[发明专利]智能化集装箱模组式中温电解制氟装置

说明书

技术领域

本发明涉及制氟领域，尤其是一种智能化集装箱模组式中温电解制氟装置。

背景技术

单质氟在核工业、航天航空、军事工业、电子、民用新能源、新材料、新技术等领域，有着特殊地位及无限拓展的应用天地，是无机氟化合物特种含氟气体衍生的精细化学制品生产的源头。

氟原子因具有高电负性和原子体积小的特异性，使氟材料具有许多优异的性能。如突出的化学稳定性和热稳定性、低表面能、介电、不燃、耐老化、耐腐蚀、自润滑、抗粘、抗污、耐高低温、耐药物特性等。因此氟材料被称为“特效功能材料”，广泛应用于军工、航天航空、冶金、电子、纺织、轻工、医药和农业等方面，也是其它工业门类不可或缺的配套材料的化工领域，氟化工产业自90年代得到迅速发展，已成为化学工业的重要分支。

产品用途：同位素分离、火箭推进剂的氧化剂、用于化学制备（合成具有特殊用途的氟化剂、生产六氟化硫气体、制备有机氟化物、生产三氟化氮）、制备氟化石墨、制备氟化沥青等等。

生产方法：无论是实验室或工业生产，制取元素氟的唯一方法是电解无水氢氟酸，并添加氟化物（主要是氟化钾）以改善电解质的导电能力。电解反应： 2HF—→H₂＋F₂

1886年法国Moissan电解制氟成功，在科学上是一重大突破，同时也带给化学家们一种误解，认为氟的制取十分困难和昂贵。Moissan采用铂制电极和铂铱合金电解槽，虽在低温下操作，但腐蚀严重，每制1g氟气，铂的消耗高达5g。所以此后30年中很少研究和进展。

美国Argo等的研究给制氟方法带来了重大改进。他以熔融的氟化氢钾KHF₂为电解质，在铜制电解槽中用石墨阳极代替了铂阳极，电解温度250℃，因此制备条件较为方便，这种方法一般称为高温法。在1919～1939年的20年中，研究工作增多，其中1925年法国Lebea和 Damiens发表了重要的研究成果——电解质组分是KF·3HF，于65.8℃熔融，采用镍制阳极，电解温度范围为50～150℃，一般称为中温法。随后Fredenhagen又认为KF:HF比例不超过1.8（即HF重量不超过38.3%），可用石墨代替镍作阳极，这对后来工业制氟技术的发展有很大作用。

第二次世界大战期间，德国研制纵火剂ClF₃，美国利用可挥发的UF₆，经扩散法分离生产铀235，都要求工业规模提供氟气。但当时的技术进展都是绝密的，战后才陆续得到公开。

工业制氟装置均采用中温电解。中温法的优点在于：液面上HF蒸汽压较低；组成容许变化范围较宽；可用温水冷却或保温电解质；腐蚀减轻。

生产流程：中温电解是目前工业制氟普遍采用的方法。由于氟的化学性质非常活泼，多数工厂都是以生产其它氟化物（如六氟化铀和六氟化硫）为最终产品。电解制氟只是整个生产的一个组成部分，产生的氟气是现制现用，但这一生产工艺仍然是一复杂过程。这里介绍一个法国工厂的制氟工艺流程；图1中温电解制氟工艺流程框图。

配制好的电解质经预电解脱水后，添加LiF并转移至电解槽。新的电解槽（6KA）先从低电流（1KA）开始，再逐步增加至额定电流。由低压整流器供应直流电，如果是串联设计，分供每一电解槽的电压约为12V。

通常工作电压是8.5～10.5V，电流效率90～95%，但能耗是理论值的4倍，达17KW·h/kgF₂，这是由于过高的阳极超电压造成的损失。当电流为6KA时，需要散去的热量为142.3MJ/h，用75℃水冷却，保持电解质温度为95～105℃。

电解初期常因电解质中残存的水分和其它杂质使生成的氟含有气体杂质（OF₂，O₂，CO₂和硫、硅氟化物等）。如果补充的HF纯度高，这些气体杂质会很快消失。但氟气中常会有低浓度的CF₄（≤30ppm）及同系物，这是由于阳极面上形成的氟化石墨不断受热分解所致：

nCFx—→aC＋bCF₄＋cC₂F₆＋…

CF4浓度可以用红外光谱监测，如浓度超过50ppm，应降低电压，防止阳极恶化。