CN104674016B - 镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法及其装置，属于有色金属镁提取冶金技术领域。该方法中，初镁蒸气在第一冷凝段，以镁液蒸发吸热作为冷却介质，进行“逆向相变换热”，初镁蒸气冷凝为液态，同时镁液获得热量蒸发成为纯度更高的精镁蒸气，并随后冷凝为液态精镁。初镁、精镁的残余蒸气再经历第二冷凝段的持续降温冷凝，冷凝为固态结晶镁。本发明中镁液蒸发器作为初镁蒸气的冷凝，同时作为待提纯镁液的热量来源，二冷段设置并联的二冷单体实现交替冷凝和随后的加热重熔，采用返流式加热，利用镁蒸气冷凝的热能实现了蒸发、重熔的热量需要，联产了高纯镁，充分利用了热能；二冷单体交替冷凝和重熔，提高了冷凝速率，方便镁液流出回收。

Description

镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法及其装置

技术领域

本发明属于有色金属镁提取冶金技术领域，特别涉及镁蒸气冷凝联产纯镁的方法，另外还涉及其装置。

背景技术

金属镁及镁合金是最轻的金属结构材料，使用在交通工具、电子产品、建筑材料、航空航天等领域，带来节能的效果，被誉为“第三金属”、“二十一世纪的绿色金属材料”。钢铁、铝等主要金属材料的矿产资源正在逐步趋于枯竭，而金属镁的矿产资源非常丰富，况且海水中蕴含更为丰富的镁资源，可供人类使用上千年。

从自然矿产中提取金属镁的工艺技术分两大类：电解法和热还原法。电解法一般采用氯化镁为原料，在电解获得金属镁的同时，副产氯气，环保问题难以克服，目前全球的金属镁产量中只有不到20％采用电解法。

热还原法的主要工艺是硅热还原法，即采用硅为还原剂还原氧化镁，在高温和真空条件下获得金属镁蒸气，然后冷凝获得金属镁的工艺，其中占据主流的是所谓“皮江法”工艺(Pidgeon Process)，也就是外热式横罐周期硅热还原法，该法是目前的主导工业技术。此外，法国曾经开发了半连续的熔渣导电硅热还原工艺(Magnetherm Process)并实现了产业化，目前已经很少有工厂采用这种工艺。

与硅热法同样属于热还原工艺的还有Hansgirg的碳热法。碳热法炼镁就是采用碳质还原剂还原氧化镁，获得金属镁蒸气和CO气体，快速降温冷凝后获得金属镁。碳热法炼镁的最大难题是产物为金属镁气体与CO气体的混合气体，当降温冷却以获得金属镁时，会发生镁还原的逆反应，导致镁被CO气体重新氧化，产物中混合了太多的MgO和碳，使得镁的收得率大大降低，因此如何使得镁气体尽量快速降温的骤冷操作变得十分关键。碳热还原法采用大量天然气、氢气等还原性气体稀释的方法来降低混合气体的温度，大量外来气体的引入导致成本增加，因此这种碳热还原法后来被工业界放弃。近年来，澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO的科学家考虑将混合气体通过收缩—扩张喷管膨胀获得超音速射流，从而使得气体温度骤降，并将这种工艺命名为MagSonic工艺，但尚处于研究试验阶段。

概括来说，历史上有一定规模产量的工业炼镁方法主要有电解法、碳热还原法、皮江法以及Magnetherm半连续炼镁工艺，其中碳热炼镁工艺只在1930-1940年代的工厂使用过，目前世界上的主流工业方法只有电解法和皮江法。1990年代中期之前，电解法产量占全球镁产量80％以上，皮江法和Magnetherm法产量只有约20％。从21世纪初开始，Magnetherm工艺基本停产，电解法也萎缩了很多，只有皮江法产量占到了全球80％以上。

无论是皮江法工艺还是法国的Magnetherm半连续炼镁工艺，都以硅铁特别是含硅75％以上的硅铁(通常为#75硅铁)作为还原剂，含有MgO的矿石作为炼镁原料，在高温真空条件下，发生硅还原氧化镁的化学反应，如式(1)所示。

2MgO+Si＝SiO²+2Mg(gas) (1)

由于反应物、生成物中只有Mg在高温下成为气体，被真空抽气系统抽出，从而离开反应区域，在真空管路中的低温段冷凝成为固体或液体，从而获得金属镁。

一般情况下，硅是以硅铁的形式作为反应物料，含镁原料一般是采用白云石煅烧后的产物CaO·MgO进行反应，工业上通常的化学反应式如(2)所示

2(CaO·MgO)+Si(+Fe)＝2CaO·SiO²(+Fe)+2Mg(gas) (2)

硅在冶金工业中是良好的还原剂，但由于镁是活泼金属，与氧的结合能力很强，所以在常压下硅还原镁需要极高的温度。通过采用真空降低生成物金属镁气体的分压，以及用CaO结合SiO₂生成稳定的硅酸二钙，使得硅还原氧化镁的温度只要1200℃以下即可进行工业生产。

所谓皮江法，是加拿大冶金学家皮江教授在1940年代早期开发完善的工艺，并沿用至今。皮江法工艺是将含硅75％的硅铁、含镁矿石等以混合压球等固相接触，置于耐热钢制成的蒸馏罐中，罐内抽真空，罐外采用火焰加热，热量从罐外通过罐体传到到罐内的炉料中，促进横罐内物料进行化学反应，镁蒸气在罐中沿着真空抽气的方向运动时，在罐口位置被冷凝水套冷却成固态，成为结晶镁粘附在冷却水套内壁上，一个周期10-12小时后，开罐将结晶镁取出，然后重熔成镁液，进行精炼或合金化，然后铸锭，物料反应温度约为1150～1250℃，真空度一般小于13Pa，周期性间歇生产。现有的皮江法炼镁具有如下本质缺陷：

1.反应物硅铁和煅白以固相接触方式进行化学反应，反应速率慢，典型的工艺过程中还原反应周期长达10～12小时，效率低下；

2.采用火焰外部加热，热量由反应器外部逐逐渐传导到内部，周期长，热能损失大，热能利用率低，专业分析认为典型工艺的热能利用率只有20％左右；

3.由于外部加热的方式限制了反应器容积，典型的横罐内径在400毫米以内，一般为直径300-370mm，一次装料量小，单罐一次10—12小时产出原镁只有20～30公斤，占地面积大，现场管理难度大，不易实现大规模生产和机械化作业；

4.采用含硅元素75％硅铁为还原剂，一般吨镁硅铁消耗为1.05～1.20吨，即硅远超过理论消耗值而造成浪费，同时所有铁元素都浪费了；

5.横罐一般采用含有镍、铬的昂贵的耐热钢，消耗很快，成本高；

6.烟尘污染严重，劳动环境恶劣，对周围生态环境负面影响大；

7.需要人工装料、扒渣、清理结晶镁，劳动强度大，难以实现自动化作业。

法国开发的Magnetherm半连续炼镁工艺比皮江法有所进步，不仅体现在采用电力进行内部加热，从而提高了能源利用率，而且生产效率获得很大提升。Magnetherm炼镁工艺是半连续的，每生产1吨金属镁同时约产生5～6吨还原渣，需要及时将大部分还原渣排出反应区，这就需要打破真空、停止冶炼，造成生产的中断。

南非Mintek机构在Magnetherm工艺的基础上开发了MTMP(Mintek ThermalMagnesium Process)工艺，其突出变化是炉内不再采用真空操作，而是在常压下炼镁，这样排渣过程可以在不停产状态下进行，成为全连续工艺，代价是温度要提升至约1750℃，造成能耗升高和炉衬耐火材料寿命缩短，而且更多元素随同镁一起挥发进入炉气，导致镁的纯度下降。

美国专利US2971833所描述的就是被称为Magnetherm的炼镁工艺，采用真空下的熔渣电阻加热，也即电渣加热，曾经在多个国家实现了稳定的工业规模生产。美国专利US5090996在Magnetherm炼镁工艺基础上，改变为常压状态下的还原炼镁。美国专利US5383953描述了常压下用金属还原炼镁，通过控制渣的成分来实现，也应该看作是Magnetherm工艺的改进。美国专利US3151977公开了电热还原炼镁的方法。美国专利US4699653描述了在常压下等离子体作为热源的连续硅热炼镁。

美国专利5570454是针对Magnetherm法炼镁的一种镁蒸气冷凝方法，通过特殊设计的双层密封的冷凝器，维持特定的冷凝温度，将负压下的镁蒸气冷凝成液态。

美国专利7641711公开了一种金属蒸气的冷凝方法，其中包括镁蒸气，通过搅动液池将金属蒸气吸收冷凝为液态。美国专利2847295、3151977公开了一种电热炼镁的方法和装置，特别对冷凝装置进行了描述，采用分段式冷凝，一冷段将大部分镁蒸气冷凝成液态，残余镁蒸气继续冷凝至固态，然后交替加热固态镁熔化流出收集。

中国专利CN95100495.6公开了一种内热炼镁的技术，其工艺与Magnetherm有相似之处，也只是在装入固态炉料后，随着温度的升高，炉料会呈熔融态。但该专利描述的反应系统由于高真空度，导致镁蒸气直接冷凝成固态结晶镁，容易堵塞真空系统，无法实现连续生产。中国专利CN201010145505.9提出了一种熔融还原硅热炼镁的方法，通过配入硅、铝氧化物形成多元熔融渣系，使得反应物及产物形成硅铁液与多元熔渣，均为液相，改善反应动力学条件。

中国专利CN201080000976、CN201010255097、CN201010255111提供了真空环流炼镁的方法和装置，使得硅铁液与镁矿能够充分混合，并且通过浸渍管实现真空与常压环境下的循环流动，获得良好的反应动力学条件，同时还能够连续排渣。

目前，综合来看，现有技术的弊端与不足如下：

(1)大型电热炼镁工艺，尚未对冷凝器进行详细的结构设计

比起皮江法炼镁工艺，Magnetherm工艺和MTMP工艺都有明显的进步，突出表现在反应器为大型化的电炉，采用电能对炉料进行内部加热，能够实现半连续甚至全连续生产，单位反应器单位时间的产量有了数量级上明显的提升，如表1所示。

规模化的金属镁工业生产中，大型化的金属镁提取反应器符合冶金工业的方向，必须配备相应的大型化金属镁蒸气冷凝器，简易的冷凝器难以适应。但上述两个主要的商业工艺，在电炉产镁量呈现数量级增长的同时，尚未对冷凝器进行过详细的探讨。

例如每小时5-20吨金属镁的冶炼反应器，冷凝为固体的结晶镁的话，按照致密的金属镁锭来设计体积，固体原镁体积达到了3-12立方米，但实际上冷凝的金属镁，特别是结晶镁，往往呈现树枝状结晶、疏松多孔固体、蓬松粉末状，堆密度要远远小于镁锭密度，体积庞大，对冷凝器的体积、结构提出了更为复杂和苛刻的要求。而皮江法炼镁由于每罐的产量只有20-35公斤，所以简单结构的冷凝结晶器就能满足要求。

(2)大型炼镁工艺的冷凝所需冷却水流量、耗量巨大

每小时5-20吨金属镁的冶炼反应器，从1600℃降至700℃冷凝为液态，每小时需要带走的热量达到31-124GJ/h，那么假设全部用比热为4.2kJ/(kg K)的冷却水换热，在冷却水升温5℃的情形下，需要每小时通入的冷却水量为1476-5905吨。由于采用简单的水冷冷凝，所需水量巨大，耗水量很高。

(3)镁蒸气冷凝释放的巨大热量未能回收

镁冷凝释放潜热很大，汽化热为128KJ/mol，即5.27GJ/t-Mg，相当于1463kwh电力的热能。镁的比热为1020J/(kg K)，每吨金属镁蒸气从1600降至700摄氏度，放热为0.918GJ/t-Mg，折合电力255kwh。因而，每吨金属镁从1600℃气态冷凝为700℃的液态，放热量为6.2GJ/t-Mg，折合电力超过1700kwh。如此巨大的热量，如果不加以回收，而仅仅采用冷却水带走热量，不仅耗水，而且是能源的巨大浪费。

如果考虑用水的蒸发来吸热冷凝镁蒸气，每吨水的蒸发热为2.25GJ/t-H₂O，至少需要每小时蒸发14-56吨的水才能实现5-20吨镁蒸气的冷凝，相当于一个中型的锅炉，必须进行详细的热量计算、结构计算、流动阻力计算、强度计算以及校核，不能像皮江法一样简单配置一个冷凝水套即可。

(4)皮江法工艺冷凝为固态镁有诸多弊端和不便

皮江法工艺将镁蒸气冷凝为固态，没有流动性，无法及时排出，占据冷凝器空间，而且进一步的精炼、合金化甚至简单铸锭都必须对固态结晶镁进行重熔，反复升温、熔化造成能源浪费。

(5)镁蒸气量大时容易导致固态结晶镁堵塞冷凝器

由于金属镁蒸气冷凝成固态时堆密度很小，较大产量的炼镁反应器中连续产生的大量镁蒸气在冷凝时，不可避免要冷凝成固体，容易导致堵塞冷凝器管道，造成生产停顿。

(6)搅动熔池冷凝需要巨大的吸收熔池

如果采用美国专利7641711的熔池搅动吸收金属蒸气的方法，由于镁的液化释放热量巨大，如果熔池内已有镁液通过升温20℃来吸收镁蒸气冷凝放热，那么所需要的金属镁熔池是所吸收镁蒸气量的304倍。对于一个每小时产镁5-20吨的连续生产系统，那么需要维持的镁熔池显然已经超出了正常范围。

(7)高温炼镁导致镁蒸气纯度下降，在冷凝过程中没有清除杂质

Magnetherm以及MTMP工艺能比皮江法温度高300—500摄氏度，部分炉料呈液相，从而获得良好的动力学接触条件，但同时也造成镁蒸气纯度下降、杂质含量上升，如表2所示。这些杂质进入冷凝器后进入到液态或固态镁中，在已有技术及专利方案中，这些杂质没有利用冷凝环节得到去除。

表1各种硅热法炼镁工艺的操作条件及生产能力

原镁成分	皮江法	Magnetherm工艺	Mintek工艺
				压力(大气压)	0.00010-0.00066	0.05-0.1	～1
温度(摄氏度)	1100-1200	1550-1600	1700-1750
				每炉每天产量	50kg	20ton	100ton

表2各种硅热炼镁工艺所得的原镁纯度(wt％)

原镁成分	皮江法	Magnetherm工艺	Mintek工艺
				Mg	99.68	99.07	97.86
Si	0.010	0.05	0.28
				Al	0.004	0.01	0.088
Ca	0.005	0.005	1.77
				Fe	0.007	0.005	0.25

发明内容

针对已有炼镁技术中冷凝器方面的欠缺与不足，本发明提出镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法及其装置，其目的在于部分地吸收镁蒸气冷凝时的巨大热能；

本发明的另一个目的在于利用镁蒸气冷凝热能的同时，利用热能对原始金属镁进行蒸发提纯，获得更高纯度的精镁；

本发明的另一个目的在于金属镁蒸气冷凝时，获得一定的液态镁，残余镁蒸气冷凝为固态后，直接在原位重熔为液态镁，便于自动流出收集产品；

本发明的另一个目的在于防止固态镁冷凝时对冷凝管道的堵塞；

本发明的另一个目的在于已冷凝固态镁重熔时，能够利用镁蒸气的一部分热能来加热熔化，减少外部供热，实现节能；

本发明的另一个目的在于节约冷却水的流量和耗量；

本发明的另一个目的在于能够实现较大规模的金属镁蒸气冷凝，配合大型化炼镁设备。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，用于将镁蒸气发生器中连续产生的初镁蒸气在逸出金属镁蒸气发生器之后冷凝为液态或固态的凝聚态，其特征在于，

初镁蒸气从镁蒸气发生器逸出，向着初镁真空泵方向流动，依次经历第一段冷凝和第二段冷凝，在第一段冷凝过程中部分初镁蒸气被冷却至670—1000℃，冷凝为液态初镁，汇聚为液态初镁熔池，残余初镁蒸气继续向初镁真空泵方向流动，经历第二段冷凝，残余初镁蒸气被冷凝至温度为50—650℃，冷凝为固态初镁；

所述第一段冷凝采用镁液蒸发吸热的方式实现初镁蒸气的降温和冷凝，即初镁蒸气在传热界面外壁降温和冷凝，并通过传热界面的传热作用，向与传热界面内壁接触的待提纯镁液传递热量，作为冷却介质的待提纯镁液吸收初镁蒸气的降温显热、液化潜热从而蒸发成为精镁蒸气，上升后离开待提纯镁液熔池，依次经历两段冷凝，第一段冷凝为液态精镁，汇聚形成与待提纯镁液相分隔的熔池，第二段冷凝为固态精镁，收集所获得的液态精镁和固态精镁，得到精镁作为副产品；

所述待提纯镁液处于真空环境中，其上方气体中镁分压高于350Pa且比所述传热界面外初镁蒸气分压至少低200Pa，待提纯镁液在所处真空压强下的沸点温度比初镁蒸气的露点温度至少低20℃。

所述初镁蒸气经历第一段冷凝之前已经与氩气混合，其中氩气在气相中所占的质量百分比不超过90％。

所述初镁蒸气在经历第一段冷却之前，经过一个膨胀段，其体积增大至原体积的1.5-5倍。

所述初镁蒸气的温度为1100—1800℃，压力为800—50000pa。

所述初镁蒸气第二段冷凝、精镁蒸气第一段冷凝或精镁蒸气第二段冷凝的冷却介质采用水流、水蒸气、熔融钾钠合金、含有锡或锌的熔融合金，冷却介质温度控制在50-650℃。

所述初镁蒸气第二段冷凝、精镁蒸气第一段冷凝或精镁蒸气第二段冷凝的冷却介质采用负压或真空环境下的液态水、熔融钾钠合金液、含有锡或锌的熔融合金液，所述液态水、熔融钾钠合金液、含有锡或锌的熔融合金液被抽真空至负压从而沸点低于当地大气压下沸点，通过换热面以非接触方式吸收残余初镁蒸气冷凝所释放的相变潜热，从而在低于大气压下沸点的低温沸点蒸发，上升至一个非接触式水流换热器后与水流换热，重新冷凝成液态水、熔融钾钠合金液、含有锡或锌的熔融合金液流下至原来的液态水、熔融钾钠合金液、含有锡或锌的熔融合金液内，重复循环该过程，对残余初镁蒸气进行冷凝，使之降温凝华成为固体初镁。

所述初镁蒸气第二段冷凝中获得的固态初镁或精镁蒸气第二段冷凝中获得的固态精镁通过充入氩气增压之后，经过电加热或非接触式燃气加热，重新熔化为液态初镁或液态精镁而收集。

所述初镁蒸气第二段冷凝或精镁蒸气第二段冷凝后，已经冷凝的固态初镁或固态精镁，可以被后续的未经过初镁蒸气第一冷凝段的初镁蒸气、未经过精镁蒸气第一冷凝段的精镁蒸气、已经过初镁蒸气第一冷凝段的残余初镁蒸气、已经过精镁蒸气第一冷凝段的残余精镁蒸气中的一种或几种以非接触传热的方式加热。

镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，前端连通有至少一个镁蒸气发生器，末端连接有初镁真空泵，整个装置与外界大气或气氛隔绝，沿镁蒸气运行的路径，包括：

至少一个初镁蒸气第一冷凝段，其中设置有至少一个镁液蒸发器，所述镁液蒸发器内部盛有待提纯金属镁液，并通过精镁真空泵维持所述镁液蒸发器内部的气体压强比所述初镁蒸气第一冷凝段内部初镁蒸气入口处初镁蒸气分压至少低200Pa；

至少一个初镁蒸气第二冷凝段，与所述初镁蒸气第一冷凝段连通，其内部或外部有冷却介质流动的冷却管路，所述初镁蒸气第二冷凝段内部的温度保持在50—650℃；

沿从镁液蒸发器逸出的精镁蒸气的运行路径至精镁真空泵，包括：

至少一个精镁蒸气第一冷凝段，与镁液蒸发器通过精镁蒸气上升管相连通，其内部或外部有冷却介质流动的冷却管路，维持精镁蒸气第一冷凝段内部温度为650-1000℃；

至少一个精镁蒸气第二冷凝段，与所述精镁蒸气第一冷凝段连通，其内部或外部有冷却介质流动的冷却管路，所述精镁蒸气第二冷凝段内部的温度保持在50—650℃。

所述镁液蒸发器下部开口，且直接连通初镁液收集器，初镁液收集器中的液态初镁通过精镁真空泵的真空抽吸作用被抽吸到镁液蒸发器中成为待提纯镁液，或初镁液收集器中的液态初镁进入待提纯镁液储罐，通过抽液泵抽吸后流过镁液输管进入到镁液蒸发器中成为待提纯镁液。

所述镁液蒸发器下部封闭，初镁液收集器中的液态初镁进入待提纯镁液储罐，通过抽液泵抽吸后流过镁液输管进入到镁液蒸发器中成为待提纯镁液。

所述初镁蒸气第二冷凝段、精镁蒸气第二冷凝段各有一个或至少两个并联的二冷单体，所述二冷单体包括内部的二冷冷凝腔，二冷冷凝腔进气口和出气口分别设置进气控制阀和出气控制阀。

所述二冷单体上连接有供氩装置、二冷单体真空泵；其内部设置有电加热元件、冷却管。

所述二冷单体内部设置有旋转刮擦器，以及为旋转刮擦器提供旋转动力的刮擦器电机和/或刮擦器动力叶片，所述旋转刮擦器位于二冷单体的二冷冷凝腔中，其旋转轴线平行于镁蒸气运行的路线。

所述初镁蒸气第二冷凝段的各个二冷单体、精镁蒸气第二冷凝段的各个二冷单体之中，至少有一个二冷单体的二冷冷凝腔内部设置有加热管，所述加热管两端分别设置加热管进气阀和加热管出气阀，加热管进气端通入已经过膨胀管道之后的初镁蒸气、已经过初镁蒸气第一冷凝段之后的残余初镁蒸气、从镁液蒸发器中逸出的精镁蒸气或已经过精镁第一冷凝段的残余精镁蒸气，所述加热管出气端连通返流管，所述返流管接入另一个二冷单体的二冷冷凝腔，所述通入加热管进气端的镁蒸气从加热管出气端进入返流管，然后再进入所述另一个二冷单体的二冷冷凝腔，在其中被冷凝成固态镁。

初镁蒸气第一冷凝段、精镁蒸气第一冷凝段、初镁蒸气第二冷凝段的各个二冷单体、精镁蒸气第二冷凝段的各个二冷单体的内壁以及镁液蒸发器外壁、精镁蒸气上升管外壁均设置有微小凸起、毛刺或凹坑，为镁蒸气冷凝形核提供固定的核心。

所述初镁第一冷凝段底部设置初镁液流出口，精镁第一冷凝段底部设置精镁一冷出液口，所述初镁第二冷凝段各个二冷单体底部均设置初镁二冷出液口，所述精镁第二冷凝段各个二冷单体底部均设置精镁二冷出液口；所述初镁液流出口、精镁一冷出液口、初镁第二冷凝段各个二冷单体的初镁二冷出液口、精镁第二冷凝段各个二冷单体的精镁二冷出液口，至少有一个处于氩气保护之下。

所述连接镁液蒸发器和精镁蒸气第一冷凝段之间的精镁蒸气上升管至少有一个弯头或者倾斜段，使得精镁蒸气在精镁蒸气第一冷凝段中冷凝为液态精镁后，不会流回到镁液蒸发器中。

所述初镁蒸气第一冷凝段与镁蒸气发生器之间设置膨胀管道，镁液蒸发器和精镁蒸气上升管位于膨胀管道末端的上方，使得初镁蒸气冷凝为液态初镁并滴落的过程中，为后续通过膨胀管道进入初镁蒸气第一冷凝段的初镁蒸气向液态相变提供形核的核心。

所述膨胀管道、初镁蒸气第一冷凝段、精镁蒸气第一冷凝段内部采用耐热钢、石墨质、碳化硅质材料，外部均有绝热材料。

与现有技术相比，本发明的方法及装置至少具有以下优点：

1、高温镁蒸气冷却到液体将放出大量的热量，每一吨1600℃的镁蒸气冷凝到液态过程中释放的热量约相当于1700度电产生的热量，目前大部分生产金属镁的企业，都是通过循环冷却水带走镁蒸气冷凝释放的热量以保证镁冷凝器不因温度过高而失效，循环水需要经过冷却塔降温以保证水温不至于过高而无法使用。本发明中加入了镁液蒸发吸热的“逆向相变换热装置”，可以吸收从高温初镁蒸气的热量，并将该热量直接用于镁蒸气二次蒸馏精炼提纯，充分利用了热量，减少了能量的浪费，省去了循环水冷却系统及冷却塔系统，降低成本；

2、单位质量的镁蒸气冷凝成液态释放的热量与单位质量镁液蒸发吸收的热量相等，镁液蒸发吸热的冷凝方式中只需要额外增加少量的热量满足装置自身的热量损耗即可，不需要额外提供镁液蒸发所需的大量的热量，消耗能量较少；

3、第二冷凝段采用并联的多个二冷单体，错开时间分别冷凝镁蒸气，提高了冷凝速率、加热重熔成为镁液，方便镁液流出回收；

4、第二冷凝段的并联多个二冷单体中均设置刮擦器进行旋转，切削二冷内壁冷凝的金属镁，有效防止固体金属镁堵塞镁蒸气通道；

5、第二冷凝段设置的并联多通道的每个单体中均设置加热器，待镁蒸气冷凝成固体后，关闭单体两端，充入氩气加压后，开启加热装置即可将固体镁熔化成液镁，液镁导出后即可收集，这种收集方法简单，速度较快；

6、镁液蒸发器与镁蒸气冷凝过程进行换热，在冷凝初镁蒸气的同时，将已冷凝镁提纯蒸发，相当于镁蒸气的余热利用，不需要外界提供热源，节约很大的加热能源，同时获得了纯度更高的精镁，节约了大量的冷却水，一举多得。

附图说明

图1等熵膨胀示意图

图2镁在不同温度下的饱和蒸气压曲线图

图3抽吸式镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产纯镁的装置示意图

图4镁液蒸发吸热的“逆向相变换热”原理示意图

图5镁的三相平衡示意图

图6密封式镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产纯镁的装置示意图

图7第二冷凝段结构示意图

图8二冷单体结构示意图

图9返流加热式第二冷凝段结构示意图

各图中，101镁液蒸发器、102精镁蒸气上升管、110初镁液收集器、140初镁蒸气第一冷凝段、141初镁液流出口、150初镁蒸气第二冷凝段、151初镁二冷出液口、152进气控制阀、153出气控制阀、154二冷冷凝腔、155二冷单体、156刮擦器旋转电机、157二冷单体真空泵、158旋转刮擦器、159供氩装置、160冷却管、161电加热元件、162刮擦器动力叶片、171返流管、172加热管、173加热管进气阀、174加热管出气阀、191初镁除尘器、192初镁真空泵、207待提纯镁液储罐、208抽液泵、209镁液输管、210镁液注入罐、240精镁蒸气第一冷凝段、241精镁一冷出液口、250精镁蒸气第二冷凝段、251精镁二冷出液口、291精镁除尘器、292精镁真空泵、801膨胀管道、901镁蒸气发生器

具体实施方式

下面结合附图1至附图9，阐述本发明镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法及其装置的具体实施方式。

实施例一

作为硅热法炼镁还原反应器之一的大型真空电热炼镁还原炉，在采用热装热送的节能措施以及大功率电热的前提下，每小时可以产镁5-20吨，作为本实施例中的镁蒸气发生器901，连续提供镁蒸气。在1600℃的冶炼温度下，镁蒸气的平衡压力能够接近大气压，在工业生产过程中，为了加速反应的进行，控制炼镁反应炉内压力略高于10000Pa，镁蒸气中混有5％的氩气。

1600℃、分压为10000Pa的初镁蒸气通过一个膨胀管道801进行等熵膨胀，如图1所示，等熵膨胀过程中，体系与外界没有热量交换，所以也是绝热膨胀，只对外做功，气体温度、压强、体积从(T1、P1、V1)的初始状态膨胀到(T2、P2、V2)的末态，气体体积增大的同时，温度、压强双双降低。膨胀管道801的出口面积是进口面积的1.6倍，初镁蒸气温度从1600℃降至1100℃，压力从10000Pa降至4601Pa。

镁是挥发性金属，通常物质的蒸气压与温度关系的表达式如式(3)所示：

lgP(Pa)＝A/T+BlgT+CT+D (3)

镁的熔点约为650℃，沸点为1090℃，在熔点至沸点的温度范围内，镁的蒸气压符P与温度T(绝对温度K)的关系如公式(4)所示：

lgP(Pa)＝-7550/T-1.41*lgT+14.915 (4)

按照上述公式计算得到的镁的蒸气压与温度关系如表3所示，计算得到的蒸气压比更为权威的数据库中提供的数据稍低，但在工业生产过程中，仍然可以作为一个设计的依据。图2直观地显示了部分温度区间下镁的蒸气压。

表3金属镁不同温度下的蒸气压

温度(℃)

蒸气压(Pa)

温度(℃)

蒸气压(Pa)

温度(℃)

蒸气压(Pa)

650	358	770	2633	890	12610
						660	432	780	3044	900	14151
670	518	790	3508	910	15849
						680	620	800	4032	920	17716
690	738	810	4622	930	19763
						700	875	820	5284	940	22005
710	1035	830	6026	950	24456
						720	1219	840	6854	960	27131
730	1431	850	7779	970	30046
						740	1675	860	8807	980	33216
750	1954	870	9948	990	36660
						760	2271	880	11212	1000	40394

温度为1100℃、压力为4601Pa的初镁蒸气进入镁冷凝装置后，首先进入初镁蒸气第一冷凝段140，如图3所示。初镁蒸气第一冷凝段140中有一台镁液蒸发器101，镁液蒸发器101中盛有已经熔化的待提纯镁液，待提纯镁液的温度为680℃，镁液蒸发器101中维持的真空度为875-955Pa，通过精镁真空泵292维持其真空度，该压强高于表3所示680℃镁液的蒸气压620Pa，在没有外界热源加热待提纯镁液时，待提纯镁液不蒸发。

初镁蒸气温度为1100℃，远高于待提纯镁液的680℃的温度，自然地，初镁蒸气向镁液蒸发器101的外壳传热，并进一步通过外壳将热量传递给待提纯镁液。镁液蒸发器101采用传热良好的合金材料制成，承担传热界面的作用，其外表面温度高于内表面20-30℃，形成一个稳定的温度梯度，高温初镁蒸气持续不断地传热给温度较低的镁液蒸发器101外壁面，外壁面再将热量传导到内壁面，最终传递热量给待提纯镁液。初镁蒸气温度下降的同时，待提纯镁液温度上升。

当待提纯镁液温度从680℃升至700℃时，待提纯镁液与其蒸发得到的精镁蒸气达到平衡，待提纯镁液的温度不再升高，而是进行蒸发，继续吸收来自初镁蒸气的热量。类似的原理，初镁蒸气从1100℃、4601Pa的状态不断降温，当降至大约790℃时，达到其露点温度，初镁蒸气压强为3562Pa，开始冷凝，冷凝为液态初镁。随着初镁蒸气的不断冷凝，残余初镁蒸气的压强不断下降，使得残余初镁蒸气的露点温度也不断降低，当降至与传热界面的外壁温度一致时，残余初镁蒸气不再冷凝，这个外壁温度一般高于镁液蒸发器101内壁也就是待提纯镁液温度700℃，根据材料的传热能力及结构决定了温差为30℃，故初镁蒸气第一冷凝段的温度会维持在730摄氏度，如图4所示。后续源源不断进来的初镁蒸气都会以730℃作为最终的平衡温度，不断冷凝为液态初镁，并汇聚在初镁液收集器110底部。而待提纯镁液则以700℃的平衡温度不断蒸发。在这个过程中，精镁真空泵292通过抽气始终保持镁液蒸发器101内部的压力为900Pa左右，而初镁真空泵192通过抽气始终保持初镁蒸气第一冷凝段140的真空度为镁蒸气730℃露点温度时的蒸气压1431Pa左右，两个真空泵所维持的压差大致为531Pa。

这种同一类物质冷凝和蒸发进行互相换热的冷却方式可以称之为“逆向相变换热”，同时兼具了通过蒸发对液态金属进行提纯的功能。由于金属蒸气的气体压强不同从而造成不同的露点温度，高真空度的液相蒸发的同时，吸收低真空度的气相冷凝的热量，二者通过相变换热，同步实现了气相液化、液相蒸发获得提纯。

初镁蒸气从1100℃、4601Pa降至730℃，已冷凝部分全部冷凝为液相，占初镁蒸气的比例为57％，如表4所示，剩余43％的镁仍旧保持730℃的气相，成为残余初镁蒸气进入到初镁蒸气第二冷凝段150，初镁蒸气第二冷凝段150维持不高于400℃的冷凝温度，残余初镁蒸气就会直接冷凝为固态初镁，总的冷凝分数为99.98％，如果保持初镁蒸气第二冷凝段150温度更低至300℃以下的话，总的冷凝分数继续提升至接近100％，大约只有2ppm的镁蒸气未能完全冷凝为凝聚相。残余的极少量镁蒸气和惰性气体氩气进入初镁除尘器191后，氩气通过初镁真空泵192排出。

表4镁蒸气降温凝结比例

在本实施例中初镁蒸气从1100℃、4601Pa降温，会在650℃以上出现液相，随着温度持续降低，残余初镁蒸气冷凝为固相，从而几乎全部初镁蒸气成为凝聚态，其中本实施例中冷凝为液相的比例为57％。在皮江法炼镁工艺中，镁蒸气初始温度一般为1150-1250℃，但却全部凝固成固态结晶。这是因为金属镁存在一个三相平衡点，如图5所示，大致位于温度650℃、压强350Pa的位置。压强大于350Pa的镁蒸气降温过程中，首先冷凝为液态，继续冷凝则残余气体直接冷凝为固态，体现在图5中的上方部分，镁蒸气从气相高温区向凝聚相低温区降温时，首先通过液相区，获得一定的镁液，剩余部分继续降温则成为固相，液相所占比例与镁蒸气的压强有关，压强越大，镁蒸气的初始密度越高，则在冷凝产物中液相比例越大，固相越少。而对于皮江法炼镁的镁蒸气，由于气体压力一般只有3-20Pa，虽然温度高达1200℃左右，但由于压强低于350Pa，位于图5右下方，其降温冷凝过程不经过液相区，而是直接从右下方降温至左下方，从而全部直接冷凝成固态结晶镁，无法获得一定的液相。

再看待提纯镁液蒸发获得的精镁蒸气，在精镁真空泵292的抽吸作用下，精镁蒸气从镁液蒸发器101中逸出，上升进入精镁蒸气上升管102，精镁蒸气上升管102有一段弯管，以使得精镁蒸气冷凝为液态后，不会再流回到镁液蒸发器101中，而是液态精镁液化后汇聚成一个液态精镁的熔池，与镁液蒸发器101中的待提纯镁液相分隔。

在精镁蒸气第一冷凝段240中，精镁蒸气受到冷却水管的冷却，成为液态精镁，汇聚在一起的液态精镁可以通过精镁一冷出液口241流出并收集，残余精镁蒸气继续前行，进入到精镁蒸气第二冷凝段250中，冷凝为固态精镁，固态精镁能够在后续的非冷凝工作环节被加热重熔，从精镁二冷出液口251流出，残余的极少量镁蒸气进入到精镁除尘器291后，极少量残余气体通过精镁真空泵292排出。液态精镁及重熔后的固态精镁，作为初镁蒸气冷凝的副产品进行收集。

镁为挥发金属，其中的杂质元素Si、Al、Fe都是难挥发金属，杂质元素Ca也较易挥发，但比镁的挥发性弱，如表5所示的初镁中各元素的沸点和700℃的饱和蒸气压值。采用蒸发方式对镁进行提纯，蒸气中镁的浓度会高于液相，而杂质元素Si、Al、Ca、Fe等元素会在液相中富集，在气相中会减少，使得待提纯镁液通过蒸发得到提纯，成为精镁蒸气，如表6所示，初镁和精镁中的元素前后比较可知，精镁中的杂质有所减少。

表5初镁中主要杂质元素的沸点、蒸气压与镁比较

表6初镁蒸发提纯效果

元素	Mg	Si	Ca	Al	Fe
						初镁元素含量(wt％)	99.15	0.6	0.22	0.01	0.005
精镁元素含量(wt％)	99.92	0.01	0.06	0.003	0.001

本实施例中，冷凝开始之前，准备一批待提纯镁液注入到镁液注入罐210，然后将待提纯镁液注入到待提纯镁液储罐207，开启抽液泵208将待提纯镁液通过镁液输管209注入到镁液蒸发器101后，再关闭抽液泵208。在初镁蒸气开始冷凝成液态初镁后，在初镁蒸气第一冷凝段140下部的镁液收集器110下部形成逐渐增加的初镁液熔池。定期打开初镁液流出口141，液态初镁流入到待提纯镁液储罐207，供后续冷凝过程中作为待提纯镁液使用，也可以直接释放待提纯镁液储罐207中的液态初镁进行铸锭、精炼、合金化等。在正常冷凝过程中，镁液蒸发器101中的待提纯镁液直接从镁液收集器110中抽吸获得，而不必通过抽吸泵208、镁液输管209来获得。

实施例二

本实施例中，如图6所示，镁液蒸发器101为一个下部封闭的容器，通过容器壁与初镁液收集器110隔离，所有待提纯镁液来源为：待提纯镁液先注入镁液注入罐210，然后将待提纯镁液注入到待提纯镁液储罐207，开启抽液泵208将待提纯镁液通过镁液输管209注入到镁液蒸发器101后，再关闭抽液泵208。所有后续补充的待提纯镁液，也是经由镁液注入罐210、提纯镁液储罐207、抽液泵208、镁液输管209进入到镁液蒸发器101。

其他所有工艺及装置与实施例一相同。

实施例三

本实施例中，初镁蒸气第二冷凝段150、精镁蒸气第二冷凝段250各有两个并联的二冷单体155，如图7所示，以初镁蒸气的二冷单体155来解释说明，精镁蒸气第二冷凝段250与此完全类似。每个二冷单体155前后都各一个进气控制阀152、出气控制阀153来控制初镁蒸气的流入和流出，二冷单体155内部是一个二冷冷凝腔154。

冷凝作业期间，关闭其中一个二冷单体155的进气控制阀152、出气控制阀153，该二冷单体脱离“降温冷凝”工作状态，转入“加热重熔”工作状态。同时，开启另一个二冷单体155的进气控制阀152、出气控制阀153，初镁蒸气从进气控制阀152进入到二冷单体155的二冷冷凝腔154中，并在二冷冷凝腔154内部冷凝成固态初镁，残余初镁蒸气及惰性气体氩气由出气控制阀153流出。

每一个二冷单体155内部，具有如图8所示的内部结构。当一个二冷单体155处于降温冷凝工作状态时，冷却管160中通以冷却水，进气控制阀152、出气控制阀153处于开启状态，初镁蒸气从进气控制阀152进入到二冷冷凝腔154后，被冷却管160中流动的冷却水冷却，保持二冷冷凝腔温度为300℃，几乎所有残余初镁蒸气冷凝为固态初镁，极少量的未冷凝初镁蒸气从出气控制阀153流出二冷冷凝腔154。随着冷凝成固体初镁的数量增多，二冷冷凝腔154中的固态结晶初镁越积越多，存在堵塞气体流通的可能，通过启动刮擦器旋转电机156，驱动旋转刮擦器158旋转，对粘连在一起的固体结晶镁进行刮擦、切削，由于固体结晶镁强度很低，带有尖锐端头、锋利刃部的旋转刮擦器可以顺利切削掉粘连在一切的固态结晶镁，从而保持气体通道畅通。在旋转刮擦器158的前端，同轴地安装有一个刮擦器动力叶片162，迎着从进气控制阀152进来的初镁蒸气流，刮擦器动力叶片162受到气流作用而发生旋转，带动旋转刮擦器158旋转运动，在刮擦强度要求不高的情况下替代刮擦器电机156作为动力来源驱动旋转刮擦器158运转。

该二冷单体155工作一段时间后，关闭其进气控制阀152、出气控制阀153，成为一个密闭的空腔，使之脱离冷凝工作状态，转而进入“加热重熔”工作状态：开启供氩装置159，向二冷冷凝腔154内充满氩气，并且保持大气压左右或略高于大气压的压强，减小冷却管160中的冷却水流量，在电加热元件160内通电，升温熔化已凝固结晶镁，使之熔化并升温至680℃，待全部固态镁熔化后，打开二冷出液口151使熔化的固态初镁流出，收集流出的液态初镁。重熔的液态初镁全部流出后，停止向电加热元件160供电，关闭初镁二冷出液口151，操作供氩装置159停止供氩，重新增大冷却管160中的冷却水流量，待温度重新降至300℃后，启动二冷单体真空泵157抽吸二冷冷凝腔154中氩气，直至真空度与进气控制阀152之前的气体压强平衡，关停二冷单体真空泵157，维持冷却管160中水流量，随时准备打开进气控制阀152和出气控制阀153，转到新一轮冷凝工作状态。

其他未涉及的工艺及装置与实施例一相同。

实施例四

本实施例中，初镁蒸气第二冷凝段150、精镁蒸气第二冷凝段250采用“返流加热”方式，对第二冷凝段中已凝结的固态初镁、固态精镁用待冷凝的镁蒸气进行加热重熔，参见附图9，以初镁第二冷凝段150为例来加以说明。

当其中一个二冷单体155脱离冷凝工作状态进入到封闭的加热重熔状态时，并不采用实施例三中的通电加热方式，而是采用已经经过第一冷凝段140的待冷凝的残余初镁蒸气作为热源，将其通入一个加热管171中，加热管171前端的加热管进气阀173和后端的加热管出气阀174均打开，使得待冷凝残余初镁蒸气穿过已封闭的待加热重熔的二冷单体155的二冷冷凝腔154内部，利用加热管171向二冷冷凝腔154内部的已凝固的固态初镁传热，使其升温并一部分熔化，减少一部分加热耗电，同时加热管171中的少量残余初镁蒸气降温并有少量冷凝成固态，由于镁的液化放热约为熔化吸热的14.7倍，即使包括一部分固态初镁升温的吸热，总的来说，也是少量镁蒸气凝华放热即可供应大量固态初镁重熔，从而减少重熔所需的电力消耗。

从加热管172中流出的残余初镁蒸气离开被其加热的二冷冷凝腔154，通过加热管出气阀174流入返流管171中，并进入处于冷凝工作状态的另一个二冷单体155的二冷冷凝腔154，被冷却水冷凝后，凝固为固态初镁。

上述“返流加热”并不仅仅限于初镁蒸气第二冷凝段150内部，在精镁蒸气第二冷凝段250内部，也可以采用。更进一步，初镁蒸气与精镁蒸气可以“互换”进行二冷段的返流加热。再进一步，第一冷凝段之前的初镁蒸气、精镁蒸气可以各自与自身的二冷段进行返流加热，也可以互换，还可以进行更为复杂的互换、一冷前、一冷后多种组合式返流加热，以节约更多的二冷重熔加热能源，同时也可适度减少二冷的冷却水的消耗。

为了获得更好的冷凝效果，在初镁、精镁的一冷段、二冷段容器内壁、冷却管160外壁、镁液蒸发器101外壁、精镁蒸气上升管102外壁，采用激光毛化、机械加工、焊接等多种方法，设置大量细小的毛刺、凸起、凹坑，造成粗糙不平的传热界面，使得冷凝器冷凝时，以这些微小的粗糙结构为固定的形核核心，有利于镁蒸气冷凝。

同样，为了使得初镁蒸气第一冷凝段140的冷凝效果更好，让镁液蒸发器101位于膨胀管道801末端的上方，初镁蒸气冷凝为液态初镁的液滴，在滴落下来过程中，与上升的初镁蒸气逆流运动，液滴作为新进入的初镁蒸气的液态形核核心，有利于镁蒸气冷凝。

为了保持较好的凝固、加热重熔的效果，在膨胀管道(801)、初镁蒸气第一冷凝段(140)、精镁蒸气第一冷凝段(240)内部采用耐热钢、石墨质、碳化硅质材料，外部均有绝热材料。

为了减少镁液流出接触大气时的燃烧、氧化损失，初镁液流出口141、精镁一冷出液口241、初镁第二冷凝段150各个二冷单体的初镁二冷出液口151、精镁第二冷凝段250各个二冷单体的精镁二冷出液口251，处于氩气保护之下。

其他未涉及的工艺及装置与实施例一相同。

实施例五

本实施例中，为了减少冷却水的流量、消耗并回收利用镁蒸气的热量，冷却介质为真空负压状态下的水，通过负压下的水的蒸发相变吸热来实现冷凝。在初镁蒸气第二冷凝段、精镁蒸气的第一冷凝段或精镁蒸气的第二冷凝段任一阶段，冷却管为负压水槽，采用33000Pa的减压状态下的水在71℃下的低温沸腾蒸发吸热，然后将71℃的水蒸气引出来，与20-30℃的低温换热水管热交换，低温水蒸气冷凝后重新落回到负压水槽中，换热水管中水流升温至50-60℃作为生活热水使用。如果在常压下使水蒸发吸热，冷却设备为高压容器，设计、加工、制造、管理、维修的要求均较高，采用负压水槽中的水蒸发吸热，不需要高压容器，设备的可靠性和安全性得到提高，操作更简单、安全、容易。

其他未涉及的工艺及装置与实施例一相同。

实施例六

本实施例中，初镁蒸气不经过膨胀管道801，而直接进入初镁蒸气第一冷凝段140，镁蒸气的温度为1600℃、10000Pa，密度为15.6mg/L，冷凝至730℃后，液相的冷凝分数达到73％，未冷凝分数为27％，再降温至400℃，总冷凝分数为99.99％，未冷凝分数为0.01％。初镁蒸气的73％能够冷凝为液相，减轻了初镁二冷段的冷凝负荷。

其他未涉及的工艺及装置与实施例一相同。

Claims (20)

1.镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，用于将镁蒸气发生器(901)中连续产生的初镁蒸气在逸出金属镁蒸气发生器(901)之后冷凝为液态或固态的凝聚态，其特征在于，

初镁蒸气从镁蒸气发生器(901)逸出，向着初镁真空泵(192)方向流动，依次经历第一段冷凝和第二段冷凝，在第一段冷凝过程中部分初镁蒸气被冷却至670—1000℃，冷凝为液态初镁，汇聚为液态初镁熔池，残余初镁蒸气继续向初镁真空泵(192)方向流动，经历第二段冷凝，残余初镁蒸气被冷凝至温度为50—650℃，冷凝为固态初镁；

所述第一段冷凝采用镁液蒸发吸热的方式实现初镁蒸气的降温和冷凝，即初镁蒸气在传热界面外壁降温和冷凝，并通过传热界面的传热作用，向与传热界面内壁接触的待提纯镁液传递热量，作为冷却介质的待提纯镁液吸收初镁蒸气的降温显热、液化潜热从而蒸发成为精镁蒸气，上升后离开待提纯镁液熔池，依次经历两段冷凝，第一段冷凝为液态精镁，汇聚形成与待提纯镁液相分隔的熔池，第二段冷凝为固态精镁，收集所获得的液态精镁和固态精镁，得到精镁作为副产品；

所述待提纯镁液处于真空环境中，其上方气体中镁分压高于350Pa且比所述传热界面外初镁蒸气分压至少低200Pa，待提纯镁液在所处真空压强下的沸点温度比初镁蒸气的露点温度至少低20℃。

2.如权利要求1所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，其特征在于，所述初镁蒸气经历第一段冷凝之前已经与氩气混合，其中氩气在气相中所占的质量百分比不超过90％。

3.如权利要求1所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，其特征在于，所述初镁蒸气在经历第一段冷却之前，经过一个膨胀段，其体积增大至原体积的1.5-5倍。

4.如权利要求1所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，其特征在于，所述初镁蒸气的温度为1100—1800℃，压力为800—50000pa。

5.如权利要求1所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，其特征在于，所述初镁蒸气第二段冷凝、精镁蒸气第一段冷凝或精镁蒸气第二段冷凝的冷却介质采用水流、水蒸气、熔融钾钠合金、含有锡或锌的熔融合金，冷却介质温度控制在50-650℃。

6.如权利要求1所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，其特征在于，所述初镁蒸气第二段冷凝、精镁蒸气第一段冷凝或精镁蒸气第二段冷凝的冷却介质采用负压或真空环境下的液态水、熔融钾钠合金液、含有锡或锌的熔融合金液，所述液态水、熔融钾钠合金液、含有锡或锌的熔融合金液被抽真空至负压从而沸点低于当地大气压下沸点，通过换热面以非接触方式吸收残余初镁蒸气冷凝所释放的相变潜热，从而在低于大气压下沸点的低温沸点蒸发，上升至一个非接触式水流换热器后与水流换热，重新冷凝成液态水、熔融钾钠合金液、含有锡或锌的熔融合金液流下至原来的液态水、熔融钾钠合金液、含有锡或锌的熔融合金液内，重复循环该过程，对残余初镁蒸气进行冷凝，使之降温凝华成为固体初镁。

7.如权利要求1所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，其特征在于，所述初镁蒸气第二段冷凝中获得的固态初镁或精镁蒸气第二段冷凝中获得的固态精镁通过充入氩气增压之后，经过电加热或非接触式燃气加热，重新熔化为液态初镁或液态精镁而收集。

8.如权利要求1所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的方法，其特征在于，所述初镁蒸气第二段冷凝或精镁蒸气第二段冷凝后，已经冷凝的固态初镁或固态精镁，可以被后续的未经过初镁蒸气第一冷凝段(140)的初镁蒸气、未经过精镁蒸气第一冷凝段(240)的精镁蒸气、已经过初镁蒸气第一冷凝段(140)的残余初镁蒸气、已经过精镁蒸气第一冷凝段(240)的残余精镁蒸气中的一种或几种以非接触传热的方式加热。

9.镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，前端连通有至少一个镁蒸气发生器(901)，末端连接有初镁真空泵(192)，整个装置与外界大气或气氛隔绝，沿镁蒸气运行的路径，包括：

至少一个初镁蒸气第一冷凝段(140)，其中设置有至少一个镁液蒸发器(101)，所述镁液蒸发器(101)内部盛有待提纯金属镁液，并通过精镁真空泵(292)维持所述镁液蒸发器(101)内部的气体压强比所述初镁蒸气第一冷凝段(140)内部初镁蒸气入口处初镁蒸气分压至少低200Pa；

至少一个初镁蒸气第二冷凝段(150)，与所述初镁蒸气第一冷凝段(140)连通，其内部或外部有冷却介质流动的冷却管路，所述初镁蒸气第二冷凝段(150)内部的温度保持在50—650℃；

沿从镁液蒸发器(101)逸出的精镁蒸气的运行路径至精镁真空泵(292)，包括：

至少一个精镁蒸气第一冷凝段(240)，与镁液蒸发器(101)通过精镁蒸气上升管(102)相连通，其内部或外部有冷却介质流动的冷却管路，维持精镁蒸气第一冷凝段(240)内部温度为650-1000℃；

至少一个精镁蒸气第二冷凝段(250)，与所述精镁蒸气第一冷凝段(240)连通，其内部或外部有冷却介质流动的冷却管路，所述精镁蒸气第二冷凝段(250)内部的温度保持在50—650℃。

10.如权利要求9所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述镁液蒸发器(101)下部开口，且直接连通初镁液收集器(110)，初镁液收集器(110)中的液态初镁通过精镁真空泵(292)的真空抽吸作用被抽吸到镁液蒸发器(101)中成为待提纯镁液，或初镁液收集器(110)中的液态初镁进入待提纯镁液储罐(207)，通过抽液泵(208)抽吸后流过镁液输管(209)进入到镁液蒸发器(101)中成为待提纯镁液。

11.如权利要求9所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述镁液蒸发器(101)下部封闭，初镁液收集器(110)中的液态初镁进入待提纯镁液储罐(207)，通过抽液泵(208)抽吸后流过镁液输管(209)进入到镁液蒸发器(101)中成为待提纯镁液。

12.如权利要求9所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述初镁蒸气第二冷凝段(150)、精镁蒸气第二冷凝段(250)各有一个或至少两个并联的二冷单体(155)，所述二冷单体(155)包括内部的二冷冷凝腔(154)，二冷冷凝腔进气口和出气口分别设置进气控制阀(152)和出气控制阀(153)。

13.如权利要求12所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述二冷单体(155)上连接有供氩装置(159)、二冷单体真空泵(157)；其内部设置有电加热元件(161)、冷却管(160)。

14.如权利要求12或13任一所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述二冷单体(155)内部设置有旋转刮擦器(158)，以及为旋转刮擦器(158)提供旋转动力的刮擦器旋转电机(156)和/或刮擦器动力叶片(162)，所述旋转刮擦器(158)位于二冷单体(155)的二冷冷凝腔(154)中，其旋转轴线平行于镁蒸气运行的路线。

15.如权利要求12所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述初镁蒸气第二冷凝段(150)的各个二冷单体(155)、精镁蒸气第二冷凝段(250)的各个二冷单体(155)之中，至少有一个二冷单体(155)的二冷冷凝腔(154)内部设置有加热管(172)，所述加热管(172)两端分别设置加热管进气阀(173)和加热管出气阀(174)，加热管(172)进气端通入已经过膨胀管道(801)之后的初镁蒸气、已经过初镁蒸气第一冷凝段(140)之后的残余初镁蒸气、从镁液蒸发器(101)中逸出的精镁蒸气或已经过精镁蒸气第一冷凝段(240)的残余精镁蒸气，所述加热管(172)出气端连通返流管(171)，所述返流管(171)接入另一个二冷单体(155)的二冷冷凝腔(154)，所述通入加热管(172)进气端的镁蒸气从加热管(172)出气端进入返流管(171)，然后再进入所述另一个二冷单体(155)的二冷冷凝腔(154)，在其中被冷凝成固态镁。

16.如权利要求12所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，初镁蒸气第一冷凝段(140)、精镁蒸气第一冷凝段(240)、初镁蒸气第二冷凝段(150)的各个二冷单体(155)、精镁蒸气第二冷凝段(250)的各个二冷单体(155)的内壁以及镁液蒸发器(101)外壁、精镁蒸气上升管(102)外壁均设置有微小凸起、毛刺或凹坑，为镁蒸气冷凝形核提供固定的核心。

17.如权利要求9所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述初镁蒸气第一冷凝段(140)底部设置初镁液流出口(141)，精镁蒸气第一冷凝段(240)底部设置精镁一冷出液口(241)，所述初镁蒸气第二冷凝段(150)各个二冷单体底部均设置初镁二冷出液口(151)，所述精镁蒸气第二冷凝段(250)各个二冷单体底部均设置精镁二冷出液口(251)；所述初镁液流出口(141)、精镁一冷出液口(241)、初镁蒸气第二冷凝段(150)各个二冷单体的初镁二冷出液口(151)、精镁蒸气第二冷凝段(250)各个二冷单体的精镁二冷出液口(251)，至少有一个处于氩气保护之下。

18.如权利要求9所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述连接镁液蒸发器(101)和精镁蒸气第一冷凝段(240)之间的精镁蒸气上升管(102)至少有一个弯头或者倾斜段，使得精镁蒸气在精镁蒸气第一冷凝段(240)中冷凝为液态精镁后，不会流回到镁液蒸发器(101)中。

19.如权利要求9所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述初镁蒸气第一冷凝段(140)与镁蒸气发生器(901)之间设置膨胀管道(801)，镁液蒸发器(101)和精镁蒸气上升管(102)位于膨胀管道(801)末端的上方，使得初镁蒸气冷凝为液态初镁并滴落的过程中，为后续通过膨胀管道(801)进入初镁蒸气第一冷凝段(140)的初镁蒸气向液态相变提供形核的核心。

20.如权利要求19所述的镁液蒸发吸热的镁蒸气冷凝联产精镁的装置，其特征在于，所述膨胀管道(801)、初镁蒸气第一冷凝段(140)、精镁蒸气第一冷凝段(240)内部采用耐热钢、石墨质、碳化硅质材料，外部均有绝热材料。