五硫化二磷环保节能加工工艺及设备的制作方法

文档序号:15752761发布日期:2018-10-26 18:05阅读:901来源:国知局

本发明属于化工生产领域,具体涉及一种五硫化二磷环保节能加工工艺及设备。



背景技术:

工业五硫化二磷是重要的大吨位无机化工原料,其分子结构为p4s10,主要用于农药生产和润滑油添加剂行业:在农药生产中可用于合成马拉硫磷、毒死蜱等有机磷杀虫剂;在润滑油添加剂中,主要用于合成二烷基二硫代磷酸锌,其用量占润滑油添加剂总用量的80%。此外,五硫化二磷还可用于生产选矿剂、去除重金属和砷等有害金属杂质、制取含硫化合物等,作用广泛。近年来,由于我国各行各业尤其是汽车行业的快速发展,使五硫化二磷用量激增,每年增速达10%以上。

五硫化二磷由黄磷和硫磺合成制得,其生产工艺有气相合成法和液相合成法两种。气相合成法是先将液体硫磺和黄磷加热升华为气态的硫磺和黄磷,气态的硫磺和黄磷经流量器计量后,反应生成五硫化二磷,再冷却、结片、包装。液相合成法是将液体的黄磷和硫磺经计量器计量,在反应釜内进行反应,再经蒸馏精制、冷却结片、包装而得。

气相合成法属于气相反应,投资大、能耗高、安全风险也大;目前国内只有辽阳瑞兴一家用此工艺生产,国内其余厂家均采用液相合成法工艺。

液相合成法虽然投资小,生产过程易于控制,但也存在诸多缺陷。由于液硫和液磷的反应是剧烈的氧化还原反应,在反应过程中会释放大量的热,导致反应温度不断升高。当釜内温度在300度以上时,达到或接近单质硫、单质磷及硫磷化合物的沸点,会产生大量的硫、磷及硫磷化合物混合气体,釜内压力升高,有爆炸的危险。为避免压力过大,一般会在反应釜的盖上增加一根燃烧室导管,通过导管将釜内产生的高温气体引入燃烧室,与大气连通,以释放压力。这部份硫、磷及硫磷混合物蒸汽,在燃烧室内与空气混合,进行氧化燃烧,生成大量的五氧化二磷和二氧化硫气体,产生严重的环境污染。

可以看出,传统的液相合成工艺,一方面,由于反应过程中有一部份硫、硫混合气体逸出,物料消耗增高,生产成本增高;另一方面,需额外投资设备导出和处理气体,以达到排放标准避免污染环境。一般而言,处理分为水洗和碱洗两步,先水洗以吸收五氧化二磷,再碱洗以吸收二氧化硫,洗涤后产生的偏磷酸溶液和亚硫酸溶液,还要再次经环保装置进行处理,才能确保达标排放。综上,液相合成工艺,不仅浪费原材料,而且对环境不友好,需要额外花费大量成本进行废料处理。

因此,提供一种原材料利用率高、节能环保的五硫化二磷液相合成工艺及加工设备,具有重要的现实意义和推广价值。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种五硫化二磷环保节能加工工艺及设备。

为实现上述发明目的,本发明所采用的技术方案是:一种五硫化二磷生产设备,包括反应釜,所述反应釜设有第一进料口和第二进料口,所述反应釜上方还通过第一管道和第二管道与气相反应器连接;所述第一管道的出料口设置于反应釜顶部,所述第二管道的进料口位于第二进料口的下方。

优选的,所述反应釜还法兰连接有起密封作用的防爆垫片;所述防爆垫片的强度与反应釜的气压安全阈值相对应。

优选的,所述防爆垫片为0.5mm厚的铝片。

优选的,所述反应釜还包括防爆管,所述防爆管内设有压力传感器,所述防爆管的开口处还设有开关;所述生产设备还包括接收所述压力传感器信号并控制开关的控制器。

优选的,所述气相反应器为管状。

相应的,使用所述五硫化二磷生产设备进行的五硫化二磷加工工艺,包括如下步骤:

(1)按质量比,硫:磷=2.58:1,称取熔硫和熔磷,所述熔硫和熔磷的纯度均>99.9%;

(2)反应釜(1)内隔绝空气,280~510℃、0<p≤50kpa,搅拌状态,将熔硫和熔磷缓慢投入反应釜(1)中,投料时间40~50min;投料结束,再继续搅拌反应5~10min;

(3)气相反应器(2)内维持隔绝空气状态,温度280~510℃,0<p≤50kpa;步骤(2)反应过程中挥发和产生的蒸汽进入气相反应器(2),进行气相合成;

(4)45~60min后,反应结束,导出物料,蒸馏精制,即得。

优选的,步骤(4)所述的蒸馏精制条件为:500~540℃、0<p<50kpa。

本发明具有以下有益效果:

1、本发明几乎可实现对原材料的全部利用,收率极高,不仅节约成本,而且更有利于控制生产过程中原材料量的添加和比例关系,有利于控制反应的精准进行。

2、本发明无需额外增加废料处理装置,且不会向环境中排放有毒有害等物质,环境友好、节能环保。

3、本发明综合了液相合成法和气相合成法的优点,并有效规避了两者的缺陷,提供了一种全新的五硫化二磷合成方法:液相-气相联合合成法,不仅可实际应用于生产中,提高生产效率、降低生产成本,而且对同类型的生产工艺具有重要的指导意义。

附图说明

图1为现有液相合成生产五硫化二磷工艺流程图;

图2为本发明生产五硫化二磷工艺流程图;

图3为本发明加工设备结构示意图。

具体实施方式

一、加工设备

如图3所示的一种五硫化二磷生产设备,包括反应釜1,所述反应釜1设有第一进料口31和第二进料口32,分别用于投入熔硫和熔磷。当然,也可选用只有一个进料口的反应釜进行反应。所述反应釜1上方还通过第一管道61和第二管道62与气相反应器2连接。其中,第一管道61的出料口91位于反应釜1顶部,只有上溢的气体能够通过第一管道61进入气相反应器2,避免反应过程中沸腾的液相物料涌入第一管道61;第二管道62与反应釜1连接的进料口92位于第二进料口32下方,靠近第二进料口32的位置,较长的第二管道62和较低的入料口92有利于气相合成的物料充分冷却、并在重力作用下更顺利地回流到反应釜1内。

所述气相反应器2优选为管式反应器,因为管状结构简单,便于保温和恒温,也有利于合成的液相在重力作用下回流至反应釜。其中,反应生产的物料混合气体通过第一管道61进入气相反应器2,在气相反应器2内反应生产的五硫化二磷冷凝液化后,又通过管道62流回反应釜1中。

所述反应釜1还包括防爆装置。所述防爆装置可以直接设置为与反应釜1法兰连接的、起密封作用的防爆垫片,防爆垫片可以为强度不太高或尺寸不太厚的金属板,其强度与反应釜1内的气压安全阈值相对应,如0.5mm的铝板。当反应釜1内压力瞬间急剧上升时,高压气体会立即击穿防爆垫片,释放出气体和能量,达到避免爆炸的目的。防爆垫片未在附图中体现。

如图3所示,所述防爆装置还可以为防爆管4,材质为不锈钢,管内设有压力传感器7和接受压力传感器7信号的控制器5,所述防爆管4的开口处还设有受控制器5控制的开关8。开关8正常情况下处于密封状态,根据反应釜1的实际受压能力设定压力传感器7的数值,如果反应釜1内某一瞬间反应过于激烈,产生的高温气体过多、气压过大,一时无法通过第一管道61进入气相反应器2中反应、减压,那么,防爆管4内的压力传感器7接受到信号并将信号传递给控制器5,控制器5控制开关8开启,释放部分压力直到反应釜1内压力恢复安全值,压力传感器7发送信号给控制器5,控制开关8闭合。

当然,也可使用管道将防爆管4与气相反应器2相连,使过多、过热气体全部进入气相反应器2。

二、加工工艺

1、按质量比,硫:磷=2.58:1,精准称取熔硫和熔磷,熔硫和熔磷的纯度均>99.9%。

2、反应条件准备:调节反应釜1内恒温,温度范围控制在280~510℃;微正压,压力范围控制在0~50kpa。连接反应釜1和气相反应器2,形成一个密闭、隔绝空气的反应体系,向反应釜1内预投入0.2~0.5kg的熔磷,反应3~5min,将反应釜1和气相反应器2内存在的微量氧气反应生产五氧化二磷,再用惰性气体(如氮气)置换生成的微量五氧化二磷气体,以保证反应体系内无氧、隔绝空气的状态。因为微量的五氧化二磷气体对最终产品质量影响甚微,且用惰性气体置换生产的五氧化二磷需要额外花费成本,同时存在反应体系的角落替换不完全的可能性,所以也可不置换,让五氧化二磷保留在反应体系内;如果选择不置换,则预投入的熔磷并非额外添加,而是直接来源于步骤1称取的熔磷。

3、如图2所示,在反应釜1内进行液相合成反应:釜内保持密闭状态,280~510℃;微正压:0<p≤50kpa,将步骤2称取的熔硫和熔磷(或经步骤2后剩余的熔磷)缓慢投入反应釜1中,单次投料时间持续40~50min;投料结束后,再持续搅拌反应5~10min,使反应体系内的物料反应充分,避免物料粘附。需要注意的是,在整个投料和反应的过程中,反应釜1的搅拌棒均处于开启状态。

4、从预投料阶段开始至最终反应结束,气相反应器2内始终维持隔绝空气状态,温度280~510℃,微正压,0<p≤50kpa。反应釜1内、步骤3反应过程中挥发及产生的混合气体(单质磷、单质硫、三硫化四磷、七硫化四磷、九硫化四磷、五硫化二磷等)进入气相反应器2,在气相反应器2内进行气相合成。五硫化二磷沸点为515°,冷凝点为276°。所以在气相反应器2的反应条件下,所有生产的五硫化二磷均为液体状态,其在重力作用下回流至反应釜1内。未反应完全的其它混合液体回到反应釜1内后,在高温下再次挥发进入气相反应器2,在气相反应器2内重复上述反应。

5、45~60min后,反应结束,保持反应釜内搅拌状态,将物料从反应釜导入蒸馏釜内,蒸馏釜内500~540℃、常压到微正压(0~50kpa),进行蒸馏精制,在蒸馏釜内,五硫化二磷全部转化为气态,而后再通过冷凝管等冷却为液态,去除少量无机杂质(主要为原材料中残存的铁、铝、钙、硅、镁等的氧化物杂质,沸点均在1000°以上),获得终产物。精制后,根据国标:gb/t13258-2016,进行终产物的磷硫比测试和醇试验等,以检测终产物中五硫化二磷的纯度。再根据实际需要,进行结片、包装、入库,即可。

其中,在实际生产过程中,向反应釜1中投料是间隙的、分批次进行;但蒸馏精制过程是连续的,可以根据蒸馏釜的实际容量决定蒸馏次数。比如,反应釜1中一次性投料反应1000kg,单次反应完成、导出终产物后再进行下次投料反应;蒸馏釜容量为5000kg,可以连续不间断蒸馏4~5次反应生产的终产物。

下面结合具体的实施例,对本发明进行进一步的阐述。

实施例

1、按上述加工工艺进行五硫化二磷合成生产。采用间隙合成工艺,按质量比,硫:磷=2.58:1,将熔硫和熔磷精准投入反应釜内,投入物料总量为1000kg。其中,熔硫和熔磷的纯度均为99.99%。

2、在物料导入蒸馏釜后,不对反应釜1和气相反应器2进行冲洗,继续按步骤1所述比例和重量进行投料,进行下一次反应。在上述同样条件下,重复生产12次,称取每次制备所得的五硫化二磷,去除12次中的第一次和最后一次数据,对剩余10次数据取平均值,即得五硫化二磷的平均重量,并可据此计算出平均收率。并根据国标:gb13258-2016,对制备的五硫化二磷进行抽样检查。结果如表1所示。

对比例

1、如图1所示,按上述加工工艺的步骤1~2进行液相合成反应,其中,反应釜不连接管式反应器,与压力平衡导管相连,反应过程中产生的物料蒸汽通过导管导出反应体系。其余反应条件与实施例完全相同。反应结束后,按实施例的方法进行蒸馏精制和目标产物称重。

2、在物料排尽后,不对反应釜进行冲洗,继续进行下一次反应。重复生产12次,称取每次制备所得的五硫化二磷,去除12次中的第一次和最后一次数据,对剩余10次数据取平均值,即得对比例的五硫化二磷的平均重量,并可据此计算出平均收率。并根据国标:gb/t13258-2016,对制备的五硫化二磷进行抽样检查。结果如表1所示。

表1实施例和对比例的结果展示

从表1可以看出,使用本发明工艺和设备制备五硫化二磷,收率明显高于现有工艺,且各项质量指标均明显优于现有技术,达到或优于国家优级品的现行标准。

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