基于分子筛提取锂工艺单元串联模块化吸附设备及其制造方法

权利要求书： 1.一种基于分子筛提取锂工艺单元串联模块化吸附设备，其特征在于，包括装配式提取锂单元吸附床模块，由模块串联组合的吸附塔设备，以形成浓差自平衡梯阶吸附流程，达到在天然水体中更贴近符合分子体运动规律的流体动态吸附；

其中，所述模块串联组合吸附塔设备包括：在内部从上到下依次相邻设置，分为上拱壳进液分布区、装填吸附剂模块吸附区、下拱壳尾液集纳区；在所述的进液分布区内设置列管喷洒器、盘式淋液器和支撑架和橡胶挡流圈；在吸附区内分层设置装填吸附剂的装配式吸附床模块，吸附区底部设置模块支撑架，集液收纳区下壳中心设置尾液输出管和控流电磁球阀；

所述的装配式吸附单元串联模块，由外到内依次设置，外圈系梁柱式承载框架筒状框体，承载框架的上部的平面内各设置承插式圆管支撑横梁，周圈设置3～4道方管环向支撑与框体刚性连接；内部设置固定或可抽插的彼此精密排列的格栅方筒体；从上向下，设置3～4个吊点的吊环固定在承载框架上，承载框架内布置格栅装填筒体，筒体的上下部均为敞口式固定式格栅筒体，下部相邻设置高强度耐腐蚀网孔挡板，网孔挡板下部与下支撑横梁固定，下支撑横梁与承载框架筒状框体焊接固定，与吊环同平面位置至上由下布置2层橡胶导滑轮。

2.基于分子筛吸附剂为填料，在天然水体中锂提取单元模块的设计计算方法，其特征在于，所述提取单元模块是如权利要求1所述的基于分子筛提取锂工艺单元串联模块化吸附设备中的提取单元模块，包括如下步骤：S1流通液在吸附材料流通矢量场中的位阻系数分析和计算；其矢量流体可以简化为如下形式：F(μ)＝F(a*b*c*μ0)，取值：0.16～0.26；其中a:平面矢量场阻尼系数，b:垂直矢量场阻尼参数，c:分流矢量界面增加阻尼参数，μ：整合阻尼系数，μ0：清液阻尼参数；

S2吸附单元串联模块的浓差与时长的标样曲线与计算取值；

S3吸附单元串联模块单元体流通液与吸附床体积的曲线分析与计算取值；S4黏性液体层流的雷诺数计算与格栅设定；

S5温度和电导率影响系数调整参数；

F(t,us)＝0.7～0.85，t为温度参数10℃～20℃，us为电导率参数；

S6不同粘度调整系数：F(s)＝1/(1.22～1.33)＝0.819～0.751，或0.819～0.769，其中s为粘度参数；

S7吸附单元模块高度整合计算公式：

3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述单元流程函数为：

3

其中h为单元模块计算高度，c为流通量，单位为m/min，φ为单元模块直径，单位为m，N为格栅方筒体中过单元模块直径的板中平面上颗粒密堆成正六边形的对角线为单元模块直径时，理论上一半的对角线上分布的总的颗粒个数，R为颗粒半径，M为所述直径方向上最多的格个数，T为格栅板厚度，ρ为颗粒材质密度为，m：为密堆成正六边形的材料层的总质量，m'为每一条过单元模块直径的板与其他板交界处相当的未铺设的质量损失，t为材料层的厚度，且假设总质量为m一共由多层的密堆积层形成板上材料层。

4.根据权利要求2或3所述的计算方法，其特征在于，吸附单元模块个数为2?12个，且每2

层中颗粒半径R 按照进液分布区和尾液集纳区的锂浓度而划分成元素个数与吸附单元模块个数相匹配的等差数列或等比数列而逐步变化，当直径φ确定，从而每一层吸附单元模块的计算高度h不同，使得各吸附单元模块都有与每层中颗粒半径R相匹配的计算高度h，从而再计算得到单元流程F(h)。

5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，可选地，设进液分布区和尾液集纳区的锂浓度分别为c0和c，吸附单元模块个数为n，则等差差值为 等比比例为其中 为顶层吸附单元模块中颗粒半径R0的平方。

说明书： 基于分子筛提取锂工艺单元串联模块化吸附设备及其制造方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种天然卤水提取锂吸附设备，尤其涉及基于分子筛吸附剂提取锂吸附工艺的吸附塔设备及制造方法；属于卤水提锂设备制造领域。背景技术：

[0002] 近年来，新能源汽车的高速发展，基于核心动力源的锂电池产能扩大几百倍，极大地刺激了对上游锂资源需求；锂电池中锂元素不可获取，锂资源75％以上来源于天然水体，例如盐湖类和油气田开采的伴生水中锂离子含量丰富，成为锂资源开采的重点对象。现有天然水体提取锂的技术开采中主要有二个方向，第一是离子交换法吸附和置换脱洗提取，第二是基于分子筛吸附和清水浓差脱洗提取；前者多通过硫酸置换得到硫酸锂中间产品，工艺过程存在含酸尾液排放的环境污染，处于中试中无法推广和工业化生产；后者属于锂化合物液态浓差双向自平衡吸附，清水为溶剂脱洗获得浓缩氯化锂液体中间产品，经过10多年的实践证明，具备了吸附性能良好的锂吸附剂和环保性吸附工艺，形成了规模化生产优势。但是其作为提取锂主要功能的吸附塔设备，一直沿用源于俄罗斯“螯合树脂除杂塔”桶形构造，吸附功能陈旧于静态“浸泡”方式，吸附提取率为40?60％，无法实现吸附材料的良好吸附能效，存在着“吃一半扔一半”的现象。同时现有吸附塔底部网孔挡钣承载面积大，长期的卤水腐蚀和高负载作用产生变形和材料脆化，也影响设备的使用寿命；因此，如何提高吸附塔设备的吸附效率和使用寿命成为亟待解决的问题。发明内容：

[0003] 为解决上述问题，本发明考虑采用内装配式吸附单元串联模块为核心的圆桶形吸附塔结构，这样的构造使得在吸附作业中，采用了流通液体动态吸附，串联单元梯阶降浓差预吸附方式，从而比现有桶形单塔构造有更合理的吸附流程，降低了排出尾液总量的锂含量，浓缩效果更好，从而提高了吸附工艺提取锂的效率和提高了原液的利用率。[0004] 鉴于上述考虑本发明一个目的是提供一种基于分子筛提取锂工艺单元串联模块化吸附设备，其特征在于，包括装配式提取锂单元吸附床模块，由模块串联组合的吸附塔设备，以形成浓差自平衡梯阶吸附流程，达到在天然水体中更贴近符合分子体运动规律的流体动态吸附。[0005] 其中一，所述模块串联组合吸附塔设备包括：在内部从上到下依次相邻设置，分为上拱壳进液分布区、装填吸附剂模块吸附区、下拱壳尾液集纳区；在所述的进液分布区内设置列管喷洒器、盘式淋液器和支撑架和橡胶挡流圈；在吸附区内分层设置装填吸附剂的装配式吸附床模块，吸附区底部设置模块支撑架，集液收纳区下壳中心设置尾液输出管和控流电磁球阀。[0006] 其中二，所述的装配式吸附单元串联模块，由外到内依次设置，外圈系梁柱式承载框架筒状框体，承载框架的上部的平面内各设置承插式圆管支撑横梁，周圈设置3～4道方管环向支撑与框体刚性连接；内部设置固定或可抽插的彼此精密排列的格栅方筒体；从上向下，设置3～4个吊点的吊环固定在承载框架上，承载框架内布置格栅装填筒体，筒体的上下部均为敞口式固定式格栅筒体，下部相邻设置高强度耐腐蚀网孔挡板，网孔挡板下部与下支撑横梁固定，下支撑横梁与承载框架筒状框体焊接固定，与吊环同平面位置至上由下布置2层橡胶导滑轮。[0007] 本发明的的另一个目的是提供一种基于分子筛吸附剂为填料，在天然水体中锂提取单元模块的设计计算方法；其特征在于包括如下步骤：[0008] S1流通液在吸附材料流通矢量场中的位阻系数分析和计算；其矢量流体可以简化为如下形式：[0009] F(μ)＝F(a*b*c*μ0)；取值：0.16～0.26；其中a:平面矢量场阻尼系数，b:垂直矢量场阻尼参数，c:分流矢量界面增加阻尼参数，μ：整合阻尼系数，μ0：清液阻尼参数；[0010] S2吸附单元串联模块的浓差与时长的标样曲线与计算取值；[0011] S3吸附单元串联模块单元体流通液与吸附床体积的曲线分析与计算取值；[0012] S4黏性液体层流的雷诺数计算与格栅设定；[0013] S5温度和电导率影响系数调整参数：(10℃～20℃)[0014] F(t,us)＝0.7～0.85，t为温度参数，us为电导率参数；[0015] S6不同粘度调整系数：F(s)＝1/(1.22～1.33)＝0.819～0.751，或0.819～0.769，其中s为粘度参数；[0016] S7吸附单元模块高度整合计算公式：[0017][0018] 优选地，吸附单元模块个数为2?12个，且每层中颗粒半径R2按照进液分布区和尾液集纳区的锂浓度而划分成元素个数与吸附单元模块个数相匹配的等差数列或等比数列而逐步变化，当直径φ确定，从而每一层吸附单元模块的计算高度h不同，使得各吸附单元模块都有与每层中颗粒半径R相匹配的计算高度h，从而再计算得到单元流程(高度)F(h)。[0019] 可选地，设进液分布区和尾液集纳区的锂浓度分别为c0和c，吸附单元模块个数为n，则等差差值为 等比比例为 其中 为顶层吸附单元模块中颗粒半径R0的平方。

[0020] 可以理解的是，吸附能力与表面积成正相关，因此与颗粒表面积相关，因此与R2相关，利用进液分布区和尾液集纳区的锂浓度分别为c0和c计算等差或等比，使得各吸附单元模块种吸附能力与进入该模块中的液相中锂离子浓度相匹配。[0021] 有益效果：[0022] 1、采用自建理论模型计算的吸附单元模块，组合串联在一个吸附塔内，形成了一套先进可行的天然水体基于吸附材料浓差自平衡对流吸附提锂设备；在环保工艺上，较科学地解决了物理吸附法中现有吸附塔吸附效率低和设备寿命差的问题；[0023] 2、比对现有吸附塔的“浸泡”法，升级为“动态流通梯阶流体吸附”法，缩短了吸附流程10％；吸附时长由220分钟降低为180分钟，节约了40分钟吸附循环周期；提高了原液资源利用率23％；脱洗后富集锂浓度达到原液含锂浓度的6.6～12倍；靶向吸附对镁离子的拦截率为95～98.7％，钙离子拦截率达到97.5％；提高产能15～18％；[0024] 3、采用雷诺公式和黏性液体参数计算设置的格栅，实现了水体层态自动向下的垂流，解决了现有吸附塔内卤水液体紊流现象，保证了层流态的流速均匀性，解决了吸附材料被喘流上浮的现象；[0025] 4、梯阶吸附标样曲线设计的单元流程高度吸附单元模块，采用了水体中提锂30分钟接触最佳吸附速率的流程高度，使用本发明的三层串联吸附床体组装式吸附塔，实现了贴合实际的全动态流通吸附，在流通中得到多阶梯浓度平衡叠加后的吸附饱和度95％以上，还实现了串联下层模块的预吸附，保证了水体含锂浓度态势的补充，其提锂吸附饱和率比现有吸附塔提高30％，综合锂提取率由43.6％提高到80％以上，解决了现有吸附设备“吃一半扔一半”与优良吸附材料性能不匹配的问题；[0026] 5、在吸附塔内装置吸附单元模块串联，由于科学有效地利用了吸附材料的95％的性能，不仅防止吸附材料的浪费，而且比较现有吸附塔的装填吸附材料减少20％，节约生产成本10～15％，能耗也有所降低；[0027] 6、组装式吸附单元模块可以工厂化生产，工厂现场实现机械化快装快取，对每年由人工掏挖和装填吸附材料的工厂的维修维护，工期从1～2月缩短到7～10天左右，同时也改变了现有吸附塔维护的脏、苦、累工作环境和职业安全。附图说明[0028] 图1模块串联组合吸附塔设备构造图。[0029] 图2装配式吸附单元串联模块构造图。[0030] 图3a、3b流通液在吸附材料流通矢量场中的位阻系数分析和计算示意图。[0031] 图3c计算高度h和正六边形取向之间的位置关系示意图。[0032] 图4串联吸附单元模块标样曲线。[0033] 图5吸附单元串联模块单元体流通液与吸附床体积的曲线。[0034] 图6格栅设置依据雷诺参数分割，其中左图为无分割格栅黏性液体流通曲线，右图为分割格栅后黏性液体层流曲线。[0035] 图7顶层吸附单元体模块设计构造图。[0036] 附图标记说明：[0037] 图1中；A:进液分布区；B:填充吸附剂模块吸附区；C:尾液集纳区；1?1：列管喷洒器；1?2：盘式淋液器；1?3：装配式吸附床模块；1?4：模块支撑架；1?5：尾液输出管；1?6：控流量电磁球阀；1?7：排气孔；1?8：橡胶挡流圈；[0038] 图2中：1：梁柱式承载框架框体；2：上承插式支撑横梁；3：框体环向支撑；4：内隔栅方筒体；5：吊环；6：网孔挡钣；7：下支撑横梁；8：橡胶导向轮；[0039] 下左图：格栅方筒体平面；下中图：网孔挡钣平面；下右图：下支撑横梁平面；[0040] 图7中：7?1：不锈钢涂氟梁柱式承载框架框体；7?2：承插式圆管支撑横梁；7?3：方管框体环向支撑；7?4：PDC内隔栅方筒体；7?5：吊环；7?6：PDC网孔(18目)挡盘；7?7：下支撑圆管横梁；7?8：橡胶导向轮。具体实施方式[0041] 实施例1[0042] 一种基于分子筛提取锂工艺单元串联模块化吸附设备，其特征在于，包括装配式提取锂单元吸附床模块，由模块串联组合的吸附塔设备，以形成浓差自平衡梯阶吸附流程，达到在天然水体中更贴近符合分子体运动规律的流体动态吸附。[0043] 其中一，如图1所示，所述模块串联组合吸附塔设备包括：在内部从上到下依次相邻设置，分为上拱壳进液分布区(A)、装填吸附剂模块吸附区(B)、下拱壳尾液集纳区(C)；上拱壳上具有排气孔(1?7)在所述的进液分布区内设置列管喷洒器(1?1)、盘式淋液器和支撑架(1?2)和橡胶挡流圈(1?8)；在吸附区内分层设置装填吸附剂的装配式吸附床模块(1?3),吸附区底部设置模块支撑架(1?4)，集液收纳区下壳中心设置尾液输出管(1?5)和控流电磁球阀(1?6)；[0044] 其中二，如图2所示，所述的装配式吸附单元串联模块，由外到内依次设置，外圈系梁柱式承载框架筒状框体(1)，承载框架的上部的平面内各设置承插式圆管支撑横梁(2)，周圈设置3～4道方管环向支撑与框体刚性连接(3)；内部设置固定或可抽插的彼此精密排列的格栅方筒体(4)；从上向下，设置3～4个吊点的吊环固定在承载框架上(5)，承载框架内布置格栅装填筒体(4)，筒体的上下部均为敞口式固定式格栅筒体，下部相邻设置高强度耐腐蚀网孔挡板(6)，网孔挡板下部与下支撑横梁(7)固定，下支撑横梁与承载框架筒状框体焊接固定，与吊环同平面位置至上由下布置2层橡胶导滑轮(8)。图2中的下三个小图：左下图是格栅布置俯视图，其材质可以是PP，PE、PC、UPC、PA、PAS等树脂板材，分布在单元模块框体的内部；中下图是下部是单元框底的多空网格挡钣，网孔可以按照吸附剂的D5和D50筛分粒径值，一般取Φ0.5～1.0，材质可以为氟化铁素体不锈钢网、富铬不锈钢网、钼镍合金不锈钢网，也可以为树脂EU、EA、类；铺设和固定在下支撑上，架立固定于下支撑之上；右下图是上下横向架立支撑俯视平面，材质为氟化涂层的富铬不锈钢管；上支撑架为单元模块框体上部的平面受力链接，下支撑主要为单元模块框体下部的平面受力链接和架立网孔挡板。[0045] 实施例2[0046] 一种基于分子筛吸附剂为填料，在天然水体中锂提取单元模块的设计计算方法；其特征在于包括如下步骤：

[0047] S1流通液在吸附材料流通矢量场中的位阻系数分析和计算；其矢量流体可以简化为如图3所示：[0048] 由图3a图3b图3c设定流速阻尼函数：a:平面矢量场阻尼系数，b:垂直矢量场阻尼参数，c:分流矢量界面增加阻尼参数，μ：整合阻尼系数，μ0：清液阻尼参数[0049] F(μ)＝F(a*b*c*μ0)；取值：0.16～0.26；[0050] S2吸附单元串联模块的浓差与时长的标样曲线与计算取值；[0051] 经过试验获得的如图4串联吸附单元模块标样曲线，确定由模块串联组合吸附塔的总吸附时长为180～220分钟，60分钟后为补浓差流通吸附阶段；[0052] S3吸附单元串联模块单元体流通液与吸附床体积的曲线分析与计算取值。[0053] 如图5所示，上述试验曲线得出：接触20～30分钟时，锂吸附浓度曲线几乎为线性增加，液体中锂含量吸附浓度达21～39mg/L,床层穿透点为30倍床体积，而在40倍床体积后，锂吸附浓度曲线取向平缓，由S2标样曲线确定30分钟接触时间为吸附浓度最佳，对应的床体积作为单元流程穿透点为39倍床体积；得出单元流程(高度)函数为：[0054][0055] h:单元模块计算高度，c:流通量(m3/min)，φ：单元模块直径(m)，N为格栅方筒体中过单元模块直径的板中平面上颗粒密堆成正六边形的对角线为单元模块直径时，理论上一半的对角线上分布的总的颗粒个数，如图3a中所示为3个的情况，R为颗粒半径，M为所述直径方向上最多的格个数，T为格栅板厚度，(M?1)T项表示对于直径φ的实际损失。[0056] 可以看出，单元流程(高度)函数與颗粒半径以及密堆成正六边形的颗粒个数相关，设颗粒材质密度为ρ，密堆成正六边形的材料层的总质量为m，假设总质量为m一共由多层的密堆积层形成板上材料层，t为材料层的厚度，則每一层的密堆积层质量则近似为若考虑每一层都是等面积同情况密堆积排列的正六边形，则整理有则 但是由于(M?1)T的损失项存在，实际的m中需要扣除因板的交叉而损失的

平铺颗粒的总质量，而这这总质量分布在(M?1)hT面积的多个竖条上，如图3c的所示过单元模块直径的板的多个交叉点上对应的7个竖条上。根据经验值，每一条过单元模块直径的板与其他板交界处相当的未铺设的质量损失为m'，则一共损失(M?1)m'，则有

解得 但是，仍然需要注意到实际上只分布

在h高度上，而形成不了一个正六边形分布。不妨设如图3b，高度为h的过直径的板其面积可以计算为与正六边形的面积比为 设为K，则 代入公式(1)得

[0057][0058] 整理得[0059][0060] (另一个根不合适，去掉)，再次代入公式(1)得：[0061][0062] 可以看到F(h)与颗粒直径R和计算高度h相关，因此调整颗粒直径能够改变单元流程(高度)函数。[0063] S4黏性液体层流的雷诺数计算与格栅设定：[0064] 黏性液体层流雷诺公式：Re＜Rec＝cd/，(查得：上临界＝1600～1883，下临界＝13800～14500)；均衡层流雷诺数为＜8.6～7.7，圆通道内的流速为双曲线型，格栅设置依据雷诺参数分割如图6，其中左图为无分割格栅黏性液体流通曲线，右图为分割格栅后黏性液体层流曲线。

[0065] S5温度和电导率影响系数调整参数：(10℃～20℃)[0066] F(t,us)＝0.7～0.85，t为温度参数，us为电导率参数；[0067] S6不同粘度调整系数：F(s)＝1/(1.22～1.33)＝0.819～0.751，或0.819～0.769，其中s为粘度参数；[0068] S7吸附单元模块高度整合计算公式：[0069][0070] 实施例3[0071] 计算和设计吸附单元模块[0072] 现有吸附塔：φ＝3.8m,流通量＝54m3/h＝0.9m3/min,单元模块筐内径：3.45m计算如下：[0073] 接触30分钟的总流程穿透高度F(h)≈50c/φ2＝50*1.17/3.452＝3.78m；[0074] 其中设进液分布区和尾液集纳区的锂浓度分别为c0和c，吸附单元模块如图1为32

个，则将从最顶上的到最底层吸附单元模块中每层中颗粒半径R 的大小形成等比数列顶层吸附单元模块中颗粒半径为100?120nm，按照提取率最终为75?80％

计算，中层和底层吸附单元模块中颗粒半径分别约为93nm和87nm左右。

[0075] 位阻流速系数：＝F(μ)＝F(a*b*c*μ0)＝0.5*0.707*0.5＝0.176。[0076] 不同粘度调整系数：1/(1.22～1.33)＝0.819～0.751，取0.75。[0077] 温度和电导率影响系数：取不同温度溶解度比值经验系数。[0078] 取20℃时的F(t?us)＝0.78。[0079] 30分钟接触时间单元体的流程高度＝穿透总流程高度×位阻流速系数/(粘度调整系数×温度电导率系数)[0080] H≥3.78*0.176/(0.75*0.78)[0081] ＝1.137m(取1.14m)[0082] 结果：制造顶层吸附单元体模块尺寸为：Ф＝3.45m，H＝1.14m，，满足要求。制造示意图7。其中给出了不锈钢涂氟梁柱式承载框架框体7?1，承插式圆管支撑横梁7?2，方管框体环向支撑7?3，PDC内隔栅方筒体7?4，吊环7?5，PDC网孔(18目)挡盘7?6，下支撑圆管横梁7?7，橡胶导向轮7?8。