智能化集装箱模组式中温电解制氟装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及制氟领域，尤其是一种智能化集装箱模组式中温电解制氟装置。
【背景技术】
[0002]单质氟在核工业、航天航空、军事工业、电子、民用新能源、新材料、新技术等领域，有着特殊地位及无限拓展的应用天地，是无机氟化合物特种含氟气体衍生的精细化学制品生产的源头。
[0003]氟原子因具有高电负性和原子体积小的特异性，使氟材料具有许多优异的性能。如突出的化学稳定性和热稳定性、低表面能、介电、不燃、耐老化、耐腐蚀、自润滑、抗粘、抗污、耐高低温、耐药物特性等。因此氟材料被称为“特效功能材料”，广泛应用于军工、航天航空、冶金、电子、纺织、轻工、医药和农业等方面，也是其它工业门类不可或缺的配套材料的化工领域，氟化工产业自90年代得到迅速发展，已成为化学工业的重要分支。
[0004]产品用途:同位素分离、火箭推进剂的氧化剂、用于化学制备(合成具有特殊用途的氟化剂、生产六氟化硫气体、制备有机氟化物、生产三氟化氮)、制备氟化石墨、制备氟化浙青等等。
[0005]生产方法:无论是实验室或工业生产，制取元素氟的唯一方法是电解无水氢氟酸，并添加氟化物(主要是氟化钾)以改善电解质的导电能力。电解反应:2HF—.-H2+F2
1886年法国Moissan电解制氟成功，在科学上是一重大突破，同时也带给化学家们一种误解，认为氟的制取十分困难和昂贵。Moissan采用钼制电极和钼铱合金电解槽，虽在低温下操作，但腐蚀严重，每制Ig氟气，钼的消耗高达5g。所以此后30年中很少研究和进展。
[0006]美国Argo等的研究给制氟方法带来了重大改进。他以熔融的氟化氢钾KHF2为电解质，在铜制电解槽中用石墨阳极代替了钼阳极，电解温度250°C，因此制备条件较为方便，这种方法一般称为高温法。在1919?1939年的20年中，研究工作增多，其中1925年法国
Lebea和Damiens发表了重要的研究成果-电解质组分是KF *3HF,于65.8?熔融,采用镍制阳极，电解温度范围为50?150°C，一般称为中温法。随后Fredenhagen又认为KF:HF比例不超过1.8 (即HF重量不超过38.3%)，可用石墨代替镍作阳极，这对后来工业制氟技术的发展有很大作用。
[0007]第二次世界大战期间，德国研制纵火剂ClF3，美国利用可挥发的UF6,经扩散法分离生产铀235，都要求工业规模提供氟气。但当时的技术进展都是绝密的，战后才陆续得到公开。
[0008]工业制氟装置均采用中温电解。中温法的优点在于:液面上HF蒸汽压较低；组成容许变化范围较宽；可用温水冷却或保温电解质；腐蚀减轻。
[0009]生产流程:中温电解是目前工业制氟普遍采用的方法。由于氟的化学性质非常活泼，多数工厂都是以生产其它氟化物(如六氟化铀和六氟化硫)为最终产品。电解制氟只是整个生产的一个组成部分，产生的氟气是现制现用，但这一生产工艺仍然是一复杂过程。这里介绍一个法国工厂的制氟工艺流程；图1中温电解制氟工艺流程框图。
[0010]配制好的电解质经预电解脱水后，添加LiF并转移至电解槽。新的电解槽(6KA)先从低电流(IKA)开始，再逐步增加至额定电流。由低压整流器供应直流电，如果是串联设计，分供每一电解槽的电压约为12V。
[0011]通常工作电压是8.5?10.5V，电流效率90?95%，但能耗是理论值的4倍，达17KW.VkgF2，这是由于过高的阳极超电压造成的损失。当电流为6KA时，需要散去的热量为142.3MJ/h，用75°C水冷却，保持电解质温度为95?105°C。
[0012]电解初期常因电解质中残存的水分和其它杂质使生成的氟含有气体杂质(0F2，02，CO2和硫、硅氟化物等)。如果补充的HF纯度高，这些气体杂质会很快消失。但氟气中常会有低浓度的CF4 30ppm)及同系物，这是由于阳极面上形成的氟化石墨不断受热分解所致:
nCFx—~- aC + bCF4+ CC2F6+ …
CF4浓度可以用红外光谱监测，如浓度超过50ppm，应降低电压，防止阳极恶化。
[0013]从电解槽产生的氟气和氢气都夹带少量固体电解质和7?10%HF，应分别进行纯化处理，先通过除雾器除去电解质，再回收HF。如果下一步可直接使用含3%HF的氟，可以采用物理方法将气体冷却至一 80°C，冷凝析出的HF可再利用。要求HF含量更低时，还需进一步使气体通过NaF填充塔。NaF能吸收HF形成氟化氢钠NaHF2，这样氟气中HF浓度可降至0.5%。使用粉状NaF时，由于表面会结膜，气体不易进入吸附剂内层，纯化效果较差。压成片状或粒状的NaF，在吸收HF后，因晶格变化面体积增大，容易碎裂，堵塞通道。因此最好用无水氟化氢钠先压片再煅烧除去HF，形成多孔的吸收剂，然后装入填充塔内，纯化效果很闻。
[0014]氢气可经除雾器分离出HF后去焚烧炉；或经水淋洗除HF后排空。
[0015]生产设备:制取单质元素氟的核心生产设备一电解槽。电解槽一般采用长方形(早期实验室用亦有圆柱形)，主要组件包括槽体，槽盖，阳极，阴极，气体分隔罩和密封件等。早期的工业电解槽设计是由美国原子能委员会(AEC)主持的，作为六氟化铀总体生产的一个组成部分。以后这种设计被若干制造商采用，流通于工业界。
[0016]20世纪80年代制氟电解槽及工艺的进步多见于国外专利文献，包括电极设计及制造技术、电极材质的改进、防止极化和耐腐蚀的添加剂、降低能耗和延长电解槽使用寿命等。表2为4种典型中温制氟电解槽的主要特征。
[0017]由于单质氟最初的大规模工业化应用，是源于原子能工业核燃料发展的需要(军事工业)，因此世界上主要的政治、军事国家为制造铀核燃料(生产六氟化铀)，均设有相应的制氟工厂。民用产品的应用，主要生产六氟化硫，供应电力行业的需要。这是电解制氟20世纪五、六十年代，全球的最大两类供应需求，当时单质氟用量:(I)制六氟化铀，年产量18?2IKt时，消耗氟气6?7Kt ; (2)制六氟化硫，年产5.1?7.7Kt时，消耗氟气4?6Kt。
[0018]中国于50年代末期，为配合原子能工业发展，开始有自行设计的氟电解槽和氟生产厂。
[0019]工业制氟的投资较高，产品价格主要取决于电力成本、无水氢氟酸(AHF)的价格、劳动力成本(专业人员/工艺环境)、电解槽保养检修维护费用和固定资产折旧等。由于单质氟的物化特性及腐蚀、有毒性等特点，贮运技术要求十分严格、成本将大大提高。
[0020]20世纪八十年代中后期，随着全球电子行业大规模集成电路芯片的发展，各种新技术、新材料不断被研发、拓展出来，并广泛应用于各个新兴领域。单质氟及其含氟无机氟化合物的应用领域，得到了极大的拓展，而且因为氟原子因具有高电负性和原子体积小的特异性，使氟材料具有许多优异的性能。如突出的化学稳定性和热稳定性、低表面能、介电、不燃、耐老化、耐腐蚀、自润滑、抗粘、抗污、耐高低温、耐药物特性等，可广泛应用于军工、航天航空、冶金、电子、太阳能发电、高能电池、纺织、轻工、医药和农业等各个方面，且新的应用领域，随着人们对元素氟特性的深入了解，还在不断发展中。
[0021]同时，也随着市场需求的不断细化，传统的工业化大规模制氟生产方式，进入到对单质氟元素产品的产量、质量、能耗、安全使用、应用环境、智能化操作管理、低运营成本的更高要求阶段——按需定制。并且，用户需要现场批量化制氟供应，以及对单质氟产品纯度指标、杂质含量、安全使用上也提出了更高的要求(目前UF6、SF6生产用氟气F2的纯度93% ?94% V/V%)o
【发明内容】
[0022]本发明的目的在于克服现有技术的不足，在此提供一种智能化集装箱模组式中温电解制氟装置，是单质元素氟的生产、提纯装置，采用了异于传统生产方式的工作室型集装箱模组式中温电解制氟工艺。
[0023]本发明是这样实现的，构造一种智能化集装箱模组式中温电解制氟装置，其特征在于:整个电解制氟装置具有中温电解制氟及配套系统、氟气纯化系统、氢气尾气清洁处理、安全贮气系统；所述中温电解制氟及配套系统与氟气纯化系统和氢气尾气清洁处理连接；氟气纯化系统与氢气尾气清洁处理和安全贮气系统连接。
[0024]根据本发明所述智能化集装箱模组式中温电解制氟装置，其特征在于:中温电解制氟及配套系统包括中温制氟电解槽装置、无水氢氟酸自控供料系统、电解氢气尾气自动吹扫系统、电解反应热恒温控制系统、电解直流电源控制系统；无水氢氟酸自控供料系统、电解氢气尾气自动吹扫系统、电解反应热恒温控制系统、电解直流电源控制系统组成中温制氟电解槽装置的配套系统；
其中中温制氟电解槽装置分别与无水氢氟酸自控供料系统、电解氢气尾气自动吹扫系统、电解反应热恒温控制系统以及电解直流电源控制系统连接。
[0025]根据本发明所述智能化集装箱模组式中温电解制氟装置，其特征在于:氟气纯化系统包括粗气预处理装置、氟化氢自动捕集处理系统、氟气纯化吸附反应器系统、吸附剂在线解析处理