一种真空蒸馏炉及制备高纯铜的方法

技术领域

本发明涉及有色冶金技术领域，具体涉及一种结构紧凑、能耗低、精馏效率高、除杂效果好、精馏产物纯度高的真空蒸馏炉及制备高纯铜的方法。

背景技术

高纯铜以其低电阻率、高电磁性，被广泛应用在电子、通讯、超导、航天等尖端技术领域，并取得了良好的效果。

目前，铜的高度提纯技术主要有电解精炼、电子束熔炼、定向凝固、阴离子交换和区域熔炼等方法。其中，电解精炼对除氧以外的几乎所有杂质都有效，而且对电解液要求严苛；电子束熔炼主要针对饱和蒸气压高于铜的杂质元素有效，比如Ag、Se、Te、S、Bi、Pb等元素，对其它元素效果有限；阴离子交换法是通过离子交换，除去铜溶液中的杂质离子，然后蒸干溶液得到高纯的CuCl

真空蒸馏是在减压条件下，主要利用不同金属的沸点差异及饱和蒸气压的差异进行冶炼、精炼、提纯等处理的常用冶金方法。现有的真空蒸馏炉多为单炉膛形式，通过对底部的金属进行加热，并在垂直方向上控制区域温差以得到不同沸点的液态金属，由于其需要在真空状态下蒸馏，而在加料和放料时都需要降温开炉操作，导致其不仅不能连续处理物料，而且处理效率较低、能耗较高，并且难以去除沸点与铜接近的杂质元素，导致提纯效果不明显。为此，现有技术中有在炉腔的冷凝盘和蒸发室之间设置铬质的挥发孔板，通过孔板上的通孔使高温蒸汽流过时因气体通道变窄而增大气流量，从而增加单位时间的释雾量以减小颗粒粒径；同时通过铬质孔板与Fe、Si、Mn、Al、Cl等杂质元素在高温下发生化学反应，反应生成物吸附于孔板上而去除杂质以提高纯度，但仍然存在不能连续处理物料及处理效率较低、能耗较高的问题。

针对单炉膛形式的真空蒸馏炉无法实现大批量金属蒸馏的问题，现有技术中有采用卧式结构将蒸馏室和冷凝室并排连接形成双炉膛结构，并在蒸馏室和冷凝室内部设置石墨电极进行加热，然后在蒸馏室和冷凝室之间设置蒸汽通道并内置陶瓷网孔板，从而在蒸汽通道内形成一定的温度梯度以提高产物的纯度；但由于其石墨电极加热限定了只能加入和取出熔融状态的物料，因此限制了应用范围，而且仅通过冷凝室内的冷凝墙来冷凝高温蒸汽使得冷凝效率较低、无法实现多种金属的分离。为此，现有技术中还有通过将蒸发炉与冷凝炉分离形成双炉膛结构，并通过可选择不同形式的气道连接蒸发炉与冷凝炉的中部，不仅可降低能耗，不同结构形式的气道还能分流不同沸点的物质，从而实现高效分离和精馏；并且冷凝炉在侧加热上部采用多级冷凝室设计以加大温度梯度变化，从而可将不同的金属冷凝收集于对应的冷凝室内以实现多种金属分离收集和提纯。但是，由于气道的结构固定，只能在开炉前选择相应结构的气道安装使用，而在真空蒸馏的过程中无法根据需要灵活调整气道的开口大小和实现关闭，因此既无法实现动态高效精馏，而且无法关闭气道也导致蒸发炉与冷凝炉难以彻底隔离，使得无法实现真正的连续高温蒸馏；并且固定结构的气道使得需要准备多个气道，增加了成本和管理难度。另外，由于气道连通蒸发炉与冷凝炉的中部，使得蒸发炉内的高温蒸汽不仅需要引导结构及额外的加热结构才能流入通道，而且蒸汽还容易大量聚集在蒸发炉顶部，从而增加了结构的复杂性和造成能耗增加。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种结构紧凑、能耗低、精馏效率高、除杂效果好、精馏产物纯度高的真空蒸馏炉，还提供了一种基于真空蒸馏炉制备高纯铜的方法。

本发明真空蒸馏炉是这样实现的：包括蒸发炉、冷凝炉、气道，所述蒸发炉包括蒸发炉体，所述蒸发炉体的上部及底部分别设置可连通内外的加料口、排渣口，所述蒸发炉体的侧部、上部和/或底部设置有加热单元，所述蒸发炉体的顶端可拆卸的设置有顶盖；

所述冷凝炉包括冷凝炉体，所述冷凝炉体的顶端设置有与真空系统连通的真空管，所述冷凝炉体的上部和/或中部自上而下间隔设置有若干横向的铬板，所述冷凝炉体在底层铬板的下方依次间隔设置有侧加热结构、冷凝板及冷凝收集板；

所述蒸发炉体的顶部设置有出气口，所述冷凝炉体在顶层铬板的上方设置有进气口，所述气道连通蒸发炉的出气口与冷凝炉的进气口。

进一步的，所述气道内还设置有可控制开合的开合机构，所述冷凝炉体的进气口内还设置有向冷凝炉体内倾斜并向上延伸的挡板。

进一步的，所述挡板的底部和侧部与冷凝炉体的内壁密封，所述挡板的顶端与冷凝炉体的顶壁间留有截面积小于气道截面积的开口。

进一步的，所述开合机构为左右两半的双开门式旋转结构，所述开合机构向冷凝炉一侧旋转开合。

进一步的，所述冷凝炉体内的各铬板自上而下交错布置，所述铬板上间隔设置有若干通孔。

进一步的，所述冷凝炉体内在侧加热结构的下方自上而下的交错设置有至少两层冷凝板，所述冷凝炉体在冷凝板所在位置的外壁上设置有冷凝系统。

进一步的，所述冷凝炉体内的各铬板顶端均不超过冷凝炉体的炉腔中线，所述冷凝炉体内的各冷凝板顶端均超过冷凝炉体的炉腔中线。

本发明基于真空蒸馏炉制备高纯铜的方法是这样实现的：包括原料加热、气道控制、蒸汽除杂、高纯铜收集步骤，具体内容为：

A、原料加热：通过加料口将铜原料加入蒸发炉，然后打开开合机构连通蒸发炉与冷凝炉，并经真空管控制真空系统进行整体抽真空，完成后打开加热单元对铜原料进行加热，控制升温速率，使铜原料熔化；

B、气道控制：在铜原料熔化加热过程中，关闭开合机构使蒸发炉与冷凝炉隔离，接着继续控制真空系统对冷凝炉抽真空至预设真空度后停止，随后在蒸发炉内开始产生蒸汽后，根据需要调节开合机构的打开宽度，让蒸发炉中的蒸汽流动到冷凝炉内；

C、蒸汽除杂：蒸汽通入冷凝炉内并随温度降低而下沉，蒸汽在下沉过程中接触铬板，蒸汽中的杂质元素在高温下与铬化学反应而凝结在铬板的上表面，继续下沉的蒸汽在到达侧加热结构时并二次加热升温，蒸汽部分往上蒸腾并凝结在铬板的下表面；

D、高纯铜收集：蒸汽在冷凝炉内化学反应及二次加热的时间达到预设时长后，关闭侧加热结构，蒸汽继续降温下沉而大部分冷凝在冷凝板上获得高纯铜粉，余下的气体冷凝在冷凝收集板上获得高纯铜颗粒。

进一步的，所述铜原料为电解阴极铜、富铜合金、富铜二次资源和/或再生铜，所述蒸发炉和/或冷凝炉内的真空度为0.1～100Pa，所述蒸发炉内的真空蒸馏温度为1100～1800℃、真空蒸馏时间为0.5～3h且真空蒸馏升温速率为5～20℃/min。

进一步的，所述蒸汽除杂步骤中，蒸汽通入冷凝炉内的时间到达预设时长后，关闭开合机构使冷凝炉内的蒸汽独立完成除杂和冷凝直至达到预设的时长；或者持续打开开合机构使蒸发炉产生的蒸汽连续进入冷凝炉并进行除杂和收集高纯铜。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过气道连通蒸发炉顶部的出气口与冷凝炉顶层铬板上方的进气口，可使蒸发炉产生的高温蒸汽流动时顺应重力而自然流入冷凝炉内，既能避免高温蒸汽聚集在蒸发炉顶端，还能减少乃至取消蒸汽流动的加热引导结构，降低了能耗和简化了结构；而且利用气道连通蒸发炉与冷凝炉的顶部，从而可形成蒸汽分离、反应和凝结所需要的温度梯度。同时，通过冷凝炉上部的真空系统，可控制蒸汽压力以形成压力梯度，结合蒸发炉的加热单元和冷凝炉的侧加热结构，从而形成温度梯度和压力梯度可控的系统，共同控制蒸汽流动的反应路径，可有效提高精馏的效率和精馏产物的纯度。

2、本发明根据铜熔点为1083℃，而铬熔点为1907℃的差异，并利用高温蒸汽中的杂质元素Al、Cd、Bi、Ga、K、Mg、Zn、Pb、Ga、Fe、Ni、Si、Au、Cl等在挥发过程中，可与铬在高温下发生化学反应的特点（根据饱和蒸气压的关系，上述大部分杂质元素在给定的蒸馏温度范围内呈气态且活化能比较大，在高温下会与铬发生化学反应）；通过在冷凝炉内设置多层铬板结构，既能让高温蒸汽顺利通过，多层结构又能增大接触面积和提高温度梯度，从而使杂质元素多次与铬板充分反应并凝结在铬板的上表面，实现了杂质元素与铜的分离；同时在底层铬板的下方设置侧加热结构，既能提高下层铬板的蒸汽温度而增强杂质元素的反应能力，避免杂质元素因温度过低而反应不充分被带到最终的蒸馏产物中，而且冷凝炉内的蒸汽随着温度降低而下降至侧加热结构时，被侧加热结构升温至所需温度而部分往上蒸腾并部分凝结在铬板的下表面，进一步了提高分离效果。

3、本发明在冷凝炉体的进气口内设置向上倾斜的挡板，使得挡板与冷凝炉体的炉顶形成缩口状通气通道以形成拉瓦尔喷管效应，流经挡板的气体因此体积减小而压力增大被压缩放热，从而让挥发物在通过缩口状通气通道时，高沸点物质被冷凝分离而在倾斜的挡板引导下回流蒸发炉，使得冷凝炉中收集到的挥发物和蒸发炉的残留物分离效果更好，而且挡板结构通过控制气道的开口大小和长度可以达到控制精馏时间及回流速度的效果。

4、本发明在气道内设置可左右旋转的开合机构：该开合机构关闭时，可使蒸发炉和冷凝炉成为两个独立的操作空间，从而可以稳定控制蒸发温度梯度和压力梯度，还能实现蒸发炉进料而不影响冷凝炉真空度以实现连续高温蒸馏；而开合机构打开时，使蒸发炉和冷凝炉连通以形成蒸汽通道。开合机构完全打开时，是普通的平行气体流通通道，而左右都打开四分之一时，即中间开口气道为一半时，还可以形成气道前后开口大、中间收缩的窄喉结构；本发明的蒸发炉由于高温蒸气的存在，与冷凝炉形成气压差，蒸气由蒸发炉通过气道流向冷凝炉，蒸汽会在窄喉处被压缩形成高速压缩气体，并在通过窄喉处后快速膨胀形成更高流速的气体，从而形成拉瓦尔喷管效果，实现冷凝炉内挥发物的迅速降温冷却，并提高蒸发炉在气道窄喉处的压差，使蒸气的流出速度加快；同时，由于左右开合结构使得窄喉两侧均为斜坡结构，气体在窄喉处达到最大压强而被压缩放热，从而有利于高沸点物质冷凝分离并回流到蒸发炉，而低沸点物质则快速通过窄喉流向冷凝炉以达到分流作用，最终形成动态高效精馏的效果。并且开合机构加大了蒸发炉与冷凝炉之间的压差，使得蒸发炉内高沸点物质不易挥发，而低沸点物质快速通过气道后在冷凝炉迅速冷凝，从而对于沸点相差较小的合金物料可以实现更精准有效的分离。

5、本发明通过在气道中同时设置开合机构及挡板，在开合机构上下都打开四分之一时与挡板结构可以形成双级拉瓦尔喷管效果，进一步提高了动态高效精馏的效果。

6、本发明在冷凝炉的侧加热结构下方依次设置冷凝板、冷凝收集板，并进一步在冷凝板所处位置的冷凝炉侧壁设置冷凝系统，可在高温蒸汽与铬板反应充分后快速降低蒸汽的温度，从而让铜蒸汽迅速冷凝成铜粉颗粒并大部分凝结在冷凝板上，余下的冷凝在冷凝收集板上以获得高纯铜粉和颗粒，不仅提高了冷凝的效率，而且也可减少蒸汽中铜熔体微粒的相互融合，有效降低了铜粉的粒径。

综上所述，本发明具有结构紧凑、能耗低、精馏效率高、除杂效果好、精馏产物纯度高的特点。

附图说明

图1为本发明的真空蒸馏炉结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为图1的B-B向剖视图；

图4为本发明的蒸发炉与冷凝炉连接示意图之一；

图5为本发明的蒸发炉与冷凝炉连接示意图之二；

图中：1-蒸发炉，11-蒸发炉体，12-加料口，13-排渣口，14-顶盖，15-加料口端盖，16-排渣口端盖，2-冷凝炉，21-冷凝炉体，22-真空管，23-铬板，24-侧加热结构，25-冷凝板，26-冷凝收集板，27-冷凝系统，3-气道，31-开合机构，32-挡板，33-开口，4-炉壳，5-耐火砖。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2和3所示，本发明的真空蒸馏炉，包括蒸发炉1、冷凝炉2、气道3，所述蒸发炉1包括蒸发炉体11，所述蒸发炉体11的上部及底部分别设置可连通内外的加料口12、排渣口13，所述蒸发炉体11的侧部、上部和/或底部设置有加热单元，所述蒸发炉体11的顶端可拆卸的设置有顶盖14；

所述冷凝炉2包括冷凝炉体21，所述冷凝炉体21的顶端设置有与真空系统连通的真空管22，所述冷凝炉体21的上部和/或中部自上而下间隔设置有若干横向的铬板23，所述冷凝炉体21在底层铬板23的下方依次间隔设置有侧加热结构24、冷凝板25及冷凝收集板26；

所述蒸发炉体11的顶部设置有出气口，所述冷凝炉体21在顶层铬板23的上方设置有进气口，所述气道3连通蒸发炉1的出气口与冷凝炉2的进气口。

所述气道3内还设置有可控制开合的开合机构31，所述冷凝炉体21的进气口内还设置有向冷凝炉体21内倾斜并向上延伸的挡板32。

所述挡板32的底部和侧部与冷凝炉体21的内壁密封，所述挡板32的顶端与冷凝炉体21的顶壁间留有截面积小于气道3截面积的开口33。

所述开合机构31为左右两半的双开门式旋转结构，所述开合机构31向冷凝炉2一侧旋转开合。

所述冷凝炉体21内的各铬板23自上而下交错布置，所述铬板23上间隔设置有若干通孔。

所述冷凝炉体21内在侧加热结构24的下方自上而下的交错设置有至少两层冷凝板25，所述冷凝炉体21在冷凝板25所在位置的外壁上设置有冷凝系统27。

所述冷凝炉体21的下部设置有横向尺寸大于冷凝炉体21中部及上部横向尺寸的冷凝腔，所述侧加热结构24设置于冷凝腔的顶端，所述冷凝板25设置于冷却腔内，所述冷凝系统27设置于冷凝腔的侧壁，所述冷凝收集板26设置于冷却腔的底端。

所述冷凝炉体21内的各铬板23顶端均不超过冷凝炉体21的炉腔中线，所述冷凝炉体21内的各冷凝板25顶端均超过冷凝炉体21的炉腔中线。

所述加热单元为设置于蒸发炉体11侧部的电磁感应加热体或电阻丝。

如图4和5所示，所述冷凝炉2与一个或多个蒸发炉1通过气道3连通。

如图1、2和3所示，本发明基于真空蒸馏炉制备高纯铜的方法，包括原料加热、气道控制、蒸汽除杂、高纯铜收集步骤，具体内容为：

A、原料加热：通过加料口12将铜原料加入蒸发炉1，然后打开开合机构31连通蒸发炉1与冷凝炉2，并经真空管22控制真空系统进行整体抽真空，完成后打开加热单元对铜原料进行加热，控制升温速率，使铜原料熔化；

B、气道控制：在铜原料熔化加热过程中，关闭开合机构31使蒸发炉1与冷凝炉2隔离，接着继续控制真空系统对冷凝炉2抽真空至预设真空度后停止，随后在蒸发炉1内开始产生蒸汽后，根据需要调节开合机构31的打开宽度，让蒸发炉1中的蒸汽流动到冷凝炉2内；

C、蒸汽除杂：蒸汽通入冷凝炉2内并随温度降低而下沉，蒸汽在下沉过程中接触铬板23，蒸汽中的杂质元素在高温下与铬化学反应而凝结在铬板23的上表面，继续下沉的蒸汽在到达侧加热结构24时并二次加热升温，蒸汽部分往上蒸腾并凝结在铬板23的下表面；

D、高纯铜收集：蒸汽在冷凝炉2内化学反应及二次加热的时间达到预设时长后，关闭侧加热结构24，蒸汽继续降温下沉而大部分冷凝在冷凝板25上获得高纯铜粉，余下的气体冷凝在冷凝收集板26上获得高纯铜颗粒。

所述铜原料为电解阴极铜、富铜合金、富铜二次资源和/或再生铜，所述蒸发炉1和/或冷凝炉2内的真空度为0.1～100Pa，所述蒸发炉1内的真空蒸馏温度为1100～1800℃、真空蒸馏时间为0.5～3h且真空蒸馏升温速率为5～20℃/min。

所述气道控制、蒸汽除杂及高纯铜收集步骤中，冷凝炉2内的真空度数值小于蒸发炉1内的真空度数值；优选的，冷凝炉2内的真空度为0.1～60Pa，蒸发炉1内的真空度为10～100Pa。

所述蒸汽除杂步骤中，蒸汽通入冷凝炉2内的时间到达预设时长后，关闭开合机构31使冷凝炉2内的蒸汽独立完成除杂和冷凝直至达到预设的时长；或者持续打开开合机构31使蒸发炉1产生的蒸汽连续进入冷凝炉2并进行除杂和收集高纯铜。

所述高纯铜收集步骤中，关闭侧加热结构24的同时打开侧壁上的冷凝系统27。

所述高纯铜颗粒的粒径为1～100μm。

实施例1

如图1、2和3所示，采用本发明真空蒸馏炉，对电解阴极铜进行真空蒸馏制备高纯度铜颗粒，具体过程如下：

S100：通过加料口12将电解阴极铜加入蒸发炉1，然后打开开合机构31连通蒸发炉1与冷凝炉2，并经真空管22控制真空系统进行整体抽真空至50Pa，完成后打开加热单元对电解阴极铜进行加热，并控制升温速率在5～20℃/min，升温至1100～1800℃使电解阴极铜熔化。

S200：在蒸发炉1内电解阴极铜熔化加热过程中，关闭气道3内的开合机构31使蒸发炉1与冷凝炉2隔离，接着继续控制真空系统对冷凝炉2抽真空至10Pa后停止，随后在蒸发炉1内开始产生蒸汽后，根据需要调节开合机构31的打开宽度，让蒸发炉1中的蒸汽流动到冷凝炉2内。开合机构31与蒸发炉1顶部形成缩口状的通气通道，可以形成拉瓦尔喷管效应，流动到此处的蒸汽体积减小而使压力增大，该结构让挥发物在气道3中通过时，气体在窄喉处达到最大压强而被压缩放热，高沸点物质冷凝分离并回流到蒸发炉1，使得冷凝室中所收集到的挥发物和蒸发室的残留物分离效果更好。接着气体进入冷凝炉2内，可以在蒸汽通过一段时间之后，关闭开合机构31以实现气体优化控制。也可以打开开合机构31，从而能够连续处理高温蒸汽。

S300：蒸汽通入冷凝炉2内并随温度降低而下沉，蒸汽在下沉过程中接触铬板23，蒸汽中的Fe、Si、Mn、Al、Cl及Si、S、O、N、C等杂质元素，在高温下与铬化学反应而凝结在铬板23的上表面，继续下沉的蒸汽在到达侧加热结构24时并二次加热升温，蒸汽部分往上蒸腾并部分凝结在铬板23的下表面。

S400：蒸汽在冷凝炉2内化学反应及二次加热的时间达到预设时长后，关闭侧加热结构24，并同时打开冷凝炉2侧壁上的冷凝系统27，使蒸汽快速降温下沉而大部分冷凝在冷凝板25上获得高纯铜粉，余下的蒸汽冷凝在冷凝收集板26上获得高纯铜颗粒。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。