一种五氟化碘生产设备和生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种能连续反应，高产率且反应温和、完全，且污染程度极轻五氟化碘的生产方法，在密闭反应器内，将固态碘置于液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液的上方；然后往液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液中通入氟气，同时利用一可流动的冷却介质按照从下到上的流动方向先后对液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液和固态碘上方产生的气相进行冷却，使液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液的温度控制在15～100℃，使固态碘上方产生的气相中的五氟化碘蒸汽和碘蒸汽冷凝回流到液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液中，以及专用于该方法的生产设备。
【专利说明】一种五氟化捵生产设备和生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种五氟化碘生产设备和生产方法。
【背景技术】
[0002]五氟化碘常用作氟化剂、引火剂、纺织品的防油防水。五氟化碘为液体，密度这
3.23g/mL，熔点 9.4°C，沸点为 104.5°C。
[0003]以碘和氟气反应制备五氟化碘是生产五氟化碘的主要途径。在常温常压下，碘为固体，密度为4.21g/mL且能溶解于五氟化碘。氟气为气体，氟是强氧化剂，是最活泼的元素，氟气具有强烈的刺激性臭味，有剧毒性。目前通行的制备方法是碘在氟气中燃烧以及氟气通入已溶解部分碘的五氟化碘液体中两种方法:
[0004]方法1、碘在氟气中燃烧法，其反应分两步进行: [0005]第一步:将碘预先置于密闭容器内的托盘上，再缓慢通入氟气，氟气与碘接触发生燃烧性反应，生成五氟化碘。此过程主要为气固两相反应，反应温度范围较宽，一般控制在80 ~120°C ；
[0006]第二步:将第一步反应的液体产物收集在另外的密闭容器中，在此容器内使氟气与第一步反应的液体产物进行鼓泡反应，目的是将五氟化碘液体中的碘继续与氟气反应，生成五氟化碘。
[0007]此法由于碘与氟气的反应速度快，且放热量大，因此，上述制备五氟化碘方法中的第一步反应温度不容易控制，且碘在高温时容易产生大量的碘蒸汽，导致严重的管道堵塞问题，同时因反应温度过高，氟气与五氟化碘极易生成七氟化碘，导致收率降低和副反应物偏闻等问题。
[0008]为解决上述缺陷，有人对此进行改进，发明了:
[0009]方法2、氟气通入已溶解部分碘的五氟化碘液体内生产法，例如申请号为200810052088.6，申请名称为“五氟化碘的制备方法”的中国专利申请其反应方式主要步骤如下:
[0010]将碘(I2)投入装有五氟化碘(IF5)液体的反应器中，所加碘的量为五氟化碘总量的2~20% (重量比)；
[0011]对反应器抽空，压力为-0.08MPa~-0.06MPa ；
[0012]向冷却水套通冷却水进行冷却；
[0013]向反应器(I)内通氟气，使氟气与碘进行反应，控制反应器(I)内压力低于-0.02MPa，温度低于85°C。
[0014]此方法比氟气直接与固体碘燃烧法虽有大的改进，但仍存在以下缺点:
[0015]1、碘在五氟化碘液体中的溶解度较低，未溶解的碘于五氟化碘液体中易形成结块，氟气通入后因与碘的接触面积太小，反应率很低，大量未反应的氟气会造成环境污染及安全问题。
[0016]2、因碘在五氟化碘液体中的溶解度较低，加入碘的量少，即需频繁加碘，生产不能连续性进行。抽取反应器杂气时需停止输入氟气，只能采用间歇性生产。
[0017]3、反应于负压下进行，随着反应温度的升高，大量的五氟化碘挥发成气体，随着第二次抽负压时排出反应器，反应收率低。
[0018]4、反应于-0.06~-0.08Mpa的负压下进行，对反应器的密封要求较高，密封不好很容易吸入空气，特别是潮湿空气，将会引起反应器内氟气燃烧及五氟化碘分解反应生成碘酸和氢氟酸，影响品质。
【发明内容】
[0019]为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能连续反应且反应温和的五氟化碘生产设备和生产方法。
[0020]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为:
[0021]一种五氟化碘生产设备，包括密闭的反应器，所述反应器从下至上依次包括液相区、固相区、冷凝区和排气区；所述液相区内设有测温杆，所述液相区外设有冷却水夹套，所述冷却水夹套的进水口位于所述冷却水夹套的底部，所述冷却水夹套的出水口位于所述冷却水夹套的顶部，所述液相区的侧面开设有氟气进口，所述氟气进口与进气阀连接，所述液相区的底部开设有出料口，所述出料口与出料阀连接；所述固相区内设有碘托盘，所述碘托盘的底部开设有多个通孔，所述固相区的侧面开设有可启闭的加料口 ；所述冷凝区内设有冷却列管，所述冷却列管的 进水口位于冷却列管的底部，所述冷却列管的出水口位于冷却列管的顶部，所述冷却列管的进水口与所述冷却水夹套的出水口管路连接；所述排气区的顶部开设有放空口，所述放空口与放空阀连接。
[0022]其中，所述出料口与出料阀的连接管路上还连接有取样管，所述取样管上设有取样阀。
[0023]其中，所述排气区的顶部还开设有压力表接口，所述压力表接口处连接有压力表。
[0024]其中，还包括控制器，所述进气阀为电磁阀，所述进气阀与测温杆分别与所述控制器电连接，所述控制器控制所述进气阀的开关。
[0025]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为:
[0026]一种五氟化碘生产方法，包括以下步骤:
[0027]步骤1、在密闭反应器内，将固态碘置于液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液的上方；
[0028]步骤2、往液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液中通入氟气，同时利用一可流动的冷却介质按照从下到上的流动方向先后对液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液和固态碘上方产生的气相进行冷却，使液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液的温度控制在15~100°C，使固态碘上方产生的气相中的五氟化碘蒸汽和碘蒸汽冷凝回流到液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液中。
[0029]其中，所述冷却介质为冷却水。
[0030]其中，所述密闭反应器内的气相正压力小于0.035MPa。
[0031]其中，在步骤I和步骤2之间，还包括以下步骤:往密闭反应器内通入不与氟气反应的惰性气体，以置换密闭反应器内的空气。
[0032]本发明所提供的五氟化碘生产设备及生产方法，与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0033]1、针对碘与氟气的反应速度快，且放热量大，本发明通过气、液、固三相法及增加冷却水夹套和冷却列管，可有效控制碘与氟气的反应速度，把反应生成的热量及时转移；
[0034]2、生产过程中，只需向冷却水夹套的进水口输入冷却水，即可达到对液相区内的反应液进行冷却和对冷凝区内的气相进行冷凝的目的，大大简化了设备，降低了设备成本；同时，由于液相区冷却所需的冷却水温度相比冷凝区冷凝所需的冷却水温度低，经液相区冷却后得到的冷却水温度正好可以满足冷凝区冷凝的需要，从而巧妙地利用设备生产过程中的能量交换来实现冷却水的温度调节，只需提供一种冷却水即可同时满足液相区的冷却需求和冷凝区的冷凝需求，达到充分利用能量和节约生产成本等目的；另外，由于冷却水均是从液相区和冷凝区的底部进入顶部流出，因此热量交换效率高，冷却和冷凝效果更好；
[0035]3、针对大量的碘蒸汽导致严重的管道堵塞问题，本发明通过设置冷却列管使碘蒸汽冷凝在反应器内，五氟化碘蒸汽冷凝后又可把碘“冲刷”至托盘上，不致于堵塞管道；
[0036]4、针对反应温度高，副反应物多的问题，本发明可有效控制反应温度，减少七氟化碘生成；
[0037]5、针对大量的碘易在五氟化碘液体中形成结块，本发明采用碘托盘置于五氟化碘液面上，可避免碘结块影响反应速率，同时加碘量大可保证生产连续进行；
[0038]6、针对负压条件下生产五氟化碘挥发量大以及存在安全及品质隐患，本发明采用常压或微正压下反应，可 有效避免因负压造成五氟化碘饱和蒸汽压加大挥发量及生产过程中的安全和品质隐患。
[0039]总之，本发明提供了一种工艺简单、生产操作简便、生产连续性强、反应温度低且容易控制、产品质量稳定可靠，产品收率高的五氟化碘的生产设备和生产方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1所示为本发明实施例的五氟化碘生产设备的结构示意图。
[0041]标号说明:
[0042]1、液相区；10、测温杆；11、冷却水夹套；110、进水口；
[0043]111、出水口；12、氟气进口；13、进气阀；14、出料口；
[0044]15、出料阀；
[0045]2、固相区；20、碘托盘；21、加料口；
[0046]3、冷凝区；30、冷却列管；300、进水口； 301、出水口；
[0047]4、排气区；40、放空口；41、放空阀； 42、压力表接口；
[0048]43、压力表；44、备用口；45、备用阀；
[0049]5、取样管；50、取样阀。
【具体实施方式】
[0050]为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
[0051]请参阅图1所示，本实施方式的五氟化碘生产设备，包括密闭的反应器，所述反应器从下至上依次包括液相区1、固相区2、冷凝区3和排气区4 ;所述液相区I内设有测温杆10，所述液相区I外设有冷却水夹套11，所述冷却水夹套11的进水口 110位于所述冷却水夹套11的底部，所述冷却水夹套11的出水口 111位于所述冷却水夹套11的顶部，所述液相区I的侧面开设有氟气进口 12，所述氟气进口 12与进气阀13连接，所述液相区I的底部开设有出料口 14，所述出料口 14与出料阀15连接；所述固相区2内设有碘托盘20，所述碘托盘20的底部开设有多个通孔，所述通孔的直径优选为5~10mm，使碘托盘20的底部形成类似筛板的结构，所述固相区2的侧面开设有可启闭的加料口 21 ;所述冷凝区3内设有冷却列管30，所述冷却列管30的进水口 300位于冷却列管30的底部，所述冷却列管30的出水口 301位于冷却列管30的顶部，所述冷却列管30的进水口 300与所述冷却水夹套11的出水口 111管路连接；所述排气区4的顶部开设有放空口 40，所述放空口 40与放空阀41连接。
[0052]在上述实施例中，为了更方便控制产品质量，所述出料口 14与出料阀15的连接管路上还连接有取样管5，所述取样管5上设有取样阀50。
[0053]在上述实施例中，为了便于监测反应器内的气压状况，所述排气区4的顶部还开设有压力表接口 42，所述压力表接口 42处连接有压力表43。
[0054]在上述实施例中，为了进一步实现自动化控温，还包括控制器(图上未示出)，所述进气阀13为电磁阀，所述进气阀13与测温杆10分别与所述控制器电连接，所述控制器控制所述进气阀13的开关。这样在生产过程中，先在控制器内设定好温度范围，然后控制器控制进气阀13打开，氟气通入液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液中，由测温杆10检测到的液相区I的温度值实时传送到控制器，由控制器进行判断后发出指令来控制进气阀13的开度，直至液相区I内的温度维持在设定好的温度范围内。
[0055]在上述实施例中，为了避免反应器内有空气干扰反应，所述排气区4的顶部还开设有备用口 44，所述备用口 44与备用阀45连接。这样在反应前，通过开启备用阀45向反应器内通入不与氟气反应的惰性气体，如氮气、氦气、氖气等，置换掉反应器内因加碘所引入的空气，避免空气干扰反应。
[0056]请继续参照图1所示，本实施方式的五氟化碘生产方法，包括以下步骤:
[0057]1、通过加料口 21向液相区I内注入一定量的液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液，向碘托盘20上放入一定量的固态碘(纯度99.9%)；
[0058]2、开启备用阀45,向反应器内通入不与氟气反应的惰性气体,如氮气、氦气、氖气等，检查是否漏气并置换掉反应器内因加碘所引入的空气，避免空气干扰反应，然后关闭备用阀45 ;
[0059]3、开启进气阀13，向液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液内通入氟气，同时向冷却水夹套11的进水口 Iio通入冷却水，反应过程中通过测温杆10和压力表43监测液相区I的温度和反应器内的气压，当反应器内压力高于0.035MPa时，开启放空阀41排出杂质气体，降低反应器内部压力至常压，然后继续反应；当液相区I的温度高出100°C时，减小进气阀13的开度,使反应过程中温度保持在15~100°C ；
[0060]4、待液相区I温度趋于明显下降时，反应完成。
[0061]在上述五氟化碘生产过程中，只需向冷却水夹套11的进水口 110输入冷却水，即可达到对液相区I内的反应液进行冷却和对冷凝区3内的气相进行冷凝的目的，大大简化了设备，降低了设备成本；同时，由于液相区I冷却所需的冷却水温度相比冷凝区3冷凝所需的冷却水温度低，经液相区I冷却后得到的冷却水温度正好可以满足冷凝区3冷凝的需要，从而巧妙地利用生产过程中的能量交换来实现冷却水的温度调节，只需提供一种冷却水即可同时满足液相区I的冷却需求和冷凝区3的冷凝需求，达到充分利用能量和节约生产成本等目的；另外，由于冷却水均是从液相区I和冷凝区3的底部进入顶部流出，因此热量交换效率高，冷却和冷凝效果更好。
[0062]在上述五氟化碘生产过程中，如果步骤I使用的是液态的五氟化碘，则开始时液相体系中没有碘存在，反应过程如下:
[0063]过程1:氟气冒出，在气相中与固态碘接触，反应生成的五氟化碘呈液态，所以会溶解一部分的碘形成碘的五氟化碘溶液，上述碘的五氟化碘溶液流入到固态碘下方的液相体系中，液相体系就成为碘的五氟化碘溶液；
[0064]过程2:通入到液相体系的氟气与液相中的溶质碘反应，直接在液相中生成五氟化碘，同时未反应完的氟气冒出，重复过程1，如此周而复始，进行连续的反应。
[0065]而如果步骤I使用的是碘的五氟化碘溶液，则开始时液相体系中就存在溶质碘，反应一开始就可以进行过程2的反应进程，接下来进行过程I的反应进程，然后重复过程2，如此周而复始，进行连续反应。
[0066]从上面的反应进程，我们可以发现，在本反应中液相、固相同时有碘与氟接触，进行反应，由于液相反应消耗了部分的氟，因此反应不如固相反应(【背景技术】中的方法1，固态碘与氟气直接反应)那么剧烈，使反应处于可控状态，同纯粹的液相反应(【背景技术】中的方法2，氟气与碘的五氟化碘溶液反应)相比，不存在氟气溢出的问题，因为液相反应过量的氟气可以被固态的碘所吸收反应，同时固相反应的产物还能溶解碘，对液相反应的反应物进行补充，达到了连续反应 的目的。
[0067]同时，碘为易挥发的单质，因此反应体系的气相中也存在碘蒸汽，碘蒸汽与氟气反应，也会生成五氟化碘，同时五氟化碘也会部分蒸发在气相中，为回收五氟化碘蒸汽和碘蒸汽，所述反应器上方设有冷却列管30，利用冷却列管30中流动的冷却水来冷却反应器内部气相的温度，冷凝气相中的五氟化碘蒸汽和碘蒸汽，使之冷却为液态并回流到反应体系的液相中，而且五氟化碘蒸汽冷凝后还可把碘“冲刷”至碘托盘20上，使碘蒸汽不致于堵塞管道。因此本生产方法形成气、液、固三相反应。气、液、固三相反应时气相及液相中均有碘或碘蒸汽存在，可提高反应速率及减少七氟化碘的生成。
[0068]同时，为了减少碘蒸汽、五氟化碘蒸汽以及副产物七氟化碘的产生，控制反应温度在100°C以下。因为随着反应温度的升高，副产物七氟化碘的转化率上升，反应温度高于230°C时，七氟化碘的转化率超过70% (七氟化碘为气体)。考虑到五氟化碘的凝固点温度，因此设置反应温度高于15°C是比较合适的。所以通过阀门调节氟气的输入速度、冷却水流量使反应体系温度及压力基本恒定，保证氟气反应完全。反应过程中，用冷却水冷却反应体系，保持反应体系温度在100°C以下。为控制反应体系液相中的温度，所述液相区I外设有冷却水夹套11，通过冷却水夹套11中由下至上流动的冷却水来带走反应体系液相中的热量。为监测反应体系中液相的温度，所述液相区I内设置有测温杆10，所述测温杆10的测试端最好浸没于液相体系内。
[0069]本反应过程因氟气与碘反应生成五氟化碘液体，为体积缩小反应，但由于氟气中含有少量不反应的杂质气体，因此，随反应进行，反应器内的气相压力缓慢上升，当此压力高于0.035MPa时，开启放空阀41，通过放空口 40排出杂质气体，本过程不需停止输入氟气，直到反应结束，五氟化碘通过出料口 14和出料阀15排出。为监测、调整反应体系的压力，所述反应器设有压力表43与放空口 40。
[0070]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括 在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种五氟化碘生产设备，其特征在于:包括密闭的反应器，所述反应器从下至上依次包括液相区、固相区、冷凝区和排气区；所述液相区内设有测温杆，所述液相区外设有冷却水夹套，所述冷却水夹套的进水口位于所述冷却水夹套的底部，所述冷却水夹套的出水口位于所述冷却水夹套的顶部，所述液相区的侧面开设有氟气进口，所述氟气进口与进气阀连接，所述液相区的底部开设有出料口，所述出料口与出料阀连接；所述固相区内设有碘托盘，所述碘托盘的底部开设有多个通孔，所述固相区的侧面开设有可启闭的加料口 ；所述冷凝区内设有冷却列管，所述冷却列管的进水口位于冷却列管的底部，所述冷却列管的出水口位于冷却列管的顶部，所述冷却列管的进水口与所述冷却水夹套的出水口管路连接；所述排气区的顶部开设有放空口，所述放空口与放空阀连接。
2.根据权利要求1所述的五氟化碘生产设备，其特征在于:所述出料口与出料阀的连接管路上还连接有取样管，所述取样管上设有取样阀。
3.根据权利要求1所述的五氟化碘生产设备，其特征在于:所述排气区的顶部还开设有压力表接口，所述压力表接口处连接有压力表。
4.根据权利要求1所述的五氟化碘生产设备，其特征在于:还包括控制器，所述进气阀为电磁阀，所述进气阀与测温杆分别与所述控制器电连接，所述控制器控制所述进气阀的开关。
5.一种五氟化碘生产方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、在密闭反应器内，将固态碘置于液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液的上方； 步骤2、往液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液中通入氟气，同时利用一可流动的冷却介质按照从下到上的流动方向先后对液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液和固态碘上方产生的气相进行冷却，使液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液的温度控制在15~100°C，使固态碘上方产生的气相中的五氟化碘蒸汽和碘蒸汽冷凝回流到液态的五氟化碘或碘的五氟化碘溶液中。
6.根据权利要求5所述的五氟化碘生产方法，其特征在于:所述冷却介质为冷却水。
7.根据权利要求5所述的五氟化碘生产方法，其特征在于:所述密闭反应器内的气相正压力小于0.035MPao
8.根据权利要求5所述的五氟化碘生产方法，其特征在于:在步骤I和步骤2之间，还包括以下步骤:往密闭反应器内通入不与氟气反应的惰性气体，以置换密闭反应器内的空气。
【文档编号】C01B7/24GK103754826SQ201310695968
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】谢国辉, 罗建文 申请人:福建省邵武市永晶化工有限公司