一种流态化制取五氧化二钒的方法.pdf

本发明提供了一种流态化制取五氧化二钒的方法。所述方法包括以下步骤：使用第一热风干燥钒酸铵，控制钒酸铵中的水分重量百分含量≤1%；将干燥后的钒酸铵加入流态化反应炉，并向流态化反应炉内提供压缩空气以使钒酸铵呈流态化；通过向设置在流态化应炉内的换热单元提供第二热风，以将流态化反应炉内的温度控制为650～750℃；控制流态化反应炉内的压力为5～8kPa，以生成五氧化二钒；从流态化反应器中排出五氧化二钒，然后对五氧化二钒进行冷却并收集。本发明的方法的具有生产效率高、设备寿命长、反应速度快、易于实现连续化和自动化操作等优点。

权利要求书一种流态化制取五氧化二钒的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
使用第一热风干燥钒酸铵，控制钒酸铵中的水分重量百分含量≤1%；
将干燥后的钒酸铵加入流态化反应炉，并向流态化反应炉内提供压缩空气以使钒酸铵呈流态化；
通过向设置在流态化应炉内的换热单元提供第二热风，以将流态化反应炉内的温度控制为650～750℃；
控制流态化反应炉内的压力为5～8kPa，以生成五氧化二钒；
从流态化反应器中排出五氧化二钒，然后对五氧化二钒进行冷却并收集。
根据权利要求1所述的流态化制取五氧化二钒的方法，其特征在于，所述使用热风干燥钒酸铵的步骤中，钒酸铵的堆比重控制为0.5～0.7g/cm3；干燥温度控制为120～300℃。
根据权利要求1所述的流态化制取五氧化二钒的方法，其特征在于，所述将干燥后的钒酸铵加入流态化反应炉的步骤中以螺旋进料的方式加料并控制加料速度为200～400kg/h。
根据权利要求1所述的流态化制取五氧化二钒的方法，其特征在于，所述压缩空气的压力控制在75～90kPa，其流量控制为100～150Nm3/h，并将过量的压缩空气通过除尘布袋排出。
根据权利要求1所述的流态化制取五氧化二钒的方法，其特征在于，所述冷却步骤将五氧化二钒的温度降至≤150℃。
根据权利要求1所述的流态化制取五氧化二钒的方法，其特征在于，所述第二热风由热风炉提供，并且热风炉内的压力控制为‑50～‑150Pa。
根据权利要求1至6中任一项所述的流态化制取五氧化二钒的方法，其特征在于，所述方法采用流态化装置来实现，所述流态化装置包括进料单元、流态化反应器、气体动力供给单元、换热单元、冷却及出料单元，其中，所述流态化反应器包括反应罐、气体进口、气体出口、固体颗粒物料进口、固体颗粒物料出口以及气体分布器，所述气体动力供给单元与流态化反应器的气体进口连接并用于使固体颗粒物料呈流态化，所述进料单元与流态化反应器的固体颗粒物料进口连接并用于向流态化反应器提供待反应的固体颗粒物料，所述换热单元设置在流态化反应器的反应罐内并用于加热固体颗粒物料，所述冷却及出料单元与流态化反应器的固体物料出口连接并用于冷却和排出流态化反应器中的反应产物。
根据权利要求7所述的流态化装置，其特征在于，所述流态化装置还包括第一料腿和第二料腿，其中，所述第一料腿包括第一气体分布板、第一左支管 和第一右支管，第一左支管的下部和第一右支管的下部连通，第一气体分布板设置在第一左支管和第一右支管的连通处，第一左支管和第一右支管的位于第一气体分布板下方的底部均设置有气体入口，第一右支管的高度高于第一左支管的高度，第一右支管的上端与进料单元连通，第一左支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料进口连通；所述第二料腿包括第二气体分布板、第二左支管和第二右支管，第二左支管的下部和第二右支管的下部连通，第二气体分布板设置在第二左支管和第二右支管的连通处，第二左支管和第二右支管的位于第二气体分布板下方的底部均设置有气体入口，第二右支管的高度高于第二左支管的高度，第二右支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料出口连通，第二左支管的上端与冷却及出料单元连通。
根据权利要求8所述的流态化装置，其特征在于，所述流态化装置还包括第一膨胀节、第二膨胀节和第三膨胀节，其中，第一膨胀节连接第一左支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料进口；第二膨胀节连接第二料腿的右支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料出口，第三膨胀节连接第二左支管的上端与冷却及出料单元。
根据权利要求7所述的流态化装置，其特征在于，所述冷却及出料单元包括冷却分级器、进料口、进气口、第一出料管、第二出料管和第三气体分布板，其中，进料口将冷却分级器与流态化反应器的固体物料出口连通，第三气体分布板沿冷却分级器的径向方向设置在冷却分级器的下部，第一出料管设置在冷却分级器的中下部并位于第三气体分布板的上方，第二出料管设置在冷却分级器的顶部，进气口与冷却分级器底部连通并位于第三气体分布板的下方。

说明书一种流态化制取五氧化二钒的方法
技术领域
本发明涉及五氧化二钒的提取技术，更具体地讲，涉及一种在工业上以流态化方式连续制取五氧化二钒的方法。
背景技术
在现有技术中，通常以回转窑作为生产五氧化二钒的主要设备，但其寿命较短，其根本原因是制造材料的性能不能满足工艺要求，回转窑在腐蚀性气体条件下高温运转，因受力过大而断裂。同时回转窑的规格较小、产能低、气体利用率低、能耗和成本都较高。此外，回转窑工艺为了防止设备可能出现的气体泄漏，要求有比较严格的密封，但由于加工制造和安装的因素，在大型回转窑上一般不容易实现，这就要求厂房必须保持良好的通风状态，因此，利用回转窑生产五氧化二钒存在一定的局限性。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种流态化制取五氧化二钒的方法。
本发明提供了一种流态化制取五氧化二钒的方法。所述方法包括以下步骤：使用第一热风干燥钒酸铵，控制钒酸铵中的水分重量百分含量≤1%；将干燥后的钒酸铵加入流态化反应炉，并向流态化反应炉内提供压缩空气以使钒酸铵呈流态化；通过向设置在流态化应炉内的换热单元提供第二热风，以将流态化反应炉内的温度控制为650～750℃；控制流态化反应炉内的压力为5～8kPa，以生成五氧化二钒；从流态化反应器中排出五氧化二钒，然后对五氧化二钒进行冷却并收集。
在本发明的一个示例性实施例中，所述使用热风干燥钒酸铵的步骤中，钒酸铵的堆比重控制为0.5～0.7g/cm3；干燥温度控制为120～300℃。
在本发明的一个示例性实施例中，所述将干燥后的钒酸铵加入流态化反应炉的步骤中以螺旋进料的方式加料并控制加料速度为200～400kg/h。
在本发明的一个示例性实施例中，所述压缩空气的压力控制在75～90kPa，其流量控制为100～150Nm3/h，并将过量的压缩空气通过除尘布袋排出。
在本发明的一个示例性实施例中，所述冷却步骤将五氧化二钒的温度降至≤150℃。
在本发明的一个示例性实施例中，所述第二热风由热风炉提供，并且热风炉内的压力控制为‑50～‑150Pa。
与现有技术相比，本发明的方法的有益效果包括：生产效率高、设备寿命长、反应速度快、易于实现连续化和自动化操作等。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了根据本发明示例性实施例的流态化制取五氧化二钒的方法所采用的流态化装置的结构示意图；
图2示出了图1的流态化装置的换热单元的横截面示意图。
附图标记说明：
11‑反应罐、12‑气体进口、13‑气体出口、14‑固体颗粒物料进口、15‑固体颗粒物料出口、16‑气体分布器
21‑固体颗粒物料料仓、22‑强制进料螺旋
31‑热风进口、32‑热风出口、33‑换热管道、34‑法兰
41‑冷却分级器、42‑进料口、43‑进气口、44‑第一出料管、45‑第二出料管、46‑第三气体分布板
51‑第一料腿、52‑第二料腿、53‑第一膨胀节、54‑第二膨胀节、55‑第三膨胀节
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的流态化制取五氧化二钒的方法。
根据本发明的流态化制取五氧化二钒的方法包括以下步骤：使用第一热风干燥钒酸铵，控制钒酸铵中的水分重量百分含量≤1%；将干燥后的钒酸铵加入流态化反应炉，并向流态化反应炉内提供压缩空气以使钒酸铵呈流态化；通过向设置在流态化应炉内的换热单元提供第二热风，以将流态化反应炉内的温度控制为650～750℃；控制流态化反应炉内的压力为5～8kPa，以生成五氧化二钒；从流态化反应器中排出五氧化二钒，然后对五氧化二钒进行冷却并收集。
本发明的流态化制取五氧化二钒的方法可以采用流态化装置来实现，所述流态化装置包括进料单元、流态化反应器、气体动力供给单元、换热单元、冷却及出料单元，其中，所述流态化反应器包括反应罐、气体进口、气体出口、固体颗粒物料进口、固体颗粒物料出口以及气体分布器，所述气体动力供给单元与流态化反应器的气体进口连接并用于使固体颗粒物料呈流态化，所述进料单元与流态化反应器的固体颗粒物料进口连接并用于向流态化反应器提供待反应的固体颗粒物料，所述换热单元设置在流态化反应器的反应罐内并用于加热固体颗粒物料，所述冷却及出料单元与流态化反应器的固体物料出口连接并用于冷却和排出流态化反应器中的反应产物。
在另一个示例性实施例中，所述流态化装置还可以包括第一料腿和第二料腿，其中，所述第一料腿包括第一气体分布板、第一左支管和第一右支管，第一左支管的下部和第一右支管的下部连通，第一气体分布板设置在第一左支管和第一右支管的连通处，第一左支管和第一右支管的位于第一气体分布板下方的底部均设置有气体入口，第一右支管的高度高于第一左支管的高度，第一右支管的上端与进料单元连通，第一左支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料进口连通；所述第二料腿包括第二气体分布板、第二左支管和第二右支管，第二左支管的下部和第二右支管的下部连通，第二气体分布板设置在第二左支管和第二右支管的连通处，第二左支管和第二右支管的位于第二气体分布板下方的底部均设置有气体入口，第二右支管的高度高于第二左支管的高度，第二右支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料出口连通，第二左支管的上端与冷却及出料单元连通。
在另一个示例性实施例中，所述流态化装置还可以包括第一膨胀节、第二膨胀节和第三膨胀节，其中，第一膨胀节连接第一左支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料进口；第二膨胀节连接第二料腿的右支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料出口，第三膨胀节连接第二左支管的上端与冷却及出料单元。
在另一个示例性实施例中，流态化装置的冷却及出料单元包括冷却分级器、进料口、进气口、第一出料管、第二出料管和第三气体分布板，其中，进料口将冷却分级器与流态化反应器的固体物料出口连通，第三气体分布板沿冷却分级器的径向方向设置在冷却分级器的下部，第一出料管设置在冷却分级器的中下部并位于第三气体分布板的上方，第二出料管设置在冷却分级器的顶部，进气口与冷却分级器底部连通并位于第三气体分布板的下方。
总体来讲，本发明的方法将钒酸铵加入流态化反应炉内，在高温条件下脱氨分解，得到粉状五氧化二钒产品。具体来讲，本发明的另一个示例性实施例也可采用以下方式来实现：
A、利用热风对钒酸铵进行干燥
其中，将钒酸铵堆比重控制在0.5～0.7g/cm3；将干燥的温度控制在120～300℃；将干燥后的钒酸铵水份含量≤1%。
B、将干燥后的钒酸铵加入流化反应炉内
例如，采用螺旋进料的方式进行强制进料；还可以通过进料螺旋的电机频率控制钒酸铵的进料速度；并且钒酸铵的进料速度可以控制在200～400kg/h。
C、通过压缩空气提供动力，使钒酸铵在反应炉内实现流化
例如，压缩空气透过气体分布板进入反应炉内，使钒酸铵在反应炉内形成均匀流场。压缩空气的压力可以控制在75～90kPa，其的流量控制可以在100～150Nm3/h。此外，过量的压缩空气可以通过除尘布袋后排出，以便收集随压缩空气排出的细粒反应产物。
D、反应结束后的粉状五氧化二钒冷却后进入成品料仓
将五氧化二钒的温度冷却至≤150℃后出料为宜。例如，可以通过水冷套对五氧化二钒进行进一步冷却。
E、通过热风炉燃烧产生的热风保证反应温度
例如，热风炉的温度可以控制在650～750℃；热风炉内压力可以控制在‑50～‑150Pa；流态化反应炉的物料出口出的温度可以控制在500～600℃。
F、通过反应炉内压力来控制反应时间
例如，将反应炉内压力控制在5～8kPa，以控制合理的反应时间。例如，物料在流态化反应炉内的反应时间可以控制在5～30min。
图1示出了根据本发明示例性实施例的流态化制取五氧化二钒的方法所采用的流态化装置的结构示意图。
如图1所示，在本发明的方法的一个示例性实施例所采用流态化装置包括：流态化反应器、进料单元、换热单元、冷却及出料单元以及气体动力供给单元。
其中，流态化反应器包括反应罐11、气体进口12、气体出口13、固体颗粒物料进口14、固体颗粒物料出口15以及气体分布器16。气体分布器16可以为常规的气体分布板，其沿水平方向设置在反应罐11的下部。气体入口设置在反应罐11的底部并位于气体分布板的下方；固体颗粒物料进口14设置在反应罐11的一个侧部（例如，左侧部），并且固体颗粒物料进口14所处的位置高于气体分布板所处的位置；固体颗粒物料出口15设置在反应罐11的另一个侧部（例如，右侧部），并且固体颗粒物料出口15所处的位置的高度高于固体颗粒物料进口14所处的高度位置；气体出口13设置在反应罐11的上部或顶部，并且气体出口13所处的位置高于固体颗粒物料出口15所处的位置。
在本示例性实施例中，进料单元包括固体颗粒物料料仓21和强制进料螺旋22。强制进料螺旋22设置在固体颗粒物料料仓21的出料口的下方并用于将固体颗粒物料料仓21中的固体颗粒物料（例如，钒酸铵颗粒）输送至流态化反应器的固体颗粒物料进口14中。然而，本发明的进料单元不限于此，其它能够使固体颗粒物料进入流态化反应器的装置也可作为本发明的进料单元。
图2示出了图1的流态化装置的换热单元的横截面示意图。如图1和2所示，在本示例性实施例中，换热单元包括依次连通的热风进口31、热风出口32和换热管道33。换热管道33设置在流态化反应器的反应罐11内，并包括多根换热支管。热风进口31用于向换热管道33中提供热风，热风出口32用于换热管道33中完成换热的气体导出。此外，换热单元可以通过法兰34与流态化反应器连接。
例如，热风由煤气或煤燃烧提供，由热风管道入口进入换热管道33，在流态化反应器内弯曲，从热风管道出口离开流态化装置。然而，本发明不限于此，也可通过其它换热器件（例如，电热元件等）来替换作为本发明的换热单元，只要其能够对反应罐11中的呈流态化的固体颗粒物料进行加热，以使固体颗粒物料达到合适的反应温度即可。
在本示例性实施例中，冷却及出料单元包括冷却分级器41、进料口42、进气口43、第一出料管44、第二出料管45和第三气体分布板46。其中，冷却分级器41可具有双层结构（即，内、外层），固体颗粒在冷却分级器41内部，而夹层间具有循环冷却水，用于对反应结束的固体颗粒进行冷却。进料口42将冷却分级器41与流态化反应器的固体物料出口连通。第三气体分布板46沿冷却分级器41的径向方向设置在冷却分级器41的下部。进气口43与冷却分级器41底部连通并位于第三气体分布板46的下方。第一出料管44设置在冷却分级器41的中下部，以将冷却后的粗颗粒的反产产物排出。第二出料管45设置在冷却分级器41的顶部，以将经冷却后、随气体上升的细颗粒反应产物排出。进气口43与第三气体分布板46一起实现向冷却分级器41中提供稳定气流（例如，高压常温氮气气流），从而能够使经过冷却分级器41冷却后的反应产物以流态化方式从第一出料管44中排出，而且所述稳定的气流还可以为常温气体，这样能够进一步冷却反应产物。在本示例性实施例中，所述第二出料管45还与流态化反应器的气体出口13连通，并且最终还可与布袋除尘器连接，从而便于对从第二出料管45中排出的细颗粒反应产物以及从流态化反应器的气体出口13排出的细颗粒反应产物一起进行回收。
在本示例性实施例中，流态化装置还包括第一料腿51和第二料腿52。
其中，第一料腿51包括第一气体分布板、第一左支管和第一右支管，第一左支管的下部和第一右支管的下部连通，第一气体分布板设置在第一左支管和第一右支管的连通处，第一左支管和第一右支管的位于第一气体分布板下方的底部均设置有气体（例如，氮气）入口，第一右支管的高度高于第一左支管的高度，第一右支管的上端与强制进料螺旋22连通，第一左支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料进口14连通。第二料腿52包括第二气体分布板、第二左支管和第二右支管，第二左支管的下部和第二右支管的下部连通，第二气体分布板设置在第二左支管和第二右支管的连通处，第二左支管和第二右支管的位于第二气体分布板下方的底部均设置有气体（例如，氮气）入口，第二右支管的高度高于第二左支管的高度，第二右支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料出口15连通，第二左支管的上端与冷却及出料单元连通。第一料腿51和第二料腿52主要起到气封的作用，即，避免流化反应炉内、提供流化动力的气体串出，并能够使本发明的流态化反应以更加连续、稳定的状态进行。供入第一料腿51和第二料腿52中的气体可以通过另一气体动力供给单元提供。
在本示例性实施例中，流态化装置还包括第一膨胀节53、第二膨胀节54和第三膨胀节55。其中，第一膨胀节53连接第一左支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料进口14；第二膨胀节54连接第二料腿52的右支管的上端与流态化反应器的固体颗粒物料出口15；第三膨胀节55连接第二左支管的上端与冷却及出料单元。设置第一膨胀节53、第二膨胀节54和第三膨胀节55能够使本发明的流态化装置适应因高温而产生的膨胀。
气体动力供给单元与流态化反应器的气体进口12连通，并用于向流态化反应器提供稳定的压缩空气气流。气体动力供给单元供入的气体有两个主要作用，一是为整个流态化反应器内固体颗粒物料的悬浮提供动力条件，二是参加固体颗粒的反应。
也就是说，气体动力供给单元提供的气流通过气体进口12从流态化反应器下端由下向上给流态化反应器内的固体颗粒物料提供均匀的气流，使固体颗粒物料保持良好的悬浮流动性，从而保证反应的充分进行。反应结束后，反应产物（即，五氧化二钒）流入出料端的第二料腿52，然后第二料腿52底部透过气体分布板的气体吹送，保持一种悬浮状态，最后进入冷却分级器41内，进行冷却和分级。需要说明的是，固体颗粒物料在流态化反应器内的停留时间由流态化反应器内的压力差控制。
总体来说，本发明的流态化装置利用气体作为动力源，使气体与固体，固体与固体间充分接触、均匀混合，进而完成反应。同时利用换热管道保证气固反应体系的温度稳定，并延长设备的使用寿命。此外，本发明的流态化装置能够实现从固体颗粒物料进入流态化装置，到固体颗粒离开流态化装置的整个过程中，固体颗粒均处于一种悬浮的状态，具有流体流动的物性，有利于反应的发生和连续化生产。此外，本发明的流态化装置还能够使用于加热的气体不与固体颗粒物料直接接触，保证了气固反应体的温度可控性。
本发明的方法能够以包括流态化反应炉的流态化装置来实现连续地生产粉状五氧化二钒，其产量可达到280kg/h以上，从而大大提高了粉状五氧化二钒的生产效率，降低了生产成本。
下面结合具体示例来进一步详细说明本发明的流态化制取五氧化二钒的方法。在以下示例中，粉状五氧化二钒的成分根据GB 3238‑87方法测得。
示例1
将堆比重为0.6g/cm3的钒酸铵（简写为APV）在200℃温度下干燥至水份含量1%，然后通过进料螺旋将APV进入流化反应炉内，进料量控制在220kg/h。控制压缩空气的压力80kPa，流量100Nm3/h，使物料在流化炉内形成一个均匀的流场。通过控制热风炉温度在650℃，物料出口温度在520℃，为钒酸铵的脱水、脱氨、氧化分解提供良好的条件。将反应时间控制在10min，生成的五氧化二钒经过压缩空气冷却至120℃，得到产品。该五氧化二钒产量为160kg/h，产品中V2O5含量为98.13重量%，Si含量为0.15重量%，Fe为含量为0.05重量%，P含量<0.01重量%，S含量为0.02重量%，As含量为0.01重量%，Na2O+K2O含量为0.8重量%，V2O4含量为1.2重量%。
示例2
根据示例1的方法制取粉状五氧化二钒，所不同的是，进料量控制在300kg/h，热风炉温度在700℃，物料出口温度在550℃。而得到的粉状五氧化二钒产量为210kg/h，产品中的成分满足GB 3238—87中的要求。
示例3
根据实施例1的方法制取粉状五氧化二钒，所不同的是，进料量控制在400kg/h，压缩空气压力控制在90kPa，热风炉温度在750℃，物料出口温度在580℃。物料在反应炉内反应时间控制在7min；而得到的粉状五氧化二钒产量达到285kg/h，产品中的成分仍然满足GB 3238—87中的要求。
综上所示，本发明的流态化制取五氧化二钒的方法具有如下优点：
（1）能够使固体颗粒悬浮流动，从而保证了平稳、高效、充分的流态化反应；
（2）与现有技术的回转窑工艺相比，本发明结构简单，现场安装方便，同时由于流态化反应器本身固定，因此，有利于延长设备使用寿命。
（3）与现有技术的回转窑工艺相比，本发明具有生产效率高、反应速度快、操作易于实现连续化和自动化等优点。
尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。