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CN111991978A - 一种氟化氢气体的除水装置及方法 - Google Patents

一种氟化氢气体的除水装置及方法 Download PDF

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CN111991978A CN202010642804.7A CN202010642804A CN111991978A CN 111991978 A CN111991978 A CN 111991978A CN 202010642804 A CN202010642804 A CN 202010642804A CN 111991978 A CN111991978 A CN 111991978A
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刘海芳
孙秋丽
李丹丹
乔蓓蓓
李海军
鲁毅
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Abstract

本发明提供了一种氟化氢气体的除水装置及方法，能够达到5N级及5N以上级氟化氢对水分杂质的要求，易于实现工业化生产。本发明所述除水塔顶设置冷凝器将反应产物A夹带的氟化氢经冷凝回流至除水塔，减少物料损失和废气的产生；同时反应产物A经三废系统处理后产物可回收利用。本发明工艺简单，投资少，能耗小，易于实现工业化生产；所述氟化氢气体的除水方法利用五氟化氯与水反应的特性，除水效率高，除水更彻底并且不会引入其他难分离杂质，高效地将氟化氢气体的含水量降低至0.2×10‑6及以下，有效解决了现有除水方法效率低，产量低，易生成难分离固体杂质的问题。

Description

一种氟化氢气体的除水装置及方法
技术领域
本发明属于氟化氢气体的纯化技术领域，具体涉及一种氟化氢气体的除水装置及方法。
背景技术
氟化氢，分子式HF，其水溶液被称作氢氟酸。氟化氢是氟化物中产量最大、最重要的品种，是有机氟系列产品中氟元素的主要来源。无水氟化氢已经广泛应用于原子能、化工、石油等行业，可配制成各种用途的有水氢氟酸，用于石墨制造和制造有机化合物的催化剂。在化工生产上，主要用作含氟化合物的原料，也用于氟化铝和冰晶石的制造，半导体表面刻蚀及用作烷基化的催化剂。在原子能工业和核武器生产中是制造六氟化铀的原料。目前氟化氢的生产主要还是以氟化钙为主，但由于萤石中含有的二氧化硅、碳酸钙、三氧化二铝、氧化铁、砷等有害杂质，因此制得的氟化氢还需再经过除尘、蒸馏、冷凝、洗涤等工序。氟化氢中需要除去的主要杂质有水、砷、磷、硫以及重金属离子。
无水氟化氢作为有机合成、制氟、制六氟磷酸锂时，其中微量水分会造成产品质量下降，并带来严重的安全隐患。对于水杂质的去除，典型的工艺是吸附、反应。霍尼韦尔国际公司的CN101346303A通过使得水与碳酰氟发生反应，从而除去水分，相比吸附法，碳酰氟除水效率更高，但是碳酰氟毒性巨大。ALLIED的US5597545A通过碳分子筛吸附水分。吸附法去除水分效率低且因为氟化氢沸点高，多以液态的形式存在，吸附法除水会大大降低生产效率。空气产品公司的US6221132 B1则选用负载卤化镁的活性炭作为吸附剂吸附水。柳彤的CN 105217575B采用四氟化钨作为除水剂通过反应精馏的方式去除氟化氢中的水分。与碳酰氟相比，四氟化钨毒性低，且反应速度快，但是四氟化钨与水分反应生成难去除的固体颗粒。目前现有的去除氟化氢中水分的技术普遍存在除水效率低，带来其他难分离杂质等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种氟化氢气体的除水装置及方法，能够达到5N级及5N以上级氟化氢对水分杂质的要求，易于实现工业化生产。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明的一种氟化氢气体的除水装置，包括除水塔、冷凝器、真空系统，五氟化氯钢瓶、尾气处理装置、分析管线和氟化氢钢瓶；所述五氟化氯钢瓶出口与除水塔底部进气口通过管线相连通；所述氟化氢钢瓶出口与除水塔上部进气口通过管线相连通；冷凝器的进气口与除水塔的顶端出气口通过管线连通；冷凝器顶部出口通过管线与真空系统相连；真空系统与尾气处理装置通过管线连通；分析管线与除水塔底部相连通；
所述分析管线、五氟化氯钢瓶和连接五氟化氯钢瓶与除水塔的管线处均设有加热系统。
其中，所述除水塔为填料塔，包括塔体和填装在塔体中的填料。
其中，所述塔体的材料为不锈钢、蒙乃尔合金或镍。
其中，所述填料为θ环、鲍尔环、拉西环和规整填料中的一种以上。
其中，所述θ环、鲍尔环、拉西环和规整填料的材质各自独立为不锈钢、蒙乃尔合金、镍和聚四氟乙烯中的一种。
本发明的一种氟化氢气体的除水方法，采用本发明的氟化氢气体的除水装置，包括如下步骤：
步骤1，设置除水塔内的温度为20～60℃；
步骤2，除水塔内部盛装有氟化氢液体，从除水塔底部通入气相五氟化氯；
所述气相五氟化氯沿除水塔底部上行，与氟化氢液体接触后发生如式(1)所示的反应，除去氟化氢气体中的水分，得到产物A；
ClF5+H2O→O2+HF+Cl2 (1)
步骤3，对产物A进行冷凝回流和抽空处理，氟化氢气体冷凝回流至除水塔，其他尾气通过真空系统排放至尾气处理装置，完成氟化氢气体的除水。
其中，所述步骤2中，所述气相五氟化氯的流速为1～10L/min，所述五氟化氯纯度大于等于99.9％。
其中，所述氟化氢气体的含水量为1×10-6～8000×10-6。
其中，所述步骤3中，所述冷凝器的温度为-30～0℃。
其中，所述冷凝器的温度为-20～0℃。
有益效果：
(1)本发明所述除水塔顶设置冷凝器将反应产物A夹带的氟化氢经冷凝回流至除水塔，减少物料损失和废气的产生；同时反应产物A经三废系统处理后产物可回收利用。
(2)本发明工艺简单，投资少，能耗小，易于实现工业化生产；所述氟化氢气体的除水方法利用五氟化氯与水反应的特性，除水效率高，除水更彻底并且不会引入其他难分离杂质，高效地将氟化氢气体的含水量降低至0.2×10-6及以下，有效解决了现有除水方法效率低，产量低，易生成难分离固体杂质的问题。
附图说明
图1为本发明所述氟化氢气体的除水装置结构示意图；
其中，1-除水塔、2-冷凝器、3-真空系统，4-五氟化氯钢瓶、5-尾气处理装置，6-分析管线，7-氟化氢钢瓶。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明氟化氢气体的除水装置结构示意图如图1所示，包括除水塔1、冷凝器2、真空系统3、五氟化氯钢瓶4、尾气处理装置5、分析管线6和氟化氢钢瓶7；
其中，所述五氟化氯钢瓶出口与除水塔底部进气口通过管线相连通，所述氟化氢钢瓶出口与除水塔上部进气口相连通，所述冷凝器的进气口与除水塔的顶端出气口通过管线连通；所述冷凝器顶部出口与真空系统通过管线相连通；所述真空系统与尾气处理装置通过管线连通；所述分析管线与除水塔通过管线连通，所述分析管线、五氟化氯钢瓶和连接五氟化氯钢瓶与除水塔的管线处均设有加热系统。
进一步的，所述除水塔优选填料塔，包括塔体和填装在塔体中的填料，所述塔体的材料为不锈钢、蒙乃尔合金或镍。
进一步的，所述填料为θ环、鲍尔环、拉西环和规整填料中的一种以上。其中所述θ环、鲍尔环、拉西环和规整填料的材质各自独立为不锈钢、蒙乃尔合金、镍和聚四氟乙烯中的一种。
采用本发明所述装置，本发明还提供了一种氟化氢气体的除水方法，具体步骤如下：
步骤1，设置除水塔内的温度20～60℃；
步骤2，除水塔内部盛装有氟化氢液体，从除水塔底部通入气相五氟化氯；所述气相五氟化氯沿除水塔底部上行，与氟化氢液体接触后发生如式(1)所示的反应，除去氟化氢气体中的水分，得到产物A；
ClF5+H2O→O2+HF+Cl2 (1)
步骤3，对产物A进行冷凝回流和抽空处理，氟化氢气体冷凝回流至除水塔，其他尾气通过真空系统排放至尾气处理装置，完成氟化氢气体的除水。
其中，步骤2中所述气体五氟化氯的流速为1～10L/min，所述五氟化氯纯度优选大于等于99.9％；所述氟化氢气体的含水量优选1×10-6～8000×10-6
步骤3中，所述冷凝器的温度为-30～0℃，优选-20～0℃。
以含水量为1×10-6～8000×10-6的氟化氢气体为原料，用五氟化氯做除水剂与其中的水分杂质发生反应，降低氟化氢中的水分含量，使氟化氢中的水分含量低于0.2×10-6。以下实施例中含水量的检测标准按照国标GB/T5832.1-2003《气体湿度的测定第1部分电解法》进行。
实施例1
一种氟化氢气体的除水方法，所述方法具体步骤如下：
步骤1，对氟化氢气体的除水装置进行加热，抽真空预处理。再用高纯惰性气进一步置换系统中的氧气、氮气和水分等杂质分，完成除水装置使用前的预处理；设置除水塔的温度20℃；
步骤2，从除水塔上部通入含水量为8000×10-6的液态氟化氢，从除水塔底部以1L/min的速度向除水塔底部通入气相五氟化氯；所述气相五氟化氯沿除水塔底部上行，与氟化氢液体接触后发生如式(1)所示的反应，除去氟化氢气体中的水分，得到产物A：
ClF5+H2O→O2+HF+Cl2 (1)
步骤3，从除水塔塔顶排出的产物A经由管道进入填料塔上部冷凝器，于0℃条件下冷凝，HF回流到除水塔中，ClF5、O2和Cl2等杂质气体通过真空系统回收至三废处理装置。
经检测，除水塔中氟化氢的含水量为0.18×10-6，达到5N级及5N以上级高纯氟化氢对水分杂质的要求。
实施例2
一种氟化氢气体的除水方法，所述方法具体步骤如下：
步骤1，对氟化氢气体的除水装置进行加热，抽真空预处理。再用高纯惰性气进一步置换系统中的氧气、氮气和水分等杂质分，完成除水装置使用前的预处理；设置除水塔的温度60℃；
步骤2，从除水塔上部通入含水量为1×10-6的液态氟化氢，从除水塔底部以10L/min的速度向除水塔底部通入气相五氟化氯；所述气相五氟化氯沿除水塔底部上行，与氟化氢液体接触后发生如式(1)所示的反应，除去氟化氢气体中的水分，得到产物A：
ClF5+H2O→O2+HF+Cl2 (1)
步骤3，从除水塔塔顶排出的产物A经由管道进入填料塔上部冷凝器，于-30℃条件下冷凝，HF回流到除水塔中，ClF5、O2和Cl2等杂质气体通过真空系统回收至三废处理装置。
经检测，除水塔中氟化氢的含水量为0.09×10-6，达到5N级及5N以上级高纯氟化氢对水分杂质的要求。
实施例3
一种氟化氢气体的除水方法，所述方法具体步骤如下：
步骤1，对氟化氢气体的除水装置进行加热，抽真空预处理。再用高纯惰性气进一步置换系统中的氧气、氮气和水分等杂质分，完成除水装置使用前的预处理；设置除水塔的温度40℃；
步骤2，从除水塔上部通入含水量为5000×10-6的液态氟化氢，从除水塔底部以5L/min的速度向除水塔底部通入气相五氟化氯；所述气相五氟化氯沿除水塔底部上行，与氟化氢液体接触后发生如式(1)所示的反应，除去氟化氢气体中的水分，得到产物A：
ClF5+H2O→O2+HF+Cl2 (1)
步骤3，从除水塔塔顶排出的产物A经由管道进入填料塔上部冷凝器，于-20℃条件下冷凝，HF回流到除水塔中，ClF5、O2和Cl2等杂质气体通过真空系统回收至三废处理装置。
经检测，除水塔中氟化氢的含水量为0.14×10-6，达到5N级及5N以上级高纯氟化氢对水分杂质的要求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氟化氢气体的除水装置，其特征在于，包括除水塔(1)、冷凝器(2)、真空系统(3)，五氟化氯钢瓶(4)、尾气处理装置(5)、分析管线(6)和氟化氢钢瓶(7)；所述五氟化氯钢瓶(4)出口与除水塔(1)底部进气口通过管线相连通；所述氟化氢钢瓶(7)出口与除水塔(1)上部进气口通过管线相连通；冷凝器(2)的进气口与除水塔(1)的顶端出气口通过管线连通；冷凝器(2)顶部出口通过管线与真空系统(3)相连；真空系统(3)与尾气处理装置(5)通过管线连通；分析管线(6)与除水塔底部相连通；
所述分析管线(6)、五氟化氯钢瓶(4)和连接五氟化氯钢瓶(4)与除水塔(1)的管线处均设有加热系统。
2.根据权利要求1所述的氟化氢气体的除水装置，其特征在于，所述除水塔为填料塔，包括塔体和填装在塔体中的填料。
3.根据权利要求2所述的氟化氢气体的除水装置，其特征在于，所述塔体的材料为不锈钢、蒙乃尔合金或镍。
4.根据权利要求2所述的氟化氢气体的除水装置，其特征在于，所述填料为θ环、鲍尔环、拉西环和规整填料中的一种以上。
5.根据权利要求4所述的氟化氢气体的除水装置，其特征在于，所述θ环、鲍尔环、拉西环和规整填料的材质各自独立为不锈钢、蒙乃尔合金、镍和聚四氟乙烯中的一种。
6.一种氟化氢气体的除水方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任意一项所述的氟化氢气体的除水装置，包括如下步骤：
步骤1，设置除水塔内的温度为20～60℃；
步骤2，除水塔内部盛装有氟化氢液体，从除水塔底部通入气相五氟化氯；
所述气相五氟化氯沿除水塔底部上行，与氟化氢液体接触后发生如式(1)所示的反应，除去氟化氢气体中的水分，得到产物A；
ClF5+H2O→O2+HF+Cl2 (1)
步骤3，对产物A进行冷凝回流和抽空处理，氟化氢气体冷凝回流至除水塔，其他尾气通过真空系统排放至尾气处理装置，完成氟化氢气体的除水。
7.如权利要求6所述的氟化氢气体的除水方法，其特征在于，所述步骤2中，所述气相五氟化氯的流速为1～10L/min，所述五氟化氯纯度大于等于99.9％。
8.如权利要求6所述的氟化氢气体的除水方法，其特征在于，所述氟化氢气体的含水量为1×10-6～8000×10-6。
9.如权利要求6所述的氟化氢气体的除水方法，其特征在于，所述步骤3中，所述冷凝器的温度为-30～0℃。
10.如权利要求6所述的氟化氢气体的除水方法，其特征在于，所述冷凝器的温度为-20～0℃。
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Applicant before: PERIC SPECIAL GASES Co.,Ltd.

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