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Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von überhitzten Magnesiumdämpfen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von überhitzten Magnesiumdämpfen
von neben Staub in Dampfform mitgeführten Verunreinigungen, wie Eisen, Mangan, Calcium
und Silicium, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung von Metallen in technischen
Anlagen über die dampfförmige Phase treten stets Verunreinigungen auf, die den Prozeß
so stark stören können, daß die angestrebte Gewinnung eines flüssigen bzw. festen
Kondensats in reiner Form unmöglich wird. Dabei treten neben festen, staubförmigen
Verunreinigungen auch bei den Betriebstemperaturen dampfförmige Stoffe auf, die
bei der Abkühlung des Metalldampfes vor dem Hauptprodukt kondensieren und damit
die Apparaturen durch die Bildung fester Ablagerungen verstopfen.
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In dem Metalldampf schwebende Feststoffteilchen hat man durch Filterung
des Dampfes zu entfernen versucht. Bei einem bekanntgewordenen Verfahren z. B. werden
Magnesiumdämpfe aus einer Destillationszone durch ein Trägergas über ein zwischengeschaltetes
Filter in die Kondensationszone übergeführt, wobei eine Abkühlung der Dämpfe unter
die Erstarrungstemperatur des Magnesiums durch gemeinsame Beheizung der Destillationszone,
des Filters, der Kondensations- und Austragszone vermieden wird. Die Filtration
bezweckt, hier die Entfernung mechanisch mitgerissener, staubförmiger Verunreinigungen
aus dem Magnesiumdampf, dessen vorzeitige Kondensation durch die Beheizung der Einrichtung
verhütet wird.
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Es ist nunmehr versucht worden, die in einer großtechnischen Anlage
erzeugten Dämpfe durch eine Schicht körnigen Materials bei erhöhten Temperaturen
zu filtern, wobei sowohl mitgerissene Feststoffe abgeschieden als auch dampfförmige
Verunreinigungen niedergeschlagen werden sollen. Derartige Vorrichtungen werden
jedoch nach kurzer Zeit durch die Ablagerungen im körnigen Filtermaterial verstopft,
was nur durch Betriebsunterbrechungen und Austausch bzw. Reinigung des Materials
behoben werden kann. Selbst wenn durch parallel angeordnete Filterstrecken die unliebsame
Unterbrechung einer kontinuierlichen Dampfzuführung umgangen werden kann, wird ein
ruhendes Filter während des Betriebes sich insbesondere durch die im Dampf mitgeführten
festen Verunreinigungen allmählich zusetzen und dadurch einen stetig sich steigernden
Stau des erzeugten Dampfes hervorrufen. Bekanntlich wirken sich derartige Schwankungen
im Apparatesystem sehr ungünstig auf den gesamten Produktionsbetrieb aus.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Reinigen von überhitzten Magnesiumdämpfen
wird nun so vorgegangen, daß man diese Dämpfe durch eine lose Schüttung von stückigem
bzw. körnigem Material leitet, das durch kontinuierliche Erneuerung dauernd in Bewegung
gehalten wird, daß man dabei aber den zu reinigenden Magnesiumdampf auf seinem Weg
durch das stückige bzw. körnige Material ein Temperaturgefälle durchlaufen läßt,
derart, daß er mit einer kurz oberhalb des Kondensationspunktes der reinen Dampfphase
des Magnesiums liegenden Temperatur aus dem stückigen Material austritt, wobei auch
dieses stückige Material zwischen dem Dampfeintritt und Dampfaustritt eine Temperaturdifferenz
durchlaufen kann.
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Hierbei kann das stückige Material im Gleichstrom zum Magnesiumdampf
laufen. Es kann aber auch das stückige Material im Gegenstrom zum Magnesiumdampf
geführt werden.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird der Magnesiumdampf durch regulierbare
Heizung vor seinem Auftreffen auf das stückige Material auf so hoher Temperatur
gehalten, daß eine vorzeitige Kondensation der in ihm enthaltenen Verunreinigungen
nicht
eintreten kann. Gleichzeitig wird das stückige Material während
der gemeinsamen Berührungszeit mit dem Magnesiumdampf durch regulierbare Heizung
auf einer Temperatur gehalten, welche oberhalb der Kondensationstemperatur des reinen
Magnesiumdampfes, aber unterhalb der Kondensationstemperatur der dampfförnügen Verunreinigungen
liegt.
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Schließlich kann die Temperatur des stückigen Materials und der dieses
Material durchströmenden Magnesiumdämpfe reguliert werden durch Änderung der Menge
des in der Zeiteinheit frisch zugesetzten, noch kalten Materials und damit durch
die Fließgeschwindigkeit dieses Materials durch die Kondensationszone der Verunreinigungen.
Außerdem kann, eventuell auch zusätzlich, die Temperatur des stückigen Materials
und der dieses Material durchströmenden Dämpfe reguliert werden durch Variation
der gegenüber dem Eintritt der heißen Dämpfe und damit im Gebiet der Kondensationszone
für die Verunreinigungen vorgesehenen Schichtdicke dieses Materials.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch zum Arbeiten im Vakuum
geeignet. Wenn notwendig, kann schließlich durch Spülung mit Inertgas, wie Wasserstoff
oder Argon, jede vorzeitige unerwünschte Kondensation an kälteren Stellen verhindert
werden, wodurch insbesondere die Beobachtungsstellen sowie die Zu- und Abführungen
der Anlage freigehalten werden können.
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Erfindungsgemäß können die die Magnesiumdämpfe verunreinigenden Komponenten
auch durch Umsetzung mit dem stückigen bzw. körnigen Material abgetrennt werden.
Dabei kann bei dieser Umsetzung eine der reinen Dampfphase entsprechende Komponente
in Freiheit gesetzt werden und dann gemeinsam mit den gereinigten Magnesiumdämpfen
abströmen.
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Abschließend werden die in der ersten Verfahrensstufe gereinigten
Magnesiumdämpfe in einer zweiten, nicht mehr in den Rahmen der vorliegenden Erfindung
gehörenden Verfahrensstufe kondensiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens
besteht im wesentlichen aus einem senkrecht stehenden Ofen, der mit einem darüber
angeordneten Fallrohr zur Zuführung des stückigen bzw. körnigen Materials aus einem
Vorratsbehälter, mit einem unteren Materialaustrag, mit einem horizontalen Magnesiumdampf-Eintrittsstutzen
und mit einem in der Höhenlage versetzt hierzu angeordneten Magnesiumdampf-Austrittsstutzen,
der in einem Kondensator endet, sowie mit einer in seinem Inneren angeordneten schrägen
Ablauffläche für das stückige Material und mit einem oberen Abweiser und unteren
Abweiser versehen ist, welche im Bereich des Dampfeintrittes und Dampfaustrittes
materialfreie Räume schaffen, die durch regulierbare Heizelemente auf Temperatur
gehalten werden. Die Oberfläche der zusammen mit den senkrechten Abweisern im Inneren
des Ofens den Materialfluß bestimmenden schrägen Ablauffläche ist vorzugsweise geriffelt
bzw. aufgerauht. Der Magnesiumdampf-Eintrittsstutzen kann neben der verschiedenen
Höhenlage mit dem Mag nesiumdampf-Austrittsstutzen einen rechten Winkel bilden.
Schließlich kann der obere Abweiser in seiner Höhe zum Zwecke der Einstellung der
Schichtdicke des über die schräge Ablauffläche abfließenden körnigen Materials verstellbar
angeordnet sein. Außerdem sind beispielsweise die Ofenummauerung und die Isolationsschicht
durchragende Schau- und Beobachtungsfenster angeordnet. Im einzelnen ist zu der
erfindungsgemäßen Verfahrensweise und Vorrichtung noch folgendes zu sagen: Das Zusetzen
der Apparatur wird dadurch verhindert, daß das als Filtergut in stückiger bzw. körniger
Form eingesetzte Material kontinuierlich erneuert wird und somit dauernd in Bewegung
bleibt; hierdurch wird auch ein Zusammenbacken der einzelnen Filterkörner vermieden.
Außerdem wird ermöglicht, daß die auf den Körnern sich abscheidenden Verunreinigungen
gemeinsam mit dem Filtergut kontinuierlich aus der Apparatur ausgetragen werden,
ohne daß eine Betriebsunterbrechung oder ein periodisch auftretender Stau des Dampfes
in der Apparatur zu befürchten ist.
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Durch das weitere Kennzeichen der Erfindung, nämlich die Abkühlung
des verunreinigten heißen Magnesiumdampfes beim Durchgang durch die Filterstrecke,
wird neben der genannten Filtrationswirkung noch die Kondensation derjenigen Verunreinigungen
erzielt, die oberhalb des Taupunktes der reinen Dampfphase kondensieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet eine Arbeitsweise, nach
welcher das körnige Material an seiner Oberfläche beim Eintritt des Magnesiumdampfes
diejenige Temperatur besitzt, bei welcher gerade noch keinerlei Kondensation einzelner
Dampfanteile stattfindet. An dieser Stelle wird nämlich der über dem fließenden
Material gelegene Leerraum der Apparatur auf so hoher Temperatur gehalten, daß noch
keinerlei Kondensation aus dem überhitzten Dampfstrahl stattfinden kann. Dicht unterhalb
der Oberfläche, an welcher der Dampfstrahl in das stückige Material eintritt, beginnt
erst die Kondensation der höhersiedenden Verunreinigungen, und zwar wird das körnige
Material durch mehr oder weniger schnelle Zugabe und Fließgeschwindigkeit sowie
durch mehr oder weniger starke Schichtdicke auf derjenigen erwünschten Temperatur
gehalten, bei der nun sämtliche Verunreinigungen auf den Körnern niedergeschlagen
werden, welche oberhalb des Taupunktes der reinen Dampfphase des Magnesiums kondensieren.
Eine besonders ausgeprägte Temperaturdifferenz innerhalb der Filterstrecke im körnigen
Material kann dadurch erzielt werden, daß der Magnesiumdampf und das körnige Material
im Gegenstrom zueinander geführt werden.
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Diese erfindungsgemäße Reinigung von Magnesiumdämpfen läßt sich in
Apparaturen durchführen, die im Vakuum oder auch unter gewöhnlichen oder bei erhöhten
Drücken arbeiten.
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Als körniges Material kommt nur eine gegenüber dem reinen Magnesiumdampf
inerte Substanz in Frage. In besonderen Fällen kann es sich als zweckmäßig erweisen,
ein körniges Material zu verwenden, welches mit den Verunreinigungen des Magnesiumdampfes
etwa im Sinne einer chemischen Umsetzung reagiert. Dabei können die entstehenden
Reaktionsprodukte entweder gemeinsam mit dem körnigen Material ausgetragen werden,
oder es entsteht durch Umsetzung der dampfförmigen Verunreinigungen mit dem körnigen
Material zusätzlich Magnesiumdampf, der zusammen mit der Hauptmenge des Magnesiumdampfes
abströmt. Ferner ist die Möglichkeit gegeben, daß durch Umsatz der Verunreinigungen
mit dem körnigen Material solche Reaktionsprodukte entstehen, die erst weit unterhalb
des Taupunktes der reinen Dampfphase kondensieren und deshalb die Reinheit des später
kondensierten Magnesiums nicht beeir.-trächtigen
können, weil sie
dampfförmig auch noch den der Reinigungsanlage nachgeschalteten Kondensator verlassen.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen einer Reinigungsanlage
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch und teilweise im Schnitt
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 die Seitenansicht auf eine Reinigungsanlage gemäß
der Erfindung im Schnitt nach Linie 1-I der Fig. 2, Fig. 2 die Draufsicht auf diese
Anlage im Schnitt nach Linie II-11 der Fig. 1, Fig. 3 die Seitenansicht auf eine
zweite Ausführungsform im Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 4 und Fig. 4 die
Draufsicht im Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3.
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In der Zeichnung bedeutet 1 den Magnesiumdampfeintritt und 5 den Magnesiumdampfaustritt
aus dem ummauerten Ofen 23, der von einer Isolationsschicht 21 umgeben ist und in
welchem das körnige bzw. stückige Material 20 von oben nach unten fließt. Dieses
Material 20 wird dem Vorratsbehälter 18 über einen durch den Antrieb 27 bewegten
Zuteiler 24 entnommen und über das Fallrohr 7 dem Materialeintritt 9 des Ofens zugeleitet.
Der Gang des Materials wird bestimmt durch einen oberen Abweiser 8, eine schräge
Ablauffläche 15, deren Oberfläche 22 geriffelt bzw. aufgerauht sein kann, sowie
durch einen anschließenden unteren Abweiser 14. Durch die Abweiser 8 und 14 werden
im Gebiet des Magnesiumdampfeintritts und Magnesiumdampfaustritts ein oberer Leerraum
2 und ein unterer Leerraum 19 geschaffen, welche durch die beispielsweise elektrischen
Heizelemente 12 und 16 regulierbar auf Temperatur gehalten werden. Gleichzeitig
werden die Materialoberflächen 3 und 4 innerhalb dieser Räume 2 und 19 entsprechend
heißgehalten.
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Die Füllhöhe im Materialeintritt 9 kann durch das Beobachtungsfenster
10 am Fallrohr 7 kontrolliert werden, die Temperatur im Raum 2 wird durch das Schaufenster
13 gemessen. Weitere Beobachtungsfenster können auch an anderen Stellen vorgesehen
sein.
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Das körnige Material verläßt durch den unteren Austrag 11 mit Antrieb
26 und den Materialaustritt 17 die Apparatur. Der gereinigte Magnesiumdampf tritt
bei 5 aus und gelangt in den nachgeschalteten Kondensator 6.
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Alle Verbindungen bestehen aus einem staubdichten und materialdichten
Federbalg 26, beispielsweise aus Metall; so z. B. die Verbindung zwischen dem oberen
Vorratsbehälter 18 und dem Fallrohr 7 oder die Verbindungen zwischen dem Antrieb
27 und dem Zuteiler 24 oder dem Antrieb 26 und dem Materialaustrag 11 der Reinigungsapparatur.
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Die Reinigung von Magnesiumdampf, der durch thermische Umsetzung eines
Mg O-haltigen Rohstoffes mit einem Reduktionsmittel, wie Ferrosilicium, in einem
Ofen unter Vakuum oder normalen Druckverhältnissen bei Temperaturen oberhalb 1400°
C erzeugt sein soll, wird wie folgt durchgeführt: Derartige Magnesiumdämpfe führen
unter anderem Si O, Fe, Mn, und Ca dampfförmig sowie Mischungsstaub in fester Form
mit zum Kondensator, wodurch das Kondensat so stark verunreinigt wird, daß nach
den bekannten Arbeitsweisen kein reines Magnesium mit guter Ausbeute erzielt werden
kann. In der in Fig. 1 wiedergegebenen Apparatur läßt sich solcher Dampf von seinen
mitgeführten Verunreinigungen so weit befreien, daß ein hochwertiges Magnesium im
Kondensator anfällt. Der Magnesiumdampf tritt, aus dem in der Zeichnung nicht dargestellten
Reduktionsofen kommend, bei 1 in die Reinigungsapparatur ein und wird im oberen
Leerraum 2 mit Hilfe eines zusätzlichen elektrischen Heizelementes 12 auf so hoher
Temperatur gehalten, daß keinerlei Kondensation an dieser Stelle stattfinden kann.
Bei den genannten Verunreinigungen genügt an dieser Stelle beim Arbeiten im Vakuum
eine Temperatur von etwa 1300° C. Dieser heiß gehaltene Raum 2 wird an der mit 3
bezeichneten Oberfläche durch das körnige Material begrenzt, wobei diese Oberfläche
3 durch das wärmestrahlende Heizelement 12 ebenfalls auf etwa 1300° C gehalten wird.
Diese Temperatur kann durch das Fenster 13 optisch überwacht werden. Das körnige
Material, das in diesem Falle aus gebranntem Dolomit oder auch aus Koks bestehen
kann, wird kontinuierlich aus einem Vorratsbehälter 18 durch das Fallrohr 7 mit
dem Beobachtungsfenster 10 in den Raum 9 eingetragen, der durch einen Abweiser 8
vom obengenannten Leerraum 2 abgetrennt ist. Unter dem Abweiser 8 fließt das körnige
Material kontinuierlich in verhältnismäßig dicker Schicht auf einer schrägen Ablauffläche
15 entlang und an einem weiteren Abweiser 14 hinab zum Materialaustrag 11, wo es
durch den Materialaustritt 17 die Reinigungsapparatur verläßt. Unterhalb der schrägen
Ablauffläche 15 wird durch den Abweiser 14 ein zweiter Leerraum 19 gebildet, der
durch ein weiteres elektrisches Heizelement 16 auf einer Temperatur wenig oberhalb
des Taupunktes von reinem Magnesiumdampf gehalten wird. Der Taupunkt von reinem
Magnesium liegt entsprechend den Dampfdruckkurven dieses Stoffes in einem Vakuum
von etwa 25 Torr bei 800° C. Man hält dann die Temperatur mit Hilfe des Heizelementes
16 auf etwa 850° C. An der Oberfläche 4 verläßt der reine Dampf dieses körnige Material
und gelangt durch den Austritt 5 in den Kondensator 6, in welchem das reine Magnesium
kondensiert und gesammelt wird. Der Si-Gehalt eines thermisch erzeugten Magnesiums
ließ sich durch Einführung dieser -Reinigungsapparatur von bisher 0,5 % auf etwa
0,01 Gewichtsprozent herabsetzen.
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Die erfindungsgemäße Reinigung läßt sich jedoch auch im Gegenstrom
des Magnesiumdampfes zum bewegten körnigen Material durchführen: In Fig. 3 tritt
wiederum bei 1 der zu reinigende Magnesiumdampf aus dem Reduktionsofen kommend nunmehr
in den unteren Leerraum 19 ein, der mit Hilfe des Heizelementes 16 so heiß gehalten
wird, daß keinerlei Kondensation hier stattfinden kann. Die mit 4 bezeichnete Oberfläche
des körnigen Materials 20 besitzt dieselbe Temperatur wie der an sie angrenzende
Leerraum 19. Das körnige Material gelangt durch das Fallrohr 7 in den Eintrittsraum
9, wo mit Hilfe des Schaufensters 10 die Höhe der Materialfüllung überwacht wird.
Nach dem Abweiser 8 gelangt das körnige Material unter den oberen Leerraum 2, der
mit Hilfe des Heizelementes 12 wenig oberhalb des Taupunktes des reinen Magnesiumdampfes
gehalten wird. Die Einhaltung dieser Temperatur kann durch das Beobachtungsfenster13
überwacht werden, durch welches die Temperatur der Oberfläche 3 des körnigen Materials
pyrometrisch gemessen wird. Dieses körnige Material wandert über
die
schräge Ablauffläche 15 und entlang dem Abweiser 14 nach unten im Gegenstrom
zum aufwärts strömenden Magnesiumdampf. Der gereinigte Magnesiumdampf verläßt nunmehr
den Leerraum 2 durch den Austritt 5 und gelangt in den nachgeschalteten Kondensator.
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Beispiel 1 In einem Ofen, der zur Kondensation dampfförmig mitgeführter
Verunreinigungen aus überhitzten Magnesiumdämpfen dient und der eine Höhe von 2,5
m und einen lichten Durchmesser von 80 cm besitzt, werden je Stunde 25 Nm3 eines
Ausgangsdampfes etwa folgender Zusammensetzung eingeleitet: 96,5% Mg; 10% Si; 0,1%
Fe; 0,50% Ca und 0,5% Mn, Rest staubförmige Feststoffe, wobei die Prozentangaben
sich auf die Zusammensetzung des Dampfes in Gewichtsprozent beziehen. Der Eintrittsbereich
der Magnesiumdämpfe in den Ofen wird durch eine regulierbare Heizung auf etwa 1300°
C gehalten; es wird im Vakuum von etwa 30 Torr gearbeitet.
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Gleichzeitig werden je Stunde etwa 30 kg bzw. 601 stückiger Koks mit
einem Durchmesser von etwa 10 bis 15 mm von oben nach unten durch den Ofen geführt.
Die Magnesiumdämpfe treten nach Passieren einer in ihrer Schichthöhe regulierbaren
Koksschicht im Gleich- bzw. Gegenstrom mit einer Endtemperatur von etwa 850° C bei
30 Torr aus dem Reduktionsofen aus. Die Zone der Dampfdurchströmung durch die fließende
Koksschicht sowie des Dampfaustritts wird durch regulierbare Heizung auf einer Temperaturhöhe
oberhalb des Kondensationspunktes der Dampfphase der reinen Endkomponente gehalten.
Der Koks tritt oben kalt in den Ofen ein und wird unten mit einer Endtemperatur
von ebenfalls 850° C ausgetragen.
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Die Austrittsdämpfe besitzen nach der beim Ofendurchgang stattgefundenen
Reinigung nunmehr etwa die folgende Zusammensetzung: 99,94% Mg; 0,02% Si; 0,001%
Fe; 0,01% Ca und 0,030/« Mn, wiederum ausgedrückt in Gewichtsprozent. Diese abströmenden,
praktisch reinen Magnesiumdämpfe werden in einem anschließenden Kondensator bei
abfallenden Temperaturen von etwa 800 bis 500° C kondensiert. Die schon vorher im
Ofen kondensierten bzw. niedergeschlagenen, festen oder flüssigen Verunreinigungen
verlassen diesen Ofen durch den unteren Materialaustrag zusammen mit dem stückigen
Koks.
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Zur Verhinderung unliebsamer Verstopfungen durch vorzeitige Kondensation
und zur Freihaltung der Beobachtungsfenster wird zwecks Durchspülung ein ständiger
Wasserstoffstrom im Vakuumofen und Kondensationsteil aufrechterhalten, der durch
die Fenster, die Einführungen für die regelbaren Heizelemente, durch den oberen
Kokseintritt und unteren Koksaustrag eintritt und zusammen mit dem gereinigten Magnesiumdampf
den Ofen verläßt. Beispiel 2 Mit Ausnahme der Verwendung des Kokses als stückiges
bzw. körniges Material wird ebenso gearbeitet, wie im Beispiel 1 beschrieben. An
Stelle des Kokses werden etwa 60 kg, das sind 601 Dolomit von etwa 10 bis 15 mm
Durchmesser je Stunde eingesetzt. Der Ca- und Si-Gehalt des Ausgangsdampfes unterliegt
einer Umsetzung mit dem MgO-Anteil des Dolomits, wobei unter Bildung von Calciumsilikaten
das Magnesium aus dem Dolomit in Freiheit gesetzt wird und zusammen mit der praktisch
reinen Magnesiumkomponente des Dampfes den Ofen verläßt und im Kondensator niedergeschlagen
wird.