智能化集裝箱模組式中溫電解制氟裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及制氟領(lǐng)域，尤其是一種智能化集裝箱模組式中溫電解制氟裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]單質(zhì)氟在核工業(yè)、航天航空、軍事工業(yè)、電子、民用新能源、新材料、新技術(shù)等領(lǐng)域，有著特殊地位及無限拓展的應(yīng)用天地，是無機(jī)氟化合物特種含氟氣體衍生的精細(xì)化學(xué)制品生產(chǎn)的源頭。
[0003]氟原子因具有高電負(fù)性和原子體積小的特異性，使氟材料具有許多優(yōu)異的性能。如突出的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、低表面能、介電、不燃、耐老化、耐腐蝕、自潤滑、抗粘、抗污、耐高低溫、耐藥物特性等。因此氟材料被稱為“特效功能材料”，廣泛應(yīng)用于軍工、航天航空、冶金、電子、紡織、輕工、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等方面，也是其它工業(yè)門類不可或缺的配套材料的化工領(lǐng)域，氟化工產(chǎn)業(yè)自90年代得到迅速發(fā)展，已成為化學(xué)工業(yè)的重要分支。
[0004]產(chǎn)品用途:同位素分離、火箭推進(jìn)劑的氧化劑、用于化學(xué)制備(合成具有特殊用途的氟化劑、生產(chǎn)六氟化硫氣體、制備有機(jī)氟化物、生產(chǎn)三氟化氮)、制備氟化石墨、制備氟化瀝青等等。
[0005]生產(chǎn)方法:無論是實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)生產(chǎn)，制取元素氟的唯一方法是電解無水氫氟酸，并添加氟化物(主要是氟化鉀)以改善電解質(zhì)的導(dǎo)電能力。電解反應(yīng):2HF—.-H2+F2O
[0006]1886年法國Moissan電解制氟成功，在科學(xué)上是一重大突破，同時(shí)也帶給化學(xué)家們一種誤解，認(rèn)為氟的制取十分困難和昂貴。Moissan采用鉑制電極和鉑銥合金電解槽，雖在低溫下操作，但腐蝕嚴(yán)重，每制Ig氟氣，鉑的消耗高達(dá)5g。所以此后30年中很少研宄和進(jìn)展。
[0007]美國Argo等的研宄給制氟方法帶來了重大改進(jìn)。他以熔融的氟化氫鉀KHF2為電解質(zhì)，在銅制電解槽中用石墨陽極代替了鉑陽極，電解溫度250°C，因此制備條件較為方便，這種方法一般稱為高溫法。在1919?1939年的20年中，研宄工作增多，其中1925年法國
Lebea和Damiens發(fā)表了重要的研宄成果--電解質(zhì)組分是KF *3HF，于65.8°C恪融，采用鎳制陽極，電解溫度范圍為50?150°C，一般稱為中溫法。隨后Fredenhagen又認(rèn)為KF: HF比例不超過1.8 (即HF重量不超過38.3%)，可用石墨代替鎳作陽極，這對(duì)后來工業(yè)制氟技術(shù)的發(fā)展有很大作用。
[0008]第二次世界大戰(zhàn)期間，德國研制縱火劑ClF3，美國利用可揮發(fā)的UF6，經(jīng)擴(kuò)散法分離生產(chǎn)鈾235，都要求工業(yè)規(guī)模提供氟氣。但當(dāng)時(shí)的技術(shù)進(jìn)展都是絕密的，戰(zhàn)后才陸續(xù)得到公開。
[0009]工業(yè)制氟裝置均采用中溫電解。中溫法的優(yōu)點(diǎn)在于:液面上HF蒸汽壓較低；組成容許變化范圍較寬；可用溫水冷卻或保溫電解質(zhì)；腐蝕減輕。
[0010]生產(chǎn)流程:中溫電解是目前工業(yè)制氟普遍采用的方法。由于氟的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡鄶?shù)工廠都是以生產(chǎn)其它氟化物(如六氟化鈾和六氟化硫)為最終產(chǎn)品。電解制氟只是整個(gè)生產(chǎn)的一個(gè)組成部分，產(chǎn)生的氟氣是現(xiàn)制現(xiàn)用，但這一生產(chǎn)工藝仍然是一復(fù)雜過程。這里介紹一個(gè)法國工廠的制氟工藝流程；圖1中溫電解制氟工藝流程框圖。
[0011]配制好的電解質(zhì)經(jīng)預(yù)電解脫水后，添加LiF并轉(zhuǎn)移至電解槽。新的電解槽(6KA)先從低電流(IKA)開始，再逐步增加至額定電流。由低壓整流器供應(yīng)直流電，如果是串聯(lián)設(shè)計(jì)，分供每一電解槽的電壓約為12V。
[0012]通常工作電壓是8.5?10.5V，電流效率90?95%，但能耗是理論值的4倍，達(dá)17KW.VkgF2，這是由于過高的陽極超電壓造成的損失。當(dāng)電流為6KA時(shí)，需要散去的熱量為142.3MJ/h，用75°C水冷卻，保持電解質(zhì)溫度為95?105°C。
[0013]電解初期常因電解質(zhì)中殘存的水分和其它雜質(zhì)使生成的氟含有氣體雜質(zhì)(0F2，O2,CO2和硫、硅氟化物等)。如果補(bǔ)充的HF純度高，這些氣體雜質(zhì)會(huì)很快消失。但氟氣中常會(huì)有低濃度的CF4 (< 30ppm)及同系物，這是由于陽極面上形成的氟化石墨不斷受熱分解所致:
[0014]nCFx--^ aC bCF4~h cC 2Ρ6+...
[0015]CF4濃度可以用紅外光譜監(jiān)測，如濃度超過50ppm，應(yīng)降低電壓，防止陽極惡化。
[0016]從電解槽產(chǎn)生的氟氣和氫氣都夾帶少量固體電解質(zhì)和7?10%HF，應(yīng)分別進(jìn)行純化處理，先通過除霧器除去電解質(zhì)，再回收HF。如果下一步可直接使用含3%HF的氟，可以采用物理方法將氣體冷卻至一 80°C，冷凝析出的HF可再利用。要求HF含量更低時(shí)，還需進(jìn)一步使氣體通過NaF填充塔。NaF能吸收HF形成氟化氫鈉NaHF2，這樣氟氣中HF濃度可降至0.5%。使用粉狀NaF時(shí)，由于表面會(huì)結(jié)膜，氣體不易進(jìn)入吸附劑內(nèi)層，純化效果較差。壓成片狀或粒狀的NaF，在吸收HF后，因晶格變化面體積增大，容易碎裂，堵塞通道。因此最好用無水氟化氫鈉先壓片再煅燒除去HF，形成多孔的吸收劑，然后裝入填充塔內(nèi)，純化效果很尚O
[0017]氫氣可經(jīng)除霧器分離出HF后去焚燒爐；或經(jīng)水淋洗除HF后排空。
[0018]生產(chǎn)設(shè)備:制取單質(zhì)元素氟的核心生產(chǎn)設(shè)備一電解槽。電解槽一般采用長方形(早期實(shí)驗(yàn)室用亦有圓柱形)，主要組件包括槽體，槽蓋，陽極，陰極，氣體分隔罩和密封件等。早期的工業(yè)電解槽設(shè)計(jì)是由美國原子能委員會(huì)(AEC)主持的，作為六氟化鈾總體生產(chǎn)的一個(gè)組成部分。以后這種設(shè)計(jì)被若干制造商采用，流通于工業(yè)界。
[0019]20世紀(jì)80年代制氟電解槽及工藝的進(jìn)步多見于國外專利文獻(xiàn)，包括電極設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、電極材質(zhì)的改進(jìn)、防止極化和耐腐蝕的添加劑、降低能耗和延長電解槽使用壽命等。表2為4種典型中溫制氟電解槽的主要特征。
[0020]由于單質(zhì)氟最初的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，是源于原子能工業(yè)核燃料發(fā)展的需要(軍事工業(yè))，因此世界上主要的政治、軍事國家為制造鈾核燃料(生產(chǎn)六氟化鈾)，均設(shè)有相應(yīng)的制氟工廠。民用產(chǎn)品的應(yīng)用，主要生產(chǎn)六氟化硫，供應(yīng)電力行業(yè)的需要。這是電解制氟20世紀(jì)五、六十年代，全球的最大兩類供應(yīng)需求，當(dāng)時(shí)單質(zhì)氟用量:(I)制六氟化鈾，年產(chǎn)量18?2IKt時(shí)，消耗氟氣6?7Kt ; (2)制六氟化硫，年產(chǎn)5.1?7.7Kt時(shí)，消耗氟氣4?6Kt。[0021 ] 中國于50年代末期，為配合原子能工業(yè)發(fā)展，開始有自行設(shè)計(jì)的氟電解槽和氟生產(chǎn)廠。
[0022]工業(yè)制氟的投資較高，產(chǎn)品價(jià)格主要取決于電力成本、無水氫氟酸(AHF)的價(jià)格、勞動(dòng)力成本(專業(yè)人員/工藝環(huán)境)、電解槽保養(yǎng)檢修維護(hù)費(fèi)用和固定資產(chǎn)折舊等。由于單質(zhì)氟的物化特性及腐蝕、有毒性等特點(diǎn)，貯運(yùn)技術(shù)要求十分嚴(yán)格、成本將大大提高。
[0023]20世紀(jì)八十年代中后期，隨著全球電子行業(yè)大規(guī)模集成電路芯片的發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料不斷被研發(fā)、拓展出來，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)新興領(lǐng)域。單質(zhì)氟及其含氟無機(jī)氟化合物的應(yīng)用領(lǐng)域，得到了極大的拓展，而且因?yàn)榉右蚓哂懈唠娯?fù)性和原子體積小的特異性，使氟材料具有許多優(yōu)異的性能。如突出的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、低表面能、介電、不燃、耐老化、耐腐蝕、自潤滑、抗粘、抗污、耐高低溫、耐藥物特性等，可廣泛應(yīng)用于軍工、航天航空、冶金、電子、太陽能發(fā)電、高能電池、紡織、輕工、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等各個(gè)方面，且新的應(yīng)用領(lǐng)域，隨著人們對(duì)元素氟特性的深入了解，還在不斷發(fā)展中。
[0024]同時(shí)，也隨著市場需求的不斷細(xì)化，傳統(tǒng)的工業(yè)化大規(guī)模制氟生產(chǎn)方式，進(jìn)入到對(duì)單質(zhì)氟元素產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、安全使用、應(yīng)用環(huán)境、智能化操作管理、低運(yùn)營成本的更高要求階段一一按需定制。并且，用戶需要現(xiàn)場批量化制氟供應(yīng)，以及對(duì)單質(zhì)氟產(chǎn)品純度指標(biāo)、雜質(zhì)含量、安全使用上也提出了更高的要求(目前UF6、SF6生產(chǎn)用氟氣F2的純度93% ?94% V/V%)o
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0025]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在此提供一種智能化集裝箱模組式中溫電解制氟裝置，是單質(zhì)元素氟的生產(chǎn)、提純裝置，采用了異于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的工作室型集裝箱模組式中溫電解制氟工藝。
[0026]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，構(gòu)造一種智能化集裝箱模組式中溫電解制氟裝置，其特征在于:整個(gè)電解制氟裝置具有中溫電解制氟及配套系統(tǒng)、氟氣純化系統(tǒng)、氫氣尾氣清潔處理系統(tǒng)、安全貯氣系統(tǒng)；所述中溫電解制氟及配套系統(tǒng)與氟氣純化系統(tǒng)和氫氣尾氣清潔處理系統(tǒng)處理連接；氟氣純化系統(tǒng)與氫氣尾氣清潔處理和安全貯氣系統(tǒng)連接。
[0027]根據(jù)本實(shí)用新型所述智能化集裝箱模組式中溫電解制氟裝置，其特征在于:中溫電解制氟及配套系統(tǒng)包括中溫制氟電解槽裝置、無水氫氟酸自控供料系統(tǒng)、電解氫氣尾氣自動(dòng)吹掃系統(tǒng)、電解反應(yīng)熱恒溫控制系統(tǒng)、電解直流電源控制系統(tǒng)；無水氫氟酸自控供料系統(tǒng)、電解氫氣尾氣自動(dòng)吹掃系統(tǒng)、電解反應(yīng)熱恒溫控制系統(tǒng)、電解直流電源控制系統(tǒng)組成中溫制氟電解槽裝置的配套系統(tǒng)；
[0028]其中中溫制氟電解槽裝置分別與無水氫氟酸自控供料系統(tǒng)、電解氫氣尾氣自動(dòng)吹掃系統(tǒng)、電解反應(yīng)熱恒溫控制系統(tǒng)以及電解直流電源控制系統(tǒng)連接。
[0029]根據(jù)本實(shí)用新型所述智能化集裝箱模組式中溫電解制氟裝置，其特征在于:氟氣純化系統(tǒng)