[发明专利]使用喷嘴和熔融收集器冷凝金属蒸汽的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及气相化合物或气相元素(尤其是通过还原过程得到的金属如镁)的冷凝。所述还原过程包括金属热还原过程(metallothermic process)和碳热还原过程(carbothermic process)。具体的，本发明涉及通过使用膨胀喷嘴来冷凝和收集金属蒸汽及其他蒸汽的方法和设备。

背景技术

从镁矿石中提取镁的科学技术研究已经超过一百年了。镁金属提取引起了特别的兴趣和努力，这是因为这种金属作为铝和其他金属中的重要合金元素的材料性质。此外，最近几年，镁作为轻便且坚固的结构材料(特别在汽车工业中)变得重要起来。所述提取方法有以下两种，即，无水熔融盐的电解还原，或者涉及使用碳或金属还原剂使金属的氧化物或碳酸盐还原的火法冶炼(pyro-metallurgical)途径。

大体上在金属镁的生产中主要的技术问题不仅涉及由于金属固有的强负电极电位而需要连续输入高能量。对于火法冶炼途径，还需要高的反应温度来启动并保持所述还原过程，然而所述反应温度可通过恰当选择熔炉类型来获得。在所述火法冶炼途径中，还原剂有两种类别：碳(在碳热还原中)和某些金属(在金属热还原中)。在高温状态下将出现以下两种情况，还原金属将以气态形式出现，在金属热还原过程中单独出现，或者在碳热还原过程中与一氧化碳一起出现。典型的还原剂是固态、液态或气态形式的其他金属、碳、碳氢化合物或其他有机衍生物以及氢。当所述还原金属在高温下与氧化物形式的还原剂共存时，在很快冷却到熔点以下的情况下，所述还原金属只有在低温下能够以金属的形式保持稳定。

冷却含有金属形式的还原气体和氧化物形式的还原剂的热气体存在的固有问题是气体混合物在冷却时发生逆向反应(逆反应)，使得产生的产物会整体或部分恢复为金属氧化物和元素还原剂(elemental reductant)。例如，如果用碳作为还原剂，主要的还原反应为：

C(s)+MgO(s)→CO(g)+Mg(g)方程式[1]

这个反应根据气体的总压的不同可以在1600-1900℃的温度范围内顺利进行；通过排空或通过另外加入适当热的惰性气体来降低所述气体的压力，可使反应在温度范围的低端也有效。

在气体冷却时，如下反应将整体或部分发生：

CO(g)+Mg(g)→C(s)+MgO(s)方程式[2]

由于任何化学反应都需要时间，因此这种冶炼过程的冷凝系统依靠快速或“瞬间”冷却使得逆反应减少到最低限度。本领域中具有几种已知的实现气体快速冷却的方法；但是，本发明优选使用如后附图6中示出的被称为拉瓦尔绝热喷嘴(de Lavalle adiabatic nozzle)的设备。

如图6所示，使热反应的反应气体穿过喷嘴，如下表1所示，能够实现快速冷却。随着所述气体穿过所述喷嘴，将所述气体加速至音速。如本领域公知的，气体的温度从反应温度降至由贯穿所述喷嘴的压力差以及所述喷嘴的几何构造确定的温度。各种长度喷嘴的冷却停留时间如表1第三列所示。

表1：在不同长度的喷嘴中气体的停留时间