RU2274601C1 - Nitrogen trifluoride production process - Google Patents

Nitrogen trifluoride production process Download PDF

Info

Publication number
RU2274601C1
RU2274601C1 RU2005110266/15A RU2005110266A RU2274601C1 RU 2274601 C1 RU2274601 C1 RU 2274601C1 RU 2005110266/15 A RU2005110266/15 A RU 2005110266/15A RU 2005110266 A RU2005110266 A RU 2005110266A RU 2274601 C1 RU2274601 C1 RU 2274601C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
electrolyte
bell
ammonia
electrolysis
Prior art date
Application number
RU2005110266/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Алексеевич Красильников (RU)
Анатолий Алексеевич Красильников
Галина Ивановна Каурова (RU)
Галина Ивановна Каурова
Юрий Николаевич Калинин (RU)
Юрий Николаевич Калинин
Виктор Пантелеймонович Шопен (RU)
Виктор Пантелеймонович Шопен
Ростислав Леонидович Рабинович (RU)
Ростислав Леонидович Рабинович
Original Assignee
Зао Астор Электроникс
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Зао Астор Электроникс filed Critical Зао Астор Электроникс
Priority to RU2005110266/15A priority Critical patent/RU2274601C1/en
Priority to PCT/RU2005/000650 priority patent/WO2006104416A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2274601C1 publication Critical patent/RU2274601C1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/082Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals
    • C01B21/083Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals containing one or more halogen atoms
    • C01B21/0832Binary compounds of nitrogen with halogens
    • C01B21/0835Nitrogen trifluoride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/24Halogens or compounds thereof
    • C25B1/245Fluorine; Compounds thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

FIELD: inorganic compounds technology.
SUBSTANCE: process comprises electrolysis of ammonium fluoride melts in electrolyzer with carbon or nickel anodes and steel cathodes provided with anode bell, said process being characterized by that electrolyzer contains louver cathodes and anode bell is arranged above electrodes. In this case, electrolyte mirror area under the bell constitutes not more than 0.2 total area electrolyte mirror, bell dipping depth in electrolyte is at least 0.25 electrode height, cathode-bell distance is at least 0.025 electrode height, anode-bell distance is at least 0.025 electrode height in case of carbon anode and 0.05 electrode height in case of nickel anode, predetermined electrolyte level in electrolyzer is maintained by feeding hydrofluoric acid gas while ammonia gas is supplied continuously, ammonia supply velocity being varied depending on content NF3 in anode gas and weight portion of ammonia in electrolyte is maintained equal to 24-28 wt %.
EFFECT: enabled production of NH3 with less important fluctuation of yield during prolonged electrolysis (70-80% on carbon electrode and 70-75% on nickel electrode) and ensured explosion-proof production.
2 cl, 1 dwg, 2 tbl, 7 ex

Description

Изобретение относится к неорганической химии, к способам получения трифторида азота.The invention relates to inorganic chemistry, to methods for producing nitrogen trifluoride.

Трифторид азота (NF3) применяется в химической промышленности как фторирующий агент и как фторсодержащее сырье. Он может применяться как окислитель для высококалорийных топлив, в электронной промышленности - в качестве чистящего газа для чистки кристаллов полупроводников и кремниевых пластин, а также в аппаратах химического парофазного осаждения (CVD).Nitrogen trifluoride (NF 3 ) is used in the chemical industry as a fluorinating agent and as a fluorine-containing raw material. It can be used as an oxidizing agent for high-calorie fuels, in the electronic industry as a cleaning gas for cleaning crystals of semiconductors and silicon wafers, as well as in chemical vapor deposition apparatus (CVD).

Одним из основных промышленных способов получения трифторида азота является электролиз расплавов фторида аммония во фтористом водороде в электролизерах с металлическими или угольными электродами.One of the main industrial methods for producing nitrogen trifluoride is the electrolysis of ammonium fluoride melts in hydrogen fluoride in electrolytic cells with metal or carbon electrodes.

Известно, что при электролизе наряду с целевым соединением NF3 образуется ряд газообразных примесей, таких как продукты расщепления и фторирования аммиака: N2, N2O, N2F2; продукты фторирования и анодного окисления воды: OF2, O2; продукты разрушения угольной основы анода под действием окислителей: летучие фторуглероды, СО2.It is known that during electrolysis, along with the target compound NF 3 , a number of gaseous impurities are formed, such as ammonia cleavage and fluorination products: N 2 , N 2 O, N 2 F 2 ; products of fluorination and anodic oxidation of water: OF 2 , O 2 ; destruction products of the carbon base of the anode under the action of oxidizing agents: volatile fluorocarbons, CO 2 .

При проведении электрохимического способа основными факторами, влияющими на соотношение реакций образования целевого соединения NF3 и примесей, являются:When conducting the electrochemical method, the main factors affecting the ratio of the reactions of formation of the target compound NF 3 and impurities are:

- величина анодной поляризации угольного или металлического анода (или связанная с ней величина напряжения на электролизере, на которую обычно ориентируются на практике);- the magnitude of the anodic polarization of the carbon or metal anode (or the magnitude of the voltage across the cell, which is usually oriented in practice);

- концентрация воды в электролите;- the concentration of water in the electrolyte;

- концентрация аммиака в электролите.- the concentration of ammonia in the electrolyte.

Перед проведением основной стадии электролиза (наработочного электролиза) проводят предварительную стадию дегидратации электролита. Это делается для снижения содержания примесей кислорода и кислородсодержащих соединений в анодном газе, которые образуются из-за присутствия воды в электролите. С этой же целью восполнение расхода исходных веществ (NH3 и HF) при электролизе производят небольшими порциями - массой от 1 до 10% от первоначальной загрузки.Before the main stage of electrolysis (production electrolysis), a preliminary stage of electrolyte dehydration is carried out. This is done to reduce the content of oxygen impurities and oxygen-containing compounds in the anode gas, which are formed due to the presence of water in the electrolyte. For the same purpose, the replenishment of the flow rate of the starting materials (NH 3 and HF) during electrolysis is carried out in small portions - weighing from 1 to 10% of the initial load.

Основную стадию - получение NF3 (наработочный электролиз) как на угольных, так и на металлических анодах, проводят при напряжении более 5,5 В, которое отвечает прямолинейному участку вольт-амперной кривой и обеспечивает протекание электрохимической реакции разряда ионов фтора и образования атомов фтора.The main stage is the production of NF 3 (operating electrolysis) on both carbon and metal anodes, carried out at a voltage of more than 5.5 V, which corresponds to the rectilinear portion of the current-voltage curve and ensures the flow of the electrochemical reaction of the discharge of fluorine ions and the formation of fluorine atoms.

В электролите состава NH4F+(1,1-1,8) HF согласно диаграмме состояния системы NH3-HF [Ruff O., Stoub L. Z. Anorgan. Chem., 212, 399, 1933] аммиак находится в виде фтористоводородного комплекса, отвечающего бифториду аммония: NH3·2HF. При наличии свободного фтористого водорода этот комплекс частично диссоциирует по уравнению:In an electrolyte of the composition NH 4 F + (1.1-1.8) HF according to the state diagram of the NH 3 -HF system [Ruff O., Stoub LZ Anorgan. Chem., 212, 399, 1933] ammonia is in the form of a hydrogen fluoride complex corresponding to ammonium bifluoride: NH 3 · 2HF. In the presence of free hydrogen fluoride, this complex partially dissociates according to the equation:

Figure 00000002
Figure 00000002

Основные продукты электролиза предварительно обезвоженного электролита (NF3и N2) образуются в результате химического фторирования аммиака, находящегося в адсорбционном слое анода в виде бифторида аммония или ионов аммония, высоко активными атомами фтора (F) по реакциям:The main electrolysis products of pre-dehydrated electrolyte (NF 3 and N 2 ) are formed as a result of chemical fluorination of ammonia, which is in the adsorption layer of the anode in the form of ammonium bifluoride or ammonium ions, by highly active fluorine atoms (F) according to the reactions:

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

При химическом фторировании, а именно таковым является получение NF3, на проведение способа влияют кинетические, термодинамические и структурные факторы. Сочетание этих факторов в зоне реакции (адсорбционном слое анода) приводит к тому, что электрохимический способ не дает возможности получения целевого соединения с теоретическим (100%-ным) выходом. Характерной особенностью электрохимического способа получения NF3 является то, что баланс получения и потребления атомов фтора, а также соотношение между реакциями (2-5) получения основных продуктов электролиза (NF3 и N2) определяются концентрацией аммиака в электролите. По нашим данным, максимальные выходы по току NF3 (около 75% на никелевом аноде и около 80% на угольном) достигаются при массовой доле аммиака в электролите 25-26%.In chemical fluorination, namely, the production of NF 3 , kinetic, thermodynamic, and structural factors influence the process. The combination of these factors in the reaction zone (adsorption layer of the anode) leads to the fact that the electrochemical method does not make it possible to obtain the target compound with a theoretical (100%) yield. A characteristic feature of the electrochemical method of producing NF 3 is that the balance of production and consumption of fluorine atoms, as well as the ratio between reactions (2-5) of obtaining the main electrolysis products (NF 3 and N 2 ) are determined by the concentration of ammonia in the electrolyte. According to our data, the maximum current outputs NF 3 (about 75% on the nickel anode and about 80% on the carbon one) are achieved with a mass fraction of ammonia in the electrolyte of 25-26%.

Согласно реакциям (2-5), расход аммиака на образование одного моля NF3 в два раза меньше, чем на образование одного моля N2. Следовательно, для поддержания заданной концентрации аммиака в электролите подпитку аммиаком следует вести с учетом фактического выхода этих соединений.According to reactions (2-5), the ammonia consumption for the formation of one mole of NF 3 is two times less than for the formation of one mole of N 2 . Therefore, in order to maintain a given concentration of ammonia in the electrolyte, replenishment with ammonia should be carried out taking into account the actual yield of these compounds.

В процессе получения NF3 могут образоваться взрывоопасные газовые смеси, в частности, это смеси NF3 с водородом и аммиаком.In the process of producing NF 3 explosive gas mixtures can form, in particular, these are mixtures of NF 3 with hydrogen and ammonia.

Предотвратить или свести к минимуму возникновение опасности взрыва можно разными способами и, в частности, получением NF3 в специально разработанных электролизерах.There are various ways to prevent or minimize the occurrence of explosion hazards and, in particular, by producing NF 3 in specially designed electrolyzers.

Известен способ получения NF3 в электролизере с разделением анодной и катодной камер электрохимической ячейки фторполимерной диафрагмой [Выл. заявка Японии 88130790, кл. С 25 В 9/00, опубл. 02.06.1988, Chem. Abstr. 1989, Vol.110, 15084].A known method of producing NF 3 in an electrolyzer with separation of the anode and cathode chambers of an electrochemical cell by a fluoropolymer diaphragm [Val. Japanese application 88130790, cl. With 25 V 9/00, publ. 06/02/1988, Chem. Abstr. 1989, Vol. 110, 15084].

Известен способ получения NF3 в электролизере с двухуровневым расположением электродных камер, предотвращающим смешение анодного и катодного газов [U.S. Patent 5779866, кл. С 25 В 9/00, оп. 04.02.1998 г.].A known method of producing NF 3 in an electrolytic cell with a two-level arrangement of electrode chambers, preventing the mixing of anode and cathode gases [US Patent 5779866, cl. With 25 V 9/00, op. February 4, 1998].

Условиями безопасной работы при электрохимическом получении NF3 являются:Conditions for safe operation during electrochemical production of NF 3 are:

1. Достаточная степень разделения катодного и анодного электролизных газов, при которой концентрация водорода в анодном газе не превышает 1 об.%. 1. A sufficient degree of separation of the cathode and anode electrolysis gases, in which the concentration of hydrogen in the anode gas does not exceed 1 vol.% .

2. Недопущение выделения на аноде элементного фтора (как установлено авторами, это требование практически выполняется, если концентрация аммиака в электролите не опускается ниже 22 мас.%, что соответствует составу NH3·3HF).2. Prevention of the release of elemental fluorine at the anode (as established by the authors, this requirement is practically fulfilled if the concentration of ammonia in the electrolyte does not fall below 22 wt.%, Which corresponds to the composition of NH 3 · 3HF).

3. Отсутствие аммиака в газовой фазе электролизера (это требование практически выполняется, поскольку газообразный аммиак, подаваемый под слой электролита, жадно реагирует со фтористым водородом и, при небольших скоростях подачи, по нашим данным, до 1 м3 в час, не попадает в газовую фазу электролизера); упругость паров аммиака над расплавленным электролитом в рабочем диапазоне температур и составов электролита не более 0,5 мм рт.ст.3. The absence of ammonia in the gas phase of the electrolyzer (this requirement is practically fulfilled, since gaseous ammonia supplied under the electrolyte layer greedily reacts with hydrogen fluoride and, at our low feed rates, according to our data, up to 1 m 3 per hour, does not enter the gas electrolyzer phase); the vapor pressure of ammonia over the molten electrolyte in the operating range of temperatures and electrolyte compositions is not more than 0.5 mm Hg

Таким образом, из трех перечисленных условий безопасной работы только первое полностью определяется конструктивными особенностями электролизера, остальные два выполняются технологическими мероприятиями.Thus, of the three listed conditions for safe operation, only the first is completely determined by the design features of the cell, the other two are carried out by technological measures.

Наиболее близким является способ (прототип) получения NF3 в электролизере с газоразделительной перегородкой в виде анодного колокола, погруженного в электролит и частично перекрывающего рабочую поверхность электродов, при этом расстояния между электродами и перегородкой устанавливаются в пределах от 30 мм для небольших электролизеров до 200 мм для промышленных электролизеров [U.S. Patent 5085752, кл. С 25 В 1/24, опубл. 04.02.1991].The closest is the method (prototype) of producing NF 3 in an electrolyzer with a gas separation baffle in the form of an anode bell immersed in the electrolyte and partially covering the working surface of the electrodes, while the distances between the electrodes and the baffle are set from 30 mm for small cells to 200 mm for industrial electrolyzers [US Patent 5085752, cl. With 25 V 1/24, publ. 02/04/1991].

Недостатками данного способа являются низкая удельная объемная производительность электролизера и высокое напряжение электролиза, обусловленные большими межэлектродными расстояниями (до 400 мм в промышленных электролизерах) и частичным перекрыванием рабочей поверхности электродов газоразделительной перегородкой. При больших межэлектродных расстояниях газовыделение с электродов не обеспечивает эффективного перемешивания электролита во всем объеме электролизера и тем самым не достигается поддержания заданной концентрации аммиака у всех работающих электродов. Кроме того, способ характеризуется высокой скоростью коррозии той части газоразделительной перегородки, которая расположена между электродами (вследствие ее биполярной работы). Напряжение составляет до 8 В, а достигаемый выход по току целевого соединения составляет около 65%.The disadvantages of this method are the low specific volumetric productivity of the electrolyzer and the high voltage of the electrolysis, due to the large interelectrode distances (up to 400 mm in industrial electrolysis cells) and the partial overlapping of the working surface of the electrodes by a gas separation partition. At large interelectrode distances, gas evolution from the electrodes does not provide efficient mixing of the electrolyte in the entire volume of the electrolyzer, and thus, it is not possible to maintain a given ammonia concentration for all working electrodes. In addition, the method is characterized by a high corrosion rate of that part of the gas separation partition that is located between the electrodes (due to its bipolar operation). The voltage is up to 8 V, and the achieved current output of the target compound is about 65%.

Задачами предлагаемого изобретения являются:The objectives of the invention are:

разработка более эффективной конструкции электролизера, позволяющей повысить выход целевого соединения - NF3;development of a more efficient design of the electrolyzer, which allows to increase the yield of the target compound - NF 3 ;

снижение энергоемкости процесса за счет уменьшения напряжения на электролизере и потерь энергии на выделение Джоулева тепла;reducing the energy intensity of the process by reducing the voltage on the cell and energy losses due to the generation of Joule heat;

разработка критериев масштабирования электрохимической ячейки.development of scaling criteria for an electrochemical cell.

Сущность изобретения состоит в том, что разработан способ получения трифторида азота электролизом фтористоводородных расплавов фтористого аммония в электролизере с угольными или никелевыми анодами и стальными катодами, с анодным колоколом, отличающийся тем, что в электролизере используют жалюзийные катоды, а анодный колокол располагают над электродами, при этом:The essence of the invention lies in the fact that a method has been developed for producing nitrogen trifluoride by electrolysis of hydrofluoric melts of ammonium fluoride in an electrolyzer with carbon or nickel anodes and steel cathodes, with an anode bell, characterized in that louvre cathodes are used in the electrolyzer, and the anode bell is placed above the electrodes, this:

- площадь зеркала электролита под анодным колоколом составляет не более 0,2 от общей площади зеркала электролита (А),- the area of the electrolyte mirror under the anode bell is not more than 0.2 of the total area of the electrolyte mirror (A),

- глубина погружения колокола в электролит составляет не менее 0,25 от высоты электродов (Б),- the immersion depth of the bell in the electrolyte is at least 0.25 of the height of the electrodes (B),

- расстояние катод-колокол составляет не менее 0,025 от высоты электродов (В),- the distance of the cathode-bell is not less than 0,025 from the height of the electrodes (V),

- расстояние анод-колокол составляет не менее 0,025 от высоты электродов, если анод угольный, и не менее 0,05 от высоты электродов, если анод никелевый (Г);- the distance of the anode-bell is not less than 0.025 from the height of the electrodes if the anode is carbon, and not less than 0.05 from the height of the electrodes if the anode is nickel (G);

- заданный уровень электролита в электролизере поддерживают подачей газообразной фтористоводородной кислоты, а газообразный аммиак подают непрерывно, причем начинают наработочный электролиз при массовой доле аммиака в электролите 25-26% и изменяют скорость подачи аммиака в зависимости от содержания NF3 в анодном газе (Д);- a given level of electrolyte in the electrolyzer is supported by the supply of gaseous hydrofluoric acid, and gaseous ammonia is fed continuously, whereby the operating electrolysis is started at a mass fraction of ammonia in the electrolyte of 25-26% and the feed rate of ammonia is changed depending on the content of NF 3 in the anode gas (D);

- при получении NF3 (в наработочном электролизе) не допускают, чтобы массовая доля аммиака в электролите была ниже 24% и выше 28% (Е).- upon receipt of NF 3 (in production electrolysis), it is not allowed that the mass fraction of ammonia in the electrolyte be lower than 24% and higher than 28% (E).

Способ характеризуется тем, что при получении NF3 в электролизере с угольными или никелевыми анодами, верхним (над электродами) расположением анодного колокола и жалюзийными катодами выполнение условий (А-Г) обеспечивает достаточную степень разделения анодного и катодного электролизных газов, при которой содержание водорода в анодном газе не превышает 1 об.%, а NF3 в катодном газе практически отсутствует при номинальной анодной плотности тока 0,1 А/см2, причем это проверено как в электролизерах лабораторного масштаба на 30-50 А с высотой электродов 150 мм, так и в опытном электролизере на 4000 А с высотой электродов 600 мм.The method is characterized in that upon receipt of NF 3 in an electrolytic cell with carbon or nickel anodes, the top (above the electrodes) location of the anode bell and the louvered cathodes, the fulfillment of conditions (A-D) provides a sufficient degree of separation of the anode and cathode electrolysis gases, in which the hydrogen content in the anode gas does not exceed 1 vol.%, and NF 3 in the cathode gas is practically absent at a nominal anode current density of 0.1 A / cm 2 , and this is verified as in laboratory electrolyzers at 30-50 A with a height of elec childbirth 150 mm, and in the experimental electrolyzer at 4000 A with a height of the electrodes 600 mm.

Заявленная в способе связь конструктивных параметров электролизера, таких как глубина погружения колокола в электролит, расстояния между электродами и колоколом, с высотой электродов позволяет осуществить масштабирование конструкции для электролизеров различной производительности (единичной мощности). При этом выполнение условий взрывобезопасности (А-Г) даже в электролизерах промышленного масштаба на 10-20 кА с электродами высотой порядка 600 мм обеспечивается при межэлектродных расстояниях не более 30-40 мм, то есть значительно меньших, чем те, которые заявляются в прототипе.The claimed connection between the design parameters of the electrolyzer, such as the immersion depth of the bell in the electrolyte, the distance between the electrodes and the bell, with the height of the electrodes allows the design to be scaled for electrolyzers of different capacities (unit power). In this case, the fulfillment of explosion safety conditions (A-G) even in electrolyzers of an industrial scale of 10-20 kA with electrodes of the order of 600 mm high is ensured at interelectrode distances of not more than 30-40 mm, that is, significantly shorter than those stated in the prototype.

Выполнение условия (Д) обеспечивает получение NF3 c выходами по току, близкими к максимально возможным, а выполнение условия (Е) обеспечивает получение NF3 c выходом по току не менее 60%. Выход за пределы интервала массовых долей аммиака в электролите, указанных в условии (Е), приводит в условиях выполнения способа к значительному снижению выхода по току NF3.The fulfillment of condition (D) ensures the production of NF 3 with current outputs close to the maximum possible, and the fulfillment of condition (E) ensures the production of NF 3 with current output of at least 60%. Exceeding the range of the mass fractions of ammonia in the electrolyte specified in condition (E) leads, under the conditions of the method, to a significant decrease in the current output NF 3 .

Предлагаемый способ проводят в электрохимической ячейке, показанной на чертеже. Ячейка включает стальные корпус (поз.1), крышку (поз.2), анодную полукрышку (поз.3), один плоский угольный или никелевый анод (поз.8), два стальных жалюзийных катода (поз.9), анодный колокол (поз.7). Крышка и анодная полукрышка электроизолированы друг от друга и от корпуса ячейки диэлектрическими прокладками (поз.11, 12). Токовыводы катодов и анода выводятся наружу ячейки через крышку и анодную полукрышку, соответственно, при этом они электрически изолированы от крышек посредством диэлектрических вставок (поз.4). Анодный колокол крепится к анодной полукрышке тем или иным способом, например, сваркой или фланцевым соединением; в последнем случае колокол является съемным (предпочтительный вариант). Жалюзийные катоды выполняются в виде ряда стальных пластин, приваренных к сплошной вертикальной раме под углом 10-20° к вертикали. К верхней части рамы, там, где кончаются жалюзи, крепятся отражательные пластины (поз.10), назначение которых - направить поток газонаполненного католита в сторону от колокола. Ширина жалюзей в катодах 10-20 мм для небольших ячеек и порядка 50 мм для ячеек промышленных размеров с высотой электродов около 600 мм. Срез анодного колокола располагают, предпочтительно, на 10-15 мм выше электродов, но можно располагать его и непосредственно у верхних торцов электродов. В обоих случаях поверхность анода используется полностью, а анодное растворение колокола вследствие биполярной работы сводится к минимуму. Анодный и катодный электролизные газы выводятся из ячейки раздельно: анодный газ через отверстие в анодной полукрышке (поз.5), катодный через отверстие в крышке ячейки (поз.6). Отверстия в крышках (поз.5, 6) могут быть использованы для первоначальной загрузки реагентов (соли NH4F и фтористоводородной кислоты) в ячейку, а при электролизе одно из отверстий (поз.6) используется для подпитки электролита газообразными NH3 и HF. Реагенты подают по сифону под слой электролита в катодный отсек ячейки.The proposed method is carried out in an electrochemical cell, shown in the drawing. The cell includes a steel casing (pos. 1), a cover (pos. 2), an anode half cap (pos. 3), one flat carbon or nickel anode (pos. 8), two steel louvered cathodes (pos. 9), an anode bell ( item 7). The cover and the anode half cover are electrically insulated from each other and from the cell body by dielectric gaskets (pos. 11, 12). The current leads of the cathodes and anode are brought out of the cell through the cover and the anode half-cover, respectively, while they are electrically isolated from the covers by means of dielectric inserts (item 4). The anode bell is attached to the anode half cap in one way or another, for example, by welding or flange connection; in the latter case, the bell is removable (preferred). The louvre cathodes are made in the form of a series of steel plates welded to a continuous vertical frame at an angle of 10-20 ° to the vertical. Reflective plates (pos. 10) are attached to the upper part of the frame, where the blinds end, the purpose of which is to direct the flow of gas-filled catholyte away from the bell. The width of the blinds in the cathodes is 10-20 mm for small cells and about 50 mm for cells of industrial sizes with an electrode height of about 600 mm. A section of the anode bell is preferably 10-15 mm higher than the electrodes, but it can also be placed directly at the upper ends of the electrodes. In both cases, the surface of the anode is fully utilized, and the anodic dissolution of the bell due to bipolar operation is minimized. The anodic and cathodic electrolysis gases are separately removed from the cell: the anodic gas through the hole in the anode half cover (key 5), the cathode gas through the hole in the cell cover (key 6). The holes in the covers (pos. 5, 6) can be used for the initial loading of reagents (NH 4 F salts and hydrofluoric acid) into the cell, and during electrolysis, one of the holes (pos. 6) is used to feed the electrolyte with gaseous NH 3 and HF. Reagents are siphoned under the electrolyte layer into the cathode compartment of the cell.

Электролизеры, предназначенные для проведения способа, могут отличаться числом электрохимических ячеек, размерами электродов, техническими средствами поддержания заданного температурного режима и контроля параметров электролиза, но общим для них является взаимное расположение конструкционных элементов, соответствующее чертежу, и выполнение условий (А-Г).The electrolyzers intended for carrying out the method may differ in the number of electrochemical cells, the size of the electrodes, technical means of maintaining a given temperature regime and monitoring electrolysis parameters, but the mutual arrangement of structural elements corresponding to the drawing and the fulfillment of conditions (A-D) are common to them.

Для выполнения способа в электролизере с угольными или никелевыми анодами, жалюзийными катодами и анодным колоколом, расположенным над электродами, удовлетворяющем условиям (А-Г), готовят или загружают в него электролит, состоящий из соли NH4F и фтористоводородной кислоты, причем мольное соотношение NH4F/HF составляет 0,65-0,77, что соответствует составу NH4F+(1,54-1,3)HF, концентрации свободной HF от 45,4 до 41,3 мас.% и концентрации NH3 в электролите от 25 до 27 мас.%.To perform the method in an electrolyzer with carbon or nickel anodes, louvre cathodes and an anode bell located above the electrodes that satisfy the conditions (A-D), an electrolyte consisting of an NH 4 F salt and hydrofluoric acid is prepared or loaded into it, moreover, the molar ratio of NH 4 F / HF is 0.65-0.77, which corresponds to the composition of NH 4 F + (1.54-1.3) HF, the concentration of free HF from 45.4 to 41.3 wt.% And the concentration of NH 3 in the electrolyte from 25 to 27 wt.%.

Перед получением ТФА проводят дегидратирующий электролиз одним из известных способов. При дегидратирующем электролизе снижают концентрацию воды в электролите до 0,05 мас.%, при этом объемная доля N2O в анодном газе уменьшается до 1%.Before receiving TFA, dehydrating electrolysis is carried out using one of the known methods. When dehydrating electrolysis, the concentration of water in the electrolyte is reduced to 0.05 wt.%, While the volume fraction of N 2 O in the anode gas is reduced to 1%.

Перед началом наработочного электролиза проверяют концентрацию аммиака в электролите путем отбора пробы на химический анализ. При необходимости корректируют состав электролита подачей HF или NH3 таким образом, чтобы массовая доля аммиака в нем находилась в пределах от 25 до 27%, лучше от 25 до 26%.Before starting production electrolysis, the concentration of ammonia in the electrolyte is checked by sampling for chemical analysis. If necessary, adjust the composition of the electrolyte by feeding HF or NH 3 so that the mass fraction of ammonia in it is in the range from 25 to 27%, preferably from 25 to 26%.

После этого сразу переходят к рабочему электролизу, устанавливая номинальную анодную плотность тока, равную 0,1 А/см2. При рабочем электролизе периодически, например, 1 раз в час, контролируют содержание NF3 в анодном газе (хроматографическим анализом). Уровень электролита в электролизере поддерживают в заданных пределах путем периодической подпитки электролизера газообразным фтористым водородом (при небходимости, по показаниям уровнемера).After that, they immediately switch to working electrolysis, setting the nominal anode current density equal to 0.1 A / cm 2 . When working electrolysis periodically, for example, 1 time per hour, control the content of NF 3 in the anode gas (chromatographic analysis). The electrolyte level in the electrolyzer is maintained within specified limits by periodically feeding the cell with gaseous hydrogen fluoride (if necessary, according to the readings of the level gauge).

Газообразный аммиак подают в электролизер, предпочтительно, непрерывно, но можно и периодически. Отличительной чертой способа является то, что скорость подачи аммиака в расчете на единицу пропущенного количества электричества связывают с содержанием NF3 в анодном газе и изменяют ее в соответствии с уравнением:Ammonia gas is fed into the cell, preferably continuously, but also periodically. A distinctive feature of the method is that the feed rate of ammonia per unit of passed amount of electricity is associated with the content of NF 3 in the anode gas and change it in accordance with the equation:

Figure 00000007
Figure 00000007

где МNH3 - масса аммиака, подаваемая в электролизер на 1 кАч пропущенного количества электричества, г/кАч;where M NH3 is the mass of ammonia supplied to the electrolyzer per 1 kAh of the passed amount of electricity, g / kAh;

СNF3 - содержание NF3 в анодном газе, об.%.With NF3 - the content of NF 3 in the anode gas, vol.%.

При начале рабочего электролиза устанавливают согласно формуле (6) минимальную скорость подпитки аммиаком, соответствующую максимально достижимым в условиях способа содержаниям NF3 в анодном газе (около 80% для угольного анода и около 75% для никелевого), а именно, 127 г/кАч для угольного и 132 г/кАч для никелевого.At the beginning of the working electrolysis, the minimum feed rate with ammonia is set according to formula (6), which corresponds to the maximum achievable NF 3 content in the anode gas under the conditions of the method (about 80% for the carbon anode and about 75% for nickel), namely 127 g / kAh for coal and 132 g / kAh for nickel.

Практически получают содержание NF3 в анодном газе равным или близким к указанным значениям. При непрерывной подпитке аммиаком с указанной скоростью этот показатель (содержание NF3 в анодном газе) либо остается постоянным, либо уменьшается вследствие снижения концентрации аммиака в электролите (как показано выше, расход аммиака на образование N2 в два раза больше, чем на образование NF3). При снижении объемной доли NF3 в анодном газе на определенную величину (минимальную, достоверно определяемую), например на 5%, увеличивают скорость подачи аммиака в соответствии с уравнением (6). Концентрация аммиака в электролите постепенно увеличивается до оптимальной, вследствие увеличения выхода NF3 и снижения расхода аммиака. Таким образом происходит регулирование концентрации аммиака в электролите, поддержание ее вблизи оптимального значения, причем не в локальной точке электролизера (месте отбора пробы на анализ), как это делается в существующих способах, а во всем объеме электролизера, поскольку используется критерий (состав анодного газа), связанный с работой всех анодов.In practice, the content of NF 3 in the anode gas is obtained equal to or close to the indicated values. When continuously fed with ammonia at the indicated rate, this indicator (NF 3 content in the anode gas) either remains constant or decreases due to a decrease in the ammonia concentration in the electrolyte (as shown above, the ammonia consumption for N 2 formation is two times higher than for NF 3 formation ) When reducing the volume fraction of NF 3 in the anode gas by a certain amount (minimum, reliably determined), for example by 5%, the feed rate of ammonia is increased in accordance with equation (6). The concentration of ammonia in the electrolyte gradually increases to the optimum, due to an increase in the yield of NF 3 and a decrease in the consumption of ammonia. Thus, the concentration of ammonia in the electrolyte is regulated, maintaining it near the optimal value, and not at the local point of the cell (the place of sampling for analysis), as is done in existing methods, but in the entire volume of the cell, because the criterion is used (composition of the anode gas) associated with the operation of all anodes.

Наиболее соответствует способу непрерывное изменение скорости подачи аммиака по сигналу датчика содержания NF3 в анодном газе.Most consistent with the method is a continuous change in the feed rate of ammonia according to the signal of the NF 3 content sensor in the anode gas.

При периодической подпитке электролита аммиаком формула (6) дает возможность подсчитать массу аммиака, которую необходимо подать в электролизер на отработанные между подпитками ампер-часы. При этом в формулу (6) подставляют среднее значение концентрации NF3 в анодном газе из анализов, выполненных в промежутке между подпитками. Периодичность подпиток определяется опытным путем на основании данных о составе анодного газа и химического анализа электролита.With periodic replenishment of the electrolyte with ammonia, formula (6) makes it possible to calculate the mass of ammonia, which must be fed into the electrolyzer for the ampere hours worked between recharge. In this case, the average value of the concentration of NF 3 in the anode gas is substituted into the formula (6) from the analyzes performed in the interval between the recharge. The frequency of recharge is determined empirically based on data on the composition of the anode gas and chemical analysis of the electrolyte.

Пример 1.Example 1

Процесс получения NF3 проводят в стальном электролизере с внешним электрообогревом, объемом 6,9 дм3. Электролизер имеет один никелевый анод размером 100·150·4 мм (ширина, высота, толщина) и два стальных жалюзийных катода, расположенных по обе стороны от анода. Анодный колокол изготовлен из Стали-3 толщиной 2 мм и расположен над электродами, причем нижний срез колокола находится практически у верхних торцов электродов.The process of obtaining NF 3 is carried out in a steel electrolytic cell with external electric heating, a volume of 6.9 dm 3 . The cell has one nickel anode measuring 100 · 150 · 4 mm (width, height, thickness) and two steel louvre cathodes located on both sides of the anode. The anode bell is made of Steel-3 with a thickness of 2 mm and is located above the electrodes, with the lower section of the bell located almost at the upper ends of the electrodes.

В электролизер порциями загружают 3,5 кг соли NH4F и 2,6 кг HF. Получают электролит с концентрацией NH3, свободного HF и Н2О - 26,4 мас.%, 42,1 мас.% и 0,5 мас.%, соответственно.3.5 kg of NH 4 F salt and 2.6 kg of HF are charged in portions into the cell. An electrolyte is obtained with a concentration of NH 3 , free HF and H 2 O — 26.4 wt.%, 42.1 wt.% And 0.5 wt.%, Respectively.

При разогретом до рабочей температуры (120-130°С) электролите электролизер характеризуется следующими показателями:When heated to operating temperature (120-130 ° C), the electrolyte electrolyzer is characterized by the following indicators:

- глубина погружения колокола в электролит 40 мм (0,27 от высоты электродов);- the immersion depth of the bell in the electrolyte is 40 mm (0.27 of the height of the electrodes);

- расстояние катод - колокол 10 мм (0,067 от высоты электродов);- distance cathode - bell 10 mm (0.067 from the height of the electrodes);

- расстояние анод - колокол 10 мм (0,067 от высоты электродов);- distance anode - bell 10 mm (0.067 from the height of the electrodes);

- доля поверхности электролита под колоколом 8,9% от общей поверхности.- the proportion of the electrolyte surface under the bell is 8.9% of the total surface.

После разогрева электролита до рабочей температуры начинают дегидратирующий электролиз на токе 6 А, что соответствует анодной плотности тока 0,02 А/см2. Дегидратирующий электролиз ведут до снижения объемной доли N2O в анодном газе до 1%, что соответствует концентрации Н2О в электролите около 0,05 мас.%. Массовая доля аммиака в электролите в конце дегидратирующего электролиза составляет 25,1%.After heating the electrolyte to operating temperature, dehydrating electrolysis begins at a current of 6 A, which corresponds to an anodic current density of 0.02 A / cm 2 . Dehydrating electrolysis is carried out until the volume fraction of N 2 O in the anode gas is reduced to 1%, which corresponds to a concentration of H 2 O in the electrolyte of about 0.05 wt.% . The mass fraction of ammonia in the electrolyte at the end of dehydrating electrolysis is 25.1%.

Затем сразу переходят к рабочему электролизу, повышая ток до 30 А, что соответствует анодной плотности тока 0,1 А/см2.Then they immediately switch to working electrolysis, increasing the current to 30 A, which corresponds to an anode current density of 0.1 A / cm 2 .

Уровень электролита при электролизе поддерживают периодической подачей газообразного HF, аммиак подают 2 раза в сутки порциями около 40 г (52-53 дм3), что составляет около 2,5% от первоначальной загрузки. Это соответствует известным способам восполнения расхода аммиака при электролизе (1-10% от первоначальной загрузки).The electrolyte level during electrolysis is maintained by periodic feeding of gaseous HF, ammonia is fed 2 times a day in portions of about 40 g (52-53 dm 3 ), which is about 2.5% of the initial load. This corresponds to the known methods of replenishing the consumption of ammonia during electrolysis (1-10% of the initial load).

Рабочий электролиз ведут в течение 5 суток, напряжение от 5,4 до 6,3 В, содержание NF3 в анодном газе от 63 до 75 об.% (среднее 67 об.%), концентрация NH3 в точке отбора электролита на анализ изменяется за этот период в пределах от 25,9 мас.% до 24,3 мас.%. Хлопков при электролизе не происходит.Working electrolysis is carried out for 5 days, the voltage is from 5.4 to 6.3 V, the content of NF 3 in the anode gas is from 63 to 75 vol.% (Average 67 vol.%), The concentration of NH 3 at the point of selection of the electrolyte for analysis varies for this period in the range from 25.9 wt.% to 24.3 wt.%. There are no pops during electrolysis.

Пример 2.Example 2

Повторяют опыт по примеру 1, но при рабочем электролизе подпитку аммиаком изменяют в зависимости от среднего содержания ТФА в анодном газе в период между подпитками, согласно уравнению (6). Пробу анодного газа на анализ отбирают каждые два часа, то есть шесть раз между подпитками, которые, как и в примере 1, делают два раза в сутки. При этом масса аммиака, подаваемого на подпитку, лежит в пределах от 47 до 50 г. Объемная доля NF3 в анодном газе в течение всего опыта находится в пределах от 70 до 75% (среднее 73,6%), напряжение электролиза в пределах 5,5-6,1 В, концентрация NH3 в точке отбора электролита на анализ в пределах от 26,0 мас.% до 25,5 мас.%.The experiment of Example 1 is repeated, but with working electrolysis, the ammonia feed is changed depending on the average TFA content in the anode gas in the period between the feeds, according to equation (6). An anode gas sample is taken for analysis every two hours, that is, six times between recharge, which, as in example 1, is done twice a day. The mass of ammonia fed to the feed lies in the range from 47 to 50 g. The volume fraction of NF 3 in the anode gas during the entire experiment is in the range from 70 to 75% (average 73.6%), the electrolysis voltage is in the range of 5 , 5-6.1 V, the concentration of NH 3 at the point of selection of the electrolyte for analysis in the range from 26.0 wt.% To 25.5 wt.%.

Примеры 3-6Examples 3-6

В примерах 3-5 используется электролизер, соответствующий примеру 1.In examples 3-5, the electrolyzer corresponding to example 1 is used.

В примере 6, в отличие от примеров 3-5, электролизер содержит один угольный анод размером 100×150×20 мм (ширина, высота, толщина). Во всех этих примерах электролизер содержит два стальных жалюзийных катода, высота которых соответствует высоте анода, и анодный колокол, нижний срез которого располагается у верхних торцов электродов.In example 6, in contrast to examples 3-5, the electrolyzer contains one carbon anode measuring 100 × 150 × 20 mm (width, height, thickness). In all these examples, the electrolyzer contains two steel louvre cathodes, the height of which corresponds to the height of the anode, and the anode bell, the lower slice of which is located at the upper ends of the electrodes.

В примерах 3-6 изменяются размеры электрохимической ячейки, влияющие на качество газоразделения, в соответствии с таблицей 1.In examples 3-6, the dimensions of the electrochemical cell are changed, affecting the quality of gas separation, in accordance with table 1.

В каждом из примеров 3-6 повторяют процедуру (процесс), соответствующую примеру 2. При рабочем электролизе дополнительно, через каждые 3-4 часа, определяют концентрации водорода в анодном газе и ТФА в катодном газе хроматографическим анализом. Рабочий электролиз в каждом из примеров 3-6 ведут в течение 5 суток.In each of examples 3-6, the procedure (process) corresponding to example 2 is repeated. During working electrolysis, additionally, every 3-4 hours, hydrogen concentrations in the anode gas and TFA in the cathode gas are determined by chromatographic analysis. Working electrolysis in each of examples 3-6 is carried out for 5 days.

Примеры 3-6 дают обоснование соотношений между параметрами (конструктивными размерами) электрохимической ячейки, входящими в формулу изобретения.Examples 3-6 provide a rationale for the relationship between the parameters (structural dimensions) of the electrochemical cell included in the claims.

Таблица 1.Table 1. Параметры ячейки и показатели газоразделенияCell parameters and gas separation indicators Пример 3Example 3 Пример 4Example 4 Пример 5Example 5 Пример 6Example 6 Материал анодаAnode material НикельNickel НикельNickel НикельNickel УгольCoal Высота электродов (Нэ), ммThe height of the electrodes (N e ), mm 150150 150150 150150 150150 Глубина погружения колокола в электролит, ммDepth of immersion of the bell in the electrolyte, mm 45 (0,3·Нэ)45 (0.3 · N e ) 40 (0,27·Нэ)40 (0.27 · N e ) 30 (0,2·Нэ)30 (0.2 · N e ) 40 (0,27·Нэ)40 (0.27 · N e ) Расстояние катод - колокол, ммDistance cathode - bell, mm 3,0 (0,02·Нэ)3.0 (0.02 · N e ) 10,0 (0,067·Нэ)10.0 (0.067N e ) 10,0 (0,067·Нэ)10.0 (0.067N e ) 10,0 (0,067·Нэ)10.0 (0.067N e ) Расстояние анод - колокол, ммDistance anode - bell, mm 10,0 (0,067·Нэ)10.0 (0.067N e ) 6,0 (0,04·Нэ)6.0 (0.04 · N e ) 10,0 (0,067·Нэ)10.0 (0.067N e ) 3,5 (0,023·Нэ)3.5 (0.023N e ) Доля поверхности электролита под колоколом от общей поверхности электролита, %The fraction of the electrolyte surface under the bell from the total surface of the electrolyte,% 10,310.3 8,88.8 15,115.1 18,818.8 Объемная доля Н2 в анодном газе при рабочем электролизе, %Volume fraction of H 2 in the anode gas during working electrolysis,% До 1Up to 1 0,2-0,50.2-0.5 До 1Up to 1 0,5-0,80.5-0.8 Объемная доля NF3 в катодном газе при рабочем электролизе, %Volume fraction of NF 3 in the cathode gas during working electrolysis,% Отс.Ots. До 2Up to 2 До 1Up to 1 До 1Up to 1 Параметр, выходящий за пределы рекомендуемых нормA parameter that is outside the recommended range Расстояние катод - колокол меньше нормыThe cathode - bell distance is less than normal Расстояние анод - колокол меньше нормыThe distance of the anode - bell is less than normal Глубина погружения колокола в электролит меньше нормыThe immersion depth of the bell in the electrolyte is less than normal Расстояние анод - колокол близко к минимально допустимомуThe distance of the anode - bell is close to the minimum

Пример 7/1, 2.Example 7/1, 2.

Процесс проводят на опытной установке в стальном электролизере с угольными анодами и стальными жалюзийными катодами, снабженном анодным колоколом для разделения анодного и катодного газов. Колокол расположен над электродами, расстояние между срезом колокола и верхними торцами электродов 15 мм. Аноды размещены в электролизере секциями - 4 секции по 3 анода в каждой. Жалюзийные катоды расположены по обе стороны от каждой анодной секции. Анодный и катодный газы выводятся из электролизера раздельно через соответствующие газосборники. Разогрев реакционной смеси осуществляется с помощью водяного пара необходимого давления, подаваемого в трубчатый теплообменник электролизера; отвод избыточного тепла при электролизе - с помощью воды, подаваемой в тот же теплообменник.The process is carried out in a pilot plant in a steel electrolyzer with carbon anodes and steel louvre cathodes equipped with an anode bell for separating anode and cathode gases. The bell is located above the electrodes; the distance between the bell slice and the upper ends of the electrodes is 15 mm. The anodes are placed in sections in the cell - 4 sections with 3 anodes in each. The louvre cathodes are located on both sides of each anode section. Anodic and cathodic gases are separately removed from the cell through the corresponding gas collectors. The reaction mixture is heated using water vapor of the required pressure supplied to the tubular heat exchanger of the electrolyzer; removal of excess heat during electrolysis - using water supplied to the same heat exchanger.

Электролизер характеризуется следующими показателями.The cell is characterized by the following indicators.

Объем электролита, м3 The volume of electrolyte, m 3 1,5.1,5. Расстояние от зеркала электролита до крышки электролизера, смThe distance from the electrolyte mirror to the cell lid, cm 8-12.8-12. Доля поверхности электролита под анодным колоколом, %The fraction of the surface of the electrolyte under the anode bell,% 14,8.14.8. Количество анодных пластин, шт.The number of anode plates, pcs. 12.12. Размер анодных пластин (высота·ширина·толщина), мм The size of the anode plates (height · width · thickness), mm 600·285·70.60028570. Глубина погружения колокола в электролит, ммDepth of immersion of the bell in the electrolyte, mm 150 (0,25·Нэ).150 (0.25 · N e ). Расстояние анод - колокол, ммDistance anode - bell, mm 15 (0,025·Нэ).15 (0.025 · N e ). Расстояние катод - колокол, ммDistance cathode - bell, mm 15 (0,025·Нэ).15 (0.025 · N e ). Токовая нагрузка при анодной плотности тока 0,1 А/см2, АCurrent load at anode current density of 0.1 A / cm 2 , A 4000.4000.

Электролизер соответствует заявляемому способу получения NF3, причем при минимальных межэлектродных расстояниях.The cell corresponds to the claimed method of producing NF 3 , and with minimal interelectrode distances.

В электролизер порциями по 200-300 кг загружают 1110 кг соли NH4F и 860 кг газообразного HF. Получают электролит с массовой долей аммиака 25,5%, свободного HF 43,1% и Н2О 1,5%.In an electrolyzer, in portions of 200-300 kg, 1110 kg of NH 4 F salt and 860 kg of gaseous HF are loaded. An electrolyte is obtained with a mass fraction of ammonia of 25.5%, free HF of 43.1% and H 2 O of 1.5%.

Электролит разогревают до температуры 120-130°С и начинают дегидратирующий электролиз при токе 1600 А и напряжении 3,0 В. В ходе дегидратирующего электролиза снижают ток таким образом, чтобы напряжение на электролизере не превышало 4,5 В.The electrolyte is heated to a temperature of 120-130 ° C and dehydration electrolysis is started at a current of 1600 A and a voltage of 3.0 V. During dehydration electrolysis, the current is reduced so that the voltage across the cell does not exceed 4.5 V.

Дегидратацию ведут в течение 360 часов. В конце дегидратации ток составляет 300 А.Dehydration is carried out within 360 hours. At the end of dehydration, the current is 300 A.

О ходе дегидратации судят по изменению объемной доли N2O в анодном газе. Дегидратацию заканчивают, когда этот показатель снижается до 1%. Массовая доля аммиака в электролите в конце дегидратирующего электролиза составляет 24,2%. Подают в электролизер 30 кг (40 м3) газообразного аммиака, массовая доля аммиака в электролите после подпитки составляет 25,4%.The progress of dehydration is judged by the change in the volume fraction of N 2 O in the anode gas. Dehydration is completed when this indicator decreases to 1%. The mass fraction of ammonia in the electrolyte at the end of dehydrating electrolysis is 24.2%. 30 kg (40 m 3 ) of gaseous ammonia are fed into the electrolyzer, the mass fraction of ammonia in the electrolyte after feeding is 25.4%.

Сразу переходят к рабочему электролизу, повышая ток до 4000 А.They immediately switch to working electrolysis, increasing the current to 4000 A.

Восполнение расхода исходных веществ при электролизе осуществляют подачей газообразных HF и NH3. Подачей фтористого водорода поддерживают заданный уровень в электролизере, ориентируясь на показания уровнемера, а подачу NH3 ведут двумя способами.Replenishment of the consumption of starting materials during electrolysis is carried out by supplying gaseous HF and NH 3 . The supply of hydrogen fluoride maintain a given level in the electrolyzer, focusing on the level gauge, and the flow of NH 3 is carried out in two ways.

В примере 7/1 используют периодическую подпитку аммиаком. Периодичность подпитки определяют по данным химического анализа электролита (проба электролита на анализ берется каждый раз из одной и той же точки электролизера). Массовую долю NH3 в электролите поддерживают в пределах от 24% до 28%. Такой способ подпитки электролита аммиаком соответствует известным способам получения ТФА.Example 7/1 uses periodic ammonia feed. The frequency of the recharge is determined according to the chemical analysis of the electrolyte (a sample of the electrolyte for analysis is taken each time from the same point in the cell). Mass fraction of NH 3 in the electrolyte is maintained in the range from 24% to 28%. This method of feeding the electrolyte with ammonia corresponds to the known methods for producing TFA.

В примере 7/2 используют подпитку аммиаком, соответствующую заявляемому способу, а именно, при массовой доле NH3 в электролите в пределах от 25% до 26% начинают и ведут непрерывную подпитку аммиаком из расчета по формуле (6). Анализ анодного газа производят каждые 3-4 часа (два раза в смену) и при необходимости изменяют скорость подачи аммиака путем изменения давления в буферной емкости аммиака перед сужающим устройством (расходомером).In example 7/2, ammonia replenishment is used, corresponding to the claimed method, namely, when the mass fraction of NH 3 in the electrolyte is in the range from 25% to 26%, they start and carry out continuous ammonia replenishment based on the formula (6). Anode gas analysis is carried out every 3-4 hours (twice per shift) and, if necessary, the ammonia supply rate is changed by changing the pressure in the ammonia buffer tank in front of the constricting device (flow meter).

Получают следующие результаты (таблица 2).The following results are obtained (table 2).

Электролизеры, разработанные для получения NF3 и соответствующие заявляемому способу, характеризуются небольшими межэлектродными расстояниями. Вследствие этого напряжение электролиза в них меньше, чем в существующих способах. В лабораторных электролизерах, соответствующих условиям (А-Г) и рассчитанных на токовую нагрузку 30-50 А, напряжение от 5,3 до 6,5 В, в опытном электролизере на 4000 А от 6 до 7,3 В.Electrolyzers designed to produce NF 3 and corresponding to the claimed method are characterized by small interelectrode distances. As a result, the electrolysis voltage in them is less than in existing methods. In laboratory electrolyzers that meet the conditions (A-G) and designed for a current load of 30-50 A, the voltage is from 5.3 to 6.5 V, in the experimental electrolyzer for 4000 A from 6 to 7.3 V.

Предлагаемый способ позволяет получать NF3 с меньшими колебаниями выхода при длительном электролизе, например, 70-80% на угольном аноде и 70-75% на никелевом при выполнении в обоих случаях условий взрывобезопасности производства.The proposed method allows to obtain NF 3 with smaller output fluctuations during prolonged electrolysis, for example, 70-80% on a carbon anode and 70-75% on nickel if the explosion-proof conditions of production are met in both cases.

Таблица 2.Table 2. Показатели рабочего электролиза Performance electrolysis ПРИМЕР 7/1EXAMPLE 7/1 ПРИМЕР 7/2EXAMPLE 7/2 Напряжение электролиза, ВElectrolysis voltage, V 5,6-7,35.6-7.3 5,8-6,55.8-6.5 Объемная доля NF3 в анодном газе, %Volume fraction of NF 3 in the anode gas,% 61-78 (среднее 66,4)61-78 (average 66.4) 72-80 (среднее 75,2)72-80 (average 75.2) Объемная доля водорода в анодном газе, %Volume fraction of hydrogen in the anode gas,% Менее 1Less than 1 Менее 1Less than 1 Объемная доля NF3 в катодном газе, %Volume fraction of NF3 in the cathode gas,% ОтсутствиеLack of ОтсутствиеLack of Хлопки в электролизереPopping in the cell НетNo НетNo Продолжительность опыта, сутокThe duration of the experiment, days 30thirty 30thirty

Claims (2)

1. Способ получения трифторида азота электролизом фтористоводородных расплавов фтористого аммония в электролизере с угольными или никелевыми анодами и стальными катодами, с анодным колоколом, отличающийся тем, что в электролизере используют жалюзийные катоды, а анодный колокол располагают над электродами, при этом1. The method of producing nitrogen trifluoride by electrolysis of hydrofluoric melts of ammonium fluoride in an electrolyzer with carbon or nickel anodes and steel cathodes, with an anode bell, characterized in that the louvre cathodes are used in the electrolyzer, and the anode bell is placed above the electrodes, while площадь зеркала электролита под анодным колоколом составляет не более 0,2 от общей площади зеркала электролита,the area of the electrolyte mirror under the anode bell is not more than 0.2 of the total area of the mirror of the electrolyte, глубина погружения колокола в электролит составляет не менее 0,25 от высоты электродов,the immersion depth of the bell in the electrolyte is at least 0.25 of the height of the electrodes, расстояние катод-колокол составляет не менее 0,025 от высоты электродов,the cathode-bell distance is not less than 0.025 from the height of the electrodes, расстояние анод-колокол составляет не менее 0,025 от высоты электродов, если анод угольный, и не менее 0,05 от высоты электродов, если анод никелевый,the distance of the anode-bell is not less than 0.025 from the height of the electrodes, if the anode is carbon, and not less than 0.05 from the height of the electrodes, if the anode is nickel, уровень электролита поддерживают подачей газообразного фтористого водорода, а газообразный аммиак подают непрерывно, причем скорость подпитки аммиаком изменяют в зависимости от содержания трифторида азота в анодном газе.the electrolyte level is supported by the supply of gaseous hydrogen fluoride, and gaseous ammonia is fed continuously, and the rate of feeding with ammonia is changed depending on the content of nitrogen trifluoride in the anode gas. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовую долю аммиака в электролите поддерживают в пределах 24-28 мас.%.2. The method according to claim 1, characterized in that the mass fraction of ammonia in the electrolyte is maintained in the range of 24-28 wt.%.
RU2005110266/15A 2005-03-31 2005-03-31 Nitrogen trifluoride production process RU2274601C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005110266/15A RU2274601C1 (en) 2005-03-31 2005-03-31 Nitrogen trifluoride production process
PCT/RU2005/000650 WO2006104416A1 (en) 2005-03-31 2005-12-19 Nitrogen trifluoride production method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005110266/15A RU2274601C1 (en) 2005-03-31 2005-03-31 Nitrogen trifluoride production process

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2274601C1 true RU2274601C1 (en) 2006-04-20

Family

ID=36608079

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005110266/15A RU2274601C1 (en) 2005-03-31 2005-03-31 Nitrogen trifluoride production process

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2274601C1 (en)
WO (1) WO2006104416A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102605384A (en) * 2011-01-18 2012-07-25 气体产品与化学公司 Electrolytic apparatus, system and method for the safe production of nitrogen trifluoride

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110656344A (en) * 2019-11-05 2020-01-07 贵州理工学院 Device and method for removing water by using anhydrous hydrogen fluoride

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3722163A1 (en) * 1987-07-04 1989-01-12 Kali Chemie Ag METHOD FOR PRODUCING NF (DOWN ARROW) 3 (DOWN ARROW)
DE69018761T2 (en) * 1989-10-26 1995-12-07 Mitsui Toatsu Chemicals Method of producing nitrogen trifluoride.
FR2824336B1 (en) * 2001-05-07 2004-11-12 Conversion De L Uranium En Met PROCESS FOR THE PREPARATION OF NITROGEN TRIFLUORIDE NF3 BY ELECTROLYSIS AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2228971C1 (en) * 2003-05-27 2004-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие Российский научный центр "Прикладная химия" Method of production of nitrogen trifluoride

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102605384A (en) * 2011-01-18 2012-07-25 气体产品与化学公司 Electrolytic apparatus, system and method for the safe production of nitrogen trifluoride
CN102605384B (en) * 2011-01-18 2016-05-11 气体产品与化学公司 For electrolysis installation, the system and method for the Nitrogen trifluoride of keeping the safety in production

Also Published As

Publication number Publication date
WO2006104416A1 (en) 2006-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1847634B1 (en) Electrolytic apparatus for producing fluorine or nitrogen trifluoride
JP4778320B2 (en) Electrosynthesis of perchloric acid compounds
EP1845172B1 (en) Method and apparatus for achieving maximum yield in the electrolytic preparation of group IV and V hydrides
WO2018019677A1 (en) Electrochemical method of ammonia generation
TWI415973B (en) Method of electrolytically synthesizing nitrogen trifluoride
EP2426235B1 (en) Electrochemical process and cell for the preparation of germane
RU2274601C1 (en) Nitrogen trifluoride production process
Robertson et al. High efficiency hypochlorite generation
KR101493754B1 (en) Electrolytic apparatus, system and method for the safe production of nitrogen trifluoride
KR101696397B1 (en) Electrolytic apparatus, system and method for the efficent production of nitrogen trifluoride
KR102617579B1 (en) Method for producing anode for electrolytic synthesis and fluorine gas or fluorine-containing compound
Czarnetzki et al. Electrode current distribution in a hypochlorite cell
Schumacher et al. Electrolytic production of sodium perchlorate using lead dioxide anodes
Eberil' et al. Studying the link between the potential of a metal-oxide anode, the current efficiency for chlorate, and the current losses for the oxygen and chlorine evolution in a wide range of the chlorate electrolysis conditions
Prokop et al. Process improvements in the electrochemical fluorination of octanoyl chloride
US3414495A (en) Method of electrolytic production of oxygen difluoride
RU2255040C1 (en) Nitrogen trifluoride production process
JP2000104187A (en) Electrolytic cell (1)
JP2698457B2 (en) Electrolytic cell
RU131727U1 (en) ELECTROLYZER FOR PRODUCING FLUORINE
Savall et al. Amino-alcohol electrosynthesis. Modelling of a set-up for producing amino-2-methyl-2-propanediol-1.3
RU1840844C (en) Method of producing alkaline, alkaline earth metals and their alloys
JP2007223839A (en) Electrochemical production method of sodium hydride and production apparatus thereof
JP2000072416A (en) Production of nitrogen trifluoride gas
JPH08225973A (en) Production of electrolyte and nitrogen trifluoride gas using the electrolyte

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090401