CN103314138B - 电解器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从电解质/HF‑溶液例如KF×1.8HF来电解制造元素F₂的电解器装置，该电解器装置包括至少一个电解池，该电解池包含至少两个阳极、通常20至30个阳极；一个金属的阴极容器；以及至少两个整流器，使得每个阳极分配一个整流器。以这种方式，可以单独地对每个阳极进行控制和调整。每个单独阳极的失效，例如阳极破裂，造成产生不希望的副产物，例如CF₄。任何有缺陷的阳极都可以容易地检测出来，并且如果需要的话可以单独地关闭每个阳极，并且进行修复。

Description

电解器装置

本发明要求于2010年11月17日提交的欧洲专利申请号10191586.6的优先权，为所有目的将其全部内容结合在此，本发明涉及一种用于生产元素氟的电解器装置及方法。

元素氟被应用于许多目的。它可以用于聚合物的表面氟化，例如来制造具有较低燃料渗透性的汽车储箱。高纯元素氟在半导体、光电池、微机电器件以及平板显示器的制造中用作蚀刻剂或室清洁剂。

氟广泛地由HF电解地生产。在一种电解质盐的存在下，如果施加至少2.9V的电压则HF就释放出氟。实际上，该电压通常被保持在8至10或11伏特的范围内。

一种通常具有化学式KF·(1.8-2.3)HF的、KF的熔融的HF加合物是优选的电解质盐。将HF送入容纳有该熔融的电解质盐的反应器中，并且通过施加一个电压并且使电流通过该熔融的盐而依照等式(1)由HF电解地形成了F₂：

2HF→H₂+F₂ (1)。

现有技术中已知的电解是在电解池中进行的；几个池被组装在一个池空间内。每个池的阴极由池容器(也称为槽)提供，该池容器是由耐HF和F₂的金属或金属合金、尤其由不锈钢或镍制成的。该池容器连接在一个整流器的(-)极上，或者在串联连接的情况下它进一步连接到下一个阳极汇流条上。每个池通常包含若干个阳极，典型地20至30个，它们可以是例如镍阳极、碳、烧结料、金刚石涂覆的阳极或可比较的材料，但通常是由碳制成。单个整流器的(+)极一侧(或者在串联连接的情况下是阴极)连接在一个(+)汇流条上，该汇流条安装在该电解池上用于供应并联的不同阳极。一个对应的池空间的这些电解池优选是通过一个直流(DC)导体系统串联连接的，该直流导体系统从整流器(+)极到阳极汇流条形成回路，因此并联地连接了这些不同的阳极。

该DC电流由一个闭合的电流环控制通过单个整流器(可商购的)来强加上的，该单个整流器将所有DC电流供应到DC汇流条系统中。这些电解池从(+)至(-)是串联连接的，从而将一个主汇流条的(+)极连接到第一池的阳极上，并且将一个主汇流条的(-)极连接到最后一个池的阴极上；在其之间，对应的阴极与对应的阳极通过一个短的汇流条连接。在这样的一种串联连接中，多个单独的池可以通过一个短路开关分流。

所描述的池的并联阳极之中电流的分布显示了关于阴极与阳极之间欧姆电阻的不同影响参数。这些连接点之间的汇流条可以具有不同的尺寸(长度和/或宽度)，可以有不同的接触电阻，阳极电阻可以不相同，阳极可以具有不同的温度，阳极表面与电解质之间的电阻可以不相同，电解质的电阻可以由于电解质的不同组成、由于例如阳极的几何形状、池或阳极安排、它的不同的温度以及池中电解质的可能波动而不同，HF供应和/或池的填充水平可以不同并且变化，可能受电场效应的影响，阴极容器的接触表面和电阻可以不同，等等。因此，每个阳极-阴极环路可以具有(并且通常具有)一个单独的欧姆电阻。单独的阳极的欧姆电阻的差别不能通过电压变化来影响或控制，并且最高电流将穿过在阳极侧与阴极侧上的连接点之间具有最低电阻的阳极。观察到穿过这些阳极的电流可以大大不同，比率为1.5∶1。因此，传导更高电流的阳极可能过热，这些阳极的表面磨损可能变化，阳极可能腐蚀并破损，并且可能因此观察到不希望的反应产物，例如GF₄、G₂F₆或其他全氟代化合物，尤其是若一个磨损的碳阳极在F₂气氛中破损或在该气氛中燃烧的话。破碎阳极的碎片可能引起池内部的短路，具有在池内部发生剧烈反应的风险。上面提到电解池通常具有20至30个阳极，并且在观察到故障信号后查找有问题的阳极是困难且费时的。在经济效率的角度上来看，当然不希望这种必须关闭电解池。CF₄含量的增大是尤其讨厌的，因为在某些应用中，例如在光电池、TFT或半导体的制造中，要求高纯的F₂。

本发明要解决的问题是提供一种用于制造F₂、尤其用于制造需要在电子行业中(例如，在半导体、光电池、微机电系统和TFT的制造中)应用的高纯F₂的一种改进的电解器装置。

用于由电解质来电解制造元素F₂的电解器装置包括至少一个电解池，该电解池包含：至少两个阳极；一个用于电解质的容器，其中该容器还用作阴极；以及至少两个整流器，使得一个整流器被分配给一个阳极。术语“一个整流器被分配给一个阳极”是指每个整流器被分配给仅一个阳极，并且每个阳极被分配给仅一个整流器。优选地，该电解池包含多于2个阳极以及多于2个整流器。因此，如果该池包含26个阳极，则该装置包含26个整流器，每个阳极一个整流器。如下面将详细说明的，可以将两个整流器组合而形成一个双整流器；而且也是在这个事实方案中，总是将这种双整流器中的一个单独的整流器分配给一个特定的阳极。提供双整流器对于生产用于半导体应用、尤其是在TFT并且尤其是光电池的制造中用作蚀刻剂和室清洁剂的F₂的设备是尤其有利的。术语“整流器”表示单个整流器；两个组合的整流器用“双整流器”表示。如果在下面的说明中，提及了某个数目“x”的整流器，则读者将知道可以替代地提供“x/2”个双整流器。

附图简要说明

图1指示了一个具有26个阳极的池在正常运行中电压的变化。

图2提供了本发明的、包括一种基础过程控制系统BPCS的一种电解器装置的方案。

图3提供了本发明的一种电解器装置的方案。

图4描述了一种用于制造纯氟的设备。

发明详细说明

图1例示了一个具有总电流为5382安倍的并且平均为207安培/阳极的池在正常运行(无破损阳极)中电压的变化。它示出了26个阳极(在本发明的电解器装置中，这些整流器被集合成26个整流器)的公差带以及电压的变化。可以应用在一个壳体内包含两个整流器的双整流器；这已在中间试验设施中成功地进行了测试。图1中给出的数据是使用具有双整流器的装置获得的；术语“左排”和“右排”表示这些阳极以两个排的形式在该池中的安排。如图1中表明的，这些阳极之中的总变化范围与现有技术的系统相比小于6％，后者中可以观察到约±25％的变化。阳极的整流器对每个阳极精确施加了相同的电流，所以阳极之中的变化是由各个工作阳极(排列成两排)的电压公差来表示的。

发明详细说明

下面将详细说明图2。

图2提供了本发明的一种电解器装置的方案，该电解器装置包括：基础过程控制系统BPCS(由称为A的分布式控制系统DCS以及称为B的可编程逻辑控制器PLC组成)、一个电解池C、众多整流器1以及对应的众多阳极2。

该装置包括一个基础过程控制系统BPCS(由称为A的分布式控制系统DCS、称为B的可编程逻辑控制器PLC组成)、以及一个电解池C。该可编程逻辑控制器PLC可以作为分离的单元来实现，或者可以是分布式控制系统DSC的一部分。

分布式控制系统DCS A主要用于三个目的：它接收/产生主电流设定点，它允许对每个阳极进行单独调节从而对每个阳极整流器单独地产生一个单独设定点，并且它当存在整流器极限电压和整流器极限电流时设定技术限制。它还优选地在以数字或以类似形式给出值的对应仪器中指示出通过传感器测定的电流、电压的实际值。

该PLC B包含将这些阳极的单独设定值与测量所提供的这些值进行比较的可编程逻辑，并且在与设定值有偏差的情况下提示多个单独阳极的电压的增大或减小或电流的增大。它还包括一种“开/关”逻辑，这种逻辑提供了在关闭之后的电解过程的顺畅启动、以及在运行之后的关闭控制。可编程逻辑控制器B优选地还包括可以与设备紧急关闭系统相互作用的可编程逻辑。

图2的装置还包含一个电解池C。

该装置可以包括众多整流器1a、1b、......，优选20至30个，或替代地10至15个双整流器，以及众多阳极2a、2b、......，例如20至30个。总是一个整流器与一个阳极相连。在图2的装置中，总是将两个整流器集合成为一个双整流器，在图2中指示为双整流器1a、1b和1c；而且在此类双整流器被用于本发明的方法中时，这种二元组的每个整流器连接在一个单独的阳极上。在图2的装置中，为简单起见展示了仅六个阳极2a......2f以及仅三个双整流器1a、1b和1c；然而应该记住的是通常整流器和阳极的数目会更高，例如每个池从26至30个整流器或13至15个双整流器。如果该池中含有例如26个阳极2a......2z，则将存在13个双整流器1a、1b、1c、......、1k。

所有整流器(-)极都通过单个汇流条3连接在容器C(它是阴极)上。每个整流器1a、1b......都是通过一个导体4a、4b、......4f单独地连接到一个阳极2a、2b......2f上的。

分布式控制系统DCS A包括一个单元5，其中可以对阳极21、2b、......设定单独的阳极电流校正因子，然而，此目的是将进入单元8中的电流主设定点分布到这些单独的整流器上。单元5还包含用于这些设定值的显示器以及对单独整流器设定点的一种指示。

分布式控制系统DCS A还包括：一个单元6，其中显示了穿过每个阳极1a、1b、......的测量的单独电流，以及一个单元7，该单元显示了在这些单独的阳极2a、2b......处测量的电压。显示器6和7均在将要超过电流和电压的工作极限曲线的极限时指示警报。

这些设定点和校正因子通过数据线9被馈送至可编程逻辑控制器PLC12，并且通过线路13、14、15和其他线(在图2中未结合)传输到其他整流器(为清楚起见在图2中未结合)，从PLC到整流器控件。该整流器控件本身提供了与这些阳极的电流和电压测量结果相关的、通过线路13、14、15返回至PLC控制器的数据，并且PLC通过线路10和11反馈至单元6和7以便显示。

本发明的优点，例如避免了短路并且在一个阳极造成问题的情况下避免了电解池的总体关闭，涉及任何类型的电极，例如镍阳极、金刚石涂覆的阳极以及碳阳极。优选地这些阳极是碳阳极。

优选地，本发明的电解器装置包含等于或多于3个电解池，优选等于或多于5个电解池。

优选地，本发明的电解器包含等于或小于15个电解池，优选等于或小于10个电解池。

每个电解池优选包含等于或多于6个阳极，更优选等于或多于10个阳极。优选地，每个电解池包含等于或小于50个阳极。优选地，每个电解池包含20至30个阳极。

该装置可以进一步包括一个可编程逻辑控制器(PLC)和/或一个分布式控制系统(DCS)。对于一种更小且简单的装置，PLC不一定是必须的；或者替代地，不需要DCS，而只在该装置中提供一个PLC。通常，尤其是在更大的装置中，优选提供PLC和DCS二者。

在一个优选实施方案中，本发明的电解器装置包含至少一个分布式控制系统DCS。该分布式控制系统DCS可以是一个模拟板或镶嵌板或可以由一个计算机系统代表。优选的分布式控制系统是以计算机实现的。该可编程逻辑控制器PLC用于处理、监控并且审查关于设定点的数据，从而确保这些值不能超过正常运行中的技术极限(最小/最大电压水平依赖于每个单独阳极电流)、对设定值的技术极限的输入、对单独阳极的校正因子的输入、对全部设定点尤其是穿过所有阳极和池的最小或最大总电流水平的输入、关于上述信号和警报处理的测量值的接收。

该装置进一步包括一个可编程逻辑控制器PLC。该可编程逻辑控制器PLC从多个整流器上接收带来了这些对应阳极的测量的参数(单独的电流和电压)的信息。该可编程逻辑控制器PLC将这些测量的参数与该分布式控制系统DCS所提供的设定值和设定点进行比较。取决于这种比较的结果，该PLC不提示任何改变或它检测到超过了预设极限。如果设定值和测量结果的比较给出了位于校正带之外的偏差，例如如果电流和/或电压的设定值与测定值的偏差不是在预定的公差带之内，而是例如大于5％，则该PLC将提示对应阳极的关闭以便维护或修理。它还可以例如向控制板发送声音或视觉信号。

一个破损阳极通常是通过在预设电流下使阳极运行的电压的显著增大来指示的。补充说明，一个阳极的短路可以当电流超过其极限并且电压降至极限以下时在电解池中检测到。此类短路通常是由在电解质内部游动的阳极碎片产生的，因为这些可以是导电的碳碎片。

术语“公差带”表示每个参数的一个特定的可接受的最小值、以及每个参数的一个特定的可接受的最大值。如果这个或这些参数位于这个公差带之内，则不需要PLC的动作。例如，DC电压的公差带可以设定在4至12V。电流的公差带可以设定在5至250安培。优选地，DC电压和电流的公差带是有联系的。例如，对于10V的电压，可以分配100至240A的电流公差带。或者对于200A的电流，可以分配9至11.5V的电压公差带。

在下表1中，针对给定的电压(以伏特计)编辑了电流(以安培给出)的优选公差带：

表1：给定DC电压时电流的优选公差带

在表2中，针对给定的电流编辑了电压的优选公差带：

表2：给定电流(以安培计)时DC电压(以伏特计)的优选公差带：

优选的是电压保持在所指出的优选公差带内。尤其优选的是电流保持在所指出的优选公差带内。如果对于给定的电压，电流在公差带之外，则将对应的电压增大或减小，使得然后电流位于公差带之内。在优选情况下，将通过用于每个阳极的一个闭环PID调整器(PID＝成比例、积分、微分)来控制电流，将电流设定点与测量的电流进行比较并且在有偏差的情况下将一个重新调节后的电流设定点发送给整流器。该PID调整器可以在(商品化的)整流器内部或在PLC的外部或内部实现。在优选情况下，闭环PID是在调整该闭合电流回路的整流器控制器的内部实现的。

必须注意电压和电流的公差带可以从阳极到阳极略微变化，例如根据阳极的几何形式、阳极的组成、以及阳极的表面或环绕阳极的阴极的几何形式。本发明的电解器装置的优点是，当设定公差带时可以将每个单独阳极的特性纳入考虑，并且所指定的运行条件可以被密切监测并且控制在它们的公差内，从而获得良好指定的电解产物。

在一个优选的实施方案中，该PLC被编程的方式为如果一个指定阳极的测量的参数与该公差带的上限或下限偏离了多于一个预设水平，则将对应的阳极关闭。尤其优选的是，如果测量的参数与该公差带的上限偏离了多于一个预设水平，因为这指示了对应阳极的实效，则将该阳极关闭。例如，偏差的关闭水平可以设定为偏离公差带的上限等于或大于10％；这个关闭水平在本发明中被称为“发散因子”。优选地，该关闭水平被设定为等于或大于公差带上限的5％的一个偏差。因此，如果必须将电压或电流以该公差带上限值的5％或更大来降低，那么就使通过对应阳极的电流停止，并且可以对该阳极、汇流条、连接等等进行检查以便修理或替换。通常，一个破损的阳极会是电流和电压位于公差带上限之外的原因。如上面提到的，这样的不规则性可能导致不可接受地产生副产物，像CF₄。本发明的电解器装置允许选择性地关闭单个不规律运行的阳极而不必完全中断F₂的生产。

该PLC通常将还包含一种开/关逻辑。这种开/关逻辑控制了这些单独的阳极以及整流器以便保护一个顺畅的启动阶段和一个顺畅的关闭阶段。

若希望的话，该PLC还可以再次包括用于其他特征的逻辑，例如当操作者观察到其他技术问题(像接触表面过热)时手动关闭单个阳极。

若希望的话，该PLC还可以再次包括用于其他特征的功能性，例如将得到良好证实的运行条件(在运行条件对比产品品质的证实研究结果的实例中)与当前测量的运行条件进行比较，再次可以有适配的公差带的参数(像适配于公差带的电解质温度)来改善该电解质。这样的逻辑可以优选地通过计算的反应函数以及比较器或模糊逻辑来实现。

该PLC优选还包括多个安全斜坡，例如1安培/分钟，用于防止这个池免受自发性注视效应(spontaneous gazing effect)。

每个整流器优选地包括至少一个测量每个阳极的参数的器件，其中该至少一个器件是选自下组，该组由以下各项组成：DC测量器件、电流闭环控制器件、电压测量器件、DC电流短路保护、以及DC电压过电压保护。由这个或这些对应的测量器件获得的这些参数被(优选地在线)发送到PLC，并且需要它们来确定是否必须提示对于这些阳极中的任何一个的一次校正或甚至是一次关闭，如以上所标明的。在一个优选实施方案中，DC测量结果是在这些整流器内部实现；此类整流器是可商购的。

本发明的电解器装置可以进一步包括用来测量关于安全性的参数的器件。例如，该装置可以包括一个或多个压力检测器；一个或多个用于装置中环境温度、电解质液体、这些阳极或电流线路的检测器；一个或多个火情检测器或烟雾检测器，例如一个或多个“极早期烟雾探测装置”(VESDA)。这些关于安全性的参数优选被发送至中央控制系统或PLC，它可以触发一种声音警报、一种视觉警报、单个或全部阳极、单个或全部的池或甚至整个电解器装置的关闭，灭火或防火动作，例如用惰性气体如氮气、二氧化碳、或氢氟烷(例如C₂HF₅或C₃HF₇)、或其混合物来淹没该装置。

如上描述的装置提供了生产纯氟的一种安全、稳定且可靠的方式。若希望的话，该装置可以包括两个冗余的中央控制系统。这保证了安全性和可靠性，即使一个控制系统失效的话。

在希望时，并且为了简化该控制系统，可以将两个整流器组装在一个双整流器壳体中；在这个实施方案中，可以将两个阳极分发给含单连通端口的一个双整流器控制器，并且在本实例中可以将若干个双整流器在一个汇流条区段内部连接到PLC汇流条控制器上。若希望的话，本发明的电解器装置可以包括一个汇流条，例如在Profibus名称下可获得的，该汇流条将这些整流器连接到该可编程逻辑控制器PLC或者连接到该分布式控制系统DCS(在包括此种PLC功能时)上。

以上给出了本发明的电解器装置的一些优点(例如，可靠性、稳定的F₂生产、被不希望的副产物污染的风险减小)。另一个优点是阳极汇流条、中央汇流条系统、短路开关、用于在电解过程的启动阶段中调节这些池的另一个整流器、或一个中央整流器系统都不是必须的。将经典设计与结合了一个调节整流器的、用于若干个池的一个公共整流器相比较，在本发明的情况下，每个整流器其自身对池调节程序以及正常的运行模式进行控制。

该装置的运行与从本领域中获知的那些装置不同。在已知的装置中，对阳极整体施加总的设定值；观察的是总电流，并且通过施加到所有阳极上的这个电压来将其进行调整。根据本发明的装置，优选地，通过改变电压来将每个单独阳极的电流水平设定并维持在一个设定水平范围内或到一个设定水平。又一个优点是这众多整流器中的每一个以一个明确定义的电流水平来运行阳极而无显著公差，而在经典设计中，总是有多个阳极由于上述电阻的变化而获取比其他阳极多得多的电流。最后，这些最高负载的阳极决定了整个池的流动因子以及阳极寿命。

因此，相比经典设施，通过本发明进行了优化的电流控制可以更好地调节阳极表面处的电流密度。

因此，适当的与阳极电流极限平衡更好的整个池的流动因子被预料是更高的。

本发明的电解器装置可以用于生产元素氟的任何制造单元中。如以上提到的，它尤其适合用于制造在用于制造半导体、MEMS、平板显示器的TFT以及光电池的生产设备中作为蚀刻气体或室清洁剂使用的纯氟。通常，希望的是在此类生产设备的“原位”或“越过其栅栏”来生产氟。“原位”是指该氟生产装置被整合在该生产设备中。F₂通过对应的管线被提供到使用点。“越过其栅栏”是指该氟生产装置靠近该设备、但与之分离，例如通过栅栏。这增强了安全性，因为未许可的人员可容易地避开该地点。此外，当F₂直接在消费者设备(例如光电设备)的旁边来生产时，F₂的运输(例如经由公路)是不必需的。

图3提供了本发明的一种电解器装置的方案，该装置包括一个电解池C、众多整流器1a、1b、......至1f。对应的众多阳极2a、2b至2f通过线路4a、4b......至4f单独地连接在一个整流器上，两个这样的整流器被集合成为双整流器。该分布式控制系统和一个可编程逻辑控制器被组合在一个壳体B’中，这是一个BPCS。线路3提供了到形成阴极的池容器上的连接。这些设定点和校正因子通过线路13、14、15以及其他线路(在图2中未结合)被传输至如同样在图2中指示出的整流器中。

图4中给出了使用本发明的电解器装置的一种用于生产纯氟的设备的一个方案。

图4中描述的设备尤其适合用于制造在TFT、MEMS、半导体、光电池的制造中以及在尤其用于这些工艺的室的清洁中应用的纯氟。

液体HF被储存在缓冲罐1中。该罐中的液体HF用N₂进行加压并且将液体HF运输至HF蒸发器中，该蒸发器位于缓冲罐1与多个池2之间，但图4中未给出单独的符号。在该HF蒸发器中，液体HF被蒸发并且以气相被送往电解池2中。在图4中示出了4个池，但必须记住的是该设备可以包括更多的池。

在紧急情况下，可以使生产的F₂经由一个液压密封系统(填充有PFPE油＝全氟聚醚，作为密封液体)或通过这些电解池上的沉降箱(用于气流中电解质的沉降)通向一个分解单元3，该分解单元包括一个摧毁塔，优选是一个湿法洗涤系统，在这里它被化学地分解，例如用碱液，该碱液可以另外包含碱金属硫代硫酸盐(用于包含有来自这些电解池的F₂一侧的F₂和HF的尾气线路)，以及另一个串联的涤气器，作为一个冗余的涤气器用于来自F₂线路的尾气并且用于紧急情况。

有利地使所生产的H₂穿过这些电解池上的一个沉降箱4(用于气流中电解质的沉降)并且在缓和单元5(优选是用于H₂气流中HF的一个苛性碱水洗涤系统)中进行清洁。然后可以将纯化后的H₂释放到大气中。使所生产的F₂穿过一个分离器而进入一个纯化单元6，在这里使它首先与一个HF涤气器中的冷液体HF相接触以去除夹带的固体，主要是夹带的凝固的电解质盐。在离开该HF涤气器之后，使F₂穿过一个被冷却到约-80℃的热交换器以便通过冷凝来去除夹带的HF。在两个NaF塔7中去除任何残留的HF。将离开NaF塔7的高纯的F₂收集在一个缓冲罐8中，从这里可以使它穿过一个过滤器9(用于固体)而被抽出。

NaF塔7a和7b是冗余的。NaF塔7a和7b包含一对NaF塔(两个塔被安装在一个滑车上，以便从滑动设施上容易的拆卸和更换)。如果它们之一被加载了所吸收的HF，则它可以通过在升高的/高的温度下使N₂或其他惰性气体从线路10穿过它而再生。

本发明的电解器装置由参考符号11标示。它包括：多个池2(含多个阳极(在图4中未示出))、用于这些整流器的这些壳体12、一个分布式控制系统DCS13以及一个可编程逻辑控制器14。为简单起见，这些池2中的众多阳极以及这些整流器壳体12中的众多整流器(一个整流器连接在一个阳极上)未被示出，但它们当然是该电解器装置的一部分。若希望的话，可以如以上提到的将两个整流器结合为一个双整流器。

可以将该电解器装置按滑动件的形式进行组装。在这个实施方案中，将该电解器装置的多个部分(例如，多个整流器和包括这些阳极的电解器容器、提供HF的管线、以及抽出F₂的管线)安装在一个滑动件上。

根据一个优选实施方案，将本发明的电解器装置根据“滑动件概念”整合在一个氟生产设备中。术语“滑动件概念”表示设备的多个部件被组装在多个分开的滑动件中的一种设备。其优点是这些滑动件可以在工厂中由有经验的工人进行制造和测试、是一个个滑动件被送至将生产氟的位置、并且在这个位置上直接来组装。这样一个概念描述于共同未决的专利申请US61/383533和US61/383204中，之后(在2011年9月12日)作为PCT专利申请再次提交，具有的申请号为PCT/EP2011/065773，为所有目的将这三个申请的全部内容通过引用结合在此。

这样一种设备包括多个滑动件式安装的模块，这些模块包括至少一个选自下组的滑动件式安装的模块，该组由以下各项组成

包括至少一个HF储存罐的一个滑动件式安装的模块，表示为滑动件1，

包括至少一个产生F₂的电解池的一个滑动件式安装的模块，表示为滑动件2，它对应于本发明的电解器装置，

包括用于纯化F₂的纯化装置的一个滑动件式安装的模块，表示为滑动件3，

包括将氟气体递送到使用点的装置的一个滑动件式安装的模块，表示为滑动件4，

包括冷却水回路的一个滑动件式安装的模块，表示为滑动件5，

包括处理废气的装置的一个滑动件式安装的模块，表示为滑动件6，

包括用于分析F₂的装置的一个滑动件式安装的模块，表示为滑动件7，以及

包括操作这些电解池的装置的一个滑动件式安装的模块，表示为滑动件8。这个模块对应于或包括该中央控制系统。

该设备优选还包括多个滑动件式模块，这些模块可以位于滑动件式模块1至8的附近但是可以与它们分开，即

一个滑动件式模块9，它是一个主要用于将中电压转换成低电压的子电站

一个滑动件式模块10，它将实用设施(控制室、实验室、休息室)容纳在内。

为了安全原因，至少，滑动件1、2、3、4以及7，优选所有滑动件包括壳体。

本发明另一个方面是一种用于制造元素氟的方法，其中可以应用本发明的电解器装置。

本发明的用于通过电解含HF和电解质盐的熔融组合物来电解制造氟的方法，其中使用了一种电解器装置，该电解器装置包括：至少一个含至少两个阳极的电解池、一个金属的阴极容器、以及多个整流器，使得每个阳极被分配给一个整流器；并且每个整流器被分配给一个阳极。术语“分配”包括了“连接”的含义。

优选地，本发明的方法是以如上描述的电解器装置的优选实施方案进行；它尤其是在一个设备中根据如于2010年9月15日提交的US61/383533以及于2010年9月16日提交的US61/383204(这些申请的优先权在2011年9月12日提交的具有的申请号为PCT/EP2011/065773的PCT专利申请中提出了要求)中描述的滑动件概念而进行的。

优选地，该待电解的熔融组合物具有的近似组成为KF·(1.8-2.3)HF。

若任何通过引用结合在此的专利、专利申请、以及公开物中的披露内容与本申请的说明相冲突的程度至它可能使一个术语不清楚，则本说明应该优先。

现在将就一个描述了优选的装置以及氟生产方法的实例来更详细地描述本发明，并且确切地说是在一种用于制造氟的方法中使用本发明的电解器装置以及方法。

实例

可以安装在滑动件中的电解器装置包括1个电解池，该电解质包含26个阳极。该装置包含容量为12V/250A的13个双整流器，这些双整流器中每个单独整流器连接到一个阳极上。每个整流器包含一个DC电流测量器件(例如，一个安培计)、一个电压测量器件(例如一个电压表)(其中可以通过单个器件来提供电流和电压的测量，可以在此基础上设定为例如250A的关闭限值的一个短路保护、可以被设定至例如15V的一个DC电压过电压保护)、这些阳极之间的一个数字汇流条连接、以及交换整流器设定参数的一个中央阳极控制单元。对于每个单独的阳极，该整流器的电流环路控制(是闭合的或打开的)由分布式控制系统DCS和PLC通过进入DCS中的一个电流设定点以及一个手动设定的校正因子来操纵。这些数据在PLC(一个中央阳极控制单元)中被管理，该单元是一个被编程的Siemens S7-300PLC控制器。DCS来设定并且PLC来控制每个整流器所要求的电流水平、对每个阳极应用对应的校正因子、并且允许与其他阳极的电负荷相比来减小一个特定阳极的负荷。

公差带优选地设定为直流电压(VDC)12V，并且直流电流(ICD)设定为240A作为对照。

将具有的近似组成为KF·2HF的电解质盐填充到这些电解池容器内并使其在其中熔化(在约85℃至100℃的温度下)。接通用于这些整流器的电供应，并且启动电解过程。该PLC(中央阳极单元)通过进入该中央控制单元中的、用于特定阳极的公差带来保持每个单独阳极的电压和电流。当电解已经启动时，该熔融电解质就被加热，并且对应的冷却是有利的。通过将适当量值的HF进料到该容器中，而将熔融电解质的水平保持在一个预设的范围内。在电解过程中，形成了F₂和H₂并将其分别从这些池中抽出。将来自这些池的H₂进料到一条公共管线中、用惰性气体稀释并使之分解或通到大气中。仅在启动阶段(电解质混合物的调节过程)或在紧急情况下，将F₂送至F₂摧毁单元/F₂缓和系统中。将所形成的F₂收集在一条公共管线中并进行纯化。通常，它包含夹带的固体，主要是凝固的电解质盐。这种纯化可以如未公布的欧洲专利申请号10172034.0中所描述地进行。根据其中描述的用于氟纯化的方法，使该氟与液体氟化氢相接触，该液体氟化氢具有的温度优选是等于或高于-83℃，更优选等于或高于-82℃并且优选是等于或低于-40℃。为了提供如优选地在制造中作为以上提及的蚀刻气体或室清洁气体应用的高纯的F₂，使之经受一个进一步的纯化处理，该纯化处理优选包括至少一个用于提供高纯氟的低温处理的步骤以及任选地一个在该低温处理之后使氟与一种用于HF的吸附剂(例如NaF)相接触的额外步骤、一个在该低温处理之后是氟穿过一个过滤器的额外步骤、或二者。在该深的温度处理中，夹带的HF通过冷凝或使其冰冻而从F₂中被去除。该低温处理优选地是在等于或低于HF在对应压力下的冰点的温度下进行的；通常是在等于或低于-82℃的温度下。然后将纯化后的F₂填充到一个储罐中或转运到它被用作蚀刻气体或室清洁气体的工具中。

如果该电流或电压测量器件检测到电压或电流位于预设公差带之外，相差的百分比高于这个优选设定为5％的校正因子，则一个数字的关闭命令被发送给该中央阳极控制单元，该中央阳极控制单元将这个关闭命令分配给对应的阳极整流器或与对应的阳极相连的多个阳极整流器，这些阳极整流器关闭电流并且因此停止这个或这些单独阳极的电解过程。

在这个实例中，一个警报被发送给操作人员，从而直接识别这个有缺陷的池和阳极。接着可以识别出有问题的一个或多个阳极并且进行修理或更换。

本发明的另一个方面是用于通过KF·(1.8-2.3)HF的电解来制造F₂的一种整流器/阳极系统。该整流器/阳极系统包括至少两个碳阳极以及至少两个整流器，其中每个碳阳极单独与一个整流器相连。

Claims (16)

1.一种用于从电解质来电解制造元素F₂的电解器装置，该电解器装置包括至少一个电解池，该至少一个电解池包含至少两个阳极、用于该电解质的用作唯一阴极的由不锈钢或镍制成的金属容器、以及至少两个整流器，使得一个整流器被分配给一个阳极，其中术语“一个整流器被分配给一个阳极”是指每个整流器被分配给仅一个阳极，并且每个阳极被分配给仅一个整流器，其中所述阳极是碳阳极，并且所有整流器负极都连接到所述容器。

2.如权利要求1所述的电解器装置，其中所述阳极是碳阳极。

3.如权利要求1或2所述的电解器装置，该电解器装置包含等于或多于5个电解池。

4.如权利要求1到2中任一项所述的电解器装置，其中每个电解池包含20到30个阳极。

5.如权利要求1到2中任一项所述的电解器装置，其中每个整流器连接到控制单元，所述控制单元单独地控制每个整流器。

6.如权利要求5所述的电解器装置，其中该整流器包括至少一个器件，该至少一个器件测量每个阳极的参数，其中该至少一个器件是选自下组，该组由以下各项组成：DC测量器件、电流闭环控制器件、电压测量器件、DC电流短路保护、以及DC电压过电压保护，所述参数对于每个阳极是在该整流器中测量的并且在PLC内部检测的。

7.如权利要求1到2中任一项所述的电解器装置，包括可编程的逻辑控制器(PLC)。

8.如权利要求1到2中任一项所述的电解器装置，该装置进一步包括分布式控制系统(DSC)和/或安全关闭系统。

9.如权利要求1到2中任一项所述的电解器装置，其包括安全控制器，该安全控制器连接到至少一个选自下组的器件上，该组由以下各项组成：气体压力检测器、温度检测器、火情检测器、以及烟雾检测器。

10.如权利要求9所述的电解器装置，包括至少两个独立的安全控制器。

11.如权利要求1到2中任一项所述的电解器装置，其中两个整流器被集合成为一个双整流器。

12.根据权利要求1到2中任一项所述的电解器装置，该电解器装置被安排成滑动件的形式。

13.一种用于通过电解含有HF和电解质盐的熔融组合物来电解制造氟的方法，其中使用电解器装置，该电解器装置包括至少一个电解池，该至少一个电解池包含：至少两个阳极、金属的阴极容器、以及多个整流器，使得每个阳极被分配给一个整流器。

14.如权利要求13所述的方法，其中该熔融组合物具有的组成为KF·(1.8-2.3)HF。

15.如权利要求13和14中任一项所述的方法，其中该电解器装置是如权利要求2至12中任一项所述的电解器装置。

16.如权利要求13到14中任一项所述的方法，其中通过改变电压将每个单独阳极的电流水平设定并维持在设定水平范围之内。