CN104971677A - 一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法，将物料和气体置于容器中；容器运动；物料在自身重力作用下在容器中流动，与气体混合，并与气体发生化学反应。本发明的装置是具有作为容器的炉体单元，具有动力源通过驱动机构连接炉体单元；炉体单元内设有作为放置物料的容器的炉管，炉管连接有进气管和排气管，炉体单元内还设有阴极和阳极的电极，炉管位于电极产生的电场中。本发明使物料反应合成、化学提纯等的处理需要的气量少，提高其稳定性，实现超高纯度物料的高效率化学提纯。

Description

一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种气氛化学处理方法及其装置，尤其涉及一种在电场叠加条件下高温动态反应式气氛方法及其装置。

背景技术

各种矿物（金属、稀有金属、稀土金属、非金属）颗粒状物料（包括粉料）如石英砂（粉）、石墨、各种金属和合金、稀土等，在深加工过程中都需要诸如反应合成、化学提纯等加工处理。

以高纯石英砂的生产为例，高纯度石英砂是目前生产高品质石英玻璃的唯一原料，石英玻璃以其独特的高温热稳定性、优异的光学性能及超强的机械和化学性能，而广泛应用于电光源、光纤通讯、电子工业、太阳能、激光及航空航天等高新技术领域。但是对其纯度的要求越来越高，一般要达到99.999%以上。石英砂在高纯度提纯或生成新化合物的过程中往往需要在高温环境下与一些气体进行反应来去除杂质或进行新材料的合成。在提纯过程中一些金属元素尤其是碱金属元素钾、钠、锂等只能通过高温化学处理才能提纯。处理温度从几百度到1200度；所采用的气体往往具有较高的危险性，如氯气、氯化氢、氟化氢、氢气等。高温和高危气体的应用使相应的高温炉设备要求极高，该类设备的设计制造难度很大。目前一般采用物料与气体进行静态反应，由于物料大多是颗粒物料，导热性比较差，炉管中部和靠近炉管管壁的温度难以达到均匀一致，处理效果差、时间长、效率低、能耗大。为解决这一问题，目前有部分工艺采用流态化技术，即通过其他将物料吹起来形成悬浮状态，使之与其他有更加充分的接触，但是这种方法需要气体有一定的压力，在高温下极难实现密封，同时需要大量的气体，对气体和能源的消耗巨大，即使可以实现，其流态化的稳定性仍难控制，容易出现不均匀不稳定现象，很难实现超高纯度物料的高效率化学提纯。

随着技术的发展仅仅采用高温和特种气体的处理已经不能满足对物料性能的更高要求，技术的创新势在必行。现在化学反应及化学提纯的前沿研究中已开始研究将电磁等物理技术与之结合，形成更高效率和高端的综合处理技术。

发明内容

本发明是一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法。本发明的发明目的是使物料反应合成、化学提纯的处理需要的气量少，提高其稳定性，实现超高纯度物料的高效率化学提纯。

本发明还提供上述方法使用的装置。

本发明的技术方案是：

一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法，其特征在于：将物料和气体置于容器中；容器运动；物料在自身重力作用下在容器中流动，与气体混合，并与气体发生化学反应。

将上述物料置于电场中，物料中的带电离子在电场力的作用下加速运动与扩散，从而加速化学反应的反应速度。

上述电场可采用直流或交变或脉冲形式的电场。

一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法所使用的装置，其特征在于：具有作为容器的炉体单元，具有动力源通过驱动机构连接炉体单元；炉体单元内设有作为放置物料的容器的炉管，炉管连接有进气管和排气管，炉体单元内还设有阴极和阳极的电极，炉管位于电极产生的电场中。

上述动力源为电机，电机的输出轴连接减速器、减速器的输出轴通过皮带连接并驱动带轮、带轮连接并驱动炉体架使炉体架可以摆动，炉体架通过轴承架设在机架上、一个或一个以上的炉体单元固设在炉体架上。

上述炉体单元内设有两个炉管，炉管之间以一根直径小于炉管的紧缩段连接，每根炉管分别连接进气管，紧缩段连接排气管。也可以是每根炉管分别连接排气管，紧缩段连接进气管。

具有电极伸入炉管内，炉管外也设置有电极，位于炉管外和炉管内的电极极性相反。

炉体单元内设有加热设备。

由于多个独立的炉体单元可以以串联或并联或其他方式安装在炉体架上，炉体单元可以根据产量要求通过加长炉体架后增加炉体单元数量，而不用加大炉体单元尺寸。因此不存在因扩大产量带来的质量不稳定。

本方法是特定气体的气氛中，颗粒物料（或粉体）在自身重力作用下形成流态化，而不需要使用大量的处理气体来使物料形成流态化，同时在电场作用下实现化学反应加速。本方法中物料颗粒与气体形成充分的对流接触，具有完全相同的反应条件，只需要很少的气体就能达到处理效果、物料温度的一致性好、耗气量低。炉管中的物料处于电极所产生的电场中，物料中的带电离子在电场的作用下加速运动，从而加速物质的反应速度。本发明由于用气量小，可以采用不混合载气（如空气）的纯气体，使反应的速度更快，处理效果更好。炉体单元可根据产量要求进行增加，也就是说产量的扩大只需增加单元数，因此，产品质量稳定，不会因为扩大产能而影响产品品质。

本发明可用于各种矿物（金属、稀有金属、稀土金属、非金属）颗粒状物料（包括粉料）如石英砂（粉）、石墨、各种金属和合金、稀土等的高纯度提纯或生成新化合物。尤其需要在高温环境下与一些有毒气体进行反应来去除杂质或进行新材料的合成。温度从几百度到1000多度；所采用的气体往往具有一定的危险性，如氯气、氯化氢、氟化氢、氢气等。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1的A-A剖面示意图。

具体实施方法

如图1，图2所示：

本方法的装置由电机1、电机1的输出轴连接的减速器2、减速器2的输出轴通过皮带3连接并驱动带轮4、带轮4连接并驱动炉体架6使炉体架6可以摆动，炉体架6通过轴承5架设在机架8上、炉体单元7固设在炉体架6上。炉体单元7安装固定在炉体架6上，根据产量，炉体单元7可以串联方式并排在炉体架6上安装数个。上述电机1、减速器2、皮带3、带轮4形成传动系统，炉体单元7和炉体架6在传动系统的驱动下可实现前后倾摆，如图2下方弧形的箭头所示。

炉体单元7由：外壳16、外壳16内的保温层18；保温层18内的炉管19、炉管23，连接在炉管19、炉管23之间的紧缩段21；伸入炉管19、炉管23、紧缩段21内的阳极管25；设在炉管19、炉管23、紧缩段21外的阴极板26；设在炉管19、炉管23、紧缩段21外的电加热丝27等组成，在炉管19和炉管23上分别焊接有进气管20和进气管24，在紧缩段21上焊接有排气管22，炉管19、炉管23、紧缩段21、进气管20、进气管24、排气管22均采用高纯度耐高温材料制造。炉管19一侧的外壳16上具有加料端，炉管19与加料端外具有加料通道17，加料通道17内设有一个可拆装的高纯度石英支撑件15，一个调节螺母14设在密封板13和盖子12上而压紧支撑件15。

在生产过程中，随着炉体单元7的前后倾转，炉管（也即炉管19、炉管23）内的物料从炉管的一端经过紧缩段21流向另一端（也即从炉管19流向炉管23，或相反方向流动），而气体则从炉管的两端向紧缩段21处的排气管22流动，在这个过程中物料颗粒与气体形成充分的对流接触，只需要很少的气体就能达到处理效果、物料温度的一致性好、耗气量低。在炉管中平行于炉管轴线插入一根细小的阳极管25，阳极管25内放置一根金属电极；在炉管外面沿着圆周设置数根阴极板26，使炉管中的物料处于阳极管25和阴极板26的电极所产生的电场中。物料中的带电离子在电场的作用下加速运动，从而加速物质的反应速度。上述电极的阴极、阳极也即正负极也可以反向设置。根据物料处理的不同需要，电场可采用直流、交变、脉冲等各种方式的电场，电场强度可根据工艺的需要进行调节。

本发明由于用气量小，可以采用不混合载气（如空气）的纯气体，使反应的速度更快，处理效果更好。

炉体单元7可根据产量要求进行增加，也就是说产量的扩大只需增加单元数，因此，产品质量稳定，不会因为扩大产能而影响产品品质。

本发明可用于各种矿物（金属、稀有金属、稀土金属、非金属）颗粒状物料（包括粉料）如石英砂（粉）、石墨、各种金属和合金、稀土等的高纯度提纯或生成新化合物。尤其需要在高温环境下与一些有毒气体进行反应来去除杂质或进行新材料的合成。温度从几百度到1000多度；所采用的气体往往具有一定的危险性，如氯气、氯化氢、氟化氢、氢气等。

下面结合附图和具体实施方式，以石英砂提纯为例，对本发明的实施方法作进一步详细描述。

如图1，图2所示的结构，先将炉体架6旋转一定角度，使炉体单元7的加料端斜向上，取下其调节螺母14，打开盖子12，取下密封板13，取出高纯度石英支撑件15，用专用长嘴加料工具将被提纯物料（石英砂）通过加料通道17加入炉管19中，加入物料量为炉管19的容量的一半。装入支撑件15和密封板13，盖上盖子12，调节螺母14，压紧支撑件15和密封板13。

石英砂装填好后，启动电热丝27和阳极管25、阴极板26，加热炉管内物料，启动电机1，使炉体架6及其炉体单元7上下缓慢旋转摆动，通过进气管20、进气管24加入反应气体（氯气、氯化氢等），石英砂通过紧缩段21在气体作用下形成流态化，在电场（根据需要电场强度可从几千伏到上万伏）的作用下，与气体充分接触发生反应，多余气体通过排气管22排除回收（见图2上方三个箭头）。为达到超高纯度石英砂，可通过连续上下翻转多次，使石英砂与氯气、氯化氢等气体充分接触反应。

当达到提纯物料要求时，停止加热和电极的通电，并从进气管20、进气管24通入洁净空气或氮气吹扫物料，同时使物料适度降温，然后打开盖子12，取下密封板13，取出高纯度石英支撑件15，炉体架6倾斜一定角度，倒出高纯度石英砂。

Claims (9)

1.一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法，其特征在于：将物料和气体置于容器中；容器运动；物料在自身重力作用下在容器中流动，与气体混合，并与气体发生化学反应。

2.如权利要求1所述的一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法，其特征在于：将物料置于电场中，物料中的带电离子在电场力的作用下加速运动与扩散，从而加速化学反应的反应速度。

3.如权利要求2所述的一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法，其特征在于：电场可采用直流或交变或脉冲形式的电场。

4.一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法所使用的装置，其特征在于：具有作为容器的炉体单元，具有动力源通过驱动机构连接炉体单元；炉体单元内设有作为放置物料的容器的炉管，炉管连接有进气管和排气管，炉体单元内还设有阴极和阳极的电极，炉管位于电极产生的电场中。

5.如权利要求4所述的一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法所使用的装置，其特征在于：动力源为电机，电机的输出轴连接减速器、减速器的输出轴通过皮带连接并驱动带轮、带轮连接并驱动炉体架使炉体架可以摆动，炉体架通过轴承架设在机架上、一个或一个以上的炉体单元固设在炉体架上。

6.如权利要求4所述的一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法所使用的装置，其特征在于：炉体单元内设有两个炉管，炉管之间以一根直径小于炉管的紧缩段连接，每根炉管分别连接进气管，紧缩段连接排气管。

7.如权利要求4所述的一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法所使用的装置，其特征在于：炉体单元内设有两个炉管，炉管之间以一根直径小于炉管的紧缩段连接，每根炉管分别连接进气管，紧缩段连接排气管。也可以是每根炉管分别连接排气管，紧缩段连接进气管。

8.如权利要求4所述的一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法所使用的装置，其特征在于：具有电极伸入炉管内，炉管外也设置有电极，位于炉管外和炉管内的电极极性相反。

9.如权利要求4所述的一种在电场作用下的动态高温气氛反应方法所使用的装置，其特征在于：炉体单元内设有加热设备。