一种负压挥发提纯五氧化二钒的方法与流程

1.本发明涉及钒冶金技术领域，具体涉及一种负压挥发提纯五氧化二钒的方法。


背景技术：

2.五氧化二钒广泛应用于钢铁、化工、航空航天、能源等领域。随着材料领域的发展，钒电解液、钒铝合金、金属钒、钒催化剂等高端含钒材料对原料五氧化二钒的纯度要求越来越高，高纯五氧化二钒市场需求量也呈快速增长趋势。目前，高纯五氧化二钒制备有化学沉淀法、溶液萃取法、氯化法等方法。
3.cn112209441a公开了一种偏钒酸铵提纯制备高纯五氧化二钒的方法，其通过碱溶偏钒酸铵、钒液陈化、水解沉钒、返溶沉钒得到纯度大于99.8％的偏钒酸铵，再通过煅烧脱氨得到高纯五氧化二钒。该方法采用二次溶解、一次吸附除杂、二次沉淀、一次煅烧脱氨的方法获得了高纯五氧化二钒，过程中使用了氢氧化钠、硫酸、氨水等化学药剂，因此，该工艺具有工艺流程长、药剂用量大且产生的废水处理难度大的不足。
4.cn111057876a公开了一种用微乳液萃取制备高纯五氧化二钒的方法，其通过调节ph、微乳液制备、萃取、负载微乳相洗涤、反萃、碱性铵盐沉钒、煅烧脱氨得到高纯五氧化二钒，过程中使用了有机萃取剂、煤油、氢氧化钠、氯化钠、硫酸、硫酸铵或氯化铵等化学药剂，因此，该工艺也存在工艺流程长、药剂用量大且产生的废水处理难度大的不足。
5.cn103130279b公开了一种氯化法生产高纯五氧化二钒方法，其先将含钒物质和碳单质混合均匀经烘干加入到反应器中，先后通过氯化、精馏、水解和后处理后等到高纯五氧化二钒，该工艺虽然减少了传统湿法冶金过程中形成的工业有害废水，整个生产过程工艺简单，基本无废物产生，但采用氯气存在安全风险。
6.综上所述，现有高纯五氧化二钒制备方法存在工艺流程长，药剂消耗大、污染环境、杂质去除不彻底等问题，因此，开发一种工艺简单、安全环保、低成本的高纯五氧化二钒制备方法十分必要。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了克服现有技术存在的制备高纯五氧化二钒工艺流程长、药剂消耗大、污染环境、杂质去除不彻底等问题，提供一种负压挥发提纯五氧化二钒的方法。该方法利用五氧化二钒与杂质氧化物熔点和饱和蒸汽压的差异性，提出了采用负压挥发分离提纯制备高纯五氧化二钒的方法，该过程没有使用化学药剂，也无废水产生，仅通过一步加热挥发分离即可得到高纯五氧化二钒，工艺简单，生产成本低，与其它五氧化二钒生产工艺相比，在安全环保、经济成本方面具有明显优势，在国内外氧化钒生产企业具有广阔的推广应用前景。
8.为了实现上述目的，本发明提供了一种负压挥发提纯五氧化二钒的方法，该方法包括以下步骤：
9.(1)将五氧化二钒在800～1500℃条件下熔化形成液态熔池；
10.(2)维持液态熔池温度，将液态五氧化二钒转变为五氧化二钒蒸气；
11.(3)在压力为10～50kpa条件下将五氧化二钒蒸气从液态熔池导出，并将五氧化二钒蒸气冷却降温至120～450℃，得到纯度大于99.9％的五氧化二钒。
12.优选地，该方法还包括：
13.(4)当液态熔池液位降低至步骤(1)液态熔池液位初始值0.05～0.1倍时，排空液态熔池中的剩余物料；
14.(5)重复步骤(1)～(4)，进行连续生产。
15.优选地，在步骤(1)中，所述五氧化二钒的纯度≤99.5％，杂质含量≥0.5质量％。
16.更优选地，所述杂质包括fe、cr、mn、si、na、k、p和s中的至少一种。
17.优选地，在步骤(1)中，将五氧化二钒在900～1400℃条件下熔化。
18.优选地，在步骤(3)中，在压力为20～50kpa条件下将五氧化二钒蒸气从液态熔池导出。
19.优选地，在步骤(3)中，五氧化二钒蒸气通过循环冷却水冷却降温。
20.优选地，所述方法在提纯装置中实施，所述提纯装置包括依次设置的熔化炉、冷凝器和真空系统，
21.所述熔化炉的顶部设置有加料口，四周和底部设置有多个加热元件，所述熔化炉的底部还设置有出料口；
22.所述冷凝器包括冷却通道，所述冷却通道的上内壁和下内壁分别间隔设置有多个冷凝器隔板，所述冷却通道的顶部外侧设置有冷却水进口、冷却水通道和冷却水出口，所述冷却通道的底部连续可拆卸设置有多个收集器。
23.优选地，两个所述冷凝器隔板之间的间隔为20～80cm。
24.优选地，所述冷却通道的底部连续可拆卸设置有3～8个收集器。
25.优选地，该方法包括以下步骤：
26.s1、将五氧化二钒从所述加料口加入所述熔化炉中，关闭加料口，然后对所述熔化炉加热升温，五氧化二钒在800～1500℃条件下熔化形成液态熔池；
27.s2、持续对所述熔化炉加热维持液态熔池温度，将液态五氧化二钒转变为五氧化二钒蒸气；
28.s3、开启所述真空系统控制所述熔化炉内的压力为10～50kpa，将五氧化二钒蒸气从所述熔化炉导入所述冷却通道，并将五氧化二钒蒸气冷却降温至120～450℃，所述收集器内得到纯度大于99.9％的五氧化二钒。
29.优选地，该方法还包括：
30.s4、当液态熔池液位降低至步骤s1液态熔池液位初始值的0.05～0.1倍时，关闭真空系统，停止加热，打开所述出料口，排空所述熔化炉内液态熔池中的剩余物料；
31.s5、重复步骤s1～s4，进行连续生产。
32.本发明所述方法根据五氧化二钒与杂质氧化物熔点和饱和蒸汽压的差异性，在保证v2o5不发生分解反应的条件下，使五氧化二钒熔化形成液态熔池，温度高于熔点后五氧化二钒饱和蒸气压快速增加，剧烈挥发，而杂质元素难以挥发，从而实现钒杂的高效分离，通过五氧化二钒冷凝收集获得高纯五氧化二钒。
附图说明
33.图1是本发明所述的提纯装置示意图。
34.附图标记说明
35.10熔化炉；11加料口；12加热元件；13出料口；
36.20冷凝器；21冷却通道；22冷凝器隔板；23冷却水进口；24冷却水通道；25冷却水出口；26收集器；
37.30真空系统。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
39.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
40.本发明提供的负压挥发提纯五氧化二钒的方法，包括以下步骤：
41.(1)将五氧化二钒在800～1500℃条件下熔化形成液态熔池；
42.(2)维持液态熔池温度，将液态五氧化二钒转变为五氧化二钒蒸气；
43.(3)在压力为10～50kpa条件下将五氧化二钒蒸气从液态熔池导出，并将五氧化二钒蒸气冷却降温至120～450℃，得到纯度大于99.9％的五氧化二钒。
44.在本发明所述方法中，将五氧化二钒在800～1500℃下熔化、挥发后，然后在10～50kpa条件下将五氧化二钒蒸气导出冷却，可以避免氧分压过低，而使v2o5发生分解生产o2和低价钒氧化物(vo2、v2o3等)，导致得不到v2o5。
45.在具体实施方式中，该方法还包括：(4)当液态熔池液位降低至步骤(1)液态熔池液位初始值的0.05～0.1倍时，排空液态熔池中的剩余物料；(5)重复步骤(1)～(4)，实现连续生产。
46.本发明所述方法可以适用于含有多种杂质的五氧化二钒。在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述五氧化二钒的纯度≤99.5％，杂质含量≥0.5质量％。
47.在优选实施方式中，所述杂质包括fe、cr、mn、si、na、k、p和s中的至少一种。进一步地，fe、cr、mn、si、p以氧化物的形式存在于所述五氧化二钒中，na、k、s以硫酸盐的形式存在于所述五氧化二钒中。
48.在本发明所述方法中，为了保证v2o5能够熔化并形成蒸气，而杂质不形成蒸气，需要将熔化温度控制在适当范围内。
49.在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述五氧化二钒可以在800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃或1500℃条件下熔化。
50.在优选实施方式中，在步骤(1)中，将五氧化二钒在900～1400℃条件下熔化。
51.在本发明所述方法中，为了保证所述五氧化二钒蒸气能够在负压在剧烈挥发，同时保证五氧化二钒不会分解以及杂质元素不挥发，应该将五氧化二钒蒸气在适当压力范围内导出，从而实现v2o5与杂质的分离。
52.在具体实施方式中，在步骤(3)中，可以在压力为20kpa、25kpa、30kpa、35kpa、40kpa、45kpa或50kpa条件下将五氧化二钒蒸气从液态熔池导出。
53.在优选实施方式中，在步骤(3)中，在压力为20～50kpa条件下将五氧化二钒蒸气从液态熔池导出。
54.在本发明所述方法中，五氧化二钒蒸气从液态熔池导出后，只需要对其进行冷却降温，使其转变为固态v2o5，即可收集得到高纯五氧化二钒。
55.在具体实施方式中，在步骤(3)中，五氧化二钒蒸气可以通过循环冷却水冷却降温。
56.本发明对实施所述方法所采用的装置没有限制，只要能够实现本发明即可。
57.在具体实施方式中，所述方法可以在如图1所示的提纯装置中实施，所述提纯装置包括依次设置的熔化炉10、冷凝器20和真空系统30，
58.所述熔化炉10的顶部设置有加料口11，四周和底部设置有多个加热元件12，所述熔化炉10的底部还设置有出料口13；
59.所述冷凝器20包括冷却通道21，所述冷却通道21的上内壁和下内壁分别间隔设置有多个冷凝器隔板22，所述冷却通道21的顶部外侧设置有冷却水进口23、冷却水通道24和冷却水出口25，所述冷却通道21的底部连续可拆卸设置有多个收集器26。
60.在具体实施过程中，所述五氧化二钒在熔化炉10中熔化并形成蒸气，然后由真空系统30提供负压将五氧化二钒蒸气从熔化炉10导出进入冷却通道21中，而杂质留在熔化炉10中，然后由冷却水通道24中的循环冷却水对五氧化二钒蒸气冷却降温，固态高纯v2o5落入收集器中，从而实现提纯五氧化二钒的目的。多个收集器26连续设置即多个收集器26一个挨着一个设置，相邻两个收集器26之间没有间隔，这样设置可以将冷却通道21中任意一个部位冷却后掉落下来的固态高纯v2o5均能落入收集器中。
61.在具体实施方式中，相邻两个所述冷凝器隔板22之间的间隔为20～80cm。在本发明中，如果相邻两个所述冷凝器隔板22之间的间隔过小，蒸气流动阻力增加导致其在冷却器中停留时间增加，降低了生产效率；如果相邻两个所述冷凝器隔板22之间的间隔过大，蒸气阻力降低导致其在冷凝器中停留时间减小，无法通过充分热交换使得蒸气冷却至指定温度而无法进入收集器中。因此，在本发明中将相邻两个所述冷凝器隔板22之间的间隔设置在20～80cm在保证合适的生产效率的同时，使蒸气在冷却器中充分热交换冷却至指定温度后进入收集器。
62.在一种优选实施方式中，相邻两个所述冷凝器隔板22之间的间隔为30～60cm。
63.在另一种优选实施方式中，所述冷却通道21的底部连续可拆卸设置有3～8个收集器26。
64.在采用本发明所述的提纯装置实施本发明所述方法的基础上，该方法包括以下步骤：
65.s1、将五氧化二钒从所述加料口11加入所述熔化炉10中，关闭加料口11，然后对所述熔化炉10加热升温，五氧化二钒在800～1500℃条件下熔化形成液态熔池；
66.s2、持续对所述熔化炉10加热维持液态熔池温度，将液态五氧化二钒转变为五氧化二钒蒸气；
67.s3、开启所述真空系统30控制所述熔化炉10内的压力为10～50kpa，将五氧化二钒
蒸气从所述熔化炉10导入所述冷却通道21，并将五氧化二钒蒸气冷却至120～450℃，所述收集器26内得到纯度大于99.9％的五氧化二钒。
68.在该方法中，所述五氧化二钒物料由所述加料口11加入所述熔化炉10中，然后通过加热元件12对熔化炉10加热升温至800～1500℃，使五氧化二钒在800～1500℃条件下熔化，然后由真空系统30提供负压控制熔化炉10内的压力为10～50kpa，并通过负压将五氧化二钒蒸气从熔化炉10导出进入冷却通道21中，而杂质留在熔化炉10中，然后由冷却水通道24中的循环冷却水对五氧化二钒蒸气冷却降温，固态高纯v2o5落入收集器中。
69.为了采用该方法实现连续生产，在优选实施方式中，该方法还包括：
70.s4、当液态熔池液位降低至步骤s1液态熔池液位初始值的0.05～0.1倍时，关闭真空系统，停止加热，打开所述出料口13，排空所述熔化炉10内液态熔池中的剩余物料；s5、重复步骤s1～s4，进行连续生产。
71.本发明所述方法具有无化学药剂消耗、无污染、成本低、工艺简单等优点，创造性利用五氧化二钒与杂质氧化物熔点和饱和蒸汽压的差异性，仅通过一步加热挥发分离即得到高纯五氧化二钒。
72.以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
73.本发明中的实施例均采用以下提纯装置进行实施。
74.所述提纯装置包括依次设置的熔化炉10、冷凝器20和真空系统30，所述熔化炉10的顶部设置有加料口11，四周和底部设置有多个加热元件12，所述熔化炉10的底部还设置有出料口13；所述冷凝器20包括冷却通道21，所述冷却通道21的上内壁和下内壁分别间隔设置有多个冷凝器隔板22，相邻两个所述冷凝器隔板22之间的间隔为20～80cm，所述冷却通道21的顶部外侧设置有冷却水进口23、冷却水通道24和冷却水出口25，所述冷却通道21的底部连续可拆卸设置有3～8个收集器26。
75.实施例1
76.(1)从加料口11将五氧化二钒(纯度为98.2％，fe含量为0.24质量％、cr含量为0.16质量％、si含量为0.35质量％、na含量为0.82质量％)加入熔化炉10中，关闭加料口11，将熔化炉10升温至900℃使五氧化二钒完全熔化形成液态熔池；(2)持续加热维持液态熔池温度将液态五氧化二钒转变为五氧化二钒蒸气；(3)开启真空系统30控制熔化炉10内压力为24kpa，并将五氧化二钒蒸气导入冷却通道21中采用循环冷却水降温至360℃，得到高纯五氧化二钒；(4)当熔池液位降低至初始值的0.08倍时，关闭真空系统30，停止加热，打开出料口13，排空熔化炉内物料；(5)关闭出料口13，重复步骤(1)～(4)，进行连续生产。
77.经检测高纯五氧化二钒纯度为99.94％，fe含量为0.002质量％、cr含量为0.003质量％、si含量为0.008质量％、na含量为0.011质量％。
78.实施例2
79.(1)从加料口11将五氧化二钒(纯度为99.3％，fe含量为0.18质量％、mn含量为0.22质量％、si含量为0.09质量％、p含量为0.13质量％)加入熔化炉10中，关闭加料口11，将熔化炉10升温至1400℃使五氧化二钒完全熔化形成液态熔池；(2)持续加热维持液态熔池温度将液态五氧化二钒转变为五氧化二钒蒸气；(3)开启真空系统30控制熔化炉10内压力为46kpa，并将五氧化二钒蒸气导入冷却通道21中采用循环冷却水降温至270℃，得到高纯五氧化二钒；(4)当熔池液位降低至初始值的0.07倍时，关闭真空系统30，停止加热，打开
出料口13，排空熔化炉内物料；(5)关闭出料口13，重复步骤(1)～(4)，进行连续生产。
80.经检测高纯五氧化二钒纯度为99.98％，fe含量为0.001质量％、mn含量为0.003质量％、si含量为0.005质量％、p含量为0.004质量％。
81.实施例3
82.(1)从加料口11将五氧化二钒(纯度为97.8％，fe含量为0.37质量％、cr含量为0.22质量％、si含量为0.20质量％、na含量为1.01质量％、k含量为0.15质量％、p含量为0.09质量％)加入熔化炉10中，关闭加料口11，将熔化炉10升温至1200℃使五氧化二钒完全熔化形成液态熔池；(2)持续加热维持液态熔池温度将液态五氧化二钒转变为五氧化二钒蒸气；(3)开启真空系统30控制熔化炉10内压力为35kpa，并将五氧化二钒蒸气导入冷却通道21中采用循环冷却水降温至300℃，得到高纯五氧化二钒；(4)当熔池液位降低至初始值的0.09倍时，关闭真空系统30，停止加热，打开出料口13，排空熔化炉内物料；(5)关闭出料口13，重复步骤(1)～(4)，进行连续生产。
83.经检测高纯五氧化二钒纯度为99.91％，fe含量为0.002质量％、cr含量为0.004质量％、si含量为0.02质量％、na含量为0.04质量％、k含量为0.002质量％、p含量为0.001质量％。
84.对比例1
85.按照实施例3的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，将熔化炉10升温至700℃使五氧化二钒完全熔化形成液态熔池。
86.经检测高纯五氧化二钒纯度为99.38％，fe含量为0.13质量％、cr含量为0.10质量％、si含量为0.04质量％、na含量为0.22质量％、k含量为0.07质量％、p含量为0.03质量％。
87.对比例2
88.按照实施例3的方法实施，不同的是，在步骤(3)中，开启真空系统30控制熔化炉10内压力为8kpa。
89.经检测高纯五氧化二钒纯度为99.20％，fe含量为0.17质量％、cr含量为0.11质量％、si含量为0.05质量％、na含量为0.34质量％、k含量为0.08质量％、p含量为0.03质量％。
90.对比例3
91.按照实施例3的方法实施，不同的是，在步骤(3)中，开启真空系统30控制熔化炉10内压力为55kpa。
92.经检测高纯五氧化二钒纯度为99.41％，fe含量为0.009质量％、cr含量为0.07质量％、si含量为0.08质量％、na含量为0.31质量％、k含量为0.06质量％、p含量为0.04质量％。
93.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。