CN212017826U - 一种五氟化磷合成装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种五氟化磷合成装置包括：一反应室，其内设置若干并联连接的螺旋状的管式反应器，其外壁上设有冷却夹套；一固体加料器，设置在所述反应室的顶端，包括一料仓、一固体分布器及若干个螺旋加料器，所述料仓的顶部设置固体加料口，若干所述螺旋加料器设置在所述固体分布器的底部，与若干个所述管式反应器一一对应设置，每个所述螺旋加料器的出口通过管道与对应的所述管式反应器的上端相连通；每个所述螺旋加料器的内置螺旋均水平设置；一气体加料器，设置在所述反应室的底端；所述管式反应器，其顶端与所述固体加料器相连通，其底端与所述气体加料器相连通。该装置的氟气和磷的反应效率高，原料利用率高。

Description

一种五氟化磷合成装置

技术领域

本实用新型涉及一种五氟化磷合成装置，属于五氟化磷合成技术领域。

背景技术

五氟化磷在常温常压下是一种无色气体，熔点和沸点分别为-94℃和-84℃，在潮湿空气中会吸水剧烈水解，生成有毒性和腐蚀性的氟化氢气体。工业上常作为氟化试剂应用于电子工业、高分子材料的制造，在有机合成领域作为催化氟化剂等。

进入二十一世纪，随着高性能移动电子产品的日益普及和推广，对高性能二次电池要求越来越高，以六氟磷酸锂为电解质的锂离子二次电池因具有诸多优越性而得到广泛使用，五氟化磷作为六氟磷酸锂的合成原料拓展了新的应用领域。近年来，在国家新能源政策的推动下，以六氟磷酸锂为电解质材料的锂离子电池在储能、新能源汽车领域得以广泛应用，高品质六氟磷酸锂的制造对五氟化磷的品质提出了更高的要求，因而合成高纯度的五氟化磷对于提高六氟磷酸锂的品质无疑具有重要意义。

五氟化磷有多种合成方法，例如

1、利用PCl5与AsF5发生卤素交换合成五氟化磷：

3PCl₅+5AsF₃→3PF₅+5AsCl₅

2、利用氟气或无水氟化氢与P₂O₅反应合成五氟化磷：

10F₂+2P₂O₅→4PF5+5O₂

10HF+P₂O₅→2PF5+5H₂O

3、利用卤素交换法合成五氟化磷：

5PF₃+3X₂→3PF₅+2PX₃

PF₃+CaF₂+X₂→PF₅+CaX₂

4、其他方法合成五氟化磷：

PCl₅+HF→PF₅+5HCl

PCl₅+5MPF₆→6PF₅+5MCl(M＝Li、Na、K)

Ca₃(PO₄)₂+10HSO₃F+2H₂O→PF₅+3CaSO₄+7H₂SO₄

P₂O₅+HF→PF₅+H₂O

以上所述的方法中，利用五氯化磷和氟化氢合成五氟化磷气体的方法已经被应用于商业化的六氟磷酸锂的合成工艺中，如专利CN101844754A，CN201713319U，然而该方法的产物是HCl、HF、PF₅的混合物，PF₅在混合物种的比例只有10％～15％(体积比)，不利于后续合成反应的进行，为保证六氟磷酸锂产品的品质，原料需要较大的过量，因而合成过程原料利用率低，产品成本高，同时产生大量的生产废气(HF/HCl的混合物)，环保后处理的负荷大为增加，混合废气的处理与利用甚至直接制约了生产的实施，导致开工不足，设计产能不能充分利用。

如果采用气态氟与固体红磷直接反应生成五氟化磷，将会减少产物中的废气，极大地提高产品的纯度。现有技术中已有的气态氟与固体红磷直接反应的技术，但是，一方面氟气与红磷的反应只发生在固体红磷的表面，由于红磷的纯度通常在98％～99％，反应一段时间后残留的灰分会覆盖在固体的表面，从而影响气固反应的进一步进行，生成的气体中未反应的氟气含量增加，影响产品纯度的提高；另一方面，氟气与红磷的反应非常剧烈，属于强放热反应，会产生内部或者局部高温，在高温条件下，氟气会与反应器内金属件发生反应，产生金属氟化物，以气溶胶的方式分散在气态产物中，导致五氟化磷中金属杂质含量偏高，同时也会烧穿设备，对设备的安全可靠性带来非常不利影响。

综上，研究一种五氟化磷合成装置，既能提高原料利用率，降低产品成本，减少生产性废气，提高产品纯度，同时又具有较高的安全性，成为当务之急。

实用新型内容

本实用新型提供了一种五氟化磷合成装置，可以有效解决上述问题。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供一种五氟化磷合成装置，包括：

一反应室，其内设置若干并联连接的螺旋状的管式反应器，其外壁上设有冷却夹套；

一固体加料器，设置在所述反应室的顶端，包括一料仓、一固体分布器及若干个螺旋加料器，所述料仓的顶部设置固体加料口，若干所述螺旋加料器设置在所述固体分布器的底部，与若干个所述管式反应器一一对应设置，每个所述螺旋加料器的出口通过管道与对应的所述管式反应器的上端相连通；每个所述螺旋加料器的内置螺旋均水平设置；

一气体加料器，设置在所述反应室的底端；

所述管式反应器，其顶端与所述固体加料器相连通，其底端与所述气体加料器相连通，其上部设有五氟化磷出气口。

作为进一步改进的，所述管道上设置单向阀，所述单向阀为电磁阀。

作为进一步改进的，所述固体分布器呈上端开口大下端开口小的漏斗状，所述固体分布器的上端开口与所述料仓的下端相适配。

作为进一步改进的，所述料仓的顶部还设有用于抽真空的真空口及氮气进口。

作为进一步改进的，所述反应室还包括外筒体，所述外筒体内部设置若干所述管式反应器，所述外筒体与所述管式反应器之间的间隙中还设有冷却介质。

作为进一步改进的，所述管式反应器的螺旋的任意径向剖面的垂直对称轴与水平面的夹角20～60°。

作为进一步改进的，所述外筒体的外壁上还设置有振动器。

作为进一步改进的，所述外筒体上设置温度传感器和压力传感器。

作为进一步改进的，所述气体加料器包括：

一气体分布器，其上设置氟气进口，其内腔与所述管式反应器的底端相连通；

一灰分仓，连通在所述气体分布器的底端。

作为进一步改进的，所述灰分仓的底部设有固体放料阀。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的五氟化磷合成装置中，单质磷从料仓流下，再经螺旋加料器旋转下料，呈流化态，氟气从下面经管式反应器缓慢进入与流态化单质磷，逆流接触反应，氟气与红磷充分接触，氟气和磷的反应效率高，原料利用率高，克服了在传统反应中氟气与红磷的反应只发生在固体红磷的表面而残留氟气的问题。

2.本实用新型的五氟化磷合成装置的主体设备属于静态反应器，没有动密封部件，可靠性高。

3.本实用新型的五氟化磷合成装置设有冷却夹套，外筒体与管式反应器器之间也设置了冷却介质，有良好的冷却效果，反应温度低，五氟化磷、氟气对金属设备的腐蚀远远小于单质磷以液态或者气态进料的反应方式，金属杂质含量低，也不会烧穿设备，对设备的安全可靠性高。

4.本实用新型的五氟化磷合成方法的反应过程简单，产物成分简单，混合气体容易通过后续工艺进一步提纯。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施例提供的五氟化磷合成装置的结构示意图。

附图标记：1 真空口、2 固体加料口、3 氮气进口、4 料仓、5、螺旋加料器、6 五氟化磷出气口、7 管式反应器、8 载冷剂出口、9 反应室、10 振动器、11 冷却夹套、12 载冷剂进口、13 氟气进口、14 灰分仓、15 固体放料阀、16 固体分布器、17 管道、18 单向电磁阀、19 外筒体、20 气体分布器、21 内置螺旋。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本实施例提供一种五氟化磷合成装置，包括反应室9、固体加料器和气体加料器。所述固体加料器设置在所述反应室9的顶端，所述气体加料器设置在所述反应室9的底端。所述反应室9内设置若干个螺旋状的管式反应器7，所述管式反应器7的顶端与所述固体加料器连通，底端与所述气体加料器连通，所述管式反应器7的上部设有五氟化磷出气口6；所述反应室9的外壁上设有冷却夹套11。所述冷却夹套11的下部设置载冷剂进口12，上部设置载冷剂出口8。所述冷却夹套11可以利用载冷剂移走反应产生的热量，保证反应的安全性，载冷剂既可以是有机载冷剂，也可以是无机载冷剂，既可以是常温载冷剂，也可以是低温载冷剂，优选安全不燃的载冷剂，考虑到经济因素，再次优选常温不燃的无机载冷剂，冷却水、氯化钙水溶液等。

作为进一步改进的，所述固体加料器包括料仓4、固体分布器16和螺旋加料器5。所述料仓4的顶部设置固体加料口2，底部连通在所述固体分布器16的顶端。所述固体分布器16的底端连通在所述螺旋加料器5的顶端，所述螺旋加料器5的底端通过管道17连通在所述管式反应器7的顶端。所述螺旋加料器5的内置螺旋21水平设置，可以避免单质磷的挤压而结块，如果其内置螺旋21竖直放置，则单质磷因为重力下降到底部，同时不断地因旋转而挤压而成块，不利于与单质磷形成流态化。所述螺旋加料器5可以使单质磷以设定的速度流态化地进入所述管式反应器7中，提高反应效率。

作为进一步改进的，所述管道17上设置单向阀18。该单向阀18只准许固体分布器中的单质磷进去管式反应器7中，防止氟气和产物五氟化磷气体进入固体分布器中，保证产物只在管式反应器7中生成，便于收集产物，提高产率和产物纯度。

作为进一步改进的，所述固体分布器16呈上端开口大下端开口小的漏斗状，所述料仓4的下端与所述固体分布器16的上端开口相适配。所述固体分布器16呈漏斗状，可以保证单质磷从较小的下端开口缓慢的进入管式反应器7中，单质磷和氟气能充分接触和反应，提高产率。

作为进一步改进的，所述料仓4的顶部还设有用于抽真空的真空口1及氮气进口3。在反应之前抽真空并冲入氮气可以防止料仓4中的单质磷与空气中的杂质氧气等反应，提高原料的利用率和产物的纯度。

作为进一步改进的，所述反应室9包括外筒体19和管式反应器7，所述管式反应器7设置在所述外筒体19的内部，所述管式反应器7的顶端连接在所述外筒体19的顶面的法兰上并与所述固体加料器相连通，所述管式反应器7的底端连接在所述外筒体19的底面的法兰上并与所述气体加料器相连通，所述管式反应器7和所述外筒体19之间还设有冷却介质。该冷却介质可以进一步控制管式反应器7的温度。

作为进一步改进的，所述管式反应器7的螺旋的任意径向剖面的垂直对称轴与水平面的夹角20～60°。在此角度内，固体单质磷在管式反应器内下降速度适合与氟气充分反应，在此角度范围内，反应率最高。

所述管式反应器7可以是一个或多个，所述螺旋加料器5也可以是一个或多个，所述管式反应器7与所述螺旋加料器5一一对应安装。该管式反应器7的个数越多，反应的效率越高，但考虑到成本，优选为2个。当所述管式反应器7为两个以上时，采用并联连接，可以控制单向阀18的开关来选择其中一个或多个所述管式反应器7参与反应，可以根据所需产物的量灵活调整设备使用情况；当其中一个管式反应器7发生故障时，可以只启用其他管式反应器7，不需停产也可以继续生产所需的产物，极大的提高了生产的灵活性。

作为进一步改进的，所述外筒体19的外壁上还设置有振动器10。固态反应物单质磷在振动器10的振动作用下，沿着螺旋状的管式反应器7自上而下流动，在管式反应器7内与自下而上的氟气相遇并发生反应，从而生成五氟化磷气体，反应效率高。所述振动器10既可以是气体驱动的脉冲振动器，也可以是电动驱动的脉冲振动器，从调节的便利性出发，优选电动驱动的脉冲振动器。

作为进一步改进的，所述反应室9上设置温度传感器和压力传感器(图中未示出)。便于控制反应的温度和压力，促进反应的高效进行。所述载冷剂出口8、载冷剂进口12及氟气进口13上均设置电磁阀。本实施例中，所述温度传感器、压力传感器、固体放料阀15及所有的电磁阀均与DCS系统电连接。根据设定的温度和压力，氟气流量、单质磷加入速度和冷却水的流量均由DCS系统通过PID自动调节实现。

作为进一步改进的，所述气体加料器包括气体分布器20，所述气体分布器20上设置氟气进口13，所述气体分布器20的内腔与所述管式反应器7的底端相通；所述气体分布器20的底端还连通有灰分仓14。所述灰分仓14的底部设有固体放料阀15，残留的未反应的单质磷可以从固体放料阀15排出进行回收利用。所述灰分仓呈上大下小的锥形，便于灰分收集在底部集中从固体放料阀15排出。

本实施例的五氟化磷合成装置的使用方法示例如下：

在图1所示的五氟化磷合成装置中，预先从固体加料口2向料仓4中加入50千克的单质红磷，密封料仓，从真空口1抽真空至-0.1MPa，从氮气进口3充入99.999％的高纯氮气至0.05MPa。

因螺旋状的管式反应器7、气体分布器20及灰分仓14与料仓4均是相连通的，螺旋状的管式反应器7、气体分布器20及灰分仓14与料仓4也被预先抽真空至-0.1MPa。从载冷剂进口12向冷却夹套11内通入冷却水，启动螺旋加料器5，设定转速2～5rpm，向管式反应器7中加入固体反应物红磷，加料速度为7.5～8kg/h，启动振动器10，设定振动频率为5～10Hz/min，从氟气进口13通入氟气，调整氟气流量15.5m³/h，调整冷却水的流量，使得进出口之间的温差不超过10摄氏度。以上氟气流量、红磷加入速度、冷却水的流量均由DCS系统通过PID自动调节实现。氟气进入管式反应器7后遇红磷反应，产生五氟化磷气体，从五氟化磷出气口6排出。经以上控制方案，反应器内最高气相温度200～250℃，气相产物经色谱分析为五氟化磷为主的气体混合物，主要成分有五氟化磷97％～98％(V/V)、氮气1％～2％(V/V)、氟气0.5％～1.0％(V/V)、粉尘～0.1％(V/V)。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种五氟化磷合成装置，其特征在于，包括：

一反应室，其内设置若干并联连接的螺旋状的管式反应器，其外壁上设有冷却夹套；

一固体加料器，设置在所述反应室的顶端，包括一料仓、一固体分布器及若干个螺旋加料器，所述料仓的顶部设置固体加料口，若干所述螺旋加料器设置在所述固体分布器的底部，与若干个所述管式反应器一一对应设置，每个所述螺旋加料器的出口通过管道与对应的所述管式反应器的上端相连通；每个所述螺旋加料器的内置螺旋均水平设置；

一气体加料器，设置在所述反应室的底端；

所述管式反应器，其顶端与所述固体加料器相连通，其底端与所述气体加料器相连通，其上部设有五氟化磷出气口。

2.根据权利要求1所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述管道上设置单向阀，所述单向阀为电磁阀。

3.根据权利要求2所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述固体分布器呈上端开口大下端开口小的漏斗状，所述固体分布器的上端开口与所述料仓的下端相适配。

4.根据权利要求3所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述料仓的顶部还设有用于抽真空的真空口及氮气进口。

5.根据权利要求1所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述反应室还包括外筒体，所述外筒体内部设置若干所述管式反应器，所述外筒体与所述管式反应器之间的间隙中还设有冷却介质。

6.根据权利要求5所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述管式反应器的螺旋的任意径向剖面的垂直对称轴与水平面的夹角20～60°。

7.根据权利要求5所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述外筒体的外壁上还设置有振动器。

8.根据权利要求5所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述外筒体上设置温度传感器和压力传感器。

9.根据权利要求1所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述气体加料器包括：

一气体分布器，其上设置氟气进口，其内腔与所述管式反应器的底端相连通；

一灰分仓，连通在所述气体分布器的底端。

10.根据权利要求9所述的五氟化磷合成装置，其特征在于，所述灰分仓的底部设有固体放料阀。

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