CN111892029B - 一种去除黄磷中混合杂质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种去除黄磷中混合杂质的方法，其特征在于：所述方法具体为：在高纯石英管内注入熔融的黄磷，待黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次进行加热，加热由环形加热器与加热棒同时从外围与中心进行，加热采用先自上而下依次分段进行再自下而上依次分段相结合的方式，加热的同时加热端上方或下方区域进行冷却，实现分区熔融定向去除杂质。本发明优点是：热转化率高，使得环形加热器的移动速度可达到12mm/min以上；黄磷二次熔融层的高度更加一致，提纯效果好，能够减少区域熔融定向的次数，提纯效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种黄磷的生产工艺，特别涉及一种去除黄磷中混合杂质的方法。
背景技术
黄磷广泛应用于电子、食品、石化以及汽车制造等领域，在这些领域，对黄磷的纯度要求很高。
在不同路线的黄磷纯化工艺中，区域熔融法相较电炉法得到的工业级黄磷进行二次精制路线，能源消耗少，且无环境污染，因此广泛得到生产企业的重视。
区域熔融法具体主要是通过在柱状的工业黄磷上套设一环形的加热器，利用环形加热器使得黄磷局部熔化，并控制环形加热器在柱状的工业黄磷上轴向移动，使得黄磷的熔化区域随之移动，利用熔融状态下分子的扩散远远大于固态，使得黄磷中的杂质相对黄磷移动至黄磷下方或上方。
采用区域熔融法进行黄磷提纯的工艺路线，能耗较低，且黄磷回收率较高。但是目前的区域熔融法还存在一定的局限性：由于黄磷的熔化采用环形加热器进行，其热传递采用的是自外向内的方式，加热效率较慢，且当环形加热器正对的柱状黄磷外围熔化后，其中心的黄磷仍然部分未熔化，加热器的移动速度通常需要控制在5mm/min以下，加热效率慢；
此外，该加热方式下，该熔融区域始终是一个沿柱形黄磷径向自外向内厚度逐渐减小的盘状形态，对柱状黄磷中心区域的杂质提纯效果不甚理想，若要达到更高的纯度，则需要整体多次反复重复进行区域熔融，往复单向次数通常要18～25次，效率低、能耗高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种效率高、能耗低的去除黄磷中混合杂质的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种去除黄磷中混合杂质的方法，其创新点在于：所述方法具体为：
S0：准备区域熔融装置，区域熔融装置包括高纯石英管、环形换热器组、加热棒和轴向驱动器，所述高纯石英管为一内径50～70mm，高度1100mm且垂直设置的圆柱形管体，管体的上、下端分别通过上、下封头板封闭形成一个密闭的内腔，上封头板上开有进料口、和水封口，下封头板上开有出料口、杂质出口；所述环形换热器组套装在高纯石英管外，该环形换热器组包括一环形加热器以及两同轴设置在环形加热器上、下方的上、下环形冷却器，所述环形换热器组由轴向驱动器驱动沿高纯石英管的轴向方向往复移动；所述加热棒垂直插装在高纯石英管内，并与高纯石英管的轴线重合，所述加热棒由石英套内置若干沿轴向分布的加热体组成；
S1：在高纯石英管内充满纯水，再将熔融的黄磷导入高纯石英管的内腔中与纯水进行置换，控制黄磷的量使其距高纯石英管的上端管口100～200mm，剩余的纯水作为水封将黄磷与空气隔绝；
S2：待黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次进行加热：
环形换热器组以12～16mm/min的速度匀速从高纯石英管上端自上而下移动，由环形加热器从高纯石英管外围对黄磷加热，同时，加热棒选择对应高度的加热体工作来从高纯石英管中心对黄磷加热，进而在当前高度附近将固态黄磷熔化形成黄磷二次熔融层；
在对黄磷加热的同时，开启环形换热器组中的上环形冷却器，对当前黄磷二次熔融层的上方区域进行冷却，将当前黄磷二次熔融层的上方还未凝固的黄磷进行冷却凝固，利用黄磷与黄磷中杂质的熔点不同，使得熔点低于黄磷的杂质在黄磷凝固的过程中逐渐向下移动；
S3：重复步骤S2至13～17次后，通过加热棒将高纯石英管内的黄磷全部加热至熔融状态，取黄磷中在1/3～2/3高度的部分黄磷再次提纯；
S4：待二次提纯的黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次进行加热：
环形换热器组以12～16mm/min的速度匀速从高纯石英管下端自下而上移动，由环形加热器从高纯石英管外围对黄磷加热，同时，加热棒选择对应高度的加热体工作来从高纯石英管中心对黄磷加热，进而在当前高度附近将固态黄磷熔化形成黄磷二次熔融层；
在对黄磷加热的同时，开启环形换热器组中的下环形冷却器，对当前黄磷二次熔融层的下方区域进行冷却，将当前黄磷二次熔融层的上方还未凝固的黄磷进行冷却凝固，利用黄磷与黄磷中杂质的熔点不同，使得熔点高于黄磷的杂质在黄磷凝固的过程中逐渐向上移动；
S5：重复步骤S4至12～15次后，通过加热棒将高纯石英管内的黄磷全部加热至熔融状态，黄磷中2/3高度以下的黄磷即为提纯后的成品高纯黄磷。
优选的，所述步骤S2、S4中，环形加热器的温度控制在80～105℃，使得靠近高纯石英管内壁部分的黄磷温度在60～75℃之间；加热块的温度控制在60～75℃之间，且低于靠近高纯石英管内壁部分的黄磷温度2～3℃；环形冷却器的温度控制在2～10℃。
本发明的优点在于：采用内外同步加热的方式，热转化率高，使得环形加热器的移动速度可达到12mm/min以上；更重要的是，结合温差控制使得提纯效果好，能够减少区域熔融定向的次数，提纯效率高。
附图说明
图1为本发明区域熔融装置结构示意图。
图2为本发明区域熔融装置中加热棒局部剖视图。
具体实施方式
本发明去除黄磷中混合杂质的方法路线如下：
S0：准备区域熔融装置，区域熔融装置如图1所示，包括高纯石英管、环形换热器组、加热棒3和轴向驱动器，该高纯石英管为一内径50～70mm，高度1100mm且垂直设置的圆柱形管体11，管体11的上、下端分别通过上封头板12、下封头板13封闭形成一个密闭的内腔，上封头板12上开有进料口、和水封口，下封头板13上开有出料口、杂质出口；环形换热器组套装在高纯石英管11外，该环形换热器组包括一环形加热器21以及两同轴设置在环形加热器21上、下方的上环形冷却器22、下环形冷却器23，环形换热器组由轴向驱动器(图中未示出)驱动沿高纯石英管的轴向方向往复移动，本实施例中，轴线驱动器采用伺服电机驱动的丝杆螺母副，以满足精度要求；加热棒3垂直插装在高纯石英管内，并与高纯石英管的轴线重合，如图2所示，加热棒3由石英套31内置若干沿轴向分布的加热体32组成，加热体32为紧贴石英套31内壁的环形体结构，在相邻加热体32之间设有陶瓷隔热圈，加热体32的高度与环形加热器21的高度相同。
S1：在高纯石英管内充满纯水，再将熔融的黄磷导入高纯石英管的内腔中与纯水进行置换，控制黄磷的量使其距高纯石英管的上端管口100～200mm，剩余的纯水作为水封将黄磷与空气隔绝；
S2：待黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次进行加热：
环形换热器组以12～16mm/min的速度匀速从高纯石英管上端自上而下移动，由环形加热器从高纯石英管外围对黄磷加热，同时，加热棒选择对应高度的加热体工作来从高纯石英管中心对黄磷加热，进而在当前高度附近将固态黄磷熔化形成黄磷二次熔融层；
在对黄磷加热的同时，开启环形换热器组中的上环形冷却器，下环形冷却器不工作，对当前黄磷二次熔融层的上方区域进行冷却，将当前黄磷二次熔融层的上方还未凝固的黄磷进行冷却凝固，利用黄磷与黄磷中杂质的熔点不同，使得熔点低于黄磷的杂质在黄磷凝固的过程中逐渐向下移动；
S3：重复步骤S2至13～17次后，通过加热棒将高纯石英管内的黄磷全部加热至熔融状态，取黄磷中在1/3～2/3高度的部分黄磷再次提纯；
S4：待二次提纯的黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次进行加热：
环形换热器组以12～16mm/min的速度匀速从高纯石英管下端自下而上移动，由环形加热器从高纯石英管外围对黄磷加热，同时，加热棒选择对应高度的加热体工作来从高纯石英管中心对黄磷加热，进而在当前高度附近将固态黄磷熔化形成黄磷二次熔融层；
在对黄磷加热的同时，开启环形换热器组中的下环形冷却器，上环形冷却器不工作，对当前黄磷二次熔融层的下方区域进行冷却，将当前黄磷二次熔融层的上方还未凝固的黄磷进行冷却凝固，利用黄磷与黄磷中杂质的熔点不同，使得熔点高于黄磷的杂质在黄磷凝固的过程中逐渐向上移动；
S5：重复步骤S4至12～15次后，通过加热棒将高纯石英管内的黄磷全部加热至熔融状态，黄磷中2/3高度以下的黄磷即为提纯后的成品高纯黄磷。
步骤S2、S4中，环形加热器的温度控制在80～105℃，使得靠近高纯石英管内壁部分的黄磷温度在60～75℃之间；加热块的温度控制在60～75℃之间，且低于靠近高纯石英管内壁部分的黄磷温度2～3℃；环形冷却器的温度控制在2～10℃。
实施例一：
选用内径50mm的高纯石英管，熔融的黄磷导入高纯石英管内，距高纯石英管上端管口120mm；
环形换热器组从高纯石英管上管口以16mm/min的速度匀速下降，环形加热器加热温度105℃，使得靠近高纯石英管内壁的黄磷温度在73～75℃之间，加热棒中加热块的温度控制在71～73℃之间，上环形冷却器内冷却水的温度控制在2～5℃；
环形换热器组自上而下重复移动12次后，再次将黄磷全部熔融，取黄磷中在1/3～2/3高度的部分黄磷再次提纯；待二次提纯的黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次加热提纯：
环形换热器组从高纯石英管下管口以16mm/min的速度匀速上升，环形加热器加热温度105℃，使得靠近高纯石英管内壁的黄磷温度在73～75℃之间，加热棒中加热块的温度控制在71～73℃之间，下环形冷却器内冷却水的温度控制在2～5℃；环形换热器组自下而上重复移动12次。提纯后得到的黄磷纯度为99.99992％。
实施例二：
选用内径50mm的高纯石英管，熔融的黄磷导入高纯石英管内，距高纯石英管上端管口120mm；
环形换热器组从高纯石英管上管口以14mm/min的速度匀速下降，环形加热器加热温度90℃，使得靠近高纯石英管内壁的黄磷温度在69～72℃之间，加热棒中加热块的温度控制在67～70℃之间，上环形冷却器内冷却水的温度控制在4～6℃；
环形换热器组自上而下重复移动14次后，再次将黄磷全部熔融，取黄磷中在1/3～2/3高度的部分黄磷再次提纯；待二次提纯的黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次加热提纯：
环形换热器组从高纯石英管下管口以14mm/min的速度匀速上升，环形加热器加热温度90℃，使得靠近高纯石英管内壁的黄磷温度在69～72℃之间，加热棒中加热块的温度控制在67～70℃之间，下环形冷却器内冷却水的温度控制在4～6℃；
环形换热器组自下而上重复移动14次。提纯后得到的黄磷纯度为99.99993％。
实施例三：
选用内径50mm的高纯石英管，熔融的黄磷导入高纯石英管内，距高纯石英管上端管口120mm；
环形换热器组从高纯石英管上管口以12mm/min的速度匀速下降，环形加热器加热温度80℃，使得靠近高纯石英管内壁的黄磷温度在62～64℃之间，加热棒中加热块的温度控制在60～62℃之间，上环形冷却器内冷却水的温度控制在7～10℃；
环形换热器组自上而下重复移动15次后，再次将黄磷全部熔融，取黄磷中在1/3～2/3高度的部分黄磷再次提纯；待二次提纯的黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次加热提纯：
环形换热器组从高纯石英管下管口以12mm/min的速度匀速上升，环形加热器加热温度80℃，使得靠近高纯石英管内壁的黄磷温度在62～64℃之间，加热块的温度控制在60～62℃之间，下环形冷却器内冷却水的温度控制在7～10℃；
环形换热器组自下而上重复移动15次。提纯后得到的黄磷纯度为99.99995％。
对比例一：
本实施例与实施例一工艺步骤与参数基本相同，不同之处在于：用于对黄磷熔融加热仅采用环形加热器进行，并无加热棒，提纯后得到的黄磷纯度为99.99988％。
对比例二：
本实施例与实施例三工艺步骤与参数基本相同，唯一不同之处在于环形换热器组的重复移动次数为22次，提纯后得到的黄磷纯度为99.99995％。
从上述实施例可以看出，本发明的去除黄磷中混合杂质的方法。
Claims (2)
1.一种去除黄磷中混合杂质的方法，其特征在于：所述方法具体为：
S0：准备区域熔融装置，区域熔融装置包括高纯石英管、环形换热器组、加热棒和轴向驱动器，所述高纯石英管为一内径50～70mm、高度1100mm且垂直设置的圆柱形管体，管体的上、下端分别通过上、下封头板封闭形成一个密闭的内腔，上封头板上开有进料口和水封口，下封头板上开有出料口、杂质出口；所述环形换热器组套装在高纯石英管外，该环形换热器组包括一环形加热器以及两同轴设置在环形加热器上、下方的上、下环形冷却器，所述环形换热器组由轴向驱动器驱动沿高纯石英管的轴向方向往复移动；所述加热棒垂直插装在高纯石英管内，并与高纯石英管的轴线重合，所述加热棒由石英套内置若干沿轴向分布的加热体组成；
S1：在高纯石英管内充满纯水，再将熔融的黄磷导入高纯石英管的内腔中与纯水进行置换，控制黄磷的量使其距高纯石英管的上端管口100～200mm，剩余的纯水作为水封将黄磷与空气隔绝；
S2：待黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次进行加热：
环形换热器组以12～16mm/min的速度匀速从高纯石英管上端自上而下移动，由环形加热器从高纯石英管外围对黄磷加热，同时，加热棒选择对应高度的加热体工作来从高纯石英管中心对黄磷加热，进而在当前高度附近将固态黄磷熔化形成黄磷二次熔融层；
在对黄磷加热的同时，开启环形换热器组中的上环形冷却器，对当前黄磷二次熔融层的上方区域进行冷却，将当前黄磷二次熔融层的上方还未凝固的黄磷进行冷却凝固，利用黄磷与黄磷中杂质的熔点不同，使得熔点低于黄磷的杂质在黄磷凝固的过程中逐渐向下移动；
S3：重复步骤S2至13～17次后，通过加热棒将高纯石英管内的黄磷全部加热至熔融状态，取黄磷中在1/3～2/3高度的部分黄磷再次提纯；
S4：待二次提纯的黄磷全部凝固后，对高纯石英管内的黄磷再次进行加热：
环形换热器组以12～16mm/min的速度匀速从高纯石英管下端自下而上移动，由环形加热器从高纯石英管外围对黄磷加热，同时，加热棒选择对应高度的加热体工作来从高纯石英管中心对黄磷加热，进而在当前高度附近将固态黄磷熔化形成黄磷二次熔融层；
在对黄磷加热的同时，开启环形换热器组中的下环形冷却器，对当前黄磷二次熔融层的下方区域进行冷却，将当前黄磷二次熔融层的下方还未凝固的黄磷进行冷却凝固，利用黄磷与黄磷中杂质的熔点不同，使得熔点高于黄磷的杂质在黄磷凝固的过程中逐渐向上移动；
S5：重复步骤S4至12～15次后，通过加热棒将高纯石英管内的黄磷全部加热至熔融状态，黄磷中2/3高度以下的黄磷即为提纯后的成品高纯黄磷。
2.根据权利要求1所述的去除黄磷中混合杂质的方法，其特征在于：所述步骤S2、S4中，环形加热器的温度控制在80～105℃，使得靠近高纯石英管内壁部分的黄磷温度在60～75℃之间；加热棒的温度控制在58～73℃之间，且低于靠近高纯石英管内壁部分的黄磷温度2～3℃；环形冷却器的温度控制在2～10℃。
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