任一所述的以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的工藝，其特征在于，所述步驟B中，通入的四氟化硅氣體與氮氣的摩爾比為1:4~1:16。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6任一所述的以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的工藝，其特征在于，所述步驟C中，低溫 氮氣的溫度為15°C~-35°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的以四氟化硅和氮氣生產(chǎn)氮化硅和三氟化氮的工藝，其特征在于，所述步驟B中，通入的四氟化硅氣體與氮氣的摩爾比為1:4~1:16 ;所述步驟C中，低溫氮氣的溫度 為15°C~_35°C。
【文檔編號】C01B21/083GK103508428SQ201310472879
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】應盛榮, 姜戰(zhàn), 應悅 申請人:應悅