KR20130058707A - 분리 방법 - Google Patents

Abstract

금속 및 금속보다 휘발성이 강한 구성 요소를 포함하는 공정 물질로부터 금속을 회수하기 위한 공정에 있어서, 공정 물질을 로 내부에 위치한 증류기 내부에 이송하는 단계를 포함하고, 여기서 증류기는 공정 물질로부터 구성 요소를 승화시키기에 충분한 온도와 진공 상태에서 작동되어 정제된 금속을 생성하고; 승화된 구성 요소를 차가운 면 상에 퇴적시키는 단계를 포함하고; 증류기로부터 정제된 금속을 제거하는 단계를 포함하고; 그리고 차가운 면으로부터 퇴적된 구성 요소를 제거하는 단계를 포함하는 공정.

Description

분리 방법{SEPARATION METHOD}

본 발명은 소정의 금속들을 정제하기 위한 공정 및 그 공정을 수행하기 위한 반응기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명의 공정에 의해 정제된 금속에 관한 것이다.

티타늄, 하프늄, 지르코늄 등과 같은 금속들을 생성하기 위한 다양한 방법론들이 존재한다. 예외없이, 이러한 금속은 금속을 단리/정제하기 위한 추가 처리를 필요로 하는 형태로 생성된다. 예를 들어, 그리고 일반적으로, 이러한 생성 방법 중의 하나로 적절한 환원제를 이용해 금속염을 환원시키는 방법이 있다. 이 경우, 만들어진 반응 생성물(이하, “공정 물질”로 언급)은 일반적으로 기본 형태의 금속 및 환원제 염에 대응하는 염을 포함하며, 과잉 환원제를 포함하기도 한다. 이 때, 기본형태의 금속을 분리/단리하는 것이 필요하다. 상업적으로, 이러한 분리/단리는 일회분 조작(batch operation)으로 수행되는 진공 증류에 의해 이루어지는 경향이 있으며, 몇 일이 소요되기도 한다.

금속 및 금속보다 휘발성이 강한 물질 종류들을 포함하는 공정 물질로부터 금속을 회수할 수 있는 새로운 공정을 제공하는 것이 바람직하다. 특히, 이러한 공정 물질로부터 연속적으로 금속을 회수하는 것이 가능한 공정을 제공하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명은 금속 및 금속보다 휘발성이 강한 구성 요소를 포함하는 공정 물질로부터 금속을 회수하기 위한 일 공정을 제공한다.

본 발명의 상기 목적을 실현하기 위한 공정은 금속 및 상기 금속보다 휘발성이 강한 구성 요소를 포함하는 공정 물질로부터 상기 금속을 회수하기 위한 공정으로서, 상기 공정은:

상기 공정 물질을 로(furnace) 내부에 위치한 증류기 내부에 이송하며, 상기 증류기는 상기 공정 물질로부터 상기 구성 요소를 승화시키기에 충분한 온도와 진공 상태에서 작동되어 정제된 금속을 통제된 소결을 통해 생성하는 단계;

승화된 상기 구성 요소를 차가운 면 상에 퇴적시키는 단계;

상기 증류기로부터 정제된 금속을 제거하는 단계; 및

상기 차가운 면으로부터 퇴적된 구성 요소를 제거하는 단계;를 포함한다.

여기서, 용어 “증류기”는 본 발명의 원리들에 따라 필요한 만큼의 하나 이상의 관련 상변화가 일어나는 용기 또는 챔버를 의미한다.

유리하게는, 본 발명의 공정은 연속적으로 수행될 수 있는 데, “처리되지 않은” 공정 물질이 증류기 (그리고 로(爐))에 연속적으로 공급되고, 정제된 금속 및 퇴적된 휘발성 구성 요소(들) 또한 연속적으로 제거된다. 본 발명의 공정은 필요한 만큼의 서로 연결된 다양한 구성 요소들이 구비된 하나의 설비/반응기 안에서 수행된다. 즉, 예를 들어, 공정 물질이 반응기 내부로 공급되고, 금속 및 퇴적된 구성 요소가 반응기로부터 배출된다. 다시 말해서, 동일한 반응기의 기능적으로 설계된 구성 요소들 내부에서 필요한 승화 및 퇴적 변환들이 발생한다.

본 발명의 핵심은 동일한(단일) 반응기 내부에서 공정 물질로부터 휘발성 구성 요소(들)이 승화되고 퇴적되는 것이다. 여기서, 용어 “휘발성 구성 요소(들)”은 상대적으로 낮은 끊는 점을 가지는 하나 이상의 물질 종류들을 의미하고, 이러한 물질 종류들은 공정 물질을 생산한 반응의 결과로 공정 물질 내에 존재한다. 휘발성 구성 요소(들)의 성질은 공정 물질이 생산된 방법에 명백하게 좌우 될 것이다.

여기서 설명한 바와 같이 본 발명의 기초를 이루는 원리들을 고려하면, 본 발명의 공정은 다양한 반응 및/또는 오염된 공정 물질들로부터 금속을 회수하는데 응용 가능한 것으로 여겨진다. 즉, 본 발명은 금속 및 또 다른 금속의 하나 이상의 휘발성 염들을 포함하는 공정 물질로부터 금속을 회수하는데 특정하게 응용 가능하다. 따라서, 본 발명은 환원제를 이용하여 금속의 염을 환원함으로써 생산된 공정 물질로부터 금속을 회수하는데 적용될 수도 있다. 이 경우, 휘발성 구성 요소(들)은 환원 반응에 사용된 환원제의 염이 될 것이고, 환원제가 환원 반응에서 과도하게 사용된다면 환원제 자체가 될 수도 있을 것이다.

여기에서 사용된 용어 “금속”은 하나 이상의 기본적인 금속들, 하나 이상의 금속 합금들, 또는 기본적인 금속(들)과 합금(들)의 조합을 의미할 수도 있다. 공정 물질 안에 존재하는 금속의 성질은 공정 물질이 생산되는 반응 및 관련된 반응물들에 따라 변할 수도 있다.

일 실시예에서, 공정 물질은 하나 이상의 휘발성 구성 요소들과 결합된 단일 기본 금속 또는 금속 합금을 포함한다. 다수의 금속들 및/또는 금속 합금들이 보다 복잡한 공정 물질들 내에 존재할 수도 있다. 이 경우, 원하는 특정한 금속(들)/금속 합금(들)을 단리하기 위해, 필요하다면 본 발명의 공정 이후 추가적인 공정 단계들의 수행이 필요할 수도 있다. 존재하는 휘발성 물질들의 성질은 공정 물질에 따라 (경우에 따라서는 동일한 종류의 공정 물질의 집합들 사이에서도) 다를 것이고, 본 발명의 공정을 한 번 수행하는 것으로는 휘발성 물질들을 원하는 수준으로 제거하지 못할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 공정은 공정 물질로부터 휘발성 물질들의 연속적인 제거를 위해 다수 회 적용될 필요가 있을 수도 있다.

본 발명의 공정은 (금속을 함유한 공정 물질을 생성하기 위해) 필요한 반응이 일어나는 상류 측 반응기로부터 직접적으로 공정 물질을 수용할 수 있다. 또는, 본 발명의 공정은 독립적인 공정으로서 수행될 수 있다. 두 경우 모두, 본 발명의 공정은 연속적인 방식으로 수행될 수도 있다.

본 발명에서의 사용을 위한 공정 물질은 미립자 형태를 가져야 하고, 입자 크기는 공정 수행 효율에 영향을 미칠 수도 있다. 입자 크기는 공정 물질의 유동성 및 공정 물질을 증류기 내부에서 그리고 로(로의 고온 구간)을 통해서 이송시킬 수도 있는 이송의 용이성에 영향을 미칠 것이다. 또한, 입자 크기는 공정 물질로부터 휘발성 구성 요소(들)을 제거하는 정도 및 속도에 영향을 미칠 수도 있다. 이에 따라서 입자 크기가 최적화될 수 있고, 이는, 본 발명에서의 사용에 앞서, 분류를 통한 조절과 같이, 공정 물질의 입자 크기의 조절과 관련될 수도 있다. 고온 구간에서의 체류 시간은 입자 크기의 변화들에 적합하도록 변화할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 공정은 휘발성 구성 요소(들)이 승화 단계에서 승화되도록 하는 온도 및 압력 조건들에서 그리고 선택된 금속 함유 공정 물질들에 대해서 수행된다.

단일물 또는 화합물의 승화는 중간의 액체 단계를 거치지 않는 고체상에서 기체상으로의 전이이다. 승화는 흡열반응의 상전이이며, 삼중점 미만의 압력들과 삼중점 초과의 온도들에서 발생한다(물질의 삼중점은, 세 개의 상들, 이 경우, 물질의 기체, 액체, 고체상들이 열역학적 평형 상태에서 공존하는 온도와 압력이다). 대기압에서 대부분의 화학적 화합물들은 서로 다른 온도에서 세 가지의 다른 상태를 가진다. 이러한 경우들에 있어서, 고체상에서 기체상으로의 전이를 위해서는 중간의 액체단계를 거쳐야 한다. 승화의 역공정을 퇴적이라 칭한다.

승화 과정을 이용함에 있어서 장점들은 상대적으로 낮은 관련 온도들로부터 도출되고, 이로 인해 보다 표준적인 구성 물질들을 사용할 수 있다. 일반적으로, 승화 과정들은 증기 압력차에 의해 이루어지고, 상대적으로 높은 온도들은 상대적으로 높은 증기 압력들을 생성한다. 상대적으로 낮은 압력들에서(삼중점 미만) 공정을 수행함으로써 증기 압력차를 유지하지만 온도는 낮은 상태이다.

승화에 의해 상이한 종류의 물질들을 분리하기 위한 본 공정을 사용하기 위해서는 삼중점의 온도를 초과하고 삼중점의 압력 미만이 되도록 온도 및 압력조건들을 변경해야 한다. 예를 들어, 염화 나트륨(NaCl)을 승화시키기 위해서는 800°C를 초과하는 온도와 0.05 kPa 미만의 압력이 요구된다. 당업자는 의도한대로의 본 발명의 수행을 위해 적절한 운전 조건들을 선택할 수 있을 것이다.

증류는 파울링(fouling)이 발생할 경우 이로 인한 액체 물질 종류들을 생성시킬 수 있음에도 불구하고 본 발명에서 이용될 수 있다.

공정 물질로부터 승화하는 휘발성 물질 종류들은 자신들이 퇴적되는 차가운 면과 접촉한다. 문맥에서 용어“차가운”은 일반적인 압력 조건들에서 그 면이 휘발성 물질들을 퇴적시키게 되는 온도에 있음을 의미한다. 퇴적이 이루어지는 면은 능동적으로 냉각될 수도 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 면은 단순히 반응기 내부에서의 위치에 따라서 충분히 냉각될 수도 있다. 이러한 면은 임의의 형태를 가질 수도 있지만, 바람직하게는 퇴적을 향상시킬 수 있도록 큰 표면적을 가진다. 본 발명의 공정이 진행됨에 따라 차가운 면은 퇴적된 물질로 코팅될 수도 있고, 퇴적 효율을 유지하기 위해 차가운 면으로부터 이러한 물질의 제거가 필요할 수도 있다. 따라서, 차가운 면은 본 발명의 공정이 수행되는 동안 청소/스크래이핑(scraping)될 수도 있다.

본 발명의 중요한 일 측면은 공정 물질을 고온 구간 내부로 그리고 고온 구간을 통해서 이송하는 방법이다. 바람직한 실시예에서, 이를 위해 증류기가 이용되는데, 공정 물질은 스크류를 이용하는 증류기를 통해 운반된다. 본 발명을 설명함에 있어 이러한 스크류는 “승화 스크류”로 언급되고 증류기는 “승화 증류기”로 언급된다. 공정 물질은 승화 증류기 내부의 적절한 입구 포트를 경유하여 승화 스크류의 면 상에 공급된다. 실제로, 스크류에 공급된 공정 물질은 공정의 작동 특성을 고려하여 계량될 것이다.

일반적으로, 공정 물질은 반응기의 고온 구간 바깥 영역에서 승화 스크류 상에 전달된다. 고온 구간은 휘발성 물질들의 승화가 일어나기에 충분히 높은 온도를 가진 영역이다. 실제로, 고온 구간은 반응기의 일 구성 요소인 로 내부에 위치할 것이다. 승화 증류기 내부에서 승화 스크류가 회전하면 공정 물질은 반응기의 고온 영역으로 이송될 것이다. 실제로, 공정 물질은 승화 증류기를 따라 이송됨에 따라 온도가 증가하게 될 것이고, 이로 인해 휘발성 물질들은 점차적으로 승화하게 될 것이다. 생성물이 승화 증류기를 따라 이송되는데 필요한 속도는 여러가지 인자들에 따라 변화할 것이다. 예를 들어, 이러한 인자들에는 공급 물질의 형태, 발생된 온도 구배, 승화가 발생하는 반응기 내부 영역의 길이, 및 승화 스크류에 가해지는 공정 물질의 부하(결과적으로 이것은 스크류 치수와 특성에 영향을 받게 될 것이다) 등이 있다. 생성물의 전송을 향상시키기 위해서 비정상 스크류 속도를 이용하거나 스크류 방향을 역전시킬 수도 있다.

본 실시예에서, 승화를 위한 고온 구간을 통해 공정 물질을 이송하기 위한 승화 스크류/승화 증류기 장치뿐만 아니라, 승화에 의해 생성되는 휘발성 물질들을 퇴적하기 위해 상대적으로 작은 지름의 스크류/증류기 장치가 이용될 수도 있다. 여기서, 이러한 장치는 “퇴적 스크류”와 “퇴적 증류기”로 언급된다. 본 발명의 일 실시예에서 퇴적 스크류/퇴적 증류기 장치는 승화 스크류의 어느 일 단에서부터 승화 스크류 내부로 연장될 수도 있다. 이를 용이하게 하기 위해, 승화 스크류는 샤프트가 없는 스크류일 수도 있다. 온도를 고려하면, 퇴적 스크류/퇴적 증류기가 승화 스크류의 차가운 단부로부터 승화 스크류 내부로 연장되는 것이 바람직할 수도 있다.

의도한 바에 따르면, 휘발성 구성 요소(들)(여기서, 간단히 “휘발성 물질들”로도 언급됨)은 냉각되고 퇴적 증류기의 내면에 퇴적될 것이며, 퇴적된 물질은 퇴적 스크류의 회전에 의해 퇴적 증류기를 따라(승화 증류기로부터 멀어지는 방향으로) 이송될 것이다. 일 실시예에서, 승화 스크류는 퇴적된 물질이 이송되는 방향의 반대 방향으로 공정 물질을 이송하지만, 이에 한정되지는 않는다. 승화 스크류는 상대적으로 차가운 영역에서부터 승화가 일어날 수 있는 반응기의 영역으로 공정 물질을 이송하도록 구성된다. 반대로, 퇴적 스크류는 냉각되어 퇴적된 휘발성 물질들(이하, “퇴적 물질”)을 승화 증류기로부터 멀어지는 방향으로 이송하도록 구성되어 재승화를 방지한다.

위에서 설명한 실시예에서, 퇴적 증류기/퇴적 스크류 장치와 승화 증류기/승화 스크류 장치는 그 중심이 본질적으로 동일하지만, 이에 한정되지는 않는다. 따라서, 증류기는 내부에 스크류가 제공된 관 부재일 수도 있고, 스크류의 회전에 의해 관 부재 튜브의 내부를 따라 공정 물질이 이송된다. 그러나, 다른 실시예에서 퇴적 증류기는 승화 증류기와 교차한다. 이 경우, 퇴적 증류기의 입구 단부는 승화 증류기의 외면에 제공된 출구 포트와 연통된다.

퇴적 증류기와 승화 증류기는 증류기 각자의 축들이 서로 소정의 각을 이루도록 교차할 수도 있다. 본 실시예에서, 승화 증류기의 길이 방향을 따라 선택된 위치들에 배치된 복수개의 퇴적 증류기들이 이용될 수도 있다.

본 실시예에서, 퇴적 증류기는 그 내면으로부터 퇴적된 공정 물질을 긁어 내고 퇴적 물질을 퇴적 증류기를 따라 이송하여 적절하게 위치한 출구 포트를 통해 배출하기 위한 퇴적 스크류로서 종래의 스크류를 포함할 수도 있다.

또 다른 실시예에서, 퇴적 증류기는 휘발성 물질들이 응축될 수도 있는 증류기 내부로 연장되는 길이가 긴 장부재를 포함할 수도 있다. 이 경우, 퇴적 증류기는 그 내면으로부터 그리고 장부재의 외면으로부터 퇴적 물질을 긁어내기 위한 소정의 수단을 또한 필요로 할 것이다. 이와 관련하여, 퇴적 증류기의 내면과 장부재의 외면 사이 공간에서 움직이는 스크래이퍼(scraper)가 이용될 수도 있다. 스크래이퍼는 퇴적 증류기의 내면과 장부재의 외면 사이 환상 공간 안에서 회전하는 하나 이상의 스크류 형태일 수도 있다. (스크래이퍼(또는 스크류들)는 퇴적 물질을 이송하여 적절하게 위치한 배출 포트에서 배출한다.

퇴적 증류기를 통해 반응기는 진공 상태가 된다. 이와 관련하여, 퇴적 증류기를 통해 형성된 진공 상태는 바람직하게는, 승화로 형성된 증기들을 퇴적 증류기 내부로 연행(entrain)하는 효과가 있다. 퇴적 물질은 적절하게 위치한 배출 포트를 이용하는 퇴적 증류기로부터 제거될 수도 있다.

반응기에는 공기에 의한 악영향을 막기 위해 불활성 가스가 유입될 수도 있다. 또한, 불활성 가스는 승화 증류기 내부에서 휘발성 물질들의 흐름을 제어하여 의도하는 퇴적 장소로 적절하게 안내하도록 이용될 수도 있다.

주목할 것은, 퇴적 증류기의 내면에 휘발성 물질들을 퇴적시키기 위해서 일반적인 압력 조건들은 적절하게 낮은 온도에서 결정되어야 한다. 언급된 바와 같이, 퇴적 증류기는 고온 구간에서 이격되는데, 이는 퇴적 증류기의 내면 온도를 감소시키는 데 확실히 도움을 주게 될 것이다. 그러나, 퇴적 증류기를 적절한 온도에서 유지하기 위하여 냉각 수단이 필요할 수도 있다. 퇴적 증류기, 적어도 그 일 영역을 냉각시키기 위해서 냉각 슬리브가 이용될 수도 있다.

본 발명의 공정을 수행할 때, 승화 스크류/승화 증류기 및 퇴적 스크류/퇴적 증류기 장치가 막히지 않도록 주의할 필요가 있다. 공급 입자 크기 및 체적 공급률을 포함한, 승화 스크류에 대한 공정 물질의 공급 특성을 적절하게 제어함으로써 승화 스크류/승화 증류기의 막힘을 방지할 수 있다. 또한, 스크류 스레드들의 피치 및 그 평탄부 표면적을 포함한 승화 스크류 특성이 막힘 방지와 관련될 수도 있다. 승화 스크류의 회전 속도 또한 영향을 미칠 수도 있다. 또한, 주기적인 속도 및 방향 변화가 스크류 상의 공정 물질의 축적을 막을 수 있다.

유사하게, 퇴적 스크류의 특성 및/또는 그 회전 속도가 퇴적 스크류/퇴적 증류기 장치의 막힘에 영향을 미칠 수도 있다. 또한, 퇴적 증류기를 따라 형성되는 온도 프로파일이 막힘 현상의 발생 여부에 영향을 미칠 수도 있다. 막힘을 방지하기 위해, 일부 실시예들에서는 퇴적 스크류를 퇴적 증류기보다 약간 길게 형성하여 퇴적 증류기의 단부를 지나 연장되도록 하는 것이 또한 유리할 수도 있다.

또한, 실제로, 승화 스크류 및/또는 퇴적 스크류는 소정의 제한된 유연성을 가질 수도 있고, 스크류(들)의 유연성은 스크류와 증류기의 내면 사이에서 물질에 의한 막힘을 방지하는 것을 또한 용이하게 할 수도 있다. 두 증류기들 중 적어도 하나에는 스크래이프가 구비될 수도 있어, 증류기의 내면에 부착되는 임의의 물질을 제거하게 된다.

본 발명의 공정은 공정 물질 안에 존재하는 다양한 금속들의 회수에 적용될 수도 있다. 특히, 본 발명은 환원 반응 생성물들로부터 티타늄, 지르코늄, 및 하프늄을 회수하는데 이용할 수도 있고, 환원 반응 생성물들은 이러한 금속들과 환원 반응 부산물들을 포함하고, 과잉 환원제를 포함하기도 한다. 특히, 본 발명은 적절한 환원제를 이용하여 회수 금속에 대응하는 금속염의 환원에 의해, 일반적으로 염화물의 환원에 의해 형성된 생성물로부터 금속을 회수하는데 유용할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명은 마그네슘을 이용하여 사염화 티타늄을 환원함으로써 생산된 공정 물질로부터 티타늄을 회수하는데 적용될 수도 있다. 이 경우, 공정 물질은 티타늄 함유 스폰지 또는 입자일 수도 있고, 이러한 티타늄 함유 스폰지 또는 입자는 염화 마그네슘을 또한 함유하고 비반응 마그네슘을 함유하기도 한다. 당업자는 유사한 공정 물질들이 지르코늄 및 하프늄과 같은 다른 금속들의 생산 동안 생성되는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 공정이 수행되는 온도 및 압력은 주의 깊게 제어되어야 한다. 소결 문제들을 피하면서 적절하게 높은 동특성(승화)을 얻기 위한 온도 및 압력이 선택되어야 한다. 그러나, 밸브들과 같은 부품이 작동될 수도 있는 온도 및 구성 물질들 또한 적용된 작동 온도에 영향을 미칠 것이다. 반응기 안에서 액체상들의 형성을 막는 것 또한 바람직하다. 예를 들어, Ti/MgCl2 분리에 근거해서 최적 온도는 약 850°C이고 최적 압력은 0.01 kPa이다. 0.02 kPa을 초과하면, 액체 염화 마그네슘이 형성되어 막힘 현상에 의한 문제점들을 야기할 수 있다. 750°C 미만에서는 분리 동특성이 매우 늦기 때문에 분리가 어렵다. 반대로, 950°C를 초과하면 티타늄과 같은 금속들의 소결이 발생될 수도 있어 막힘 현상들을 또한 야기할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 설명한 바와 같은 본 발명의 공정에 따라 생성된 정제된 금속은 휘발성 물질들을 추가적으로 제거하여 순도를 향상하기 위해 본 발명의 공정을 이용하여 반복적으로 처리할 수도 있다. 따라서, 공정은 처리 모듈 당 금속 순도가 향상되는 모듈 방식으로 수행될 수도 있다.

본 발명은 설명한 바와 같은 본 발명의 공정을 수행하기 위한 반응기를 또한 제공하며, 상기 반응기는 로(furnace), 증류기, 퇴적용 면을 포함하고;

상기 증류기는 상기 로의 내부로 연장되고 상기 로를 통해 연장되며, 상기 증류기는 공정 물질을 상기 증류기 내부로 전달하기 위한 입구와 상기 공정 물질로부터 휘발성 물질들의 승화 후에 상기 증류기로부터 금속을 제거하기 위한 출구를 포함하고: 그리고

상기 퇴적용 면은 상기 공정 물질로부터 승화된 휘발성 물질들을 퇴적시키기 위한 것으로서, 상기 증류기로부터 휘발성 물질들을 수용하기 위한 입구와 상기 퇴적용 면으로부터 퇴적된 휘발성 물질들을 제거하기 위한 출구를 포함한다.

증류기는 증류기를 따라 입구로부터 반응기의 고온 구간으로 공정 물질을 이송하기 위한 메카니즘과, 휘발성 물질들이 승화된 공정 물질을 증류기의 출구로 이송하기 위한 메카니즘을 포함할 것이다.

면은 또한 퇴적된 휘발성 물질들을 면의 출구로 이송하기 위한 메카니즘을 포함할 것이다.

반응기는 휘발성 물질들이 제거된 공정 물질과 퇴적된 휘발성 물질들을 수용하기 위한, 통과 같은 콜렉터들을 또한 포함할 것이다.

반응기는 필요에 따라 보조 구성 요소들을 또한 포함할 것이다. 예를 들어, 반응기는 반응기가 진공 상태에서 작동되도록 하는 하나 이상의 진공 펌프들을 포함할 것이다.

반응기의 추가적인 특징들은 앞선 본 발명의 설명과 첨부한 한정적이지 않은 도면들로부터 명백할 것이다.

바람직한 실시예에서 증류기는 승화 증류기의 형태로 승화 스크류를 포함하고, 휘발성 물질들을 퇴적시키기 위한 면은 퇴적 증류기의 형태로 퇴적 스크류를 포함한다. 이러한 구성 요소들은 일 실시예를 들어 위에서 설명한 바와 같이 도면들에서도 도시된다. 설명한 바와 같이 퇴적 증류기와 퇴적 스크류(들)은 설계적으로 다양할 수도 있다.

본 발명의 실시예들은 첨부한 한정적이지 않은 도면들에 도시된다.
도 1은 본 발명에 따른 반응기를 도시하는 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 반응기 내부에서 사용될 수도 있는 부품을 도시하는 개략도들이다.
도면들은 개략적이며, 상대적인 비율들과 치수들 측면에서 한정되지 않는다.

도면들은 마그네슘을 이용하여 사염화 티타늄을 환원함으로써 생산된 티타늄 함유 공정 물질의 처리와 관련하여 도해의 목적으로만 이용될 것이다. 공정 물질은, “저온 산업 공정”이라는 제목으로 공개된 본 출원인의 국제 특허 출원 WO2006/042360에서 설명하는 바와 같이 생성될 수도 있다. 공정 물질은 합성 입자들의 형태로 제공되며 MgCl2로 이루어진 매트릭스 내부에 티타늄 입자들이 함유되어 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 종류의 생성물을 이용하는 실시에 한정되지 않는다.

도 1은 입구 포트를 경유하여 승화 스크류(2)의 표면 상에 공정 물질을 공급하기 위한 통/호퍼(1)를 포함하는 반응기를 도시한다. 합성 입자들의 공급은 밸브들을 이용하여 측정할 수도 있다. 승화 스크류(2)는 긴 튜브 형태의 승화 증류기(3) 내부에 제공된다. 승화 스크류(2)의 회전에 의해 공정 물질이 이송된다. 승화 스크류(2)는 그 일 단부에 위치하는 드라이브(4)에 의해 회전되는 샤프트가 없는 스크류이다.

승화 증류기(3)는 (공정 물질이 승화 스크류(2) 상으로 전달되는 위치에서 먼 영역에서) 약 1050°C 의 최대 온도를 가지는 로(5) 내부로 연장된다. 승화 증류기(3)는 진공 라인(6)을 통해 진공 상태가 될 수도 있고, 일반적으로 0.01과 0.015 kPa 사이에서 작동한다. 일반적으로, 장치에는 퍼지 가스(예를 들어, 아르곤)가 유입되어, 작동 시 장치 내부로의 공기 유입을 막는다.

공정 물질이 유입되는 단부에서 떨어진 승화 스크류(2)의 일 단에는 휘발성 물질들의 승화로 정제된 티타늄을 모으기 위한 통(7)이 제공된다.

반응기는 또한 퇴적 스크류(8) 및 퇴적 증류기(9)를 포함한다. 퇴적 증류기는 승화 스크류(2) 안으로 연장될 수도 있다. 이 경우, 승화 스크류(2)에는 샤프트가 없을 수도 있다. 또한, 퇴적 스크류(8)도 샤프트가 없을 수 있다. 결과적으로, 내부 퇴적 증류기가 이용된다면, 퇴적 증류기(9)의 내부 지름은 승화 증류기(3)의 내부 지름보다 작다. 도 1은 외부 퇴적 증류기들이 이용되는, 퇴적 스크류(8), 퇴적 증류기(9), 승화 스크류(2), 및 승화 증류기(3)를 포함한 장치를 도시한다.

독립적인 드라이브 유닛(10)은 퇴적 증류기(9) 내부에서 퇴적 스크류(8)를 회전시키는 데 이용된다. 진공 라인(6)은 퇴적 증류기(9)와 연결되어 진공 펌프와 링크된다. 퇴적 증류기(9)는 또한 퇴적 물질을 통(11)에 모으기 위한 배출 출구를 포함한다.

사용 시, 장치는 진공 펌프들을 이용하여 진공 상태가 되고 아르곤으로 퍼지된다. 일반적으로, 시스템 내부 압력은 0.01 에서 0.015 kPa 이다. 장치의 증류기(5) 구성 요소는 가열 요소들 등을 이용하여 소정 온도(약 800°C)로 가열된다. 승화 스크류(2) 및 퇴적 스크류(8)는 회전된다. 승화 스크류(2)상으로 공급되는 공정 물질이 계량되고, 장치의 로 부분의 내부로 이송된다. 일반적인 압력과 온도 조건에서, 공정 물질(주로 MgCl2) 안에 존재하는 휘발성 물질들은 승화되어 정제된 티타늄 금속 입자들을 남긴다. 이들 입자들은 승화 증류기의 길이만큼 이송되고 증류기의 일단에서 배출되어 통(7) 내부에 수집된다. 티타늄 입자들은 그대로 이용될 수도 있고, 또는 본 발명에 따라 더 처리될 수도 있는 데, 이 경우, 존재할 수도 있는 휘발성 물질 종류들을 더 제거함으로써 순도를 높이게 된다. 티타늄 입자들이 다소 가볍게 소결될 수도 있는데, 이 경우, 초미립 티타늄 입자들의 반응성을 줄이는 효과가 실제적으로 있을 수도 있다.

공정 물질을 승화시키는 휘발성 물질들은 진공 상태에서 퇴적 증류기들(9)로 유입되는데, 퇴적 증류기들(9)은 퇴적이 이루어지도록 온도가 제어된다. 이와 관련하여, 퇴적 증류기 또는 적어도 그 일부는 냉각 슬리브(12)를 포함할 수도 있다. 일반적으로, 온도는 퇴적 증류기(9)의 길이를 따라 로(5)로부터 멀어지는 방향으로 감소할 것이다. 퇴적 증류기(9)의 길이를 따라 750°C 내지 350°C에 걸친 온도 구배가 적절할 수도 있다. 퇴적 증류기들(9)의 내면 상의 퇴적된 고체들은 퇴적 스크류들(8)의 작동에 의해 증류기를 따라 이송될 것이다. 스크류들의 일단에서, 퇴적된 고체들은 증류기들 내부에 배치된 포트를 통해 배출되고 통(7) 내부에 수집된다.

도 2 및 도 3은 관 부재 형태의 승화 증류기의 일부를 도시한다. 승화 증류기(1)는, 도 2 및 도 3에 도시되지 않은 승화 스크류를 포함할 것이다. 승화 증류기(1)의 내부는 포트(3)을 경유하여 퇴적 증류기(2)에 연결된다. 퇴적 증류기는 관 부재 형태를 갖는다. 일반적으로, 퇴적 증류기(2)는 승화 증류기(1)와 직교하지만, 이에 한정되지는 않는다. 퇴적 증류기(2)는 배출 출구(4)를 포함한다.

도 2에서, 퇴적 증류기(2)는 퇴적 스크류(5)을 포함하고, 퇴적 스크류(5)는 샤프트(6) 및 스크류 스레드들(7)을 포함한다.

도 3에서, 퇴적 증류기(2)는 고정된 중앙 관 부재(9)를 포함한다. 관 부재(9)와 퇴적 증류기(2)의 내면 사이의 환상 공간(10) 안에는 샤프트없는 퇴적 스크류(11)가 위치하고, 퇴적 스크류(11)는 관 부재(9) 주의를 회전한다.

사용 시, 승화 증류기(1) 내부에서 휘발성 물질들이 고온에서 승화되어 퇴적 증류기(2) 내부로 유입된다. 퇴적 증류기 내부 온도가 적절하게 낮으면, 휘발성 물질들은 증류기(2) 내부의 복수개의 면 상에 고체 상태로 퇴적될 것이다. 도 2 및 도 3에서, 퇴적된 휘발성 물질들은 참조 번호 8로 표시된다. 스크류(5)의 회전은 퇴적 증류기(2)의 내면에서 퇴적된 휘발성 물질들(8)을 긁어 내어 퇴적 증류기(2)를 따라 이송시키는 효과가 있을 것이고, 퇴적 증류기(2)에서 정제된 금속(8)은 출구(4)를 통해 배출되어 수집될 것이다.

도 3에서, 퇴적 증류기(2)의 내면과 중앙의 관 부재(9)의 표면에서 퇴적이 이루어질 것이다. 퇴적 스크류(10)는 관 부재(9)와 퇴적 증류기(2)의 면들에서 퇴적된 휘발성 물질들(8)을 긁어 내고, 퇴적 증류기(2)를 따라 휘발성 물질들(8)을 이송하여 출구(4)에서 배출할 것이다.

도 2 및 도 3에 도시된 실시예들은 도 1에 도시된 바와 같은 동일한 추가 부품을 포함할 것이고, 도 1 내지 도 3의 실시예는 사용된 퇴적 스크류(들) 및 퇴적 증류기의 종류에 있어서 주요한 차이가 있다. 도 2 및 도 3의 실시예들에 대한 작동 모드는, 퇴적 증류기/퇴적 스크류(들)에 대한 설계 변경과 관련하여 도 1에서와 본질적으로 동일하다.

본 발명에 이용되는 장치 및 그 구성요소들은 적절한 특성들을 가진 물질들로 만들어지고, 사용된 물질들은 당업자에게 잘 알려져 있다.

다음의 한정적이지 않은 예제는 본 발명의 일 실시예를 나타낸다.

예제

사용된 장치는 2.2 m 길이에 153 mm 내경을 가진 253MA 스테인레스 스틸로 만들어진 원통형 승화 증류기였다. 승화 증류기의 중앙 구간은 1300 mm 길이의 14.4 kW, 세 개의 영역으로 분리되어 870°C까지 가열되는 로 내부에 배치되었다. 승화 증류기의 고온 구간(750°C를 초과하는 구간)은 길이가 700 mm였다. 승화 증류기의 공급 구간은 단일 오거 파우더 피더(auger powder feeder)에 부착된 50 mm의 포트를 포함했다. 염화 마그네슘 매트릭스(20.1%Ti, 79.7% MgCl2) 내부에 400 미크론 미만의 Ti 입자들을 함유하는 합성 물질인 공급 공정 물질이 고온 구간을 통과하도록 8분 동안 250g/hr의 속도로 승화 증류기 내부로 공급되었다.

승화 증류기의 출구 측 단부는 70 mm의 배출 파이프였고, 이를 통해 Ti가 풍부한 금속 파우더가 볼/나이프 게이트 밸브(ball/knife gate valve)를 통해 실링된 금속 튜브 내부로 낙하한다. 금속 파우더는 한 번의 공정으로 99.3%Ti, 0.10%Mg, 및 0.30%Cl의 구성비를 가졌다.

승화 증류기는 최소한의 공기 유입으로 중간 정도의 진공 상태에서 작동하도록 설계되었다. 1 내지 10 rpm으로 공급 단부에서부터 구동되는 90 mm 피치의 샤프트 없는 스크류에 의해 합성 물질은 승화 증류기를 통해 이동되었다. 공기 유입을 최소화하기 위한 3개 챔버의 기계적 실을 관통하고 고비율의 기어박스에 연결되는 전기 모터가 드라이브 트레인에 포함되었다. 승화 증류기 내부의 작용 압력은 0.01 과 0.015 kPa 사이였다. Ar 퍼지 가스가 배리어 가스(barrier gas)로서 5 mg/min 속도로 추가되었다.

다음으로, 고온 구간에서 승화된 합성 물질로부터의 염화 마그네슘은 승화 증류기에서부터 136 mm ID의 내부 퇴적 증류기를 통해 배출되었고, 136 mm ID의 내부 퇴적 증류기는 승화 증류기의 공급 단부에서부터 샤프트 없는 스크류의 중심을 통해 입구 지점이 위치한 고온 구간에 인접한 지점으로 작동했다. 다음으로, 승화 증류기 내부의 고온 구간에서 승화된 염화 마그네슘은 퇴적 증류기의 단부에 연결된 진공 펌프를 경유해 퇴적 증류기로 유입되었다. 염화 마그네슘은 퇴적 증류기 내부로 연결된 입구에 빠르게 퇴적되었다. 퇴적 스크류는 고체 염화 마그네슘 파우더를 퇴적 증류기를 통해 50 mm 배출 포트로 그리고 금속통 내부로 이송하기 위해 이용되었다. 퇴적 스크류는 퇴적 증류기로 가는 입구에서 부산물의 축적을 막기 위해 입구 지점을 약간 지나 연장되었다.

장치는 20시간에 걸쳐 연속적으로 작동되어 대략 0.9 kg의 정제된 금속을 생성했다.

본 발명의 범위 안에서 다양한 변경은 당업자들에게 명백할 것이다.

임의의 선행 공개물(또는 그로부터 도출된 정보) 또는 임의의 공지된 자료에 대한 본 명세서의 참조가 이러한 선행 공개물(또는 그로부터 도출된 정보) 또는 공지된 자료가 본 발명과 관련된 기술분야에서 일반적인 상식의 일부를 이루는 것을 인정하거나 시인하거나 임의 형태의 암시를 말하는 아니며, 그렇게 간주되어서도 안 된다.

본 명세서 및 아래의 청구항들 전체에 걸쳐, 특별한 언급이 없다면, 용어 “포함한다” 및 “포함하고”와 “포함하는”과 같은 변형 용어들은 언급된 요소, 단계, 또는 요소들이나 방법들의 집합을 포함하는 것을 의미하지만 그 밖의 요소, 방법, 또는 요소들이나 방법들의 집합을 배제하는 것은 아님을 이해할 것이다.

Claims (10)

1. 금속 및 상기 금속보다 휘발성이 강한 구성 요소를 포함하는 공정 물질로부터 상기 금속을 회수하기 위한 공정에 있어서, 상기 공정은:
   상기 공정 물질을 로(furnace) 내부에 위치한 증류기 내부에 이송하며, 상기 증류기는 상기 공정 물질로부터 상기 구성 요소를 승화시키기에 충분한 온도와 진공 상태에서 작동되어 정제된 금속을 통제된 소결을 통해 생성하는 단계;
   승화된 상기 구성 요소를 차가운 면 상에 퇴적시키는 단계;
   상기 증류기로부터 정제된 금속을 제거하는 단계; 및
   상기 차가운 면으로부터 퇴적된 구성 요소를 제거하는 단계;를 포함하는 공정.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공정은 연속적으로 수행되고, 처리되지 않은 공정 물질이 상기 증류기와 로에 연속적으로 공급되고, 정제된 금속 및 퇴적된 휘발성 구성 요소(들)이 연속적으로 제거되는 공정.
3. 제1항에 있어서,
   상기 금속은 티타늄, 지르코늄, 및 하프늄로부터 선택되고, 상기 공정 물질은 금속 환원 반응 부산물들을 포함하고 과잉 환원제를 포함하기도 하는 환원 반응 생성물인 공정.
4. 제1항에 있어서,
   상기 금속은 티타늄이고, 상기 공정 물질은 마그네슘을 이용하여 사염화 티타늄을 환원함으로써 생성되는 공정.
5. 제1항에 있어서,
   휘발성 구성 요소(들)이 승화 단계에서 승화되도록 하는 온도 및 압력 조건들에서 그리고 선택된 금속 함유 공정 물질에 대해서 수행되는 공정.
6. 제1항에 있어서,
   상기 공정 물질은 회전하는 스크류를 이용하여 상기 증류기 내부에 이송되는 공정.
7. 제1항의 공정을 수행하기 위한 반응기에 있어서,
   로(furnace), 증류기, 퇴적용 면을 포함하고;
   상기 증류기는 상기 로의 내부로 연장되고 상기 로를 통해 연장되며, 상기 증류기는 공정 물질을 상기 증류기 내부로 전달하기 위한 입구와 상기 공정 물질로부터 휘발성 물질들의 승화 후에 상기 증류기로부터 금속을 제거하기 위한 출구를 포함하고: 그리고
   상기 퇴적용 면은 상기 공정 물질로부터 승화된 휘발성 물질들을 퇴적시키기 위한 것으로서, 상기 증류기로부터 휘발성 물질들을 수용하기 위한 입구와 상기 퇴적용 면으로부터 퇴적된 휘발성 물질들을 제거하기 위한 출구를 포함하는 반응기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 증류기를 따라 상기 입구로부터 상기 반응기의 고온 구간으로 공정 물질을 이송하기 위한 메카니즘과, 휘발성 물질들이 승화된 공정 물질을 상기 증류기의 상기 출구로 이송하기 위한 메카니즘을 포함하는 반응기.
9. 제7항에 있어서,
   상기 증류기는 승화 증류기의 형태로 승화 스크류를 포함하고, 휘발성 물질들을 퇴적시키기 위한 상기 면은 퇴적 증류기의 형태로 퇴적 스크류를 포함하는 반응기.
10. 제1항의 공정에 의해 회수되는 금속.

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