<Desc/Clms Page number 1>
Verdampfungsverfahren und Ofen zur Herstellung feinteiliger, anorganischer Füllstoffe oder Pigmente
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Ofen zur praktischen Erzeugung feinteiliger anorganischer Füllstoffe oder Pigmente aus feuerfesten Materialien.
Feinverteilte Partikel anorganischer Stoffe, wie z. B. Kieselsäure, Ferrioxyd, Tonerde, Natronglas u. a. sind für industrielle Zwecke von Nutzen, insbesondere dann, wenn sie in Partikeln von unter 1fL vorliegen. Sie werden gebraucht als Verstärkungsfüllermaterial für Kautschuk und Kunststoffmischungen, als Bestandteile von Anstrichfarben und andern Schutzüberzügen, als Verdünnungsmittel für Schädlingsbekämpfungsmittel, als Verdicker für Schmierstoffe, als Tablettierungshilfsstoffe, in Druckfarben, als Tex- tllausrüstungszusätze, in der Papierfabrikation und für Papierschichten u. ähnl. Zwecke.
Solche mineralische Pigmente sind bisher in verschiedenen Verfahren hergestellt worden :
Die bekannten Nassverfahren bestehen beispielsweise in der Ausfällung von Kieselsäure-, Tonerdeund Ferrioxydhydraten aus geeigneten Salzlösungen und deren Erhitzung unter Bedingungen, die eine Überführung in das Oxyd ermöglichen. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass die Partikel keine regelmässige Kugelform haben, und es ist sehr schwierig, solche in einer gleichmässigen Grösse von unter 1fL zu erzeugen.
Feinverteilte kugelförmige Kieselsäure ist auch durch Verbrennen von Äthylsilikat oder andern organischen Kieselsäureverbindungen zu erhalten.
Bei andern Verfahren zur Herstellung feinteiliger Pigmente werden beispielsweise Silizium-, Eisenoder Aluminiumchlorid verdampft und die Dämpfe in Mischungen mit Wasserstoff oder andern Brenngasen zu den Oxyden verbrannt.
Weitere Verfahren bestehen in der Verdampfung von Kieselsäure oder kieselsäurehaltigen Materialien im elektrischen Lichtbogen und nachfolgender Kondensation. Sollte bei diesem Vorgang Siliziummonoxyd entstehen, so ist die Oxydation zu Siliziumdioxyd notwendig. Die Partikel, die bei diesen Verfahren entstehen, haben verschiedene Grössen. Es ist schwer, diese Verfahren zu lenken. Bei den erforderlichen hohen Verdampfungstemperaturen leidet der Ofen sehr. Neben der Zerstörung durch chemische Angriffe, wenn z. B. Natrium, Kalzium oder Eisen in den Dämpfen vorhanden ist, besteht auch die Gafahr der Zerstörung durch physikalisch-chemische Vorgänge. Können z. B. Kieselsäure und Aluminiumoxyd sich bei geeigneten Temperaturen mischen, so entstehen verschiedene Eutektika. Eines davon hat einen Schmelzpunkt, der bei zirka 15500C liegt.
Dieser Schmelzpunkt ist wesentlich niedriger als der des Ofenbaumaterials. Folglich darf bei der Verwendung von aluminiumoxydhaltigem Material und bei der Verdampfung von kieselsäurehaltigen Materialien die Temperatur von 15500C nicht überschritten werden. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren ist der Elektrodenverbrauch durch den Sauerstoff der verdampften Mineralien.
Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und Ofen zur Erzeugung feinteiliger, mineralischer Pigmente mit einem Partikeldurchmesser von weniger als 1fL durch Verdampfung feuerfester, anorganischer Materialien und nachfolgende Kondensierung der Dämpfe ohne die Beschädigung der Ofenwandung zu schaffen.
Andere Gegenstände der vorliegenden Erfindung und vorteilbringende Merkmale derselben werden im Verlauf dieser Beschreibung in Erscheinung treten.
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
Der genannte, für die Erzeugung des feinteiligen Pigments oder Füllstoffs benutzte Ofen besteht aus einem hochhitzebeständigen Material, dessen Erweichungs-und Schmelzpunkt jedoch meistens unter dem Siedepunkt des zu verdampfenden Materials liegt. In welcher Weise der untere Teil des Ofens und der Dampfraum vor Zerstörung geschützt werden, ist schon angegeben worden. Für d1e praktische Durchführung wird bei einem zylindrischen Ofen das Kühlgas durch mehrere Gaseinl tasse tangential mit einer nach unten gerichteten Komponente eingeleitet Es entsteht dadurch eine spiralförmig wirbelnde Kühlgasdekke an den Kammerwänden.
Bei einem rechteckigen Ofen werden die Gaseinlässe in geeigneter Weise in der Ofendecke angebracht. Für die Energiezufuhr sind im unteren Teil des Ofens - in etwa 1/4 - 1/3 Ofenhöhe vom Ofenboden-Elektroden eingeführt. Bei einem zylindrischen Ofen und bei Verwendung von Drehstrom sind es drei Elektroden, die jeweils einen Winkel von 1200 miteinander bilden. Die Verdampfung im Ofen findet hauptsächlich zwischen den Elektrodenenden statt. Die Entfernung zwischen den Elektrodenenden ist verstellbar. Sie hängt ab von den elektrischen Eigenschaften des zu verdampfenden Materials im flüssigen Zustand bei der benutzten Arbeitstemperatur. Um die verdampfte Menge laufend zu ersetzen, ist eine kontinuierlich arbeitende Fütterungseinrichtung eingebaut, die das Material genau in die Mitte der Verdampfungszone wirft.
Der beschriebene Ofen arbeitet also als Widerstandsofen. Als Widerstandselement dient das den Strom in flüssigem Zustand leitende feuerfeste Material, welches verdampft werden soll. Weil alle feuerfesten Materialien in festem Zustand den Strom nicht leiten, muss bei Inbetriebnahme zunächst ein flüssiges Bad zwischen den Elektroden hergestellt werden. Für diesen Zweck werden die Elektroden mit dünnen Kohlestäben überbrückt und dann mit einer Mischung von Glas und dem zu verdampfenjen Material bedeckt. Es wird eine kleine Spannung angelegt. Durch die Überbrückungskohle fliesst en hoher Strom. Zuerst wird das beigemengte Glas flüssig und nimmt an der Stromführung in zunehmendem Mdsse teil, während die Überbrückungskohle langsam verbrennt.
Mit wachsender Temperatur wird dann auch das zu verdampfende Material flüssig und damit zum Widerstandselement. Die Spannung wird beim Anheizen den Erfordernissen entsprechend erhöht. Die Ofenwandtemperatur wird durch Thermoelemente überwacht. Sobald ISCOC erreicht sind, wird diese Temperatur durch Kühlgas konstant gehalten. Diese Beulebsvorschrift zeigt, dass bei höherer Energiezufuhr die Kühlgasmenge wachsen muss und dass man dadurch je nach Wunsch und Zweckmässigkeit die Verdünnung der Suspension beliebig variieren kann. Als K ühigas wird vorzugsweise Luft benutzt. Es können aber auch, etwa entsprechend dem zu verdampfenden Material, andere Gase verwendet werden, z. B. Stickstoff, Kohlensäure oder Abgase.
Ist nach einer längeren Zeit der zu einer bestimmten Energiezufuhr gehörende Betriebszustand erreicht, dann wird die laufend verdampfte Menge in feiner Suspension vom heissen Kühlgas als Trägergas kontinuierlich abgeführt.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen zwei Formen solcher Widerstandsöfen. AndereOfenformenkön- nen ebenfalls benutzt werden.
In den Zeichnungen ist Fig. 1 ein vertikaler Schnitt durch einen zylindrischen Ofen ; Fig. 2 ein horizontaler Schnitt durch diesen Ofen längs der Linie z-z ; Fig. 3 ein vertikaler Schnitt durch einen rechteckigen Ofen ; Fig. 4 ein horizontaler Schnitt durch den rechteckigen Ofen längs der Linie x-x.
Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Ofen hat einen Mantel 10 aus hochhitzebeständigem Material, wie Si- likastein-mit Tonerdegehalt. Die Seitenwände J 0a bilden mit dem Boden 10c und dem Deckel 10b eine geschlossene Ofenkammer. Drei Kohlenelektroden 11 laufen horizontal durch die Seitenwände 10a itl etwa 1/4 - 1/3 Ofenhöhe vorn Boden 10c an gerechnet. Sie bilden Winkel miteinander von 1200. Zwi- schen den Enden der Elektroden, die nicht zusammenstossen, ist die Verdampfungszone. Sie ist bleichend weit von den Kammerwänden entfernt.
Die Elektroden 11 sind mit einer Drehstromquelle (nicht gezeigt) verbunden. Falls gewünscht, kann ein Vielfaches von drei Elektroden benutzt werden. Die Elektrodensind mit (nicht gezeigten) Mitteln ausgestattet, die es ermöglichen, sie in die Ofenmitte und entsprechend dem Verbrauch während des Betriebes zu verschieben.
<Desc/Clms Page number 3>
Es ist wünschenswert, die Elektroden zu kühlen. Bei Kohlenelektroden, die gute Wärmeleiter sind, wird dies dadurch erreicht, dass in den Seitenwänden 10a die Elektroden von Aussparungen oder Taschen 21 umgeben werden. In diese Aussparungen wird Kühlluft geblasen. Es können darin aber auch Kühlrohre aus nichtleitendem Material angebracht werden (nicht gezeigt), die z. B. von Wasser durchflossen sind.
Der untere Teil des Ofens wird vor Zerstörungen geschützt durch Kühlschlangen 12, die in geeigneter Weise im Ofen angebracht sind.
Zum Schutz der Ofenwände oberhalb des Verdampfungsbades sind die Gaseinlässe 22 vorgesehen.
Durch sie wird das Kühlgas tangential mit einer nach unten gerichteten Komponente eingeleitet. Das Kühlgas bewegt sich also spiralförmig nach unten längs der Ofenwand 10a. Alsdann steigt das im Ofen erwärmte Kühlgas in der Mitte des Ofens wieder auf. Es vermischt sich dabei mit denDämpfen und verdünnt sie. Dabei entsteht eine vom heissen Kühlgas getragene Suspension feinster Teilchen. Diese wird durch den in Fig. 1 gezeichneten Auslass 16, der auch aus der Mitte heraus im Deckel angebracht sein kann, abgezogen und in den Abzugskanal 17 geleitet. Der Druck bei dem Auslass 16 ist kleiner als bei den Eintrittsöffnungen 22. Während des Betriebes läuft also dauernd ein Kaltluftstrom an den Wänden 10a spiralförmig nach unten.
Das im Ofen erhitzte Kühlgas steigt mit der Suspension auf zum Auslass 16. Das in Fig. l bei 18 angedeutete Manometer misst den Druck am Ofenausgang.
Der Abzugskanal n mündet in geeigneten Sammel- und Sichtungsapparaten (nicht gezeigt). Um die Suspension unter gewünschten Druckverhältnissen aus dem Ofen herauszubringen, ist der Abzugskanal 17 mit einem Saugventilator (nicht gezeigt) verbunden. Mit dem Ziel, die aus dem Ofen tretende Gassuspension weiter zu kühlen und gegebenenfalls auch die Druckverhältnisse nachregulieren zu können, hat der Abzugskanal 17 eine Abzweigung 19, die mit einer Drosselklappe 19a versehen ist.
Das zu verdampfende Material wird intermittierend oder besser noch kontinuierlich eingebracht.
Durch das Rohr 20 in Fig. 1 fällt das körnige Material genau in die Mitte der Verdampfungszone zwischen den Elektroden 11. Das Rohr 20 hat eine Ummantelung, durch die Kühlwasser fliesst.
Die in Fig. 3 und 4 gezeigte rechteckige Ofenform enthält viele Merkmale und Einrichtungen des zylindrischen Ofens von Fig. 1 und 2. Sie unterscheidet sich von diesem hauptsächlich dadurch, dass die Elemente der rechteckigen Form der Ofenkammer angepasst sind. Das Ofenmaterial ist das gleiche.
Für den Schutz des unteren Teils des viereckigen Ofens sind wieder Kühlschlangen 12 vorgesehen (Fig. 3) die in geeigneterweise angebracht werden. Der Schutz des Ofens vor Zerstörungen im Dampfraum erfolgt wiederum durch Kühlgase. Die hiefür vorgesehenen Rohre 22 (Fig. 3) gehen senkrecht durch die Ofendecke. Der Kühlgasstrom verläuft ähnlich dem im zylindrischen Ofen. Die Erhitzung des Ofens
EMI3.1
gehen horizontal durch die Seitenwände, die Elektroden llb vertikal durch den Ofenboden. Sie alle sind an einer Drehstromquelle angeschlossen (nicht gezeichnet). Die vom heissen Kühlgas getragene Suspension tritt durch einen länglichen Schlitz aus der Ofendecke aus in den Abzugskanal 16 (Fig. 3). Anstatt eines Fütterungsrohres 20 (Fig. l) sind bei dem viereckigen Ofen mehrere vorgesehen.
Die praktische Anwendung dieser Erfindung soll durch ein Betriebsbeispiel veranschaulicht werden.
Ausführungsbeispiel :
Benutzt wurde ein zylindrischer Ofen mit einem inneren Durchmesser von 50 cm, einem äusseren von 65 cm und einer inneren Höhe von zirka 60 cm. Als Ofenbaumaterial wurden Steine aus Kieselsäure mit 60% Tonerde verwendet. Der Ofen hatte ein Schauloch, durch das die Verdampfung und auch die Höhe des Bades beobachtet werden konnte. Die Fütterung wurde so eingestellt, dass die Badhöhe gleich blieb.
Durch das Schauloch wurde auch die Temperatur der Verdampfungszone mit einem Strahlungspyrometer gemessen. Für die Energiezufuhr dienten drei horizontal eingeführte Kohlenelektroden von zirka 6, 25 cm Stärke. Für die Kühlung der Elektroden mit Kühlluft waren Taschen in der Wand angebracht. Als Stromquelle diente eine Drehstromquelle mit einer Leistung bis zu 100 kW bei einer regulierbaren Spannung von 50 bis 300 Volt.
Der Schutz des unteren Teils des Ofens erfolgt durch geeignet angebrachte von Wasser durchflossene Kühlrohre aus Blei 12 (Fig. 1 und 3). Die Ofenwände im Dampfraum wurden durch Kühlluft geschützt. Diese wurde durch die Rohre 22 (Fig. l) eingeleitet. Als Luftquelle diente ein Gebläse. Der Auslass 16 in Fig. 1 hatte einen Durchmesser von 15 cm und das Abzugsrohr einen solchen von 20 cm. Die erzeugte Suspension wurde durch einen Saugventilator mit verstellbarer Leistung in die Filteranlage befördert.
Bei Inbetriebnahme war der Abstand zwischen den Elektrodenenden 4 cm. Dann wurde der Ofen mit Sand von einer Korngrösse von 3 - 4 mm bis etwa 3 cm über Oberkante der Elektroden gefüllt. Die Elektroden wurden mit dünnen Kohlenstäben überbrückt und danach mit einer Mischung von Glas und körni-
<Desc/Clms Page number 4>
gem Sand mit einem Gehalt von 90-99% Kieselsäure bedeckt. Das Kühlwasser wurde angestellt und der Strom mit kleiner Spannung eingeschalter. Der Stromdurchgang, der anfangs nur durch die Überbruckungs- kohle erfolgte, wurde, nachdem diese verbrannt war, von dem flüssigen Glas ubernommen. Nach einer längeren Betriebsdauer war das Glas verdampft, der körnige Sand wurde flüssig und damit zum Widerstandselement.
Die Kühlluft für die Elektroden wurde angestellt und die Wandtemperatur des Ofens durch zwei Thermoelemente überwacht. Wegen des Eutektikums von Kieselsäure und Tonerde bei 15500C wurde die Wandtemperatur auf 15000C gehalten. Sobald die Temperatur höher stieg, wurde eine entsprechende grössere Kühlluftmenge eingeführt. Nach einer längeren Versuchsdauer stellte sich zu der benutzten Energie von 50 bis 55 kW praktisch ein Gleichgewichtszustand ein. Mit dem Strahlungspyrometer wurde für das Bad eine Temperatur von 22000C gemessen. Die in der Zeiteipheit verdampfte Menge war nahezu konstant. Die Fütterungsmenge, die kontinuierlich eingebracht wurde, war auî diese Verdampfungsmenge eingestellt. Die Badhöhe im Ofen blieb infolgedessen konstant.
Die Kuhlgasmenge, durch die die Wandtemperatur auf etwa 1500 C gehalten wurde, war bei der eingesetzten Energie von 50 - 55 kW auch gleich. Die Temperatur am Ofenansgang lag bei 1000-1100 C. Der Druck am Ofenausgang wurde auf 1 - 2 mm Wassersäule gehalten. Dieser Versuch kennte wochenlang durchgefuhrt werden, ohne dass die Ofenwände beschädigt wurden.
Die erzeugte gasförmige Suspension ergab ein aus feinen kugelförmigen Partikeln zusammengesetztes Kieselsäurepulver mit einem Gehalt von über 99% Kieselsäure. Die Untersuchung mit dem Elektronenmikroskop zeigte, dass die Teilchengrösse zwischen 18 und 200 mj. variierte, wobei die meisten un- ter 50 mil lagen.
Das Verfahren und die Öfen nach dieser Erfindung können für die Destillation einer grossen Zahl von anorganischen, feuerfesten Materialien und deren Mischungen verwendet werden, die einen hohen Schmelz- und Siedepunkt haben, z. B. Kaolin, Tonerde, Natronglas, Kalk, Zinkoxyd u. a.
Es ist selbstverständlich, dass diese Erfindung nicht nur Vorteile bietet bei der Destillation von feuerfesten Materialien mit hohem Siedepunkt, sondern auch bei der Destillation anorganischer Materialien mit niedrigem Siedepunkt u. zw. wegen der Feinheit der dabei entstehenden Partikel.
In der Art der Ausführung des vorliegenden Verfahrens und im Bau und Betrieb der verwendeten Öfen können viele Abwandlungen vorgenommen werden, ohne dass dabei von den Grundsätzen der die Erfindung umgrenzenden Ansprüche abgegangen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung feinteiliger, anorganischer Füllstoffe oder Pigmente aus feuerfesten, vorzugsweise kieselsäurehaltigen Materialien durch Verdampfen derselben in einer Zone innerhalb des unteren Teiles einer Ofenkammer und in einem genügenden Abstand von deren Wänden sowie darauffolgende Kondensation der Dämpfe, dadurch gekennzeichnet, dass abwärts entlang der Ofenwände zu deren Schutz und zum Verdünnen der aus der siedenden Masse aufsteigenden Dämpfe ein Kühlgasstrom einge- leitet wird, in welchem nach seiner Erhitzung die verdampfte Substanz kondensiert, worauf die erhaltene Suspension der feinen Teilchen aus dem oberen Teil der Ofenkammer abgezogen wird.