专利名称：氟碳化合物的生产方法及设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种生产氟碳化合物的方法和用于生产氟碳化合物的设备及装置，更具体地说，本发明涉及一种适用于连续的有选择性的生产所需氟碳化合物而具有最小废气排出的方法、设备和装置。
按照本发明的一个方面，提供一种生产所需氟碳化合物的方法，包括下列步骤提供一个高温区;
在所述高温区内输入至少一种输入物质，用该物质产生一包括含氟物质和含碳物质的热气体;
把所述热气体内的C∶F的克分子比控制在大约0.4和2之间选定的值;
在一为时间间隔内，把热气体的比焓控制在大约为1kwh/kg和10kwh/kg之间，以便形成含有包括活性含氟前体和活性含碳前体的活性热气态混合物;以及在所选取的冷却温试行冷却速度下冷却活性热混合物，从而产生包括所需的氟碳化合物的最终产品。
在热气体中的C∶F的比一般选择在使得能够用最佳的能量利用来最佳地生产所述前体。
除非另有说明，此处的比焓是指热气态混合物的比焓，并反映每kg热气态混合物的值。
输入物质可以包括至少一种氟碳化合物，这样，输入物质可以包括所选择的一种或多种氟碳化合物，以便提供热气体中的所需的C∶F克分子比，从而能够生产所需的氟碳化合物最终产品。氟碳化合物可以是一短链，一般为通式为CnFm的氟前C1-C10的碳化合物，其中0＜n≤10，m＝2n，2n+2或2n-2，例如象二氟乙炔(C2F2)，四氟乙烯(C2F4)，六氟乙烷，(C2F6)，六氟丙烯(C3F6)，八氟丙烯(C3F8)，四氯甲烷(CF4)或八氟丁烯(C4F8)或十氟丁烯(C4F10、按照本发明的另一特点，该发明可以包括另外的步骤在受控的焓的条件下在热气体内引入散粒的含碳物质，从而在活性热气态混合物中形成由所述含碳物质得到的活性前体。当输入物质含有氟碳化合物时，活性前体可以从氟碳化合物得到以及从散粒的含碳物质得到因而该方法可以包括如下步骤提供一个高温区;
在高温区内导入含有至少一种氟碳化合物的输入气流从而产生热气体;
在受控的焓的条件下在热气体中引入一种散粒的含碳物质，从而形成一种活性热混合物，其克分子比C∶F大约在0.2和4之间，比焓大约在1kwh/kg和10kwh/kg之间，并且含有包括由至少一氟碳化合物和散粒的含碳物质得到的所需含氟和含碳的前体的活性物质;以及以一种方式冷却活性热混合物从而产生含至少一种所需氟碳化合物的产品混合物。
在高温区中的热气体可用产生所述输入气体的等离子体提供，例如借助在所述高温区在至少一对电极之间产生电弧，所述电极可以是一种基本上不可消耗的电极。
在热气体中形成的活性物质将与输入气流的成分，散粒含碳物质的性质和其它因素有关。而且，某种活性物质可以甚至在引入散粒含碳物质之前在热气体中形成，此外活性物质也可以在引入所述含碳物质之后形成。这些活性物质下面将详细说明。活性物质包括某种所需的前体，在合适的快速冷却到选取的反应温度条件下通过进一步反应而产生所需的氟碳化合物产品。
如同下面要详细说明的，冷却含有活性物质中的所需选体的活性热混合物的方式将决定最终的氟碳化合物产品。因而，所述冷却步骤最好包括冷却速度、冷却温度的范围、以及被冷却的热混合物在冷却温度的范围内保留的时间间隔，所有这些都被选择以便确定作为最终产品的至少一种所需氟碳化合物的性质。
散粒的含碳物质可以在如此方式和焓条件下被引入热气体，即例如等离子体，使得形成一种活性热混合物，它含有包括所需前体的活性物质，并且最好具有不小于大约为3kwh/kg的比焓。散粒可以引入热气体之前被预加热。散粒含碳物质的送入速率以及其预热的温度可如此被控制，使得提供一种活性热混合物，其中含碳粒子达到大约2000到3000°k之间的温度。
散粒的含碳物质可以直接地引入在高温区内的热气体，或者可以引入混合区内，以便和从高温区发出的热气体混合。
因而，该方法可以包括下列步骤借助于在基本上不能消耗的电极之间提供电弧来提供一高温区;
把含有至少一种氟碳化合物的输入气流引入高温区，从而在所述区内产生含有含氟物质和含碳物质的热的等离子体;
把热的等离子体中C∶F的克分子比控制在0.4和2之间的一选取的值;
把在一段时间间隔内所述高温区内热的等离子体的比焓控制在大约1kwh/kg和10kwh/kg之间;
在混合区内引入散粒的含碳物质，以便和热的等离子体混合，从而形成活性热混合物，其中含碳微粒达到2000K和3000K之间的温度，并且含有包括活性含氟前体和活性含碳前体的活性物质，并且具有不少于大约为3kwh/kg的比焓;以及在冷却区内以一种方式快速冷却含有所述前体的活性热混合物，从而产生含有至少一种氟碳化合物的产品混合物。
散粒的含碳物质可以被引入的混合区可以构成高温区的一部分，或者可以直接地邻近高温区。在一实施例中，高温区可以是等离子燃烧品的电弧内或与其直接相邻的区域，混合区可以在燃烧品的出口，处于燃烧尾焰区域。
本发明的根据在于，象四氟乙烯(C2F4，TFE)，四氟甲烷(CF4)，六氟乙烷(C2F6)和六氟丙烯(C3F6)这些氟碳化合物可以用加热氟碳化合物物质生产，最好在有碳的情况下，以便产生具有受控的C∶F比和大约在1kwh/kg和10kwh/kg之间的比焓的热气体，并且把该活性混合物快速冷却到大约800K以下的温度。对于反应所需的高焓一般可以由例如使用石墨电阻器的阴性加热，使用射频的石墨咸性加热的工艺达到，咸性地或容性地与等离子发生区相连，通过低频交流电产生等离子或通过利用不同电极系统的直流电产生等离子，例如低耗强冷碳电极，或冷却的非碳电极，或强冷的非碳/碳电极。
因此，本发明的目的是为了形成一高温等离子，它含有活性物质，其中的部分将和碳形成所需的活性前体。在冷却期间或冷却之后有碳存在的前体将产生所需的氟碳产品。
此处用来产生高温等离子的输入气体包括氟碳化合物，可以形成下列活性物质，即CF3，CF2，CF，F，C及其离子。
把等离子气与碳微粒混合后，可形成下列活性物质，即C(气态)，C(固态)，C+(离子)，C2(气体)，C2F2(气体)，C2F4，C2F6，C3(气体)，CF(气体)，CF+(离子)，CF2(气体)，CF4(气体)，F(气体)，F-(离子)，e(电子)。这些活性物质中，下列是为生产C2F4(THF)所需的前体，即(C2F2，CF2，CF3，CF和F。因而，热气体的焓，热气体中C∶F的比，以及压力可以被控制，从而加强这些活性前体中的活性热混合物中的优势。
实验过程中，处理的压力范围从0.01巴到1.0巴，使用CF4作为输入的氟碳化合物，使用直流(DC)等离子装置，不被冷却的碳电极，电流的范围在40和120A/cm2之间。发现在某一温度和压力条件下，当通过电极的电流超过某一值时这种碳电极会升华，例如当电流超过100A/cm2在大气压以及大约4000K的温度时。(这将参考图28进一步说明)。还进一步确定了碳电极发生升华的电流值随压力的减小而减少，在高于80A/cm2的电流和压力大约为0.01-0.1巴的条件下被升华的碳达到一个可测量的量。以及碳的升华温度同样随压力的减少而减少，在压力大约为0.01-0.1巴的条件下升华温度下降到大约3000°K(这将参照图25进一步说明)。
确信在前述的实验过程中，使用CF4作为氟碳化合物初始材料并且使用由非冷却碳电极产生的直流等离子体，从电极升华的碳提供了为合适地产生TFE(约80%)所需的足够的碳，因而使碳电极快速地消耗。显然，这样实验过程不能连续进行。
因而实验工作表明，使用非冷碳电极的等离子体装置是不实际的，因为电极会被消耗，并且至今还不能进行大于几分钟的生产过程。
本申请人发现，利用基本上不可消耗的电极的等离子装置可被用于成功地运行于长达几小时的生产过程。本申请人所作工作的一个重要的方面是证明了需要用在高温下抗化学氟腐蚀性能良好的材料制造电极，例如大约1000℃的温度，以及与之相应地，电极需要被冷却，甚至强冷到低于1000℃的温度，并且在用石墨的情况下，冷却到大约500℃。
不可消耗的电极指的是可以运行大于几分钟到几小时而基本上不被消耗的电极，即基本上不遭受变劣与/或腐蚀。一般地，被冷却的甚至被强冷的金属电极象铜及铜合金电极可以被使用，可能插入合适的杂质材料，例如碳或石墨。掺杂物也可以是掺杂的石墨或含有钨、钍化钨(thoriated tungsten)、其它的掺杂钨合金、锆、铪、碳化铪、钽、碳化钽或任何其它合适的高温材料的高温金属合金。这种电极被详述如下。电极可以作为等离子发生装置的一部分，例如高压直流等离子体燃烧器。在下面，本发明的方法参照使用高压直流等离子体燃烧器作为产生高温等离子的装置来说明本发明的方法。一般提供一个以上最好为三个的这种等离子燃烧器，例如把它们排列延伸入一混合室内，形成生产设备的一部分。
如上所述，电极最好是不可消耗的冷却金属电极，在某些情况下具有例如石墨的掺杂物。这种电极是较好的理由在于，除去寿命相当长之外，不发生或仅发生一点电极腐蚀，结果没有或仅有一点腐蚀产物生成，从而避免燃烧器出口的阻断。在实验工作中，使用可消耗的碳电极，发现碳升华了，并且在燃烧器冷却器出口区域出现升华的碳的固态物质。固化的碳形成一种硬的物质，它阻塞了燃烧器的出口和用来快速冷却活性混合物的冷却装置，象下面将要详述的那样，因此这种碳的淀积和固化防碍并/或损坏过程的连续进行。
利用不可消耗的电极，象本发明提出的，例如具有石墨掺杂的冷却的铜或铜合金电极，就能使过程连续运行几小时，即超过8小时并且长达三天的时间。本发明的这一特点能够提供一可观的商业生产过程，用来生产此处描述的氟碳化合物产品，尤其是TFE，并且以允许付产品回收的方式生产，形成的废排出物最小。
这里使用多个例如三个等离子体燃烧器，它们被延伸安置进混合区，例如以混合金的形式，利用这种方式使得它们的尾焰延伸进混合金，因而建立了一个延伸的高温区，它被一个温度仅比高温区低一点的区域包围着。
在输入气流中的氟碳化合物可以是象CF4或C2F6或其混合物的化合物，或者可以由淡的F2气体构成或包含有淡的F2气体。在实践中，最好的焓值可根据输入气体的构成来调节，以确保最佳运行和生产效率。
散粒和含碳物质可以以细小微粒的形成引入热气体中，例如微粒尺寸从约为10-3mm到大约0.3mm。象已经说过的，送入速度最好调节到提供一个使活性热混合物中的克分子比C∶F在大约0.4和2之间，使得在混合物中碳微粒达到2000和3000K之间的温度。活性热混合物的比焓最好维持不小于大约3kwh/kg。显然活性热混合物的焓(因而温度)将固有地依赖于所加碳微粒的温度和数量。
散粒的含碳物质可以从一漏斗送入混合区，并且可以在漏斗中或在漏斗与混合区之间预热，然后再送入混合区。散粒的含碳物质对于小规模运行可以以0.1g/分钟的低速度引入混合区，对于工业规模的运行该速度可以增加，以便维持所需的C∶F克分子比率。该物质可以是散粒的碳。碳最好是纯的，虽然可能含有小部分灰。尤其是碳中氢、硅以及硫的含量应尽可能低。碳应该基本上是无氢、无硅和无硫的。
混合区一般压力为大约0.01-1.0巴。在混合区中，碳和等离子体中的活性物质反应的结果形成活性热混合物，它含有所需的活性含氟和含碳的前体。当活性热混合物被快速冷却并在冷却温度下反应一合适的时间时，就形成所需的氟碳化合物最终产品。冷却速度，以及冷却后的温度范围和冷却温度范围内的反应时间将决定所形成的最终产品和产量，详述如下。
散粒碳可以引入高温区，例如引入燃烧器的电极之间的电弧区域，只要上述的升华以及相继的固化和污垢问题可以充分解决。碳最好被引入等离子燃烧器的尾焰中，它可以直接被引导进入混合区。为确保在混合区内具有最小的等离子火焰冷却的最佳焓值条件，碳微粒可如上述被预热。
散粒的含碳物质也可以被改成或包括散粒的聚四氟乙烯(PTFE)，因而该方法可以还包括把聚四氟乙烯(PTFE)或PTFE与碳的混合物引入高温区或引进混合区的步骤。以处另一种含碳物质是PTFE，它最好送入混合区内。显然PTFE排出的废物可以这样被利用，即使得PTFE废物可以被回收再处理。
该方法还可以包括把氟气引入高温区或混合区的步骤。因而，输入气体流可以包括氟气，并氟气例如可以按大约占输入气体的5至30md%之间的量存在。
活性热混合物的焓值条件一般保持为大约1kwh/kg以上的比焓，量好不小于大约3kwh/kg，如上所述，在热被传输给碳微粒时碳微粒在高温区和活性物质起反应，首先形成在活性热混合物例如CF2，C2F2，CF3，CF和F中的活性含氟和含碳前体，它们被冷却并进一步反应后，形成例如TFE，C2F6，C3F6，C3F8和CF4的氟碳化合物。借助于控制冷却速度、特定的冷却温度的范围以及在冷却之后在特定的温度范围内活性混合物保留的时间，可以增加上述产品中的一种或其它的产量。例如，为了获得TFE的最大产量，最好在800K以下冷却活性前体小于大约0.05少的时间(sec.)。也可以例如通过快速把活性前体冷却到大约100K以下来离析活性化合物C2F2。
为了增加C2F6的产量，可以使用数量级为0.05-3秒的较长冷却时间。另一方面，如果要到冷却800K以上的温度，例如大约1000K和1200K之间的温度，C3F6的产量最大。如果活性前体不被快速冷却，则产品主要是CF4。如果在生产过程中在混合区内引入氟，则可达到大规模地生产CF4。
所述冷却步骤可用常规技术实现，例如使用冷壁热交换器或单个或多个管状热交换器，或借助于冷流体或前述方式后结合或任一其它合适的方式。在冷却步骤中使用的热交换器最好应允许活性前体在非常短的时间内或从大约2500K冷却到低于大约800K，一般小于0.1秒。此处冷却用冷气混合实现，冷气可以是碳的氟化合物气体或合适的惰性气体。
因而，该方法可以包括在冷却区中快速冷却活性前体的步骤，以大约500和108K/秒之间的速度冷却到在大约100K和1200K之间选择的温度，并且使前体根据所需的最终产品在所选取的温度下反应一个合适下时间间隔。
例如，本发明提供了一种生产TFE的方法，借助于在小于0.05秒内把活性前体冷却到大约800K以下，并且例如合适的反应时间为0.01秒，也提供了一种生产C2F6的方法，它借助于在小于0.05-3秒内把前体冷却到大约800K以下允许一合适的反应时间;或生产C3F6，借助于在大约0.5-3秒内把活性前体冷却到800K和大约1000K之间的温度，并允许一合适的反应时间。本发明还提供了一种生产C2F2的方法，它借助于把活性前体快速地冷却到大约100K以下并允许一合适的反应时间;或生产CF4，使前体在不冷却条件下进行反应。
例如，当使用冷壁管状热交换器时，借助于正确选择热交换器后参数例如管径和长度、冷却液体的温度、处理气流的流量等可以获得最佳的TFE产量。
相应地本发明的方法可以包括从产品混合物中离析出至少一种所需氟碳化合物的步骤。产品混合物中的其它成份可以被分离与回收。
所述过程可以在大约0.01-1.0巴的绝对压力下进行。
如上所述，在等离子体中引入散粒碳与/或聚四氟乙烯(PTFE)与/或含氟化合物速度最好是这样的，即把等离子体中的C∶F之比调节在大约0.4和2.0之间的数值并且最好大约为1。和碳一样，PTFE可以以粉末形式引入，其颗粒尺寸大约103mm至0.1mm。最佳的颗粒尺寸为大约10-3mm。
碳与/或PTFE可以用重力注入机构引入混合区，或用气体力学传输器，最好用输入气流部分作为输入送装置。在实际中，送碳漏斗的压力可以减少到低于所选的最佳压力值，例如大约10-2巴(绝对)，并且之后可以增加压力，并由引入氟碳化合物来设定在一最佳值。如上所述，碳与/或PTFE的温度在它们被引入混合区之前可以调节，以便增强对所需比焓的控制，从而确保最佳性能。
因为碳和氯之间的反应是高度放热的，因而可以通过控制引入混合区内的氟来减少，所需的能量输入。为了使能量输入最佳，也可以使用其它方法，因而该方法可以包括在混合区内引入氟的步骤，氟可以便利为与氟碳化合物气体的混合物被引入。在混合物中的含氟量可以大约为5和30mg%之间。
重要的是，当把氟引入系统中时，调节引入的氟、引入的碳和输入气体之间的比率以便维持C∶F之比在大约0.4至2.0之间，最好为1，以及混合物的比焓在大约1kwh/kg和10kwh/kg之间，并且在氟碳化合物气体的情况下最好为大约3kwh/kg。
产品混合物可能包括未反应的含碳微粒。因而本方法可以包括用来从产品混合物中除去将固体微粒的分离步骤，例如过滤产品混合物，例如产品混合物可用一高温过滤器例如PTFE、Sic或金属过滤器过滤。自然地，其它适合于分离气流中固体微粒的方法也可使用，例如气旋(cyclonic)分离。
该方法可以包括在分离步骤中被除去的含碳微粒回收到漏斗的回收步骤。
在实际中，该方法最好以这样的方式进行，使得N2或O2或水蒸汽的进入减到最小，它们的进入会引起不需要的与/或不稳定的产物生成。
在气-固分离步骤的之前或之后，不过最好在之后从产品混合物中除去例如HF或F2化合物。因而本方法可以包括使产品通过一个或多个化学的或冷收集器以便除去象HF或F2这种杂质。例如，为了除去F2，产品可以在700K的温度下通过一含碳收集器，为了除去HF则通过含NaF的收集器，HF也可以用冷却所述产品以便使HF激化来除去。氟化杂质也可以用淡的碱溶液，最好为KOH分离，以便从气体产品中除去反应的氟化物。
本方法可以包括压缩产品气体的步骤。产品气体可以被压缩到低于大约20巴的压力，最好为大约10巴，这足够使产品气体在安全状态下分馏或隔膜(membrance)分离。压力应该自然地保持足够低以便禁止或阻止产品气体中的不饱和成分自发地聚合或从TFE到碳和CF4的放热转换。本发明提出在压缩和分离步骤期间增加一禁止器，以便确保安全操作。
其它的纯化步骤例如气体分离也可使用。
产品气体一般存放在具有合适的安全装置的加压箱的有限的容积内，或可以送到其它工厂以便进一步化学转换，例如聚合，以便生产PTFE。不需要的产品氟碳化合物气体可在输入气流中被回收再利用。
按照本发明的另外的方法，提供了一种生产氟碳化合物的设备，它包括用业容纳热气体的高温区;
热产生装置，用来在高温区中产生高温，以便转换引入所述区内所述热气体中的气流;
气体引入装置，用来引入含至少一种氟碳化合物的气流使其进入高温区，使得气体转换成所述热气体;
混合区，适用于使热气体和散粒物质混合从而形成活性热混合物;
散粒物质引入装置，用来在受控的焓条件下把散粒含碳物质引入混合区内的热气体，从而形成活性热混合物，它含有从含氟化合物得到的所需前体的活性物质和散粒含碳物质;以及冷却装置，用来以一种受控的方式冷却活性热混合物，从而产生含有至少一种氟碳化合物的最终产品。
所述热发生装置最好能用输入气流产生等离子体。热发生装置可以包括至少一对基本上不能消耗的电极，它位于高温区内用来产生电弧。电弧用来加热气流以便产生具有比焓为大约1kwh/kg和10kwh/kg之间的最好不小于3kwh/kg的等离子体，如上所述，电极最好是不能消耗的电极。
不能消耗的电极指的是它可以运转几小时而基本上不被消耗或具有抗劣化与/或腐蚀的性能。
混合区可以形成高温区的一部分或直接与高温区相邻。因本发明的最佳实施例中，该设备厅以包括至少一个等离子体燃烧器，并且所述电极可以是等离子燃烧器的电极。高温区可以是在等离子体燃烧器的电极之间的电弧内或电弧周围的区域，并且与电弧直接相邻。混合区可以是燃烧器出口部分，处理燃烧器的尾焰区域。
该设备可以包括多个最好为3个等离子燃烧器，并且混合区可以是一混合室，燃烧器以如此方式延伸进混合室内，以便利用其伸进混合室内的尾焰，从而建立一个扩展的高温区，它被一温度稍低于高温区的区域包围。
该方法还可以包括用涡流发生器把输入气流引入高温区的特点，以及/或者产生一在高温区周围的振荡磁场从而使等离子体旋转的特点。这样便产生涡流，输入气流可以切线地引入等离子燃烧器，输入气体可以被预热。
所述气流引入装置可以是一涡流发生器，它形成等离子燃烧器的一部分，并且可以通过涡流发生把输入气体引进高温区。本设备进一步包括一个磁场线圈，用来在高温区周围产生使等离子体旋转的磁场。
用来在高温区内引入散粒含碳物质的微粒物质引入装置可以是一漏斗，它可被设计成用来输送微粒尺寸约为10-3mm到0.1mm的微粒物质，以低的大约0.1g/mm的速度，并根据需由运行参数到一增加的速度，从而维持上述的C∶F之比。漏斗可以被安置用来在混合室内引入微粒物质，例如在燃烧器的尾焰中。它也可以被设置用来把微粒物质引入电弧中，虽然这不是最好的，它可以形成固态碳，引起污垢并阻塞，参见上述。
本设备可以进一步包括位于漏斗和混合区之间的装置，用来在进入混合区之前加热含碳物质的微粒。本设备还可以具有一真空泵，用来把该设备抽到大约0.01-1.0巴的压力。
本设备可以包括一热交换器，例如单根或多根管状交换器，或一冷却液体混合系统，或不同热交换系统的组合。其目的是快速冷却活性热混合物，以便在冷却的温度下保留产品混合物一段合适的时间，从而生产出含有一种或多种氟碳化合物的所需的氟碳化合物产品。热交换器最好能在小于大约0.1秒内的非常短的时间内把活性混合物从2500K冷却到大约800K，并且在冷却后的温度下保留一合适的时间。
如果需要，本设备可以包括氟引入装置，用来在等离子体尾焰式混合区内引入氟。因为氟和碳之量的反应的大量放热的性质，可以用在混合区内受控制的引入氟来减少输入系统中的所需的能量。
本设备还包括一分离装置，用来从产品混合物中除去固态微粒，例如分离装置可以是一高温过滤器，例如PTFE，SiC或金属过滤器。也可以是气旋分离器。该设备还包括一回收装置，用来回收在分离步骤中除去的碳回到漏斗中。该设备还可包括一个或多个化学的或冷却收集器，用来除去例如HF或F2的杂质。
该设备还可包括一压缩器，用来压缩产品气体，和一存储箱，用来存储产品气体。
本发明还可以延伸到适用于本发明的设备的等离子燃烧室，用来以高温等离子的形式产生热气体，作为生产氟碳化合生产工艺的一部分。等离子体由含有氟碳化合物的输入气流产生，并且产生的等离子体因而含有包括CF3，CF2，CF，F，C和它们的离子的活性物质。
由这些活性物质中的某些具有腐蚀性以及相当高的比焓(和温度)的观点看来，以及在发生的等离子体中维持某些最佳运行参数的观点看来，如同这里所描述的本发明提供了一种适用于在这些条件下运行的等离子体燃烧器(此处也称作等离子喷管)。
本发明的等离子体燃烧器包括一对被称为阴极和阳极的并且具有一工作端的不可消耗的电极(如同这里定义的);
阳极是一种稳定金属制成的，并且为空心结构，从而定义了一开口端部的内部阳极孔，以便提供一管状的从工作端延伸到出口端的工作面;
阴极由稳定金属制成，并具有石墨掺杂物从而在其工作端限定一钮扣形的工作面;
阴极和阳极以其工作端相对的关系设置，并相隔对准，从而在它们之间限定一个间隙，该间隙和阳极孔共同限定当在电极上加上电压时产生电弧的位置;
电极的构造使得为通过的冷却液体提供一通路;
电极被安装在一壳体内，壳体包括几个环形的壳体构件，其尺寸和形状能够卡住合适的电绝缘装置，并且其内部结构限定一电极安装位置;
至少一个壳体构件包括冷却液体的引入和排出通路;
至少一个壳体构件包括以可在电弧位置产生涡流的方式供输入气流引入的通路;
该装置这样构成，在使用时，当在电极之间加上电压时在电弧位置可以产生电弧，并且在电弧位置内的高温区内由输入气体可以产生高温等离子体，从而产生在阳极孔的出口端喷出的活性热的等离子体。
按照另外的特点，可以提供散粒物质引入装置，以便在受控的焓的条件下把含碳的散粒物质引入阳极孔的出口端发出的活性等离子体中。
由此处的说明中可看出其结构和工作的特点，尤其是参照附图的说明。
现在以举例方式参照
本发明，附图不是按同一比例绘制的，其中图1是适合于提供本发明的活性热混合物的等离子喷管的剖面图;
图2是由图1A向看的等离子喷管的端部图;
图3是图1的阴极的剖面图;
图4是图3的B向看的阴极端面图;
图5是图1中的阳极的剖面图;
图6是图5中C向的阳极端面图，
图7是图1的第一壳体构件的剖面图;
图8是图7D向的壳体构件端面图;
图9是图1中第一壳体构件的剖面图;
图10是图9构件的E向端面图;
图11是图9构件的相对端的端视图;
图12是图1中第三壳体构件的剖视图，这构件由构成绝缘器的绝缘材料构成;
图13是图12壳体构件的F向视图;
图14是图1中第四壳体构件的剖面图;
图15是图14壳体构件的G向视图;
图16是图1的等离子喷管的涡流发生器的剖面图，取自图17中ⅩⅥ-ⅩⅥ线;
图17是图16涡流发生器的H向视图;
图18是图1中安装法兰的剖面图;
图19是图18的法兰端视图;
图20是为图1等离子喷管送碳构件的剖视图;
图21是图20的送进法兰的Ⅰ向视图，图22是一绝缘垫的剖面图;
图23是图22是顶向视图;
图24、25是用于实现本发明方法的等离子喷管用的另一种阳极、随极剖面图;
图26是表明实现本发明方法的设备的示意流通图;
图27至图30是表明碳在不同压力下热动平衡数据的一组图;
图31、32是说明C∶F比以及温度在0.1大气压下对前体生产的影响的三维图;
图33、34是说明在C∶F比为1.0时压力和温度对前体生产的影响的三维图;以及图35是由15mm的石墨棒说明碳消耗的图，以备分克作为电流安培的函数。
参见图1，标号10代表适用于生产本发明的氟碳化合物的方法的等离子喷管。它包括铜的阴极12和铜阳极14，都安装置在壳体中。壳体包括第一、第二和第四环形的传导壳体构件18.20，24和第三环形绝缘壳体构件或绝缘器件22，所有这些构件的装配由图1可以看出。阴极12和阳极14被同轴地安装在壳体中。阴极12有一与阳极14相邻的工作端12.1和相对的外端12.2，下面还要详述。阳极14是一个空心的，具有内端部14.1，与阴极相邻，还有一相对的外端部14.2和提供一管状工作面的孔14.3，下面还要详述。阴极12的工作端12.1被接收在阳极14的端部14.1内，可由图1看出。
参见图1，4和5，壳体构件18和20各自由一空心圆柱体30、32构成，在两端有开口，分别限定了通路31、33。每个构件38、20是有一径向向外伸的盘状法兰40、42，位于其一端上。构件18、20由不锈钢制成。本体32有一比本体30小的直径并被按一定的公差接收在本体30内，也可由图1看出。
现在特别参见图4，第一壳体构件18的本体30有一内表面30.1，其有一台阶状的内截面轮廓，如图1所示。在本体30的端部有一个环形凸离开法兰40向内突出并且在凸缘内有一环形槽密封30.3。在等离子喷管10中，密封30.3紧接电极14的端部14.2，放在一浅槽内，如图1所示，以下还要说明。围绕本体30有一用来产生磁场的线圈37(图1)，该线圈产生-0.01-0.3泰斯拉的磁场。
水导管30.4从通路31径向向外地通过法兰40。本体30还有一向外引向的螺纹部分30.5，紧邻法兰40，用来接收下重要详述的安装法兰。
参见图1和图5，第二壳体构件20的本体32有一内表面32.13外表面32.1，该外表面和本体30的内表面30.1共同在等离子喷管内围绕本体32限定一环状空腔50(图1)。本体32有一引导端32.2和内肩32.3，内肩32.3远离引导端32.2在等离子喷管10中它紧邻阳极14(图1)。本体32也有一向外的锥形部分32.4，它有一内表面32.5从肩32.3伸向法兰42。进水导管32、14通过法兰42径向地向内延伸到通道33和进气管32.6，它与进水导管32.14相邻，并且也径向地向内伸到通路33。法兰42还有一向后异向的外部环形凸缘32.7(即朝离开本体32的方向)以及两个环形槽32.8，在法兰42的每侧上与本体32相邻，用来接收0形环。通路33的后部，即远离引导端32.2的部分，有一内表面32.11(由法兰42限定)，具有环形槽32.12用来接收0形环，与其相邻有一环形导气槽32.10。
用来连接电线的(未示出)具有开口32.14的铜连接器32.13从法兰42伸出，用来把电线连到法兰42上。
参见图1和图3，如上所述，阳极14有一外端部14.2和一内端部14.1，它是环形的，并且限定了一圆柱形开孔14.4。与开孔14.4相邻，14.1的部分具有4个气体开口14.13用来通过进气管32.6和导气槽32.10引入气体。开孔14.4被肩14.10从一较窄的轴向通路14.5分开，轴向通路14.5构成一阳极空腔，并把开孔14.4连到外端部14.2的开孔14.6上。杯形部分14.1比阳极14的其余部分较宽，并被一环形的向外引导的V形槽14.7与其分离。与槽14.7相邻的杯形部分14.1的一部分14.9被形成一个槽，并有一切除的肩部14.8，它由垂直方向朝向槽14.7向下倾斜一个角度，如图3所示。槽14.7的相对侧从垂直方向向上倾斜一定角度。阳极14的开槽的部分14.9和第二壳体构件20的内表示32.11的部分共同在等离子喷散10中限定了一环形空腔55(图1)。如上所述，阳极14的外端部分14.2被形成一槽，使得中央部分14.3稍微升起，壳体构件20的内表面32.13，在其引导端32.2和肩部32.3之间在等离子喷管10中与阳极14的升起部分14.3紧接(图1)。阳极大约67mm长，在其最粗处的直径为32mm。
如图1所示，空腔50，55，进出导管32，14，30.4和槽14.12为冷却阴极的水提供流动通路。阳极由铜合金制成，最好具有空的圆柱形碳插入物，它伸过轴向通路14.5的长度。
参见图6，绝缘器22由聚四氟乙烯的盘形本体23构成，具有一位于中心的通路22.2贯穿其中。绝缘器最好是Tufnol(商标)或Perspex(商标)的。本体23紧接构件20的法兰42。法兰42的外环凸缘32.7被接收在本体23的一侧上的外边缘上的一互补槽22.3内。与其相应的槽位于本体23的相对侧。
参见图1和图7，第三壳体构件24也包括一限定通路35的空心本体24.1和在本体24.1的一端的向外导向的法兰44。法兰24用不锈钢制成。法兰44的外边缘有一环形凸缘24.2它朝向本体24.1突出，并在等离子喷管10中被接收在绝缘器22的互补槽22.4中(图1图6)。在法兰44内一环形槽24.3围绕本体24.1，用来接收0形环，并且位于本体24.1比离边缘24.2较近，通路35的内部轮廓是台阶状的，并且相继包括远离圆柱24.1的较窄部分24.4，较宽部分24.5，它有一环形槽24.6用来接收0形环，还有一更宽的部分24.7，它有一螺纹24.11。在等离子喷管10中，阴极12的后端部12.2被接收在后两部分24.5、24.7中，并与肩24.8紧接，以便分开较宽部分24.5和较窄部分24.4(图1、图7)。螺纹部分24.11与互补的阴极的螺纹部分12.9啮合(图2)，下面还要说明。出水管24.9从通道35径向向外伸过法兰44。一个Swagelok 24.10(商标)被焊在远离本体24.1的圆柱通道35的开口上。一不锈钢管(未示出)通过Swagelok 24.10伸进阴极12的空心内部，下面还要详述。
具有开孔24.15的铜接器14.14用来束搏从法兰44上突出的电线(未示出)。用来把电线连到法兰件24上。
现在参见图2，阴极12呈圆柱形，如上所述具有封闭的内端部12.1和开口的外端部12.2，具有一后开孔12.8和空心的内部12.3，封闭的端部12.1有一环形肩12.4。阴极12由铜合金制成。有螺纹的圆柱形开孔12.5伸进封闭端部12.1内其中用螺纹接收一石墨插入物(未示出)。在本发明的不同实施例中，该插入物由掺杂(doped)石墨或高温金属合金制成，包括钨，钍化钨(thoriated)，其它的掺杂钨合金，锆，铪，碳化铪，钽，碳化钽或任何其它的高温材料。这种阴极一般称为钮扣形阴极。位于中央的螺纹部分12.9与壳体构件24的螺纹部分24.11啮合，如上所述。空心内部12.3和端壁远离开孔12.8具有一曲面形状12.7。参见图1，在等离子喷管10中，第四壳体构件24的导管24.9开进与阴极12的后开孔12.8相邻的构件24的通道35内。在使用时，冷却水通过贯穿Swagelok 24.10的不锈钢散泵入阴极12的空心内部12.3，并通过在构件24中的出水管24.9排出，曲面形状的端壁用来改善水流中的流量分布。阴极12大约40mm长，并在其最宽处具有大约20mm的直径。
参见图10，送碳法兰110(图1中未示出)有一导向侧110.2和一尾侧110.3，构成空心圆柱体110.4，在尾侧110.3上有一较宽开孔110.5，在其导向侧110.2上有一较窄的朝内的锥形开孔110.6。较宽的开孔110.4具有用来接收O形环的槽110.8，其大小使得与等离子喷管中的壳体构件18的端部匹配。进碳导管110.10通过本体110.2伸向锥形开孔110.6，并有一伸长的进给管110.12。导向侧110.2的外圆具有环形肩110.13。肩部有一环形槽110.15，用来按收O形环，并且本体110.2在伸长管110.12和肩110.13之间还有一环形通路110.16，它有一进水管110.17和一出水管110.18，用来流通冷却送碳法兰110的冷却水。
螺杆81用来把壳体构件18，20，22，24固定在一起。
在等离子喷管10中，阳极14和阴极12彼此分开一小间隙97(图1)。
现在参见图1，8和9，涡流发生器90把阴极12的封闭端12.1和阳极14的杯形部分14.1分开(图1)。涡流发生器90有一台阶状内截面形状，与阴极12的闭合端互补，如图8所示。
涡流发生器90有一圆柱体90.15，它是空心的，并具有开孔的端部，有一后开孔90.6和前开孔90.4，一圆柱形通路贯穿其中。它大约20mm长，直径约为26mm。在开孔90.7内有一具有中心开孔96.16的环状叶腊石插入物90.8，并从圆柱体90.15稍微突出，使得围绕开孔90.7的圆周限定一个育部90.1。插入物90.8和圆柱体90.15共同具有一与阴极12的内端部12.1的形状互补的内部形状(图1)。叶腊石插入物具有一内部开槽面90.17。
本体90.15用聚四氟乙烯制成。在等离子喷管10中，涡流发生器90伸进阳极14的圆柱开孔14.4内，使得肩部90.1紧接阳极14的肩部14.10。涡流发生器90有一后法兰都分90.3和一外部圆柱端面90.4，其与阳极14的开孔14.4的内部紧接(图1)。法兰90.3作为绝缘器并与在阳极内端部14.1，法兰42和绝缘器22之间限定的环形空间59匹配(图1)，在图柱形通路的内表面上有用来接收O形槽90.5，在与透明塑胶环90.3相邻的外端面上有一环形槽90.7。四个纵向槽90.9以切去外端面90.4(图9)的部分的形式从环形槽90.7伸向肩90.1。叶腊石插入物突出部分有4个切向导入通路90.12，从槽90.9向内伸到在插入物90.8的开槽内表面90.17上的四个切向导入槽90.10，并通到插入物90.8内的开孔90.16(图9)，以便产生一切线气流。
在等离子体喷管10中，壳体构件20的气体导槽32.19和阳极14内的孔14.3以及涡流发生器90的槽90.7对准，并使气体通过导管32.6、槽32.10，孔14.3、槽90.7、90.9、通路90.12以及槽90.10被泵入阳极14和阴极12之间的间隙97中，此处切向引导的气流在间隙97中产生涡流。
阳极14的内径和长度在建立电弧中以及等离子喷管10的电压特性中起极其重的作用。在本发明的不同的实施例中，使用不同的出口直径，使得喷管内的压力可以被调节。在应用中，阳极14的冷却以及其它密封区域的特性是极其重要的，并且大约压力为4巴的水以超过100l/h的流量被用来冷却阳极14和阴极12。
在使用中，在等离子喷管10内的阳极14和阴极12之间产生电弧，含氟碳化合物输入气流通过室42的进气管32.6和涡流发生器98送进电弧，形成含有由氟碳化合物产生的活性前体的等离子体。等离子体通过阳极14内的通路14.5离开等离子喷管10(图3)。在等离子体冷却之后在其内发生的反应参考图13-18描述如下。
参见图13，标号150代表用于制备氟碳化合物的本发明的设备的示意流程图。设备150包括一对上述的等离子喷管10，用电连接器155连接到电源154上。流路158从两个氟碳化合物存储容器160伸向等离子喷管10，用来冷却等离子喷管的阳极和阴极的水从水箱162通过流路166供给。每路166是两路以便从喷管10流出和流入。
等离子体喷管10用来给混合室170提供活性热等离子体。送入线176、178用来给混合室170提供散粒碳6和氟。送入线176从碳漏斗180伸出。送入线177进入漏斗180。流通线182通过冷却室186把混合室170连到生产反应器187。送入线190、192、193从水箱162送给冷却室186、生产反应器187和混合室170冷却水。如上所述线190、192、193是双根的，流通线196从生产反应器出发到状态分离器200，从那里流通线204返回碳漏斗180，以便返回在状态分离器200被分离的碳到混合器170，流通线206从状态分离器200通过收集器208、真空泵210和压缩器212到状态分离和净化设备218。
流通线220、224、226从设备218分别到氟碳化合物存储密器160、氟碳化合物存储密器230和四氟乙烯存储容器232。
示意地表示出了分析设备240，用线234连接到来自气体分离和净化设备218的输出流通线220、224、226;用线236连到送入流通线174、177、178、158;用线238连到状态分离器和收集器208之间的线206。分析设备具有分析仪器，用于氯体层析、红外线和紫外线分析。
在使用中，每个电源线154以高于100V的电压提供大于50A的直流电流。在小规模时(＜100kw)可允许大到10%的波动，但是在大规模时，可能发出的并被返回电源的谐波最好被滤掉。由调节电流来调节电源输出，并且根据所用气体种类压力以及通过电弧的气流量决定使用的电压。在功率输出为大约50kw时，电压大约在50和300V之间，每个电源154有短路保护。
气态氟碳化合物例如CF4从一个存储箱160通过线158被引入等离子燃烧器10的电弧中。调节电弧以及添加的速度，使得在等离子体中保持1和10kwh/kg之间的比焓。气体通过涡流发生器90切线地引入，如上所述，涡流发生器的几何形状使得气体在电极之间高速旋转。一种起动气体例如氩，并不需要，不过可以在氟碳化合物之前或与其一起引入。磁场线圈37用来产生沿涡流转向使电弧旋转的磁场。
在电弧中发生的等离子体，它含有包括活性前体例如CF2，C2F2，CF3，CF和F的活性物质的混合物(如上所述)，然后通过混合室170。散粒碳通过来自漏斗180的进线176被引进等离子喷管110的尾焰中，它射进混合室170中，等离子体的温度由于转到碳和混合室的壁而减小。如图17所示。在温度范围为2300-2700K，压力范围为0.1-1巴，最为0.1巴的条件下可以获得用来生产所需氟碳化合物产品的前体CF2和C2F2的最佳产量。动力学特性、热转移特性和等离子体与碳微粒的反应时间影响前体浓度。如图6所示，通过维持C∶F之比在0.4和2.0之间并维持进气系统向焓在大约1-10kwh/kg之间，可以使前体浓度最佳。
前体在冷却室186内冷却，在冷却期间或冷却之后，前体在冷却室186和生产反应器187内起反应从而形成包含C2F4(TFE)，C2F6，C3F8和CF4的产器混合物。通过控制这一工艺步骤，如上所述，可以使所选化合物产量最佳，尤其是，在小于0.5秒内把前体冷却到低于300K会引起TFE的最佳产量。
借助于使混合物通过状态分离器200内的高温(PTFE滤波器从产品混合物中除去碳微粒，通过线204把除去的碳回收到漏斗180中。漏斗180用来把碳送进混合室170中，其速度根据需要可在0.1g/分和较大之间改变。
被滤过的产品混合物然后通过含碳的700K的化学收集器208从而除去F2。真空和210用来把整个系统抽至小于0.01巴，并抽入大量气体(大约1l/分)。泵210和压缩器212也用来挡住例如HF和F2的杂质。
在压缩器212中压缩后，压缩处的产品混合物在状态分离和净化设备218中用分馏分离，并被储存在存储容器230、232中、不需要的氟碳化合物被回收到存储容器160中。
产品气体接着进行分析，所有的产品气体被通过一红外线元件。监测特定产品的IR带的强度。使用Porapak Q生产的不锈钢柱(Column)取试样进行气体层析。UV可见的分光光度计被用来指示未反应的氟。类假的方法用来分析最终产品。
在本发明的另一实施例中，散粒的废PTFE被从漏斗180送进混合室170中。
本发明以及把本发明付诸实践的方式用下述例子描述。
例1-6一般步骤用例1-6说明下列的一般步骤。使用单个等离子体喷管，它具有一水冷管状铜含金阳极和水冷扣形铜合金阴极，具有石墨插入物(一般如图24、25所示的类型)。邻近阴极区域的阳极内径为4mm，其余部分为8mm。
这一等离子单元连接到碳送入器，它具有3×1mm的等间隔分布的入口，通过入口碳被从漏斗中气动地进入。碳4氟化物(CF4)被用作载体气体，以便垂直地把碳引入阳极正下方的尾焰中、位于碳进给器正下面的反应器室被水冷却，并具有一石墨衬和50mm的内径。
在阳极下方60mm反应器室的内部有水冷热交换器(冷却探头)。热交换器使前体混合物从焓值2kwh/kg以上骤冷却大约0.001kwh/kg。通过热交换器的流量在演示过程中大约为0.4g/(S.cm2)。然后气态产物通过另一个热交换器，用聚四氟乙烯或不锈钢多孔过滤器除去过量的碳微粒。用红外线分光光度计在1330cm-1连续监测清洁的气体是否存在四氟乙烯。在该过程中取样进行气体层析分析。
使用2.36kg/h流量的碳四氟化物等离子体，输入等离子体的功率范围从13kw(100A，130V)到25kw(249A，106V)等离子气体的烷值相应地处理于从3.02kwh/kg至6.7kwh/kg的范围。等离子喷管的效率在50和75%之间改变，而整个系统的效率在39%和62%之间改变。
例1由碳的四氟化物(CF4)生产四氟乙烯。
使用CF4作为等离子气体进行一般的处理，使用2.36kg/h的CF4的进给率使CF4进入等离子喷管。等离子气通过4个在阴极正下方的入口并在其内旋转。18μm微粒尺寸的碳通过三个1×1mm的间隙由动力射入等离子体尾焰中。使用0.72kg/h的CF4的载体气体送入速率。维持4g/分的碳平均送入速率。供给等离子源的功率为21.7KW，结果如表1。
在等离子反应器内部的压力维持在AT 10kpa(绝对)。维持C∶F之比为0.4。等离子焰的焓计算为6kwh/kg。等离子混合物被弥冷到4.2kwh/kg的焓值。通过骤冷探头的流量计算为0.46g/(scm2)26.5mol%的C2F4的产量相应于比焓为25kwh/kgTFE和0.89kg/hC2F4的TFE生产。21分钟之后过程自动停止。
例2由碳四氟化物CF4生产四氟乙烯(TFE)用CF4截载体气流，其速率从0.64kg/h到0.68kg/h之间变化，重复例1。在等离子尾焰中注入3μm大小的碳微粒，速率为25g/分，输入等离子的功率范围为19KW至21KW。结果见表2A和2B 反应在10KPa(绝对)下进行，维持C∶F之比为1.2，15分钟后过程自动停止。
例3-5由六氟乙烷C2F6生产六氟乙烯(TFE)使用C2F6等离子气以2.3kg/h的速率注入等离子喷管进行一般步骤。C2F6通过4个1.77mm2的在阴极正下方的入口进入并在其内旋转，能量输入为13kw和23kw之间，结果见表3，更多的资料由表4和5给出。
等离子反应器中的压力保持在10kpa(绝对)。C∶F之比0.3。在6.41kwh/kg的焰焓下达到4000K的气体混合物温度，并且石墨衬开始蒸发。通过骤冷探头的流量为0.46g/(s.cm2)。6分钟得实验自动停止。
例6由六氟乙烷(C2F6生产六氟乙烯(THE)重复侧3-5关于碳注入等离子体尾焰的步骤。碳的平均微粒大小为42μm(36-53μm)，通过3个1×1mm的间隙以46.9g/分的速率气动地注入C2F6等离子尾陷中。用C2F6作载体气体，送入速率为1.8kg/h。输入等离子的功率为19KW(161A，119V)，结果见表6。
在C2F6等离子焰中的焓值计算为5.61kwh/kg。等离子气混合物被聚冷在2.52kwh/kg的焓值，通过骤冷探头的流量为0.6g/(s.cm2)。C∶F之比为1.6。27.9mole%TFE产量相当应于16kwh/kg TFE的比焓以及1.2kg/h TFE的生产率。维持反应器压力为10Kpa(绝对)。4.5分钟后实验自动停止。
在对本发明的研制中，本发明人对能够运行于腐蚀性等离子气例如氟和氟碳化合物等离子喷管的研制和设计给予了特别的注意，它们运行在为发生各种反应所需的高温下(即高焓状态)，并且能运行一工业上可接受的运行时间，即至少连续运行几小时。
在使用例如CF4对含氟等离子体的实验工作中，并且利用不被强烈水冷的石墨电极，发现如果电流密度大于50A/cm2则阳极开始蒸发。
而且，在大多数等离子处理中，希望等离子气的量被减到最小，以便减小运行成本。仅使用一种等离子气使得等离子体容易运行，并能减少成本，尤其是在由氟和碳生产TFE时，使用附加的等离子气例如Ar或He将增加分离的规模，仅使用含氟气体和常规的等离子喷管设计生产等离子体一般不能成功，这是因为这些气体在高温下分解从而形成非常活跃的并腐蚀性极强的下类物质。这些物质和大多数高温金属反应，例如钨、铪和钽，从而形成象WF6，HfFx和TaF6气体，这带来极高的电极腐蚀率。本申请人发现，石墨当被强冷却并保持在500℃以下的温度时确定表现出抗F腐蚀的化学性能。
本申请人发现，当石墨被用于阳极时，呈现较大的腐蚀速度。理由是电弧斑点可以把碳加热到很高的温度，结果形成C正离子。
铜、镍以及铜/镍合金也被发现在低于1000℃时呈现良好的抗F腐蚀性能。
本发明提出了仅用含氟气体作为等离子气来制备等离子火焰;并且提供了高压的可利用的电极，具有低的电极腐蚀率，在各种压力高烩以及相当低的流量下能稳定运行。
下面的例8-14说明了不同电极的结构和材料在不同的运行条件下的性能，此处用氟碳化合物等离子气作等离子焰。这些例子基于本申请人所作的实验工作。
例8等离子喷管由具有强水冷的石墨插入物的钮扣阴极和水冷的台阶状铜阳极构成，一般如图24所示，被用于本实验。
(a)阴极钮扣石墨水冷(b)阳极台阶状水冷d1/d2＝4/8和Ⅰ1/Ⅰ2＝33/15
(c)等离子气CF4(d)气流量2.36kg/h(e)电压127V(f)电流160A(g)功率20.3KW(h)腐蚀率阴极0.07μg/c阳极0.6μg/c(i)实验时间1小时。
(j)烩5.54kwh/kg CF4(k)效率64%(l)入口旋转速度26m/s(m)压力10kPa(绝对)这一等离子喷管用CF4在宽的条件范围下进行了实验，电压范围从100到150V，电流在100至250A之间，焓值在3和8kwh/kg之间腐蚀率低于1.5μg/C，效率在60和70%之间。入口旋转速度在10和80m/s之间改变。
例9使用如图24所示的等离子的等离子喷管进行这一实验。
(a)阴极钮扣石墨水冷(b)阳极台附状铜水冷，d1/d2＝4/8，以及
Ⅰ1/Ⅰ2＝33/15(c)等离子气C2F6(d)气体流2.30kg/h量(e)电压124V(f)电流160A(g)功率19.8KW(h)腐蚀率阴极0.18μg/C阳极0.7μg/C(i)试验时间45分钟(j)烩 5.2kwh/kg C2F6(k)效率60%(l)入口旋转速率16m/s(m)压力10kPa(绝对)这一等离子喷管在一宽的条件范围内进行实验，电压从117到133V，电流在100和200A之间，烩值在3和6.5kwh/kg之间，腐蚀率低于1.5μg/C效率在55和70%之间。
例10
具有在阳极和阴极之间的插入物的等离子喷管如图25所示的总体设计用来进行了实验。使用两种气流量，一个在阴极的插入物(G1)之间，一个在插入物和阳极(G2)之间。
(a)阴极碳钮扣水冷(b)插入材料水冷铜，10mm原5mm内径(c)阳极材料台阶状水冷铜d1/d2＝8/16以及11/12＝60/55(d)等离子气CF4(e)气流量G12.7kg/h-5.4kg/hG27.4kg/h-9.0kg/h(f)电压230L(g)电流300A(h)功率69KW(i)腐蚀率阴极0.05mg/C阳极1μg/C(j)试验时间20分钟(k)焓2.9kwh/kg(l)效率60%(m)入口旋转速度160m/s
(n)入口旋转速度2100m/s(o)压力10kPa(abs)这一等离子喷管在一个宽的条件范围内进行了实验，电压从180至280V电流在150A和400A之间，烩在1.5和4kwh/kg之间，腐蚀率低于1.5μg/C，效率在50和80%之间。
例11用图25所示的等离子喷管进行实验，用CF4，压力为100kPa(绝对)。
(a)阴极碳钮扣水冷(b)插入材料水冷铜，10mm原，5mm内径。
(c)阳极台阶状水冷铜，d1/d2＝8/16以及11/12＝66/55(d)等离子气CF4(e)气流量G12.7kg/hG27.4kg/h(f)电压190V(g)电压300A(h)功率57KW(i)腐蚀率阴极0.1μg/C
阳极1μg/C(j)试验时间20分钟(k)焓3.2kwh/kg(l)效率50%(m)入口旋转速度G130m/s(n)入口旋转速度G280m/s(o)压力100kPa(abs)这一等离子喷管在一宽的条件范围下进行了实验。电压从180到280V，电流在150A和400A之间，焓在1.5和4kwh/kg之间，腐蚀率低于1.5μg/C，效率在50和80%之间。
本发明人发现，本发明的设备和方法可以在输入气流中使用CF4连续运行高达三天的时间。本发明人还发现，本发明的方法可以在高于100g/h的生产率以及能量输入低于20kwh/kg的条件下生产TFE。
本发明的优点在于，该方法和设备可以利用具有其它氟碳化合物的废的PTFE作为输入材料。这又使得本发明的设备运行在极小的或无排出废物的生产中。
本申请人发现，本发明的设备和方法可以通过控制碳的填加量而被控制在精确的参数之内。
权利要求
1.用于生产所期望的氟碳化合物的方法，包括的步骤有提供一高温区；将至少一种输入材料送入高温区，由此来产包括含氟类及含碳类的热气体；以选择的在约0.4到2间的一个值控制热气体中的C∶F分子比；在一定时间间隔中控制热气体的比焓在约1kWh/kg及约10kWh/kg之间，以形成含有活性种类的活性热气态混合物，活性种类包括活性含氟反应物及活性含碳反应物；且以一定的冷却率将活性热混合物冷却至一所选择的温度以便产生包括所期望的氟碳化合物的产物。
2.如权利要求1所要求的方法，其中输入物质包括至少一个氟碳化合物，该氟碳化合物是属于一般分子式为CnFm的短链高氟碳化合物(perfluorinated carbon compound)，其中0＜n≤10，且这种化合物是从当n＞1时m＝2n，2n+2及2n-2的组中选择出来的。
3.如权利要求2所要求的方法，其中输入物质包括至少一种气态氟碳化合物，它是从由C2F2，C2F4，C2F6，C3F6，C3F8，CF4，C4F8及C4F10组成的组中选出的。
4.如权利要求1到3中任何一项权利要求所要求的方法，其中包括一个进一步的步骤，在所控制焓的条件下将颗粒性含碳物质引入热气体，从而在活动热气态混合物中由颗粒性含碳物导出的活性含碳反应物。
5.如权利要求4所要求的方法，其中颗粒性含碳物质在引入热气体之前被预热，其中控制含碳物质的送入率及温度来提供活性热混合物在这个混合物中含碳颗粒到达约2000K到3000K(开)之间的温度。
6.如权利要求4或权利要求5的方法，其中颗粒性含碳物质是颗粒尺寸从约10-3mm到约0.3mm的颗粒碳，其中碳基本不含氢，硅及硫。
7.如权利要求4到6的方法，其中颗粒性含碳物质包括颗粒性聚C2F4。
8.如权利要求4到7的方法，其中混合区提供在高温区的左右，其中颗粒性含碳物质引入混合区且混合区的压力维持在约0.01-1.0巴。
9.如权利要求4到8所要求的方法，包括进一步的步骤从产物中分离残余固体含碳颗粒;且重复将被分离的含碳颗粒再次引入热气体。
10.如前面权利要求的任何一个所要求的方法，其中活性热混合物中性种类包括由C(气体)，C(固体)，C+(离子)，C2(气体)，C2F2(气体)，C2F4，C2F6，C3(气体)，CF(气体)，CF+(离子)，CF2(气体)，CF3(气体)，CF4(气体)，F(气体)，F-(离子)及e(电子)等种类组成的组，其中控制焓、分子C∶F比、压力及时间来提供由C2F2，CF2，CF3，CF及F组成的活性反应物在活性热混合物中的优势。
11.如前面所述权利要求中的任何一种所要求的方法，其中输入材料是输入气流，且通过在高温区用所述输入气体来产生等离子体来提供热气体。
12.如权利要求11所要求的方法，其中等离子体是通过维持高温区中至少一对基本无消耗电极间的电弧来产生的。
13.如前面所述任何一个权利要求的所要求的方法，其中输入材料包括氟气，氟气是以输入材料的约5到30mol%(摩尔%)量出现的。
14.用于产生所期望的氟碳化合物的方法，包括的步骤有通过在基本无消耗电极间提供电弧来产生高温区，并在高温区附近提供混合区;将包括至少一个氟碳化合物的输入气流送入高温区并在所述区域产生包括含氟种类及含碳种类的热等离子体;以约0.4到2间一选定值来控制热等离子体中的C∶F分子比;将颗粒状含碳物质引入混合区，在维持前述C∶F比的同时与热等离体混合来形成活性热混合物，其中含碳颗粒到达约2000K及3000K温度，所述热混合物包含活性种类有活性含氟反应物及活性含碳反应物并具有不少于约3kWh/kg的比焓;在一时间间隔内将活性热混合物维持在前述条件;且在一冷却区以一种方式迅速冷却含有反应物的活性热混合物以产生含有至少一个所期望氟碳化合物的产物混合物。
15.如前面权利要求中任何一个权利要求所要求的方法，其中活性热混合物的冷却以所选择的参数、所选择的冷却周期发生，到达一个所选择的冷却温度范围，被冷却的热混合物在一选择的时间内被维持在所选择的冷却温度范围，每一个参数的选择是用来确定产生在产物中的所期望的氟碳化合物。
16.如权利要求15所要求的方法，其中活性热混合物以500-108K/s(开/秒)之间的冷却率被迅速冷却至约在100K到约1200开的选择冷却温度范围，被冷却的热混合物中的反应物被允许在一适当时间周期内在一选择冷却温度范围发生反应以便产生在产物中所期望的碳氟化合物中的至少一种，这些氟碳化合物组的组成有C2F4TFE，C2F6，C3F6，C3F8，CF4。
17.如权利要求15或16中所要求的方法，其中将活性热混合物从约2kWh/kg至约3kWh/kg间的比焓条件下在少于约0.05秒的时间内冷却至低于约800K的冷却温度，将冷却的热混合物在至少0.01秒的时间周期内维持在冷却温度来产生C2F4作为所期望的氟碳化合物。
18.如权利要求15到17中任何一项所要求的方法，从约2kWh/kg到3kWh/kg间的比焓条件下将活性热混合物在少于0.5-3秒时间内冷却到800K-1100K间的冷却温度范围，将冷却的热混合物至少0.01秒的时间内维持在冷却温度范围，产生C3F6作为所期望的氟碳化合物。
19.如前述权利要求中任何一个所要求的方法，其中高温区的高温由至少一个等离子体喷嘴(plasma burner)来提供，每一个等离子体喷嘴具有一对基本无消耗的电极，电极由一阳极和一阴极组成，电极是以铜、镍、及铜/镍合金电极组中选择的，可选择带有一个从石墨及掺杂石墨中选出的插入物，该方法的步骤有在每一个等离子喷嘴，通过在电极之间维持电弧，用输入气体产生等离子体来提供热气体;冷却电极到一低于1300K的温度并维持其在这一温度。
20.如权利要求19所要求的方法，其中阳极由铜或铜合金构成，并被冷却及维持在低于1300K的一个温度上，阴极由铜或铜合金带有一从石墨或掺杂石墨中选择的插入物组成，强烈冷却至并维持在低800K的一个温度上。
21.如权利要求19或20所要求的方法，在热气体中产生涡流。
22.如权利要求14所要求的方法，高温区的高温是由至少一个等离子喷嘴提供的，每一个等离子喷嘴具有一对基本无损耗的电极，电极由一阳极和一阴极构成，它们从铜、镍及铜/镍合金电极中选择，可选择带有一个从石墨和掺杂石墨中选择的插入物，其方法包括如下步骤通过在电极间维持电弧，在每一个等离子喷嘴用输入气体产生等离子体来提供热气体;冷却电极到一低于1200K的温度并维持其在这一温度，高温区在每一个等离子喷嘴的电弧内及周围，混合区在喷嘴的尾焰区域。
23.用于生产氟碳化合物的装置，该装置包括适于包含热气体的高温区;热发生装置来产生高温区的高温，将送入该区的输入材料转换进所述热气体包括含氟类及含碳类;输入材料送入装置，用于将输入材料送入高温区以便输入材料转换成所述热气体;反应区适于允许热气体在控制焓的条件下以控制的C∶F比来形成活性热气体混合物，所述混合物含有活性类包括活性含氟反应物及活性含碳反应物;用于控制焓及活性热混合物中C∶F比的控制装置;冷却装置，用于以被控制的方式冷却活性热混合物，来产生包括至少一种所期望氟碳化合物的产物。
24.如权利要求23所要求的装置，还包括适于允许热气体与颗粒性材料混合形成活性热混合物的混合区;颗粒性材料引入装置，用于在控制的焓条件下将所述颗粒性含碳物质引入混合区中的热气体来形成所述的活性热混合物，它包含活性种类包括含氟反应物及含碳反应物。
25.如权利要求23或24所要求的装置，其中热发生装置包括至少一个等离子喷嘴，它带有一对基本无损耗电极，电极是从铜、镍及铜/镍合金电极中选出的，任意带有从石墨及掺杂石墨中选出的插入物，冷却装置用于将电极冷却到并保持在低于1300K的一个温度。
26.如权利要求25所要求的装置，其中阳极由铜或铜合金组成，被冷却至并保持在低于1300K的一个温度，阴极铜或铜合金带有一插入物组成并强烈地冷却至且保持在800K以下的一个温度。
27.如权利要求25或26的要求，其中涡流发生器作为至少一个等离子喷嘴的部分来提供以便在高温区热气体中产生涡流。
28.如权利要求25至27中任何一个要求的装置，其中包括三个等离子喷嘴带有出口部分，在使用时形成尾焰，等离子喷嘴带有出口指向混合室结果使用时其尾焰延伸至混合室，在混合室形成混合区。
29.如权利要求24所要求的装置，其中颗粒材料引入装置包括一漏斗，它可以将运送尺寸在10-3mm到0.3mm的颗粒材料到混合区;在漏斗及混合区之间提供加热装置，在含碳颗粒性物质进入混合区之前将其加热。
30.用在生产氟碳化合物方法中的等离子喷嘴，包括一对由一阳极和一阴极构成的基本无损耗电极，它们是从铜、镍及铜/镍合金电极中选择出来的，任意带有一从石墨或掺杂石墨中选出的插入物;可用来冷却电极到低于1300K的一个温度并将其维持在这一温度上的冷却装置。
31.如权利要求30所要求的等离子喷嘴，阳极由铜或铜合金构成，在使用中被冷却到低于1300K以下的一个温度并被保持在这一温度上，阴极电铜或铜全金构成，带有一个从石墨及掺杂石墨选出的插入物，在使用被强冷却到并保持在800K以下的一个温度。
32.如由权利要求30所要求的等离子喷嘴，它包括一对使用中基本无损耗电极，一阳极一阴极，每一个电极具有一操作端;阳极是空心形状来确定一开放端(open-ended)内部阳极腔，它带有一从操作端延至出口端的管状操作面;阴极带有一石墨插入物来在其操作端确定一钮型操作面;阳极及阴极在其操作端的尾对尾关系安置成一互相隔开的直线来在其之间确定一沟(gap)，它与阳极腔一起确定弧区域，以在电极上施加电压时产生弧电极被形成提供用于冷却流体流经或流过其上的流线;在壳体内安装的电极，壳体由多个定了尺寸及形状的环形壳元件构成来与适当的电绝缘装置的包裹体套装在一起，内成形来确定电极的安装区域;至少一个壳元件包含有用于以一种方式引导输入气流的流通道以在弧区产生涡流;安置是这样的，在使用中当在电极上提供电压时在弧区可产生弧光，在弧区内的高温区用输入气体可产生高温等离子体;以便产生发散在阳极腔出口端的活性热等离子体。
33.由如权利要求1所述方法产生的氟碳化合物。
34.由如权利要求1所述方法产生的C2F4。
35.由如权利要求1所要求的方法产生的C2F6。
36.由如权利要求1所要求的方法产生的CF4。
37.如权利要求1所要求的方法，其中包括聚合用这种方法生产的氟碳化合物从而形成含氟聚合物。
38.如权利要求37所要求的方法制造的含氟聚合物。
39.用于生产氟碳化合物的方法，基本上象这里描述，图示及举例的那样。
40.用于生产氟碳化合物的装置，基本上如这里所进行的描述，图示及举例。
41.用在生产氟碳化合物的等离子喷嘴，基本上象这里所进行的描述，图示及举例。
全文摘要
本发明用于生产氟碳化合物的方法及装置，提供高温区；将至少一种输入物输运到高温区产生含氟及含碳的热气体。热气体中分子C:F比控制在0.4—2之间；在一定时间间隔内热气体的比焓控制在1kWh/kg及10kWh/kg之间，形成活性热混合物，其后活性热混合物冷却至一选定温度来产生包含有所希望的氟碳化合物的产物。输入物典型地为C
文档编号C07C19/08GK1108638SQ9411711
公开日1995年9月20日 申请日期1994年10月14日 优先权日1993年10月14日
发明者雅各布斯·斯旺普尔, 鲁恩·罗姆巴德 申请人:南非原子能有限公司