CN1062914C - 生产镁的方法 - Google Patents

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Abstract

一种生成元素镁(9-1)的连续方法。镁(9-1)由氧化镁(5)和轻质烃气体(6)生成。在本方法中，氧化镁(5)和气体(6)的进料物流(7)连续输入到反应室(4)的反应区。氧化镁(5)和气体(6)在反应区在1400℃或更高的温度下反应，提供了反应产物的连续产物物流(12)，其中包括元素镁(9-1)。离开反应区后，产物物流(12)在产物分离室(9)中被连续急冷，元素镁(9-1)与其它反应产物(9-2)分离。

Description

生产镁的方法
发明领域
本发明涉及一种由氧化镁生产金属镁，即元素镁的方法，更具体地说，涉及一种由氧化镁和甲烷生产镁的连续方法。
发明背景
镁通常由以下两种基础方法之一生产：熔融氯化镁电解成熔融金属镁和氯气，或用高硅铸铁或固体碳热还原氧化镁。电解法的缺点是为准备电解池进料需要花费大量的劳动，而且金属产率低下。此外，电解法和高硅铸铁法的能耗都很大。
镁可以在2000℃或更高的温度下用固体碳还原。还原是高吸热的，只有连续输入热量才能进行，如使用电弧。即使在低于约2000℃的温度下，镁蒸气在含有一氧化碳的气氛中也会再氧化。为了使这种再氧化最小，镁的生产方法通常包括蒸气和气体的急冷。在所谓的Hansgirg方法中，冷却是通过使用大量氢气和天然气来完成的。
美国专利2，364，742中描述了一种用甲烷还原氧化镁的循环方法。该文献指出，在高温下，甲烷被热分解成氢气和碳，使得还原固体氧化镁的效率相对较低。因此，提出以非连续的方式(in anabrupt manner)向加热的固体上施以甲烷气体以防止甲烷在反应之前分解。更具体地说，固体氧化镁与如焦炭的固体碳材料掺混，将该混合物引入反应器。一股充分预热的空气流过混合物，直到足够量的焦炭被燃烧使混合物的温度升高到氧化镁的还原温度以上。中断该股空气，向混合物中引入一股甲烷或天然气。然后，冷凝镁蒸气，并与气体分离。因此，该过程是一种氧化镁还原的断续或循环过程。
在Elkins，D.A等人向US Bureau of Mines所做的研究报告6046“Aneconomic and technical evaluation of magnesiumproduction methods(镁生产方法的经济和技术评价)(in three parts)2.Carbothermic(碳热法)”中，描述了用于Permanente镁厂的碳热还原方法。在该方法中，氧化镁和焦炭被粉碎、压块并输入到氢气氛的电弧还原炉中。离开炉时，镁蒸气和一氧化碳在天然气中急冷。
美国专利4，290，804描述了一种方法，在该方法中，通过喷洒优选加热到接近镁汽化点温度的液体镁，冲击冷却(shock cooling)蒸气组合物，从基本上由一氧化碳和镁蒸气组成的过热气体中回收镁。液体镁立即汽化，同时吸收大量热量，因此，蒸气混合物被冷却到稍微高于镁的汽化温度。所得到的蒸气镁通过冷凝回收产生熔融镁产品。
需要一种更有效、更经济的方法以生产金属镁，如在常压下用便宜的进料连续操作。
发明概述
本发明提供了一种由氧化镁和甲烷连续生产金属镁的方法。本发明方法包括混合氧化镁和轻质烃气体形成进料物流，向反应区连续供应物流，使氧化镁和气体在约1400℃或更高的温度下反应以提供反应产物的产品物流，反应产物包括未转化的进料和所需的元素镁产物，急冷含有反应产物的产品物流，分离回收元素镁。
用于本方法的氧化镁(MgO)可以是氧化镁，氧化镁矿(如烧结白云石(calcined bolomite){(CaO)x(MgO)y})或氧化镁前体，如白云石{(CaCO3)2(MgCO3)6}、碳酸镁、氢氧化镁，以及这些材料的任何混合物。当使用氧化镁前体时，优选在与轻质烃气体混合前烧结前体。
轻质烃气体是C1-C3气体，即甲烷、乙烷、丙烷或其混合物。在本发明方法中优选使用甲烷或天然气。在使用甲烷的情况下，反应如下：
然后，使用合适的技术分离金属Mg与其它产物，并回收，例如在低温表面上冷凝，与浴、物流或喷雾冷却流体接触，如熔融的镁，需要的话，接着通过再熔化、蒸馏、与镁闪蒸等适当方式进行纯化。
优选地，反应在连续反应器中进行，其中，气体物流与反应产品物流换热进行预热。反应器中的反应温度可以使用能量源提供，在空气或富氧空气或氧气中燃烧合适的燃料，其中氧化剂(如空气)可以预热或不预热，和/或使用电加热，包括电弧放电，如热等离子体(thermal plasma)。合适燃料包括天然气、甲烷、H2或CO。在分离镁后可以从反应式(1)所述的反应产物中获得H2和CO。用于加热或其他过程中应用的电可以通过任何合适的方法产生，例如，在带有或不带联合循环的汽轮机中燃烧CH4或其它合适的燃料。作为一种选择，可以使用燃料电池用氢气副产物产生电。
附图简述
图1是描述本发明方法的一个实施方案的示意流程图。
图2是按本发明的实施方案生产镁的连续反应器的示意图。
图3是描述本发明方法另一实施方案的示意流程图。
图4是描述本发明一个实施方案中用于产生电弧的电极结构示意图。
图5是等离子体反应器以及相关气体和固体处理设备的示意图，包括用于本发明方法实施方案的实验室操作的产物收集设备。
图6是与图5设备相连用于实施本发明方法的等离子体反应器的示意图。
图7是甲烷流量为20标准升/分钟(slpm)时，在不同MgO：甲烷摩尔进料比率下，氧化镁转化为镁的转化率％与电弧能量的关系曲线。
图8是在两种不甲烷流量下，氧化镁转化为镁的转化率％与电弧能量的关系曲线。
图9是MgO∶甲烷摩尔进料比率为1.15∶1时，在不同甲烷和氩气流量下，氧化镁转化为镁的转化率％与电弧能量的关系曲线。
图10是MgO∶甲烷摩尔进料比率为1.15∶1时，在两种不甲烷流量下，氧化镁转化为镁的转化率％与电弧能量的关系曲线。
图11是甲烷流量为10slpm时，在两种MgO∶甲烷摩尔进料比率下，转化率％与电弧能量的关系曲线。
图12是等离子体反应器、冷却室，以及收集探测器与反应器之间关系的示意图。
发明的详细描述和优选实施方案
按照本发明，提供了一种由(ⅰ)氧化镁(MgO)或氧化镁前体材料和(ⅱ)甲烷或天然气或其它轻质烃或气体混合物制备金属镁的连续方法。参看图1、2、3和4，本方法的方案将按优选实例进行详细描述。氧化镁5和天然气6输入到预混合室1中(参看图1)，并混合，在预混合室内的温度足够低，进料物流中的起始材料不会发生有意义的反应。通常使用大约650℃或更低的温度。
然后，氧化镁和天然气的混合物，即进料物流7，被输入到主反应室4中，反应室被密封或封闭在适当的外壳容器2中。室4可以考虑具有某些区域(参看图2)。在室4中的区域14的上部，混合物被快速加热到足够高的温度，在该温度下能以可接受的产率形成元素镁(Mg)和一种或多种有价值的气态副产物，如一氧化碳(CO)和分子氢(H2)。所需温度至少约1400℃。优选地，所使用的温度至少约1800℃，在某些实施方案中，温度可以为约200℃，或更高。例如，当进料气体由主要为甲烷(CH4)的天然气组成时，反应式(1)说明了通过本发明方法生产元素镁的总化学反应。产物和未反应进料在区域14的下部部分冷却，然后，通过管线12转移到产物分离室9(图1)，从产品物流中分离元素镁。镁可以送去储存、进一步纯化，或在特定过程中使用。
优选地，例如，通过粉碎制备氧化镁输入预混合室1，以至于至少85wt％是细颗粒形式的。颗粒的平均粒度优选约2-3mm或更小，进一步优选为约1mm或更小。通常平均粒度大于约1cm的颗粒小于15wt％；优选平均粒度大于约1cm的小于5wt％。在某些实施方案中，根据所用的特定设备，优选使用粒度分布更小的氧化镁，例如，85wt％的颗粒的平均粒度为约0.2mm或更小。在这里，所谓的“平均粒度”是指颗粒的粒径或颗粒的当量直径。
预混合室1可以是一个密相流化床(参看图3的室24)，传送管线，夹带管或适合于气一固混合的其它设备，对于本领域内的技术人员来说是已知的。
当使用氧化镁前体、如碳酸镁(MgCO3)，氢氧化镁(Mg(OH)2)等或类似物作为氧化镁源时，首先在本领域已知的条件下由这些原料例如通过烧结制备氧化镁。因此，在使用碳酸镁或氧化镁的情况下，例如，在独立于预混合室1的容器中进行如下反应：
Figure 9719935000081
通过本领域内已知的适当方法将固态氧化镁与二氧化碳和水分离，例如，洗出二氧化碳，冷凝水，使用旋风分离器等。然后将固体氧化镁引入预混合室1。
各种其它矿物也可以作为镁源，可用于制备本发明的固态进料物流。特别有吸引力的两种矿物是白云石-(CaCO3)a(MgCO3)b和烧结白云石-(CaO)x(MgO)y。在本发明中，烧结白云石可以基本上按使用氧化镁的方法使用。然而，烧结白云石中的氧化钙可以至少部分地转化为有用的产物碳化钙(CaC2)。由于碳化钙通过与水反应可以高产率地转化为乙炔(C2H2)，因此是具有很大工业价值的，即：
为防止进料物料中明显发生不需要的化学反应，预混合室1通常在足够低的温度下操作，通常低于650℃，优选为250℃或更低，进一步优选为125℃或更低。进料混合物7从预混合室1传送到主反应室4，在混合室4内，混合物被加热，优选快速加热到足够高的温度，以使氧化镁转化为镁。这一温度至少为1400℃，优选至少为1800℃，特别是使用某些进料加热装置时，如热等离子体，温度可以更高(2000℃或更高)。
利用本发明方法，以进入该过程的氧化镁计，在反应室4内氧化镁转化成镁的转化率至少约30％，优选约50-60％。转化了的镁可以从流出物流12中以元素镁的形式回收。在反应室4中在这一提高的温度下，反应物，即氧化镁和气体的停留时间通常至少为约0.01秒。一般来说，在1400℃或更高的温度下，停留时间通常不大于几秒。优选地，停留时间为十分之几秒。然而，优选的停留时间取决于具体条件和反应中所用的物料，包括用于快速加热进料物流7的特定方法。
在预混合室1、主反应室4、排出和传送管线12和镁分离室9中的压力通常维持高于大气压，以防止外界空气进入处理设备。在这四个区域内压力可以不同，通常至少高于大气压几英尺水柱。在某些实施方案中，为使设备最有效地操作，压力可以高达几十个大气压。
在室14的上部区域内发生反应后，冷却产物和未反应进料，优选快速冷却，以减少或防止元素镁的损失，例如与一氧化碳反应：
优选地，由再氧化引起的损失小或不明显。进行冷却的方式要有助于使转化了的镁处于便于后续回收、储存和纯化的形式。因此，在本发明的一实施方案中，从分离室9回收的镁主要是液体镁，所以被冷却的流出的气体和反应产物的温度不低于650℃，优选不低于700℃。在本发明的另一个实施方案中，从分离室9回收的镁明显且主要的是固体物质，例如以固体镁或固体材料，从后者中，易于回收元素镁。在这种情况下，反应产物的温度要冷却到低于645℃或更低，优选低于600℃或更低。在本发明的再一实施方案中，镁从固体产物或未转化固体反应物中分离出来，基本上或主要是蒸气。在这种情况下，产物的温度要冷却到不低于约1100℃。
反应产物和未转化进料的冷却可以利用本领域技术人员已知的任何方法进行。这些冷却方法包括：例如，(ⅰ)从产物的最接近的附近提取热量，即通过反应室4的壁从区域14的适当部位传递热量；或者(ⅱ)引入适当的“急冷剂”8(在这里以“Q”表示)或“急冷/回收剂”21(在这里以“Q-R”表示)，或Q和Q-R两者。在使用急冷剂8的情况下，通过物理方法向急冷剂传递热量，或利用相变，或通过急冷剂8内的包括一个或多个组分的吸化学反应，或这些方法的任何组合从反应产物提取热量。通过上述方法，急冷/回收剂21也可以从反应产物提取热量。然而，急冷/回收剂21还有助于镁重新调整为更有利于分离、储存可回收的形式，例如，通过在分离室9内进行的操作，或形成更有利于纯化或特定应用的形式。
急冷剂8或急冷/回收剂21可以在主反应室4内的某一位置引入到反应产品和未转化进料物流中，即在区域14利用注射送气室13，该送气室13已设置在区域14内，或与区域14的适当部分连通。注射送气室可以是固定的，或可拆御的，以至于在必要时Q或Q-R试剂可以输入到区域14的各部分。选择Q或Q-R试剂的注入位置有助于高产量地生产元素镁，如按反应式(1)，而不会不适当地再氧化Mg，进一步避免产生不希望的副产物，如焦炭或其它含碳固体，或者将副产物的产生降低到可接受的水平。
适合用于本发明的急冷剂Q的例子包括非反应性的固体颗粒(如耐火陶瓷颗粒)，液滴(如液体镁)，蒸气或气体，或其混合物。可以选择固体颗粒的性质以加强产物的分离，这些性质是粒径分布、形状(如球形或棒状等)、内表面积、总表面积、孔径分布、表面结构、形态等。也可以改变液滴的粒径分布以加强产物的收集。进一步说，这些试剂可以在适合于急冷过程中的元素镁或其它需要的产物的温度下，通过物理或化学方法(如熔化、蒸发、升华或改变晶体形态等)由于吸热发生状态的变化。
适合用于本发明的急冷/回收试剂Q-R的例子也包括固体颗粒、液滴、气体、蒸气以及其混合物，由于它们，元素镁可能易于分离。由于它们具有一种或多种相对于试剂Q的上述化学或物理特性，通常选择试剂Q-R。然而，本领域内的技术人员应当认识到，与试剂Q相比，对于试剂Q-R可以更大或更小地强调特性。然而，尽管试剂Q和试剂Q-R可以是类似的材料，但选择Q-R试剂以加强回收，可以结合或负载镁，以至于镁易于以元素镁的形式提取。这样，试剂Q-R可以提高产品的回收率，产品的纯度等。
产物和转化的进料经传送管线12排出反应室4，进入产物分离室9。传送管线12可以穿入室4的不同深度，可以位于室4内的任何方便的位置。传送管线也可以用于冷却反应产物，以取代注射送气室13冷却产物，或作为补充。
图1示出了产物分离室9，从结构上与主反应室4是分开的。然而，本领域内的技术人员应当认识到，分离室9可以位于主反应室内。
在分离器9中，以固体、液体、蒸气、两相或三相混合物存在的元素镁与该过程中的其它产物或未转化的进料分离。根据镁的相态，可以进行一系列的分离，例如，首先保持镁为蒸气，同时除去各种固体(在9-1处)，然后，从蒸气相中除去镁，使之与如CO和H2的气态产物(在9-2处)分离，与如甲烷(CH4)的未反应物料分离，它们可以通过管线40循环到预混合室1。
分离方法可以包括将气体和蒸气与固体分离的任何常用技术，如旋风分离、离心、多段分级冲击器(staged cascade impactors)等。正如上面所述，可以使用镁回收剂以捕集和截留元素镁。这些回收剂可能已存在于室9中，可以经进料管线22流入室9，或者利用注射送风室13在较高温度下引入反应产物中。这些试剂可以是具有特定化学组成的气体、蒸气、液体、或固体，在使用液体的情况下，具有选择的液滴粒度分布，使用固体时，具有选择的粒度分布、总表面积、内表面积、形状、孔径分布、表面结构、和形态，必要时可以选择特定设备和操作条件。可以使用任何或所有这些方法和试剂以在分离室9中以所希望的时间和方式捕集和截留镁，只要能有利于回收镁以储存、进一步纯化或特定应用。
本领域内的技术人员可以认识到，可以在室9内使用多种物理化学现象进行镁的分离或回收，例如，以液体或固体的形式冷凝或分配镁蒸气，以固体形式固化液体镁，物理吸着，化学吸着，或利用其温度、组成和结构特性，将蒸气、液体、固体或混合相镁分配到对镁具有适当亲和力基质的或基质基底(host substrate)之上或之内的其它方法。将镁溶解到液体中，或将镁引入到材料浴中的(某些材料可以是熔融的)已是可选择的方法。可以适当的方式在室9内通过捕集(必要时可以浮沉分离法)、再熔化、蒸馏、热处理、闪蒸等回收元素镁，需要的话可以结合使用这些方法。
优选地，进料物流7快速加热到所需温度。物流的快速加热可以利用本领域内技术人员已知的各种方法来实现。在本发明的优选方案中，在装置3的阴极50(负)和阳极51(正)之间电弧放电，该装置可以按图4所示构成和设置。进料物流流经电极之间，冷却流体在阳极循环。通过提供如螺线管这样的元件(在图4中未示出)，可以利用磁场来稳定或控制电弧放电。
进料物流7被引导到反应室4，优选通过电弧放电在其中加热到提高的温度，使用如甲烷作为进料气体，按照总的化学反应(1)产生元素镁。
在室4内的区域14的某些部分加热进料物流7的另一种优选方法是热传输，如从室的外壁通过辐射、对流或传导加热进料物流。例如，可以通过电加热器，或与室4和外壳2内壁之间的烟道区19内的热流体进行换热，或通过外壳2的内表面的热传导(类似于在隔焰炉内加热)加热壁。在一实施方案中，通过在空气、氧气中燃烧合适的燃料(可以预热或不预热氧化剂(如空气))、电加热、用电弧放电直接或间接加热来提供高温烟气加热主反应室4外壁。
合适的燃料包括天然气、甲烷、氢气、一氧化碳(带氧气)、组成合适的氢气/一氧化碳混合物等，例如，可以在分离镁后，由反应式(1)的流出物中获得氢气或一氧化碳或两者。用于加热、电弧放电和其它过程所需要的电可以由任何常规方法产生，例如，在气体透平中燃烧天然气或其它合适燃料作为能源的发电机、气体透平-蒸气透平联合电能循环中产生。此外，电可以由燃料电池产生，例如，燃烧氢气的电池，包括本过程的副产氢气。
图2示意地描述了一种将预混合进料7引入主反应室4用于在区域14的部分进行加热的装置15。装置15具有一个进料传送通道20，该通道由壁17和18围绕，壁17和18提供了一种通道10，流体可以通过通道10循环以控制通道20内的温度。装置15还有一壁16，与壁17一起提供了另一通道11，通道11允许预热到接近或甚至大大超过反应所需温度的流体经通道11引入主反应室4内的区域14的上部，以加速或控制来促进从通道20进入的进料物流7的加热。从通道11排出的流体还可以用来最小化或消除进料物流和/反应产物与主反应室4的壁接触。在本发明的某些实施方案中，可以通过完全省去壁16，使主反应室的壁4本身起与壁16相同的作用，来实现一个或多个这样的目的。本领域内的技术人员可以认识到或理解，在这里“流体”是指气体、液体、两者的混合物，或还含有夹带固体的气体和/或流体的混合物。
在某些情况下，除在上面讨论的低温下预混合外，准备进料的其它手段也是必要的。因此，一旦进料预混了，它可能在一定程度上预热了，例如，通过与过程的排出物流换热，或任何其它合适方式的加热，例如，以改进该过程的总的热效率。进一步说，以氧化镁形式进入过程的镁可以按如下总的反应转化为碳化镁：
Figure 9719935000141
MgC2和Mg2C3可以循环到过程中，再转化为镁，如打开阀41经管线40到容器1循环。必要的话，MgC2和/或Mg2C3可以分别与水反应转化成乙炔或甲基乙炔/或丙二烯(参看Peters和Howard的US4，921，685和5，246，550)。选择本发明方法的条件，使得反应(6)和(7)不会大量转化进料物流中将镁，而是生产元素镁，即，以输入到过程的镁计，保持从主反应室4中排出的MgC2和Mg2C3的净产率小于约15重量％，优选小于约10重量％。
进行本发明方法的设备可经这样构成或设置，为一系列相互连接的流化床或夹带床容器，它们单独地或适当地结合起来，满足上述预混合室1、主反应室4和产物分离室9的作用。图3示意地描述了这种设备的结构或设置。该设备还考虑了氧化钙作为氧化镁进料的一部分引入的情况，例如，使用烧结白云石，氧化钙转化为碳化钙，再转化为乙炔。
在图3中，容器24是预混合室，容器25是主反应室的一部分，其中进料物流被加热到反应温度并发生反应，容器26是收集从镁蒸气中分离出来的固体，使金属碳化物(例如CaC2、MgC2、Mg2C3)，如果存在这些固体的话，与蒸汽反应转化为乙炔的转换区域。未反应的固体，如氧化镁和氧化钙，以及转化成氢氧化镁、氢氧化钙的固体，以及含碳固体等从容器26中经管线30传送到再生床29，在其中，使用外部供热，或在该床中燃烧废碳或甲烷(在29-1处供应)，将氢氧化物再分别烧结成氧化镁和氧化钙。所得到的蒸汽返回容器26与补充蒸汽(在29-2处)再利用，如果必要的话，氧化镁和氧化钙从29-3循环在过程中再利用，即与新的氧化镁和氧化钙进料(在24-1处)混合在一起。
在图3所示的实施方案中，在容器25中镁被有意保持为蒸气。利用换热器36和37，从床的密相部分，或界面以上(freeboard)，或两部分，可以从容器25中取出一些热量。这样部分冷却了反应产物，避免由于与一氧化碳反应，即反应式(5)，而损失元素镁，有助于整个过程的热集成。镁蒸气、产物气体一氧化碳、氢气和未转化甲烷经管线39从容器25中传送到容器27中。
在容器27中，通过冷却、冷凝成液体，镁与这些气体分离，和/或分配到经管线31引入到容器27中的急冷/回收(Q-R)试剂上。因此，在这一实施方案中，容器27起图1的室4中区域14下部和产物分离室9的作用，管线31起注入送风室13的作用。
镁产品经管线32从容器27传送到容器28，该容器用于分离另外的镁，例如从Q-R试剂分离镁。在这个实施方案中，这是通过维持容器28内液体镁的总量，并将管线32的出口端浸在液体镁的上表面之下实现的。例如通过使用换热器38，调节容器28内所含物质的温度、混合程度以及化学环境，使之有利于回收另外的镁，例如使之与Q-R试剂分离。Q-R试剂最后形成独立于流体镁的层，将它们抽入管线33从而分离，然后循环到管线31与补充的Q-R试剂一起在容器27中再利用。从接近液体镁底部的地方将其从容器28排放到管线34中，并收集在容器35中。尽管在图3省略了处理设备和设置的细节，但是，这种设备的设置和操作是本领域内的技术人员已知的。进一步说，容器的位置是可变的，其中一些或全部可以封闭在一个较大的容器中。
本发明方法可以在图5所示的实验设备中进行。实验设备50由含有等离子体发生器的等离子体反应器61、粉末进料器52、急冷反应器出物的后反应冷却室53、样品收集系统54和93等组成。等离子体发生器系统由提供等离子反应器的电弧放电d.c.等离子体喷管、高频振荡器76(引发电弧)、控制台和AIRCO d.c.供电单元77组成，供电单元由制造商标定为83千瓦(“kW”)，能提供开环输出电压80、160和320伏(V)。
等离子体反应器61在图6中有更详细的描述。它具有一个0.75英寸的O.D.石墨阴极和1英寸的I.D.石墨阳极。阳极62由管螺纹固定在水冷黄铜阳极套管64中，套管安装在冷却室53的上部法兰58上。在阳极套管64上提供了冷却通道74。石墨阳极上部由氮化硼制成的环63电绝缘。阴极组件65包括提供支承的尼龙部件66，它对水冷铜部件67提供了支承，铜部件67形成了阴极的上部(冷却水通过中心管72提供)。尼龙部件66使阴极与阳极电绝缘，通过三个螺杆固定在阳极套管和冷却室53的上部法兰58上(其中之一为58-1)。使用低密氧化铝环68使尼龙支承部件66与阳极62热绝缘。高密氧化铝管69使尼龙支承部件与电弧辐射热隔绝。阴极顶端70由长度为1.5英寸的0.75英寸石墨棒制成，插入并塞住并与阴极的铜部件接触。在阳极和阴极之间形成环状开口71，通过该开口向反应器输入气体或其它进料。
按本领域内技术人员已知的实施方式，使用螺线管75施加一个垂直于电弧电流的磁场，使带电颗粒在垂直于其原始传输方向有一个速度分量。因此，带电颗粒在垂直于磁场的平面内运动的径迹发生弯曲。然而，颗粒的平均自由径迹(mean free path)实际上没有改变。在这种条件下，等离子体的电导更加各向异性(anisotropic)，导致了限制更好的等离子体。
以氩气为载气，用Miller Thermal，Inc.Model 1270机械轮式(wheel-type)粉末输送机52将粉末输入到反应器中。等离子体反应器安装在后反应器冷却室53的顶部，该冷却器有一水冷壁以冷却反应器的流出物，并快速急冷以回收固体和气体反应产物。气体产物被两个真空泵80、81(ⅰ)从冷却室53吸出，经过室底的烧结盘93和室下游的一组过滤器(filter train)85进入通风管86，(ⅱ)以及经过下面将进一步描述的探测器90。
由可拆御的、水冷的、气体急冷的收集探测器90构成的产物急冷和收集系统安装在冷却室53的底部。探测器是这样设计的，使得等离子体“火焰”的顶点与探测器入口91之间的距离是可调的。固体反应产物收集在烧结不锈钢过滤杯54中以进一步检测，该不锈钢杯位于探测器下游。此外，固体反应产物收集在冷却室53底部的烧结盘93上。气体样品用取样泵92收集在取样球91中。
图5中所示的其它管线是连接等离子体反应器主气体管线100、连接等离子体反应器的起动气体管线101、粉末载气管线102和103、探测器径向(radial)气体管线104、探测器急冷气体管线105。压力控制器显示于110处。可以在115加入稀释氮气。
典型的操作过程如下。首先建立氩等离子体以操作等离子体反应器，约10秒后开始输入氧化镁粉末，氧化镁粉末(以所需的流量)夹带在9立方英尺每小时(“cfh”)的氩气中(常温)并引入到等离子中。几秒钟后，建立起粉末的输入，将输入等离子体的氩气转换成甲烷，直到建立“100％甲烷”等离子体，即直到进料基本上为100％的甲烷。由氩气到甲烷的转换通常是在引入氩气等离子体后的三至五分钟内完成。在一些实验中，使用氩气和甲烷的混合物作为等离子体的进料气。
使用上述设备，改变条件，如甲烷流量(9.9-30slpm)、氩气流量(0-15slpm)、氧化镁进料流量(7.6-38.2g/min)、氧化镁与甲烷的摩尔比(0.26-1.15)、冷却室压力(652-777mm Hg)、电弧输入能量(17.3-46kW)、等离子体反应器喷嘴出口与探测器入口的距离(5-14英寸)、磁场强度(0-118G)，进行一系列实验。在实验中，氧化镁颗粒的分布(44-104μm)是不变的。
氧化镁转化为镁的转化率如图7-11所示。在这些图中，数据表示由图5和6所示设备的测定结果。在图中加上平滑的曲线以表示趋势。图7示出了甲烷流量为20标准升/分钟(slpm)时，在不同氧化镁与甲烷的摩尔比率下(·1.15∶1，°0.8∶1，_0.46∶1)转化率％与电弧能量的关系。图8表示在不同甲烷流量下转化率％与电弧能量的关系(▲10slpm，°20slpm)。图9表示氧化镁与甲烷摩尔比为1.15∶1时，在不同甲烷和氩气流量下(·10slpm甲烷+15slpm氩气，°10slpm甲烷+10slpm氩气，_10slpm甲烷但无氩气)转化率％与电弧能量的关系。图10表示氧化镁与甲烷摩尔比为1.15∶1时，在两种不同甲烷流量下(·10slpm甲烷，°20slpm甲烷)转化率％与电弧能量的关系。图11表示甲烷流量为10slpm时，在不同氧化镁与甲烷摩尔比下(·1.15∶1，°0.46∶1)转化率％与电弧能量的关系。
图12图示了冷却室53顶上的等离子体反应器61。收集探测器90安装在冷却室的底部。等离子体火焰的顶端(未示出)与探测器90之间的距离可通过将探测器末端91放置到冷却室内所要求的位置来调节。
至此，本发明已根据优选实施方案进行了详细的描述。然而，很明显，通过阅读本发明的说明书和附图，本领域内的技术人员可以在所附权利要求书的精神和范围内做出变动和改进。

Claims (22)

1．一种由含有氧化镁和轻质烃气体的原料生产元素镁的连续方法，该方法包括：向反应区连续输入含有氧化镁和气体的进料物流，在反应区内，在约1400℃或更高的温度下，使氧化镁与气体反应以提供包括元素镁的反应产物的连续产物物流，连续急冷产物物流，分离元素镁和其它反应产物。
2．权利要求1的方法，其中氧化镁经过粉碎成颗粒的预处理，85重量％或更多的氧化镁为平均粒度为约2-3mm或更小的颗粒。
3．权利要求1的方法，其中，约85重量％或更多的氧化镁为颗粒形式，其平均粒度为约1mm或更小。
4．权利要求1的方法，进一步包括将氧化镁和气体快速加热到约1400℃或更高的温度。
5．权利要求4的方法，其中加热是使用等离子体电弧放电进行的。
6．权利要求1的方法，其中急冷步骤包括将产物物流快速冷却到约1100℃或更低的温度。
7．权利要求1的方法，其中急冷步骤包括将产物物流快速冷却到约700℃或更低的温度。
8．权利要求1的方法，其中轻质烃气体包括作为主要组分的甲烷。
9．权利要求1的方法，其中元素镁以蒸气的形式分离。
10．权利要求1的方法，其中元素镁以液体的形式分离。
11．权利要求1的方法，其中元素镁以固体的形式分离。
12．权利要求1的方法，其中元素镁部分以蒸气、部分以固体的形式分离。
13．权利要求1的方法，其中元素镁部分以蒸气、部分以液体的形式分离。
14．权利要求1的方法，其中元素镁部分以液体、部分以固体的形式分离。
15．权利要求1的方法，其中元素镁部分以蒸气、部分以液体、部分以固体的形式分离。
16．权利要求1的方法，其中，约85重量％或更多的氧化镁为颗粒形式，其平均粒度为约0.2mm或更小。
17．权利要求1的方法，其中进料物流中的氧化镁源基本上由烧结白云石组成。
18．权利要求1的方法，其中进料物流中的氧化镁源基本上由氧化镁和氧化钙颗粒组成。
19．权利要求1的方法，其中反应产物包括一氧化碳和氢气，这些气体作为产品回收。
20．权利要求1的方法，其中加热是通过等离子体电弧放电进行的。
21．权利要求1的方法，其中进料物流中的氧化镁源基本上由烧结白云石组成，反应产物包括碳化钙、碳化镁或其混合物，该方法进一步包括使碳化钙、碳化镁或其混合物与水反应产生乙炔、甲基乙炔、丙二烯或其混合物的步骤。
22．权利要求1的方法，其中进料物流中的氧化镁源基本上由氧化镁和氧化钙颗粒组成，反应产物包括碳化钙、碳化镁或其混合物，该方法进一步包括使碳化钙、碳化镁或其混合物与水反应产生乙炔、甲基乙炔、丙二烯或其混合物的步骤。
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