真空蒸馏法提纯稀土金属-基本原理
用真空蒸馏法提纯金属钪的工艺及最佳化研究
用真空蒸馏法提纯金属钪的工艺及最佳化研究3Ξ李国栋,刘永林(内蒙古大学物理系,内蒙古呼和浩特010021)摘要:在1550℃和617×10-3Pa实验条件下,测量了纯度为9919%的液态金属钪中Al,Cu,Cr,C o,Fe,Ni,Si杂质元素的挥发系数αi。
由此计算了这些杂质元素在该条件下的分离系数βi和活度系数γ0i,并从热力学角度分析了这些杂质元素与主体元素Sc的分离程度。
然后给出了用真空蒸馏法制备高纯金属钪的新工艺,并对其提纯机制作了探讨。
关键词:稀土;钪;真空蒸馏;提纯机制中图分类号:TF84511;TF80411 文献标识码:A 文章编号:1000-4343(2000)02-0183-04 将钙热还原无水氟化钪制得的粗钪再经真空蒸馏提纯,是目前国内外生产高纯金属钪的基本方法。
以往的研究表明,尽量选用高纯氧化钪作原料,使高纯金属钪产品中的稀土杂质总量小于10μg・g-1是不困难的。
可是,尽管在选用还原剂、坩埚材质及其他辅料和工具、器皿、环境气氛等方面十分考究,然而要将所制得的高纯金属钪中的非稀土杂质总量降低到100μg・g-1以内却相当不容易。
这是因为金属钪的化学活性高,在制取过程中极易被各类杂质污染。
因此,研究金属钪高纯化问题的实质就是如何更有效地降低金属钪中的非稀土杂质。
本文报道解决这一问题的过程中所提出的一些新工艺及相应的机制。
1 实验方法实验是在石英管式真空感应电炉中进行的。
将50g纯度为9919%的金属钪放入Φ40mm×70mm的钽坩埚内,上面套以011mm厚钽片制成的圆筒状蒸馏塔,塔顶中央有Φ5mm的预留孔,孔上又加装一个Φ30mm的凹形盖片。
在整个蒸馏过程中,炉内真空度始终保持在617×10-3Pa,温度用热电偶校正过的光学高温计测量,金属钪熔体温度为(1550±10)℃,每次蒸馏1h。
蒸馏前后对试样都要准确称重,并送包头稀土研究院分析室进行成分分析。
真空蒸馏工艺方法及影响因素
立志当早，存高远真空蒸馏工艺方法及影响因素真空蒸馏提纯稀土金属的设备主要包括中频感应炉、真空碳管炉火纯和高温钽片炉等。
为了防止加热材料的污染，生产中以前者为主，感应加热的蒸馏装置见图1。
真空蒸馏提纯稀土金属打中能性与工艺条件主要由基体金属和金属中杂质的熔点以及它们在某一温度下的蒸气压和其他性质所决定，蒸馏装置也应根据基体金属及杂质的这些性质来选择。
根据稀土金属的熔点、蒸气压以及蒸馏提纯的工艺条件，大致可将稀土金属的蒸馏提纯划分为四个组，见表1。
影响蒸馏提纯的因素很多，其中比较重要的是蒸馏温度、杂质的性质和含量、炉内气体残压和组成、挥发表面积及搅拌作用、冷凝器的温度和结构、蒸馏装置的结构及特点等[2]。
对于蒸气压较高的稀土金属，在低于1500℃的较低温度下蒸馏提纯，可有效地去除稀土金属中的难熔金属钛、钨、钼等杂质和氧、氮、碳等气体杂质。
但若蒸馏温度超过1650℃，由于易挥发的低价稀土氧化物将与金属一起蒸发馏产品的污染及控制金属蒸气压的方向。
但如果去掉挡板，并降低蒸馏温度，可以改善提纯效果。
真空蒸馏法提纯稀土金属所采用的坩埚及冷凝器均为钨、钼、钽等难熔金属材料，但由于稀土金属的高温腐蚀，坩埚使用寿命短，占生产成本比重较高。
图1 蒸馏设备示意图1-石英玻璃片；2-密封圈；3-冷却水管；4-铜盖；5-蒸馏钇；6-石英管；7-蒸馏塔；8-粗钇；9-感应圈；10-石墨保护层；11-真空接头；12-密封；13-隔热钽片；14-钽发热体表1 稀土金属蒸馏提纯分类[2]稀土金属熔点/℃沸点/℃蒸气压蒸馏工艺条件Sc、Dy、Ho、Er 较高（1400～1540）较低（2560～2870）较高接近熔点（约1600℃）的温度下蒸馏Y、Gd、Tb、Lu 较高（1310～1660）高（3200～3400）低蒸馏温度较高（2000℃）Sm、Eu、Tm、Yb 较低（820～1070）低（1200～1950）高熔点以下升提纯，或在。
金属真空蒸馏
计算某一温度的值时，取一系列 的Bl和Al，相应的γA、γB和PA*、 PB*，得到系列的Ag即可作出AgAl关系图，即气液相平衡成分图。
Zn-Fe系气-液平衡成分图 Zng+Feg=1 Zn1+Fe1=1
1.2.4 合金的蒸发过程
合金蒸馏时，蒸发元素经由合金熔体中迁移到表面、蒸发，蒸 气迁移到冷凝器成为凝聚态金属，完成分离的目的。
真空冶金学学第一章真空技术的基本知识第二章金属真空蒸馏第三章有色合金中间产品的真空蒸馏分离第四章矿石及半成品的真空蒸馏第五章金属化合物的真空还原第六章高熔点金属的真空精炼第七章粉末材料的真空制备第八章金属表面处理第九章真空技术在冶金中的其他应用第二章金属真空蒸馏1
真空冶金学 Vacuum Metallurgy
粗金属真空精炼提纯
由于主体金属（B）与杂质金属（A）的含量有～2个数量级 之别，可将杂质当作主体金属形成溶液中的少量溶质 ，即 “稀 溶液”中的溶质，则溶质(若为A)的活度系数γA为常数。同时 溶剂B的活度系数γB≈1。则βA值为：
左图中α为二元合金的蒸发系数：
1.2.3 气液相平衡成分图
定量估算真空蒸馏合金组分分离的程度、产品成分，是实践中的 重要的事。绘制合金的气液相平衡成分图可以达到此目的。
蒸发过程：
（1）在合金熔体内迁移 （2）金属表面上的蒸发元素由合金熔体表面上蒸发，使它得 到热量，增大分子动能最后逸出表面，并逸出金属表面的气体 覆面层δ g 一般蒸发 沸腾蒸发 分子蒸发
（3）金属气体分子由蒸发面向冷凝面的传递。 残余气体分子 已蒸发到空间的金属气体分子
P系
元素在合金和冷凝器间的迁移过程及温度的示意图
Ag+Bg=1 Al+Bl=1 对气相有：Ag= ρA/（ρA+ρB）=1/（1+ρA/ρB） 气相物质中组分A、B的质量分数： Ag=[1+(Bl/Al)· (γ B /γ A )· (PB*/PA*)]-1 Bg=[1+(Al/Bl)· (γ A /γ B )· (PA*/PB*)]-1 Al、Bl为液相中A、B的质量分数
内热式多级连续真空蒸馏金属分离技术
内热式多级连续真空蒸馏金属分离技术摘要：内热式多级连续真空蒸馏技术是一种新兴的金属分离技术，利用物质的不同汽化温度和汽化压力来实现金属的高效分离。
本文将对内热式多级连续真空蒸馏技术的原理、工艺流程、装置结构、应用前景等进行介绍，以期为相关研究和工程应用提供参考。
关键词：内热式多级连续真空蒸馏；金属分离；工艺流程；装置结构一、引言内热式多级连续真空蒸馏技术是一种利用金属或合金在真空条件下的不同汽化温度和汽化压力来实现金属分离的新兴技术。
由于该技术能够实现金属的高效、纯度高的分离，受到了广泛的关注和研究。
本文旨在阐述内热式多级连续真空蒸馏技术在金属分离中的原理、工艺流程、装置结构以及应用前景，为相关研究和工程应用提供参考。
二、内热式多级连续真空蒸馏技术原理内热式多级连续真空蒸馏技术是基于金属或合金在真空条件下的不同汽化温度和汽化压力的原理而发展起来的。
在内热式多级连续真空蒸馏过程中，首先将含有多种金属或合金的原料置于真空容器中，并通过加热来使其中的金属或合金达到汽化温度，然后通过不同级别的真空蒸馏设备进行连续分离，最终得到所需的金属产品。
该技术能够充分利用金属或合金的汽化性质，实现金属的高效分离，且产物的纯度较高。
三、内热式多级连续真空蒸馏工艺流程内热式多级连续真空蒸馏工艺流程包括原料处理、真空蒸馏分离和产物回收三个主要步骤。
1. 原料处理：将含有多种金属或合金的原料经过粉碎、混合、均匀等处理，制备成适合进入内热式多级连续真空蒸馏设备的粉末或块料。
2. 真空蒸馏分离：将处理好的原料放入内热式多级连续真空蒸馏设备中，利用加热装置使金属或合金达到汽化温度，然后通过多级连续真空蒸馏设备进行金属的分离，从而得到所需的金属产品。
3. 产物回收：将分离得到的金属产品进行冷却、固化、成型等处理，最终得到可用的金属产品，同时通过回收和处理未被分离的废料，实现资源的再利用。
四、内热式多级连续真空蒸馏装置结构内热式多级连续真空蒸馏装置主要包括真空蒸馏设备、加热装置、冷却装置、回收装置等。
第二章 金属真空蒸馏(2015)剖析
1
2 金属真空蒸馏
在有色金属生产中一般都是先产出粗金属，而后精炼成 各种品级的成品。传统的精炼方法是在常压下进行，有 火法、湿法、电解法等。
真空冶金精炼粗金属的特点是：流程短、污染小或没有 污染，金属回收率高，加工费用低。
生产某些高纯金属或超纯金属中，真空冶金技术的应用 是必要的，发挥的作用甚至是其他方法无法替代的。
在相同温度下，压强增大，使多原子分子气体的分压增加；降低压强，则较少原 子的分子气体分压增加。显然在真空中，较高的温度下，气态物质倾向于分解成
16
较少原子的分子。
2.1.2 纯金属的蒸发速率
纯金属在一定温度下的蒸气压决定其挥发速率。上一章 节推导的是在分子态情况下的挥发速率，即气体分子与 器壁的碰撞为主时得到，故称为“最大挥发速率”。
由上式可见， lg p T 1 画图为直线，其精确度已能满足工程上的需要。
6
第二种积分式是考虑到更为实际的情况，即蒸发潜热L因温变 改变而有所变化，有：
L L0 aT bT 2 cT 3
将这个式子代入克劳修斯-克莱普朗式:
积分得：
d ln
p
L RT 2
a R
dT T
＋b dT R
c TdT
真空冶金精炼粗金属也就是粗金属的真空蒸馏或真空精 馏，再配合其他的方法，如结晶法、加剂法等可进行金 属的真空精炼。
2
2.1 基本原理
粗金属或合金真空蒸馏影响因素：
➢每种金属在特定温度范围下有一定的蒸气压和蒸气的结构。 因此在温度不变的情况下，环境的气体压强对金属蒸发有显 著的影响。 ➢当金属不是单体存在而是几种元素形成粗金属或合金时， 各元素间的相互作用影响每一样金属的蒸发量，使这个蒸发 量与单元素的蒸发量不同。 ➢金属蒸气冷凝时各元素的凝聚又有不同的情况。
第二章 金属真空蒸馏(2015)
2.1.2 纯金属的蒸发速率
纯金属在一定温度下的蒸气压决定其挥发速率。上一章
节推导的是在分子态情况下的挥发速率，即气体分子与 器壁的碰撞为主时得到，故称为“最大挥发速率”。
实践中，真空环境里的压强在许多时候都没有达到“分 子态”，气体分子间的碰撞有某种程度的存在，环境中 的气体压强还较大。因此，物质的挥发速率受压强影响。
15
例如砷的气体，当温度和压强变化时有表2-2的情况。As4在温度较低和 压强较高时，存在的相对量多，As2和As较少。反之，在温度较高和压强较
低时As4分解余留较少，而As2和As存在量相对较大。
在相同温度下，压强增大，使多原子分子气体的分压增加；降低压强，则较少原
子的分子气体分压增加。显然在真空中，较高的温度下，气态物质倾向于分解成 16
lg P AT 1 B lg T CT D
查表2-1得：A=-5819;B=-1.257;C=0;D=14.407
lg P 5819 1.257 lg 1038 14.407 1038
lgP=5.011
P=102565Pa
9
10
11
．
12
例2：计算锌在镉的沸点（765℃）时的蒸汽压。
略去其中的一些数值很小的项，用一些符号代替各项的系数， 则有： lg p AT 1 B lg T CT D
7
此式较前一种积分式准确，它的 lg p 图是曲线，各种金属 T 的曲线如图
1
8
各种金属的蒸气压和温度关系的各系数：A、B、C、D列于表2-1 书上P38-40
例1：镉（Cd）的熔点是321℃，沸点是765℃，计算镉在沸点 时的蒸汽压。 解：沸点的温度T=765+273=1038K
真空蒸馏法脱铜
真空蒸馏法脱铜一、前言真空蒸馏法是一种常见的化学分离技术，可以用于从混合物中分离出单一的物质。
在这种分离过程中，物质被加热至其沸点，然后蒸发成气体，在真空下冷凝回到液态，从而实现了纯度较高的分离。
本文将介绍真空蒸馏法在脱铜方面的应用。
二、真空蒸馏法概述1. 原理真空蒸馏法是利用低压下物质沸点降低的原理，将混合物中某种物质加热至其沸点并使其蒸发成气体，然后通过冷凝器将气态物质转化为液态，并收集所需单一成分。
2. 设备真空蒸馏法需要使用以下设备：加热器、冷凝器、收集瓶、真空泵等。
3. 步骤（1）将混合物放入加热器内，并通入惰性气体以防止氧化。
（2）开启加热器并升温至目标温度。
（3）开启真空泵，将系统抽成低压状态。
（4）当目标物质达到沸点时，开始蒸发成气体。
（5）气态物质进入冷凝器，通过冷却转化为液态并收集。
三、真空蒸馏法在脱铜方面的应用1. 脱铜原理真空蒸馏法在脱铜方面的应用是基于铜在真空下的沸点较低这一原理。
将含有铜的混合物加热至铜的沸点，使其蒸发成气体，然后通过冷凝器将气态铜转化为液态并收集。
2. 实验步骤（1）将含有铜的混合物放入加热器内，并通入惰性气体以防止氧化。
（2）开启加热器并升温至约1100℃左右。
（3）开启真空泵，将系统抽成低压状态。
（4）当铜达到沸点时，开始蒸发成气体。
（5）气态铜进入冷凝器，通过冷却转化为液态并收集。
3. 实验注意事项（1）加热过程中要保持恒定的温度和压力，并避免过高温度导致混合物分解或挥发。
（2）真空泵要保持正常运转并避免因抽气不足导致蒸发速率过慢或铜沉积在加热器内。
（3）冷凝器要保持良好的密封性和冷却效果，以确保气态铜能够顺利转化为液态并收集。
四、总结真空蒸馏法是一种常见的化学分离技术，在脱铜方面也有着广泛的应用。
通过加热混合物并在低压下将目标物质转化为气态，然后通过冷却将其转化为液态并收集，可以实现高纯度的分离。
在实验中需要注意控制温度和压力，并保持设备良好的运行状态。
稀土金属及合金制备
概述稀土火法冶金技术分为三大类：熔盐电解、金属热还原和火法提纯技术。
稀土火法冶金( rare earths pyrometallurgy)技术是指应用高温这一重要的热力学条件，完成还原稀土离子成金属态和金属提纯的过程。
此过程没有水溶液参加，故又称为火法冶金。
火法冶金工艺过程简单，生产率较高。
稀土火法冶炼主要包括硅热还原法制取稀土合金，熔盐电解法制取稀土金属或合金，金属热还原法制取稀土合金等。
火法冶金的共同特点是在高温条件下生产。
稀土金属的制备方法有：①金属热还原法。
常用钙、锂、钠、镁等金属做还原剂，还原稀土金属的卤化物。
②熔盐电解法。
可电解稀土卤化物与碱金属、碱土金属卤化物的熔盐。
进一步纯制可采用真空熔炼法、真空蒸馏法、电迁移法和区域熔炼法。
二：稀土氯化物电解制取稀土金属2.1氯化物熔盐电解的基本原理根据电解质能够发生电离的原理，由RECl：—KCl组成的电解质，在熔融状态下也会发生电离作用，化合物离解为能自由运动的阳离子和阴离子。
氯化稀土将按如下方式离解RECl3＝RE3十十3C1—-氯化钾将按如下方式离解：KCl＝K十十C1—在直流电场的作用下，电解质中的阳离子K十、RE3十都朝电解槽的阴极运动，而阴离子Cl—则向电解槽的阳极移动，结果在靠近阴极的电解质层中，集中有大量的阳离子，在靠近阳极的电解层中，集中有大量的阴离子。
在稀土氯化物电解条件下，阳离子中的稀土离子RE3+获得电子生成稀土金属，在阴极上的电化学反应为：RE3十十3e一＝RE阴离子中的氯离子C1—则在阳极上失去电子，并生成氯气(C12)，在阳极上的电化学反应为：2C1—一2e—===Cl23C1——3e—===3/2 C12这样，电解的结果，在阴极上使得到稀土金属，在阳极上放出氯气，而消耗了氯化稀土和直流电。
电解过程中的总反应式可以表示如下：RECl3===RE+3/2 C122.2 稀土氯化物电解原料和电解质稀土氯化物电解原料是把稀土氯化物和氯化钾按一定比例配制(一般氯化稀土重量为35—50％)构成熔盐电解体系。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
立志当早，存高远
真空蒸馏法提纯稀土金属-基本原理
真空蒸馏法是制备高纯稀土金属常用的方法，也是目前产业化较成功的
方法之一。
综合来看，该方法的生产效率和稀土金属收率较高，设备投资小，提纯效果明显，适宜于规模化生产。
基本原理
稀土金属的真空蒸馏提纯是利用某些稀土金属蒸气压高这一特性，在高温真空下蒸馏，使稀土金属与杂质分离，从而达到金属提纯的目的。
蒸馏过程可以由升华或蒸发形戒严令完成，这取决于稀土金属的蒸气压与熔点之间的关系。
若金属（如Sm、Eu、Yb 等）在低于其熔点下的蒸气压较高，能够获得足够大的蒸馏速度，则可采用升华进行提纯；若需要把金属（比如Dy、Er 等）加热到其熔点之上才能使金属的蒸气压达到较高值，获得较高的蒸馏速度，则应采用蒸发提纯。
在金属蒸馏过程中，当金属的蒸气压很小（Pa≤0.133Pa），而且蒸馏系统真空度很高时的条件下，纯金属的蒸发可以视为“分子蒸发”，其单位面积
（cm2）和一定时间（s）内的蒸发量（g），即最大蒸速度We 可以用朗格缪尔方程表示：
式中a——冷凝系数，一般金属等于1；Pe——蒸发温度下金属的蒸气压，Pa；T——蒸发温度，K；M——蒸发金属的分子量。
实际上在稀土
金属蒸馏的提纯的过程中Pe＞0.133Pa，而且金属蒸汽冷凝为固体过程中，由于冷凝速度的限制，金属蒸气在蒸发器上方聚集产生回凝，这使得朗格缪尔方程的计算结果与实际结果存在偏差。
这可以通过修正Pe 来减小计算误差，如。