CN115400714A - 一种三氟甲磺酸的生产装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三氟甲磺酸的生产装置，该装置包括通过管线连接的三氟甲磺酰氯储罐、反应釜、回流冷凝器、出料冷凝器、前馏分接收罐和后馏分接收罐；本发明还公开一种使用上述装置进行三氟甲磺酸的生产方法为：在反应釜内加入高纯水和硫酸，混合均匀后，将三氟甲磺酰氯通入反应釜内进行反应；反应过程中，将产生的气体排入三废吸收塔，冷却回收三氟甲磺酸；反应结束后，先将部分物料蒸馏至前馏分接收罐内，待釜内温度升高至一定程度时，将物料蒸馏至后馏分接收罐。本发明方法得到的三氟甲磺酸具有较高的纯度，可达到99.5％，且本发明方法操作简单，有利于工业化稳定生产，具有较高的生产效率，极大的降低了生产成本。

Description

一种三氟甲磺酸的生产装置及方法

技术领域

本发明属于三氟甲磺酸生产技术领域，具体涉及一种三氟甲磺酸的生产装置及方法。

背景技术

三氟甲磺酸属于化工中间体、有机化工原料的特殊化学品，有着很广泛的用途，其重要用途之一是用于制备三氟甲磺酸锂，三氟甲磺酸锂是锂离子电池重要原料之一。

另外，三氟甲磺酸作为超强酸之一，对氧化还原均极稳定，由于三氟甲磺酸的独特性质，被用在以下领域：塑料工业，作为齐聚聚合催化剂；燃料工业，作为一种质子化催化剂；制药工业，如核苷、抗生素、类固醇、蛋白质、配糖类等的合成；除草剂和生长调节剂的合成；维生素的合成；糖工业等，它的酸酐是无羁萜(软木三萜酮)工艺中非常强的烷基化催化剂，最终，三氟甲磺酸与他的衍生物在有机化学反应领域中覆盖了很大的范围，许多化学反应和技术工艺没有他们就无法完成，或者说收益甚微，由于其具有的极高的功能性，被认为是21世纪精细化工的强力支柱的超强酸。

目前，三氟甲磺酸的生产效率较低，质量较差。已知合成的三氟甲磺酸的制备工艺主要有两种：(1)以双三氟甲基二硫化物为原料与汞在光照下反应得三氟甲硫基汞，经过氧化、氢氧化得到三氟甲磺酸一水合物，再与碳酸钡反应得到三氟甲磺酸钡，最优与浓硫酸反应得到无水的三氟甲磺酸。双三氟甲基二硫化物的理化性质特殊，有较高的毒性。(2)通过电化学氟化法制得三氟甲基磺酰氟气体，在碱金属或碱土金属氢氧化物溶液中水解生成三氟甲基磺酸盐，再用硫酸进行酸化处理，该方法生产流程较为复杂，反应中间过程较难控制，且对生产设备要求过高。

因此，提出一种操作简单、有利于工业化稳定生产、具有较高的生产效率的三氟甲磺酸的生产装置及方法尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种三氟甲磺酸的生产装置及方法。该方法操作简单、有利于工业化稳定生产、具有较高的生产效率的三氟甲磺酸。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三氟甲磺酸的生产装置，其特征在于，包括通过管线连接的三氟甲磺酰氯储罐、反应釜、回流冷凝器、出料冷凝器、前馏分接收罐和后馏分接收罐，所述三氟甲磺酰氯储罐的底部出料口与所述反应釜的底部进料口连接，所述反应釜的顶部与所述回流冷凝器的底部连接，所述回流冷凝器的顶部与所述出料冷凝器的顶部连接，所述出料冷凝器的底部出料口分别与所述前馏分接收罐和后馏分接收罐连接。

优选地，所述出料冷凝器与所述前馏分接收罐之间的管线上设置有抽空阀；所述出料冷凝器与所述后馏分接收罐之间的管线上设置有抽空阀。

优选地，所述回流冷凝器为列管式冷凝器；所述反应釜的材质为搪瓷或蒙乃尔合金。

优选地，所述反应釜内设有搅拌装置，所述反应釜内底部设有气体分散器，所述反应釜的外壁设有加热夹套。

优选地，所述气体分散器的孔径为8μm～30μm。

本发明还提供一种使用上述装置进行三氟甲磺酸的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在所述反应釜中加入高纯水和浓硫酸，控制所述回流冷凝器的温度为7℃～20℃，再通入三氟甲磺酰氯，在温度为30℃～50℃的条件下进行水解反应，得到三氟甲磺酸水溶液；

S2、S1中所述水解反应结束后，逐渐加热所述反应釜，控制所述反应釜的压力为-0.1MPa～0.090MPa，出前馏分时，控制所述出料冷凝器的温度为7℃～20℃；当所述反应釜的温度达到85℃～95℃时，切至后馏分出料，当所述反应釜(4)的温度达到120℃～125℃时，停止出料，所述后馏分即为高纯三氟甲磺酸。

优选地，S1中所述高纯水、浓硫酸和三氟甲磺酰氯的用量比为1：(0.03～0.1)：4.3；所述三氟甲磺酰氯的通入速度为10kg/h～30kg/h。

优选地，S1中所述三氟甲磺酰氯的纯度≥99.5％，所述浓硫酸的纯度≥98％；所述高纯水为去离子水，导电率为18兆欧。

优选地，S1中所述三氟甲磺酰氯的加料速度与回流冷凝器的换热面积比为(0.5～1.5)kg/(h·m²)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过控制高纯水和硫酸加入比例，三氟甲磺酰氯的加入的速度及反应温度，控制前馏分收集比例，后馏分收集的控制参数等，完成对三氟甲磺酸的提纯。

2、本发明提供的方法得到的三氟甲磺酸具有较高的纯度，可达到99.5％，且本发明提供的方法操作简单，有利于工业化稳定生产，具有较高的生产效率，极大的降低了生产成本；生产过程中只有氯化氢气体逸出，便于处理，无其他废物产生，减少危废排出；得到含硫酸、三氟甲磺酸的前馏分可以返回反应釜内使用，整体工艺的收率较高。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明生产装置的结构示意图。

附图标记说明：

1—三氟甲磺酰氯储罐；2—出料冷凝器；3—回流冷凝器；4—反应釜；5—气体分散器；6—前馏分接收罐；7—后馏分接收罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例中三氟化氮生产排污设备，包括通过管线连接的三氟甲磺酰氯储罐1、反应釜4、回流冷凝器3、出料冷凝器2、前馏分接收罐6和后馏分接收罐7，所述三氟甲磺酰氯储罐1的底部出料口与所述反应釜4的底部进料口连接，所述反应釜4的顶部与所述回流冷凝器3的底部连接，所述回流冷凝器3的顶部与所述出料冷凝器2的顶部连接，所述出料冷凝器2的底部出料口分别与所述前馏分接收罐6和后馏分接收罐7连接；所述前馏分接收罐6的顶部设置有抽空阀V5；所述后馏分接收罐7的顶部设置有抽空阀V6。

本实施例中，所述回流冷凝器3为列管式冷凝器；所述反应釜4的材质为搪瓷或蒙乃尔合金。

本实施例中，所述反应釜4内设有搅拌装置，所述反应釜4内底部设有气体分散器5，所述反应釜4的外壁设有加热夹套；所述气体分散器5的孔径为8μm～30μm。

实施例2-4中所用到原料见表1，所用检测方法及仪器见表2。

表1实施例中原料级别及厂家

原料	纯度	厂家
			浓硫酸	≥98(m)％	鸡泽县祥安化工有限公司
三氟甲磺酰氯	≥99.5％	湖北津乐达化工有限公司

表2实施例中检测方法及仪器

实施例2

本实施例中采用实施例1中的生产装置进行三氟甲磺酸的生产方法，包括以下步骤：

S1、在所述反应釜4中加入50kg高纯水和1.5kg浓硫酸，控制所述回流冷凝器3的温度为7℃，再以10kg/h的速度从反应釜4的底部通入215kg三氟甲磺酰氯，在温度为30℃的条件下进行水解反应，得到三氟甲磺酸水溶液和氯化氢气体；

S1中反应化学式为：

所述三氟甲磺酰氯的纯度≥99.5％，其中F^-≤10×10^-6，SO₄ ^2-≤40×10^-6，Cl^-≤5×10^-6，Na≤10×10^-6、K≤5×10^-6、Ca≤5×10^-6、Fe≤2×10^-6、Mg、Pb、Al、Zn、Ni及Cu等离子含量均≤1×10^-6，色度≤5×10^-6；所述浓硫酸的纯度≥98％；所述高纯水为去离子水，导电率为18兆欧；

S2、S1中所述水解反应结束后，逐渐加热所述反应釜4，控制所述反应釜4的压力为-0.1MPa，出前馏分时，控制所述出料冷凝器2的温度为7℃，将所述前馏分收集到所述前馏分接收罐6中；当所述反应釜4的温度达到85℃时，切至后馏分出料，将所述后馏分收集到所述后馏分接收罐7中，当所述反应釜4的温度达到120℃时，停止出料，所述后馏分即为高纯三氟甲磺酸，共收集到三氟甲磺酸183.6kg，收率为95.9％，产品纯度＞99.5％，其组成见表3；所述前馏分包括水、氯化氢和三氟甲磺酸；所述后馏分包括三氟甲磺酸、水和硫酸；所述前馏分的收集比例为15％。

本实施例中，反应釜4底部配套的气体分散器的孔径为8um，与反应釜4配套的回流冷凝器3的换热面积为20m²。

实施例3

本实施例中采用实施例1中的生产装置进行三氟甲磺酸的生产方法，包括以下步骤：

S1、在所述反应釜4中加入50kg高纯水和5kg浓硫酸，控制所述回流冷凝器3的温度为20℃，再以30kg/h的速度从反应釜4的底部通入215kg三氟甲磺酰氯，在温度为50℃的条件下进行水解反应，得到三氟甲磺酸水溶液和氯化氢气体；

S1中反应化学式为：

所述三氟甲磺酰氯的纯度≥99.5％，其中F^-≤10×10^-6，SO₄ ^2-≤40×10^-6，Cl^-≤5×10^-6，Na≤10×10^-6、K≤5×10^-6、Ca≤5×10^-6、Fe≤2×10^-6、Mg、Pb、Al、Zn、Ni及Cu等离子含量均≤1×10^-6，色度≤5×10^-6；所述浓硫酸的纯度≥98％；所述高纯水为去离子水，导电率为18兆欧；

S2、S1中所述水解反应结束后，逐渐加热所述反应釜4，控制所述反应釜4的压力为0.090MPa，出前馏分时，控制所述出料冷凝器2的温度为20℃，将所述前馏分收集到所述前馏分接收罐6中；当所述反应釜4的温度达到95℃时，切至后馏分出料，将所述后馏分收集到所述后馏分接收罐7中，当所述反应釜4的温度达到125℃时，停止出料，所述后馏分即为高纯三氟甲磺酸，共收集到三氟甲磺酸172.1kg，收率为89.9％，产品纯度＞99.5％，其组成见表3；所述前馏分包括水、氯化氢和三氟甲磺酸，所述前馏分的收集比例为20％；所述后馏分包括三氟甲磺酸、水和硫酸。

本实施例中，反应釜4底部配套的气体分散器的孔径为30um，与反应釜4配套的回流冷凝器3的换热面积为20m²。

实施例4

本实施例中采用实施例1中的生产装置进行三氟甲磺酸的生产方法，包括以下步骤：

S1、在所述反应釜4中加入50kg高纯水和3kg浓硫酸，控制所述回流冷凝器3的温度为14℃，再以20kg/h的速度从反应釜4的底部通入215kg三氟甲磺酰氯，在温度为40℃的条件下进行水解反应，得到三氟甲磺酸水溶液和氯化氢气体；

S1中反应化学式为：

所述三氟甲磺酰氯的纯度≥99.5％，其中F^-≤10×10^-6，SO₄ ^2-≤40×10^-6，Cl^-≤5×10^-6，Na≤10×10^-6、K≤5×10^-6、Ca≤5×10^-6、Fe≤2×10^-6、Mg、Pb、Al、Zn、Ni及Cu等离子含量均≤1×10^-6，色度≤5×10^-6；所述浓硫酸的纯度≥98％；所述高纯水为去离子水，导电率为18兆欧；

S2、S1中所述水解反应结束后，逐渐加热所述反应釜4，控制所述反应釜4的压力为-0.096MPa，出前馏分时，控制所述出料冷凝器2的温度为14℃，将所述前馏分收集到所述前馏分接收罐6中；当所述反应釜4的温度达到90℃时，切至后馏分出料，将所述后馏分收集到所述后馏分接收罐7中，当所述反应釜4的温度达到122℃时，停止出料，所述后馏分即为高纯三氟甲磺酸，共收集到三氟甲磺酸179.6kg，收率为93.8％，产品纯度＞99.5％，其组成见表3；所述前馏分包括水、氯化氢和三氟甲磺酸，所述前馏分的收集比例为17％；所述后馏分包括三氟甲磺酸、水和硫酸。

本实施例中，反应釜4底部配套的气体分散器的孔径为10um，与反应釜4配套的回流冷凝器3的换热面积为20m²。

表3实施例2-4中得到的高纯三氟甲磺酸(CF₃SO₃H)中的组分含量

本发明通过控制高纯水和硫酸加入比例，三氟甲磺酰氯的加入的速度及反应温度，控制前馏分收集比例，后馏分收集的控制参数等，完成对三氟甲磺酸的提纯；本发明中通过控制前后馏分收集温度及压力来控制前馏分的收集比例，前馏分的收集比例为15％～20％；本发明经过多次试验确定高纯水和硫酸的用量比例，酸性条件有利于水解反应的进行，如不是本发明中的比例会影响到此反应的水解速度；三氟甲磺酰氯的速度也是经过多次试验确定为10kg/h～30kg/h，如速度低于10kg/h，反应效率较小，速率大于30kg/h，三氟甲磺酰氯来不及反应，浪费原料；水解反应的温度也是经过多次试验确定为30℃～50℃，如温度低于30℃，反应速度较慢；温度高于50℃，会抑制水解，同样反应效率较低，而且由于蒸汽压较高损失部分物料。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种三氟甲磺酸的生产装置，其特征在于，包括通过管线连接的三氟甲磺酰氯储罐(1)、反应釜(4)、回流冷凝器(3)、出料冷凝器(2)、前馏分接收罐(6)和后馏分接收罐(7)，所述三氟甲磺酰氯储罐(1)的底部出料口与所述反应釜(4)的底部进料口连接，所述反应釜(4)的顶部与所述回流冷凝器(3)的底部连接，所述回流冷凝器(3)的顶部与所述出料冷凝器(2)的顶部连接，所述出料冷凝器(2)的底部出料口与所述后馏分接收罐(7)顶部连接，所述出料冷凝器(2)和所述后馏分接收罐(7)之间的管线上连接有所述前馏分接收罐(6)。

2.根据权利要求1所述的一种三氟甲磺酸的生产装置，其特征在于，所述前馏分接收罐(6)的顶部设置有抽空阀；所述后馏分接收罐(7)的顶部设置有抽空阀。

3.根据权利要求1所述的一种三氟甲磺酸的生产装置，其特征在于，所述回流冷凝器(3)为列管式冷凝器；所述反应釜(4)的材质为搪瓷或蒙乃尔合金。

4.根据权利要求1所述的一种三氟甲磺酸的生产装置，其特征在于，所述反应釜(4)内设有搅拌装置，所述反应釜(4)内底部设有气体分散器(5)，所述反应釜(4)的外壁设有加热夹套。

5.根据权利要求4所述的一种三氟甲磺酸的生产装置，其特征在于，所述气体分散器(5)的孔径为8μm～30μm。

6.使用权利要求1-5任一项中所述的生产装置进行三氟甲磺酸的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在所述反应釜(4)中加入高纯水和浓硫酸，控制所述回流冷凝器(3)的温度为7℃～20℃，再通入三氟甲磺酰氯，在温度为30℃～50℃的条件下进行水解反应，得到三氟甲磺酸水溶液和氯化氢气体；

S2、S1中所述水解反应结束后，逐渐加热所述反应釜(4)，控制所述反应釜(4)的压力为-0.1MPa～0.090MPa，出前馏分时，控制所述出料冷凝器(2)的温度为7℃～20℃；当所述反应釜(4)的温度达到85℃～95℃时，切至后馏分出料，当所述反应釜(4)的温度达到120℃～125℃时，停止出料，所述后馏分即为高纯三氟甲磺酸。

7.根据权利要求6所述的一种三氟甲磺酸的生产方法，其特征在于，S1中所述高纯水、浓硫酸和三氟甲磺酰氯的用量比为1：(0.03～0.1)：4.3；所述三氟甲磺酰氯的通入速度为10kg/h～30kg/h。

8.根据权利要求6所述的一种三氟甲磺酸的生产方法，其特征在于，S1中所述三氟甲磺酰氯的纯度≥99.5％，所述浓硫酸的纯度≥98％，所述高纯水为去离子水，导电率为18兆欧。

9.根据权利要求6所述的一种三氟甲磺酸的生产方法，其特征在于，S1中所述三氟甲磺酰氯的加料速度与回流冷凝器(3)的换热面积比为(0.5～1.5)kg/(h·m²)。

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