使用噴嘴和熔融收集器冷凝金屬蒸汽的方法和設備的製作方法

2023-12-10 23:46:57 3

專利名稱：使用噴嘴和熔融收集器冷凝金屬蒸汽的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣相化合物或氣相元素(尤其是通過還原過程得到的金屬如鎂)的冷凝。所述還原過程包括金屬熱還原過程(metallothermic process)和碳熱還原過程 (carbothermic process) 0具體的，本發明涉及通過使用膨脹噴嘴來冷凝和收集金屬蒸汽及其他蒸汽的方法和設備。
背景技術：
從鎂礦石中提取鎂的科學技術研究已經超過一百年了。鎂金屬提取引起了特別的興趣和努力，這是因為這種金屬作為鋁和其他金屬中的重要合金元素的材料性質。此外，最近幾年，鎂作為輕便且堅固的結構材料(特別在汽車工業中)變得重要起來。所述提取方法有以下兩種，即，無水熔融鹽的電解還原，或者涉及使用碳或金屬還原劑使金屬的氧化物或碳酸鹽還原的火法冶煉(pyro-metallurgical)途徑。大體上在金屬鎂的生產中主要的技術問題不僅涉及由於金屬固有的強負電極電位而需要連續輸入高能量。對於火法冶煉途徑，還需要高的反應溫度來啟動並保持所述還原過程，然而所述反應溫度可通過恰當選擇熔爐類型來獲得。在所述火法冶煉途徑中，還原劑有兩種類別碳(在碳熱還原中)和某些金屬(在金屬熱還原中)。在高溫狀態下將出現以下兩種情況，還原金屬將以氣態形式出現，在金屬熱還原過程中單獨出現，或者在碳熱還原過程中與一氧化碳一起出現。典型的還原劑是固態、液態或氣態形式的其他金屬、碳、 碳氫化合物或其他有機衍生物以及氫。當所述還原金屬在高溫下與氧化物形式的還原劑共存時，在很快冷卻到熔點以下的情況下，所述還原金屬只有在低溫下能夠以金屬的形式保持穩定。冷卻含有金屬形式的還原氣體和氧化物形式的還原劑的熱氣體存在的固有問題是氣體混合物在冷卻時發生逆向反應(逆反應)，使得產生的產物會整體或部分恢復為金屬氧化物和元素還原劑(elemental reductant)。例如，如果用碳作為還原劑，主要的還原反應為C (s) +MgO (s) — CO (g) +Mg (g)方程式[1]這個反應根據氣體的總壓的不同可以在1600-1900°C的溫度範圍內順利進行；通過排空或通過另外加入適當熱的惰性氣體來降低所述氣體的壓力，可使反應在溫度範圍的低端也有效。在氣體冷卻時，如下反應將整體或部分發生CO (g) +Mg (g) — C (s) +MgO (S)方程式[2]由於任何化學反應都需要時間，因此這種冶煉過程的冷凝系統依靠快速或「瞬間」 冷卻使得逆反應減少到最低限度。本領域中具有幾種已知的實現氣體快速冷卻的方法；但是，本發明優選使用如後附圖
6中示出的被稱為拉瓦爾絕熱噴嘴(de Lavalle adiabatic nozzle)的設備。如圖6所示，使熱反應的反應氣體穿過噴嘴，如下表1所示，能夠實現快速冷卻。隨著所述氣體穿過所述噴嘴，將所述氣體加速至音速。如本領域公知的，氣體的溫度從反應溫度降至由貫穿所述噴嘴的壓力差以及所述噴嘴的幾何構造確定的溫度。各種長度噴嘴的冷卻停留時間如表1第三列所示。表1 在不同長度的噴嘴中氣體的停留時間
權利要求
1.一種冷凝蒸汽材料的方法，該方法包括提供含有蒸汽的氣流，使所述氣流通過噴嘴，所述噴嘴具有上遊收縮的結構和下遊發散的結構，從而使所述蒸汽加速進入所述噴嘴，並在離開所述噴嘴時膨脹和冷卻，由此導致所述蒸汽冷凝，在冷凝室內形成液滴束或固體顆粒束，其中，所述液滴束或顆粒束直接撞擊到液體收集介質的表面上。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述收集介質保持在所述冷凝蒸汽材料的熔點以上的溫度。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述收集介質為熔融浴。
4.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，所述收集介質含有鹽熔劑，所述鹽熔劑的比重低於所述冷凝蒸汽的比重。
5.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，所述液體收集介質含有分布於第二液體上的第一液體的薄層，所述層足夠薄，以至於所述層會被冷凝的液滴或顆粒的撞擊破壞至這樣的程度對應撞擊區域的所述層的部分暴露所述第二液體的表面，使得所述冷凝的顆粒或液滴能夠直接進入並吸收於位於下方的第二液體中，其中，所述薄層仍然作為保護層覆蓋在所述第二液體表面的剩餘部分。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述第一液體含有鹽熔劑。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中，所述第二液體含有液體冷凝蒸汽材料。
8.根據權利要求5-7中任意一項所述的方法，其中，所述第二液體為熔融金屬。
9.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，所述收集介質含有液體的移動層。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述移動層為在重力作用下下落的液體流。
11.根據權利要求9或10所述的方法，其中，所述移動層由收集介質儲存器的溢流凸緣區域提供。
12.根據權利要求9-11中任意一項所述的方法，其中，所述噴嘴水平地或基本水平地朝向液體收集介質的所述層。
13.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，所述噴嘴具有橫向伸長的中間收縮區域，由此提供一般的平面或楔形輸出的冷凝的液滴束或顆粒束。
14.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，所述收集介質設置為液體的圓周循環浴。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述液體通過機械工具如攪拌器來循環。
16.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，除了待冷凝的蒸汽以外，所述氣流還含有反應氣體和/或非活性載氣。
17.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，在離開所述噴嘴時，所述冷凝的液滴或顆粒形成第一錐體，所述反應氣體和/或載氣形成至少一個另外的錐體，所述第一錐體容納在第二錐體的內部，其中，圍繞所述第一錐體且基本上在所述另外的錐體的內部提供擋板工具，由此提供有助於將所述載氣和其他剩餘氣體物質與所述液滴或顆粒分離的物理屏障，所述液滴或顆粒穿過所述擋板進入所述收集介質中。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述擋板工具包括軸向伸長的管道，該管道的壁提供所述第一錐體的分離。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述擋板工具由肩部環繞，所述肩部覆蓋至少部分或全部的收集介質的剩餘表面。
20.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，所述液滴束或顆粒束以相對於所述介質表面的斜角撞擊在所述收集介質上。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，所述收集介質設置為圓周循環熔融浴。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述浴循環導致在所述浴的上表面上形成倒置的同軸離心錐體，所述錐體提供斜面以接收所述液滴束或顆粒束。
23.根據權利要求20-22中任意一項所述的方法，其中，所述傾斜束撞擊在與所述浴的中央旋轉軸徑向間隔開的位置處的所述收集介質上，從而協助或引起熔融浴的環流。
24.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，將所述束中的金屬液滴在撞擊所述收集介質之前冷卻至形成固體顆粒。
25.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，冷卻所述收集介質以防止來自所述束的液態金屬汽化。
26.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，所述收集介質含有比所述冷凝的液體材料的比重更低的液體，所述冷凝的液體材料連續或間歇地從所述收集介質儲存器中放出，並且不經過中間凝固就直接進入鑄造階段或合金化階段或其他形成階段。
27.根據以上任意一項權利要求中所述的方法，其中，所述待冷凝的蒸汽材料為鎂，或者含有鎂。
28.—種冷凝蒸汽如金屬的設備，該設備包括含有所述蒸汽的氣體源；通過噴嘴注入蒸汽源的冷凝室，所述噴嘴具有上遊收縮的結構和下遊發散的結構，從而使所述蒸汽加速進入所述噴嘴，並在離開所述噴嘴時膨脹和冷卻，由此導致所述蒸汽冷凝，在冷凝室內形成液滴束或固體顆粒束；以及用於收集液滴或顆粒的液體收集介質，所述收集介質具有暴露的表面部分，所述暴露的表面部分設置成允許離開所述噴嘴的液滴束或顆粒束撞擊在該暴露的表面部分上。
29.根據權利要求觀所述的設備，其中，所述收集介質為熔融液體。
30.根據權利要求觀或四所述的設備，其中，所述收集介質為鹽熔劑。
31.根據權利要求觀-30中任意一項所述的設備，其中，所述收集介質設置在浴中。
32.根據權利要求觀-31中任意一項所述的設備，其中，所述收集介質為鹽熔劑，且所述鹽的比重低於所述冷凝的液滴或顆粒的比重，使得運行過程中冷凝物沉到所述液體下面的所述浴的部分中。
33.根據權利要求觀-32中任意一項所述的設備，其中，該設備設置有用於連續移動所述收集介質穿過所述束撞擊在所述收集介質上的位置的工具。
34.根據權利要求33所述的設備，其中，該設備設置有用於形成移動收集介質的層的工具，所述冷凝蒸汽的束撞擊在所述層上。
35.根據權利要求34所述的設備，其中，所述用於形成層的工具包括具有堰或凸緣的收集介質浴，所述液體收集介質能夠從所述堰或凸緣的上方流出。
36.根據權利要求35所述的設備，其中，所述噴嘴設置成使所述液滴束或顆粒束指向來自堰的在重量作用下下落的液體的遮蓋層或流。
37.根據權利要求觀-36中任意一項所述的設備，其中，所述噴嘴設置成引導所述液滴束或顆粒束相對於所述收集介質大致水平。
38.根據權利要求35-37中任意一項所述的設備，其中，該設備設置有用於將溢流過所述堰或凸緣後的收集介質再循環進入所述浴的工具。
39.根據權利要求觀-38中任意一項所述的設備，其中，所述收集介質設置在浴中，並且該設備設置有用於沿周線攪拌所述收集介質的工具。
40.根據權利要求39所述的設備，其中，通過機械工具如攪拌器使所述液體循環。
41.根據權利要求觀-40中任意一項所述的設備，其中，除了待冷凝的蒸汽以外，所述蒸汽源還提供反應氣體和/或載氣。
42.根據權利要求41所述的設備，其中，所述噴嘴配置成在離開所述噴嘴時，液滴或顆粒形成第一錐體，且反應氣體或載氣形成至少一個另外的錐體，所述第一錐體的發散角小於第二錐體的發散角，使得所述第一錐體在第二錐體內。
43.根據權利要求42所述的設備，其中，該設備在這樣的位置上設置有擋板工具使所述擋板工具環繞所述第一錐體且在第二錐體的內部，以便提供有助於將所述載氣和反應氣體與所述冷凝的液滴或顆粒分離的物理屏障，所述冷凝的液滴或顆粒穿過所述擋板工具進入所述收集介質中。
44.根據權利要求43所述的設備，其中，所述擋板工具設置在所述冷凝的顆粒束或液滴束撞擊所述收集介質的位置的周圍。
45.根據權利要求43或44所述的設備，其中，所述擋板工具包括軸向伸長的管道，所述軸向伸長的管道的壁提供所述第一錐體的分離。
46.根據權利要求45所述的設備，其中，所述擋板工具由肩部圍繞，所述肩部覆蓋至少部分或全部的收集介質的剩餘表面。
47.根據權利要求觀-46中任意一項所述的設備，其中，所述噴嘴配置和/或定向成使所述液滴束或顆粒束以相對於所述介質表面的斜角撞擊在所述收集介質上。
48.根據權利要求47所述的設備，其中，所述收集介質設置在浴中，且傾斜定向束撞擊在與所述浴的中央旋轉軸徑向間隔開的位置處的所述收集介質上，使得由此產生的動力轉移到所述收集介質，從而協助或引起所述浴中的收集介質的環流。
49.根據權利要求觀-48中任意一項所述的設備，其中，所述噴嘴與縱向旋轉軸對稱。
50.根據權利要求觀-48中任意一項所述的設備，其中，所述噴嘴在橫向方向上伸長， 使得所述液滴束或顆粒束以一般的平面或楔形形式提供，從而使所述束沿著伸長的接觸區域撞擊在所述收集介質上。
51.根據權利要求觀-50中任意一項所述的設備，其中，該設備設置有用於從所述收集介質中連續或間歇地放出所述冷凝液並將所述液體金屬輸送到鑄造階段或合金化階段或者其他金屬形成或沉澱階段的工具。
52.根據權利要求觀-51中任意一項所述的設備，其中，所述冷凝室提供有冷卻工具， 所述冷卻工具用於從所述收集介質中去除熱量。
53.根據權利要求觀-52中任意一項所述的設備，其中，所述液體收集介質含有分布於第二液體上的第一液體的薄層，所述層足夠薄，以至於所述層被冷凝的液滴或顆粒的撞擊破壞至這樣的程度對應撞擊區域的所述層的部分暴露所述第二液體的表面，使得所述冷凝的顆粒或液滴能夠直接進入並吸收於位於下方的第二液體中，其中，所述薄層仍然作為保護層覆蓋在所述第二液體表面的剩餘部分。
54.根據權利要求53所述的設備，其中，所述第一液體含有鹽熔劑。
55.根據權利要求53或M所述的設備，其中，所述第二液體含有冷凝蒸汽材料。
56.根據權利要求53-55中任意一項所述的設備，其中，所述第二液體為熔融金屬如鎂。
57.根據上述權利要求中任意一項所述的方法或設備，其中，所述蒸汽含有金屬或金屬材料。
58.根據權利要求57所述的方法或設備，其中，所述蒸汽為選自鎂、鋅、錫、鉛、砷、銻、 鉍、矽、鎘以及它們的組合中的金屬。
59.根據權利要求57或58所述的方法或設備，其中，通過金屬熱還原或碳熱還原的設備和/或方法來提供所述蒸汽源。
全文摘要
本發明涉及氣相化合物或氣相元素(尤其是通過還原過程得到的金屬如鎂)的冷凝。所述還原過程包括金屬熱還原過程和碳熱還原過程。本發明提供了一種冷凝金屬蒸汽的方法，該方法包括提供含有所述蒸汽的氣流；通過噴嘴使所述氣流進入冷凝室，所述噴嘴具有上遊收縮的結構和下遊分散的結構，從而使所述金屬蒸汽加速進入所述噴嘴，並在離開所述噴嘴時膨脹和冷卻，由此導致所述蒸汽冷凝，在冷凝室內形成液滴束或固體顆粒束，其中，使所述液滴束或顆粒束直接撞擊到液體收集介質表面上。本發明還提供了用於實施所述方法的設備。
文檔編號C22B5/10GK102597279SQ201080048912
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者J·S·弗雷德裡克森, J-R·布爾, P·沙克斯比, R·R·歐德萊 申請人:鎂矽有限公司