RU2223908C1 - Chlorine trifluoride preparation process - Google Patents

Abstract

FIELD: industrial organic synthesis. SUBSTANCE: process intended to be used in nuclear material processing and other applications is accomplished via two-step fluorination of chlorine-containing reactants with elementary fluorine, in the first step subject of fluorination being sodium or calcium chloride to give gaseous chlorine/chlorine monofluoride mixture, which is, after separation of solid particles, brought into the second fluorination step. EFFECT: simplified process, excluded use of liquefied chlorine and corresponding expenses. 2 cl

Description

Изобретение относится к способам получения галоидных соединений фтора, в частности трифторида хлора (ТФХ), и может быть использовано в процессах переработки ядерных материалов и других областях техники. The invention relates to methods for producing halide compounds of fluorine, in particular chlorine trifluoride (TFH), and can be used in the processing of nuclear materials and other technical fields.

Известен способ получения трифторида хлора, основанный на взаимодействии газообразных фтора и хлора при температуре 280^oС в трубчатом никелевом реакторе, заполненном посеребренными медными стружками. Газообразные фтор и хлор подают в один конец реактора, а продукт реакции выводят с другого конца. Трифторид хлора собирают в кварцевой ловушке при температуре минус 78^oС в виде бледно-желтой жидкости (Н.С.Николаев, В.Ф.Суховертов, Ю.Д.Шишков, И. Ф.Аленчикова. Химия галоидных соединений фтора. М.: Наука, 1968. С.33).A known method of producing chlorine trifluoride, based on the interaction of gaseous fluorine and chlorine at a temperature of 280 ^o With in a tubular Nickel reactor filled with silver-plated copper chips. Gaseous fluorine and chlorine are fed to one end of the reactor, and the reaction product is removed from the other end. Chlorine trifluoride is collected in a quartz trap at a temperature of minus 78 ^o C in the form of a pale yellow liquid (N. S. Nikolayev, V. F. Sukhovertov, Yu. D. Shishkov, I. F. Alenchikova. Chemistry of halide fluorine compounds. M. : Science, 1968. P.33).

Реакция взаимодействия фтора и хлора протекает с высокой скоростью и значительным тепловым эффектом (~160 кДж/моль), поэтому сложно поддерживать оптимальные технологические параметры процесса синтеза ТФХ (температуру и т. д.). The reaction of fluorine and chlorine proceeds with a high speed and a significant thermal effect (~ 160 kJ / mol), therefore it is difficult to maintain the optimal technological parameters of the TPC synthesis (temperature, etc.).

Для промышленной реализации данного способа необходимо иметь постоянный запас сжиженного хлора либо действующую в период синтеза ТФХ электролизную установку по его получению, что значительно удорожает процесс получения ТФХ и требует обеспечения дополнительных мер безопасности труда, связанных с производством и хранением хлора. For the industrial implementation of this method, it is necessary to have a constant supply of liquefied chlorine or an electrolysis unit operating during the synthesis of TPH to produce it, which significantly increases the cost of obtaining TPH and requires additional safety measures related to the production and storage of chlorine.

Известен другой способ получения трифторида хлора (прототип), он заключается в следующем. There is another method for producing chlorine trifluoride (prototype), it is as follows.

Сжатый до 2 атм фтор охлаждают до минус 60^oС для удаления фтористого водорода. После этого фтор делят на 2 потока в отношении 1:2. Меньшая часть идет на взаимодействие с газообразным хлором с получением монофторида хлора, который затем (в результате реакции с оставшейся частью фтора) превращают в трифторид хлора. Реакции проводят последовательно в реакторах, изготовленных из никеля. Фтор и хлор предварительно нагревают до 200^oС в специальных подогревателях. Эту температуру поддерживают в процессе реакции. Газы, выходящие из реактора получения ТФХ, конденсируют. Жидкий трифторид хлора хранят в стальных баллонах. Общий выход продукта достигает 95% (Н.С.Николаев, В.Ф. Суховертов, Ю.Д.Шишков, И.Ф.Аленчикова. Химия галоидных соединений фтора. М. : Наука, 1968. С.33).Compressed to 2 atm fluorine is cooled to minus 60 ^o C to remove hydrogen fluoride. After this, fluorine is divided into 2 streams in a ratio of 1: 2. A smaller part goes into interaction with gaseous chlorine to produce chlorine monofluoride, which then (as a result of reaction with the remaining fluorine) is converted into chlorine trifluoride. The reactions are carried out sequentially in reactors made of nickel. Fluorine and chlorine are preheated to 200 ^o C in special heaters. This temperature is maintained during the reaction. The gases leaving the TPC reactor are condensed. Liquid chlorine trifluoride is stored in steel cylinders. The total yield of the product reaches 95% (N. S. Nikolayev, V. F. Sukhovertov, Yu. D. Shishkov, I. F. Alenchikova. Chemistry of halide fluorine compounds. M.: Nauka, 1968. P.33).

Синтез трифторида хлора в данном способе разделен на две стадии. Благодаря этому процесс образования трифторида хлора происходит в более мягком режиме с меньшим тепловым эффектом реакции (110 кДж/моль), что способствует его большей управляемости. The synthesis of chlorine trifluoride in this method is divided into two stages. Due to this, the process of formation of chlorine trifluoride occurs in a milder mode with a smaller thermal effect of the reaction (110 kJ / mol), which contributes to its greater controllability.

Недостатком же данного способа, как и предыдущего, является необходимость иметь постоянный запас сжиженного хлора либо действующую во время синтеза ТФХ электролизную установку по его получению. The disadvantage of this method, as well as the previous one, is the need to have a constant supply of liquefied chlorine or an electrolysis plant operating during the synthesis of TFC to produce it.

Задачей изобретения является разработка более простого, дешевого и менее опасного способа получения ТФХ, исключающего использование как сжиженного хлора, так и действующей электролизной установки по его получению. The objective of the invention is to develop a simpler, cheaper and less dangerous method of producing TFC, excluding the use of both liquefied chlorine and the existing electrolysis unit for its production.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения трифторида хлора, включающем двухстадийное фторирование элементным фтором хлорсодержащих реагентов при повышенной температуре, на первой стадии фторируют хлорид натрия или кальция с получением газовой смеси хлора и монофторида хлора, которую после отделения от твердых частиц направляют на вторую стадию фторирования. The problem is solved in that in the method for producing chlorine trifluoride, which includes two-stage fluorination of chlorine-containing reagents with elemental fluorine at elevated temperature, sodium or calcium chloride is fluorinated in the first stage to produce a gas mixture of chlorine and chlorine monofluoride, which, after separation from solid particles, is sent to the second stage fluoridation.

Хлорид натрия или кальция фторируют при температуре 150-250^oС и избыточном давлении 200-800 Па.Sodium chloride or calcium fluoride at a temperature of 150-250 ^o With and an excess pressure of 200-800 PA.

Газовую смесь хлора и монофторида хлора фторируют при температуре 250-300^oС.A gas mixture of chlorine and chlorine monofluoride is fluorinated at a temperature of 250-300 ^o C.

Способ осуществляли следующим образом. The method was carried out as follows.

В первый реактор-фторатор, оборудованный перемешивающим и выгружным устройством, загружали заданное количество порошка хлорида натрия или кальция, где при температуре 200-250^oС в течение 4-5 часов производилась сушка порошка для удаления из него сорбированной влаги.The first fluorination reactor equipped with a mixing and discharge device was charged with a predetermined amount of sodium chloride or calcium powder, where at a temperature of 200-250 ^o C for 4-5 hours the powder was dried to remove sorbed moisture from it.

После осушки порошка в первый реактор подавали фтор с расходом, обеспечивающим получение смеси хлора и монофторида хлора по реакциям
3NаСl_тв+2F_2г=3NaF_тв+ClF_г+Cl_2г
или
3CaCl_2тв+4F_2г=3CaF_2тв+2ClF_г+2Cl_2г,
при этом в реакторе поддерживали температуру 150-250^oС и избыточное давление 200-800 Па.After the powder was dried, fluorine was fed into the first reactor at a rate that provided a mixture of chlorine and chlorine monofluoride by reactions
3NaCl _tv + 2F _2g = 3NaF _tv + ClF _g + Cl _2g
or
3CaCl _2tv + 4F _2g = 3CaF _2tv + 2ClF _g + 2Cl _2g ,
while the reactor was maintained at a temperature of 150-250 ^o C and an excess pressure of 200-800 PA.

Полученную на первой стадии смесь хлора и монофторида хлора после отделения на фильтре от твердых частиц (фторида натрия или кальция, хлорида натрия или кальция) по трубопроводу направляли во второй реактор - реактор синтеза ТФХ, представляющий собой вертикальную медную трубу, заполненную никелевой насадкой. В этот же реактор с заданным расходом подавали фтор. Температуру синтеза ТФХ поддерживали в пределах 250-300^oС.The mixture of chlorine and chlorine monofluoride obtained in the first stage, after separation from the solid particles (sodium or calcium fluoride, sodium chloride or calcium) on the filter, was piped to the second reactor, a TPC synthesis reactor, which is a vertical copper pipe filled with a nickel nozzle. Fluorine was fed into the same reactor at a predetermined flow rate. The temperature of the synthesis of TPC was maintained in the range of 250-300 ^o C.

ClF_г+Cl_2г+4F_2г=3СlF_3г
Из реактора синтеза газообразный трифторид хлора после фильтрации направляли в конденсатор, где при температуре минус 10 - минус 15^oС происходила его конденсация, из конденсатора ТФХ в виде жидкости самотеком сливался в приемный сборник, оборудованный уровнемером.ClF _g + Cl _2g + 4F _2g = 3ClF _3g
After filtering, the gaseous chlorine trifluoride from the synthesis reactor was sent to a condenser, where it condensed at a temperature of minus 10 - minus 15 ^o С, and was drained by gravity into a collection tank equipped with a level gauge by gravity.

Неконденсируемые газы из конденсатора направляли на санитарную очистку от следов фтора, хлора и монофторида хлора. Non-condensable gases from the condenser were sent for sanitary cleaning from traces of fluorine, chlorine and chlorine monofluoride.

Твердый продукт реакции - порошок фторида натрия - может быть использован в качестве антисептика при обработке древесины, а фторид кальция - для получения фторида водорода. The solid reaction product — sodium fluoride powder — can be used as an antiseptic in wood processing, and calcium fluoride can be used to produce hydrogen fluoride.

При использовании в процессе технического фтора (с содержанием фторида водорода до 6 об.%) выход ТФХ составлял 70-75%, при использовании очищенного фтора (с содержанием фторида водорода до 0,1 об.%) - 90-95%. When using technical fluorine in the process (with a hydrogen fluoride content of up to 6 vol.%), The TPH yield was 70-75%, while using purified fluorine (with a hydrogen fluoride content of up to 0.1 vol.%) Was 90-95%.

Claims (3)

1. Способ получения трифторида хлора путем двухстадийного фторирования элементным фтором хлорсодержащих реагентов при повышенной температуре, отличающийся тем, что на первой стадии фторируют хлорид натрия или кальция с получением газовой смеси хлора и монофторида хлора, которую после отделения от твердых частиц направляют на вторую стадию фторирования.1. A method of producing chlorine trifluoride by two-stage fluorination of chlorine-containing reagents with elemental fluorine at elevated temperature, characterized in that in the first stage sodium or calcium chloride is fluorinated to produce a gas mixture of chlorine and chlorine monofluoride, which, after separation from solid particles, is sent to the second stage of fluorination. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что хлорид натрия или кальция фторируют при температуре 150-250°С и избыточном давлении 200-800 Па.2. The method according to claim 1, characterized in that the sodium or calcium chloride is fluorinated at a temperature of 150-250 ° C and an excess pressure of 200-800 Pa. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовую смесь хлора и монофторида хлора фторируют при 250-300°С.3. The method according to claim 1, characterized in that the gas mixture of chlorine and chlorine monofluoride fluoride at 250-300 ° C.