一种沸腾氯化法氧氯化锆生产装置及方法与流程

本发明涉及氧氯化锆生产装置领域，特别涉及一种用于沸腾氯化法氧氯化锆生产装置及方法。

背景技术：

沸腾氯化法氧氯化锆需要以氯气、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。

zrsio4+4c+4cl2→zrcl4+sicl4+4co

zrsio4+2c+4cl2→zrcl4+sicl4+2co2

si+2cl2→sicl4

sic+2cl2→sicl4+c

zrcl4+9h2o→zrocl2·8h2o+2hcl

现有用于沸腾氯化法氧氯化锆生产装置存在如下技术问题：

1.现有的氯化炉内至外依次是石墨筒、保温层、玻璃钢壳体、中频线圈，固体原料分别由上部各加料口加入，氯气从下部通入。受石墨筒制作工艺的限制，石墨筒的直径最大只能达到800mm，限制了炉子的生产能力，为了解决单炉产能不足的问题，通常是将多个炉子并联使用，导致占地面积大、设备复杂、操作难度大、故障率高等诸多问题；石墨材料耐磨性差，在沸腾氯化过程中受到原料的磨损，需要定期更换，造成连续开车时间短、维护成本高等问题。

2.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冷凝为固体而四氯化钛、四氯化硅不冷凝。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、石油焦、金属硅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、石油焦、金属硅等杂质，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。

3.在锆英砂沸腾氯化装置排放的尾气中，含有数量较多氯气、一氧化碳，尾气中的氯气和一氧化碳，在温度降低时，容易发生化学反应生成光气，光气是一种剧毒物质，给后续处理带来麻烦。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种沸腾氯化法氧氯化锆生产装置及方法，以解决现有沸腾氯化法氧氯化锆生产装置及方法生产效率低、产品质量差和易污染环境的问题。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

一种沸腾氯化法氧氯化锆生产装置，其包括氯化炉、多级冷却装置和尾气处理装置；所述氯化炉、所述多级冷却装置和所述尾气处理装置通过管道从左到右依次连接；所述氯化炉和所述多级冷却装置之间连通的管道上设有氢气进气口；

所述氯化炉用于沸腾氯化反应；

所述多级冷却装置用于分离高纯度四氯化锆、四氯化硅和四氯化钛；

所述尾气处理装置用于尾气处理。

进一步的，所述氯化炉包括自上而下依次连接的沉降段、过渡段和反应段。

进一步的，所述反应段内侧使用导电陶瓷材料制成，外侧绕设中频线圈。

进一步的，所述多级冷却装置包括喷淋塔、四氯化锆冷却器、四氯化钛冷却器、四氯化硅冷却器、填料塔、四氯化锆分离装置、四氯化钛分离装置和四氯化硅分离装置；所述喷淋塔、所述四氯化锆冷却器、所述四氯化锆分离装置、所述四氯化钛冷却器、所述四氯化钛分离装置、所述四氯化硅冷却器、所述四氯化硅分离装置及所述填料塔之间从左至右通过管道依次连接。

进一步的，所述尾气处理装置包括石墨降膜吸收器和填料吸收塔；所述石墨降膜吸收器和所述填料吸收塔通过管道连接。

进一步的，所述氯化炉通过管道连接所述喷淋塔。

进一步的，所述填料塔连接所述石墨降膜吸收器。

一种沸腾氯化法氧氯化锆生产方法，其特征在于：包括以下步骤：

氯化炉中加入金属硅粉、氯气、锆英砂、石油焦、碳化硅，反应生成四氯化锆、氯化铁、四氯化硅、四氯化钛、一氧化碳和二氧化碳；

将氯化炉排出的四氯化锆、氯化铁、四氯化硅、四氯化钛、一氧化碳、二氧化碳和氯化氢混合气体与通过氢气进气口加入的氢气混合后通入多级冷却装置；分离出冷凝高沸物及固体、高纯度四氯化锆、四氯化硅和四氯化钛；

将多级冷却装置排出一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气混合气体通入尾气处理装置，尾气处理装置吸收氯化氢气体，剩余的尾气中包括二氧化碳、一氧化碳与氢气从尾气处理装置中排出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本专利所述氯化炉，其包括反应段、沉降段和过渡段；所述反应段、所述沉降段和所述过渡段从上而下依次衔接；炉体尺寸不受限制，可以做出截面积大、产能高的氯化炉，炉体大也意味着等体积表面积小，散热量少，有助于节约能源。

2.本专利采用氢气进气管道的设计，通过氢气与氯化铁发生化学反应，生成氯化亚铁和氯化氢，氯化亚铁沸点高达1023℃，能够很容易地通过控制温度实现与四氯化锆的分离，避免了氯化铁随四氯化锆一起冷凝，造成产品含氯化铁的问题。

3.本专利采用喷淋塔，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。

4.本专利采用二级吸收方式对沸腾氯化法制备氧氯化锆的尾气进行处理，使用稀盐酸或水来吸收氯化氢气体，最终将氯气转化为盐酸进行处理，避免在尾气处理过程中使用碱液及产生次氯酸钠溶液，降低了尾气处理的成本和难度，具体地说，采用降膜吸收器先进行吸收，然后采用填料塔对降膜吸收器未吸收彻底的氯化氢进一步进行吸收，避免原尾气中含有的氯气和具有强腐蚀性的氯化氢气体排放到大气中，造成空气污染；且此方法不受尾气中的其他组分影响，也避免了现有工艺中过度处理的问题。

附图说明

图1为本发明所述沸腾氯化法氧氯化锆生产装置结构图；

图中：1-氯化炉、11-沉降段、12-过渡段、13-反应段、14-中频线圈、2-多级冷却装置、21-喷淋塔、22-四氯化锆冷却器、23-四氯化锆分离装置、24-四氯化钛冷却器、25-四氯化钛分离装置、26-四氯化硅冷却器、27-四氯化硅分离装置、28-填料塔之间、3-尾气处理装置、31-石墨降膜吸收器、32-填料吸收塔、4-氢气进气口。

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1，一种沸腾氯化法氧氯化锆生产装置，其包括氯化炉1、多级冷却装置2和尾气处理装置3；所述氯化炉、所述多级冷却装置和所述尾气处理装置通过管道从左到右依次连接；所述氯化炉和所述多级冷却装置之间连通的管道上设有氢气进气口4；所述氯化炉用于沸腾氯化反应；所述多级冷却装置用于分离高纯度四氯化锆、四氯化硅和四氯化钛；所述尾气处理装置用于尾气处理。

参见图1，所述氯化炉包括自上而下依次连接的沉降段11、过渡段12和反应段13；所述反应段内侧使用导电陶瓷材料制成，外侧绕设中频线圈14；所述反应段、所述沉降段和所述过渡段从上而下依次衔接；炉体尺寸不受限制，可以做出截面积大、产能高的氯化炉，炉体大也意味着等体积表面积小，散热量少，有助于节约能源。

参见图1，所述多级冷却装置包括喷淋塔21、四氯化锆冷却器22、四氯化钛冷却器24、四氯化硅冷却器26、填料塔28、四氯化锆分离装置23、四氯化钛分离装置25和四氯化硅分离装置27；所述喷淋塔、所述四氯化锆冷却器、所述四氯化锆分离装置、所述四氯化钛冷却器、所述四氯化钛分离装置、所述四氯化硅冷却器、所述四氯化硅分离装置及所述填料塔之间从左至右通过管道依次连接；本专利采用喷淋塔，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。

参见图1，所述尾气处理装置包括石墨降膜吸收器31和填料吸收塔32；所述石墨降膜吸收器和所述填料吸收塔通过管道连接；所述氯化炉通过管道连接所述喷淋塔；所述填料塔连接所述石墨降膜吸收器；采用二级吸收方式对沸腾氯化法制备氧氯化锆的尾气进行处理，使用稀盐酸或水来吸收氯化氢气体，最终将氯气转化为盐酸进行处理，避免在尾气处理过程中使用碱液及产生次氯酸钠溶液，降低了尾气处理的成本和难度，具体地说，采用降膜吸收器先进行吸收，然后采用填料塔对降膜吸收器未吸收彻底的氯化氢进一步进行吸收，避免原尾气中含有的氯气和具有强腐蚀性的氯化氢气体排放到大气中，造成空气污染；且此方法不受尾气中的其他组分影响，也避免了现有工艺中过度处理的问题。

一种沸腾氯化法氧氯化锆生产方法，其特征在于：包括以下步骤：

氯化炉中加入金属硅粉、氯气、锆英砂、石油焦、碳化硅，反应生成四氯化锆、氯化铁、四氯化硅、四氯化钛、一氧化碳和二氧化碳；

将氯化炉排出的四氯化锆、氯化铁、四氯化硅、四氯化钛、一氧化碳、二氧化碳和氯化氢混合气体与通过氢气进气口加入的氢气混合后通入多级冷却装置；分离出冷凝高沸物及固体、高纯度四氯化锆、四氯化硅和四氯化钛；

将多级冷却装置排出一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气混合气体通入尾气处理装置，尾气处理装置吸收氯化氢气体，剩余的尾气中包括二氧化碳、一氧化碳与氢气从尾气处理装置中排出。

具体工作过程：

开始运行时，先向氯化炉内加入金属硅粉，再对中频线圈通电，使氯化炉的反应段开始升温，当温度达到450～500℃时开始通入氯气，氯气与硅粉发生如下化学反应并释放出大量热量：si+2cl2→sicl4，当反应温度达到1000℃时，开始向氯化炉内加入锆英砂、石油焦、碳化硅，维持反应持续进行并逐渐降低中频线圈的加热负荷。

将氯化炉排出的四氯化锆、氯化铁、四氯化硅、四氯化钛、一氧化碳、二氧化碳和氯化氢混合气体与通过氢气进气口加入的氢气混合后通入多级冷却装置，首先混合气体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，然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排出；四氯化锆、四氯化钛、四氯化硅、一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气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，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、一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气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，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、一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气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，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、一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气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，冷凝液体沉到填料塔底部，并通过排液管道排出，一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气混合气体排出；四氯化锆再与水反应生成氧氯化锆和盐酸。

将多级冷却装置排出一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气混合气体通入尾气处理装置，采用二级吸收除去其中含有的氯化氢气体；首先将一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气混合气体通入石墨降膜吸收器进行吸收，吸收介质为浓度3～21％稀盐酸或水，优选6～15％浓度的稀盐酸，更优选8～10％浓度的稀盐酸，冷却介质为循环水或5～20℃的冷冻水。然后将石墨降膜吸收器排出的一氧化碳、二氧化碳、氯化氢和氢气混合气体通入填料塔，对石墨降膜吸收器未吸收彻底的氯化氢进一步进行吸收，吸收介质为浓度3～10％的稀盐酸或水，优选3～5％浓度的稀盐酸；本专利本发明采用二级吸收方式对沸腾氯化法制备氧氯化锆的尾气进行处理，使用稀盐酸或水来吸收氯化氢气体，最终将氯气转化为盐酸进行处理，避免在尾气处理过程中使用碱液及产生次氯酸钠溶液，降低了尾气处理的成本和难度。

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。