专利名称：铝的生产方法
技术领域：
本发明涉及生产金属铝的方法，更具体地说，本发明涉及生产金属铝的一种连续方法。
当今，金属铝几乎完全采用Hall-Heroult电解池生产。
美国专利3783167公开了一种电弧炉，包括使用循环电极或等离子体枪用于进行各种化学反应(包括矿石还原和分离)。在该专利的一个实施例中，可将铝的氧化物或氧化铝引入该等离子体，然后在反应器下部位置引入丙烷。该专利完全没有描述该方法是否可以连续进行，而连续进行在工业生产中是非常重要的。此外，该专利也未描述该方法的副产物是什么。
根据本发明，可通过连续方法生产铝金属，而且通过该方法还可得到有价值的副产物。
本发明方法的优势在于代表了制造铝金属的更有效和更经济的方法。此外，该方法可能在高于大气压的稍稍过压的条件下进行，并可使用标准工业质量的原料。
采用实施例和附图进一步描述本发明。其中，
图1是说明所述方法原理的工艺图。
图1表示由氧化铝(Al2O3)和还原气体生产铝的连续方法。在本实施方案中，还原气体可以是烃类气体，例如轻质烃气体，如具有高含量甲烷气(CH4)的天然气。该实施方案的以下描述中，用术语“甲烷气体”表示还原气体。
将氧化铝原料(进料)流10导入混合室1中，在该室1中氧化铝与经管线11送入该室的气体混合。可通过涡流作用或包括使用本领域普通技术人员公知的其它常规装置产生所述的混合作用。这类装置可包括密相流化床、传输管线、雾沫管(entrainment tube)或其它合适的气-固混合装置。优选的是，在所述混合室中将所述混合物在起始原料不发生显著反应的足够低的温度下预热。在该室中，850℃或更低的温度是合适的。应理解，预热可采用在混合室中的加热装置进行，或对在进入混合室之前的各原料之一或两者都进行预热。
然后将氧化铝和甲烷气体的混合物经过连接管12和喷嘴23送入等离子体反应室2，喷嘴23位于反应室2内。反应室2由内置有布置在喷嘴23附近的等离子体反应器20的封闭容器4构成。所述混合物从其顶部区域13进入反应室2中，在此，所述混合物被快速加热到足够高的温度，从而以适当的产率形成铝和一种或多种有价气体副产物例如一氧化碳(CO)和分子态氢(H2)。
发生的反应可由以下方程式表示(1)(2)反应(1)是高度吸热的，在高温，即高于1500℃，方程(1)的右端是主要的，因此将得到Al。在大气压下铝的沸点是2467℃，在略微过压的体系中所述温度应高于此温度。此外，在高于1500℃的温度下的反应可得到铝和其它含铝产物例如碳化物(2)。
在反应室中，优选将混合物相当快速地加热到足够高的温度以使Al2O3在室2中转化为Al。该温度可大大高于铝的沸点，尤其是如果使用某些原料加热手段例如热等离子体的话。在所述室中反应物通常的停留时间是至少0．01秒。可调节停留时间以与反应温度、原料和其它工艺参数最佳匹配。
取决于工艺参数，Al2O3在室2中转化为Al的转化率一般远大于30％。
优选采用包括使用由在阴极21和阳极22之间放电产生的电弧的等离子体反应器20加热所述混合物。优选布置电弧使得通过管线12进入室2中的混合物全部或部分经过该电弧。如本领域普通技术人员所知，这种反应器可能包括各种布置用于使铝的生产量最大、对电极的冷却、用于稳定化的磁场或否则对电弧放电的操作(未示出)。此外，等离子体反应器通常可包括等离子体发生器系统，包括电弧放电直流等离子体炬、高频振荡器、控制台和直流供电装置(未示出)。需要工业规模的发电机提供几个千瓦的功率，而电压则遵照工业标准。
应理解，其它的加热方法在本发明范围内也是适当的。这些方法包括传热，例如，从所述室的外壁进行辐射、对流或传导对混合物进行加热。这种加热可通过电加热器维持，或通过与热流体进行热交换，或从封闭容器4内壁进行热辐射而进行。所需要的热可以全部或部分由烧掉一种或多种该工艺中的副产物、可能还结合有其它产物而提供。
产物和可能的未转化原料可在反应室2下部进行部分冷却。可快速进行该冷却，以减少铝金属的损失。优选以有助于已转化的铝的后续处理的方式实施该冷却。应理解铝可以从后续的分离器室中以液相形式回收，因为流出气体和反应产物冷却达到的温度在660℃以上。可以以固体材料方式回收铝，籍此将温度降低到其熔点即约660℃以下。在第三种方式中，可以以汽相方式回收铝，即产物冷却达到的温度不低于2467℃。
可以以各种本领域普通技术人员公知的方式冷却在反应室中的产物。这些方式包括，例如，从产物附近吸热，如从室3适当的部位，通过经反应室2壁的热传递，或通过引入适当的冷却剂，从而使热从反应产物传递给冷却剂。
可通过进料管线15将这种冷却剂或淬火剂引入反应室，管线15连接着布置在室2中部或下部中央的注入器16。优选布置该注入器，使得工艺物料流均匀地为淬火剂稀释，从而使该工艺物料流均匀降温。
这种冷却剂或淬火剂一般可包括惰性固体颗粒(二氧化硅或陶瓷颗粒)，蒸汽和气体或其混合物。也可以使用液滴，例如液态铝。这些试剂应能够在适于冷却铝或该工艺其它产物的温度下通过物理或化学手段发生吸热的状态变化。此外，所述冷却剂／淬火剂应该具有与铝易于分离的性质。
在分离室3中，单质铝从产物流中分离出。然后传送该铝以进一步净化、储存或在特定工艺中使用。在附图中，分离室被表示为与反应室实际分离。然而，应理解这两个室在适当时可包括在一个加工装置中。
在分离室中，固相、液相或汽相状态的单质铝可与其它反应产物和可能的未反应原料分离。在该室中，可进行多次分离。例如，如果铝进入该室时是汽相的，先去除各种固体，然后从汽相中去除铝，将其与各种气态产物例如CO、H2和可能的未转化原料相分离。未转化原料可经连接管16从室3中去除，并经管线17循环至混合室。处于各种状态的铝(例如固相、汽相、液相或混合态)例如可经由31、32表示的出口去除。
分离可通过包括使用旋风分离器、离心分离器、多级阶式碰撞取样器(staged cascade impactor)等的常规技术进行。分离也可通过例如经过管线18将铝回收试剂引入分离室而进行。这些试剂可为特定化学组成的固体、液体或蒸汽，并具有适当的物理尺寸／量。此外，本领域普通技术人员将会确认，可通过不同方式来维持所述分离例如将铝蒸汽冷凝为液体或固体、使液体铝凝固、物理吸附、化学吸附或其它在室中分离产物的方法。
副产物是很有价值的气体混合物，它可以用作燃料或化学工业的基本组分，例如在制备氨和甲醇中。因此，所述的方法可被包括在氨或甲醇的生产工艺中，形成一个完整的工艺方法。
应理解的是可使用其它的轻质烃气体或气体混合物。可使用其它气体例如乙烷、丙烷和丁烷或这些的混合物，它们将更适合作为用于生产氨／甲烷中的基本组分。
该方法中还可使用其它还原气体，例如氢气(H2)或一氧化碳(CO)。
使用氢或一氧化碳的总反应分别如下(3)，(4)(3)(4)该方法中使用的氧化铝优选具有工业等级，其粒径为0．01-0．15毫米。这种粒径表明具有相当大的物料表面，这对反应速度而言是很重要的。物料具有大的表面将具有高的反应速度。
在各工艺室如混合室、反应室和分离室中的压力通常保持在高于普通大气压以避免环境空气进入工艺设备中。单独而言，这些室之间的压力可相互不同。
在上述实施例中，氧化铝和还原气体在进入等离子体反应区之前在单独的混合室中混合。然而，在一个实施方案(未示出)中，氧化铝和还原气体可通过单独的入口送入反应区，同时恰在送入反应区之前混合或在反应区中混合。
氧化铝和还原气体可恰在送入等离子体反应区之前混合，例如采用具有用于氧化铝和气体的各连接器的一个共同喷嘴进行，或采用两个协作喷嘴，一个用于氧化铝，另一个用于气体，以产生涡旋／混合作用(未示出)。
应理解，此处所述工艺设备仅仅是描述概念。然而根据前述说明书，本领域的普通技术人员应能够设置运转该方法和调节关键的工艺参数所必须的传感器、压力计、控制器等。
权利要求
1．一种生产金属铝的连续方法，所使用的原料包括铝的氧化物和还原气体，其中铝的氧化物与气体在反应区在约1500℃或更高温度下反应，获得铝并将该铝与其它反应产物分离，所述方法的特征在于在反应区以连续流方式产生所述反应产物，并且在分离前连续快速冷却所述产物流。
2．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，在进入反应区之前，混合所述铝的氧化物和所述还原气体。
3．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，在进入反应区之前，对所述铝的氧化物和所述还原气体单独预热或共同预热，优选预热到850℃。
4．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，将所述铝的氧化物和所述还原气体的混合物快速加热到约1500℃或更高。
5．根据权利要求4的连续方法，其特征在于，使用等离子体电弧放电加热所述的混合物。
6．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，所述快速冷却步骤包括将产物流快速冷却到约1500℃或更低。
7．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，所述的铝以汽相、液相、固相或这些状态的混合的形式分离。
8．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，所述铝的氧化物是粒径0．01-0．15毫米的工业等级。
9．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，所述还原气体是烃类气体，优选是包括甲烷为主要成分的轻质烃气体。
10．根据权利要求9的连续方法，其特征在于，由所述方法获得的反应产物包括一氧化碳和／或氢。
11．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，所述还原气体是氢气。
12．根据权利要求1的连续方法，其特征在于，所述还原气体是一氧化碳。
全文摘要
一种生产金属铝的连续方法,所使用的原料包括铝的氧化物和还原气体例如轻质烃气体,其中铝的氧化物与气体在反应区在约1500℃或更高温度下反应,获得单质铝并将该铝与其它反应产物分离。根据本发明,在还原区以连续流方式产生所述反应产物,并且在分离前连续淬火所述产物流。
文档编号C22B21/02GK1292037SQ99803330
公开日2001年4月18日 申请日期1999年2月26日 优先权日1998年2月26日
发明者S·普拉特, B·里勒布恩, A·F·迪阿茨, J·B·霍华德, A·J·莫德斯提诺, W·A·彼德斯 申请人:诺尔斯海德公司, 麻省理工学院