CN104326443B - 一种五氟化碘的制备方法及生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五氟化碘的制备方法及生产设备，该制备方法包括：1)向第一、二反应釜中分别加入五氟化碘和熔融碘，形成混合体系；2)向第一反应釜中通入氟氮混合气，反应剩余的混合气体通入第二反应釜进行反应，再将剩余的气体排出；3)第一反应釜中反应结束，将生成的五氟化碘排出，再配制混合体系；4)向第二反应釜中通入氟氮混合气，剩余的混合气体通入第一反应釜进行反应，再将剩余的气体排出；5)第二反应釜中反应结束，将生成的五氟化碘排出，再配制混合体系；6)重复步骤2)至5)的操作。本发明的制备方法，实现了五氟化碘的连续生产，提高了原料的利用率，所得产品质量稳定、收率高，同时避免了氟资源的浪费和环境污染。

Description

一种五氟化碘的制备方法及生产设备

技术领域

本发明属于氟化工技术领域，具体涉及一种五氟化碘的制备方法，同时还涉及一种五氟化碘的生产设备。

背景技术

五氟化碘(IF₅)常温下为无色液体，相对密度3.19(25℃)，熔点9.49℃，沸点100.5℃，蒸汽压1333Pa。五氟化碘是一种通用的氟化剂和强氧化剂，主要用于合成全氟碘代烷，全氟碘代烷是生产防油、防污、防水整理剂的重要原料。

以碘和氟气反应制备五氟化碘是生产五氟化碘的主要途径，当前主要的方法包括碘在氟气中燃烧以及氟气通入溶解部分碘的五氟化碘液体中两种工艺。

氟气与碘燃烧反应：将碘至于密闭的容器中，在60～80℃条件下慢慢通入单质氟，最初反应釜内为气固两相，反应开始后生成液相五氟化碘，随着反应进行，体系中固体碘逐渐减小，最后成为气液两相状态。此反应速度快，反应放热量大(五氟化碘生成热920kJ/mol)，反应难以控制，易产生大量的碘蒸气堵塞管道，且因反应局部温度过高，容易副产七氟化碘，造成五氟化碘收率降低，杂质偏高。

氟气通入溶解部分碘的五氟化碘液体中反应：根据碘单质在五氟化碘中可溶的特点，将碘投入装有五氟化碘液体的反应器中，向反应器中通氟，控制反应器内压力低于-0.02MPa，温度低于85℃。该方法较燃烧法相比，可控性和产品质量有较大改进，但仍存在一些缺点：a.因碘在五氟化碘中溶解度较低，单批次加入碘量较少，需频繁加碘，生产不易连续进行；b.由于碘在五氟化碘中溶解度偏低，未溶解的碘易在溶液中形成结块，氟气通入后因与碘接触面积小，反应率降低，造成大量未反应的氟备浪费掉，同时也可能造成严重的环境污染；c.由于该反应在负压下进行，随着反应进行温度升高，部分五氟化碘挥发成气体，在反应二次抽真空过程中被排除，造成反应收率降低。

因此，现有的五氟化碘制备工艺普遍存在生产工艺不易控制、产品收率偏低，且不易连续化生产的缺点，也造成了产品质量的不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种五氟化碘的制备方法，解决现有五氟化碘制备工艺产品收率偏低、不易连续化生产且产品质量不稳定的问题。

本发明的第二个目的是提供一种五氟化碘的生产设备。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种五氟化碘的制备方法，包括下列步骤：

1)向第一反应釜和第二反应釜中分别加入五氟化碘，再加入熔融碘，在第一反应釜和第二反应釜中分别形成混合体系；

2)向第一反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气，搅拌进行反应，将反应剩余的混合气体通入第二反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，再将反应剩余的气体排出第二反应釜；

3)当第一反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第一反应釜中生成的五氟化碘排出，根据釜底五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

4)向第二反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气，搅拌进行反应，将反应剩余的混合气体通入第一反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，再将反应剩余的气体排出第一反应釜；

5)当第二反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第二反应釜中生成的五氟化碘排出，根据釜底五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

6)重复步骤2)至5)的操作，收集第一反应釜和第二反应釜排出的五氟化碘，即得。

步骤1)、3)、5)每个反应釜中，熔融碘的加入质量为该反应釜中五氟化碘质量的1％～10％。

步骤1)、3)、5)中，所述混合体系的温度为30～80℃。

所述氟氮混合气中，氟气和氮气的体积比为1:1～9。

所述氟氮混合气的加入量为：使氟气的加入量按照化学当量比过量5％～30％。

所述通入氟氮混合气的流速为30～80L/min。

步骤2)中所述反应的温度为30～80℃。

步骤2)和4)中，当第二或第一反应釜内的压力升高至0.02～0.08MPa时，再将反应剩余的气体排出第二或第一反应釜。

步骤3)和5)中，判断第一或第二反应釜中反应结束的标志是：反应釜内液面高度无明显变化，即为反应结束。

随着反应持续进行，生成液体IF₅的量会逐渐增加，反应釜内液面会逐渐升高，当反应釜中基本反应完成后，整体液面基本不变化，以此初步判定反应结束，同时根据反应增重确定I₂和F₂反应的量。

将步骤3)、5)排出的五氟化碘导入精馏装置进行提纯，即得成品五氟化碘。

将第一反应釜和第二反应釜排出的反应剩余的气体导入分离精馏装置，经提纯处理后回收N₂继续使用。

一种五氟化碘的生产设备，包括第一反应釜和第二反应釜，所述第一反应釜和第二反应釜上均设有碘加料管和用于与供气系统相连通的氟氮进气管，所述碘加料管和氟氮进气管的末端均伸入反应釜内腔的底部；所述第一反应釜和第二反应釜上均设有混合气进口和混合气出口，第一反应釜的混合气出口通过第一管路与第二反应釜的混合气进口相连通，且第一管路的末端伸入第二反应釜内腔的底部，第二反应釜的混合气出口通过第二管路与第一反应釜的混合气进口相连通，且第二管路的末端伸入第一反应釜内腔的底部；所述第一反应釜和第二反应釜上还均设有排气口和排料口。

还包括分离精馏装置，所述分离精馏装置设有进料口和进气口，所述第一反应釜和第二反应釜的排气口与分离精馏装置的进气口相连接，所述第一反应釜和第二反应釜的排料口与分离精馏装置的进料口相连接。

还包括第一碘加热装置和第二碘加热装置，所述第一碘加热装置与第一反应釜的碘加料管相连通；所述第二碘加热装置与第二反应釜的碘加料管相连通。

本发明的五氟化碘的制备方法，以碘为原料，以五氟化碘为载体，在双釜反应体系中连续通入氟气进行反应，保证了氟与碘温和反应制备五氟化碘，实现了五氟化碘的连续生产；反应剩余气体在双釜中切换至氟气耗尽，提高了原料的利用率，所得五氟化碘产品质量稳定，产品收率高，同时避免了氟资源的浪费和环境污染，保证了生产的安全可靠性；工艺简单，操作方便，易于自动化控制，适合大规模工业化生产。

本发明的五氟化碘的制备方法中，单批次投入五氟化碘中的碘较少，氟气通入后最大限度保证了反应的温和进行，避免了碘的挥发以及七氟化碘的生成，进一步提高生产过程中反应的可控性。

本发明的五氟化碘的制备方法中，将第一反应釜和第二反应釜排出的反应剩余的气体导入分离精馏装置，经提纯处理后回收N₂继续使用。该制备方法中，可使用不同比例的氟氮混合气作为氟源，反应过程中可能还会生成其他轻组分气体如HF、O₂等杂质，反应残留的N₂如果直接从反应器排出会将这些轻组分气体杂质一同带出，可能会对产品环境造成影响，排出N₂也不能直接使用，因而设计将反应釜中反应剩余的气体导入精馏系统中，轻组分杂质在精馏塔顶馏出后，再进一步提纯处理后，回收N₂可继续使用。反应剩余气体的回收与产品五氟化碘的提纯可采用同一套分离精馏装置，反应剩余气体中的轻组分气体不会对产品提纯产生影响。

本发明的五氟化碘的生产设备，采用双釜体系，并且采用第一管路和第二关路将两反应釜的混合气出口与混合气进口相连通，使反应剩余的混合气体可以在两釜间切换，保证了氟气的连续通入，实现了五氟化碘的连续生产，提高了原料的利用率和生产效率；所得五氟化碘产品质量稳定，产品收率高，同时避免了氟资源的浪费和环境污染，保证了生产的安全可靠性，适合推广应用。

附图说明

图1为实施例1的五氟化碘的生产设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的五氟化碘的生产设备，如图1所示，包括第一反应釜1、第二反应釜2、分离精馏装置5、第一碘加热装置3和第二碘加热装置4；所述第一反应釜1的顶部设有第一碘加料管13和第一氟氮进气管12，所述第一碘加料管13的一端与第一碘加热装置3相连通，另一端(末端)深入第一反应釜1内腔的底部，所述第一氟氮进气管12的一端与供气系统7相连通，另一端(末端)深入第一反应釜1内腔的底部；所述第二反应釜2的顶部设有第二碘加料管16和第二氟氮进气管15，所述第二碘加料管16的一端与第二碘加热装置4相连通，另一端(末端)深入第二反应釜2内腔的底部，所述第二氟氮进气管15的一端与供气系统7相连通，另一端(末端)深入第二反应釜2内腔的底部；所述第一反应釜1的顶部设有第一混合气进口21和第一混合气出口23，所述第二反应釜2的顶部设有第二混合气进口24和第二混合气出口22，第一混合气出口23通过第一管路26与第二混合气进口24相连通，且第一管路26的末端伸入第二反应釜2内腔的底部，第二混合气出口22通过第二管路25与第一混合气进口21相连通，且第二管路25的末端伸入第一反应釜1内腔的底部；所述第一反应釜1的顶部还设有第一排气口14，侧壁上还设有第一排料口18，第二反应釜2的顶部还设有第二排气口17，侧壁上还设有第二排料口19，第一排气口14和第二排气口17均与设在分离精馏装置5上的进气口27相连通，第一排料口18和第二排料口19均与设在分离精馏装置5上的进料口28相连通。

所述第一反应釜1顶部设有第一压力表10，内腔的底部设有第一搅拌装置8；所述第二反应釜2顶部设有第二压力表11，内腔的底部设有第二搅拌装置9。分离精馏装置5上还设有排气口31和用于与成品收集系统6相连通的出料口30。所述第一反应釜1和第二反应釜2外部均设有冷却装置，使用冷却水对反应釜进行冷却。

本实施例的五氟化碘的生产设备中，所用管道上均在合适位置设有阀门。

实施例2

本实施例的五氟化碘的制备方法，使用实施例1的生产设备，具体包括下列步骤：

1)对反应釜进行抽真空处理，向第一反应釜和第二反应釜中分别加入100kg五氟化碘，取固体碘分别加入第一、第二碘加热装置中进行熔融，熔融碘通过第一、第二碘加料管流入反应釜中五氟化碘液面下，每个反应釜中熔融碘的加入量为10kg(五氟化碘质量的10％)，在第一反应釜和第二反应釜中分别形成含碘的五氟化碘溶液与浆状五氟化碘混合体系，控制混合体系的温度为70℃；

2)通过供气系统和第一氟氮进气管向第一反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气(氟气与氮气的体积比为1:1)，控制气体流量30L/min，氟氮混合气的加入量是使氟气加入量按照化学计量比过量20％，搅拌进行反应，反应釜外部使用冷却水进行冷却，控制反应温度为80℃；反应剩余的混合气体(主要为F₂+N₂)通过第一管路通入第二反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，控制反应温度为80℃，当第二反应釜内压力升高至0.02MPa时，将反应剩余的气体(主要为N₂)从第二排气口排出第二反应釜并导入分离精馏装置；

3)通过监测反应釜中液面变化判断反应釜内部I₂的转化率，至反应釜内液面无明显变化时，第一反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第一反应釜中生成的五氟化碘从第一排料口排出并通入分离精馏系统进行提纯，根据釜底剩余五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

4)通过供气系统和第二氟氮进气管向第二反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气(氟气与氮气的体积比为1:1)，控制气体流量30L/min，氟氮混合气的加入量是使氟气加入量按照化学计量比过量20％，搅拌进行反应，反应釜外部使用冷却水进行冷却，控制反应温度为80℃；反应剩余的混合气体(主要为F₂+N₂)通过第二管路通入第一反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，控制反应温度为80℃，当第一反应釜内压力升高至0.02MPa时，再将反应剩余的气体(主要为N₂)从第一排气口排出第一反应釜并导入分离精馏装置；

5)通过监测反应釜中液面变化判断反应釜内部I₂的转化率，至反应釜内液面无明显变化时，第二反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第二反应釜中生成的五氟化碘从第二排料口排出并通入分离精馏系统进行提纯，根据釜底剩余五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

6)重复步骤2)至5)的操作，收集提纯后的五氟化碘，即得成品五氟化碘。

将第一反应釜和第二反应釜排出的反应剩余的气体导入分离精馏装置，经提纯处理后回收N₂继续使用。

实施例3

本实施例的五氟化碘的制备方法，使用实施例1的生产设备，具体包括下列步骤：

1)对反应釜进行抽真空处理，向第一反应釜和第二反应釜中分别加入100kg五氟化碘，取固体碘分别加入第一、第二碘加热装置中进行熔融，熔融碘通过第一、第二碘加料管流入反应釜中五氟化碘液面下，每个反应釜中熔融碘的加入量为5kg(五氟化碘质量的5％)，在第一反应釜和第二反应釜中分别形成含碘的五氟化碘溶液与浆状五氟化碘混合体系，控制混合体系的温度为50℃；

2)通过供气系统和第一氟氮进气管向第一反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气(氟气与氮气的体积比为1:5)，控制气体流量65L/min，氟氮混合气的加入量是使氟气加入量按照化学计量比过量5％，搅拌进行反应，反应釜外部使用冷却水进行冷却，控制反应温度为60℃；反应剩余的混合气体(主要为F₂+N₂)通过第一管路通入第二反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，控制反应温度为60℃，当第二反应釜内压力升高至0.035MPa时，再将反应剩余的气体(主要为N₂)从第二排气口排出第二反应釜并导入分离精馏装置；

3)通过监测反应釜中液面变化判断反应釜内部I₂的转化率，至反应釜内液面无明显变化时，第一反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第一反应釜中生成的五氟化碘从第一排料口排出并通入分离精馏系统进行提纯，根据釜底剩余五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

4)通过供气系统和第二氟氮进气管向第二反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气(氟气与氮气的体积比为1:5)，控制气体流量65L/min，氟氮混合气的加入量是使氟气加入量按照化学计量比过量5％，搅拌进行反应，反应釜外部使用冷却水进行冷却，控制反应温度为60℃；反应剩余的混合气体(主要为F₂+N₂)通过第二管路通入第一反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，控制反应温度为60℃，当第一反应釜内压力升高至0.035MPa时，再将反应剩余的气体(主要为N₂)从第一排气口排出第一反应釜并导入分离精馏装置；

5)通过监测反应釜中液面变化判断反应釜内部I₂的转化率，至反应釜内液面无明显变化时，第二反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第二反应釜中生成的五氟化碘从第二排料口排出并通入分离精馏系统进行提纯，根据釜底剩余五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

6)重复步骤2)至5)的操作，收集提纯后的五氟化碘，即得成品五氟化碘。

将第一反应釜和第二反应釜排出的反应剩余的气体导入分离精馏装置，经提纯处理后回收N₂继续使用。

实施例4

本实施例的五氟化碘的制备方法，使用实施例1的生产设备，具体包括下列步骤：

1)对反应釜进行抽真空处理，向第一反应釜和第二反应釜中分别加入100kg五氟化碘，取固体碘分别加入第一、第二碘加热装置中进行熔融，熔融碘通过第一、第二碘加料管流入反应釜中五氟化碘液面下，每个反应釜中熔融碘的加入量为1kg(五氟化碘质量的1％)，在第一反应釜和第二反应釜中分别形成含碘的五氟化碘溶液与浆状五氟化碘混合体系，控制混合体系的温度为30℃；

2)通过供气系统和第一氟氮进气管向第一反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气(氟气与氮气的体积比为1:9)，控制气体流量80L/min，氟氮混合气的加入量是使氟气加入量按照化学计量比过量30％，搅拌进行反应，反应釜外部使用冷却水进行冷却，控制反应温度为40℃；反应剩余的混合气体(主要为F₂+N₂)通过第一管路通入第二反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，控制反应温度为40℃，当第二反应釜内压力升高至0.08MPa时，再将反应剩余的气体(主要为N₂)从第二排气口排出第二反应釜并导入分离精馏装置；

3)通过监测反应釜中液面变化判断反应釜内部I₂的转化率，至反应釜内液面无明显变化时，第一反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第一反应釜中生成的五氟化碘从第一排料口排出并通入分离精馏系统进行提纯，根据釜底剩余五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

4)通过供气系统和第二氟氮进气管向第二反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气(氟气与氮气的体积比为1:9)，控制气体流量80L/min，氟氮混合气的加入量是使氟气加入量按照化学计量比过量30％，搅拌进行反应，反应釜外部使用冷却水进行冷却，控制反应温度为40℃；反应剩余的混合气体(主要为F₂+N₂)通过第二管路通入第一反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，控制反应温度为40℃，当第一反应釜内压力升高至0.08MPa时，再将反应剩余的气体(主要为N₂)从第一排气口排出第一反应釜并导入分离精馏装置；

5)通过监测反应釜中液面变化判断反应釜内部I₂的转化率，至反应釜内液面无明显变化时，第二反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第二反应釜中生成的五氟化碘从第二排料口排出并通入分离精馏系统进行提纯，根据釜底剩余五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

6)重复步骤2)至5)的操作，收集提纯后的五氟化碘，即得成品五氟化碘。

将第一反应釜和第二反应釜排出的反应剩余的气体导入分离精馏装置，经提纯处理后回收N₂继续使用。

实验例

本实验例对实施例2-4的五氟化碘的制备方法的反应效率和所得产品质量进行检测，结果如表1所示。

其中，对比例1的五氟化碘的制备方法，具体步骤为：对单釜反应系统进行抽真空处理，后在反应釜中加入100kg五氟化碘，10kg固体碘加入碘加热装置中熔融，后加入反应釜中；开启反应釜内部磁力搅拌器和反应釜冷却循环水，保证反应釜中温度30-80℃。向反应釜内五氟化碘液面下通入50:50的F₂/N₂混合气，控制气体流量30L/min，F₂通入量为化学计量比过量20％，当反应器内压力高于0.035MPa时，开启反应器放空阀，排出杂质气体至提纯系统，降低反应器内部压力至常压，保证反应持续进行。通气结束后，反应釜增重6.8kg，I₂转化率90.9％，F₂转化率75.7％。较多的氟因未能与碘充分反应而直接排出。

而实施例2的五氟化碘的制备方法中，至第一反应釜第一次反应结束时，第一反应增重6.6kg，第二反应釜增重2.1kg；第一反应釜中碘转化率88.2％，氟转化率73.5％；第二反应釜碘转化率28.1％，氟转化率23.4％，氟在总反应体系中转化率为96.9％。

实施实例3的五氟化碘制备方法中，至第一反应釜第一次反应结束时，第一反应釜增重3.5kg，第二反应釜增重0.3kg，则第一反应釜中I₂转化率93.6％，F₂转化率89.1％；第二反应釜中I₂转化率8％，F₂转化率7.6％，F2总转化率96.8％。

实施实例4的五氟化碘制备方法中，至第一反应福第一次反应结束时，第一反应釜增重0.7kg，第二反应釜增重0.2kg，则第一反应釜中I₂转化率93.6％，F₂转化率75.2％％；第二反应釜中I₂转化率5.3％，F₂转化率21.1％，F₂总转化率96.3％。

表1 实施例2-4的制备方法的反应效率和产品质量检测结果

注：表1中实施例2-4的数据均为第一反应釜第一次反应结束时(即步骤3))采集的数据。

从表1可以看出，实施例2-4的五氟化碘的制备方法，F₂转化率远远高于传统的单釜工艺。实验结果表明。本发明的五氟化碘的制备方法，利用双釜法工艺，在保证反应可控进行的前提下，提升了反应过程中氟的综合利用率，产品质量稳定可靠，且有利于连续化生产。

Claims (4)

1.一种五氟化碘的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1）向第一反应釜和第二反应釜中分别加入五氟化碘，再加入熔融碘，在第一反应釜和第二反应釜中分别形成混合体系；

2）向第一反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气，搅拌进行反应，将反应剩余的混合气体通入第二反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，再将反应剩余的气体排出第二反应釜；

3）当第一反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第一反应釜中生成的五氟化碘排出，根据釜底五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

4）向第二反应釜中混合体系的液面下通入氟氮混合气，搅拌进行反应，将反应剩余的混合气体通入第一反应釜中混合体系的液面下，搅拌进行反应，再将反应剩余的气体排出第一反应釜；

5）当第二反应釜中的反应结束，停止通入氟氮混合气，将第二反应釜中生成的五氟化碘排出，根据釜底五氟化碘的量再加入五氟化碘和熔融碘配制混合体系；

6）重复步骤2）至5）的操作，收集第一反应釜和第二反应釜排出的五氟化碘，即得；

步骤1）、3）、5）每个反应釜中，熔融碘的加入质量为该反应釜中五氟化碘质量的1%～10%；

所述氟氮混合气中，氟气和氮气的体积比为1:1～9；

步骤2）中所述反应的温度为30～80℃。

2.根据权利要求1 所述的五氟化碘的制备方法，其特征在于：步骤1）、3）、5）中，所述混合体系的温度为30～80℃。

3.根据权利要求1所述的五氟化碘的制备方法，其特征在于：所述氟氮混合气的加入量为：使氟气的加入量按照化学当量比过量5%～30%。

4.根据权利要求1 所述的五氟化碘的制备方法，其特征在于：将步骤3）、5）排出的五氟化碘导入精馏装置进行提纯，即得成品五氟化碘。