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Verfahren zur Verhinderung bzw. Beseitigung von festen, störenden Ablagerungen an den Wänden der Leitungen bei der Aluminiumgewinnung nach dem Subhalogeniddestillationsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung bzw. Beseitigung von festen, störenden Ablagerungen an den Wänden der Leitungen, die bei der Aluminiumgewinnung nach dem Subhalogeniddestillationsverfahren von gasförmigem, heissem Aluminiumtrihalogenid bzw. gasförmigem Aluminiummonohalogenid durchströmt werden.
Bei dem Subhalogeniddestillationsverfahren wird gasförmiges Aluminiumtrichlorid oder Aluminiumtribromid in einem Konverter mit aluminiumhaltigem Metall zur Reaktion gebracht und dadurch Aluminiummonochlorid erzeugt. Der Gasstrom wird durch eine Gasleitung in eine Zersetzungsanlage geführt, wo der Aluminiummonochloridanteil durch Kühlen in elementares Aluminium und Aluminiumtrichlorid zerlegt wird. Der Gasstrom von Aluminiumtrichlorid, der einen kleinen Anteil Aluminiummonochlorid enthält, wird in den Konverter zurückgeleitet.
Kleine Mengen Wasser gelangen mit dem in den Konverter eingefüllten Metall in die Anlage und reagieren mit dem Aluminium zu feinverteilter Tonerde (AI 03) ; die Teilchen geraten als Suspension in den Gasstrom.
Andere Festteilchen entstehen bei der Umsetzung von Aluminiummonochlorid mit Kohlenstoff.
Diese Festteilchen können sich an den Wänden der Gasleitung zwischen Konverter und Zersetzungsanlage festsetzen. Wenn die Ablagerungen anwachsen, vergrössert sich der Druckabfall in der Leitung ; unter Umständen kann die Leitung durch die Ablagerung der Festteilchen vollständig verschlossen werden.
Wegen der hohen Betriebstemperatur und wegen des Aufbaues der Einrichtung ist es ausserordentlich schwierig, diese Ablagerungen durch die üblichen Mittel zu beseitigen.
Wärmeverluste führen dazu, dass das in der ganzen Gasleitung anzutreffende Aluminiummonochlorid zur Zersetzung neigt, wobei sich schmelzflüssiges Aluminium an den Wänden der Leitung absetzt. Das flüssige Aluminium hält die Festteilchen zusammen. Ferner nimmt das flüssige Aluminium andere Metallverbindungen auf und bildet Legierungen auf den Leitungswänden.
Der Hauptzweck dieser Erfindung ist es, beim Subhalogeniddestillationsverfahren zur Gewinnung von Aluminium in den Gasleitungen feste Ablagerungen zu vermeiden oder allenfalls doch aufgetretene Verstopfungen zu beseitigen.
Gemäss der Erfindung wird so verfahren, dass die festen, störenden Ablagerungen von den Wänden der Leitungen durch Abspülen der Leitungswände mit einem inerten, schmelzflüssigen Salz oder mit geschmolzenem Aluminium entfernt werden. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht das Salz aus Aluminiumtrihalogenid und einem Alkali- und bzw. oder einem Erdalkalihalogenid. Wird im Destillationsverfahren als Aluminiumtrihalogenid das Aluminiumtrichlorid benützt, so verwendet
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man erfindungsgemäss als Salz ein Gemisch aus Aluminiumtrichlorid und Natriumchlorid. Vorzugsweise besteht das Salz aus etwa äquimolaren Anteilen Aluminiumtrichlorid und Natriumchlorid.
Nach einem andern Merkmal der Erfindung werden die Leitungswände und der Gasstrom gleichzeitig von dem schmelzflüssigen Salz gewaschen. Ferner können die Leitungswände von der schmelzflüssigen Salzmischung fortlaufend abgespült werden.
Die Zeichnungen haben folgende Bedeutung : Fig. l ist eine schematische Darstellung der bei dem Subhalogeniddestillationsverfahrens benutzten Anlage ; Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schnittbild eines vertikal verlaufendenLeitungstücks nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ; Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Schnittbild einer schrägliegenden Gasleitung nach einem andern Ausführungsbeispiel für die Erfindung ;
Fig. 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung und die Darstellung eines Teils eines Konverters mit einer zu einer (nicht gezeichneten) Zersetzungsanlage führenden Gasleitung.
Fig. l gibt das allgemeine Fliessbild des Subhalogenidverfahrens wieder. Das zu raffinierende Metall wird in den Konverter 11 gegeben, wo es bei einer Temperatur von etwa 1100 bis 13000C mit gasförmigem Aluminiumtrichlorid in Berührung gebracht wird. Aus dem Konverter 11 gelangt eine gasförmige Mischung aus Aluminiummonochlorid und Aluminiumtrichlorid in die Leitung 12. In dem Gasstrom mitgeführte feste Teilchen haben das Bestreben, sich an den Wänden der Leitung 12 abzusetzen, obwohl die Leitung 12 so kurz wie möglich gehalten ist. Der Konverter 11 kann oberhalb der Zersetzungsanlage 13 angeordnet werden, so dass die Leitung 12 im wesentlichen senkrecht nach unten verläuft.
Die Temperatur in der Zersetzungsanlage 13 liegt bei ungefähr 700 C, so dass das Aluminiummonochlorid sich zu Aluminium und Aluminiumtrichlorid umsetzt. Gasförmiges Aluminiumtrichlorid mit einer geringen Beimischung vonAluminiummonochlorid wird von der Zersetzungsanlage 13 durch eine Leitung 14 in einen Gasumwälzer 15 geführt. Wegen des Wärmeverluste an den Wänden zerfällt in der Leitung 14 ein Teil des Aluminiummonochlorids, und das schmelzflüssige Aluminium neigt dazu, sich auf den Wänden der Leitung 14 abzusetzen.
Von der Umwälzeinrichtung 15 aus verläuft ein Strom von Aluminiumtrichlorid mit einem sehr kleinen Gehalt an Aluminiummonochlorid durch die Leitung 16 in den Erhitzer 17, wo er auf etwa 1100-1300 C aufgeheizt wird ; von dort gelangt das Gas durch eine Leitung 18 hindurch in den Konverter 11. In der Leitung 16 können sich, ebenso wie in der Leitung 14, Ablagerungen von schmelzflüssigem Aluminiummetall bilden. In manchen Fällen ist die Temperatur in der Leitung 16 so niedrig, dass Ablagerungen von Teilchen aus festem metallischem Aluminium entstehen können.
Fig. 2 stellt eine Ausführungsform der Erfindung in ihrer Anwendung auf eine vertikale Rohrleitung an. Der Gasstrom aus dem Konverter 11 wird durch die Leitung 21 in die vertikale Leitung 22 geführt und verlässt diese durch die Leitung 23. Am oberen Ende der Leitung 22 ist ein ringförmiges Bauelement 26 vorgesehen. Der Teil 26 ist so geformt, dass zwischen der Wandfläche 28 und dem Teil 26 eine Mulde 27 ausgebildet ist. Durch den Durchlass 31 wird eine Salzschmelze zur Mulde 27 geleitet. Die Salzschmelze steigt über den Rand 29 der Mulde 27 hinweg und läuft an der Wandfläche 28 hinab, wobei sie alle festen Ablagerungen mitnimmt.
Wenn man die Salzschmelze praktisch kontinuierlich fliessen lässt, werden die festen Teilchen abgeführt, weil sie sich auf dem strömenden Salzfilm, der an der Wand 28 entlang fliesst, absetzen und auf diese Weise nicht an der Wand haften bleiben können.
Am unteren Ende der Leitung 22 bildet sich ein Sumpf aus schmelzflüssigem Salz und festem Material. Durch das Rohr 33 wird ein Strom von schmelzflüssigem Salz und Feststoffen weggeführt ; aus dem Strom werden die Feststoffe entfernt, was durch einfaches Absitzenlassen, durch Filtrieren oder durch Einsatz eines Flüssigkeitszyklons geschehen kann. Durch den Durchlass 31 wird dann dasbehandelte und von Feststoffen befreite schmelzlfüssige Salz wieder in den Verarbeitungsprozess zurückgeleitet.
Natürlich können beliebige Arten von Verteilereinrichtungen in der Leitung 22 angeordnet werden, um einen praktisch kontinuierlich fliessenden Film von flüssigem Salz auf der Wand : 28 zu erzeugen. Gute Ergebnisse sind durch Versprühen zu erzielen, wodurch der die Leitung 22 durchsetzende Gasstrom gewaschen und gleichzeitig das versprühte schmelzflüssige Salz auf die Wand 28 geleitet wird, um auf ihr die Entstehung fester Ablagerungen zu verhindern.
Fig. 3 stellt eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in einer geneigt angeordneten Leitung 40 dar, die von dem Gas in Pfeilrichtung durchströmt wird. Die Salzschmelze wird durch die
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Rohre 41 und 44 zugeführt und tritt durch mit Abstand voneinander angeordneten Düsen 42 und 45 aus, die auf der Mittellinie der Leitung 40 liegen ; der Abstand zwischen den Düsen 42 und 45 ist so gewählt, dass die versprühte Salzschmelze gleichzeitig den Gasstrom auswäscht und das Absetzen von Festteilen auf den Wänden 48 der Leitung 40 verhindert. Bei geeigneter Lage der Düsen 42 und 45 wird ein praktisch kontinuierlich fliessender Film auf den Wandteilen zwischen den beiden Düsen erzeugt.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform verlaufen Gasstrom 47 und der Strom der Salzschmelze gegeneinander ; die Strömungen können aber auch in gleicher Richtung fliessen.
Der Waschvorgang kann praktisch fortlaufend während der gesamten Prozessdauer ablaufen. Da aber in manchen Leitungen schneller störende Ablagerungsmengen anfallen als in andern, kann es empfehlenswert sein, eine oder mehrere Leitungen fortlaufend zu spülen, andere dagegen nur beim Auftreten eines störenden Druckabfalls. In manchen Leitungen kann jederzeit die von Fall zu Fall vorzunehmende Spülung ausreichen.
Die als Waschflüssigkeit benutzte Salzschmelze besteht vorzugsweise aus einer Mischung von Aluminiumtrihalogenid und wenigstens einem Alkali- und/oder einem Erdalkalihalogenid. Vorgezogen werden die als binäre oder ternäre Gemische bekannte, losen chemischen Komplexverbindungen. Vorzugsweise enthält die Salzmischung nur ein einziges Halogen, u. zw. vorzugsweise dasselbe wie das des Aluminiumhalogenids, das bei dem Prozess verwendet wird. Wenn im Prozess Aluminiumtrichlorid als Umwandlungsmittel benutzt wird, besteht die Salzschmelze aus Aluminiumtrichlorid und Alkaliund/oder Erdalkalichlorid ; Aluminiumtrichlorid und Natriumchlorid bilden die bevorzugte binäre Mischung.
Unter den in den Fig. l - 3 dargestellten Betriebsbedingungen ist das am besten verwendbare Salz eine Mischung aus äquimolaren Anteilen von Aluminiumtrichlorid und Natriumchlorid.
Die Salzmischung muss so zusammengesetzt sein, dass sie unter den in der zu spülenden Leitung herrschenden Temperaturbedingungen flüssig ist, und auch der Dampfdruck der Salzmischung soll etwa so hoch sein wie der in der zu spülenden Leitung. Als sehr brauchbar hat sich für den Einsatz bei einer
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Gemäss Fig. 4 besitzt der Konverter 101 einen Schachtteil 102 für eine Charge aus verunreinigtem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Sie wird durch eine Öffnung 103 eingebracht, die so gut wie möglich gegen die Atmosphäre abgeschlossen wird. Das verunreinigte Aluminium wird in solcher Weise eingeführt, dass nur eine möglichst geringe Luftmenge mitgeführt wird, es ist jedoch schwierig zu verhindern, dass eine gewisse geringe Menge adsorbierter oder sonstwie mitgeführter Feuchtigkeit mit der festen Charge hereingebracht wird.
Durch das untere Ende des Schachtes 102 kann erhitztes, gasförmiges Aluminiumtrichlorid (AlCl) eingeblasen und können die Rückstände, denen das Aluminium entzogen ist, entfernt werden.
Die Gase passieren die Metallfüllung im Schacht 102 und treten als Gemisch aus Aluminiummonochlorid und Aluminiumtrichlorid aus. Die Erhitzung des Metalls im Schacht 102 kann in beliebiger Weise vorgenommen werden, z. B. durch einen oder mehrere elektrische Widerstands-Erhitzer 104 und/oder dadurch, dass ein Strom durch die Charge aus festem Material in dem Schacht geleitet wird, der von (nicht dargestellten) Elektroden ausgeht, die in an sich bekannter Weise durch die Wand des Schachts 102 eingeführt werden.
Die Gase treten aus dem oberen Teil des Konverters aus und gelangen in eine vertikal abwärts gerichtete Leitung 105. In dieser Leitung können Klumpenbildung und Verstopfung auftreten, weil Feststoffe, wie Tonerde, Aluminiumkarbid u. dgl., sich an den Wänden zu sammeln pflegen, dort anhaften und schliesslich so starke Ablagerungen bilden, dass die Leitung 105 verengt und sogar völlig verschlossen wird.
Solche Verschlüsse werden durchdieErfindung verhindert ; an denWänden der Leitung 105 haftende Stoffe werden entfernt, und die Ablagerungen werden durch die Spülwirkung eines Films aus schmelzflüssigem Salz oder geschmolzenem Aluminium verhindert. Dazu ist eine um den Eingang in die Leitung 105 herum führende ringförmige Mulde 106 vorgesehen. In diese Mulde wird durch einen schrägliegenden Durchlass 107 geschmolzenes Aluminium beliebiger Herkunft eingeleitet, beispielsweise aus dem in den Zeichnungen nicht dargestellten Aluminiummonochloridzersetzer. Mit geeigneten Einrichtungen, z. B. mit einer Refrax-Kolbenpumpe, kann die Aluminiumschmelze an den Durchlass 107 herangebracht werden ; diese Einzelheiten bilden nicht den Gegenstand der Erfindung.
Das geschmolzene Aluminium fliesst über die ringförmige Wand 108 der Mulde 106 und von dort abwärts entlang den Wänden der Leitung 105, wie durch 109 angedeutet ; dabei werden Feststoffe, die sich an diesen Wänden absetzen wollen, mitgenommen oder abgelöst, so dass die Feststoffe
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mit dem Strom der Aluminiumschmelze nach unten in den Zersetzer weggeführt werden, in dem die unerwünschten Feststoffe von dem geschmolzenen Aluminium abgetrennt werden können.
Wenn die Wand 108 nicht völlig gleichförmig und eben ist, wenn die Leitung 105 zum Unterschied von der in Fig. 4 gezeigten geneigten Lage vertikal steht, hat es sich als wünschenswert erwiesen, an einem oder mehreren Niveaus unterhalb des oberen Endes der Leitung 105 Hilfseinrichtungen zum neuerlichen Verteilen des geschmolzenen Aluminiums vorzusehen, so dass es als ein sich bewegender Film einen grossen Abschnitt der Wand oder sogar die ganze Wand der Leitung 105 bedeckt.
Diesem Zweck dienen zwei unterschiedliche Arten von Hilfsmitteln, die in den Zeichnungen dargestellt sind und die für sich oder miteinander bei jedem speziellen Aufbau benutzt werden können, die Hilfseinrichtungen können je für sich oder miteinander mehrfach hintereinander angeordnet werden, wenn es erforderlich ist, das neuerliche Verteilen des schmelzflüssigen Aluminiums in verschiedenen Ebenen längs der Leitung 105 vorzunehmen.
Das oben liegende Verteilungsstück besteht gemäss Fig. 4 aus einem nach innen vorspringenden ringförmigen Element 110, das in der Wand der Leitung 105 befestigt ist und vorzugsweise einen nach oben weisenden Innenflansch 111 besitzt und dadurch eine ringförmige Mulde 112 zwischen dem Flansch 111 und den Seitenwänden der Leitung 105 entstehen lässt. Die Querschnittsform der Leitung 105 und der Teile 110 und 111 ist ziemlich unwesentlich ; das Prinzip kann sowohl bei runden oder ovalen als auch bei rechteckigen und/oder geradlinig begrenzten Leitungen angewendet werden. Auf jeden Fall übersteigt das sich in der Mulde 112 sammelnde schmelzflüssige Aluminium den nach oben weisenden Innenflansch 111 in der dargestellten Weise, wodurch eine gleichmässigere Verteilung des geschmolzenen Aluminiums wenigstens über einen Teil der Leitungswände erreicht wird.
Die Leitung 105 besteht aus Tonerde und die Netzwirkung der Aluminiumschmelze verbessert das Fliessen des geschmolzenen Aluminiums über die ganze Wandfläche. Das Element 110 kann aus jedem Werkstoff hergestellt werden, der der fraglichen Temperatur ausgesetzt werden kann und der keine Verunreinigung des schmelzflüssigen Aluminiums herbeiführt.
Eine weitere Hilfseinrichtung zum neuerlichen Verteilen der Aluminiumschmelze wird in einem tieferen Abschnitt der Leitung dargestellt ; dort ist in die Wände der Leitung 105 ein ringförmiger Schlitz 113 geschnitten, der an seinem äusseren Rande in eine ringförmige Mulde 114 übergeht, in die das Aluminium fliesst und die zum neuerlichen Verteilen des geschmolzenen Aluminiums dient.
Die Mulde 114 wird von der innen liegenden Leitung 105 durch einen ringförmigen Wandstreifen 115 getrennt, über den die Aluminiumschmelze fliesst, so dass sie innen in der Leitung 105 als praktisch nicht unterbrochener Flüssigkeitsfilm abläuft. Unter bestimmten Umständen ist diese Vorrichtung wirkungsvoller als die bei 110 für schrägliegende Leitungen dargestellte Einrichtung.
An Stellen wie dem Konverterausgang, wo sehr hohe Temperaturen aufteten, kann schmelzflüssiges Aluminium als Mittel zum Abspülen von festen Ablagerungen von den Leitungswänden benutzt werden. Salzschmelzen können für diesen Zweck sowohl in Bereichen mit niedrigerer Temperatur wie in den Bereichen mit hoher Temperatur verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verhinderung bzw. Beseitigung von festen, störenden Ablagerungen an den Wänden
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werden, dadurch gekennzeichnet, dass die festen, störenden Ablagerungen von den Wänden der Leitungen durch Abspülen der Leitungswände mit einem inerten, schmelzflüssigen Salz entfernt werden.
2. AbänderungdesVerfahrensnachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dassdie festen, störenden Ablagerungen von den Wänden der Leitungen durch Abspülen mit geschmolzenem Aluminium entfernt werden.