高温反应器系统及用于在其中生产产物的方法

高温反应器系统及用于在其中生产产物的方法
【专利摘要】本发明提出一种等离子体系统，所述等离子体系统包括如感应耦合等离子体(ICP)炬的等离子体源或炬，所述等离子体源或炬作用于含有期望产物的颗粒的供给材料。描述用于采用所述系统的方法，所述方法包括用于在所述等离子体系统中从反应提取所述期望产物的过程，所述方法还包括以其他方式被废弃的热能的回收，并且讨论有用材料从混合的矿物物质的分离。
【专利说明】高温反应器系统及用于在其中生产产物的方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及用于将基于等离子体的过程应用于供给材料(feed material)以便从中提取有用产物(product)的系统和方法。
[0002]相关申请
[0003]本申请涉及赋予本发明的发明人和受让人的2011年11月10日递交的名称为“磁电_等离子体分离器及用于分离的方法(Magneto-Plasma Separator and Method forSeparation) ”的美国临时申请61/557951并且要求其权益和优先权，所述临时申请在本文中通过引用被并入。
_4] 发明背景
[0005]稀土元素(REEs)和其他高价值战略材料是其独特的性质对于高科技工业、医药和军事技术制造业至关重要的元素。REE组被认为包括镧系元素:镧、铈、镨、钷(非天然存在的)、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钦、铒、铥、镱和镥。钇和钪元素由于具有相似的化学性质也被包括。本申请的几个方面针对的其他材料包括钽、钛、钨、铌、锂、钯、钒、锆、铍、钍和铀。上述材料在本文中简称战略材料。本领域技术人员将理解本公开也可以被应用于类似的和相似的材料。
[0006]稀土元素和其他战略材料被使用于手机、电脑和电视，以及混合动力汽车(hybridautomobiles)、高速火车、风力润轮机、激光、声纳和光纤。由于它们可以被使用于制导导弹、通信卫星、雷达、预警系统和无数的其他军事和防御项目，稀土元素和其他战略材料对于国家安全也是重要的。
[0007]钽金属是高价值材料的一个例子，以其元素形式被广泛使用，但是在自然界中以盐或氧化物化合物的形式被发现。钽被使用于制造具有如高熔点、高强度和良好延展性的理想的性质的钢材。这些钢材应用于飞机和导弹制造业。钽是相对不活泼的并且因而在化学和核工业中是有用的。该金属还是高度生物相容的，因此，钽在外科手术用途上具有广泛的使用。例如，它可以被使用在缝合线中以及作为颅骨修复板。在电子工业中该金属还被使用于电容器。
[0008]铀，以其浓缩的形式，作为用于核反应器的燃料，同时引起商业和军事应用特别的兴趣。生产铀的总体流程表包括采矿、磨粉(以生产铀精矿(yellow cake))、转化和制备。每个步骤包括若干子步骤。随着完成的产物在核反应器中使用后，用过的燃料可以被再处理和/或被稳定和储存。用于再处理用过的燃料和高水平核废物的管理的装置是非常重要的。
[0009]美国专利号3429691针对一种用于使二氧化钛粉末还原为元素钛的方法。该方法将熔化成微滴(droplet)的二氧化钛粉末和氢等离子体结合，在室的另一端生产液体钛和水。被注射的氢等离子体用来加热二氧化钛，并且通过还原从钛去除氧。该反应在压缩磁场中发生以便防止内容物接触侧边并将其熔化。
[0010]在目前实践的一个例子中，钽是通过其一种盐的金属热还原被生产的。在大致800°C，将固体氟钽酸钾(K2TaF7)和液体钠加入卤化物熔化物(被认为是“稀释剂(diluent)”)，其中它们反应生产粉末形式的固体钽。该过程涉及许多还原步骤之前的单元操作以便将矿石转化为高质量供给料。接着，该还原步骤依靠一系列过程，所述过程涉及处于接近其沸点温度(883°C )的非常危险的液体钠。所述钠必须用大型容器(铁路罐车)运送到反应器并且被原地储存。在该反应器中既要控制微粒尺寸(particle size)又要防止微粒团聚是困难的，其对于用于使用在电容器中的高级粉末的生产是关键的。
[0011]以上系统通常需要高反应性的液体钠和昂贵的氟钽酸钾复盐原料，缺少连续的生产能力，基于成批操作方法，并且还缺少控制在产物钽粉末中的微粒尺寸的能力。
[0012]通常地，当混合物的成分或化合物之内的元素具有电荷，一种将它们分离的方法依靠将带电微粒(charged particle)加速并且使它们通过与其速度相垂直的磁场。这种分离工艺基于微粒的质荷比来分离该微粒。
[0013]美国专利号3722677针对一种用于为了分离微粒的目的,而使用垂直的电场和磁场引起微粒在圆柱形室内沿着弯曲路径运动的设备。在本发明中电极可以被放置在受限体积的一端或两端。带正电微粒将绕中心轴旋转并且通过碰撞将这种动作传递给不带电微粒。在更大的半径距离处较重的微粒的浓度将更大，从而允许分离。
[0014]一种在混合物或化学化合物中创建带电微粒的方式是通过提高材料的温度到其气相温度以上。这种方法将材料改变成被称为等离子体的物态(state of matter)，该物态与气相相似只是材料被加热到了分子成分(constituents)的一部分失去了其一些电子的程度，被称为“离子化”。化学键被热破坏一离子化程度取决于温度。因而等离子体由带电微粒——通常是正离子和负电子构成。
[0015]美国专利号6096220针对用于从等离子体中的高质量微粒过滤低质量微粒的过程和设备，所述过滤是通过将等离子体注射到具有与轴对齐的磁场和垂直的电场的圆柱形室中的方式。该电场和磁场的大小被这样调整以至于高质量微粒径向逃脱并且与圆柱形壁碰撞,而低质量微粒被约束在壁之内行进。
[0016]过滤器通常只需要使某一质量以上的所有微粒受限并且使此“某一质量”以下的所有微粒通过——动量分辨率不是关键的设计或性能问题。分离器分离并且收集代表特定的金属产物离子成分的具体微粒。此外，经常的情况是这样的“产物微粒”没有很大的相对质量差。对于这些应用获得与动量分辨率相关的测量和参数可能是有帮助的。
[0017]美国专利号6248240是美国专利号6096220的部分延续，既加入了非圆柱形室的可能性又加入了位于室下方中间位置的等离子体源的可能性。另外该专利提供一种用于维持多种类等离子体在足够低的密度以至于微粒间的碰撞是相对不频发的方法，并且所述方法引进一个或更多个被定位用来拦截高质量微粒的收集器。
[0018]美国专利号6235202是美国专利号6096220的另一个部分延续，加入了将被蒸气化的(vaporized)材料注射到反应室中，接着在室里可能使用射频(RF)天线将材料离子化来创建等离子体的可能性。
[0019]同样地，描述了等离子体设备来实现如质谱分析的目的。等离子体源，例如，等离子体炬，通常地将强射频(RF)场施加于被注射的等离子体气体(例如氩-Ar)和辅助气体供给来使它们离子化并且诱导加速气体分子之间的碰撞以产生等离子体火焰。可以将雾化的物质(substance)作为细微滴注射到等离子体源的反应区中。在该过程中产生高达大约3000开氏度(K)的温度，该温度据说引起物质有利的分解，例如修复有害废物。[0020]美国专利号3429691声称提供一种产出元素钛(Ti)的方法，该方法通过将高度分散的液体二氧化钛用对流流动中的氢等离子体还原来回收以其液体状态被回收的元素Ti。该‘691引用文件的系统提供声称范围在2500K和3540K之间的温度，该温度不会满足下面要描述的某些应用的需要。另外，尽管现有技术包括等离子体弧喷流，但是其缺少充分的其他技术元素和能力，允许现有技术在一些应用中被使用，但是达不到适合用于本文感兴趣的其他应用的要求。
[0021]除了本领域认可的以外，本系统和方法提高矿物提取效率，降低处理和系统的成本和复杂性，提高产量，减少稀土元素和其他高价值战略材料的生成物价格，并且减少将新矿石体投入生产的所需时间。

【发明内容】

[0022]一些实施方案针对一种用于从供给材料提取产物的等离子体反应器系统，所述等离子体反应器系统包括反应室，所述反应室具有壁，所述壁基本上限定包括至少一个反应区的所述室的封闭体积；多个口(port)，所述多个口用于进出所述室的材料的输入(ingress)和输出(egress);—组感应线圈,所述一组感应线圈在所述反应区之内产生温度以引起产出(yield)所述产物的反应；等离子体炬，所述等离子体炬通过所述室的输入口被耦合到所述室，所述等离子体炬将所述供给材料注射到所述室中；第一输出口(egressport)，所述第一输出口包括接收所述产物的产物收集口 ；以及第二输出口，所述第二输出口包括排出口(exhaust port),所述排出口排放(discharge)废物和所述反应的其他副产物。
[0023]其他实施方案针对一种用于从供给材料获得如稀土的战略材料的方法，所述方法包括处理稀土矿石，以从中获得相应的稀土金属氧化物；将所述稀土氧化物机械地粉碎成颗粒的(granular)形式；将所述稀土氧化物的所述颗粒的形式引导到等离子体反应器系统中；在所述等离子体反应器系统中蒸气化(vaporizing)所述稀土氧化物的所述颗粒的形式，以产出含有所述稀土氧化物的蒸气(vapor);将氢等离子体引导到所述等离子体反应器系统的反应区中，其中所述氢等离子体可以与所述稀土氧化物的蒸气反应，减少所述稀土氧化物，并产出产物和至少一种废物副产物(waste by-product);以及通过将所述产物从所述至少一种废物副产物分离来收集所述产物。
[0024]其他实施方案还针对一种用于从战略材料的氧化物处理战略材料的系统，所述系统包括反应室，所述反应室能够维持反应室内的温度超过大约5000开氏度(K);供给材料供应(supply)装置，所述供给材料供应装置接收包括战略材料氧化物的颗粒的供给材料并且将所述供给材料注射到所述反应室中；氢供应装置，所述氢供应装置在与所述供给材料的大体方向相反的大体方向上将氢气注射到所述反应室中；感应加热器，所述感应加热器将所述反应室之内的反应区加热到至少大约4000开氏度(K)的温度并且导致在所述反应区之内所述氢气和所述被注射的战略材料氧化物之间的氢还原反应，以产出至少战略材料产物和废物产物；以及收集装置，所述收集装置接收所述战略材料产物。
[0025]附图简要说明
[0026]图1-5图示说明示例性等离子体反应器系统的截面图。
[0027]图6图示说明用于等离子体反应器系统中战略材料的提取的示例性过程；以及[0028]图7图示说明两个等离子体处理设备的示例性布置，以从这样的处理设备的第一个回收废物热。
[0029]具体描沭
[0030]稀土元素(REEs)和其他高价值战略材料在各种工业、军事和其他【技术领域】中都有增加的需求。需要用于从矿石和混合的供给材料提取有用稀土元素的更好的技术。同样地，需要用于处理稀土元素和其他高价值战略材料的新技术，例如，用于将金属从其矿石和氧化物中分离的新技术，以满足该增长的需求。进一步处理用于改良合金的精炼的金属来减少成本并改进如电池以及高效发动机和发生器这样的产品的性能的新技术也是需要的。在一些实施方案中，本系统通过总体设计配置和宽高比，以及电场和磁场分布的控制来提供改良的质量分辨能力。
[0031]本文的一些实施方案提供基于等离子体的系统和用于制造并采用所述系统的方法，该系统和方法适用于从含有有用产物的矿石或混合的供给材料中有用产物物质的高效和经济生产。具体地，描述在等离子体反应器室中在高温下进行的离子化的金属或稀土氧化物的氢直接还原(HDR)。
[0032]图1图示说明根据实施方案的示例性等离子体反应器系统10，所述等离子体反应器系统10用于处理供给材料以从其获得有用产物。包括槽(tank)或壳体(shell body)以及多个口和辅助组件的反应室100被设计来含有反应中的反应物。可以包围反应室100的本体的全部或一部分的一组感应线圈120，在所述室100中感应射频(RF)电磁场以在所述室100中产生高温。磁场线圈130在室100中产生磁场来引起其中的带电微粒的运动和/或离子化的微粒的约束以在空间上使它们集中在反应室100的内部体积之内的一个或多个区域。
[0033]感应耦合等离子体(ICP)炬110被设置于或被设置接近于所述反应室100的一端，并且被辅助气体源118供给。所述ICP炬110被射频(RF)线圈114的线圈驱动并且可以包括在ICP炬120之内产生磁场的磁约束线圈124。将供给材料在125处注射到所述ICP炬110中。在一些实施方案中辅助气体116也被注射到所述ICP炬中。
[0034]包括来自ICP炬110的等离子体排放物的反应区102在反应室100之内占据一些区域。在操作中，将反应室100中的温度，具体地，在反应区102中或接近反应区102的温度提高，以实现产出有用产物和水蒸气的反应，所述有用产物在产物收集排放口 105并且所述水蒸气在流体排放口 104被收集,所述流体排放口 104可以排放水蒸气、气体、夹带的液体和甚至固体细粒(particulate)。在一些方面,任何夹带的残留的气体例如未反应的氢或辅助气体也通过流体排放口 104逸出。在一些实施方案中，重力向下牵引收集的材料并且水蒸气被向上排放。
[0035]图2图示说明等离子体反应器系统20的另一个实施方案，所述实施方案包括反应室200，所述反应室200具有基本上限定内部体积的壁和其中的反应区210的壁。能量由感应线圈270提供以确保在所述反应区210中的期望的反应。在反应室200内磁场线圈260产生的约束场可以约束或移动或定位带电微粒。
[0036]等离子体炬220包括载体供给气体(feed gas)源225，所述载体供给气体源225将混合的材料如金属氧化物或稀土金属氧化物带到炬220中。第二或辅助气体250帮助有利的反应、炬220的外壁与炬220之内的反应物或热的隔离，或其他功能中的任何一个。炬220配备有用于加热和在空间上约束炬220的内容物的感应线圈222和磁场线圈224。
[0037]如图所示提供一个或更多个其他等离子体炬，例如，氢等离子体炬230。氢等离子体炬230也包括其自己的感应线圈232，并且可选地包括，磁场线圈234，以及在一些实施方案中包括第二或辅助气体供给236。
[0038]在操作中，等离子体系统20创建高温并且引起涉及来自一个或更多个等离子体炬的等离子体的反应。反应物可以包括来自气体供给225的金属氧化物的微粒和氢以致导致直接还原来产出流体(例如，气体、蒸气、蒸汽、夹带的液体微滴)和产物材料，所述流体从排出口 240离开，所述产物材料下落到一个或更多个产物收集口 280中。在一些方面，在反应室200的反应区210中所述产物材料的密度比反应物和其他流体的密度大。结果是，产物下落或者沉降出所述反应室底部到收集口中来被收集用于后处理，包装和使用。在所述反应区210中和周围发生的反应的例子包括:
[0039]Mx0y+yH2 — xM+yH20 (反应式 I)
[0040]其中箭头左手边的反应物是代表金属(M)氧化物的MxOy和代表氢的H2,并且箭头右手边包括水蒸气H2O和期望的金属产物(M)。
[0041]在一些方面，通过一个或更多个氢等离子体炬230提供的氢以或大约以与气体供给225成比例的化学计量的数量被传送。然而，在本文中包含的其他方面，氢以基本上大于与系统中的其他反应物成比例的化学计量的量被传送。在一个具体的实施例中，氢H2以超过化学计量比的10%可使用。在另一个具体的实施例中，H2以超过化学计量比的50%以上被提供。在又另一个具体的实施例中，H2以超过化学计量比的两倍以上被提供。在这些实施方案中，过量的H2通过出口 240被排出并且被收集和重复使用，被用于其他目的，或者简单地归作废物。
[0042]作为一个实施例，与通过等离子体炬230的氢供给相结合，通过等离子体炬220被供给225的稀土金属氧化物，在一些实施方案中，可以被提高到超过4000开氏度(K)的温度，以引起还原反应。可替换地，为了这个目的，在一些实施方案中采用超过4500K的温度，以及在其他实施方案中采用超过5000K的温度。
[0043]通常地，对于大多数本应用，操作的系统和方法的设计在等离子体反应器系统的反应区中提供范围在大约5000K到150001(之间的温度，或大约0.4电子伏(eV)到13eV之间。所描述的等离子体炬和感应线圈的使用允许在这样的高温下操作，这是在现有技术中迄今为止达不到的。具体地，现有技术反应器不能够达到(例如)氢的高能离子化状态并且由于这样无法产生本文描述的期望的反应。本系统和方法能实现这样的温度和能量水平来支持反应以产出各种有用材料，所述有用材料包括金属和稀土物质，所述金属和稀土物质包括:钽(Ta)、钕(Nd)、镝(Dy)、镧(La)和钐(Sm)。其他金属和稀土物质也可以使用本方法和系统被提取，并且对于本领域技术人员，在阅读本公开时那些实施例会是或会变成清晰的。在实施例中，产出钽产物的直接氢还原反应式是:
[0044]Ta205+5H2 — 2Ta+5H20 (反应式 2)
[0045]在一方面，本等离子体反应器系统被设计并且被配置来利用流体动力特征，所述流体动力特征更优化地促进来自所述反应器系统的有用产物的生产。一些实施方案被设计来最大化或增加在反应室的一个或多个反应区(可能有不只一个这样的区)中反应物之间的接触。具体地，一些实施方案被设计来沿着反应室之内的流体流动路径提供反应物(例如，反应式I的离子化的金属氧化物、氢)以致增加反应物之间的相互作用的时间和/或质量。更具体地，所述流体流动路径可以被布置为并流、交叉流或对流方案以至于主要反应物(金属氧化物和氢)的大部分分别在相同的大体方向上，或穿过彼此的路径，或通常地在相反的方向上运动。这些流动路径可以被布置来有益于来自等离子体反应器系统的有用产物材料的生产。在一方面，反应物和/或产物的差别密度可以被利用，以至于在反应区中向下作用于小的微粒或微滴的重力被来自向上流动流体的向上的流体夹带作用反作用。其结果是，所述微粒和微滴在反应区保持悬浮，很长一段时间延缓他们向反应室底部的下落。同样地，在一些方面，反应物微粒或微滴被允许经过一段时间几何重构其形状和尺寸以致有利地影响在室中的反应结果。例如较大的不规则反应物，在反应区中被保留较长的持续时间，将被允许在尺寸上缩小并且在离开反应室之前呈现更像球形的轮廓。
[0046]图3图示说明如前所描述的具有密闭容器(containment vessel)或反应室300的等离子体反应器系统30以及如前的感应线圈320和磁场线圈330。所示的实施方案是对流方案，在该方案中反应物(例如，金属氧化物矿石产物)32通过等离子体炬310进入室300的顶部。反应物32以相对大的给定尺寸和不规则的(不光滑)形状分布进入系统的反应区。接近反应器室300的底部是一个或更多个注射氢342 (可选地，屏蔽或辅助气体344)的等离子体炬340。
[0047]可以看出，被注射的供给物质32的大体经过路径是向下的并且氢流动的大体方向是从其源342向上的，进入室的较低部分370，向上通过室的中间部分372和反应区，并且上到室的上部的部分374，在所述部分374中任何过量的氢、反应气体的或蒸气的流体放出物(emission)从口 302排放。由于反应物在反应区相互作用，因为金属氧化物到金属材料通过所述室的下降的飞行的额外时间导致反应物之间的增加的反应，和产物34的更大的产量，所述产物34下落到收集口 350中用于被收集在收集容器360中。
[0048]包括对流作用(convection)、布朗运动、层流、瑞流、热效应和化学效应的各种机制，和其他因素决定操作中系统30的反应物的量和产物产量以及反应物微粒或微滴保持在反应区中的时间量。在一些实施方案中，本系统和方法被设计来允许下降的材料，尤其是接近或在反应区中和在室300的中心区372周围的下降的材料，基本上实现相对于来自等离子体炬340从室300中下方的区域370上来的上升气体的“终端速度”。在这样的情形下，取决于下降的产物材料的形状和尺寸，并且取决于产物和其他反应物的差别密度，系统的操作可以被最优化以用于室300反应区中和周围的产物的最优生产。
[0049]在一些方面，本系统被设计并且被配置来测量反应器系统30中流体的流动速率和速度，包括这些以至于在对流流体动力方案中，产物金属在重力作用下的落下或下落的速率被气体的向上气流有所或全部抵销。同样地，并流和交叉流方案可以被设计来利用在反应器室之内的流体的拉动(摩擦)，以致使产物和反应物材料浮起或悬浮，或保持产物和反应物材料在反应区停留有效的一段时间，增加产量。
[0050]图4图示说明简化的等离子体反应器系统40，所述等离子体反应器系统40包括反应室400，其中多个反应物被引导并且在高热条件下反应。在所述室的反应区410中或周围，向下流动的供给反应物420的对流与向上流动的气体反应物430(例如，氢)混合并且反应。所述反应物优选从等离子体炬配件被提供，所述等离子体炬配件被耦合到系统40的各种输入口。输出或排出物排放口允许反应的废物和过量的副产物450从室离开。在一些实施方案中，屏蔽气体或辅助气体440被提供到室400中，并且其也以设计好的速率向上流动出室。任何生产的产物材料，例如金属，受到重力的作用将向下下落到反应器接近其底部的部分，所述产物材料最后通过排放口或收集配件被收集和排放。在一些实施方案中，多个过程被安排以至于高能的排出物流体的废物热在随后的过程或步骤中被回收并且被使用，如下面将要描述的。
[0051]图5图示说明等离子体反应器系统50的另一个实施方案。所述系统包括如前的反应室500。同样地，所述系统通过如ICP的等离子体炬将供给材料505供给到反应器室500的反应区510中。氢530被一个或更多个氢等离子体炬供给来与在反应区510中的供给材料505反应。在这里，供给材料505和氢气530被引导到反应器500中，所述供给材料505和氢气530具有大体相同的流动方向(例如，向上)。但是在反应器中反应产出比其他物质更重的产物，所述产物受重力作用将朝反应器底部下落。尽管如此，在反应期间，停留时间被这样设计以至于在产物的微滴、微粒或小块下落出去并被收集之前，所述产物的微滴、微粒或小块在室500中可以变得更好地被反应并且甚至被球化处理。此外，必要时或期望时，第二或屏蔽气体540或进一步的反应流体(例如，氢)可以通过室500的壁中的口被引入。
[0052]总之，从之前的讨论可以看出系统如何被设计来使等离子体反应器系统中的反应最大化。在一些方面，这是通过鉴于反应物和产物的差别密度精细设计流体动力途径和流动速率，以有助于反应物和产物在反应器的一个或多个反应区中的良好的停留时间而达成的。操作中的平衡系统可以似乎使反应物(例如，金属氧化物)在其反应时漂浮或浮起以致生产更重的(例如，金属)产物，所述产物由于其更大的重量(作用于金属产物质量的重力)而落下。此外，由于反应物和产物材料在热的反应器系统中经历变化，其微滴和微粒的形状和尺寸可以被定制成期望的尺寸和形式。理想地，所述产物将正好在反应的适合的水平和微粒形状和尺寸是有用的时向下下落到更低的收集槽(chute)和出口中。
[0053]图6图示说明用于在如前所示的那些等离子体反应器系统中从混合的供给材料(例如，稀土金属氧化物)生产产物(例如，稀土金属)的简化的示例性过程或方法。
[0054]稀土矿石在步骤600被提供。将所述矿石处理，例如使用选矿步骤，压碎并且可选地与其他物质混合以去除脉石(污物)并且在步骤602收集固体形式的有用矿物(例如，稀土金属氧化物)。金属氧化物在步骤604被粉碎成足够细的形式以在步骤606供给到ICP等离子体炬中。
[0055]如上讨论的，细稀土金属氧化物被供给到炬中并且在步骤608被蒸气化以生产含有氧化物的离子化的流体。在步骤610，氢气(可选地，氢等离子体)被引导来与反应器中的金属氧化物反应。
[0056]在步骤612的反应(例如，直接氢还原)如较早所述进行以产出产物(例如，稀土金属)，所述产物在步骤614被收集。同样地，在步骤618废物和其他过量的被排出的材料(例如，氢气、水蒸气)被喷射，或者可选地被引导用于在随后的过程中其过量的热能的循环或再利用。收集的产物在步骤616被后处理。该后处理步骤可以包括进一步加热以驱除过量的氢和杂质并且可以包括在真空中清洁、搅动，球化处理、惰性气体储存，或其他步骤。
[0057]图7图示说明从如上讨论的那些的多个等离子体反应器系统中回收热量的方式。在实施方案中，第一等离子体反应器系统700接收供给701到等离子体炬(例如，ICP炬)702中。如图所示第二股(stream)流体720被投入并且与第一等离子体反应器系统700的热排放物730交换热能(被加热)。在简化的实施例中从流体730到720的热交换在对流热交换器中进行，但是其他方式是可能的(并流和交叉流、散热器等)。
[0058]被加热的流体720作为供给740在等离子体炬712中被引导到第二等离子体反应器系统710中，与气体(例如，氢)714结合，并且在716排出。应该理解如描述的多个系统可以被布置成串联的和/或并列的以形成具有更大容量的更大的系统。
[0059]同样地，应该理解单独的等离子体系统可以将其热的废物蒸气、气体和排出物再循环重新成流，所述流与投入的供给材料热交换以致预热供给材料并且回收其他方式废弃的热能。
[0060]本发明应该不被认为限制于上述特别的实施方案。在总结本公开的基础上，本发明所针对的本发明可能可应用的各种改造、等同的过程，以及许多结构，对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
【权利要求】
1.一种用于从供给材料提取产物的等离子体反应器系统，所述等离子体反应器系统包括: 反应室，所述反应室具有壁，所述壁基本上限定包括至少一个反应区的所述室的封闭体积； 多个口，所述多个口用于进出所述室的材料的输入和输出； 一组感应线圈，所述一组感应线圈在所述反应区之内产生温度以引起产出所述产物的反应; 等离子体炬，所述等离子体炬通过所述室的输入口被耦合到所述室，所述等离子体炬将所述供给材料注射到所述室中； 第一输出口，所述第一输出口包括接收所述产物的产物收集口 ；以及 第二输出口，所述第二输出口包括排出口，所述排出口排放废物和所述反应的其他副产物。
2.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括在空间上将带电微粒约束到所述封闭体积的一个或更多个部分的一组磁场线圈。
3.如权利要求1所述的系统，所述等离子体炬包括由含有所述供给材料的载气供给的感应耦合等离子体(ICP)炬。
4.如权利要求3所述的系统，所述等离子体炬还包括将辅助气体注射到所述炬中的辅助气体供给。
5.如权利要求3所述的系统，所述系统还包括设置于所述等离子体炬周围的磁场线圈，所述磁场线圈在所述炬的本体之内提供磁场。
6.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括耦合到所述室的氢等离子体炬，所述氢等离子体炬将氢供应注射到所述室中，以致在所述反应区之内引起还原反应。
7.如权利要求1所述的系统，所述第二输出口被设计并且被配置来从所述室向在所述室之外的地方喷射水蒸气。
8.如权利要求1所述的系统，所述产物收集口被设计并且被配置来从所述室收集并排放所述产物物质。
9.如权利要求1所述的系统，所述第一输出口在所述室中被设置为低于所述第二输出口，以至于所述系统能够使用重力将所述产物向下朝所述第一输出口排放并且将所述废物副产物向上朝所述第二输出口排放。
10.如权利要求1所述的系统，所述感应线圈被设计并且被配置来在所述反应区之内引起超过大约4000开氏度(K)的温度。
11.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括将氢气供应提供到所述室中的至少一个氢等离子体炬，其中所述载气供给和所述氢气供应在通常相反的方向，即以对流配置，被引导到所述室中。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述等离子体炬以第一设计流速在第一大体方向提供供给气体材料，并且所述氢等离子体炬以第二设计流速在第二大体方向提供氢气，所述第二设计流速被测量以通过所述对流的流体动力效应抵消所述产物通过所述室的所述封闭体积的下落速率。
13.如权利要求12所述的系统，所述供给气体材料的所述第一大体方向通常是向下的并且所述第二大体方向通常是向上的，以至于所述产物由重力导致的向下的下落速率被通过所述室向上移动的氢气和其他流体的向上的气流减慢。
14.如权利要求13所述的系统，所述系统被配置并且被设计，以至于所述第一和第二方向以及流速基本上实现在所述室中在向上流动的流体之内的所述产物的给定尺寸的落下微滴的终端速度，从而增加所述微滴在所述室之内的停留时间。
15.如权利要求14所述的系统，所述系统被配置并且被设计，以致允许所述产物朝所述收集口的下落，所述下落基于所述产物与所述供给材料的密度差，在这里所述产物具有比所述供给材料更大的密度。
16.如权利要求12所述的系统，所述第二设计流速提供超过用于与所述供给材料的反应的化学计量要求的氢。
17.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括设置于所述等离子体炬和所述系统的其他组件之间的石英罩，以保护后者不受由所述炬引起的过高温度的影响。
18.如权利要求1所述的系统，所述辅助气体包括覆盖所述炬和室的表面的屏蔽气体。
19.如权利要求1所述的系统，所述供给材料包括金属氧化物并且所述产物包括金属。
20.如权利要求19所述的系统，所述金属氧化物包括稀土金属氧化物并且所述产物包括稀土金属。
21.如权利要求20所述的系统，所述稀土金属氧化物包括氧化钽、氧化钕、氧化镧和氧化衫的任何一个，并且 述产物包括钽、钕、镧和衫的任何一个。
22.如权利要求1所述的系统，所述室的至少一部分包括减小面积的截面轮廓，以致在所述室之内创建相应地增加的流体流动速度。
23.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括接收来自所述第二输出口的热排放物的热交换器，所述热交换器被用于预热进入第二过程的物质，以至于来自所述第二输出口的排放物的至少一些热能在所述第二过程被回收。
24.如权利要求1所述的系统，所述供给气体材料包括被注射到所述等离子体炬中的高度分散的金属氧化物物质。
25.一种用于从供给材料获得如稀土的战略材料的方法，所述方法包括: 处理稀土矿石，以从中获得相应的战略材料氧化物； 将所述战略材料氧化物机械地粉碎成颗粒的形式； 将所述战略材料氧化物的所述颗粒的形式引导到等离子体反应器系统中； 在所述等离子体反应器系统中蒸气化所述战略材料氧化物的所述颗粒的形式，以产出含有所述战略材料氧化物的蒸气； 将氢等离子体引导到所述等离子体反应器系统的反应区中，其中所述氢等离子体能够与所述战略材料氧化物的蒸气反应，减少所述战略材料氧化物，并产出产物和至少一种废物副产物；以及 通过将所述产物从所述至少一种废物副产物分离来收集所述产物。
26.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括使用一组感应线圈加热所述反应区到至少4000开氏度(K)。
27.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括收集所述废物副产物并且在另一过程的热交换步骤中从所述废物副产物提取热能。
28.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括后处理所述收集的产物。
29.如权利要求28所述的方法，所述方法还包括加热所述收集的产物以驱除残余的氢或其他杂质。
30.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括在所述室中将所述产物流体化。
31.如权利要求25所述的方法，将所述氢等离子体引入所述反应区的步骤包括以一流速并且在通常与所述氧化物的移动方向相反的方向提供氢的气态形式。
32.如权利要求31所述的方法，所述氢的所述流速和方向被这样提供，以致在所述反应区中作用于所述氧化物的向下的重力基本上被由氢的向上流动导致的向上力克服，并且以致作用于所述产物的向下的重力不被克服，所述产物被允许下降到指定的收集点。
33.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括用感应线圈的方式加热所述反应区。
34.如权利要求33所述的方法，所述加热步骤将在所述反应区之内的温度提高至4000开氏度⑷与15000开氏度⑷之间的范围。
35.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括微粒尺寸分类的步骤，以将所述系统的各种内容物根据他们的尺寸来分类，并且所述方法还包括基于所述尺寸来作用于所述微粒。
36.如权利要求35所述的方法，所述方法还包括以可变的流动速度提供所述氢，以反作用于给定尺寸的所述微粒的运动。
37.一种用于从战略材料的氧化物处理战略材料的系统，所述系统包括: 反应室，所述反应室能够维持反应室内的温度超过大约5000开氏度(K)； 供给材料供应装置，所述供给材料供应装置接收包括战略材料氧化物的颗粒的供给材料并且将所述供给材料注射到所述反应室中； 氢供应装置，所述氢供应装置在与所述供给材料的大体方向相反的大体方向上将氢气注射到所述反应室中； 感应加热器，所述感应加热器将所述反应室之内的反应区加热到至少大约4000开氏度(K)的温度并且导致在所述反应区之内所述氢气和所述被注射的战略材料氧化物之间的氢还原反应，以产出至少战略材料产物和废物产物；以及 收集装置，所述收集装置接收所述战略材料产物。
38.如权利要求37所述的系统，所述系统还包括用于接收液体形式的所述战略材料产物的液体产物接收器。
39.如权利要求37所述的系统，所述系统还包括用于接收固体形式的所述战略材料产物的固体产物接收器。
40.如权利要求37所述的系统，所述系统还包括用于将所述战略材料氧化物离子化的等离子体炬。
41.如权利要求37所述的系统，所述系统还包括用于将所述氢离子化的等离子体炬。
【文档编号】B01J10/00GK104039437SQ201280066599
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年11月13日 优先权日:2011年11月10日
【发明者】W·D·里, P·G·马斯顿 申请人:先进磁工艺股份有限公司