[发明专利]一种四氟化硅的气相水解及氟硅分离方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种四氟化硅的气相水解及氟硅分离方法，属于无机氟化工技术领域。

背景技术

由于氟元素和硅元素特殊的理化特性，在磷化工和氟化工行业，当原料中同时存在氟硅元素时，二者总是如影随形地结合在一起成为氟硅化合物，氟硅化合物主要有四氟化硅、氟硅酸及其盐。虽然四氟化硅、氟硅酸及其盐也是具有一定用途的产品，但其市场需求量有限，因此对磷化工和氟化工而言需要将副产的大量氟硅化合物转化生产成市场容量较大的氟化合物和二氧化硅。特别是对磷化工行业来说，要实现磷矿伴生氟资源的开发利用首先就需将氟硅化合物进行分解并将氟硅元素完全分离。目前已有许多可实现氟硅元素分离的技术方案，其中与本发明技术方案接近的是有关四氟化硅的高温气相水解工艺技术，即四氟化硅气体与水蒸汽在数百至上千摄氏度高温条件下进行水解反应而分解成为二氧化硅固体和氟化氢气体，然后再将二者进行物理分离而得到二氧化硅（或白炭黑）和氟化氢气体，氟化氢气体进而冷凝并精馏得到无水氟化氢产品。现有技术的技术思路可以概括为高温气相水解一步转化法，即将四氟化硅在高温条件下一步水解反应直接分解为氟化氢和二氧化硅，然后再将二者通过物理方法进行分离。

涉及有关四氟化硅的高温气相水解工艺方法的现有技术有：

    （1）授权专利201110192918.7《一种四氟化硅制备氟化氢联产白炭黑的方法》，该技术方案的水解化学反应式是SiF₄+2H₂O→4HF+SiO₂，其工艺方法是将“磷肥副产的粗四氟化硅气体经纯化后，在200～800℃条件下与反应量的水蒸气发生水解反应，得到氟化氢和白炭黑”。粗四氟化硅气体的纯化技术是“粗四氟化硅先经过滤器过滤除去氟化钠粉尘，再经活性炭吸附，然后冷冻压缩液化，液化后的四氟化硅分离气化得到纯化后的四氟化硅”，水解后的氟硅分离方法是“所述水解反应得到的气体经过除尘、精馏得到氟化氢”；

    （2）据《无机盐工艺学（下册）》（[苏联]M.E.波任等著，天津化工研究院组织翻译，P199～200）介绍，用“火焰气体法水解SiF₄”以制取二氧化硅细粉和氟化氢气体，对于化学反应式SiF₄+2H₂O→4HF+SiO₂，在水解温度为1000～1200℃时，按化学理论量配比的混合物中，SiF₄转化率为43～51%，当水蒸汽过量4倍时转化率为93～98%，若水蒸汽过量7.5倍时转化率接近100%。

上述现有技术方案的缺点或不足是：

    ①水蒸气带入的热量不能满足水解反应需要的近千摄氏度温度，还需要设置加热热源，或采用在空气或氧气中燃烧可燃性气体（如甲烷、氢气等）以到达一千几百摄氏度的高温，因此造成水解反应器结构复杂，降低了设备运行的可靠性；

    ②在非常高的温度及高腐蚀性介质作用下，设备结构和材质的选择受到很大限制，且设备使用寿命也大为缩短；

    ③上千摄氏度温度的水解反应需要外加较多热量进行加热，而在分离氟化氢时又需要冷却并冷凝上千摄氏度温度的高温气体，因此一热一冷的能耗都非常高；

    ④由四氟化硅一步水解转化为氟化氢和二氧化硅的转化率取决于水解反应温度和水蒸汽过量倍数，在水解反应温度低于1200℃或水蒸汽不过量或过量倍数不高时，其水解转化率仅达51%，尚有49%的四氟化硅和至少49%未反应的水蒸汽与氟化氢一起进入氟化氢冷凝系统而大幅度降低了氟化氢气体的冷凝效率，且增加液体氟化氢中的水分，根据未反应水蒸汽的量推算液体氟化氢中水分将达到20%以上，此外未冷凝的氟化氢气体还随未转化的四氟化硅气体后移而增加了尾气的处理负荷。通过增加水蒸汽过量倍数虽然可以大幅度提高四氟化硅水解转化率，但过量数倍的水蒸汽将会大大稀释氟化氢气体浓度，最后冷凝得到的只能是稀氢氟酸，而得不到无水氟化氢产品；

    综上所述，由于现有技术的四氟化硅高温气相水解一步转化法在工艺流程、工艺参数、设备结构及材质等方面存在较多缺点或不足，故造成工业生产装置的投资额高、能耗高和运行成本高，所以至今未能实现工业化。国外研究机构在100多年以前就开始进行四氟化硅的高温气相水解的实验研究，先后有许多机构和个人申请了许多专利，但至今全球未能实现四氟化硅高温气相水解一步转化技术的工业化转化就说明现有技术存在难于工业化的技术缺陷。

发明内容