CN211310846U - 一种高纯磷酸脱色系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高纯磷酸脱色系统，包括依次连接的换热器、微反应器和气液分离器，该实用新型实用微反应器作为磷酸漂白发生器，有效的提高了反应效率，并使得漂白更加充分，该系统可以应用于高纯磷酸的漂白工艺中，得到的高纯磷酸色度≤20黑曾，磷酸中的TOC含量≤40ppm，有机杂质脱除率达到65％，通过该工艺生成浓度不小于85％净化磷酸，可以达到工业级磷酸和食品级磷酸的质量要求，具有良好的市场收益。

Description

一种高纯磷酸脱色系统

技术领域

本实用新型涉及湿法磷酸制备领域，特别涉及一种高纯磷酸脱色系统。

背景技术

用硫酸、硝酸或盐酸分解磷矿制得的磷酸统称为湿法磷酸，由于热法磷酸生产成本高，而且能耗高，在当前世界各国节约能源、减少碳排放量的要求下，对湿法磷酸进行脱色和净化处理代替热法磷酸实大势和潮流。

湿法磷酸作为一种重要的化工中间产品，是磷酸铵、复合肥料生产的主要原料。湿法磷酸由于矿源的不同，呈现出不同的颜色，而磷酸铵、复合肥料的颜色主要受磷酸颜色的影响。例如采用湿法磷酸直接生产磷酸二铵，则只能生产灰色或深灰色的二铵产品，不能满足消费者对产品外观的要求。消费者通常会把肥料的颜色作为判断肥料质量的一项重要指标，因此，消除产品中的黑色成分，提高产品的颜色质量，是亟待解决的一个问题。

湿法磷酸中的颜色主要受其中的有机物影响，因此湿法磷酸的脱色主要就是脱除湿法磷酸中的有机物。目前，业内一般使用漂白塔进行漂白，但是漂白塔中漂白剂和磷酸的接触不够充分，脱色效率不高，生产出的高纯磷酸质量较差。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供一种高纯磷酸脱色系统，包括：

换热器，所述换热器上设置有脱氟酸入口、脱氟酸出口、热交换介质入口和热交换介质出口；

微反应器，所述微反应器连接所述脱氟酸出口上设置有第一介质入口、第二介质入口和漂白酸出口；

气液分离器，连接所述漂白酸出口，所述气液分离器上还设置有产品酸出口。优选的，所述换热器内沿着轴向设置有若干圆柱形石墨换热块，所述石墨换热块上沿轴向设置有轴向流道；所述石墨换热块上沿垂直于所述轴向流道的方向设置有横向流道，所述轴向流道和所述横向流道相互交错且相互隔离。

优选的，所述脱氟酸入口设置在所述换热器的底部，所述脱氟酸出口设置在所述换热器的顶部，所述脱氟酸入口与所述脱氟酸出口通过所述轴向流道连通；

所述热交换介质入口和热交换介质出口通过所述横向流道联通。

优选的，沿着所述换热块的周面还设置有半圆环形的折流流道，所述折流流道内设置有沿着轴向延伸的分流板。

优选的，所述微反应器包括第一流道板和第二流道板，所述第一流道板依次堆叠并形成有用于容纳第二流道板的空腔，第二流道板在所述空腔内依次堆叠；所述第一流道板联通所述第一介质入口，所述第二流道板联通所述第二介质入口。

优选的，相邻所述第一流道板之间形成水平方向设置的第一流道，相邻所述第二流道板之间形成水平方向设置的第二流道和第三流道；同一平面上的所述第二流道与所述第三流道相互垂直且相互连通，位于同一平面上的第三流道和第一流道一一对应且联通。

优选的，所述第一流道的截面面积大于所述第二流道的截面面积，所述第三流道的截面面积不小于所述第一流道的截面面积。

优选的，所述第三流道内设置有扰流部，所述第二流道与第三流道交汇处与所述扰流部错位设置，所述第二流道与第三流道交汇处设置于所述扰流部的上游。

优选的，所述第一流道的截面为圆形或矩形，第一流道的截面为矩形时，所述第一流道的深度为1-300微米，所述第一流道的宽度为10微米-10毫米。

优选的，所述漂白酸出口通过管道通入至所述气液分离器的底部，所述气液分离器的上部设置有气体出口和产品酸出口。

本申请与现有技术相比，其详细说明如下：

本申请公开了一种高纯磷酸脱色系统，通过微反应器实现对磷酸的漂白，利用微反应器替代原有的漂白塔，提高了漂白效率，缩短了反应时间，由于脱氟酸具有一定的粘度，需要将脱氟酸预先加热，使脱氟酸的粘度略微下降流动性增强，可以更好的适用于微反应器的微通道结构，克服了因脱氟酸粘度导致微反应器内流动性差、流动不均匀、流体压力衰减过速而不适用于微反应器的问题，使得本申请公开的系统能够通过微反应器进一步提高漂白效率。

本申请使用的微反应器中的第一流道的宽度远大于深度，使得脱氟酸在第一流道内具有更好的流动性，双氧水进入第三流道后，可以在下游与脱氟酸快速的充分混合。

由于脱氟酸本身存在一定粘度，而双氧水的浓度较低，因此两者存在明显的粘度差异，为了避免因为粘度差、流量差导致无法充分混合，微反应器的流道还设置有扰流部，通过扰流部可以使脱氟酸形成扰流，加速脱氟酸和双氧水的混合，改善双氧水和脱氟酸的漂白充分程度。

附图说明

图1为应用本实用新型的系统图。

图2为换热器的阶梯剖结构示意图；

图3为图1中微反应器的结构示意图；

图4为微反应器的局部结构示意图；

图5为第一流道板另一种优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图所示，本申请公开一种高纯磷酸脱色系统，包括依次连接的换热器1、微反应器2和气液分离器3，其中：

换热器1上设置有脱氟酸入口101、脱氟酸出口102、热交换介质入口103和热交换介质出口104；所述热交换介质入口103用于通入蒸汽等热交换介质，完成热交换的热交换介质从热交换介质出口104送出，从上一工序制备得到的脱氟酸从脱氟酸入口101送入，经过加热后同脱氟酸出口102送出，并输送至微反应器2。

微反应器2，所述微反应器2上设置有第一介质入口201、第二介质入口202 和漂白酸出口203；第一介质入口201连接所述脱氟酸出口102，第二介质入口202 连接有双氧水管道，脱氟酸和双氧水在脱反应器中混合，得到漂白酸从漂白酸出口 203送出；

气液分离器3，连接所述漂白酸出口203，产品酸送入至气液分离器3，经过静置分离后得到的净化磷酸从所述气液分离器3上的产品酸出口301送出。

向微反应器2中通入体积流量比为1:0.005-0.015的脱氟酸和双氧水，脱氟酸在所述微反应器2中与双氧水充分接触混合，双氧水氧化脱氟酸中的有机物实现漂白。

具体的，本系统中使用的所述换热器1具体为块孔式石墨换热器1，如图所示，所述脱氟酸从石墨换热器1底部通入，并在石墨换热器1中加热后溢流送出石墨换热器1。

所述石墨换热器1内设置有多个沿着上下方向堆叠的圆柱形的石墨换热块11，所述石墨换热块11之间设置有聚四氟乙烯密封垫12，所述石墨换热块11中设置有若干个平行于石墨换热块11轴线方向排布的轴向流道13，以及垂直于所述轴向流道13设置的横向流道14，所述横向流道14设置于轴向流道13之间，轴向流道13 和横向流道14之间隔离。所述轴向流道13用于通入脱氟酸，所述横向流道14用于通入热传递介质，如蒸汽等。

沿着所述石墨换热块11的周面还设置有折流流道15，所述折流流道15将与之位于相同水平高度的各个横向流道14联通，使得在横向流道14中流动的热传递介质可以在相互平行的横向流道14中分布并折流，对换热器1内轴向流道13的脱氟酸进行换热。

本申请中的折流流道15不多于5条，且在每一折流流道15中均设置有分流板 16。受到圆柱形石墨换热块11的结构影响，位于同一平面上的横向流道14的长度并不一致，因此，两侧较短的横向流道14阻力更小，热交换介质更容易从圆柱形石墨换热块11两侧区域的横向流道14通过，两侧对应的换热效率更高。但是，实际上换热器1内的氟硅酸主要在石墨换热块11靠近轴侧的中间区域的轴向流道13内进行换热；当横向流道14的两侧的热交换介质流速更高、中间热交换介质流速低，会导致石墨换热块11中部的热交换效果下降。为了进一步提高换热效率，对每一折流流道15中设置分流板16，使得热交换介质在折流流道15中均匀分布，进而提高石墨换热块11的换热效率，实际测试得到石墨换热块的热传导系数大于或等于126 W/m·K。

石墨换热器1的底部还设置有锥形的缓冲腔17，脱氟酸从底部送入换热器1之后经过缓冲腔17缓冲之后分布至换热块的轴向流道13中。缓冲腔17可以使得脱氟酸在进入石墨换热器1之后先进行缓冲，避免对石墨块构成直接的冲击，可以避免脱氟酸在石墨换热器1底部形成乱流，进而避免降低脱氟酸通入轴向流道13的效率。

脱氟酸在石墨换热器1中充分换热后，温度升高送入微反应器2。脱氟酸和双氧水通过流量控制泵通入微反应器2中进行混合。由于前序工段留下了各种有机物杂质，如消泡剂中夹杂的妥尔油、妥尔油脂肪酸、油酸、磺化脂肪酸、磺化油酸等，使得脱氟酸具有略微的着色，这种着色影响着高纯磷酸产品的外观，因此通过双氧水进行漂白。

申请公开的微反应器2，包括第一流道板21和第二流道板22，所述第一流道板 21依次堆叠，依次堆叠的所述第一流道板21中形成有用于容纳第二流道板22的空腔，第二流道板22在所述空腔内依次堆叠，相邻的第一流道板21上的槽形成沿着水平方向延伸分布的第一流道23，第一流道23用于通过第一分布器连接第一介质入口并通入脱氟酸。相邻第二流道板22上的槽形成水平方向的第二流道24和第三流道24，同一平面上的所述第二流道24与所述第三流道25相互垂直且相互连通，位于同一平面上的第三流道25和第一流道23一一对应且联通。

所述双氧水通过第二介质入口202进入微反应器2并通过第二分布器分流至第二流道板22；相互堆叠的第二流道板22上的第二流道24之间形成有微小的网状的流道，形成在所述第二流道板22水平方向上分布的相互垂直的第二流道24和第三流道25，其中，第三流道25与第一流道23同向延伸，使得在所述第二流道24内流动的双氧水通过联通的第三流道25与第一流道23通入的脱氟酸混合。

其中，第一流道23的截面面积大于第二流道24的截面面积，使得第二流道24 可以对流量较小的双氧水起到稳压稳流均匀分布的作用。第三流道25的截面面积不小于第一流道23的截面面积，使得脱氟酸可以在第三流道25中与双氧水快速混合充分反应。

优选的本申请的两块堆叠的第一流道板21形成的第一流道23的截面为圆形，更优选的，所述第一流道23的截面为矩形，所述第一流道23的深度为1-300微米，优选为10-150微米，第一流道23的深度为10微米至10毫米的宽度，优选为1毫米至5毫米的宽度。因此，本申请的第一流道23可以通过宽度/深度之比实现更大的流速和接触面积。由于第一流道23的宽度远大于深度，使得脱氟酸在第一流道 23内具有更好的流动性，当通过第二流道24送入的双氧水与第一流道23送入的脱氟酸在进入第三流道25后，可以在下游快速、充分地混合。

本申请所述的第一流道23和第二流道24、第三流道25可以模制、蚀刻、切割形成。

对本申请而言，脱氟酸和双氧水的粘度并不相近，因此，本申请中经过加热后脱氟酸粘度下降、流动性流动性增强，使得本申请的脱氟酸可以更好的在微反应器 2中快速反应。但是由于微反应器2的接触面积增大、换热效率较高，脱氟酸的温度在微反应器2中不断的发生着变化。一方面，经过加热后的脱氟酸在微反应器2 中可以允许更高的换热效率仍能够保持较高的温度从而维持流动性；且经过加热的脱氟酸使双氧水对TOC的氧化效率可以达到65％以上。因此在试产中。但另一方面，在试生产中仍然可以发现，微反应器2中的脱氟酸的粘度始终大于34cp，而由于脱氟酸和双氧水的粘度和流速均存在着明显的差异，脱氟酸和双氧水的混合程度也受到了明显的影响。

对常规的微反应器2而言，这两种流体在接触时，由于脱氟酸的粘度比较大，双氧水从一个流道进入另一个流道时，受到粘度较大的流体影响而并未发生有效的混合，降低了反应效率。这种缺陷在位于相同平面并通过两个流道的交汇实现混合的微反应器中是普遍存在的，尤其在两个相互垂直的平面中各自设置的两个流道90°交汇的流道中更加明显。由于粘度差异，双氧水在汇入脱氟酸流道时，由于流量较小否则会稀释脱氟酸导致在粘度较大的脱氟酸表面形成一薄薄的液膜层，或被脱氟酸阻隔，导致在较短的混合反应周期中无法充分发生混合而降低产品质量。

为此，本申请所述的微反应器2的第三流道25为直线形流道或折线形流道中的一种。本申请的一个优选实施例的第三流道25可以为多组相互平行的沿着水平方向延伸的直线形流道，也可以为沿着水平方向依次重叠形成的波纹型流道。当为直线形流道时，在第三流道25内尤其是与第二流道24交汇处设置有扰流部26，脱氟酸在此沿着流动横截面发生干涉进而形成扰流，这种扰流在流道部周边的不同点处相互作用。第二流道24垂直于第三流道25设置，第二流道24与第三流道25交汇处与发生扰流的扰流部26错开，所述第二流道24与第三流道25交汇处优选设置于扰流部26的上游，这使得第二流道24的流体能够在第三流道25内经过扰流部的作用被充分的搅拌均匀而不影响流速。此外，由于第三流道25的截面面积不小于第一流道23的截面面积，也使得第二流道24内的双氧水更不容易收到第三流道25内脱氟酸的粘度影响，而能够快速注入流道实现混合，提高了反应的速度和效率。

在别的实施例中，扰流部26可以为波纹型的凸起的扰流部，使得脱氟酸在第三流道25内流动时产生扰流，这可以起到和上述优选实施例起到相同的作用。当第三流道25为沿着水平方向依次重叠形成的波纹型流道时，第二流道24端面的孔亦可以设置在扰流部26的下游，这可以起到和上述优选实施例起到相同的作用。

本申请的微反应器能够以受控的方式快速混合两种流体流而无需使用搅拌器或其他移动部件。在本申请提供的各层中，通过调整流体的流动情况实现不同粘度液体的混合是本申请方案能够使用微反应器2进行漂白的重要原因。由于微反应器2 中各层之间中形成的微小的流道具有复杂的流体流动关系，促进了这两种流体快速且受控的混合。

在本申请中，一方面通过流量控制混合的速度，另外一方面也通过第一流道23 和第二流道24的布局设计，使得两种粘度相差较大、流量相差较大的液体的混合速度可以得到有效的控制。

本申请的实施例中，在不同流体流之间的每个横截面积产生足够的界面接触以实现快速混合。以这种方式，在重叠区域处相遇的两个或更多个流体流之间实现扩散混合，并且它们可以比普通的微反应器中通常的更大程度地混合。可以控制这些点处的形状和重叠量以改变混合量。

本申请的实施例中，通过流道设计和扰流部26结构使得不同流体流之间的产生足够的界面接触以实现快速混合，并以这种方式，在扰流部26处相遇的两个流体之间实现扩散混合，并且它们可以比一般的微反应器2装置更有效和充分的混合；当然，这种混合效果综合了流量控制、流道设计和流体温度等参数得以稳定。

通入第二流道24的双氧水通过第二流道24及端面堆叠形成的微小的孔与流入第三流道25内的脱氟酸充分接触，当双氧水穿过孔时经过第二流道24均匀分散并调整了流速，使得双氧水可以均匀分布至第三流道25内的并与脱氟酸稳定、均匀和充分的接触。

所述第一流道板21为聚四氟乙烯制成的流道板，所述第二流道板22为哈氏合金制成的流道板，哈氏合金的流道板可以有效避免脱氟酸流经微反应器中心的第二流道板时对其构成腐蚀。此外，本申请的第一流道板21和第二流道板22外设置的壳体(或端板)以及分布器均是哈氏合金材料制成，可以避免磷酸对微反应器2内结构件的腐蚀。需要特别说明的是，壳体只是对结构的描述，其可以是独立的可拆卸的板件，也可以是预制的壳体，本申请所述的壳体不应视为对实现该结构的限定。

在微反应器2的反应过程中，由于双氧水的氧化作用，成品酸中混合有大量的悬浮气泡，这些气泡由于微反应器2中的混合作用被切割成更加细小的气泡。因此，将成品酸送入气液分离器3，成品酸在气液分离器3中静置，得到符合工业级需求或食品级需求的高纯磷酸，分离得到的烟气从气液分离器3顶部排出。

微反应器2漂白后的产品酸送入气液分离器3，所述气液分离器3的顶部沿着容器内部通入至容器分离器的底部，产品酸从管道内直接送入气液分离器3的底部，并在底部形成涡流，顶部的产品酸溢流送出得到高纯磷酸，气体从顶部送出。

本实用新型的系统可以用于漂白高纯磷酸工艺，应用该系统的磷酸漂白工艺可以得到浓度不小于85％的合格净化磷酸产品，有机杂质脱除率达到65％。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，包括：

换热器(1)，所述换热器(1)上设置有脱氟酸入口(101)、脱氟酸出口(102)、热交换介质入口(103)和热交换介质出口(104)；

微反应器(2)，所述微反应器(2)连接所述脱氟酸出口(102)上设置有第一介质入口(201)、第二介质入口(202)和漂白酸出口(203)；

气液分离器(3)，连接所述漂白酸出口(203)，所述气液分离器(3)上还设置有产品酸出口(301)。

2.根据权利要求1所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，所述换热器(1)内沿着轴向设置有若干圆柱形石墨换热块(11)，所述石墨换热块(11)上沿轴向设置有轴向流道(13)；所述石墨换热块(11)上沿垂直于所述轴向流道(13)的方向设置有横向流道(14)，所述轴向流道(13)和所述横向流道(14)相互交错且相互隔离。

3.根据权利要求2所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，所述脱氟酸入口(101)设置在所述换热器(1)的底部，所述脱氟酸出口(102)设置在所述换热器(1)的顶部，所述脱氟酸入口(101)与所述脱氟酸出口(102)通过所述轴向流道(13)连通；

所述热交换介质入口(103)和热交换介质出口(104)通过所述横向流道(14)联通。

4.根据权利要求3所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，沿着所述换热块的周面还设置有半圆环形的折流流道(15)，所述折流流道(15)内设置有沿着轴向延伸的分流板(16)。

5.根据权利要求1所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，所述微反应器(2)包括第一流道板(21)和第二流道板(22)，所述第一流道板(21)依次堆叠并形成有用于容纳第二流道板(22)的空腔，第二流道板(22)在所述空腔内依次堆叠；所述第一流道板(21)联通所述第一介质入口(201)，所述第二流道板(22)联通所述第二介质入口(202)。

6.根据权利要求5所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，相邻所述第一流道板(21)之间形成水平方向设置的第一流道(23)，相邻所述第二流道板(22)之间形成水平方向设置的第二流道(24)和第三流道(25)；同一平面上的所述第二流道(24)与所述第三流道(25)相互垂直且相互连通，位于同一平面上的第三流道(25)和第一流道(23)一一对应且联通。

7.根据权利要求6所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，所述第一流道(23)的截面面积大于所述第二流道(24)的截面面积，所述第三流道(25)的截面面积不小于所述第一流道(23)的截面面积。

8.根据权利要求6所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，所述第三流道(25)内设置有扰流部(26)，所述第二流道(24)与第三流道(25)交汇处与所述扰流部(26)错位设置，所述第二流道(24)与第三流道(25)交汇处设置于所述扰流部(26)的上游。

9.根据权利要求5所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，所述第一流道(23)的截面为圆形或矩形，第一流道(23)的截面为矩形时，所述第一流道(23)的深度为1-300微米，所述第一流道(23)的宽度为10微米-10毫米。

10.根据权利要求1所述的一种高纯磷酸脱色系统，其特征在于，所述漂白酸出口(203)通过管道通入至所述气液分离器(3)的底部，所述气液分离器(3)的上部设置有气体出口和产品酸出口(301)。

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