CN107337236B - 一种四氯化锆急冷装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四氯化锆急冷装置及方法，尤其涉及一种可通过喷淋塔，冷却器和填料塔实现调节冷却温度，分离出高纯度四氯化锆目的的四氯化锆急冷装置及方法；一种四氯化锆急冷装置，包括喷淋塔、四氯化锆冷却器、四氯化钛冷却器、填料塔。本发明采用喷淋塔，冷却器和填料塔的设计，进行五级冷却，使得杂质可以逐级分离，为后续工艺的利用创造了条件，而且分离出的四氯化锆纯度高，可直接用于生产高纯氧氯化锆或用于生产其它工艺；通过温度传感器和电动阀的设计，使得冷却温度调节方便；当装置内的冷却温度过高时，温度传感器将信号传递给中央处理器，中央处理器将信号传递给电动阀，电动阀调节喷淋液的流量，而且调节过程不会带来安全隐患。

Description

一种四氯化锆急冷装置及方法

技术领域

本发明涉及一种四氯化锆急冷装置及方法，尤其涉及一种可通过喷淋塔，冷却器和填料塔实现调节冷却温度，分离出高纯度四氯化锆目的的四氯化锆急冷装置及方法。

背景技术

沸腾氯化法氧氯化锆需要氯气、锆英砂(硅酸锆)、石油焦、金属硅(或碳化硅或二者混合物)为原料，在氯化炉中900℃-1200℃条件下发生反应，生成四氯化锆和四氯化硅，四氯化硅经提纯作为副产品，四氯化锆再与水反应生成氧氯化锆和盐酸。原料中的杂质成分均转化为相应的氯化物，如：二氧化钛杂质转化为四氯化钛，氧化铁转化为氯化铁。因此，从氯化炉出来的混合物中含有四氯化锆、四氯化硅、四氯化钛、三氯化铁、一氧化碳、二氧化碳、氯气、锆英砂(硅酸锆)、石油焦、金属硅(或碳化硅或二者均有)。必须将四氯化锆分离出来，以便进行后续工艺过程。

传统的分离过程一般是用夹套冷却器进行，将工艺混合气通过夹套管的内管，夹套层通入冷空气或循环水作为冷却介质，控制冷却温度低于四氯化锆的升华温度而高于四氯化钛沸点温度，使冷却下来的四氯化锆为固体而四氯化钛、四氯化硅不冷凝(四氯化硅沸点低于四氯化钛)。但四氯化锆的升华温度与氯化铁的沸点温度差距小，导致氯化铁也随着四氯化锆一起冷凝下来。另外，工艺混合气中夹带的固体反应物锆英砂(硅酸锆)、石油焦、金属硅(或碳化硅或二者均有)也会粘附于四氯化锆固体上。因此，该工艺冷却下来的四氯化锆中含有氯化铁、锆英砂(硅酸锆)、石油焦、金属硅(或碳化硅或二者均有)等杂质，为后续工艺带来杂质，最终降低了氧氯化锆产品的纯度，影响了产品质量。

另外，传统的冷却方式下，冷却温度的控制主要依赖冷却水或空气通入量的控制，当需要提高冷却温度时直接导致了冷却水出口温度升高甚至汽化，增加了设备的腐蚀和结垢，也影响了设备安全性(水汽化导致压力增高)。因此，冷却温度一般比较低，造成冷却下来的四氯化锆中还可能含有四氯化钛、四氯化硅等杂质。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种四氯化锆急冷装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种四氯化锆急冷装置及方法，该装置及方法可通过喷淋塔，冷却器和填料塔实现调节冷却温度，分离出高纯度四氯化锆的目的。

本发明提供了下述方案：

一种四氯化锆急冷装置，包括喷淋塔、四氯化锆冷却器、四氯化钛冷却器、填料塔；

所述喷淋塔用于冷凝高沸物及固体；

所述四氯化锆冷却器用于冷凝四氯化锆；

所述四氯化钛冷却器用于冷凝四氯化钛；

所述填料塔用于冷凝四氯化硅，并将剩余尾气通过尾气排放管道排出。

进一步地，所述喷淋塔、所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器及所述填料塔之间从左至右通过管道依次连接。

进一步地，所述喷淋塔与所述填料塔上端均设有喷淋管，其侧壁上端均设有测温管，所述喷淋塔侧壁下端设有进气管道,底端设有排渣管道，所述填料塔底端设有排液管道。

进一步地，还包括四氯化硅冷却器，用于冷凝四氯化硅，连接在所述四氯化钛冷却器与填料塔之间，所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器以及四氯化硅冷却器上均设有一组沿所述冷却器轴心对称设置的喷淋支管，各所述喷淋支管均连接在喷淋总管上。

进一步地，所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器以及四氯化硅冷却器从左至右通过所述管道依次串联。

进一步地，所述四氯化锆冷却器和所述四氯化钛冷却器之间连接有四氯化锆分离装置，所述四氯化钛冷却器及所述四氯化硅冷却器之间连接有四氯化钛分离装置，所述四氯化硅冷却器与所述填料塔之间通过所述管道连接有四氯化硅分离装置。

进一步地，所述喷淋塔侧壁上端通过所述管道连接在所述四氯化锆冷却器的所述喷淋支管之间；所述四氯化硅分离装置通过所述管道连接在所述填料塔侧壁下端，且所述尾气排放管道设于所述填料塔侧壁上端。

进一步地，所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器以及所述四氯化硅冷却器侧壁均设有所述测温管，各所述测温管上均插装有温度传感器，所述喷淋管与各所述喷淋总管上均安装有电动阀，所述电动阀与所述温度传感器均电连接在中央处理器上。

一种四氯化锆急冷方法，包括以下步骤：

将氢气及工艺混合气体通入喷淋塔，采用氢气预处理工艺混合气体后，通过喷淋塔冷凝高沸物及固体；

待四氯化锆、四氯化钛、四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化锆冷却器后，通过四氯化锆冷却器冷凝四氯化锆；

待四氯化钛、四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化钛冷却器后，通过四氯化钛冷却器冷凝四氯化钛；

待四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化硅冷却器后，通过四氯化硅冷凝四氯化硅；

待剩余四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到所述填料塔后，通过填料塔进一步冷凝四氯化硅。

进一步地，所述冷凝处理通过喷淋液进行，其中所述喷淋塔和所述四氯化锆冷却器内的喷淋液为四氯化钛液体或四氯化硅液体或二者混合液，所述四氯化钛冷却器内的喷淋液为四氯化钛液体，所述四氯化硅冷却器内的喷淋液为常温四氯化硅液体，所述填料塔内的喷淋液为冷冻四氯化硅液体。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1、本发明采用喷淋塔，冷却器和填料塔的设计，进行五级冷却，使得杂质可以逐级分离，为后续工艺的利用创造了条件，而且分离出的四氯化锆纯度高，可直接用于生产高纯氧氯化锆或用于生产其它工艺；通过温度传感器和电动阀的设计，使得冷却温度调节方便；当装置内的冷却温度过高时，温度传感器将信号传递给中央处理器，中央处理器将信号传递给电动阀，电动阀调节喷淋液的流量，而且调节过程不会带来安全隐患。

2、本发明采用氢气预处理工艺混合气体，将氯气转化为氯化氢，氯化铁转化为氯化亚铁，可以有效地分离四氯化锆和氯化铁，使得到的四氯化锆的纯度更高；同时通过控制喷淋液的流量来调节冷却温度，使用低沸点喷淋液工艺混合气，使喷淋液气化，高沸点物质冷凝，有效控制了冷却温度，从而使冷却下来的物质具有较高的纯度，为后续工艺降低了杂质的影响。

附图说明

图1为本发明的四氯化锆急冷装置及方法的结构示意图；

图2为本发明的四氯化锆冷却器的结构示意图；

图3为本发明的电路框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1、图2、图3所示，本发明的一种四氯化锆急冷装置，包括喷淋塔1、四氯化锆冷却器2、四氯化钛冷却器14、填料塔3；

所述喷淋塔用于冷凝高沸物及固体；

所述四氯化锆冷却器用于冷凝四氯化锆；

所述四氯化钛冷却器用于冷凝四氯化钛；

所述填料塔用于冷凝四氯化硅，并将剩余尾气通过尾气排放管道4排出。

本实施例中所述喷淋塔、所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器及所述填料塔之间从左至右通过管道5依次连接。

本实施例中所述喷淋塔与所述填料塔上端均设有喷淋管6，其侧壁上端均设有测温管7，所述喷淋塔侧壁下端设有进气管道8,底端设有排渣管道18，所述填料塔底端设有排液管道19。

本实施例中还包括四氯化硅冷却器15，用于冷凝四氯化硅，连接在所述四氯化钛冷却器与填料塔之间，所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器以及四氯化硅冷却器上均设有一组沿所述冷却器轴心对称设置的喷淋支管9，各所述喷淋支管均连接在喷淋总管10上。

本实施例中所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器以及四氯化硅冷却器从左至右通过所述管道依次串联。

本实施例中所述四氯化锆冷却器和所述四氯化钛冷却器之间连接有四氯化锆分离装置16，所述四氯化钛冷却器及所述四氯化硅冷却器之间连接有四氯化钛分离装置17，所述四氯化硅冷却器与所述填料塔之间通过所述管道连接有四氯化硅分离装置13。本发明中四氯化锆分离装置、四氯化钛分离装置、四氯化硅分离装置均为除雾器、旋风分离器、过滤器等，可以使雾滴或固体颗粒从气体中分离出来。

本实施例中所述喷淋塔侧壁上端通过所述管道连接在所述四氯化锆冷却器的所述喷淋支管之间；所述四氯化硅分离装置通过所述管道连接在所述填料塔侧壁下端，且所述尾气排放管道设于所述填料塔侧壁上端。

本实施例中所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器以及所述四氯化硅冷却器侧壁均设有所述测温管，各所述测温管上均插装有温度传感器12，所述喷淋管与各所述喷淋总管上均安装有电动阀11，所述电动阀与所述温度传感器均电连接在中央处理器上。本发明中电动阀均采用SMC电动阀；温度传感器均采用TS105或TS118温度传感器；中央处理器只用来传递信号，采用i7-7700英特尔(Intel)酷睿四核盒装CPU处理器或i5-7500英特尔(Intel)酷睿四核盒装CPU处理器；测温管设于四氯化锆冷却器、四氯化钛冷却器以及四氯化硅冷却器侧壁下端。

本发明采用喷淋塔，冷却器和填料塔的设计，进行五级冷却，使得杂质可以逐级分离，为后续工艺的利用创造了条件，而且分离出的四氯化锆纯度高，可直接用于生产高纯氧氯化锆或用于生产其它工艺；通过温度传感器和电动阀的设计，使得冷却温度调节方便；当装置内的冷却温度过高时，温度传感器将信号传递给中央处理器，中央处理器将信号传递给电动阀，电动阀调节喷淋液的流量，而且调节过程不会带来安全隐患。

一种四氯化锆急冷方法，包括以下步骤：

将氢气及工艺混合气体通入喷淋塔，采用氢气预处理工艺混合气体后，通过喷淋塔冷凝高沸物及固体；

待四氯化锆、四氯化钛、四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化锆冷却器后，通过四氯化锆冷却器冷凝四氯化锆；

待四氯化钛、四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化钛冷却器后，通过四氯化钛冷却器冷凝四氯化钛；

待四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化硅冷却器后，通过四氯化硅冷凝四氯化硅；

待剩余四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到所述填料塔后，通过填料塔进一步冷凝四氯化硅。

本发明采用氢气预处理工艺混合气体，将氯气转化为氯化氢，氯化铁转化为氯化亚铁，可以有效地分离四氯化锆和氯化铁，使得到的四氯化锆的纯度更高；同时通过控制喷淋液的流量来调节冷却温度，使用低沸点喷淋液工艺混合气，使喷淋液气化，高沸点物质冷凝，有效控制了冷却温度，从而使冷却下来的物质具有较高的纯度，为后续工艺降低了杂质的影响。

本实施例中所述冷凝处理通过喷淋液进行，其中所述喷淋塔和所述四氯化锆冷却器内的喷淋液为四氯化钛液体或四氯化硅液体或二者混合液，所述四氯化钛冷却器内的喷淋液为四氯化钛液体，所述四氯化硅冷却器内的喷淋液为常温四氯化硅液体，所述填料塔内的喷淋液为冷冻四氯化硅液体。

本发明中喷淋塔采用文丘里式或空塔喷淋的形式，四氯化锆冷却器、四氯化钛冷却器以及四氯化硅冷却器和填料塔均采用文丘里式或空塔喷淋式、填料塔式、筛板塔式等结构形式。

具体工作过程：

使用时，将氢气从进气管道通入，和工艺混合气在管道内充分混合并在高温下发生化学反应，使氯气转化为氯化氢、氯化铁转化为氯化亚铁后进入喷淋塔使用喷淋液喷淋让工艺混合气降温的同时降低流速，使氯化亚铁、固体杂质与工艺混合气分离开从喷淋塔底部的排渣管道排出；当喷淋塔内的温度过高时，喷淋塔上安装的温度传感器将信号传递给中央处理器，中央处理器将信号传递给喷淋塔上安装的电动阀，通过控制喷淋塔上的电动阀调节喷淋塔内的冷却温度，控制喷淋塔的温度高于四氯化锆的升华温度，低于氯化亚铁的冷却温度，四氯化锆、四氯化钛、四氯化硅及一氧化碳混合气体向上通过管道进入四氯化锆冷却器内；同时喷淋液开始喷淋，当四氯化锆冷却器内的温度过高时，四氯化锆冷却器上安装的温度传感器将信号传递给中央处理器，中央处理器将信号传递给四氯化锆冷却器上安装的电动阀，控制四氯化锆冷却器内的温度低于四氯化锆的升华温度，高于四氯化钛的沸点，通过控制四氯化锆冷却器上的电动阀调节四氯化锆冷却器内的冷却温度，然后四氯化锆冷却器内的固体及气体进入四氯化锆分离装置内进行分离，冷凝固体沉到四氯化锆分离装置底部，四氯化钛、四氯化硅及一氧化碳混合气体进入四氯化钛冷却器内；同时四氯化钛溶液开始喷淋，当四氯化钛冷却器内的温度过高时，四氯化钛冷却器上安装的温度传感器将信号传递给中央处理器，中央处理器将信号传递给四氯化钛冷却器上安装的电动阀，通过控制四氯化钛冷却器上的电动阀调节四氯化钛冷却器内的冷却温度，控制四氯化钛冷却器内的温度在四氯化钛沸点以下，而高于四氯化硅的沸点，然后四氯化钛冷却器内的固体及气体进入四氯化钛分离装置内进行分离，冷凝固体沉到四氯化钛分离装置底部，四氯化硅及一氧化碳混合气体进入四氯化硅冷却器内；同时常温四氯化硅溶液开始喷淋，当四氯化硅冷却器内的温度过高时，四氯化硅冷却器安装上的温度传感器将信号传递给中央处理器，中央处理器将信号传递给四氯化硅冷却器上安装的电动阀，通过控制四氯化硅冷却器上的电动阀调节四氯化硅冷却器内的冷却温度，控制四氯化硅冷却器内的温度低于四氯化硅的沸点，然后四氯化硅冷却器内的固体及气体进入四氯化硅分离装置内进行分离，冷凝固体沉到四氯化硅分离装置底部，剩余四氯化硅及一氧化碳混合气体进入填料塔内；同时零下70℃至零上19℃的四氯化硅溶液开始喷淋，当填料塔内的温度过高时，填料塔上安装的温度传感器将信号传递给中央处理器，中央处理器将信号传递给填料塔上安装的电动阀，通过控制填料塔上的电动阀调节填料塔内的冷却温度，控制填料塔内的温度低于四氯化硅的沸点，冷凝液体沉到填料塔底部，并通过排液管道排出，一氧化碳气体通过尾气排放管道排出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种四氯化锆急冷方法，其特征在于：

包括以下具体步骤：

将氢气及工艺混合气体通入喷淋塔，采用氢气预处理工艺混合气体后，通过喷淋塔冷凝高沸物及固体；

待四氯化锆、四氯化钛、四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化锆冷却器后，通过四氯化锆冷却器冷凝四氯化锆；

待四氯化钛、四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化钛冷却器后，通过四氯化钛冷却器冷凝四氯化钛；

待四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到四氯化硅冷却器后，通过四氯化硅冷凝四氯化硅；

待剩余四氯化硅及一氧化碳混合气体进入到填料塔后，通过填料塔进一步冷凝四氯化硅；

所述冷凝处理通过喷淋液进行，其中所述喷淋塔和所述四氯化锆冷却器内的喷淋液为四氯化钛液体或四氯化硅液体或二者混合液，所述四氯化钛冷却器内的喷淋液为四氯化钛液体，所述四氯化硅冷却器内的喷淋液为常温四氯化硅液体，所述填料塔内的喷淋液为冷冻四氯化硅液体；

还包括四氯化锆急冷装置，包括喷淋塔、四氯化锆冷却器、四氯化钛冷却器、填料塔、四氯化硅冷却器；

所述喷淋塔用于冷凝高沸物及固体；

所述四氯化锆冷却器用于冷凝四氯化锆；

所述四氯化钛冷却器用于冷凝四氯化钛；

所述填料塔用于冷凝四氯化硅，并将剩余尾气通过尾气排放管道排出；

所述喷淋塔、所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器、四氯化硅冷却器及所述填料塔之间从左至右通过管道依次连接。

2.根据权利要求1所述的四氯化锆急冷方法，其特征在于：

所述喷淋塔与所述填料塔上端均设有喷淋管，所述喷淋塔与所述填料塔的侧壁上端均设有测温管，所述喷淋塔侧壁下端设有进气管道，底端设有排渣管道，所述填料塔底端设有排液管道。

3.根据权利要求2所述的四氯化锆急冷方法，其特征在于：

四氯化硅冷却器，用于冷凝四氯化硅，连接在所述四氯化钛冷却器与填料塔之间，所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器以及四氯化硅冷却器上均设有一组沿所述冷却器轴心对称设置的喷淋支管，所述喷淋支管均连接在喷淋总管上。

4.根据权利要求3所述的四氯化锆急冷方法，其特征在于：

所述四氯化锆冷却器和所述四氯化钛冷却器之间连接有四氯化锆分离装置，所述四氯化钛冷却器及所述四氯化硅冷却器之间连接有四氯化钛分离装置，所述四氯化硅冷却器与所述填料塔之间通过管道连接有四氯化硅分离装置。

5.根据权利要求4所述的四氯化锆急冷方法，其特征在于：

所述喷淋塔侧壁上端通过管道连接在所述四氯化锆冷却器的所述喷淋支管之间；所述四氯化硅分离装置通过管道连接在所述填料塔侧壁下端，且所述尾气排放管道设于所述填料塔侧壁上端。

6.根据权利要求3-5任意一项所述的四氯化锆急冷方法，其特征在于：

所述四氯化锆冷却器、所述四氯化钛冷却器以及所述四氯化硅冷却器侧壁均设有测温管，测温管上均插装有温度传感器，所述喷淋管与所述喷淋总管上均安装有电动阀，所述电动阀与所述温度传感器均电连接在中央处理器上。