一种电池级磷酸铁的气液合成装置的制作方法

1.本实用新型属于化工生产技术领域，涉及一种电池级磷酸铁的气液合成装置。


背景技术：

2.磷酸铁是一种重要的化工原料，可作为无毒防锈颜料、催化剂和陶瓷釉面涂料。近年来的研究发现，磷酸铁还可作为合成锂电池正极材料磷酸铁锂的前驱体，与其它前驱体如草酸亚铁、氧化铁、氯化铁、硝酸铁等相比，磷酸铁可同时提供铁源和磷源，简化了磷酸铁锂的合成工艺并减少了污染物排放，用电池级磷酸铁制备的磷酸铁锂电池具有价格低廉、环境友好、热稳定性高等优点。目前磷酸铁正逐渐取代其它前驱体，成为磷酸铁锂的核心前驱体。磷酸铁合成磷酸铁锂的工艺路线是目前制备磷酸铁锂应用最为广泛的技术路线之一，该工艺路线合成磷酸铁锂烧成率高，产品粒径较细且形貌多呈球形。
3.现有的制备方法中，磷酸铁可由亚铁盐和磷酸/磷酸盐在氧化剂的作用下反应而得，该制备方法中需要消耗大量的氧化剂，其中双氧水、次氯酸钠、氯酸钠、过硫酸铵等都可作为氧化剂，这些氧化剂通常是在液相反应中使用，虽然反应过程比较容易控制，但是在使用过程中要么对安全性要求较高，要么会副产大量的固废盐，这都在一定程度上增加了生产成本。使用空气或富氧空气(空气中混入一定量的纯氧)做氧化剂，可大幅降低原料成本，而且空气是非危险化学品，安全管理成本低。用气体氧化剂的反应系统是气液非均相反应，反应速率容易受气液传质过程的限制。


技术实现要素：

4.针对以上技术问题，本实用新型的目的在于提供一种生产批次一致且成品质量稳定的用于制备电池级磷酸铁的气液合成装置，其具有集成度高、生产成本低且环境友好的优势。
5.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
6.一种电池级磷酸铁的气液合成装置，包括反应分离釜，所述反应分离釜的上游至少连通三股并联流股，第一流股引出自原料釜，第二流股引出自碱液釜，且第三流股用于向反应分离釜内注入洗涤水，所述反应分离釜中设有至少一组用于反应生成的磷酸铁颗粒动态过滤与洗涤的分离组件，所述分离组件包括在所述反应分离釜中贯穿设置的一中空转轴，间隔分布至所述中空转轴上的多个中空膜片，所述中空转轴连通有气体氧化剂进管，所述中空膜片与所述中空转轴连通且膜片表面布设可使气体氧化剂自内腔向膜片表面均匀布气及可使液体穿透表面进入内腔的膜孔，所述中空转轴设有用于排出分离后母液清液与洗涤废水的排液口。
7.在一些技术方案中，所述反应分离釜内设有至少一组沿釜壁平行于中空转轴布置的扰流元件，所述扰流元件为梳子状管件，包括一固设至釜壁上的内部中空的梳背及由所述梳背延伸至相邻膜片之间的多个中空的梳齿，所述梳背分别与所述第一流股与第二流股连通，各所述梳齿与所述梳背连通且所述梳齿外周面布设可使原料液及碱液穿透表面进入
反应分离釜腔的喷射孔。
8.在一些技术方案中，多个所述扰流元件间隔均匀的分布至所述反应分离釜内周侧；或者所述梳背呈环状，使所述扰流元件构造为一圆环状。
9.在一些技术方案中，所述喷射孔均匀分布至各所述梳齿的轴向表面。
10.在一些技术方案中，所述原料釜、反应分离釜及碱液釜均装设用于对物料加热的加热组件，以使该原料液及碱液等温混合至维持可析出沉淀温度的所述反应分离釜中。
11.在一些技术方案中，还包括顺次串接至所述中空转轴排液口的副产盐回收单元及净水单元，所述副产盐回收单元与净水单元采用纳滤膜和/或反渗透膜，以及还包括顺次串接至所述反应分离釜底部排料口的干燥器及用于磷酸铁收集的成品包装单元。
12.在一些技术方案中，所述净水单元的清液出口回连至碱液釜和/或反应分离釜用于补充去离子水。
13.在一些技术方案中，所述反应分离釜顶侧连通有排气管道，所述排气管道连通至气体回收单元。
14.在一些技术方案中，所述第一流股沿物料输送方向依次布设用于调控物料流量的第一计量泵及用于检测物料流量的第一流量计；所述第二流股沿物料输送方向依次布设用于调控物料流量的第二计量泵及用于检测物料流量的第二流量计。
15.在一些技术方案中，所述原料釜上游连通两股并联流股，一股用于向原料釜内输入亚铁原料，另一股用于向原料釜内输入磷源原料；以及所述碱液釜上游连通用于输入可溶性碱源的流股。
16.本实用新型采用以上技术方案至少具有如下的有益效果：
17.1.采用气体氧化剂替代传统的固体或液体化学氧化剂，一方面在很大程度上节省了磷酸铁的生产成本，另一方面又避免了生产和使用化学氧化剂造成的污染问题；
18.2.通过反应分离釜中一体设置的分离组件对反应生成的磷酸铁颗粒进行动态过滤与洗涤，分离组件由电机驱动中空转轴带动膜片旋转，在内部压力的推动下母液及洗涤废水透过膜片表面进入内部的夹层空隙汇聚至中空转轴的内部空腔排出到设备外部，反应过程中及结束后，反应分离釜中的悬浮液可原位过滤，过滤后的湿物料可原位洗涤，分离效率大幅提升的同时装置集成度高，占地面积小；
19.3.同时采用分离组件作为气体氧化剂的布气装置，充分利用膜材料的微孔特性，气体氧化剂由中空转轴通入，并从膜片的内腔向膜片表面均匀布气，能够使气体与液体充分接触，增加了气液接触面积，提高了气液传质效率；
20.4.在本案的一些优选技术方案中，采用平行于中空转轴的梳子状管件的扰流元件，一方面可以在膜片之间形成湍流效果，促进反应物的混合，减少反应生成的固体颗粒物在膜片表面的沉积；另一方面又可作为液体分布器使用，进一步提高反应物的混合效果和气液传质效率；
21.5.本技术通过扰流元件膜片间均匀进料、膜片表面均匀布气、多膜片强剪切混合、清液原位排出及湿物料原位洗涤一系列工程措施，可严格控制各工艺条件，方便产品质量控制，并保持产品的批次一致性和质量稳定性。
附图说明
22.为了更清楚的说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图及其标记作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
23.图1为本实用新型实施例所述的气液合成装置的结构示意图；
24.图2为本实用新型实施例所述的扰流元件在反应分离釜中的布置示意图。
25.图中标注符号的含义如下：
26.10-原料釜；11-第一计量泵；12-第一流量计；13-反应分离釜；14-副产盐回收单元；15-净水单元；16-碱液釜；17-第二计量泵；18-第二流量计；19-干燥器；20-成品包装单元；21-加热组件；22-扰流元件；23-喷射孔；
27.物料流股标号说明：
28.1-亚铁原料；2-磷源原料；3-气体氧化剂；4-可溶性碱源；5-副产盐；6-废液；7-自来水。
具体实施方式
29.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
30.需要说明的是，本文中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多级、多层”的含义是至少两级/层，例如两级/层、三级/层等；以及术语“及/或”为包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
32.请参阅图1，示出了一种电池级磷酸铁的气液合成装置，包括反应分离釜13，反应分离釜13的上游至少连通三股并联流股，第一流股引出自原料釜10，第二流股引出自碱液釜16，且第三流股用于向反应分离釜13内注入洗涤水。原料釜10上游连通两股并联流股，一股用于向原料釜10内输入亚铁原料1，另一股用于向原料釜10内输入磷源原料2；以及碱液釜16上游连通用于输入可溶性碱源4的流股。
33.在一较佳实施方式中，原料釜10、反应分离釜13及碱液釜16均装设用于对物料加热的加热组件21，以使该原料液及碱液等温混合至维持可析出沉淀温度的反应分离釜13中。具体的，该加热组件21可以为设于相应容器器壁外侧的加热夹套，加热夹套内充盈蒸汽等加热介质用于相应容器的加热与保温；也可以是设于相应容器内部的盘管换热器，用于增加液体与加热介质之间的传热效率。
34.需要说明的是，亚铁和磷源加到原料釜10中，通过搅拌溶解在去离子水中并加热保温，或者将分别配置好的溶液加入到原料釜10中混合均匀并加热保温。
35.在另一较佳实施方式中，该第一流股沿原料输送方向依次布设用于调控原料流量
的第一计量泵11及用于检测原料流量的第一流量计12；该第二流股沿碱液输送方向依次布设用于调控碱液流量的第二计量泵17及用于检测碱液流量的第二流量计18，反应分离釜13中布置用于检测液体ph值的电子ph计，该电子ph计的输出信号反馈至自动控制系统用于调控相应碱液釜16的输碱量，确保反应分离釜13中满足反应要求的酸碱度。其中，碱液可分多次加入反应分离釜13中，用于在合适的时机调节釜内反应适宜的酸碱度。
36.反应分离釜13中设有至少一组用于反应生成的磷酸铁颗粒动态过滤与洗涤的分离组件，分离组件包括在反应分离釜13中贯穿设置的一中空转轴，间隔分布至中空转轴上的多个中空膜片，中空转轴连通有气体氧化剂进管，中空膜片与中空转轴连通且膜片表面布设可使气体氧化剂3自内腔向膜片表面均匀布气及可使液体穿透表面进入内腔的膜孔，中空转轴设有用于排出分离后母液清液与洗涤废水的排液口，该排液口依次连通副产盐回收单元14及净水单元15，具体的，采用纳滤膜回收副产盐5，以及采用反渗透膜净化废水，其中，净水单元15的清液出口回连至碱液釜16与反应分离釜13用于补充去离子水，且相应的浓液出口连通至环保车间用于处理废液6，该净水单元15还连通有用于自来水7补充的流股。
37.该实施方式中，采用气体氧化剂3替代传统的固体或液体化学氧化剂，一方面在很大程度上节省了磷酸铁的生产成本，另一方面又避免了生产和使用化学氧化剂造成的污染问题；该气体氧化剂3由中空转轴通入，并从膜片的内腔向膜片表面均匀布气，充分利用了膜材料的微孔特性，能够使气体与液体充分接触，增加了气液接触面积，提高了气液传质效率，并且当气体氧化剂为空气时，为了提高反应速率可在空气中混入纯氧以提高氧气浓度及提高反应系统的压力；在洗涤过程中及结束之后，通过中空转轴通入压缩气体还可以对膜片进行反冲洗和反吹，将膜片表面的物料吹落，起到反冲效果。
38.该实施方式中，通过反应分离釜13中一体设置的分离组件对反应生成的磷酸铁颗粒进行动态过滤与洗涤，分离组件由电机驱动中空转轴带动膜片旋转，在内部压力的推动下母液及洗涤废水透过膜片表面进入内部的夹层空隙并汇聚至中空转轴的内部空腔排出到设备外部，反应过程中及结束后，反应分离釜13中的悬浮液可原位过滤，过滤后的湿物料可原位洗涤，分离效率大幅提升的同时装置集成度高，占地面积小。
39.在一具体实施方式中，该反应分离釜13顶侧连通有排气管道，该排气管道连通至气体回收单元，用于气液反应过程中溢出气体的收集；该反应分离釜13的底侧设有排料口，该排料口顺次连通至干燥器19及用于磷酸铁收集的成品包装单元20。
40.请参阅图2，反应分离釜13内设有至少一组沿釜壁平行于中空转轴布置的扰流元件22，扰流元件22为梳子状管件，包括一固设至釜壁上的内部中空的梳背及由该梳背延伸至相邻膜片之间用以加强气液混合的多个中空的梳齿，该梳背顶端分别连通反应分离釜13上游的第一流股与第二流股，各梳齿与梳背连通且梳齿外周面布设可使原料液及碱液穿透表面进入釜腔的喷射孔23。该实施方式中的扰流元件22一方面可以在膜片之间形成湍流效果，促进反应物的混合，减少反应生成的固体颗粒物在膜片表面的沉积；另一方面又可作为液体分布器使用，进一步提高反应物的混合效果和气液传质效率。
41.需要说明的是，该扰流元件22可以包含多组间隔均匀的分布至反应分离釜13内周侧的梳子状管件，也可以是由梳背两侧沿釜壁周向延伸围合形成的圆环状。为了进一步促进气液相反应物的混合，各梳齿轴向表面均匀分布有喷射孔23，反应时液体反应物通过喷
射孔23均匀分布至膜片之间的反应空间，与透过膜孔的气体氧化剂3充分混合，得到氧化液。之后在添加碱液时，碱液通过喷射孔23与反应分离釜13内的氧化液均匀混合，以免出现局部浓度过高的现象。
42.本技术通过扰流元件22膜片间均匀进料、膜片表面均匀布气、多膜片强剪切混合、清液原位排出及湿物料原位洗涤一系列工程措施，可严格控制各工艺条件，方便产品质量控制，并保持产品的批次一致性和质量稳定性。
43.为了更清楚的理解本技术实施例中所述的电池级磷酸铁的气液合成装置，下面对其使用方法进行详细描述：
44.s1：分别配制亚铁溶液和磷源溶液，将两者通过并联流股1和2加入到原料釜10中进行均匀混合并预热；
45.s2：在碱液釜16中配制碱液溶液并预热；
46.s3：原料釜10中的混合液通过扰流元件22加入到反应分离釜13中，开启电机，带动分离组件旋转，气体氧化剂3通过分离组件的中空转轴通入，并从膜片的内腔向膜片表面均匀布气，得到氧化液；
47.s4：碱液通过扰流元件22分多次加入到反应分离釜13中，滴加的次数以及每两次滴加的时间间隔随反应液浓度以及膜片的转速等不同视情况而定；
48.s5：反应完成之后，通过分离组件进行母液的分离，母液排入副产盐回收单元14；加入洗涤水，对生成的物料进行多次洗涤，洗涤废水排放到净水单元15，副产盐回收单元14和净水单元15中的纳滤膜和/或反渗透膜能够回收废盐和废水，废水经过膜处理之后可作为去离子水返回系统循环利用；
49.s6：洗涤合格的物料经过后续的干燥处理工序后，送入成品包装单元进行包装，而后入仓。
50.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。