爆轰合成金刚石的连续提纯工艺及其装置的制作方法

本发明涉及一种金刚石的提纯工艺，特别是涉及一种用炸药爆轰合成金刚石的连续提纯工艺及其装置。

背景技术：

爆轰合成金刚石通常采用梯恩梯(tnt)、黑索金(rdx)、奥克拓金(hmx)等炸药及石墨等碳材料为原料，并在1个装有保护介质的密闭容器中进行爆轰反应，使未被氧化的自由碳原子在瞬时超高温高压作下转变为纳米或微米金刚石，爆轰反应完成后，收集含金刚石的爆轰灰进行提纯处理。

现有的提纯都采用酸洗氧化的方法，用于去除无定形碳、石墨和其他杂质，氧化过程采用高氯酸-硫酸(黄风雷，仝毅等，带废气处理的人工合成金刚石提纯系统，zl200620133876.4)、硝酸-硫酸(徐康，薛群基等，合成金刚石中碳的纯化方法–滴酸法，cn1400162)、或硫酸-高锰酸钾(黄风雷，仝毅，浣石，纳米金刚石的提纯方法，cn1385366)结合氧化的方法。这些提纯方法均采用的是间歇反应，氧化剂(如常用的高氯酸)利用率较低，造成浪费，同时增加有害气体排放量(陈宏伟，全毅，动高压法合成金刚石技术中的环境和安全问题分析，安全与环境学报，第6卷第2期，2006年4月)，加重后处理负荷；规模化生产就需要多个反应釜并行反应，每个反应釜中的提纯反应是独立进行的，试剂的量虽然按规定比例添加，但由于实验设备和操作误差等一些不可抗因素，使得每个反应釜中的成品质量存在微小的差别。而且，由于反应釜数量多，加热阶段所需能耗高，反应阶段放出的热量散失也多，在夏季炎热天气中，加热装置和反应放出的热量使工作车间温度可高达40-50℃，工作环境恶劣。

技术实现要素：

为克服上述提纯方法的不足，本发明提出了改善的爆轰合成金刚石提纯方法，采用连续提纯方法，提高了工作效率，减少了高氯酸的消耗量，也减少了热量排放。

为了实现上述目的，化学反应原理不变，将设备升级改善为连续多级提纯装置，该装置能够做到连续不断地进料，物料根据反应釜的容量限制自动进入下一级反应釜进行再一次氧化提纯反应，直到爆轰灰变成灰白色，经取样检验达标，停止反应，出料洗涤烘干，达到流水化生产。该装置将之前的独立间歇式反应改造成连续式多级反应，提高了工作效率，同样的反应物料所需的反应釜数量少，从而使反应放出的热量和高氯酸的消耗量也减少。

爆轰合成金刚石的连续提纯工艺，将爆轰灰与纯度为95％-98％浓硫酸混合成原料浆料，按一定的流量从底部或下部注入反应釜，50％-60％高氯酸根据物料处理量从反应釜底部注入反应釜，混合搅拌充分发生氧化反应；反应物根据进料量和反应釜容量限定从底部或下部进入下一级反应釜中，从下一级反应釜底部补充高氯酸；经连续分级提纯直至物料颜色从黑色变为灰白色止。

其中总物料配比为：

爆轰灰g：浓硫酸ml＝0.1-0.02，爆轰灰g：高氯酸ml＝0.1-0.02。

所述氧化反应的温度为200-320℃，其中各级反应釜之间的物料管道和储料罐都需要进行保温处理。

所述反应的时间指物料从进入第一级提纯反应器到完成反应离开最后一级反应器的停留时间，为1-6小时。

所述高氯酸是通过文丘里管由高速小流量压缩空气带入反应釜，所述原料浆料通过耐酸隔膜泵送入反应釜；所述氧化反应过程中挥发出的酸性气体通过冷凝回收液体后去尾气吸收。

所述冷凝回收为由带有冷凝液引出口的冷凝管使其中气体进入负压尾气管路做吸收处理，一部分液体返回反应釜，另一部分导出。导出的主要是冷凝水，通过控制导出量来调节返回一部分到反应釜，以保证反应物料的浓度，防止过于黏稠影响搅拌和流动。

所述物料颜色从黑色变为灰白色再进入最后一级反应釜中，不添加高氯酸，直接搅拌反应。

所述工艺还包括提纯后物料的处理，所述处理包括沉降分离和洗涤干燥。

所述沉降分离为将提纯后的物料引入沉降槽中，待分层后移走上层母液回收处理，下层为氧化提纯后的浆状金刚石粉末。

所述洗涤干燥为将浆状金刚石粉末用蒸馏水反复洗涤到ph为6.0-7.0，放入烘箱中烘干，即得到金刚石干粉。

爆轰合成金刚石的连续提纯装置，其特征在于：包括若干级串联的加热提纯反应釜，所述反应釜内部有搅拌装置，上部设有出料口、插接温度计接口和连接冷凝装置的冷凝回收口，下部侧壁或底部有原料进料口，底部有排污口和高氯酸进料口，所述高氯酸进料口通过文丘里管进料并与高氯酸储存罐相连，其中第一级反应釜的原料进料口通过耐酸隔膜泵与酸浆料储存罐相通，所述串联为上一级提纯反应釜的出料口通过耐酸隔膜泵与下一级提纯反应釜的原料进料口相连通。

所述上一级提纯反应釜的出料口与下一级进料耐酸隔膜泵之间的连接管路上，连接有缓冲槽。

所述隔膜泵与反应釜之间装有止回阀。

所述反应釜外侧壁中部有加热带。

所述反应釜为石英玻璃材质，与反应釜连接的所有管件为石英玻璃、巴氏合金或聚四氟乙烯材质。

本申请的连续提纯工艺，采用连续进料以及多个反应釜串联的方式，将前一级反应釜的反应产物作为下一级反应釜的原料，在前一级提纯的基础上，进一步添加高氯酸进行提纯，直至物料从黑色变为灰白色，然后再采用沉降分离洗涤的方式得到高纯的金刚石干粉。本发明经过连续多级提纯，金刚石干粉成品纯度更高品质均一。

本发明反应物料都从反应釜下部进料，从上部出料，以便增加氧化剂高氯酸与被氧化物料的接触时间和接触面积，提高反应效率和高氯酸利用率，同时多级提纯反应，使得氧化剂高氯酸采用逐级多点加入形式，保持反应持续进行，提高了高氯酸的利用率，减小了高氯酸的用量，同时少量多次的加入，避免了一次性加入导致的热量集聚释放风险。

本发明所需要的反应釜级数由反应系统产能及加料速度决定，一般将整个提纯反应控制成1-3小时完成(指物料从进入到离开提纯系统的时间)。

在物料从黑色变为灰白色后，不用着急进行沉降分离，可以将物料进入最后一级反应釜中，不再加入高氯酸，保持反应温度，起巩固反应程度作用。

由于本发明采用了连续提纯的方法，提纯得到的金刚石干粉成品纯度高、品质均一，且由于每一级提纯加入高氯酸较间歇式提纯方法要少，因此该工艺安全可靠、经济环保，高氯酸利用率高，总用量减少。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图，

图2为本发明装置中反应釜的结构示意图，

图中各标号列示如下：1.搅拌装置、2.冷凝装置、3.反应釜、4.加热带、5.酸浆料储存罐、6.隔膜泵、7.高氯酸储存罐、8.文丘里管、9.气泵、10.温度计、11.缓冲槽、12.出料口、13.温度计接口、14.搅拌装置接口，15.冷凝回收口、16.原料进料口、17.高氯酸进料口、18.排污口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明的爆轰合成金刚石的连续提纯装置，其特征在于：包括若干级串联的加热提纯反应釜3，所述反应釜3内部有搅拌装置接口14，上部设有出料口12、插接温度计10的温度计接口13和连接冷凝装置2的冷凝回收口15，搅拌装置1通过搅拌装置接口14接入反应釜3内部；反应釜下部侧壁有原料进料口16，底部有排污口18和高氯酸进料口17，所述高氯酸进料口17通过文丘里管8进料并与高氯酸储存罐7相连，文丘里管8由气泵9的高速小流量压缩空气带入反应釜3，其中第一级反应釜的原料进料口16通过耐酸隔膜泵6与酸浆料储存罐5相通，所述串联是将上一级提纯反应釜3的出料口12下接缓冲槽11通过耐酸隔膜泵6与下一级提纯反应釜3的原料进料口16相连通；所述反应釜3外侧壁中部有加热带4。

优选所述隔膜泵与反应釜之间装有止回阀(未示出)。

原料进料口16还可以设置在反应釜3的底部。

所述反应釜为石英玻璃材质，与反应釜连接的所有管件为石英玻璃、巴氏合金或聚四氟乙烯材质。

本发明采用连续提纯装置，采用多个反应釜串联的方式，将前一级反应釜出口与下一级反应釜的原料进料口相连，在前一级提纯的基础上，进一步添加高氯酸进次提纯，相当于少量多次的提纯方式，提高了高氯酸的利用率，减少了热量集聚排放，提高了安全性。

反应釜材质选用石英玻璃，连接件材质均采用石英玻璃、巴氏合金或聚四氟乙烯。

实施例1

参考图1、图2：

(1)配反应液：

物料及规格：爆轰灰——干粉；浓硫酸——95～98％化学纯或工业品；高氯酸——70～72％化学纯。

(2)投料反应：

将爆轰灰与浓硫酸按照比例在酸浆料储存罐5中混合成浆料，按照一定的流量利用隔膜泵6从原料进料口16泵入釜体3，流量的控制按照物料的处理量和反应釜的容量设定；高氯酸根据物料比例由高氯酸储存罐7利用文丘里管8从反应釜底部的高氯酸进料口17注入，由连接于搅拌装置接口14的分散搅拌装置1将混合物搅拌均匀，充分发生氧化反应；插接在温度计接口13中的温度计10反馈反应釜内的温度，从而通过调节加热带4控制整个提纯过程的反应温度；反应过程中产生的气体以及挥发的酸性气体通过冷凝回收口15的冷凝装置2处理；混合物料会根据进料流量和反应釜容量限定从出料口12进入缓冲槽再通过隔膜泵6泵入下一级提纯装置；依次连续分级提纯，直到物料颜色从黑色变为灰白色，此时达到反应的最后一级(最后一级不再加入高氯酸)；反应停止或结束时可通过反应釜底部的排污口18进行排污清洗。

(3)沉降分离

将反应完毕的物料引入沉降槽中，带分层后移走上层母液回收处理，下层为氧化提纯后的浆状金刚石粉末；

(4)洗涤烘干

将浆状金刚石粉末用蒸馏水反复洗涤到ph为6.0～7.0，放入烘箱中烘干，即得到金刚石干粉。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限定本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

具体实施工艺举例：

1.备料和配料：

爆轰灰(g)：浓硫酸(ml)＝0.3，

爆轰灰(g)：高氯酸(ml)＝0.3；

浓硫酸浓度95％，高氯酸浓度55％。

2.反应器准备：

单个反应釜容积50升，有效反应容积35升，5级反应釜串联，每个反应釜电加热功率3kw。

3.投料反应：

爆轰灰和浓硫酸浆料先以0.5升/分钟的流量加入第一个反应釜，在物料达到反应釜容积的1/3时开始加热，温度达到200℃时开始加入高氯酸，流量控制在0.137升/分钟，温度上升至250℃时停止加热，靠反应热维持釜温，并靠测温和控温系统调控加热节奏；高氯酸只在前4个反应釜加入，第五个反应釜为保温巩固阶段，不加高氯酸。

4.反应时程控制:

爆轰灰和浓硫酸浆料从进入第一个反应釜到流出第五个反应釜的停留时间约为6个小时，根据反应中间取样和出口取样观察分析结果，适当调整浆料流量和高氯酸流量，以提纯结果达标为准。

与现有技术对比：

本发明的连续工艺与间歇工艺的技术指标对比(见表1，以连续处理250kg爆轰灰的产能进行工艺核算。)

表1连续工艺与间歇工艺的主要技术指标对比

从表1可以看出本发明的连续工艺与间歇工艺对比结果，连续工艺在构成提纯生产成本的各项指标上都具有明显优势，可以大幅降低爆轰金刚石提纯的综合成本20-30％。