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环保绝缘气体七氟异丁腈(C4F7N)的制备


随着全球能源互联网的不断发展与创新,气体绝缘封闭组合电器(GIS)和气体绝缘输电线路(GIL)在电网中得到大量应用。作为GIS和GIL内部绝缘介质的SF6,因其极佳的绝缘和灭弧性能以及较低的液化温度而被认为是一种近乎理想的绝缘气体。然而,SF6是较强的温室效应气体,其温室效应潜能值(GWP)约是CO2的23500倍,大气寿命约为3200a,被列为《京都议定书》六种限排气体之一。由此,研发SF6替代气体成为迫在眉睫的任务。

3M公司长期致力于绝缘替代气体的研究,经过大量测试研发了七氟异丁腈(C4F7N)气体。该气体GWP值为2400,约为SF6的1/10,毒性较低,化学稳定性能优异,臭氧消耗潜能值(ODP)为0,大气中寿命约为22a,在一个大气压下绝缘强度约为SF6的2倍。但是,该气体液化温度较高,约为–4.7℃,需与 CO2气体混合使用。国外,GE 公司已研制出以C4F7N/CO2为环保绝缘气体的 420 kV GIS,但国内对新型绝缘气体研究起步较晚,对C4F7N制备技术公开报道较少。因此,采用何种新型有效的方法制备C4F7N,推动其制备技术的国产化成为亟需解决的难题。

(1)详细总结国内外C4F7N传统制备技术,分析各种方法的优缺点,工业生产难度和发展前景。其中以三氯–1,2,3–三嗪为原料法、以三氯–1,2,4–噻嗪为原料法和以全氟–2,5–二–异丙基–1,4–二氮杂环己–1,4–二烯为原料法的反应条件复杂,对反应设备要求高;以乙二腈为原料法的原料毒性较大、收率较低,不符合绿色化学的发展要求,工业生产难度大,发展前景一般。
(2)提出新型C4F7N制备技术,分析其优缺点,工业生产难度和发展前景。其中以七氟异丁酸甲酯为原料法、以氯甲酸酯为原料法、以碳酰氟为原料法以及以草酰氯为原料法具有反应条件简单、反应设备要求低、收率较高等特点,特别是以草酰氯为原料的制备技术,能够满足工业生产要求,具有良好的发展前景。

无论是传统还是新型C4F7N制备技术大都存在反应原料有毒和原子利用率低等问题。因此,采用绿色无毒原料、提高C4F7N收率将是制备技术发展的主要趋势,以后将开展2个方面的研究:
(1)在设计C4F7N制备技术过程中以绿色合成为导向,将理论计算与实验相结合,筛选获得难度低、环境污染小和毒性低的反应原料。
(2)为进一步提高原子利用率,一方面,改进现有制备技术,深入探究原料配比、催化剂、反应溶剂和反应温度对C4F7N收率的影响,确定最佳反应条件,提高反应收率;另一方面,借助理论计算设计C4F7N合成路径,减少合成步骤,提高原子利用率。

目前,我国已经研发出C4F7N/CO2混合气体替代六氟化硫气体绝缘,期待它的广泛应用!


纽瑞德气体知识展示图2


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