一种氟化氢钾熔融盐电解制备氟气电解工艺系统的制作方法

本发明涉及电解制氟，尤其涉及一种氟化氢钾熔融盐电解制备氟气电解工艺系统。

背景技术：

1、氟气的化学性质非常活泼，可与绝大多数物质发生反应。元素氟的发展源于核工业的用途，大规模工业应用有力的推动因素源于铀同位素分离。元素氟与单质硫反应得到六氟化硫，六氟化硫具有良好的耐热和化学稳定性、极好的电绝缘性和灭弧性，广泛应用于高压电器和电子设备的灭弧。氟气在火箭推进剂、制备氟化剂、制备有机氟化物、激光器中有非常广泛的用途。

2、工业上常采用电解氟化氢钾的熔融盐制取。将熔融的(hf+xkf)混合电解质电解，即可得到粗品f2气体。电解槽的阳极由碳板制成，阴极由碳钢板、镍板或不锈钢板制成，极间电压为10～12v。电解过程中，阳极上产生f2气体(纯度约90％左右，主要杂质为氟化氢、四氟化碳)，阴极上产生h2气体。电解过程中电解质是熔融体系，控制电解的温度在80～100℃，因此在阴、阳极上不可避免地将hf带出。电解反应方程式如下：

3、主反应：2hf→f2(阳极)+h2(阴极)

4、氟气电解工艺的补料工业上目前通行的方法是将液态氟化氢通过汽化器加热汽化，汽化温度控制在30℃～60℃，之后通入电解槽中，电解槽液位需要人工测量核对，运行操作人员用镍棒或铜棒伸入电解槽，抽出后根据所挂液体痕迹判断槽内液位高度，何时加料也要靠经验推测，给生产安全带来隐患。尤其在夏季电解间温度很高，通常维持在50℃～80℃，因氟化氢属于高毒、强腐蚀危险物料，运行操作人员需穿好防护服，带防护手套，工作环境恶劣，常常发生中暑、虚脱生理现象。

5、给电解槽供电的高频开关电源对外输出直流通常采用恒压控制，也有采用恒流控制，采用恒压控制的原因是担心电压波动带来产生氟气的风险，但电解槽运行的温度、电解液浓度波动带来电流剧烈变化，产生的电解气质量也随着波动，操作人员需要频繁调整电解电压，来保证电流相对恒定。采用恒流控制也会发生类似恒压控制出现的问题，电流恒定时电解槽电解液浓度、温度变化会导致电压忽高忽低，电压过高引发安全问题。

6、氟气纯化是高纯氟气制取的关键环节，从电解槽阳极室流出的含氟化氢、四氟化碳杂质的阳极气冷凝脱除部分氟化氢后使用，其中含有的氟化氢、四氟化碳很难脱除干净，制取的氟气纯度低，应用受限。

7、本发明能够解决氟化氢钾熔融盐电解制备氟气电解工艺问题，保证生产安全稳定运行，降低操作人员劳动强度，提高操作自动化水平，同时可以制取高纯氟气。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种氟化氢钾熔融盐电解制备氟气电解工艺系统，本发明能够解决氟化氢钾熔融盐电解制备氟气电解工艺问题，保证生产安全稳定运行，降低操作人员劳动强度，提高操作自动化水平，同时可以制取高纯氟气。

2、本发明申请的一种氟化氢钾熔融盐电解制备氟气电解工艺系统的具体技术方案如下：

3、一种氟化氢钾熔融盐电解制备氟气电解工艺系统，包括：电解单元，用于氟化氢钾熔融盐电解制备氟气，电解单元的阳极和阴极悬挂在槽盖上，阳极和阴极之间设置高分子材质裙；

4、氟化氢进料单元，用于将纯化后的液态氟化氢输送到电解单元内部，电解单元内部设置有氟化氢分布器；

5、液位测量单元，用于测量电解单元内部液位高度，液位测量单元与自动补料装置和控制系统电连接；

6、高频开关直流电源单元，用于控制电解单元电解制备氟气过程的电流和电压；

7、阴极气处理单元，用于回收电解单元阴极产生的气体；

8、阳极气处理单元，用于将电解单元阳极产生的粗品氟气提纯，得到高纯氟气。

9、优选的，所述电解单元的槽盖上设有一个低压取样口，槽体上设有一个高压取样口，槽盖上设有氟化氢进料口、阳极气口和阴极气口，电解单元的阳极和阴极与槽体底部接触，阳极和阴极下部开有电解液导流槽。

10、优选的，所述氟化氢进料单元还包括自控调节阀和质量流量计，所述自控调节阀和质量流量计组成联锁回路控制氟化氢的进料量，用于控制电解的反应速率。

11、优选的，所述氟化氢进料单元的进料管与电解单元内部的氟化氢分布器相连，氟化氢分布器采用蒙乃尔材质，氟化氢分布器的分布管通径为25mm，分布管侧面开有通径5-8mm的喷射孔。

12、优选的，所述液位测量单元通过高压取样口和低压取样口，检测电解单元内的液位压差，将电解单元内的液位压差传送至液位变送器，液位变送器通过压差计算液位高度并控制自动补料装置补充氟化钾。

13、优选的，所述液位测量单元的高压取样管和低压取样管，在电解单元停止工作期间通入氮气。

14、优选的，所述高频开关直流电源单元采用igbt高频开关电源，控制电解过程的电流和电压。

15、优选的，所述阳极气处理单元包括缓冲罐、吸收塔和冷冻塔，阳极气经缓冲后，采用金属氟化物将阳极气中的氟化氢吸附，再经冷冻-130～-150℃将残余氟化氢及四氟化碳去除，得到高纯氟气。

16、优选的，所述阳极气处理单元还包括冷凝器一，用于将产出气体中的氟化氢和氟化氢钾电解液冷凝回流。

17、优选的，所述阴极气处理单元包括冷凝器二，用于将产出气体中的氟化氢和氟化氢钾电解液冷凝回流。

18、本发明申请的一种氟化氢钾熔融盐电解制备氟气电解工艺系统具有有益效果：

19、1、本发明的电解单元的阳极板、阴极板悬挂在槽盖上，阳极与阴极之间设置有高分子材质裙，防止气体混合；电解单元的阳极板、阴极板下部与槽体接触，使阴、阳极电力线均匀，增大电极面积，整个电解周期电流高，产气量大，消除了阴、阳极底面因电力线分布不均匀造成的边缘效应，同时阴、阳极板下部开有电解液导流槽，消除因极板接触槽底对电解液传质的影响。

20、2、本发明氟化氢进料单元，采取净化后的液态氟化氢直接进料，液态氟化氢的进料由自控调节阀与质量流量计构成控制联锁系统，液态氟化氢自动控制阀与质量流量计构成控制联锁回路，能够平稳控制反应速率，防止氟化氢与氟化钾发生剧烈反应影响电解稳定运行；氟化氢分布器利用其高速喷射的特性，使进入电解单元阴极区的液态氟化氢与电解液均匀快速混合，能够平稳控制反应速率，防止氟化氢与氟化钾发生剧烈反应影响电解单元运行。

21、3、本发明的液位测量单元利用液位变送器可精确将电解液液位高度传送到dcs控制系统，与电解工艺设定的液位高度构成控制联锁系统实行自动化补料，防止电解液液位过低造成阳极单元气体与阴极单元气体混合引起内部爆炸；防止电解液液位过高造成阴极气体、阳极气体夹带电解液造成电解液比例失调；同时在电解单元停运期间，将液位变送器的高、低压管通入氮气，防止高、低压取样管堵塞。

22、4、本发明的igbt高频开关电源，能够精准控制电解需要的电流、电压，运行方式采用稳流、限压技术，可以减轻操作者的劳动强度，提高劳动生产率。

23、5、本发明阳极气处理单元工艺流程短，阳极气从电解单元流出进入缓冲罐，经过冷凝器将游离的液态氟化氢除去，含少量氟化氢的氟气经过金属氟化物将氟化氢深度吸附后，进入冷冻塔将微量的氟化氢及四氟化碳冷冻除去，得到高纯氟气。