用於安全生產三氟化氮的電解設備、系統和方法

2023-04-30 03:18:21

專利名稱：用於安全生產三氟化氮的電解設備、系統和方法
技術領域：
本發明涉及消除或顯著降低包含三氟化氮的混合物產生的爆炸危險以及，在更具體的一些方面，涉及減少用於生產和處理三氟化氮的系統的爆炸危險。本發明還涉及電解槽以及總體地涉及特別地用於生產和處理含三氟化氮的氣體混合物的方法和系統。
背景技術：
在含三氟化氮的混合物中，例如氣態或液態混合物，如用於生產和處理三氟化氮的系統中的混合物，存在由三氟化氮與三氟化氮以外的其他組分中的一種或多種之間的反應引起爆炸的問題。例如，由氟化氫和氨的熔融鹽電解製備三氟化氮中，氫與三氟化氮一起產生且經常由於氫與三氟化氮之間的反應發生爆炸。爆炸的問題還存在於用於從含三氟化氮和三氟化氮以外的其他組分的氣態混合物中分離三氟化氮的系統中以及用於進行涉及三氟化氮的反應的系統中。這種爆炸威脅人員安全、代價高昂而且導致生產損失。因此，防止這種爆炸非常重要。美國專利3，235，474公開了一種通過用稀釋劑稀釋含三氟化氮的混合物來保持混合物中三氟化氮的濃度在9. 4-95mol %的範圍以外而防止混合物，例如氣態或液態混合物的爆炸危險的方法。適當的稀釋劑是氮、氬、氦和氫。且美國專利3，235，474記載，因此用於消除或顯著降低含三氟化氮和氫的混合物爆炸危險的實施該發明原理的優選方法包括充分稀釋所述混合物以保持三氟化氮濃度小於9. 4mol%或氫濃度小於5mol%。有關的參考文獻包括JP2000104186A、JP2896196B2、US5084156、US5085752、 US5366606、US5779866、US2004/0099537、EP1283280A1 和 US20070215460A1。這些參考文獻中的一些公開了防止氫從電解槽的陰極側遷移到陽極側的物理屏障或電解槽的其他物理方面。剛所列出的所有參考文獻和US 3235474以引用方式全部併入。本領域還需要一種減少由含三氟化氮和氫的混合物(特別是在陽極產物氣體中) 引起的爆炸危險的方法、電解槽和系統設計。

發明內容
本發明提供用於製備三氟化氮的電解設備，其包括槽體(body)、電解質、至少一個產生陽極產物氣體的陽極室、至少一個陰極室以及一個或多個通過調節所述陽極產物氣體中的氟濃度使所述陽極產物氣體中的氟或氫保持在目標量範圍內的氟調節手段。本發明還提供一種控制用於製備三氟化氮的電解設備的方法，其包括如下步驟
(a)分析陽極產物氣體；(b)確定所述陽極產物氣體中氫或氟是否在目標量範圍內，且如果在該目標量範圍內則轉向下面的步驟(d) ；(c)調節一個或多個所述氟調節手段以調節所述陽極產物氣體中的氟水平；以及(d)重複(a)-(d)步驟。本發明還提供用於製備三氟化氮的電解系統，其包括計算機和電解槽，所述電解槽包括槽體、電解質、至少一個產生陽極產物氣體的陽極室、至少一個陰極室以及一個或多個通過調節所述陽極產物氣體中的氟濃度而保持所述陽極產物氣體中的氟或氫在目標量範圍內的氟調節手段。本發明提供電解槽、方法和系統，其在陽極產物氣體中存在氟的條件下運行電解槽以使可能存在於陽極室中的任何氫自發地與氟反應並轉化為氫氟酸。因為當氟存在以與氫發生反應時不可能產生高濃度氫和三氟化氮的亞穩的混合物，因此避免了爆燃的危險。


圖I是可用於本發明的電解槽的一個實施方式的橫截面圖。圖2是可用於本發明的電解槽的另一個實施方式的橫截面圖。圖3是表示本發明方法的一個實施方式的工藝步驟的流程圖。圖4是表示本發明方法的另一個實施方式的工藝步驟的流程圖。
具體實施例方式本發明涉及含氟氣體產生系統，其包括使用含氟化氫(HF)的熔融鹽電解質的電解槽。具體的發明是運行產生三氟化氮(NF3)氣體的電解槽，以使陽極產物氣體中存在少量或不存在氫氣從而避免產物NF3流中氫的危險積聚。產生NF3氣體的電化學槽也在電解質中包含氨(NH3),其與HF反應以形成氟化銨(NH4F)。本發明在陽極產物氣體中提供足夠的氟量以與氫反應並由此避免產物NF3流中氫的危險積聚。為利用本發明的電解設備生產三氟化氮，電解質可以是任何已知的用於製備三氟化氮的電解質，如含氟化氫(HF)的NF4F和HF的熔融鹽(稱為「二元電解質」)或含HF的 (NH4F)、KF和HF的熔融鹽(稱為「三元電解質」)。其他實施方式中的電解質還可以包含氟化銫。另外含HF熔融鹽電解質還可以包含用於改善性能的其他添加劑，如氟化鋰(LiF)。 濃度可表示為以mol%計的NH4F和HF比。HF比由以下等式定義
._可滴定到中性；7//的/^摩爾數 NH4F(摩爾)+KF(摩爾)HF比表示電解質中溶劑與鹽的比。在三元電解質的一些實施方式中，可能優選以 14-24wt%，更優選16-21wt%，最優選17. 5-19. 5被％的NH4F濃度運行電解槽，HF比優選為
I.3-1. 7，更優選為I. 45-1. 6，最優選為1.5-1.55。其他實施方式中，優選的濃度範圍可根據運行條件(如施加的電流和電解質溫度)而變化。在包含二元電解質的實施方式中，優選的濃度範圍也可以不同。希望的是基於電解槽的高效率和安全運行之間的平衡來選擇濃度範圍。這種平衡可以通過以陽極室(產物)氣體中的0. 5-5% mo I的F2來運行電解槽而獲得。在導致陽極產物氣體中產生高氟濃度的條件下運行電解槽降低電解槽的效率，然而， 陽極產物氣體中較低百分比的氟或沒有氟可以表示較低的安全條件。關於製備含氟化氫的二元電解質的方法，沒有特別限制，且可採用任何常規的方法。例如含HF 二元電解質可通過將無水氟化氫供給到二氟化氫銨和/或NH4F中製備。關於製備含HF的三元電解質的方法，沒有特別限制，且可採用任何已知的常規方法。例如，含 HF的三元電解質可通過將無水HF和氨供給到KF與二氟化氫銨和/NH4F的混合物中而產生。本發明不限於任何具體的電解質組成，在此涉及例如包含HF和氨的二元電解質的任何說明僅是為了方便。應理解任何用於製備NF3的電解質可代用到該說明中並且包括在本發明中。包含NH4F的含HF熔融鹽電解質的電解導致在陰極產生氫和在陽極產生含三氟化氮、氮和少量其他各種雜質的氣態混合物。在常規的電解槽中，採用一個或多個陰極和一個或多個陽極。在一些用於生產NF3的電解槽中，通過適合的方式(如一個或多個隔膜)將陽極與陰極分隔以防止氫與含NF3的氣態混合物混合。然而即使利用這樣的電解槽，足以產生爆炸混合物的氫量可洩漏到陽極隔室中並變成與含NF3氣態混合物的混合，從而形成氣態混合物的一部分。本發明的發明人還確定通過由隔膜的極化導致的電化學方式或通過涉及副產物化學的化學方式也可在陽極室中產生氫。如下機理可說明陽極產物氣體中存在的可導致形成亞穩的可燃混合物的氫的原因。在一種機理中，在陰極形成的氫氣泡可從陰極室遷移到陽極室中從而將氫氣釋放到陽極氣體中。這可在典型運行條件過程中對流的電解質流攜帶氫氣泡通過隔膜時發生。當運行電解槽以使過量的氟存在於陽極氣體中時，任何遷移到陽極室中的氫將迅速與氟反應以形成HF。在本發明人已發現的另一種機理中，氫可在局部氟濃度非常低以及氟與NH4F的反應速率相對快的化學反應條件下在陽極室中化學地形成。在該情況中，氟與NH4Fa速反應以形成單-氟-銨氟化物。然後在該單-氟-銨氟化物可以與氟反應之前，其與氨按照反應式I和2反應以形成氮和氫。F2+NH4+ · Γ — NFH3+ · Γ+HF 反應式 INH4+ · Γ+NFH/ · Γ — N2+2H2+3HF 反應式 2物理屏障(例如隔膜和擋板)可能有助於防止氫從電解槽的陰極移動到陽極側， 但不會避免在陽極側生成的氫進入陽極側產物氣流中。本發明通過利用也稱為氟調節手段的氫減少手段消除或顯著降低電解過程中含三氟化氮和氫的混合物導致的爆炸危險。為了從三氟化氮陽極產物流消除氫，將氟引入陽極流中以使可能存在於其中的任何氫與氟反應以形成HF。可從外部來源或通過一種或幾種方式在該方法中產生氟而將氟引入到氣體混合物中，氫與氟形成氟化氫的反應從陽極產物氣體混合物中去除氫並降低或消除爆炸危險。本發明的方法用於通過本發明的方法保持陽極產物氣體流中的氫量在爆炸量以下，也就是低於5mol %。為了確保氫量以低於爆炸量的量存在，可以保持氫量以使其以少於 4mol %,少於3mol %,少於2mol %,少於Imol %或以不可檢測的量存在。另外，由於任何存在的氟將與存在於陽極產物氣體流中的氫反應，可能優選的是運行該方法以使陽極產物氣體流中總是具有可檢測量的氟存在，例如O. l-10mol%，或O. l-5mol%，或O. 5-5mol%。當不連續監測陽極產物氣體流的組成時，和/或由於將陽極產物氣體的組成調節到氟調節手段中的任何變化需要一些時間，特別希望的是利用陽極產物氣體流中氟的檢測。儘管可以連續或不連續地監測陽極產物氣體的組成，但在一些實施方式中，以可以為1-24小時，或 1-12小時，或2-6小時的時間間隔監測電解槽的組成是足夠的。用於監測陽極產物氣體組成的時間間隔可選自基於例如，測定該組成的分析設備的可用性，分析設備測定該組成所需要的時間以及在任何氟調節手段(如溫度、電流、電解質組成或加到陽極室或陽極產物氣體中的氟氣體)中的變化之後電解槽達到穩態需要的大致時間。為了確保在陽極產物氣體流中存在少量或不存在氫，在一個實施方式中，可運行
6該方法以使得電解槽的運行方式以使在所有時間電解槽在陽極工藝流中產生可測量量的氟。這可通過調節一個或多個氟調節手段來達到，其包括通過一個或多個供料流控制器調節電解質的組成，通過一個或多個溫度調節裝置調節溫度，通過一個或多個電流控制器調節電流和通過一個或多個氟氣供給器將氟引入電解槽或陽極產物氣體流中。本發明發明人已經確定，如果陽極產物氣體流中存在太多的氫和/或不存在足夠的氟，則氟調節手段的調節可包括任意組合的如下一種或多種將氟化氫添加到電解質中；減少電解質中的氨量；降低運行溫度；增加流入電解槽的電流量；和/或使氟氣體流流進電解槽中或陽極產物氣體流中，所有這些將單獨地或共同地(或者雙重或三重等)增加電化學槽的氟產生。另外，如果在陽極產物氣體流中存在太多的氟，則氟調節手段的調節可包括如下的一種或多種減少電解質組成中或添加到電解質中的氟化氫量；增加電解質中的氨量；提高運行溫度；減少流進電解槽中的電流量；和/或減少或停止進入電解槽中或陽極產物氣體流中的氟氣體流的流量，所有這些將單獨地或共同地(或者雙重或三重等)降低電化學槽的氟產生。本發明發明人已經確定，氟產生速率與電流成正比且通過與NH4F反應的氟消耗速率隨溫度增加。當溫度太高和電流太低時，陽極氣體中可存在氫。另一方面，如果電流相對高和溫度太低，則陽極氣體中氟將以高濃度存在。雖然可認為該操作是安全的，但這對於三氟化氮的生產並不是有效的。還存在一套獨特的由電流和溫度構成的操作條件，其中陽極氣體中氟以0. 5-5mol%的水平存在。氟的這一組成提供安全性緩衝，其將消耗由化學反應形成的或通過遷移到陽極室中而存在的任何氫。根據本發明，提供一種用於通過在施加的通常為10-200mAcnT2，或30-150mA era2, 或60-120mA cm_2的電流密度下電解含氟化氫的熔融鹽電解質製備三氟化氮的電解設備，該設備包括電解槽，其通過各陽極室與陰極室之間的一個或多個分隔壁分隔為一個或多個陰極室和陽極室。分隔壁包括固體的氣體分隔擋板(通常為固體材料)和多孔隔膜。該隔膜是穿孔的或編織的。各陽極室包括一個或多個陽極且各陰極室包括一個或多個陰極。電解槽具有至少一個用於向其供應作為電解液體的含氟化氫的熔融鹽或用於含氟化氫的熔融鹽電解質的原料的供料管或進口，以及用於這些供料管的控制器和/或閥以控制供料的流量或穿過的電解質的單個成分。陽極室具有一個或多個用於從電解槽的陽極室抽出氣體的陽極氣體出口管，以及陰極室具有一個或多個用於從電解槽的陰極室抽出氣體的陰極氣體出口管。圖I顯示用於生產含三氟化氮的產物氣體的電解槽設備的主要部分的圖示。該電解槽設備包括電解槽25，其具有電解槽槽體26和頂蓋或槽罩28。通過垂直設置的氣體分隔擋板19和隔膜22將電解槽25分割為陽極室17和陰極室18。陽極20設置在陽極室17 中，陰極21設置在陰極室18中(在該實施方式中，電解槽25包括含氫氟酸和氨的熔融鹽電解質23)。電解質23的水平27是電解槽25的底表面53以上的電解質高度。電解槽25 具有用於供給原料或構成電解質23的成分的供料管12和16。如圖I所示，供料管12是 HF供料管12以及供料管16是氨供料管16。在其他實施方式中，供料管12和16的一個或兩個還可用於向其直接供給預混合的含HF和氨的熔融鹽電解液體。通常，供料管12和16 設在陰極室18中。陽極室17中具有用於從電解槽25中抽出含NF3產物氣體的陽極產物出口管11。陰極室18具有用於從電解槽25中抽出氣體的陰極產物出口管13。需要時，本發明的電解設備還可包括附加部件，如連接入陰極室和陽極室中的吹掃氣體管。例如，吹掃氣體源48 (如圖2中所示)，如氮氣，可與電解槽的陽極室17和/或陰極室18 (未示出)連接以出於安全原因提供電解槽的吹掃或者提供堵塞管的吹出裝置或者另外地為進口和出口管及管道和其他儀器提供適當的功能。當運行該實施方式的電解槽時，在陽極產生含三氟化氮的氣體以及在陰極產生氫。在陽極室產生的氣體可包含三氟化氮(NF3)、氮氣(N2)和氟(F2)。另外，HF具有電解質 23上的蒸汽壓並因此以氣體形式存在而離開陽極室17和陰極室18。圖2顯示類似於圖I所示的電解槽的橫截面，除了顯示於圖2中的電解槽25僅包括一個陽極室17和一個陰極室18。陽極室17具有一個陽極20和陰極室18具有一個陰極 21。圖2所示的電解槽還與圖I所示的電解槽不同，因為其包括圖I中未顯示的附加部件， 即可用於本發明的電解槽可特別地包括許多不同的測量和氟調節裝置。在圖I和2中類似的部件的附圖標記是相同的。圖2所示的電解槽25包括電流控制器39，其以可以在由操作者或電解電解槽的控制過程指定的目標範圍內增加或減少的水平通過陽極電流連接14向陽極20提供電流以及通過陰極電流連接15向陰極21提供電流。電流控制器39增加或減少向陰極和陽極提供的電流是本發明的氟調節手段之一。圖2所示的電解槽包括如圖2所示的測量與電解質供應流量控制器36連通的電解質水平的裝置或水平指示器31。流量控制器36還與流量控制閥46連通並控制與HF源 35連通的流量控制閥46以及與流量控制閥45連通並控制與氨源34連通的流量控制閥45。 隨著電解進行以及熔融的鹽電解質耗盡，水平指示器31向供料流量控制器36發出需要補充電解質的信號。電解質供料流量控制器與流量控制閥連通並分別利用流量控制閥45將來自氨源34的氨和利用流量控制閥46將來自HF源35的HF供給到熔融的電解質中。流量控制閥45可用於基於氨消耗以形成含三氟化氮氣體的速率調節來自氨源34的氨的供給速率。電解質中氨與其他成分的構成比可從包括產物氣體組成和產物氣體流量的物料平衡獲得。電解質水平是電解槽25的底部表面53以上電解質的高度。電解槽中可以有一個或多個水平指示器或檢測器，例如陰極室和陽極室中各一個以用於說明可能存在於兩室之間的壓差，該壓差引起兩個獨立的電解質水平。水平檢測器可基於任何可利用的不同方法， 如電導或氣體起泡系統。考慮電解槽的幾何形狀和電解槽的操作條件將電解質水平設定為適合的值。通過控制流進電解槽的電解質供料流量的供料流量控制器36調節電解質水平。 電解質供料流量控制器36控制閥46和閥45，閥46控制從HF源35到電解槽設備25的HF 流量以及閥45控制從氨源34到電解槽25的氨流量。在將電解質供給到電解槽之前，電解質供料流量控制器36考慮電解槽中的電解質水平。水平指示器31向電解質供料流量控制器36傳送水平信息。通常，電解質水平具有預定的(最大)高水平設定點32和低水平設定點33。當水平在預定的(最小)低水平設定點33以下時，陽極產物氣體和陽極產物氣體有可能混合而產生爆炸混合物。如果水平高於預定的高水平設定點32，則這可導致問題，如不適合的氣液分離，電解質攜帶進入陰極或陽極出口管並增加電解槽部件的腐蝕。如果水平降到目標水平以下，則電解質供料流量控制器31使供料加到電解槽中。根據本發明，電解質供料流量控制器還可用於調節供給到電解槽中的電解質的流量以及電解槽的電解質水平以調節陽極產物氣體中的氟。調節電解質的組成利用了電解質供料流量控制器36。在圖2所示的實施方式中， 電解質供料流量控制器36包括調節HF流量和氨流量的獨立的流量控制閥。電解質的組成是本發明的氟調節手段。圖2所示的電解槽25包括用於獲得電解質23樣品的電解質取樣口 41，該樣品用於測定電解質23的組成以及可用於本發明的方法中確定哪個氟調節手段來進行來調節。如果在本發明的方法中，調節電解質的組成以從陽極室產生更多或更少的氟，則電解質的供料流量控制器可用於調節進入電解槽的HF和/或氨的流量以調節電解槽產生的氟。還可通過人工調節來調節經由閥45和46進入電解槽的HF和氨(電解質供料組分)的流量，從而調節電解質的組成。在電解槽中提供用於測量電解質23溫度的溫度檢測器30。溫度檢測器可以是熱電偶或其他本領域已知的直接或間接、接觸或非接觸的溫度測量裝置。提供帶有溫度調節裝置29的電解槽，溫度調節裝置可以是設置在電解槽外表面的至少一部分周圍和/或與電解槽外表面的至少一部分接觸的傳熱流體套。如所顯示的，溫度調節裝置29可以附著到電解槽的側面51、52以加熱和/或冷卻電解槽25。如所顯示的，根據電解質溫度是否需要提高或降低，也就是說根據電解槽，特別是其中的電解質是否需要加熱或冷卻，使熱的或室溫的或冷卻的傳熱流體在傳熱流體套中循環。傳熱流體可以是認為適合用於在此處所述目的的任何流體，例如水、二醇和礦物油。在未顯示在附圖中的一些實施方式中，替代地或另外地，溫度調節裝置可包括具有循環的加熱或冷卻介質的傳熱管，其可以存在於電解質水平以下的電解槽25內部和/或埋入電解槽槽體的底部或側壁內。或者，可以用其他加熱裝置或冷卻裝置，例如電阻加熱器、送風機及本領域已知的其他裝置。通過電解質溫度控制器42 控制傳熱流體的流量，所述控制器可以包括泵、加熱器和冷卻裝置，其未顯示在附圖中。電解質溫度控制器42從溫度檢測器30接收輸入並可響應於電解質的溫度讀數自動調節或保持溫度調節裝置29的操作以對電解質的溫度作出反應。可替代地人工進行通過溫度調節裝置29的電解質的溫度調節。所示的實施方式中的溫度調節裝置可打開或關閉閥47以使更多的加熱或冷卻流體流動或可使加熱器提高傳熱介質的溫度或可停止加熱傳熱介質以降低其溫度並由此降低電解質的溫度。調節電解質的溫度是用於調節陽極產物氣體中的氫 (如果存在於其中)和氟的量的氟調節手段。在本發明中進行的電解中，關於電解質23的溫度，電解質的操作溫度範圍的下限是需要維持電解質於熔融狀態的最小溫度。需要維持電解質於熔融狀態中的最小溫度取決於電解質的組成。在一些實施方式中，電解質23的溫度通常是85-140°C或100-130°C。電解槽具有垂直設置在陰極和陽極室之間的氣體分隔擋板19和隔膜22以防止電解期間含NF陽極產物氣體與含氫陰極產物氣體混合。電解槽還具有氣體組成分析器38， 其顯示為通過陽極氣體樣品口 37和流量控制閥44與陽極產物出口管連通，以便可採集陽極產物氣體的樣品並進行分析。通常以特定時間間隔而並非連續地採集陽極產物氣體的樣品，然而如果設備是可行的，則可連續採集樣品。陽極產物氣體的分析可用於本發明方法中以確定是否需要調節氟調節手段之一。任何材料可用於構成電解槽部件，只要當暴露於電解槽的腐蝕條件下時該材料耐用即可。對於電解槽槽體、分隔擋板和隔膜有用的材料是鐵、不鏽鋼、碳鋼、鎳或鎳合金如 Monel 等，如本領域技術人員已知的。陰極21的構成材料並沒有特別限制，只要陰極由對於本領域技術人員已知的用於該目的的材料製成，如鎳、碳鋼和鐵。陽極20的構成材料並沒有特別限制，只要陽極由對於本領域技術人員已知的用於該目的的材料製成，如鎳和碳。另外，電解電解槽的所有其他部件可選自已知用於電解槽(用於電解含HF熔融鹽)的那些。可控制陽極產物氣體混合物中氟(以及因此氫)的濃度的本發明方法的一個實施方式顯示於圖3中。對於顯示在該圖中或在本文中另外描述的實施方式，可通過機械或計算機控制的裝置自動進行所有工藝步驟或由一位或多位操作者人工進行所有工藝步驟。對於本發明的其他工藝，將通過機械或計算機裝置自動進行一些步驟以及由操作者人工進行其他步驟。儘管未顯示在附圖中，本發明預期並包括，作為電解槽的完全計算機控制系統的一部分的電解槽，其中在此所述的所有測量(例如，電解質溫度、陽極產物氣體組成、電解質組成、電解質水平等)傳送給計算機以及算法將自動控制氟調節手段。圖3所示的第一步驟是步驟A，該步驟的目的是建立可接受的目標值(其可以是單一數或範圍)，對於陽極產物氣體中的氫和/或氟濃度通常是範圍。在該實施方式中，為了試圖確保以產物氣體流中少量或沒有氫的條件下操作該系統，產物流中氟的量是可測量的量。較好的是試圖操作電解槽以使基本上所有時間(無論何時檢測或至少大於95%的時間)在陽極產物氣體流中存在氟的可檢測水平，或在所有時間上確保氫水平為安全範圍和/或在基本上所有時間或所有時間氫不存在。當測量陽極產物氣體中的氟濃度並與目標值比較時，陽極產物氣體中氟濃度的目標值可以，例如是O. 5-5mol %，或O. 5-3mol %，或
氫的目標值，例如，可以是少於511101%,或少於4111011%,或少於311101%,或少於 2mol %。或少於 Imol %,或為 Omol %。特別是如果存在不希望調節氟調節手段使其高於或低於的最小和最大值的話，步驟B是建立用於該工藝的氟調節手段的目標水平。對於圖2所示的工藝，由於第一、第二、 第三和第四氟調節手段用於該工藝，因此，可以對於需要控制的電解槽確定第一到第四氟調節手段的目標水平。對於電解質組成，在一些具有三元電解質的實施方式中，可通過電解質中NH4F的濃度為14-24wt%，或16-21wt%，或17. 5-19. 5wt%的範圍運行電解槽，以及HF 比可以為I. 3-1. 7，或I. 45-1. 6，或I. 5-1. 55。在其他實施方式中，濃度範圍將根據包括操作條件(如規模、施加的電流和電解質溫度)的電解槽性能而變化。在包含二元電解質的實施方式中，優選的濃度範圍也可以不同。較好的是選擇在電解槽的高效率和安全操作之間達到平衡的電解質濃度範圍，在一個實施方式中，這包括在陽極產物氣體中O. 5-5mol% 的F2下操作電解槽。由熟悉電解槽操作的操作者或工程師設定該水平。另外，在步驟A中， 為安全起見，預先確定氫或氟的危險水平以便當在陽極產物氣體中測定到該水平時立即完全關閉且用惰性氣體吹掃電解槽。對於氫，該水平可以等於或大於陽極產物氣體的5mol %。也可以確定溫度和電流的目標水平。例如，溫度可以在85_140°C以及電流為 10-200mA cm—2。如果引入陽極產物氣體或陽極室(從外部來源)的氟用作氟調節手段，則氟的目標流率可以是單個目標值或範圍。如果在該工藝中將要使用其他氟調節手段，則應確定它們的目標值。應確定對於氟調節手段可以是範圍的目標值以及將其輸入自動控制系統中或另外地記錄或計算用於操作者參考。同樣地，對於每個氟調節手段還應確定氟調節手段中增加和減少的步驟增量且將其輸入自動控制系統或另外地記錄或計算用於操作者參考。注意，氟調節裝置中變化的步驟增量可以是設定的量或可以是取決於電解槽中的條件(例如陽極產物氣體中測量的氟量偏離氟的目標量)的可變量。氟或氫偏離目標量的量越大，改變氟調節手段的步驟增量越大。可通過熟悉需要控制的電解槽類型操作的操作者或工程師預先確定目標水平和步驟增量。下一個步驟，步驟C是測量陽極產物氣體(NF3氣體混合物)中氟和氫的組成，這可如圖2所示通過開啟閥44並利用氣體組成分析儀38來進行。氣體組成分析儀可以是 UV-可見光譜儀或氣相色譜。可通過特定技術如UV-可見光譜儀和傅立葉變換紅外光譜儀 (FTIR)更頻繁地(分鐘)獲得陽極產物氣體的組成，或可通過特定技術如氣相色譜(GC)較低頻率地獲得陽極產物氣體的組成。注意，本發明預期並包括直接測量方式確定成分。例如，由於氟化的化合物破壞通常的GC柱，因此使氟化氫和氟通過吸附劑(如氧化鈣)以從陽極氣體中去除它們。氟和HF 的吸附分別產生氧和水。氧變成分析物的一部分而水被吸附。GC分析提供陽極流出分析物流中各種氣體的體積百分數。由於不能通過GC分析氟化氫和氟，因此它們各自在單獨的流中分析。FTIR分析提供陽極流出物中HF的體積百分數，而UV-可見光譜儀提供F2的體積百分數。僅由吸附劑產生的氧的體積百分數也可與利用反應化學計量而與氟的體積百分數相關。如果在步驟C中確定氣體混合物中氟(和/或氫)的濃度在目標量範圍內，那麼如步驟D2所示不需要進一步的行動且工藝按照圖3所示的箭頭進行到步驟T，該步驟是時間間隔步驟，在步驟C和該工藝的一個或多個步驟重複和/或進行之前的等待期間。通常的時間間隔是該工藝再一次重複之前的1-24小時，1-12小時，或2-6小時，或1-2小時。時間間隔可以是設定的或變化的量。對於連續工藝，將沒有步驟T或設定為O。(注意步驟A 和B在本發明的工藝中通常不是每次都重複，但如果由於需要改變目標值的電解質條件或環境條件而需要調節目標量時，則步驟A和B可以重複。)如果存在於陽極產物氣體中的氫和/或氟的濃度不在目標範圍內，則在步驟E中將測定的氟和氫的量與先前限定的氫或氟的危險量比較。如果氟或危險量的氫存在，則在步驟E2中，開啟圖2中與惰性氣體源48連接的閥49並並用惰性氣體衝洗和稀釋電解槽的陽極室和陽極產物氣體。替代地或另外地，在其他實施方式(未示出)中，可關閉電解槽 (關掉施加電流和加熱(如果開啟))以及任選地發出聲音以提醒操作者。如果關於步驟E中所問問題的答案為否且電解槽正在運行以使得沒有危險水平的氫和/或氟，則在步驟F中該方法查看第一氟調節手段以看看其是否可被調節以調節陽極產物氣體中的氟量。例如，如果氟水平太低，則取決於哪一個氟調節手段是第一氟調節手段，它將需要向上或向下調節以增加陽極產物氣體中的氟水平。為了確定第一氟調節裝置是否可以按影響陽極產物氣體中氟濃度所需要的方向和量被調節(在該實施中增加陽極產物氣體中的氟濃度)，將第一氟調節手段的步驟B中輸入的目標範圍與第一氟調節手段的當前值進行比較。該方法的步驟F的一部分是測量或另外地測定第一氟調節手段的當前值。然後將第一氟調節裝置的當前值與步驟B中確定的第一氟調節手段的目標範圍進行比較以確定第一氟調節手段是否可按照實現陽極產物氣體中氟的變化所需的方向調節。如果是這樣，則按照步驟增量在步驟F2中調節第一氟調節手段以及該方法轉到步驟T以及在隨後重複該方法時，重複或第一次進行步驟C和其他步驟(如圖3中所示)。如果在整個工藝的任何時間，步驟D和步驟E都是「否」以及如果在整個工藝的任何時間第一氟調節手段都不能調節，這可能發生在整個工藝過程中調節第一氟調節手段一次或多次之後(或者也許根本未調整)，因為這樣做將導致第一氟調節手段在步驟F中達到第一氟調節裝置的目標範圍以外，那麼該工藝轉到步驟G。在步驟G中，以與步驟F中分析第一氟調節手段相同的方式分析第二氟調節手段，以確定是否其可被調節。測定(或確定)第二氟調節手段的當前值並將其與第二氟調節手段的目標值進行比較。如果第二氟調節手段可被調節且仍保持在第二氟調節手段的目標值範圍內，那麼該工藝進行到步驟G2， 按照步驟增量調節第二氟調節手段以及工藝進行到步驟T，然後進行到步驟C並重複。如果整個工藝的任何時間上步驟D和E都是「否」且如果整個工藝的任何時間上第一和第二氟調節手段都不能被調節(其可以是在已經調節第一和第二氟調節手段一次或多次之後或也許根本未調節)，因為這樣做將在步驟F和步驟G中達到第一和第二氟調節手段的目標範圍以外，則該工藝轉向步驟H。在步驟H中，以與步驟F和G中分析第一和第二氟調節手段相同的方式分析第三氟調節手段(測定當前值並與目標值比較)以確定是否可調節第三氟調節手段。如果第三氟調節手段可調節則該工藝繼續進行到步驟H2，調節第三氟調節手段且工藝繼續進行到步驟T，然後進行到步驟C並重複。如果在整個工藝的任何時間上，步驟D和E都是「否」且如果整個工藝的任何時間上第一、第二和第三氟調節手段(其可以是在第一、第二和第三氟調節手段裝置已經各被調節一次或多次之後或也許根本未調節)以及目前第一、第二和第三氟調節手段中沒有可被調節的，因為這樣做將在步驟F、G和H中達到第一、第二和第三氟調節手段的目標範圍之外，則工藝轉到步驟I並以與在步驟F、G和I分析第一、第二和第三氟調節手段的相同方式分析第四氟調節手段以確定是否第四氟調節手段可被調節。如果第四氟調節手段可被調節，則工藝繼續進行到步驟12，調節第四氟調節手段且工藝繼續進行到步驟T，然後進行到步驟C並重複。如果整個工藝的任何時間上，步驟D和步驟E都是「否」以及如果第一、第二、第三和第四氟調節手段在整個工藝的任何時間上(以及在第一、第二、第三和第四氟調節手段已經各被調節一次或多次後或也許根本未調節)沒有一種可被調節，因為這樣做將在步驟 F、G、H和I中達到第一、第二、第三和第四氟調節手段的目標範圍以外，那麼該工藝轉到步驟J，該步驟是提醒操作者和/或關閉電解槽和/或用惰性氣體吹掃電解槽。第一氟調節手段、第二氟調節手段、第三氟調節手段和第四氟調節手段可以是以任何順序選自如下的任何一種(a)調節電解質中氟化氫的量；(b)調節電解質中氨的量; (C)調節電解質的溫度；(d)調節施加到電解槽上的電流量；(e)調節進入電解槽或陽極產物氣體流中的氟氣體流的流量，所有這些將分別或共同改變電化學槽的氟產生。第一氟調節手段可以獨立地選自(a)、(b)、(C)、(d)或(e)。第二氟調節手段可以獨立地選自(a)、
(b)、(c)、(d)或(e)。第三氟調節手段可以獨立地選自(a)、(b)、(c)、(d)或(e)。第四氟調節手段可以獨立地選自(a)、(b)、(C)、(d)或(e)。第一到第四氟調節手段應該是不同的。儘管未示出，圖3所示的和上述的工藝可包括比所示的更少的步驟，意思是其可僅包括第一氟調節手段(並且沒有步驟G、H和I)，或可包括第一氟調節手段和第二氟調節手段 (且沒有步驟H和I)，或可包括第一氟調節手段、第二氟調節手段和第三氟調節手段(且沒有步驟I)。如所述的，可各自獨立地選擇用於這些工藝的氟調節手段。或者該工藝可包括第五氟調節手段，其如以上對其他氟調節手段調節所述的進行調節。第五氟調節手段可以獨立地選自(a)、(b)、(c)、⑷或(e)以及應與第一到第四氟調節手段不同。例如對於圖3所示的工藝，如果步驟D和E都是「否」，但陽極產物氣體中的氟量太高且如果第一氟調節手段是溫度，則將通過溫度檢測器30測定溫度並將其與目標操作溫度範圍比較以確定溫度是否可被提高，且如果可被提高，那麼將按照某些步驟增量(例如， 1_5°C之間的量)提高溫度以及然後工藝進行到步驟T，以及最後在經過設定的時間間隔後重複步驟C和餘下的步驟。注意，步驟增量可以是設定的量或可以是由電腦程式或操作者基於測定的陽極產物氣體中的氟量和/或基於第一氟調節手段的目標範圍確定的可變量。另一方面，如果陽極產物氣體中氟水平太低以及第一氟調節手段是溫度，在溫度的預定目標範圍的下限低於測定的溫度而允許按照設定的或變化的步驟增量來降低溫度且仍保持在工藝的目標溫度範圍內時，則按照一些增量來降低溫度。如果可降低溫度，則降低溫度以及工藝將繼續進行到步驟T且然後進行到步驟C並重複。本發明發明人已經確定如果在陽極產物氣體流中有太多的氫存在和/或存在的氟不足，氟調節手段可包括如下的一種或多種向電解質添加HF，降低電解質中或添加到電解質中的氨量，降低操作溫度，增加流入電解槽的電流量，和/或使氟的氣體流進入電解槽或進入陽極產物氣體流中，所有這些方式將單獨地或共同地增加電化學槽產生氟或增加可利用以使其與氫氣反應的氟。另一方面，如果在陽極產物氣體流中存在太多的氟，氟調節手段可包括如下的一種或多種方式減少電解質中或添加到電解質中的氟化氫量，增加電解質中或添加到電解質中的氨量，提高操作溫度，降低流入電解槽的電流量，和/或減少或停止進入電解槽或陽極產物氣體流的氟氣體流量，所有這些方式將單獨地或共同地降低電化學槽產生氟。在本發明的一些實施方式中，可能希望的是調節一種以上的氟調節手段以對不在目標範圍內的陽極產物氣體中的氟測量值作出反應。注意，上述所列的氟調節手段 (a)到(e)的任何組合可在該工藝的單個步驟中共同調節以對不在目標範圍內的陽極產物氣體中氟的測量值作出反應。同樣地，在該工藝的其他實施方式中，可能希望的是第一次氟或氫在目標範圍以外時調節第一氟調節手段，以及然後下一次氟或氫在目標範圍以外時調節第二氟調節手段，而不是調節可能多次調節直到不能再被調節且仍保持在第一氟調節手段的目標範圍內的第一氟調節手段。參考圖4中的流程圖，顯示了控制陽極產物氣體混合物中氟濃度的方法的另一個實施方式。步驟A是確立可以是範圍的陽極產物氣體中氟濃度的目標值。陽極產物氣體中氟濃度可以是0. 5-5mol %,或0. 5-3mol %,或l_2mol %。步驟B是確立可以是一個範圍的優選電解質濃度值。在具有三元電解質的一些實施方式中，電解槽的操作範圍可以是氟化銨濃度為 14-24wt%，或 16-21wt%,^ 17. 5-19. 5wt% ；HF 比為 I. 3-1. 7，或 I. 45-1. 6，或 1.5-1.55。在其他實施方式中,優選的濃度範圍可根據操作條件(如施加的電流和電解質溫度)變化。同樣地，在包含二元電解質的實施方式中，濃度範圍可以不同。希望的是基於電解槽的高效率和安全操作選擇濃度範圍，在一些實施方式中，包括電解槽在陽極室氣體中的0. 5-5mol%的F2的情況下操作。步驟A和B確定的值可以輸入到用於自動控制工藝的計算機中或輸入到用於人工控制工藝的操作者手冊中或輸入到兩者中以部分計算機控制和部分人工控制該工藝。如對於前述實施方式所述的，控制步驟可通過計算機控制的方式自動進行和/或由一個或多個操作者人工進行或自動和人工控制組合進行。
在步驟C中利用氣體組成分析儀38從包括閥44的陽極氣體取樣口 37得到含 NF3氣體的陽極氣體混合物的氟組成，氣體組成分析儀38可以是本領域已知的任一種， 如UV-可見光譜儀或氣相色譜。通過一些技術(如UV-可見光譜和傅立葉變換紅外光譜 (FTIR))可更頻繁地測量陽極氣體組成，或通過一些技術(如氣相色譜(GC))較低頻率地測量陽極氣體組成。隨後是步驟K並檢查是否氣體混合物中的氟濃度在目標範圍內或為目標值。如果是這樣，就不需要進一步的行動以及工藝直接進行到步驟T並等待一段時間(對於連續工藝可沒有等待時間)直到重複步驟C和工藝的其它步驟。(注意本發明的工藝中通常步驟A和B不是每次重複，但如果由於需要改變目標值的例如電解質條件或環境條件的原因而需要調節目標量時可以重複。)如果步驟K中，陰極氣體中氟濃度低於0.5mOl%，則工藝進行到步驟L並從電解質取樣口 41收集電解質樣品並利用本領域已知的方法(如酸-鹼滴定或離子色譜)測定電解質中的氟化氫和氟化銨濃度。如果步驟M中，氟化銨和氟化氫濃度在上述的優選組成範圍內，那麼工藝轉到步驟P。在步驟P中利用溫度檢測器30測定電解質的溫度並與電解質完全熔化的最低溫度進行比較。如果電解質溫度在該最小溫度以上，則可在步驟R中利用溫度控制裝置42按照幾度(例如1-15°C)降低溫度來提高陽極氣體混合物中的氟量。在一些實施方式中，可能優選的是降低溫度2-10°C，更優選降低2-5°C。然後工藝進行到步驟 T並在重複工藝之前等待一段時間。可以選擇該時間段以提供電解槽達到穩態或接近穩態足夠的時間，在電解槽達到穩態或接近穩態時重複工藝以再核查陽極產物氣體中的氟水平以及進行由測定的變量值確定的工藝的其他步驟和基於這些值的不同工藝步驟。另一方面，如果電解質的溫度接近電解質完全熔化的最小溫度，例如高於最小溫度不到IV，那麼從步驟P工藝將進行到步驟Q並核查通過電解槽的電流是否在其最大允許值以下。如果電流在目標操作範圍的最大值以下，則在步驟S中，通過電流控制器39增加電流，通常為10-300%，或10-200%，或10-100%，或最高到最大目標電流值電流，取較低者。在增加電流後，工藝繼續步驟T並在再次重複至少步驟C和K之前等待所述時間間隔。另一方面，如果電流處於最大目標操作值，則工藝進行到步驟U以及可以通過增加電解質中的HF量來提高產物氣體中的氟量。提高電解質中的HF量來提高電解質的HF比例。當HF添加到電解質中時，電解質水平提高。電解質水平可以從現有水平提高0. 5-10%, 或從現有水平提高0. 5-5 %，或0. 5-2 %，然而，如果電解質處於先前基於電解槽的幾何形狀確立的高水平設定點32，則不添加電解質。在將任何HF或電解質的其他成分添加到電解槽中以前，通過水平指示器31確定電解槽的水平以及電解質供料流控制36將因此基於工藝控制和高水平設定點32開啟閥46。在將HF添加到電解槽之後，工藝回到步驟T以等待再次重複該工藝。如果在步驟U處，電解質的水平處於其最大值，將通知操作者，儘管該步驟未顯示在圖4中。回到步驟M，如果電解質組成在目標範圍以外，該工藝進行到步驟N並核查是否電解質中的氨濃度超出目標範圍以外20%。如果情況是這樣，那麼工藝進行到步驟U以及在核查電解質水平後將HF添加到電解質中(可能的話)並如上所述進行到步驟T。如果相反，氨量不高於電解質目標範圍的20%，則通過在步驟0中減少來自氨源34的氨的供料速率來提高陽極氣體混合物中的氟量。氨的供料速率可減少5-99%。在一些實施方式中，如果電解質水平足夠高於電解質的低水平值，則可能優選的是在步驟0中完全關掉到電解槽的氨供料以減少電解質組成返回到優選範圍所需要的時間。在一些實施方式中，電解質組成達到在電解質的目標範圍內的新的穩態可能需要幾分鐘，而在其他實施方式中，電解質濃度達到電解質的目標範圍內的新的穩態所需要的時間可能為幾個小時。對於達到新穩態的時間預期較短的一種或多種調節，可以減小步驟T中的時間間隔。如果電解質組成嚴重超出範圍外，更具體地說，氨和/或HF的濃度在電解槽的目標組成範圍外20%以上，則通過單獨調節氨供料使組成達到目標範圍可能要長的時間(例如幾個小時)。在這種情形下，可能希望同樣通過如上所述的提高電解質水平的步驟U進行提高電解質中HF量的步驟。(同時進行步驟U和步驟0的工藝未顯示在圖4中。)如上對於步驟U所述的，不可超過最大電解質水平。在本發明的其他實施方式中，可能希望同時進行多個步驟以提高陽極產物氣體中的氟濃度。例如，可以降低電解質溫度(如在圖4所示的工藝步驟R中)，同時減少氨供料速率(如圖4的步驟0中)。在另一實施方式中，可通過添加HF來提高水平設定點(如圖 4的步驟U中)，而同時減少氨的供料速率(如圖4的步驟0中)。在一些實施方式中，如果需要提高陽極產物氣體中的氟水平，不是按照上述步驟， 可能優選的是通過流量控制閥43將氟氣體從外部來源40 (如容納氟的圓筒)或從發生器 (如產生氟的電解槽)引入陽極室。(產生氟的電解槽中的電解質可包括不包含氨而含HF 的熔融鹽電解質)。或者，可將氟引入陽極室的底部(未示出)。在一些實施方式中，可能優選的是增加如圖3所示的步驟，即如果測定陽極產物氣體中的危險混合物，也就是完全在目標範圍以外的濃度，則工藝可包括從具有流量控制閥49的外部來源48 (例如容納氮、氬、氦、六氟化硫的圓筒)將惰性氣體(如氮、氬、氦、六氟化硫)引入陽極室的額外步驟，以充分稀釋陽極產物氣體而減少形成可燃混合物的可能性。在其他實施方式中，當檢測危險混合物時，該工藝還包括完全關掉電解槽設備同時利用惰性氣體吹掃陽極產物氣體並通知操作者的步驟。在此描述的控制過程可在電解槽運行的啟動和關閉時使用，然而它們大多數用於電解槽的長期生產運行過程中。通過使用本發明的設備和控制過程以及在電解槽的運行期間對氟調節手段進行小增量的調節，電解槽能夠在不關閉和重新啟動的情況下安全地長期生成NF3。實施例在下面實施例中所用的電化學槽由A. P. Huber>J. Dykstra和B. H. Thompson的" Multi-ton Production of Fluorine for Manufacture of Uranium Hexafluoride", Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy，Geneva Switzerland，1958 年 9 月 1-13 記載。使用了與Huber等人所用的類似的32個陽極片的電解槽和除了少四個片以外與32陽極片電解槽類似的28個陽極片的電解槽。陽極片是來自Graftech International的YBD-XX級,尺寸為2英寸X 8英寸X 20英寸。電解槽的槽體由Monel 製造，高度為30英寸，寬度為32 英寸和長度為74英寸。對於32個陽極片的電解槽的投影陽極面積為5. 264m2，以及對於28 個陽極片的電解槽的投影陽極面積為4. 606m2。三元電解質由20wt%的NH4F和46. Owt% 的KF構成和HF比為I. 5。實施例I :
15
啟動上述的28陽極片的電解槽並在表I所述的溫度和電流下運行。陽極產物氣體的組成也顯示在該表中。該實施例顯示通過改變溫度和電流，可調節陽極產物氣體中的氟。當在NF3大於IOmol %的任何組成中氫等於或接近5m0l%時，即認為氣體混合物是可燃的。在啟動步驟I到4中，電解槽條件使得未測得陽極氣體中的氟且氫以可燃或接近可燃的濃度存在於陽極氣體混合物中。(氮氣用作吹掃氣體和陽極產物氣體的稀釋劑以使電流聞達3000A而最小化與陽極廣物氣體中氧的存在有關的危險)。在電流聞達1498A的實施例中，觀察到在陽極產物氣體中存在氫而不存在氟(或在可檢測限以下)。當電流提高到 1750A和2000A時，在陽極產物氣體中觀察到氟而沒有氫。在3000A以上電流下，關掉氮吹掃氣體以及可以將電解質維持在較高溫度下以允許在陽極產物氣體中有較高的NF3生成以及存在足夠量的氟。當選擇條件以使氟等於或大於約0.5mOl%時，避免了氫的存在且陽極氣體混合物是不可燃的。表I
權利要求
1.一種用於製備三氟化氮的電解設備，包括槽體、電解質、至少一個生成陽極產物氣體的陽極室、至少一個陰極室和一個或多個氟調節手段，以通過調節所述陽極產物氣體中的氟濃度使所述陽極產物氣體中的氟或氫維持在目標量範圍內，優選所述一個或多個氟調節手段選自電流、溫度、電解質的組成和外部氟氣體供給的氟流量。
2.一種控制用於製備三氟化氮的電解設備的方法，包括如下步驟(a)分析陽極產物氣體；(b)確定所述陽極產物氣體中氫或氟是否在目標量範圍內；以及如果是在目標量範圍內則進行下面的步驟⑷；(C)調節氟調節手段中的一個或多個以調節所述陽極產物氣體中的氟水平，優選所述一個或多個氟調節手段選自施加到電解槽的電流、電解質的溫度、電解質的組成和從氟氣體供給所述設備的流量；以及(d)重複步驟(a)-(d)。
3.如權利要求2的方法，進一步包括在所述電化學槽的運行期間在生成三氟化氮產物的同時重複步驟(a)-(d)的步驟(d)。
4.如權利要求2或3的方法，其中在步驟(c)中調節一個以上的氟調節手段。
5.如權利要求2-4中任一項的方法，其中所述一個或多個氟調節手段選自施加到電解槽的電流，條件是所述電流被調節時所述電流不在所述電流的目標範圍之外；電解質的溫度，條件是所述溫度被調節時所述溫度不在所述溫度的目標範圍之外；電解質的組成，條件是所述電解質組成被調節時，所述組成不在所述組成的目標範圍之外且電解質水平保持在所述電解質水平的最大和最小水平之間；以及氟氣供給的氣流，條件是對其進行調節時所述流速不在所述氟的目標範圍之外。
6.如權利要求2-5中任一項的方法，其中進一步地當在步驟(b)中測定所述氟量在目標量以下或氫在目標量以上時，步驟(C)的所述調節一個或多個所述氟調節手段是一個或多個如下步驟向電解質添加氟化氫；降低電解質中氨的量；降低操作溫度；提高施加到電解槽的電流量；和/或使氟的氣體流從氟氣供給流入電解槽中或陽極產物氣體流中；或者進一步地其中當在步驟(b)中測定所述氟量在目標量以上時，步驟(C)的所述調節一個或多個所述氟調節手段是一個或多個如下步驟減少電解質中氟化氫的量；提高電解質中氨的量；提高操作溫度；降低施加到電解槽的電流量；和/或減少或停止氟氣體流從氟氣體供給流入電解槽中或陽極產物氣體中。
7.如權利要求2-6中任一項的方法，進一步地其中步驟(b)中確定的所述目標量是0.l-5m0l%的氟，和/或步驟(b)中確定的所述目標量是少於5m0l%的氫。
8.如權利要求2-7中任一項的方法，其中所述調節步驟(c)進一步包括如下步驟(i)測量所述電解質組成並調節所述電解質組成，條件是在調節所述電解質組成後所述電解質組成保持在電解質組成的目標量內並在所述電解槽中電解質的最大和最小水平之間。
9.如權利要求8的方法，其中所述調節步驟(c)進一步包括如下步驟(ii)如果所述電解質組成不能被調節，則測量電解質的溫度並調節電解質的溫度，條件是所述調節時電解質的溫度保持在電解質的目標溫度範圍內。
10.如權利要求9的方法，其中所述調節步驟(c)進一步包括如下步驟(iii)如果所述電解質組成和所述溫度不能被調節，則調節施加到電解槽的電流，條件是調節時所述電流維持在所述電解槽的目標電流範圍內。
11.如權利要求10的方法，其中所述調節步驟(C)進一步包括如下步驟(iv)如果所述電解質組成、所述溫度和所述電流不能被調節，則向操作者發出信號；或者(iv)如果所述電解質組成、所述溫度和所述電流不能被調節，則調節進入陽極產物氣體中的氟流量。
12.如權利要求2-11中任一項的方法，其中如果在步驟(b)中檢測到陽極產物氣體中的危險氫水平，則所述方法將向所述陽極產物氣體加入惰性氣體。
13.如權利要求2-4任一項的方法，其中所述氟調節手段是電解質組成和溫度。
14.如權利要求5的方法，進一步其中步驟(b)中確定的目標量是O.l-5mol%的氟。
15.一種用於製備三氟化氮的電解系統，包括計算機和電解槽，所述電解槽包括槽體、 電解質、至少一個生成陽極產物氣體的陽極室、至少一個陰極室和一個或多個氟調節手段， 以通過調節所述陽極產物氣體中的氟濃度使所述陽極產物氣體中的氟或氫維持在目標量範圍內。
16.一種用於製備三氟化氮的電解設備，包括槽體、電解質、至少一個生成陽極產物氣體的陽極室、至少一個陰極室和一個或多個氟調節手段，以通過按照權利要求2-14任一項所述的方法調節所述陽極產物氣體中的氟濃度使所述陽極產物氣體中的氟或氫維持在目標量範圍內。
17.一種用於製備三氟化氮的電解系統，包括計算機和電解槽，所述電解槽包括槽體、 電解質、至少一個生成陽極產物氣體的陽極室、至少一個陰極室和一個或多個氟調節手段， 以通過按照權利要求2-14任一項所述的方法調節所述陽極產物氣體中的氟濃度使所述陽極產物氣體中的氟或氫維持在目標量範圍內。
全文摘要
本發明涉及用於製備三氟化氮的電解槽和系統，所述系統由計算機和電解槽構成，所述電解槽具有槽體、電解質、至少一個生成陽極產物氣體的陽極室、至少一個陰極室和一個或多個氟調節手段以通過調節所述陽極產物氣體中的氟濃度使所述陽極產物氣體中的氟或氫維持在目標量內。本發明還涉及控制該系統的方法。
文檔編號C25B9/00GK102605384SQ20121002826
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月18日 優先權日2011年1月18日
發明者E·J·西亞爾考斯基, H·P·小威瑟斯, J·J·哈特, K·雅姆布納桑, R·M·瑪查多, S-H·A·洛 申請人:氣體產品與化學公司