高溫反應器系統(tǒng)及用于在其中生產(chǎn)產(chǎn)物的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種等離子體系統(tǒng)，所述等離子體系統(tǒng)包括如感應耦合等離子體(ICP)炬的等離子體源或炬，所述等離子體源或炬作用于含有期望產(chǎn)物的顆粒的供給材料。描述用于采用所述系統(tǒng)的方法，所述方法包括用于在所述等離子體系統(tǒng)中從反應提取所述期望產(chǎn)物的過程，所述方法還包括以其他方式被廢棄的熱能的回收，并且討論有用材料從混合的礦物物質(zhì)的分離。
【專利說明】高溫反應器系統(tǒng)及用于在其中生產(chǎn)產(chǎn)物的方法
【技術(shù)領域】
[0001]本申請涉及用于將基于等離子體的過程應用于供給材料(feed material)以便從中提取有用產(chǎn)物(product)的系統(tǒng)和方法。
[0002]相關申請
[0003]本申請涉及賦予本發(fā)明的發(fā)明人和受讓人的2011年11月10日遞交的名稱為“磁電_等離子體分離器及用于分離的方法(Magneto-Plasma Separator and Method forSeparation) ”的美國臨時申請61/557951并且要求其權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，所述臨時申請在本文中通過引用被并入。
_4] 發(fā)明背景
[0005]稀土元素(REEs)和其他高價值戰(zhàn)略材料是其獨特的性質(zhì)對于高科技工業(yè)、醫(yī)藥和軍事技術(shù)制造業(yè)至關重要的元素。REE組被認為包括鑭系元素:鑭、鈰、鐠、钷(非天然存在的)、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、欽、鉺、銩、鐿和镥。釔和鈧元素由于具有相似的化學性質(zhì)也被包括。本申請的幾個方面針對的其他材料包括鉭、鈦、鎢、鈮、鋰、鈀、釩、鋯、鈹、釷和鈾。上述材料在本文中簡稱戰(zhàn)略材料。本領域技術(shù)人員將理解本公開也可以被應用于類似的和相似的材料。
[0006]稀土元素和其他戰(zhàn)略材料被使用于手機、電腦和電視，以及混合動力汽車(hybridautomobiles)、高速火車、風力潤輪機、激光、聲納和光纖。由于它們可以被使用于制導導彈、通信衛(wèi)星、雷達、預警系統(tǒng)和無數(shù)的其他軍事和防御項目，稀土元素和其他戰(zhàn)略材料對于國家安全也是重要的。
[0007]鉭金屬是高價值材料的一個例子，以其元素形式被廣泛使用，但是在自然界中以鹽或氧化物化合物的形式被發(fā)現(xiàn)。鉭被使用于制造具有如高熔點、高強度和良好延展性的理想的性質(zhì)的鋼材。這些鋼材應用于飛機和導彈制造業(yè)。鉭是相對不活潑的并且因而在化學和核工業(yè)中是有用的。該金屬還是高度生物相容的，因此，鉭在外科手術(shù)用途上具有廣泛的使用。例如，它可以被使用在縫合線中以及作為顱骨修復板。在電子工業(yè)中該金屬還被使用于電容器。
[0008]鈾，以其濃縮的形式，作為用于核反應器的燃料，同時引起商業(yè)和軍事應用特別的興趣。生產(chǎn)鈾的總體流程表包括采礦、磨粉(以生產(chǎn)鈾精礦(yellow cake))、轉(zhuǎn)化和制備。每個步驟包括若干子步驟。隨著完成的產(chǎn)物在核反應器中使用后，用過的燃料可以被再處理和/或被穩(wěn)定和儲存。用于再處理用過的燃料和高水平核廢物的管理的裝置是非常重要的。
[0009]美國專利號3429691針對一種用于使二氧化鈦粉末還原為元素鈦的方法。該方法將熔化成微滴(droplet)的二氧化鈦粉末和氫等離子體結(jié)合，在室的另一端生產(chǎn)液體鈦和水。被注射的氫等離子體用來加熱二氧化鈦，并且通過還原從鈦去除氧。該反應在壓縮磁場中發(fā)生以便防止內(nèi)容物接觸側(cè)邊并將其熔化。
[0010]在目前實踐的一個例子中，鉭是通過其一種鹽的金屬熱還原被生產(chǎn)的。在大致800°C，將固體氟鉭酸鉀(K2TaF7)和液體鈉加入鹵化物熔化物(被認為是“稀釋劑(diluent)”)，其中它們反應生產(chǎn)粉末形式的固體鉭。該過程涉及許多還原步驟之前的單元操作以便將礦石轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量供給料。接著，該還原步驟依靠一系列過程，所述過程涉及處于接近其沸點溫度(883°C )的非常危險的液體鈉。所述鈉必須用大型容器(鐵路罐車)運送到反應器并且被原地儲存。在該反應器中既要控制微粒尺寸(particle size)又要防止微粒團聚是困難的，其對于用于使用在電容器中的高級粉末的生產(chǎn)是關鍵的。
[0011]以上系統(tǒng)通常需要高反應性的液體鈉和昂貴的氟鉭酸鉀復鹽原料，缺少連續(xù)的生產(chǎn)能力，基于成批操作方法，并且還缺少控制在產(chǎn)物鉭粉末中的微粒尺寸的能力。
[0012]通常地，當混合物的成分或化合物之內(nèi)的元素具有電荷，一種將它們分離的方法依靠將帶電微粒(charged particle)加速并且使它們通過與其速度相垂直的磁場。這種分離工藝基于微粒的質(zhì)荷比來分離該微粒。
[0013]美國專利號3722677針對一種用于為了分離微粒的目的,而使用垂直的電場和磁場引起微粒在圓柱形室內(nèi)沿著彎曲路徑運動的設備。在本發(fā)明中電極可以被放置在受限體積的一端或兩端。帶正電微粒將繞中心軸旋轉(zhuǎn)并且通過碰撞將這種動作傳遞給不帶電微粒。在更大的半徑距離處較重的微粒的濃度將更大，從而允許分離。
[0014]一種在混合物或化學化合物中創(chuàng)建帶電微粒的方式是通過提高材料的溫度到其氣相溫度以上。這種方法將材料改變成被稱為等離子體的物態(tài)(state of matter)，該物態(tài)與氣相相似只是材料被加熱到了分子成分(constituents)的一部分失去了其一些電子的程度，被稱為“離子化”?；瘜W鍵被熱破壞一離子化程度取決于溫度。因而等離子體由帶電微?！ǔＪ钦x子和負電子構(gòu)成。
[0015]美國專利號6096220針對用于從等離子體中的高質(zhì)量微粒過濾低質(zhì)量微粒的過程和設備，所述過濾是通過將等離子體注射到具有與軸對齊的磁場和垂直的電場的圓柱形室中的方式。該電場和磁場的大小被這樣調(diào)整以至于高質(zhì)量微粒徑向逃脫并且與圓柱形壁碰撞,而低質(zhì)量微粒被約束在壁之內(nèi)行進。
[0016]過濾器通常只需要使某一質(zhì)量以上的所有微粒受限并且使此“某一質(zhì)量”以下的所有微粒通過——動量分辨率不是關鍵的設計或性能問題。分離器分離并且收集代表特定的金屬產(chǎn)物離子成分的具體微粒。此外，經(jīng)常的情況是這樣的“產(chǎn)物微?！睕]有很大的相對質(zhì)量差。對于這些應用獲得與動量分辨率相關的測量和參數(shù)可能是有幫助的。
[0017]美國專利號6248240是美國專利號6096220的部分延續(xù)，既加入了非圓柱形室的可能性又加入了位于室下方中間位置的等離子體源的可能性。另外該專利提供一種用于維持多種類等離子體在足夠低的密度以至于微粒間的碰撞是相對不頻發(fā)的方法，并且所述方法引進一個或更多個被定位用來攔截高質(zhì)量微粒的收集器。
[0018]美國專利號6235202是美國專利號6096220的另一個部分延續(xù)，加入了將被蒸氣化的(vaporized)材料注射到反應室中，接著在室里可能使用射頻(RF)天線將材料離子化來創(chuàng)建等離子體的可能性。
[0019]同樣地，描述了等離子體設備來實現(xiàn)如質(zhì)譜分析的目的。等離子體源，例如，等離子體炬，通常地將強射頻(RF)場施加于被注射的等離子體氣體(例如氬-Ar)和輔助氣體供給來使它們離子化并且誘導加速氣體分子之間的碰撞以產(chǎn)生等離子體火焰?？梢詫㈧F化的物質(zhì)(substance)作為細微滴注射到等離子體源的反應區(qū)中。在該過程中產(chǎn)生高達大約3000開氏度(K)的溫度，該溫度據(jù)說引起物質(zhì)有利的分解，例如修復有害廢物。[0020]美國專利號3429691聲稱提供一種產(chǎn)出元素鈦(Ti)的方法，該方法通過將高度分散的液體二氧化鈦用對流流動中的氫等離子體還原來回收以其液體狀態(tài)被回收的元素Ti。該‘691引用文件的系統(tǒng)提供聲稱范圍在2500K和3540K之間的溫度，該溫度不會滿足下面要描述的某些應用的需要。另外，盡管現(xiàn)有技術(shù)包括等離子體弧噴流，但是其缺少充分的其他技術(shù)元素和能力，允許現(xiàn)有技術(shù)在一些應用中被使用，但是達不到適合用于本文感興趣的其他應用的要求。
[0021]除了本領域認可的以外，本系統(tǒng)和方法提高礦物提取效率，降低處理和系統(tǒng)的成本和復雜性，提高產(chǎn)量，減少稀土元素和其他高價值戰(zhàn)略材料的生成物價格，并且減少將新礦石體投入生產(chǎn)的所需時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]一些實施方案針對一種用于從供給材料提取產(chǎn)物的等離子體反應器系統(tǒng)，所述等離子體反應器系統(tǒng)包括反應室，所述反應室具有壁，所述壁基本上限定包括至少一個反應區(qū)的所述室的封閉體積；多個口(port)，所述多個口用于進出所述室的材料的輸入(ingress)和輸出(egress);—組感應線圈,所述一組感應線圈在所述反應區(qū)之內(nèi)產(chǎn)生溫度以引起產(chǎn)出(yield)所述產(chǎn)物的反應；等離子體炬，所述等離子體炬通過所述室的輸入口被耦合到所述室，所述等離子體炬將所述供給材料注射到所述室中；第一輸出口(egressport)，所述第一輸出口包括接收所述產(chǎn)物的產(chǎn)物收集口 ；以及第二輸出口，所述第二輸出口包括排出口(exhaust port),所述排出口排放(discharge)廢物和所述反應的其他副產(chǎn)物。
[0023]其他實施方案針對一種用于從供給材料獲得如稀土的戰(zhàn)略材料的方法，所述方法包括處理稀土礦石，以從中獲得相應的稀土金屬氧化物；將所述稀土氧化物機械地粉碎成顆粒的(granular)形式；將所述稀土氧化物的所述顆粒的形式引導到等離子體反應器系統(tǒng)中；在所述等離子體反應器系統(tǒng)中蒸氣化(vaporizing)所述稀土氧化物的所述顆粒的形式，以產(chǎn)出含有所述稀土氧化物的蒸氣(vapor);將氫等離子體引導到所述等離子體反應器系統(tǒng)的反應區(qū)中，其中所述氫等離子體可以與所述稀土氧化物的蒸氣反應，減少所述稀土氧化物，并產(chǎn)出產(chǎn)物和至少一種廢物副產(chǎn)物(waste by-product);以及通過將所述產(chǎn)物從所述至少一種廢物副產(chǎn)物分離來收集所述產(chǎn)物。
[0024]其他實施方案還針對一種用于從戰(zhàn)略材料的氧化物處理戰(zhàn)略材料的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括反應室，所述反應室能夠維持反應室內(nèi)的溫度超過大約5000開氏度(K);供給材料供應(supply)裝置，所述供給材料供應裝置接收包括戰(zhàn)略材料氧化物的顆粒的供給材料并且將所述供給材料注射到所述反應室中；氫供應裝置，所述氫供應裝置在與所述供給材料的大體方向相反的大體方向上將氫氣注射到所述反應室中；感應加熱器，所述感應加熱器將所述反應室之內(nèi)的反應區(qū)加熱到至少大約4000開氏度(K)的溫度并且導致在所述反應區(qū)之內(nèi)所述氫氣和所述被注射的戰(zhàn)略材料氧化物之間的氫還原反應，以產(chǎn)出至少戰(zhàn)略材料產(chǎn)物和廢物產(chǎn)物；以及收集裝置，所述收集裝置接收所述戰(zhàn)略材料產(chǎn)物。
[0025]附圖簡要說明
[0026]圖1-5圖示說明示例性等離子體反應器系統(tǒng)的截面圖。
[0027]圖6圖示說明用于等離子體反應器系統(tǒng)中戰(zhàn)略材料的提取的示例性過程；以及[0028]圖7圖示說明兩個等離子體處理設備的示例性布置，以從這樣的處理設備的第一個回收廢物熱。
[0029]具體描沭
[0030]稀土元素(REEs)和其他高價值戰(zhàn)略材料在各種工業(yè)、軍事和其他【技術(shù)領域】中都有增加的需求。需要用于從礦石和混合的供給材料提取有用稀土元素的更好的技術(shù)。同樣地，需要用于處理稀土元素和其他高價值戰(zhàn)略材料的新技術(shù)，例如，用于將金屬從其礦石和氧化物中分離的新技術(shù)，以滿足該增長的需求。進一步處理用于改良合金的精煉的金屬來減少成本并改進如電池以及高效發(fā)動機和發(fā)生器這樣的產(chǎn)品的性能的新技術(shù)也是需要的。在一些實施方案中，本系統(tǒng)通過總體設計配置和寬高比，以及電場和磁場分布的控制來提供改良的質(zhì)量分辨能力。
[0031]本文的一些實施方案提供基于等離子體的系統(tǒng)和用于制造并采用所述系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)和方法適用于從含有有用產(chǎn)物的礦石或混合的供給材料中有用產(chǎn)物物質(zhì)的高效和經(jīng)濟生產(chǎn)。具體地，描述在等離子體反應器室中在高溫下進行的離子化的金屬或稀土氧化物的氫直接還原(HDR)。
[0032]圖1圖示說明根據(jù)實施方案的示例性等離子體反應器系統(tǒng)10，所述等離子體反應器系統(tǒng)10用于處理供給材料以從其獲得有用產(chǎn)物。包括槽(tank)或殼體(shell body)以及多個口和輔助組件的反應室100被設計來含有反應中的反應物?？梢园鼑磻?00的本體的全部或一部分的一組感應線圈120，在所述室100中感應射頻(RF)電磁場以在所述室100中產(chǎn)生高溫。磁場線圈130在室100中產(chǎn)生磁場來引起其中的帶電微粒的運動和/或離子化的微粒的約束以在空間上使它們集中在反應室100的內(nèi)部體積之內(nèi)的一個或多個區(qū)域。
[0033]感應耦合等離子體(ICP)炬110被設置于或被設置接近于所述反應室100的一端，并且被輔助氣體源118供給。所述ICP炬110被射頻(RF)線圈114的線圈驅(qū)動并且可以包括在ICP炬120之內(nèi)產(chǎn)生磁場的磁約束線圈124。將供給材料在125處注射到所述ICP炬110中。在一些實施方案中輔助氣體116也被注射到所述ICP炬中。
[0034]包括來自ICP炬110的等離子體排放物的反應區(qū)102在反應室100之內(nèi)占據(jù)一些區(qū)域。在操作中，將反應室100中的溫度，具體地，在反應區(qū)102中或接近反應區(qū)102的溫度提高，以實現(xiàn)產(chǎn)出有用產(chǎn)物和水蒸氣的反應，所述有用產(chǎn)物在產(chǎn)物收集排放口 105并且所述水蒸氣在流體排放口 104被收集,所述流體排放口 104可以排放水蒸氣、氣體、夾帶的液體和甚至固體細粒(particulate)。在一些方面,任何夾帶的殘留的氣體例如未反應的氫或輔助氣體也通過流體排放口 104逸出。在一些實施方案中，重力向下牽引收集的材料并且水蒸氣被向上排放。
[0035]圖2圖示說明等離子體反應器系統(tǒng)20的另一個實施方案，所述實施方案包括反應室200，所述反應室200具有基本上限定內(nèi)部體積的壁和其中的反應區(qū)210的壁。能量由感應線圈270提供以確保在所述反應區(qū)210中的期望的反應。在反應室200內(nèi)磁場線圈260產(chǎn)生的約束場可以約束或移動或定位帶電微粒。
[0036]等離子體炬220包括載體供給氣體(feed gas)源225，所述載體供給氣體源225將混合的材料如金屬氧化物或稀土金屬氧化物帶到炬220中。第二或輔助氣體250幫助有利的反應、炬220的外壁與炬220之內(nèi)的反應物或熱的隔離，或其他功能中的任何一個。炬220配備有用于加熱和在空間上約束炬220的內(nèi)容物的感應線圈222和磁場線圈224。
[0037]如圖所示提供一個或更多個其他等離子體炬，例如，氫等離子體炬230。氫等離子體炬230也包括其自己的感應線圈232，并且可選地包括，磁場線圈234，以及在一些實施方案中包括第二或輔助氣體供給236。
[0038]在操作中，等離子體系統(tǒng)20創(chuàng)建高溫并且引起涉及來自一個或更多個等離子體炬的等離子體的反應。反應物可以包括來自氣體供給225的金屬氧化物的微粒和氫以致導致直接還原來產(chǎn)出流體(例如，氣體、蒸氣、蒸汽、夾帶的液體微滴)和產(chǎn)物材料，所述流體從排出口 240離開，所述產(chǎn)物材料下落到一個或更多個產(chǎn)物收集口 280中。在一些方面，在反應室200的反應區(qū)210中所述產(chǎn)物材料的密度比反應物和其他流體的密度大。結(jié)果是，產(chǎn)物下落或者沉降出所述反應室底部到收集口中來被收集用于后處理，包裝和使用。在所述反應區(qū)210中和周圍發(fā)生的反應的例子包括:
[0039]Mx0y+yH2 — xM+yH20 (反應式 I)
[0040]其中箭頭左手邊的反應物是代表金屬(M)氧化物的MxOy和代表氫的H2,并且箭頭右手邊包括水蒸氣H2O和期望的金屬產(chǎn)物(M)。
[0041]在一些方面，通過一個或更多個氫等離子體炬230提供的氫以或大約以與氣體供給225成比例的化學計量的數(shù)量被傳送。然而，在本文中包含的其他方面，氫以基本上大于與系統(tǒng)中的其他反應物成比例的化學計量的量被傳送。在一個具體的實施例中，氫H2以超過化學計量比的10%可使用。在另一個具體的實施例中，H2以超過化學計量比的50%以上被提供。在又另一個具體的實施例中，H2以超過化學計量比的兩倍以上被提供。在這些實施方案中，過量的H2通過出口 240被排出并且被收集和重復使用，被用于其他目的，或者簡單地歸作廢物。
[0042]作為一個實施例，與通過等離子體炬230的氫供給相結(jié)合，通過等離子體炬220被供給225的稀土金屬氧化物，在一些實施方案中，可以被提高到超過4000開氏度(K)的溫度，以引起還原反應。可替換地，為了這個目的，在一些實施方案中采用超過4500K的溫度，以及在其他實施方案中采用超過5000K的溫度。
[0043]通常地，對于大多數(shù)本應用，操作的系統(tǒng)和方法的設計在等離子體反應器系統(tǒng)的反應區(qū)中提供范圍在大約5000K到150001(之間的溫度，或大約0.4電子伏(eV)到13eV之間。所描述的等離子體炬和感應線圈的使用允許在這樣的高溫下操作，這是在現(xiàn)有技術(shù)中迄今為止達不到的。具體地，現(xiàn)有技術(shù)反應器不能夠達到(例如)氫的高能離子化狀態(tài)并且由于這樣無法產(chǎn)生本文描述的期望的反應。本系統(tǒng)和方法能實現(xiàn)這樣的溫度和能量水平來支持反應以產(chǎn)出各種有用材料，所述有用材料包括金屬和稀土物質(zhì)，所述金屬和稀土物質(zhì)包括:鉭(Ta)、釹(Nd)、鏑(Dy)、鑭(La)和釤(Sm)。其他金屬和稀土物質(zhì)也可以使用本方法和系統(tǒng)被提取，并且對于本領域技術(shù)人員，在閱讀本公開時那些實施例會是或會變成清晰的。在實施例中，產(chǎn)出鉭產(chǎn)物的直接氫還原反應式是:
[0044]Ta205+5H2 — 2Ta+5H20 (反應式 2)
[0045]在一方面，本等離子體反應器系統(tǒng)被設計并且被配置來利用流體動力特征，所述流體動力特征更優(yōu)化地促進來自所述反應器系統(tǒng)的有用產(chǎn)物的生產(chǎn)。一些實施方案被設計來最大化或增加在反應室的一個或多個反應區(qū)(可能有不只一個這樣的區(qū))中反應物之間的接觸。具體地，一些實施方案被設計來沿著反應室之內(nèi)的流體流動路徑提供反應物(例如，反應式I的離子化的金屬氧化物、氫)以致增加反應物之間的相互作用的時間和/或質(zhì)量。更具體地，所述流體流動路徑可以被布置為并流、交叉流或?qū)α鞣桨敢灾劣谥饕磻?金屬氧化物和氫)的大部分分別在相同的大體方向上，或穿過彼此的路徑，或通常地在相反的方向上運動。這些流動路徑可以被布置來有益于來自等離子體反應器系統(tǒng)的有用產(chǎn)物材料的生產(chǎn)。在一方面，反應物和/或產(chǎn)物的差別密度可以被利用，以至于在反應區(qū)中向下作用于小的微?；蛭⒌蔚闹亓Ρ粊碜韵蛏狭鲃恿黧w的向上的流體夾帶作用反作用。其結(jié)果是，所述微粒和微滴在反應區(qū)保持懸浮，很長一段時間延緩他們向反應室底部的下落。同樣地，在一些方面，反應物微?；蛭⒌伪辉试S經(jīng)過一段時間幾何重構(gòu)其形狀和尺寸以致有利地影響在室中的反應結(jié)果。例如較大的不規(guī)則反應物，在反應區(qū)中被保留較長的持續(xù)時間，將被允許在尺寸上縮小并且在離開反應室之前呈現(xiàn)更像球形的輪廓。
[0046]圖3圖示說明如前所描述的具有密閉容器(containment vessel)或反應室300的等離子體反應器系統(tǒng)30以及如前的感應線圈320和磁場線圈330。所示的實施方案是對流方案，在該方案中反應物(例如，金屬氧化物礦石產(chǎn)物)32通過等離子體炬310進入室300的頂部。反應物32以相對大的給定尺寸和不規(guī)則的(不光滑)形狀分布進入系統(tǒng)的反應區(qū)。接近反應器室300的底部是一個或更多個注射氫342 (可選地，屏蔽或輔助氣體344)的等離子體炬340。
[0047]可以看出，被注射的供給物質(zhì)32的大體經(jīng)過路徑是向下的并且氫流動的大體方向是從其源342向上的，進入室的較低部分370，向上通過室的中間部分372和反應區(qū)，并且上到室的上部的部分374，在所述部分374中任何過量的氫、反應氣體的或蒸氣的流體放出物(emission)從口 302排放。由于反應物在反應區(qū)相互作用，因為金屬氧化物到金屬材料通過所述室的下降的飛行的額外時間導致反應物之間的增加的反應，和產(chǎn)物34的更大的產(chǎn)量，所述產(chǎn)物34下落到收集口 350中用于被收集在收集容器360中。
[0048]包括對流作用(convection)、布朗運動、層流、瑞流、熱效應和化學效應的各種機制，和其他因素決定操作中系統(tǒng)30的反應物的量和產(chǎn)物產(chǎn)量以及反應物微?；蛭⒌伪３衷诜磻獏^(qū)中的時間量。在一些實施方案中，本系統(tǒng)和方法被設計來允許下降的材料，尤其是接近或在反應區(qū)中和在室300的中心區(qū)372周圍的下降的材料，基本上實現(xiàn)相對于來自等離子體炬340從室300中下方的區(qū)域370上來的上升氣體的“終端速度”。在這樣的情形下，取決于下降的產(chǎn)物材料的形狀和尺寸，并且取決于產(chǎn)物和其他反應物的差別密度，系統(tǒng)的操作可以被最優(yōu)化以用于室300反應區(qū)中和周圍的產(chǎn)物的最優(yōu)生產(chǎn)。
[0049]在一些方面，本系統(tǒng)被設計并且被配置來測量反應器系統(tǒng)30中流體的流動速率和速度，包括這些以至于在對流流體動力方案中，產(chǎn)物金屬在重力作用下的落下或下落的速率被氣體的向上氣流有所或全部抵銷。同樣地，并流和交叉流方案可以被設計來利用在反應器室之內(nèi)的流體的拉動(摩擦)，以致使產(chǎn)物和反應物材料浮起或懸浮，或保持產(chǎn)物和反應物材料在反應區(qū)停留有效的一段時間，增加產(chǎn)量。
[0050]圖4圖示說明簡化的等離子體反應器系統(tǒng)40，所述等離子體反應器系統(tǒng)40包括反應室400，其中多個反應物被引導并且在高熱條件下反應。在所述室的反應區(qū)410中或周圍，向下流動的供給反應物420的對流與向上流動的氣體反應物430(例如，氫)混合并且反應。所述反應物優(yōu)選從等離子體炬配件被提供，所述等離子體炬配件被耦合到系統(tǒng)40的各種輸入口。輸出或排出物排放口允許反應的廢物和過量的副產(chǎn)物450從室離開。在一些實施方案中，屏蔽氣體或輔助氣體440被提供到室400中，并且其也以設計好的速率向上流動出室。任何生產(chǎn)的產(chǎn)物材料，例如金屬，受到重力的作用將向下下落到反應器接近其底部的部分，所述產(chǎn)物材料最后通過排放口或收集配件被收集和排放。在一些實施方案中，多個過程被安排以至于高能的排出物流體的廢物熱在隨后的過程或步驟中被回收并且被使用，如下面將要描述的。
[0051]圖5圖示說明等離子體反應器系統(tǒng)50的另一個實施方案。所述系統(tǒng)包括如前的反應室500。同樣地，所述系統(tǒng)通過如ICP的等離子體炬將供給材料505供給到反應器室500的反應區(qū)510中。氫530被一個或更多個氫等離子體炬供給來與在反應區(qū)510中的供給材料505反應。在這里，供給材料505和氫氣530被引導到反應器500中，所述供給材料505和氫氣530具有大體相同的流動方向(例如，向上)。但是在反應器中反應產(chǎn)出比其他物質(zhì)更重的產(chǎn)物，所述產(chǎn)物受重力作用將朝反應器底部下落。盡管如此，在反應期間，停留時間被這樣設計以至于在產(chǎn)物的微滴、微?；蛐K下落出去并被收集之前，所述產(chǎn)物的微滴、微?；蛐K在室500中可以變得更好地被反應并且甚至被球化處理。此外，必要時或期望時，第二或屏蔽氣體540或進一步的反應流體(例如，氫)可以通過室500的壁中的口被引入。
[0052]總之，從之前的討論可以看出系統(tǒng)如何被設計來使等離子體反應器系統(tǒng)中的反應最大化。在一些方面，這是通過鑒于反應物和產(chǎn)物的差別密度精細設計流體動力途徑和流動速率，以有助于反應物和產(chǎn)物在反應器的一個或多個反應區(qū)中的良好的停留時間而達成的。操作中的平衡系統(tǒng)可以似乎使反應物(例如，金屬氧化物)在其反應時漂浮或浮起以致生產(chǎn)更重的(例如，金屬)產(chǎn)物，所述產(chǎn)物由于其更大的重量(作用于金屬產(chǎn)物質(zhì)量的重力)而落下。此外，由于反應物和產(chǎn)物材料在熱的反應器系統(tǒng)中經(jīng)歷變化，其微滴和微粒的形狀和尺寸可以被定制成期望的尺寸和形式。理想地，所述產(chǎn)物將正好在反應的適合的水平和微粒形狀和尺寸是有用的時向下下落到更低的收集槽(chute)和出口中。
[0053]圖6圖示說明用于在如前所示的那些等離子體反應器系統(tǒng)中從混合的供給材料(例如，稀土金屬氧化物)生產(chǎn)產(chǎn)物(例如，稀土金屬)的簡化的示例性過程或方法。
[0054]稀土礦石在步驟600被提供。將所述礦石處理，例如使用選礦步驟，壓碎并且可選地與其他物質(zhì)混合以去除脈石(污物)并且在步驟602收集固體形式的有用礦物(例如，稀土金屬氧化物)。金屬氧化物在步驟604被粉碎成足夠細的形式以在步驟606供給到ICP等離子體炬中。
[0055]如上討論的，細稀土金屬氧化物被供給到炬中并且在步驟608被蒸氣化以生產(chǎn)含有氧化物的離子化的流體。在步驟610，氫氣(可選地，氫等離子體)被引導來與反應器中的金屬氧化物反應。
[0056]在步驟612的反應(例如，直接氫還原)如較早所述進行以產(chǎn)出產(chǎn)物(例如，稀土金屬)，所述產(chǎn)物在步驟614被收集。同樣地，在步驟618廢物和其他過量的被排出的材料(例如，氫氣、水蒸氣)被噴射，或者可選地被引導用于在隨后的過程中其過量的熱能的循環(huán)或再利用。收集的產(chǎn)物在步驟616被后處理。該后處理步驟可以包括進一步加熱以驅(qū)除過量的氫和雜質(zhì)并且可以包括在真空中清潔、攪動，球化處理、惰性氣體儲存，或其他步驟。
[0057]圖7圖示說明從如上討論的那些的多個等離子體反應器系統(tǒng)中回收熱量的方式。在實施方案中，第一等離子體反應器系統(tǒng)700接收供給701到等離子體炬(例如，ICP炬)702中。如圖所示第二股(stream)流體720被投入并且與第一等離子體反應器系統(tǒng)700的熱排放物730交換熱能(被加熱)。在簡化的實施例中從流體730到720的熱交換在對流熱交換器中進行，但是其他方式是可能的(并流和交叉流、散熱器等)。
[0058]被加熱的流體720作為供給740在等離子體炬712中被引導到第二等離子體反應器系統(tǒng)710中，與氣體(例如，氫)714結(jié)合，并且在716排出。應該理解如描述的多個系統(tǒng)可以被布置成串聯(lián)的和/或并列的以形成具有更大容量的更大的系統(tǒng)。
[0059]同樣地，應該理解單獨的等離子體系統(tǒng)可以將其熱的廢物蒸氣、氣體和排出物再循環(huán)重新成流，所述流與投入的供給材料熱交換以致預熱供給材料并且回收其他方式廢棄的熱能。
[0060]本發(fā)明應該不被認為限制于上述特別的實施方案。在總結(jié)本公開的基礎上，本發(fā)明所針對的本發(fā)明可能可應用的各種改造、等同的過程，以及許多結(jié)構(gòu)，對于本領域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于從供給材料提取產(chǎn)物的等離子體反應器系統(tǒng)，所述等離子體反應器系統(tǒng)包括: 反應室，所述反應室具有壁，所述壁基本上限定包括至少一個反應區(qū)的所述室的封閉體積； 多個口，所述多個口用于進出所述室的材料的輸入和輸出； 一組感應線圈，所述一組感應線圈在所述反應區(qū)之內(nèi)產(chǎn)生溫度以引起產(chǎn)出所述產(chǎn)物的反應; 等離子體炬，所述等離子體炬通過所述室的輸入口被耦合到所述室，所述等離子體炬將所述供給材料注射到所述室中； 第一輸出口，所述第一輸出口包括接收所述產(chǎn)物的產(chǎn)物收集口 ；以及 第二輸出口，所述第二輸出口包括排出口，所述排出口排放廢物和所述反應的其他副產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括在空間上將帶電微粒約束到所述封閉體積的一個或更多個部分的一組磁場線圈。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述等離子體炬包括由含有所述供給材料的載氣供給的感應耦合等離子體(ICP)炬。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，所述等離子體炬還包括將輔助氣體注射到所述炬中的輔助氣體供給。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括設置于所述等離子體炬周圍的磁場線圈，所述磁場線圈在所述炬的本體之內(nèi)提供磁場。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括耦合到所述室的氫等離子體炬，所述氫等離子體炬將氫供應注射到所述室中，以致在所述反應區(qū)之內(nèi)引起還原反應。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述第二輸出口被設計并且被配置來從所述室向在所述室之外的地方噴射水蒸氣。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述產(chǎn)物收集口被設計并且被配置來從所述室收集并排放所述產(chǎn)物物質(zhì)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述第一輸出口在所述室中被設置為低于所述第二輸出口，以至于所述系統(tǒng)能夠使用重力將所述產(chǎn)物向下朝所述第一輸出口排放并且將所述廢物副產(chǎn)物向上朝所述第二輸出口排放。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述感應線圈被設計并且被配置來在所述反應區(qū)之內(nèi)引起超過大約4000開氏度(K)的溫度。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括將氫氣供應提供到所述室中的至少一個氫等離子體炬，其中所述載氣供給和所述氫氣供應在通常相反的方向，即以對流配置，被引導到所述室中。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體炬以第一設計流速在第一大體方向提供供給氣體材料，并且所述氫等離子體炬以第二設計流速在第二大體方向提供氫氣，所述第二設計流速被測量以通過所述對流的流體動力效應抵消所述產(chǎn)物通過所述室的所述封閉體積的下落速率。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，所述供給氣體材料的所述第一大體方向通常是向下的并且所述第二大體方向通常是向上的，以至于所述產(chǎn)物由重力導致的向下的下落速率被通過所述室向上移動的氫氣和其他流體的向上的氣流減慢。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)被配置并且被設計，以至于所述第一和第二方向以及流速基本上實現(xiàn)在所述室中在向上流動的流體之內(nèi)的所述產(chǎn)物的給定尺寸的落下微滴的終端速度，從而增加所述微滴在所述室之內(nèi)的停留時間。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)被配置并且被設計，以致允許所述產(chǎn)物朝所述收集口的下落，所述下落基于所述產(chǎn)物與所述供給材料的密度差，在這里所述產(chǎn)物具有比所述供給材料更大的密度。
16.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，所述第二設計流速提供超過用于與所述供給材料的反應的化學計量要求的氫。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括設置于所述等離子體炬和所述系統(tǒng)的其他組件之間的石英罩，以保護后者不受由所述炬引起的過高溫度的影響。
18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述輔助氣體包括覆蓋所述炬和室的表面的屏蔽氣體。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述供給材料包括金屬氧化物并且所述產(chǎn)物包括金屬。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，所述金屬氧化物包括稀土金屬氧化物并且所述產(chǎn)物包括稀土金屬。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，所述稀土金屬氧化物包括氧化鉭、氧化釹、氧化鑭和氧化衫的任何一個，并且 述產(chǎn)物包括鉭、釹、鑭和衫的任何一個。
22.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述室的至少一部分包括減小面積的截面輪廓，以致在所述室之內(nèi)創(chuàng)建相應地增加的流體流動速度。
23.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括接收來自所述第二輸出口的熱排放物的熱交換器，所述熱交換器被用于預熱進入第二過程的物質(zhì)，以至于來自所述第二輸出口的排放物的至少一些熱能在所述第二過程被回收。
24.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述供給氣體材料包括被注射到所述等離子體炬中的高度分散的金屬氧化物物質(zhì)。
25.一種用于從供給材料獲得如稀土的戰(zhàn)略材料的方法，所述方法包括: 處理稀土礦石，以從中獲得相應的戰(zhàn)略材料氧化物； 將所述戰(zhàn)略材料氧化物機械地粉碎成顆粒的形式； 將所述戰(zhàn)略材料氧化物的所述顆粒的形式引導到等離子體反應器系統(tǒng)中； 在所述等離子體反應器系統(tǒng)中蒸氣化所述戰(zhàn)略材料氧化物的所述顆粒的形式，以產(chǎn)出含有所述戰(zhàn)略材料氧化物的蒸氣； 將氫等離子體引導到所述等離子體反應器系統(tǒng)的反應區(qū)中，其中所述氫等離子體能夠與所述戰(zhàn)略材料氧化物的蒸氣反應，減少所述戰(zhàn)略材料氧化物，并產(chǎn)出產(chǎn)物和至少一種廢物副產(chǎn)物；以及 通過將所述產(chǎn)物從所述至少一種廢物副產(chǎn)物分離來收集所述產(chǎn)物。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，所述方法還包括使用一組感應線圈加熱所述反應區(qū)到至少4000開氏度(K)。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，所述方法還包括收集所述廢物副產(chǎn)物并且在另一過程的熱交換步驟中從所述廢物副產(chǎn)物提取熱能。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，所述方法還包括后處理所述收集的產(chǎn)物。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，所述方法還包括加熱所述收集的產(chǎn)物以驅(qū)除殘余的氫或其他雜質(zhì)。
30.如權(quán)利要求25所述的方法，所述方法還包括在所述室中將所述產(chǎn)物流體化。
31.如權(quán)利要求25所述的方法，將所述氫等離子體引入所述反應區(qū)的步驟包括以一流速并且在通常與所述氧化物的移動方向相反的方向提供氫的氣態(tài)形式。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，所述氫的所述流速和方向被這樣提供，以致在所述反應區(qū)中作用于所述氧化物的向下的重力基本上被由氫的向上流動導致的向上力克服，并且以致作用于所述產(chǎn)物的向下的重力不被克服，所述產(chǎn)物被允許下降到指定的收集點。
33.如權(quán)利要求25所述的方法，所述方法還包括用感應線圈的方式加熱所述反應區(qū)。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，所述加熱步驟將在所述反應區(qū)之內(nèi)的溫度提高至4000開氏度⑷與15000開氏度⑷之間的范圍。
35.如權(quán)利要求25所述的方法，所述方法還包括微粒尺寸分類的步驟，以將所述系統(tǒng)的各種內(nèi)容物根據(jù)他們的尺寸來分類，并且所述方法還包括基于所述尺寸來作用于所述微粒。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，所述方法還包括以可變的流動速度提供所述氫，以反作用于給定尺寸的所述微粒的運動。
37.一種用于從戰(zhàn)略材料的氧化物處理戰(zhàn)略材料的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 反應室，所述反應室能夠維持反應室內(nèi)的溫度超過大約5000開氏度(K)； 供給材料供應裝置，所述供給材料供應裝置接收包括戰(zhàn)略材料氧化物的顆粒的供給材料并且將所述供給材料注射到所述反應室中； 氫供應裝置，所述氫供應裝置在與所述供給材料的大體方向相反的大體方向上將氫氣注射到所述反應室中； 感應加熱器，所述感應加熱器將所述反應室之內(nèi)的反應區(qū)加熱到至少大約4000開氏度(K)的溫度并且導致在所述反應區(qū)之內(nèi)所述氫氣和所述被注射的戰(zhàn)略材料氧化物之間的氫還原反應，以產(chǎn)出至少戰(zhàn)略材料產(chǎn)物和廢物產(chǎn)物；以及 收集裝置，所述收集裝置接收所述戰(zhàn)略材料產(chǎn)物。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括用于接收液體形式的所述戰(zhàn)略材料產(chǎn)物的液體產(chǎn)物接收器。
39.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括用于接收固體形式的所述戰(zhàn)略材料產(chǎn)物的固體產(chǎn)物接收器。
40.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括用于將所述戰(zhàn)略材料氧化物離子化的等離子體炬。
41.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括用于將所述氫離子化的等離子體炬。
【文檔編號】B01J10/00GK104039437SQ201280066599
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月10日
【發(fā)明者】W·D·里, P·G·馬斯頓 申請人:先進磁工藝股份有限公司