CN114477319B - 一种硫酸镍制备工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种硫酸镍制备工艺，包括如下步骤：将水、硫化镍浆液与氧气分别加入超临界反应器中，在20‑30Mpa和450‑600℃条件下氧化反应1‑6min得到硫酸镍。本发明的制备工艺具有反应时间快，氧化反应彻底，不需要催化剂，转化率高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及化学技术领域，尤其涉及一种硫酸镍制备工艺及设备。
背景技术
硫酸镍主要用于新能源电池行业生产三元材料的前驱体，镍在其中的主要作用为提高三元材料的能量密度。在动力电池提高能量密度的大趋势下，三元材料高镍化将是大方向，高镍体系对硫酸镍的需求会成倍增加。
现有硫酸镍制备多采用高压反应釜催化氧化法，以硫化镍制备硫酸镍，其核心设备高压反应釜反应时间长，一般需6小时；反应装置体积较大，还需要加催化剂及各种助剂，同时反应釜需配置搅拌器，其反应效率较低，镍的浸出率在95％左右。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种反应速率快，氧化反应彻底，反应效率更高的硫酸镍制备工艺及设备。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种硫酸镍制备工艺，包括如下步骤：将水、硫化镍浆液与液氧分别加入超临界反应器中，在20-30Mpa和450-600℃条件下氧化反应1-6min得到硫酸镍。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述硫化镍浆液为硫化镍硝酸溶液，其中硫化镍质量分数为15-25％。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述液氧：硫化镍的摩尔比为(2-3)：1。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述水加热200-250℃后加入超临界反应器，然后与硫化镍浆液和液氧混合。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述硫化镍浆料中硫化镍质量分数为18％。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述氧气与硫化镍的摩尔比在2.4：1。
本发明还提供了一种硫酸镍制备工艺的制备设备，包括超临界反应器、预热器、液氧泵、汽化器、高压柱塞泵和锁斗；所述预热器、汽化器、高压柱塞泵的出口分别与所述超临界反应器的进口连通，所述超临界反应器的出口与所述锁斗的进口连通，所述液氧泵的出口与所述汽化器的进口连通。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述锁斗的出口与所述预热器的进口连通。
本发明的一种硫酸镍制备工艺及设备相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)反应时间短，超临界水氧化反应器中，水处于超临界状态，氧气可与水互溶，硫化镍在此环境下会在极短的时间氧化成硫酸镍。
(2)转化率高。由于超临界对于氧气是极好的溶剂，在富氧和高温环境下，反应速率和氧化能力大大提升，最终硫化镍的转化率≥99％。
(3)产物纯度高，超临界状态下，水的密度、粘度、介电常数等参数与普通水存在很大差异，表现出类似非极性有机化合物的性质。因此超临界水能与有机物、氧气、二氧化碳、氮气等完全互溶，而无机盐溶解度极低。并且反应过程中无需添加催化剂或其他助剂。故在反应中，原料中的有机杂质等均溶解在水中，或是反应生产二氧化碳、氮气等气体，进而可获得纯度极高的硫酸镍。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明制备硫酸镍的设备的结构图。
图中，1-超临界反应器、2-预热器、3-液氧泵、4-汽化器、5-高压柱塞泵、6-锁斗。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明制备硫酸镍的设备包括超临界反应器1、预热器2、液氧泵3、汽化器4、高压柱塞泵5和锁斗6；其中预热器2、汽化器4、高压柱塞泵5的出口分别与超临界反应器1的进口连通，超临界反应器1的出口与锁斗6的进口连通，液氧泵3的出口与汽化器4的进口连通。锁斗6的出口与预热器2的进口连通。
反应流程为：硫化镍浆料通过高压柱塞泵5进入超临界反应器1，氧气依次通过液氧泵3和汽化器4进入超临界反应器1，水通过预热器2进入超临界反应器1；水、氧气和硫化镍浆液分别进入超临界反应器1，在高压和加热条件下，发生氧化反应，最终反应产物流入锁斗6，其中锁斗6底部的硫酸镍由产品出口排出，上清液则回流至预热器2，通过回流的上清液换热达到加热原料水的目的。
实施例一
本实施例的硫酸镍制备工艺包括如下步骤：
原料水通过预热器2预热200℃，进入超临界反应器1；氧气通过液氧泵3增压，汽化器4气化后，进入超临界反应器1，硫化镍粉料溶于硝酸形成硫化镍浆料，再通过高压柱塞泵5增压后进入超临界反应器1；其中硫化镍浆料中硫化镍质量分数为15％，氧气与硫化镍的摩尔比在2：1。在超临界反应器1在高压20Mpa，加热450℃条件下，硫化镍与氧气反应1min，在超临界状态下，生成水和盐分层的产物，上清液回流作为工艺水循环使用，盐渣排出得到硫化镍，最终硫化镍的转化率为99％。
实施例二
本实施例的硫酸镍制备工艺包括如下步骤：
原料水通过预热器2预热250℃，进入超临界反应器1；氧气通过液氧泵3增压后，经过汽化器4气化，进入超临界反应器1，硫化镍粉料溶于硝酸形成硫化镍浆料，再通过高压柱塞泵5增压后进入超临界反应器1；其中硫化镍浆料中硫化镍质量分数为25％，氧气与硫化镍的摩尔比在3：1。在超临界反应器1在高压30Mpa，加热600℃条件下，硫化镍与氧气反应6min，在超临界状态下，生成水和盐分层的产物，上清液回流作为工艺水循环使用，盐渣排出得到硫化镍，最终硫化镍的转化率为99.3％。
实施例三
本实施例的硫酸镍制备工艺包括如下步骤：
原料水通过预热器2预热230℃，进入超临界反应器1；氧气通过液氧泵3增压后，经过汽化器4气化，进入超临界反应器1，硫化镍粉料溶于硝酸形成硫化镍浆料，再通过高压柱塞泵5增压后进入超临界反应器1；其中硫化镍浆料中硫化镍质量分数为20％，氧气与硫化镍的摩尔比在2.8：1。在超临界反应器1在高压25Mpa，加热550℃条件下，硫化镍与氧气反应4min，在超临界状态下，生成水和盐分层的产物，上清液回流作为工艺水循环使用，盐渣排出得到硫化镍，最终硫化镍的转化率为99.8％。
实施例四
本实施例的硫酸镍制备工艺包括如下步骤：
原料水通过预热器2预热210℃，进入超临界反应器1；氧气通过液氧泵3增压后，经过汽化器4气化，进入超临界反应器1，硫化镍粉料溶于硝酸形成硫化镍浆料，再通过高压柱塞泵5增压后进入超临界反应器1；其中硫化镍浆料中硫化镍质量分数为18％，氧气与硫化镍的摩尔比在2.4：1。在超临界反应器1在高压23Mpa，加热550℃条件下，硫化镍与氧气反应5min，在超临界状态下，生成水和盐分层的产物，上清液回流作为工艺水循环使用，盐渣排出得到硫化镍，最终硫化镍的转化率为99.9％。
对比例一
对比例一采用现有的高压反应釜氧化法(压力2Mpa，温度140℃)，硫化镍含量以及与氧气的摩尔比同实施例四，具体步骤如下：原料水预热210℃，进入反应釜中；氧气通过液氧泵增压后，经过汽化器气化后，进入反应釜中，硫化镍粉料溶于硝酸形成硫化镍浆料，再通过高压柱塞泵增压后进入反应釜中；其中硫化镍浆料中硫化镍质量分数为18％，氧气与硫化镍的摩尔比在2.4：1。在反应釜在压力2Mpa，加热140℃条件下，硫化镍与氧气反应5min，观察产物硫酸镍的制备情况。对比例一反应不充分，产物中存在硫化镍、硫酸镍和水的混合物，硫酸镍难以从中分离，硫酸镍转化率仅为10％，增加反应时间达到6h时，硫酸镍转化率仅为75％，难以达到使用标准。
对比例二
对比例二采用超临界水氧化法，其中硫化镍质量分数以及氧气与硫化镍的摩尔比与本申请的实施例不同，其他同实施例四。具体方法为：原料水通过预热器2预热210℃，进入超临界反应器1；氧气通过液氧泵3增压后，经过汽化器4气化，进入超临界反应器1，硫化镍粉料溶于硝酸形成硫化镍浆料，再通过高压柱塞泵5增压后进入超临界反应器1；其中硫化镍浆料中硫化镍质量分数为50％，氧气与硫化镍的摩尔比在5：1。在超临界反应器1在高压23Mpa，加热550℃条件下，硫化镍与氧气反应5min，观察产物硫酸镍的制备情况。增加硫化镍和氧气含量后，硫化镍部分分解，降低了硫化镍的转化率，最终硫酸镍转化率为85％。
上述实施例和对比例可知，本发明采用超临界水氧化法制备的硫化镍，制备时间短，仅为1-6min，最终硫化镍的转化率≥99％；而对比例采用高压反应釜氧化法制备得到的硫酸镍转化率仅为75％，而且反应时间长达6小时，其反应效率和反应速率均不及本发明的制备方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种硫酸镍制备工艺，其特征在于，
硫酸镍制备工艺的制备设备包括超临界反应器（1）、预热器（2）、液氧泵（3）、汽化器（4）、高压柱塞泵（5）和锁斗（6）；所述预热器（2）、汽化器（4）、高压柱塞泵（5）的出口分别与所述超临界反应器（1）的进口连通，所述超临界反应器（1）的出口与所述锁斗（6）的进口连通，所述液氧泵（3）的出口与所述汽化器（4）的进口连通，所述锁斗（6）的出口与所述预热器（2）的进口连通；
硫酸镍制备工艺为：硫化镍浆料通过高压柱塞泵（5）进入超临界反应器（1），氧气依次通过液氧泵（3）和汽化器（4）进入超临界反应器（1），水通过预热器（2）进入超临界反应器（1）；在20-30Mpa和450-600℃条件下氧化反应1-6min得到硫酸镍，最终反应产物流入锁斗（6），其中锁斗（6）底部的硫酸镍由产品出口排出，上清液则回流至预热器（2），通过回流的上清液换热达到加热原料水的目的；
所述硫化镍浆料为硫化镍硝酸溶液，其中硫化镍质量分数为15-25%；
所述氧气：硫化镍的摩尔比为（2-3）：1；
所述水预热200-250℃后加入超临界反应器，然后与硫化镍浆料和氧气混合。
2.如权利要求1所述的一种硫酸镍制备工艺，其特征在于，所述硫化镍浆料中硫化镍质量分数为18%。
3.如权利要求1所述的一种硫酸镍制备工艺，其特征在于，所述氧气与硫化镍的摩尔比在2.4：1。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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Inventor after: Yi Menghua Inventor after: Xiao Yao Inventor after: Wu Jianmin Inventor after: Yu Qianjun Inventor before: Yi Menghua Inventor before: Xiao Yao Inventor before: Wu Jianmin Inventor before: Yu Qianjun |