CN212334586U - 一种氟气连续回用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氟气连续回用装置，所述氟气连续回用装置包括：反应器，所述反应器包括氟气入口，反应器的出口连接分离装置；分离装置，所述分离装置包括分离器，所述分离器包括筒体、气体通道和翅板，所述翅板围绕所述气体通道呈螺旋分布，所述气体通道的出口与反应器的氟气入口连通；所述筒体呈倒圆台状，且所述筒体的侧面与水平面呈30～60°夹角。本实用新型具有氟气分离效果好、利用率高，设备简单、安全风险低、适用广，适于产业化应用等优点。

Description

一种氟气连续回用装置

技术领域

本实用新型涉及氟化工领域，特别涉及一种氟化反应中氟气连续回用装置。

背景技术

氟气是一种淡黄色臭味气体，其密度为1.6g/L，沸点是-188.1℃，具有助燃、剧毒和腐蚀性强等特点，是目前已知的最活泼的非金属元素。氟气也是已知的最强的氧化剂，大多数金属都会被氟腐蚀，甚至黄金在受热后，也能在氟气中燃烧。

氟气是氟化反应常用的氟化剂，利用氟气氟化，不但可以减少反应步骤，减少不必要的元素引入，同时能完成其他氟化试剂难以氟化的反应。然而，氟气作为气体氟化剂，反应过程中由于气液或气固接触面积小，气体利用率低，反应效率较低，因而氟气的摩尔物料投料量要远高于反应中的其他原料，容易造成气体原料的浪费。

现有技术中并未提出氟气的回收再利用，原因在于：

1)氟气只能以气体存储，且有压力上限，这就造成对氟气回收再利用的设备体积巨大、造价高昂；

2)氟气不易纯化，可回用量少，纯化成本大于氟气回用的收益；

3)氟气氟化反应中的主要杂质为氟化氢气体，氟化氢与氟气分离难度大，造成反应后的氟气不易分离、不易收集、难以重复利用，或是回收成本高、经济性差。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种氟气分离效果好、利用率高，设备要求低，普适性好，适于产业化应用的氟气连续回用装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种氟气连续回用装置，所述氟气连续回用装置包括：

反应器，所述反应器包括氟气入口，反应器的出口连接分离装置；

分离装置，所述分离装置包括分离器，所述分离器包括筒体、气体通道和翅板，所述翅板围绕所述气体通道呈螺旋分布，所述气体通道的出口与反应器的氟气入口连通；所述筒体呈倒圆台状，且所述筒体的侧面与水平面呈30～60°夹角。

具体地，氟化反应的反应物从所述筒体的上部侧边入口进入分离器，沿翅板螺旋向下进行分离，分离后的精制氟气从气体通道自下而上排出分离器，分离出的液体和/或固体沉在分离器的底部。

作为优选，所述筒体的侧面与水平面呈45～60°夹角。

进一步地，所述氟气连续回用装置还包括：

储气槽，经分离装置分离获得的精制氟气返回所述储气槽与新鲜氟气、惰性气体配制成氟化反应所需浓度后进入反应器继续参与反应。

一般地，氟气参与氟化反应，均是以氟气与惰性气体的混合气作为氟化剂。因此，本实用新型的精制氟气均是指氟气与惰性气体的混合气。所述惰性气体选自氦气、氮气、氖气、氩气和不与氟气发生反应的全氟烷烃气体中的至少一种。优选地，所述全氟烷烃气体选自全氟甲烷、全氟乙烷、全氟丙烷中的至少一种。

本实用新型的氟气连续回用装置普适性好，适于有氟气参与的氟化液体或氟化固体的多数反应。所述反应物包括未反应的原料、氟化产物、氟气和惰性气体等形成的气液、气固或气液固多相混合物。

为了进一步提高精制氟气的纯度，故：

所述分离装置依次包括冷凝器、分离器和纯化器，经所述分离装置分离获得的精制氟气纯度≥99.9％。

作为优选，所述冷凝器包括串联的二级或二级以上冷凝塔，所述冷凝塔的底部连接粗品槽，用于存储氟化产物；所述纯化器包括串联的二级或二级以上纯化器。

所述纯化器可以是压缩机，通过压缩液化分离；可以是冷凝器，通过冷凝液化分离；可以是纯化塔，所述纯化塔内填充纯化剂，所述纯化剂为氟化盐，用于除去精制氟气以外的杂质气体(如氟化氢等)以及气体中夹带的液相物料。

作为优选，所述氟化盐选自氟化钠、氟化钾、氟化氢钠、氟化氢钾、氟化铝、氟化镁、氟化锂、氟化钙中的至少一种。更为优选地，所述纯化剂为氟化钾、氟化钠、氟化铝的混合物，且氟化钾：氟化钠：氟化铝＝(0.5～1):1:(2～4)。所述纯化剂制备工艺如下：将上述配比的氟化钾、氟化钠、氟化铝的混合物制成合适颗粒，在500℃下烘烤8～10小时后，在真空状态下冷却至常温使用。该工艺制备获得的纯化剂以氟化铝为架构，具有优良的孔隙结构，比表面积可达100m²/g及以上，可提高吸附纯化效果。纯化剂吸附饱和后可通过高温再生，循环使用。

根据上述的氟气连续回用装置，所述翅板与筒体内壁相连，且与筒体内壁相连的一侧高于靠近所述气体通道的一侧。

进一步地，所述翅板与气体通道之间留有间隙，便于液滴和/或固体颗粒滑落至分离器底部。优选地，所述分离器的底部设有排液口。

进一步地，所述翅板的坡度为20°～45°；作为优选，所述翅板的坡度为25°～35°。本实用新型所称翅板的坡度是指翅板与水平面的夹角。

进一步地，所述翅板的层间距为350～500mm，宽度≤250mm；作为优选，所述翅板的层间距为400～450mm，宽度≤200mm。

本实用新型的分离器可实现气体与液体和/或固体的分离，本实用新型利用气体与液体的密度不同，混合气流通过螺旋分布的气体通道旋转流动时，因气液所受离心力不同，液体将沿壁面、翅板最终汇聚在一起，达到与气体分离的效果。

本实用新型采用倒圆台状设计的分离器，相较于柱筒为圆柱体的装置，该装置能适用于流速变化的混合气流，且随气流进入装置的时间越长，混合气流旋转半径变小，所受离心力变大，能更进一步的分离混合气流中逐渐变少的微量液体，提高分离效果。采用翅板坡度的设计，可便于液体在壁面、翅板的汇聚，提高气液分离效果。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果为：

1.本实用新型的氟气连续回用装置，可大幅度提高氟气利用率，对于气液氟化反应，氟气利用率可提高90％以上；对于气固氟化反应和气液固氟化反应，氟气利用率可提高80％以上。

2.本实用新型的分离器可实现氟气与液体和/或固体的分离，分离效率达到95％以上。

3.本实用新型的氟气连续回用装置对设备要求低，有效减小存储容器体积，降低设备造价成本和安全成本。

4.本实用新型的装置适用范围广，可用于氟气直接氟化的气液、气固、气液固氟化反应，适于产业化生产。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的氟气连续回用装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的分离器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

实施例1

图1示意性地给出了本实施例的氟气连续回用装置的结构简图，图2示意性地给出了连续回用装置中的分离器的结构简图，如图1、2所示，所述氟气连续回用装置包括：

储气槽1，所述储气槽设有高纯氟气入口、惰性气体入口、精制气体入口和出口，用于配制反应所需浓度的氟气和惰性气体的混合气；

反应器2，所述反应器包括氟气入口，所述氟气入口与所述储气槽的出口相连；

串联设置的一级冷凝塔31和二级冷凝塔32，将氟化反应的反应物进行深度冷却，液相物料(主要为反应产物和氟化氢)进入粗品槽7，分离出的气相物料(携带液滴、固体颗粒等)进入分离器进一步分离；

分离器4，所述分离器包括筒体41、翅片42和气体通道43，冷凝塔分离出的气相物料从所述筒体的上部侧边入口进入分离器，沿翅板螺旋向下进行分离，分离后的气体从气体通道自下而上排出分离器，分离出的液体和/或固体沉在分离器的底部；所述筒体呈倒圆台状，且所述筒体的侧面与水平面呈50°夹角；所述翅板围绕所述气体通道呈螺旋分布，翅板的坡度为30°，翅板的层间距为420mm，宽度为150mm；所述翅板与筒体内壁相连，且与筒体内壁相连的一侧高于靠近所述气体通道的一侧；所述翅板与气体通道之间留有间隙，便于液滴和/或固体颗粒滑落至分离器底部；

串联设置的一级纯化塔31和二级纯化塔32，所述一级纯化塔和二级纯化塔内填充氟化钾、氟化钠、氟化铝的混合物，且氟化钾：氟化钠：氟化铝＝0.7:1:3.3；经分离器分离后的气体中除氟气和惰性气体外的杂质气体和气体中包裹的液相物料经二级纯化塔进行吸附纯化，获得纯度为99.9％的精制氟气(除氟气和惰性气体之外的杂质含量为0.1％)，所述精制氟气经风机6输送至储气槽回用。

实施例2

实施例1所述的氟气连续回用装置在氟气与尿嘧啶溶液的气液氟化反应中的应用。

在该应用例中，惰性气体为氮气，在储气槽中配制20mol％氟氮混合气体，与尿嘧啶溶液同时通入管式反应器中，尿嘧啶溶液进料速度为20g/min，20mol％氟氮混合气进料速度为1.68L/min，氟气与尿嘧啶的摩尔配比为1.2:1，氟氮混合气与尿嘧啶连续反应。反应物经两级冷凝塔冷凝，获得反应粗品，所述粗品经重结晶、干燥后得到5-氟尿嘧啶产品。冷凝后的气相物料经分离器分离，两级纯化塔吸附纯化后获得6.5mol％氟氮混合气体返回储气槽，在储气槽中配制成20mol％氟氮混合气体使用。

对5-氟尿嘧啶产品进行液相色谱分析，结果表明：5-氟尿嘧啶产品纯度为97.22％，氟气利用率92.25％。

对比例1：

1)采用常规工艺，即，不对反应产物中的氟气进行分离回用，对反应粗品采用同样的后处理方法获得5-氟尿嘧啶产品，经液相色谱分析表明：常规工艺获得的5-氟尿嘧啶产品纯度为98.6％，氟气利用率72.17％。

2)采用本实施例的氟气回用装置，区别仅在于：采用常规的气液分离器代替本实施例的分离器，获得的5-氟尿嘧啶产品纯度为87.34％，氟气利用率83.46％。

3)采用本实施例的氟气回用装置，区别仅在于：所述筒体为圆柱形，获得的5-氟尿嘧啶产品纯度为92.31％，氟气利用率87.34％。

实施例3

实施例1所述的氟气连续回用装置在氟气与固体锑的气固氟化反应中的应用。

在该应用例中，惰性气体为氮气，在储气槽中配制60mol％氟氮混合气体，通入已放入锑粉并预热至90℃且经氮气置换的反应管中，氟气和锑在反应管中生成五氟化锑液体产物，反应过程压力维持在0.01～0.02Mpa。反应物经两级冷凝塔冷凝，获得反应粗品，所述粗品经过滤、干燥获得五氟化锑产品。冷凝后的气相物料经分离器分离，两级纯化塔吸附纯化后获得49mol％氟氮混合气体返回储气槽，在储气槽中配制成60mol％氟氮混合气体使用。

对五氟化锑产品进行液相色谱分析，结果表明：五氟化锑产品纯度为98.34％，氟气利用率95.75％。

对比例2：

1)采用常规工艺，即，不对反应产物中的氟气进行分离回用，对反应粗品采用同样的过滤、干燥方法获得五氟化锑产品，经液相色谱分析表明：常规工艺获得的五氟化锑产品纯度为99.12％，氟气利用率38.56％。

2)采用本实施例的氟气回用装置，区别仅在于：采用常规的气液分离器代替本实施例的分离器，获得的五氟化锑产品纯度为92.86％，氟气利用率62.91％。

3)采用本实施例的氟气回用装置，区别仅在于：所述筒体为圆柱形，获得的五氟化锑产品纯度为97.66％，氟气利用率76.44％。

实施例4

实施例1所述的氟气连续回用装置在氟气与聚丙烯(PP)的气固氟化反应中的应用。

在该应用例中，惰性气体为氮气，在储气槽中配制10mol％氟氮混合气体，于聚丙烯产品吹塑、定型过程中持续常温常压吹扫30min，得到经氟化处理后的聚丙烯产品。吹扫后的气体通入经冷凝、分离和两级纯化塔吸附纯化后获得6.5mol％氟氮混合气体返回储气槽，在储气槽中配制成10mol％氟氮混合气体使用。

对聚丙烯产品进行测试，结果表明：聚丙烯产品表面能为66mN/m，氟气利用率为99.76％。

对比例3：

采用常规工艺，即，不对吹扫后的氟气进行分离回用，经测试表明：聚丙烯产品表面能为47mN/m，氟气利用率为34.98％。

实施例5

实施例1所述的氟气连续回用装置在氟气与全氟己烯的气液氟化反应中的应用。

在该应用例中，惰性气体为全氟丙烷，在储气槽中配制氟气与全氟丙烷混合气体(氟气浓度为15mol％)，与全氟己烯同时通入管式反应器中，全氟己烯进料速度为4g/min，15mol％氟气混合气进料速度为4.3L/min，氟气混合气与全氟己烯连续反应。反应物经两级冷凝塔冷凝，获得反应粗品，所述粗品经精馏提纯，获得全氟己烷产品。冷凝后的气相物料经分离器分离，两级纯化塔吸附纯化后获得3.5mol％氟气混合气体返回储气槽，在储气槽中配制成15mol％氟气与全氟丙烷混合气体使用。

对全氟己烷产品进行气相色谱分析，结果表明：全氟己烷产品纯度为99.68％，氟气利用率99.82％。

对比例4：

1)采用常规工艺，即，不对反应产物中的氟气进行分离回用，对反应粗品采用同样的后处理方法获得全氟己烷产品，经气相色谱分析表明：常规工艺获得的全氟己烷产品纯度为99.82％，氟气利用率84.32％。

2)采用本实施例的氟气回用装置，区别仅在于：采用常规的气液分离器代替本实施例的分离器，获得的全氟己烷产品纯度为97.11％，氟气利用率87.86％。

3)采用本实施例的氟气回用装置，区别仅在于：所述筒体为圆柱形，获得的全氟己烷产品纯度为98.32％，氟气利用率93.58％。

Claims (10)

1.一种氟气连续回用装置，其特征在于：所述氟气连续回用装置包括：

反应器，所述反应器包括氟气入口，反应器的出口连接分离装置；

分离装置，所述分离装置包括分离器，所述分离器包括筒体、气体通道和翅板，所述翅板围绕所述气体通道呈螺旋分布，所述气体通道的出口与反应器的氟气入口连通；所述筒体呈倒圆台状，且所述筒体的侧面与水平面呈30～60°夹角。

2.根据权利要求1所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述氟气连续回用装置还包括：

储气槽，经分离装置分离获得的精制氟气返回所述储气槽与新鲜氟气、惰性气体配制成氟化反应所需浓度后进入反应器继续参与反应。

3.根据权利要求1或2所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述分离装置依次包括冷凝器、分离器和纯化器，经所述分离装置分离获得的精制氟气纯度≥99.9％。

4.根据权利要求3所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述冷凝器包括串联的二级或二级以上冷凝塔，所述冷凝塔的底部连接粗品槽；所述纯化器包括串联的二级或二级以上纯化器。

5.根据权利要求4所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述纯化器为压缩机或冷凝器或纯化塔，所述纯化塔内填充氟化盐，用于除去精制氟气以外的杂质气体以及气体中夹带的液相物料。

6.根据权利要求1所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述翅板与筒体内壁相连，且与筒体内壁相连的一侧高于靠近所述气体通道的一侧。

7.根据权利要求6所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述翅板与气体通道之间留有间隙，便于液滴和/或固体颗粒滑落至分离器底部。

8.根据权利要求1所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述翅板的坡度为20°～45°。

9.根据权利要求8所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述翅板的层间距为350～500mm，宽度≤250mm。

10.根据权利要求1所述的氟气连续回用装置，其特征在于：所述分离器的底部设有排液口。

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