專利名稱：鋁的生產方法
技術領域：
本發明涉及生產金屬鋁的方法，更具體地說，本發明涉及生產金屬鋁的一種連續方法。
當今，金屬鋁幾乎完全采用Hall-Heroult電解池生產。
美國專利3783167公開了一種電弧爐，包括使用循環電極或等離子體槍用于進行各種化學反應(包括礦石還原和分離)。在該專利的一個實施例中，可將鋁的氧化物或氧化鋁引入該等離子體，然后在反應器下部位置引入丙烷。該專利完全沒有描述該方法是否可以連續進行，而連續進行在工業生產中是非常重要的。此外，該專利也未描述該方法的副產物是什么。
根據本發明，可通過連續方法生產鋁金屬，而且通過該方法還可得到有價值的副產物。
本發明方法的優勢在于代表了制造鋁金屬的更有效和更經濟的方法。此外，該方法可能在高于大氣壓的稍稍過壓的條件下進行，并可使用標準工業質量的原料。
采用實施例和附圖進一步描述本發明。其中，
圖1是說明所述方法原理的工藝圖。
圖1表示由氧化鋁(Al2O3)和還原氣體生產鋁的連續方法。在本實施方案中，還原氣體可以是烴類氣體，例如輕質烴氣體，如具有高含量甲烷氣(CH4)的天然氣。該實施方案的以下描述中，用術語“甲烷氣體”表示還原氣體。
將氧化鋁原料(進料)流10導入混合室1中，在該室1中氧化鋁與經管線11送入該室的氣體混合。可通過渦流作用或包括使用本領域普通技術人員公知的其它常規裝置產生所述的混合作用。這類裝置可包括密相流化床、傳輸管線、霧沫管(entrainment tube)或其它合適的氣-固混合裝置。優選的是，在所述混合室中將所述混合物在起始原料不發生顯著反應的足夠低的溫度下預熱。在該室中，850℃或更低的溫度是合適的。應理解，預熱可采用在混合室中的加熱裝置進行，或對在進入混合室之前的各原料之一或兩者都進行預熱。
然后將氧化鋁和甲烷氣體的混合物經過連接管12和噴嘴23送入等離子體反應室2，噴嘴23位于反應室2內。反應室2由內置有布置在噴嘴23附近的等離子體反應器20的封閉容器4構成。所述混合物從其頂部區域13進入反應室2中，在此，所述混合物被快速加熱到足夠高的溫度，從而以適當的產率形成鋁和一種或多種有價氣體副產物例如一氧化碳(CO)和分子態氫(H2)。
發生的反應可由以下方程式表示(1)(2)反應(1)是高度吸熱的，在高溫，即高于1500℃，方程(1)的右端是主要的，因此將得到Al。在大氣壓下鋁的沸點是2467℃，在略微過壓的體系中所述溫度應高于此溫度。此外，在高于1500℃的溫度下的反應可得到鋁和其它含鋁產物例如碳化物(2)。
在反應室中，優選將混合物相當快速地加熱到足夠高的溫度以使Al2O3在室2中轉化為Al。該溫度可大大高于鋁的沸點，尤其是如果使用某些原料加熱手段例如熱等離子體的話。在所述室中反應物通常的停留時間是至少0．01秒。可調節停留時間以與反應溫度、原料和其它工藝參數最佳匹配。
取決于工藝參數，Al2O3在室2中轉化為Al的轉化率一般遠大于30％。
優選采用包括使用由在陰極21和陽極22之間放電產生的電弧的等離子體反應器20加熱所述混合物。優選布置電弧使得通過管線12進入室2中的混合物全部或部分經過該電弧。如本領域普通技術人員所知，這種反應器可能包括各種布置用于使鋁的生產量最大、對電極的冷卻、用于穩定化的磁場或否則對電弧放電的操作(未示出)。此外，等離子體反應器通常可包括等離子體發生器系統，包括電弧放電直流等離子體炬、高頻振蕩器、控制臺和直流供電裝置(未示出)。需要工業規模的發電機提供幾個千瓦的功率，而電壓則遵照工業標準。
應理解，其它的加熱方法在本發明范圍內也是適當的。這些方法包括傳熱，例如，從所述室的外壁進行輻射、對流或傳導對混合物進行加熱。這種加熱可通過電加熱器維持，或通過與熱流體進行熱交換，或從封閉容器4內壁進行熱輻射而進行。所需要的熱可以全部或部分由燒掉一種或多種該工藝中的副產物、可能還結合有其它產物而提供。
產物和可能的未轉化原料可在反應室2下部進行部分冷卻。可快速進行該冷卻，以減少鋁金屬的損失。優選以有助于已轉化的鋁的后續處理的方式實施該冷卻。應理解鋁可以從后續的分離器室中以液相形式回收，因為流出氣體和反應產物冷卻達到的溫度在660℃以上。可以以固體材料方式回收鋁，籍此將溫度降低到其熔點即約660℃以下。在第三種方式中，可以以汽相方式回收鋁，即產物冷卻達到的溫度不低于2467℃。
可以以各種本領域普通技術人員公知的方式冷卻在反應室中的產物。這些方式包括，例如，從產物附近吸熱，如從室3適當的部位，通過經反應室2壁的熱傳遞，或通過引入適當的冷卻劑，從而使熱從反應產物傳遞給冷卻劑。
可通過進料管線15將這種冷卻劑或淬火劑引入反應室，管線15連接著布置在室2中部或下部中央的注入器16。優選布置該注入器，使得工藝物料流均勻地為淬火劑稀釋，從而使該工藝物料流均勻降溫。
這種冷卻劑或淬火劑一般可包括惰性固體顆粒(二氧化硅或陶瓷顆粒)，蒸汽和氣體或其混合物。也可以使用液滴，例如液態鋁。這些試劑應能夠在適于冷卻鋁或該工藝其它產物的溫度下通過物理或化學手段發生吸熱的狀態變化。此外，所述冷卻劑／淬火劑應該具有與鋁易于分離的性質。
在分離室3中，單質鋁從產物流中分離出。然后傳送該鋁以進一步凈化、儲存或在特定工藝中使用。在附圖中，分離室被表示為與反應室實際分離。然而，應理解這兩個室在適當時可包括在一個加工裝置中。
在分離室中，固相、液相或汽相狀態的單質鋁可與其它反應產物和可能的未反應原料分離。在該室中，可進行多次分離。例如，如果鋁進入該室時是汽相的，先去除各種固體，然后從汽相中去除鋁，將其與各種氣態產物例如CO、H2和可能的未轉化原料相分離。未轉化原料可經連接管16從室3中去除，并經管線17循環至混合室。處于各種狀態的鋁(例如固相、汽相、液相或混合態)例如可經由31、32表示的出口去除。
分離可通過包括使用旋風分離器、離心分離器、多級階式碰撞取樣器(staged cascade impactor)等的常規技術進行。分離也可通過例如經過管線18將鋁回收試劑引入分離室而進行。這些試劑可為特定化學組成的固體、液體或蒸汽，并具有適當的物理尺寸／量。此外，本領域普通技術人員將會確認，可通過不同方式來維持所述分離例如將鋁蒸汽冷凝為液體或固體、使液體鋁凝固、物理吸附、化學吸附或其它在室中分離產物的方法。
副產物是很有價值的氣體混合物，它可以用作燃料或化學工業的基本組分，例如在制備氨和甲醇中。因此，所述的方法可被包括在氨或甲醇的生產工藝中，形成一個完整的工藝方法。
應理解的是可使用其它的輕質烴氣體或氣體混合物。可使用其它氣體例如乙烷、丙烷和丁烷或這些的混合物，它們將更適合作為用于生產氨／甲烷中的基本組分。
該方法中還可使用其它還原氣體，例如氫氣(H2)或一氧化碳(CO)。
使用氫或一氧化碳的總反應分別如下(3)，(4)(3)(4)該方法中使用的氧化鋁優選具有工業等級，其粒徑為0．01-0．15毫米。這種粒徑表明具有相當大的物料表面，這對反應速度而言是很重要的。物料具有大的表面將具有高的反應速度。
在各工藝室如混合室、反應室和分離室中的壓力通常保持在高于普通大氣壓以避免環境空氣進入工藝設備中。單獨而言，這些室之間的壓力可相互不同。
在上述實施例中，氧化鋁和還原氣體在進入等離子體反應區之前在單獨的混合室中混合。然而，在一個實施方案(未示出)中，氧化鋁和還原氣體可通過單獨的入口送入反應區，同時恰在送入反應區之前混合或在反應區中混合。
氧化鋁和還原氣體可恰在送入等離子體反應區之前混合，例如采用具有用于氧化鋁和氣體的各連接器的一個共同噴嘴進行，或采用兩個協作噴嘴，一個用于氧化鋁，另一個用于氣體，以產生渦旋／混合作用(未示出)。
應理解，此處所述工藝設備僅僅是描述概念。然而根據前述說明書，本領域的普通技術人員應能夠設置運轉該方法和調節關鍵的工藝參數所必須的傳感器、壓力計、控制器等。
權利要求
1．一種生產金屬鋁的連續方法，所使用的原料包括鋁的氧化物和還原氣體，其中鋁的氧化物與氣體在反應區在約1500℃或更高溫度下反應，獲得鋁并將該鋁與其它反應產物分離，所述方法的特征在于在反應區以連續流方式產生所述反應產物，并且在分離前連續快速冷卻所述產物流。
2．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，在進入反應區之前，混合所述鋁的氧化物和所述還原氣體。
3．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，在進入反應區之前，對所述鋁的氧化物和所述還原氣體單獨預熱或共同預熱，優選預熱到850℃。
4．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，將所述鋁的氧化物和所述還原氣體的混合物快速加熱到約1500℃或更高。
5．根據權利要求4的連續方法，其特征在于，使用等離子體電弧放電加熱所述的混合物。
6．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，所述快速冷卻步驟包括將產物流快速冷卻到約1500℃或更低。
7．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，所述的鋁以汽相、液相、固相或這些狀態的混合的形式分離。
8．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，所述鋁的氧化物是粒徑0．01-0．15毫米的工業等級。
9．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，所述還原氣體是烴類氣體，優選是包括甲烷為主要成分的輕質烴氣體。
10．根據權利要求9的連續方法，其特征在于，由所述方法獲得的反應產物包括一氧化碳和／或氫。
11．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，所述還原氣體是氫氣。
12．根據權利要求1的連續方法，其特征在于，所述還原氣體是一氧化碳。
全文摘要
一種生產金屬鋁的連續方法,所使用的原料包括鋁的氧化物和還原氣體例如輕質烴氣體,其中鋁的氧化物與氣體在反應區在約1500℃或更高溫度下反應,獲得單質鋁并將該鋁與其它反應產物分離。根據本發明,在還原區以連續流方式產生所述反應產物,并且在分離前連續淬火所述產物流。
文檔編號C22B21/02GK1292037SQ99803330
公開日2001年4月18日 申請日期1999年2月26日 優先權日1998年2月26日
發明者S·普拉特, B·里勒布恩, A·F·迪阿茨, J·B·霍華德, A·J·莫德斯提諾, W·A·彼德斯 申請人:諾爾斯海德公司, 麻省理工學院