分離方法

專(zhuān)利名稱(chēng)：分離方法
分離方法本發(fā)明涉及一種用于純化特定金屬的方法和一種進(jìn)行該方法的反應(yīng)器。本發(fā)明還涉及一種通過(guò)本發(fā)明的方法純化的金屬。存在多種不同的方法論來(lái)生產(chǎn)金屬，例如，鈦、鉿、鋯及其類(lèi)似物。不變的是，所生產(chǎn)的金屬的形式要求進(jìn)一步的處理來(lái)隔離/純化該金屬。例如，并且概括地說(shuō)，一種生產(chǎn)方法包括用一種合適的還原劑來(lái)化學(xué)還原該金屬的一種鹽。這樣產(chǎn)生一種還原產(chǎn)物(在下文中稱(chēng)作“工藝材料”)，其典型地包含該金屬的元素形式，該還原劑鹽對(duì)應(yīng)的鹽以及，可能的過(guò)量的還原劑。然后必要的是分離/隔離該金屬的元素形式。在商業(yè)規(guī)模上，這傾向于通過(guò)分批操作的真空蒸餾來(lái)進(jìn)行，可能花費(fèi)幾天時(shí)間?？扇〉氖翘峁┮环N新方法，該方法允許從一種包含該金屬和比金屬更易揮發(fā)的種類(lèi)的工藝材料中回收金屬。特別希望的是提供一種方法，該方法能使這些工藝材料中的金屬在一個(gè)連續(xù)的基礎(chǔ)上回收。因此，本發(fā)明提供一種方法，用于從包含該金屬和比該金屬更易揮發(fā)的組分的一種工藝材料中回收金屬的方法，該方法包括在一個(gè)爐中提供的一個(gè)干餾釜中輸送進(jìn)該工藝材料，該干餾釜是在足以致使該組分從該工藝材料中升華的真空和溫度下運(yùn)作，由此產(chǎn)生純化的金屬；將已升華的該組分沉積于一個(gè)冷表面上；將純化的金屬?gòu)脑摳绅s釜中移出；并且將沉積的組分從該冷表面上移出。在這里術(shù)語(yǔ)“干餾釜(retort)”意指依照本發(fā)明的原則所要求的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的相轉(zhuǎn)變發(fā)生在其中的一個(gè)容器或腔室。有利的是，本發(fā)明的方法可以在一種連續(xù)的基礎(chǔ)上運(yùn)行，使“新鮮的”工藝材料被連續(xù)地供應(yīng)給該干餾釜(以及該爐)而使純化的金屬以及沉積的一種或多種易揮發(fā)的組分被連續(xù)地移出。本發(fā)明的方法是在所要求的配備有多種相互連接的組件的一個(gè)單件設(shè)備/反應(yīng)器中進(jìn)行的。這意味著例如工藝材料被供應(yīng)入該反應(yīng)器，而金屬與沉積組分被移出該反應(yīng)器。這還意味著所述必要的升華與沉積轉(zhuǎn)換發(fā)生于該同一個(gè)反應(yīng)器功能性設(shè)計(jì)的組件中。本發(fā)明的中心是該工藝材料中的一種或多種揮發(fā)性的組分在同一個(gè)(單個(gè))反應(yīng)器內(nèi)的升華與沉積。在此，術(shù)語(yǔ)“一種或多種揮發(fā)性的組分”意指由于生成工藝材料的反應(yīng)而存在于該工藝材料中的一種或多種較低沸點(diǎn)的種類(lèi)。該一種或多種揮發(fā)性組分的性質(zhì)明顯地取決于該工藝材料是如何生產(chǎn)的。考慮到在此描述的、本發(fā)明所基于的原理，可以認(rèn)為本發(fā)明的方法具有從廣泛范圍的反應(yīng)和/或污染的工藝材料中回收金屬的可應(yīng)用性。即便如此，本發(fā)明具有特定的可應(yīng)用性從包含金屬和另一種金屬的一種或多種易揮發(fā)鹽的工藝材料中回收金屬。因此，本發(fā)明可以應(yīng)用于從一種工藝材料中回收金屬，該工藝材料是由該金屬的一種鹽與一種還原劑反應(yīng)產(chǎn)生的。在這種情況下，該一種或多種易揮發(fā)的組分是用于該還原反應(yīng)中的還原劑的鹽以及可能的還原劑(如果在該還原反應(yīng)中還原劑使用過(guò)量的話)。在此使用的術(shù)語(yǔ)“金屬”可能指一種或多種元素金屬，一種或多種金屬合金，或一種或多種元素金屬與一種或多種合金的組合。該工藝材料中存在的金屬的性質(zhì)可能不同，這取決于生產(chǎn)該工藝材料的反應(yīng)和包含的反應(yīng)物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該工藝材料包含一種單一的元素金屬或金屬合金與一種或多種易揮發(fā)的組分的組合。在更復(fù)雜的工藝材料中可能存在大量的金屬和/或金屬合金而且在這種情況下，在本發(fā)明的方法后可能需要實(shí)行進(jìn)一步的工藝步序，以便隔離特定的一種或多種有價(jià)值的金屬/金屬合金，如果這是所希望的話。不同的工藝材料(而且可能是同一種工藝材料的不同批次)中存在的揮發(fā)物的性質(zhì)是不同的，因此不可能在本發(fā)明方法的一個(gè)單次應(yīng)用中移出揮發(fā)物至所希望的程度。因此本發(fā)明的方法可能需要被應(yīng)用許多次才能實(shí)現(xiàn)從一種工藝材料中連續(xù)地移出揮發(fā)物。本發(fā)明的方法可以直接從發(fā)生前提反應(yīng)(以生成包含金屬的工藝材料)的一個(gè)上游反應(yīng)器中接受工藝材料?？商娲?，本發(fā)明的方法可以作為一個(gè)單獨(dú)的方法運(yùn)行。在任何一種情況下，本發(fā)明的方法都可以按一種連續(xù)的方式運(yùn)行。用于本發(fā)明的工藝材料必須是微粒形式而且其顆粒大小可能影響實(shí)行該方法的效率。顆粒大小會(huì)影響該工藝材料的可流動(dòng)性和運(yùn)送其進(jìn)入該干餾釜并穿過(guò)該爐(的熱區(qū))的容易程度。顆粒大小還會(huì)影響一種或多種易揮發(fā)的組分從該工藝材料中釋放的程度和速度。因此顆粒大小可以是優(yōu)化的，而且這可能涉及該工藝材料顆粒大小的調(diào)整，比如在用于本發(fā)明前通過(guò)碎化。隨著顆粒大小的變化，在熱區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間也可能不同。優(yōu)選地，本發(fā)明的方法是在以下溫度和壓力的條件下并且在選定的含金屬的多種工藝材料上實(shí)現(xiàn)的，即它們致使一種或多種易揮發(fā)的組分在該升華步驟中發(fā)生升華。一種元素或化合物的升華是從固相到氣相的轉(zhuǎn)換，而沒(méi)有中間的液態(tài)階段。升華是發(fā)生在壓力低于而溫度高于三相點(diǎn)(一種物質(zhì)的三相點(diǎn)是指該物質(zhì)的三相，在這里指氣體、液體以及固體在熱力學(xué)平衡條件下共存的溫度和壓力)的一種吸熱的相變。在大氣壓條件下，大多數(shù)的化合物在不同的溫度下具有三種不同的狀態(tài)。在這些情況下，從固態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)換要求一種中間液態(tài)。升華的反轉(zhuǎn)工藝被稱(chēng)為沉積。使用一種升華工藝的優(yōu)點(diǎn)在于涉及的較低溫度，該溫度允許使用更多的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造物質(zhì)。通常升華工藝是由蒸汽壓差驅(qū)使的，而且更高的溫度產(chǎn)生更高的蒸汽壓。在低壓極限(低于三相點(diǎn))條件下運(yùn)行該方法仍維持了 一個(gè)蒸汽壓差但是在一個(gè)較低的溫度。使用本方法通過(guò)升華分離不同的種類(lèi)，要求的溫度條件變化至高于三相點(diǎn)的溫度，而壓力條件變化至低于三相點(diǎn)的壓力。例如，要引起氯化鈉(NaCl)的升華，要求溫度高于800° C而且壓力小于O. 05kPa。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠選擇適合的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)如所預(yù)期地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明?？赡艿氖钦麴s可以在本發(fā)明中發(fā)揮作用，盡管由于可能的沾污問(wèn)題，它有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)有液體種類(lèi)存在的問(wèn)題。易揮發(fā)性的種類(lèi)從該工藝材料中升華后與一個(gè)冷表面接觸，沉積于其上。在此上下文中，術(shù)語(yǔ)“冷”意指在主導(dǎo)壓力條件下，該表面處在一個(gè)會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)物沉積的溫度下。沉積在其上發(fā)生的該表面可以是主動(dòng)冷卻的，但這不是強(qiáng)制性的。該表面可以?xún)H憑借其在該反應(yīng)器的位置就足夠冷。該表面可以采取任何形式但優(yōu)選地是具有一個(gè)高的表面積因?yàn)檫@樣會(huì)產(chǎn)生增加的沉積。隨著本發(fā)明的方法的進(jìn)行，該冷表面可能被沉積物質(zhì)涂覆而且可能有必要從該表面移出這些物質(zhì)，來(lái)維持沉積效率。因此，該表面在本發(fā)明方法的實(shí)施過(guò)程中可以被清潔/刮擦。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，該工藝材料被輸送進(jìn)入并穿過(guò)熱區(qū)的方式。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中用一個(gè)干餾釜實(shí)現(xiàn)，用一個(gè)螺桿將工藝材料傳送穿過(guò)該干餾釜。在本發(fā)明的上下文中，這個(gè)螺桿指的是“升華螺桿”而且該干餾釜指的是“升華釜”。工藝材料通過(guò)升華釜的一個(gè)適合的進(jìn)入端口供應(yīng)到該升華螺桿的表面上。在實(shí)踐中，考慮到該方法的工作特性，供應(yīng)到該螺桿的工藝材料是計(jì)量供應(yīng)的。典型地，工藝材料是在該反應(yīng)器熱區(qū)外的一個(gè)區(qū)域被運(yùn)送到升華螺桿的。熱區(qū)是溫度足夠高以使揮發(fā)物發(fā)生升華的區(qū)域。在實(shí)踐中，這是在該反應(yīng)器的爐部件內(nèi)。升華釜內(nèi)升華螺桿的旋轉(zhuǎn)將工藝材料輸送進(jìn)該反應(yīng)器的熱區(qū)。在實(shí)踐中，隨著工藝材料沿著升華釜被輸送，該工藝材料會(huì)遇到不斷升高的溫度，而且這將導(dǎo)致?lián)]發(fā)物的逐漸升華。沿著升華釜輸送產(chǎn)品所需要的速度基于以下因素會(huì)有所不同原料的形態(tài)、遇到的溫度梯度、在該反應(yīng)器中發(fā)生升華的區(qū)域長(zhǎng)度、升華螺桿上工藝材料的負(fù)載(這進(jìn)而會(huì)被螺桿尺寸和特性影響)，諸如此類(lèi)?？梢圆捎靡粋€(gè)非穩(wěn)定的螺桿速度或一個(gè)螺桿方向反轉(zhuǎn)來(lái)改善產(chǎn)品的運(yùn)輸。在本實(shí)施方案中，除了用于輸送加工材料穿過(guò)該熱區(qū)以進(jìn)行升華的一個(gè)升華螺桿/升華釜安排之外，還可以用一個(gè)較小直徑的螺桿/釜安排來(lái)沉積由升華產(chǎn)生的揮發(fā)物。在此，這個(gè)安排被稱(chēng)為“沉積螺桿”和“沉積釜”。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該沉積螺桿/沉積釜安排可以從該升華螺桿的任一端延伸進(jìn)入該升華螺桿。為了促進(jìn)這一點(diǎn)，該升華螺桿可以是一個(gè)無(wú)軸的螺桿?？紤]到溫度，令人希望的是該沉積螺桿/沉積釜從該升華螺桿的冷端延伸進(jìn)入該升華螺桿。一種或多種易揮發(fā)的組分(在這里也簡(jiǎn)稱(chēng)“揮發(fā)物”)旨在被冷卻并沉積在該沉積釜的內(nèi)表面上而且沉積的物質(zhì)通過(guò)沉積螺桿的旋轉(zhuǎn)沿著沉積釜(遠(yuǎn)離該升華釜)被輸送。在一個(gè)實(shí)施方案中，該升華螺桿在與輸送沉積物質(zhì)相反的方向上輸送工藝材料，但是這不是強(qiáng)制性的。該升華螺桿旨在從該反應(yīng)器中一個(gè)相對(duì)冷的區(qū)域輸送工藝材料進(jìn)入一個(gè)發(fā)生升華的區(qū)域。相比之下該沉積螺桿旨在輸送已經(jīng)冷卻并沉積的揮發(fā)物(此后被稱(chēng)作“沉積物質(zhì)”)遠(yuǎn)離該升華釜避免其再次升華。在如上所述的實(shí)施方案中，該沉積釜/沉積螺桿安排與該升華釜/升華螺桿安排實(shí)質(zhì)上是同心的。然而，這不是強(qiáng)制性的。因此，該干餾釜可能是一個(gè)管狀構(gòu)件，該管狀構(gòu)件內(nèi)提供有螺桿，螺桿的旋轉(zhuǎn)可沿著該管內(nèi)部輸送工藝材料。然而，在另一個(gè)實(shí)施方案中該沉積釜被配置為與該升華釜交錯(cuò)。在這種情況下，該沉積釜的入口端與該升華釜外表面提供的一個(gè)出料端口相連通。該沉積釜可能在兩釜對(duì)應(yīng)的軸線的某個(gè)角度上與該升華釜交錯(cuò)。在本實(shí)施方案中，多個(gè)沉積釜可以被用于沿著該升華釜長(zhǎng)度的選定位置上。在本實(shí)施方案中，該沉積釜可能包含一個(gè)常規(guī)螺桿作為沉積螺桿用于將沉積的工藝材料從該沉積釜內(nèi)表面刮擦下來(lái)，并且沿著該沉積釜輸送沉積物質(zhì)穿過(guò)一個(gè)適合地定位的出口端口排出。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該沉積釜可能包含一個(gè)長(zhǎng)形構(gòu)件延伸進(jìn)入揮發(fā)物可能冷凝的釜中的長(zhǎng)形構(gòu)件。在這種情況下，該沉積釜還需要一些用于從該沉積釜內(nèi)表面和該長(zhǎng)形構(gòu)件外表面刮擦沉積物質(zhì)的裝置。在這方面可能用到一個(gè)刮刀，該刮刀在該沉積釜的內(nèi)表面與該長(zhǎng)形構(gòu)件的外表面的空間中移動(dòng)。該刮刀可能采取一種或多種螺桿的形式，在該沉積釜的內(nèi)表面與該長(zhǎng)形構(gòu)件的外表面之間的環(huán)形空間中旋轉(zhuǎn)。該刮刀(或螺桿)輸送沉積物質(zhì)以便在一個(gè)適合位置的出料端口排出。穿過(guò)該沉積釜將一個(gè)真空施加于該反應(yīng)器上。在這方面，穿過(guò)該沉積釜施加的真空優(yōu)選地具有將升華蒸汽夾帶進(jìn)入該沉積釜的作用。沉積物質(zhì)可以使用一個(gè)適合地定位的出料端口從該沉積釜中移出。該反應(yīng)器可以用一種惰性氣體來(lái)沖刷，以避免由于空氣的存在造成的不利效果。該惰性氣體還可以用來(lái)控制在升華釜內(nèi)揮發(fā)物的流動(dòng)，這樣這些揮發(fā)物會(huì)適當(dāng)?shù)爻蝾A(yù)期的沉積物位點(diǎn)。注意到主導(dǎo)的壓力條件下，要實(shí)現(xiàn)揮發(fā)物在該沉積釜內(nèi)表面的沉積，必須是在一個(gè)適合的低溫。如所提出的，該沉積釜的位于遠(yuǎn)離熱區(qū)的位置，而且這將必然幫助降低該沉積釜內(nèi)表面的溫度。然而可能要求冷卻裝置以便維持該沉積釜在一個(gè)適合的溫度?？赡苡靡粋€(gè)冷卻套來(lái)冷卻該沉積釜或其至少一個(gè)區(qū)域。當(dāng)實(shí)施本發(fā)明的方法時(shí)，需要謹(jǐn)慎避免該升華螺桿/升華釜和沉積螺桿/沉積釜安排的阻塞。該升華螺桿/升華釜的阻塞可以通過(guò)適當(dāng)控制進(jìn)入該升華螺桿的工藝材料的進(jìn)料特性來(lái)避免，包括進(jìn)料顆粒大小和體積進(jìn)料速率。該升華螺桿的特性也可能與避免阻塞相關(guān)，包括螺紋螺距與臺(tái)面表面積。該升華螺桿的轉(zhuǎn)速也可能是有影響的。周期性的速度與方向改變也可以避免工藝材料在螺桿上的積聚。類(lèi)似地，該沉積螺桿的特性和/或其旋轉(zhuǎn)速度可能影響該沉積螺桿/沉積釜安排的阻塞。沿著該沉積釜的溫度分布也會(huì)對(duì)阻塞的發(fā)生與否有影響。在一些實(shí)施方案中為了避免阻塞，也可能有益的是使該沉積螺桿比該沉積釜稍長(zhǎng)，并且因此延伸超過(guò)其末端。也可能是如下情況該升華螺桿和/或沉積螺桿具有一些有限的撓性而且這個(gè)或這些螺桿的撓曲可能會(huì)幫助防止在螺桿與干餾釜內(nèi)表面間的物質(zhì)的阻塞。一個(gè)或者兩個(gè)干餾釜也可能配有一個(gè)刮刀來(lái)移出粘著在該干餾釜內(nèi)表面的任何物質(zhì)。本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于回收一種工藝材料中存在的多種金屬。本發(fā)明特別用于對(duì)于回收鈦、鋯和鉿，從包含這些金屬的還原反應(yīng)產(chǎn)物、還原反應(yīng)副產(chǎn)物以及可能的過(guò)量的還原劑中回收這些金屬。本發(fā)明可能對(duì)于從金屬對(duì)應(yīng)的金屬鹽(典型地是氯化物)與適合的還原劑的還原反應(yīng)生成的產(chǎn)物中回收金屬尤其有效。通過(guò)舉例，本發(fā)明可能應(yīng)用于從一種工藝材料中回收鈦，該工藝材料是由四氯化鈦與鎂的還原反應(yīng)產(chǎn)生的。在這種情況下，該工藝材料可以是一種包含鈦的海綿或顆粒，還包含氯化鎂以及可能的未反應(yīng)的鎂。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解，相似的工藝材料產(chǎn)生于其他金屬的生產(chǎn)過(guò)程，例如鋯和鉿。運(yùn)行本發(fā)明的方法的溫度和壓力條件應(yīng)該受到謹(jǐn)慎地控制。溫度和壓力條件應(yīng)該被選定來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)母邉?dòng)力學(xué)狀態(tài)(升華)同時(shí)避免燒結(jié)問(wèn)題。然而構(gòu)造材料與部件(例如閥門(mén))的可能工作的溫度也將會(huì)影響所采用的工作溫度。令人希望的還有避免在該反應(yīng)器中液相的形成。例如，基于Ti/MgCl2的分離，最適溫度是大約850° C而且最適壓力是O. OlkPa0大于O. 02kPa，液態(tài)氯化鎂形成而且這會(huì)導(dǎo)致阻塞問(wèn)題。溫度低于750°C，分離是困難的因?yàn)榉蛛x動(dòng)力學(xué)狀態(tài)是非常低的。相比之下，高于950° C多種金屬(比如鈦)的燒結(jié)可能發(fā)生而且這也將導(dǎo)致阻塞。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明所述的方法生成的純化的金屬可以使用本發(fā)明的方法進(jìn)行重復(fù)的處理，以便移出更多的揮發(fā)物并提高純度。因此，本方法可以按模塊方式運(yùn)行，其中每個(gè)處理模塊的金屬純度逐漸提高。
本發(fā)明還提供了一種用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的反應(yīng)器。在一個(gè)實(shí)施方案中，該反應(yīng)器包括一個(gè)爐；一個(gè)延伸進(jìn)入并穿過(guò)該爐的干餾釜，該干餾釜包括一個(gè)入口以及一個(gè)出口，該入口用于將工藝材料運(yùn)送進(jìn)入該干餾釜，該出口用于在多種揮發(fā)物從該工藝材料中升華后從該干餾釜中移出金屬；一個(gè)用于沉積從該工藝材料中已經(jīng)升華出的揮發(fā)物的表面，該表面包括一個(gè)用于從該干餾釜接受揮發(fā)物的入口以及一個(gè)用于從該表面移出沉積的揮發(fā)物的出口。該干餾釜包括一種用于沿著該干餾釜從該入口輸送工藝材料并使該工藝材料進(jìn)入該反應(yīng)器的熱區(qū)的機(jī)構(gòu)，以及一種將揮發(fā)物已經(jīng)從其中升華出的工藝材料輸送到該反應(yīng)器的出口的機(jī)構(gòu)。該表面還包含一個(gè)用于將已經(jīng)沉積的揮發(fā)物輸送到該表面出口的一個(gè)機(jī)構(gòu)。該反應(yīng)器還包括多個(gè)收集器，比如多個(gè)罐，用于接受已經(jīng)移出了揮發(fā)物的工藝材料與沉積了的揮發(fā)物。根據(jù)需要，該反應(yīng)器還包括多個(gè)輔助部件。例如，該反應(yīng)器包含一個(gè)或多個(gè)真空泵來(lái)允許該反應(yīng)器在真空條件下運(yùn)行。該反應(yīng)器的附加技術(shù)特征可以清楚的從本發(fā)明的前述討論和附隨的非限制性附圖中看出。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，該干餾釜采取包括一個(gè)升華螺桿的一種升華釜的形式，并且這個(gè)用于沉積揮發(fā)物的表面采取包括一個(gè)沉積螺桿的一種沉積釜的形式。如上所述一個(gè)實(shí)施方案的這些部件也展示在附圖中。如已經(jīng)解釋的，但該沉積釜和一個(gè)或多個(gè)沉積螺桿的設(shè)計(jì)可能不同。本發(fā)明的實(shí)施方案展示在附隨的非限制性附圖中，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)反應(yīng)器的示意性圖解；而且圖2和3是在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)反應(yīng)器中可能用到的部件的示意性圖解。這些附圖僅是原理圖而且沒(méi)有限制相對(duì)比例和尺寸。這些附圖將會(huì)僅參考由四氯化鈦與鎂的還原反應(yīng)產(chǎn)生的包含鈦的工藝材料的處理過(guò)程進(jìn)行討論。該工藝材料可以用如申請(qǐng)人在已經(jīng)公開(kāi)的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)W02006/042360，名稱(chēng)為“低溫工業(yè)方法”中的描述來(lái)生產(chǎn)。該工藝材料采取復(fù)合顆顆粒的形式，其中鈦顆顆粒被包埋在MgCl2的母料里。然而本發(fā)明并不受限于使用這種產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)方式。 圖I展示了包含一個(gè)罐/料斗(I)的一個(gè)反應(yīng)器，該罐/料斗用于將該工藝材料經(jīng)由一個(gè)輸入端口供給到一個(gè)升華螺桿(2)的表面。該復(fù)合顆粒的供給可以使用多個(gè)閥門(mén)來(lái)計(jì)量供應(yīng)。該升華螺桿(2)被提供在一個(gè)升華釜(3)內(nèi)，采取一種伸長(zhǎng)的管的形式。該升華螺桿(2)的旋轉(zhuǎn)將具有輸送該工藝材料的作用。該升華螺桿(2)是一個(gè)無(wú)軸的螺桿，其通過(guò)位于該螺桿一端的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(4)旋轉(zhuǎn)。該升華釜(3)延伸進(jìn)入一個(gè)爐(5)，該爐具有大約為1050° C的最高溫度(在遠(yuǎn)離工藝材料被送入的該升華螺桿(2)位置處的一個(gè)區(qū)域)。該升華釜(3)可以通過(guò)真空管線
(6)成為真空，而且典型地在O. 01至O. 015kPa之間的壓力下運(yùn)行。該設(shè)備典型地用一種吹掃氣體(例如氬)沖刷，以保持該設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有空氣。
在該升華螺桿(2)的末端，遠(yuǎn)離接受工藝材料的那端，提供有用于收集由于揮發(fā)物的升華而已經(jīng)被純化的鈦的一個(gè)罐(7)。該反應(yīng)器還包含一個(gè)沉積螺桿(8)和沉積釜(9)。該沉積釜可以延伸進(jìn)入該升華螺桿(2)。在這種情況下，該升華螺桿(2)可以是無(wú)軸的。該沉積螺桿(8)也可以是無(wú)軸的。如果用到一個(gè)內(nèi)部的沉積釜的話，還要遵循該沉積釜(9)的內(nèi)徑是小于該升華釜(3)的內(nèi)徑的。圖I展示了該沉積螺桿(8)與沉積釜(9)以及該升華螺桿(2)與升華釜(3)的安排，其中采用了多個(gè)外部的沉積釜。一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元(10)被用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)在該沉積釜(9)內(nèi)的該沉積螺桿(8)。一條真空管線(6 )連接該沉積釜(9 )，并且進(jìn)而連接到一個(gè)真空泵。該沉積釜(9 )還包含一個(gè)排放口，該排放口用于收集沉積物質(zhì)進(jìn)入一個(gè)罐(11)。在使用中，該設(shè)備用真空泵抽空并且用氬吹掃。該系統(tǒng)中的壓力通常是O. 01至
0.015kPa。該設(shè)備的釜(5)部件使用加熱元件或類(lèi)似物使其到達(dá)溫度(約800° C)。該升華螺桿(2)和沉積螺桿(8)是旋轉(zhuǎn)的。工藝材料被計(jì)量供應(yīng)至該升華螺桿(2)并且被輸送至該設(shè)備的爐部分內(nèi)。在主導(dǎo)壓力和溫度條件下，該工藝材料中的揮發(fā)物(主要是MgCl2)發(fā)生升華，由此剩下了純化的鈦金屬顆粒。這些顆粒被輸送了該升華釜的長(zhǎng)度并且在該釜末端被排出然后收集到一個(gè)罐(7)中。根據(jù)本發(fā)明這些鈦顆?？梢园丛瓨邮褂没蚪?jīng)受進(jìn)一步的處理，通過(guò)除去可能存在的其他揮發(fā)性的種類(lèi)來(lái)提高純度。這些鈦顆?？赡馨l(fā)生一些輕度燒結(jié)而且如果確實(shí)發(fā)生了，這實(shí)際上可能有助于減少鈦的超微顆粒的反應(yīng)性。升華出該工藝材料的揮發(fā)物在真空條件下被吸收進(jìn)入該沉積釜(9)，其溫度被控制為引發(fā)沉積。在此方面該沉積釜，或至少其一部分，可能包含一個(gè)冷卻套(12)。典型地，沿著該沉積釜(9)的長(zhǎng)度的溫度將會(huì)隨著遠(yuǎn)離該爐(5)而降低。一個(gè)范圍從750° C到350° C的沿著該沉積釜(9)的長(zhǎng)度的溫度梯度可能是適合的。該沉積釜(9)的內(nèi)表面上的沉積固體將會(huì)通過(guò)該沉積螺桿(8)的作用而沿著該釜被輸送。在這些螺桿的一端，這些沉積固體穿過(guò)一個(gè)提供在干餾釜中的端口被排出，并被收集在一個(gè)罐(7 )中。圖2和3展示了采取一種管狀構(gòu)件的一個(gè)升華釜的一部分。該升華釜(I)將包含一個(gè)升華螺桿，但這沒(méi)有在圖2和3中被展示出來(lái)。該升華釜(I)的內(nèi)部通過(guò)一個(gè)端口(3)被連接到一個(gè)沉積釜(2)上。該沉積釜采取一種管狀構(gòu)件的形式。典型地，該沉積釜(2)與該升華釜(I)以90°接合，但這不是必要地。該沉積釜(2)包含一個(gè)排放口(4)。在圖2中，該沉積釜(2 )包含一個(gè)沉積螺桿(5 )，該沉積螺桿包含一個(gè)軸(6 )和多個(gè)螺紋(7)。在圖3中，該沉積釜(2)包含一個(gè)被固定的中心管狀構(gòu)件(9)。在該管狀構(gòu)件(9)與該沉積釜(2)的內(nèi)表面之間的環(huán)形空間(10)內(nèi)提供有一個(gè)繞著該管狀構(gòu)件(9)旋轉(zhuǎn)的無(wú)軸的沉積螺桿(11)。 在使用中，在該升華釜(I)中，揮發(fā)物在高溫下升華并被吸收進(jìn)入該沉積釜(2)。如果該沉積釜中的溫度是適當(dāng)?shù)氐偷脑?，揮發(fā)物將會(huì)在該干餾釜(2)內(nèi)的表面上作為固體一樣沉積。在圖2和3中，沉積的揮發(fā)物通過(guò)參考號(hào)8標(biāo)識(shí)。該螺桿(5)的旋轉(zhuǎn)具有的作用是將該沉積釜(2)內(nèi)表面上沉積的揮發(fā)物(8)刮擦下來(lái)并且將其沿著該沉積釜(2)輸送，在沉積釜中被純化的金屬(8)將會(huì)穿過(guò)出口(4)被排出以收集。在圖3中，沉積將會(huì)發(fā)生在該沉積釜(2)的內(nèi)表面和該中心管狀構(gòu)件(9)的表面上。沉積的揮發(fā)物(8 )將會(huì)通過(guò)該沉積螺桿(10 )從該沉積釜(2 )和管狀構(gòu)件(9 )的表面上被刮擦下來(lái)，并沿著該沉積釜(2)輸送以在排放口(4)排出。在圖2和3展示的實(shí)施方案中將包含如圖I所示的相同的附加部件，

圖1-3的兩個(gè)實(shí)施方案的主要的差異在于所采用的沉積釜和一個(gè)或多個(gè)沉積螺桿的種類(lèi)。圖2和3的實(shí)施方案的工作方式與圖I基本相同，其主題當(dāng)然是對(duì)該沉積釜/一個(gè)或多個(gè)沉積螺桿的設(shè)計(jì)修改。在本發(fā)明中所用的該設(shè)備及其多個(gè)部件是由具有適合特性的材料構(gòu)成的，而且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟悉所用到的材料。以下非限制性的實(shí)例展示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案。SM所使用的設(shè)備是一個(gè)圓柱形的升華釜，由長(zhǎng)2. 2m、內(nèi)徑為153mm的253MA不銹鋼構(gòu)成的。該升華釜的中心區(qū)域被放置在一個(gè)1300mm長(zhǎng)、14. 4kW、3區(qū)的開(kāi)合式爐中并被加熱至870° C。該升華釜的熱區(qū)(溫度高于750° C的一個(gè)區(qū)域)有700mm長(zhǎng)。該升華釜的進(jìn)料區(qū)包含一個(gè)50_的端口，其連接到一個(gè)單個(gè)的螺旋送粉器。該進(jìn)料工藝材料，是在氯化鎂基質(zhì)中包含Ti顆粒的一種復(fù)合材料(20. l%Ti、79. 7%MgCl2)，小于400微米，以250g/hr的速度被供給到該升華釜內(nèi)，花費(fèi)8分鐘來(lái)穿過(guò)該熱區(qū)。在該升華釜的出口端是一個(gè)70mm的排放管，其允許富含Ti的金屬粉末穿過(guò)一個(gè)球閥和刀閘閥落下并進(jìn)入一個(gè)密封的金屬管。在一次單程之后，該金屬粉末包含99. 3%的Ti,O. 10% 的 Mg 和 O. 30% 的 Cl。該升華釜被設(shè)計(jì)為在進(jìn)入極少量空氣的中度真空條件下運(yùn)行。該復(fù)合材料被移動(dòng)穿過(guò)該升華釜，用一個(gè)90mm螺距的無(wú)軸的螺桿以I至IOrpm從該進(jìn)料端驅(qū)動(dòng)。該動(dòng)力傳輸系統(tǒng)包含連接到一個(gè)高比率齒輪箱的一個(gè)電機(jī)，而且穿過(guò)一個(gè)3室的機(jī)械密封件來(lái)確保極少量的空氣進(jìn)入。在該升華釜內(nèi)的壓力被操作在O. 01至O. 015kPa之間。一股Ar的吹掃氣體以5mg/min的速度作為阻擋氣體被添加。在熱區(qū)內(nèi)已經(jīng)升華了的復(fù)合材料中的氯化鎂隨后從該升華釜中被移出，穿過(guò)一個(gè)136_內(nèi)徑的內(nèi)部沉積釜，從該升華釜的進(jìn)料端穿過(guò)該無(wú)軸的螺桿的中心流動(dòng)至靠近該熱區(qū)的一個(gè)點(diǎn)，這就是其入口點(diǎn)的位置。在該升華釜的熱區(qū)內(nèi)已經(jīng)升華了的氯化鎂隨后通過(guò)一個(gè)連接到該沉積釜末端的真空泵被抽進(jìn)該沉積釜。沉積的氯化鎂在進(jìn)入該沉積釜時(shí)快速沉積。該沉積螺桿被用于輸送該固態(tài)氯化鎂粉末穿過(guò)該沉積釜至一個(gè)50mm的出料端口，并進(jìn)入一個(gè)金屬罐。該沉積螺桿被延伸略微超過(guò)該入口點(diǎn)來(lái)防止在該沉積釜入口的附加積聚。該設(shè)備被連續(xù)地運(yùn)行超過(guò)20小時(shí)，生成了大約O. 9kg純化的金屬。在不違背本發(fā)明范圍的情況下，許多修改將對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將是清楚的。在本說(shuō)明書(shū)中對(duì)任何現(xiàn)有出版物(或由此衍生的信息)或任何已知事物的參考，不是、并且不應(yīng)該被當(dāng)做是一種認(rèn)可或承認(rèn)或任何形式的建議這個(gè)現(xiàn)有出版物(或由此衍生的信息)或已知事物形成了在本說(shuō)明書(shū)相關(guān)領(lǐng)域的公知常識(shí)的一部分。貫穿本說(shuō)明書(shū)以及其后的權(quán)利要求書(shū)，除非上下文另外要求，詞語(yǔ)“包含(comprise)”、或如“包含(comprises)”與“包含(comprising)”的變化應(yīng)當(dāng)被理解成意指包括所陳述的一種整體或步驟、或多個(gè)整體或步驟的組，但不排除任何其他的整體或步驟、或多個(gè)整體或步驟的組。
權(quán)利要求
1.一種用于從包含金屬和比該金屬更易揮發(fā)的組分的工藝材料中回收金屬的方法，該方法包括 在一個(gè)爐中提供的一個(gè)干餾釜中輸送該工藝材料，該干餾釜是在足以致使該組分從該工藝材料中升華的真空和溫度下運(yùn)行的，由此通過(guò)受控的燒結(jié)來(lái)產(chǎn)生純化的金屬； 將已升華的這種組分沉積在一個(gè)冷表面上； 將純化的金屬?gòu)脑摳绅s釜中移出；并且 將沉積的組分從該冷表面上移出。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中該方法是在一種連續(xù)的基礎(chǔ)上運(yùn)行的，使新的工藝材料被連續(xù)地供應(yīng)給該干餾釜以及該爐而使純化的金屬以及沉積的一種或多種易揮發(fā)的組分被連續(xù)地移出。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中該金屬是選自鈦、鋯和鉿，并且該工藝材料是一種還原反應(yīng)產(chǎn)物，該還原反應(yīng)產(chǎn)物包括多種金屬還原反應(yīng)副產(chǎn)物以及可能的過(guò)量的還原劑。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中該金屬是鈦并且該工藝材料是由四氯化鈦與鎂的反應(yīng)產(chǎn)生的。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中該方法是在以下溫度和壓力的條件下并且在一種選定的含金屬的工藝材料上實(shí)現(xiàn)的，即致使一種或多種易揮發(fā)的組分在該升華步驟中發(fā)生升華。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中該工藝材料是用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿在該干餾釜中進(jìn)行輸送的。
7.一種用于進(jìn)行如權(quán)利要求I所述的方法的反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括 一個(gè)爐； 一個(gè)延伸進(jìn)入并穿過(guò)該爐的干餾釜，該干餾釜包括一個(gè)入口以及一個(gè)出口，該入口用于將工藝材料運(yùn)送進(jìn)入該干餾釜，該出口用于在多種揮發(fā)物從該工藝材料中升華后從該干餾釜中移出金屬； 一個(gè)用于沉積從該工藝材料中已經(jīng)升華出的揮發(fā)物的表面，該表面包括一個(gè)用于從該干餾釜接受揮發(fā)物的入口以及一個(gè)用于從該表面移出沉積的揮發(fā)物的出口。
8.如權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，包括一種用于沿著該干餾釜從該入口輸送工藝材料并使工藝材料進(jìn)入該反應(yīng)器的熱區(qū)的機(jī)構(gòu)，以及一種將揮發(fā)物已經(jīng)從其中升華出的工藝材料輸送到該反應(yīng)器的出口的機(jī)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其中該干餾釜采取包括一個(gè)升華螺桿的一種升華釜的形式，并且這個(gè)用于沉積揮發(fā)物的表面采取包括一個(gè)沉積螺桿的一種沉積釜的形式。
10.通過(guò)如權(quán)利要求I所述的方法回收的金屬。
全文摘要
一種用于從包含金屬和比該金屬更易揮發(fā)的組分的工藝材料中回收金屬的方法，該方法包括在一個(gè)爐中提供的一個(gè)干餾釜中輸送該工藝材料，該干餾釜是在足以致使該組分從該工藝材料中升華的真空和溫度下運(yùn)作，由此產(chǎn)生純化的金屬；將已升華的該組分沉積于一個(gè)冷表面上；將純化的金屬?gòu)脑摳绅s釜中移出；并且將沉積的組分從該冷表面上移出。
文檔編號(hào)B01D7/00GK102985148SQ201180030392
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者安德魯·克里斯, 安德里亞斯·蒙奇, 賈斯伯·科薩, 馬修·理查茲, 大衛(wèi)·弗里曼 申請(qǐng)人:聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織