專利名稱：碳氟化合物原料的處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳氟化合物原料的處理。它尤其涉及一種處理碳氟化合物原料的方法，以及一種用于這種方法的驟冷探頭(quench probe)。
按本發(fā)明第一方面，提供了一種處理碳氟化合物原料的方法，該方法包括在一個(gè)高溫區(qū)內(nèi)，在至少一個(gè)陰極和至少一個(gè)陽(yáng)極之間產(chǎn)生電??；在該高溫區(qū)內(nèi)，并且通過所述電弧和一種等離子氣體產(chǎn)生一種具有尾火焰的熱等離子體；使包含至少一種碳氟化合物的碳氟化合物原料與熱等離子體尾火焰形成一種活性熱混合物，所述碳氟化合物分解成至少一種比該碳氟化合物具有更少碳原子的碳氟化合物母體或活性組分；以及冷卻所述活性熱混合物而從碳氟化合物母體或活性組分形成一種碳氟化合物產(chǎn)品。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述等離子氣體可能是惰性氣體，例如，氬、氮、氦或其混合物。所以，這類惰性氣體只是起熱源和支持等離子體的作用，而不與所述碳氟化合物母體或活性組分反應(yīng)。然而，在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案中，所述等離子氣體可能是反應(yīng)性氣體，例如，四氟代甲烷(CF4)，于是，它將在所述熱等離子體中(從而在活性熱混合物中)，分解成含氟物質(zhì)和含碳物質(zhì)，它們?cè)谒龌钚詿峄旌衔锏睦鋮s時(shí)將與所述碳氟化合物母體或活性組分反應(yīng)而形成所述碳氟化合物產(chǎn)品。在本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方案中，所述等離子氣體可能包含上述惰性氣體和反應(yīng)性氣體的混合物。
所述碳氟化合物可能例如具有5個(gè)或更多個(gè)碳原子。那么，所述碳氟化合物母體或活性組分可能具有少于5個(gè)碳原子；于是，所述碳氟化合物產(chǎn)品可能包含至少一種也具有少于5個(gè)碳原子的碳氟化合物。
雖然所述碳氟化合物原料可能是包含一種單一碳氟化合物(例如，C6F14)的大體上純的原料，但預(yù)計(jì)該原料通常是一種不可直接應(yīng)用的、包含一系列碳氟化合物(例如，C5F12、C6F14、C7F16、C8F18、C4F8O、C8F16O、(C3F7)3N、C6F13H、C6F12H2等)中的兩種或多種的碳氟化合物產(chǎn)品。通常，一種化合物將作為主要組分存在于這種產(chǎn)品中(即，構(gòu)成這種產(chǎn)品的主要部分)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述碳氟化合物原料可能呈液體形式。所述等離子氣體就可被單獨(dú)進(jìn)料入高溫區(qū)。
然而，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，所述碳氟化合物原料可能呈蒸汽形式。于是，可將它與等離子氣體一起進(jìn)料入高溫區(qū)，或者可將它與等離子氣體分開地導(dǎo)入例如等離子炬(torch)或等離子管，而等離子氣體卻被進(jìn)料入高溫區(qū)。
在本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方案中，所述碳氟化合物原料可能開始呈液體形式，在與等離子氣體一起進(jìn)料入高溫區(qū)或者單獨(dú)地引入(如上述那樣)之前被汽化。原料的汽化可這樣進(jìn)行使液體原料在合適的溫度下通過鼓泡器，或者利用任何其它合適的蒸汽發(fā)生器。
可獲得的典型產(chǎn)品有四氟代甲烷(CF4)、四氟乙烯(C2F4)、六氟乙烯(C2F6)、六氟丙烯(C3F6)、氟代丁烯(C4F6)、環(huán)狀八氟丁烯(c-C4F8)、十氟丁烯(C4F10)、八氟丙烯(C3F8)和其它CxFy鏈(其中，x和y都是整數(shù))。
陰極和陽(yáng)極(即，電極)就可以是由動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的等離子炬或等離子管的電極，而在等離子炬或等離子管出口處形成等離子體尾火焰。
熱等離子體的產(chǎn)生、碳氟化合物的分解和活性熱混合物的冷卻就可以在一個(gè)等離子體反應(yīng)器(對(duì)它安裝了等離子炬或等離子管，并且它具有一個(gè)反應(yīng)室)中進(jìn)行。等離子炬或等離子管尤其可處于反應(yīng)室的上端。等離子管就可以向下燃燒，即，等離子體尾火焰將向下移動(dòng)入反應(yīng)室。
一般說來，可使用任何合適的等離子管或等離子炬。例如，等離子管可包含單一的水冷卻的熱陰極和一組至多三個(gè)水冷卻的陽(yáng)極，電弧就在陰極和陽(yáng)極之間穿過。陰極可包含合適的電極頭(insert)(例如，鎢或石墨電極頭)。
可通過下列區(qū)域提供高溫區(qū)在等離子炬或等離子管的電弧(即，電極之間的電弧)內(nèi)和電弧周圍，以及就在電弧的附近的區(qū)域，和/或就在反應(yīng)器的反應(yīng)室的膨脹部分或區(qū)域內(nèi)的等離子炬或等離子管下方的區(qū)域。
熱等離子體尾火焰的膨脹、碳氟化合物的分解和活性熱混合物的冷卻就在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行，熱等離子體尾火焰膨脹和碳氟化合物分解在反應(yīng)室的第一區(qū)內(nèi)進(jìn)行，而活性熱混合物冷卻則在反應(yīng)室的第二區(qū)內(nèi)進(jìn)行。這樣，等離子管將被安裝在反應(yīng)室第一區(qū)附近的反應(yīng)器上，以致等離子體可在反應(yīng)室的第一區(qū)內(nèi)產(chǎn)生和膨脹。
等離子氣體和(適當(dāng)?shù)脑?呈蒸汽形式的原料向高溫區(qū)的進(jìn)料就可這樣實(shí)現(xiàn)，即，通過使熱等離子體在等離子炬或等離子管內(nèi)形成渦流的方式將所述氣體注入兩電極之間。可在相鄰的陽(yáng)極之間導(dǎo)入另外的等離子氣體，以便保持通過反應(yīng)室的第一區(qū)的渦流。
可將呈液體形式的原料導(dǎo)入等離子炬或等離子管，即，導(dǎo)入兩電極之間的電弧內(nèi)，或者導(dǎo)入等離子體尾火焰中。當(dāng)將液體原料導(dǎo)入等離子體尾火焰中時(shí)，可將它切向進(jìn)料入等離子體尾火焰，或者軸向地、逆流地進(jìn)料入等離子體尾火焰，或者成任何其它所要求的角度；不過，我們認(rèn)為通過將原料與等離子體尾火焰的移動(dòng)方向逆流地軸向地進(jìn)料入等離子體尾火焰(即，軸向向上地進(jìn)料入等離子體尾火焰)，將獲得特別好的結(jié)果，因?yàn)槿恳后w原料就可在以整個(gè)氣相進(jìn)入等離子體之前被尾火焰汽化。
通常通過注射(即，通過注射噴嘴)將液體原料進(jìn)料入尾火焰。起動(dòng)時(shí)，而且為了保護(hù)(即，冷卻)噴嘴，優(yōu)選就在等離子體的激發(fā)之前注射液體原料。否則，就在已經(jīng)激發(fā)等離子體之后實(shí)現(xiàn)將原料進(jìn)料入熱等離子體。
另外，可通過單一輸入或注射點(diǎn)或噴嘴或者通過多個(gè)注射或輸入點(diǎn)或噴嘴(我們認(rèn)為它們將增大可被等離子體尾火焰汽化的原料量)導(dǎo)入原料。
反應(yīng)室第二區(qū)的冷卻可通過驟冷探頭(它可以是自清潔的驟冷探頭)來進(jìn)行。該自清潔的驟冷探頭可包括一個(gè)安裝在反應(yīng)器上的外部圓柱形組件，它提供中央通道并適合冷卻流過該通道的熱氣體或活性熱混合物；很多從外部組件向通道中向內(nèi)凸出的、周向間隔開的細(xì)長(zhǎng)的齒或刮刀；一個(gè)有間隙地處于外部組件內(nèi)的內(nèi)部圓柱形組件，該內(nèi)部組件也適合冷卻沿兩組件之間的圓周空隙流過的熱氣體或活性熱混合物；很多從內(nèi)部組件向通道中向外凸出的、周向間隔開的細(xì)長(zhǎng)的齒或刮刀，這些齒或刮刀與外部組件上的齒或刮刀交錯(cuò)排列；以及驅(qū)動(dòng)一個(gè)圓柱形組件相對(duì)于另一個(gè)圓柱形組件振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。該驅(qū)動(dòng)裝置例如可包括一個(gè)彈簧承載的活塞驅(qū)動(dòng)臂。
然而，也可應(yīng)用任何其它合適的驟冷方法，例如，產(chǎn)品氣體的迅速膨脹，利用冷的其它氣體的氣體驟冷等。
可在從接近真空到高壓的壓力范圍內(nèi)操作反應(yīng)室，這取決于具體的反應(yīng)，即，取決于原料和要形成的所需碳氟化合物?？蛇M(jìn)行通過驟冷探頭的抽空。
按本發(fā)明第二方面，提供了一種驟冷探頭，它包括一個(gè)提供中央通道并適合冷卻流過該通道的熱氣體的外部圓柱形組件；很多從外部組件向通道中向內(nèi)凸出的、周向間隔開的細(xì)長(zhǎng)的齒或刮刀；一個(gè)有間隙地處于外部組件內(nèi)的內(nèi)部圓柱形組件，該內(nèi)部組件適合冷卻沿兩組件之間的圓周空隙流過的熱氣體；很多從內(nèi)部組件向通道中向外凸出的、周向間隔開的細(xì)長(zhǎng)的齒或刮刀，這些齒或刮刀與外部組件上的齒或刮刀交錯(cuò)排列；以及驅(qū)動(dòng)一個(gè)圓柱形組件相對(duì)于另一個(gè)圓柱形組件振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。
所述內(nèi)部組件可處于外部組件的中央或與外部組件同軸?？稍趦?nèi)部組件和外部組件上裝備相同數(shù)量的齒或刮刀。這些齒或刮刀可在它們的組件上等距離地間隔開。這些齒或刮刀可以彼此平行延伸。
所述組件可能是空心的和/或可能備有通道而允許冷卻流體(例如，水)流過它們，從而冷卻或驟冷熱氣體。
所述驅(qū)動(dòng)裝置可能(也如前所述)包括一個(gè)連接在圓柱形組件之一上的彈簧承載的活塞驅(qū)動(dòng)臂。
由于一個(gè)組件相對(duì)于另一個(gè)組件的振動(dòng)，當(dāng)氣體流過兩組件之間的環(huán)形空隙時(shí)，就可除去沉積在組件上的固化的或升華的物質(zhì)。
所述驟冷探頭特別適用于本文上述的等離子體反應(yīng)器；然而，它不限于這樣的應(yīng)用。通常，外部組件將被固定在反應(yīng)器上，而內(nèi)部組件則相對(duì)于外部組件振動(dòng)。
現(xiàn)在將通過實(shí)施例、參照所附示意圖描述本發(fā)明。在圖中

圖1以簡(jiǎn)化的流程圖形式示出了一個(gè)按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案實(shí)施處理碳氟化合物原料的方法的裝置。
圖2示出了圖1反應(yīng)器的驟冷探頭的三維視圖；以及圖3以簡(jiǎn)化的流程圖形式示出了一個(gè)按本發(fā)明另一實(shí)施方案實(shí)施處理碳氟化合物原料的方法的裝置。
參照?qǐng)D1和2，附圖標(biāo)號(hào)10通常表示一個(gè)按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案實(shí)施處理碳氟化合物原料的方法的裝置。
裝置10包括一個(gè)等離子體反應(yīng)器(通常以附圖標(biāo)號(hào)12表示)。反應(yīng)器12是細(xì)長(zhǎng)形的，并且豎向安裝。該反應(yīng)器是雙壁式(未示出)水冷卻的(未示出)，在反應(yīng)器內(nèi)部間隔不同高度備有取樣孔(未示出)。這些取樣孔被用來表征在用于不同氣體的反應(yīng)器頂部形成的等離子體，并且獲得燃燒等離子體時(shí)從反應(yīng)器內(nèi)部獲得的溫度曲線、流動(dòng)模式和氣體組成數(shù)據(jù)。
原料進(jìn)料線14導(dǎo)入反應(yīng)器12的側(cè)部并且裝有向上導(dǎo)引的注射噴嘴16。
裝置10包含一個(gè)等離子炬或等離子管(通常以附圖標(biāo)號(hào)20表示，安裝在反應(yīng)器12的上端)。等離子炬或等離子管20包含一個(gè)水冷卻的熱陰極(未示出)和一組至多三個(gè)水冷卻的陽(yáng)極(未示出)。熱陰極包含鎢或石墨電極頭(未示出)。等離子氣體注射流動(dòng)管線22導(dǎo)入等離子炬20。使用時(shí)，等離子氣體流過流動(dòng)管線22并以使產(chǎn)生的氣流形成渦旋穩(wěn)定化等離子體的方式被注入陰極和陽(yáng)極之間的等離子炬20。
裝置10還包含一個(gè)自清潔的驟冷探頭(通常以附圖標(biāo)號(hào)30表示，向反應(yīng)器12的下端凸出)。該自清潔的驟冷探頭30包含一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的水冷卻的圓柱形外部組件32，它被固定在反應(yīng)器12上。外部組件32于是具有一條中央通道，在其中伸出等間距細(xì)長(zhǎng)的、向內(nèi)徑向凸出的齒或刮刀34。在外部組件32的通道內(nèi)有圓周間隙地布置了細(xì)長(zhǎng)的水冷卻的圓柱形內(nèi)部組件36。在內(nèi)部組件36上裝備了等間距細(xì)長(zhǎng)的、向外徑向凸出的齒或刮刀38，所述的齒38與齒34周向間隔開。齒34、38可以延伸到組件32、36的全長(zhǎng)，而組件32和36長(zhǎng)度大致相等。內(nèi)部組件36配備了驅(qū)動(dòng)裝置(未示出)，例如，彈簧承載的活塞驅(qū)動(dòng)臂，用來驅(qū)動(dòng)它相對(duì)于外部組件32振動(dòng)(如箭頭40所示)。于是，就可以通過振動(dòng)齒34、38來實(shí)現(xiàn)從組件32、36除去固體污染物。通過上下移動(dòng)驟冷探頭30，可增大或減小反應(yīng)器的有效長(zhǎng)度，從而使反應(yīng)器長(zhǎng)度最佳化。
這樣，驟冷探頭30是一個(gè)雙環(huán)形水冷卻的探頭，它被設(shè)計(jì)用來將在反應(yīng)器12中形成的等離子氣體或活性熱混合物(如下文所述)以約105℃/秒的速率冷卻到200℃以下。所述探頭是自清潔的以防它的阻塞，因?yàn)楣袒幕蛏A的物質(zhì)在使用中的探頭表面形成。
流動(dòng)管線50從驟冷探頭30的下端導(dǎo)向過濾器52，流動(dòng)管線54從過濾器52導(dǎo)向真空泵56。一條產(chǎn)品排放管線58從泵出料口導(dǎo)出。利用真空泵56，就對(duì)反應(yīng)器12抽真空。
使用時(shí)，通過流動(dòng)管線22將等離子氣體(例如，氬)進(jìn)料入等離子炬20時(shí)，在陰極和陽(yáng)極之間，并且在反應(yīng)器12的反應(yīng)室(未示出)上端處產(chǎn)生等離子體。等離子體向下燃燒，并且形成向下移動(dòng)并且橫向膨脹的等離子體尾火焰。原料注射噴嘴16處于尾火焰中。通過注射噴嘴16注射包含至少一種具有5個(gè)或更多個(gè)碳原子的碳氟化合物的液體原料，即，以與等離子體尾火焰的移動(dòng)方向呈180°相反的方向，它被汽化，于是，當(dāng)它與等離子氣體反應(yīng)時(shí)，原料全部呈氣體形式。原料的碳氟化合物分解成碳氟化合物母體或活性組分。這在反應(yīng)器12提供的反應(yīng)室的上部區(qū)內(nèi)發(fā)生。隨著熱活性混合物向下移動(dòng)而進(jìn)入反應(yīng)室的下部區(qū)(即，驟冷探頭30所處的區(qū))，活性熱混合物被冷卻，從而形成含至少一種具有少于5個(gè)碳原子的更需要的碳氟化合物的等離子體產(chǎn)品。
參照?qǐng)D3，附圖標(biāo)號(hào)100通常表示一個(gè)按本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案實(shí)施處理碳氟化合物原料的方法的裝置。
以相同的附圖標(biāo)號(hào)表示與上文參照?qǐng)D1和2所述的裝置10的那些相同或相似的、裝置100的組件。
裝置100包含一個(gè)供料鋼瓶102，它盛有一定量的CF4等離子氣體。安裝了控制閥104和關(guān)閉閥106的等離子氣體供應(yīng)管線22從鋼瓶102導(dǎo)出。管線108從管線22(閥106的上游)導(dǎo)入鼓泡器110。管線108裝有閥109。管線112從鼓泡器110導(dǎo)出并裝有閥114。管線112導(dǎo)入閥106的下游的管線22。
在裝置100中，原料首先在鼓泡器110中被汽化，然后作為蒸汽與CF4等離子氣體一起在陰極和陽(yáng)極之間進(jìn)料。鼓泡器110于是盛有呈液體形式的原料。CF4等離子氣體鼓泡通過液體原料，所以，CF4等離子氣體就在進(jìn)入等離子反應(yīng)器12之前被呈蒸汽形式的原料飽和。
在下文描述的具體實(shí)施例中，使用了30kW的等離子炬或等離子管。應(yīng)用了約為3千克/小時(shí)的等離子氣體流速。在開始試驗(yàn)或?qū)嵤├?，將系統(tǒng)抽空到約10kPa，再用氬沖洗。通過高壓?jiǎn)?dòng)器(未示出)激發(fā)等離子體并通過30kW動(dòng)力源保持。在氬等離子體激發(fā)完成后，切換到期望的等離子氣體。然而，應(yīng)懂得，對(duì)其它反應(yīng)器系統(tǒng)來說，可對(duì)等離子管直接激發(fā)期望的等離子氣體(取決于等離子管的設(shè)計(jì))。實(shí)施例1使用了用氬等離子體操作的裝置10。原料包含由C6F14～C10F22碳氟化合物組成的液態(tài)副產(chǎn)品，C6F14的存在量超過90％(摩爾基準(zhǔn))。發(fā)現(xiàn)了在三小時(shí)后，反應(yīng)器仍然較為潔凈，只在反應(yīng)器的冷表面沉積薄層碳。
將獲得的結(jié)果列于表1和2中。實(shí)施例2使用了與實(shí)施例1中相同的裝置。在該實(shí)施例中應(yīng)用了CF4等離子炬和CF4等離子氣體。該試驗(yàn)的結(jié)果完全可與實(shí)施例1的那些結(jié)果相比(如表1和2中所示)。實(shí)施例1和2之間唯一的顯著差異在于，實(shí)施例1中需要最后分離等離子氣體，因?yàn)橛糜趯?shí)施例1中的等離子體的氬是惰性的，所以不參與反應(yīng)。因而需要作為另外的步驟分離出過量的氬。
表1-結(jié)果
從表1可見，實(shí)施例1的進(jìn)料質(zhì)量流速是實(shí)施例2的兩倍以上。然而，實(shí)施例1中的沉積物與實(shí)施例2中的相比大為減少了。氬輔助的實(shí)施例1的轉(zhuǎn)化對(duì)于如圖1所示的裝備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原料的通過量更有效。
表2-分析結(jié)果
在表2中，通過氣相色譜分析的產(chǎn)品化合物的濃度已相對(duì)于生成的等離子體產(chǎn)品組分歸一化了，以便簡(jiǎn)化不同實(shí)施例之間的對(duì)比。這樣消除了實(shí)施例1中將近90％氬/空氣的失真，以及實(shí)施例2中10％空氣的失真。然而，必須認(rèn)識(shí)到，在兩種情況下，仍然必須從產(chǎn)品流和空氣中回收第一批中過量的氬。
為TFE(C2F4)的生產(chǎn)設(shè)定了本文上述圖1的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和也是如本文上述的具體操作條件。如果希望最大程度生產(chǎn)任何其它具有少于5個(gè)碳原子的碳氟化合物產(chǎn)品，將需要改變反應(yīng)器條件以獲得這種具體產(chǎn)品的合適的產(chǎn)率。實(shí)施例3在該實(shí)施例中，將一系列如表3中所示的不同碳氟化合物液體轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品，例如，四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)和環(huán)狀C4F8，重點(diǎn)是TFE。使用了圖3的裝置。這樣，將原料作為蒸汽通入陰極和陽(yáng)極之間的等離子管。這是借助于鼓泡器110(通過它將CF4等離子氣體鼓泡)進(jìn)行的。各種原料的蒸汽壓力和鼓泡器溫度決定蒸發(fā)情況，從而決定進(jìn)料入等離子體的原料的流速。
在常規(guī)起動(dòng)條件下操作等離子體反應(yīng)器12達(dá)約5分鐘，此后，在鼓泡器內(nèi)，在130kPa(abs)的鼓泡壓力下通過液體原料發(fā)送CF4。將被原料蒸汽飽和的CF4進(jìn)料入保持在約10kPa(abs)下的等離子炬。然后調(diào)節(jié)等離子體電流而達(dá)到所需的熱函。幾乎所有的操作始于約6,4kWh/kg等離子氣體的熱函，而一小時(shí)后，使它降低到約4kWh/kg等離子氣體。不斷地測(cè)定原料進(jìn)料速率、等離子管電位和電流、原料溫度、冷卻水溫度和反應(yīng)器壓力，并對(duì)時(shí)間作曲線。在穩(wěn)定的平衡條件下取GC樣品以反映每批操作。
表3示出了根據(jù)液體原料的遞減分子量(mw)而安排的不同批次的操作條件。一些批次的時(shí)間比其它的短，例如關(guān)于C5和C6液體原料的批次，這是由于它們更高的蒸發(fā)速率和有限的鼓泡能力。在一些情況下，改變鼓泡器的溫度以研究對(duì)更高蒸發(fā)率、從而對(duì)進(jìn)入等離子體的進(jìn)料速率的影響。
表4示出了在兩個(gè)水平(即，在等離子炬的出口和驟冷探頭的恰好上游)下的相對(duì)產(chǎn)率與等離子體熱函。概括地說，觀察到就相同的系統(tǒng)條件(伏特?cái)?shù)、安培數(shù)、CF4質(zhì)量流量、鼓泡器溫度)來說，熱函隨著所述液體的分子量(‘mw’)降低而減小。這是由于更高蒸汽壓力樣品的氣流中存在的蒸汽量增大，它具有增大流過等離子炬的總質(zhì)量流量的效果。等離子炬效率說明了在等離子炬內(nèi)因輻射而損失的能量。在分析結(jié)果中，只提及了最主要的產(chǎn)品。其它產(chǎn)品(例如，C3F8、C4F6、C4F10等)只占總產(chǎn)品氣體的約1～2％。一般說來，在從室溫條件到約40℃的鼓泡器溫度下，更低分子量的液體(C5F12和C6F14)產(chǎn)生最好的TFE產(chǎn)率。其主要原因是，就相同的CF4等離子氣體進(jìn)料速率來說，它們的蒸發(fā)(進(jìn)料)速率更高。
表5歸納了為每批操作計(jì)算的物料衡算。未測(cè)定操作的出口流量。然而，由于產(chǎn)品中沒有痕量的可冷凝物質(zhì)，所以假定100％的原料已被轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，以進(jìn)入和流出的CF4流速之間的差異計(jì)算了CF4消耗。但是，碳衡算欄表明，在幾乎所有的操作批次中都已添加了另外的碳，可能來自反應(yīng)器內(nèi)的石墨襯里。該現(xiàn)象在高熱函值下比在更低的值下更明顯。
轉(zhuǎn)化操作的一個(gè)重要方面是CF4消耗。在除最后一個(gè)以外的所有操作批次中，CF4被消耗了。再者，在高熱函值下比低熱函值下消耗了更多CF4。相反，在操作7(C5F12)中，產(chǎn)品氣體中的CF4含量比初始等離子體進(jìn)料中的更高?？赡艿慕忉屖?，在至少一些這類液體的初始裂化操作中，作為中間體形成了CF4，而且該情況中(短碳鏈長(zhǎng)度)CF4的形成速率超過消耗速率。
表面上，高熱函似乎對(duì)TFE生產(chǎn)是有利的，一個(gè)對(duì)更高分子量液體更為增強(qiáng)的現(xiàn)象。然而，詳盡的研究揭示了，這還與高CF4消耗以及與因石墨襯里的腐蝕引起的碳利用相關(guān)。因此，這些發(fā)現(xiàn)更確切地說明了，在將有價(jià)值的等離子氣體(CF4)轉(zhuǎn)化為TFE而不是轉(zhuǎn)化所述液體進(jìn)料的轉(zhuǎn)化中浪費(fèi)了能量。高熱函的另一個(gè)缺點(diǎn)是等離子管內(nèi)陽(yáng)極腐蝕的現(xiàn)象(如下文所述)。
相反，操作的低熱函部分(每批操作的第一排，表4)清楚地闡明了，TFE生產(chǎn)率基本上與液體碳氟化合物進(jìn)料速率成比例。任何偏差可能是由CF4消耗速率的改變引起的。此外，在穿過板的約0.5kg/h下CF4消耗較低，操作7中的例外(如上所述)，此時(shí)意外地，它是負(fù)值。由于CF4是本文用作等離子氣體(即，熱源)的高價(jià)值商品，所以理想的是，它不應(yīng)參與所需氣體的生產(chǎn)，而是通過操作循環(huán)被再循環(huán)。所以，操作7中的發(fā)現(xiàn)不但出人意外，而且很鼓舞人心，因?yàn)檫@意味著，低分子量碳氟化合物液體(例如，C5F12)可用作CF4的附加來源，而且，可在任何生產(chǎn)批次中適當(dāng)比例地進(jìn)料以建立自保持的碳氟化合物原料轉(zhuǎn)化等離子體反應(yīng)器，節(jié)省原料的投入費(fèi)用。
TFE生產(chǎn)率似乎與液體碳氟化合物進(jìn)料速率成比例，與所述液體的性質(zhì)(分子量)無關(guān)，還由于原料(蒸汽)進(jìn)料速率明顯地隨需要轉(zhuǎn)化的具體原料的蒸汽壓成比例地變化，所以認(rèn)為，更高分子量原料的生產(chǎn)率可通過提高本操作中鼓泡室內(nèi)液體原料的溫度高于40℃的上限而提高。這種更高溫度和更長(zhǎng)時(shí)間的后續(xù)操作(未示出)一直鼓舞人心。
對(duì)操作時(shí)間達(dá)4小時(shí)后的反應(yīng)器的目視觀察表明，體系中任何地方都沒有明顯的殘余物。反應(yīng)器內(nèi)的石墨襯里似乎起可消耗的碳源的作用，但很可能主要的腐蝕作用是由高速氣體的機(jī)械磨損而引起的。所以有可能在長(zhǎng)期操作中，襯里的腐蝕可能逐漸減小到一定的程度，此時(shí)，石墨將保持質(zhì)量恒定。
在任何操作過程中都沒有在驟冷探頭中或?yàn)V器中發(fā)生阻塞，當(dāng)原始的碳被進(jìn)料入這種反應(yīng)器時(shí)卻通常發(fā)生這種現(xiàn)象(未示出操作)。同樣，在一些初步操作中(也沒有示出)，陰極內(nèi)由碳電極頭引起的碳積聚導(dǎo)致陰極和陽(yáng)極之間的短路。在更長(zhǎng)時(shí)間的操作中(特別是高熱函值下)，這種現(xiàn)象更明顯。然而，在本操作中，在等離子管內(nèi)沒有觀察到顯著的積聚或任何形式的沉積。
顯然，將液體原料蒸汽相引入等離子體是有利的，并且產(chǎn)生較好的結(jié)果(低的維護(hù))。此外，可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)或原料配合比或二者來控制產(chǎn)品的相對(duì)產(chǎn)率。
表3-操作條件
*x＝其它組分，可能是其它碳氟化合物表4-產(chǎn)品氣體和等離子體分析
*以kg/mol表示的產(chǎn)品組分分子量**x＝其它組分，可能是其它碳氟化合物***從冷卻水環(huán)路量熱計(jì)算的表5-質(zhì)量流量衡算
*x＝其它組分，可能是其它碳氟化合物據(jù)信，本發(fā)明的方法提供了一條借助于高溫?zé)峤鈱⑷魏尾豢芍苯討?yīng)用的液體含氟和含碳化學(xué)品或物質(zhì)(包括具有5個(gè)或更多碳原子的碳氟化合物)轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品(例如，TFE)的途徑。尤其是，它提供了一種將液體碳氟化合物副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為有用的高價(jià)值氟氣體產(chǎn)品的方法。
權(quán)利要求
1.一種處理碳氟化合物原料的方法，該方法包括在一個(gè)高溫區(qū)內(nèi)，在至少一個(gè)陰極和至少一個(gè)陽(yáng)極之間產(chǎn)生電?。辉谠摳邷貐^(qū)內(nèi)，并且通過所述電弧和一種等離子氣體產(chǎn)生一種具有尾火焰的熱等離子體；使包含至少一種碳氟化合物的碳氟化合物原料與熱等離子體尾火焰形成一種活性熱混合物，所述碳氟化合物分解成至少一種比該碳氟化合物具有更少碳原子的碳氟化合物母體或活性組分；以及冷卻所述活性熱混合物而從碳氟化合物母體或活性組分形成一種碳氟化合物產(chǎn)品。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，所述等離子氣體是惰性氣體，它只是起熱源和支持等離子體的作用，而不與所述碳氟化合物母體或活性組分反應(yīng)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述等離子氣體是一種反應(yīng)性氣體，它在所述熱等離子體中、從而在活性熱混合物中，分解成含氟物質(zhì)和含碳物質(zhì)，它們?cè)谒龌钚詿峄旌衔锏睦鋮s時(shí)與所述碳氟化合物母體或活性組分反應(yīng)而形成所述碳氟化合物產(chǎn)品。
4.權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)的方法，其中，所述碳氟化合物具有5個(gè)或更多個(gè)碳原子，于是，所述碳氟化合物母體或活性組分具有少于5個(gè)碳原子，所述碳氟化合物產(chǎn)品包含至少一種也具有少于5個(gè)碳原子的碳氟化合物。
5.權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)的方法，其中，所述原料是一種不可直接利用的、包含兩種或更多種碳氟化合物的碳氟化合物產(chǎn)品，一種化合物作為主要組分存在于該產(chǎn)品中，以致它構(gòu)成該產(chǎn)品的主要部分。
6.權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)的方法，其中，所述碳氟化合物原料呈液體形式并且被導(dǎo)入等離子體尾火焰，所述等離子氣體被進(jìn)料入高溫區(qū)。
7.權(quán)利要求6的方法，其中，通過將原料與等離子體尾火焰的移動(dòng)方向逆流地軸向地進(jìn)料入等離子體尾火焰而將原料導(dǎo)入等離子體尾火焰。
8.權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)的方法，其中，所述碳氟化合物原料呈蒸汽形式，并且與等離子氣體一起進(jìn)料入高溫區(qū)。
9.權(quán)利要求6～8任一項(xiàng)的方法，其中，所述陰極和陽(yáng)極是由動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的等離子炬或等離子管的電極，在等離子炬或等離子管出口處形成等離子體尾火焰。
10.權(quán)利要求9的方法，其中，熱等離子體的產(chǎn)生、碳氟化合物的分解和活性熱混合物的冷卻是在一個(gè)等離子體反應(yīng)器中進(jìn)行的，對(duì)該反應(yīng)器安裝了等離子炬或等離子管，并且它具有一個(gè)反應(yīng)室，等離子炬或等離子管處于反應(yīng)室的上端并且向下燃燒，于是，等離子體尾火焰將向下移動(dòng)入反應(yīng)室，等離子炬或等離子管包含單一的水冷卻的熱陰極和一組至多三個(gè)水冷卻的陽(yáng)極，電弧就這樣在陰極和陽(yáng)極之間穿過。
11.權(quán)利要求10的方法，其中，可通過下列區(qū)域提供高溫區(qū)在等離子炬或等離子管的電弧內(nèi)和電弧周圍以及就在電弧附近的區(qū)域，和/或就在反應(yīng)器的反應(yīng)室的膨脹部分或區(qū)域內(nèi)的等離子炬或等離子管下方的區(qū)域。
12.權(quán)利要求11的方法，其中，熱等離子體尾火焰的膨脹、碳氟化合物的分解和活性熱混合物的冷卻在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行，熱等離子體尾火焰膨脹和碳氟化合物分解在反應(yīng)室的第一區(qū)內(nèi)進(jìn)行，而活性熱混合物冷卻則在反應(yīng)室的第二區(qū)內(nèi)進(jìn)行，等離子管被安裝在反應(yīng)器上反應(yīng)室第一區(qū)附近，以致等離子體可在反應(yīng)室的第一區(qū)內(nèi)產(chǎn)生和膨脹。
13.權(quán)利要求12的方法，其中，等離子氣體向高溫區(qū)中的進(jìn)料是這樣實(shí)現(xiàn)的按使熱等離子體在等離子炬或等離子管內(nèi)形成渦流的方式將等離子氣體注入陽(yáng)極和陰極之間。
14.權(quán)利要求13的方法，其中，在相鄰的陽(yáng)極之間導(dǎo)入另外的等離子氣體，以便保持通過反應(yīng)室第一區(qū)的渦流。
15.權(quán)利要求12～14任一項(xiàng)的方法，其中，反應(yīng)室第二區(qū)的冷卻是通過自清潔的驟冷探頭來進(jìn)行的。
16.權(quán)利要求15的方法，其中，所述自清潔的驟冷探頭包括一個(gè)安裝在反應(yīng)器上的外部圓柱形組件，它提供一個(gè)中央通道并且適合冷卻流過該通道的熱氣體或活性熱混合物；很多從外部組件向通道中向內(nèi)凸出的、周向間隔開的細(xì)長(zhǎng)的齒或刮刀；一個(gè)有間隙地處于外部組件內(nèi)的內(nèi)部圓柱形組件，該內(nèi)部組件也適合冷卻沿兩組件之間的圓周空隙流過的熱氣體或活性熱混合物；很多從內(nèi)部組件向通道中向外凸出的、周向間隔開的細(xì)長(zhǎng)的齒或刮刀，這些齒或刮刀與外部組件上的齒或刮刀交錯(cuò)排列；以及驅(qū)動(dòng)一個(gè)組件相對(duì)于另一個(gè)組件振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。
17.一個(gè)驟冷探頭，它包括一個(gè)提供中央通道并且適合冷卻流過該通道的熱氣體的外部圓柱形組件；很多從外部組件向通道中向內(nèi)凸出的、周向間隔開的細(xì)長(zhǎng)的齒或刮刀；一個(gè)有間隙地處于外部組件內(nèi)的內(nèi)部圓柱形組件，該內(nèi)部組件適合冷卻沿兩組件之間的圓周空隙流過的熱氣體；很多從內(nèi)部組件向通道中向外凸出的、周向間隔開的細(xì)長(zhǎng)的齒或刮刀，這些齒或刮刀與外部組件上的齒或刮刀交錯(cuò)排列；以及驅(qū)動(dòng)一個(gè)圓柱形組件相對(duì)于另一個(gè)圓柱形組件振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。
18.權(quán)利要求17的驟冷探頭，其中，所述內(nèi)部組件處于外部組件的中央；和/或其中，在內(nèi)部組件和外部組件上裝備了相同數(shù)量的齒或刮刀；和/或其中，這些齒或刮刀在它們的組件上等距離地間隔開；和/或其中，這些齒或刮刀彼此平行延伸。
19.權(quán)利要求17或權(quán)利要求18的驟冷探頭，其中，所述內(nèi)部組件和外部組件都是空心的和/或備有通道而允許冷卻流體流過它們，以便對(duì)熱氣體進(jìn)行冷卻或驟冷。
20.權(quán)利要求17～19任一項(xiàng)的驟冷探頭，其中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包含一個(gè)連接在圓柱形組件之一上的彈簧承載的活塞驅(qū)動(dòng)臂。
21.一種處理碳氟化合物原料的、基本上如本文所述和列舉的新方法。
22.一種基本上如本文描述和闡釋的新驟冷探頭。
全文摘要
一種處理碳氟化合物原料的方法，該方法包括在高溫區(qū)內(nèi)，在至少一個(gè)陰極和至少一個(gè)陽(yáng)極之間產(chǎn)生電弧，在高溫區(qū)內(nèi)并且通過所述電弧和等離子氣體產(chǎn)生具有尾火焰的熱等離子體，使包含至少一種碳氟化合物的碳氟化合物原料與熱等離子體尾火焰形成活性熱混合物，所述碳氟化合物分解成至少一種比該碳氟化合物具有更少碳原子的碳氟化合物母體或活性組分，以及冷卻所述活性熱混合物而從碳氟化合物母體或活性組分形成碳氟化合物產(chǎn)品。
文檔編號(hào)B01J19/18GK1416412SQ01804804
公開日2003年5月7日 申請(qǐng)日期2001年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月10日
發(fā)明者I·J·范德瓦爾特, K·辛策爾, W·施沃特福格, G·L·鮑爾 申請(qǐng)人:南非核能源有限公司, 3M革新產(chǎn)權(quán)公司