CN115305486A - 一种制备高纯氟气的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种制备高纯氟气的装置和方法，装置包括电解槽、纯化塔、气体储罐、一级过滤器、气体增压装置、精馏塔、精馏柱、冷却器、二级过滤器、成品储罐、隔膜压缩机和钢瓶，各个装置依次串联而成；所述一种制备高纯氟气的方法是将电解制得的氟气纯化后增压至正压，经过一级过滤后进入精馏塔精馏提纯，随后进行冷却、二级过滤。本发明通过氟气的低沸点性能，借助精馏塔将氟气从塔顶分离出来，达到提高氟气纯度的目的，提高了氟气产品的质量，满足现有电子行业和精细化工的生产用氟气要求，具有良好的经济价值和广阔的应用前景。

Description

一种制备高纯氟气的装置和方法

技术领域

本发明属于高纯气体制备技术领域，具体涉及一种制备高纯氟气的装置和方法。

背景技术

高纯氟气(F₂)具有沸点低、化学性质活泼、强氧化性等特点，能与大多数无机物或有机物在室温或低于室温下反应，释放较多的热量。高纯氟气是精细化工领域的重要原料，广泛应用于电子、激光技术、医药、卫生、科研、塑料等领域；由于它的强氧化性，可以用于玻璃浸蚀、金属材料或管道的表面钝化处理，在国防上用于制取火箭推进剂；高纯氟气可与氮气，氦气、氖气、氩气等惰性气体任意浓度配比的混合气，市场潜力巨大。

目前工业电解制氟气的方法为：电解KF·2HF(氟氢化钾与氟化氢的混合物)；其原理如下：在电解槽内配制KHF₂和HF的混合物，加热至熔融，KHF₂为载体，HF溶解在KHF₂中，HF连续或间断加入电解槽内；电解槽内以压实的碳板为阳极，钢制电解槽槽身为阴极(或者阳极采用碳板或镍板，阴极采用碳钢)，以氟氢化钾为电解质，进行无水氢氟酸的电解，再经净化而得到氟气。生产中，温度在260℃左右的为高温法，在95℃左右的为中温法。

电解反应式2HF＝H₂↑+F₂↑

阳极：2F^-+2e→F₂

阴极：2HF^2-+2e→H₂+4F^-

氟气的中温电解法工业制法所生产的氟气纯度为93％左右，含有HF、CF₄等杂质，无法满足精细化工和高端电子行业中的应用。现有的电解生产氟气的方法，仅采用活化后的颗粒状氟化钠吸附纯化，吸附后的纯度可达到92％～98％左右，离高纯氟气的要求还有距离；基于上述技术背景，本申请提出一种制备高纯氟气的装置和方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种制备高纯氟气的装置和方法。

本发明提出了一种制备高纯氟气的装置和方法，本装置是通过电解槽、纯化塔、气体储罐、一级过滤器、气体增压装置、精馏塔、精馏柱、冷却器、二级过滤器、成品储罐、隔膜压缩机和钢瓶各个装置依次串联而成的提纯过程；本发明一种制备高纯氟气的方法是将电解制得的氟气增压至正压，过滤后进入精馏塔精馏提纯的过程；本发明装置具体结构和提纯方法如下。

本发明提出的一种制备高纯氟气的装置，电解槽内发生2HF＝H₂↑+F₂↑反应，其中电解槽的第一出气口排出氢气并与氢气塔连接；电解槽的第二出气口排出氟气或含氟混合气(以下简称为气体)并与纯化塔串联，纯化塔的出气口与气体储罐的进气口连接，气体储罐通过管道与气体增压装置连接；一级过滤器设置于气体增压装置之后，并与精馏塔的进气口连接；精馏塔通过精馏柱使气体上升并进入冷却器，二级过滤器设置于冷却器之后，二级过滤器的出气口与成品储罐的进气口连接，制得的高纯氟气储存在成品储罐中。

本发明提出的一种制备高纯氟气的方法，包括以下步骤：将中温电解KF·2HF制得的氟气或含氟混合气先采用纯化剂进行纯化，吸附气体中的HF，达到对气体过滤吸收的作用；将纯化后的气体通过气体增压装置增压至正压；气体增至正压后进行一级过滤，目的是去除气体内的固体颗粒杂质，防止影响精馏质量；再将气体放入精馏塔中进行蒸馏，得到氟气，此时精馏釜温度保持在-180℃～-160℃；因为氟气的沸点低，先被分离出来，所以轻组分高纯氟气从塔顶分离出来，而CF₄、HF、氮气、氧气、氟碳化合物等重组分液体从塔底再流回到精馏釜；氟气通过精馏柱上升到冷却器中，转化为氟冷却液，冷却器中温度为-200℃～-188℃；氟冷却液从冷却器的出气口出来，因温度回温，氟冷却液转变为纯度较高的氟气；纯度较高的氟气经过二级过滤器进一步过滤细小颗粒杂质，得到高纯氟气；二级过滤后的高纯氟气进入成品储罐；最后成品储罐内的高纯氟气通过隔膜压缩机充装在钢瓶中。

具体的，所述成品储罐之后设置有隔膜压缩机，隔膜压缩机的出气口管道连接钢瓶；

具体的，所述一级过滤器的孔径为5μm～10μm，二级过滤器的孔径为0.2μm～3μm；

具体的，所述精馏塔塔高为1m～15m，塔径为10mm～219mm，塔压为0.4MPa～2.5MPa；

具体的，所述精馏釜温度保持在-180℃～-160℃，冷却器中温度为-200℃～-188℃；

具体的，所述纯化的化学原理为：NaF+HF—NaHF₂；

具体的，所述纯化剂为多孔颗粒状氟化钠，颗粒粒径为3mm～50mm；所述多孔颗粒状氟化钠使用前要经过活化处理，活化处理是在100℃～600℃高温进行加热处理，目的为去除氟气或含氟混合气中的HF，使颗粒状氟化钠具有一定的孔隙率；

具体的，所述正压是指高于一个大气压，正压压力为0.1MPa～2.5MPa；

具体的，高纯氟气或高纯含氟混合气的制备过程中，控制气体流速为0.1m²/min～10m²/min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法所得氟气产品的纯度可以达到99％以上，满足现有电子行业和精细化工的生产用氟气要求；提高了氟气产品的质量，降低了生产过程中因氟气纯度不高而造成的下游成品的不合格率，具有良好的经济价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例所制备高纯氟气的流程示意图；

图中：1为电解槽、2为氢气塔、3为纯化塔、4为气体储罐、5为一级过滤器、6为气体增压装置、7为精馏塔、8为精馏柱、9为冷却器、10为二级过滤器、11为成品储罐、12为隔膜压缩机。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的内容，下面将结合具体实施例和附图来进一步阐述本发明。以下实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本发明提出的一种制备高纯氟气的装置，其结构包括电解槽1、氢气塔2、纯化塔3、气体储罐4、一级过滤器5、气体增压装置6、精馏塔7、精馏柱8、冷却器9、二级过滤器10、成品储罐11、隔膜压缩机12和钢瓶，以上每个装置通过管道串联在一起；电解槽1内发生2HF＝H₂↑+F₂↑反应，其中电解槽1的第一出气口排出氢气并与氢气塔2连接，达到集中收集氢气的目的；电解槽1的第二出气口排出氟气或含氟混合气(以下简称为气体)并与纯化塔3串联，纯化塔3的出气口与气体储罐4的进气口连接，通过纯化塔3对气体进行纯化处理；气体储罐4的出气口通过管道与气体增压装置6连接，一级过滤器5设置于气体增压装置6和精馏塔7之间，气体增压装置6用于对上述电解制得的氟气或含氟混合气增压；增压后的氟气或含氟混合气经过一级过滤器5进入精馏塔7；精馏柱8设置在精馏塔7和冷却器9之间，通过精馏柱8使气体上升并进入冷却器9，二级过滤器10设置于冷却器9之后，二级过滤器10的出气口与成品储罐11的进气口连接，制得的高纯氟气储存在成品储罐11中，成品储罐11后连接有隔膜压缩机12，通过该隔膜压缩机12将成品储罐11中的高纯氟气压缩进钢瓶内部。

本发明还提出的一种通过以上装置制备高纯氟气的方法，具体是：首先在电解槽1中通过电解制备氟气或含氟混合气，高纯氟气或高纯含氟混合气的制备过程中，控制气体流速为0.1m²/min～10m²/min；电解制氟原料采用KHF₂，反应式为2HF＝H₂↑+F₂↑，生成的氢气通过电解槽1的第一出气口排出至氢气塔2，生成的氟气通过电解槽1的第二出气口进入纯化塔3，纯化塔3中采用颗粒粒径为3mm～50mm的多孔颗粒状氟化钠进行纯化，吸附气体中的HF，达到对气体过滤吸收的作用，化学反应原理为：NaF+HF—NaHF₂；纯化后的气体进入气体储罐4，然后进入气体增压装置6，通过气体压强装置6增压至正压，因为中温电解制得的氟气或含氟混合气为负压，因此需要先将气体增压至正压，再进行后续操作；气体增至正压后进入一级过滤器5进行一级过滤，一级过滤所用过滤器的孔径为5μm～10μm，目的是去除气体内的固体颗粒杂质，防止影响精馏质量；之后进入精馏塔7进行精馏提纯，精馏釜温度保持在-180℃～-160℃；因为氟气的沸点低，先被分离出来，所以轻组分高纯氟气从塔顶分离出来，而CF₄、HF、氮气、氧气、氟碳化合物等重组分液体从塔底再流回到精馏釜；氟气通过精馏柱8上升到冷却器9中，转化为氟冷却液，冷却器9中温度设置为-200℃～-188℃；氟冷却液从冷却器的出口出来，因温度瞬间回温，转变为纯度较高的氟气；纯度较高的氟气经过孔径为0.2μm～3μm的二级过滤器10进一步过滤细小颗粒杂质，得到高纯氟气；高纯氟气进入成品储罐11；最后成品储罐11内的高纯氟气通过隔膜压缩机12充装在钢瓶中，通过该方法制备的高纯氟气产品纯度可达到99％以上。

所述颗粒状氟化钠使用前要经过活化处理，活化处理是在100℃～600℃高温进行加热处理，目的为去除氟气或含氟混合气中的HF，使颗粒状氟化钠具有一定的孔隙率；所述正压是指高于一个大气压，正压压力为0.1MPa～2.5MPa；所述精馏塔7塔高为1m～15m，塔径为10mm～219mm，塔压为0.4MPa～2.5MPa。

下面以具体实施例对本发明进行详细说明：

请参阅图1，本实施例制备高纯氟气的装置在使用时，中温电解槽1电解KF·2HF制得含氟混合气(通过冷却水控制槽温为70～100℃，产生的H₂从上方排出进入氢气塔2)，含氟混合气经过纯化器3吸附纯化后进入气体储罐4；来自气体储罐4的气体经气体增压装置6增压并调整流量后，经过一级过滤器5去除固体颗粒杂质，到精馏塔(精馏塔塔高1m～15m，精馏塔径10mm～219mm，精馏塔压0.4MPa～2.5MPa。)后依次经过精馏釜7、精馏柱8、冷却器9、二级过滤器10，制得高纯氟气产品经检测合格后进入成品储槽11；成品储槽11中的高纯氟气经隔膜压缩机12压缩后灌装至对应的钢瓶中。

采用以上制备高纯氟气的装置，将中温电解KF·2HF制得并经过纯化的含氟混合气1500g，增压至压力为0.15MPa，调整流量至0.2m³/min，经过孔径为5μm的一级过滤器5过滤后，依次进行精馏；所述精馏釜中的精馏温度保持-180℃～-160℃(此时已为高纯氟气)。冷却器9中冷却温度保持在-200～-188℃，高纯氟气经过孔径为0.2μm的二级过滤器10过滤后进入成品储槽11。取成品储槽11中气体样品300g经气相色谱仪检测，所得高纯氟气产品的纯度为99.99％。

本发明可以根据以上制备方法具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种制备高纯氟气的装置，其特征在于，包括电解槽(1)、氢气塔(2)、纯化塔(3)、气体储罐(4)、一级过滤器(5)、气体增压装置(6)、精馏塔(7)、精馏柱(8)、冷却器(9)、二级过滤器(10)、成品储罐(11)；其中电解槽(1)的第一出气口排出氢气并与氢气塔(2)连接；电解槽(1)的第二出气口排出氟气或含氟混合气并与纯化塔(3)串联，纯化塔(3)的出气口与气体储罐(4)的进气口连接，气体储罐(4)通过管道与气体增压装置(6)连接；一级过滤器(5)设置于气体增压装置(6)之后，并与精馏塔(7)的进气口连接；精馏塔(7)通过精馏柱(8)使氟气上升并进入冷却器(9)，二级过滤器(10)设置于冷却器(9)之后，二级过滤器(10)的出气口与成品储罐(11)的进气口连接，制得的高纯氟气储存在成品储罐(11)中。

2.如权利要求1所述的一种制备高纯氟气的装置，其特征在于，所述成品储罐(11)之后连接有隔膜压缩机(12)，隔膜压缩机(12)的出气口管道连接钢瓶。

3.如权利要求1所述的一种制备高纯氟气的装置，其特征在于，所述一级过滤器(5)的孔径为5μm～10μm，二级过滤器(10)的孔径为0.2μm～3μm。

4.如权利要求1所述的一种制备高纯氟气的装置，其特征在于，所述精馏塔(7)塔高为1m～15m，塔径为10mm～219mm，塔压为0.4MPa～2.5MPa。

5.如权利要求1所述的一种制备高纯氟气的装置，其特征在于，所述精馏釜温度保持在-180℃～-160℃，冷却器中温度为-200℃～-188℃。

6.一种制备高纯氟气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将中温电解KF·2HF制得的氟气或含氟混合气采用纯化剂进行纯化；

(2)将纯化后的氟气或含氟混合气通过气体增压装置增压至正压；

(3)气体增至正压后进行一级过滤；

(4)将过滤后的氟气或含氟混合气放入精馏塔中进行蒸馏，得到氟气；

(5)氟气通过精馏柱上升到冷却器中，转化为氟冷却液，从冷却器出口流出经过回温后，变成纯度较高的氟气；

(6)纯度较高的氟气经过二级过滤器过滤后，得到高纯氟气；

(7)过滤后的高纯氟气进入成品储罐。

7.如权利要求6所述的一种制备高纯氟气的方法，其特征在于，所述纯化的化学原理为：NaF+HF—NaHF₂。

8.如权利要求6所述的一种制备高纯氟气的方法，其特征在于，所述纯化剂为多孔颗粒状氟化钠，颗粒粒径为3mm～50mm；所述多孔颗粒状氟化钠使用前要经过活化处理，活化处理是100℃～600℃高温加热处理。

9.如权利要求6所述的一种制备高纯氟气的方法，其特征在于，所述正压是指高于一个大气压，正压压力为0.1MPa～2.5MPa。

10.如权利要求6所述的一种制备高纯氟气的方法，其特征在于，所述高纯氟气或高纯含氟混合气的制备过程中，控制气体流速为0.1m²/min～10m²/min。

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