способ извлечения трифторида бора из газовых смесей

Формула изобретения

Способ извлечения трифторида бора из газовых смесей путем его сорбции на фториде металла при повышенной температуре с последующей десорбцией, отличающийся тем, что сорбцию ведут на фториде кальция при температуре 373-523К, а десорбцию - при температуре 623-773К.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологиям получения и использования трифторида бора, например для разделения изотопов ¹⁰В и ¹¹В. При получении трехфтористого бора необходимость извлечения его из газовых смесей возникает в связи с тем, что продукты фторирования народу с ВF₃ содержат фтор, кислород, фтористый водород и другие примеси, мешающие дальнейшему его применению. Кроме того, такая необходимость существует при решении санитарно-экологических вопросов обращения с трифторидом бора.

Известен сорбционный способ извлечения трифторида бора из газовых потоков по реакции BF₃ с оксидами металлов с образованием комплексных фторборатов /Топчиев А. В., Баллода А.П. "Адсорбция фтористого бора на простых и смешанных оксидах металлов". ДАН СССР, 1953, т.90, с.1051-1054/.

Недостатками способа являются невысокая эффективность использования адсорбента (оксида металла). Так, навеска оксида кальция, помещенная в атмосферу трифторида бора, при температуре 723К реагирует лишь на 17%.

Известен также термосорбционный способ извлечения трифторида бора из газовых смесей на активированных углях при температуре, близкой к комнатной, с последующей десорбцией BF₃ при нагревании /Полевой А.С. "Разделение и использование изотопов бора". В сб. "Итоги науки и техники". Серия "Радиохимия. Ядерная технология", том 2. М, ВИНИТИ, 1990, с.134/.

Недостатки способа состоят в том, что из-за присутствия в промышленных углеадсорбентах примесей оксидов металлов, диоксида кремния, азот- и серосодержащих соединений (до 10-15%) при десорбции трифторида бора происходит это загрязнение. Очевидно, эта же причина приводят к тому, что десорбция происходит лишь на 90-95% и на сорбенте происходит накопление фторборных соединений, приводящее к быстрому его отравлению.

За прототип взят способ извлечения трифторида бора из газовых смесей путем адсорбции BF₃ фторидом калия при повышенной температуре с последующим разложением тетрафторборатного комплексного соединения на фторид калия и трифторид бора при нагревании /Буз Г., Мартин Д. "Химия трифторида бора и его производных". М.: Изд-во ин. лит., 1955, 288с./.

Сорбцию BF₃ ведут при 673-773К, а десорбцию при 873-1073К.

Недостатки способа заключаются в высоких энергозатратах на осуществление процесса и осложнениях, связанных с сильной коррозией аппаратуры при столь высоких температурах. Кроме того, процесс осложнен оплавлением реакционной системы: при адсорбции трифторида бора и сопутствующих ему примесей оплавляются кислые фториды калия (Т_пл=200-500К), а при десорбции плавится сам фторборатный комплекс (Т_пл=803К).

Техническая задача, решаемая изобретением - снижение энергозатрат, уменьшение коррозии оборудования и упрощение процесса.

Решение технической задачи достигается тем, что в способе извлечения трифторида бора из газовых смесей путем его сорбции на фториде металла при повышенной температуре с последующей десорбцией, сорбцию ведут на фториде кальця при температуре 373-523К, а десорбцию - при температуре 623-773К.

На чертеже представлена установленная нами зависимость давления газа трифторида бора над комплексом CaF₂BF₃ (P, мм рт. ст.) от температуры (Т, К).

Способ осуществляют следующим образом.

Смесь газов, содержащих трифторид бора, фтор и/или фтористый водород, контактируют с фторидом кальция при температуре 373-523К, в результате чего BF₃ сорбируется фторидом кальция с образованием фторборатного комплекса СаF₂ВF₃. Фтор и/или фтористый водород в этих ycлoвияx не сорбируются, и их выводил из сорбционной колонны.

Сорбцию ведут до насыщения сорбента, которое определяют по прекращению падения давления в сорбционной колонне при отключении ее от линий входа и выхода газовой смеси. После этого разложением комплекса СаF₂BF₃ при нагревании до температуры 623-773К производят десорбацию трифторида бора с выдачей его в качестве целевого продукта. Десорбацию ведут до полного paзложения комплекса СаF₂ВF₃, о чем cудят по прекращению роста давления в сорбционной колонне при отключении ее от линии выхода газов. Регенерированный таким образом фторид кальция используют в повторных циклах сорбции - десорбции трифторида бора.

Из вида кривой зависимости давления газа трифторида бора над комплексом CaF₂BF₃ от температуры, приведенной на чертеже, видно, что оптимальная тeмпеpaтypa сорбции лежит в интервале 373-523К, когда рост указанного давления с температурой незначителен. Равновесная концентрация ВF₃ в этом интервале температур cocтавляет величину не более 5 об.%, что вполне приемлемо для технологических целей. Снижение температуры сорбции до менее 373К ухудшает кинетику процесса, замедляя его до технологически неприемлемой скорости. Выше 523К на кривой, приведенной на чертеже, наблюдается peзкий рост давления ВF₃, что так жe резко снижает эффективность cорбции. Поэтому температура 523К является верхней границей заявленного температурного интервала сорбции ВF₃ на СаF₂.

По виду кривой чертежа также видно, что полное разложение комплекса CaF₂BF₃, при котором давление достигает 760 мм рт. ст., наступает после достижения температуры 623К, и это значение выбрано за нижнюю границу температурного интервала десорбции ВF₃. Верхнее значение указанного интервала, 773К, взято, исходя из экономических соображений, поскольку нагрев и поддержание при высокой температуре всей массы сорбента требует существенных затрат энергии. Давлений же выше давления в ~ 1МПа, обычно необходимого для непосредственного применения десорбированного трифторида бора, не требуется /Полевой А.С. "Разделение и использование изотопов бора". В сб. "Итоги науки и техники". Серия "Радиохимия. Ядерная технология". том 2. M.: ВИНИТИ, 1990, с134/.

Пример.

Газовую cмесь, полученную прямым фторированием борного ангидрида и состоящую, в основном, на 50 об.% из ВF₃, 45 об.% О₃ и до 5 об.% HF, контактировали в сорбционной колонне с мелкогранулированным фторидом кальция при температуре 3835К и времени кoнтакта 40-60 с. Oтxoдящиe газы выводили в систему нейтрализации, после чего сбрасывали в атмосферу. Концентрацию трифторида бора в газах до и после колонны определяли ИК-спектрометрически. Согласно анализам, содержание ВF₃ в отходящих газах составляло 2-5 об.%, т. е. степень улавливания его сорбентом была не менее 90%. По окончании сорбции колонну нагревали до 65310К и десорбировали трифторид бора, который использовали для приготовления его комплекса с анизолом. На ИК-спектре газов, десорбированных с фторида кальция, пиков, не принадлежащих трифториду бора не отмечено.

От регенерированного фторида кальция после десорбции трифторида бора отбирали пробу и анализировали на остаточное содержание бора. Оно было в пределах 0,05-0,1 мас.%, что свидетельствует о полном pазложении комплекса CaF₂ВF₃. Сорбент фазовых изменений не претерпел и его использовали многократно в циклах сорбции - десорбции трифторида бора.

Таким образом, осуществление предложенного способа позволяет извлекать трифторид бора из смесей его с газами, содержащих фтор и/или фтористый водород, снизив энергозатраты за счет более низких температур процессов сорбции, избежав коррозионных проблем и упростив технологию за счет отсутствия плавления сорбента.