发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种铁氧化物连续制备磷酸铁锂前驱体的生产装置及方法,以解决现有的制备装置在连续制备的过程有间断的过程,进而影响了制备的生产效率的问题。
基于上述目的,本发明提供了一种铁氧化物连续制备磷酸铁锂前驱体的生产装置,包括:
罐体,所述罐体包括上罐体与下罐体,上罐体与下罐体扣合连接;
分配底座,所述分配底座固定安装在所述罐体内,所述分配底座的下部开设有环形缓存腔,所述环形缓存腔的下部设有排料管,所述排料管向下延伸出所述罐体外,所述罐体的上部的两侧均开设有与所述缓存腔相连通的进料口;
分配组件,所述分配组件安装在所述分配底座的下方,使一个所述进料口与所述环形缓存腔相连通;
两个螺旋反应管,两个所述螺旋反应管呈螺旋状盘绕在下罐体内,且两个所述螺旋反应管的下端分别与两个所述进料口相连接;
加料管件,所述加料管件安装在所述上罐体上,所述加料管件包括两条加料管,两条所述加料管分别与两个所述螺旋反应管的上端相连接,两条所述加料管上均安装有控制阀;
搅动组件,所述搅动组件包括驱动组件与搅动件,所述搅动件安装在所述螺旋反应管内,所述驱动组件通过磁力带动所述搅动件在螺旋反应管内移动。
可选的,所述分配组件包括分配环件,所述分配环件可转动的安装在所述环形缓存腔的上表面,所述分配底座的中部设有安装腔,所述分配环件的内环面贯穿出所述环形缓存腔的侧表面并延伸至所述安装腔内,所述所述分配环件的内环面安装有内齿环,所述分配环件上开设有与所述进料口相匹配的通料口,所述安装腔内安装有分配电机,所述分配电机的输出端安装有驱动齿轮,所述驱动齿轮与所述内齿环相啮合,通过分配电机带动驱动齿轮转动,使所述分配环件上的通料口与所述进料口相连通或相远离。
可选的,所述加料管件包括主管道,所述主管道上分别安装有粉料添加管与液体添加管,两条所述加料管分别与主管道的两端相连通,所述控制阀控制所述加料管与主管道的通断。
可选的,所述驱动组件包括驱动主轴,所述驱动主轴沿竖直方向可转动的安装在分配底座的中部,所述下罐体的底部安装有驱动电机,所述驱动电机的输出端与所述驱动主轴的下部传动连接,所述驱动主轴的外表面沿其长度方向开设有两条竖直槽,所述竖直槽内可滑动的安装有驱动杆,所述驱动杆的一端通过球铰连接的方式安装有驱动磁环,所述驱动磁环套装在所述螺旋反应管上,所述驱动磁环通过磁力带动所述搅动件在螺旋反应管内移动。
驱动电机带动驱动主轴转动,驱动主轴通过驱动杆带动驱动磁环沿螺旋反应管旋转上升,同时驱动磁环带动驱动杆沿竖直槽向上移动,驱动磁环通过磁力吸附带动搅动件在螺旋反应管内向上移动,当驱动杆移动到顶部时,驱动电机反向转动,进而带动驱动磁环沿螺旋反应管螺旋下降,带动搅动件向下移动。
可选的,所述驱动主轴的中部设有中空腔,所述中空腔内沿其长度方向安装有中部铁柱,所述驱动杆的一端贯穿进中空腔内,且开设有滑动孔,所述滑动孔内可滑动的安装有伸缩杆,所述伸缩杆上套装有弹簧,所述伸缩杆的端部安装有弧形电磁铁以及控制弧形电磁铁通断的控制电路,所述伸缩杆上安装有为弧形电磁铁供电的移动电源,弧形电磁铁得电时,弧形电磁铁吸附在中部铁柱的外表面,弧形电磁铁失电时,弧形电磁铁远离中部铁柱的外表面。
可选的,所述控制电路包括控制器、感应开关与执行开关,控制器与执行开关电性连接,执行开关控制移动电源与弧形电磁铁的通断,感应开关与控制器电性连接,中部铁柱的上下两端均安装有触发感应开关的触点。
可选的,所述驱动磁环的内表面设置弧形面。
可选的,所述搅动件包括磁性搅动环,磁性搅动环的外径等于螺旋反应管的内径,所述磁性搅动环的中部开设有内环槽,所述内环槽内可转动的安装有搅动桨轮,所述磁性搅动环的一侧安装有锥形凸起,所述锥形凸起的表面开设有若干通料孔。
可选的,所述螺旋反应管包括本体与保护套管,所述本体与所述保护套管之间绕装有加热管,所述螺旋反应管的上端还连接有真空管道与排气阀。
基于上述实施方式,提出一种铁氧化物连续制备磷酸铁锂前驱体的生产方法,具体包括如下步骤:
所述生产方法中采用多个生产装置,并将生产装置根据用途划分为第一反应釜、第二反应釜、第三反应釜与老化釜,第一反应釜、第二反应釜、第三反应釜与老化釜通过管道依次串联组合成生产系统;
所述生产方法具体包括如下步骤:
S1、将铁氧化物、磷酸溶液及氧化剂分别通过粉料添加管与液体添加管添加至主管道内,打开一个控制阀,使主管道内形成的混合料通过加料管添加至螺旋反应管内进行反应,通过加热管与真空管道控制螺旋反应管的工作环境,反应时间为0.5-4h;
S2、根据反应需要的时间控制向第二条螺旋反应管内添加混合料的时机,待第一条螺旋反应管内的反应完成后,分配组件使第一条螺旋反应管连通的进料口与环形缓存腔相连通,反应产物排放至环形缓存腔内,再由排料管输送至下一工序,待第一条螺旋反应管反应产物排空后,再向第一条螺旋反应管内添加混合料,需要排出第二条螺旋反应管内的反应产物时,分配组件使第二条螺旋反应管连通的进料口与环形缓存腔相连通,以此保证混合料供给的连续性;混合料经过第一反应釜、第二反应釜、第三反应釜与老化釜的合成,产出磷酸铁浆料;
S3、将得到的磷酸铁浆料进行过滤得到滤饼,并对滤饼进行水洗;
S4、将得到的滤饼进行闪蒸干燥,闪蒸干燥完后进行烧结;
S5、将烧结得到的物料进行破碎混合,粒度控制到2~50µm进行包装。
本发明的有益效果:本发明通过设置两个螺旋反应管,并通过分配组件使一个所述进料口与所述环形缓存腔相连通,另一个进料口与环形缓存腔相封闭,使一个螺旋反应管内的物料反应完后排出物料时另一个螺旋反应管能够继续进行合成作业,且可以不间断的供应物料,提高了物料供应的连续性,进而提高了合成制备的生产效率。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本发明进一步详细说明。
需要说明的是,除非另外定义,本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
一种铁氧化物连续制备磷酸铁锂前驱体的生产装置,如图1、图2和图3所示,包括:
罐体,罐体包括上罐体1与下罐体2,上罐体1与下罐体2扣合连接,上罐体1与下罐体2通过螺栓等方式进行固定,罐体设计成分体的结构,便于后续的运输和维护;
分配底座3,分配底座3固定安装在罐体内,分配底座3的下部开设有环形缓存腔4,用于存放制备好的物料,环形缓存腔4的下部设有排料管5,排料管5向下延伸出罐体外,罐体的上部的两侧均开设有与缓存腔相连通的进料口;
分配组件6,分配组件6安装在分配底座3的下方,使一个进料口与环形缓存腔4相连通,另一个进料口与环形缓存腔4相封闭;
两个螺旋反应管7,两个螺旋反应管7呈螺旋状盘绕在下罐体2内,增大盛放物料的容量,且两个螺旋反应管7的下端分别与两个进料口相连接;
加料管件,加料管件安装在上罐体1上,加料管件包括两条加料管8,两条加料管8分别与两个螺旋反应管7的上端相连接,两条加料管8上均安装有控制阀9,用于控制加料管8与螺旋反应管7的通断;
搅动组件,搅动组件包括驱动组件与搅动件,搅动件安装在螺旋反应管7内,驱动组件通过磁力带动搅动件在螺旋反应管7内移动,对螺旋反应管7内的物料进行搅动,使物料混合均匀。
本发明通过设置两个螺旋反应管7,并通过分配组件6使一个进料口与环形缓存腔4相连通,另一个进料口与环形缓存腔4相封闭,使一个螺旋反应管7内的物料反应完后排出物料时另一个螺旋反应管7能够继续进行合成作业,且可以不间断的供应物料,提高了物料供应的连续性,进而提高了合成制备的生产效率。
在一种实施方式中,如图3和图4所示,分配组件6包括分配环件10,分配环件10可转动的安装在环形缓存腔4的上表面,分配底座3的中部设有安装腔11,分配环件10的内环面沿水平方向贯穿出环形缓存腔4的侧表面并延伸至安装腔11内,分配环件10的内环面安装有内齿环12,分配环件10上开设有与进料口相匹配的通料口13,安装腔11内安装有分配电机14,分配电机14的输出端安装有驱动齿轮15,驱动齿轮15与内齿环12相啮合,通过分配电机14带动驱动齿轮15转动,使分配环件10上的通料口13与进料口相连通或相远离,通料口13与进料口相连通时,螺旋反应管7内的物料能够进入环形缓存腔4内进行缓存。
在一种实施方式中,如图1所示,加料管件包括主管道16,主管道16上分别安装有粉料添加管17与液体添加管18,两条加料管8分别与主管道16的两端相连通,控制阀9控制加料管8与主管道16的通断,在使用时,一个控制阀9控制一个加料管8与主管道16相连通,另一个控制阀9控制另一加料管8与主管道16断开,使添加的物料一次只能进入一个螺旋反应管7内,便于对物料添加时机的控制,保证物料供应的连续性。
在一种实施方式中,如图1、图5、图6、图7所示,驱动组件包括驱动主轴19,驱动主轴19沿竖直方向通过轴承连接等方式可转动的安装在分配底座3的中部,驱动主轴19的下部贯穿出罐体的下部,下罐体2的底部安装有驱动电机20,驱动电机20的输出端与驱动主轴19的下部相连接,驱动主轴19的外表面沿其长度方向开设有两条竖直槽21,竖直槽21内可滑动的安装有驱动杆22,驱动杆22的一端通过球铰连接的方式安装有驱动磁环23,驱动磁环23套装在螺旋反应管7上,驱动磁环23通过磁力带动搅动件在螺旋反应管7内移动,其中,驱动杆22有两个,分别安装在两条竖直槽21内,驱动电机20带动驱动主轴19转动,驱动主轴19通过驱动杆22带动驱动磁环23沿螺旋反应管7旋转上升,同时驱动磁环23带动驱动杆22沿竖直槽21向上移动,驱动磁环23通过磁力吸附带动搅动件在螺旋反应管7内向上移动,当驱动杆22移动到顶部时,驱动电机20反向转动,进而带动驱动磁环23沿螺旋反应管7螺旋下降,带动搅动件向下移动。
在一种实施方式中,驱动主轴19的中部设有中空腔,中空腔内沿其长度方向安装有中部铁柱24,驱动杆22的一端贯穿进中空腔内,且开设有滑动孔,滑动孔内可滑动的安装有伸缩杆25,伸缩杆25上套装有弹簧26,伸缩杆25的端部安装有弧形电磁铁27以及控制弧形电磁铁27通断的控制电路,伸缩杆25上安装有为弧形电磁铁27供电的移动电源,弧形电磁铁27的内表面与中部铁柱24为滑动连接,弧形电磁铁27的内表面衬设有尼龙等材质的耐磨涂层,尼龙具有自润滑的效果,能够减小弧形电磁铁27与中部铁柱24的摩擦力,便于弧形电磁铁27沿中部铁柱24滑动,中部铁柱24内具有感应弧形电磁铁27位置的线性感应器,在驱动磁环23带动驱动杆22沿竖直槽21向上移时,弧形电磁铁27得电,弧形电磁铁27得电时,弧形电磁铁27吸附在中部铁柱24的外表面,以增加驱动杆22带动驱动磁环23向上移动时的稳定性,弧形电磁铁27失电时,弧形电磁铁27远离中部铁柱24的外表面,减少驱动杆22下移时的阻力。
具体的说,控制电路包括控制器、感应开关与执行开关,控制器与执行开关电性连接,执行开关控制移动电源与弧形电磁铁27的通断,感应开关与控制器电性连接,中部铁柱24的上下两端均安装有触发感应开关的触点,控制器还具有无线信号收发模块,本装置还包括用于控制分配电机14与驱动电机20的主控制器,控制器通过无线信号收发模块与主控制器信号连接,当感应开关与触点接触时产生变向信号,并将变向信号发送给控制器,控制器控制执行开关的工作,并向主控制器发送信号,主控制器接收到信号后控制驱动电机20的转向。
在一种实施方式中,驱动磁环23的内表面设置弧形面。便于驱动磁环23在螺旋反应管7的滑动。
在一种实施方式中,如图8所示,搅动件包括磁性搅动环28,磁性搅动环28的外径等于螺旋反应管7的内径,磁性搅动环28的中部开设有内环槽,内环槽内可转动的安装有搅动桨轮29,磁性搅动环28的一侧安装有锥形凸起30,锥形凸起30的表面开设有若干通料孔31。其中,磁性搅动环28安装有搅动桨轮29的一侧朝向磁性搅动环28上升的方向,锥形凸起30朝向磁性搅动环28下降的方向,便于磁性搅动环28的快速下移,驱动磁环23通过磁力对磁性搅动环28进行吸附,以使驱动磁环23移动时能够带动磁性搅动环28的移动,磁性搅动环28螺旋上升时,在液态物料的阻隔下带动搅动桨轮29转动,进而对物料进行搅动,磁性搅动环28螺旋下降时,物料能够透过通料孔31带动搅动桨轮29转动,使磁性搅动环28在螺旋反应管7内移动时都能对物料进行搅动,以增加物料混合的均匀性。
在一种实施方式中,如图9所示,螺旋反应管7包括本体32与保护套管33,本体32与保护套管33之间绕装有加热管34,螺旋反应管7的上端还连接有真空管道35与排气阀36。加热管34可以采用水管加热,也可以采用电加热,为了便于观察磁性搅动环28的位置,螺旋反应管7的本体32与保护套管33都采用透明材质的管道制作,当磁性搅动环28发生位置卡顿时,可以快速的判断磁性搅动环28的位置,便于后续的维护。
基于上述实施方式,提出一种铁氧化物连续制备磷酸铁锂前驱体的生产方法:
生产方法中采用多个生产装置,并将生产装置根据用途划分为第一反应釜、第二反应釜、第三反应釜与老化釜,第一反应釜、第二反应釜、第三反应釜与老化釜通过管道依次串联组成生产系统,根据实际需求不同,设置的生产装置的数量进行相应的增减;
将铁氧化物、磷酸溶液及氧化剂分别通过粉料添加管17与液体添加管18添加至主管道16内,一个控制阀9打开,物料通过加料管8添加至螺旋反应管7内进行反应,通过加热管34与真空管道35控制螺旋反应管7内的温度与压力等工作环境;
驱动组件带动搅动件在螺旋反应管7内上下移动,对螺旋反应管7内的物料进行搅动混合;
根据反应需要的时间控制向第二条螺旋反应管7内添加物料的时机,待第一条螺旋反应管7内的物料合成完成后,分配组件6使第一条螺旋反应管7连通的进料口与环形缓存腔4相连通,物料排放至环形缓存腔4内,再由排料管5输送至下一工序,待第一条螺旋反应管7内的物料排空后,再向第一条螺旋反应管7内添加物料,需要排出第二条螺旋反应管7内的物料时,分配组件6使第二条螺旋反应管7连通的进料口与环形缓存腔4相连通,以此保证物料供给的连续性;
物料经过第一反应釜、第二反应釜、第三反应釜与老化釜的合成,产出磷酸铁浆料;
将得到的磷酸铁浆料进行过滤得到滤饼,滤饼在压滤机中用水多次洗涤;
将得到的滤饼进行闪蒸干燥,闪蒸干燥完后去烧结炉进行烧结;
将得到的物料进行破碎混合,粒度控制到2~50µm进行包装。
产出磷酸铁浆料的具体的操作参数参照如下实施例:
实施例1:
在第一反应釜中的两个螺旋反应管7内按照磷酸(30%浓度):氧化铁红=3:1 的摩尔比同时加入,通过水浴控制反应温度为70℃,以磷酸速度980g/h、氧化铁红160g/h加入1L反应釜中, 停留时间为1min;然后用蠕动泵以1140g/h的速率将一个螺旋反应管7内的物料加入2L的第二反应釜,反应温度为85℃,停留时间2h;然后用蠕动泵将物料以1140g/h的速度加入老化釜进行老化反应,
反应温度为90℃,停留时间为1.5h,同时,另一个螺旋反应管7内的物料再加入2L的第二反应釜内;老化完成后对老化釜内的一个螺旋反应管7内的物料进行抽滤、洗涤、干燥和烧结;
得到磷酸铁产品的铁磷比为0.986,粒度为D50=12.65µm,比表面积为8.65m2/g,经扣电测试,0.1C放电容量159.3mAh/g。
实施例2:
在第一反应釜中按照磷酸(30%浓度):氧化铁黄=4:1 的摩尔比同时加入,通过水浴控制反应温度为80℃,以磷酸速度2614Kg/h、氧化铁黄356Kg/h, 加入第一反应釜中, 停留时间为1h;然后用计量泵以2970Kg/h的速率将物料加入第二反应釜,同时30%磷酸以654Kg/h(磷酸:氧化铁黄=1:1摩尔比)的速度加入第二反应釜,反应温度为85℃,停留时间1h;然后用计量泵将物料以3624kg/h的速度加入第三反应釜,反应温度为85℃,停留时间1h,然后用计量泵将物料以3624kg/h的速度加入老化釜进行老化反应,老化釜反应温度为90℃,停留时间为2h;老化完成后进行抽滤、洗涤、干燥、烧结、混合破碎得到磷酸铁产品。
得到磷酸铁产品的铁磷比为0.987,粒度为D50=10.62µm,比表面积为9.84m2/g,经扣电测试,0.1C放电容量158.6mAh/g。
中间过程产生的物料的连续输送与实施例1中相类似,实施例中不再赘述;
实施例3:
在第一反应釜中按照磷酸(30%浓度):氧化铁黑:双氧水(10%浓度)=9:1 :0.4的摩尔比同时加入,通过水浴控制反应温度为70℃,以磷酸速度1470g/h、氧化铁黑116g/h,双氧水68g/h 加入1L反应釜中, 停留时间为30min;然后用蠕动泵以1654g/h的速率将物料加入第二的反应釜,同时双氧水以34g/h(氧化铁黑:双氧水(10%浓度)=1:0.2摩尔比)的速度加入第二反应釜,反应温度为85℃,停留时间1h;然后用蠕动泵将物料以1688g/h的速度加入老化釜进行老化反应,反应温度为90℃,停留时间为2h;老化完成后进行抽滤、洗涤、干燥和烧结;
得到磷酸铁产品的铁磷比为0.975,粒度为D50=14.82µm,比表面积为7.96m2/g,经扣电测试,0.1C放电容量161.3mAh/g。
中间过程产生的物料的连续输送与实施例1中相类似,实施例中不再赘述;
实施例4:
在第一反应釜中按照磷酸(30%浓度):氧化铁黑:双氧水(10%浓度)=6:1 :0.2的摩尔比同时加入,通过水浴控制反应温度为70℃,以磷酸速度1960g/h、氧化铁黑232g/h,双氧水68g/h 加入第一反应釜中, 停留时间为30min;然后用蠕动泵以2260g/h的速率将物料加入第二反应釜,同时双氧水以136g/h(氧化铁黑:双氧水(10%浓度)=1:0.4摩尔比)的速度加入第二反应釜,反应温度为85℃,停留时间1h;然后用蠕动泵将物料以2396g/h的速度加入老化釜进行老化反应,老化反应釜反应温度为90℃,停留时间为1.5h;老化完成后进行抽滤、洗涤、干燥和烧结;
得到磷酸铁产品的铁磷比为0.981,粒度为D50=6.81µm,比表面积为13.54m2/g,经扣电测试,0.1C放电容量157.8mAh/g。
中间过程产生的物料的连续输送与实施例1中相类似,实施例中不再赘述;
实施例5:
在第一反应釜中按照磷酸(30%浓度):氧化铁黑:双氧水(10%浓度)=6:1 :0.2的摩尔比同时加入,通过水浴控制反应温度为70℃,以磷酸速度1960Kg/h、氧化铁黑232Kg/h,双氧水68Kg/h 加入第一反应釜中, 停留时间为20min;然后用计量泵以2260Kg/h的速率将物料加入第二的反应釜,同时双氧水以68Kg/h(氧化铁黑:双氧水(10%浓度)=1:0.2摩尔比)的速度加入第二反应釜,反应温度为85℃,停留时间20min;然后用计量泵将物料以2328kg/h的速度加入3m3的第三反应釜,同时双氧水以51Kg/h(氧化铁黑:双氧水(10%浓度)=1:0.15摩尔比)的速度加入第三反应釜,反应温度为85℃,停留时间1h,然后用计量泵将物料以2379kg/h的速度加入老化釜进行老化反应,老化反应釜反应温度为90℃,停留时间为2h;老化完成后进行抽滤、洗涤、干燥、烧结、混合破碎得到磷酸铁产品。
得到磷酸铁产品的铁磷比为0.991,粒度为D50=36.98µm,比表面积为2.62m2/g,经扣电测试,0.1C放电容量156.1mAh/g。
中间过程产生的物料的连续输送与实施例1中相类似,实施例中不再赘述;
图10为制得的磷酸铁产品的电镜图。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。