本发明属于精馏提纯技术领域，具体涉及砷提纯精馏装置及利用该装置提纯砷的方法。
背景技术：
砷（as）是一个广泛存在并且具有准金属特性的元素，呈灰色斜方六面体结晶，有金属光泽，既不溶解于水又不溶解于酸，为非人体必需元素，克拉克值为5×10-4，宇宙丰度为4.0。对于公众来说，砷是毒物的同义词，不过其却有着较好的应用性能，比如在制备高性能玻璃中，添加砷做配料会助熔；在一些半导体以及彩釉中也应用到砷。
石英是地球表面分布最广的矿物之一，石英有多种类型，日用陶瓷原料所用的有脉石英、石英砂、石英岩、砂岩、硅石、蛋白石、硅藻土等。跟普通砂子、水晶是“同出娘胎”的一种物质。当二氧化硅结晶完美时就是水晶，二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙，二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石。二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。熔融后制成的玻璃，可用于制作光学仪器、眼镜、玻璃管和其它产品。还可以做精密仪器的轴承、研磨材料、玻璃陶瓷等工业原料。石英是非可塑性原料，其与粘土在高温中生成的莫来石晶体赋予瓷器较高的机械强度和化学稳定性。
现有技术没有合适的砷提纯装置，石英制品可以制作简单的精馏装置，但是不适于砷提纯，很难将砷的纯度提到4个9，而且现有退火方法对于石英装置限制较多，很多理论设计无法实现工业应用。
技术实现要素：
本发明公开了一种新的砷提纯精馏装置及利用该装置提纯砷的方法，首次通过精馏塔头的独特设计结合专门的制备方法，提高提纯效果与效率，并且塔身创造性的使用圆形隔板，进一步提高提纯效果；利用该装置提纯砷可以达到提纯效果优异、提纯过程安全、使用寿命长的效果；设计新型塔柱结构，针对砷粗产品提纯，可以将纯度为99.99%的砷粗产品提纯至99.99999%的精细产品，这在现有技术未见报道。
本发明采用如下技术方案：
一种砷提纯精馏装置，包括精馏塔头、精馏塔柱、精馏塔釜，其中：
所述精馏塔头包括盲管；所述盲管包括内壁、外壁、加强水管、出水管、尾气管、初级出管、终级出管、加强水管进水管、第一阻隔结构、第二阻隔结构、第三阻隔结构、第四阻隔结构；所述外壁与内壁之间设有空隙；所述内壁端部与外壁密封连接；所述内壁的端面高于外壁的端面；所述外壁下部设有与所述空隙连通的进水口；所述进水口高于内壁的端面；所述第一阻隔结构、第二阻隔结构、第三阻隔结构、第四阻隔结构由上到下依次设置在盲管内；所述第一阻隔结构、第二阻隔结构、第三阻隔结构、第四阻隔结构都为中空结构；所述第一阻隔结构、第三阻隔结构分别安装在加强水管上；所述第二阻隔结构密封安装在内壁上；所述第四阻隔结构密封安装在外壁上；所述第一阻隔结构为倒碗型结构；所述第一阻隔结构不与内壁接触；所述第二阻隔结构为倒碗型结构与圆柱形结构的组合；所述第三阻隔结构为倒碗型结构；所述第三阻隔结构不与内壁接触；所述第四阻隔结构为倒碗型结构与圆柱形结构的组合；所述第四阻隔结构、第二阻隔结构都不与加强水管接触；所述第一阻隔结构的下表面直径大于第二阻隔结构的上表面直径；所述第三阻隔结构的下表面直径大于第四阻隔结构的上表面直径；所述加强水管安装在内壁中部；所述加强水管一端封闭、一端内壁装有加强水管进水管；所述加强水管进水管与所述空隙连通，即加强水管进水管两端开口；所述出水管穿过外壁、内壁并与加强水管连通；所述终级出管位于内壁端面下方；所述终级出管穿过外壁；所述终级出管与第四阻隔结构连接；所述初级出管位于终级出管上方，相对位置，可以不在垂直上方；所述初级出管穿过外壁、内壁；所述初级出管与第二阻隔结构连接，初级出料经由第二阻隔结构的表面落入初级出管排出、收集，避免尾气污染；所述尾气出管位于盲管封端部；所述尾气出管穿过外壁、内壁；
所述精馏塔柱包括通管、圆形隔板；所述圆形隔板安装在通管内壁；所述圆形隔板设有复数个通孔；
所述精馏塔釜包括中空球形体；所述中空球形体表面设有料口、精馏塔柱接口；所述料口设有料口密封件；所述料口密封件包括密封部、施力部、承载部；所述密封部、施力部分别安装在承载部上；所述密封部为弯形结构；料口密封件用于密封中空球形体的料口，具体为将密封部扣在料口上，用或者不用夹子固定即可，防止中空瓶内受污染以及保证加热效果，施力部、承载部的结构形状不做限定，施力部、承载部分别用于抓握以及稳定，具体使用为常规技术；
所述精馏塔柱一端通过精馏塔柱接口安装在精馏塔釜上，一端与盲管开口端连接。
本发明中，所述精馏塔头还包括温测管；所述温测管穿过外壁、内壁；优选温测管位于第二阻隔结构、第三阻隔结构之间，温测管的倾斜角为45度，其技术效果为可以实时掌握重要段即提纯产品段的温度，为提纯结果的优化提供保障；所述第二阻隔结构的边缘与内壁接触；内壁的端面高于外壁的端面，结合附图可以理解，内壁的下端高于外壁的下端，一方面利于塔头塔柱的安装，更主要的是外壁长出的部分没有冷却水，使得精馏蒸汽不会在塔头底端过多停留影响提纯效果。
本发明中，所述终级出管远离盲管的端部设有密封球头，精馏处理完成后，提纯后的产品从终级出管接出，终级出管处接有储瓶，用于存储提纯后的产品或者取样，密封球头本身属于现有结构。
本发明中，所述内壁的下端与加强水管的下端齐平；所述加强水管的下端位于第四阻隔结构的圆柱形结构中；这个特色设计一方面可以对塔柱涌上的蒸汽进行初步阻隔，利于后续冷却提纯效果，二方面部分蒸汽接触加强水管底端后会液化滴回塔柱，既减少了蒸汽上涌量又增加了精馏循环，三方面上方落下的纯化液滴接触第四阻隔结构时可部分汽化，再次上飘进行提纯，从而利于提纯效果与效率的大幅提升。所述加强水管底端为尖形结构，该设计可以避免加强水管底端触碰第四阻隔结构，从而防止烧结对第四阻隔结构的影响，更主要的是尖形结构的设计减少了对精馏蒸汽的阻挡效果，提高蒸汽流动性。
本发明中，四个阻隔结构各司其职、相互配合，为取得高纯度产品做出贡献；阻隔结构主要是控制液滴，使其根据设计流向运行，本发明的阻隔结构都是中空的，第一阻隔结构、第三阻隔结构的中空部分插入加强水管并与加强水管密封连接，第二阻隔结构、第四阻隔结构的中空部分用于蒸汽传输并且第二阻隔结构、第四阻隔结构的侧壁外侧用于液滴流动。阻隔结构的碗状类似于圆台，只是石英产品看起来像碗（中式碗），本发明称为碗状结构；第二阻隔结构、第四阻隔结构的圆柱形结构可以看作碗的底座，为了区分与便于理解，本发明用圆柱形结构表示。优选的，第一阻隔结构、第二阻隔结构之间的距离为盲管长度的0.7%～0.8%；第一阻隔结构下端距离盲管顶端的距离为盲管长度的21%～22%；第三阻隔结构下端距离盲管顶端的距离为盲管长度的71%～72%；第四阻隔结构上端与盲管内壁下端齐平；从而第一阻隔结构、第二阻隔结构位于盲管内腔上部，第三阻隔结构位于盲管内腔中部，第四阻隔结构位于盲管内腔下端；优选的，第一阻隔结构的高度为盲管长度的2.0%～2.1%，第二阻隔结构的高度为盲管长度的3.4%～3.5%，第三阻隔结构的高度为盲管长度的0.9%～1%，第四阻隔结构的高度为盲管长度的6.8%～6.9%；本发明限定结构使得需要的产品从第二阻隔结构、第四阻隔结构之间的冷却面冷却流下，从终极出管回收，尾气则从尾气管排出，杂质从初级出管流出；第一阻隔结构、第三阻隔结构的侧壁可以控制液滴顺其流下，解决了液滴下落无方向、可能落至塔柱影响提纯的问题，而且对蒸汽进行阻隔、分配。
优选的，加强水管的内径为盲管内径的46%～47%，加强水管进水管的内径为盲管内径的9%～10%；这个设计一方面可以使得加强水管提供足够的冷却效果，二方面保持部件的稳定，三方面加强水管与盲管内壁之间的空隙合理，利于精馏蒸汽传输与液化。
优选的，初级出管、终极出管的倾斜角为60度，初级出管、终极出管用于液体流出，根据常识，向下倾斜，倾斜角一般指出管的法线与盲管轴的夹角；60度不偏不倚，既可以与阻隔结构形成良好的流体通道，又可以快速取出液体。
综合而言，本发明的塔头合计合理，利于提纯效果与效率的大幅提升。
本发明中，通管外壁设有真空罩；所述真空罩与通管密封连接；所述真空罩上设有抽真空嘴；通过通管外围抽真空的设计可以保持通管温度，防止精馏蒸汽过早/过多冷凝，提高精馏效果，现有技术几乎未见石英管设计真空罩的报道，一方面相关研究工作较少，从业人员没有相关动机与意识，二方面由于石英是非可塑原料，质地非常坚硬，大家认为不合适对其进行加工，尤其是设置外真空罩。本发明在通管内设置圆形隔板，从结构上可以支撑通管，分散应力收缩，结合制备参数，制备出了外设真空罩的通管；优选真空罩顶端低于通管顶端，真空罩底端与通管底端的距离为通管长度的1.5%～1.7%；所述抽真空嘴位于真空罩上端；留有空隙利于安装。
本发明中，所述通孔的孔径为圆形隔板直径的11～12%；所述圆形隔板为复数个；所述相邻圆形隔板之间的距离为通管长度的6.5～7%；所述圆形隔板均匀安装在通管内，即相邻圆形隔板之间的距离一致。圆形隔板的设计从结构角度可以增加通管的强度与稳定性，结合通孔的设计，可以对精馏蒸汽进行缓解，但是还可以保持精馏蒸汽上涌的动力，这样既保证了效率又增加了提纯效果，避免了过多蒸汽进入塔头导致的提纯效果下降以及过少蒸汽带来的效率低下问题；而且经过圆形隔板的阻隔可以使得不同沸点成分区分更明显，从而利于提纯效果与效率的大幅提升。
优选的，所述圆形隔板的通孔表面设有孔罩；所述孔罩设有透气孔；所述透气孔为两层结构；所述圆形隔板上插有辅助通管；每根辅助通管只与一个圆形隔板接触；相邻层辅助通管的中心轴不在同一竖直平面上；除了最下方的辅助通管外，每根辅助通管距离该辅助通管下方的圆形隔板的高度为辅助通管长度为6～7%。精馏蒸汽从通孔进入孔罩中，再从透气孔排出一直往上，可以在塔柱部分冷凝部分蒸汽进行再次回流，还可以对沸点不同的物质进行进一步区分，上下两层结构的设计结合辅助通管为了提高透气率，同时辅助通管的下端基本位于上层透气孔处，可以增加蒸汽流向的定向性。
本发明中，所述中空球形体内部设有测温管；所述测温管距离中空球形体底端的距离为中空球形体半径的10～12%，此位置既可以准确测温，又避免受到沸腾液体的影响，目的保证测温管安全稳定的同时得到准确的温度数值。优选的，测温管的开口与料口相对于塔柱接口对称设置，既保持力学稳定，更主要是避免加料、取料互相影响。
本发明中，所述砷提纯精馏装置还包括储瓶；所述储瓶包括瓶体、接砷管；所述瓶体底部设有支撑座，优选的，所述瓶体外侧设有真空层；所述真空层接有真空抽嘴；所述接砷管端部设有球碗结构。本发明设计可用于真空的储瓶，通过真空抽嘴使得瓶外围形成真空，可以对瓶内原料、瓶体形成保护；球碗结构本身为现有结构，可以起到很好的密封效果，储瓶的球碗结构与终级出管的密封球头结合，从而接到提纯后的产品，并且可以对提纯后的产品进行取样分析或者取料使用。
本发明还公开了上述砷提纯精馏装置的退火方法，将烧结后砷提纯精馏装置于氢气/氩气混合气氛中，400℃退火处理35分钟，再升温至600℃退火处理35分钟，自然降温，完成砷提纯精馏装置的退火；所述氢气/氩气混合气氛中，氢气的体积百分数为4.5～5%。
本发明中，砷提纯精馏装置的烧结、装配根据常规石英制品工艺操作，本发明的创造性在于对组装烧结后的产品进行退火处理，解决了内应力问题，这在现有技术未见报道，退火后的砷提纯精馏装置不仅结构稳定，使用寿命长，而且适用于急冷急热、真空保护，克服了现有技术石英精馏塔制备易碎的问题。
本发明还公开了利用上述砷提纯精馏装置进行砷提纯的方法，包括如下步骤：
（1）在初级出管的出口设置初料接瓶；在终级出管的出口设置终料接瓶；在尾气管的出口设置尾气收集器；
（2）将待提纯物从料口加入中空球形体中，将料口密封塞密封料口；然后开启加热与循环水，启动精馏处理；
（3）精馏处理完成后，提纯后的产品从终级出管处流入终料接瓶。
本发明中，所有部件都是石英材质；盲管是指一端开口、一端封闭的管，开口端与精馏塔柱烧结。盲管内外壁之间的空隙以及加强水管的管腔作为冷却水流道，冷却水从进水口进入内外壁之间的空隙并从盲管封闭端进入加强水管，再从出水管排出，形成循环；尤其是加强水管的设计，具备创造性，一方面该设计首次出现，二方面由于加强水管的存在，极大提高了蒸汽接触面积，从而利于提纯效果与效率的大幅提升，三方面，很多人知晓冷却接触面越大越好，可是由于石英产品的特殊性，现有技术没有能力制备出加强水管结构，比如加强水管无法与盲管内壁结合稳定，由于热应力的存在，导致烧结成型的产品一夜过后全部碎裂，无法得到本发明的产品。
本发明首次公开了一种砷提纯精馏装置，提出的新的结构设计可以高效、高质的对砷粗产品进行提纯，尤其是采用新的退火处理方法，使得本发明的结构设计得以实际应用，解决了石英精馏塔制备的缺陷，可以将纯度为99.99%的砷粗产品提纯至99.99999%的精细产品，这在现有技术未见报道。
附图说明
图1为实施例一砷提纯精馏装置结构示意图；
图2为实施例一精馏塔头结构示意图；
图3为实施例一精馏塔柱结构示意图；
图4为实施例一圆形隔板结构示意图；
图5为实施例一圆形隔板以及孔罩结构示意图；
图6为实施例一孔罩以及辅助通管结构示意图；
图7为实施例一精馏塔釜结构示意图；
图8为实施例一料口密封件结构示意图；
图9为实施例一储瓶结构示意图；
图10为实施例一倒碗型结构示意图；
图11为实施例一倒碗型结构与圆柱形结构示意图；
图12为实施例二精馏塔釜结构示意图；
其中，精馏塔头1、精馏塔柱2、精馏塔釜3、储瓶4、盲管11、加强水管12、出水管13、尾气管14、初级出管15、终级出管16、加强水管进水管17、温测管18、内壁111、外壁112、第一阻隔结构113、第二阻隔结构114、第三阻隔结构115、第四阻隔结构116、进水口117、通管21、圆形隔板22、通孔23、真空罩24、抽真空嘴25、孔罩26、透气孔27、辅助通管28、中空球形体31、料口32、精馏塔柱接口33、料口密封件34、密封部35、施力部36、承载部37、测温管38、瓶体41、接砷管42、支撑座43、真空抽嘴44、球碗结构45。
具体实施方式
实施例一
参见附图1-9；一种砷提纯精馏装置，包括精馏塔头1、精馏塔柱2、精馏塔釜3、储瓶4，其中：
所述精馏塔头包括盲管11、加强水管12、出水管13、尾气管14、初级出管15、终级出管16、加强水管进水管17、温测管18；所述盲管包括内壁111、外壁112、第一阻隔结构113、第二阻隔结构114、第三阻隔结构115、第四阻隔结构116；所述外壁与内壁之间设有空隙；所述内壁端部与外壁密封连接；所述内壁的端面高于外壁的端面；所述外壁下部设有与所述空隙连通的进水口117；所述进水口高于内壁的端面；所述第一阻隔结构、第二阻隔结构、第三阻隔结构、第四阻隔结构由上到下依次设置在盲管内；所述第一阻隔结构、第三阻隔结构分别安装在加强水管上；所述第二阻隔结构密封安装在内壁上；所述第四阻隔结构密封安装在外壁上；所述第一阻隔结构为倒碗型结构；所述第一阻隔结构不与内壁接触；所述第二阻隔结构为倒碗型结构与圆柱形结构的组合；所述第三阻隔结构为倒碗型结构；所述第三阻隔结构不与内壁接触；所述第四阻隔结构为倒碗型结构与圆柱形结构的组合；所述第四阻隔结构、第二阻隔结构都不与加强水管接触；所述第一阻隔结构的下表面直径大于第二阻隔结构的上表面直径；所述第三阻隔结构的下表面直径大于第四阻隔结构的上表面直径；所述加强水管安装在内壁中部；所述加强水管一端封闭、一端内壁装有加强水管进水管；所述加强水管进水管与所述空隙连通；所述出水管穿过外壁、内壁并与加强水管连通；所述终级出管位于内壁端面下方；所述终级出管穿过外壁；所述终级出管与第四阻隔结构连接；所述初级出管位于终级出管上方；所述初级出管穿过外壁、内壁；所述初级出管与第二阻隔结构连接；所述尾气出管位于盲管封端部；所述尾气出管穿过外壁、内壁；所述第一阻隔结构、第二阻隔结构、第三阻隔结构、第四阻隔结构都为中空结构；
第二阻隔结构的边缘与内壁接触；所述终级出管远离盲管的端部设有现有密封球头；所述内壁的下端与加强水管的下端齐平；所述加强水管的下端位于第四阻隔结构的圆柱形结构中；所述温测管穿过外壁、内壁；所述加强水管底端为尖形结构；温测管位于第二阻隔结构、第三阻隔结构之间，温测管的倾斜角为45度，初级出管、终极出管的倾斜角为60度；
所述精馏塔柱包括通管21、圆形隔板22；所述圆形隔板安装在通管内壁；所述圆形隔板设有复数个通孔23；通管外壁设有真空罩24；所述真空罩与通管密封连接；所述真空罩上设有抽真空嘴25；所述真空罩顶端低于通管顶端，抽真空嘴位于真空罩上端；
圆形隔板的通孔表面设有孔罩26；所述孔罩设有透气孔27；所述透气孔为两层结构；所述圆形隔板上插有辅助通管28；每根辅助通管只与一个圆形隔板接触；相邻层辅助通管的中心轴不在同一竖直平面上；
所述精馏塔釜包括中空球形体31；所述中空球形体表面设有料口32、精馏塔柱接口33；所述料口设有料口密封件34；所述料口密封件包括密封部35、施力部36、承载部37；所述密封部、施力部分别安装在承载部上；所述密封部为弯形结构；
储瓶包括瓶体41、接砷管42；瓶体底部设有支撑座43；瓶体外侧设有真空层，真空层接有真空抽嘴44，接砷管端部设有球碗结构45；
所述精馏塔柱一端通过精馏塔柱接口安装在精馏塔釜上，一端与盲管开口端连接；
盲管长度为880mm；第一阻隔结构、第二阻隔结构之间的距离为盲管长度的7mm；第一阻隔结构下端距离盲管顶端的距离为203mm；第三阻隔结构下端距离盲管顶端的距离为628mm；第四阻隔结构上端与盲管内壁下端齐平；第一阻隔结构的高度为18mm，第二阻隔结构的高度为30mm，第三阻隔结构的高度为8mm，第四阻隔结构的高度为60mm；加强水管的内径为60mm，加强水管进水管的内径为12mm，盲管内径为130mm；
通管长度为6450mm；真空罩底端与通管底端的距离为100mm；通孔的孔径为18mm；所述圆形隔板为复数个；所述相邻圆形隔板之间的距离为150mm；所述圆形隔板均匀安装在通管内；辅助通管长度为170mm，除了最下方的辅助通管外，每根辅助通管距离该辅助通管下方的圆形隔板的高度为10mm。
涉及的球碗结构、密封球头、空隙、真空层等本身都为常规技术，附图相同部件标注一处，具体结构大小可根据各自实际情况设计。本发明将各部件创造性的结合，得到的产品结构合理，接取高纯度砷产品简易、安全。
附图10为倒碗型结构示意图，附图11为倒碗型结构与圆柱形结构的组合示意图；可以明显看出本发明的第一阻隔结构、第二阻隔结构、第三阻隔结构、第四阻隔结构，并且都为中空结构。
上砷提纯精馏装置的退火方法为，将烧结后砷提纯精馏装置于氢气/氩气混合气氛中，400℃退火处理35分钟，再升温至600℃退火处理35分钟，自然降温，完成砷提纯精馏装置的退火；所述氢气/氩气混合气氛中，氢气的体积百分数为5%。
本发明首先根据常规方法制备构成砷提纯精馏装置的各部件，然后将精馏塔柱一端通过精馏塔柱接口安装在精馏塔釜上，一端与盲管开口端连接，烧结为整体，至此为本领域技术人员根据本发明的结构能够采用常规方法制备得到，不过常规方法制备后进行的退火处理一般为1000℃空气下处理几十分钟至一小时，结合快冷工艺，这对一般石英制品有用，可是用于本发明结构砷提纯精馏装置无用，如此退火制备的产品放置一夜后基本碎裂；本发明采用新的退火工艺与环境，得到结构稳定的产品。
实施例二
在实施例一的基础上，增加以下技术点：
中空球形体内部设有测温管38；测温管距离中空球形体底端的距离为40mm，参见附图12。
实施例三
利用实施例二所述砷提纯精馏装置进行砷提纯的方法，包括如下步骤：
（1）在初级出管的出口设置现有初料接瓶；在终级出管的出口设置储瓶，接砷管端部的球碗结构与终级出管的密封球头结合；在尾气管的出口设置尾气收集器；用现有真空泵对塔柱、储瓶进行抽真空；
（2）将待提纯物从料口加入中空球形体中，将料口密封塞密封料口；然后开启加热（245℃）与循环水，启动精馏处理；
此过程中，精馏蒸汽穿过圆形隔板到达孔罩中，再从透气孔结合辅助通管排出，如此一直往上，到达第四阻隔结构后部分被阻隔凝结，大部分从加强水管的底端两侧上行，一般到达第三阻隔结构上方开始凝结，提纯物从第三阻隔结构的侧壁可控的流落至第四阻隔结构的侧壁，再收入储瓶中；
部分杂质从第二阻隔结构与加强水管的间隙上行，冷却后的流体从第一阻隔结构的侧壁可控的流落至第二阻隔结构的侧壁，再从初级出管收入初料接瓶中；
较轻的废气从尾气管排出被收集处理；
（3）精馏处理完成后，提纯后的产品从终级出管处流入储瓶。
在中空球形体内部设有测温管，可以对操作条件进行更可控的处理。如果要进行取样，则利用现有吸气装置比如吸气泵通过吸管从储瓶吸取即可。
本发明的精馏装置结构合理，可以采用高于现有技术的精馏温度，提高产物纯度与提纯效率，并且不会产生环境危害，周围空气中未有检测到砷存在；经过102次精馏测试，每次利用本发明的砷提纯精馏装置可以将纯度为99.99%的汞粗产品提纯至99.99999%的精细产品，这在现有技术未见报道。