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Verfahren zur Gewinnung von gereinigtem Aluminium nach dem Subhalogenidverfahren
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Man hat festgestellt, dass die Halogenide von Mangan und andern Metallen der oben beschriebenen Klasse beim Abkühlen in Gegenwart von Aluminium-Subhalogenid schneller dissoziieren als das Aluminium-Subhalogenid, so dass in einem Bereich des Kondensators ein an Mangan oder andern Verunreinigungen reiches Kondensat erhalten werden kann, wobei das Halogen des verunreinigenden Metallhalogenids in das Aluminium übergeht. Solche Halogenide werden in der Beschreibung in der Regel als"disso- ziierende Halogenide" bezeichnet. Obwohl man für viele Zwecke eine derartige Fraktionierung des kondensierten Metalls einfach durch ein Temperaturgefälle im Kondensationsbereich erreichen kann, richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine verbesserte Methode der Gewinnung reinen Aluminiums, insbesondere der Abtrennung von Mangan u. ähnl.
Verunreinigungen durch eine reaktive Kondensation einschliesslich einer Rektifikation.
Man hat nun festgestellt, dass eine Rektifikation mit dem das Subhalogenid enthaltenden Dampf vorgenommen werden kann. Eine übliche Rektifizieranlage besteht in der Regel aus drei Hauptbauteilen, nämlich der Kolonne, einem Kondensator und einem Kocher, wobei der Kondensator dazu dient, das gereinigte Produkt zu einer Flüssigkeit zu kondensieren, wobei ferner ein kleiner Teil des letzteren als Rückfluss im Gegenstrom zu dem in der Kolonne aufwärts strömenden Dampf zurückkehrt und der am Fuss der Kolonne abgezogene, mit Verunreinigungen angereicherte Rückfluss in dem Kocher einer Verdamp- fungsbehandlung unterzogen wird, um dem unteren Teil der Kolonne zusätzlichen Dampf zuzuführen.
Bei der Anwendung des Verfahrens auf Subhalogenid-Dämpfe werden ähnliche Bauelemente verwendet, nämlich ein dem Kondensator entsprechender Zersetzungsabschnitt, eine Kolonne von geeigneten Abmessungen und mit einer Einrichtung zur Herbeiführung einer wirksamen Berührung zwischen den Dämpfen und dem zurückfliessenden geschmolzenen Metall sowie ein Kocher in der Art eines Hilfskonverters, in welchem der einen hohen Anteil an Verunreinigungen enthaltende Rückfluss mit einem Halogenid behandelt und erhitzt wird, um in einer Umwandlungsreaktion die erforderlichen zusätzlichen, ein Subhalogenid enthaltenden Dämpfe zu entwickeln, welche in der Kolonne aufwärts streichen und sich mit dem Hauptdampfstrom vereinigen.
Ein schwieriges Problem bei der Anwendung eines derartigen Rektifiziersystems ist die Zufuhr der erforderlichen Wärmemengen für die Rückflussbehandlung, d. h. das Erhitzen der Materialien in dem Hilfskonverter oder Kocher (z. B. der Aluminium-Mangan-Legierung und Aluminiumtrichlorid-Dämpfe), um den gewünschten zusätzlichen Strom an ein Subhalogenid enthaltendem Gas zu erzeugen. Wenn sich die Legierung im geschmolzenen Zustand befindet, sind die üblichen Erhitzungsmethoden nur schwierig anzuwenden oder sehr unwirksam, weil die Reaktion bei sehr hoher Temperatur erfolgen muss (beispielswei-
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Die elektrische'Widerstandsheizungangängig ; auch können die normalen Bauarten elektrischer Heizelemente wegen des raschen Verschleisses nicht direkt mit den Einsatzmaterialien in Berührung gebracht werden.
Eine Zufuhr von Wärme von aussen her durch die starken feuerfesten Wandungen oder Schichten hindurch, welche die Reagenzien einschlie- ssen sollen, ist sehr schwierig.
Ein wichtiges Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die Feststellung, dass die Wärme für den Rektifiziervorgang in wirksamer und zufriedenstellender Weise durch die exotherme Reaktion gasförmigen Halogens mit Aluminium in dem Kocher geliefert werden kann. Wenn der Betrieb des Kochers so zu führen ist, dass man Aluminiummonochlorid enthaltende Dämpfe bekommt (und notwendigerweise auch etwas Manganchlorid MnCI), u. zw. durch die Reaktion zwischen der Aluminium-Mangan-Legierung und Aluminiumtrichlorid, dann kann man die Wärmemengen für eine solche endotherme Reaktion sowie für den Ausgleich eines Teiles oder der gesamten Wärmeverluste in Kocher und Kolonne aus der exothermen Reaktion gasförmigen Chlors mit Aluminium im Kocherbereich erhalten. Das elementare Halogen, z. B.
Chlor, wird vorzugsweise mit dem Strom des in den Kocher eintretenden Aluminiumtrichlorid-Gases ein- geführt, so dass ein Gemisch der beiden Gase mit der geschmolzenen Legierung in Berührung kommt. Bei der Reaktion von Chlor mit Aluminium zu Aluminiumtrichlorid wird eine beträchtliche Wärmemenge frei, welche für die endotherme Reaktion von Aluminiumtrichlorid mit Aluminium ausgenutzt wird, wobei dann das gewünschte Aluminiummonochlorid (Subhalogenid) erzeugt wird.
Man bekommt auf diese Weise eine Wärmezufuhr von hohem Wirkungsgrad, ohne zusätzliche Apparate oder Vorrichtungen, welche der korrodierenden Einwirkung der Reagenzien ausgesetzt sein könnten.
Örtliches Überhitzen oder Unterkühlen dadurch, dass vielleicht das eine Gas schneller reagiert als das andere, ist unwahrscheinlich, da der Wirkungsgrad der molekularen Zusammenstösse bei beiden Reaktionen hoch ist (also bei der exothermen Reaktion von Chlor mit Aluminium und bei der endothermen Reaktion von Aluminiumtrichlorid mit Aluminium). Die Reaktionsgeschwindigkeiten werden durch die
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Diffusionsgeschwindigkeiten an der Gas-Metall-Grenzfläche beschränkt. Ein weiterer Vorzug dieses Be- triebes ist der, dass das Chlor bei seiner Reaktion mit dem Aluminium nicht nur Wärme an den Kocher abgibt, sondern auch der darin enthaltenen Legierung Aluminium entzieht und dadurch den Wirkungsgrad der Rektifizieranlage erhöht.
Man sieht also, dass dieser Entzug des Aluminiums eine Folge der gewünsch- ten exothermen Reaktion des Chlors mit dem Metall ist, um das normale Trichlorid zu ergeben. Das aus dem Chlor erzeugte Aluminiumtrichlorid kann ferner dazu verwendet werden, die Verluste beim Destilla- tionsvorgang auszugleichen und den Markt für dieses Produkt zu beliefern. Obwohl man nun den gesamten
Wärmebedarf in dieser Weise decken kann, würden vermutlich wesentliche Vorteile auch dann erzielt werden können, wenn nur ein Teil der erforderlichen Wärmemengen in dieser Weise zugeführt wird. In einigen Fällen kann ein Teil der Wärmemenge in zufriedenstellender Weise durch elektrische Heizvor- richtungen erzeugt werden, während der Rest durch die Reaktionswärme des Chlorgases beigestellt wird.
Natürlich kann die Rektifizieranlage Apparate verschiedener Bauarten, die in verschiedener Weise angeordnet sein können, umfassen, wobei Bauart und Anordnung für die Durchführung der Rektifikation geeignet sein müssen ; im allgemeinen gehören dazu eine Kolonne, ein Kondensator und ein Kocher, wie sie oben beschrieben wurden. Der Kolonne wird, vorzugsweise in einer mittleren Ebene, das Gas aus einem Konverter zugeleitet, in welchem das rohe oder unreine Metall mit gasförmigem Aluminiumchlo- rid behandelt wird, um das Aluminiummonochlorid zu entwickeln. Eine solche Gaszufuhr enthält auch die unerwünschten Verunreinigungen, wie z. B. Manganchlorid (MnCL) oder die flüchtigen Halogenide ande- ter Metalle oder auch Kombinationen derselben. Natürlich ist in der Regel auch eine Menge nicht zur Reaktion gekommenen Aluminiumtrichlorids vorhanden.
Die zugeführten Dämpfe werden durch eine ge- eignete Vorrichtung, wie z. B. eine hinter dem Kondensator angeordnete Pumpe, die Kolonne aufwärts und durch den Kondensator hindurchgeführt, wobei die Pumpe so arbeitet, dass der gewünschte Druck - in der Regel Atmosphärendruck oder ein Unterdruck - im Konverter und in den andern Teilen der Anlage aufrechterhalten wird.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise eine aus den verschiedenen Hauptbauteilen bestehende Rektifizieranlage.
Bei einer Betrachtung der Zeichnung wird man feststellen können, dass die verschiedenen Teile der Anlage in sehr vereinfachter Weise sowie unter Abänderung der Grössenverhältnisse dargestellt worden sind, um die ganze Anlage möglichst übersichtlich zusammenzufassen. Für die Arbeitsweise von Zersetzer, Kolonne und Hilfskonverter können auch andere Bauarten von Vorrichtungen verwendet werden, ebenso Vorrichtungen grösserer oder sonstwie verschiedener Bauart und Anordnung, beispielsweise zur Erzielung längerer Reaktionswege in der Kolonne, einer grösseren Kondensationsfläche im Zersetzer und ausgedehnterer Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Gas im Kocher bzw. Hilfskonverter.
Grundlegend ist die Apparatur so gestaltet, dass sie Dämpfe aus einem Konverter 10 aufnimmt, wobei diese Dämpfe der Rektifizierkolonne 12 in einer Zwischenebene, die vorzugsweise zentral gelegen sein soll, zugeführt werden. Das oben an der Kolonne abgezogene Gas streicht durch den Zersetzer 14 hindurch, während das stark verunreinigte Metall aus dem Unterteil der Kolonne in den Kocher 16 abfliesst, wo die zusätzlichen Dämpfe erzeugt werden.
Der Konverter 10 besteht aus einer geschlossenen Kammer, welche durch Nachfüllen mittels des oben angeordneten Aufgabetrichters 17 dauernd mit einem Einsatz zu behandelnden unreinen Metalls, beispielsweise fester Bruchstücke, Granalien od. dgl. einer Aluminium und andere Metalle enthaltenden Legierung, aus welcher das Aluminium abzuscheiden ist, gefüllt gehalten wird. Der feste Einsatz wird in geeigneter Weise erhitzt, beispielsweise durch elektrische Widerstandsheizung, wobei der Strom durch die Elektroden 18 und 19 fliesst, während das vorzugsweise vorgewärmte Aluminiumtrichlorid-Gas durch eine Rohrleitung 20 im unteren Teil des Konverters zugeführt wird. Der feste Konverterrückstand, welcher im wesentlichen kein Aluminium mehr enthält, wird durch einen Kanal 21 hindurch abgezogen. Die Arbeitsweise des Konverters 10 ist in der österr.
Patentschrift Nr. 221282 ausführlicher beschrieben.
Die entwickelten Dämpfe, welche also Aluminiummonochlorid mit einer beträchtlichen Verunreinigung von Mangan in flüchtiger Form sowie nicht zur Reaktion gekommenes Aluminiumtrichlorid enthalten, gelangen durch eine Rohrleitung 22 in die Rektifizierkolonl1e 12. Diese letztere besteht aus einem gasdichten zylindrischen Stahlmantel 23 mit einer starken inneren Zustellung 24 aus einem feuerfesten Stoff, welcher der Einwirkung von Aluminium und Aluminiumchlorid bei Temperaturen bis zu 1300 C und darüber widersteht ; ein geeigneter Werkstoff hiefür ist ein dichter Sinterkorund. Zwischen der dichten feuerfesten Zustellung und dem Stahlmantel wird eine Schicht aus einer Wärmeisolierung 25 angebracht ; ebenso sollte eine äusserewärmeisolierung 26 vorhanden sein.
Art und Dicke dieser Isolierschichten müssen vorzugsweise so gewählt werden, dass der Stahlmantel auf einer möglichst niedrigen Tem-
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peratur, vorzugsweise jedoch oberhalb der Kondensationstemperatur des Aluminiumtrichlorids, also über-
200 C, gehalten wird. Innen ist die Kolonne 12 so beschaffen, dass für die Berührung zwischen den
Dämpfen und der Flüssigkeit sehr ausgedehnte Flächen zur Verfügung stehen.
Solche ungewöhnlich aus- gedehnte Berührungsflächen sind erwünscht um unangebracht grosse und damit unwirtschaftliche Kolon- nenstrukturen zu vermeiden, wobei zu beachten ist, dass im Vergleich zu den üblichen Bauarten von Rektifizieranlagen bei der vorliegenden Arbeitsweise verhältnismässig grosse Volumina an Dämpfen und verhältnismässig geringe Mengen an Verunreinigungen in Frage kommen und ferner die Konzentration des
Mangans in den eingeführten Dämpfen in der Regel einen sehr niedrigen Wert hat.
Die Kolonne ist also innen so konstruiert oder so gefüllt, dass die gewünschte Berührung zwischen Gas und Flüssigkeit bei verhältnismässig hoher Temperatur erfolgt. Obwohl auch andere Mittel verwendet werden können, wie z. B. quer angeordnete poröse feuerfeste Platten, durch welche die Dämpfe hindurchstreichen und durch das flüssige Metall hindurch in Blasen emporsteigen, wobei das flüssige Metall nacheinander über jede Platte fliesst, oder aber eine vertikale Reihe von Kammern, in welchen das Gas mit dem flüssigen Metall durch Spritzvorrichtungen od. dgl. in innige Berührung gebracht wird, ist ein Haufwerk von Füllkörpern 28 aus einem feuerfesten Stoff, welches hier der Einfachheit halber dargestellt ist, eine durchaus wirkungsvolle Anordnung.
Eine derartige Füllung kann aus Bruchstücken dichten Sinterkorunds oder aus regelmässigen Formstücken desselben, wie z. B. Ringen od. dgl., bestehen, welche die Kolonne ausfüllen und die Bewegung der Dämpfe und des geschmolzenen Metalls im Gegenstrom zueinander gestatten.
Aus einem Rohr 30 am unteren Ende der Kolonne fliesst das geschmolzene Metall in den Kocher 16 ; dieser letztere besteht aus einem gasdichten Stahlmantel 31 mit einer Innenschicht 32 aus feuerfester Tonerde und einer äusseren Abdeckung aus einer Wärmeisolierung 33. Das geschmolzene Metall, welches die aus der Rektifizieranlage entnommene Verunreinigung bzw. Verunreinigungen enthält, wird durch eine Rohrleitung 34 aus dem unteren Teil des Kochers ausgetragen, während das Gas durch ein Rohr 36 mit mehreren Öffnungen, durch welche hindurch das Gas aufsteigt, mit dem geschmolzenen Metall in innige Berührung gebracht wird. Das Rohr 36 ist an die Zuleitung 37 sowie an die Zweigleitung 38 angeschlossen, um sowohl Chlorgas als auch gasförmiges Aluminiumtrichlorid in den gewünschten Mengen und Verhältnissen aufzunehmen.
Aus dem oberen Teil des Hilfskonverters oder Kochers 16 werden die entwickelten Dämpfe durch ein Rohr 40 in den unteren Teil der Rektifizierkolonne über dem Spiegel des angesammelten flüssigen Metalls geleitet.
Vom oberen Ende der Kolonne 12 führt ein weiteres Rohr 42 die hier von allen Verunreinigungen befreiten Dämpfe in den Zersetzer oder Kondensator 14, welcher von beliebiger Bauart sein kann, vorausgesetzt, dass dieselbe für das Kühlen des Gasgemisches geeignet ist, um dadurch die Dissoziation bzw. den Zerfall des Aluminium-Subhalogenids in das normale Halogenid und das praktisch reine Aluminium in Form einer zum Austrag bestimmten Schmelze zu bewirken.
Obwohl auch andere Bauarten von Zersetzern verwendet werden können, so z. B. eine Vorrichtung mit Mitteln zum Verspritzen des Metalls, um auf diese Weise die Temperatur der Dämpfe herabzusetzen und eine entsprechende Zersetzungsreaktion herbeizuführen, wie dieselbe in der USA-Patentschrift Nr. 2, 914, 398 beschrieben ist, zeigt die Zeichnung hier eine einfache, aber wirksame mehrteilige Prallvorrichtung. Die Säule der Prallkörper besteht hier aus einem Stapel von Böden 44 und 45 aus dichtem Graphit, jeder derselben mit einer waagrechten Bodenplatte, wobei die entsprechenden Bodenplatten abwechselnd mit den zentralen Öffnungen 46 und den Öffnungen 47 nahe dem Umfang versehen sind.
Auf diese Weise verfolgen die Dämpfe, welche - wie dargestellt-unten in den Stapel der Böden eintreten, eine gewundene Bahn bis zu dem Austragsrohr 48, welches vom obersten Boden abgeht, der mit einem Verschlussdeckel 49 aus Graphit versehen ist, während das kondensierte Metall in einer ähnlichen Bahn abwärts und in einem Behälter 50 mit feuerfester Zustellung fliesst. Die ganze Anordnung ist in einem Mantel 52 aus Stahl oder einem andern Metall eingeschlossen, wobei dieser Mantel vorteilhafterweise einen Abstand von den Graphitwandungen der Böden 44 und 45 besitzt und mit einem Kühlmantel 53 für den Umlauf von Wasser oder eines andern flüssigen Kühlmittels versehen sein kann. Der Wärmeübergang durch Strahlung erfolgt also zwischen der Graphitbödenanordnung von hoher Wärmeleitfähigkeit und der kühlen Wandung des Mantels 52.
Dieser Wärmeübergang ist gut reguliert, u. zw. ist er höher im unteren Teil des Apparates und sehr viel niedriger im oberen Teil, wo die Zerfallsgeschwindigkeit am geringsten ist. Die Strahlung kann, falls es notwendig sein sollte, weiterhin vermindert werden durch eine hier nicht dargestellte Zwischenabschirmung um den oberen Teil des Graphitbödenstapels, um eine Kondensation von Aluminium im festen Zustand zu vermeiden.
Eine vom Boden des Behälters 50 abgehende Rohrleitung 54,55 gestattet die Entnahme des gereinig-
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ten geschmolzenen Aluminiums. Ein Teil dieses reinen Aluminiums wird durch ein Zweigrohr 57 stetig dem Kopf der Rektifizierkolonne zugeführt, um durch die Füllkörpermasse 28 hindurch abwärts zu tröpfeln.
Wie es durch die strich-punktierten Linien angedeutet ist, kann das gasförmige Aluminiumtrichlorid wieder in den Verfahrensgang eingeführt werden. So kann beispielsweise durch geeignete Rohrleitungen
60,61 und 62 eine gewünschte Menge davon der Rohrleitung 38 zugeführt werden, um in den Kocher 16 eingeführt zu werden. Da dieses Gas wie auch andere zugeführte Gasmengen ein Vorwärmen erfordern kann, ist eine schematisch angedeutete elektrische Heizvorrichtung 64 für diesen Zweck in der Rohrlei- tung 61 - 62 vorgesehen. Die Hauptmasse dieses Gases wird aber wieder dem Einlass 20 des Konverters durch eine Rohrleitung 65 zugeführt, auch hier wieder unter angemessener Vorwärmung (hier nicht dargestellt), falls es notwendig werden sollte.
Wie man sieht, tritt ein stetiger Strom von Gasen, im wesentlichen bestehend aus AluminiuII1Iub- chlorid, verunreinigt mit flüchtigen Chloriden anderer Metalle, insbesondere des Mangans, zusammen mit einem erheblichen Anteil an nicht zur Reaktion gekommenem Aluminiumtrichlorid, durch die Rohrleitung 22 in die Rektifizierkolonne 12 ein. Wenn diese Dämpfe in dem oberen Abschnitt der Kolonne aufwärts streichen, treffen sie auf einen abwärts fliessenden Strom geschmolzenen Aluminiums aus dem Zersetzer 14.
Die umgekehrte Reaktion tritt nun mit Bezug auf das Manganchlorid ein, wobei das Mangan in das geschmolzene Rückflussaluminium übergeht, so dass die durch das obere Rohr 42 abgehenden Dämpfe aus Aluminiumtrichlorid und Aluminiummonochlorid, im wesentlichen oder sogar gänzlich frei von dem verunreinigenden, dissoziierten Metallhalogenid, bestehen.
Der Teil des flüssigen Aluminiums, welcher im Rückfluss durch die Rektifizierkolonne abwärts fliesst, gelangt, nachdem er in dem oberen Abschnitt über dem Eintritt 22 für die Dämpfe Mangan aufgenommen hat, in den Hilfskonverter bzw. Kocher 16. Dem letzteren wird ein Gemisch aus gasförmigem Aluminiumtrichlorid und Chlorgas zugeführt, und dieses Gemisch wird in innige und gründliche Berührung mit dem geschmolzenen Metall gebracht, wobei das Chlor mit dem Aluminium eine exotherme Reaktion eingeht, um Aluminiumtrichlorid und-monochlorid zu bilden. Das Aluminiumtrichlorid (das im Überschuss zugeführt wird) geht nun mit dem metallischen Aluminium eine endotherme Reaktion ein, wobei die bei der ersten Reaktion frei gewordene Wärme ausgenutzt wird, um Aluminiummonochlorid zu ergeben.
Wie bereits angegeben wurde, wird das Aluminiumtrichlorid im allgemeinen zusammen mit dem Chlor zugeführt, da der Warmebedarf durch erheblich weniger Chlor gedeckt werden kann als dem Gesamtbedarf an Trichlorid entsprechen würde. Zur Erläuterung seien hier die beiden Reaktionen und ihre Reaktionswärmen, beispielsweise bei einer Reaktionstemperatur von 1200 C, angeführt (das Alumi-
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notwendigerweise bei den Reaktionen auftritt) durch das Rohr 40 aufwärts in den unteren Teil der Rektifizierkolonne.
Beim Strömen des Gases durch den unteren Abschnitt der Kolonne geht mindestens ein beträchtlicherTeil des Mangans durch Zersetzung verloren und wird von der abwärts fliessenden AluminiumMangan-Legierung aufgenommen, während sich das aufwärts strömende Gas mit dem in der Mitte der Kolonne eintretenden Gas vermengt. Der Vorgang des Entzuges der Verunreinigungen wird im oberen Abschnitt, wie es oben beschrieben wurde, fortgesetzt. Bei dieser Rektifikation mit dem wirksamen Rückfluss von geschmolzenem Aluminium und Subhalogenid, wobei die flüssigen und die gasförmigen Komponenten im Gegenstrom zueinander fliessen, werden die gereinigten Dämpfe stetig in den Kondensator 14 gezogen, während eine verhältnismässig hohe Konzentration an Verunreinigungen in den Kocher 16 gelangt und durch denselben hindurch abgeführt wird.
Gleichzeitig werden die Wärmeverluste in der Rektifizierkolonne durch die erhitzten Gase aus dem Kocher ausgeglichen, wodurch die gewünschten Verhältnisse in der Anlage aufrechterhalten werden ; falls es gewünscht wird, kann zusätzliche Wärme zugeführt werden.
Die Arbeitsweise der Rektifizieranlage wird also erst durch die oben beschriebene Verwendung von Chlor als Beheizungsmittel im Kocher ermöglicht. Dieses Rektifikationsverfahren ergibt ein sehr reines Aluminium und konzentriert die Verunreinigung (z. B. Mangan) in der in den Kocher abgeführten Legierung, welche als solche mit Nutzen verwendet werden kann. Wenn beispielsweise die zugeführten Dämpfe
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Mangan in einer Menge von 1 bis 2 Grew.-%, auf das gesamte kondensierbare Metall bezogen, Rest Alu- minium, enthalten, dann wird das reine Aluminium nicht mehr als etwa 0, 01-0, 1% Mn haben, wäh- rend in der Kocherlegierung 10 - 50qu Mangan enthalten sind.
Der Nettobetrag von Aluminium, der so- zusagen an die Mangan-Legierung durch Rückfluss und durch die Zersetzung des Aluminiummonochlorids, wie sie schon im oberen Abschnitt der Kolonne eintreten kann, verloren geht, ist also verhältnismässig gering, wobei noch zu beachten ist, dass das wieder in den Verfahrensgang eingeführte Aluminiumtri- chlorid nicht nur wieder Aluminium aus dem Kocher mitnimmt, sondern dasselbe auch in dem unteren
Abschnitt der Kolonne tun kann.
Natürlich ist die Arbeitsweise des Konverters 10 oder einer sonstigen Quelle von Subhalogenid-Dämp- fen nicht an sich ein Kennzeichen der vorliegenden Erfindung. Es folgen nachstehend zwei Beispiele zur
Erläuterung der Art und Weise, in welcher die Anlage arbeitet und wie der Wärmebedarf der Rektifikation gedeckt wird, u. zw. mit Bezug auf gegebene Zusammensetzungen der zugeführten Dämpfe, wie sie im
Betrieb der Umwandlungsstufe in bekannter Weise erzeugt werden können.
In diesen Beispielen sind alle absoluten und Anteilsmengen Gewichtsmengen, sofern sich aus dem
Zusammenhang nichts anderes ergibt. Zu dem Arbeitsgang gehört auch das oben beschriebene Rektifika- tionsverfahren in seiner Anwendung auf einen mit Mangan verunreinigten gasförmigen Einsatz, der durch die Rohrleitung 22 eingeführt wird.
Beispiel l : In diesem Beispiel sind die Anteilsmengen von AIC1, A1C1 und MnCI in den zuge- führten Dämpfen so gewählt, dass dieselben einer Umwandlung der Hälfte (5rP/o) des ursprünglich dem
Konverter zugeführten Aluminiumtrichlorids in A1C1 und MnCL und ebenso einem Mangangehalt von
1, 3%, auf das gesamte kondensierbare Metall bezogen, entsprechen. Die Dämpfe treten in die Rektifi- zierkolonne unter einem Druck von 0, 1 atm und bei einer Temperatur von 11400C ein, welche für die angegebene Zusammensetzung bei dem angegebenen Druck dicht an der Sättigungstemperatur liegt.
Im
Betrieb hat das dem Zersetzer 14 entnommene Aluminium einen Mangangehalt von 0, 0111/0, während die aus dem Hilfskonverter 16 abgezogene Legierung 10% Mangan (Rest Aluminium) enthält. Das Rückflussverhältnis, d. h. das Verhältnis des dem oberen Ende der Kolonne durch das Rohr 57 hindurch wieder zu- geführten Metalls zu der Gesamtmenge des Metalls, welche das obere Ende der Kolonne als Dampf durch das Rohr 42 verlässt, beläuft sich auf 0, 16. In Übereinstimmung mit der allgemein anerkannten Theorie der Rektifikation genügt dieses Verhältnis, um die Anzahl der in der Kolonne erforderlichen theoretischen Böden auf weniger als zwei zu beschränken.
Unter diesen Verhältnissen beläuft sich die erforderliche Wärmemenge, mit Ausnahme derjenigen, welche benötigt wird, um das aus dem Zersetzer 14 dem Kocher 16 zugeführte Aluminiumtrichlorid wieder zu erwärmen, ebenso mit Ausnahme derjenigen zum Ausgleich der Wärmeverluste in Kocher und Kolonne, auf I, 0 kcal je Mol erzeugten Metalls, d. h. des Gesamtnettobetrages an Aluminium und Mangan, wie sie erzeugt und (ausserhalb des Systems) aus Kondensator und Kocher abgezogen werden. Dieser Wärmebedarf wird gedeckt, indem man in den Kocher 16 je Mol Metall (gesamte erzeugte Metallmenge wie oben) 0, 02 Mol Ci2 einführt. Durch diese Chlorzufuhr werden 0, 013 Mol Aluminium in Aluminiumtrichlorid umgewandelt und dementsprechend werden in der Rektifizieranlage 0, 013 Mol Aluminiumtrichlorid erzeugt.
Das Vorwärmen des Aluminiumtrichlorids, das dem Hilfskonverter wieder zugeführt wird, erfolgt durch die zusätzliche Heizvorrichtung 64. Weitere Wärmemengen, wie sie zur Deckung der Wärmeverluste aus Kocher und Kolonne erforderlich sind, können durch eine zusätzliche Zufuhr von Chlor zu dem Kocher oder durch zusätzliche Heizvorrichtungen, wie sie oben angedeutet wurden, beigestellt werden.
Beispiel 2 : In diesem Beispiel entsprechen die Anteilsmengen von A1C1, A1C1 und MnCL in den zugeführten Dämpfen einer Umwandlung von ein Fünftel (20go) des ursprünglichen Aluminiumtrichlorids im Konverter und einem Mangangehalt von 1,5tao, auf das gesamte kondensierbare Metall bezogen. Die Dämpfe treten in die Kolonne 12 unter einem Druck von 1, 0 atm und bei einer Temperatur von 13300C ein, also 1000C über dem Sättigungswert für den angegebenen Druck und die Zusammensetzung der Dämpfe. Der Mangangehalt des dem Zersetzer 14 entnommenen gereinigten Aluminiums beläuft sich auf 0, lolo, während die in dem Hilfskonverter 16 aufgesammelte Legierung 50% Mangan enthält.
Der Betrieb wird hiebei so geführt, dass man ein Rückflussverhältnis von 0, 15 bekommt, welches ausreicht, um die Anzahl der in der Kolonne erforderlichen theoretischen Böden auf etwa zwei zu beschränken.
Unter diesen Verhältnissen beläuft sich die erforderliche Wärmemenge, mit Ausnahme derjenigen, welche für das Erwärmen des dem Kocher wieder zugeführten Aluminiumtrichlorids benötigt wird, ebenso mit Ausnahme derjenigen für den Ausgleich der Wärmeverluste in Kocher und Kolonne, wiederum auf 1, 0 kcal je Mol erzeugten Metalls. Die Menge des wieder in den Verfahrensgang eingeführten Alumini-
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umtrichlorids reicht aus, tun aus der Kolonne denjenigen Teil des Metallrückflusses mitzunehmen, wel- cher über die Menge, welche zur Bildung der Legierung mit 50% Mn erforderlich ist, hinausgeht.
Die
Menge des wieder eingeführten Aluminiumtrichlorids beläuft sich auf 0, 30 Mol je Mol erzeugten Metalls und der Wärmebedarf zum Wiedererhitzen auf 3, 0 kcal. Da sich die Wärmeverluste auf 2, 0 kcal belau- fen, ist der Gesamtwärmebedarf gleich 6, 0 kcal je Mol erzeugten Metalls. In diesem Fall wird der ge- samte Wärmebedarf in der Weise gedeckt, dass man in den Hilfskonverter 16 je Mol des Metalls 0, 086 Mol
Cl einführt. Dabei werden 0, 06 Mol Aluminium In Aluminiumtrichlorid umgewandelt und in der Rekti- fizieranlage werden 0, 06 Mol Aluminiumtrichlorid erzeugt. Bei diesem Verfahrensgang braucht man keinen besonderen Nacherhitzer (wie bei 64), und die gesamten Wärmeverluste werden durch die exotherm verlaufende Reaktion mit Chlorgas ausgeglichen.
Obwohl als Beispiel für den Erfindungsgedanken hier ein Verfahren beschrieben wurde, bei welchem das Aluminium in der Form von Aluminiummonochlorid durch den Verfahrensgang geleitet wird und elementares Chlor für die Beheizung im Kocher verwendet wird, so ist es doch klar, dass das gleiche Ver- fahren auch auf die Destillation anderer Subhalogenide anwendbar ist, so z. B. bei der Behandlung des Aluminiumeinsatzes mit Aluminiumtribromid, wobei dann die Wärmezufuhr im Kocher durch elementares Brom erfolgt. Ebenso eignen sich die Prinzipien und die Praxis der vorliegenden Erfindung auch für die Abtrennung anderer Verunreinigungen als gerade Mangan in der Rektifizierkolonne sowie von Kombinationen solcher Verunreinigungen, beispielsweise von der oben erwähnten Art.
Ferner kann die Apparatur, wie bereits erklärt wurde, abgeändert werden, beispielsweise indem man den Kocher zu einem Bestandteil der Rektifizierkolonne macht und denselben im unteren Teil derselben anordnet. In jedem Falle gewährt das erfindungsgemässe Verfahren einen wirksamen und wirtschaftlichen Weg zur Behandlung der Dämpfe bei der Destillation von Subhalogeniden zwecks Abscheidung des verunreinigten Metalls, während das gereinigte Aluminium durch eine chemische Reaktion ausgefällt wird. Es ist hier noch zu bemerken, dass die isolierte Rektifizierkolonne im allgemeinen in sehr wirksamer Weise ohne Heiz- oder Kühlvorrichtungen arbeitet, und dass der Wärmeaustausch innerhalb der Kolonne, soweit das möglich ist, auf die gegenseitige Einwirkung der im Gegenstrom wandernden Gasphase und der flüssigen Phase beschränkt ist.
Das Verfahren der Umwandlung metallischen Aluminiums in das Subhalogenid in der unter Bezugnahme auf den Kocher 16 beschriebenen Weise, also beispielsweise durch die Zuleitung von Chlor und Aluminiumtrichlorid in Gasform, so dass der Wärmebedarf durch die exotherme Reaktion des elementaren Halogens mit dem Metall gedeckt wird, kann auch an andern Stellen in einer Anlage zur Destillation von Subhalogeniden Anwendung finden, nämlich dort, wo Wärme örtlich erzeugt werden soll, beispielsweise bei der teilweisen oder auch Gesamterzeugung Aluminiummonochlorid enthaltender Dämpfe aus unreinem Aluminium, wie es als Einsatz für den Konverter verwendet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Gewinnung von gereinigtem Aluminium aus mit andern Metallen verunreinigtem Aluminium nach dem Subhalogenidverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Aluminiumsub- halogeniddämpfen mitgeführten dissoziierenden Halogenide der verunreinigenden Metalle daraus entfernt werden, indem man den Strom von Aluminiumsubhalogeniddämpfen, der mit solchen dissoziierenden Halogeniden verunreinigt ist, von unten in eine Rektifizierkolonne einführt, wobei dieser Strom in der Kolonne aufsteigt, während ein Strom flüssigen metallischen Aluminiums an einer höher gelegenen Stelle der Rektifizierkolonne eingeführt wird, so dass sich das flüssige Aluminium im Gegenstrom zu den auf- steigenden verunreinigten Subhalogeniddämpfen bewegt und dabei metallische Verunreinigungen aufnimmt,
wobei das gereinigte Aluminiumsubhalogenid am oberen Ende der Kolonne abgezogen und in einem besonderen Zersetzungskondensator zersetzt wird, um metallisches Aluminium zu bilden, während mit Verunreinigungen angereichertes metallisches Aluminium aus einer unteren Zone der Kolonne abgezogen wird.