CN104975191A - 一种用于高纯砷生产的氢化还原装置和高纯砷制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于高纯砷领域，尤其涉及一种用于高纯砷生产的氢化还原装置和高纯砷制备方法。本申请提供的用于高纯砷生产的氢化还原装置包括：氢化还原管，所述氢化还原管的进料端设置有进料管；所述氢化还原管内部沿其气流前进方向依次为反应段和沉积段；所述反应段的出气端设置有具有孔的隔板；所述反应段设置有开口朝向氢化还原管进料端的回流管，所述回流管固定在所述隔板上；所述进料管的出料端探入到所述回流管内；所述沉积段的出气端位于氢化还原管的出气端。本申请在氢化还原管的反应段设置了回流管，延长了三氯化砷与氢气的接触时间，提高了产品的纯度和收率。

Description

一种用于高纯砷生产的氢化还原装置和高纯砷制备方法

技术领域

本发明属于高纯砷领域，尤其涉及一种用于高纯砷生产的氢化还原装置和高纯砷制备方法。

背景技术

高纯砷是一种高纯度(纯度大于99.999％)的砷，为银灰色金属结晶状，质脆而硬，有金属光泽，在潮湿空气中易氧化，属有毒产品。高纯砷主要用来制备砷化镓、砷铝化镓、砷化铟等半导体化合物及高纯合金，在医药卫生、防腐、染料等领域也有着越来越广泛的应用，特别是砷化镓，有着相当广泛的用途。砷化镓是继单晶硅之后的第二代半导体材料，是目前最重要、最具发展前途的化合物半导体材料，也是科学家研究最深入、应用最广泛的半导体材料。砷化镓因其具有禁带宽度大，电子迁移率高等特殊性能，被广泛用于制作二极管、发光二极管、隧道二极管、红外线发射管、激光器以及太阳能电池等。砷化镓还正在微电子领域、光电子、半导体照明领域以及军事工业、宇航工业、计算机等尖端科技领域发挥着越来越大的作用。砷化镓的其它用途也还正在被开发，例如在半导体照明方面。

我国研究生产高纯砷的历史已有几十年了，最早是在1962年由中国科学院上海冶金研究所研制成纯度达99.9999％(6N)的高纯砷。1965年推广至上海金属加工厂进行生产，生产20多公斤；1966年起提高到100公斤以上，后因需用量不多而停产。1970年起上海市所需高纯砷由四川峨眉半导体材料厂提供。我厂也是最早生产高纯砷的厂家之一，于1972年成功生产出接近99.9999％的高纯砷，达到当时的先进水平。但是由于市场需求量不大，高纯砷产业没有取得大的发展，一直到上个世纪末期，随着砷化镓的高强耐腐、电子迁移高等特殊性能的不断发现，砷化镓被广泛应用于光纤通信、移动通讯、空间技术和航天、军事等光电子和微电子领域，高纯砷的重要性才被广泛认同，高纯砷产业也随之热火起来。

目前，高纯砷的生产方法主要有氯化还原法、铅合金升华法、热分解法、硫化还原法、蒸汽区域精制和单结晶法等，其中最常见的是氯化还原法。氯化还原法是先将粗砷氯化生成三氯化砷，再将三氯化砷氢化还原得到高纯砷。该方法中，氢化还原过程对于产品的纯度和收率有较大影响，因此在生产过程中优化氢化还原过程是提高高纯砷产品纯度和收率的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于高纯砷生产的氢化还原装置和高纯砷制备方法，在本发明提供的装置中，氢化还原三氯化砷得到的高纯砷的纯度和收率较高。

本发明提供了一种用于高纯砷生产的氢化还原装置，包括：

氢化还原管，所述氢化还原管的进料端设置有进料管；

所述氢化还原管内部沿其气流前进方向依次为反应段和沉积段；

所述反应段的出气端设置有具有孔的隔板；

所述反应段设置有开口朝向氢化还原管进料端的回流管，所述回流管固定在所述隔板上；所述进料管的出料端探入到所述回流管内；

所述沉积段的出气端位于氢化还原管的出气端。

优选的，所述沉积段设置有可与氢化还原管分离的沉积管；所述沉积管的进气端位于沉积段的进气端，所述沉积管的出气端朝向氢化还原管的出气端。

优选的，所述沉积管为锥形管；所述锥形管的小径端朝向氢化还原管的出气端。

优选的，所述沉积管的长度大于等于所述沉积段的长度。

优选的，所述沉积管通过设置在氢化还原管出气端的法兰固定在氢化还原管的沉积段。

优选的，所述反应段和沉积段之间设置有缓冲段；所述缓冲段的进气端与反应段的出气端相连，所述缓冲段的出气端与沉积管的进气端相连。

优选的，所述缓冲段的出气端设置有锥形挡板；所述锥形挡板的大径端与氢化还原管内壁相接触；所述锥形挡板的小径端朝向氢化还原管的出气端；所述锥形挡板的小径端探入到所述沉积管内。

优选的，所述氢化还原装置还包括废气处理单元；所述氢化还原管的出气端与所述废气处理单元的进气端相连。

本发明提供了一种高纯砷的制备方法，包括以下步骤：

将三氯化砷和氢气通入权利要求1所述装置的氢化还原管的进料管，所述三氯化砷和氢气在所述氢化还原管的反应段加热反应，在沉积段得到固态高纯砷。

优选的，所述氢化还原管的反应段和沉积段之间设置有缓冲段；所述缓冲段的进气端与反应段的出气端相连，所述缓冲段的出气端与沉积管的进气端相连；

所述反应段的温度为700～900℃；所述缓冲段的温度为500～700℃；所述沉积段进气端的温度为350～400℃；所述沉积段出气端的温度为300～350℃。

与现有技术相比，本发明提供了一种用于高纯砷生产的氢化还原装置和高纯砷制备方法。本发明提供的用于高纯砷生产的氢化还原装置包括：氢化还原管，所述氢化还原管的进料端设置有进料管；所述氢化还原管内部沿其气流前进方向依次为反应段和沉积段；所述反应段的出气端设置有具有孔的隔板；所述反应段设置有开口朝向氢化还原管进料端的回流管，所述回流管固定在所述隔板上；所述进料管的出料端探入到所述回流管内；所述沉积段的出气端位于氢化还原管的出气端。本发明在氢化还原管的反应段设置了回流管，延长了三氯化砷与氢气的接触时间，提高了产品的纯度和收率。实验结果表明，实验结果表明，采用本发明提供的装置进行三氯化砷的氢化还原时，在三氯化砷加入量为6L时，固态高纯砷产品的产量大于4kg，纯度满足6N要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的氢化还原装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的隔板结构示意图；

图3是本发明实施例提供的具有沉积管的氢化还原装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的具有废气处理单元的氢化还原装置的结构示意图；

图5是本发明实施例2提供的氢化还原装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种用于高纯砷生产的氢化还原装置，包括：

氢化还原管，所述氢化还原管的进料端设置有进料管；

所述氢化还原管内部沿其气流前进方向依次为反应段和沉积段；

所述反应段的出气端设置有具有孔的隔板；

所述反应段设置有开口朝向氢化还原管进料端的回流管，所述回流管固定在所述隔板上；所述进料管的出料端探入到所述回流管内；

所述沉积段的出气端位于氢化还原管的出气端。

参加图1，图1是本发明实施例提供的氢化还原装置的结构示意图。图1中，1是氢化还原管、2是进料管、3是回流管、4是具有孔的隔板、1-1是反应段、1-2是沉积段。

本发明提供的氢化还原装置包括氢化还原管1，氢化还原管1内部设置有进料管2、回流管3和具有孔的隔板4。

在本发明中，氢化还原管1的进料端设置有进料管2。氢化还原管1内部沿其气流前进方向依次为反应段1-1和沉积段1-2，反应段1-1的出气端设置有具有孔的隔板4。在本发明提供的一个实施例中，氢化还原管1管身的轴向长度与内径尺寸的比为2600～3000：114～120。在本发明提供的一个实施例中，氢化还原管1管身的壁厚为1～5mm；在本发明提供的另一个实施例中，氢化还原管1管身的壁厚为2～3mm。在本发明提供的一个实施例中，反应段1-1与沉积段1-2沿氢化还原管1轴向上的长度的比为700～1000：1500～2000。在本发明提供的一个实施例中，氢化还原管1管身内径与进料管2内径的径长比为100～150：6～20；在本发明提供的另一个实施例中，氢化还原管1管身内径与进料管2的内径的径长比为114～120：6～10。在本发明提供的一个实施例中，进料管2的壁厚为1～5mm；在本发明提供的另一个实施例中，进料管2的壁厚为2～3mm。

在本发明提供的一个实施例中，隔板4的结构如图2所示。图2是本发明实施例提供的隔板结构示意图。图2中，4-1是板体，4-2是孔，4-3是固定位。在本发明提供的一个实施例中，隔板4的板体4-1的外边缘与氢化还原管1内壁相接触，若干个孔4-2设置在板体4-1上，固定为4-3用于固定回流管3。在本发明提供的一个实施例中，固定为4-3设置在板体4-1的中心。

在本发明中，反应段1-1设置有开口朝向氢化还原管1进料端的回流管3，所述回流管3固定在隔板4上。在本发明提供的一个实施例中，回流管固定在隔板4的固定位4-1。在本发明提供的一个实施例中，回流管3内径与氢化还原管1内径的径长比56～60：114～120。在本发明提供的一个实施例中，回流管3的壁厚为1～5mm；在本发明提供的另一个实施例中，回流管3的壁厚为2～3mm。在本发明提供的一个实施例中，回流管3与反应段1-1沿氢化还原管1轴向上的长度的比为0.6～0.9：1。

在本发明中，进料管2的出料端探入到所述回流管3内，从而使进料管2和回流管3组成了回形结构，用于延长气体在反应段的滞留时间。在本发明提供的一个实施例中，进料管2探入到回流管3内的长度与回流管3沿氢化还原管1轴向上的长度的比为0.6～0.9：1。

在本发明中，沉积段1-2的出气端位于氢化还原管1的出气端。

参加图3，图3是本发明实施例提供的具有沉积管的氢化还原装置的结构示意图。图3中，1是氢化还原管、2是进料管、3是回流管、4是具有孔的隔板、5是沉积管、6是锥形挡板、7是法兰、1-1是反应段、1-2是沉积段、1-3是缓冲段。

在本发明提供的一个实施例中，沉积段1-2设置有可与氢化还原管1分离的沉积管5。沉积管5的进气端位于沉积段1-2的进气端，沉积管5的出气端朝向氢化还原管1的出气端。在本发明提供的一个实施例中，沉积管5的长度大于等于沉积段1-2的长度；在本发明提供的另一个实施例中，沉积管5与沉积段1-2的长度比为150～162：150。在本发明提供的一个实施例中，沉积管5的进气端的内径与氢化还原管1管身内径的径长比为101～105：114～120。在本发明提供的一个实施例中，沉积管5为锥形管，锥形管的小径端朝向氢化还原管1的出气端。在本发明提供的一个实施例中，沉积管5的大径端内径与小径端内径的径长的比为101～105：61～65。在本发明提供的一个实施例中，沉积管5的壁厚为1～5mm；在本发明提供的另一个实施例中，沉积管5的壁厚为2～3mm。

在本发明提供的一个实施例中，沉积管5通过设置在氢化还原管1出气端的法兰7固定在氢化还原管的沉积段1-2。在本发明提供的一个实施例中，法兰7在氢化还原管1的出气端将沉积管5固定的同时在氢化还原管1的出气端将氢化还原管1内壁与沉积管5外壁之间的空隙封闭。

在本发明提供的一个实施例中，反应段1-1和沉积段1-2之间设置有缓冲段1-3，缓冲段1-3的进气端与反应段1-1的出气端相连，缓冲段1-3的出气端和沉积管5的进气端相连。在本发明提供的一个实施例中，反应段1-1、沉积段1-2与缓冲段1-3沿氢化还原管1轴向上的长度的比为700～1000：1500～2000：400～500。在本发明提供的一个实施例中，缓冲段1-3的出气端设置有锥形挡板6。锥形挡板6的大径端与氢化还原管1内壁相接触，锥形挡板6的小径端朝向氢化还原管的出气端。在本发明提供的一个实施例中，锥形挡板6的大径端与小径端的径长比为114～120：50～60。在本发明提供的一个实施例中，锥形挡板6的小径端探入到沉积管5内。在本发明提供的一个实施例中，锥形挡板6的小径端内径与沉积管5进气端内径的径长比为50～60：101～105。

参加图4，图4是本发明实施例提供的具有废气处理单元的氢化还原装置的结构示意图。图4中，1是氢化还原管、2是进料管、3是回流管、4是具有孔的隔板、5是沉积管、6是锥形挡板、7是法兰、8是废气处理单元、9是通风橱。

在本发明提供的一个实施例中，氢化还原装置还包括废气处理单元8。氢化还原管1的出气端与废气处理单元8的进气端相连。在本发明提供的一个设置有沉积管5的实施例中，沉积管5的出气端与废气处理单元8的进气端相连。在本发明提供的一个实施例中，废气处理单元8包括储液罐和设置在储液罐上的进气管和出气管。废气处理单元8运行时，储液罐内加有用于吸收高纯砷制备过程中产生的废气的吸收液，所述储液罐的进气管的出气端位于吸收液液位以下，所述储液罐的出气管的进气端位于吸收液液位以上，从而使废气处理单元8运行过程中实现鼓泡的效果。

在本发明提供的一个实施例中，所述氢化还原装置还包括通风橱9。氢化还原管1的出气端和废气处理单元8位于通风橱9内。

在本发明中，所提供的氢化还原装置包括氢化还原管1、进料管2、回流管3和具有孔的隔板4，氢化还原管1包括反应段1-1和沉积段1-2。该氢化还原装置的工作过程为：将三氯化砷和氢气通入氢化还原管1的进料管2。三氯化砷和氢气通过进料管2的出料端进入氢化还原管1的反应段1-1，然后在反应段1-1依次流经进料管2外壁和回流管3内壁构成的通道以及回流管3外壁和氢化还原管内壁构成的通道。三氯化砷和氢气在反应段1-1中加热反应，反应得到的砷蒸汽通过隔板4上的孔进入沉积段1-2，并在沉积段1-2沉积，得到固态的高纯砷产品。

在本发明的优选技术方案中，所提供的氢化还原装置包括氢化还原管1、进料管2、回流管3、具有孔的隔板4、沉积管5、锥形挡板6、法兰7和废气吸收单元8，所述氢化还原管1包括反应段1-1、缓冲段1-3和沉积段1-2。该氢化还原装置的工作过程为：三氯化砷和氢气通过进料管2的出料端进入氢化还原管1的反应段1-1，然后在反应段1-1依次流经进料管2外壁和回流管3内壁构成的通道以及回流管3外壁和氢化还原管内壁构成的通道。三氯化砷和氢气在反应段1-1中加热反应，反应得到的砷蒸汽通过隔板4上的孔进入缓冲段1-3，然后通过设置在缓冲段1-3出气端的锥形挡板6进入沉积管5，并在沉积管5内壁沉积，得到固态的高纯砷产品，未反应的三氯化砷蒸汽、氢气以及反应产生的废气从沉积管5出气端排出进入废气处理单元。

本发明在氢化还原管的反应段设置了回流管，延长了三氯化砷与氢气的接触时间，提高了产品的纯度和收率。在本发明提供的优选实施方式中，氢化还原管的沉积段设置有可分离的沉积管，氢化还原得到的高纯砷在沉积管中沉积，这种设计便于沉积得到的高纯砷产品与氢化还原管的分离、回收。在本发明提供的更优选的实施方式中，氢化还原管设置有缓冲段，且将缓冲段的出气端设置有探入沉积管的锥形挡板，这种设计可以保证氢化还原得到的高纯砷尽可能多的沉积到沉积管中，提高沉积管中的产品收率。实验结果表明，采用本发明提供的装置进行三氯化砷的氢化还原时，在三氯化砷加入量为6L时，固态高纯砷产品的产量大于4kg，纯度满足6N要求。

本发明提供了一种高纯砷的制备方法，包括以下步骤：

将三氯化砷和氢气通入上述技术方案所述装置的氢化还原管的进料管，所述三氯化砷和氢气在所述氢化还原管的反应段加热反应，在沉积段得到固态高纯砷。

在本发明中，首先将三氯化砷和氢气通入所述氢化还原装置的进料管。所述氢化还原装置，包括：氢化还原管，所述氢化还原管的进料端设置有进料管；所述氢化还原管内部沿其气流前进方向依次为反应段和沉积段；所述反应段的出气端设置有具有孔的隔板；所述反应段设置有开口朝向氢化还原管进料端的回流管，所述回流管固定在所述隔板上；所述进料管的出气端探入到所述回流管内；所述沉积段的出气端位于氢化还原管的出气端。所述氢气流量优选为100～500L/h，更优选为200～300L/h，最优选为200～250L/h。所述三氯化砷优选为液态三氯化砷。所述液态三氯化砷的流量优选为0.1～1L/h，更优选为0.1～0.5L/h，最优选为0.2～0.3L/h。

在本发明提供的一个实施例中，所述三氯化砷和氢气通入所述氢化还原装置的进料管的过程具体为：先将氢气通入所述氢化还原装置的进料管，待氢气充满整个氢化还原装置后，再将三氯化砷通入所述氢化还原装置的进料管。

在本发明提供的一个实施例中，在向所述氢化还原装置的进料管通入三氯化砷和氢气之前，先向所述氢化还原装置的进气管通入惰性气体，利用惰性气体排尽氢化还原装置中的空气。所述惰性气体优选为氮气。

三氯化砷和氢气通入进气口后，通过进料管的出料端进入氢化还原管的反应段，然后在反应段依次流经进气管外壁和回流管内壁构成的通道以及回流管外壁和氢化还原管内壁构成的通道。三氯化砷和氢气在反应段中加热反应，反应得到的砷蒸汽通过隔板上的孔进入沉积段并在沉积段沉积，得到固态的高纯砷产品；未反应的原料和反应产生的废气从氢化还原管的出气端排出。其中，反应段的温度优选为700～900℃，更优选835～850℃。所述沉积段的温度优选为300～400℃，更优选为310～380℃。在本发明提供的一个实施例中，所述沉积段进气端的温度优选为350～400℃，更优选为370～380℃；所述沉积段出气端的温度优选为300～350℃，更优选为310～330℃。

在本发明提供的一个实施例中，所述氢化还原管的反应段和沉积段之间设置有缓冲段；所述缓冲段的进气端与反应段的出气端相连，所述缓冲段的出气端与沉积管的进气端相连。在本发明提供的一个氢化还原管设置有缓冲段的实施例中，所述反应段的温度优选为700～900℃，更优选为835～850℃；所述缓冲段的温度优选为500～700℃，更优选为600～610℃；所述沉积段的温度优选为300～400℃，更优选为310～380℃。在本发明提供的另一个氢化还原管设置有缓冲段的实施例中，所述沉积段进气端的温度优选为350～400℃，更优选为370～380℃；所述沉积段出气端的温度优选为300～350℃，更优选为310～330℃。

在本发明提供的一个实施例中，对氢化还原管出气端排出的未反应的原料和反应产生的废气进行处理，所述处理的方式优选为化学吸收。在本发明提供的一个实施例中，废气处理在废气处理单元中进行，所述氢化还原管的出气端与所述废气处理单元的进气端相连。

为防止沉积得到的固态高纯砷发生副反应，在本发明提供的一个实施例中，在固态高纯砷制备结束后，先停止向进气管通三氯化砷，待氢化还原装置降温冷却后，再停止向进气管通氢气，取出固态高纯砷产品。其中，所述氢化还原装置降温冷却后的温度优选为低于100℃，更优选为低于50℃。在本发明提供的另一个实施例中，在固态高纯砷制备结束后，先停止向进气管通三氯化砷，待氢化还原装置降温冷却到第一温度后，停止向进气管通氢气，并向进气管通入氮气，待氢化还原装置将温度冷却到第二温度后，停止通入氮气，取出固态高纯砷产品。其中，所述第一温度优选为低于100℃，所述第二温度优选为低于50℃。

本发明提供的方法在具有特殊结构的氢化还原装置中制备高纯砷，提高了产品的纯度和收率。在三氯化砷加入量为6L条件下，高纯砷固态产品的产量大于4kg，纯度满足6N要求。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

氢化还原装置

一种如图1所示的氢化还原装置，图1是本发明实施例提供的氢化还原装置的结构示意图。图1中，1是氢化还原管、2是进料管、3是回流管、4是具有孔的隔板、1-1是反应段、1-2是沉积段。

本实施例提供的氢化还原装置包括氢化还原管1，氢化还原管的轴向长度为2200mm、外径120mm、壁厚3mm。氢化还原管1的进料端设置有进料管2，进料管2外径10mm、壁厚2mm。氢化还原管1内部沿其气流前进方向依次为反应段1-1和沉积段1-2，反应段1-1轴向长度为700mm，沉积段1-2轴向长度为1500mm。反应段1-1的出气端设置有具有孔的隔板4，隔板4上设置有多个开孔，隔板4中心设置有固定位。反应段1-1设置有开口朝向氢化还原管1进料端的回流管3，回流管3轴向长度为600mm、外径60mm、壁厚2mm，回流管3固定在隔板4的固定位上。进料管2的出料端探入到所述回流管3内，且与回流管3同轴，探入深度为500mm。沉积段1-2的出气端位于氢化还原管1的出气端。

本实施例提供的氢化还原装置的工作过程为：将三氯化砷和氢气通入氢化还原管1的进料管2。三氯化砷和氢气通过进料管2的出料端进入氢化还原管1的反应段1-1，然后在反应段1-1依次流经进料管2外壁和回流管3内壁构成的通道以及回流管3外壁和氢化还原管内壁构成的通道。三氯化砷和氢气在反应段1-1中加热反应，反应得到的砷蒸汽通过隔板4上的孔进入沉积段1-2并在沉积段1-2沉积，得到固态的高纯砷产品。

实施例2

氢化还原装置

一种如图5所示的氢化还原装置，图5是本发明实施例2提供的氢化还原装置的结构示意图。图5中，1是氢化还原管、2是进料管、3是回流管、4是具有孔的隔板、5是沉积管、7是法兰、1-1是反应段、1-2是沉积段。

本实施例提供的氢化还原装置包括氢化还原管1，氢化还原管的轴向长度为2200mm、外径120mm、壁厚3mm。氢化还原管1的进料端设置有进料管2，进料管2外径10mm、壁厚2mm。氢化还原管1内部沿其气流前进方向依次为反应段1-1和沉积段1-2，反应段1-1轴向长度为700mm，沉积段1-2轴向长度为1500mm。反应段1-1的出气端设置有具有孔的隔板4，隔板4上设置有多个开孔，隔板4中心设置有固定位。反应段1-1设置有开口朝向氢化还原管1进料端的回流管3，回流管3轴向长度为600mm、外径为60mm、壁厚为2mm，回流管3固定在隔板4的固定位上。进料管2的出料端探入到所述回流管3内，且与回流管3同轴，探入深度为500mm。沉积段1-2的出气端位于氢化还原管1的出气端。沉积段1-2设置有可与氢化还原管1分离的沉积管5。沉积管5的进气端位于沉积段1-2的进气端，沉积管5的出气端朝向氢化还原管1的出气端。沉积管5轴向长度为1620mm、大径端外径105mm、小径端外径65mm、壁厚2mm，沉积管5小径端朝向氢化还原管1的出气端。氢化还原管1出气端设置有法兰7，用于将沉积管5固定在沉积段1-2，同时将氢化还原管1内壁与沉积管5外壁之间的空隙封闭。

本实施例提供的氢化还原装置的工作过程为：将三氯化砷和氢气通入氢化还原管1的进料管2。三氯化砷和氢气通过进料管2的出料端进入氢化还原管1的反应段1-1，然后在反应段1-1依次流经进料管2外壁和回流管3内壁构成的通道以及回流管3外壁和氢化还原管内壁构成的通道。三氯化砷和氢气在反应段1-1中加热反应，反应得到的砷蒸汽通过隔板4上的孔进入沉积段1-2并在沉积管5内壁沉积，得到固态的高纯砷产品。

实施例3

氢化还原装置

一种如图4所示的氢化还原装置，图4是本发明实施例提供的具有废气处理单元的氢化还原装置的结构示意图。图4中，1是氢化还原管、2是进料管、3是回流管、4是具有孔的隔板、5是沉积管、6是锥形挡板、7是法兰、8是废气处理单元、9是通风橱。

本实施例提供的氢化还原装置包括氢化还原管1，氢化还原管的轴向长度为2200mm、外径120mm、壁厚3mm。氢化还原管1的进料端设置有进料管2，进料管2外径10mm、壁厚2mm。氢化还原管1内部沿其气流前进方向依次为反应段、缓冲段和沉积段，反应段轴向长度为700mm，缓冲段轴向长度400m，沉积段轴向长度为1500mm。反应段的出气端设置有具有孔的隔板4，隔板4上设置有多个开孔，隔板4中心设置有固定位。反应段设置有开口朝向氢化还原管1进料端的回流管3，回流管3轴向长度为600mm、外径为60mm、壁厚2mm，回流管3固定在隔板4的固定位上。进料管2的出料端探入到所述回流管3内，且与回流管3同轴，探入深度为500mm。缓冲段的进气端与反应段的出气端相连。缓冲段的出气端设置有锥形挡板6。锥形挡板6的大径端与氢化还原管1内壁相接触，锥形挡板6的小径端朝向氢化还原管的出气端，锥形挡板6小径端的径长为60mm。沉积段进气端与缓冲段的出气端相连。沉积段设置有可与氢化还原管1分离的沉积管5。锥形挡板6的小径端探入到沉积管5内，沉积管5的出气端朝向氢化还原管1的出气端。沉积管5轴向长度为1620mm、大径端外径为105mm、小径端外径为65mm、壁厚2mm，沉积管5小径端朝向氢化还原管1的出气端。氢化还原管1出气端设置有法兰7，用于将沉积管5固定在沉积段，同时将氢化还原管1内壁与沉积管5外壁之间的空隙封闭。沉积管5的出气端与废气处理单元8的进气端相连，废气处理单元8包括储液罐和设置在储液罐上的进气管和出气管。废气处理单元8运行时，储液罐内加有用于吸收高纯砷制备过程中产生的废气的吸收液，所述储液罐的进气管的出气端位于吸收液液位以下，所述储液罐的出气管的进气端位于吸收液液位以上，从而使废气处理单元8运行过程中实现鼓泡的效果。氢化还原管1的出气端和废气处理单元8位于通风橱9内。

本实施例提供的氢化还原装置的工作过程为：三氯化砷和氢气通过进料管2的出料端进入氢化还原管1的反应段1-1，然后在反应段1-1依次流经进料管2外壁和回流管3内壁构成的通道以及回流管3外壁和氢化还原管内壁构成的通道。三氯化砷和氢气在反应段1-1中加热反应，反应得到的砷蒸汽通过隔板4上的孔进入缓冲段1-3。砷蒸汽通过锥形挡板6进入沉积管5并在沉积段1-2沉积，得到固态的高纯砷产品，未反应的三氯化砷蒸汽、氢气以及反应产生的废气从沉积管出气端排出进入废气处理单元。

实施例4

制备高纯砷

采用实施例3所述的氢化还原装置，先向进料口通入氮气，排尽体系中的空气，氮气流量100L/h，通气时间0.5h；通氮停止后，向进料口通入氢气，氢气流量200L/h，通气0.5h后，氢化还原管开始升温。其中，反应段温度设置为835℃，缓冲段温度设置为600℃，沉积段进气端温度设置为370℃，沉积段出气端温度设置为310℃。温度恒定后，保持氢气流量不变，向进料口通入液态三氯化砷，进料速度为0.2L/h。

三氯化砷和氢气在反应段中反应得到的砷蒸汽，砷蒸汽通过隔板上的孔进入缓冲段，然后经过设置在缓冲段出气端的锥形挡板进入沉积管，并在沉积管沉积，得到固态的高纯砷产品。未反应的三氯化砷蒸汽、氢气以及反应产生的废气从沉积管出气端排出进入废气处理单元。

液态三氯化砷进料30h后，停止进料后，继续通氢0.5h后，停炉降温。当氢化还原管温度降至100℃以下时，关闭氢气，切换为氮气。当氢化还原管温度降至降温50℃以下时，打开通风橱门，拆除法兰后，将沉积管取出。沉积管靠近大径端的位置获得4.77kg高纯砷固态产品，沉积管靠近小径端的位置获得0.15kg低沸杂质。对获得的4.77kg高纯砷产品进行纯度分析，满足国际6N要求。

实施例5

制备高纯砷

采用实施例3所述的氢化还原装置,通入氮气排尽体系空气后；向进料口通入氢气，氢气流量250L/h，通气0.5h后，氢化还原管开始升温。其中，反应段温度设置为850℃，缓冲段温度设置为610℃，沉积段进气端温度设置为380℃，沉积段出气端温度设置为310℃。温度恒定后，保持氢气流量不变，向进料口通入液态三氯化砷，进料速度为0.2L/h。

三氯化砷和氢气在反应段中反应得到的砷蒸汽，砷蒸汽通过隔板上的孔进入缓冲段，然后经过设置在缓冲段出气端的锥形挡板进入沉积管，并在沉积管沉积，得到固态的高纯砷产品。未反应的三氯化砷蒸汽、氢气以及反应产生的废气从沉积管出气端排出进入废气处理单元。

液态三氯化砷进料30h后，停止进料后，继续通氢0.5h后，停炉降温。当氢化还原管温度降至100℃以下时，关闭氢气，切换为氮气。当氢化还原管温度降至降温50℃以下时，打开通风橱门，拆除法兰后，将沉积管取出。沉积管靠近大径端的位置获得4.89kg高纯砷固态产品，沉积管靠近小径端的位置获得0.29kg低沸杂质。对获得的4.89kg高纯砷产品进行纯度分析，满足国际6N要求。

实施例6

制备高纯砷

采用实施例3所述的氢化还原装置,通入氮气排尽体系空气后；向进料口通入氢气，氢气流量200L/h，通气0.5h后，氢化还原管开始升温。其中，反应段温度设置为840℃，缓冲段温度设置为600℃，沉积段进气端温度设置为370℃，沉积段出气端温度设置为310℃。温度恒定后，保持氢气流量不变，向进料口通入液态三氯化砷，进料速度为0.3L/h。

三氯化砷和氢气在反应段中反应得到的砷蒸汽，砷蒸汽通过隔板上的孔进入缓冲段，然后经过设置在缓冲段出气端的锥形挡板进入沉积管，并在沉积管沉积，得到固态的高纯砷产品。未反应的三氯化砷蒸汽、氢气以及反应产生的废气从沉积管出气端排出进入废气处理单元。

液态三氯化砷进料20h后，停止进料后，继续通氢0.5h后，停炉降温。当氢化还原管温度降至100℃以下时，关闭氢气，切换为氮气。当氢化还原管温度降至降温50℃以下时，打开通风橱门，拆除法兰后，将沉积管取出。沉积管靠近大径端的位置获得4.61kg高纯砷固态产品，沉积管靠近小径端的位置获得0.20kg低沸杂质。对获得的4.61kg高纯砷产品进行纯度分析，满足国际6N要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于高纯砷生产的氢化还原装置，包括：

氢化还原管，所述氢化还原管的进料端设置有进料管；

所述氢化还原管内部沿其气流前进方向依次为反应段和沉积段；

所述反应段的出气端设置有具有孔的隔板；

所述反应段设置有开口朝向氢化还原管进料端的回流管，所述回流管固定在所述隔板上；所述进料管的出料端探入到所述回流管内；

所述沉积段的出气端位于氢化还原管的出气端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述沉积段设置有可与氢化还原管分离的沉积管；所述沉积管的进气端位于沉积段的进气端，所述沉积管的出气端朝向氢化还原管的出气端。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述沉积管为锥形管；所述锥形管的小径端朝向氢化还原管的出气端。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述沉积管的长度大于等于所述沉积段的长度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述沉积管通过设置在氢化还原管出气端的法兰固定在氢化还原管的沉积段。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反应段和沉积段之间设置有缓冲段；所述缓冲段的进气端与反应段的出气端相连，所述缓冲段的出气端与沉积管的进气端相连。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述缓冲段的出气端设置有锥形挡板；所述锥形挡板的大径端与氢化还原管内壁相接触；所述锥形挡板的小径端朝向氢化还原管的出气端；所述锥形挡板的小径端探入到所述沉积管内。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氢化还原装置还包括废气处理单元；所述氢化还原管的出气端与所述废气处理单元的进气端相连。

9.一种高纯砷的制备方法，包括以下步骤：

将三氯化砷和氢气通入权利要求1所述装置的氢化还原管的进料管，所述三氯化砷和氢气在所述氢化还原管的反应段加热反应，在沉积段得到固态高纯砷。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述氢化还原管的反应段和沉积段之间设置有缓冲段；所述缓冲段的进气端与反应段的出气端相连，所述缓冲段的出气端与沉积管的进气端相连；

所述反应段的温度为700～900℃；所述缓冲段的温度为500～700℃；所述沉积段进气端的温度为350～400℃；所述沉积段出气端的温度为300～350℃。