JP2007533843A - Separation system, method and apparatus - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Abstract
液体金属および固体粒子のスラリーを処理するためのシステム、方法および装置が、真空蒸留と熱い不活性ガスによる移送との様々な組合せを用いて開示される。酸素の侵入を防止するように不活性化または真空チャンバをシールするための様々な機構が開示される。
Systems, methods, and apparatus for processing liquid metal and solid particle slurries are disclosed using various combinations of vacuum distillation and hot inert gas transfer. Various mechanisms are disclosed for inerting or sealing the vacuum chamber to prevent oxygen ingress.
Description
関連出願
本出願は米国特許法(Title 35 U.S.C.)第119条(e)項および適用され得る他のあらゆる米国特許法の条項に従って、米国特許仮出願番号第60/499,857号(2002年9月3日出願、発明の名称「分離システム、方法および装置(SEPARATION SYSTEM, METHOD AND APPARATUS)」)、およびPCT出願番号PCT/US03/027649号(2003年9月2日出願、発明の名称「分離システムおよび方法(SEPARATION SYSTEM AND PROCESS)」、Richard ArmstrongおよびLance Jacobsenによる)、および米国特許仮出願番号第60/497,192号(2003年8月22日出願、発明の名称「割出し分離システム(INDEXING SEPARATION SYSTEM)」、William A. Ernstによる)、およびPCT特許出願番号PCT/US03/027653号(2003年9月3日出願、発明の名称「フィルターケーキ処理装置および方法(FILTER CAKE TREATMENT APPARATUS AND METHOD)」、Richard Anderson、Donn ArmstrongおよびLance Jacobsenによる)、およびPCT出願番号PCT/US03/027647号(2003年9月3日出願、発明の名称「濾過抽出機構(FILTER EXTRACTION MECHANISM)」、Richard Anderson、Donn ArmstrongおよびLance Jacobsenによる)の優先権の利益を主張する。
RELATED APPLICATIONS This application is subject to US Provisional Patent Application No. 60 / 499,857 (2002 September) in accordance with Section 119 (e) of
発明の背景
本発明は米国特許第5,779,761号、第5,958,106号および第6,409,797号に開示されおよび特許請求の範囲に記載されているアームストロング(Armstrong)法によって製造されたスラリーを分離するのに有用な分離システム、方法および装置に関し、上記特許の各々の開示内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention is an Armstrong method disclosed and claimed in US Pat. Nos. 5,779,761, 5,958,106 and 6,409,797. The disclosures of each of the above patents are incorporated herein by reference, with regard to separation systems, methods and apparatus useful for separating the slurry produced by
反応温度を制御する種々の金属がアームストロング法に開示されているが、現時点において工業(または商業)的に最も進んだ方法は、製品チタンを得る四塩化チタンまたは合金を得る塩化物混合物などのハロゲン化物ガスの発熱反応の間に反応熱を吸収させるためにナトリウムなどの還元剤金属を過剰に用いるものである。過剰の液体還元剤金属を用いると、反応生成物として、生成すべき元素または合金の粉末、粒子状の塩、および過剰の還元剤金属が生じる。本発明の範囲はアームストロング法の生成物を超えて、液体金属および粒子状物質で構成されるスラリーであって、粒子状物質を液体金属から分離し、その後処理しなければならないあらゆるスラリーに及ぶことが理解されるべきである。簡潔にするためだけの目的で、チタン粒子、塩化ナトリウム粒子および過剰ナトリウムを生じるするナトリウムによる四塩化チタンの発熱還元について説明するものとするが、これに限定されるものではない。 Various metals that control the reaction temperature are disclosed in the Armstrong process, but at present the most industrially (or commercially) process is the titanium tetrachloride to obtain the product titanium or the chloride mixture to obtain the alloy. In order to absorb the heat of reaction during the exothermic reaction of the halide gas, an excessive amount of reducing agent metal such as sodium is used. If an excess of liquid reducing agent metal is used, the reaction product produces elemental or alloy powders to be produced, particulate salts, and excess reducing agent metal. The scope of the invention extends beyond the Armstrong process products to any slurry comprised of liquid metal and particulate material that must be separated from the liquid metal and subsequently processed. It should be understood. For the sake of brevity, the exothermic reduction of titanium tetrachloride with sodium that produces titanium particles, sodium chloride particles and excess sodium shall be described, but is not limited thereto.
アームストロング法を工業化する際、特に、アームストロングリアクターから得られる生成物を迅速に取り扱うことが要請される。なぜなら、この生成物はあまりに速く生成するため、その連続処理が極めて重要になるからである。本発明は、単一の分離容器およびシステムをリアクターに用いながら、元素金属または合金を2,000,000,000ポンド/年で製造するようアームストロングリアクターを連続操作できるように、アームストロング法により製造される生成物を取り扱うシステムおよび方法を提供する。このことはアームストロング法によって製造される金属もしくは合金または任意の物質を得るためにアームストロングリアクターを1日に24時間、1週間に7日間で経済的に操作することができ、また、上述のような他のスラリーを取り扱うのに適用されるので重要である。 When industrializing the Armstrong process, it is particularly required to quickly handle the product obtained from the Armstrong reactor. This is because the product is produced so quickly that its continuous processing becomes extremely important. The present invention is based on the Armstrong process so that an Armstrong reactor can be operated continuously to produce elemental metals or alloys at 2,000,000,000 pounds / year while using a single separation vessel and system for the reactor. Systems and methods for handling manufactured products are provided. This means that the Armstrong reactor can be operated economically in 24 hours a day, 7 days a week to obtain a metal or alloy or any material produced by the Armstrong process, This is important because it is applied to handle other slurries.
上記で参照した特許に記載されるような金属もしくは合金または他の元素金属を製造する際にスラリーを生じ、このスラリーは濾過するとゲルの形態のフィルターケーキを生じる。スラリーは大部分を過剰の還元剤金属によっている固体フラクションを有し、過剰の還元剤金属は反応が進行する定常状態温度を制御するために使用される。液体金属がフィルターを通じて抜き出されてフィルターケーキを形成するとき、機械的障害または他の手段などによってゲルを破砕しない限りゲルが形成され、そこから粒子が沈殿する(settle)ことはない。ゲルが形成されると、ゲルには還元の間に形成された金属粒子、還元の間に形成された塩粒子およびそれらの間に侵入した(interstitial)液体金属が含まれる。ゲル中の液体金属は、真空(または減圧)によるもしくはよらない蒸留によって、または真空によるもしくはよらない熱いスイープガス(好ましくはゲルの成分に対して不活性である)との接触によって、またはそれらの任意の組合せによって除去する必要がある。 In producing a metal or alloy or other elemental metal as described in the above-referenced patent, a slurry is formed, which when filtered produces a filter cake in the form of a gel. The slurry has a solid fraction that is predominantly due to excess reducing agent metal, which is used to control the steady state temperature at which the reaction proceeds. When liquid metal is extracted through a filter to form a filter cake, the gel is formed and particles are not settle from it unless the gel is broken, such as by mechanical failure or other means. When a gel is formed, the gel includes metal particles formed during reduction, salt particles formed during reduction, and liquid metal interstitial between them. The liquid metal in the gel can be distilled by distillation with or without vacuum (or reduced pressure), or by contact with hot sweep gas with or without vacuum (preferably inert to the components of the gel) or their It must be removed by any combination.
発明の要旨
本発明の主な目的は米国特許第‘761号、第‘106号および第‘797号に開示されるアームストロング法のための分離システム、方法および装置を提供することである。
本発明の他の目的は連続分離システムを提供することである。
本発明は以下に十分に説明し、添付の図面に示す所定の新規な特徴および部分の組合せにより構成され、本発明の意図から逸脱することまたはいかなる利点をも犠牲にすることなく、様々な変更が細部において行われ得ることが理解されよう。
SUMMARY OF THE INVENTION The main objective of the present invention is to provide a separation system, method and apparatus for the Armstrong process disclosed in US Pat. Nos. '761,' 106 and '797.
Another object of the present invention is to provide a continuous separation system.
The present invention is described in detail below, and is composed of certain novel features and combinations of parts shown in the attached drawings, and various modifications may be made without departing from the spirit of the invention or sacrificing any advantages. It will be appreciated that can be done in detail.
発明の詳細な説明
本発明のシステム10は、単に例として挙げるアームストロング法における反応生成物から、チタンなどの金属、合金またはセラミック製品を分離することに対処するものである。アームストロング法は幅広く様々な発熱反応に適用可能であるが、主として、上述の特許に開示される金属、混合物、合金およびセラミックに適用可能である。アームストロング法の生成物は、過剰の還元剤金属、生成物金属および合金またはセラミック、ならびに反応により生成した塩より構成されるスラリーである。このスラリーは、その種々の部分をリサイクルできるよう分離する必要があり、生成した金属、合金またはセラミックを必要に応じて分離して不動態化(パッシベーションまたは皮膜保護)する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The
次に、図1に示す本発明のシステムおよび方法の概略図を参照すると、システム10には四塩化チタン源12が単に例示するだけの目的で記載され、これはアームストロング法に関して上記したタイプのリアクター(または反応器)15に導入される。ナトリウム(または他の還元剤)18を供給する供給タンクまたはリザーバ(または貯蔵器)17からポンプ19によりリアクター15に移送し、このリアクター15において、過剰の還元剤および金属、合金またはセラミックならびに塩より構成されるスラリー生成物20が高温にて生成するが、これら全ては本明細書に組み込まれた特許に既に記載されているものと同様である。
Referring now to the schematic diagram of the system and method of the present invention shown in FIG. 1,
スラリー生成物20を容器25(ドーム形状にて図示するが、そのような形状である必要はない)に移送し、容器25はスラリー生成物20が導入される内部26を有する。フィルター27(好ましくは円筒形であるが、必須ではない)が内部26の中に配置されて環状体(annulus)28を規定し、円筒形フィルター27の内側にスラリー生成物20が入れられる。環状熱交換器29が容器25の周りに配置され、これら全ての目的は後述する。
The
容器25は可動底部クロージャ(または閉止体)30を更に含む。熱交換プレート32が隔離された加熱システム50に後述するように接続される。回収容器35が容器25の下方に配置され、可動底部クロージャ30により容器25に対してシール(または封止)されている。回収容器35は内側に向かって傾斜した底面36を有し、底面36はクラッシャー38および回収容器35の出口40にあるバルブ39へと導くようになっている。
The
最後に、蒸気導管42は容器25の上部および特にその内部26と凝縮器容器45とを相互接続し、凝縮器容器は、隔離された冷却システム60に後述するように接続された熱交換プレート46を有する。凝縮器45は凝縮器リザーバ49に接続され、そこに回収した凝縮物はナトリウム供給タンクまたはリザーバ17に送られる。
Finally, the vapor conduit 42 interconnects the upper portion of the
隔離された加熱システム50は加熱流体のためのヘッドタンク52を含み、加熱流体は後述するようにポンプ53によりヒーター55へ移送され、ヒーター55は容器25を取り囲む熱交換器29と容器25の内部の熱交換プレート32との双方に接続されている。隔離されている冷却システム60にもヘッドタンク62、ポンプ63およびクーラー65が備えられ、クーラー65は後述するように、隔離されたループで循環している冷却流体を冷却して冷却プレート46に送るよう機能する。
The
バルブ39および回収容器35の下に生成物コンベヤ70があり、これはコンベヤ70へと下向きに延在するバッフルまたはケーキスプレッダー71を有する。過剰の還元剤金属が除去された後に回収容器35から生成した金属、合金またはセラミックならびに塩がその上に導かれるコンベヤ70は、酸素供給源76およびアルゴンなどの不活性ガス供給源と連通しているブロワー75からの向流ガス77(好ましくは酸素およびアルゴンであるが、必須ではない)と接触する。生成した金属、合金またはセラミックを必要に応じて不活性化するため、生成した物質を汚染するほど多くない程度で、生成した金属、合金またはセラミックに対して酸素/アルゴン混合物77を向流で流し、これにより生成物粒子を酸素と接触させる場合に、酸素/アルゴン混合物77を冷却するように熱交換器79がブロワー75と連通している。
Below the
図1のフローシートに示すように、必要に応じて、また、エンジニアリング技術の分野において周知であるように、複数のフローメーター81がシステム全体に亘って分散して配置される。圧力変換器(PT)86および圧力制御バルブ(PCV)89が必要に応じて配置され、これら全ては当該技術に関するエンジニアリング能力の範囲内である。必要であれば、フィルター27を洗い流す(flush)ためにバックフィルター(back filter)バルブ91が設けられる。加えて、様々な標準的な遮断バブル93がループ内に後述するように必要に応じて配置されている。真空ポンプ95を用いて後述するように容器25を真空引きする。添付図面は単一のリアクター15および1つの分離容器25に関するものであることを考慮すると、参照番号100が示す符号は、同一または類似の複数のシステムを常に操作できること、この場合、工業的な製造プラントのように複数のリアクター15を同時に操作してよく、各リアクター15は1つより多い分離容器25を有していてよいことを表わしており、全てはエンジニアリング経済および通常のスケールアップの問題により決められるものである。
As shown in the flow sheet of FIG. 1, a plurality of
生成物20はリアクター15からライン110を通って出て、容器25にその頂部から入る。ライン110をフィルター27より上方にて入るものとして示すが、好ましくはスラリー20がフィルター27の頂部より下方にて、フィルターの中央部において、またはそれら双方で導入されるようにライン110およびフィルター27が配置される。上記で本明細書に組み込まれた特許に記載されているように、スラリー生成物20は過剰の還元剤金属、反応により形成される塩、および反応の生成物より構成され、反応の生成物はこの特定の例においては固体粒子として存在するチタンである。リアクター15からのスラリー形態の生成物20はアームストロング法で操作する間、存在する過剰の還元剤金属の量、その熱容量、およびリアクター15における他の因子に応じた昇温状態にある。容器25において、フィルター27が容器25の内部26の一部を占め、この内部は環状熱交換器29により場合により加熱される。スラリー生成物20はフィルター27の内部に導かれ、該内部にてスラリーは熱交換プレート32と接触する。
加熱システム50において、プレート32内の熱交換流体は、環状熱交換器29からライン111を通る熱交換流体と共にライン112を通る。ライン112はヘッドタンク52にある熱交換媒体供給源を熱交換器55に接続する。加熱された熱交換流体が熱交換器55を出てライン113を通って流れ、そして熱交換プレート32および/または環状熱交換器29に戻ると、流体がポンプ53によりヒーター55から熱交換プレート32を通って移動する。加熱システム50は閉ループであるため、熱交換流体はリアクター15で用いる還元剤金属と同じであっても、そうでなくてもよい。一例としてNaKが低融点であるので挙げられるが、その他の任意の適当な熱交換流体を用いてもよい。適当なバルブ93により、ヒーター55から熱交換器29およびプレート32のいずれかまたは双方への熱交換流体の流れを制御する。好ましくは、過剰の還元剤金属が蒸発する際に生じるケーキにより多くの熱を供給するように、プレート32は数インチのオーダーで、互いに比較的近接している。更に、より近接したプレート32により、熱が移動する行程および過剰の還元剤金属蒸気が生じたケーキを通過する行程が短くなり、これにより、過剰の還元剤金属を容器25から蒸留して除去するのに要する時間が短縮される。プレート32の厳密な間隔は多数の因子(プレートの全表面積、プレートの伝熱係数、蒸発させるべき還元剤金属の量、およびプレートの内側と外側との間の温度差を含むが、これらに限定されない)に応じて決まるものである。
In the
スラリー生成物20がリアクター15から出るとき、スラリー生成物20はリアクター15の操作圧力、通常は大気圧の約2倍以下の圧力にある。生成物スラリー20は昇圧下にてフィルター27の内側に入り、重力によって液状還元剤金属がフィルター27を通じて環状スペース28へ絞り出され(express)、そしてライン120によりリザーバ17へ供給される。該部分を分離するためのドライビングフォースは重力およびリアクター15とポンプ19の入口圧力との圧力差である。必要に応じて、液体還元剤金属の除去を支援するために環状体28を真空下で動作させてもよく、または、還元剤金属を脱液する間に容器25内の圧力を増加させてもよい。上述の方法によりフィルター27から液体金属を十分に抜き出した後、PCVバルブ89を閉め、また他のバルブ93を閉めて容器25を隔離し、次いで、真空ポンプ95に通じるバルブ93を開けて容器25の内部26に真空状態を形成する。加熱流体(液体または蒸気、例えばNa蒸気)を熱交換器プレート32に導いて、残りの還元剤金属を沸騰させ、フィルターケーキを生じさせる。容器25内の残りの液体金属還元剤18を蒸発させるのに十分な程度に容器25の温度を上昇させ、これを導管42より凝縮器45へ抜き出す。導管42は容器25の内部26からの迅速な排出を可能にするため直径が比較的大きい必要がある。還元剤金属18を蒸発させる間における容器25と凝縮器45との間の圧力降下が小さいため、比体積が大きく、物質移動が少なく、よって大きな直径の導管を必要とする。シェル側における還元剤金属の沸騰は、チューブ側にある加熱流体との熱交換によって実現される。
As the
絞り出した液体を容易に流動させるのに十分な温度で環状体28にて維持するため、および/または、過剰還元剤金属を容器の内部26から蒸発させるのを支援するように容器25に更なる熱を供給するため、場合により環状熱交換器29を動作させる。液体金属還元剤の蒸気を容器25の内部26から除去した後、スラリー20からフィルターケーキが残される。適切なバルブ93を閉め、真空ポンプ95をシステムから隔離する。
The
凝縮器45に熱交換プレート46が配置されており、そこに導入された還元剤金属蒸気を冷却するためのものである。後述するように、冷却システム60は閉ループで操作され、凝縮器45に導入された還元剤金属蒸気が凝縮して凝縮器から流れ出るのに十分に低い温度に維持される。冷却システム60は上述のようにクーラー65とポンプ62とを含む。冷却剤はクーラー65から出てライン114を通り、これは熱交換プレート46に入ってライン115を通って離れ、ヘッドタンク62をクーラー65に相互接続するライン116に通じている。図1の概略図からわかるように、加熱システム50および冷却システム60は別個に維持しても、混じり合っていてもよいので、システム50および60で用いられる熱交換流体は同じであっても、異なっていてもよい。
A
容器25および凝縮器45の双方をアルゴン供給源85からのアルゴンまたは他の適当な不活性ガスによる保護雰囲気下で少なくとも一部の時間操作し、その圧力を変換器86によってモニターする。このとき、不活性ガス(アルゴン)供給源85はライン117により凝縮器45に接続されており、また凝縮器45は特大寸法の導管42により容器25と連通している。更に、理解され得るように、加熱システム50および冷却システム60の各々にはそれら固有のポンプ53および63がそれぞれ設けられる。図1の概略図に示唆するように、加熱および冷却流体はNaKがその低融点のために好ましいが、このことは必須ではなく、開示するように、その代替物は液相または蒸気相のどちらでもあり得る還元剤金属と同じものであってよい。
Both
スラリー20からフィルター27および導管42を経て還元剤金属18を十分除去した後に残っているのは、粉末形態のチタン生成物およびリアクター15での発熱反応の間に生成した塩の組合せである。これにより得られた乾燥したケーキは、導入したスラリー生成物20より小さい体積を有するので、可動底部クロージャ30を開けると、乾燥ケーキがフィルター27から回収容器35へと落ち、そのため、傾斜した底部壁36によって塩およびチタンの組合せがクラッシャー38へと落ちる。ケーキが自発的に容易に落ちない場合、回収容器35へケーキを移すのを支援するために種々の標準的な振動発生機構またはケーキ破砕機構を用いてよい。図示した回収容器35はほぼ大気圧の不活性雰囲気下で維持され、そしてケーキがクラッシャー38を通って出口40を通った後、ケーキは下向きにバルブ39を通ってコンベヤ70上へと移動する。バルブ39の下流にはケーキを散らばらせるケーキスプレッダーまたはバッフル71が存在し、これが生成物の向きに対して向流で流れる不活性ガス(好ましくはアルゴン)と酸素との混合物77に接触すると、チタン粉末を不動態化および冷却するようになっている。コンベヤ70は図1では水平に配置されているが、クロージャ30が機能しないために過剰の還元剤金属が水洗の方へ流れない場合の安全策として、コンベヤを上方へ傾斜させて動かすことが好都合であり得る。加えて、生成物洗浄装置を分離装置と同じレベル(または水平位置)で有することがコスト面で好都合であり得る。
What remains after sufficient removal of reducing
冷却したアルゴンおよび酸素混合物を導管121に通じて生成物に吹き付けるブロワー75により、クーラー79にて冷却および不動態化を実現する。不動態化プロセスに用いる酸素量を最小限にするため、生成物に対するアルゴンおよび酸素の向流フローは、既に不動態化および冷却されたチタンと接触するので、最高の酸素濃度を有することが概略図からわかる。酸素供給源76からバルブ93およびライン122を通じてシステムに酸素が導かれ、この酸素は約0.1〜約3重量%の濃度で通常維持される。その後、不動態化されたチタンおよび塩の混合物を洗浄システム(図示せず)に供給する。様々なフローメーター81が必要に応じてシステム全体に亘って配置され、圧力制御バルブ89および圧力変換器86も同様である。フィルター27が詰まった場合や、その他の逆洗を要する場合にフィルター27を逆洗できるようにフィルター逆洗バルブ91が配置される。例えばバルブ93、真空ポンプ95および圧力変換器86などの標準的なエンジニアリング機器が必要に応じて配置される。符号100は、図示したシステム10の全部または一部と同等または類似の並列システムを、同時または順次に操作できることを示すために用いるものである。
Cooling and passivation is achieved in cooler 79 by a
アームストロング法において、金属、合金またはセラミックの製造は反応物質をリアクターに供給する限り連続的である。本発明は分離システム、装置および方法を提供し、連続的またはシーケンシャルなバッチ処理のいずれでも、必要に応じて連続的になるよう適当なバルブ操作により迅速に切り替えて、分離することができる。本発明の目的は、リアクター15を工業的なプラントにて連続的または経済的なバッチ式で操作することができる分離装置、システムおよび方法を提供することにある。プラントを経済的に操作するには容器25での蒸留時間を短縮することが重要であり、用いる分離システムおよび製造システムの厳密な寸法、数および構成は経済性により決まる。Ti粉末に関して記載しているが、本発明はアームストロング法または他の産業プロセスによって製造されるあらゆる金属、それらの合金またはセラミックを分離するために適用される。
In the Armstrong process, the production of metal, alloy or ceramic is continuous as long as the reactants are fed into the reactor. The present invention provides a separation system, apparatus and method that can be quickly switched and separated by appropriate valve operation to be continuous as required, whether continuous or sequential batch processing. An object of the present invention is to provide a separation apparatus, system and method capable of operating the
示した加熱メカニズムは流体の熱交換によるものであるが、ヒーターは電気式または他の等価な手段であってもよく、その全ては本明細書に組み込まれる。底部クロージャ30はヒンジ式のものとして示し、市販で入手可能である。しかしながら、クロージャ30は閉じるときはクランプ固定され、開状態に液圧式で動くものであってよいが、ゲートバルブなどのスライド式クロージャを利用することもでき、本明細書に組み込まれる。リアクター20は容器25から分離して示しているが、本発明は当該技術に関する知識の範囲内におけるエンジニアリング上の変更、例えばリアクター20を容器25に組み込むことを含むが、これに限定されない。図1には示していないが、フィルター上にケーキを形成する際にスラリーを撹拌し得、また、蒸留および/または移送を容易にするためにケーキを破砕し得ることが考えられる。容器35は1つの態様にて説明するが、容器35はパイプまたは同等のものとして容易に設計することができる。また、クラッシャー38は容器25内に、または容器25と容器35との中間に設置されていてもよい。更に、フィルター27上に形成されるケーキは、そこから液体金属を除去する前、その間またはその後に破砕してよい。同様に、不活性環境に関しては、本発明は不活性ガスばかりでなく真空(または減圧)状態をも包含する。本発明の重要な特徴は、容器25および35の各環境が別個に維持するように容器25および35を分離することである。このようにすると、酸素はいずれの容器も汚染しない。
Although the heating mechanism shown is by fluid heat exchange, the heater may be electrical or other equivalent means, all of which are incorporated herein. The
1つの具体例において、チタン粉末または合金粉末を1年あたり200万ポンド製造するリアクター15は、概略的にそれぞれ高さ14フィートおよび直径7フィートであって適当なバルブを備える2つの容器を必要とし、これにより、リアクター15を連続操作でき、1つの容器25が満たされると、リアクターからのスラリー生成物を第2の容器25へ自動的に切換えることができる。各容器25の充填時間は容器25の脱液、蒸留および排出時間と同じか、幾分長い。
In one embodiment, a
リアクター15の製造速度を変更することは、容器25ならびに関連する装置および分離システムの寸法および数についてのエンジニアリング計算を要するだけである。開示するような本発明により金属またはセラミック粉末を連続的に製造および分離することが可能となり、開示する具体例により各リアクター15に対して2つまたは最大3つで利用可能な容器25を用いて連続的な分離が可能となる。複数のリアクター15では、容器25および関連する装置の数は恐らくリアクターの数の2〜3倍である。
Changing the production rate of the
図2〜4を参照して、粒状物を含む液体金属スラリーを連続的に処理するシステム10Aを開示している。この説明において、粉末および粒状物は置き換え可能なものとして使用する。より詳細には、システム10Aはリアクター11(例えばアームストロング法に示されるタイプのリアクターであるがこれに限定されない)を含み、リアクター11は液体金属を通して流すノズル12を含み、およびノズルを取り囲むハウジング14を有する。ガス入口15はガスを供給源16から液体金属に導入するよう機能し、これによりアームストロングの特許に記載されるような発熱反応を起こさせる。発熱反応による生成物は、液状還元剤金属(ナトリウムなど)のスラリーであって、生成した元素または合金(チタンまたはその合金など)の粒子がその内部に分散したもの、およびガスからの反応生成物(ナトリウムおよび四塩化チタンの場合には、塩化ナトリウムまたは塩化物塩の組み合わせであり得る)であり得る。スラリーはリアクターハウジング14から出口18を通って離れて受取容器20に導入される。受取容器20はその頂部付近のドーム部21および円筒部22を有し、円筒部22は円錐台部23にて終端し、円錐台部23はその底部に排出口25を有し、環状フランジ26にて終端する。モーター30が後述する目的で、図示するように円筒部22の底部または円錐台部23に撹拌機32を有する出力シャフト31に連結された状態で容器20の頂部に取り付けられ得る。
2 to 4, a
特に図3に示すように、割出し(indexing:または位置決め)フィルター(または濾過)システム35が容器20と連通しており、より詳細にはハウジング36を含み、ハウジング36は頂部37、対向する上部アパーチャ39および対向する下部アパーチャ41を備える円筒状側壁38を有する。ハウジング36は後述する目的で出口43も備え、出口43はそこから延在する導管44を有する。
In particular, as shown in FIG. 3, an indexing filter (or filtration)
割出しドライブ45はモーター46を含み、モーター46は出力シャフト47を有し、シャフト47は心棒49に接続されたクラッチ機構48と連結し、心棒49の端部はベアリング51で支えられている。軸アパーチャ49Aが心棒49を収容するために円筒状壁38に設けられる。
The
割出しディスク55が心棒49に回転可能に取り付けられ、該ディスクは長手方向に離間した複数のチャンバ56をその内部に有し、例示の目的でそのような6つのチャンバを示している。
An
フィルター60(好ましくは金属製ウェッジワイヤであるが、必須ではない)が出口導管65に位置し、スプリングおよびピンのアレンジメント62を介してディスク55とシール(または封止)接触して維持されるカラー(または環状部材)61を有する。ディスク55にあるチャンバ56も入口導管63に連通するカラーならびにスプリングおよびピンのアレンジメントと接触し、各チャンバ56が心棒49の廻りで回転する際に各チャンバに対してシールアレンジメントを提供するようになっている。図3に示すように、容器20の出口25を割出しディスク55に接続するフランジおよびシール67を有するT字形導管66が存在し、シールフランジ26A(図2)が備えられて常套のシール(図示せず)により容器20と割出しフィルターシステム35との適当な接続を提供するようになっている。
A
圧密ラムアセンブリ70が割出しフィルターシステム35のハウジング36に取り付けられ、およびピストン72が取り付けられたピストンロッド71を含む。ピストンロッド71はベローズシール73により取り囲まれ、後述するようにチャンバ56に近づきおよびこれから離れて長手方向に動くために、その一端にて適当なドライブまたはモーターアセンブリ74に接続される。
A
圧密ラムアセンブリ70と同様の排出ラムアセンブリ80が、同様のピストンロッド82、ベローズシール83および駆動モーター84を含むハウジング36に取り付けられる。図3において、排出ラムアセンブリ80を明瞭さのために回転させて示しているが、有能な技術者にはよく理解されるように、ディスク55を割出しする間にチャンバ56が内部に配置されるハウジング36の周りのいずれの場所に配置してもよい。更に、本発明のシステム10Aは2つ以上の圧密ラムアセンブリおよび2つ以上の排出ラムアセンブリを含んでいてもよく、それぞれの種類(version)については設計上の選択事項であり、当該技術に関する知識の範囲内である。排出ラムアセンブリ80は、圧密ラムアセンブリ70と同様にカラー86ならびにスプリングおよび保持ピン87を更に含み、後述する目的で排出ラムアセンブリ80と、割出しディスク55と、外側格納(containment)チューブまたは導管91により囲まれる出口導管90との間のシールを確実にする。
A
静止グリッドまたは可撓性部材の形態であり得るケーキ破砕機93が蒸留システム95の端部に後述する目的で配置される。
A
蒸留システム95が割出しフィルターシステム35の出口導管90と連結しており、および熱交換器97を有するコンテナ98において熱交換器97と熱交換する関係にある長手方向に延びるコンベヤ96を含んで成る。蒸留システム95は凝縮器アセンブリ100と、コンテナ98から凝縮器コンテナ103へと延在する1つ以上のチューブ101によって連通しており、凝縮器コンテナ103は図示する目的で細長いコンテナとして示しているが、所定の任意の寸法または形状であってよいことが理解されよう。凝縮器コンテナ103も導管44によりハウジング36の出口43に接続されている。導管102は凝縮器アセンブリ100と液体金属供給源105との間を連通させ、液体金属供給源105は蒸留真空ポンプ106および出口配管107が接続された容器の形態である。ポンプ108は液体金属を供給源容器105から導管109に通じて液体金属蓄積タンク115へポンプ輸送する。またタンク115は、割出しフィルターシステム35からの出口導管65と連通するヘッドタンク110からの液体金属も入れられる(ヘッドタンク110は導管113によって蓄積タンク115と連通している)。後述するように、割出しフィルターシステム35を出た液体金属に熱を供給し、またはこれから熱を除去することが必要であれば、熱交換器112が出口導管65と熱交換する関係にあってよい。
A
容器120が蒸留システム95と連通して配置され、およびバルブ121を含んで成り、容器120はポンプ122と連通し、そしてポンプ122は底部にバルブ126を備える容器125またはロックホッパーと連通している。容器またはロックホッパー125はバルブ126を介して不動態化システム130と連通し、該システムは格納容器131と、ガス入口導管133およびポンプ135と連通するガス出口導管134と連通するコンベヤ132とを含む。不動態化システム130は出口136を有し、これら全ての目的は後述する。
A
システム10Aの操作は次の通りである。ガスの供給源16をボイラー(これは容器16に含まれるものとする)の温度とし、導管またはガス入口パイプ15を経て、ナトリウムなどの還元剤金属を流すノズル12へ移送する。ヘッドタンク110または供給源容器105からナトリウムを供給する。これらの容器は1つになっていても、いくつかに分かれていてもよいことが理解され、このことはシステムにおけるパーツ(または部分)の実際の組合せを設計する際の当該技術に関する知識の範囲内である。液体金属ポンプ105は、液体金属の連続フロー(または流れ)をノズル12に供給し、液体金属およびガスの量を調節してリアクター11を所定の、通常は約400℃の低い温度に維持する。操作温度として様々な温度を選択し得るが、現在のところ約400℃が好ましい。参照することによって本明細書に組み込まれたアームストロングらの特許に既に説明されており、そこに示された例と同様、リアクター11内の反応生成物は過剰のナトリウム、塩化ナトリウム粒子およびチタン粒子のスラリーを含んで成る。このスラリーは出口導管18を通って受取容器20へと流れる。このときの物質温度はリアクター11からの出口温度(例えば約400℃あり得る)に依然として近い。容器20において、モーター30により撹拌機32を操作するとスラリーが容器内で撹拌される。スラリーは容器20をその排出口25から出て割出しフィルターシステム35に入る。
The operation of the
重力によって、割出しフィルターシステム35に入ったスラリーはT字形コネクタ66へ、次いで入口導管63へ入り、フィルター60を通って出口導管65へ流れる。液体ナトリウムがフィルター60(例えば125ミクロンのウェッジワイヤフィルターであり得る)を通って流れると、液体ナトリウムが抜き出されるにつれて固体(または固形分)濃度が上昇する。圧密ラムアセンブリ70を作動させ、ピストン72をチャンバ56内へ前進させて、導管66内の物質を圧縮し、これにより、液体金属をフィルター60から絞り出し、最終的に、液体金属のほとんどが絞り出され、ウェットケーキ粒子状塩および粒子状チタンとして分類され得るものが残って成るケーキを形成する。このケーキはその形状を保つのに十分な一体性(integrity)を有するが、同時に、幾分かの(または少量の)液体金属を依然として含んでいる。図示するように、出口導管65を通じて割出しフィルターシステム35から出た液体金属を、その後、ヘッドタンク110にリサイクルして、ポンプ108によりリアクター11のノズル12に戻すよう移送する。圧密ラム70による圧縮を終えた後、モーター74はピストン72を引き戻し、割出しドライブ機構45により割出しディスク55を回転させて新たな動作のために次のチャンバ56を所定の位置に進める。図面からわかるように、入口導管66は重力により容器20と接続されているため、圧密ラム70を引き戻すと直ちにより多くのスラリーがシステム内に入ってくる。ラムを引き戻すと直ちにディスク55を回転させているので、圧密後、次のチャンバが圧密ラム70と一直線上に位置するまでチャンバ56にスラリー物質が入らず、次のチャンバが圧密ラム70と一直線上に位置するとチャンバ56はスラリーで充たされ、そしてその後、圧密または圧縮される。
By gravity, the slurry entering the
排出ラムアセンブリ80は割出しディスク55の別のチャンバ56と一直線上に位置し、または位置合わせされ、圧密または圧縮された物質を内部に有するチャンバ56が排出ラム80と一直線上に位置すると、ピストン82がチャンバ56のケーキを蒸留システム95へと移動させる。
When the
図3に示すように、適当な導管内およびその制限された経路内に液体金属を含む複数のシール61および86が設けられる。しかしながら、シールは実際には必ずしも完璧でなく、導管でのシール機構は液体金属に対するシールを提供することを意図したものであるが、幾分か洩出し得ることは避けられず、後述するように更なるリサイクルのためにハウジング36内に回収され、出口43および導管44を出て凝縮器アセンブリ100へと流れる。1つの圧密ラムアセンブリ70および1つの排出ラムアセンブリ80を示しているが、2つ以上の圧密および/または排出ラムアセンブリ70、80を含ませることは当該技術に関する知識の範囲内に十分属する。
As shown in FIG. 3, a plurality of
蒸留システム95においてケーキからの粒子を熱交換器97により加熱する。熱交換器97は伝導、対流、誘導加熱、あるいはコンベヤ96によりケーキ破砕機93を経て容器120に運ばれる粉末または粒子を加熱する任意の他の適当な工業的方法によるものであってよい。ケーキ破砕機93は模式的に示し、これは圧密した粒子状物質を破砕してほぐれた脆い物質にする据え付け式の(fixed)一連のワイヤまたは様々な他の機械的機構であってよい。蒸留システム95にて蒸発させた液体金属を集め、導管101に通じて凝縮器アセンブリ100およびコンテナ103に送る。コンテナ103は液体金属蒸気を液体に凝縮するのに十分に低い温度に維持されており、この液体はヘッドタンク110などにおけるような貯蔵部に移送する。上述のように、タンク105および110内の液体金属はやがてはポンプ108によりリアクター11へ、より詳細にはノズル12へと再循環される。バルブ121が容器120と容器またはロックホッパー125との間に存在する。加えて、ポンプ122が容器またはロックホッパー125と連通して、システム10に蒸気が逆流しないことを確実にし、また、バルブ121および126の作動によりロックホッパー125を隔離する必要がある場合にシステムを空にすることができる。ロックホッパー125から粒状物質を、不動態化するガスまたは液体をガスまたは水の入口または導管133から供給しながら、不動態化装置130に移し、より詳細には格納容器131内で動くコンベヤ132に移す。図示するように、粒子は不動態化物質に対して向流方向に動くが、そのようにしなくてもよい。好ましくは不動態化流体は、低い割合(例えば0.2体積%)の酸素およびアルゴンなどの不活性ガスを含むガスである。次いで、不動態化した物質を出口136より洗浄および乾燥システム140に移送する。所望により、ポンプ135および導管134により不動態化流体を排出し、これをリサイクルする。
Particles from the cake are heated by a
図5を参照して、本発明の別の態様を示し、同様の数字は同様の部材に適用するものとした。図5の態様における主な相違点は、割出しディスク55ひいては割出しフィルターシステム35が鉛直でなく水平に配置され、よって、容器20の底部からスラリーが抜き出されると、液体の還元性金属がフィルター60を通じて抜き出され、そして割出しディスク55を回転させた後に圧密を実施するようになっていることである。更に回転させた後、排出ラムアセンブリ80を作動させてケーキを蒸留システム95へと移す。割出しディスク55の配置を除いて(これはスラリーの回収および圧密の間の割出しを必要とするが)、2つのシステムの操作は同じである。
Referring to FIG. 5, another aspect of the present invention is shown, wherein like numerals apply to like members. The main difference in the embodiment of FIG. 5 is that the
単一のアームストロングリアクターにより生成物、例えばチタンまたはチタン合金(例えばチタン、6%アルミニウムおよび4%バナジウム)を2,000,000ポンド/年で製造可能であるとすると、チャンバ56は直径10インチおよび長さ6インチとなり得る。アームストロング法によって製造されるスラリーおよび/またはゲルが約22〜23固体重量%であるという計算に基づくと、各ディスク55にはそのようなチャンバが6個存在することが好ましい。上記チャンバに基づけば、割出しディスク55は約11秒毎に割出しされることになる。チャンバ体積またはチャンバの数が異なれば、異なる割出し時間が必要となるが、このことは当該技術に関する知識の範囲内である。本具体例において、圧密ラムアセンブリ80により取り出されたケーキが厚さ約1.5インチで約64〜65重量%の間の固体組成を有するようにするには、チャンバ56内の物質を1/4に圧縮する。
Assuming that a single armstrong reactor can produce products such as titanium or titanium alloys (eg, titanium, 6% aluminum and 4% vanadium) at 2,000,000 pounds per year,
次に図6を参照して、本発明による様々な方法および得られる生成物(または製品)の概略的に示す図を開示する。「還元」枠は上述のおよび本明細書に組み込まれたアームストロングらの特許に教示される構成を用いて制御下にて発熱反応が起こるアームストロング法である。分離は本明細書にて上述したように不動態化を伴う。次いで、不動態化された物質を洗浄および乾燥システム140に送り、そこで塩生成物(本具体例では塩化ナトリウム)を生成物粒子(本具体例ではチタンまたはチタン合金粉末)から除去する。図6を参照して、この概略図は粉末を溶融して鋳造などの様々な方法によりインゴットまたは他の固体生成物(product:または製品)を形成することができ、または、例えば圧力を利用する冷間静水圧成形、熱間静水圧成形など(但しこれに限定されない)を含む粉末冶金プロセスに送られて、金属粉末を所定の形状および密度に緻密化する(densify)ことができる。金属粉末をガス噴射として冷間噴霧すること、または、金属粉末をレーザー処理すること、または、プラズマにより金属粉末を球形化する(spheridizing)ことにより、生成物を製造することもできる。当該技術分野において周知であるように、金属粉末をフォーム(または発泡体)の形態とし、その後、プレスおよび焼結して安定な金属フォームを形成することができる。粉末をマンドレルに対してプレスし、その後、ロールで延ばして薄肉管とすることができる。更に、金属粉末を引抜または押出することにより粉末生成物を形成することができる。例えばパッキングフラクション(または充填率)、平均寸法または寸法分布などの生成物のモルホロジー(または形態)を変える必要がある場合、摩耗機構を用いて、パッキングフラクションを含む粉末のモルホロジーを変更すること、または粉末の全体的な寸法分布を小さくすることができる。
Referring now to FIG. 6, a schematic diagram of various methods and resulting products (or products) according to the present invention is disclosed. The “reduction” frame is an Armstrong method in which an exothermic reaction takes place under control using the configuration taught above and in the Armstrong et al. Patent incorporated herein. Separation involves passivation as described herein above. The passivated material is then sent to a cleaning and drying
これら全ての生成物製造方法およびこれにより形成される生成物は本発明の分離方法と組み合わされる場合に本発明に包含されるものである。 All these product manufacturing processes and the products formed thereby are intended to be included in the present invention when combined with the separation process of the present invention.
Pトラップは運転を進行させたときのフィルター上方の圧力である(下流の圧力が一定に保たれると仮定する)。フロー2はナトリウム(Na)の流量であり、Vリアクターはいつ生成物が形成されたかを示す。t=8420にて、トラップへのナトリウムフローを開始した。トラップの圧力はリアクターのバルブを開けてケーキを生じ始めるまで比較的一定であり、Naが清浄なフィルター(125ミクロン)を通って流れるときと同様のままであった。ケーキDPは、ノズルの亜音速作動によりノズルが塞がれるために反応速度が落ち始めるt=8520まで直線的に上昇した。蒸留後のケーキの厚さを測定したところ平均で5〜6インチであった。ケーキ底部はケーキ頂部より低密度であるように観察され、ケーキ密度の測定値はケーキ頂部にて1.1g/cc、ケーキ底部にて0.73g/ccの密度を示した。底部はより低い圧力で形成されるため、より密度が低いものと考えられる。例えばDPは流量により決まり、この運転では流量を30kg/minとした。また、生成物の製造を終了し、Naフローを続けた後、ケーキは更に圧密されているように観察された(t=8550の後、フローは減少するのに対し、圧力は増加することを見よ)。Naフローを停止する前、DPは、十分な生成物の製造が終了する際の18psigに対し、最大で22psigであった(図1および2を参照、図7および8を参照)。 The P trap is the pressure above the filter as the operation proceeds (assuming that the downstream pressure remains constant). Flow 2 is the flow rate of sodium (Na) and the V reactor indicates when product is formed. At t = 8420, sodium flow into the trap was started. The trap pressure was relatively constant until the reactor valve was opened and cake started to form, and remained the same as when Na was flowing through a clean filter (125 microns). The cake DP increased linearly until t = 8520 when the reaction speed started to drop because the nozzle was blocked by the subsonic operation of the nozzle. When the thickness of the cake after distillation was measured, it was 5 to 6 inches on average. The cake bottom was observed to be less dense than the cake top, and the measured cake density was 1.1 g / cc at the cake top and 0.73 g / cc at the cake bottom. Since the bottom is formed at a lower pressure, it is considered to be less dense. For example, DP is determined by the flow rate, and in this operation, the flow rate is 30 kg / min. Also, after finishing product production and continuing Na flow, the cake was observed to be more compacted (after t = 8505, the flow decreased while the pressure increased). Behold). Prior to stopping Na flow, DP was 22 psig at maximum, compared to 18 psig at the end of production of sufficient product (see FIGS. 1 and 2, see FIGS. 7 and 8).
ケーキ領域に熱を供給し、蒸気を除去して、トラップの頂部側から外部の第1凝縮器へ、また、蒸留によりウェッジワイヤフィルターを通じて第2凝縮器へ送った。蒸留の間に全部で5.9kgのNaがケーキから除去され、蒸留後、ケーキは3.4kgの重量であった。5.9kgのうち3.8kgは第2凝縮器において凝縮されたことがわかった(図9を参照のこと)。 Heat was supplied to the cake area, the vapor was removed, and sent from the top of the trap to the external first condenser, and by distillation to a second condenser through a wedge wire filter. A total of 5.9 kg Na was removed from the cake during the distillation and after distillation the cake weighed 3.4 kg. It was found that 3.8 kg of 5.9 kg was condensed in the second condenser (see FIG. 9).
別のヌッチェによる運転では、蒸気を移動させるのにトラップ直径を最大限に利用するため、フィルターを通りトラップ底部へ通じる蒸留を可能にするようにトラップを設計した。このトラップも標準的な1インチ配管(line)を第1凝縮器に通じて有するものとした(図10を参照のこと)。Naの凝縮物を支持するようにトラップの底部を冷たいままに維持しつつ、熱をケーキに集中させた。蒸留後、1.6kgのNaが第1凝縮器に移り、1.3kgのNaがトラップの底部へと留出し、チタンおよびNaClで構成される3.1kgのケーキが残った。 In another Nutsche operation, the trap was designed to allow distillation through the filter to the bottom of the trap in order to maximize the trap diameter for moving the steam. This trap also had a standard 1 inch line leading to the first condenser (see FIG. 10). Heat was concentrated on the cake while keeping the bottom of the trap cool to support the Na condensate. After distillation, 1.6 kg of Na was transferred to the first condenser, 1.3 kg of Na was distilled to the bottom of the trap, leaving 3.1 kg of cake composed of titanium and NaCl.
しかしながら、フィルターケーキを破砕することにより、ナトリウムなどの液体金属の蒸留時間および速度を大幅に減少させることがわかった。破砕バーまたは任意の他の機械的手段(可動フィンガーまたはミキサーなど)を用いると、真空蒸留の第1部を40,000〜50,000秒(11〜14時間)から20,000〜30,000秒(約6〜8時間)に顕著に減少させる。蒸留の第2部(温度および圧力が低下する部分であり、テールと呼ばれる)はフィルターケーキの破砕による影響は受けなかった。 However, crushing the filter cake has been found to significantly reduce the distillation time and rate of liquid metals such as sodium. Using a crushing bar or any other mechanical means (such as a moving finger or mixer), the first part of the vacuum distillation is from 40,000 to 50,000 seconds (11 to 14 hours) to 20,000 to 30,000. Decrease significantly in seconds (about 6-8 hours). The second part of the distillation (the part where the temperature and pressure drop, called the tail) was not affected by the crushing of the filter cake.
第2蒸留またはテール部の間に好ましくは約500℃〜約800℃の範囲に加熱されたアルゴンなどの不活性なスイープガスを用いることにより、還元剤金属(ナトリウム)の蒸留に必要な時間を約40,000〜50,000秒から約10,000秒(約3時間)に短縮できることもわかった。これは従来の方法に対して大幅な進歩である。上記方法の1つまたはフィルターケーキの破砕との組合せのいずれかを不活性ガスによるスイープと組み合わせて用いることにより、蒸留時間を約(22または28)時間から約(9〜11)時間に短縮することができる。このことは設計を簡素化し、回収タンク、バルブ、配管および他の関連機器を減らすことにより、プラント設計において極めて重要である。 By using an inert sweep gas such as argon heated preferably between about 500 ° C. and about 800 ° C. during the second distillation or tail, the time required for distillation of the reducing agent metal (sodium) is reduced. It was also found that the time can be shortened from about 40,000 to 50,000 seconds to about 10,000 seconds (about 3 hours). This is a significant advance over conventional methods. Reduce distillation time from about (22 or 28) hours to about (9-11) hours by using either one of the above methods or a combination of filter cake crushing in combination with a sweep with an inert gas. be able to. This is extremely important in plant design by simplifying the design and reducing collection tanks, valves, piping and other related equipment.
真空(または減圧)蒸留が明らかに完了した後、トラップされ残っている全ての還元剤金属(ナトリウム)を除去するのは実際上困難なものとなる。フィルターケーキを水に入れて残りの塩(NaCl)をチタン粉末から洗い流すことは自明であるように思われるものの、フィルターケーキにトラップされている還元剤金属(ナトリウム)が問題であり、これは水と結合するときに著しい爆発を生じる。事実、ナトリウム液体と水との混合物は当量のTNTより大きなエネルギーを有する爆発を起こすものである。 After vacuum (or reduced pressure) distillation is clearly complete, it becomes practically difficult to remove any trapped remaining reducing agent metal (sodium). Although it seems obvious that the filter cake is put into water and the remaining salt (NaCl) is washed away from the titanium powder, the reducing metal (sodium) trapped in the filter cake is a problem, which is A significant explosion occurs when combined with. In fact, a mixture of sodium liquid and water will cause an explosion with an energy greater than an equivalent amount of TNT.
NaによるTiCl4の液面下での還元によってTiを生成することに関して、ナトリウムを蒸留する間またはその後にフィルターケーキを小さく(例えば直径約5センチメートル未満、好ましくは直径約2〜約5センチメートルの範囲に)粉砕することによって、装置設計につき適切な配慮がなされ適切な安全対策が施されていれば、著しく装置を損傷したり人を傷つけることなく、トラップされた全てのNaを処理するのに十分な程度に粒子または塊を明らかに小さくできることがわかった。蒸留後、フィルターケーキは脆く、容易に粉砕される。大量の粉砕したフィルターケーキを爆発の恐れ無しに水洗し得る程、上述の特許(特にナトリウムまたはその他のアルカリ金属が還元剤として使用される)に記載される様々な元素金属および合金を製造するのに要する蒸留時間が大幅に短縮される。 With respect to producing Ti by subsurface reduction of TiCl 4 with Na, the filter cake is made small (eg, less than about 5 centimeters in diameter, preferably about 2 to about 5 centimeters in diameter, during or after sodium distillation. By crushing, all trapped Na can be treated without significant damage to the equipment or injury to the person if proper consideration is given to the equipment design and appropriate safety measures are in place. It has been found that particles or lumps can be made apparently small enough. After distillation, the filter cake is brittle and easily crushed. Produces various elemental metals and alloys described in the above-mentioned patents (especially sodium or other alkali metals are used as reducing agents) to the extent that large quantities of pulverized filter cake can be washed without fear of explosion The distillation time required for is greatly reduced.
別法では、蒸留全体を陽圧(例えばpsigであるが、これに限定されない)にて、加熱したまたは熱い不活性ガス(例えば約500℃〜約800℃であるが、これに限定されない)により行い、その後、冷却することにより、蒸発した液体金属(例えばNaであるが、これに限定されない)を凝縮できることがわかった。その後、冷却した液体金属は更に使用するために戻す。 Alternatively, the entire distillation may be heated at positive pressure (eg, but not limited to psig), heated or hot inert gas (eg, but not limited to about 500 ° C. to about 800 ° C.). It was found that by evaporating and then cooling, the evaporated liquid metal (eg, but not limited to Na) can be condensed. The cooled liquid metal is then returned for further use.
要するに、本発明は上述の特許に記載される方法により得られるフィルターケーキの蒸留時間を短縮するための機構および方法に関する。フィルターケーキ領域での振動もしくは可動機構により、またはフィルターケーキ領域での静止した機械的なバーもしくは部材または他の適当な機構により、フィルターケーキを破砕することができる。フィルターケーキ中の液体金属の蒸留時間を大幅に短縮するために、真空または真空でない不活性スイープガスを単独で、または蒸留の間にフィルターケーキを破砕する上述の方法と組み合わせて用いることができる。 In summary, the present invention relates to a mechanism and method for reducing the distillation time of a filter cake obtained by the method described in the aforementioned patent. The filter cake can be crushed by a vibrating or moving mechanism in the filter cake area or by a stationary mechanical bar or member or other suitable mechanism in the filter cake area. In order to significantly reduce the distillation time of the liquid metal in the filter cake, a vacuum or non-vacuum inert sweep gas can be used alone or in combination with the above-described method of crushing the filter cake during distillation.
図面の図11を参照して、移送機構10Eを示し、この機構は液体出口12を有する外側導管壁11を含む二重壁導管および端部壁13を含んで成り、壁11は好ましくは円筒形であるが必須ではない。円筒壁11の内部は隙間のない(solid)部分16と、アパーチャが設けられ、任意の適当な寸法のメッシュであってよい部分17とを有する内側チューブまたは導管15である。内側チューブまたは導管15は図1に示すように円筒形であっても、後述するように円錐形であってもよく、内側導管15は真空チャンバ25に対して開口している排出端部18を有し、また、上記で参照して本明細書に組み込まれたアームストロング特許に説明されるようなリアクターと連通するコンテナまたは容器20に対して開口している入口端部19を有する。
Referring to FIG. 11 of the drawings, a
フィードスクリュー30が内側導管15内に配置され、当該技術分野において周知であるように円錐形のネジ山32が配置されている回転可能なシャンク31を有する。ネジ山32は一定または可変のピッチを有し得る。ピッチは隣接するネジ山間の距離であり、可変ピッチは後述する目的で容器20からコンテナまたは容器25に向かってピッチが減少する、段階的な(または徐々に変化する)ピッチであることが好ましい。
A
本発明の好ましいが、これに限定されない態様において、移送機構10Eはアームストロング法により製造される物質と共に用いられる。より詳細には、単に例示するだけの目的で、本明細書にて述べるスラリーは液体ナトリウム、塩化ナトリウム粒子、ならびにチタンおよび/またはチタン合金の粒子の組合せである。アームストロング特許に述べられているように、これにより様々な金属および非金属生成物を製造することができ、そして本発明はアームストロング法によって製造されるいずれかの特定の生成物に限定されず、また当然ながら本明細書に記載した好ましい生成物に限定されないよう意図するものである。
In a preferred but not limited aspect of the present invention, the
いずれにせよ、好ましくは不活性雰囲気下または真空下で操作される容器またはコンテナ20は上述の粒子のスラリーをその内部に有し、スラリーが内側導管またはチューブ15の部分19に入り、フィードスクリュー30がシャンク31の回転により図示するように回転すると、スラリーは図11に示すように左から右へフィードスクリューに沿って移動する。図11のフィードスクリュー30は段階的なピッチになっている(即ち、左から右にピッチが減少するようにネジ山32が互いに近くなっていく)ため、該物質はコンテナまたは容器20からコンテナまたは容器25へと移動するにつれて濃縮される。更に、導管またはチューブ15の部分17はアパーチャが設けられ、または多孔質であるため、液体ナトリウムが更なる処理のためにそこから抜き出され、出口12から外へ出る。従って、スラリーがコンテナまたは容器20からコンテナまたは容器25へと移送されるにつれて、液体が抜き出されるので、スラリーはより濃縮された状態になり、隣接するネジ山の間のピッチが減少するに従い密度が上昇する。
In any case, a container or
現象を別の方法で表現すると次のようになる。隣接するネジ山とシリンダーまたはチューブの壁16との間の容積は、物質がフィードスクリュー30によりコンテナまたは容器20からコンテナまたは容器25へと移動するにつれて減少する。スラリーが濃縮されて部分16(内側チューブまたは導管15の隙間のない部分16)に達するまでに、容器25と、リアクターからのスラリーを収容する容器20との間のシールが確立される。移送機構10によるシールの形成は本発明の重要な局面である。なぜなら、アームストロング特許に記載されるように、セラミックまたは金属合金の所望の粒子から液体金属および塩を分離することは真空チャンバまたは容器25における蒸留を含み得、また、アームストロングリアクターそれ自体がアルゴンなどにより不活性化した容器であり得るからである。従って、移送する間に容器の1つをシャットダウンすることを要したり、容器20内の保護雰囲気または容器25内の真空を損なったりすることなく、2つの容器間での連続操作を可能にするために、2つのコンテナまたは容器の間にシールを形成することが重要である。
The phenomenon is expressed in another way as follows. The volume between adjacent threads and cylinder or
図12および13を参照して、本発明の別の態様を示す。隣接するスクリューネジ山と、フィードスクリューが配置されるコンテナまたはハウジングとの間の容積が容器20Aから容器25Aにかけて減少するという本質的な特徴を同様に有する。図12からわかるように、移送機構10Fは円錐形の形状になったハウジング15Aを有し、その内部のスクリュー30は段階的なピッチのスクリューであっても、そうでなくてもよい。図12に示す態様のスクリューネジ山は互いに近くなっていくことを要しなくてよく、即ち、物質が左から右へ、また容器20Aから容器25Aへと移動するにつれて、隣接するネジ山とハウジングの壁との間にある物質の体積を減らすためにピッチが小さくなっていることを要しない。しかしながら、エンジニアリング上の理由によっては、段階的なピッチのスクリュー30Aを有する、または有しない円錐形状の内部ハウジング15Aの双方を用いることが好都合であり得る。
With reference to FIGS. 12 and 13, another embodiment of the present invention is shown. It also has the essential feature that the volume between adjacent screw threads and the container or housing in which the feed screw is located decreases from
図13を参照して、本発明のもう1つの態様10Gを示し、この態様ではスクリュー30Bのシャンク31Bは円錐形の形状になっており、コーン(または円錐形部材)の大きい方の端部が容器25Bと隣接し、また隣接するネジ山32B間のピッチは一定であるか、小さくなっていく。いずれの場合においても、隣接するネジ山と内側コンテナ15Bとの間の領域の容積は物質が容器20Bから容器25Bへと移動するつれて減少する。
Referring to FIG. 13, another
本発明を不活性化容器および真空容器に関して説明したが、本発明は物質を1つのコンテナからもう1つのコンテナへと、いずれのコンテナの環境も損なうことなく移動させ、および濃縮することを含むものである。これらコンテナは接続されたパイプまたは容器であってよく、この環境は真空、不活性雰囲気またはその他のものであってよい。本発明の中心は、1つおよびもう1つの環境を互いに隔離するようにそれらの間にシールを形成しながら、1つの環境からもう1つの環境へと固体(または固形分)を移送してスラリーにて固体を濃縮することである。 Although the present invention has been described with reference to an inert container and a vacuum container, the present invention includes moving and concentrating material from one container to another without compromising the environment of either container. . These containers can be connected pipes or containers, and the environment can be a vacuum, an inert atmosphere or otherwise. The heart of the present invention is the transfer of solids (or solids) from one environment to another while forming a seal between them to isolate one and the other from each other. Concentrate the solid at
図14を参照して、上述の適用を組み合わせた分離の概略図であって、上述のアームストロング法(但しこれに限定されない)に関するもう1つの分離プロセス、システムおよび方法を説明する図を示す。先に記載したシステム、装置および方法と同様、ハロゲン化物および還元剤金属の供給源が存在し、これらは上記と同様にリアクターに導入されて、発熱反応により、一例として金属粉末、塩粒子および過剰の還元剤金属で構成されるスラリーを生じる。アームストロング特許に教示されるように、リアクターを不活性雰囲気下にて操作し、生じたスラリーを第1容器に移送する。後述するように分離プロセスは陽圧または陰圧のいずれかまたは双方である部分を含み得るので、第1容器は同じく不活性雰囲気および/または真空下にて操作され、即ち、第1容器は不活性化されている。第1容器をシャットダウンしたり、液体金属を添加(seasoning)したりすることなく連続製造を可能にするためには、スラリーを処理する間中、第1容器が酸素により汚染されるのを防止することが非常に重要であり、そうでなければ酸素汚染物を除去することを要する。 Referring to FIG. 14, there is shown a schematic diagram of a separation combining the above applications, illustrating another separation process, system and method relating to, but not limited to, the armstrong method described above. As with the systems, devices and methods described above, there are sources of halide and reducing agent metals that are introduced into the reactor as described above, and by exothermic reaction, for example, metal powder, salt particles and excess Resulting in a slurry composed of a reducing agent metal. As taught in the Armstrong patent, the reactor is operated under an inert atmosphere and the resulting slurry is transferred to the first vessel. Since the separation process can include portions that are either positive pressure or negative pressure, or both, as described below, the first vessel is also operated under an inert atmosphere and / or vacuum, ie, the first vessel is not pressurized. It has been activated. In order to allow continuous production without shutting down the first vessel or adding liquid metal (seasoning), the first vessel is prevented from being contaminated with oxygen during the processing of the slurry. Is very important, otherwise it is necessary to remove oxygen contaminants.
塩粒子および過剰の還元剤金属などの不要な成分を除去するようにスラリーを処理する様々な手段がある。しかしそのいずれもが、過剰の還元剤金属を液体もしくは蒸気またはその双方として第1容器から移動させ、金属粉末または金属粉末と塩粒子との組合せのいずれから構成されていてもよく、ウェット(または湿った状態)またはドライ(または乾燥した状態)のいずれでもよいケーキを残すことを含むものである。第1容器の健全性(integrity:または完全性)を保持するために第2容器が存在し、これは不活性雰囲気および/または真空下にて操作されるタンクもしくはパイプまたは任意のコンテナであってよく、そこへ処理したスラリー(ウェットでもドライでも、金属粉末でも金属粉末と塩粒子との組合せでもよい)が更なる処理のために移送され、またこれは不活性化した容器またはコンテナから不活性化されていない環境へ生成物を移送することができるようにロックまたはバルブまたはシールまたはプラグ機構を有する。本明細書にて上述したように図面、特に図1からわかるように、スラリーを第1容器にて加熱して、過剰の液体金属を液体および蒸気の双方として除去する装置が示される。乾燥したケーキを交換のため第2不活性化容器に移送する。機械的手段または別の手段による第1容器での撹拌は蒸留プロセスを迅速化し、同時に、フィルターケーキが形成されるとこれを破砕し、このことは更なる利点でもある。しかしながら、図14に示すように大きく変更することなく、ケーキを破砕することができ、また、過剰の液状還元剤金属を不活性な熱いスイープガスにより除去することができ、このスイープガスは十分に熱いときは過剰の液状還元剤金属だけでなく塩粒子も蒸発させ、金属粉末を残して、これを第2コンテナ(パイプであってよい)へと移動させ、ロック機構を経てオプションの不動態化ステーションに送り、または不動態化せずに、輸送のために不活性環境にパッケージング(または袋詰め)する。従って、理解されるように、第1容器を用いて、金属粉末を単独で、または塩粒子と組み合わせて得るためにスラリーを加熱により処理することができる。 There are various means of treating the slurry to remove unwanted components such as salt particles and excess reducing agent metal. However, any of them may be made up of either metal powder or a combination of metal powder and salt particles, moving excess excess reducing agent metal as a liquid or vapor or both from the first container, and wet (or Including leaving the cake in either a damp state) or a dry (or dry) state. There is a second container to maintain the integrity (or integrity) of the first container, which is a tank or pipe or any container operated under an inert atmosphere and / or vacuum. Well, the treated slurry (whether wet or dry, metal powder or a combination of metal powder and salt particles) is transferred for further processing and is inert from the deactivated container or container. It has a lock or valve or seal or plug mechanism so that the product can be transferred to an unstructured environment. As can be seen from the drawings, particularly FIG. 1, as described herein above, an apparatus is shown for heating the slurry in a first vessel to remove excess liquid metal as both liquid and vapor. Transfer the dried cake to a second inerting vessel for replacement. Agitation in the first vessel by mechanical or other means speeds up the distillation process and at the same time breaks the filter cake once it is formed, which is a further advantage. However, the cake can be crushed without significant changes as shown in FIG. 14, and the excess liquid reducing agent metal can be removed with an inert hot sweep gas, which is sufficient. When hot, not only the excess liquid reducing agent metal but also salt particles are evaporated, leaving a metal powder that is transferred to a second container (which may be a pipe) and optionally passivated via a locking mechanism Package (or bag) in an inert environment for transport without delivery to the station or passivation. Thus, as will be appreciated, the slurry can be treated by heating to obtain the metal powder alone or in combination with salt particles using the first vessel.
図2〜6に示すように、システム10Aにおける第1容器は順次(またはシーケンス)割出し分離システム35を含み得、このシステムでは図14の第1容器が受取容器20と割出しフィルターシステム35(これは上述のように、絞り出した(または圧搾)ケーキを順次に製造し、第2容器または蒸留システム95に送る)との組合せにあたる。図14の第2容器またはコンテナは、図2〜6に示すシステム10Aにおける蒸留システム95として水平に配置され得、内部にコンベヤを有しても、有しなくてもよく、全ては当該技術に関する知識範囲内でエンジニアリング上の理由に応じて決まるものである。図14に示すように、第2コンテナの物質(このとき乾燥しており、金属粉末単独または金属粉末と塩との組合せのいずれでもよい)は、必要に応じて更なる処理のために何らの方法で、図示するようにロックを経て、またはシールもしくはバルブまたは任意の同等の機構を経て第2コンテナの不活性化状態から他の環境へと移動させ、該処理には不動態化およびその後の水洗または不活性化された輸送コンテナへ単にパッケージングすることが含まれ得る。ロック機構は図11の可変ピッチスクリューまたは図12および13に示すその改変体、あるいは他の任意の適切なロック機構、例えばゲートバルブ(但しこれに限定されない)などであってよい。
As shown in FIGS. 2-6, the first container in
従って、理解されるように、第1容器にて不活性雰囲気もしくは真空またはその組合せの下でスラリーを処理することにより、選択した分離条件に応じて、金属粉末または金属粉末と塩との組合せのウェットまたはドライケーキを生じ得る。第1容器から物質(過剰の還元剤金属単独または還元剤金属と塩との組合せのいずれでもよい)を出すために、ヒーター(内部もしくは外部または双方のいずれでもよい)および/または熱い不活性スイープガスを陽圧もしくは陰圧、またはヒーターもしくはスイープガスまたは双方により陽圧と陰圧との組合せのいずれでもよい圧力で用い得る。第1容器から何を移送するかにより、不要な構成成分から金属粉末を単離するために第2コンテナに熱い不活性スイープガスまたは他の機構を適用させ得る。その後、更なる処理または取扱いのためにコンベヤまたは別の機構への移送を行う。上述のように、冷却後に少量の酸素を有する不活性ガスによる不動態化を適用してよく、その後、パッケージングの前に水洗および乾燥を適用してよい。あるいは、還元剤金属および塩の双方を第1容器および/または第2コンテナにて除去する場合、水洗および/または不動態化を必要としなくてよく、この結果、酸素汚染および/または費用をより低くする。 Thus, as will be appreciated, by treating the slurry in an inert atmosphere or vacuum or combination thereof in the first vessel, depending on the selected separation conditions, the metal powder or combination of metal powder and salt Can produce wet or dry cake. Heater (either internal or external or both) and / or hot inert sweep to remove material (either excess reductant metal alone or a combination of reductant metal and salt) from the first vessel The gas may be used at a pressure that may be either positive or negative pressure, or a combination of positive and negative pressure with a heater or sweep gas or both. Depending on what is transferred from the first container, a hot inert sweep gas or other mechanism may be applied to the second container to isolate the metal powder from unwanted components. It is then transferred to a conveyor or another mechanism for further processing or handling. As described above, passivation with an inert gas with a small amount of oxygen after cooling may be applied, followed by water washing and drying prior to packaging. Alternatively, if both the reducing agent metal and the salt are removed in the first container and / or the second container, washing and / or passivation may not be required, resulting in more oxygen contamination and / or expense. make low.
本発明の好ましい態様として考えられるものについて説明したが、本発明の概念を逸脱することなく、また、いずれの利点をも犠牲にすることなく、細部における種々の変更がなされ得ることが理解される。 Having described what is considered a preferred embodiment of the invention, it will be understood that various changes in detail may be made without departing from the concept of the invention and without sacrificing any of the advantages. .
Claims (91)
90. The method of claim 86, wherein the slurry comprises particles of liquid sodium metal and Ti or an alloy thereof.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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