CN106732271B - 一种减少外界气体干扰的反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减少外界气体干扰的反应装置，包括釜体、釜盖和设置在釜体内的搅拌机构，所述釜体上设置有进料管，所述进料管包括多个进料液管和惰性气体通入管；所述釜体的上部设有溢流口，所述釜体的底部设有排料口；所述溢流口处设有溢流管，所述溢流管分为釜体内管段和釜体外管段，所述釜体内管段的中部设有管径收缩段，且所述釜体内管段的管口升至釜盖附近。所述溢流管在釜体内增加特殊结构的釜体内管段，可以有效使釜内环境与外界空气隔绝，为釜体提供一个稳定的惰性气体保护的环境，有利于制备得到杂质含量低、结晶度高、紧实度高的产品。

Description

一种减少外界气体干扰的反应装置

技术领域

本发明涉及化学反应设备，具体涉及一种减少外界气体干扰的反应装置，特别涉及生产高纯、高结晶度的三元正极材料前驱体的反应装置。

背景技术

锂离子电池是新一代的绿色高能电池，在各个领域日益显示出重要作用。作为锂离子电池的重要组成部分，锂电池的正极材料决定着锂电池的性能、价格及发展，目前三元电池材料(如镍钴铝、镍钴锰等)因具有优异的综合性能而成为研究热点。其中，制备振实密度高、纯度高、结晶度好的三元正极材料前驱体，更是发展高充放电容量、高容量密度和良好循环性能的锂离子电池材料的关键。在各类锂离子电池正极材料中，镍钴锰三元正极材料由于原料成本低、具有较高的比容量和循环稳定性能而成为近期研究的热点。

目前，普遍采用共沉淀法制备镍钴锰三元材料前驱体，即将混合的金属盐溶液在络合剂的作用下与氢氧化钠沉淀得到混合金属氢氧化物沉淀。然而，该共沉淀法的反应过程中，由于溶液中存在少量的氧、以及沉淀过程中的剧烈搅拌和反应釜的密封性不严等问题，使得钴锰在沉淀过程中存在或多或少的氧化，进而导致镍钴锰共沉淀效果差，得到棕褐色的沉淀物，且该产物杂质含量高，结晶性差，使得产品一致性不高，这进一步影响了后续加工电池材料的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种反应装置，该反应装置适用于需要惰性气体保护(易受氧、CO₂等影响)的产品的制备，有利于得到杂质含量低、结晶度高、紧实度高的产品，适用于连续化生产、产品品质稳定优异的制备，尤其适用于生产高密度高结晶度的球形镍钴锰三元正极材料前驱体。

本发明提供了一种减少外界气体干扰的反应装置，所述反应装置包括釜体、釜盖以及设置在釜体内的搅拌机构；所述釜体上设置有进料管，所述进料管包括多个进料液管和惰性气体通入管；所述釜体的底部设有排料口，所述釜体的上部设有溢流口；所述溢流口处设有溢流管，所述溢流管分为釜体内管段和釜体外管段，所述釜体内管段的中部设有管径收缩段，且所述釜体内管段的管口升至釜盖附近。

优选地，所述釜体内管段的管口处距所述釜盖的距离为3-6cm。在本发明一实施方式中，所述溢流管插入釜内部分的管口距釜盖约5cm。

本申请中所述溢流管在所述釜体内的管段为中间细、两头粗(釜内的管口端、釜体内管段与釜体内壁的接触部分)的结构。所述溢流管的釜体内管段的中间部分管径收缩变小，这样可以保证溢流物料从溢流管的管径细小处流过时，填满此部分的溢流管，防止釜外的空气进入釜内，釜内的气体也不会经过溢流口流出到釜外，可以减少惰性气体的消耗量；同时，在釜内增加一段距釜盖更近的溢流管部分，釜内液体的位置就可以上升一点，可以减少釜体内的空气层。本申请中，所述溢流管的特殊结构可使釜体内的物料免于受外界氧气等的干扰，同时在惰性气体的保护下，避免发生氧化。

进一步优选地，所述釜体内管段的管径收缩段的长度占所述釜体内管段长度的1/3-2/3。

进一步优选地，所述釜体内管段靠近釜体内壁的一侧距所述釜体内壁的最大距离为3-6cm。

优选地，所述釜盖上还设有排风阀，所述排风阀连接一风管，所述风管的末端连接一引风机，所述风管的中间部位被断开，分为上风管和下风管，所述上风管上设置有一引风罩，所述上风管的断开处设有一风阀；所述下风管位于所述引风罩的下方，且部分容置于所述引风罩内。

本申请中，自所述排风阀向上的一段高度处，所述风管被断开成上下两段，下风管部分容置于位于所述引风罩内，通过釜盖上的所述排风阀和所述上风管断开处设有的风阀共同作用下，可使得釜体内的惰性气体能微量地被吸走，釜体内物料的反应过程中，维持釜内一个温度的惰性气体环境。此外，在反应开始时，也可以将釜体内的空气经此特殊结构的风管被排走。

进一步优选地，所述引风罩为喇叭口状，所述下风管的断开处在所述引风罩的最大开口之上1-10cm。

进一步优选地，自所述排风阀向上的0.5-1.5米处，所述风管被断开。即，所述下风管的长度为0.5-1.5米。

进一步优选地，所述上风管和下风管的断开处之间的距离为5-10cm。

优选地，所述搅拌机构包括搅拌轴和搅拌桨叶，所述搅拌轴上沿上下方向设置有多组搅拌桨叶。

进一步地，所述搅拌桨叶设置在所述搅拌轴的中下部。所述搅拌桨叶通过内部带键槽的联轴器与所述搅拌轴连接。

优选地，所述釜体的内壁上设置有上下分布的挡流板，所述挡流板的长度为釜体的1/2-2/3。

优选地，所述釜盖上围绕所述搅拌轴的轴口的四周设有多个进料口，所述进料管的上端分别穿出多个进料口。

本申请中，所述进料管包括多个进料液管和惰性气体通入管。优选地，所述进料管的外壁通过支架固定于所述釜体的内壁。例如可以是通过支架焊接在釜体内壁上。

优选地，所述进料液管为双层套管式。可以在保证进料液管强度的同时，还加快了料液注入至釜体内的速度，同时有利于进料液管的清洗。

优选地，所述进料管的出口端伸入至最下层的搅拌桨叶处，并转向所述搅拌桨叶的方向。这样有利于料液在釜体内快速分散。

进一步优选地，所述惰性气体通入管的数目至少为2个，其中，一个惰性气体通入管靠近一个进料液管，并插入所述搅拌桨叶处；另一个惰性气体通入管用于插入釜体内装有的物料的液面上。

更优选地，靠近所述惰性气体通入管的所述进料液管用于通入易被氧气氧化的原料。这样可使易氧化原料在进入釜体内的第一时间内就得到有效保护。

优选地，所述釜体的釜盖上还设有槽钢，所述槽钢上自底部向上安装有搅拌机架和驱动机构，所述驱动机构连接有伸入釜体内的搅拌轴，用于驱动所述搅拌轴转动。

优选地，所述反应装置的搅拌轴采用机械密封；所述反应装置的釜体和釜盖之间采用密封垫进行密封。以上密封措施可为所述反应装置提供一个相对密闭的环境。减少空气中的氧气等对釜体内的物料的影响。

本发明中的所述减少外界气体干扰的反应装置，包括釜体、釜盖和设置在釜体内的搅拌轴、和设置所述搅拌轴底部的搅拌桨叶，所述釜体的上部、底部依次设有溢流口和排料口，所述釜体上设置有进料管，所述进料管包括多个进料液管和惰性气体通入管；所述溢流口与所述釜体的连接处设有溢流管，所述溢流管分为釜体内管段和釜体外管段，所述釜体内管段的中间部分的管径收缩变小，且所釜体内管段的管口升至釜盖附近。所述溢流管在釜体内增加釜体内管段，所述釜体内管段的特殊结构，可以有效防止釜外的空气进入釜内、釜内的气体也不会经过溢流口流出到釜外，减少惰性气体的消耗量；同时，在釜内增加一段距釜盖更近的溢流管部分，还可以减少釜体内的空气层，使釜内环境与外界空气隔绝，为釜体提供一个稳定的惰性气体保护的环境，有利于制备得到杂质含量低、结晶度高、紧实度高的产品。

本发明实施例的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。

附图说明

图1为本发明实施例中所述反应装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中溢流管的结构示意图；

图3为本发明实施例中釜内气氛的控制示意图；

图4为本发明实施例中釜盖的俯视图。

本申请中各标号如下：釜体1，釜盖2，釜身11，釜底12，搅拌轴3，搅拌桨叶4，进料管5，溢流管6，釜体内管段61，釜体外管段62，挡流板7，夹套8，槽钢9，搅拌机架10，驱动机构11；排风阀21，风管22，引风机23，引风罩24，风阀25，上风管221，下风管222；溢流口N1，排料口N2，夹套进口N8，夹套出口N9，人孔N10，镍钴锰盐溶液进料阀N3，沉淀剂进料阀N5，络合剂剂进料阀N4，惰性气体阀N6、N7。取样阀N11，搅拌轴的轴口31。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请一并参阅图1-图4，为本发明优选实施例提供的一种减少外界气体干扰的反应装置的结构示意图。所述反应装置适用于需要惰性气体保护(易受氧、CO₂等影响)的产品的制备，尤其适用于生产高密度高结晶度的球形镍钴锰三元正极材料前驱体。

所述反应装置包括釜体1、釜盖2，所述釜体1和釜盖2构成一反应腔。所述釜体1包括釜身11和与釜身11相连的釜底12。所述釜体1内设有搅拌轴3和搅拌桨叶4；与搅拌轴4相连的驱动结构11也设置在釜盖2上。

所述釜底12为圆弧形，所述釜身为圆柱形(釜身也可称为“釜体直段”)，进一步地，所述圆柱体的直径与高度比为1：(1.2-2)。

所述釜体1外周还围设有夹套8，所述夹套8上设置有夹套进口N8、夹套出口N9。进一步优选地，所述夹套进口N8位于所述夹套8的底部，所述夹套出口N9位于所述夹套8的上部。所述夹套8的腔体内可以通入蒸汽或冷凝水。进一步优选地，所述溢流口N1与所述夹套出口N8分别设置在所述釜体1侧壁的不同侧。

釜盖22上还设有槽钢9，所述槽钢9上自底部向上安装有搅拌机架10和驱动机构11，所述驱动机构11连接有伸入釜体1内的搅拌轴3，所述驱动机构11用于驱动所述搅拌轴3转动。

所述搅拌机架10具有双层支点。所述驱动机构11包括电机和电机下端连接的减速机。所述槽钢9用于支撑所述搅拌机架10和驱动机构11，所述搅拌机架10具有双层支点，所述减速机的减速比较低，可以实现高搅拌速度的同时保持较高稳定性。

所述釜体1上设置有进料管5，所述进料管5包括多个进料液管和惰性气体通入管，釜盖2上还设有与各进料管5相对应的进料口和进料阀门。

所述釜体1的上部(侧壁上部)设有溢流口N1，所述釜体1的底部设有排料口N2。所述釜体1底部设置的排料口N2，用于在每个生产周期结束情况下排出釜内物料等。所述釜体1上部设置的溢流口N1，用于溢流出合成的产品(如镍钴锰前驱体)，作为后续正极电池材料的制备原料。

所述溢流口N1与所述釜体1的连接处设有溢流管6，所述溢流管6分为釜体内管段61和釜体外管段62，所述釜体内管段61的中间部分的管径收缩变小(即，釜体内管段61的中部设有管径收缩段)，且所釜体内管段61的管口升至釜盖2附近。

进一步地，所述釜体内管段61的管口处距所述釜盖2的距离为3-6cm。在本发明一实施方式中，所述溢流管6插入釜内部分的管口距釜盖2约5cm。

图2为本发明实施例中溢流管6的结构示意图。图2中的A为图1中溢流管6的放大图。图2中A为釜体内管段的管口端垂直于所述釜盖，图2中B、C为釜体内管段的管口端平行于所述釜盖，还可以是倾斜成一定角度。本申请溢流管6的釜体内管段62的中部的管径收缩变小。所述收缩可以是逐渐缩小或阶梯式突变，只要保证釜体内管段中部的管径小于两端的管径即可，并不限于本申请图2中所列出的几种情况。

所述溢流管6在所述釜体1内的管段为中间细、两头粗(釜内的管口端为一头、釜体内管段61与釜体1内壁的接触部分为一头)的结构。所述溢流管6的釜体内管段61的中间部分管径收缩变小，这样可以保证溢流物料从溢流管6的管径细小处流过时，填满此部分的溢流管6，防止釜外的空气进入釜内，釜内的气体也不会经过溢流口N1流出到釜外，可以减少惰性气体的消耗量；同时，在釜内增加一段距釜盖2更近的溢流管部分，釜内液体的位置就可以上升一点，可以减少釜体1内的空气层。本申请中，所述溢流管6的特殊结构可使釜体1内的物料免于受外界氧气等的干扰，同时在惰性气体的保护下，避免发生氧化。

进一步地，所述釜体内管段61的管径收缩段管径的最大缩小幅度应小于90％；最小缩小幅度应大于10％。

进一步地，所述釜体内管段61的管径收缩段的长度占所述釜体内管段61长度的1/3-2/3。

请参见图3和图4，所述釜盖2上还设有排风阀21，所述排风阀21连接一风管22，所述风管22的末端连接一引风机23，所述风管22的中间部位被断开，分为上风管221和下风管222，所述上风管221上设置有一引风罩24，所述上风管221的断开处设有一风阀25；所述下风管222位于所述引风罩24的下方，且部分容置于所述引风罩24内。

现有技术中釜盖上的风阀通常直接连接一引风机，在对釜体内进行气氛控制时，通常会将釜体内的惰性气体大量地抽走，增加对惰性气体的消耗，不利于平稳控制釜内气氛，另外还存在风阀关不严的风险。本申请中，自所述排风阀21向上的一段高度处，所述风管22被断开成上下两段，下风管222部分容置于位于所述引风罩24内，通过釜盖2上的所述排风阀21和所述上风管221断开处设有的风阀25共同作用下，可使得釜体1内的惰性气体能微量地被吸走，降低对惰性气体的消耗，在釜体1内物料的反应过程中，为釜内提供一个稳定的惰性气体环境。此外，在反应开始时，也可以将釜体1内的空气经此特殊结构的风管被排走。

进一步地，引风罩24被构造为允许气体通过的锥形腔体，呈现为一端开口大、一端开口小的喇叭形。可将引风罩24的形状称为“喇叭口”状。所述下风管222的断开处在所述引风罩24的最大开口之上，所述下风管222的断开处距所述引风罩24的最大开口的距离l为10-20cm。

进一步地，自所述排风阀21向上的0.5-1.5米处，所述风管被断开。即，所述下风管222的长度为0.5-1.5米。

进一步地，所述上风管221和下风管222的断开处之间的距离h为1-10cm。

所述搅拌轴3上沿上下方向设置有多组搅拌桨叶4，所述搅拌桨叶4设置在所述搅拌轴3的中下部。所述搅拌桨叶4通过内部带键槽的联轴器与所述搅拌轴3连接。

优选地，所述搅拌桨叶4为1-3组。每组搅拌桨叶4上下设置于所述搅拌轴3上。在本发明一实施例中，所述搅拌轴3上设有上下两层搅拌桨叶4。

进一步地，所述搅拌桨叶4的直径为所述釜体1直径的0.25-0.45。

所述釜体1的内壁上设置有上下分布的挡流板7，所述挡流板的长度为釜体直段的1/2-2/3。所述挡流板可以强化物料之间的碰撞。其中，所述釜体直段是指除弧形釜体底部之外的釜体部分(釜身)。

所述釜盖2上围绕所述搅拌轴3的轴口31的四周设有多个进料口，所述进料管5的上端分别穿出多个进料口。

本申请中，所述进料管5包括多个进料液管和惰性气体通入管。优选地，所述进料管5的外壁通过支架固定于所述釜体1的内壁。例如可以是通过支架焊接在釜体1内壁上。

进一步地，所述进料液管的出口端(下端)伸入至最下层的搅拌桨叶4处，并且所述进料管5的出口转向所述搅拌桨叶4的方向。这样有利于料液在釜体1内快速分散。

优选地，所述进料液管为双层套管式。外层是固定在所述釜盖2上的，内层直接插入进料液管的外层管道，靠外层固定。要清洗进料液管时，可以直接将所述进料液管的内层拿出来清洗。所述双层套管式的进料液管可以在保证进料液管强度的同时，还加快了料液注入至釜体1内的速度，同时有利于进料液管的清洗。

进一步优选地，所述惰性气体通入管的数目至少为2个，其中，一个惰性气体通入管靠近某一个进料液管，并插入所述搅拌桨叶4处；另一个惰性气体通入管用于插入釜体1内装有的物料的液面上。

更优选地，插入釜体1内的惰性气体通入管与所述釜体1内物料液面的距离为1-3cm。这样可尽量驱除釜内进料管道引入的溶解氧。

更优选地，靠近惰性气体通入管的所述进料液管用于通入易被氧气氧化的原料。这样可使易氧化原料在进入釜体1内的第一时间内就得到有效保护。

具体地，对于制备镍钴锰三元正极材料前驱体来说，所述釜盖2上至少设有3个进料液管和2个惰性气体通入管，以及相应的进料口、进料阀。参见图4中釜盖的俯视图，釜盖圆周的外围是釜盖的支座。图4中可以看到溢流口N1和夹套出口N8。同时，所述釜盖2上围绕所述搅拌轴3的轴口31的四周设有多个进料口，多个所述进料管5的上端分别穿出多个进料口。其中，N3为镍钴锰盐溶液进料阀，N4为络合剂剂进料阀，N5为沉淀剂进料阀，N6、N7分别为惰性气体阀；分别连接相应的进料液管和惰性气体通入管。釜盖2上还设置有人孔N10，主要用于打开所述釜体，观察反应状况或对釜体内部进行清洗、检修等。

其中，3个进料液管分别用于向所述釜体1内通入镍钴锰混合盐溶液、沉淀剂、络合剂。有1个惰性气体通入管靠近通入镍钴锰混合盐溶液的进料液管，另一个惰性气体通入管插入釜体1内装有的物料的液面上。这一可以保证混合盐溶液中易于氧化的钴锰在一进入釜体1内就有惰性气体的保护，同时釜内物料夹杂的溶解氧也被尽量驱除，可以尽量避免钴锰在沉淀过程中发生氧化，进而提高镍钴锰的共沉淀效果。显然地，对于其他反应体系而言，可根据反应原料来选择进料液管和惰性气体通入管的数目。

所述反应装置的搅拌轴3采用机械密封；所述反应装置的的釜体1和釜盖2之间采用密封垫进行密封。以上密封措施可为所述反应装置提供一个相对密闭的环境。减少空气中的氧气等对釜体1内的物料的影响。

本发明中的所述反应装置，所述溢流管在釜体内增加特殊结构的釜体内管段，可以有效防止釜外的空气进入釜内、釜内的气体也不会经过溢流口流出到釜外，减少惰性气体的消耗量；同时，在釜内增加一段距釜盖更近的溢流管部分，还可以减少釜体内的空气层，使釜内环境与外界空气隔绝，为釜内提供一个稳定的惰性气体保护的环境，有利于制备得到杂质含量低、结晶度高、紧实度高的产品。

以上所述是本发明的优选实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种减少外界气体干扰的反应装置，其特征在于，所述反应装置包括釜体、釜盖以及设置在釜体内的搅拌机构；所述釜体上设置有进料管，所述进料管包括多个进料液管和惰性气体通入管；所述釜体的底部设有排料口，所述釜体的上部设有溢流口；所述溢流口处设有溢流管，所述溢流管分为釜体内管段和釜体外管段，所述釜体内管段的中部设有管径收缩段，且所述釜体内管段的管口升至釜盖附近。

2.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述釜体内管段的管口处距所述釜盖的距离为3-6cm。

3.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述釜体内管段的管径收缩段的长度占所述釜体内管段长度的1/3-2/3。

4.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述釜盖上还设有排风阀，所述排风阀连接一风管，所述风管的末端连接一引风机，所述风管的中间部位被断开，分为上风管和下风管，所述上风管上设置有一引风罩，所述上风管的断开处设有一风阀；所述下风管位于所述引风罩的下方，且部分容置于所述引风罩内。

5.如权利要求4所述的反应装置，其特征在于，所述引风罩为喇叭口状，所述下风管的断开处在所述引风罩的最大开口之上1-10cm。

6.如权利要求4所述的反应装置，其特征在于，自所述排风阀向上的0.5-1.5米处，所述风管被断开。

7.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述搅拌机构包括搅拌轴和搅拌桨叶，所述搅拌轴上沿上下方向设置有多组搅拌桨叶；所述釜体的内壁上设置有上下分布的挡流板，所述挡流板的长度为所述釜体的1/2-2/3。

8.如权利要求7所述的反应装置，其特征在于，所述进料液管为双层套管式，所述进料液管的出口端伸入至最下层的搅拌桨叶处，并转向所述搅拌桨叶的方向。

9.如权利要求7所述的反应装置，其特征在于，所述惰性气体通入管的数目至少为2个，其中，一个惰性气体通入管靠近一个进料液管，并插入所述搅拌桨叶处；另一个惰性气体通入管用于插入釜体内装有的物料的液面上。

10.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述反应装置的搅拌轴采用机械密封；所述反应装置的釜体和釜盖之间采用密封垫进行密封。