WO2006104416A1 - Nitrogen trifluoride production method - Google Patents

Nitrogen trifluoride production method Download PDF

Info

Publication number
WO2006104416A1
WO2006104416A1 PCT/RU2005/000650 RU2005000650W WO2006104416A1 WO 2006104416 A1 WO2006104416 A1 WO 2006104416A1 RU 2005000650 W RU2005000650 W RU 2005000650W WO 2006104416 A1 WO2006104416 A1 WO 2006104416A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
anode
electrolyte
bell
electrodes
ammonia
Prior art date
Application number
PCT/RU2005/000650
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Anatoly Alekseevich Krasilnikov
Galina Ivanovna Kaurova
Yury Nikolaevich Kalinin
Viktor Panteleimonovich Shopen
Rostislav Leonidovich Rabinovich
Original Assignee
Zakrytoe Aktsionernoe Obschestvo 'astor-Electronics'
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 Zakrytoe Aktsionernoe Obschestvo 'astor-Electronics' filed Critical Zakrytoe Aktsionernoe Obschestvo 'astor-Electronics'
Publication of WO2006104416A1 publication Critical patent/WO2006104416A1/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

Definitions

  • the invention relates to inorganic chemistry, to methods for producing nitrogen trifluoride.
  • 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).
  • NF 3 Nitrogen trifluoride
  • CVD chemical vapor deposition apparatus
  • 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.
  • the main factors affecting the ratio of the reactions of formation of the target compound NF3 and impurities are:
  • 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.
  • 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.
  • the main stage - obtaining NF 3 (operating electrolysis) on both carbon and metal anodes, is carried out at a voltage of more
  • ammonia is in the form of a hydrogen fluoride complex corresponding to ammonium bifluoride: NH 3 • 2HF.
  • this complex partially dissociates according to the equation: NH 3 “ 2HF * ⁇ NH 4 + + HF 2 " (1)
  • the main electrolysis products of pre-dehydrated electrolyte (NF 3 -HN 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:
  • 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%. According to reactions (2-5), the consumption of ammonia for the formation of one mole of NF3 is two times less than for the formation of one mole of N 2 .
  • NF 3 explosive gas mixtures can form, in particular, these are mixtures of NF 3 with hydrogen and ammonia.
  • the closest is the method (prototype) of producing NF 3 in an electrolytic cell 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 electrolyzers to 200 mm for industrial electrolyzers [US Pat. 5.085.752, cl. C25B1 / 24, Op. 04.02. 1991 g].
  • 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.
  • 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.
  • 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 8V, and the achieved current output of the target connection is about 65%.
  • the objectives of the invention are:
  • the essence of the invention lies in the fact that a method for producing nitrogen trifluoride by electrolysis of hydrogen fluoride melts of ammonium fluoride in an electrolytic cell with carbon or nickel anodes has been developed 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, wherein:
  • 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),
  • the immersion depth of the bell in the electrolyte is at least 0.25 of the height of the electrodes (B),
  • the distance of the cathode-bell is at least 0.025 from the height of the electrodes (B)
  • - the distance of the anode-bell is at least 0.025 from the height of the electrodes if the anode is carbon, and at least 0.05 from the height of the electrodes if the anode is nickel (G);
  • a predetermined electrolyte level 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 ammonia feed rate is changed depending on the content of NF3 in the anode gas (D);
  • 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, at which the hydrogen content in anode gas does not exceed 1 vol.%, and NF3 in the cathode gas is practically absent at a nominal anode current density of 0.1 A / cm 2 , moreover, this is verified as in electrolyzers of a laboratory scale by 30-50A with an electric height dov 150mm., and so in the experimental cell at 4000A with a height of electrodes 600mm.
  • the claimed in the method connection of the structural 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 you to scale the design for electrolyzers various productivity (unit capacity). Moreover, the fulfillment of the explosion safety conditions (A - D) even in industrial electrolyzers 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.
  • condition (D) ensures the production of NF 3 with current outputs close to the maximum possible
  • condition (E) ensures the production of NF 3 with a 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 .
  • the proposed method is carried out in the electrochemical cell shown in the figure.
  • the cell includes a steel casing (pos. 1), a cover (pos. 2), an anode half-cap (pos. ⁇ ), 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 spacers (pos. 11, 12).
  • the current leads of the cathodes and the anode are led outside the cell through the cover and the anode half cover, respectively, while they are electrically isolated from the covers by means of dielectric inserts (post .four).
  • 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.
  • 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.
  • the slice 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 used, and the anode dissolution of the bell due to bipolar work 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 caps (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 NH3 and HF. Reagents are siphoned under the electrolyte layer into the cathode compartment of the cell.
  • the electrolytic cells intended for carrying out the method may differ in the number of electrochemical cells, the size of the electrodes, the technical means of maintaining a given temperature regime and controlling the electrolysis parameters, but the mutual arrangement of structural elements corresponding to the figure and the fulfillment of conditions (A - D) are common to them.
  • 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, 3macc.% And the concentration of NH 3 in the electrolyte from 25 to 27macc.%
  • dehydrating electrolysis is carried out using one of the known methods. With dehydrating electrolysis, the concentration of water in the electrolyte is reduced to 0.05% macc, while the volume fraction of N 2 O in the anode gas is reduced to 1%.
  • the concentration of ammonia in the electrolyte is checked by sampling for chemical analysis. If necessary, adjust the composition of the electrolyte by supplying HF or NH3 so that the mass fraction of ammonia in it is in the range from 25 to 27%, preferably from 25 to 26%. After that, they immediately switch to working electrolysis, setting the nominal anode current density equal to 0.1 A / cm 2 .
  • working electrolysis periodically, for example, 1 time per hour, the content of NF3 in the anode gas is monitored (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).
  • 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:
  • MNH ⁇ [ ⁇ / ⁇ ] 211, 4 - 1, 057 - ⁇ NF ⁇ (6), where ⁇ N ⁇ is the mass of ammonia supplied to the electrolyzer per 1 kAh of the passed amount of electricity, g / kAh;
  • the content of NF 3 in the anode gas is obtained equal to or close to the indicated values.
  • this indicator NF 3 content in the anode gas
  • this indicator 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 )
  • 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.
  • the concentration of ammonia in the electrolyte is regulated, maintaining it near the optimum 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, since the criterion is used (the composition of the anode gas) associated with the operation of all anodes.
  • the process of producing NF3 is carried out in a steel electrolyzer 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, moreover, the lower section of the bell is located practically at the upper ends of the electrodes.
  • dehydrating electrolysis After heating the electrolyte to operating temperature, dehydrating electrolysis begins at a current of 6A, which corresponds to an anodic current density of 0.02A / cm 2 . Dehydrating electrolysis leads to a decrease in the volume fraction of NgO in the anode gas to 1%, which corresponds to a concentration of NgO 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%.
  • the electrolyzer corresponds to the claimed method of producing NF3, moreover, with minimal interelectrode distances.

Abstract

The invention relates to methods for producing a nitrogen trifluoride by electrolysing ammonium fluoride fluorohydric melts in an electrolyzer provided with carbon (nickel) anodes and steel cathodes and an anode bell and is characterised in that the louver cathodes are used for electrolysis and the anode bell is placed above electrodes, wherein the electrolyte mirror surface area below the anode bell is equal to or less than 0.2 of the entire surface area thereof, the depth of the bell immersion into electrolyte is equal or greater than the height of electrodes, a cathode-bell distance is equal to or greater than 0.025 the electrode height (B), the cathode-bell distance is equal to or greater than 0.025 the electrode height in the case of a carbon anode and equal to or greater than 0.05 the electrode height in the case of a nickel anode, the electrolyte specified level is maintained in the electrolyzer by supplying a gaseous fluorohydric acid and a gaseous ammonium is continuously supplied, wherein an operating electrolysis is initiated when the ammonium mass fraction in the electrolyte ranges from 25 to 26 % and the ammonium supply rate is modifiable according to a NF3 content in an anode gas.

Description

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРИФТОРИДА АЗОТА METHOD FOR PRODUCING NITROGEN TRIFLUORIDE
Изобретение относится к неорганической химии, к способам получения трифторида азота. Трифторид азотз (NF3) применяется в химической промышленности как фторирующий агент и как фторсодержащее сырьё. 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).The invention relates to inorganic chemistry, to methods for producing nitrogen trifluoride. 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 электролизёрах 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, CO2.It is known that during electrolysis, along with the target compound NF 3 , a number of gaseous impurities are formed, such as the products of splitting and fluorination of ammonia: 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 NFз и примесей, являются:When conducting the electrochemical method, the main factors affecting the ratio of the reactions of formation of the target compound NF3 and impurities are:
- величина анодной поляризации угольного или металлического анода (или связанная с ней величина напряжения на электролизёре, на которую обычно ориентируются на практике); - концентрация воды в электролите;- the magnitude of the anodic polarization of the carbon or metal anode (or the magnitude of the voltage across the electrolyzer, which is usually oriented in practice); - 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. Основную стадию - получение NF3 (наработочный электролиз) как на угольных, так и на металлических анодах, проводят при напряжении болееBefore 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. The main stage - obtaining NF 3 (operating electrolysis) on both carbon and metal anodes, is carried out at a voltage of more
5,5 В, которое отвечает прямолинейному участку вольт-амперной кривой и обеспечивает протекание электрохимической реакции разряда ионов фтора и образования атомов фтора.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 О., Stоub L Z. Апоrgап. Сhеm., 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: NH3 « 2HF *→ NH4 + + HF2 " (1)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., Stow L Z. Aporgap. 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: NH 3 2HF * → NH 4 + + HF 2 " (1)
Основные продукты электролиза предварительно обезвоженного электролита (NF3-H 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 -HN 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:
NHз ' 2HF + 6F = NF3+ 8(HF)ж (2) NH4 + + F-+ 6F = NF3 +4(HF)ж (3) 2NH3 ' 2HF+6F = N2 + 10(HF)ж (4) 2NH4 + + 2F~ + 6 F = N2+ 8(HF)ж (5)NH3 '2HF + 6F = NF 3 + 8 (HF) W (2) NH 4 + + F- + 6F = NF 3 +4 (HF) W (3) 2NH 3 ' 2HF + 6F = N 2 + 10 (HF ) g (4) 2NH 4 + + 2F ~ + 6 F = N 2 + 8 (HF) w (5)
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.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.
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%. Согласно реакциям (2-5), расход аммиака на образование одного моля NFз 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. В процессе получения NF3 могут образоваться взрывоопасные газовые смеси, в частности, это смеси NF3 с водородом и аммиаком.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%. According to reactions (2-5), the consumption of ammonia for the formation of one mole of NF3 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. 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 NFЗ в специально разработанных электролизерах. Известен способ получения NFЗ в электролизере с разделением анодной и катодной камер электрохимической ячейки фторполимерной диафрагмой [Выл. заявка Японии 88, 130,790, кл. C25B 9/00, оп. 02.06.1988г, Сhеm. Аbstr. 1989, VoI.110,15084].There are various ways to prevent or minimize the occurrence of explosion hazards, and in particular, by producing NF3 in specially designed electrolyzers. A known method of producing NF3 in an electrolyzer with separation of the anode and cathode chambers of an electrochemical cell by a fluoropolymer diaphragm [Val. Japanese application 88, 130,790, cl. C25B 9/00, op. 06/02/1988, Chem. Abstr. 1989, VoI.110,15084].
Известен способ получения NFЗ в электролизере с двухуровневым расположением электродных камер, предотвращающим смешение анодного и катодного газов [U. S. Раtепt 5779866, кл. С 25В 9/00, оп. 04.02.1998г.].A known method of producing NF3 in an electrolyzer with a two-level arrangement of electrode chambers, preventing the mixing of the anode and cathode gases [U. S. Ratept 5779866, class With 25V 9/00, op. 02/04/1998].
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 oб.%.1. A sufficient degree of separation of the cathodic and anodic 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 мac.%, что соответствует составу NH3-ЗHF).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 -ЗHF).
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. Таким образом, из трех перечисленных условий безопасной работы только первое полностью определяется конструктивными особенностями электролизера, остальные два выполняются технологическими мероприятиями. 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. Раtепt 5.085.752, кл. C25B1/24, оп.04.02. 1991 г].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 temperature range and electrolyte compositions of not more than 0.5 mm Hg. Art. 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. The closest is the method (prototype) of producing NF 3 in an electrolytic cell 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 electrolyzers to 200 mm for industrial electrolyzers [US Pat. 5.085.752, cl. C25B1 / 24, Op. 04.02. 1991 g].
Недостатками данного способа являются низкая удельная объемная производительность электролизера и высокое напряжение электролиза, обусловленные большими межэлектродными расстояниями (до 400мм 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 8В, а достигаемый выход по току целевого соединения составляет около 65%. Задачами предлагаемого изобретения являются: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 8V, and the achieved current output of the target connection is about 65%. The objectives of the invention are:
— разработка более эффективной конструкции электролизера, позволяющей повысить выход целевого соединения - NF3;- the 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; — разработка критериев масштабирования электрохимической ячейки.- reducing the energy intensity of the process by reducing the voltage on the cell and energy losses due to the generation of Joule heat; - 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 for producing nitrogen trifluoride by electrolysis of hydrogen fluoride melts of ammonium fluoride in an electrolytic cell with carbon or nickel anodes has been developed 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, wherein:
- 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), - 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 cathode-bell is at least 0.025 from the height of the electrodes (B), - the distance of the anode-bell is at least 0.025 from the height of the electrodes if the anode is carbon, and at least 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 NFз в анодном газе (Д);- a predetermined electrolyte level 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 ammonia feed rate is changed depending on the content of NF3 in the anode gas (D);
- при получении NFз (в наработочном электролизе) не допускают, чтобы массовая доля аммиака в электролите была ниже 24% и выше 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 1oб.%, а NFз в катодном газе практически отсутствует при номинальной анодной плотности тока 0,1A/cм2, причем, это проверено как в электролизерах лабораторного масштаба на 30-50A с высотой электродов 150мм., так так и в опытном электролизере на 4000A с высотой электродов 600мм. 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 10-20кA с электродами высотой порядка 600мм обеспечивается при межэлектродных расстояниях не более 30-40мм, то есть значительно меньших, чем те, которые заявляются в прототипе.- upon receipt of NF3 (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). 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, at which the hydrogen content in anode gas does not exceed 1 vol.%, and NF3 in the cathode gas is practically absent at a nominal anode current density of 0.1 A / cm 2 , moreover, this is verified as in electrolyzers of a laboratory scale by 30-50A with an electric height dov 150mm., and so in the experimental cell at 4000A with a height of electrodes 600mm. The claimed in the method connection of the structural 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 you to scale the design for electrolyzers various productivity (unit capacity). Moreover, the fulfillment of the explosion safety conditions (A - D) even in industrial electrolyzers 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 с выходами по току, близкими к максимально возможным, а выполнение условия (E) обеспечивает получение NF3 с выходом по току не менее 60%. Выход за пределы интервала массовых долей аммиака в электролите, указанных в условии (E), 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 a 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 фигуре. Ячейка включает стальные корпус (пoз.1), крышку (поз.2), анодную полукрышку (поз.З), один плоский угольный или никелевый анод (поз.8), два стальных жалюзийных катода (поз.9), анодный колокол (поз.7).The proposed method is carried out in the electrochemical cell shown in the figure. The cell includes a steel casing (pos. 1), a cover (pos. 2), an anode half-cap (pos. З), one flat carbon or nickel anode (pos. 8), two steel louvered cathodes (pos. 9), an anode bell ( item 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 (пoз.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 50мм для ячеек промышленных размеров с высотой электродов около 600мм. Срез анодного колокола располагают, предпочтительно, на 10-15мм выше электродов, но можно располагать его и непосредственно у верхних торцев 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 (пoз.5,6) могут быть использованы для первоначальной загрузки реагентов (соли NH4F и фтористоводородной кислоты) в ячейку, а при электролизе одно из отверстий (пoз.6) используется для подпитки электролита газообразными NНз и HF. Реагенты подают по сифону под слой электролита в катодный отсек ячейки. 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 фигуре, и выполнение условий (А - Г).The cover and the anode half cover are electrically insulated from each other and from the cell body by dielectric spacers (pos. 11, 12). The current leads of the cathodes and the anode are led outside the cell through the cover and the anode half cover, respectively, while they are electrically isolated from the covers by means of dielectric inserts (post .four). 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. The slice 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 used, and the anode dissolution of the bell due to bipolar work 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 caps (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 NH3 and HF. Reagents are siphoned under the electrolyte layer into the cathode compartment of the cell. The electrolytic cells intended for carrying out the method may differ in the number of electrochemical cells, the size of the electrodes, the technical means of maintaining a given temperature regime and controlling the electrolysis parameters, but the mutual arrangement of structural elements corresponding to the figure 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 ,3мacc.% и концентрации NH3 в электролите от 25 до 27мacc.%To perform the method in an electrolytic cell with carbon or nickel anodes, louvered 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, 3macc.% And the concentration of NH 3 in the electrolyte from 25 to 27macc.%
Перед получением ТФА проводят дегидратирующий электролиз одним из известных способов. При дегидратирующем электролизе снижают концентрацию воды в электролите до 0,05%мacc , 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. With dehydrating electrolysis, the concentration of water in the electrolyte is reduced to 0.05% macc, 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 NНз таким образом, чтобы массовая доля аммиака в нем находилась в пределах от 25 до 27%, лучше от 25 до 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 NFз 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).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 supplying HF or NH3 so that the mass fraction of ammonia in it is in the range from 25 to 27%, preferably from 25 to 26%. 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, the content of NF3 in the anode gas is monitored (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:
MNHЗ[Г/KAЧ] = 211 ,4 - 1 ,057 - СNFЗ ( 6 ), где МNНЗ - масса аммиака, подаваемая в электролизер на 1 кAч пропущенного количества электричества, г/кАч;MNH З [Г / КАЧ] = 211, 4 - 1, 057 - СNF З (6), where МNНЗ is the mass of ammonia supplied to the electrolyzer per 1 kAh of the passed amount of electricity, g / kAh;
СNFЗ - содержание NF3 в анодном газе, oб.%.CNF 3 — NF 3 content in the anode gas, vol.%.
При начале рабочего электролиза устанавливают, согласно формулеAt the beginning of working electrolysis set, according to the formula
(6), минимальную скорость подпитки аммиаком, соответствующую максимально достижимым в условиях способа содержаниям NFз в анодном газе (около 80% для угольного анода и около 75% для никелевого), а именно,(6) the minimum rate of ammonia replenishment corresponding to the maximum achievable NF3 content in the anode gas under the conditions of the method (about 80% for the carbon anode and about 75% for nickel), namely
127г/кAч для угольного и 132г/кAч для никелевого.127g / kAh for coal and 132g / 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 optimum 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, since the criterion is used (the composition of the anode gas) associated with the operation of all anodes.
Наиболее соответствует способу непрерывное изменение скорости подачи аммиака по сигналу датчика содержания NFз в анодном газе.Most consistent with the method is a continuous change in the feed rate of ammonia according to the signal of the NFЗ 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 NFз проводят в стальном электролизере с внешним электрообогревом, объемом 6,9дм3. 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 Cтaли-3 толщиной 2 мм. и расположен над электродами, причем, нижний срез колокола находится практически у верхних торцев электродов.The process of producing NF3 is carried out in a steel electrolyzer 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, moreover, the lower section of the bell is located practically at the upper ends of the electrodes.
В электролизер порциями загружают 3,5кг соли NH4F и 2,6кг HF. Получают электролит с концентрацией NНз, свободного HF и H2O - 26,4мac.%, 42,1мac.% и 0,5мac.%, соответственно.3.5 kg of NH 4 F salt and 2.6 kg of HF are loaded in portions into the electrolyzer. An electrolyte is obtained with a concentration of NH3, free HF and H 2 O — 26.4 wt.%, 42.1 wt.% And 0.5 wt.%, Respectively.
При разогретом до рабочей температуры (120-1300C) электролите электролизер характеризуется следующими показателями:When heated to a working temperature (120-130 0 C), the electrolyte electrolyzer is characterized by the following indicators:
- глубина погружения колокола в электролит 40мм (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 10мм (0,067 от высоты электродов);- distance cathode - bell 10mm (0.067 from the height of the electrodes);
- расстояние анод - колокол 10мм (0,067 от высоты электродов); - доля поверхности электролита под колоколом 8,9% от общей поверхности.- distance anode - bell 10mm (0.067 from the height of the electrodes); - 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 6A, что соответствует анодной плотности тока 0,02A/cм2. Дегидратирующий электролиз ведут до снижения объемной доли NгО в анодном газе до 1 %, что соответствует концентрации НгО в электролите около 0,05мac.%. 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 6A, which corresponds to an anodic current density of 0.02A / cm 2 . Dehydrating electrolysis leads to a decrease in the volume fraction of NgO in the anode gas to 1%, which corresponds to a concentration of NgO 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 3OA, что соответствует анодной плотности тока 0,1 А/см2.Then they immediately switch to working electrolysis, increasing the current to 3OA, 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 40гThe electrolyte level during electrolysis is maintained by periodic supply of gaseous HF, ammonia is fed 2 times a day in portions of about 40 g
(52-53дм3), что составляет около 2,5% от первоначальной загрузки. Это соответствует известным способам восполнения расхода аммиака при электролизе (1-10% от первоначальной загрузки).(52-53dm 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 доWorking electrolysis is carried out for 5 days, the voltage is from 5.4 to
6,3В, содержание NFз в анодном газе от 63 до 75oб.% (среднее 67oб.%), концентрация NНз в точке отбора электролита на анализ изменяется за этот период в пределах от 25,9мac.% до 24,3мac.%. Хлопков при электролизе не происходит.6.3V, the content of NF3 in the anode gas is from 63 to 75 vol.% (Average 67 vol.%), The concentration of NH3 in the electrolyte sampling point for analysis varies during this period 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 50г.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. At the same time, the mass of ammonia fed to the feed lies in the range from 47 to 50 g.
Объемная доля NF3 в анодном газе в течение всего опыта находится в пределах от 70 до 75% (среднее 73,6%), напряжение электролиза в пределахThe 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
5,5-6,1 В, концентрация NH3 в точке отбора электролита на анализ в пределах от 26,0мac.% до 25,5мac.%. Примеры 3 - 65.5-6.1 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.%. Examples 3 to 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 D 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 торцев электродов.In example 6, in contrast to examples 3-5, the electrolyzer contains one carbon anode measuring 100 D 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 an 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.
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Figure imgf000014_0001
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
Figure imgf000014_0001
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 иThe 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 slice of the bell and
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) верхними торцами электродов 15мм. 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.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the upper ends of the electrodes 15mm. 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. Объем электролита, м3 1 ,5.The cell is characterized by the following indicators. The volume of electrolyte, m 3 1, 5.
Расстояние от зеркала электролита до крышки электролизера, см.8 - 12.The distance from the electrolyte mirror to the cell lid, see 8-12.
Доля поверхности электролита под анодным колоколом, % 14,8.The fraction of the surface of the electrolyte under the anode bell,% 14.8.
Количество анодных пластин, шт 12.The number of anode plates, pcs 12.
Размер анодных пластин (высота • ширина • толщина), мм 600 • 285 • 70. Глубина погружения колокола в электролит, мм 150 (0,25 • H3).The size of the anode plates (height • width • thickness), mm 600 • 285 • 70. The immersion depth of the bell in the electrolyte, mm 150 (0.25 • H 3 ).
Расстояние анод - колокол, мм 15 (0,025 • H3).The distance of the anode - the bell, mm 15 (0,025 • H 3 ).
Расстояние катод - колокол, мм 15 (0,025 • H3).The distance of the cathode - bell, mm 15 (0,025 • H 3 ).
Токовая нагрузка при анодной плотности тока 0,1A/cм2, А 4000.Current load at anode current density of 0.1A / cm 2 , A 4000.
Электролизер соответствует заявляемому способу получения NFз, причем, при минимальных межэлектродных расстояниях.The electrolyzer corresponds to the claimed method of producing NF3, moreover, with minimal interelectrode distances.
В электролизер порциями по 200-300 кг загружают 1110кг соли NH4F и 860кг газообразного HF. Получают электролит с массовой долей аммиака 25,5%, свободного HF 43,1% и H2O 1,5%.In the 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 120-1300C и начинают дегидратирующий электролиз при токе 1600A и напряжении 3,0В. В ходе дегидратирующего электролиза снижают ток таким образом, чтобы напряжение на электролизере не превышало 4,5В.The electrolyte is heated to a temperature of 120-130 0 C and dehydrating electrolysis begins at a current of 1600A and a voltage of 3.0V. During dehydrating electrolysis, the current is reduced so that the voltage across the electrolyzer does not exceed 4.5V.
Дегидратацию ведут в течение 360 часов. В конце дегидратации ток составляет 300A. 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 30кг (40м3)Dehydration is carried out within 360 hours. At the end of dehydration, the current is 300A. 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%. Serve in the electrolyzer 30kg (40m 3 )
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) газообразного аммиака, массовая доля аммиака в электролите после подпитки составляет 25,4%.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) gaseous ammonia, the mass fraction of ammonia in the electrolyte after recharge is 25.4%.
Сразу переходят к рабочему электролизу, повышая ток до 4000A. Восполнение расхода исходных веществ при электролизе осуществляют подачей газообразных HF и NНз. Подачей фтористого водорода поддерживают заданный уровень в электролизере, ориентируясь на показания уровнемера, а подачу NНз ведут двумя способами.They immediately switch to working electrolysis, increasing the current to 4000A. Replenishment of the flow rate of the starting materials during electrolysis is carried out by supplying gaseous HF and NH3. The supply of hydrogen fluoride maintain a predetermined level in the electrolyzer, focusing on the level gauge, and the supply of NH3 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 NНз 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 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). The mass fraction of NH3 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 NНз 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 NH3 in the electrolyte is in the range from 25% to 26%, they begin and conduct continuous ammonia replenishment from the calculation according to 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 NFз 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 30-50A, напряжение от 5,3 до 6,5В, в опытном электролизере на 4000A от 6 до 7,3В.Electrolyzers designed to produce NF3 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 - D) and designed for a current load of 30-50A, the voltage is from 5.3 to 6.5V, in the experimental electrolyzer for 4000A from 6 to 7.3V.
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.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Таблица 2.
Figure imgf000017_0001
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Table 2.
Figure imgf000017_0001
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НАSUBSTITUTE SHEET (RULE 26) LIST OF CONVENTIONS USED ON
ЧЕРТЕЖАХDRAWINGS
1- КОРПУС ЯЧЕЙКИ;1- CELL HOUSING;
2- КРЫШКА ЯЧЕЙКИ;2- CELL COVER;
3- АНОДНАЯ ПОЛУКРЫШКА;3- ANODE HALF;
4- ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩИЕ ВСТАВКИ ТОКОВЫВОДОВ ЭЛЕКТРОДОВ;4- ELECTRIC INSULATING INSERTS OF CURRENT OUTPUTS OF ELECTRODES;
5- ВЫВОД АНОДНОГО ГАЗА; 6- ВЫВОД КАТОДНОГО ГАЗА И ПОДПИТКА ЭЛЕКТРОЛИТА;5- OUTPUT OF ANODE GAS; 6- WITHDRAWAL OF CATHODE GAS AND ELECTROLYTE SUPPLY;
7- АНОДНЫЙ КОЛОКОЛ;7- ANODE BELL;
8- АНОДНАЯ ПЛАСТИНА;8- ANODE PLATE;
9- ЖАЛЮЗИЙНЫЕ КАТОДЫ; 10-HAПPABЛЯЮЩИE ПЛАСТИНЫ; 11 ,12- ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОКЛАДКИ; hп - ГЛУБИНА ПОГРУЖЕНИЯ КОЛОКОЛА В ЭЛЕКТРОЛИТ; d К-кол - РАССТОЯНИЕ КАТОД-КОЛОКОЛ; d А-кол - РАССТОЯНИЕ АНОД-КОЛОКОЛ; hэ - ВЫСОТА ЭЛЕКТРОДОВ. 9- BLIND CATHODES; 10-HEATING PLATES; 11, 12- DIELECTRIC GASKETS; hп - DEPTH OF IMMERSION OF A BELL IN ELECTROLYTE; d K-count - DISTANCE OF THE CATHODE-BELL; d A-count - DISTANCE OF ANOD-BELL; he - ELECTRODES HEIGHT.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
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 hydrogen fluoride melts of ammonium fluoride in an electrolytic cell 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, wherein
- 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 electrolyte mirror,
- 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, - 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 cathode-bell is at least 0.025 from the height of the electrodes, - the distance of the anode-bell is at least 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.п.1 , отличающийся тем, что массовую долю аммиака в электролите поддерживают в пределах 24-28 мac.%. 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.%.
PCT/RU2005/000650 2005-03-31 2005-12-19 Nitrogen trifluoride production method WO2006104416A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

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

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006104416A1 true WO2006104416A1 (en) 2006-10-05

Family

ID=36608079

Family Applications (1)

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

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
US8945367B2 (en) 2011-01-18 2015-02-03 Air Products And Chemicals, Inc. Electrolytic apparatus, system and method for the safe production of nitrogen trifluoride

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4804447A (en) * 1987-07-04 1989-02-14 Kali-Chemie Aktiengesellschaft Method of producing NF3
US5085752A (en) * 1989-10-26 1992-02-04 Mitsui Toatsu Chemicals, Inc. Electrolytic cell
WO2002090620A2 (en) * 2001-05-07 2002-11-14 Société Pour La Conversion De L'uranium En Métal Et Hexafluorure (Comurhex) Method for preparing nitrogen trifluoride nf3 by electrolysis and installation therefor
RU2228971C1 (en) * 2003-05-27 2004-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие Российский научный центр "Прикладная химия" Method of production of nitrogen trifluoride

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4804447A (en) * 1987-07-04 1989-02-14 Kali-Chemie Aktiengesellschaft Method of producing NF3
US5085752A (en) * 1989-10-26 1992-02-04 Mitsui Toatsu Chemicals, Inc. Electrolytic cell
WO2002090620A2 (en) * 2001-05-07 2002-11-14 Société Pour La Conversion De L'uranium En Métal Et Hexafluorure (Comurhex) Method for preparing nitrogen trifluoride nf3 by electrolysis and installation therefor
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 (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8945367B2 (en) 2011-01-18 2015-02-03 Air Products And Chemicals, Inc. Electrolytic apparatus, system and method for the safe production of nitrogen trifluoride

Also Published As

Publication number Publication date
RU2274601C1 (en) 2006-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1847634B1 (en) Electrolytic apparatus for producing fluorine or nitrogen trifluoride
JP4778320B2 (en) Electrosynthesis of perchloric acid compounds
KR100903941B1 (en) Electrolytic anode and method for electrolytically synthesizing fluorine-containing substance using the electrolytic anode
EP2143826B1 (en) Method of electrolytically synthesizing nitrogen trifluoride
KR910001138B1 (en) Combined process for production of clorine dioxine and sodium hydroxide
Robertson et al. High efficiency hypochlorite generation
Krstajić et al. Hypochlorite production. I. A model of the cathodic reactions
KR102617579B1 (en) Method for producing anode for electrolytic synthesis and fluorine gas or fluorine-containing compound
RU2274601C1 (en) Nitrogen trifluoride production process
Czarnetzki et al. Electrode current distribution in a hypochlorite cell
KR101696397B1 (en) Electrolytic apparatus, system and method for the efficent production of nitrogen trifluoride
RU2317351C2 (en) Alkaline metal chlorate producing process
RU2255040C1 (en) Nitrogen trifluoride production process
JPH021917B2 (en)
US3312610A (en) Electrolytic process for producing phosphine
US3414495A (en) Method of electrolytic production of oxygen difluoride
Mukhachev et al. Influence of electrolyte on the zirconium electrolysis process for nuclear power engineering
JP2000104187A (en) Electrolytic cell (1)
Newberry et al. High current density chlorate cell using platinized anodes
Dotson et al. The Electrochemical Production of Organic Hypochlorite Compounds
JPH04350187A (en) Electrolytic cell
TASAKA et al. Effect of Metal Complex Ion Added into a Molten NH4F· nHF on the Current Efficiency of NF3-Formation
Savall et al. Amino-alcohol electrosynthesis. Modelling of a set-up for producing amino-2-methyl-2-propanediol-1.3
Townsend The Electropurification of Molten Fluoride Solutions
Tasaka et al. Electrolytic Synthesis of Perfluorotrimethylamine with Alkali Metal Fluroide Contained Carbon Anode

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 05851121

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1