用於淨化磷酸的結晶塔的製作方法

2023-06-22 03:35:31

專利名稱：用於淨化磷酸的結晶塔的製作方法
技術領域：
本發明屬於磷酸淨化裝置，特別涉及一種採用熔融結晶法淨化磷酸的結晶塔。
背景技術：
熔融結晶法淨化磷酸的裝置包括普通夾套式結晶器、蛇管冷卻結晶器、層式結晶器和液膜結晶塔等。普通夾套式結晶器與蛇管冷卻結晶器是將冷卻介質通入夾套或蛇管， 通過間壁換熱，使磷酸溶液冷卻結晶，此類冷卻結晶器換熱面很容易結垢，從而導致傳熱效果差，生產能力小，此外，雖然經過多次重結晶操作可達到純度要求，但產品收率低，操作步驟繁雜，不便在工業生產中採用。層式結晶器和液膜結晶塔用於淨化磷酸，所述磷酸物料在層式結晶器和液膜結晶塔內循環，結晶提純，但是此類結晶起工藝要求嚴格，必須在嚴格的控溫曲線條件下操作，而且需要多次操作才能達到純度要求，不便於連續生產，且淨化磷酸收率仍然不高。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種用於淨化磷酸的新型結晶塔， 以提高淨化磷酸的收率，降低生產能耗，簡化操作，便於工業化生產。本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔，包括塔體、攪拌器、加熱器和驅動機構，所述塔體分為冷卻結晶段、分離提純段和晶體熔融段，冷卻結晶段位於塔體上部，晶體熔融段位於塔體下部，分離提純段位於冷卻結晶段與晶體熔融段之間，塔體的冷卻結晶段下部設置有進料口和冷凍劑入口，所述冷凍劑入口位於進料口之上，塔體的冷卻結晶段上部設置有殘液及冷凍劑排放口，塔體的晶體熔融段底部設置有淨化磷酸出口，所述攪拌器為一根，其主體部分安裝在塔體內，其一端伸出塔體與驅動機構的減速器連接，所述加熱器安裝在塔體上並位於塔體的晶體熔融段。為了增強半水磷酸晶體的沉降性能，使磷酸的提純過程穩定運行，最好將上述結構的結晶塔傾斜安裝，試驗表明，結晶塔塔體相對於鉛垂方向傾斜的角度Θ優選5° 20°。本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔，其塔體為筒狀體，所述筒狀體的底部製作材料為聚四氟乙烯，周邊製作材料為聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的任一種。本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔，優選以下結構的攪拌器所述攪拌器包括骨架、套筒、槳葉和刮件，槳葉為多片，各片槳葉的兩端均安裝有一刮件，套筒的數量=槳葉的數量+1，所述套筒與槳葉交替套裝在骨架上，且套筒與槳葉之間設置有密封圈，各套筒、槳葉通過骨架端部的螺紋段與螺母的組合實現固定。上述結構的攪拌器，其槳葉的數量根據骨架槳葉安裝段的長度決定，以滿足相鄰槳葉之間的間距在50 200mm為限，其槳葉優選類似於菱形的形狀，所述槳葉中心部位設置有用於連接骨架的孔，其兩端分別設置有用於安裝刮件的孔，兩安裝刮件的孔以連接骨架的孔的中心線為軸對稱；所述刮件為兩段直徑不同的圓柱體構成的階梯軸形狀，其中直
3徑相對較小的一段圓柱體插裝並固定在槳葉兩端設置的孔中；構成刮件的直徑相對較大的一段圓柱體的外側與塔體內壁之間的間隙為I 3mm。所述骨架由不鏽鋼製作，所述套筒、 槳葉和刮件用聚四氟乙烯製作。本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔，其加熱器由筒狀基體、安裝在筒狀基體上的加熱電阻和測溫熱電偶構成，所述筒狀基體由導熱性能優良的金屬材料製作。本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔，提純機理主要有重結晶、逆流洗滌、發汗(晶體在稍高於一次結晶的溫度時，其內部的低熔點雜質不斷熔化而滲出的現象即為發汗，發汗使晶體得到進一步純化)，工作原理如下待淨化的磷酸溶液由結晶塔的進料口進入塔內，與來自塔底的熱熔融磷酸液一起向上運動進入所述冷卻結晶段，在冷卻結晶段，磷酸溶液與冷凍劑直接接觸，當其被冷卻至結晶溫度時析出磷酸晶體，所析出的磷酸晶體在重力的作用下向下運動依次進入分離提純段和晶體熔融段，磷酸晶體在分離提純段進行發汗提純，同時被來自晶體熔融段的熔融磷酸液進行逆流洗滌，因而磷酸晶體的純度越來越高；進入晶體熔融段的磷酸晶體被融化， 一部分作為產品排出，一部分作為回流上升。半水磷酸晶體在結晶塔內不斷重複結晶-熔化-結晶過程，即可實現提純。本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔，其操作如下將一定溫度的待淨化磷酸溶液通過輸送泵輸入結晶塔內，當結晶塔內充滿磷酸溶液後，關閉輸送泵，開啟結晶塔的攪拌器進行攪拌，然後通過由泵、換熱器、分相容器組成的系統將冷凍劑輸入結晶塔的冷卻結晶段，再按工藝所要求的降溫速率將冷凍劑的溫度降至工藝所要求的溫度對磷酸溶液進行冷卻，並使冷凍劑在結晶塔冷卻結晶段與分相容器之間的循環，當冷卻結晶段的磷酸溶液冷卻至過飽和狀態時將磷酸晶種加入冷卻結晶段，當冷卻結晶段不再產生新的晶體時，開啟輸送泵將待淨化的磷酸溶液繼續輸入結晶塔，當結晶塔內晶體床層堆積至冷卻結晶段下端時關閉輸送泵、開啟結晶塔的加熱器，控制結晶塔晶體熔融段溫度在所需的溫度，當從晶體熔融段底部的淨化磷酸出口所取磷酸樣品恆定達到淨化磷酸所規定的標準時，則連續將待淨化的磷酸溶液輸入結晶塔，並連續將已淨化磷酸輸出結晶塔。在由泵、換熱器、分相容器組成的系統的作用下，冷凍劑從冷凍劑入口進入結晶塔的冷卻結晶段，冷凍結晶過程所產生的殘液及在先進入冷卻結晶段的冷凍劑從殘液及冷凍劑排放口排出進入分相容器，在泵的作用下冷凍劑循環使用，通過設置在循環管路上的換熱器控制進入結晶塔的冷凍劑的溫度。本發明具有以下有益效果I、本發明所述結晶塔的結構符合熔融結晶法提純機理-重結晶、逆流洗滌和發汗，特別是能充分滿足發汗機理的要求，因而雜質脫除率高。2、本發明所述結晶塔的冷卻結晶段採用冷凍劑與待淨化磷酸直接接觸的冷卻方式，因而不僅冷卻效率高，可降低生產能耗，而且可有效避免冷卻結晶段結疤和母液溫度不勻。3、將本發明所述結晶塔傾斜一定角度安裝，可增強晶體的沉降性能，保證塔內固液兩相穩定逆流流動，提高分離提純效果。4、攪拌器的功率小、便於加工製作、成本低、易於放大。
5、本發明所述結晶塔不僅提純操作簡單，而且可連續化穩定生產，因而便於在工業生產中應用。


圖I是本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔的結構示意圖，圖中，a段為冷卻結晶段，b段為分離提純段，c段為晶體熔融段；圖2是本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔中攪拌器的結構示意圖；圖3是攪拌器中骨架的形狀、構造示意圖；圖4是圖3的俯視圖；圖5是攪拌器中套筒和密封圈的形狀、構造示意圖；圖6是圖5的B-B剖視圖；圖7是攪拌器中槳葉的形狀、構造示意圖；圖8是圖7的俯視圖；圖9是攪拌器中刮件的形狀、構造示意圖；圖10是圖9的俯視圖；圖11是本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔中加熱器的形狀、構造示意圖；圖12是圖11的A-A剖視圖。圖中，I-塔體，2-攪拌器(2-1 :骨架、2-2 :密封圈、2_3 :套筒、2_4 :槳葉、2_4_1 :連接骨架的孔、2-4-2 :安裝刮件的孔、2-5 :刮件)，3-冷凍劑入口，4-殘液及冷凍劑排放口，
5-減速器，6-電機，7-進料口 ；8_淨化磷酸出口，9-加熱器(9-1 :加熱電阻、9-2 :測溫熱電偶)，10_支架。
具體實施例方式下面結合附圖通過實施例對本發明所述用於淨化磷酸的結晶塔的結構和應用作進一步說明。實施例I本實施例中，用於淨化磷酸的結晶塔的結構如圖I所示，包括塔體I、攪拌器2、加熱器9和驅動機構。所述塔體I為圓筒狀體，其底部和周邊的製作材料均為聚四氟乙烯，塔體I分為冷卻結晶段a、分離提純段b和晶體熔融段C，冷卻結晶段位於塔體上部，其長度為O. 2m,晶體熔融段位於塔體下部，其長度為O. 15m，分離提純段位於冷卻結晶段與晶體熔融段之間，其長度為lm，塔體的冷卻結晶段下部設置有進料口 7和冷凍劑入口 3，所述冷凍劑入口位於進料口 7之上，塔體的冷卻結晶段上部設置有殘液及冷凍劑排放口 4，塔體的晶體熔融段底部設置有淨化磷酸出口 8。所述攪拌器2的結構如圖2所示，包括骨架2-1、套筒2-3、槳葉2_4和刮件2_5 ； 骨架2-1用316L不鏽鋼製作，為截面是正方形的柱體，其下端設置有螺紋段，如圖3、圖4所 /Jn ;套筒2-3用聚四氣乙糹布製作，為圓管結構，如圖5、圖6所不；獎葉2-4用聚四氣乙糹布製作，其形狀如圖7、圖8所示，類似於菱形，其中心部位設置有用於連接骨架的孔2-4-1，其兩端分別設置有用於安裝刮件的孔2-4-2，兩安裝刮件的孔以連接骨架的孔的中心線為軸對稱；刮件2-5用聚四氟乙烯製作，為兩段直徑不同的圓柱體構成的階梯軸形狀，如圖9、圖10 所示；骨架槳葉安裝段的長度為I. lm，槳葉的數量為8片，在骨架槳葉安裝段，相鄰槳葉之間的間距相同，均為100mm，刮件的數量是槳葉數量的兩倍，套筒的數量=槳葉的數量+1 ； 所述套筒與槳葉交替套裝在骨架上，且套筒與槳葉之間設置有密封圈2-2，各套筒、槳葉通過骨架2-1端部的螺紋段與螺母的組合實現固定；各片槳葉的兩端均安裝有一刮件，構成刮件的直徑相對較小的一段圓柱體插裝並固定在槳葉2-4兩端設置的孔中，構成刮件的直徑相對較大的一段圓柱體的外側與塔體內壁之間的間隙2mm。所述加熱器9由筒狀基體9-1、加熱電阻9-2和測溫熱電偶9_3構成，筒狀基體由導熱性能優良的鋁製作，加熱電阻9-2的數量以滿足加熱所需功率決定，各加熱電阻和測溫熱電偶安裝在筒狀基體上(見圖11、圖12)。所述驅動機構由電機6和減速器5組成，減速器為齒輪減速器。各部件的組裝方式塔體I安裝在支架10上，其安裝方式是相對於鉛垂方向傾斜15° (見圖I);攪拌器2為一根，其主體部分安裝在塔體內，其下端安裝在塔體底部設置的支座上，其上端伸出塔體與驅動機構的減速器5連接，加熱器9安裝在塔體上並環繞塔體的晶體熔融段。使用本實施例所述結晶塔用磷酸質量濃度為85%的工業級熱法磷酸製備電子級磷酸，所述工業磷酸中的雜質含量見表I。表I :工業級磷酸雜質含量
雜質含量(ppb)雜質含量(ppb)Li4819Co135Na4670Ni457Mg7030Cu42Al641Zn1632K106300As112900Ca22330Sr455Cr832Cd22Mn173Sb8830Fe5275Pb2566工藝步驟如下①脫砷在溫度為20°C的工業磷酸中加入五硫化二磷，在攪拌下(500r/min)於常壓20°C 反應120min,所述五硫化二磷的加入量為工業磷酸中所含砷的摩爾量的5倍,反應時間屆
6滿後，加入磷酸質量5%的硅藻土，靜置lOmin，然後抽濾，向抽濾所獲磷酸溶液中滴加雙氧水，雙氧水的滴加量為所述磷酸溶液質量的1%，繼後用O. Iym的濾膜過濾除去磷酸溶液中懸浮的固體顆粒，經檢測，處理後的磷酸中砷含量為427ppb ；②脫砷磷酸溶液的再處理在脫砷後的磷酸溶液中加入鹽酸溶液並混合均勻，然後加熱到21°C，所述鹽酸溶液的質量濃度為37%，鹽酸溶液的加入量以所含鹽酸達到磷酸溶液中磷酸質量的O. 2%為限；③用結晶塔淨化磷酸溶液將經步驟②處理後的溫度為21°C的磷酸溶液通過輸送泵從進料口 7輸入所述結晶塔內，當結晶塔內充滿磷酸溶液後，關閉輸送泵，開啟結晶塔的攪拌器2進行攪拌(6r/ min)，然後通過由泵、換熱器、分相容器組成的系統將溫度為21°C冷凍劑無味煤油從冷凍劑入口 3輸入結晶塔的冷卻結晶段，再按3°C /min的降溫速率將冷凍劑的溫度降至_5°C對磷酸溶液進行冷卻，並使冷凍劑在結晶塔冷卻結晶段與分相容器之間的循環，當冷卻結晶段的磷酸溶液冷卻至20°C (過飽和狀態時)將磷酸晶種從塔體頂部加入冷卻結晶段，磷酸晶種的加入量為冷卻結晶段磷酸溶液質量的10%，當所述冷卻結晶段不再產生新的晶體時， 開啟輸送泵將經步驟②處理後的磷酸溶液從過進料口 7繼續輸入結晶塔，當結晶塔內晶體床層堆積至冷卻結晶段下端時關閉輸送泵、開啟結晶塔的加熱器9，控制結晶塔晶體熔融段溫度在35°C，當從所述晶體熔融段底部的淨化磷酸出口 8所取磷酸樣品恆定達到表2所述電子級磷酸標準時，則連續將經步驟②處理後的磷酸溶液從進料口 7輸入結晶塔，並連續將電子級磷酸輸出結晶塔。本實施例所製備的電子級磷酸為磷酸質量濃度在91%的液體產品，單次收率可達到55. 1%，雜質含量見表2。表2 電子級磷酸雜質含量分析結果
權利要求
1.一種用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於包括塔體(I)、攪拌器(2)、加熱器(9)和驅動機構，所述塔體分為冷卻結晶段、分離提純段和晶體熔融段，冷卻結晶段位於塔體上部， 晶體熔融段位於塔體下部，分離提純段位於冷卻結晶段與晶體熔融段之間，塔體的冷卻結晶段下部設置有進料口(7)和冷凍劑入口(3)，所述冷凍劑入口位於進料口(7)之上，塔體的冷卻結晶段上部設置有殘液及冷凍劑排放口(4)，塔體的晶體熔融段底部設置有淨化磷酸出口(8)，所述攪拌器(2)為一根，其主體部分安裝在塔體內，其一端伸出塔體與驅動機構的減速器(5)連接，所述加熱器(9)安裝在塔體上並位於塔體的晶體熔融段。
2.根據權利要求I所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於塔體(I)相對於鉛垂方向傾斜的角度Θ為5° 20°。
3.根據權利要求I或2所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於塔體(I)為筒狀體，所述筒狀體的底部製作材料為聚四氟乙烯，周邊製作材料為聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的任一種。
4.根據權利要求I或2所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於攪拌器(2)包括骨架 (2-1)、套筒(2-3)、槳葉(2-4)和刮件(2-5)，槳葉為多片，各片槳葉的兩端均安裝有一刮件，套筒的數量=槳葉的數量+1，所述套筒與槳葉交替套裝在骨架上，且套筒與槳葉之間設置有密封圈(2-2)，各套筒、槳葉通過骨架(2-1)端部的螺紋段與螺母的組合實現固定。
5.根據權利要求4所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於所述槳葉(2-4)的數量根據骨架槳葉安裝段的長度決定，以滿足相鄰槳葉之間的間距在50 200mm為限，所述槳葉 (2-4)的形狀類似於菱形，其中心部位設置有用於連接骨架的孔(2-4-1)，其兩端分別設置有用於安裝刮件的孔(2-4-2)，兩安裝刮件的孔以連接骨架的孔的中心線為軸對稱；刮件(2-5)為兩段直徑不同的圓柱體構成的階梯軸形狀，其中直徑相對較小的一段圓柱體插裝並固定在槳葉(2-4)兩端設置的孔中；構成刮件的直徑相對較大的一段圓柱體的外側與塔體內壁之間的間隙為I 3mm。
6.根據權利要求4所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於所述骨架(2-1)由不鏽鋼製作，所述套筒(2-3)、槳葉(2-4)和刮件(2-5)用聚四氟乙烯製作。
7.根據權利要求5所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於所述骨架(2-1)由不鏽鋼製作，所述套筒(2-3)、槳葉(2-4)和刮件(2-5)用聚四氟乙烯製作。
8.根據權利要求I或2所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於加熱器(9)由筒狀基體(9-1)、安裝在筒狀基體上的加熱電阻(9-2)和測溫熱電偶(9-3)構成，所述筒狀基體由導熱性能優良的金屬材料製作。
9.根據權利要求3所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於加熱器(9)由筒狀基體 (9-1)、安裝在筒狀基體上的加熱電阻(9-2)和測溫熱電偶(9-3)構成，所述筒狀基體由導熱性能優良的金屬材料製作。
10.根據權利要求4所述用於淨化磷酸的結晶塔，其特徵在於加熱器(9)由筒狀基體 (9-1)、安裝在筒狀基體上的加熱電阻(9-2)和測溫熱電偶(9-3)構成，所述筒狀基體由導熱性能優良的金屬材料製作。
全文摘要
一種用於淨化磷酸的結晶塔，包括塔體、攪拌器、加熱器和驅動機構，所述塔體分為冷卻結晶段、分離提純段和晶體熔融段，冷卻結晶段位於塔體上部，晶體熔融段位於塔體下部，分離提純段位於冷卻結晶段與晶體熔融段之間，塔體的冷卻結晶段下部設置有進料口和冷凍劑入口，所述冷凍劑入口位於進料口之上，塔體的冷卻結晶段上部設置有殘液及冷凍劑排放口，塔體的晶體熔融段底部設置有淨化磷酸出口，所述攪拌器為一根，其主體部分安裝在塔體內，其一端伸出塔體與驅動機構的減速器連接，所述加熱器安裝在塔體上並位於塔體的晶體熔融段。
文檔編號C01B25/234GK102580345SQ201210011658
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者周堃, 李軍, 王保明, 羅建洪, 金央, 馬春磊, 齊亞兵 申請人:四川大學