一种用于制备六氟化钨的装置的制作方法

1.本实用新型涉及电子特种气体生产技术领域，特别是涉及一种用于制备六氟化钨的装置。

背景技术：

2.六氟化钨(wf6)为无气体或浅黄液体，固体为易潮解的白结晶，在潮湿空气中冒烟。六氟化钨是钨的氟化物中，唯一稳定并被工业化生产的品种。
3.目前，工业上常见的六氟化钨生产方法有两种：
4.1.用氟气做氟化剂直接与钨金属反应制备六氟化钨气体：
5.金属钨与氟气直接反应制备六氟化钨，该方法先通过电解制备粗品氟气，再通过吸附、深冷或精馏工艺脱除氟气中夹带的大量的氟化氢、氮气、二氧化碳、金属粒子等杂质，然后净化后的氟气与反应器中的钨金属在高温下反应合成六氟化钨，反应的化学方程式为：w+3f2→
wf6。
6.2.用三氟化氮作为氟化剂与钨金属反应制备六氟化钨气体
7.该方法是将原料气三氟化氮与高纯氮气按相同体积比通入高温裂解器中，三氟化氮在裂解器中裂解生成氟气，氟气进入反应器与金属钨反应生成六氟化钨，合成后的六氟化钨气体采用低温收集器液化收集。此外，还可以将精制后的三氟化氮导入一个用镍或蒙乃尔合金制成的反应器中，在高温下直接与金属钨反应，得到六氟化钨，其本质仍然是氟气与钨金属反应，反应的化学方程式为：w+2nf3→
wf6+n2。
8.因此，目前工业上常用的六氟化钨生产方式存在以下问题：
9.1.氟钨反应必须在高温下进行，反应器需要特殊耐高温、耐腐蚀材质制作，成本较高，氟钨反应初期为了消除氧化钨覆膜的影响，需要升高反应温度。氟钨反应开始后，又放出大量热，需要及时转移热量，又需要降温，操作复杂，且需要特殊的耐高温材料进行导热，成本较高；
10.2.氟钨反应中需要的氟是通过电解法制备出来的，电解制备的氟气中常夹带有大量的氟化氢气体、氟化氢钾液体等杂质，需要先通过一定的纯化处理措施，除去夹带的杂质后再和钨金属反应，工艺复杂，氟钨反应中需要的氟是最活泼的非金属元素，可以和大多数的金属和非金属反应，在氟钨反应之前，氟气需要通过管路输送或钢瓶转移至反应器，存在很大的安全隐患。

技术实现要素：

11.本实用新型的目的是提供一种用于制备六氟化钨的装置，以解决上述现有技术存在的问题，使六氟化钨制备成本降低，操作简单，安全可靠。
12.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
13.本实用新型提供一种用于制备六氟化钨的装置，包括容器、阴极单元、阳极单元以及直流电源，所述容器用于容纳氟化盐熔融电解质，所述阴极单元用于伸入所述氟化盐熔
融电解质中，所述阳极单元包括阳极本体，所述阳极本体为钨金属制成，且所述阳极本体用于伸入所述氟化盐熔融电解质中；所述直流电源的负极与所述阴极单元电连接，所述直流电源的正极与所述阳极单元电连接。
14.优选地，还包括盖体以及分隔体，所述容器的第一端开口，所述盖体用于与所述第一端形成能够拆卸地固定连接并能够封闭所述第一端；所述分隔体的一端固定设于所述盖体上，所述分隔体的另一端用于伸入所述氟化盐熔融电解质中，且所述分隔体用于置于所述阴极单元与所述阳极单元之间。
15.优选地，所述阴极单元包括阴极本体与阴极导电体，所述阴极本体的一端用于伸入所述氟化盐熔融电解质中，所述阴极本体的另一端与所述阴极导电体的一端固定连接，所述阴极导电体的另一端用于穿过所述盖体并与所述负极电连接，所述阴极导电体用于与所述盖体形成能够拆卸地固定连接；所述阳极单元还包括阳极导电体，所述阳极本体的一端用于伸入所述氟化盐熔融电解质中，所述阳极本体的另一端与所述阳极导电体的一端固定连接，所述阳极导电体的另一端用于穿过所述盖体并与所述正极电连接，所述阳极导电体用于与所述盖体形成能够拆卸地固定连接。
16.优选地，所述容器、所述盖体、所述分隔体以及所述阴极本体均为镍制成。
17.优选地，所述阳极本体为长条形；所述分隔体包括第一环形筒体，所述第一环形筒体套设于所述阳极本体外且与所述阳极本体之间留有间距；所述阴极本体包括第二环形筒体，所述第二环形筒体套设于所述分隔体外且与所述分隔体之间留有间距。
18.优选地，所述阳极单元设置有一个，所述第一环形筒体的横截面为圆环形，所述第二环形筒体的横截面为圆环形。
19.优选地，所述阳极单元设置有多个，所述第一环形筒体的横截面为方环形，所述第二环形筒体的横截面为方环形。
20.优选地，所述阴极本体上布设有电解质流通孔，所述电解质流通孔的直径为[10，30]毫米。
[0021]
优选地，所述盖体上开设有阴极惰性气体进口、氢气出口、氟化氢气体进口、阳极惰性气体进口以及六氟化钨出口，所述阴极惰性气体进口、所述氢气出口以及所述氟化氢气体进口均开设于所述阴极单元与所述容器的内壁之间，所述阳极惰性气体进口与所述六氟化钨出口均开设于所述阳极单元与所述分隔体之间；所述盖体上还开设有阴极压力监测口、阳极压力监测口以及液位监测口，所述阴极压力监测口开设于所述阴极单元与所述分隔体之间用于安装阴极压力监测装置，所述阳极压力监测口开设于所述阳极单元与所述分隔体之间用于安装阳极压力监测装置，所述液位监测口开设于所述阴极单元与所述容器的内壁之间用于安装液位监测装置。
[0022]
优选地，所述容器的外壁上固定设有降温水夹套，所述降温水夹套用于容纳冷却水。
[0023]
本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0024]
本实用新型提供的用于制备六氟化钨的装置，通过电解氟化盐熔融电解质中的氟化氢(hf)，阳极本体附近生成的氟气直接和钨金属制成的阳极本体反应，生成气态的六氟化钨，在容器的内部通过电解氟化氢生产氟气，氟气同步和钨金属制成的阳极本体反应生成六氟化钨气体，一次性制备六氟化钨，无需再通过氟钨反应器进行转换，同时阳极本体表
层存在的氧化钨在容器内部的氟化氢氛围下，直接和氟化氢反应生成四氟氧钨等，电解生成的氟气和钨金属直接接触在80摄氏度以下即可正常反应生成六氟化钨，无需提供高温反应环境，此外，反应热可以通过液态电解质导出，无需再额外设置特定的导热介质，工艺更为简单，操作更为安全。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本实用新型提供的用于制备六氟化钨的装置的主视结构示意图；
[0027]
图2为图1中用于制备六氟化钨的装置的一种俯视结构示意图；
[0028]
图3为图1中用于制备六氟化钨的装置的另一种俯视结构示意图。
[0029]
图中：100-用于制备六氟化钨的装置、1-容器、2-阳极本体、3-阴极单元、32-阴极导电体、4-分隔体、5-夹持装置、6-降温水夹套、7-盖体、8-液位监测装置、9-氟化氢气体进口、10-阴极压力监测装置、11-阳极压力监测装置、12-阳极导电体、13-阳极惰性气体进口、14-六氟化钨出口、15-直流电源、16-阴极惰性气体进口、17-氢气出口、18-阴极安装位、19-阳极安装位。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0031]
本实用新型的目的是提供一种用于制备六氟化钨的装置，以解决上述现有技术存在的问题，使六氟化钨制备成本降低，操作简单，安全可靠。
[0032]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
[0033]
如图1-3所示，本实用新型提供一种用于制备六氟化钨的装置100，包括容器1、阴极单元3、阳极单元以及直流电源15，容器1用于容纳氟化盐熔融电解质，阴极单元3用于伸入氟化盐熔融电解质中，阳极单元包括阳极本体2，阳极本体2为钨金属制成，且阳极本体2用于伸入氟化盐熔融电解质中；直流电源15的负极与阴极单元3能够电连接，直流电源15的正极与阳极单元能够电连接。
[0034]
因此，本实用新型提供的用于制备六氟化钨的装置100，通过电解氟化盐熔融电解质中的氟化氢(hf)，阳极本体2附近生成的氟气直接和钨金属制成的阳极本体2反应，生成气态的六氟化钨，在容器1的内部通过电解氟化氢生产氟气，氟气同步和钨金属制成的阳极本体2反应生成六氟化钨气体，一次性制备六氟化钨，无需再通过氟钨反应器进行转换，同时相比现有技术中的高纯氟气和氧化钨反应通常需要在230摄氏度到400摄氏度的高温下进行(反应式：2w+wo3+6f2＝3wof4)，本实用新型提供的用于制备六氟化钨的装置100中的阳
极本体2表层存在的氧化钨在容器1内部的氟化氢氛围下，可以直接反应消除，电解生成的氟气和钨金属直接接触，在80摄氏度以下即可正常反应生成六氟化钨，不需要再提供高温反应环境。本实用新型提供的用于制备六氟化钨的装置100中的反应方程式如下：
[0035]
阳极单元所在区域的反应式：2f-‑
2e-＝f2、3f2+w＝wf6；
[0036]
阴极单元3所在区域的反应式：2h
+
+2e-＝h2。
[0037]
其中：氟化氢氛围下，氧化钨覆膜和氟化氢消除反应式如下：
[0038]
4hf+wo3＝wof4+2h2o
[0039]
此外，反应热可以通过液态电解质导出，无需再额外设置特定的导热介质，与常规的氟气或三氟化氮和钨金属反应工艺相比较更简单，操作更安全，在本实施例中，氟化盐熔融电解质优选采用含有氟化钾和氟化氢混合物的氟化盐熔融电解质(kf
·
nhf)，且其中较为优选地，kf
·
nhf温度控制在75摄氏度到120摄氏度之间，n值为1.8到3.2之间，最优选地，kf
·
nhf温度为80摄氏度到110摄氏度，n值为2.0到2.6之间。
[0040]
进一步地，本实用新型提供的用于制备六氟化钨的装置100还包括盖体7以及分隔体4，容器1的第一端开口，盖体7用于与第一端形成能够拆卸地固定连接并能够封闭第一端；分隔体4的一端固定设于盖体7上，分隔体4的另一端用于伸入氟化盐熔融电解质中，且分隔体4用于置于阴极单元3与阳极单元之间，分隔体4能够把容器1内部分割为阴极区和阳极区，从而使阴极的反应产物与阳极的反应产物分隔开。
[0041]
进一步地，阴极单元3包括阴极本体与阴极导电体32，阴极本体的一端用于伸入氟化盐熔融电解质中，阴极本体的另一端与阴极导电体32的一端固定连接，阴极导电体32的另一端用于穿过盖体7并与负极电连接，阴极导电体32用于与盖体7形成能够拆卸地固定连接；阳极单元还包括阳极导电体12，阳极本体2的一端用于伸入氟化盐熔融电解质中，阳极本体2的另一端与阳极导电体12的一端固定连接，阳极导电体12的另一端用于穿过盖体7并与正极电连接，阳极导电体12用于与盖体7形成能够拆卸地固定连接，具体地，盖体7上设置有阴极安装位18以及阳极安装位19分别用于安装阴极导电体32与阳极导电体12，其中较为优选地，阴极导电体32与盖体7之间、阳极导电体12与盖体7之间均设置有四氟材料实现电绝缘，保证装置安全性；由于在电解过程中，阳极本体2不断地消耗，当阳极电压明显升高或产生阳极极化时，停止电解更换成新的阳极本体2，通过夹持装置5将阳极本体2与阳极导电体12形成能够拆卸地固定连接，以方便阳极本体2的更换，具体地，夹持装置5材质可以是紫铜、镍或低碳钢，优选紫铜，夹持装置5为分体结构，包括夹持板与固定板，能够将阳极导电体12和阳极本体2固定在一起，同时，夹持装置5还能够传导电流。
[0042]
进一步地，容器1、盖体7、分隔体4以及阴极本体均为镍制成，其中，容器1的材质可以是低碳钢、不锈钢、镍、蒙乃尔合金、哈氏合金等，优选镍和蒙乃尔合金，盖体7的材质可以是低碳钢或镍、蒙乃尔等合金，优选镍和蒙乃尔合金，分隔体4的材质可以是镍、蒙乃尔合金、哈氏合金等耐腐蚀金属，优选蒙乃尔合金，阴极本体的材质可以是低碳钢、蒙乃尔合金或镍金属，优选镍金属。
[0043]
进一步地，阳极本体2为长条形；分隔体4包括第一环形筒体，第一环形筒体套设于阳极本体2外且与阳极本体2之间留有间距；阴极本体包括第二环形筒体，第二环形筒体套设于分隔体4外且与分隔体4之间留有间距，其中较为优选地，阳极本体2为圆柱形钨金属棒，钨的纯度大于99.9％。
[0044]
进一步地，阳极单元可以设置有一个或者多个，当阳极单元设置有一个时，优选第一环形筒体的横截面为圆环形，第二环形筒体的横截面为圆环形，容器1的横截面也为圆环形，更为具体地，阴极导电体32的数量设置为三个，且关于阳极单元对称分布；当阳极单元设置有多个时，优选第一环形筒体的横截面为方环形，第二环形筒体的横截面为方环形，容器1的横截面也为方环形，更为具体地，阴极导电体32的数量设置为四个，且分别分布于第二环形筒体的四个角上。
[0045]
进一步地，阴极本体上布设有电解质流通孔，电解质流通孔的直径为[10，30]毫米，电解质流通孔均匀分布在阴极本体上，其中较为优选地，电解质流通孔的总面积占所在阴极本体的表面的面积的20％到40％，能够方便电解质流通。
[0046]
进一步地，盖体7上开设有阴极惰性气体进口16、氢气出口17、氟化氢气体进口9、阳极惰性气体进口13以及六氟化钨出口14，阴极惰性气体进口16、氢气出口17以及氟化氢气体进口9均开设于阴极单元3与容器1的内壁之间，阳极惰性气体进口13与六氟化钨出口14均开设于阳极单元与分隔体4之间，其中，惰性气体可以是氮气、氦气、氩气等，优选为氮气或氦气，实验前通过阴极惰性气体进口16以及阳极惰性气体进口13向容器1内鼓入惰性气体，能够置换出容器1内的空气，实验过程中通过阴极惰性气体进口16以及阳极惰性气体进口13向容器1内鼓入惰性气体，能够避免容器1内产生负压，实验后通过阴极惰性气体进口16以及阳极惰性气体进口13向容器1内鼓入惰性气体，能够置换出容器1内的反应气；阳极单元附近反应生成的六氟化钨气体能够通过六氟化钨出口14离开容器1并进入至六氟化钨纯化装置，去除夹带的氟气、氟化氢和氮气等杂质，最终获得纯度在99.999％以上的高纯六氟化钨产品，六氟化钨纯化装置为现有产品；阴极单元3附近反应生成的氢气能够通过氢气出口17离开容器1并进入氢气净化装置，除去夹带的氟化氢后高位放空，氢气净化装置为现有产品；通过氟化氢气体进口9向容器1内的氟化盐熔融电解质中鼓入氟化氢气体，能够补充氟化盐熔融电解质中因反应消耗掉的氟化氢；盖体7上还开设有阴极压力监测口、阳极压力监测口以及液位监测口，阴极压力监测口开设于阴极单元3与分隔体4之间用于安装阴极压力监测装置10，阳极压力监测口开设于阳极单元与分隔体4之间用于安装阳极压力监测装置11，液位监测口开设于阴极单元3与容器1的内壁之间用于安装液位监测装置8，其中，阴极压力监测装置10以及阳极压力监测装置11均为能够监测并显示压力的现有产品，液位监测装置8可以是雷达液位计、浮球液位计或电极式液位开关等，优选使用电极式液位开关。
[0047]
进一步地，容器1的外壁上固定设有降温水夹套6，降温水夹套6用于容纳冷却水，其中较为优选地，冷却水温度控制在40摄氏度到80摄氏度之间，能够较快地将容器1内的反应热送走，保证反应稳定进行。
[0048]
在本实施例中，容器1的直径为750毫米，高度为700毫米；第二环形筒体环绕在阳极单元的周围，直径为300毫米，高度为400毫米；第一环形筒体介于阳极单元与第二环形筒体之间，直径为150毫米，高度为280毫米；阳极本体2的直径为50毫米，高度为550毫米。容器1内部为熔融的kf.nhf电解质，温度控制在70摄氏度到110摄氏度之间，n值在2.0到2.6之间，液位高度580毫米。
[0049]
应用本实施例中的用于制备六氟化钨的装置100生产六氟化钨气体的过程如下：
[0050]
第一步，向容器1内鼓入氮气，阴阳极室憋正压，检查和处理盖体7以及各接管、部
件的密封情况，确保无泄漏。
[0051]
第二步，用氮气对容器1内的阴阳极室进行充分的吹氮置换，吹扫置换出阴阳极室内部的空气。
[0052]
第三步，启动直流电源15，开始电解，氢气不断地从氢气出口17流出至专门的氢气处理装置中，六氟化钨气体不断地从六氟化钨出口14中流出至后续的六氟化钨纯化收集装置中。
[0053]
第四步，分析检测六氟化钨气体出口管路中产品气的成分，分析方法为：准确收集和计量粗气的量，采用氟化钠/氟化钾等氟化盐吸附柱去除粗气中夹带的氟化氢，再用氯化钠或氯化钾吸附柱把粗气中夹带的氟气转化为，再进入谱检测各成分，分析结果以体积比计量，六氟化钨含量70％、氟气含量8％、hf含量15％以及氮气含量7％等。
[0054]
应用本实施例中的用于制备六氟化钨的装置100生产六氟化钨气体可以一次性生产出六氟化钨气体，工艺操作简单、安全。
[0055]
本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

技术特征：

1.一种用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：包括容器、阴极单元、阳极单元以及直流电源，所述容器用于容纳氟化盐熔融电解质，所述阴极单元伸入所述氟化盐熔融电解质中，所述阳极单元包括阳极本体，所述阳极本体为钨金属制成，且所述阳极本体伸入所述氟化盐熔融电解质中；所述直流电源的负极与所述阴极单元电连接，所述直流电源的正极与所述阳极单元电连接。2.根据权利要求1所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：还包括盖体以及分隔体，所述容器的第一端开口，所述盖体用于与所述第一端形成能够拆卸的固定连接，并能够封闭所述第一端；所述分隔体的一端固定设于所述盖体上，所述分隔体的另一端伸入所述氟化盐熔融电解质中，且所述分隔体置于所述阴极单元与所述阳极单元之间。3.根据权利要求2所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：所述阴极单元包括阴极本体与阴极导电体，所述阴极本体的一端伸入所述氟化盐熔融电解质中，所述阴极本体的另一端与所述阴极导电体的一端固定连接，所述阴极导电体的另一端用于穿过所述盖体并与所述负极电连接，所述阴极导电体用于与所述盖体形成能够拆卸的固定连接；所述阳极单元还包括阳极导电体，所述阳极本体的一端伸入所述氟化盐熔融电解质中，所述阳极本体的另一端与所述阳极导电体的一端固定连接，所述阳极导电体的另一端用于穿过所述盖体并与所述正极电连接，所述阳极导电体用于与所述盖体形成能够拆卸的固定连接。4.根据权利要求3所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：所述容器、所述盖体、所述分隔体以及所述阴极本体均为镍制成。5.根据权利要求3所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：所述阳极本体为长条形；所述分隔体包括第一环形筒体，所述第一环形筒体套设于所述阳极本体外且与所述阳极本体之间留有间距；所述阴极本体包括第二环形筒体，所述第二环形筒体套设于所述分隔体外且与所述分隔体之间留有间距。6.根据权利要求5所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：所述阳极单元设置有一个，所述第一环形筒体的横截面为圆环形，所述第二环形筒体的横截面为圆环形。7.根据权利要求5所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：所述阳极单元设置有多个，所述第一环形筒体的横截面为方环形，所述第二环形筒体的横截面为方环形。8.根据权利要求5所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：所述阴极本体上布设有电解质流通孔，所述电解质流通孔的直径为[10，30]毫米。9.根据权利要求2所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：所述盖体上开设有阴极惰性气体进口、氢气出口、氟化氢气体进口、阳极惰性气体进口以及六氟化钨出口，所述阴极惰性气体进口、所述氢气出口以及所述氟化氢气体进口均开设于所述阴极单元与所述容器的内壁之间，所述阳极惰性气体进口与所述六氟化钨出口均开设于所述阳极单元与所述分隔体之间；所述盖体上还开设有阴极压力监测口、阳极压力监测口以及液位监测口，所述阴极压力监测口开设于所述阴极单元与所述分隔体之间用于安装阴极压力监测装置，所述阳极压力监测口开设于所述阳极单元与所述分隔体之间用于安装阳极压力监测装置，所述液位监测口开设于所述阴极单元与所述容器的内壁之间用于安装液位监测装置。10.根据权利要求1所述的用于制备六氟化钨的装置，其特征在于：所述容器的外壁上固定设有降温水夹套，所述降温水夹套用于容纳冷却水。

技术总结

本实用新型公开了一种用于制备六氟化钨的装置，涉及电子特种气体生产技术领域，包括容器、阴极单元、阳极单元以及直流电源，容器用于容纳氟化盐熔融电解质，阴极单元伸入氟化盐熔融电解质中，阳极单元包括阳极本体，阳极本体为钨金属制成，且阳极本体伸入氟化盐熔融电解质中；直流电源的负极与阴极单元电连接，直流电源的正极与阳极单元电连接，本实用新型能够使六氟化钨制备成本降低，操作简单，安全可靠。靠。靠。