高纯五氟化磷的制备方法与流程

1.本发明属于化工合成技术领域，具体涉及一种高纯五氟化磷的制备方法。

背景技术：

2.五氟化磷作为一种氟化剂，被广泛应用于电子工业、电池制造、高分子材料和催化剂等领域。在半导体制造上，五氟化磷在微波作用下变为等离子气体进行掺杂可显著改善半导体性能。在高分子领域，五氟化磷可用于氟化有机二硫代磷酸盐，该产品有极佳的防腐性能。锂电池目前广泛用于电动汽车、笔记本电脑、移动电话等领域。以五氟化磷为原料合成的六氟磷酸锂是锂电池的主要电解质，因其比绝大多数电解质的电导率高，故使用寿命和充电次数显著增加。五氟化磷可直接用作许多共聚反应的催化剂，用其处理过的金属氧化物可催化烃类化合物的转化。此外，五氟化磷还可用于合成除草剂等精细化学品。
3.目前常用的五氟化磷的制备方法有如下几种：
4.1、pcl5与无水hf反应直接生成pf5，将pcl5固体置于密封的反应器中，通入惰性气体进行保护，再通入无水hf进行反应；
5.2、用caf2与浓硫酸反应先生成caf(so3f)，然后用h3po4与caf(so3f)反应生成中间产物pof3，最后用无水hf与pof3反应生成pf5；
6.3、用h3po4、caf2与so3反应，温度控制在50℃～100℃，反应完全后，升温至120℃～350℃蒸发出pf5，冷凝提纯得到高纯pf5产品；
7.4、用过磷酸或正磷酸与过量无水hf反应控温约50℃，然后气液分离，向液相中缓慢加入发烟硫酸，加热蒸发出pf5即可；
8.5、在气固相反应装置中，用氟气与红磷或黄磷在600℃下直接反应，生成pf5粗产品，经精馏分离后得到所需的pf5产品。
9.上述几种方法，基本都存在制得的产品杂质含量高、分离提纯困难、工艺条件苛刻不易工业化生产的缺点。

技术实现要素：

10.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高纯五氟化磷的制备方法，具有提纯工艺简单、反应过程易于控制、五氟化磷产品收率及纯度高的特点。
11.本发明所述的高纯五氟化磷的制备方法，以无水氟化氢和单质磷为原料，在气固反应器中，在催化剂的催化下，经加热反应生成五氟化磷和氢气，将生成的五氟化磷经冷凝液化或精馏分离得到高纯五氟化磷。
12.本发明合成的化学反应式如下：
[0013][0014]
作为优选方案，所述的无水氟化氢为电子级无水氟化氢，进一步地，所述的无水氟化氢由硫酸和萤石或者四氟化硅制得。
[0015]
作为优选方案，所述的单质磷为赤磷或者白磷，进一步地，所述的单质磷由磷酸
钙、二氧化硅和焦炭制备得到。
[0016]
作为优选方案，所述的催化剂为氟化物，进一步地，氟化物选自氟化钠、氟化钾或氟化钙。
[0017]
作为优选方案，所述的高纯五氟化磷的制备方法，具体按照以下步骤进行：
[0018]
(1)合成：
[0019]
将单质磷与催化剂按一定比例混合均匀后，加入气固反应器中，加热反应器至150～800℃，无水氟化氢经加热转化为气体，然后以一定流速通入反应器中进行反应，保持温度在150～800℃，保持压力在0.1～1.2mpa，反应0.5～2h，生成五氟化磷和氢气的混合气体；
[0020]
(2)冷凝分离：
[0021]
将反应后的混合气体，经冷凝液化或精馏分离得到高纯五氟化磷。
[0022]
作为优选方案，步骤(1)中所述的气固反应器选用固定床反应器或流化床反应器的一种或多种方式的组合。
[0023]
作为优选方案，步骤(2)中将反应后的混合气体送至-93.8～-84.6℃的冷凝器中进行液化分离，得到液态五氟化磷产品，将产品收集到产品收集容器中贮存，氢气和其他不凝气经过尾气处理系统处理后安全排放。
[0024]
本发明中，单质磷为赤磷或者白磷，所含杂质与hf不反应或者反应生成固体留在反应器，气体较易通过冷凝液化或精馏去除，使用的无水氟化氢和催化剂都是高纯品，避免了杂质离子带入，因此相对转化率高。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0026]
本发明以单质磷和无水氟化氢为原料，单质磷与催化剂的催化作用下，经加热反应生成五氟化磷和氢气，整个反应避免了其他杂质的带入，反应过程易于控制，提纯工艺简单，工业化生产易于实现，而且五氟化磷收率及纯度高，五氟化磷收率可达97％以上，纯度可达99.9％以上。
具体实施方式
[0027]
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
[0028]
以下实施例中采用差减法确定产品高纯五氟化磷的纯度。
[0029]
实施例1
[0030]
所述的高纯五氟化磷的制备方法，按照以下步骤进行：
[0031]
(1)合成
[0032]
将赤磷与氟化钠催化剂按10:0.6的摩尔比混合均匀，放置于反应舟中，将多个反应舟放于固定床反应器内部，通氮气置换反应器，预热反应器至300℃。将无水氟化氢通入固定床反应器，保持温度在300℃，保持压力在0.5mpa。反应式如下：
[0033][0034]
(2)冷凝分离
[0035]
将反应后的混合气体送至冷凝器中进行液化分离得到液态五氟化磷，氢气等不凝气经过尾气处理系统安全处理；保持冷凝器温度在-89℃将五氟化磷液化，将产品收集到产
品收集容器中贮存。
[0036]
实际消耗高纯赤磷质量1000克，得到产品高纯五氟化磷4014.9克，纯度99.9％。按实际消耗高纯赤磷计算，收率为98.78％。
[0037]
实施例2
[0038]
所述的高纯五氟化磷的制备方法，按照以下步骤进行：
[0039]
(1)合成
[0040]
将赤磷与氟化钠催化剂按10:0.8的摩尔比混合均匀，放置于料仓内，料仓通过螺旋进料器与固定床反应器连接。通氮气置换反应器，预热反应器至500℃。将无水氟化氢通入气输送进固定床反应器。赤磷和催化剂混合物通过螺旋进料器向反应器中连续进料，保持反应器温度在500℃，保持压力在1.1mpa。反应式如下：
[0041][0042]
当反应达到终点时，停止通入高纯氟化氢气体后。
[0043]
(2)冷凝分离
[0044]
将反应后的混合气体送至冷凝器中进行液化分离得到液态五氟化磷，氢气等不凝气经过尾气处理系统安全处理；保持冷凝器温度在-90℃将五氟化磷液化，将产品收集到产品收集容器中贮存。
[0045]
实际消耗高纯赤磷质量1000克，得到产品高纯五氟化磷3951.1，纯度99.9％。按实际消耗高纯赤磷计算，收率为97.21％。
[0046]
实施例3
[0047]
所述的高纯五氟化磷的制备方法，按照以下步骤进行：
[0048]
(1)合成
[0049]
流化床反应器预热至750℃。将赤磷与氟化钾催化剂按10:1.1的摩尔比混合均匀，放置于料仓内，用氮气将混合物输送至流化床反应器内部。氟化氢气体输送进流化床反应器，保持温度在750℃，保持压力在0.1mpa，反应接触时间25秒。
[0050]
反应式如下：
[0051][0052]
当反应达到终点时，停止通入高纯氟化氢气体后，将反应器内混合气体通入冷凝器；
[0053]
(2)冷凝分离
[0054]
将反应后的混合气体送至冷凝器中进行液化分离得到液态五氟化磷，氢气等不凝气经过尾气处理系统安全燃烧处理；保持冷凝器温度在-91℃将五氟化磷液化，将产品收集到产品收集容器中贮存。
[0055]
实际消耗高纯赤磷质量1000克，得到产品高纯五氟化磷3975.08克，纯度99.9％。按实际消耗高纯赤磷计算，收率为97.8％。
[0056]
实施例4
[0057]
所述的高纯五氟化磷的制备方法，按照以下步骤进行：
[0058]
(1)合成
[0059]
将赤磷与氟化钙催化剂按10:1.2的摩尔比混合均匀，放入流化床内，再用氮气将流化床内气体置换。流化床反应器预热至800℃。氟化氢经气体输送进流化床反应器，保持温度在800℃，保持压力在0.15mpa，反应接触时间30秒。反应式如下：
[0060][0061]
当反应达到终点时，停止通入高纯氟化氢气体后，将反应器内混合气体通入冷凝器；
[0062]
(2)冷凝分离
[0063]
将反应后的混合气体送至冷凝器中进行液化分离得到液态五氟化磷，氢气等不凝气经过尾气处理系统处理后安全处理；保持冷凝器温度在-88.6℃将五氟化磷液化，将产品收集到产品收集容器中贮存。
[0064]
实际消耗高纯赤磷质量1000克，得到产品高纯五氟化磷4021.82克，纯度99.9％。按实际消耗高纯赤磷计算，收率为98.95％。
[0065]
本发明制备的高纯五氟化磷纯度高，可达到99.9％以上，能够满足电子工业、电池制造、高分子材料和催化剂等科学技术领域的要求。利用本发明制备的高纯五氟化磷，可用在六氟磷酸锂的合成，制备聚四氟乙烯，合成有机二硫代磷酸盐等领域。
[0066]
本发明提供了一种高纯五氟化磷的制备方法，本领域技术人员可能通过本发明内容，改变工艺参数、设备结构设计等方式实现。以上4例仅是本发明较佳实例而已，任何未脱离本发明技术方案内容，依照本发明所进行相类似的替换、改动也在本发明范畴。

技术特征：

1.一种高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：以无水氟化氢和单质磷为原料，在催化剂的催化下，经加热反应生成五氟化磷和氢气，生成的五氟化磷经冷凝液化或精馏分离得到高纯五氟化磷。2.根据权利要求1所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：所述的无水氟化氢为电子级无水氟化氢。3.根据权利要求2所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：所述的无水氟化氢由硫酸和萤石或者四氟化硅制得。4.根据权利要求1所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：所述的单质磷为赤磷或者白磷。5.根据权利要求4所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：所述的单质磷由磷酸钙、二氧化硅和焦炭制备得到。6.根据权利要求1所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：所述的催化剂为氟化物。7.根据权利要求1-6任一所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)合成：将单质磷与催化剂混合均匀后，加入气固反应器中，加热反应器至150～800℃，无水氟化氢经加热转化为气体，然后通入反应器中进行反应，保持温度在150～800℃，保持压力在0.1～1.2mpa，反应0.5～2h，生成五氟化磷和氢气的混合气体；(2)冷凝分离：将反应后的混合气体，经冷凝液化或精馏分离得到高纯五氟化磷。8.根据权利要求7所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：步骤(1)中单质磷与催化剂的摩尔比为10:0.5～1.2。9.根据权利要求7所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的气固反应器选用固定床反应器或流化床反应器的一种或多种方式的组合。10.根据权利要求7所述的高纯五氟化磷的制备方法，其特征在于：步骤(2)中将反应后的混合气体送至-93.8～-84.6℃的冷凝器中进行液化分离，得到液态五氟化磷，氢气和其他不凝气经过尾气处理系统处理后安全排放。

技术总结

本发明属于化工合成技术领域，具体涉及一种高纯五氟化磷的制备方法，以无水氟化氢和单质磷为原料，在气固反应器中，在催化剂的催化下，经加热反应生成五氟化磷和氢气，将生成的五氟化磷经冷凝液化或精馏分离得到高纯五氟化磷。本发明以单质磷和无水氟化氢为原料，在密闭容器中进行反应，整个反应避免了其他杂质的带入，反应过程易于控制，提纯工艺简单，工业化生产易于实现，而且五氟化磷收率及纯度高，五氟化磷收率可达97％以上，纯度可达99.9％以上。上。