用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備和方法
【專利摘要】一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備具有至少一個入口導(dǎo)管，使所述至少一個入口導(dǎo)管冷卻以使得所述金屬蒸氣的一部分冷凝為液體。所述設(shè)備還具有連接到所述入口導(dǎo)管的容納槽，其收集經(jīng)冷凝的液體金屬。所述設(shè)備還具有連接到所述容納槽的至少一個出口導(dǎo)管，使所述至少一個出口導(dǎo)管冷卻以使得剩余金屬蒸氣的一部分冷凝為固體金屬。所述設(shè)備還具有至少一個加熱器，其加熱所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得所述固體金屬熔化為液體金屬，且隨后流入所述容納槽中。所述設(shè)備還具有至少一個密封機(jī)構(gòu)，其位于所述至少一個出口導(dǎo)管的遠(yuǎn)端，用于阻止金屬蒸氣與載氣在所述出口導(dǎo)管的加熱期間離開所述出口導(dǎo)管。
【專利說明】用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請依據(jù)35U.S.C.§ 119(e)要求2011年7月8日提交的標(biāo)題為“Methodand Apparatus for Condensing Liquid Magnesium and Other Volatile Metals fromLow-Pressure Metal Vapor”的美國臨時專利申請N0.61/505，958的權(quán)益，所述臨時專利申請的內(nèi)容以全文引用的方式并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體上涉及回收呈蒸氣狀態(tài)的金屬物質(zhì)，且更具體地說，涉及使金屬蒸氣冷凝，以實(shí)現(xiàn)其相對較高的回收率。
【背景技術(shù)】
[0004]鎂是密度最低的工程金屬，其合金展現(xiàn)出眾的比剛度和強(qiáng)度。鎂在金屬中展現(xiàn)相對較低的沸點(diǎn)，使得若干工藝產(chǎn)生呈蒸氣的鎂，這可實(shí)現(xiàn)在線蒸餾。然而，鎂在所有金屬中在其熔點(diǎn)下展現(xiàn)最高蒸氣壓力:接近2托。這使得難以使鎂蒸氣冷凝為液體，因?yàn)榧词乖谕昝赖馁|(zhì)量傳遞下，大量的鎂在其熔點(diǎn)下仍處于蒸氣相，因此必須非常小心地控制溫度，以避免使大量鎂保持在蒸氣相中或產(chǎn)生固體金屬顆粒。液體金屬產(chǎn)物比固體產(chǎn)物有利，因?yàn)榕c固體的情況相比將液體從工藝中移除并將其鑄成鑄塊或零件、使其與其它金屬成合金、或形成其它有用產(chǎn)物要容易得多。
[0005]數(shù)十年來已經(jīng)成為鎂行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)的例如Alien (美國專利N0.2，514，275)和Pidgeon (美國專利N0.2，837，328)的設(shè)備等冷凝器設(shè)備僅生產(chǎn)固體鎂。Schmidt (美國專利N0.3，505，063)的液體鎂冷凝器生產(chǎn)鎂鋁合金，其適合鋁合金生產(chǎn)，但不含有足以用于基于鎂的合金的鎂。
[0006]Schoukens等人(美國專利N0.7，641，711)的裝置在0.7-1.2個大氣壓(70-120kPa)的鎂分壓下使來自蒸氣的液體鎂冷凝。對于例如鎂的瑪格尼特法(Magnatherm)金屬熱還原技術(shù)(參見美國專利N0.2，971，833和N0.4，190,434)等工藝(其可在所述壓力下產(chǎn)生鎂)，此裝置將鎂以液體形式來回收。然而，在接近大氣壓的金屬熱制造(參見美國專利N0.5，090，996和N0.5，383，953)所需的1800°C以上的高溫下，例如錳、鐵、鎳和銅等其它元素是揮發(fā)性的，且可作為雜質(zhì)摻入鎂產(chǎn)物中。并且，Schoukens的冷凝器在輸入鎂分壓低于0.7個大氣壓(70kPa)(例如Pidgeon工藝(參見美國專利N0.2，387，677)以及類似的低壓金屬熱還原工藝)時不是那么有效。Schmidt的專利(美國專利N0.3，505，063)給出難以從金屬熱還原蒸氣流產(chǎn)生液體鎂的另一原因，即鎂進(jìn)入冷凝器的可變或“脈沖”速率以及其蒸氣壓力，使得非常難以足夠嚴(yán)密地控制冷凝器溫度，以可靠地產(chǎn)生液體鎂。
[0007]圖1中展示的固體氧化物 膜(“S0M”)電解法(參見美國專利N0.5，976，354和N0.6，299，742)有效地從金屬氧化物產(chǎn)生純氧氣體和金屬。當(dāng)通過SOM電解產(chǎn)生鎂(例如參見 A.Krishnan、X.G.Lu 和 U.B.Pal, “Solid Oxide Membrane Process for MagnesiumProduction directly from Magnesium Oxide,，，Metall.Mater.Trans.36B:463, 2005)時，在鎂的1090°C沸點(diǎn)以上操作電解槽是方便的，因?yàn)樵诖藴囟认虏僮骺纱俪裳趸哠OM的高離子導(dǎo)電性，并通過蒸餾來純化鎂產(chǎn)物(如圖1中所示)。遺憾的是，當(dāng)鎂產(chǎn)物分壓高于閾值時，其與氧化鋯SOM反應(yīng)并破壞氧化鋯SOM ;所述閾值平衡鎂分壓在1150°C下大約為0.15個大氣壓，且在1300 V下大約為0.33個大氣壓(分別為15和33kPa)。不同于金屬熱還原，在SOM電解中，電流決定鎂產(chǎn)生的速率。并且，因?yàn)榕c金屬熱工藝中的反應(yīng)速率相比，控制SOM電解中的電流較容易，因此冷凝器處的鎂分壓和溫度的波動要小得多。這有助于(但不是必要的)操作用于此工藝的液體冷凝器，在其鎂分壓下，Schoukens等人的冷凝器不如上文所提到般有效。另一方面，歸因于鹽凍和其它現(xiàn)象，難以關(guān)閉和重新啟動自加熱電解槽，例如鎂的SOM電解。因此，重要的是，用于此工藝的鎂冷凝器能夠連續(xù)地操作，而不周期性地關(guān)斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在本發(fā)明的一個方面中，公開了一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備和方法。
[0009]在本發(fā)明的另一方面中，一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備包括:至少一個入口導(dǎo)管，其用于接收金屬蒸氣與載氣的混合物；容納槽，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，用于接收來自所述至少一個入口導(dǎo)管的金屬蒸氣與載氣的所述混合物。所述設(shè)備還包括:至少一個出口導(dǎo)管，其可操作地連接到所述容納槽，用于接收來自所述容納槽的金屬蒸氣與載氣的所述混合物；至少一第一冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣的至少一部分冷凝為固體金屬。所述設(shè)備進(jìn)一步包括:至少一個加熱器，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管，用于使得所述固體金屬的至少一部分熔化，且隨后流入到所述容納槽中；以及至少一個密封機(jī)構(gòu)，其位于所述至少一個出口導(dǎo)管的遠(yuǎn)端，用于密封所述至少一個出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端，且在所述出口導(dǎo)管正被加熱時，防止剩余金屬蒸氣和載氣離開所述出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端。
[0010]在本發(fā)明的另一方面中，一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備包括:至少一個入口導(dǎo)管，其用于接收金屬蒸氣與載氣的混合物；容納槽，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，用于接收來自所述至少一個入口導(dǎo)管的金屬蒸氣與載氣的所述混合物。所述設(shè)備還包括:至少一個出口導(dǎo)管，其可操作地連接到所述容納槽，用于接收來自所述容納槽的金屬蒸氣與氣體的所述混合物。所述至少一個出口導(dǎo)管具有位于接近所述容納槽處的近端，以及位于遠(yuǎn)離所述容納槽處的遠(yuǎn)端。所述至少一個出口導(dǎo)管具有多個區(qū)段。所述設(shè)備進(jìn)一步包括:多個冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述對應(yīng)多個區(qū)段，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管的所述對應(yīng)區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬；以及多個加熱器，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述對應(yīng)多個區(qū)段，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管的所述對應(yīng)區(qū)段內(nèi)的所述固體金屬熔化。所述設(shè)備還包括控制器，其用于控制所述多個冷卻裝置和所述多個加熱器。所述控制器使得:(I)所述多個冷卻裝置中的第一冷卻裝置可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的第一區(qū)段，以將所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣冷卻且冷凝為固體金屬；(2)在所述第一冷卻裝置的所述操作之后，所述多個加熱器中的第一加熱器可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段，以加熱并熔化所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段內(nèi)部的所述固體金屬；(3)所述多個冷卻裝置中的第二冷卻裝置可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的第二區(qū)段，以將所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣冷卻且冷凝為固體金屬；且(4)在所述第二冷卻裝置的所述操作之后，所述多個加熱器中的第二加熱器可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段，以加熱并熔化所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段內(nèi)部的所述固體金屬。
[0011]在本發(fā)明的又一方面中，一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備包括至少一個入口導(dǎo)管，其用于接收金屬蒸氣與載氣的混合物；容納槽，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，用于接收來自所述至少一個入口導(dǎo)管的金屬蒸氣與載氣的所述混合物。所述設(shè)備還包括:至少一個出口導(dǎo)管，其可操作地連接到所述容納槽，用于接收來自所述容納槽的金屬蒸氣與載氣的所述混合物；至少一第一冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣的至少一部分冷凝為固體金屬；以及至少一個機(jī)械裝置，其位于所述至少一個出口導(dǎo)管內(nèi)部，所述至少一個機(jī)械裝置的操作用以將所述固體金屬從所述至少一個出口導(dǎo)管推到所述容納槽。
[0012]在本發(fā)明的再一方面中，一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備包括:至少一個入口導(dǎo)管，其用于接收金屬蒸氣與載氣的混合物；容納槽，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，用于接收來自所述至少一個入口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣和載氣；以及至少一組出口導(dǎo)管，其可操作地連接到所述容納槽，用于接收來自所述容納槽的所述金屬蒸氣和氣體混合物。所述組的出口導(dǎo)管中的每一出口導(dǎo)管具有共用輸入?yún)^(qū)段和共用輸出區(qū)段，且所述組的出口導(dǎo)管中的每一出口導(dǎo)管具有個別輸出區(qū)段。所述設(shè)備還包括一組冷卻裝置。每一冷卻裝置可操作地連接到對應(yīng)的出口導(dǎo)管以使得所述出口導(dǎo)管內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬。所述設(shè)備進(jìn)一步包括一組加熱器。每一加熱器可操作地連接到對應(yīng)出口導(dǎo)管，以使得所述出口導(dǎo)管內(nèi)部的所述固體金屬熔化。所述設(shè)備還包括:多個閥，其可操作地連接到所述組的出口導(dǎo)管；以及控制器，用于控制所述冷卻裝置組、所述加熱器組以及所述多個閥，以在所述冷卻裝置組中的每一者正冷凝所述對應(yīng)出口導(dǎo)管中的每一者中的固體金屬時，使得所述金屬蒸氣與氣體混合物從所述共用輸入?yún)^(qū)段起并行地穿過所述組的出口導(dǎo)管到達(dá)所述共用輸出區(qū)段，且在所述組的加熱裝置中的一加熱裝置正熔化所述組的出口導(dǎo)管中的另一出口導(dǎo)管中的固體金屬時，使得所述金屬蒸氣與氣體混合物從所述共用輸入?yún)^(qū)段起串行地穿過所述組的出口導(dǎo)管到達(dá)所述組的出口導(dǎo)管中的一出口導(dǎo)管的個別輸出區(qū)段，其中對應(yīng)冷卻裝置正冷凝固體金屬。
[0013]在本發(fā)明的另一方面中，一種用于冷凝金屬蒸氣的方法包括:將金屬蒸氣與載氣的混合物引導(dǎo)到至少一個入口導(dǎo)管中；將金屬蒸氣與載氣的所述混合物引導(dǎo)到容納槽中，且隨后引導(dǎo)到可操作地連接到所述容納槽的至少一個出口導(dǎo)管中；以及冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬。所述方法進(jìn)一步包括:在冷凝固體金屬之后，停止所述出口導(dǎo)管中的至少一者的所述冷卻，并開始加熱所述相同出口導(dǎo)管，以使得所述固體金屬熔化而形成液體金屬；將所述液體金屬收集在所述容納槽中；以及阻止剩余金屬蒸氣和載氣在所述相同出口導(dǎo)管的所述加熱的至少一部分期間離開所述相同出口導(dǎo)管。
[0014]在本發(fā)明的又一方面中，一種用于冷凝金屬蒸氣的方法包括:將金屬蒸氣與載氣的混合物引導(dǎo)到至少一個入口導(dǎo)管中；以及將所述金屬蒸氣與載氣的混合物引導(dǎo)到容納槽中，且隨后引導(dǎo)到可操作地連接到所述容納槽的至少一個出口導(dǎo)管中。所述至少一個出口導(dǎo)管具有多個區(qū)段，且第一區(qū)段接近所述容納槽。所述方法進(jìn)一步包括:冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬；以及在冷凝所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段中的固體金屬之后，停止所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段的所述冷卻，且開始加熱所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段以使得所述固體金屬熔化而形成液體金屬。所述方法還包括冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管的第二區(qū)段。所述第二區(qū)段遠(yuǎn)離所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬。所述方法還包括:在冷凝所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段中的固體金屬之后，停止所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段的所述冷卻，且開始加熱所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段以使得所述固體金屬熔化而形成液體金屬；將所述液體金屬收集在所述容納槽中；以及阻止所述金屬蒸氣與載氣在所述至少一個出口導(dǎo)管的最遠(yuǎn)區(qū)段的所述加熱的至少一部分期間離開所述至少一個出口導(dǎo)管。
[0015]在本發(fā)明的又一方面中，一種用于冷凝金屬蒸氣的方法包括:將金屬蒸氣與載氣的混合物引導(dǎo)到至少一個入口導(dǎo)管中；將金屬蒸氣與載氣的所述混合物引導(dǎo)到容納槽中，且隨后引導(dǎo)到可操作地連接到所述容納槽的至少一個出口導(dǎo)管中。所述方法還包括:冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管內(nèi)部的剩余金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬；以及將所述固體金屬從所述至少一個出口導(dǎo)管推出到所述容納槽中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是用于產(chǎn)生鎂蒸氣的SOM電解法的示意圖。
[0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案的冷凝器的示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明的第二冷凝器實(shí)施方案的示意圖。
[0019]圖4是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方案的金屬蒸氣源冷凝器和容納槽的框圖。
[0020]圖5是本發(fā)明的第五冷凝器實(shí)施方案的示意圖。
[0021]圖6是本發(fā)明的第五冷凝器實(shí)施方案在冷凝器的正常操作期間的示意圖。
[0022]圖7是本發(fā)明的第五冷凝器實(shí)施方案在冷凝器熔化冷凝器中的固體金屬沉積物的操作期間的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本公開描述了用于使液體鎂或其它液體金屬或其它物質(zhì)從蒸氣狀態(tài)冷凝的方法和設(shè)備。某些實(shí)施方案以介于IOOPa與70kPa之間的分壓使蒸氣冷凝，且回收液體產(chǎn)物中的輸入金屬蒸氣的95%以上。所述實(shí)施方案對于結(jié)合SOM電解、金屬熱還原、蒸餾以及有必要或便于在低蒸氣壓力下形成金屬的類似工藝產(chǎn)生液體鎂來說是有用的。
[0024]圖1展示用于從氧化鎂(MgO)獲得純鎂金屬的示范性SOM電解法和設(shè)備的示意圖。在熔鹽浴中加熱氧化鎂，并使其電解以形成純鎂氣體和純氧氣。在示范性設(shè)備的陰極處，還原鎂離子以形成純氣態(tài)鎂，其從熔鹽浴中冒出。在示范性設(shè)備的陽極處，氧陰離子被準(zhǔn)許透過SOM膜進(jìn)入液體銀中，在液體銀中，氧陰離子氧化成純氧氣，純氧氣從設(shè)備中冒出。因此，圖1中所示的SOM設(shè)備可為金屬蒸氣(例如，鎂蒸氣)源。其它金屬蒸氣源也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0025]圖2說明冷凝器系統(tǒng)100，其包括兩個冷凝級。冷凝器系統(tǒng)100包括第一冷凝器管、導(dǎo)管，或一組管或?qū)Ч?下文稱為“入口管”)101，其用載氣(說明性地，氬)將金屬蒸氣從例如SOM電解槽運(yùn)載到罐102。所述管/導(dǎo)管壁由流體夾套103 (說明性地，使用空氣或水作為冷卻流體)冷卻，從而使氣體溫度從進(jìn)口溫度降低到接近但不低于金屬的熔點(diǎn)(m.p.)的溫度，例如m.p.^ T p.+100°C。此范圍是說明性的；此范圍之外的其它值也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，使用流體夾套來冷卻僅為可如何冷卻導(dǎo)管的一個說明性實(shí)例。可使用其它已知冷卻器，且其它已知冷卻器仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。隨著氣體溫度降低到金屬露點(diǎn)(即，金屬平衡蒸氣壓力等于其在氣體中的分壓時的溫度)以下，這使蒸氣中的一些金屬冷凝為管101中的液體104。管101向下傾斜或垂直下延到液體金屬罐102中，使得管101中的經(jīng)冷凝液體金屬104流入罐102中。
[0026]容納槽102含有經(jīng)冷凝的液體金屬104，且含金屬的氣體流經(jīng)此容納槽102，經(jīng)過經(jīng)冷凝的液體金屬104。罐102由電或氣體加熱器或者一個或多個流體夾套105加熱或冷卻，以使其溫度保持均勻并高于但接近金屬的熔點(diǎn)，例如m.p.≤T≤m.p.+50°C。此范圍是說明性的，此范圍之外的其它值也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0027]第二冷凝器管、導(dǎo)管或一組管或?qū)Ч?下文稱為“出口管”)106將載氣-金屬蒸氣混合物帶離罐102。管壁由流體夾套107冷卻，且將氣體冷卻到遠(yuǎn)低于金屬的熔點(diǎn)，從而使幾乎所有的剩余金屬冷凝為固體108。機(jī)械動作(物理上將固體金屬沉積物推出出口管，例如，推入液體罐中)和/或周期性重熔(周期性地關(guān)斷穿過所述管中的一者或多者的流動，并將其加熱到高于經(jīng)冷凝金屬的熔點(diǎn)以熔化固體金屬沉積物)將此金屬趕入容納槽102中。當(dāng)重新加熱出口管106時，可關(guān)閉位于出口管106的遠(yuǎn)端處的氣流切斷閥109，以防止因加熱過程而產(chǎn)生的金屬蒸氣逃出出口管106。
[0028]可通過電阻加熱元件110，通過電磁感應(yīng)加熱，通過燃燒火焰或通過使熱流體流經(jīng)其周圍的流體夾套來加熱出口管106，以重熔固體冷凝物108。此熱流體可為離開隨后轉(zhuǎn)向到出口管106的入口管101周圍的流體夾套103以加熱出口管106的熱流體。對于鎂冷凝器，入口管101、容納槽102和出口管106可說明性地由碳鋼、無鎳不銹鋼合金、外側(cè)具有不銹鋼覆層的碳鋼、鈦或鈦合金制成；其它制造材料也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0029]可使用具有比出口管的內(nèi)徑稍小的外徑的桿或圓柱體來實(shí)現(xiàn)物理上將固體金屬沉積物推出出口管的機(jī)械動作。舉例來說，所述桿或圓柱體的外徑可為比出口管的內(nèi)徑小
0.25英寸到一英寸。此范圍是說明性的；此范圍外的其它值也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。對于圓形出口管來說，此桿可呈圓柱形，或者對于形狀為正方形或矩形的出口管，此桿可呈正方形或矩形的形狀。所述桿可以任何方式定形以與出口管的形狀匹配。或者，可使用柱塞裝置，其具有端部附接有圓盤的桿，所述圓盤的形狀與出口管的形狀相同，且具有比出口管的內(nèi)徑稍小的外徑。
[0030]將固體金屬從出口管移除的額外方法是用液體金屬沖洗出口管，這將導(dǎo)致固體金屬熔化并移除到容納槽。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，用以沖洗出口管的任何液體金屬必須足夠熱以熔化固體金屬，并避免在其經(jīng)過出口管時凝固。
[0031]將固體金屬從出口管移除的額外方法是通過進(jìn)一步冷卻出口管，以實(shí)現(xiàn)出口管內(nèi)的固體金屬與出口管本身的金屬之間的足夠大的熱膨脹系數(shù)差。較大的熱膨脹系數(shù)差導(dǎo)致出口管內(nèi)的固體金屬從出口管剝離。舉例來說，因?yàn)殒V與鋼之間的熱膨脹系數(shù)差較大，對于鎂來說，每攝氏度25ppm,且對于鋼，每攝氏度12ppm,因此如果出口管由鋼制成且含有固體鎂，那么出口管的進(jìn)一步冷卻將導(dǎo)致鎂從出口管的內(nèi)壁剝離。剝離的鎂將接著較容易使用機(jī)械動作或通過用液體金屬沖洗出口管來移除，如上文所述。
[0032]容納槽102任選地具有蓋子、蓋或其它可移動屏障111，其位于液體金屬104的表面上方且位于入口管101和出口管106下方，以防止容納槽102中所含有的液體金屬104的蒸發(fā)。當(dāng)入口管101中不發(fā)生液體金屬的冷凝且出口管106中僅發(fā)生固體金屬冷凝(其將在載氣中的金屬蒸氣的分壓低于其熔點(diǎn)下的其平衡蒸氣壓力時發(fā)生)時，可使用此任選的蓋子或蓋111來覆蓋容納槽102中的液體金屬104。當(dāng)出口管106正將固體金屬熔化為液體金屬或以機(jī)械方式將固體金屬推回到容納槽102時，移除此蓋子或蓋111。
[0033]本文所述的實(shí)施方案的特征的一個優(yōu)點(diǎn)是出口管106的出口處的金屬的平衡蒸氣壓力可比所述金屬的熔點(diǎn)下的平衡蒸氣壓力(例如對于鎂來說，350°C下的10-6個大氣壓)低得多，使得此設(shè)備可回收比在無這些特征的情況下將可能的部分大的進(jìn)入金屬的部分。此設(shè)備因此在金屬的蒸氣壓力遠(yuǎn)低于0.7-1.2個大氣壓范圍時，且甚至在進(jìn)入金屬蒸氣的露點(diǎn)低于其熔點(diǎn)時，對使金屬冷凝有用。此也對輸入氣流溫度和金屬蒸氣壓力中的波動(例如在鎂的金屬熱生產(chǎn)中所發(fā)現(xiàn)的那些波動)是穩(wěn)健的。另一優(yōu)點(diǎn)是在不完全關(guān)斷的情況下連續(xù)地操作以將經(jīng)冷凝的固體金屬從出口管移除的能力，因?yàn)槟切┕苤械囊恍┛蛇x擇性地在熔化、機(jī)械推動或金屬的沖洗期間密封，而其它管保持打開并冷凝較多固體金屬。
[0034]冷凝器設(shè)備的實(shí)施方案不僅結(jié)合用于例如鎂等金屬的初級生產(chǎn)的工藝(例如金屬熱和電解工藝)有用，而且對通過蒸餾和電精煉來精煉鎂和其它金屬的工藝有用，且對其它金屬蒸氣源有用。
[0035]圖3說明共用上文所述的冷凝器系統(tǒng)100的特征中的若干特征的冷凝器系統(tǒng)200的第二實(shí)施方案。在此第二實(shí)施方案中，將入口管101的出口 201浸入容納槽102中的液體金屬104中，使得其產(chǎn)生金屬蒸氣的小泡202，以及小于例如5cm直徑的載氣，其浮動到液體金屬表面。此范圍是說明性的；此范圍外的其它值也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此些小泡202展現(xiàn)較大的表面積，其促進(jìn)快速氣體-液體傳熱和傳質(zhì)動力學(xué)，以便冷卻氣體，并將其剩余金屬中的一些冷凝為液體。氣泡也攪動液體金屬104，且在此情況下，攪動容納槽102中的液體金屬104的載氣可增強(qiáng)傳熱，以便使液體金屬溫度保持粗略均勻。液體金屬溫度依舊應(yīng)高于金屬的熔點(diǎn)。此攪動還可執(zhí)行合金元素(例如鋁、錳、稀土金屬和鋅)到液體鎂中的混合，從而形成均質(zhì)合金。當(dāng)合金中存在鋅或其它高度揮發(fā)性金屬時，出口管106可用以冷凝和返回蒸發(fā)回到容納槽102中的任何金屬。在此實(shí)施方案中，經(jīng)冷凝的液體金屬104因此充當(dāng)管101的浸入部分以及其內(nèi)所含有的氣體混合物的冷卻劑。
[0036]圖4說明冷凝器系統(tǒng)300的第三實(shí)施方案。在此第三實(shí)施方案中，氣體泵送裝置或再循環(huán)泵301將剩余載氣302 (說明性地，氬)從出口管出口再循環(huán)回到金屬蒸氣源303的處理腔，其產(chǎn)生鎂蒸氣，所述處理腔說明性地為SOM電解坩堝。任選地，所述設(shè)備可連續(xù)地或周期性地重新引導(dǎo)此氬通過冷捕集器，以便通過冷凝來移除揮發(fā)性元素或化合物，此冷捕集器是冷卻氬或其它載氣的冷凝器，其使得留在氣體中的揮發(fā)性元素或其它組份中的一些從氣體中冷凝出來。盡管圖中未展示，但所述冷捕集器可位于冷凝器與載氣添加物之間。此冷捕集器可說明性地由水、液態(tài)氮或氬、其它制冷劑或冷其它冷卻；其它冷卻流體或裝置也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。所述冷捕集器還可具有熱交換器，使得從冷凝器出口管行進(jìn)到冷捕集器的氬或其它載氣加熱，且部分地由從冷捕集器返回的氬或其它載氣冷卻，以便減少維持冷捕集器溫度所需的能量或冷卻流體。所述冷捕集器還可包括用以在再循環(huán)泵301之前添加載氣的裝置，其為電路的最低壓力部分，以便維持壓力且償還因泄露而導(dǎo)致的損失。對于此實(shí)施方案，在出口管中的固體金屬冷凝之后留在載氣302中的金屬的非常低的蒸氣壓力有助于防止冷捕集器和/或再循環(huán)泵中的金屬冷凝，冷捕集器和/或再循環(huán)泵中的金屬冷凝可導(dǎo)致捕集器和/或泵的堵塞以及泵的失效，且因此可有益于再循環(huán)泵301的操作。
[0037]在本發(fā)明的第四實(shí)施方案(其共用本發(fā)明的先前實(shí)施方案的特征中的許多特征)中，出口管沿其長度具有多個熔化區(qū)，且以以下序列操作。首先，金屬蒸氣從容納槽進(jìn)入出口管的第一區(qū)。此第一區(qū)是出口管的最靠近容納槽的部分。最初，如上文所述冷卻此第一區(qū)，使得金屬蒸氣冷凝為固體金屬。接著，如上文所述加熱此第一區(qū)，使得固體金屬熔化為液體金屬，其流回到容納槽中。此加熱過程產(chǎn)生一些金屬蒸氣，其進(jìn)一步沿出口管向上移動到出口管的第二區(qū)。
[0038]最初冷卻出口管的此第二區(qū)，使得從第一區(qū)接收到的金屬蒸氣冷凝為固體金屬。接著加熱此第二區(qū)，使得固體金屬熔化為液體金屬，其流回到出口管的第一區(qū)，且最終流回到容納槽。此加熱過程產(chǎn)生一些金屬蒸氣，其進(jìn)一步沿出口管向上移動到出口管的第三區(qū)。
[0039]最初冷卻出口管的此第三區(qū)，使得從第二區(qū)接收到的金屬蒸氣冷凝為固體金屬。接著加熱此第三區(qū)，使得固體金屬熔化為液體金屬，其流回到出口管的第二區(qū)，且最終流回到出口管的第一區(qū)且流回到容納槽。此加熱過程產(chǎn)生一些金屬蒸氣，其進(jìn)一步沿出口管向上移動到額外區(qū)。
[0040]如上文所述，任選的氣流切斷閥位于出口管的遠(yuǎn)端。此氣流切斷閥在此過程期間是打開的，允許載氣離開出口管。為了將固體金屬從出口管的最后區(qū)清除，而不允許金屬蒸氣從出口管逸出，關(guān)閉氣流切斷閥，且隨后加熱所述最后區(qū)，使得最后區(qū)中的固體金屬熔化為液體金屬，其流回到前一區(qū)。因?yàn)闅饬髑袛嚅y是關(guān)閉的，所以由加熱過程產(chǎn)生的任何金屬蒸氣留在出口管中。接著再冷卻出口管的最后區(qū)，且打開氣流切斷閥?；蛘撸稍诖诉^程期間同時加熱多個區(qū)。
[0041]在此第四實(shí)施方案中，每一額外區(qū)減少離開冷凝器的金屬蒸氣的量，且/或減少對離開冷凝器的金屬蒸氣的量的給定限制所需的停工時間。就是說，如果以一個區(qū)周期性地熔化的方式連續(xù)地操作會導(dǎo)致金屬的經(jīng)時間平均的部分a在其加熱時間期間離開冷凝器(例如，其在所述時間的十分之一加熱并熔化金屬，導(dǎo)致金屬的十分之一進(jìn)入第二冷凝器管，因此a=0.1)，那么兩個區(qū)可理論上將金屬離開損失降低到a2 (在此實(shí)例中，a2=0.01，因此金屬的99%得以保留)，且三個區(qū)將所述損失降低到a3，依此類推。或者，如果以一個區(qū)周期性地熔化進(jìn)行操作導(dǎo)致時間b的一分?jǐn)?shù)，其中關(guān)斷載氣流(例如，在所述時間的十分之一，其加熱并熔化金屬，而無載氣流，從而得出十分之一停工時間，因此b=0.1)，那么以兩個區(qū)進(jìn)行操作可理論上將停工時間減少到b2(在此實(shí)例中，b2=0.01，因此所述過程實(shí)現(xiàn)99%的正常運(yùn)行時間)，三個區(qū)將使其進(jìn)一步減少到b3，依此類推。
[0042]在圖5-7中所示的本 發(fā)明的第五實(shí)施方案中，出口管并行系統(tǒng)允許連續(xù)的金屬蒸氣和載氣流經(jīng)冷凝器，而不必在任一時間周期內(nèi)封鎖所述流。圖5展示所述出口管并行系統(tǒng)，其具有:入口 401，其用于接收來自容納槽的金屬蒸氣和載氣；左冷凝器管402和右冷凝器管403，其用于使金屬蒸氣冷凝為固體金屬；主排氣管404，其用于排出載氣；主排氣管出口閥412、右出口排氣管405以及左出口排氣管407，其用于排出載氣；以及右出口閥406和左出口閥408。左冷凝器管402還具有左冷凝器管入口閥410和右冷凝器管入口閥411，其位于接近入口 401處。
[0043]圖6展示并行操作中的并行出口管系統(tǒng)。剩余金屬蒸氣和載氣從容納槽流入到入口 401中，且隨后流入到左冷凝器管402和右冷凝器管403中，左冷凝器管402和右冷凝器管403兩者均連接到入口 401。左冷凝器管402和右冷凝器管403由流體夾套或其它冷卻裝置冷卻，其將蒸氣和氣體冷卻到遠(yuǎn)低于金屬的熔點(diǎn)，從而幾乎使所有的剩余金屬冷凝為固體。載氣隨后經(jīng)由主出口 404從冷凝器流出。
[0044]圖7展示熔化固體金屬并將其收集在容納槽中的機(jī)制。關(guān)閉主出口閥412，打開右冷凝器管出口閥406，且關(guān)閉右冷凝器管入口閥411。這使得剩余金屬蒸氣和載氣413從容納槽流經(jīng)入口 401、經(jīng)由左冷凝器管402、經(jīng)由右冷凝器管403，并從右冷凝器管出口 405流出。接著將左冷凝器管402加熱到所述金屬的熔點(diǎn)以上，使得左冷凝器管402中的固體金屬熔化，且所得液體金屬409經(jīng)由入口 401流回到容納槽中。將因此加熱過程而產(chǎn)生的任何金屬蒸氣運(yùn)載到右冷凝器管403，所述金屬蒸氣在此再冷凝為固體金屬。在允許此過程運(yùn)行一段時間之后，將左冷凝器管402冷卻到低于金屬的熔點(diǎn)。
[0045]接著關(guān)閉右冷凝器管出口閥406，打開右冷凝器管入口閥411，打開左冷凝器管出口閥408，且關(guān)閉左冷凝器管入口閥410。這使得剩余金屬蒸氣和載氣從容納槽流經(jīng)入口401、經(jīng)由右冷凝器管403、經(jīng)由左冷凝器管402，并從左冷凝器管出口 407流出。接著將右冷凝器管403加熱到所述金屬的熔點(diǎn)以上，使得右冷凝器管403中的固體金屬熔化，且所得液體金屬經(jīng)由入口 401流回到容納槽中。將因此加熱過程而產(chǎn)生的任何金屬蒸氣運(yùn)載到左冷凝器管402，所述金屬蒸氣在此再冷凝為固體金屬。在允許此過程運(yùn)行一段時間之后，將右冷凝器管403冷卻到低于金屬的熔點(diǎn)。接著通過關(guān)閉左冷凝器管出口閥408、打開左冷凝器管入口閥410且打開主出口閥412來使冷凝器系統(tǒng)返回到其標(biāo)準(zhǔn)操作狀態(tài)。
[0046]在上文所述的實(shí)施方案中的某些實(shí)施方案中，通過工藝控制系統(tǒng)或控制器(例如本領(lǐng)域中已知的任何工藝控制系統(tǒng)或控制器)來控制各種加熱器、冷卻裝置、閥、泵和其它系統(tǒng)元件。舉例來說，控制元件(加熱器、冷卻器、閥等)可連接到分布式控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)，或其它類型的工藝自動化設(shè)備?？刂破骱姓{(diào)節(jié)所述閥以獲得穿過冷凝器系統(tǒng)的各種導(dǎo)管的所要流徑的邏輯。另外，控制器使加熱器和冷卻裝置循環(huán)(在開/關(guān)裝置的情況下)，且/或調(diào)節(jié)所述加熱和/或冷卻，以獲得所要的溫度范圍。 [0047]本文所公開的各種設(shè)備的控制系統(tǒng)、邏輯和/或操作可實(shí)施為具有相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品以結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)化電子裝置使用。此實(shí)施方式可包括一系列計(jì)算機(jī)指令或邏輯，其固定在有形媒體(例如計(jì)算機(jī)可讀媒體(例如，軟盤、CD-ROM、ROM、快閃存儲器或其它存儲器或固定磁盤))上，或可經(jīng)由調(diào)制解調(diào)器或其它接口裝置(例如經(jīng)由媒體連接到網(wǎng)絡(luò)的通信適配器)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)或裝置。
[0048]所述媒體可為有形媒體(例如，光學(xué)或模擬通信線)或用無線技術(shù)(例如，W1-F1、蜂窩式、微波、紅外線或其它傳輸技術(shù))實(shí)施的媒體。計(jì)算機(jī)指令系列體現(xiàn)本文關(guān)于所述系統(tǒng)的某些實(shí)施方案所描述的功能性的至少一部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，此些計(jì)算機(jī)指令可以若干編程語言寫就，以結(jié)合許多計(jì)算機(jī)架構(gòu)或操作系統(tǒng)使用。[0049]此外，此些指令可存儲在任何有形存儲器裝置(例如半導(dǎo)體；磁性、光學(xué)或其它存儲器裝置)中，且可使用任何通信技術(shù)(例如，光學(xué)、紅外線、微波或其它傳輸技術(shù))來傳輸。
[0050]預(yù)期此種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以具有所附打印或電子文檔(例如，壓縮打包軟件)的可移動媒體形式分配，預(yù)加載有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(例如，在系統(tǒng)ROM或固定磁盤上)，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如，因特網(wǎng)或萬維網(wǎng))從服務(wù)器或電子布告板分配。當(dāng)然，本發(fā)明的一些實(shí)施方案可實(shí)施為軟件(例如，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品)與硬件兩者的組合。本發(fā)明的其它實(shí)施方案被實(shí)施為整個硬件，或整個軟件(例如，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品)。
[0051]在使用本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行的一個實(shí)驗(yàn)中，鎂蒸氣在大約攝氏1000度下進(jìn)入冷凝器系統(tǒng)，且在入口管中冷卻到約攝氏750度，使得鎂蒸氣中的一些冷凝為液體鎂。根據(jù)本發(fā)明，將剩余的鎂蒸氣和載氣引導(dǎo)到經(jīng)冷卻的出口管，其冷卻到攝氏150度。從這些出口管排出的氣體不含有可測量的鎂量。
[0052]在使用本發(fā)明實(shí)施方案的另一經(jīng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系列中，將使金屬蒸氣和載氣在入口管中冷凝為液體金屬，所述液體金屬將收集在容納槽中，且剩余金屬蒸氣和載氣將進(jìn)入串聯(lián)連接并經(jīng)冷卻的一系列兩個出口管。在一個實(shí)驗(yàn)中，將周期性地加熱連接到容納槽的第一出口管以熔化固體金屬，其將流回到容納槽，或?qū)⑹褂脵C(jī)械裝置來將經(jīng)冷凝的固體金屬推回到容納槽。將不加熱連接到第一出口管的遠(yuǎn)端的第二出口管。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，將對第一和第二出口管進(jìn)行稱重，以確定兩個管中的固體金屬的量。預(yù)期額外金屬質(zhì)量將小于容納槽中的金屬的質(zhì)量的1%。在第二實(shí)驗(yàn)中，將連續(xù)地冷卻第一和第二出口管。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，將對第一和第二出口管進(jìn)行稱重，以確定兩個管中的固體金屬的量。預(yù)期額外金屬質(zhì)量將大約為容納槽中的金屬的質(zhì)量的4%到5%。預(yù)期此實(shí)驗(yàn)系列將顯示雙階段冷凝器的有效性。
[0053]本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易明白，本文所描述的冷凝器設(shè)備可結(jié)合除鎂之外的大量金屬使用，包括鈣、銅、鋅、鈉、鉀、鋰和釤等。
[0054]其它實(shí)施方案屬于隨附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。所要求保護(hù)的本發(fā)明的若干實(shí)施方案已例如在圖1-7中展示，但存在也將屬于隨附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的其它實(shí)施方案。以上描述是說明性的，本發(fā)明由隨附權(quán)利要求書界定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備，其包括: 至少一個入口導(dǎo)管，其用于接收金屬蒸氣與載氣的混合物； 用于液體金屬的容納槽，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，用于接收來自所述至少一個入口導(dǎo)管的金屬蒸氣與載氣的混合物； 至少一個出口導(dǎo)管，其可操作地連接到所述容納槽，用于接收來自所述容納槽的金屬蒸氣與載氣的所述混合物； 至少一第一冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣的至少一部分冷凝為固體金屬； 至少一個加熱器，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管，用于使得所述固體金屬的至少一部分熔化，且隨后流入到所述容納槽中；以及 至少一個密封機(jī)構(gòu)，其位于所述至少一個出口導(dǎo)管的遠(yuǎn)端，用于密封所述至少一個出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端，且在所述出口導(dǎo)管正被加熱時，防止剩余金屬蒸氣和載氣離開所述出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括至少一第二冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，以使得進(jìn)入所述至少一個入口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣的至少一部分冷凝為液體金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括用于加熱所述容納槽的加熱器和用于冷卻所述容納槽的冷卻裝置中的至少一者。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少一個入口導(dǎo)管部分浸入所述容納槽中的所述液體金屬中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括所述容納槽內(nèi)的可移動屏障，所述屏障可在用于防止來自所述容納槽中的液體金屬的金屬蒸氣進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的第一關(guān)閉位置與用于準(zhǔn)許來自所述出口導(dǎo)管的經(jīng)熔化的固體金屬進(jìn)入所述容納槽的第二打開位置之間移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括控制器，所述控制器用于控制所述至少一個第一冷卻裝置、所述至少一個加熱器，以及所述至少一個密封機(jī)構(gòu)，其中所述控制器使得: 所述至少一個第一冷卻裝置使所述至少一個出口管內(nèi)部的所述金屬蒸氣冷卻并冷凝為固體金屬； 在所述至少一個第一冷卻裝置的所述操作之后，所述至少一個加熱器加熱并熔化所述至少一個出口導(dǎo)管內(nèi)部的所述固體金屬；以及 在所述至少一個加熱器正加熱所述至少一個出口導(dǎo)管時，所述至少一個密封機(jī)構(gòu)密封所述至少一個出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括: 金屬蒸氣與載氣的所述混合物的來源；以及 氣體泵送裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管且連接到金屬蒸氣與載氣的所述混合物的所述來源，以將從所述至少一個出口導(dǎo)管排出的剩余金屬蒸氣和載氣泵送到金屬蒸氣與載氣的所述混合物的所述來源。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括:氣體泵輸入導(dǎo)管，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管和所述氣體泵送裝置；以及額外載氣源，其可操作地連接到所述氣體泵輸入導(dǎo)管。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括:至少一個冷捕集器裝置，其可操作地連接到所述氣體泵送裝置以冷卻所述剩余金屬蒸氣和載氣，以便冷凝并減少所述剩余的金屬蒸氣與載氣混合物中存在的揮發(fā)性元素和化合物中的至少一者的任何量。
10.一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備，其包括: 至少一個入口導(dǎo)管，其用于接收金屬蒸氣與載氣的混合物； 用于液體金屬的容納槽，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，用于接收來自所述至少一個入口導(dǎo)管的金屬蒸氣與載氣的所述混合物； 至少一個出口導(dǎo)管，其可操作地連接到所述容納槽，用于接收來自所述容納槽的金屬蒸氣與氣體的所述混合物，所述至少一個出口導(dǎo)管具有位于接近所述容納槽處的近端，以及位于遠(yuǎn)離所述容納槽處的遠(yuǎn)端，所述至少一個出口導(dǎo)管具有多個區(qū)段； 多個冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述對應(yīng)多個區(qū)段，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管的所述對應(yīng)區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬； 多個加熱器，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述對應(yīng)多個區(qū)段，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管的所述對應(yīng)區(qū)段內(nèi)的所述固體金屬熔化；以及 控制器，其用于控制所述多個冷卻裝置和所述多個加熱器；其中所述控制器使得: 所述多個冷卻裝置中的第一冷卻裝置可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的第一區(qū)段，以將所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣冷卻且冷凝為固體金屬； 在所述第一冷卻裝置的所述操作之后，所述多個加熱器中的第一加熱器可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段，以加熱并熔化所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段內(nèi)部的所述固體金屬； 所述多個冷卻裝置中的第二冷卻裝置可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的第二區(qū)段，以將所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣冷卻且冷凝為固體金屬；且 在所述第二冷卻裝置的所述操作之后，所述多個加熱器中的第二加熱器可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段，以加熱并熔化所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段內(nèi)部的所述固體金屬。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述控制器進(jìn)一步使得: 所述多個冷卻裝置中的第三冷卻裝置可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的第三區(qū)段，以將所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第三區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣冷卻且冷凝為固體金屬；且 在所述第三冷卻裝置的所述操作之后，第三加熱器可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第三區(qū)段，以加熱并熔化所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第三區(qū)段內(nèi)部的所述固體金屬。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括至少第一冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，以使得進(jìn)入所述至少一個入口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣的至少一部分冷凝為液體金屬。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括至少一個密封機(jī)構(gòu)，所述至少一個密封機(jī)構(gòu)位于所述至少一個出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端，用于密封所述至少一個出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端，且防止剩余金屬蒸氣和載氣離開所述至少一個出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端，其中當(dāng)可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管的最遠(yuǎn)區(qū)段的所述加熱器加熱所述對應(yīng)導(dǎo)管區(qū)段時，所述控制器進(jìn)一步使得所述至少一個密封機(jī)構(gòu)密封所述至少一個出口導(dǎo)管的所述遠(yuǎn)端。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括用于加熱所述容納槽的加熱器和用于冷卻所述容納槽的冷卻裝置中的至少一者。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述至少一個入口導(dǎo)管部分浸入所述容納槽中的所述液體金屬中。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括所述容納槽內(nèi)的可移動屏障，所述屏障可在用于防止來自所述容納槽中的液體金屬的金屬蒸氣進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的第一關(guān)閉位置與用于準(zhǔn)許來自所述出口導(dǎo)管的經(jīng)熔化的固體金屬進(jìn)入所述容納槽的第二打開位置之間移動。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括: 金屬蒸氣與載氣的所述混合物的來源；以及 氣體泵送裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管且連接到金屬蒸氣與載氣的所述混合物的所述來源，以將從所述至少一個出口導(dǎo)管排出的剩余金屬蒸氣和載氣泵送到金屬蒸氣與載氣的所述混合物的所述來源。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括:氣體泵輸入導(dǎo)管，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管和所述氣體泵送裝置；以及額外載氣源，其可操作地連接到所述氣體泵輸入導(dǎo)管。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括:至少一個冷捕集器裝置，其可操作地連接到所述氣體泵送裝置以冷卻所述剩余金屬蒸氣和載氣混合物，以便冷凝并減少所述金屬蒸氣與載氣混合物中存在的揮發(fā)性元素和化合物中的至少一者的量。
20.一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備，其包括: 至少一個入口導(dǎo)管，其用于接收金屬蒸氣與載氣的混合物； 用于液體金屬的容納槽，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，用于接收來自所述至少一個入口導(dǎo)管的金屬蒸氣與載氣的所述混合物； 至少一個出口導(dǎo)管，其可操作地連接到所述容納槽，用于接收來自所述容納槽的金屬蒸氣與載氣的所述混合物； 至少一第一冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣的至少一部分冷凝為固體金屬；以及 至少一個機(jī)械裝置，其位于 所述至少一個出口導(dǎo)管內(nèi)部，所述至少一個機(jī)械裝置的操作用以將所述固體金屬從所述至少一個出口導(dǎo)管推到所述容納槽。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括至少一第二冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，以使得進(jìn)入所述至少一個入口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣的至少一部分冷凝為液體金屬。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括進(jìn)一步冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管內(nèi)部的所述固體金屬比所述至少一個出口導(dǎo)管壓縮得要快，并與所述至少一個出口導(dǎo)管的表面分離。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括用于加熱所述容納槽的加熱器和用于冷卻所述容納槽的冷卻裝置中的至少一者。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述至少一個入口導(dǎo)管部分浸入所述容納槽中的所述液體金屬中。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括控制器，用于控制所述至少一個第一冷卻裝置和所述至少一個機(jī)械裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括所述容納槽內(nèi)的可移動屏障，所述屏障可在用于防止來自所述容納槽中的液體金屬的金屬蒸氣進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的第一關(guān)閉位置與用于準(zhǔn)許來自所述出口導(dǎo)管的經(jīng)熔化的固體金屬進(jìn)入所述容納槽的第二打開位置之間移動。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括: 金屬蒸氣與載氣的所述混合物的來源；以及 氣體泵送裝置，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管且連接到金屬蒸氣與載氣的所述混合物的所述來源，以將從所述至少一個出口導(dǎo)管排出的剩余金屬蒸氣和載氣泵送到金屬蒸氣與載氣的所述混合物的所述來源。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括:氣體泵輸入導(dǎo)管，其可操作地連接到所述至少一個出口導(dǎo)管和所述氣體泵送裝置；以及額外載氣源，其可操作地連接到所述氣體泵輸入導(dǎo)管。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括:至少一個冷捕集器裝置，其可操作地連接到所述氣體泵送裝置以冷卻所述剩余金屬蒸氣和載氣混合物，以便冷凝并減少所述金屬蒸氣與載氣混合物中存在的揮發(fā)性元素和化合物中的至少一者的量。
30.一種用于冷凝金屬蒸氣的設(shè)備，其包括: 至少一個入口導(dǎo)管，其用于接收金屬蒸氣與載氣的混合物； 用于液體金屬的容納槽，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，用于接收來自所述至少一個入口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣和載氣； 至少一組出口導(dǎo)管，其可操作地連接到所述容納槽，用于接收來自所述容納槽的所述金屬蒸氣和氣體混合物，所述組的出口導(dǎo)管中的每一出口導(dǎo)管具有共用輸入?yún)^(qū)段和共用輸出區(qū)段，并且所述組的出口導(dǎo)管中的每一出口導(dǎo)管具有個別輸出區(qū)段； 一組冷卻裝置，其各自可操作地連接到對應(yīng)的出口導(dǎo)管以使得所述出口導(dǎo)管內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬； 一組加熱器，每一加熱器可操作地連接到對應(yīng)出口導(dǎo)管，以使得所述出口導(dǎo)管內(nèi)部的所述固體金屬熔化； 多個閥，其可操作地連接到所述組的出口導(dǎo)管；以及 控制器，用于控制所述冷卻裝置組、所述加熱器組以及所述多個閥，以在所述冷卻裝置組中的每一者正冷凝所述對應(yīng)出口導(dǎo)管中的每一者中的固體金屬時，使得所述金屬蒸氣與氣體混合物從所述共用輸入?yún)^(qū)段起并行地穿過所述組的出口導(dǎo)管到達(dá)所述共用輸出區(qū)段，且在所述組的加熱裝置中的一加熱裝置正熔化所述組的出口導(dǎo)管中的另一出口導(dǎo)管中的固體金屬時，使得所述金屬蒸氣與氣體混合物從所述共用輸入?yún)^(qū)段起串行地穿過所述組的出口導(dǎo)管到達(dá)所述組的出口導(dǎo)管中的一出口導(dǎo)管的個別輸出區(qū)段，其中對應(yīng)冷卻裝置正冷凝固體金屬。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括至少第一冷卻裝置，其可操作地連接到所述至少一個入口導(dǎo)管，以使得進(jìn)入所述至少一個入口導(dǎo)管的所述金屬蒸氣的至少一部分冷凝為液體金屬。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括所述容納槽內(nèi)的可移動屏障，所述屏障可在用于防止來自所述容納槽中的液體金屬的金屬蒸氣進(jìn)入所述至少一組出口導(dǎo)管的第一關(guān)閉位置與用于準(zhǔn)許來自所述組的出口導(dǎo)管的經(jīng)熔化的固體金屬進(jìn)入所述容納槽的第二打開位置之間移動。
33.一種用于冷凝金屬蒸氣的方法，其包括: 將金屬蒸氣與載氣的混合物引導(dǎo)到至少一個入口導(dǎo)管中； 將金屬蒸氣與載氣的所述混合物引導(dǎo)到用于液體金屬的容納槽中，且隨后引導(dǎo)到可操作地連接到所述容納槽的至少一個出口導(dǎo)管中； 冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬； 在冷凝固體金屬之后，停止所述出口導(dǎo)管中的至少一者的所述冷卻，并開始加熱所述相同出口導(dǎo)管，以使得所述固體 金屬熔化而形成液體金屬； 將所述液體金屬收集在所述容納槽中；以及 阻止剩余金屬蒸氣和載氣在所述相同出口導(dǎo)管的所述加熱的至少一部分期間離開所述相同出口導(dǎo)管。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其進(jìn)一步包括冷卻所述至少一個入口導(dǎo)管以使得所述至少一個入口導(dǎo)管內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為液體金屬，以及將所述液體金屬收集在所述容納槽中。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其進(jìn)一步包括時不時地對所述容納槽進(jìn)行加熱和冷卻中的至少一個操作。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其進(jìn)一步包括將金屬蒸氣與載氣的所述混合物從所述至少一個入口導(dǎo)管直接釋放到所述容納槽中的所述液體金屬中，其中所述至少一個入口導(dǎo)管部分地浸入所述容納槽中的所述液體金屬中。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述剩余的金屬蒸氣與載氣混合物從所述至少一個出口導(dǎo)管引導(dǎo)到氣體泵送裝置，以及將所述剩余的金屬蒸氣與載氣混合物泵送到金屬蒸氣源。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物進(jìn)入所述氣體泵送裝置之前，將額外載氣添加到所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物中。
39.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述剩余混合物進(jìn)入所述氣體泵送裝置之前冷卻所述剩余的金屬蒸氣與載氣混合物，以及冷凝并減少來自所述混合物的揮發(fā)性元素和化合物中的至少一者的量。
40.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其進(jìn)一步包括:提供所述容納槽內(nèi)的可移動屏障，所述屏障可在用于防止來自所述容納槽中的液體金屬的金屬蒸氣進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的第一關(guān)閉位置與用于準(zhǔn)許來自所述出口導(dǎo)管的經(jīng)熔化的固體金屬進(jìn)入所述容納槽的第二打開位置之間移動； 當(dāng)使得所述金屬蒸氣在所述出口導(dǎo)管中冷凝時，將所述可移動屏障維持在所述第一關(guān)閉位置；以及
當(dāng)使得所述出口導(dǎo)管中的所述固體金屬熔化時，將所述可移動屏障維持在所述第二打開位置。
41.一種用于冷凝金屬蒸氣的方法，其包括: 將金屬蒸氣與載氣的混合物引導(dǎo)到至少一個入口導(dǎo)管中； 將所述金屬蒸氣與載氣混合物引導(dǎo)到用于液體金屬的容納槽中，且隨后引導(dǎo)到可操作地連接到所述容納槽的至少一個出口導(dǎo)管中，所述至少一個出口導(dǎo)管具有多個區(qū)段，所述第一區(qū)段接近所述容納槽； 冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬； 在冷凝所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段中的固體金屬之后，停止所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段的所述冷卻，且開始加熱所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段以使得所述固體金屬熔化而形成液體金屬； 冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管的第二區(qū)段，所述第二區(qū)段遠(yuǎn)離所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第一區(qū)段，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬； 在冷凝所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段中的固體金屬之后，停止所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段的所述冷卻，且開始加熱所述至少一個出口導(dǎo)管的所述第二區(qū)段以使得所述固體金屬熔化而形成液體金屬； 將所述液體金屬收集在所述容納槽中；以及 阻止所述金屬蒸氣與載氣在所述至少一個出口導(dǎo)管的最遠(yuǎn)區(qū)段的所述加熱的至少一部分期間離開所述至少一個出口導(dǎo)管。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其進(jìn)一步包括冷卻所述至少一個入口導(dǎo)管以使得所述至少一個入口導(dǎo)管內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為液體金屬，以及將所述液體金屬收集在所述容納槽中。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其進(jìn)一步包括時不時地對所述容納槽進(jìn)行加熱和冷卻中的至少一個操作。
44.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其進(jìn)一步包括將金屬蒸氣與載氣的所述混合物從所述至少一個入口導(dǎo)管直接釋放到所述容納槽中的所述液體金屬中，其中所述至少一個入口導(dǎo)管部分地浸入所述容納槽中的所述液體金屬中。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述金屬蒸氣與載氣混合物從所述至少一個出口導(dǎo)管引導(dǎo)到氣體泵送裝置，以及將所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物泵送到金屬蒸氣源。
46.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物進(jìn)入所述氣體泵送裝置之前，將額外載氣添加到所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物中。
47.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述剩余混合物進(jìn)入所述氣體泵送裝置之前冷卻所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物，以及冷凝并減少來自所述混合物的揮發(fā)性元素和化合物中的至少一者的量。
48.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其進(jìn)一步包括: 提供所述容納槽內(nèi)的可移動屏障，所述屏障可在用于防止來自所述容納槽中的液體金屬的金屬蒸氣進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的第一關(guān)閉位置與用于準(zhǔn)許來自所述出口導(dǎo)管的經(jīng)熔化的固體金屬進(jìn)入所述容納槽的第二打開位置之間移動； 當(dāng)不使得所述出口導(dǎo)管中的所述固體金屬熔化時，將所述可移動屏障維持在所述第一關(guān)閉位置；以及 當(dāng)使得所述出口導(dǎo)管中的所述固體金屬熔化時，將所述可移動屏障維持在所述第二打開位置。
49.一種用于冷凝金屬蒸氣的方法，其包括: 將金屬蒸氣與載氣的混合物引導(dǎo)到至少一個入口導(dǎo)管中； 將金屬蒸氣與載氣的所述混合物引導(dǎo)到用于液體金屬的容納槽中，且隨后引導(dǎo)到可操作地連接到所述容納槽的至少一個出口導(dǎo)管中； 冷卻所述至少一個出口導(dǎo)管，以使得所述至少一個出口導(dǎo)管內(nèi)部的剩余金屬蒸氣中的一些冷凝為固體金屬；以及 將所述固體金屬從所述至少一個出口導(dǎo)管推出到所述容納槽中。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法，其進(jìn)一步包括冷卻所述至少一個入口導(dǎo)管以使得所述至少一個入口導(dǎo)管內(nèi)部的所述金屬蒸氣中的一些冷凝為液體金屬，以及將所述液體金屬收集在所述容納槽中。
51.根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法，其進(jìn)一步包括時不時地對所述容納槽進(jìn)行加熱和冷卻中的至少一個操作。
52.根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法，其進(jìn)一步包括將金屬蒸氣與載氣的所述混合物從所述至少一個入口導(dǎo)管直接釋放到所述容納槽中的所述液體金屬中，其中所述至少一個入口導(dǎo)管部分地浸入所述容納槽中的所述液體金屬中。
53.根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述剩余的金屬蒸氣與載氣混合物從所述至少一個出口導(dǎo)管引導(dǎo)到氣體泵送裝置，以及將所述剩余的金屬蒸氣與載氣混合物泵送到金屬蒸氣源。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物進(jìn)入所述氣體泵送裝置之前，將額外載氣添加到所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物中。
55.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述剩余混合物進(jìn)入所述氣體泵送裝置之前冷卻所述剩余的金屬蒸氣與載氣的混合物，以及冷凝并減少來自所述混合物的揮發(fā)性元素和化合物中的至少一者的量。
56.根據(jù)權(quán)利要求49所述的方法，其進(jìn)一步包括: 提供所述容納槽內(nèi)的可移動屏障，所述屏障可在用于防止來自所述容納槽中的液體金屬的金屬蒸氣進(jìn)入所述至少一個出口導(dǎo)管的第一關(guān)閉位置與用于準(zhǔn)許來自所述出口導(dǎo)管的經(jīng)熔化的固體金屬進(jìn)入所述容納槽的第二打開位置之間移動； 當(dāng)使得所述金屬蒸氣在所述出口導(dǎo)管中冷凝時，將所述可移動屏障維持在所述第一關(guān)閉位置；以及 當(dāng)將所述固體金屬從所述至少一個出口導(dǎo)管推出到所述容納槽中時，將所述可移動屏障維持在所述第二打開位 置。
【文檔編號】C22B19/18GK103781922SQ201280043046
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月8日
【發(fā)明者】A·C·鮑威爾, S·派提, J·道格拉斯, S·德雷辛斯基, L·斯皮里迪謬齊, M·布克曼, T·伊佳 申請人:英菲紐姆股份有限公司