Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung der Abgase, die bei der Entfernung des Wasserstoffs aus Aluminiumschmelzen durch Einleiten von Chlor entstehen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung der Abgase, welche bei der Entfernung des Wasserstoffes aus Aluminiumschmelzen durch Einleiten von Chlor entstehen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens.
Es ist bekannt, dass geschmolzenes Reinaluminium eine sehr grosse Aufnahmefähigkeit für Wasserstoff aufweist. Der Wasserstoff ist dabei in der Schmelze teils atomar gelöst, teils als Aluminiumhydrid chemisch gebunden vorhanden. Beim Erstarren der vergossenen Schmelze geht der atomar gelöste Wasserstoff in den molekularen Zustand über und verursacht unerwünschte Blasen im Gussstück.
Zur Entfernung des Wasserstoffes aus der Schmelze wird die Schmelze durch Einleiten von trockenem Chlor oder Chlorhohlenstoff-Verbindungen chloriert, wobei der vorhandene Wasserstoff in Chlorwasserstoff umgewandelt wird. Um dabei eine gute Durchmischung der Schmelze mit dem Chlorierungsgas und damit eine weitgehende Entfernung des Wasserstoffes zu erzielen, muss mit einem grossen stöchiometrischen t : Überschuss an Chlorgas gearbeitet werden. Das überschüssige Chlorierungsgas bildet mit dem Aluminium der Schmelze Aluminiumchlorid, welches bei atmosphärischem Druck bei ca. 180 OC vom festen Zustand in den gasförmigen Zustand sublimiert.
Die bei dem beschriebenen Reinigungsprozess aus der Schmelze ausgetragenen Reaktionsprodukte bestehen demgemäss hauptsächlich aus gasförmigem Aluminiumchlorid und einem geringen Anteil von Chlorwasserstoffgas, wobei die Reaktionsprodukte mit der Schmelztemperatur von etwa 700 OC aus der Schmelze austreten. Werden die Chlorierungsabsage ohne weitere Vorkehrungen ins Freie ausgeblasen, so bilden sie bei der Abkühlung unter die Sublimationstemperatur des Aluminiumchlorids dichte weisse Nebel, welche aus feinsten Aluminiumchlorid-Festpartikeln bestehen, sowie im Kontakt mit Feuchtigkeit infolge der Anwesenheit des Chlorwasserstoffgases chemisch aggressive Salzsäure. Die Gase müssen deshalb vor ihrem Austritt in die Atmosphäre von den Reaktionsprodukten gereinigt werden.
Um hier Abhilfe zu schaffen, ist ein Reinigungsverfahren bekannt geworden, bei welchem über dem Tiegel eine Abzugshaube angebracht wird, durch die aus der Schmelze austretende Chlorierungsgase vermischt mit zwischen Haube und Tiegel eingezogener Trägerluft abgesaugt und einer Abscheideapparatur zugeführt werden. Da im Vergleich zur Menge des Chlorierungsgases verhältnismässig viel kalte Trägerluft angesaugt wird, fällt die Temperatur des Gasgemisches unter die Sublimationstemperatur des Aluminiumchlorids, so dass diese in Form feinster Festpartikal mit einem Durchmesser von überwiegend unter 1/1000 mm ausfällt. Die Abscheidung dieser Aluminiumchlorid-Partikel aus dem Gasstrom ist nur sehr schwierig möglich und erfordert aufwendige Apparaturen.
Die Verwendung von Zyklonen, Wasch- und Sprühtürmen sowie die Benutzung mechanischer Wascheinrichtungen führt nicht zu befriedigenden Ergebnissen. Lediglich der baulich aufwendige Elektrofilter führt zu einem ausreichenden Abscheide grad. Aus diesem Grunde bestehen die bekannten Abscheideanlagen im allgemeinen aus einem Waschturm, in welchem die gröberen Aluminiumchlorid-Partikel und das Chlorwasserstoffgas ausgewaschen werden, während die feinen Aluminiumchlorid-Partikel in einem nachgeordneten Nasselektrofilter abgeschieden werden. Derartige Reinigungsanlagen sind wegen der Verwendung des teueren Elektrofilters und der grossen durch die Trägerluft bedingten Gasmengen umfangreich und kostspielig.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei den bekannten Reinigungsverfahren ein grundlegender Mangel darin besteht, dass das ursprünglich gasförmige Aluminiumchlorid durch die Vermischung mit der kalten Trägerluft in Form feinster Partikel im Gas strom ausfällt, deren Entfernung erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Aufgabe der Erfindung ist es, das einleitend genannte Verfahren so auszubilden, dass die beim Bekannten auftretenden Schwierigkeiten vermieden und die aus der Schmelze ausgetragenen Reaktionsprodukte, insbesondere das Aluminiumchlorid, ohne grossen baulichen Aufwand aus dem Abgasstrom entfernt werden.
Zur Lösung vorstehender Aufgabe kennzeichnet sich das neue Verfahren dadurch, dass das Abgas mit einer Temperatur, die oberhalb der Sublimationstemperatur des darin enthaltenen Aluminiumchlorid liegt, mit Flüssigkeitsoberflächen in Berührung gebracht wird, deren Temperatur unter der Sublimationstemperatur liegt, wobei das Aluminiumchlorid an den Flüssigkeitsoberflächen kondensiert, von der Flüssigkeit absorbiert und mit dieser ausgetragen wird.
Durch das neue Verfahren erreicht man, dass praktisch bei der Kondensation des Aluminiumchlorids an der Flüssigkeitsoberfläche dieses unmittelbar nach Über- gang in die feste Phase von der Flüssigkeit absorbiert wird, so dass es gegenüber den bekannten Kondensa tionseinrichtungen für Aluminiumchlorid nicht zur Bildung fester Ansätze kommt, die von Zeit zu Zeit entfernt werden müssen. Die Bildung fester Ansätze hat überdies den Nachteil, dass mit zunehmender Schichtdicke des anhaftenden Chlorids die Kondensationsleistung der Abscheideeinrichtung schlechter wird, da die schlecht leitenden Schichten den Wärmedurchgang behindern.
Dagegen wird bei der Kondensation des Aluminiumchlorids an Flüssigkeitsoberflächen ein Ansetzen der Kondensationsprodukte verhindert, weil diese unmittelbar bei ihrer Entstehung von der Flüssigkeit absorbiert und mit der Flüssigkeit laufend ausgetragen werden. Hierdurch erreicht man eine unveränderliche Kondensationsleistung, wobei ausserdem durch die Berührung der Abgase mit der Flüssigkeit auch ein Teil der Chlorwasserstoffgases durch Absorption in der Flüssigkeit aus dem Gasstrom ausgeschieden wird. Als Flüssigkeit kommt beispielsweise Wasser in Betracht, das eine gute Absorptionsfähigkeit für Aluminiumchlorid und Chlorwasserstoff aufweist.
Bei der Berührung des Abgases mit den Flüssigkeitsoberflächen wird zwar, wie oben erwähnt, ein Teil des im Abgas enthaltenen Chlorwasserstoffes ebenfalls abgeschieden, jedoch ist diese Abscheidung nur sehr unvollständig, da die Kontaktflächen der Apparatur hierfür nicht ausreichen und ausserdem im allgemeinen auch die zur Anwendung kommenden Gasgeschwindigkeiten nur gering sind. Infolge der genannten Umständen werden bei der Kondensation des Aluminiumchlorids an den Flüssigkeitsoberflächen auch keine Feststoffpartikel abgeschieden, die mit dem Gasstrom aus der Aluminiumschmelze mitgerissen werden.
Um das Abgas auch von diesen Reaktionsprodukten zu reinigen, sieht die Erfindung weiterhin, vor, dass das Abgas nach der Berührung mit den Flüssigkeitsoberflächen zur Entfernung des noch enthaltenen Chlorwasserstoffs und der vom Abgas aus der Schmelze mitgerissenen Feststoffpartikel gewaschen wird. Hierbei wird das restliche Chlorwasserstoffgas absorbiert und die Feststoffteilchen aus dem Gas strom entfernt.
Es lässt sich erfahrungsgemäss im praktischen Betrieb nicht immer vermeiden, dass ein Teil des in die Schmelze einzuführenden Chlorgases, beispielsweise durch Korrosion des Chlorzuführungsrohres im Bereich über der Schmelze, unmittelbar in das Abgas gelangt.
Wenn beispielsweise Wasser als Kondensations- und Waschflüssigkeit verwendet wird, reicht die für die Abscheidung des Aluminiumchlorids und für das Waschen des Gases verwendete Flüssigkeitsmenge nicht aus, um das Chlorgas zu absorbieren, da das Chlorgas eine verhältnismässig schlechte Löslichkeit im Wasser zeigt, Um hier Abhilfe zu schaffen, ist nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Abgas nach dem Entfernen des darin enthaltenen Aluminiumchlorids und gegebenenfalls nach dem anschliessenden Waschen zum Entfernen des noch enthaltenen Chlorwasserstoffes mit einer der geringen Löslichkeit des Chlors entsprechenden Flüssigkeitsmenge intensiv vermischt und das Chlor gegebenenfalls in der Flüssigkeit abgeführt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens dient erfindungsgemäss eine Vorrichtung, welche sich dadurch kennzeichnet, dass oberhalb der Aluminiumschmelze ein gegen den Zutritt von Aussenluft weitgehend oder völlig abgedichteter Gasraum mit angeschlossener Abgasleitung und nachfolgender Abscheideeinrichtung für das Aluminiumchlorid vorgesehen ist, wobei die den Gasraum begrenzenden Wandungen und die Abgasleitung wärmeisoliert sind und dass die Abscheideeinrichtung z. B. aus einem Fallfilmkondensator für das Alumi niumchlorid aus einem oder mehreren sich gasdicht an die Abgasleitung anschliessenden Fallrohren besteht, deren dem Gasstrom zugewandte Innen- und/oder Aus senflächen von einem längs des Rohrumfanges geschlossenen, unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten ablaufenden Flüssigkeitsfilm bedeckt sind.
Zweckmässig ist es, wenn der Gasraum oberhalb der Aluminiumschmelze von einer Abzugshaube umgeben ist, welche dicht auf dem Tiegel aufliegt.
Bei der neuen Vorrichtung wird demgemäss das Abgas ohne merkbaren Zutritt von Aussenluft in den vorzugsweise vorgesehenen Fallfilmkondensator überführt, der eine grosse Flüssigkeitsoberfläche bildet und der für eine Selbstreinigung der Fallrohre sorgt, so dass sich an den Fallrohren keine Feststoffe ansetzen können.
Zwar ist es denkbar, als Kondensator für das Aluminiumchlorid auch Sprühtürme zu verwenden, jedoch sich diese in ihrer Wirkungsweise nicht so günstig wie der beschriebene Fallfilmkondensator, da die einzelnen Flüssigkeitströpfchen bei ihrer Bahn durch das Gas hinter sich eine Zone unterkühlten Gases zurücklassen, in welcher das Aluminiumchlorid wiederum in Form von Festartikeln ausfällt.
Auch sind Füllkörpersäulen, bei welcher die Flüssigkeit über die Füllkörper herunterrieselt und die von den zu reinigenden Abgasen durchströmt werden, nicht so geeignet wie Fallfilmkondensatoren, da an den stets vorhandenen unberieselten Teilen der Füllkörperoberflächen sich festes Aluminiumchlorid ansetzt und die Füll körpersäule verstopft.
Um eine Abscheidung des Aluminiumchlorids in fester Form an den Wandungen der Abgasleitung zwischen Schmelztiegel und Kondensator zu verhindern, empfiehlt es sich, die Abgasleitung in dem genannten Bereich mit einer Heizeinrichtung auszurüsten, so dass die Temperatur der Innenwandung der Abgasleitung stets auf einem Wert oberhalb der Sublimationstempern- tur des Aluminiumchlorids gehalten wird.
Ein dichter Abschluss zwischen der Abgasleitung und dem Kondensator kann man in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass zwischen der Abgasleitung und dem Kondensator ein Tauchverschluss vorgesehen ist, wobei der Flüssigkeitsbehälter, in welchen das Ende des Abgasrohres oder eines besonderen Zwischenstückes eintaucht, gleichzeitig als Zuführungsbehälter für die Flüssigkeit zu den Fallrohren ausgebildet wird.
Zur Abscheidung der in dem Fallfilmkondensator nicht aus dem Abgasstrom entfernten übrigen Reaktionsprodukte schlägt die Erfindung weiterhin vor, dass sich an den Fallfilmkondensator eine im Gegenstrom von Flüssigkeit und Abgas durchströmte Flüssigkeitsberieselte Füllkörpersäule mit nachgeordnetem Flüssigkeitsstrahlsauger anschliesst, der über einen Sammel- und Gasabscheidebehälter mit einem Abzug für das gereinigte Gas verbunden ist. In der Füllkörpersäule erfolgt die Waschung des Gases und die Abscheidung des noch enthaltenen Chlorwasserstoffes sowie der aus der Schmelze mitgerissenen Feststoffpartikel, während in dem Strahlsauger das gegebenenfalls im Abgas vorhandene freie Chlor durch die intensive Vermischung mit einer grossen Flüssigkeitsmenge in dieser gelöst und abgeführt wird.
Der Flüssigkeitsstrahlsauger dient dabei gleichzeitig als Förderer für das Abgas und zur Aufrechterhaltung des Unterdruckes in den vorgeschalteten Leitungen und Apparateteilen, die von Abgas durchströmt werden. In dem mit grossen Flüssigkeitsaufwand arbeitenden Flüssigkeitsstrahlsauger erfolgt eine intensive Durchmischung des Abgases mit der Treibflüssigkeitsmenge, so dass gegebenenfalls auftretendes freies Chlor in der Treibflüssigkeit absorbiert wird. Um die Chlorabsorbierende Wirkung des Flüssigkeitsstrahlsaugers zu verstärken, empfiehlt es sich, das Gas mehrfach durch den Sauger hindurchzuführen. Aus diesem Grunde ist zur Rückleitung eines Teiles des Abgases aus dem Abzug zum Strahlsauger eine mit einem Regelorgan ausgerüstete Verbindungsleitung zwischen der Saugseite des Strahlsaugers und dem Abzug vorgesehen.
Auf diese Weise kann die Kontaktzeit und die Kontaktoberfläche zwischen Abgas und Treibflüssigkeit je nach Einstellung des Regelorganes beliebig erhöht werden.
Die Zeichnung gibt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Durchführung des neuen Verfahrens wieder.
In der Figur ist ein Tiegel mit einem Eisenmantel 1 dargestellt, der die zu chlorierende Aluminiumschmelze 2 enthält und auf der Innenseite eine Ausmauerung 3 aufweist. Eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Zugvorrichtung greift mit ihrem Haken 4 am Tiegel an und dient dazu, den Tiegel um den Drehpunkt 5 zur Entleerung zu verschwenken.
Auf den Tiegel aufgesetzt ist die Abzugshaube 6 für die Abgase. Die Haube ist unter Zwischenanordnung einer beispielsweise aus Asbest bestehenden Dichtung 8 mittels Schrauben 7 lösbar auf dem Tiegel angeordnet.
Während des Betriebes wird in dem oberhalb der Schmelze 2 befindlichen Gasraum 9 ein geringer Unterdruck aufrechterhalten, wobei die Dichtung 8 dafür sorgt, dass keine Umgebungsluft in den Gasraum 9 eindringen kann. Hierdurch wird vermieden, dass das aus der Schmelze austretende Chlorierungsabgas mit kalter, zwischen Haube und Tiegel eintretender Umgebungsluft vermischt und soweit abgekühlt wird, dass das gasförmige Aluminiumchlorid in Form des festen Sublimates im Abgas ausfällt.
Die Abgashaube 6 ist mit einer äusseren Wärmeisolierung 10 versehen, um zu verhindern, dass sich an den kalten Stellen der Wandungen festes Aluminiumchlorid abscheidet. Die Wärmeisolierung ist dabei so bemessen, dass infolge der Wärmestrahlung der Aluminiumschmelze, die eine Temperatur von etwa 700 OC aufweist, die Wandtemperatur der Haube über der Sublimationstemperatur von etwa 180 OC gehalten wird.
In der Mitte der Haube 6 ist ein Anschlusstutzen 11 vorgesehen, durch welchen ein Chlorverteilrrohr 12 in die Aluminiumschmelze 2 hineinragt. Über eine Leitung 13 und eine flexible Zuleitung 15 sowie das Chlorverteilerrohr 12 wird das Chlorgas aus einem Druckbehälter in die Schmelze eingeblasen. In der Leitung 13 ist ein Ventil 14 eingebaut, welches eine Dosierung der der Schmelze zugeführten Chlorgasmenge erlaubt.
Die Haube 6 ist an einer Seite mit einem Haubenstutzen 1 5a ausgerüstet, an den sich eine Leitung 16, die Abgasleitung mit Isolierung 18 anschliesst, durch welche das zu reinigende Gas aus dem Gasraum 9 abgezogen wird. Um auch in der Abgasleitung 16 eine Abscheidung des gasförmigen Aluminiumchlorids an den Wandungen in Form fester Partikelchen zu vermeiden und damit eine Verstopfung der Leitung zu verhindern, ist diese mit einer elektrischen Heizeinrichtung in Form eines spiralig um das Rohr gewickelten Heizendes 17 ausgerüstet, welches zweckmässig über einen in der Figur nicht dargestellten Thermoschalter an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen wird, so dass das Rohr 16 stets in seiner Temperatur oberhalb der Sublimationstemperatur des Aluminiumchlorids gehalten wird.
An die Abgasleitung 16 schliesst sich ein Kondensator an, dem das Abgas zwecks Abscheidung des Aluminiumchlorids und eines Teiles des Chlorwasserstoffs zugeführt wird. Er ist als Fallfilmkondensator ausgebildet und besteht aus einem Fallrohr 19, dessen Innenfläche von einem geschlossenen Flüssigkeitsfilm bedeckt ist. Zu diesem Zwecke erstreckt sich das Fallrohr mit seinem oberen Ende, welches mit Einlaufzacken 20 versehen ist, in eine Flüssigkeitsverteiltasse 21, welcher die Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, äber die Druckleitung 22 und das Drosselventil 23 zugeführt wird. Die Verteiltasse 21 ist nach oben offen, um bei einer Störung des Flüssigkeitsabflusses aus dem Kondensator bzw. dem nachgeschalteten Sammelbehälter 26 zu vermeiden, dass die Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, über die Druckleizurücksteigen und dort explosionsartig verdampfen kann.
Da beim Kippen des Tiegels 1 die Gasleitung 16 nach oben geschwenkt wird, muss der Zusammenschluss. zwischen Gasleitung und Kondensator leicht lösbar ausgebildet sein. Ausserdem soll der Übergang von der beheizten Rohrwandung der Leitung 16 zu den unbeheizten, von einem Flüssigkeitsfilm bedeckten Wandungen des Fallrohres 19 möglichst unvermittelt erfolgen, da das feuchte Abgas bei Kontakt mit den unbeheizten Apparatewandungen beim Auftreten freien Chlors ausserordentlich aggressiv ist. Aus diesem Grunde ist die Verbindung von dem Abgasrohr 16 zu dem Fallrohr 19 als Tauchverschluss ausgebildet, wobei die Flüssigkeitsverteilertasse 21 zugleich das Tauchgefäss für eine kurze zylindrische Zarge 25 bildet, die an eine ebenfalls elektrisch beheizte und wärmeisolierte konische Rohrer weiterung 24 lösbar befestigt ist.
Die Zarge umschliesst das Fallrohr 19 unter Belassung eines freien Spaltes, durch den die zugeführte Flüssigkeit aus der Verteilertasse auf die Innenwandung des Fallrohres 19 gelangt.
Da die Zarge unbeheizt ist und stets in Kontakt mit feuchtem Abgas steht, lassen, sich Korrosionserscheinungen nicht vermeiden. Aus diesem Grunde wird die Zarge als leicht ersetzbares Verschlussteil ausgebildet und leicht lösbar über eine Flanschverbindung an die konische Erweiterung 24 angeschraubt.
Unterhalb des Fallrohres 19 befindet sich ein Sam melb eh älter 26, welcher einen Anschlusstutzen für das Fallrohr 19 aufweist. Auf dem Sammelbehälter ist neben dem Fallrohr 19 ein als Füllkörpersäule 27 ausgebildeter Wäscher befestigt. Der Sammelbehälter 26 wird nur bis zu einer vorbestimmten Höhe mit Flüssigkeit gefüllt, so dass das aus dem Fallrohr 19 austretende Gas über die Flüssigkeitsoberfläche des Sammelbehälters 26 hinwegstreicht und in die Füllkörpersäule 27 eintritt. Es durchströmt mit einer angemessen hohen Geschwindigkeit die beispielsweise aus Raschigringen bestehende Packung 28 des Wäschers von unten nach oben im Gegenstrom zu der von oben nach unten fliessenden Waschflüssigkeit, welche aus der Leitung 22 über ein Drosselventil 30 in einstellbaren Mengen aufgegeben wird.
In der Füllkörpersäule 27 wird der restliche Chlorwasserstoff des Abgases weitgehend in der Flüssigkeit absorbiert und ausserdem auch die aus der Schmelze durch das Chlorierungsgas ausgetragenen Feststoffpartikel ausgeschieden.
Aus dem als Füllkörpersäule 27 ausgebildeten Wäscher gelangt das Gas über eine Verbindungsleitung 44 zu einem Flüssigkeitsstrahlsauger 31, dem die Treibflüssigkeit in einer durch das Drosselventil 32 einstellbaren Menge aus der Druckleitung 22 zugeführt wird. Aus trittsseitig ist der Strahlsauger 31 über eine Leitung 33 mit einem Sammelbehälter 34 verbunden, so dass das Flüssigkeitsgasgemisch in den Behälter 26 gelangt, der über eine Verbindungsleitung 40 kommunizierend mit dem Behälter 26 verbunden ist.
Aus dem Sammelbehälter 34 wird die Flüssigkeit über den Siphon 35 in die Kanalisationsleitung 36 abgeführt, während das gereinigte und im Sammelbehälter 34 sich von der Flüssigkeit trennende Abgas durch die Leitung 37 ins Freie ausgestossen wird.
Um die chlorabsorbierende Wirkung des Strahlsaugers zu erhöhen, kann dieser hinsichtlich seiner Förderleistung um ein Vielfaches, beispielsweise Zehnfaches, überdimensioniert sein, so dass 90 O/o des vom Strahlsauger geförderten Abgases aus der Leitung 37 mittels einer Verbindungsleitung 38 mit zugehörigem Drosselventil 41 wieder auf die Saugseite des Strahlsaugers zurückgeführt werden kann. Hierdurch wird das aus der Fülürpersäu- le 27 abgesaugte Abgas etwa zehnmal durch den Strahlsauger hindurchgeführt und somit die Aufenthaltezeit des Gases im Mischraum des Strahlsaugers entsprechend verlängert und eine erhöhte Absorption des Chlorgases erzielt.
Um den Flüssigkeitsbedarf der Renigungsanlage zu verringern, wird mittels einer Pumpe 39 ein Teil des aus dem Fallrohr 19 der Füllkörpersäule 27 und dem Strahlsauger 31 abfliessenden Betriebsflüssigkeit wieder den genannten Anlageteilen erneut zugeführt. Zu diesem Zweck ist die Pumpe 39 austrittsseitig über eine Verbindungsleitung 45 mit darin angeordnetem Rückschlagventil 42 mit der Druckleitung 22 verbunden. Das Rück schlagventil 42 verhindert eine Kurzschlusströmung aus der Druckleitung 22 durch die Pumpe in die Kanalisation. Ausserdem ist in der Druckleitung 22 ein weiteres Rückschlagventil 43 vorgesehen, welches eine Rückförderung der Flüssigkeit durch die Pumpe 39 in das allgemeine Drucknetz unterbindet.