专利名称：纯化物质的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及纯化物质的方法及装置，其中所述物质在第一和第二蒸馏塔中蒸馏以除去该物质中的重杂质和轻杂质。具体说，本发明涉及这样的一种方法和装置，其中第一蒸馏塔产生含轻杂质少的塔底产品而第二蒸馏塔进一步精馏该第一蒸馏塔的塔底产物并产生纯化物质。再具体说，在本发明所涉及的方法和装置中，通过第二蒸馏塔所产生的塔底产物的再沸来提供第一和第二蒸馏塔的蒸出物。更具体说，本发明涉及再沸器，该再沸器中所使用的热换交流体可根据所纯化物质来选择。
许多不同类型的工艺方法要求超高纯的物质或杂质含量少于约百万分之五。这样的要求在电子工业中最为迫切，其中需要纯化的工作流体(如蚀刻物质)来生产半导体。诸如水分和烃类这些杂质会破坏一个生产周期，从而引起重大的经济损失。
人们已知可通过蒸馏来纯化物质，产生重杂质和轻杂质含量都少的纯化物质。在这方面，轻杂质和重杂质是指挥发性比待纯化物质较强或较弱的杂质。通过蒸馏来纯化甲硅烷的例子可参看美国专利5,499,506。按照该专利，将一种甲硅烷原料气在位于蒸馏塔底部的塔底冷凝器/再沸器液化，使该原料气部分液化。这种部分液化的作用是使二氯甲硅烷和三氯甲硅烷之类的重杂质从原料气中分离出来。氢、甲硅烷和一氯甲硅烷等未被液化的物质在精馏塔的两个质量传递区段之间引入塔内，产生塔顶馏出物。位于蒸馏塔顶部的塔顶冷凝器/再沸器将塔顶馏出物冷凝，提供蒸馏塔的回流，从而产生塔底产物，而用塔底冷凝器/再沸器将其再沸。所述塔顶馏出物引入至第二蒸馏塔进一步精馏。这种进一步精馏可将甲硅烷与氢之类较轻的杂质分离开来，产生杂质含量约为百万分之一百的纯化的液态甲硅烷。
美国专利5,499,506的蒸馏技术需要两个冷凝器/再沸器来产生蒸出物，其中每一个都使实施该技术的复杂程度和成本提高。例如，该专利中所用的冷凝器/再沸器在蒸馏塔系统内产生数量很多的系统内存甲硅烷。另外，蒸馏塔的工作压力必须足够高，以在再沸时实现冷凝。冷凝器/再沸器系统也需要对蒸馏过程进行精细的自动控制。’506专利和类似系统还有一个问题，是装置和控制必须对生产甲硅烷进行优化。因此，纯化甲硅烷以外的物质时，需要不同的蒸馏塔设计和/或系统。
以下将说明，本发明提供了一种蒸馏方法和设备，可获得杂质含量低于5ppm(体积)的纯化物质，而其实施和控制比现有技术的方法简单得多。此外，本发明的方法和装置可迅速改装用以纯化各种不同的物质。
本发明涉及一种纯化物质的方法，所述的被纯化的物质包括重杂质和轻杂质，在第一蒸馏塔内产生含轻杂质少的第一塔底产品和轻杂质浓度高的第一塔顶馏出物。该塔底液流被导入至第二蒸馏塔产生重杂质浓度高的第二塔底产品及含重、轻杂质均少的第二塔顶馏分。第二塔底产品在第二蒸馏塔内沸腾提供第二蒸馏塔内的蒸出物，并因而引发第二蒸馏塔内上行蒸汽相的形成。从第二蒸馏塔排出一段蒸汽流，蒸汽流由上行蒸汽相组成。蒸汽流导入第一蒸馏塔也提供第一蒸馏塔内的蒸出物。产品流从第二蒸馏塔排出，该产品流是由第二塔顶馏分组成。
另一方面，本发明提供了一种装置，该装置用于纯化含有重杂质及液体杂质的物质。根据本发明的这一方面，第一蒸馏塔被用以精馏该物质产生含轻杂质少的第一塔底产品和轻杂质浓度高的第一塔顶产品。第二蒸馏塔被用以精馏由第一塔底产物组成的液流。由这样的精馏过程，第二蒸馏塔产生了重杂质浓度高的第二塔底产品和含重、轻杂质均少的第二塔顶产品。用再沸器装置在第二蒸馏塔内使第二塔底产品再沸腾，以提供第二蒸馏塔内的蒸出物，并因而引发第二蒸馏塔内上行蒸汽相的形成。还设有用以从第二蒸馏塔排出蒸汽流的装置；该第二蒸汽流是由上行蒸汽相组成的。再用一种装置将蒸汽流导入至第一蒸馏塔以提供第一蒸馏塔内的蒸出物。再设置一种用以由第二蒸馏塔回收产品流(由第二塔顶产物组成)的装置。
本发明还提供了一种分离两种混合物的方法，将两种混合物中的第一及第二种先后导入蒸馏塔，对该两种混合物中的第一和第二种的每一种均产生塔顶和塔底产物。塔底产物在蒸馏塔内沸腾以提供蒸馏塔内的蒸出物，并因而促使蒸馏塔内上行蒸汽相的形成。通过使其冷凝温度高于第一种混合物所产生的塔底产物的泡点温度的第一种热交换流体汽化，再使该塔底产物和第一热交换流体之间进行间接的热量交换，使热交换流体冷凝而第一塔底产物沸腾，从而塔底产物中蒸出第一种混合物。而通过使冷凝温度高于第二种混合物所产生的塔底产物的泡点温度的第二种热交换流体汽化，再使该塔底产物和第二热交换流体之间进行间接的热量交换，使第二热交换流体冷凝而第二种塔底产物沸腾，从而由塔底产物中蒸出第二种混合物。
按照本发明，原料的双重精馏获得了超高纯度，由于在两个塔中使用了同一种蒸出物，所以只需要一个再沸器，而不是一个冷凝器/再沸器系统，在该系统中工作流体在产生再沸腾作用时自身冷凝。这使蒸馏塔体系比现有体系的设计较简单且较容易控制。以下将说明，蒸馏塔之间的连接可以比现有技术简化，以进一步简化制造和控制。因为工作流体不存在同时冷凝和再沸，本发明的蒸馏塔系统和方法的操作压力可比现有技术较低。而且，使用了热交换流体可置换的再沸器，因而可以用同一装置或至少是具有相同设计的装置来纯化不同的物质。
虽然说明书后的权利要求书很清楚地指出了申请人认为是其发明的内容，但结合所附的附图，本发明将更好地被理解。
图1是实施本发明方法的装置图。
图2是沿图1的2-2线所作的局部截面图，说明本发明再沸器。
参看图1，图中显示了用于纯化含有重杂质和轻杂质的物质的装置1。这里和说明书中所用的“轻杂质”是指比被纯化物质更具有挥发性的杂质。在这里和权利要求书中所用的“重杂质”这个名字，是指挥发性比被纯化物质小的物质。作为例子，如果装置1中被纯化的物质是硅烷，则轻杂质将包括氮，氢，一氧化碳和甲烷，重杂质将包括二氧化碳，氯硅烷，硅烷的较高分子的聚合物，硅氧烷，乙烷，乙烯，丙烯和水。如果装置1中被纯化的物质由溴化氢组成，则轻杂质将包含氮气，空气，氯化氢，氢和二氧化碳，重杂质将包括氯，水，溴和除溴化合物以外的挥发性金属溴化物。应注意到，装置1可用于纯化的物质包括硅烷，二氧化碳，氮，氢，甲烷，一氯甲硅烷，二氯甲硅烷，三氯甲硅烷，乙烷，丙烷，溴化氢和氯化氢以及三氯化硼。
原料流10在热交换器12中被冷却至适宜于进行精馏的温度。原料流10包含待纯化的物质，热交换器12使用了能提供必需的致冷作用使原料流10适当冷却的冷却剂。对于溴化氢，三氯化硼或六氟化钨，这种冷却剂可以是液态二氧化碳。
将冷却以后的原料流10输入至第一蒸馏塔14。蒸馏塔14有精馏段16和汽提段18，这两个段装有堆积填充物。精馏段16的堆积填充物承载在支承栅条20上。汽提段18内的堆积填充物承载在支承栅条22上。
第一蒸馏塔14设置有一个塔顶冷凝器24，该塔顶冷凝器包括可通过加料管28加入液态二氧化碳冷却剂的外部段26。外部段26围绕内部段30，在内部段30中上升的蒸汽被部分冷凝回流至第一蒸馏塔14。所得到的汽化的二氧化碳通过排气管29排出。
待纯化的物质在第一蒸馏塔14内就这样被精馏，在热交换器24的内部段30内产生第一塔顶馏出物。第一塔顶馏出物含有高浓度的轻杂质。对于第一蒸馏塔1 4的回流并不需要的过剩的轻杂质是通过连接到热交换器24顶部的处理管线32而处理的。精馏过程也在第一蒸馏塔14的底部区域34，产生塔底产物。塔底产物所含的轻杂质是少的并且收集在向下倾斜装有挡板的管道段36内。第一蒸馏塔14内所产生的塔底产物溢流漫过挡板38并加至第二蒸馏塔40，该第二蒸馏塔40具有上部精馏段42和下汽提段44，堆积填充物由支承栅条46承载在上部精馏段内，堆积填充物通过支承栅条48承载在下部汽提段内。
第二精馏塔40设置有一个与塔顶冷凝器24设计相同的塔顶冷凝器50。塔顶冷凝器50有一个外部段52，液态二氧化碳可通过加料管线54加至外部段52中，在蒸馏塔14内所产生的塔顶产物通过塔顶冷凝器所提供的液态二氧化碳冷却剂的使用而部分冷凝回流至塔40。这使液态二氧化碳汽化并且使蒸汽通过排出管线56排出。
第二蒸馏塔40用作精馏从第一蒸馏塔14产生的塔底产物。该精馏在其塔底区58产生了第二塔底产物，该产物中含有浓度较高的重杂质，通至第二塔顶冷凝器52的塔顶产物所含的重杂质和轻杂质都很少，从而组成了可通过排出管线60而回收的纯化产物。
为了对第二蒸馏塔40和最终对第一蒸馏塔14提供蒸出物，设置了一个带有储存器64的再沸器62，第二蒸馏塔底部区域58伸出至储存器64内。储存器包含可通过电热元件66进行加热的热交换流体。热转换流体通过入口68进入储存器，并通过设有阀门72的排出管线70而排出。所用的热转换流体是一种其冷凝温度高于第二蒸馏塔40内所产生的第二塔底产物的泡点温度的物质。这使第二塔底产物相对于热交换流体的凝结而在第二蒸馏塔40的底部区58内汽化。为了防止被纯化物质内所包含的重组分的积累，蒸馏塔40的底部区域58设置有排出管线74以排出积聚的液体。
热交换流体按待纯化物质来选择，如果是硅烷，可以使用氙。对于溴化氢，可使用R22，而对于三氯化硼或六氟化钨则使用R124。当然，热交换器62可以另作使用。因此，不完全限于图示的纯化塔。它可更广泛地用于一般蒸馏过程。首先为了纯化两种物质，例如硅烷和三氯化硼，在用氮清洗塔后，热交换流体应简单地改变为对三氯化硼合适的物质。应注意，在蒸馏之前，应将三氯化硼加热至约50℃蒸发，然后部分冷却至30℃。然后作为蒸汽进入装置1，另外，对于热交换器12和塔顶冷凝器24及50，冷却剂也应从氮(对于硅烷)改变为二氧化碳(对于三氯化硼)。另一点必须记住的是装置1所用的材料必须是与待纯化的物质可配伍的。例如，要纯化诸如三氯化硼等腐蚀性物质，则装置1应该用镍制成，如果要进行纯化的是非腐蚀性物质，如硅烷，那末，材料可以为不锈钢。
应注意，如果三氯化硼在被加热至50℃以后，在此温度所得到的蒸汽可以不经任何冷却直接引入到第一蒸馏塔14。这种蒸汽在进入蒸馏塔以后将立即冷却到塔的操作温度30℃。虽然本发明并不限于所述的实施例，从这些实施例更详细的说明可明显看出，整个蒸馏塔系统的规模是这样的小，输入过热的原料，虽然或许在热力学上是效率低的，由于运行规模小，所以不会使运行成本显著增加。事实上，本领域的技术人员会理解，任何物质都可作为过热气体引入。但是，塔顶冷凝器的热负载会增大，以至于达到某一点(例如在氮的情况)，这时蒸馏将不再是经济的，而预冷却将是更合乎人意的。作为另一个极端，也可使用液态原料或过冷的液体原料，这时就不需要包括热交换器12。
由加热蒸馏塔40的底部区域58所产生的蒸出物引发出一股在塔40内上升的蒸汽流，而因填充材料的作用，该上升蒸汽流与下降的液相接触。该液相是通过第二塔顶冷凝器50使塔顶馏出物冷凝而引发的。蒸汽上升并越过向下倾斜的管道36中的挡板38而通至第一蒸馏塔14。于是这蒸汽在第一蒸馏塔14内提供蒸出物并引发上升的蒸汽相。这上升的蒸汽相与下降的液相接触，该液相是通过第一塔顶冷凝器使塔顶馏出物冷凝而产生的。
应注意向下倾斜的管道36是将第一蒸馏塔14与第二蒸馏塔40耦合起来的较好方法，因为它是自己调节的而且不需要太多的控制。也应注意，蒸馏塔之间的这种连接方式也可应用于比所示实施例更广泛的范围。
作为例子，装置l的结构可以是第一蒸馏塔具有约12英寸的上部精馏段和约96英寸的下部汽提段。上部精馏段可由1
英寸的管子构成，而下部汽提段由1英寸的管子构成。第二精馏塔40的上部精馏段42可由1
英寸的40号管子构成。而第二蒸馏塔40的下部汽提段44可由12英寸长的40号管子构成。所有这些段都用MELAPAK，TYPE B填料填充。以每分钟4标准升的速率将温度约为l0℃的硅烷引入第一蒸馏塔l4。回收率为20％，杂质含量降至5ppb。
以上参照较佳实施例说明了本发明，但本领域技术人员会理解，可在不背离本发明的实质和范围的条件下，作各种变化、增加或删减。
权利要求
1.一种纯化具有重杂质和轻杂质的物质的方法，该方法包括将所述物质在第一蒸馏塔中精馏，产生含轻杂质少的第一塔底产物和轻杂质浓度高的第一塔顶馏出物；将所述塔底产物的一股液流引入第二蒸馏塔，产生所述重杂质浓度高的第二塔底产物和含重杂质和轻杂质都少的第二塔顶馏出物；在第二蒸馏塔内使第二塔底产物沸腾，提供第二塔内的蒸出物，从而引发形成第二塔内的上行蒸汽相；由所述第二蒸馏塔排出一股蒸汽流，该汽流由所述上行蒸汽相组成，并将该汽流引入第一蒸馏塔，以提供第一蒸馏塔内的蒸出物；和由所述第二蒸馏塔回收由第二塔顶馏出物组成的产品流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征还在于所述的物质是二氧化碳、氮、氢、甲烷、硅烷、二氯甲硅烷、三氯甲硅烷、乙烷、丙烷、氯化氢、溴化氢或三氯化硼。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征还在于所述蒸出物是用以下方法提供使冷凝温度高于所述第二塔底产物泡点温度的一种热交换流体汽化，再使该热交换流体与所述第二塔底产物进行间接热交换，从而使所述热交换流体冷凝而所述第二塔顶产物沸腾。
4.如权利要求3所述的方法，其特征还在于所述蒸汽流是在所述液流进入第二蒸馏塔处从该塔排出。
5.如权利要求3所述的方法，其特征还在于所述物质被冷却至适于精馏的温度。
6.一种纯化具有重杂质和轻杂质的物质的装置，该装置包括第一蒸馏塔，用以精馏所述物质，产生含轻杂质少的第一塔底产物和轻杂质浓度高的第一塔顶馏出物；第二蒸馏塔，用以对由所述第一塔底产物组成的液流进行精馏，从而产生重杂质浓度高的第二塔底产物和含重杂质和轻杂质都少的第二塔顶馏出物；再沸器装置，用以在第二蒸馏塔内使第二塔底产物沸腾，从而在第二蒸馏塔内引发形成上行蒸汽相；由所述第二蒸馏塔排出蒸汽流的装置，该蒸汽流由所述上行蒸汽相组成，而所述排出蒸汽流的装置还用以将该蒸汽流引入第一蒸馏塔，提供在第一蒸馏塔内的蒸出物；和由所述第二蒸馏塔回收产品流的装置，该产品流是由所述第二塔顶馏出物组成。
7.如权利要求6所述的装置，其特征还在于所述再沸器装置包括汽化装置，用以使冷凝温度高于所述第二塔底产物泡点温度的热交换流体汽化；和间接热交换装置，用以使第二塔底产物和所述热交换流体进行间接热交换，从而使该热交换流体冷凝而所述第二塔底产物沸腾。
8.如权利要求7所述的装置，其特征还在于所述间接热交换装置包括一个容纳所述热交换流体的储存器；所述第二蒸馏塔设有一个伸出到所述储存器内的底部；和所述汽化装置包括位于所述储存器内的电气加热元件。
9.如权利要求6或8所述的装置，其特征还在于所述排出和引入装置的结构，是使所述蒸汽流是在所述液相引入至第二蒸馏塔的地方从该塔排出。
10.如权利要求6或8所述的装置，其特征还在于所述第一和第二蒸馏塔具有第一和第二塔顶冷凝器，每个冷凝器包括两个同心的圆柱体，构成用以容纳冷却剂的环形的外套管，以及与所述两个蒸馏塔的顶部连通、用以容纳第一和第二塔顶馏出物的内管。
11.如权利要求10所述的装置，其特征还在于所述排出和引入装置包括倾斜向下通向第二蒸馏塔的管道，该管道的大小可使所述蒸汽流和所述液流在管道内彼此反向流动，而所述第一和第二蒸馏塔具有第一和第二塔顶冷凝器，每个冷凝器包括两个同心的圆柱体，构成用以容纳冷却剂的环形的外套管，以及与所述两个蒸馏塔的顶部连通、用以容纳第一和第二塔顶馏出物的内管。
12.如权利要求6或8所述的装置，其特征在于还包括冷却装置，用以将所述物质冷却至适合进行精馏的温度。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于还包括冷却装置，用以将所述物质冷却至适合进行精馏的温度。
14.一种分离两种混合物的方法，该方法包括将所述两种混合物的第一混合物和第二混合物先后引入至蒸馏塔内，使所述两种混合物的第一和第二混合物各产生塔顶馏出物和塔底产物；在所述蒸馏塔内使所述塔底产物沸腾，在该塔内提供蒸出物，从而在所述蒸馏塔内引发形成上行蒸汽相；使冷凝温度高于第一混合物产生的塔底产物的泡点温度的第一热交换流体汽化，并使该塔底产物与所述第一热交换流体进行间接热交换，使所述第一热交换流体冷凝而所述第一塔底产物沸腾，从而由塔底产物蒸出第一混合物；和使冷凝温度高于第二混合物产生的塔底产物的泡点温度的第二热交换流体汽化，并使该塔底产物与所述第二热交换流体进行间接热交换，使所述第二热交换流体冷凝而所述第二塔底产物沸腾，从而由塔底产物蒸出第二混合物。
15.如权利要求14所述的方法，其特征还在于所述的蒸馏塔延伸至储存器内，该储存器具有用以加热第一和第二热交换流体的装置；和在所述第二混合物引入至蒸馏塔之前，用所述第二热交换流体取代所述第一热交换流体。
全文摘要
纯化物质的方法和装置,其中的物质在第一和第二蒸馏塔精馏,在第二蒸馏塔产生重杂质的轻杂质含量都少的塔顶馏出物。使在第二蒸馏塔内产生的塔底产物沸腾,提供第二蒸馏塔内的蒸出物,从而引发形成其中的上行蒸汽相。从第二蒸馏塔排出的蒸汽流然后加到第一蒸馏塔底部引发形成其中的上行蒸汽相,从第二蒸馏塔排出的蒸汽流是由第二蒸馏塔所产生的该上行蒸汽相构成。用再沸器使第二蒸馏塔再沸,再沸器可包含储存器,储存器内装有热交换流体,该流体在使第二蒸馏塔内产生的塔底产物沸腾时自身冷凝。所用热交换流体的类型是选择得使其冷凝温度高于第二蒸馏塔塔底产物的泡点温度。
文档编号B01D3/26GK1172685SQ9710553
公开日1998年2月11日 申请日期1997年6月6日 优先权日1996年6月7日
发明者W·H·惠特洛克 申请人:波克股份有限公司