電解制氟技術(shù)研究進(jìn)展

何雙材，倪航，項(xiàng)文勤，陳明炎

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

電解制氟技術(shù)由Moissan 于1886 年發(fā)現(xiàn)[1]，自20 世紀(jì)40 年代正式工業(yè)化生產(chǎn)氟氣，經(jīng)過(guò)100 多年的發(fā)展，關(guān)于電解制氟的研究仍經(jīng)久不衰，主要因?yàn)榉鸀殡娯?fù)性最強(qiáng)的非金屬元素，具有一些特殊的性質(zhì)和極為獨(dú)特的反應(yīng)活性，在一些特殊的領(lǐng)域具有不可替代的作用[2]。進(jìn)入21 世紀(jì)，高純度的氟氣直接用于太陽(yáng)能、半導(dǎo)體等制造工藝[3]。氟氣還可作為原料用于直接氟化法一步合成全氟化或選擇性氟化的化合物，可通過(guò)微反應(yīng)器控制大量反應(yīng)熱[4]，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，也越來(lái)越引起業(yè)內(nèi)人士的重視。因此，科研技術(shù)人員進(jìn)行了長(zhǎng)期、持續(xù)深入的研究，主要關(guān)注的領(lǐng)域有制氟電解槽模擬、電解制氟用的陽(yáng)極和電解工藝。本文綜述了電解制氟模擬研究進(jìn)展，特別是隨著近年來(lái)工業(yè)模擬軟件的提升，對(duì)制氟機(jī)理進(jìn)行深入的研究以及電解制氟工藝的研究進(jìn)展。

1 基于有限元多物理場(chǎng)對(duì)電解制氟的仿真模擬

電解制氟基本原理為對(duì)熔融狀態(tài)的KF·nHF(n=2～3)電解質(zhì)進(jìn)行電解，陽(yáng)極產(chǎn)生氟氣，同時(shí)陰極副產(chǎn)氫氣[2]。產(chǎn)生氟氣的過(guò)程伴隨著陰極、陽(yáng)極氣體和液態(tài)電解質(zhì)流體流動(dòng)，以及電能傳遞、傳熱、傳質(zhì)等過(guò)程。由于電解槽處于密閉系統(tǒng)且電解質(zhì)不透明，無(wú)法直接觀察內(nèi)部流體流動(dòng)等物理現(xiàn)象，特別是無(wú)法直接觀測(cè)陽(yáng)極氟氣的生成、積聚、脫離等詳細(xì)狀況從而改進(jìn)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)等，實(shí)際電解制氟氣必須在復(fù)雜和特殊的安全條件下進(jìn)行，存在高溫、強(qiáng)腐蝕、高活性物質(zhì)易發(fā)生燃燒或爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。以前的研究人員必須借助一些特殊設(shè)備對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，如采用高速攝像機(jī)觀察陽(yáng)極氟氣的生成和脫離過(guò)程等。近年來(lái)，隨著計(jì)算科學(xué)的發(fā)展，多物理場(chǎng)的有限元模擬得到廣泛應(yīng)用，仿真結(jié)果也越來(lái)越接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法或測(cè)試方法的使用。多物理場(chǎng)模型用于制氟電解槽各種工況和物理效應(yīng)進(jìn)行虛擬分析和仿真，對(duì)于理解電解過(guò)程、設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)備以及改進(jìn)工藝都大有裨益。

Roustan 等[5]使用基于Galerkin 有限元法的商業(yè)軟件工具Flux ExpertR(F.E.)，構(gòu)建示意性工業(yè)單元的制氟電解槽，模擬工業(yè)制氟電解槽中的電性能、熱性能、質(zhì)量流量，獲得電解槽的等電位曲線和電流密度分布，模擬結(jié)果與電位測(cè)量結(jié)果之間的一致性達(dá)到95%，基本反映了電解槽的真實(shí)電行為。電解槽的熱行為仿真，忽略內(nèi)部平流，用電解質(zhì)實(shí)際熱導(dǎo)率K 值計(jì)算溫度分布（等溫線），發(fā)現(xiàn)模型溫度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值不一致，人為地將K 值增加到20 W/(m·K)時(shí)符合觀測(cè)。基于忽略氣泡效應(yīng)的假設(shè)，對(duì)電解槽流體動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了模擬，用自由對(duì)流建模報(bào)道了電解槽內(nèi)部速度矢量。

改變陰極的狹縫結(jié)構(gòu)（如狹縫的位置、傾斜度、尺寸和數(shù)量）對(duì)氫氣泡向陰極后部逸出具有明顯的影響，可減少電極之間的歐姆電壓損失。Jin 等[6]采用有限元方法對(duì)制氟電解槽內(nèi)的流體速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真模擬?；诹黧w動(dòng)力擴(kuò)散的機(jī)理，研究了不同陰極結(jié)構(gòu)電解槽內(nèi)流體速度場(chǎng)和氫氣氣泡軌跡。模擬結(jié)果表明，僅在陰極上半部分帶有狹縫比在整個(gè)陰極上帶有狹縫更能有效地去除陰極背面的氣泡；狹縫傾斜大于40°不會(huì)對(duì)氣泡的去除產(chǎn)生顯著影響；將寬度增加6 mm以上不會(huì)顯著提高狹縫去除氣泡的效率；盡管將狹縫數(shù)量增加到3 個(gè)以上，狹縫去除氣泡的效率略有提高，但效果不明顯。通過(guò)計(jì)算氣泡的標(biāo)準(zhǔn)化分布函數(shù)進(jìn)行定量檢驗(yàn)表明，陰極結(jié)構(gòu)對(duì)陰極附近的流型和氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡都有顯著影響。

法拉第電流效率是電解制氟的一個(gè)重要參數(shù)，提升電流效率可節(jié)約能源、降低氟氣制備成本。Espinasse 等[7]考慮流體動(dòng)力學(xué)因素，研究了中試規(guī)模制氟電解槽中氫氣泡內(nèi)部運(yùn)動(dòng)對(duì)電流效率的影響，發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)對(duì)電解槽的電流效率有實(shí)際影響。該模型闡明了氫氣氣泡直徑對(duì)法拉第電流效率的影響，結(jié)果表明：電流效率隨著氣泡直徑的增大而降低。因?yàn)闅馀葜睆捷^大時(shí)，微小的氫氣氣泡更容易被電解液對(duì)流吸引，使氫氣羽狀流變得更大，更多的氫氣氣泡可以進(jìn)入氟氣室。還模擬了法拉第電流效率隨電流強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明：電流增加，電流效率降低。因?yàn)樵诘碗娏飨拢糜诜蛛x氣體的裙板是有效的；電流越強(qiáng)，擴(kuò)散到電池左上角的氫氣泡羽狀流越大；在較高電流下，相當(dāng)一部分氫氣泡會(huì)進(jìn)入氟氣室，在氟氣室中氫氣與氟氣重新結(jié)合，導(dǎo)致電解槽的總電流效率下降。

制氟電解槽的溫度需要控制在合適范圍，槽溫太高，會(huì)加快電解槽各元件的腐蝕速率；槽溫太低，電解質(zhì)會(huì)在陰極上固化，形成絕緣性的固體，并減少活性區(qū)域，這被稱為陰極極化（cathodic polarization,CP）。一般電解槽的操作溫度比電解質(zhì)的凝固溫度高幾度，如果不嚴(yán)格控制工藝溫度，可能會(huì)發(fā)生CP。另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是電解質(zhì)熔鹽的成分，因?yàn)槎w系KF/HF 的凝固溫度與HF 濃度密切相關(guān)。Vukasin 等[8]使用COMSOL MultiphysicsR建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的制氟電解槽的二維模型，耦合陰極極化過(guò)程涉及到的兩相流、相變傳熱、傳質(zhì)和電動(dòng)力學(xué)這幾個(gè)物理現(xiàn)象，評(píng)估HF 濃度和電流密度對(duì)陰極過(guò)電壓的影響。該研究建立了耦合傳熱、電動(dòng)力學(xué)、兩相流和傳質(zhì)的二維模型，進(jìn)行瞬態(tài)模擬，表明陰極界面處輕微HF 耗盡導(dǎo)致CP 現(xiàn)象。在低電流密度時(shí)更容易發(fā)生CP 現(xiàn)象，高電流密度限制了電解質(zhì)在陰極上的凝固，更高的電流密度雖然意味著更高的局部HF 消耗，但也意味著陰極界面釋放出更高的熱量，更高的析氫速率，及由此引起的更強(qiáng)烈的局部對(duì)流，增加局部傳質(zhì)、傳熱速率。高HF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也更不容易發(fā)生CP 現(xiàn)象，是由于電解質(zhì)凝固點(diǎn)降低，避免了電解質(zhì)在陰極表面的凝固。還將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，用該模型得到的初步結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

Pretorius 等[9]在多物理場(chǎng)制氟電解槽仿真研究中為了避免Roustan 等[5]基于忽略氣泡效應(yīng)的假設(shè)建模的局限性，考慮層流泡狀流物理界面對(duì)瞬態(tài)泡狀流進(jìn)行建模，使用電子和熱傳遞的預(yù)定實(shí)驗(yàn)值，研究了兩相動(dòng)量傳遞，將電子、熱、質(zhì)量和兩相動(dòng)量傳遞四個(gè)耦合傳遞過(guò)程都包含在一個(gè)單一的耦合模型中，進(jìn)一步提高模型的精確性。首先，通過(guò)與已發(fā)表的氟電解槽模擬進(jìn)行比較，對(duì)建模技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估。模擬用Roustan 等[5]和Espinasse 等[7]已發(fā)布的氟電解槽兩相動(dòng)量傳遞結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了類似的羽流形狀。然而，預(yù)測(cè)的氣體分?jǐn)?shù)明顯較低，但得到了照片證據(jù)的支持；模擬了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的氟電解槽，該電解槽采用完全耦合的基本電子、熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞（兩相）方程進(jìn)行瞬態(tài)模擬。得到了反應(yīng)器內(nèi)電流密度、電場(chǎng)、溫度、反應(yīng)物濃度、氣液速度分布以及氣體分?jǐn)?shù)分布的流體動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)結(jié)果。模擬電解液內(nèi)的電勢(shì)、電勢(shì)輪廓線和電流密度分布，發(fā)現(xiàn)電極尖端和氟氣-氫氣分離裙部位的電流密度值較高。動(dòng)量傳遞模擬顯示了一個(gè)發(fā)育良好的氫氣羽流，從陰極上發(fā)生分離，很少或沒(méi)有氫氣轉(zhuǎn)移到氟氣室；分離器裙部和反應(yīng)器右上角陰極之間的旋轉(zhuǎn)液相渦流證明氫氣運(yùn)動(dòng)引起電解液運(yùn)動(dòng)（圖1）。這種渦流的作用是在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)引起對(duì)流攪拌，增加傳熱和傳質(zhì)，從而增加電流密度和反應(yīng)速率，說(shuō)明氫氣氣相運(yùn)動(dòng)（由浮力引起）與液相運(yùn)動(dòng)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。這些觀察結(jié)果與在工業(yè)和其他實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電解槽中觀察到的結(jié)果吻合。傳熱模擬方面，從內(nèi)部溫度分布結(jié)果可以看出，熱通量的路徑與電解質(zhì)對(duì)流路徑基本相同（圖1）。這表明熱傳導(dǎo)可忽略不計(jì)，對(duì)流傳熱是主要的傳熱模式，將熱量從電極尖端和分離裙部帶走，并將熱量傳遞到冷卻后的電解槽壁。傳質(zhì)模擬方面，模擬了反應(yīng)物溶解氟化氫濃度和通量矢量圖，顯示出HF 在陰極消耗、在陽(yáng)極產(chǎn)生；陰極消耗產(chǎn)生的濃度梯度以擴(kuò)散的形式對(duì)通量起作用，消耗的HF 比產(chǎn)生的HF 多；通量的次要貢獻(xiàn)者是由電場(chǎng)引起的對(duì)流和遷移。

圖1 反應(yīng)器內(nèi)的液相速度仿真[9]

2018 年，Oosthuizen 等[10]在前述模型只考慮單一氣體（陰極氫氣）的存在或密度特性的基礎(chǔ)上，為了得到更真實(shí)的結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，將兩種氣體產(chǎn)品（陰極氫氣和陽(yáng)極氟氣）的流量均包含在各自的氣體特性中。從二維平行電極幾何形狀獲得的結(jié)果與文獻(xiàn)中發(fā)表的結(jié)果相似。從新的建模嘗試中獲得的有價(jià)值的見(jiàn)解是：當(dāng)使用鎳陽(yáng)極時(shí)，可以看到清晰的氣體羽流，但在電解槽的對(duì)流模式中存在一些夾帶產(chǎn)生的氟，因此可能會(huì)出現(xiàn)一些氟氣與氫氣發(fā)生反應(yīng)。模型中加入空間相關(guān)的氣體特性，可以觀察到電解液中與以前的模擬觀察到的“羽狀流型”有所不同的振蕩流型（oscillating flow）（圖2），可以預(yù)測(cè)電解槽中心的混合更加劇烈。對(duì)于電池3D Pauling 幾何結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果，陽(yáng)極上的可逆電位和過(guò)電位都是可見(jiàn)的，陽(yáng)極和陰極上的活性區(qū)域與傳質(zhì)有關(guān)，電流分布產(chǎn)生的氣體流量的氣體分?jǐn)?shù)圖可以觀察到形態(tài)良好的氫氣釋放羽流。然而3D Pauling 模型仍然產(chǎn)生一些數(shù)值差異。

圖2 使用空間相關(guān)氣體密度時(shí)的液相速度(m/s)[10]

目前，已公開(kāi)的制氟電解槽模擬研究基本以二維模型為主，三維仿真仍在探索之中。二維模型研究中電解槽陽(yáng)極一般假設(shè)為鎳陽(yáng)極，但現(xiàn)實(shí)中一般使用碳陽(yáng)極，存在更為復(fù)雜的相互作用；還存在一些其他假設(shè)，如陽(yáng)極為二維結(jié)構(gòu)且無(wú)限長(zhǎng)，有的研究還忽略了隔膜等。未來(lái)的研究方向是使用3D Pauling 單元幾何體的完全耦合建模，模擬真實(shí)狀態(tài)的電解槽，對(duì)電解過(guò)程各物理場(chǎng)全耦合，進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)、優(yōu)化工藝和電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 制氟設(shè)備和工藝研究進(jìn)展

隨著中溫電解制氟工藝技術(shù)的發(fā)展，為了更安全、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)地制備氟氣，或者為了獲得純度更高的氟氣，需要持續(xù)對(duì)設(shè)備和工藝技術(shù)改進(jìn)提升。這方面研究主要有電解槽氟化氫加料集中化、自動(dòng)化，電解槽液面檢測(cè)和保持液面穩(wěn)定，電解質(zhì)回收循環(huán)利用，集成化便攜式微小型以及大容量電解制氟裝置等。

原料氟化氫需要隨著電解的進(jìn)行持續(xù)地定量補(bǔ)加，發(fā)展趨勢(shì)是集中化、自動(dòng)化供料，以及防止氟化氫加料管堵塞。張凱等[11-12]報(bào)道了制氟電解槽液態(tài)氟化氫集中供料裝置和方法，采用集中供料方式，依據(jù)電解槽的酸度，自動(dòng)集中補(bǔ)料。張奎等[13]報(bào)道了一種電解槽自動(dòng)加氟化氫的裝置，能連續(xù)不斷地向中溫制氟電解槽內(nèi)補(bǔ)加HF，使電解液酸度基本穩(wěn)定在最佳值附近，維持電解槽陰極與隔膜之間的電壓保持穩(wěn)定，減少了電能的消耗，還能防止電解液酸度過(guò)高造成碳陽(yáng)極的使用壽命縮短，降低生產(chǎn)成本。田中則之等[14]報(bào)道了一種防止氟化氫加料管堵塞的方法，在氟化氫供料管上設(shè)置常閉閥，迂回管上為常開(kāi)閥，當(dāng)氟化氫供料關(guān)閉時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)迂回管上的常開(kāi)閥，使原料供給配管內(nèi)的壓力與電解槽陰極室內(nèi)的壓力均衡，避免電解質(zhì)倒吸堵塞氟化氫供料管。

中溫制氟電解槽一個(gè)重要參數(shù)是電解液液位，保持相對(duì)穩(wěn)定的合適的液位決定著電解槽的安全運(yùn)行。液位過(guò)高會(huì)減少陰陽(yáng)極腔室的容積從而影響陰極、陽(yáng)極氣體的聚集，甚至堵塞陰陽(yáng)極排氣管路，造成事故；液位過(guò)低，低于隔膜位置則會(huì)導(dǎo)致氟氣和氫氣劇烈反應(yīng)而降低氟氣法拉第產(chǎn)率，甚至發(fā)生爆炸，導(dǎo)致設(shè)備的損壞和安全事故，因此電解槽內(nèi)電解質(zhì)液面的準(zhǔn)確檢測(cè)和保持液位穩(wěn)定具有重要意義。東城哲朗等[15]報(bào)道了一種液面檢測(cè)裝置，通過(guò)點(diǎn)型傳感能夠?qū)﹃?yáng)極室和陰極室電解液的液位進(jìn)行5 個(gè)級(jí)別以上的檢測(cè)，能檢測(cè)出正常或異常的液面高度。閆達(dá)等[16]報(bào)道了一種新型的制氟電解槽液位控制裝置及控制方法，利用電解槽鼓泡攪拌系統(tǒng)內(nèi)氣體的壓力值判定液位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電解槽內(nèi)補(bǔ)加料情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了制氟電解槽難以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)液位及補(bǔ)料量控制的技術(shù)問(wèn)題。八尾章史等[17]報(bào)道了一種抑制電解槽液面水平波動(dòng)的方法，檢測(cè)陽(yáng)極、陰極室壓力，設(shè)置回流通路，自動(dòng)控制壓力，使陽(yáng)極、陰極腔室保持壓力恒定，可以在氟氣生成裝置起動(dòng)時(shí)抑制電解槽液面水平的變動(dòng)。

陽(yáng)極產(chǎn)生的氟氣持續(xù)導(dǎo)出，根據(jù)后端工藝要求進(jìn)行提純，分離氣體夾帶的固態(tài)電解質(zhì)和氟化氫等雜質(zhì)。發(fā)展趨勢(shì)是自動(dòng)控制電解槽陽(yáng)極腔室和氟氣管路的壓力，分離回收氟氣夾帶的氟化氫，防止氟氣管路堵塞。園部淳等[18]報(bào)道了一種氟氣發(fā)生裝置，可連續(xù)測(cè)量陰、陽(yáng)極腔室壓力，自動(dòng)控制安裝在陰極、陽(yáng)極相應(yīng)的氫氣、氟氣導(dǎo)出管上的流速控制閥的啟閉，使壓力保持在一定設(shè)定值附近相對(duì)穩(wěn)定。王兆敏[19]報(bào)道了一種制備高純氟氣的精制純化設(shè)備和方法，采用冷凝+精餾的模式對(duì)粗品氟氣進(jìn)行提純，純化效率高，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合工業(yè)化、連續(xù)化生產(chǎn)，所得氟氣的純度可以達(dá)到4N 以上，能夠滿足半導(dǎo)體行業(yè)的使用要求。閆達(dá)等[20]報(bào)道了一種用于電解制氟出氣管路防堵塞裝置，利用冷凝管外部的冷媒與冷凝管內(nèi)部的HF 發(fā)生熱交換，使HF 冷凝成液態(tài)后沿著冷凝管和電解槽出氣管路的內(nèi)壁沖刷電解質(zhì)固態(tài)粉塵并回流到電解槽中，從而有效解決了電解槽出氣管路容易堵塞的問(wèn)題。

降低成本方面，優(yōu)化槽型結(jié)構(gòu)，可提升電流效率、降低原料和能源消耗。采用冷凝法[21-23]和吸附法[24-25]脫除并回收陽(yáng)極、陰極氣體夾帶的大量氟化氫，減少環(huán)境污染，降低生產(chǎn)成本。對(duì)電解質(zhì)回收的研究，可循環(huán)利用廢電解質(zhì)，變廢為寶[26-27]。

安全性提升方面，主要需防止氟化氫、氟氣等危險(xiǎn)化學(xué)品意外泄漏和提高電解制氟裝置的自動(dòng)控制程度。平巖次郎等[28]報(bào)道了配備有容納電解槽的筐體的氟氣發(fā)生裝置。該筐體被分隔為包括容納電解槽的區(qū)段的2 個(gè)以上的區(qū)段。即使在氣體泄漏出來(lái)的情況下，也能使使用或產(chǎn)生的氣體盡可能不混合，而且不向外部泄漏，可以安全地處理；另外，維護(hù)和交換作業(yè)等也容易進(jìn)行。東城哲朗等[29]報(bào)道了電解制氟裝置的電流控制方法，測(cè)定在電解制氟裝置上施加一定電流后的陰極、陽(yáng)極之間的電壓變動(dòng)幅度，并一邊按照電壓變動(dòng)幅度改變投入電流量，一邊施加電流，無(wú)需靠人工操作就能夠持續(xù)維持最佳的電解狀態(tài)并穩(wěn)定操作。

針對(duì)制氟電解槽氟化氫和氟氣對(duì)碳鋼設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、設(shè)備正常使用壽命短的情況，可襯耐腐蝕層，如聚四氟乙烯、聚丙烯等，該耐腐蝕絕緣層達(dá)到絕緣和隔離作用[30]。還可以采用電鍍工藝形成一層鎳、鎳銅合金等耐腐蝕的鍍層，具有優(yōu)異的耐氟化氫和氟氣腐蝕的能力、良好的導(dǎo)電和傳熱性能[31-33]。

電解制氟裝置產(chǎn)能發(fā)展方向分為兩方面，一是適應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室或原位供氟氣需求向便攜式、微小型方向發(fā)展；另一方面是適應(yīng)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)需要的集成化、大容量電解制氟裝置。平巖次郎等[34]公開(kāi)了一種小型化電解制氟裝置，是一種具有電絕緣性、氣體密封性以及安全性優(yōu)異的溶融鹽電解裝置。林百志等[35]報(bào)道了一種便攜式全自動(dòng)高純氟氣生產(chǎn)裝置系統(tǒng)，包括采用集裝箱式設(shè)計(jì)集成于集裝箱上的數(shù)字化智能監(jiān)控管理系統(tǒng)裝置、自動(dòng)供料裝置、中溫電解制氟裝置、氟氣提純裝置、安全貯氣系統(tǒng)裝置、氫氣尾氣清潔處理裝置、泄漏報(bào)警及處理裝置。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)穩(wěn)定、安全可靠等特點(diǎn)，可按需求靈活組合配置，適用于各種實(shí)時(shí)供氟場(chǎng)所，減少了氟氣運(yùn)輸所產(chǎn)生的高額費(fèi)用。杜偉華等[36]報(bào)道了一種電流可達(dá)到10 kA 的大容量中溫制氟電解槽，進(jìn)一步對(duì)電解槽總體結(jié)構(gòu)、陽(yáng)極組件、換熱機(jī)構(gòu)、氟化氫加料系統(tǒng)等設(shè)計(jì)，電解電流可高達(dá)1.6～2 kA，且工藝參數(shù)易于控制，運(yùn)行穩(wěn)定[37]。大容量及超大容量制氟電解槽用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，節(jié)省固定資產(chǎn)投資，降低占地面積，生產(chǎn)成本更低，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 總結(jié)與展望

電解槽內(nèi)部電勢(shì)場(chǎng)、電流密度、陰陽(yáng)極氣體氣泡流動(dòng)引起電解液對(duì)流及由此引起的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程都影響著電解槽產(chǎn)生氟氣的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)研究這些課題非常困難，存在一定的危險(xiǎn)；采用仿真技術(shù)耦合電解槽多物理場(chǎng)，可以進(jìn)一步提升電解槽的電流效率、電流分布的合理性和優(yōu)化傳熱傳質(zhì)等。研究表明，二維模型制氟電解槽多物理場(chǎng)完全耦合是完成可能的，基本能仿真實(shí)驗(yàn)室電解槽內(nèi)電流密度、電場(chǎng)、溫度、反應(yīng)物濃度、氣液速度分布以及氣體分?jǐn)?shù)分布的流體動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)結(jié)果。在工業(yè)化生產(chǎn)中大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的制氟電解槽完全耦合仿真幾乎未見(jiàn)報(bào)道，三維模型仿真仍不夠成熟，將來(lái)可作為重點(diǎn)研究方向，用來(lái)指導(dǎo)電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制、工藝優(yōu)化、事故分析等。

對(duì)于電解制氟設(shè)備及工藝的改進(jìn)提升，可進(jìn)一步提升裝置的自動(dòng)化和智能化程度、安全環(huán)保性能、經(jīng)濟(jì)性等，將原本HSE 風(fēng)險(xiǎn)較大的生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程變?yōu)楦踩h(huán)保的過(guò)程。對(duì)多種規(guī)模、形式的設(shè)備和工藝組合的研究設(shè)計(jì)，以及耦合電解槽仿真模擬、陽(yáng)極技術(shù)提升、制備設(shè)備和工藝的改進(jìn)，可促進(jìn)氟氣大規(guī)模應(yīng)用于氟氣直接氟化制備含氟化合物[38-39]、CVD 制程中替代高溫室效應(yīng)氣體[40-41]、聚合物表面氟化改性[42]等的生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)研究的多種應(yīng)用場(chǎng)景，預(yù)期將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，值得深入研究。