CN103409647B - 一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备及其蒸馏方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属锂蒸馏设备，特别是一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备及其蒸馏方法。包括蒸馏罐、第一加热炉、第二加热炉、保温体、U型真空管、控制柜和真空泵，所述蒸馏罐底部设有蒸馏池，在蒸馏池下部从上至下连接有进料管和排渣管；在蒸馏罐中部设有精馏池，精馏池底部连接有出料管；在精馏池的上方安装有伞形回流罩，在伞形回流罩下方设置有测温器；蒸馏罐上部为冷却区，在蒸馏罐上部设有钾钠收集器；在钾钠收集器外部设有冷却水套；在蒸馏罐内部设有物料液面控制高度线；蒸馏罐的顶部通过U型真空管与真空设备相连；控制柜独立设置在蒸馏罐外部。蒸馏方法包括进行低温蒸馏的方法以及高温精馏的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属锂蒸馏设备，特别是一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备及其蒸馏方法。
背景技术
传统的金属锂蒸馏设备以工业级金属锂为原料，采用高温蒸馏工艺生产电池级金属锂。由于受原料质量的限制，需要将金属锂和低沸点杂质金属钾、钠一起与高沸点杂质（Ca、Mg、Al、Si、Fe及氧化物等）同时分离，再利用物料特性的不同，将金属锂与低沸点杂质金属钾、钠二次分离。产品质量高，可以得到99.9、99.95%和99.99%的电池级金属锂。但其能耗高、产量低，不能满足电池级金属锂市场发展的需求。
近年来，随着工业级金属锂生产技术的不断进步，可以将除杂质金属钠外的所有杂质控制在电池级金属锂要求的范围内,因此一种低温金属锂蒸馏设备相继而生。其特点是采用较低温度，在高真空条件下，只需将金属锂中的低沸点杂质金属钠除去，可以得到99.9%和99.95%的高纯电池级金属锂。因此低温金属锂蒸馏工艺能耗低、产量大并广泛应用于工业生产中。但是其不能生产99.99%的超高纯电池级金属锂，而传统的高温金属锂蒸馏设备亦不能采用低温金属锂蒸馏工艺进行99.9%和99.95%的电池级金属锂的生产。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备及其蒸馏方法。通过对现有低温金属锂蒸馏设备进行优化设计和结构改进，实现在同一台设备中采用不同工艺生产出含量99.9%、99.95%和99.99%的高纯和超高纯电池级金属锂，且其主要金属杂质钠的含量可控。
一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备及其蒸馏方法是采取以下技术方案实现的：
一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备包括蒸馏罐、第一加热炉、第二加热炉、保温体、U型真空管、控制柜和真空泵，所述蒸馏罐底部设有蒸馏池，在蒸馏池下部从上至下连接有进料管和排渣管；在蒸馏罐中部设有精馏池，精馏池底部连接有出料管；在精馏池的上方安装有伞形回流罩，在伞形回流罩下方设置有测温器；蒸馏罐上部为冷却区，在蒸馏罐上部设有钾钠收集器；在钾钠收集器外部设有冷却水套；在蒸馏罐内部设有物料液面控制高度线，所述的物料液面控制高度线包括a线、b线和c线，a线与第一加热炉等高，b线位于a线上方，并高于保温体，c线位于a线下方；蒸馏罐的顶部通过U型真空管与真空设备相连；控制柜独立设置在蒸馏罐外部，第一加热炉、第二加热炉、真空设备及与出料管、进料管和排渣管相连接的高温液封阀均与控制柜连接，从而实现全过程自动控制的安全生产。
所述b线高于a线不少于800mm，同时高于保温体上端不少于200mm。
所述c线高度至少为a线高度的一半。
所述第二加热炉与精馏池上端等高。
所述蒸馏罐整体高度至少为7米。
所述冷却水套焊接在钾钠收集器外部。
所述测温器高于b线50~100mm，其温度的变化表明了金属蒸汽量的变化，从而为低温金属锂蒸馏杂质金属钠含量的可控作业提供依据。
所述测温器采用市售的工业用测温器。
采用高、低温兼容型金属锂蒸馏设备进行低温蒸馏的方法，包括如下步骤：
1) 启动第一加热炉和真空泵，炉温达到450℃，真空度5×10-4pa条件下，通过进料管加入工业级金属锂，控制金属锂物料的加入量使得蒸馏罐内物料液面高度至少达到b线处以上；
2）此时物料上下温度相差至少50℃，蒸馏池内物料上下充分对流搅动，金属锂内部的低沸点杂质金属钾、钠不断被带到物料表面并被蒸发；
3）蒸馏作业3小时后，锂液中杂质金属钠含量≤0.005%，得到99.95%的高纯电池级金属锂，蒸馏罐内锂液物料通过出料管放出；
4）继续通过进料管加入工业级金属锂进行下一批次作业，从而实现连续化工业生产。
在步骤2）的低温蒸馏作业过程中，因蒸馏温度较低，金属锂基本留于蒸馏池内；随钾、钠一起蒸发的少量金属锂通过伞形回流罩初步冷却后以液态形式沿罐壁回流到蒸馏池内；低沸点杂质金属钾、钠到达罐体上部冷却区时，以固态形式存于钾钠收集器区域。
采用高、低温兼容型金属锂蒸馏设备进行高温精馏的方法，包括如下步骤：
1）启动第一加热炉、第二加热炉和真空泵，第一加热炉炉温达到900℃，真空度达到5×10-3pa~5×10-4pa时，通过进料管加入工业级金属锂，控制金属锂物料的加入量使得罐内物料液面高度不超过a线处；
2）蒸馏作业5小时后，精馏池内锂液中杂质金属钠含量≤0.001%，其它所有杂质含量均≤0.0005%，得到99.99%的超高纯电池级金属锂，此时罐内物料液面回到c线处，精馏池内锂液物料通过出料管放出；
3）继续通过进料管加入工业级金属锂进行下一批作业，此时罐内物料液面又恢复至a线处，从而实现连续化工业生产。
在步骤2）的高温蒸馏过程中，因蒸馏温度较高，金属锂和低沸点杂质金属钾、钠一起被蒸馏；由于物料特性的不同，气态金属锂经伞形罩初步冷却后以液态形式沿罐壁回流到精馏池内；杂质金属钾、钠冷固于罐体上部的收集器区域；第二加热炉继续加热，以保持精馏池温度800℃以上，从而实现金属锂高温精馏作业；高沸点杂质（Ca、Mg、Al、Si、Fe及氧化物等）则留于蒸馏池内，定期通过排渣管排放。
高、低温蒸馏工艺作业均采用将金属钾、钠结晶挂壁于罐体上部的收集器冷却区域方式进行收集。排渣作业时，排空冷却水套内冷却水，收集器冷却区域温度逐渐上升，挂壁于此区域的金属逐渐熔化成为液态沿罐壁回流到精馏池内，通过出料管排出。
金属钾、钠以固态形式收集于罐体上部，其收集和排放作业均在罐内高真空条件下进行，确保了生产的安全性。
工作原理：一种高低温兼容型金属锂蒸馏设备，利用低温蒸馏和高温精馏工作原理的不同，分别在同一设备中不同区域进行作业，实现高低温蒸馏工艺的兼容性，从而得到99.9%、99.95%和99.99%的高纯和超高纯电池级金属锂产品。
1）低温蒸馏工作原理：在高真空度和较低温度条件下，控制物料液面高度，采用在蒸馏罐体下部局部加热的方法，利用蒸馏池内物料上下温度的差异实现物料的充分对流搅动，金属锂内部的低沸点杂质金属钾、钠不断被带到物料表面并被蒸发，从而实现低沸点杂质金属钠与金属锂的分离。
2）高温精馏工作原理：在高真空度和较高温度条件下，控制物料液面高度，将物料中的金属锂和低沸点杂质金属钾、钠一起蒸馏。由于锂、钾、钠物料特性的不同，气态金属锂以液态形式回流到罐体中部的精馏池内，钾、钠则冷固于上部的收集器区域，高沸点杂质（Ca、Mg、Al、Si、Fe及氧化物等）则留于罐体底部。精馏池内的液态金属锂在高温和高真空条件下，继续进行精馏作业。
本发明设备结构简单，操作简便，生产运行安全可靠。利用本设备可进行温度400—500℃条件下的低温蒸馏作业和温度750~1000℃条件下的高温精馏作业，蒸馏作业真空度可达5×10-3~5×10-4pa。既可以采用低温金属锂蒸馏工艺生产出99.9－99.95%的高纯电池级金属锂，同时亦可以采用高温金属锂精馏工艺生产出99.99%的超高纯电池级金属锂。得到的电池级金属锂产品，产品质量稳定，电性能优异，可以满足所有一次锂亚、锂锰和锂铁电池对各种高性能电池级金属锂材料的要求。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备的结构示意图。
图中：1、蒸馏罐，2、第一加热炉，3、第二加热炉，4、保温体，5、U型真空管，6、蒸馏池，7、精馏池，8、伞形回流罩，9、钾钠收集器，10、冷却水套，11、测温器，12、出料管，13、进料管，14、排渣管，15、控制柜，16、真空泵。
具体实施方式
参照附图1，一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备包括蒸馏罐1、第一加热炉2、第二加热炉3、保温体4、U型真空管5、控制柜15和真空泵16，所述蒸馏罐1底部设有蒸馏池6，在蒸馏池6下部从上至下连接有进料管13和排渣管14；在蒸馏罐1中部设有精馏池7，精馏池7底部连接有出料管12；在精馏池7的上方安装有伞形回流罩8，在伞形回流罩8下方设置有测温器11；蒸馏罐1上部为冷却区，在蒸馏罐1上部设有钾钠收集器9；在钾钠收集器9外部设有冷却水套10；在蒸馏罐1内部设有物料液面控制高度线，所述的物料液面控制高度线包括a线、b线和c线，a线与第一加热炉2等高，b线位于a线上方，并高于保温体4，c线位于a线下方；蒸馏罐1的顶部通过U型真空管5与真空设备16相连；控制柜15独立设置在蒸馏罐1外部，第一加热炉2、第二加热炉3、真空设备16及与出料管12、进料管13和排渣管14相连接的高温液封阀均与控制柜15连接，从而实现全过程自动控制的安全生产。
所述b线高于a线不少于800mm，同时高于保温体4上端不少于200mm。
所述c线高度至少为a线高度的一半。
所述第二加热炉3与精馏池7上端等高。
所述蒸馏罐1整体高度至少为7米。
所述冷却水套10焊接在钾钠收集器8外部。
所述测温器11高于b线50~100mm，其温度的变化表明了金属蒸汽量的变化，从而为低温金属锂蒸馏杂质金属钠含量的可控作业提供依据。
所述测温器11采用市售的工业用测温器。
采用高、低温兼容型金属锂蒸馏设备进行低温蒸馏的方法，包括如下步骤：
1) 启动第一加热炉2和真空泵16，炉温达到450℃，真空度5×10-4pa条件下，通过进料管13加入工业级金属锂，控制金属锂物料的加入量使得蒸馏罐内物料液面高度至少达到b线处以上；
2）此时物料上下温度相差至少50℃，蒸馏池内物料上下充分对流搅动，金属锂内部的低沸点杂质金属钾、钠不断被带到物料表面并被蒸发；
3）蒸馏作业3小时后，锂液中杂质金属钠含量≤0.005%，得到99.95%的高纯电池级金属锂，蒸馏罐内锂液物料通过出料管12放出；
4）继续通过进料管13加入工业级金属锂进行下一批次作业，从而实现连续化工业生产。
在步骤2）的低温蒸馏作业过程中，因蒸馏温度较低，金属锂基本留于蒸馏池6内；随钾、钠一起蒸发的少量金属锂通过伞形回流罩初步冷却后以液态形式沿罐壁回流到蒸馏池6内；低沸点杂质金属钾、钠到达罐体上部冷却区时，以固态形式存于钾钠收集器9区域。
采用高、低温兼容型金属锂蒸馏设备进行高温精馏的方法，包括如下步骤：
1）启动第一加热炉2、第二加热炉3和真空泵16，第一加热炉2炉温达到900℃，真空度达到5×10-3pa~5×10-4pa时，通过进料管13加入工业级金属锂，控制金属锂物料的加入量使得罐内物料液面高度不超过a线处；
2）蒸馏作业5小时后，精馏池7内锂液中杂质金属钠含量≤0.001%，其它所有杂质含量均≤0.0005%，得到99.99%的超高纯电池级金属锂，此时罐内物料液面回到c线处，精馏池7内锂液物料通过出料管12放出；
3）继续通过进料管13加入工业级金属锂进行下一批作业，此时罐内物料液面又恢复至a线处，从而实现连续化工业生产。
在步骤2）的高温蒸馏过程中，因蒸馏温度较高，金属锂和低沸点杂质金属钾、钠一起被蒸馏；由于物料特性的不同，气态金属锂经伞形罩8初步冷却后以液态形式沿罐壁回流到精馏池7内；杂质金属钾、钠冷固于罐体上部的收集器9区域；第二加热炉3继续加热，以保持精馏池7温度800℃以上，从而实现金属锂高温精馏作业；高沸点杂质（Ca、Mg、Al、Si、Fe及氧化物等）则留于蒸馏池6内，定期通过排渣管14排放。
利用本发明设备采用低温金属锂蒸馏工艺时，在高真空度（5×10-3~5×10-4pa）和较低温度（400~500℃）条件下，控制金属锂物料的加入量使得罐内物料液面高度至少达到b线处以上，不需要任何机械搅拌装置，利用罐内物料上下温度的差异实现物料的充分对流搅动，将金属锂内部的低沸点杂质金属钾、钠不断带到物料表面被蒸发，以固态形式存留于罐体上部。金属锂则留于罐体下部，从而得到99.9%和99.95%的高纯电池级金属锂。
利用本发明设备采用高温金属锂精馏工艺时，在高真空度（5×10-3~5×10-4pa）和较高温度（750~1000℃）条件下，控制金属锂物料的加入量使得罐内物料液面高度不超过a线处。不需要任何机械搅拌装置，将物料中的金属锂和低沸点杂质金属钾、钠一起蒸馏。由于锂、钾、钠物料特性的不同，气态金属锂以液态形式回流到罐体中部的精馏池内；钾、钠则冷固于上部的收集器区域。高沸点杂质（Ca、Mg、Al、Si、Fe及氧化物等）则留于罐体底部。精馏池内的液态金属锂在高温和高真空条件下，继续进行精馏作业，可生产出99.99%的超高纯电池级金属锂。
低温蒸馏作业实施例1：启动第一加热炉2和真空泵16，当炉温达到450℃，罐内真空度达到5×10-4pa时，通过进料管13加入50kg的工业级金属锂（Na含量0.2%），此时罐内物料液面达到a线处，液面高度与加热区域高度相当，物料上下温度基本相等。蒸馏作业3小时后，锂液中杂质金属钠含量在0.1~0.2%之间，继续延长时间，除钠效果不明显。
低温蒸馏作业实施例2：启动第一加热炉2和真空泵16，在温度450℃，真空度5×10-4pa条件下，进料管13加入100kg的工业级金属锂（Na含量0.2%），此时罐内物料液面达到b线处，物料液面高度b线至少高于加热区域高度800mm，物料上下温度相差至少50℃。蒸馏作业3小时后，锂液中杂质金属钠含量≤0.005%，得到99.95%的高纯电池级金属锂。罐内锂液物料通过出料管12放出。继续通过进料管13加入50kg的工业级金属锂进行下一批次作业，从而实现连续化工业生产。
在蒸馏作业过程中，因蒸馏温度较低，金属锂基本留于蒸馏池6内。而低沸点的杂质金属钾、钠则随着罐内物料上下对流搅动不断被带到物料表面蒸发。随钾、钠一起蒸发的少量金属锂通过伞形回流罩8初步冷却后以液体形式回流到蒸馏池6内。低沸点杂质金属钾、钠到达罐体上部冷却区时，以固态形式存于钾钠收集器9区域。
测温器11高于b线50~100mm。其温度的变化表明了金属蒸汽量的变化，从而为低温金属锂蒸馏杂质金属钠含量的可控作业提供依据。
第一加热炉2、第二加热炉3、真空泵16及与进出料管道连接的高温液封阀均与控制柜15连接。可实现高低温、高真空条件下远程自动控制，确保了电池级金属锂生产过程的安全可靠。
低温蒸馏作业实施例3：启动第一加热炉2和真空泵16，在温度500℃，真空度5×10-3pa条件下，通过进料管13加入100kg高钠级金属锂（Na含量1%）。此时罐内物料液面达到b线处，物料液面高度b线至少高于加热区域高度800mm，物料上下温度相差至少50℃。蒸馏作业3小时后，锂液中杂质金属钠含量≤0.02%，得到99.9%的电池级金属锂，罐内锂液物料通过出料管12放出。继续通过进料管13加入50kg高钠级金属锂进行下一批次作业，从而实现高钠级金属锂低温蒸馏连续化工业生产。
高温精馏作业实施例1：启动第一加热炉2、第二加热炉3和真空泵16，当温度达到900℃，真空度达到5×10-3pa~5×10-4pa时，进料管13加入50kg的工业级金属锂（Na含量0.2%），此时罐内物料液面达到a线处。蒸馏作业5小时后，精馏池7内锂液中杂质金属钠含量≤0.001%，其它所有杂质含量均≤0.0005%，得到30kg、99.99%的超高纯电池级金属锂，此时罐内物料液面回到c线处。精馏池7内锂液物料通过出料管12放出，即将精馏池7内的99.99%的锂液全部放出。继续通过进料管13加入30kg的工业级金属锂（Na含量0.2%）进行下一批作业，此时罐内物料液面又恢复至a线处，从而实现连续化工业生产。
在高温精馏过程中，因蒸馏温度较高，金属锂和低沸点杂质金属钾、钠一起被蒸馏。由于物料特性的不同，气态金属锂经伞形罩8初步冷却后以液态形式沿罐壁回流到精馏池7内。加热炉3继续加热，以保持精馏池温度800℃，从而实现金属锂高温精馏作业。金属钾、钠冷固于罐体上部的收集器9区域。高沸点杂质（Ca、Mg、Al、Si、Fe及氧化物等）则留于蒸馏池6内，定期通过排渣管14排放。
高温精馏作业实施例2：启动第一加热炉2、第二加热炉3和真空泵16，在温度750℃，真空度8×10-3~8×10-4pa的条件下，通过进料管13加入50kg的99.9%的电池级金属锂（Na含量0.02%），此时罐内物料液面达到a线处。蒸馏作业5小时后，精馏池7内锂液中杂质金属钠含量≤0.001%，其它所有杂质含量均≤0.0005%，得到20kg 99.99%的超高纯电池级金属锂，此时罐内物料液面回到c线处。精馏池7内锂液通过出料管12放出，即将精馏池7内的99.99%的锂液全部放出。继续通过进料管13加入20kg的99.9%的电池级金属锂（Na含量0.02%）进行下一批作业，此时罐内物料液面又恢复至a线处，从而实现连续化工业生产。
Claims (8)
1.一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备，其特征在于：包括蒸馏罐、第一加热炉、第二加热炉、保温体、U型真空管、控制柜和真空泵，所述蒸馏罐底部设有蒸馏池，在蒸馏池下部从上至下连接有进料管和排渣管；在蒸馏罐中部设有精馏池，精馏池底部连接有出料管；在精馏池的上方安装有伞形回流罩，在伞形回流罩下方设置有测温器；蒸馏罐上部为冷却区，在蒸馏罐上部设有钾钠收集器；在钾钠收集器外部设有冷却水套；在蒸馏罐内部设有物料液面控制高度线，所述的物料液面控制高度线包括a线、b线和c线，a线与第一加热炉等高，b线位于a线上方，并高于保温体，c线位于a线下方；蒸馏罐的顶部通过U型真空管与真空设备相连；控制柜独立设置在蒸馏罐外部，第一加热炉、第二加热炉、真空设备及与出料管、进料管和排渣管相连接的高温液封阀均与控制柜连接，从而实现全过程自动控制的安全生产；
所述b线高于a线不少于800mm，同时高于保温体上端不少于200mm。
2.根据权利要求1所述的一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备，其特征在于：所述c线高度至少为a线高度的一半。
3.根据权利要求1所述的一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备，其特征在于：所述第二加热炉与精馏池上端等高。
4.根据权利要求1所述的一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备，其特征在于：所述蒸馏罐整体高度至少为7米。
5.根据权利要求1所述的一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备，其特征在于：所述冷却水套焊接在钾钠收集器外部。
6.根据权利要求1所述的一种高、低温兼容型金属锂蒸馏设备，其特征在于：所述测温器高于b线50~100mm，其温度的变化表明了金属蒸汽量的变化，从而为低温金属锂蒸馏杂质金属钠含量的可控作业提供依据。
7.采用权利要求1所述的高、低温兼容型金属锂蒸馏设备进行低温蒸馏的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1) 启动第一加热炉和真空泵，炉温达到450℃，真空度5×10-4Pa条件下，通过进料管加入工业级金属锂，控制金属锂物料的加入量使得蒸馏罐内物料液面高度至少达到b线处以上；
2）此时物料上下温度相差至少50℃，蒸馏池内物料上下充分对流搅动，金属锂内部的低沸点杂质金属钾、钠不断被带到物料表面并被蒸发；
3）蒸馏作业3小时后，锂液中杂质金属钠含量≤0.005%，得到99.95%的高纯电池级金属锂，蒸馏罐内锂液物料通过出料管放出；
4）继续通过进料管加入工业级金属锂进行下一批次作业，从而实现连续化工业生产。
8.采用权利要求1所述的高、低温兼容型金属锂蒸馏设备进行高温精馏的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）启动第一加热炉、第二加热炉和真空泵，第一加热炉炉温达到900℃，真空度达到5×10-3Pa~5×10-4Pa时，通过进料管加入工业级金属锂，控制金属锂物料的加入量使得罐内物料液面高度不超过a线处；
2）蒸馏作业5小时后，精馏池内锂液中杂质金属钠含量≤0.001%，其它所有杂质含量均≤0.0005%，得到99.99%的超高纯电池级金属锂，此时罐内物料液面回到c线处，精馏池内锂液物料通过出料管放出；
3）继续通过进料管加入工业级金属锂进行下一批作业，此时罐内物料液面又恢复至a线处，从而实现连续化工业生产。
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