专利名称：用于净化磷酸的结晶塔的制作方法
技术领域：
本发明属于磷酸净化装置，特别涉及一种采用熔融结晶法净化磷酸的结晶塔。
背景技术：
熔融结晶法净化磷酸的装置包括普通夹套式结晶器、蛇管冷却结晶器、层式结晶器和液膜结晶塔等。普通夹套式结晶器与蛇管冷却结晶器是将冷却介质通入夹套或蛇管， 通过间壁换热，使磷酸溶液冷却结晶，此类冷却结晶器换热面很容易结垢，从而导致传热效果差，生产能力小，此外，虽然经过多次重结晶操作可达到纯度要求，但产品收率低，操作步骤繁杂，不便在工业生产中采用。层式结晶器和液膜结晶塔用于净化磷酸，所述磷酸物料在层式结晶器和液膜结晶塔内循环，结晶提纯，但是此类结晶起工艺要求严格，必须在严格的控温曲线条件下操作，而且需要多次操作才能达到纯度要求，不便于连续生产，且净化磷酸收率仍然不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于净化磷酸的新型结晶塔， 以提高净化磷酸的收率，降低生产能耗，简化操作，便于工业化生产。本发明所述用于净化磷酸的结晶塔，包括塔体、搅拌器、加热器和驱动机构，所述塔体分为冷却结晶段、分离提纯段和晶体熔融段，冷却结晶段位于塔体上部，晶体熔融段位于塔体下部，分离提纯段位于冷却结晶段与晶体熔融段之间，塔体的冷却结晶段下部设置有进料口和冷冻剂入口，所述冷冻剂入口位于进料口之上，塔体的冷却结晶段上部设置有残液及冷冻剂排放口，塔体的晶体熔融段底部设置有净化磷酸出口，所述搅拌器为一根，其主体部分安装在塔体内，其一端伸出塔体与驱动机构的减速器连接，所述加热器安装在塔体上并位于塔体的晶体熔融段。为了增强半水磷酸晶体的沉降性能，使磷酸的提纯过程稳定运行，最好将上述结构的结晶塔倾斜安装，试验表明，结晶塔塔体相对于铅垂方向倾斜的角度Θ优选5° 20°。本发明所述用于净化磷酸的结晶塔，其塔体为筒状体，所述筒状体的底部制作材料为聚四氟乙烯，周边制作材料为聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的任一种。本发明所述用于净化磷酸的结晶塔，优选以下结构的搅拌器所述搅拌器包括骨架、套筒、桨叶和刮件，桨叶为多片，各片桨叶的两端均安装有一刮件，套筒的数量=桨叶的数量+1，所述套筒与桨叶交替套装在骨架上，且套筒与桨叶之间设置有密封圈，各套筒、桨叶通过骨架端部的螺纹段与螺母的组合实现固定。上述结构的搅拌器，其桨叶的数量根据骨架桨叶安装段的长度决定，以满足相邻桨叶之间的间距在50 200mm为限，其桨叶优选类似于菱形的形状，所述桨叶中心部位设置有用于连接骨架的孔，其两端分别设置有用于安装刮件的孔，两安装刮件的孔以连接骨架的孔的中心线为轴对称；所述刮件为两段直径不同的圆柱体构成的阶梯轴形状，其中直
3径相对较小的一段圆柱体插装并固定在桨叶两端设置的孔中；构成刮件的直径相对较大的一段圆柱体的外侧与塔体内壁之间的间隙为I 3mm。所述骨架由不锈钢制作，所述套筒、 桨叶和刮件用聚四氟乙烯制作。本发明所述用于净化磷酸的结晶塔，其加热器由筒状基体、安装在筒状基体上的加热电阻和测温热电偶构成，所述筒状基体由导热性能优良的金属材料制作。本发明所述用于净化磷酸的结晶塔，提纯机理主要有重结晶、逆流洗涤、发汗(晶体在稍高于一次结晶的温度时，其内部的低熔点杂质不断熔化而渗出的现象即为发汗，发汗使晶体得到进一步纯化)，工作原理如下待净化的磷酸溶液由结晶塔的进料口进入塔内，与来自塔底的热熔融磷酸液一起向上运动进入所述冷却结晶段，在冷却结晶段，磷酸溶液与冷冻剂直接接触，当其被冷却至结晶温度时析出磷酸晶体，所析出的磷酸晶体在重力的作用下向下运动依次进入分离提纯段和晶体熔融段，磷酸晶体在分离提纯段进行发汗提纯，同时被来自晶体熔融段的熔融磷酸液进行逆流洗涤，因而磷酸晶体的纯度越来越高；进入晶体熔融段的磷酸晶体被融化， 一部分作为产品排出，一部分作为回流上升。半水磷酸晶体在结晶塔内不断重复结晶-熔化-结晶过程，即可实现提纯。本发明所述用于净化磷酸的结晶塔，其操作如下将一定温度的待净化磷酸溶液通过输送泵输入结晶塔内，当结晶塔内充满磷酸溶液后，关闭输送泵，开启结晶塔的搅拌器进行搅拌，然后通过由泵、换热器、分相容器组成的系统将冷冻剂输入结晶塔的冷却结晶段，再按工艺所要求的降温速率将冷冻剂的温度降至工艺所要求的温度对磷酸溶液进行冷却，并使冷冻剂在结晶塔冷却结晶段与分相容器之间的循环，当冷却结晶段的磷酸溶液冷却至过饱和状态时将磷酸晶种加入冷却结晶段，当冷却结晶段不再产生新的晶体时，开启输送泵将待净化的磷酸溶液继续输入结晶塔，当结晶塔内晶体床层堆积至冷却结晶段下端时关闭输送泵、开启结晶塔的加热器，控制结晶塔晶体熔融段温度在所需的温度，当从晶体熔融段底部的净化磷酸出口所取磷酸样品恒定达到净化磷酸所规定的标准时，则连续将待净化的磷酸溶液输入结晶塔，并连续将已净化磷酸输出结晶塔。在由泵、换热器、分相容器组成的系统的作用下，冷冻剂从冷冻剂入口进入结晶塔的冷却结晶段，冷冻结晶过程所产生的残液及在先进入冷却结晶段的冷冻剂从残液及冷冻剂排放口排出进入分相容器，在泵的作用下冷冻剂循环使用，通过设置在循环管路上的换热器控制进入结晶塔的冷冻剂的温度。本发明具有以下有益效果I、本发明所述结晶塔的结构符合熔融结晶法提纯机理-重结晶、逆流洗涤和发汗，特别是能充分满足发汗机理的要求，因而杂质脱除率高。2、本发明所述结晶塔的冷却结晶段采用冷冻剂与待净化磷酸直接接触的冷却方式，因而不仅冷却效率高，可降低生产能耗，而且可有效避免冷却结晶段结疤和母液温度不匀。3、将本发明所述结晶塔倾斜一定角度安装，可增强晶体的沉降性能，保证塔内固液两相稳定逆流流动，提高分离提纯效果。4、搅拌器的功率小、便于加工制作、成本低、易于放大。
5、本发明所述结晶塔不仅提纯操作简单，而且可连续化稳定生产，因而便于在工业生产中应用。
图I是本发明所述用于净化磷酸的结晶塔的结构示意图，图中，a段为冷却结晶段，b段为分离提纯段，c段为晶体熔融段；图2是本发明所述用于净化磷酸的结晶塔中搅拌器的结构示意图；图3是搅拌器中骨架的形状、构造示意图；图4是图3的俯视图；图5是搅拌器中套筒和密封圈的形状、构造示意图；图6是图5的B-B剖视图；图7是搅拌器中桨叶的形状、构造示意图；图8是图7的俯视图；图9是搅拌器中刮件的形状、构造示意图；图10是图9的俯视图；图11是本发明所述用于净化磷酸的结晶塔中加热器的形状、构造示意图；图12是图11的A-A剖视图。图中，I-塔体，2-搅拌器(2-1 :骨架、2-2 :密封圈、2_3 :套筒、2_4 :桨叶、2_4_1 :连接骨架的孔、2-4-2 :安装刮件的孔、2-5 :刮件)，3-冷冻剂入口，4-残液及冷冻剂排放口，
5-减速器，6-电机，7-进料口 ；8_净化磷酸出口，9-加热器(9-1 :加热电阻、9-2 :测温热电偶)，10_支架。
具体实施例方式下面结合附图通过实施例对本发明所述用于净化磷酸的结晶塔的结构和应用作进一步说明。实施例I本实施例中，用于净化磷酸的结晶塔的结构如图I所示，包括塔体I、搅拌器2、加热器9和驱动机构。所述塔体I为圆筒状体，其底部和周边的制作材料均为聚四氟乙烯，塔体I分为冷却结晶段a、分离提纯段b和晶体熔融段C，冷却结晶段位于塔体上部，其长度为O. 2m,晶体熔融段位于塔体下部，其长度为O. 15m，分离提纯段位于冷却结晶段与晶体熔融段之间，其长度为lm，塔体的冷却结晶段下部设置有进料口 7和冷冻剂入口 3，所述冷冻剂入口位于进料口 7之上，塔体的冷却结晶段上部设置有残液及冷冻剂排放口 4，塔体的晶体熔融段底部设置有净化磷酸出口 8。所述搅拌器2的结构如图2所示，包括骨架2-1、套筒2-3、桨叶2_4和刮件2_5 ； 骨架2-1用316L不锈钢制作，为截面是正方形的柱体，其下端设置有螺纹段，如图3、图4所 /Jn ;套筒2-3用聚四氣乙纟布制作，为圆管结构，如图5、图6所不；奖叶2-4用聚四氣乙纟布制作，其形状如图7、图8所示，类似于菱形，其中心部位设置有用于连接骨架的孔2-4-1，其两端分别设置有用于安装刮件的孔2-4-2，两安装刮件的孔以连接骨架的孔的中心线为轴对称；刮件2-5用聚四氟乙烯制作，为两段直径不同的圆柱体构成的阶梯轴形状，如图9、图10 所示；骨架桨叶安装段的长度为I. lm，桨叶的数量为8片，在骨架桨叶安装段，相邻桨叶之间的间距相同，均为100mm，刮件的数量是桨叶数量的两倍，套筒的数量=桨叶的数量+1 ； 所述套筒与桨叶交替套装在骨架上，且套筒与桨叶之间设置有密封圈2-2，各套筒、桨叶通过骨架2-1端部的螺纹段与螺母的组合实现固定；各片桨叶的两端均安装有一刮件，构成刮件的直径相对较小的一段圆柱体插装并固定在桨叶2-4两端设置的孔中，构成刮件的直径相对较大的一段圆柱体的外侧与塔体内壁之间的间隙2mm。所述加热器9由筒状基体9-1、加热电阻9-2和测温热电偶9_3构成，筒状基体由导热性能优良的铝制作，加热电阻9-2的数量以满足加热所需功率决定，各加热电阻和测温热电偶安装在筒状基体上(见图11、图12)。所述驱动机构由电机6和减速器5组成，减速器为齿轮减速器。各部件的组装方式塔体I安装在支架10上，其安装方式是相对于铅垂方向倾斜15° (见图I);搅拌器2为一根，其主体部分安装在塔体内，其下端安装在塔体底部设置的支座上，其上端伸出塔体与驱动机构的减速器5连接，加热器9安装在塔体上并环绕塔体的晶体熔融段。使用本实施例所述结晶塔用磷酸质量浓度为85%的工业级热法磷酸制备电子级磷酸，所述工业磷酸中的杂质含量见表I。表I :工业级磷酸杂质含量
杂质含量(ppb)杂质含量(ppb)Li4819Co135Na4670Ni457Mg7030Cu42Al641Zn1632K106300As112900Ca22330Sr455Cr832Cd22Mn173Sb8830Fe5275Pb2566工艺步骤如下①脱砷在温度为20°C的工业磷酸中加入五硫化二磷，在搅拌下(500r/min)于常压20°C 反应120min,所述五硫化二磷的加入量为工业磷酸中所含砷的摩尔量的5倍,反应时间届
6满后，加入磷酸质量5%的硅藻土，静置lOmin，然后抽滤，向抽滤所获磷酸溶液中滴加双氧水，双氧水的滴加量为所述磷酸溶液质量的1%，继后用O. Iym的滤膜过滤除去磷酸溶液中悬浮的固体颗粒，经检测，处理后的磷酸中砷含量为427ppb ；②脱砷磷酸溶液的再处理在脱砷后的磷酸溶液中加入盐酸溶液并混合均匀，然后加热到21°C，所述盐酸溶液的质量浓度为37%，盐酸溶液的加入量以所含盐酸达到磷酸溶液中磷酸质量的O. 2%为限；③用结晶塔净化磷酸溶液将经步骤②处理后的温度为21°C的磷酸溶液通过输送泵从进料口 7输入所述结晶塔内，当结晶塔内充满磷酸溶液后，关闭输送泵，开启结晶塔的搅拌器2进行搅拌(6r/ min)，然后通过由泵、换热器、分相容器组成的系统将温度为21°C冷冻剂无味煤油从冷冻剂入口 3输入结晶塔的冷却结晶段，再按3°C /min的降温速率将冷冻剂的温度降至_5°C对磷酸溶液进行冷却，并使冷冻剂在结晶塔冷却结晶段与分相容器之间的循环，当冷却结晶段的磷酸溶液冷却至20°C (过饱和状态时)将磷酸晶种从塔体顶部加入冷却结晶段，磷酸晶种的加入量为冷却结晶段磷酸溶液质量的10%，当所述冷却结晶段不再产生新的晶体时， 开启输送泵将经步骤②处理后的磷酸溶液从过进料口 7继续输入结晶塔，当结晶塔内晶体床层堆积至冷却结晶段下端时关闭输送泵、开启结晶塔的加热器9，控制结晶塔晶体熔融段温度在35°C，当从所述晶体熔融段底部的净化磷酸出口 8所取磷酸样品恒定达到表2所述电子级磷酸标准时，则连续将经步骤②处理后的磷酸溶液从进料口 7输入结晶塔，并连续将电子级磷酸输出结晶塔。本实施例所制备的电子级磷酸为磷酸质量浓度在91%的液体产品，单次收率可达到55. 1%，杂质含量见表2。表2 电子级磷酸杂质含量分析结果
权利要求
1.一种用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于包括塔体(I)、搅拌器(2)、加热器(9)和驱动机构，所述塔体分为冷却结晶段、分离提纯段和晶体熔融段，冷却结晶段位于塔体上部， 晶体熔融段位于塔体下部，分离提纯段位于冷却结晶段与晶体熔融段之间，塔体的冷却结晶段下部设置有进料口(7)和冷冻剂入口(3)，所述冷冻剂入口位于进料口(7)之上，塔体的冷却结晶段上部设置有残液及冷冻剂排放口(4)，塔体的晶体熔融段底部设置有净化磷酸出口(8)，所述搅拌器(2)为一根，其主体部分安装在塔体内，其一端伸出塔体与驱动机构的减速器(5)连接，所述加热器(9)安装在塔体上并位于塔体的晶体熔融段。
2.根据权利要求I所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于塔体(I)相对于铅垂方向倾斜的角度Θ为5° 20°。
3.根据权利要求I或2所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于塔体(I)为筒状体，所述筒状体的底部制作材料为聚四氟乙烯，周边制作材料为聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的任一种。
4.根据权利要求I或2所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于搅拌器(2)包括骨架 (2-1)、套筒(2-3)、桨叶(2-4)和刮件(2-5)，桨叶为多片，各片桨叶的两端均安装有一刮件，套筒的数量=桨叶的数量+1，所述套筒与桨叶交替套装在骨架上，且套筒与桨叶之间设置有密封圈(2-2)，各套筒、桨叶通过骨架(2-1)端部的螺纹段与螺母的组合实现固定。
5.根据权利要求4所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于所述桨叶(2-4)的数量根据骨架桨叶安装段的长度决定，以满足相邻桨叶之间的间距在50 200mm为限，所述桨叶 (2-4)的形状类似于菱形，其中心部位设置有用于连接骨架的孔(2-4-1)，其两端分别设置有用于安装刮件的孔(2-4-2)，两安装刮件的孔以连接骨架的孔的中心线为轴对称；刮件(2-5)为两段直径不同的圆柱体构成的阶梯轴形状，其中直径相对较小的一段圆柱体插装并固定在桨叶(2-4)两端设置的孔中；构成刮件的直径相对较大的一段圆柱体的外侧与塔体内壁之间的间隙为I 3mm。
6.根据权利要求4所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于所述骨架(2-1)由不锈钢制作，所述套筒(2-3)、桨叶(2-4)和刮件(2-5)用聚四氟乙烯制作。
7.根据权利要求5所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于所述骨架(2-1)由不锈钢制作，所述套筒(2-3)、桨叶(2-4)和刮件(2-5)用聚四氟乙烯制作。
8.根据权利要求I或2所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于加热器(9)由筒状基体(9-1)、安装在筒状基体上的加热电阻(9-2)和测温热电偶(9-3)构成，所述筒状基体由导热性能优良的金属材料制作。
9.根据权利要求3所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于加热器(9)由筒状基体 (9-1)、安装在筒状基体上的加热电阻(9-2)和测温热电偶(9-3)构成，所述筒状基体由导热性能优良的金属材料制作。
10.根据权利要求4所述用于净化磷酸的结晶塔，其特征在于加热器(9)由筒状基体 (9-1)、安装在筒状基体上的加热电阻(9-2)和测温热电偶(9-3)构成，所述筒状基体由导热性能优良的金属材料制作。
全文摘要
一种用于净化磷酸的结晶塔，包括塔体、搅拌器、加热器和驱动机构，所述塔体分为冷却结晶段、分离提纯段和晶体熔融段，冷却结晶段位于塔体上部，晶体熔融段位于塔体下部，分离提纯段位于冷却结晶段与晶体熔融段之间，塔体的冷却结晶段下部设置有进料口和冷冻剂入口，所述冷冻剂入口位于进料口之上，塔体的冷却结晶段上部设置有残液及冷冻剂排放口，塔体的晶体熔融段底部设置有净化磷酸出口，所述搅拌器为一根，其主体部分安装在塔体内，其一端伸出塔体与驱动机构的减速器连接，所述加热器安装在塔体上并位于塔体的晶体熔融段。
文档编号C01B25/234GK102580345SQ201210011658
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者周堃, 李军, 王保明, 罗建洪, 金央, 马春磊, 齐亚兵 申请人:四川大学