一种六氟化钨的合成方法

摘要

一种六氟化钨的合成方法。它是将钨粉与金属氟化物装入反应器中充分混合，在反应条件下通入氟气进行反应合成六氟化钨，未反应完的原料氟气与产物六氟化钨经过冷凝气液分离后，再返回反应器循环反应。本发明合成方法使用循环的氟气和钨粉在金属氟化物的存在下进行反应，有效提高了该反应的效率，减少了原料氟气的浪费，并有效减小反应器所需体积。

权利要求

1.一种六氟化钨的合成方法，其特征是：将钨粉与金属氟化物装入反应器中通过搅拌充分混合，在反应条件下通入氟气进行反应合成六氟化钨，未反应完的原料氟气与产物六氟化钨经过冷凝气液分离后，再返回反应器循环反应；所述的金属氟化物为三氟化钴或二氟化银，所述的反应条件：温度270℃～350℃，压力0～0.1MPa。

2.根据权利要求1所述的一种六氟化钨的合成方法，其特征是：工艺步骤如下：a.将钨粉和金属氟化物装入反应器中，并通过搅拌充分混合；

b.将所述的原料氟气在反应温度条件和反应压力条件下经吸附器后通入反应器中反应，反应后排出的气体为未反应的原料氟气和生成的六氟化钨组成的混合气体；

c.将混合气体经过滤器除去固体颗粒后，通入低温收集罐中进行六氟化钨粗产品的收集，而未冷凝下来的原料氟气再经压缩机增压返回反应器重新进行反应；

d.将收集的六氟化钨粗产品输送到纯化系统，经干燥、吸附、精馏制得高纯的六氟化钨产品。

3.根据权利要求1或2所述的一种六氟化钨的合成方法，其特征是：所述的原料氟气为

5N氟气，钨粉为3N钨粉。

4.根据权利要求1或2所述的一种六氟化钨的合成方法，其特征是：所述金属氟化物装入反应器的量为反应器体积的1/4～1/3之间。

5.根据权利要求1或2所述的一种六氟化钨的合成方法，其特征是：所述反应器的材质为蒙乃尔、铬镍铁合金、耐酸镍合金中的任意一种。

说明书

一种六氟化钨的合成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种合成六氟化钨的新方法，该方法是以钨粉为制备原料，在钴系催化剂的作用下，与氟气发生反应合成六氟化钨

背景技术

[0002] 六氟化钨，化学式为WF6，是一种无色气体，冷凝时，为淡黄色液体，摩尔质量为297.83g/mol，是密度最大的气体之一。六氟化钨主要用于化学气相沉积钨，也用于制备低电阻、高熔点的互连线和大型集成线路电子元件，抗X射线或γ射线的保护罩，高效太阳能吸收器。

[0003] 关于六氟化钨的合成，目前最主要的合成路线还是以氟气作氟化剂的工艺，少数厂家会以NF3作为氟化剂合成六氟化钨。其中以NF3来合成六氟化钨，成本太高，反应效率有限，并不适合于工业化生产。以氟气作氟化剂的工艺均是通过使氟气流过金属钨(颗粒状或粉末状)的流化床或固定床来合成的，但该工艺也属于气固反应，气体只在钨表面反应，接触面积有限，存在反应效率低，未反应原料气体浪费等问题。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种六氟化钨的合成方法，可显著提高反应效率，能降低氟气浓度对反应的影响，避免原料浪费，减轻后续有害气体排放处理的难度，节省成本，还可缩小反应器的体积，反应温度较低，降低能耗，反应过程简单，操作方便，易于实现产业化。

[0005] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：是将钨粉与金属氟化物装入反应器中充分混合，在反应条件下通入氟气进行反应合成六氟化钨，未反应完的原料氟气与产物六氟化钨经过冷凝气液分离后，再返回反应器循环反应。

[0006] 相比现有技术，本发明一种六氟化钨的合成方法所带来的有益效果如下：

[0007] 1.本方法使用循环的原料氟气和钨粉在金属氟化物的存在下进行反应，有效提高了该反应的效率，减少了原料氟气的浪费，并有效减小反应器所需体积；

[0008] 2.本方法引入的金属氟化物，本身具有高氟化性，可参加反应，与钨粉反应还原成低价氟化物后，能再与氟气重新生成高价的氟化物，这有效提高了反应效率，还降低了氟气浓度对反应的影响；

[0009] 3.本方法反应过程简单，操作方便，反应温度较低，降低了能耗。

具体实施方式

[0010] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0011] 本发明的合成方法是，将钨粉与金属氟化物装入反应器中充分混合，例如将钨粉与金属氟化物装入带搅拌的反应器中进行充分混合，然后在反应条件下通入氟气进行反应合成六氟化钨，未反应完的原料氟气与产物六氟化钨经过冷凝气液分离后，再返回反应器循环反应。

[0012] 其具体的工艺过程可以是包括以下步骤：

[0013] 1.将所述的钨粉和金属氟化物装入反应器中，并通过搅拌充分混合；

[0014] 2.将所述的原料氟气在反应温度条件、反应压力条件下通入所述的反应器中反应，反应后排出的气体为由未反应的原料氟气和生成的六氟化钨组成的混合气体；

[0015] 3.将所述的混合气体经过滤器除去固体颗粒后，通入低温收集罐中进行六氟化钨粗产品的收集，而未冷凝下来的原料氟气再经压缩机增压返回反应器重新进行反应；

[0016] 4.所述的原料氟气的加入量，可看反应系统内压力变化情况来定；

[0017] 5.将收集的六氟化钨粗产品输送到纯化系统，经干燥、吸附、精馏制得高纯的六氟化钨产品。

[0018] 本发明采用的合成方法中，使用高氟化性的金属氟化物与钨粉混合在带搅拌的反应器内，目的是增加反应接触面积，显著改善反应效率，且对氟气浓度的影响不敏感。搅拌作用会使钨粉在反应器内呈流化态，不断与不同颗粒碰撞，在一定程度有减小钨粉粒径和增加其总表面积的作用；而金属氟化物其本身具有高氟化性，能与钨粉合成六氟化钨，它的存在能维持反应器内高反应效率，且能降低氟气浓度对反应的影响。

[0019] 本发明采用的合成方法中，未反应的原料氟气循环进反应器内重新反应，目的是减少原料氟气的排放，避免浪费，减轻后续有害气体排放处理的难度，节省成本，另外原料的循环还可缩小反应器的体积。

[0020] 本发明采用的合成方法中，随着反应的进行，反应系统内的原料氟气逐步反应生成六氟化钨，而生成的六氟化钨又逐步冷凝成液体；也就是说反应系统内，气体是逐步减少的；由此，可设定反应器内的压力或流量低于设定值时，补充原料氟气进入反应循环中。同时，随着反应的进行，反应系统内的除原料氟气外的不凝气体杂质也会越聚越多，这不利于反应及后续纯化的进行，因此，在反应每隔一段时间或每隔几个补充原料氟气循环后排放一次尾气，以减少反应系统内的不凝气体杂质含量。

[0021] 本发明采用的合成方法中，连续反应时，所述的反应器及低温收集罐均可设一备一用。一反应器内钨粉消耗完后，切换至另一完成脱水干燥的反应器进行反应，原料消耗完的反应器再进行装料、脱水，反应完后以备待用；低温收集罐则是罐满后切换至另一低温收集罐收集，而灌满的低温收集罐则进入提纯系统进行纯化。

[0022] 本发明所述的原料氟气和钨粉分别选用为5N氟气和3N钨粉。六氟化钨产品主要用于半导体制造工艺中，这对它的纯度要求很高，作为六氟化钨原料的原料氟气和钨粉，其纯度也应越高越好，避免过多杂质进入产品中，增加后续提纯难度。

[0023] 本发明所述的金属氟化物为三氟化钴和二氟化银中的一种，优选三氟化钴，其装入反应器的量为反应器体积的1/4～1/3之间。

[0024] 本发明所述的反应温度条件控制在200℃～400℃范围内，优选270℃～350℃之间。如果温度低于270℃，反应效率较低，反之，如果温度高于350℃，反应不好控制。

[0025] 本发明所述的反应压力范围控制在0～0.2MPa(表压)之间，最佳为0～0.1MPa。本发明中由于原料氟气参与反应，则反应中发生燃烧或爆炸的风险随压力的增加而增加，反应压力合适选在低压下，优选在0～0.1MPa之间。

[0026] 本发明所述的合成方法中所使用的反应器由于与氟气等强氧化性气体接触，其材料优选地，可以采用蒙乃尔、铬镍铁合金和耐酸镍合金。

[0027] 实施例1

[0028] 将30kg原料100目的钨粉加入已装有三氟化钴(粉末)的反应器(尺寸为￠89×4.5×1000)内，与设备管道均进行脱水干燥作业(加热抽真空，水含量≤3ppm)，然后将反应器加热至反应温度条件。反应时，将氟气经压缩机将压力提高至2bar后经吸附器通入反应器内进行反应，反应温度在300℃，进气流量设在120L/min左右；反应器排出的尾气经过滤器进入低温收集罐冷凝收集WF6，收集温度为-5℃；过滤器的作用主要是除去尾气中粉尘、颗粒等固体物质；吸附器的作用是吸附尾气内含有的HF杂质；进入低温收集罐的尾气中WF6在低温下(低于其沸点温度)逐步冷凝成液体，尾气中未被冷凝的气体再经压缩机增压打回至反应器内进行反应。收集到的WF6再进提纯系统进行纯化制得高纯WF6。

[0029] 实施例2

[0030] 将30kg原料100目的钨粉加入已装有二氟化银(粉末)的反应器(尺寸为￠89×4.5×1000)内，与设备管道均进行脱水干燥作业(加热抽真空，水含量≤3ppm)，然后将反应器加热至反应温度。反应时，将氟气经压缩机将压力提高至1.5bar后经吸附器通入反应器内进行反应，反应温度在280℃，进气流量设在120L/min左右；反应器排出的尾气经过滤器进入低温收集罐冷凝收集WF6，收集温度为-5℃；过滤器的作用主要是除去尾气中粉尘、颗粒等固体物质；进入低温收集罐的尾气中WF6在低温下(低于其沸点温度)逐步冷凝成液体，尾气中未被冷凝的气体再经压缩机增压打回至反应器内进行反应。收集到的WF6再进提纯系统进行纯化制得高纯WF6。

[0031] 通过本发明实施例合成的六氟化钨，原料氟气的利用率达95％，得到的六氟化钨粗产品再经后续纯化工艺(干燥、吸附、精馏)，可制得5N的六氟化钨气体。

[0032] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。