一种制备高纯磷的装置的制作方法

1.本实用新型涉及化工设备技术领域，尤其是涉及一种制备高纯磷的装置。


背景技术：

2.高纯磷通常指的是产品中含磷99.9999％(6n)的单质磷，6n以上单质磷是制备电子级红磷和磷化合物，如氯氧磷、电子级磷酸等的重要原料。
3.酸性氧化法提纯商品级黄磷作为一种传统的黄磷提纯工艺，被广泛研究，其主要是利用液态黄磷与水溶液不相溶的原理。在氧化性酸性体系内，添加一定量的氧化增强剂、乳化剂等利用硝酸、氧化剂的氧化性将黄磷中的杂质元素氧化为高价态的离子，从而使高价态的杂质元素进入酸液内与黄磷分离。工艺过程中，黄磷也会被硝酸和氧化剂氧化成高价态的磷酸或亚磷酸，因此该工艺中黄磷的损失率为30％～40％。酸性氧化法对黄磷中的金属杂质元素等有一定的处理效果，但黄磷在生产过程中会引入很多有机杂质例如cs2、苯等，氧化性体系对有机杂质的处理效果较差。
4.因此，如何提高生产磷的反应效率及原料利用率，提高磷的制备纯度是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种制备高纯磷的装置，能够提高生产磷的反应效率及原料利用率，提高磷的制备纯度。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
7.一种制备高纯磷的装置，包括进料管、反应管和收集管；
8.所述进料管包括三氯化磷进料管、氢气进料管和氮气进料管，所述三氯化磷进料管和所述氮气进料管的出口导通连接，并通至所述反应管内，所述氢气进料管的出口与所述反应管的入口导通连接；
9.所述三氯化磷进料管用于输入液态三氯化磷，所述氮气进料管用于输入氮气，所述氢气进料管用于在所述装置发生反应前，通入氮气置换所述装置内的空气，并通入氢气与在所述反应管内气化的三氯化磷进行反应；
10.沿着所述反应管的入口到所述反应管的出口的方向，所述反应管内设置有至少1个反应孔板；
11.所述反应管的出口与所述收集管的入口导通连接，所述收集管的出口处设置有注入纯水的进水口。
12.在一个具体的实施方案中，所述制备高纯磷的装置还包括加热器；
13.所述加热器围设在所述反应管的管壁外，用于加热所述反应管。
14.在另一个具体的实施方案中，所述加热器为卧式电阻丝加热炉；
15.沿着所述反应管的入口导所述反应管的出口方向，所述加热器分为第一独立加热区、第二独立加热区和第三独立加热区，所述第一独立加热区的加热温度和所述第二独立
加热区的加热温度均大于所述第三独立加热区的温度。
16.在另一个具体的实施方案中，所述收集管为u型收集管，且所述收集管的入口与所述反应管的出口通过弯头导通连接，且所述收集管位于所述反应管的下方。
17.在另一个具体的实施方案中，所述制备高纯磷的装置还包括加热组件；
18.所述加热组件包覆所述产品收集管和所述弯头。
19.在另一个具体的实施方案中，所述加热组件包括加热元件、热电偶和温控系统；
20.所述加热元件分别包覆在所述产品收集管和所述弯头外，所述热电偶分别安装在所述产品收集管和所述弯头外，用于测量所述产品收集管和所述弯头的温度，所述热电偶及所述加热元件均与所述温控系统信号连接。
21.在另一个具体的实施方案中，所述制备高纯磷的装置还包括锥形管；
22.所述锥形管分别竖直安装在所述收集管的两个竖直管内，且沿着从上到下的方向，所述锥形管的直径逐渐减小。
23.在另一个具体的实施方案中，所述锥形管通过环形片安装在所述收集管的竖直管内。
24.在另一个具体的实施方案中，所述制备高纯磷的装置还包括尾气吸收装置；
25.所述尾气吸收装置的入口与所述收集管的出口导通连接，所述尾气吸收装置用于吸收尾气。
26.在另一个具体的实施方案中，所述尾气吸收装置包括吸收釜、进气管道和出气管道；
27.所述进气管道设置在所述吸收釜上，且所述进气管道的一端通过所述收集管出口处连接的连接管与所述收集管的出口导通连接，所述进气管道的另一端延伸到所述吸收釜内盛放的吸收液内，所述出气管道导通设置在所述吸收釜的顶端。
28.根据本实用新型的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本实用新型范围内，是本实用新型具体实施方式的一部分。
29.本实用新型提供的制备高纯磷的装置，使用时，开始通氢气前，先通过氢气进料管向反应管内通一段时间氮气，利用氮气置换掉整个装置内的空气；氮气置换结束后，停止向氢气进料管通入氮气，开始向氢气进料管通入氢气，先向氮气进气管内通氮气，稳定后，再通过三氯化磷进料管向反应管内注入液态三氯化磷；进入到反应管内的反应孔板的液态三氯化磷快速气化后与氢气接触，被氢气还原成单质磷蒸汽；磷蒸汽在氮气和未反应氢气的携带下进入收集管内，磷蒸汽冷凝成单质磷沉积在收集管的底端，未反应的三氯化磷气体通过氢气、氮气等载气将携带排出；反应持续一段时间后，先停止液态三氯化磷进料，之后再切断氢气进料，略微增加氮气流量，保持一段时间后，停止通氮气；通过进水口向收集管内注入纯水，将收集管内的单质磷封存在纯水下，最后取出收集管内的单质磷。本实用新型通过三氯化磷和氢气反应，制备单质磷，避免了有机杂质进入单质磷内；在整个反应进行前，向整个装置内通入氮气置换空气，避免了空气中的杂质对单质磷纯度的影响；在反应完成后，通过纯水将单质磷封存在反应管内，避免单质磷氧化；未反应的三氯化磷气体通过氢气、氮气等载气将携带排出，此过程可增加三氯化磷气体与氢气之间的质量传递，大幅提升反应过程中原料的转化率；此外，在反应管内设置反应孔板，强化了三氯化磷和氢气间的质量传递，提高了反应效率，避免流动过程中的死角。即本实用新型生产磷的反应效率及原料
利用率，提高了磷的制备纯度。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出新颖性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本实用新型提供的制备高纯磷的装置的结构示意图；
32.图2为本实用新型提供的一种反应孔板的结构示意图；
33.图3为本实用新型提供的另一种反应孔板的结构示意图；
34.图4为本实用新型提供的又一种反应孔板的结构示意图。
35.其中，图1
‑
图4中：
36.进料管1、反应管2、收集管3、三氯化磷进料管101、氢气进料管102、氮气进料管103、反应孔板4、加热器5、第一独立加热区501、第二独立加热区502、第三独立加热区503、弯头6、加热组件7、加热元件701、热电偶702、温控系统703、锥形管8、环形片9、尾气吸收装置10、吸收釜1001、进气管道1002、出气管道1003、连接管11、调节阀12、质量流量计13、压力表14、进水口15、法兰16。
具体实施方式
37.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.如图1所示，本实用新型提供了一种制备高纯磷的装置，通过氢气还原三氯化磷生成单质磷。
40.具体地，制备高纯磷的装置包括进料管1、反应管2和收集管3，其中，进料管1包括三氯化磷进料管101、氢气进料管102和氮气进料管103。
41.三氯化磷进料管101和氮气进料管103的出口导通连接，并通至反应管2内，具体地，伸到反应管2内的长度为2cm～5cm，三氯化磷进料管101上需要安装调节阀12，用于液态三氯化磷流量的调节，具体地，调节阀12为针形调节阀。三氯化磷进料管101与氮气进料管103之间有一焊接角度，角度控制30
°
～60
°
，需要说明的是，上述角度范围仅是本实用新型的一个优选方式，在实际应用中，也可以设置三氯化磷进料管101与氮气进料管103之间的焊接角度在0
°
～30
°
或者60
°
～90
°
。
42.三氯化磷具有很强的腐蚀性，因此，反应管2和收集管3等温度较高部位均为石英
材质，进料管1为pvdf或ptfe材质，针形调节阀采用ptfe材料制成。
43.氢气进料管102的出口与反应管2的入口导通连接。为了便于测量氮气进料管103及氢气进料管102内的气体压力，本实用新型公开了氮气进料管103和氢气进料管102上分别设置有压力表14。为了便于控制进入氮气进料管103的氮气量及控制进入氢气进料管102的氢气量，本实用新型公开了氮气进料管103和氢气进料管102上分别设置有质量流量计13，氮气进料管103上的压力表14设置在质量流量计13和氮气进料管103的入口之间，氢气进料管102上的压力表14设置在质量流量计13和氢气进料管102的入口之间。
44.三氯化磷进料管101用于输入液态三氯化磷，氮气进料管103用于输入氮气，氢气进料管102用于在装置发生反应前，通入氮气置换装置内的空气，并通入氢气与在反应管2内气化的三氯化磷进行反应。具体地，反应管2内的温度处于适合液态三氯化磷气化并与氢气反应的温度。
45.三氯化磷进料管101和氮气进料管103的出口导通连接，并通至反应管2内，氢气进料管102的出口与反应管2的入口导通连接。
46.沿着反应管2的入口到反应管2的出口的方向，反应管2内设置有至少1个反应孔板4，反应管2的出口与收集管3的入口导通连接，收集管3的出口处设置有注入纯水的进水口15。具体地，孔板的结构如图2
‑
图4所示，可为多孔结构、底部开孔结构或者顶部开孔结构中的一种或者多种组合，其目的主要是为了强化三氯化磷气体与氢气间的质量传递，提高反应效率，尽可能避免流动过程中死角。
47.经过发明人多次辛苦的试验，得到：反应管2内的反应孔板4数量控制在5个～8个，相邻反应孔板4之间的间距为10cm～20cm时，三氯化磷气体和氢气反应最充分。
48.反应管2的出口与收集管3的入口导通连接，收集管3的出口处设置有注入纯水的进水口15。为了便于单质磷的取出，本实用新型公开了反应管2的出口与收集管3的入口之间可拆卸连接，具体地，反应管2与收集管3之间通过法兰16连接。
49.本实用新型提供的制备高纯磷的装置，使用时，开始通氢气前，先通过氢气进料管102向反应管2内通一段时间氮气，利用氮气置换掉整个装置内的空气；氮气置换结束后，停止向氢气进料管102通入氮气，开始向氢气进料管102通入氢气，先向氮气进气管内通氮气，稳定后，再通过三氯化磷进料管101向反应管2内注入液态三氯化磷；进入到反应管2内的反应孔板4的液态三氯化磷快速气化后与氢气接触，被氢气还原成单质磷蒸汽；磷蒸汽在氮气和未反应氢气的携带下进入收集管3内，磷蒸汽冷凝成单质磷沉积在收集管3的底端，未反应的三氯化磷气体通过氢气、氮气等载气将携带排出；反应持续一段时间后，先停止液态三氯化磷进料，之后再切断氢气进料，略微增加氮气流量，保持一段时间后，停止通氮气；通过进水口15向收集管3内注入纯水，将收集管3内的单质磷封存在纯水下，最后取出收集管3内的单质磷。本实用新型通过三氯化磷和氢气反应，制备单质磷，避免了有机杂质进入单质磷内；在整个反应进行前，向整个装置内通入氮气置换空气，避免了空气中的杂质对单质磷纯度的影响；在反应完成后，通过纯水将单质磷封存在反应管2内，避免单质磷氧化；未反应的三氯化磷气体通过氢气、氮气等载气将携带排出，此过程可增加三氯化磷气体与氢气之间的质量传递，大幅提升反应过程中原料的转化率；此外，在反应管2内设置反应孔板4，强化了三氯化磷和氢气间的质量传递，提高了反应效率，避免流动过程中的死角。即本实用新型生产磷的反应效率及原料利用率，提高了磷的制备纯度。
50.在一些实施例中，制备高纯磷的装置还包括加热器5，加热器5围设在反应管2的管壁外，用于加热反应管2，加热器5为任意能够给反应管2加热的装置。
51.进一步地，本实用新型公开了加热器5为卧式电阻丝加热炉，沿着反应管2的入口导反应管2的出口方向，加热器5分为第一独立加热区501、第二独立加热区502和第三独立加热区503，第一独立加热区501的加热温度和第二独立加热区502的加热温度均大于第三独立加热区503的温度。第一独立加热区501温度最高，便于进入反应管2的液态三氯化磷迅速气化。具体地，本实用新型公开了第一独立加热区501的温度范围为700℃～750℃，第二独立加热区502的温度范围为680℃～720℃，第三独立加热区503的温度范围为600℃～650℃。
52.需要说明的是，加热器5不限于分为3个加热区，也可以根据实际需要增减加热区的个数。
53.在一些实施例中，收集管3为u型收集管，且收集管3的入口与反应管2的出口通过弯头6导通连接，便于磷蒸汽顺利进入收集管3内，具体地，弯头6为90
°
的弯头。收集管3位于反应管2的下方，便于磷蒸汽冷凝沉积到收集管3内。
54.需要说明的是，收集管3不限于为u形，也可以是v形等。
55.在一些实施例中，制备高纯磷的装置还包括加热组件7，加热组件7包覆产品收集管3和弯头6，给产品收集管3和弯头6加热及保温。
56.具体地，本实用新型公开了加热组件7包括加热元件701、热电偶702和温控系统703，加热元件701分别包覆在产品收集管3和弯头6外，热电偶702分别安装在产品收集管3和弯头6外，用于测量产品收集管3和弯头6的温度，热电偶702及加热元件701均与温控系统703信号连接，通过温度系统及热电偶702控制加热元件701的温度。
57.进一步地，本实用新型公开了加热元件701为ni
‑
cr合金丝，合金丝的直径为0.4mm～0.8mm，合金丝、热电偶702及温控系统703均内置于保温材料内，为一个整体，可快速拆卸。
58.在一些实施例中，制备高纯磷的装置还包括锥形管8，锥形管8分别竖直安装在收集管3的两个竖直管内，且沿着从上到下的方向，锥形管8的直径逐渐减小。相比直管，锥形管8采用先扩大后收缩的设计，大幅提升锥形管8的冷凝面积，有助于单质磷的冷凝和沉积。此外，锥形内管为竖直设计，未反应的三氯化磷气体通过出口段锥形内管时，三氯化磷密度远大于氢气，需要氢气、氮气等载气将三氯化磷气体携带上去，此过程可增加三氯化磷气体与氢气之间的质量传递，最终可大幅提升反应过程中原料的转化率。
59.需要说明的是，不限于向收集管3的两个竖直管内竖直安装锥形管8，也可以设置收集管3的出口端及入口端为渐扩口。
60.进一步地，锥形管8通过环形片9安装在收集管3的竖直管内，具体地，两个竖直管内沿着高度方向分别依次设置有2个环形片9。环形片9的外壁与竖直管的内壁密封连接，环形片9的内壁与锥形管8的外壁密封连接。需要说明的是，每个竖直管内的环形片9不限于为1个，也可以根据需要增减环形片9的个数。
61.本实用新型还具体公开了锥形管8的小口直径与大口直径的比值为1/2～3/4。上述数值范围是发明人经过多次试验得到的优选数据范围，可以理解地，在此范围外的锥形管8也属于本实用新型的保护范围。
62.在另一个具体的实施方案中，制备高纯磷的装置还包括尾气吸收装置10，具体地，尾气吸收装置10为pp材质制成。
63.尾气吸收装置10的入口与收集管3的出口导通连接，尾气吸收装置10用于吸收尾气。尾气吸收装置10对本装置反应生成的尾气经过尾气吸收装置10处理后排出，避免了对空气的污染。
64.进一步地，本实用新型公开了尾气吸收装置10包括吸收釜1001、进气管道1002和出气管道1003。
65.进气管道1002设置在吸收釜1001上，且进气管道1002的一端通过收集管3出口处连接的连接管11与收集管3的出口导通连接，进气管道1002的另一端延伸到吸收釜1001内盛放的吸收液内，优选延伸至吸收釜1001的底端。出气管道1003导通设置在吸收釜1001的顶端，出气管道1003与车间喷淋塔连接。
66.具体地，本实用新型公开了连接管11分别与收集管3及进气管道1002通过法兰16可拆卸连接。
67.本实用新型使用时，首先，开启卧式电阻丝加热炉，设置卧式电阻丝加热炉的3个加热区的温度，第一独立加热区501和第二独立加热区502的温度设定值略高于第三加热区的温度；开始通氢气前，先通过氢气进料管102向反应管2内通一段时间氮气，利用氮气置换掉整个装置内的空气；打开弯头6处的加热组件7，设置目标温度在280℃～310℃，同时打开收集管3处的加热组件7，设定其目标温度180℃～210℃；氮气置换结束后，停止通氮气，开始向氢气进料管102通氢气，设定氢气流量和压力，打开三氯化磷进料管101的阀门，先通过氮气进料管103向反应管2内通入氮气，设定氮气流量和压力，稳定后，再通过三氯化磷进料管101向反应管2内注入三氯化磷液体，设定三氯化磷液体的加料速度；进入到反应管2内的反应孔板4处的液态三氯化磷快速气化后与氢气接触，被氢气还原成单质磷蒸汽，磷蒸汽在氮气和未反应氢气的携带下进入u型收集管3内，并通过锥形管8，形成单质磷的冷凝和沉积，未反应的三氯化磷气体通过氢气、氮气等载气将pcl3气体携带上去；反应持续一段时间后，先停止液态三氯化磷进料，之后再切断氢气进料，略微增加氮气流量，保持一段时间后，依次关闭卧式电阻丝加热炉的3个加热区、弯头6处的加热组件7及u型收集管3的加热组件7，待整个装置的加热部位均降温至接近室温时，停止通氮气；打开连接管11上面的手阀，向u型收集管3注入纯水，当水位接近u型收集管3与反应管2的法兰16连接处时，停止加水，拆开u型收集管3的两个连接法兰16，将整个u型收集管3置于纯水下，在水下取出锥形管8内的单质磷。
68.需要说明的是，本文中表示方位的词，例如，上下等均是以制备高纯磷的装置使用时的方向进行的设定，仅为了描述的方便，不具有其它特定含义。
69.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
70.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
71.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
72.以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。