UA51727C2 - Спосіб одержання магнію - Google Patents

Abstract

Запропоновано безупинний спосіб одержання елементарного магнію (9-1). Магній (9-1) одержують з оксиду магнію (5) і легкого вуглеводневого газу (6). У способі згідно з винаходом потік вихідних матеріалів (7), що складається з оксиду магнію (5) і газу (6), безупинно подають у реакційну зону камери (4) основного реактора. Там здійснюють взаємодію оксиду магнію (5) і газу (6) при температурі 1400° С або вище в зоні реакції до одержання безупинного потоку продукту з продуктів реакції, які включають елементарний магній (9-1). Потік продукту піддають безупинному різкому охолодженню в камері (9) поділу продуктів після того, як він залишає зону реакції, і елементарний магній (9-1) відокремлюють від інших продуктів (9-2) реакції.

Description

Опис винаходу

Винахід стосується способів одержання металевого магнію, тобто елементарного магнію, з оксиду магнію і, 2 зокрема, безупинного способу одержання магнію з оксиду магнію і метану.

Магній звичайно одержують одним із двох основних способів: електролізом розплавленого хлориду магнію до одержання розплавленого металевого магнію і газоподібного хлору, або термічним відновленням оксиду магнію феросиліцієм або твердим вуглецем. Деякі недоліки електролізу полягають у тому, що Цей спосіб вимагає значних зусиль з підготовки металу для подачі в електролітичну ванну і крім того цей спосіб має 70 низьку продуктивність. Способи, засновані на електролізі і феросиліції, вимагають також високих енерговитрат.

Магній можна одержати шляхом відновлення твердим вуглецем при температурах 2000" і вище.

Відновлення є сильно ендотермічним процесом і йде тільки при безупинній подачі енергії, наприклад, за допомогою електричної дуги. Навіть при температурі нижче приблизно 20007С пари магнію будуть піддаватися повторному окисленню в атмосфері, що містить оксид вуглецю. Щоб звести до мінімуму це повторне окислення, 19 способи одержання магнію звичайно включають швидке охолодження пару і газів. У так називаному способі

Гансгірга охолодження здійснюють за допомогою великих об'ємів водню або природного газу.

Патент США Мо2,364,742 розкриває циклічний процес відновлення твердого оксиду магнію метаном. У патенті встановлюється, що при високих температурах метан буде піддаватися термічному розкладанню на водень і вуглець, які є відносно неефективними для відновлення твердого оксиду магнію. В результаті, на думку авторів, варто обробляти газоподібним метаном нагріту тверду речовину протягом дуже короткого проміжку часу, щоб запобігти розкладанню метану до початку реакції. Точніше, твердий оксид магнію змішують із твердим матеріалом, що містить вуглець, таким як кокс, ії поміщають суміш у реактор. Потік сильно нагрітого повітря пропускають через установку, що містить суміш, поки кокс не згорить у достатньому ступені, піднявши температуру суміші до значень, які перевищують температуру відновлення оксиду магнію. Повітряне дуття с переривають і в якості дуття вводять у суміш метан або природний газ. Пари магнію потім конденсують і Ге) відокремлюють від газів. Таким чином, спосіб відновлення оксиду магнію носить переривчастий або циклічний характер.

У звіті про проведені дослідження згідно з програмою 6046, поданому в Шахтне Бюро США, за назвою "Економічна і технічна оцінка способів одержання магнію (у трьох частинах). 2. Вуглетермічний процес" авторів в

Елкінса Д.А. і ін., описаний вуглетермічний процес, використаний на заводі "Реппапепіє". У даному процесі су магній і кокс подрібнювали, пресували в брикети і подавали в дугову відбудовну піч в атмосфері водню. Пари магнію й оксиду вуглецю різко охолоджували в природному газі на виході з печі. в

У Патенті США Мо 4,290,804 описаний спосіб, в якому магній витягають із наднагрітих газів, що складаються, «- в основному, з оксиду вуглецю і парів магнію, шляхом різкого охолодження пароподібної композиції розпиленим

Зо рідким магнієм, переважно нагрітим до температури, яка приблизно дорівнює температурі його пароутворення. о

Рідкий магній безупинно випаровується з великим поглинанням енергії і пароподібної суміші за допомогою цього охолоджується до температури, яка декілька вище температури пароутворення магнію. Одержаний пароподібний магній витягають конденсацією до одержання розплавленого магнію. «

Необхідні ще більш ефективні і економічні способи одержання металевого магнію, які можна здійснювати в З 70 безупинному режимі при атмосферному тиску при використанні недорогої сировини. с Даний винахід пропонує безупинний спосіб одержання металевого магнію з оксиду магнію і метану. У

Із» відповідності зі способом згідно з даним винаходом, змішують оксид магнію і легкий вуглеводневий газ до одержання потоку вихідних матеріалів, безупинно подають потік вихідних матеріалів у реакційну зону, здійснюють взаємодію оксиду магнію і газу при температурі приблизно 14007С або вище, щоб одержати потік продукту, що складається з продуктів реакції, який включає неперетворені вихідні матеріали і необхідний і-й елементарний магній, різко охолоджують потік продукту, що містить продукти реакції, і відокремлюють - елементарний магній з ціллю його видобування.

Оксид магнію (МоО), використовуваний в способі згідно з винаходом, може являти собою оксид магнію, і мінеральний оксид магнію (наприклад, кальцинований доломіт (Саб)(Мдо),)) або попередник оксиду магнію, ка 20 такий як, наприклад, доломіт (Сасо 3)2(МоСО»53)6), карбонат магнію і гідроксид магнію, а також суміші будь-яких таких матеріалів. Коли використовують попередники оксиду магнію, краще, щоб матеріали т попередників були кальциновані перед змішуванням із легкими вуглеводневими газами.

Легкими вуглеводневими газами є гази С.і-Сз3, тобто метан, етан, пропан або їх суміші. Краще використовувати в способі згідно з винаходом метан або природний газ. У випадку метану реакцію можна 25 записати в такому вигляді:

ГФ) МаОСНІ-еМаСо ан» (1)

Металевий магній відокремлюють, а потім витягають з інших продуктів із застосуванням відповідного о способу, наприклад, конденсації на низькотемпературній поверхні, контактування з ванною, потоком або розпиленим охолодним середовищем, таким як розплавлений магній, із подальшим очищенням, якщо потрібно, 60 за допомогою повторного розплавлення, дистиляції, продувки магнієм у відповідній формі, і т.п.

Краще здійснювати взаємодію в проточному реакторі, де потік газу попередньо нагрітий, наприклад, шляхом обміну з потоком продуктів реакції. Температуру, потрібну для здійснення взаємодії, можна одержати в реакторі шляхом спалювання відповідного палива в повітрі, або повітрі, насиченому О 5, або в О»5, із попереднім нагріванням окислювача (наприклад, повітря), або без цього, або шляхом електронагрівання, включаючи бо використання електричного дугового розряду, такого як термічна плазма. В числі відповідних видів палива природний газ, метан, Но або СО. І Но, і СО можна одержати з продуктів взаємодії, як показано в рівнянні (1), після відділення Мо. Електрику для нагрівання й інших цілей можна виробляти будь-яким зручним способом, наприклад, шляхом спалювання СН у або іншого придатного палива в газових турбінах із комбінованими циклами або без них. В альтернативному варіанті водень, що утворюється в якості побічного продукту, можна використовувати для того, щоб виробляти електроенергію за допомогою паливних батарей.

Короткий опис креслень

На Фіг.1 дана схема, що ілюструє один варіант способу згідно з даним винаходом.

На Фіг.2 дана схема, що ілюструє проточний реактор для виробництва магнію згідно з одним із варіантів 7/0 Здійснення даного винаходу.

На Фіг.3 приведена ще одна схема, що ілюструє ще один варіант способу згідно з даним винаходом.

На Фіг.4 дана схема, що ілюструє розташування електродів для одержання електричної дуги в одному з варіантів здійснення даного винаходу.

На Фіг.5 дана схема, що ілюструє плазмовий реактор і устаткування для утилізації газів і твердих речовин, включаючи устаткування для збору продукту реакції, використане в лабораторних умовах для здійснення варіанта способу згідно з даним винаходом.

На Фіг.б6 дана схема плазмового реактора, застосовного разом з устаткуванням згідно з Фіг.5 для здійснення даного винаходу.

На Фіг.7 приведений графік, що ілюструє відсоток перетворення МодО у Ма в залежності від потужності дуги при швидкості потоку метану в 20 стандартних літрів у хвилину (ст.л/хв.) для різних мольних відношень

МаО:метан у потоці вихідного матеріалу.

На Фіг.8 приведений графік, що ілюструє відсоток перетворення МодО у Ма в залежності від потужності дуги при двох різних швидкостях потоку метану. с

На Фіг.9 приведений графік, що ілюструє відсоток перетворення МодО у Ма в залежності від потужності дуги для мольного відношення МОО до метану в 1,15:1 при різних швидкостях потоку метану й аргону. і)

На Фіг.10 приведений графік, що ілюструє відсоток перетворення МодО у Ма в залежності від потужності дуги для мольного відношення МоО до метану в 1,15:1 при двох різних швидкостях потоку метану.

На Фіг.11 приведений відсоток перетворення в залежності від потужності дуги при швидкості потоку в 10 М

Зо бт.п/хв. метану для двох значень мольного відношення МоО до метану в потоці вихідного матеріалу.

На Фіг. 12 дана схема плазмового реактора, камери охолодження і зв'язку пробовідбірника з реактором. с

Згідно з даним винаходом запропонований безупинний спосіб одержання елементарного магнію із (ї) оксиду М магнію (Мо90) або матеріалу, що є попередником оксиду магнію, і (її) метану, або природного газу, або іншого легкого вуглеводневого газу, або суміші газів. Далі більш докладно будуть описані варіанти винаходу, -- ілюстровані на Фіг.1,2,3 і 4. МоО 5 і природний газ 6 подають у камеру 1 попереднього змішування і змішують у ю ній (Фіг. 1) при температурах, які є досить низькими для того, щоб у цій камері не відбувалася значна взаємодія вихідних матеріалів у потоці вихідних матеріалів. Звичайно використовувані температури складають приблизно 6507С або нижче.

Суміш Мас і природного газу у вигляді потоку 7 вихідних матеріалів потім подають у реакційну камеру 4, « яка знаходиться всередині або в корпусі 2. Можна вважати, що камера 4 має певні зони (див. Фіг.2). Всередині з с верхньої частини зони 14 у камері 4 суміш швидко нагрівають до температури, що є досить високою для того, . щоб у певних зонах утворювалися елементарний магній (Ма) і один або декілька цінних газоподібних продуктів, и?» таких як оксид вуглецю (СО) і молекулярний водень (Н 2). Для цього потрібна температура щонайменше в 14007"С. Переважно, температура повинна складати щонайменше приблизно 1800"С; а в деяких варіантах здійснення винаходу температура може складати приблизно 2000"С або більше. Наприклад, коли подаваний газ с складається з природного газу, що в основному являє собою метан (СН /), хімічна реакція (1) описує загальну схему одержання елементарного магнію із застосуванням даного способу. Продукти реакції і неперетворені - вихідні матеріали частково охолоджують у нижній частині зони 14 і потім за допомогою трубопроводу 12 -І переміщують у камеру 9, де відбувається поділ продуктів (Фіг.1) і в якій елементарний магній відокремлюють

Від потоку продуктів реакції. Магній можна відправити на збереження, на подальше обчищення або використання о в конкретному виробничому процесі. "М Краще, щоб МоО підготовляли для камери 1 попереднього змішування, наприклад, шляхом здрібнювання так, щоб щонайменше 85мас.9о його знаходилося у формі невеликих частинок. Краще, щоб частинки мали середні розміри приблизно 2-3 мм або менше, ще краще - приблизно їмм або менше. Звичайно менше, ніж дв 1Змас.7о частинок мають розміри більше, ніж приблизно 1см; краще, щоб менше 5мас.95 частинок мали розміри більше приблизно 1см у середньому. У деяких варіантах здійснення, у залежності від типу використовуваного (Ф, устаткування може знадобитися використовувати МоО з ще меншим розкидом розмірів частинок, наприклад, ка 85мас.бо частинок повинні мати середні розміри частинок приблизно 0,2мм або менше.

У тексті даної заявки термін "середній розмір" означає діаметр частинок або його еквівалент. во Камера 1 попереднього змішування може мати псевдозріджений шар із щільного каталізатора (наприклад, див. камеру 24 на Фіг.3), трубопровід, ежектор або інший відповідний пристрій для змішування газу і твердих частинок; такі пристрої добре відомі фахівцям.

Коли попередник МоО, наприклад, карбонат магнію (МаСО»з), гідроксид магнію (МО(ОН)»), і так далі, або подібна речовина є джерелом МО, то спочатку з цього джерела одержують Мо0, наприклад, кальцинуванням в 65 умовах, які добре відомі фахівцям. Так, у випадку карбонату магнію або гідроксиду магнію, наприклад, будуть здійснені нижченаведені реакції, причому їх звичайно проводять в окремій ємності, від камери 1 попереднього змішування:

МаСО53-МаОксСо» (2)

Ма(он)»"Маотньо (3)

Твердий МоО відокремлюють від СО» і Н»О будь-яким зручним способом, добре відомим фахівцям, наприклад, методом мокрого обчищення видаляють СО 5, методом конденсації НьО, за допомогою циклотронайів) і т.п. Твердий МоО потім уводять у камеру 1 попереднього змішування.

Різні інші мінерали можуть бути привабливими джерелами магнію і їх можна використовувати для одержання потоку твердих вихідних речовин, використовуваних у способі згідно з даним винаходом. Кращими є два 7/0 Мінерали - доломіт (СаСОз)а(МоСоО»)» і кальцинований доломіт (Саб)(МоОуу. Кальцинований доломіт можна використовувати в рамках даного винаходу практично так само, як описано тут же по відношенню до Мао. Однак

Сао в кальцинованому доломіті повинний бути перетворений, щонайменше частково, у цінний продукт карбідів кальцію (СасС»о). Карбідів кальцію має велику комерційну цінність, оскільки його можна перетворити в ацетилен (СоН»о) у великих кількостях шляхом взаємодії з водою, тобто:

СаСьн2Н2О- хСа(ОнН)»нсС»оН» (4)

В камері 1 попереднього змішування звичайно температура досить низька, щоб запобігати небажані хімічні реакції вихідних матеріалів, звичайно вона нижче 650"С, переважно 2507С або нижче, а найкраще 1257С або нижче. Потік 7 у вигляді суміші вихідних матеріалів, транспортують із камери 1 попереднього змішування в реакційну камеру 4, де цю суміш нагрівають, переважно досить швидко, до температури, яка є досить високою для того, щоб викликати перетворення МоО в Мо у камері 4. Ця температура повинна складати щонайменше 14007С, переважно щонайменше 18007С, а може бути і значно вище (20007С або вище), особливо якщо застосовуються особливі засоби нагрівання вихідних матеріалів, такі як термальна плазма.

Звичайно перетворення МоО в Мо у реакційній камері 4 у ході способу згідно з винаходом торкає щонайменше приблизно тридцятьох відсотків від кількості магнію, подаваного у вигляді МоаО, а краще приблизно с п'ятдесятьох або шістдесятьох відсотків. Перетворений магній можна витягти з витікаючого по трубопроводу 12 потоку у вигляді елементарного магнію. Типовий час взаємодії реагентів, тобто МоО і газу, у реакційній камері о 4 при таких підвищених температурах повинно складати щонайменше приблизно 0,01 секунди. Звичайно час взаємодії при температурах у 14007С або вище не більш приблизно декількох секунд. Краще, щоб час взаємодії складав приблизно декількох десятих секунд. Однак кращий час взаємодії буде залежати від конкретних умов і ча

Зо вихідних матеріалів, використовуваних у реакції, включаючи конкретні способи, використані для забезпечення швидкого нагрівання потоку 7 вихідних матеріалів. с

Тиск у камері 1 попереднього змішування, реакційній камері 4 реактора, витікаючому потоці і трубопроводі ї- 12, а також у камері 9 відділення магнію звичайно підтримують на рівні, вище атмосферного тиску, що превалює, із метою запобігти просочуванню атмосферного повітря у виробниче устаткування. Тиск може бути різниму цих (77

Чотирьох зонах і звичайно буде складати щонайменше декілька дюймів водяного стовпа вище атмосферного ю тиску. У деяких варіантах здійснення винаходу тиск може складати декілька десятків атмосфер у більшості устаткувань.

Після того, як реакція пройшла у верхній зоні 14 камери, продукти реакції і вихідні матеріали, що не прореагували, охолоджують, переважно, швидко, із метою знизити або запобігти втрат елементарного магнію, « 70 наприклад, шляхом взаємодії оксиду вуглецю згідно з реакцією: шщ с СО-Ма »сСяМао (5) ц Краще, щоб втрати магнію при повторному окисленні були малими або незначними. Охолодження можна "» також робити таким чином, щоб перетворений магній був присутній у такій формі, яка полегшить подальше добування магнію, його збереження або обчищення. Так, в одному кращому варіанті виконання винаходу магній витягують із розділювальної камери 9 головним чином у вигляді рідкого магнію і, таким чином, температура, до (9! якої охолоджують вихідний газ і продукти реакції, не нижче, ніж 650"С, а переважно, не нижче, ніж 70070. В -3з іншому кращому варіанті виконання винаходу магній витягують із розділювальної камери 9, переважно або насамперед у вигляді твердої речовини, наприклад, у вигляді твердого магнію або твердого матеріалу, із якого -І легко витягти елементарний магній. У цьому випадку температура, до якої охолоджують продукти реакції, складає 645"С або нижче, краще 600"С або нижче. У третьому кращому варіанті здійснення винаходу Ма о відокремлюють від твердих продуктів або неперетворених твердих реагентів, головним чином або насамперед у "І вигляді пару. У цьому випадку температура, до якої продукти охолоджують, не нижче, ніж приблизно 110070.

Охолодження продуктів реакції і вихідних матеріалів, що не прореагували, можна здійснити будь-якими засобами, із ряду відомих фахівцям. Такі засоби охолодження включають, наприклад, (і) відвід тепла із безпосереднього оточення продуктів реакції, тобто із відповідної частини зони 14 шляхом теплообміну через стінки реакційної камери 4; або (ії) уведення о відповідних "охолоджувачів" 8 (які далі будуть позначатися літерою "9") або "охолоджувачів/реагентів 21 для ко добування магнію" (які будуть позначатися далі "О-К") або і СО), і 20-К. У випадку використання охолоджувачів 8, тепло відводять від продуктів реакції шляхом фізичного теплообміну з охолоджувачем або за допомогою бо фазового переходу або ендотермічної хімічної реакції що включає один або декілька інгредієнтів в охолоджувачі 8, або шляхом будь-якого сполучення цих засобів. Охолоджувачі/реагенти 21 для добування магнію також дозволяють відвести тепло від продуктів реакції при використанні будь-якого з вищевказаних засобів. Однак охолоджувачі/реагенти 21 служать також для того, щоб повторно перевести магній у форму, що більш підходить для відділення, збереження або витягу, наприклад, шляхом операцій, пророблених у камері 9 65 поділу, або у форму, більш придатну для обчищення або певного вигляду використання.

Охолоджувачі 8 або охолоджувачі/реагенти 21 для витягу магнію, можна вводити в потік продуктів реакції і неперетворених вихідних матеріалів у спеціальному місці в камері 4 реактора, тобто в зоні 14, за допомогою інжекторної камери 13 підвищеного тиску, яка уже зв'язана з відповідною зоною 14 або може бути зв'язана з нею. Камера підвищеного тиску може бути нерухомою або переміщуваною, так що при бажанні реагенти О або

О9-К можна подавати в різні частини зони 14. Місця упорскування реагентів С або О-К вибирають так, щоб досягти високого рівня виходу елементарного магнію, наприклад, згідно з реакцією (1), без небажаного повторного окислення Ма і, далі, так, щоб уникнути або знизити до прийнятного рівня утворення небажаних побічних продуктів, таких як, наприклад, коксу або інших карбоксильованих твердих речовин.

Приклади О-реагентів, придатних для цілей даного винаходу, включають неактивні тверді частинки 7/0 (наприклад, частинки вогнетривкої кераміки), крапельки рідини (наприклад, рідкого магнію), пари і гази або їх суміші. Властивості твердих частинок, які можна використовувати для того, щоб сприяти відділенню продукту, включають певний гранулометричний склад, форму (наприклад, сферичні або стрижнеподібні), площу внутрішньої поверхні, сумарну площу поверхні, розподіл розмірів пор, текстуру поверхні, морфологію і т.п.

Рідкі крапельки можуть також варіюватися по розмірах із метою підвищити збір продукту. Далі, такі реагенти 7/5 Можуть перетерплювати ендотермічні фазові перетворення під впливом фізичних або хімічних факторів (наприклад, плавлення, випару, сублімації, зміни кристалічної форми і т.п.) при температурах, придатних для різкого охолодження елементарного магнію або інших необхідних продуктів реакції.

Приклади охолоджувачів/реагентів С-К для витягу магнію, які можуть бути використані в рамках даного винаходу, також включають тверді частинки, крапельки рідини, гази, пари і їх суміші, від яких легко можна

Відокремити елементарний магній. Реагенти 0-К звичайно вибирають по тому, чи мають вони один або декілька хімічних або фізичних властивостей, перерахованих вище по відношенню до реагентів С). Однак фахівці визнають, що конкретні властивості можуть грати велику або меншу роль для реагентів О-К у порівнянні з реагентами С). Однак, незважаючи на те, що реагенти 2-К можуть бути з тих же матеріалів, що і реагенти с), реагенти О-К вибирають таким чином, щоб сприяти витягу магнію і зв'язувати його або служити носієм для с об Магнію таким чином, що магній легко можна буде витягти у вигляді елементарного магнію. У такому вигляді реагенти О-К можуть підвищити вихід продукту, його чистоту і т.п. і)

Продукти реакції і перетворені вихідні матеріали виходять із камери 4 реактора по трубопроводу 12 і поступають у камеру 9, де відбувається поділ продуктів реакції. Трубопровід 12 може входити в камеру 4 на різну глибину, і він може знаходитися в будь-якому місці всередині камери 4. Трубопровід 12 можна також М зо Використовувати для охолодження продуктів реакції замість охолодження їх за допомогою інжекторної камери 13 підвищеного тиску або разом із нею. с

На Фіг.1 показана камера 9 поділу продуктів реакції, як фізичного відділення від камери основного М реактора 4. Однак фахівці розуміють, що розділювальна камера 9 може знаходитися також всередині камери, де відбувається основна реакція. --

У сепараторі камери 9 елементарний магній у твердому вигляді, рідкому вигляді, у вигляді пару або сумішей ю двох або трьох цих фаз, відокремлюють від інших продуктів реакції і вихідних продуктів процесу, які не прореагували. В залежності від фази, в якій знаходиться магній, може застосовуватися серія поділів, наприклад, спочатку підтримують магній у пароподібному стані, поки видаляють різні тверді речовини по лінії (9-1), потім видаляють магній із пару, щоб відокремити його від інших газоподібних продуктів, таких як СО і Но « 400. по лінії (9-2), і від вихідних матеріалів, які не прореагували, таких як метан (СН у), який можна рециркулювати з с допомогою трубопроводу 40 у камеру 1 попереднього змішування. . Методи поділу можуть включати будь-який спосіб, звичайно застосовуваний при відділенні газів і парів від а твердих речовин, наприклад, за допомогою циклонних уловлювачів, центрифуг, каскадного імпактора і т.п.

Однак, як відзначалося вище, реагенти, що сприяють витягу магнію, можна використовувати для уловлювання й утримання елементарного магнію. Такі реагенти, що сприяють витягу магнію, можуть уже бути присутніми у с камері 9, вони можуть поступати в камеру 9 у вигляді потоку через трубопровід 22, що подає, або їх можна вводити в продукти реакції при підвищеній температурі за допомогою інжекторної камери 13 підвищеного тиску. - Ці реагенти можуть являти собою гази, пари, рідини або тверді хімічні композиції і, коли реагентом є рідина, -І то така рідина може мати певний розподіл розмірів крапель, а коли реагентом є тверда речовина, то вона може 5о мати певний гранулометричний склад, сумарну площу поверхні, внутрішню площу поверхні, форму, розкид ю розмірів пор, текстуру поверхні і морфологію, які будуть придатні для певного виду устаткування і робочих

І умов. Будь-який або усі з цих способів і реагентів можна використовувати для уловлювання й утримування магнію в розділювальній камері 9 протягом необхідного часу й у таких формах, які допоможуть витя/ти магній із метою його збереження, подальшого обчищення або конкретних видів застосування.

Фахівці визнають, що різні фізико-хімічні явища можуть сприяти поділу або витягу магнію в камері 9 і їх можна використовувати для цієї цілі, наприклад, конденсація або поділ пару магнію у вигляді рідини або

Ф) твердої речовини, перетворення рідкого магнію у твердий, фізична сорбція, хімічна сорбція, або інші способи ка поділу пару, рідини, твердих речовин або змішаних фаз магнію на поверхні або всередині субстрату, близького до магнію по температурі, композиції, структурі і т.п. Розчинення магнію в рідині або подача магнію у ванну з бо іншими матеріалами, деякі з яких можуть бути розплавленими, і т.п., є альтернативним способом збору магнію.

Елементарний магній можна потім витягти з камери 9 у зручній формі шляхом зливу металу (якщо потрібно, перед цим проводять поділ у важкому середовищі), повторного розплавлення, перегонки, термообробки, продувки і т.п., або, при необхідності, застосовують сполучення цих способів.

Краще, щоб потік 7 вихідних матеріалів швидко нагрівався до необхідної температури. Швидкий нагрів потоку 65 вихідних матеріалів можна здійснити різними способами, які добре відомі фахівцям. У кращому варіанті здійснення винаходу електродуговий розряд одержують між катодом 50 (негативний) і анодом 51 (позитивний)

пристрою 3, який може мати структуру, показану схематично на Фіг. 4. Потік вихідних матеріалів протікає між електродами й охолоджувальні суміші можуть циркулювати в аноді. Магнітне поле, створене такими засобами, як соленоїд (не показаний на Фіг.4), може бути використане для стабілізації дугового розряду або інших маніпуляцій із ним.

Потік 7 вихідних матеріалів направляють у реакційну камеру 4 реактора і пропускають, переважно, через електродуговий розряд, де цей потік нагрівають до підвищених температур і, використовуючи метан (наприклад) в якості вихідного газу, одержують елементарний магній згідно із загальною схемою хімічної реакції (1).

Ще один кращий спосіб нагрівання потоку 7 вихідних матеріалів у тій же зоні 14 камери 4, містить у собі 70 теплообмін, наприклад, шляхом випромінювання, конвекції або передачі тепла від зовнішніх стінок камери для нагрівання потоку вихідних матеріалів. Стінки можна нагрівати, наприклад, електронагрівачами або шляхом теплообміну з гарячим середовищем у зоні 19 газовідводу між камерою 4 і внутрішньою стінкою корпусу 2, або шляхом тепловипромінювання від внутрішньої поверхні стінок корпусу 2 (за аналогією з нагріванням у муфельній печі). В одному варіанті здійснення винаходу гарячий топковий газ для нагрівання зовнішніх стінок реакційної /5 Камери 4 можна забезпечити шляхом спалювання відповідного палива в повітрі, в О о із застосуванням попередньо нагрітого окислювача або без нього (наприклад, повітря), шляхом електричного нагрівання або шляхом прямого або непрямого нагрівання електричною дугою.

Відповідні види палива включають природний газ, метан, Но, СО (з О5), суміші Но/СО, що мають відповідні композиції, і т.п. Наприклад, Но або СО, або обидва гази можна одержати з потоку вихідних побічних продуктів 2о реакції (1) після відділення Мо. Електрику для нагрівання, для електродугового розряду і для інших завдань можна одержати будь-яким зручним способом, наприклад, від електрогенераторів, що приводяться в дію шляхом спалювання природного газу або іншого палива в газових турбінах, від комбінованих газових турбін, парових турбін і т.п. В альтернативному варіанті електрику можна виробляти при використанні паливних елементів, наприклад, де в якості палива використовується Н», включаючи Но, що є побічним продуктом даного с г процесу.

На Фіг.2 у схематичній формі зображений один тип пристрою 15 для введення потоку 7 попередньо змішаних і) вихідних матеріалів у реакційну камеру 4 із метою забезпечити нагрів у частині зони 14. Пристрій 15 виконаний таким чином, що має канал 20 для подачі вихідних матеріалів, який оточений стінками 17 і 18, які забезпечують прохід 10, через який може циркулювати середовище, що забезпечує регулювання температурив М зо Каналі 20. Пристрій 15 може мати додаткові стінки 16, які разом із стінками 17 утворюють ще один канал 11.

Канал 11 дозволить середовищу, попередньо нагрітому приблизно до температури реакції або навіть значно с вище неї, проходити у верхню частину зони 14 усередині камери 4 для того, щоб прискорювати або регулювати М. нагрів потоку 7 вихідних матеріалів, що поступає з каналу 20. Канал 11, через який проходить середовище, можна використовувати також для того, щоб звести до мінімуму або усунути контакт між потоком вихідних -- матеріалів і/або продуктів реакції зі стінками камери 4 основного реактора. У деяких варіантах здійснення ю винаходу одну або декілька з цих цілей можна досягти, якщо цілком усунути стінки 16 і дозволити стінкам камери 4 самим виконувати ті ж функції, що виконують стінки 16. Фахівцям ясно, що в тексті даної заявки термін "середовище" позначає газ, рідина, їх суміш або суміші газу і/або рідини, що містять також захоплені ними тверді матеріали. «

У деяких умовах крім попереднього перемішування при низькій температурі, як описано вище, необхідно в с почати додаткові заходи по підготовці вихідних матеріалів. Так, після попереднього перемішування вихідні . матеріали можна піддати попередньому нагріванню до деякої міри, наприклад, шляхом теплообміну з потоками, и?» що виходять у результаті реакції, або шляхом будь-якого іншого відповідного засобу нагрівання, наприклад, щоб підвищити сумарний тепловий ккд процесу. Далі, частина Мо, що поступає в процес у вигляді МоаО, можна

Конвертувати в карбіди магнію, наприклад, згідно с З основними реакціями:

МаОтЗСН.-еМасСьСО ВН» (6) - 2МаО5СН)-еМа»Сз2С2О10Н»5 (7) -І Потім МоС» і Мда2С3 можна повернути в процес, наприклад, у камеру 1 по трубопроводу 40 після того, як буде відкритий клапан 41, для перетворення в Мо, або, при бажанні, МоС 5 і Мо2Сз, відповідно, можна ю перетворити в ацетилен або метилацетилен/пропадієн шляхом взаємодії з водою (наприклад, див. публікацію "М Реїегз апа Номжага, патент США Мо4,921,685 і Мо5,246,550). Умови для здійснення способу згідно з даним винаходом вибирають таким чином, щоб реакції (6) і (7) не перешкоджали одержанню елементарного магнію зі значних кількостей магнію в потоці вихідних матеріалів, тобто спосіб, переважно, повинний давати чистий вихід дво МосС» і Мо2С»з із камери 4 на рівні менше приблизно 1595, а краще менше, ніж приблизно 1Омас.9о від магнію, що поступає в процес. (Ф, Устаткування для здійснення даного способу може мати таку конструкцію і структуру, що утворить серію ка взаємозалежних реакторів із псевдозрідюкеним шаром або шаром захоплених частинок, які по окремості або у відповідних сполученнях виконують во функції, описані вище по відношенню до камери 1 попереднього змішування, камери 4 основного реактора, і камери 9 поділу продуктів. На Фіг.3 проілюстрована в схематичній формі одна конструкція такого устаткування.

Така конструкція також застосовна в тому випадку, коли оксид кальцію СаО включений у число вихідних матеріалів із МоО, наприклад, в якості кальцинованого доломіту, і потім СаО перетворюють у СаС»о, а потім в ацетилен. 65 На Фіг.З корпус 24 являє собою камеру попереднього змішування, корпус 25 являє собою частину камери, де відбувається основна реакція, і де потік вихідних матеріалів нагрівається до температури взаємодії і відбувається реакція, корпус 26 являє собою перехідну зону для збору твердих частинок, відділених від парів магнію, і для перетворення карбідів металу (наприклад, СаС о, МаС»о, Мо2Сз), якщо вони присутні в зазначених твердих частинках, в ацетилени шляхом взаємодії з водяним паром. Тверді частинки, що не прореагували, типу

Мао ії Сао, і перетворені тверді речовини, такі як Моа(ОН) », Са(ОН)», вуглецеві тверді речовини і т.п., переміщують із корпуса 26 по трубопроводу 30 у регенераційний шар 29, завдяки якому гідроксиди знову конвертують у Мас і Сас, відповідно, шляхом додаткового зовнішнього нагрівання або спалювання вугілля, що йде у відходи, і/або метану в цьому шарі, що підводиться по лінії 29-1. Одержаний пар рециркулює у корпус 26 для повторного використання, разом із свіжим паром, що підводиться по лінії 29-2, якщо потрібно, а Мас і СаО /о Бециркулює у лінію 29-3 для повторного використання в процесі, тобто для змішування зі свіжим МоО і Сас у вигляді вихідних матеріалів, подаваних по лінії 24-1.

У варіанті винаходу, показаному на Фіг.3, Ма намірено підтримують у пароподібному стані в корпусі 25.

Деяку частину тепла можна відвести від корпусу 25, наприклад, із щільної фази шару, або з частини вище поверхні рідини, або з обох цих зон, за допомогою теплообмінників 36 і 37. Це дозволяє частково остудити /5 продукти реакції, щоб уникнути втрати елементарного магнію при взаємодії з СО, наприклад, шляхом реакції, описаної рівнянням (5), і допомагає в цілому здійснювати інтеграцію тепла. За допомогою трубопроводу 39 пари магнію транспортують із корпусу 25 у корпус 27 з одержаними газами СО, Н» і СНу/, що не прореагували.

У корпусі 27 Ма відокремлюють від цих газів охолодженням, конденсацією рідини і/або поділом на реагенти

О-К, які подають у корпус 27 по трубопроводу 31. Так, у даному варіанті здійснення винаходу корпус 27 діє як го Нижня частина зони 14 у камері 4, ії як камера 9 (на фіг.1) поділу продуктів, а трубопровід 31 діє як інжекторна камера 13 підвищеного тиску.

Одержаний магній переміщують із корпусу 27 по трубопроводу 32 у корпус 28, що служить для відділення додаткового магнію, наприклад, із реагентів О-К. У зазначеному варіанті винаходу це здійснюють, зберігаючи запас рідкого магнію в корпусі 28, і занурюючи вихід трубопроводу 32 набагато нижче поверхні рідкого магнію. сч об Температуру, наприклад, за допомогою теплообмінника 38, ступінь перемішування і хімічне середовище, що оточує вміст корпусу 28, регулюють таким чином, щоб прискорити добування додаткового магнію, наприклад, і) шляхом відділення його від реагентів 0-К. Реагенти 2О-К утворюють шар, відокремлений від рідкого магнію, і їх відокремлюють відсмоктуванням у трубопровід 33, по якому їх потім повертають у трубопровід 31 для повторного використання в корпусі 27 разом із свіжими реагентами О-К, якщо вони будуть потрібні. Рідкий М зо магній видаляють із корпусу 28, відводячи його по трубопроводу 34, у точці, розташованій біля дна рідкого магнію, і збирають його в корпусі 35. Хоча детальний опис технологічного устаткування і схеми його розміщення с на Фіг.3 опущені, схема розташування і робота цього типу устаткування є добре відомими фахівцям. Далі, М розташування корпусів можна варіювати, і деякі такі корпуси або всі корпуси можна помістити в більш великий корпус. --

Спосіб, згідно з даним винаходом, здійснювали на експериментальному пристрої, показаному на Фіг.5. ю

Експериментальний пристрій 50 складається з плазмового реактора 61, що містить систему плазмогенератора, що подає пристосування 52 для подачі порошку, охолоджувальної камери 53 для різкого охолодження потоку, що виходить після реакції, і системи 54, 93 відбору зразків і т.п. Система плазмогенератора складається з дугового розряду, що представляє собою плазмовий пальник, що утворює плазмовий реактор, джерела 76 « високочастотних коливань (для ініціювання дуги), пульта управління і джерела постійного току АІКСО 77, з с виставленого виробником на значення до 83Зквт і здатного забезпечити напругу у відкритому ланцюзі у 80, 160 і 320 вольт. ;» Плазмовий реактор 61 більш докладно показаний на Фіг.б. Він має із зовнішнім діаметром 1,905см графітовий катод і із внутрішнім діаметром 2,54см графітовий анод. Анод 62 утримується за допомогою трубного різьблення в латунному тримачі 64 анода з водяним охолодженням, який змонтований на верхньому фланці 58 камери 53 с охолодження. У тримачі анода зроблений канал 74 для охолодження. Верхня частина графітового анода ізольована кільцем 63, виготовленим із нітриду бору. Катод 65 у зборі включає найлонову частину 66, яка - підтримує мідну секцію 67, що охолоджується водою і що утворює верхню частину катода (воду для -І охолодження подавали через концентричні трубки 72). Найлонова частина 66 також ізолює катод від анода і 5р прикріплена до тримача анода і верхнього фланця 58 камери охолодження 53 трьома гвинтами (один показаний ю як 58-1). Кільце 68 із глинозему низької щільності використовували для термоізоляції найлонової частини 66 "М від анода 62. Трубка 69 із глинозему високої щільності забезпечувала термоізоляцію найлонової частини від дуги. Кінчик 70 катода був виготовлений у вигляді відрізка графітового стрижня довжиною 3,81см і товщиною 1,905см, який розсвердлили й у який нарізали внутрішнє різьблення, щоб прикріпити його до мідної частини в Катода. Кільцевий отвір 71 утворився між анодом і катодом, через який газ і інші вихідні матеріали подавали в реактор. (Ф) Згідно з практикою, добре відомою фахівцям, соленоїд 75 використовували для створення магнітного поля ка перпендикулярно току дуги, що додає зарядженим частинкам швидкісний компонент, перпендикулярний їх початковому напрямку. У результаті шлях заряджених частинок, що рухаються по площині перпендикулярно бо магнітному полю, буде являти собою криву. Однак середній вільний шлях частинок залишається практично незмінним. У таких умовах електропровідність плазми є більш анизотропною, що приводить до того, що плазма буде утримуватися магнітним полемо в певних границях.

Порошок подавали з аргоном у якості газу-носія в отвір 78 для впуску газу в реактор при використанні механічного живильника колісного типу 52 фірми "МіШег Тпегтаї, пс" модель 1270. 65 Плазмовий реактор змонтували на верхній частині сталевої камери 53, призначеної для охолодження після реакції, яка мала водоохолоджувальні стінки для охолодження потоку, що виходить із реактора, і для швидкого охолодження і добування твердих і газоподібних продуктів реакції. Газоподібні продукти реакції відкачували з камери 53 охолодження за допомогою двох вакуумних насосів 80, 81 (ї) через металокерамічний диск 93 на дні камери і серію фільтрів 85, розташованих нижче камери, у вентиляційну шахту 86 і (ії) через пробовідбірник 90, як описано нижче.

Частина системи різкого охолодження і збору продукту складалася із рухомого охолоджувального водою і газом пробовідбірника 90, який встановлений у донній частині камери 53 охолодження. Пробовідбірник сконструйований таким чином, щоб зазор між кінчиком "полум'я" плазми і наконечником 91 пробовідбірника можна було регулювати. Тверді продукти реакції збирали для подальшого вивчення на металокерамічному 7/0 сталевому фільтрі 54 із нержавіючої сталі, розташованому нижче пробовідбірника. Крім того, тверді продукти реакції збирали на металокерамічному диску 93, що знаходиться в нижній частині камери 53 охолодження.

Зразки газу збирали в балон 91 а для зразків за допомогою насосного пробовідбірника 92.

Інші трубопроводи, показані на Фіг.5, являють собою газову магістраль 100, що йде до плазмового реактора, стартовий газопровід 101, що йде до плазмового реактора, газопроводи 102, 103, у яких газ виступає в ролі /5 Носія порошку, радіальний газопровід 104 пробовідбірника і газопровід 105 для газу, застосовуваного для різкого охолодження пробовідбірника. Регулятор тиску показаний під номером 110. Азот у якості газу-розріджувача може бути доданий у точці 115.

Типовий робочий процес здійснювався в такий спосіб. Спочатку одержували аргонову плазму, щоб запрацював плазмовий реактор. Подача порошкового оксиду магнію була почата приблизно через 10 секунд.

Порошок МаО (при потрібній швидкості подачі) змішували з потоком аргону інтенсивністю 254,8521куб.дм/годину при температурі навколишнього середовища і вводили в плазму. Через декілька секунд подачі порошку замість аргону плазму переводили на метан доти, поки не одержували "10095" метанову плазму, тобто поки подаваний газ не являв собою 10095 метан. Перехід з аргону на метан звичайно здійснювали поступово протягом трьох-п'яти хвилин після ініціювання аргонової плазми. У деяких експериментах суміш аргону і метану сч 2г5 Використовували в якості газу, подаваного в плазму.

Використовуючи вищеописаний пристрій, зробили декілька робочих циклів, змінюючи умови, такі як швидкість і) потоку метану (від 9,9 до ЗО стандартних літрів у хвилину), швидкість потоку аргону (від О до 15 стандартних літрів у хвилину), швидкість подачі МоО (від 7,6 до 38,2 г/хв.), мольне відношення МодО до метану (0,26 до 1,5), тиск у камері охолодження (від 652 до 777мм.рт.ст.), споживану потужність дуги (від 17,3 до 46 квт), М зо Відстань між виходом із форсунки плазмового реактора до впуску в пробовідбірник (від 12,7 до 35,56 см) і сила магнітного поля (від 0 до 118 Ге). Гранулометричний склад МоаО (44-104 мкм) не змінювали протягом с експериментів. М

Перетворення МдоО в Мд показано на Фіг. 7-11. Пунктиром показані результати вимірів із використанням апарата по Фіг.5 і 6. Гладкі криві на кресленнях додали з метою проілюструвати тенденції. На Фіг.7 показаний -- відсоток перетворення в залежності від потужності дуги при швидкості потоку в 20 стандартних літрів у хвилину ю метану для різних мольних відношень МоО:метан (дорівнює 1,15:1;7 дорівнює 0,8:1; хХ; дорівнює 0,46:1). На

Фіг.8 показаний відсоток перетворення в залежності від потужності дуги при різних швидкостях потоку метану (х дорівнює 10 стандартних літрів у хвилину;" дорівнює 20 стандартних літрів у хвилину). На Фіг. 9 показаний 90 « перетворення в залежності від потужності дуги для мольного відношення МдоО до метану в 1,15:1 при різних швидкостях потоку метану й аргону (дорівнює 10 стандартних літрів у хвилину метану я 15 стандартних літрів у - с хвилину аргону; " дорівнює 10 стандартних літрів у хвилину метану кт 10 стандартних літрів у хвилину аргону). и На Фіг.10 показаний 95 перетворення в залежності від потужності дуги для мольного відношення МоО до метану "» в 1,15:1 при двох різних швидкостях потоку (дорівнює 10 стандартних літрів у хвилину метану; дорівнює 20 стандартних літрів у хвилину метану). На Фіг.11 показаний 9о перетворення в залежності від потужності дуги при швидкості потоку в 10 стандартних літрів у хвилину метану для двох мольних відношень Мдо до метану (1,15:1;77 1 0,46:1). - На Фіг.12 показаний плазмовий реактор 61 наверху камери 53 охолодження. Пробовідбірник 90 змонтований у нижній частині камери охолодження. Відстань між язиком полум'я плазми (не показаний) і пробовідбірником 90 -і можна регулювати шляхом приведення наконечника 91 пробовідбірника в потрібне положення. т 50 Даний винахід докладно описаний вище з посиланням на кращі варіанти його здійснення. Однак мається на увазі, що фахівець, познайомившись із даним описом і кресленнями, може удатися до удосконалень або що модифікацій у дусі винаходу, рамки якого обмежені формулою винаходу.

Claims (22)

1. Формула винаходу Ф, 1. Безупинний спосіб одержання елементарного магнію з вихідних матеріалів, що включають оксид магнію і іме) легкий вуглеводневий газ, причому даний спосіб включає такі етапи: безупинно подають потік вихідного матеріалу, що містить оксид магнію і газ, у реакційну зону, здійснюють взаємодію оксиду магнію і газу при бо температурі приблизно 14007 С або вище в зоні реакції, одержують безупинний потік продукту, що містить продукти реакції, включаючи елементарний магній, здійснюють безупинне різке охолодження потоку продукту і відокремлюють елементарний магній від інших продуктів реакції.
2. 2. Спосіб за п. 1, в якому оксид магнію піддають попередній обробці, здрібнюючи оксид магнію на частинки, так що приблизно 85 мас. 95 або більше оксиду магнію знаходиться у вигляді частинок із середніми розмірами 65 приблизно від 2 до З мм або менше.
3. З. Спосіб за п. 1, у якому приблизно 85 мас. 95 або більше оксиду магнію знаходиться у вигляді частинок із середніми розмірами приблизно 1 мм або менше.
4. 4. Спосіб за п. 1, який включає етап, у ході якого швидко нагрівають оксид магнію і газ до температури приблизно 1400" С або вище.
5. 5. Спосіб за п. 4, в якому нагрів здійснюють із використанням плазмового дугового розряду.
6. б. Спосіб за п. 1, в якому етап різкого охолодження включає швидке охолодження потоку продукту до температури приблизно 1100" С або нижче.
7. 7. Спосіб за п. 1, в якому етап різкого охолодження включає швидке охолодження потоку продукту до температури приблизно 700" С або нижче. 70
8. 8. Спосіб за п. 1, в якому легкий вуглеводневий газ містить метан як основний компонент.
9. 9. Спосіб за п. 1, в якому елементарний магній відокремлюють у вигляді пари.
10. 10. Спосіб за п. 1, в якому елементарний магній відокремлюють у вигляді рідини.
11. 11. Спосіб за п. 1, в якому елементарний магній відокремлюють у вигляді твердої речовини.
12. 12. Спосіб за п. 1, в якому елементарний магній відокремлюють частково у вигляді пари, а частково у вигляді твердої речовини.
13. 13. Спосіб за п. 1, в якому елементарний магній відокремлюють частково у вигляді пари, а частково у вигляді рідини.
14. 14. Спосіб за п. 1, в якому елементарний магній відокремлюють частково у вигляді рідини, а частково у вигляді твердої речовини.
15. 15. Спосіб за п. 1, в якому елементарний магній відокремлюють частково у вигляді пари, частково у вигляді рідини, а частково у вигляді твердої речовини.
16. 16. Спосіб за п. 1, в якому приблизно 85 мас. 95 або більше оксиду магнію знаходиться у вигляді частинок із середнім розміром приблизно 0,2 мм або менше.
17. 17. Спосіб за п. 1, в якому джерело МоО у вихідних матеріалах складається головним чином із сч 2г5 Ккальцинованого доломіту.
18. 18. Спосіб за п. 1, в якому джерело МоО у вихідних матеріалах складається головним чином із частинок МДО і) і Сас.
19. 19. Спосіб за п. 1, в якому продукти реакції містять гази СО або Ну», і гази вилучають як продукти.
20. 20. Спосіб за п. 1, в якому нагрів здійснюють із використанням плазмового дугового розряду. М зо
21. 21. Спосіб за п. 1, в якому джерело МоаО у вихідних матеріалах складається головним чином із кальцинованого доломіту і в якому продукти реакції містять карбід кальцію, карбід магнію або їх суміші, а с також включає етап одержання ацетилену, метилацетилену, пропадієну або їх сумішей шляхом взаємодії з М водою карбіду кальцію, карбіду магнію або їх сумішей.
22. 22. Спосіб за п. 1, в якому джерело МодО у вихідних матеріалах складається головним чином із часток Мас і -- Сао й у якому продукти реакції містять карбід кальцію, карбід магнію або їх суміші, а також включає етап ю одержання ацетилену, метилацетилену, пропадієну або їх сумішей шляхом взаємодії з водою карбіду кальцію, карбіду магнію або їх сумішей. Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних « Мікросхем", 2002, М 12, 15.12.2002. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і п) с науки України. ;» 1 - -І з 50 що Ф) іме) 60 б5