汪 洋， 劉 閱

(南京中鍺科技股份有限公司, 江蘇 南京 210016)

一種新型接收工藝在四氯化鍺蒸餾中的應(yīng)用*

汪 洋， 劉 閱

(南京中鍺科技股份有限公司, 江蘇 南京 210016)

通過介紹全自動多級四氯化鍺接收器的構(gòu)造和應(yīng)用，著重闡述了全自動多級四氯化鍺接收器在實現(xiàn)設(shè)備自我保護、工藝自動化以及節(jié)能降耗方面的積極作用。

四氯化鍺； 多級接收吸收器； 蒸餾和精餾； 節(jié)能降耗

引 言

多級接收吸收器是四氯化鍺在蒸餾和精餾過程中不可缺少的設(shè)備之一，被應(yīng)用于四氯化鍺的接收和尾氣吸收。多級接收吸收器的工作效果直接影響到四氯化鍺的回收率。傳統(tǒng)的方式是在接收和吸收四氯化鍺時，使用石英閥門實現(xiàn)對接收物料的控制和排放。在長期的生產(chǎn)應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，由于四氯化鍺是一種在潮濕的環(huán)境中極易發(fā)生水解的化學(xué)物質(zhì)，工作環(huán)境的空氣濕度較大, 石英閥門周圍形成的積水都會造成四氯化鍺水解，產(chǎn)生的二氧化鍺使得此類石英閥門經(jīng)常發(fā)生堵死、結(jié)死的現(xiàn)象，導(dǎo)致接收器無法工作；在維修過程中會采用敲擊閥門的方式使閥門松動,因此會因為石英材料的抗沖擊性差,而造成設(shè)備破碎、損壞，從而導(dǎo)致設(shè)備情況進一步惡化。除此之外，在防止四氯化鍺跑、冒、滴、漏等方面還存在不小的改進空間。

為此，根據(jù)生產(chǎn)實際的需要，本著保護生產(chǎn)設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)自動化程度的目的，南京中鍺科技股份有限公司自行研究、設(shè)計了一種新型的四氯化鍺接收和吸收工藝裝置，將其命名為“全自動多級四氯化鍺接收器”。

1 設(shè)備介紹

1.1 設(shè)備主要技術(shù)性能和參數(shù)

接收物料名稱：四氯化鍺；

吸收劑名稱：濃鹽酸；

設(shè)備材料：高純石英玻璃；

承壓強度上限：10 Pa；

焊接方式：氫氧焰焊接；

各級容器容積：45 000 mL；

有效接收容積：4 000 mL；

內(nèi)置導(dǎo)管高低點高度差：260 mm；

導(dǎo)管口徑: Φ14 mm；

導(dǎo)管弧度:120°；

各級尾氣管口徑: Φ14mm；

注料管口徑 : Φ14 mm；

各級液面高度：240，220，200，180,160 mm；

內(nèi)壁冷卻劑：冷凍鹽水。

1.2 設(shè)備構(gòu)造

全自動多級四氯化鍺接收器由一個接收器和相互獨立串聯(lián)的四級吸收器組成，每個容器各包括一個雙層冷卻儲料罐和一根弧形內(nèi)置出料管與主出料管道相連。各級吸收器之間以及一級吸收器與接收器之間都串聯(lián)了一根尾氣吸收管，以實現(xiàn)上一級四氯化鍺尾氣被下一級吸收劑吸收。圖1是剪輯若干吸收單元中的一個單元。

2 排放原理與計算

全自動多級四氯化鍺接收器的自動排放功能主要應(yīng)用了虹吸原理。虹吸原理核心理論就是加在密閉容器內(nèi)液體上的壓強，處處都相等。

如圖2所示，當(dāng)接收器內(nèi)液面達到B面時，根據(jù)連通器原理，導(dǎo)管內(nèi)的液面會達到同樣的平面B。當(dāng)接收器內(nèi)液面到達A面時，液面已經(jīng)超過了導(dǎo)管的最高點(K點)，根據(jù)一段封閉液體壓強傳遞原理，可以推斷出導(dǎo)管出水口的大氣壓強和接收器內(nèi)液面上方的壓強相互抵消。由于液位差的緣故，部分液體會經(jīng)過導(dǎo)管的最高點因重力作用而流出。隨后，當(dāng)接收器中的液面低于導(dǎo)管最高點而導(dǎo)管內(nèi)充滿液體時，根據(jù)連通器原理和液位差，接收器內(nèi)的液體會繼續(xù)被導(dǎo)出，直到液面低于h點。

圖1 全自動多級四氯化鍺接收器

圖2 虹吸原理解析圖

假設(shè)內(nèi)置導(dǎo)管的截面積為s，內(nèi)置導(dǎo)管中的流體之間的空隙最高點m和空隙最低點n的距離為d1。假設(shè)為理想狀態(tài)：由PV=NRT推得

Psd1=NRT

(1)

式中P為壓強；N為空隙中擴散的流體分子數(shù)；T為環(huán)境溫度；R為常數(shù)

由式(1)得

P=NRT/(sd1)

(2)

宏觀上，由于內(nèi)置導(dǎo)管的流體是連續(xù)的，點m與n之間的距離為零，

即d1→0

推得P→∞

因此在n點以下的液體因為重力作用向下運動的同時，m點以上的液體因為微小空隙產(chǎn)生了無窮大的負壓強而被連續(xù)導(dǎo)出，直至h點周圍沒有足夠的液體進入導(dǎo)管為止。

3 實際應(yīng)用分析

3.1 設(shè)備的自我保護作用

石英玻璃因其具有良好的熱學(xué)性能和化學(xué)性能而被廣泛用于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中。作為化工過程中的設(shè)備及材料，要求具備耐酸、耐高溫、耐急冷急熱、足夠的機械強度、透氣性適合要求以及高純度等性能，石英玻璃與金屬材料、普通玻璃和耐酸陶瓷相比能夠更好的滿足這些要求。因此，在設(shè)計和制造全自動多級四氯化鍺接收器時選擇了石英玻璃材料。

雖然石英玻璃具有極高的抗壓、抗折、抗拉強度，但是抗沖擊強度卻較一般材料要差。由此，在日常的生產(chǎn)過程中保護石英器件不受沖擊成了一個重要的任務(wù)。

全自動多級四氯化鍺接收器在設(shè)計思路上就有效地避免了這一缺點，采取內(nèi)置導(dǎo)管自動出料的方式,替換了使用石英閥門,從而消除了因石英閥門的結(jié)死和破損給生產(chǎn)帶來的困擾，有效地實現(xiàn)了對設(shè)備的自我保護作用。

3.2 良好的氣密性

內(nèi)置導(dǎo)管的設(shè)計最大程度地降低了因閥門和接頭太多導(dǎo)致的氣密性不良的風(fēng)險，避免了四氯化鍺因為氣密性不良而流失。內(nèi)置導(dǎo)管出料口與主管道之間，及各級吸收器之間的石英部件的連接都采用氫氧焰焊接,從而保證了整個吸收單元良好的氣密性，對防止四氯化鍺的跑、冒、滴、漏有良好的效果。

3.3 自動化作業(yè)

實現(xiàn)自動作業(yè)是設(shè)計和制造全自動多級四氯化鍺接收器的主要出發(fā)點之一。自動截流和排放的作用主要是通過內(nèi)置弧形導(dǎo)管實現(xiàn)的，圖3是全自動多級四氯化鍺接收器自動接收器部分的示意圖。四氯化鍺通過出料口注入接收器內(nèi)，到達內(nèi)置管的入口端h點周圍，并且內(nèi)置管內(nèi)液面會隨其外部液面的上升而上升；當(dāng)接收器內(nèi)的四氯化鍺液面達到了導(dǎo)管的最高點(k點)時,則四氯化鍺會在重力作用下自動注入下端的主管道。隨后，當(dāng)液面低于最高點k點時導(dǎo)管內(nèi)的四氯化鍺將被虹吸導(dǎo)出直至最低點(h點)周圍的四氯化鍺全被導(dǎo)出，導(dǎo)管內(nèi)有氣體為止。如此反復(fù)，整個過程不需要人工協(xié)助，實現(xiàn)了接料、排料的自動化。

圖3 全自動多級四氯化鍺接收器自動接收器部分

四氯化鍺的自動作業(yè)除了接收器部分還包括尾氣吸收部分(如圖4所示)。當(dāng)四氯化鍺通過出料管道進入到接收器，產(chǎn)生的一級尾氣通過ac管道，按照a→b→c方向進入一級吸收器中；在一級吸收器中產(chǎn)生的二級尾氣通過a1c1管道，按照a1→b1→c1的方向進入二級吸收器中；如此逐級通過各級尾氣管道通入到下級吸收器中進行尾氣吸收。經(jīng)過四級吸收后的尾氣含有極少量四氯化鍺，直接通入堿性溶液中,被中和回收。

一般情況下，由于一級尾氣是在四氯化鍺接收時產(chǎn)生，未經(jīng)過吸收劑吸收，因此其中四氯化鍺的含量遠遠高于其他各級尾氣的四氯化鍺的含量，而且二級～四級尾氣中的四氯化鍺含量逐級減少，所以在各級吸收器中加入的吸收劑的用量是逐級減少的。各級吸收器中加入吸收劑的大致情況如圖5所示。

圖4 全自動多級四氯化鍺接收器自動接收器部分和尾氣吸收部分

圖5 各級吸收器中加入吸收劑的大致情況

圖6 吸收劑移動走向標識圖

3.4 節(jié)能降耗

傳統(tǒng)的接收工藝一般沒有充分考慮到節(jié)能降耗的問題，在各級吸收劑的用量上一般是粗略的估算之后加入到各級吸收器中，這樣造成了一些不必要的生產(chǎn)消耗。此外，還存在吸收劑未吸收飽和就因為生產(chǎn)結(jié)束而被排放的情況，這些吸收劑沒有得到充分的利用，也造成了生產(chǎn)成本的額外的增加。

在設(shè)計和制造全自動多級四氯化鍺接收器時，有效地兼顧了節(jié)能降耗的問題，其主要的優(yōu)點之一是在一級吸收劑飽和并排放后，可以自動地將之后各級未飽和的吸收劑轉(zhuǎn)移到前一級的吸收器中，作為前一級尾氣的吸收劑，從而保證各級吸收劑的充分利用。

如圖6所示，當(dāng)一級吸收器中的液面因為吸收四氯化鍺達到飽和狀態(tài)，液面到達最高點k1點，其內(nèi)吸收劑連同被吸收的四氯化鍺按h1→k1的方向一同被導(dǎo)出，注入出料主管道⑦，再進入到儲存設(shè)備。在此過程中，二級吸收器內(nèi)的部分吸收劑連同溶解在其中的四氯化鍺按c1→b1→a1方向一同因負壓作用，進入一級吸收器中；同理，其后各級部分吸收劑也分別按相同的走向進入到前一級吸收器中。隨后，通過各級酸閥補充吸收劑到合適的位置，進行后續(xù)的吸收過程。

4 結(jié)束語

(1)隨著四氯化鍺生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和企業(yè)精細化生產(chǎn)管理進程的不斷推進，全自動多級四氯化鍺接收器因其在減少跑、冒、滴、漏和實現(xiàn)自動化接料、吸收等方面的優(yōu)越性，正逐步取代傳統(tǒng)的四氯化鍺接收設(shè)備。

(2)全自動多級四氯化鍺接收器的使用成本相對較低，降低了企業(yè)的成本壓力。

(3)值得注意的是該設(shè)備是石英材料制品，共用性不強。建議相關(guān)企業(yè)和科研單位在采用該全自動多級四氯化鍺接收器時，不要簡單套用本文的技術(shù)參數(shù)和設(shè)備尺寸，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要處理的物料的實際情況，進行必要的計算之后訂制加工。

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2014-08-23

汪 洋(1978—)，男，工程師。電話：13851428650

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