[发明专利]五氟化磷高效连续化合成工艺

说明书

本发明公开一种五氟化磷高效连续化合成工艺。包括定容计量料仓、螺旋送料器、氟气喷射嘴、锥形反应器以及过滤器。其特征在于：定容计量料仓经螺旋送料器与锥形反应器连接，螺旋送料器出料仓出口正下方安装氟气喷射嘴，喷嘴以特定下倾角度喷射高速氟气流，卷吸由螺旋送料器定量输送来的粉状红磷,两者形成气/固湍流集束并旋转下行，连续高效反应，生成五氟化磷气体。反应产生的热量通过反应器夹套换热介质带走。未反应固体粉末沉积在反应器底部，五氟化磷气体通过反应器上部过滤器过滤获得纯品。本发明实现了五氟化磷的高效连续化生产，具有合成装置操作性好、工艺可靠、产品质量稳定等优点。

技术领域

本发明涉及五氟化磷(PF₅)的合成工艺，更特别涉及用氟气直接氟化红磷以产生五氟化磷(PF₅)。

背景技术

五氟化磷常态下是一种无色无味的气体，在潮湿空气中剧烈发烟，常压下熔点为-93.78℃，沸点-84℃。五氟化磷是一种重要的无机氟化物，可以用于电子工业、高分子材料及有机合成催化剂。

近年来，锂离子电池应用日益广泛，特别是电动汽车的推广应用，锂离子电池的性能优劣已成为决定电动汽车性能的核心指标。五氟化磷为原料可制备出性能优异的六氟磷酸锂，而六氟磷酸锂则是锂离子电池的关键原料。质量优异的六氟磷酸锂可以显著提高锂电池的性能，使用寿命和充电次数都可以大为增加。

找到一种经济高效、工艺简单的制备方法，能够大规模连续化生产高品质五氟化磷，具有非常重要的意义。

目前，公开的五氟化磷的制备方法主要有如下数种：

在JP特开2000-154009号公报中,公开了通过热分解原料来制造PF₅的方法。例如，LiPF₆在200-250℃附近完全热分解，生产PF₅，残留下LiF粉末。另外，NH₄PF₆在约250C发生热分解，NaPF₆在约400℃发生热分解，KPF₆和CsPF₆在600-700℃发生热分解等都可以制备PF₅。但需要指出的是：这些通过热分解来制备PF₅的原料，原本就是需要PF₅来合成的。这种公开的制备方法，在大规模工业化生产上，不具有合理性。

在CN101353161A、CN1339401A、CN1263047A、特开平5-279003、特开平6-56413等专利文献中，公开了五氯化磷与无水氟化氢反应，生成五氟化磷的制备方法。上述公开的制备PF₅方法虽具有原料易得、生产成本较低等优势，但工艺路线长、副反应多、产品质量不高。尤其是上述制备方法，在制得PF₅的同时，副产出数量极大的稀盐酸，这对于日渐严峻的环保问题无疑是雪上加霜。

在CN1151960C专利文献中，公开了一种氟气与磷直接反应制备五氟化磷的方法：“PF₅的生产采用卧式反应器，内置多层红磷料盘，将红磷装入料盘，厚度5cm,封口。在常温下将贮罐F₂以管道徐徐导入反应器，使内压与F₂贮罐基本持平，关闭进口阀，反应生成PF₅,待压力下降后再次通入F₂进行反应，重复到第三次，通F₂后5分钟将反应器出口打开，用冷阱的高真空和超低温-100～-180℃将PF₅冻入冷阱，当反应器内压不再下降时关闭出口，重复以上操作8次”。且不论重复操作的繁杂，但就此种公开的固定式反应器而言，氟气和红磷配比在重复三次的反应中，每一次配比都不相同。合理配比做不到，有害的副反应不可避免[如氟磷摩尔比小于2.5:1甚至更低的时候，反应生成物中副产物三氟化磷(PF₃)增多，最终必定影响PF₅的品质]。