CN113621798B - 一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统，其特征在于，包括锌粉加热装置、锌粉喷射装置和净化容器，所述锌粉加热装置用于将锌粉加热到固定温度，所述锌粉喷射装置用于将高温锌粉组装成高压锌粉弹并将锌粉弹喷射进所述净化容器的硫酸锌溶液中，所述净化容器用于吸收锌粉与硫酸锌溶液反应生成的热量使所述硫酸锌溶液始终保持在固定温度。本发明通过控制每次锌粉弹中包含的锌粉量，以及发射锌粉弹的时间间隔，使得锌粉与硫酸锌溶液反应始终处于适宜的反应环境下，从而提高了净化效率以及降低锌粉的使用成本。

Description

一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统

技术领域

本发明涉及生产控制技术领域，尤其涉及一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统。

背景技术

通过锌粉与硫酸锌溶液进行置换反应来去除硫酸锌溶液中的杂质金属离子时常用的硫酸锌净化方法，而现有研究表明，高温高压的锌粉能够提高净化效率，但锌粉在置换反应过程中会产生热量，以及高温锌粉自身的热量均会让硫酸锌液体升温，而硫酸锌液体与锌粉之间的温差降低会削弱净化效率，因此，如何控制硫酸锌溶液与锌粉的反应环境是当前需要面对的问题。

现在已经开发出了很多硫酸锌净化系统，经过我们大量的检索与参考，发现现有的净化系统有如公开号为KR1020010055872A，KR1020040106798A、CN102492842B和KR1020100010637A所公开的系统，包括：向硫酸锌溶液中加入锌粉进行净化反应的步骤，还包括在加入锌粉后，调整硫酸锌溶液酸度的步骤，具体操作如下a)检测加入锌粉后的硫酸锌溶液的BT值；b)根据a)中获得的BT值向硫酸锌溶液中加入酸性溶液；c)重复步骤a)到步骤b)至硫酸锌溶液的BT值为1.2-2.0。但该系统时通过控制酸碱性来提高净化效率，与用高温高压锌粉净化相比，净化效率低下；

发明内容

本发明的目的在于，针对所存在的不足，提出了一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统，

本发明采用如下技术方案：

一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统，其特征在于，包括锌粉加热装置、锌粉喷射装置和净化容器，所述锌粉加热装置用于将锌粉加热到固定温度，所述锌粉喷射装置用于将高温锌粉组装成高压锌粉弹并将锌粉弹喷射进所述净化容器的硫酸锌溶液中，所述净化容器用于吸收锌粉与硫酸锌溶液反应生成的热量使所述硫酸锌溶液始终保持在固定温度；

所述净化容器内包含容器主体、相变材料内衬和温度调节杆，所述容器主体用于承载硫酸锌液体，所述温度调节杆的两端与所述相变材料内衬连接，所述温度调节杆的非两端部分处于硫酸锌液体中并能快速的吸收锌粉与硫酸锌液体反应产生的热量，吸收的热量传导至所述相变材料内衬中，所述相变材料内衬能够存储大量的热量而使硫酸锌溶液保持在一定的温度范围内；

所述锌粉加热装置包括管体、加热管和计量管，所述加热管位于所述管体的中部偏上，用于对加入的锌粉进行加热，所述计量管位于所述管体的下部，为细长结构，通过控制所述计量管下方开口的时长来控制进入到所述锌粉喷射装置中的锌粉量；

所述锌粉喷射装置包括惰性气体箱、喷射管、装填组件、驱动组件和控制模块，所述惰性气体箱用于提供包裹在锌粉周围以及填充在所述喷射管内的惰性气体，所述装填组件包括一个腔体，用于在锌粉的高压气体外形成一层薄膜并构成一个锌粉弹，所述驱动组件用于提供使所述锌粉弹在所述喷射管内移动以及喷射出喷射管的动力，所述控制模块用于控制每个锌粉弹中的锌粉量以及喷射锌粉弹的时间间隔；

第i次锌粉弹中的锌粉量V_i为：

其中，V_max为锌粉弹中包含锌粉的最大体积，n为需要喷射锌粉弹的次数，i的取值范围为1至(n-1)；

第n次锌粉弹中的锌粉量V_n为：

其中，V_总为净化硫酸锌溶液需要的锌粉总体积量；

而喷射锌粉量为V的锌粉弹与下一次喷射锌粉弹的时间间隔t′为：

其中，c为锌粉的比热容，ΔT为硫酸锌溶液与锌粉的温度差，Q为单位体积的锌粉参与置换反应释放的热量，p为温度调节杆的吸热速率；

进一步的，所述V_max的最大取值为42.3cm³，所述装填组件根据V_max来设计腔体体积；

进一步的，所述净化容器还包括热散失保护盖，所述热散失保护盖中心设有喷射入口，所述锌粉喷射装置通过所述喷射入口将锌粉弹喷射进净化容器中，所述热散失保护盖起到防止溅射以及削弱热量传递的作用；

进一步的，所述净化容器内还包括分离隔板，当净化完成后产生的杂质会保留在所述分离隔板的上侧无法通过，硫酸锌溶液能够透过所述分离隔板，并通过所述净化容器下方的出液口处进行收集；

进一步的，需要喷射锌粉弹的次数n为：

本发明所取得的有益效果是：

本系统通过两个方面来稳定净化环境，第一是利用容器吸收热量来对抗反应产生的热量，第二是控制锌粉的量以及喷射频率，容器通过温度调节杆来吸热，并利用相变材料来储热，使得多余的热量能够快速的从溶液传递到相变材料中，且不引起较大的不利影响，通过实际测试获得净化效率最高的锌粉量，并以此为基准不断降低后续的锌粉弹中的锌粉含量，严格控制两次锌粉弹喷射的时间间隔，使得每次喷射的锌粉弹都能在适宜环境下完成置换反应。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1为整体结构框架示意图；

图2为净化容器中热量传递方向示意图；

图3为锌粉加热装置结构示意图；

图4为锌粉弹组装喷射流程示意图；

图5为锌粉体积与净化效率关系表示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内，包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一。

本实施例提供了一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统，包括锌粉加热装置、锌粉喷射装置和净化容器，所述锌粉加热装置用于将锌粉加热到固定温度，所述锌粉喷射装置用于将高温锌粉组装成高压锌粉弹并将锌粉弹喷射进所述净化容器的硫酸锌溶液中，所述净化容器用于吸收锌粉与硫酸锌溶液反应生成的热量使所述硫酸锌溶液始终保持在固定温度；

所述净化容器内包含容器主体、相变材料内衬和温度调节杆，所述容器主体用于承载硫酸锌液体，所述温度调节杆的两端与所述相变材料内衬连接，所述温度调节杆的非两端部分处于硫酸锌液体中并能快速的吸收锌粉与硫酸锌液体反应产生的热量，吸收的热量传导至所述相变材料内衬中，所述相变材料内衬能够存储大量的热量而使硫酸锌溶液保持在一定的温度范围内；

所述锌粉加热装置包括管体、加热管和计量管，所述加热管位于所述管体的中部偏上，用于对加入的锌粉进行加热，所述计量管位于所述管体的下部，为细长结构，通过控制所述计量管下方开口的时长来控制进入到所述锌粉喷射装置中的锌粉量；

所述锌粉喷射装置包括惰性气体箱、喷射管、装填组件、驱动组件和控制模块，所述惰性气体箱用于提供包裹在锌粉周围以及填充在所述喷射管内的惰性气体，所述装填组件包括一个腔体，用于在锌粉的高压气体外形成一层薄膜并构成一个锌粉弹，所述驱动组件用于提供使所述锌粉弹在所述喷射管内移动以及喷射出喷射管的动力，所述控制模块用于控制每个锌粉弹中的锌粉量以及喷射锌粉弹的时间间隔；

第i次锌粉弹中的锌粉量V_i为：

其中，V_max为锌粉弹中包含锌粉的最大体积，n为需要喷射锌粉弹的次数，i的取值范围为1至(n-1)；

第n次锌粉弹中的锌粉量V_n为：

其中，V_总为净化硫酸锌溶液需要的锌粉总体积量；

而喷射锌粉量为V的锌粉弹与下一次喷射锌粉弹的时间间隔t′为：

其中，c为锌粉的比热容，ΔT为硫酸锌溶液与锌粉的温度差，Q为单位体积的锌粉参与置换反应释放的热量，p为温度调节杆的吸热速率；

所述V_max的最大取值为42.3cm³，所述装填组件根据V_max来设计腔体体积；

所述净化容器还包括热散失保护盖，所述热散失保护盖中心设有喷射入口，所述锌粉喷射装置通过所述喷射入口将锌粉弹喷射进净化容器中，所述热散失保护盖起到防止溅射以及削弱热量传递的作用；

所述净化容器内还包括分离隔板，当净化完成后产生的杂质会保留在所述分离隔板的上侧无法通过，硫酸锌溶液能够透过所述分离隔板，并通过所述净化容器下方的出液口处进行收集；

需要喷射锌粉弹的次数n为：

实施例二。

本实施例包含上述实施例的全部内容，结合图1，本实施例提供了一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统，包括锌粉喷射装置、锌粉加热装置和净化容器，所述锌粉加热装置将锌粉加热后注入所述锌粉喷射装置中，所述锌粉喷射装置将高温的锌粉外侧包裹一层高压惰性气体形成一个锌粉弹，并将所述锌粉弹喷射进所述净化容器的硫酸锌溶液中，所述净化容器用于存储硫酸锌溶液并提供一个温度稳定的环境，使得所述锌粉弹中的锌粉能与硫酸锌溶液快速的反应从而置换出其它金属杂质；

所述净化容器包括主体和设置在主体内的的相变材料内衬，所述主体被构造成具有至少一个侧壁和底部，所述侧壁和底部限定了相变材料内衬容器，所述相变材料内衬被构造成设置在相变材料内衬容器中；

所述净化容器还包括热散失保护盖，其设置在所述净化容器的开口端并且可拆卸地连接到主体或相变材料内衬的顶端，并且至少部分地覆盖净化容器；

所述热散失保护盖包括形成在热散失保护盖的中心体的喷射入口，所述喷射入口允许所述锌粉喷射装置将高温高压锌粉喷射到净化容器中，所述净化容器内部还包括分离隔板，所述分离隔板设置在周边与所述相变材料内衬接触并遇净化容器底部设有一定间隔；

所述热散失保护盖构造成可操作地以基本上不透液的方式与相变材料内衬可移除地接合，具体地，所述热散失保护盖上设有保持环，通过所述保持环的内表面与相变材料内衬螺纹地接合；所述热散失保护盖还包括密封件，所述密封件围绕连接在所述保持环的外表面；

所述相变材料内衬具有腔体，所述腔体内设有被构造成保持期望温度的相变材料，结合图2，所述相变材料与温度调节杆接触，使得热能在温度调节杆与相变材料之间传递，所述相变材料内衬被构造成气密性的，使得净化容器中的液体不会泄露、迁移进相变材料中的腔体中；

所述温度调节杆的两端固定在所述相变材料内衬中，所述净化容器内设有多个温度调节杆，所述温度调节杆设置在不同高度的水平平面内，所述水平平面为等差分布，同一水平平面内设有两条温度调节杆，所述两条温度调节杆相互平行且相距(1/3)D，所述D为所述相变材料内衬的内径，而所述相变材料内衬的圆心到温度调节杆的距离为(1/6)D，高温高压锌粉在喷射进净化容器中时不会与所述温度调节杆触碰，所述温度调节杆能快速地吸收因高温高压锌粉使硫酸锌溶液升温的热量并使硫酸锌溶液保持在预设温度范围内；

结合图2，所述净化容器内包括设置在相变材料内衬腔体内的一个或多个散热器，所述散热器连接到净化容器的内壁上，所述散热器内设有多个导热导管，所述导热导管连接在净化容器内壁与相变材料之间，所述导热导管由高导热金属制成；

所述锌粉加热装置为一管道结构，所述锌粉加热装置的一端为锌粉添加口，另一端插入所述锌粉喷射装置，所述锌粉加热装置中部靠近锌粉添加口的部分内部设有加热管，所述加热管与所述锌粉喷射装置之间的部分设有计量管，所述计量管用于控制进入所述锌粉喷射装置中的锌粉的量；

结合图3，所述加热管为上下两端可开闭的容器，所述加热管外壁上装有加热器件，所述加热管壁具有良好的导热性，在添加锌粉时，所述加热管的下开口关闭，上开口打开，锌粉添加完毕后，上开口关闭并启动加热器件，所述加热管内的锌粉加热一定时间后，打开下开口，使高温锌粉进入所述计量管中；

所述计量管为细长结构，所述计量管下方设有阀门，通过控制所述阀门打开的时长来控制进入到所述锌粉喷射装置中锌粉的量，所述计量管的横截面为S，则进入所述锌粉喷射装置中的锌粉的体积V为：

V＝S·kt；

其中，k为锌粉掉落速率，通过实际测试获得，t为阀门打开的时间；

结合图4，所述锌粉喷射装置包括惰性气体箱、喷射管、装填组件、驱动组件和控制模块，所述装填组件安装于所述喷射管内部，所述装填组件上设有两个接口，一个接口与所述加热管的输出端相连，另一个接口与所述惰性气体箱的输出端相连，所述加热管、所述惰性气体箱与接口的连接方式均为可拆卸连接，锌粉在所述装填组件内被惰性气体包裹成锌粉弹后，在驱动组件的驱动下向所述喷射管前端移动，所述控制模块打开位于喷射管前端的阻挡片，并提高所述驱动组件形成的压强，使得锌粉弹快速脱离喷射管并进入硫酸锌溶液中；

所述喷射管内部和装填组件内部充满由所述惰性气体箱提供的惰性气体，所述喷射管内部的气压高于标准大气压，所述驱动组件为安装于所述喷射管尾部的密封管，所述密封管一端为可开闭的阀门，另一端为活塞，当阀门打开时，所述密封管与喷射管连通处于相同的气压，当阀门关闭后，调节活塞的位置使得密封管内的气压高于喷射管内的气压，在此打开时，密封管内的高压会推动喷射管内的锌粉弹向前移动，所述驱动组件根据打开阀门时活塞的不同位置来提供不同的驱动力；

所述装填组件包括球形腔室，当锌粉进入所述球形腔室后，控制惰性气体的供量使得腔室内的气压与所述喷射管内的气压保持一致，所述球形腔室内壁生成一层薄膜，所述薄膜、薄膜内的惰性气体和薄膜内的锌粉构成一个锌粉弹，由于薄膜内的惰性气体形成的气压与喷射管内的气压相同，所述薄膜在喷射管内不会破裂。

实施例三。

本实施例包含了上述实施例的全部内容，本实施例的所述控制模块用于控制所述喷射管的阻挡片、计量管下方的阀门、驱动组件的阀门和驱动组件的活塞，为方便控制，所述计量管下方的阀门也设置在所述锌粉喷射装置上，所述控制模块通过控制上述部件来控制每次喷射到硫酸锌溶液中的锌粉的量以及相邻两次喷射锌粉弹的时间间隔，使得每次喷射的锌粉弹能起到最高效的净化作用；

净化硫酸锌溶液需要的总的锌粉体积V_总为：

其中，V_y为净化容器内硫酸锌溶液的体积，m_z为单位硫酸锌溶液内的杂质质量，ρ_Zn为锌粉的密度；

结合图5，为使锌粉与硫酸锌溶液在理想的环境下进行反应，锌粉弹中的锌粉量不宜过高，否则硫酸锌溶液会在反应过程中超出适宜的温度，而为了保证效率，锌粉弹中的锌粉量不宜过低，每个锌粉弹中含有的锌粉量具有上限V_max和下限V_min，满足：

需要喷射锌粉弹的数量n为：

而在每次喷射锌粉弹后，硫酸锌溶液中的杂质会降低，故锌粉弹中的锌粉量需逐次降低，第i次锌粉弹中的锌粉量V_i为：

其中，i的取值范围为1至(n-1)；

第n次锌粉弹中的锌粉量V_n为：

而喷射锌粉量为V的锌粉弹与下一次喷射锌粉弹的时间间隔t′为：

其中，c为锌粉的比热容，ΔT为硫酸锌溶液与锌粉的温度差，Q为单位体积的锌粉参与置换反应释放的热量，p为温度调节杆的吸热速率。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统，其特征在于，包括锌粉加热装置、锌粉喷射装置和净化容器，所述锌粉加热装置用于将锌粉加热到固定温度，所述锌粉喷射装置用于将高温锌粉组装成高压锌粉弹并将锌粉弹喷射进所述净化容器的硫酸锌溶液中，所述净化容器用于吸收锌粉与硫酸锌溶液反应生成的热量使所述硫酸锌溶液始终保持在固定温度；

所述净化容器内包含容器主体、相变材料内衬和温度调节杆，所述容器主体用于承载硫酸锌液体，所述温度调节杆的两端与所述相变材料内衬连接，所述温度调节杆的非两端部分处于硫酸锌液体中并能快速的吸收锌粉与硫酸锌液体反应产生的热量，吸收的热量传导至所述相变材料内衬中，所述相变材料内衬能够存储大量的热量而使硫酸锌溶液保持在一定的温度范围内；

所述锌粉加热装置包括管体、加热管和计量管，所述加热管位于所述管体的中部偏上，用于对加入的锌粉进行加热，所述计量管位于所述管体的下部，为细长结构，通过控制所述计量管下方开口的时长来控制进入到所述锌粉喷射装置中的锌粉量；

所述锌粉喷射装置包括惰性气体箱、喷射管、装填组件、驱动组件和控制模块，所述惰性气体箱用于提供包裹在锌粉周围以及填充在所述喷射管内的惰性气体，所述装填组件包括一个腔体，用于在锌粉的高压气体外形成一层薄膜并构成一个锌粉弹，所述驱动组件用于提供使所述锌粉弹在所述喷射管内移动以及喷射出喷射管的动力，所述控制模块用于控制每个锌粉弹中的锌粉量以及喷射锌粉弹的时间间隔；

第i次锌粉弹中的锌粉量

为：

；

其中，

为锌粉弹中包含锌粉的最大体积，n为需要喷射锌粉弹的次数，i的取值范围为1至（n-1）；

第n次锌粉弹中的锌粉量

为：

；

其中，

为净化硫酸锌溶液需要的锌粉总体积量；

而喷射锌粉量为V的锌粉弹与下一次喷射锌粉弹的时间间隔

为：

；

其中，c为锌粉的比热容，

为硫酸锌溶液与锌粉的温度差，Q为单位体积的锌粉参与置换反应释放的热量，p为温度调节杆的吸热速率；

所述

的最大取值为42.3cm³，所述装填组件根据

来设计腔体体积；需要喷射锌粉弹的次数n为：

。

2.如权利要求1所述的一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统，其特征在于，所述净化容器还包括热散失保护盖，所述热散失保护盖中心设有喷射入口，所述锌粉喷射装置通过所述喷射入口将锌粉弹喷射进净化容器中，所述热散失保护盖起到防止溅射以及削弱热量传递的作用。

3.如权利要求2所述的一种基于高温高压锌粉的硫酸锌净化系统，其特征在于，所述净化容器内还包括分离隔板，净化完成后产生的杂质会保留在所述分离隔板的上侧无法通过，硫酸锌溶液能够透过所述分离隔板，并通过所述净化容器下方的出液口处进行收集。

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