DE1193680B - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von reinem Calcium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

C22b

Deutsche Kl.: 40 a-29/00

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1193 680
D44180VI a/40 a
17. April 1964
26. Mai 1965

Die Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung zur Herstellung von reinem Calcium durch Reduktion von gebranntem Kalk mit Aluminiumpulver unter Vakuum bei Temperaturen oberhalb 110° C.

Ein Verfahren zur Herstellung von Calcium hoher Reinheit durch Reduktion von gebranntem Kalk mit Aluminiumpulver bei Temperaturen von 1150 bis 1200° C ist bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein verdichtetes Gemisch von gebranntem Kalk und Aluminiumpulver in einer Retorte unter Vakuum auf die genannte Temperatur erhitzt, die Calciumdämpfe werden in einen mit der Retorte vakuumdicht verbundenen Kondensator geleitet, wo die Dämpfe in einem innerhalb des Kondensators angeordneten Kondensatoreinsatz in mehreren Zonen kondensieren. Dabei kondensiert in einer ersten Zone bei einer Temperatur über 650° C im wesentlichen reines Calcium, während in weiteren Zonen bei Temperaturen bis zu 650° C mehr oder weniger verunreinigtes, insbesondere magnesiumhaltiges Calcium zur Abscheidung kommt. Nach beendeter Kondensation wird das Vakuum aufgehoben, der Kondensatoreinsatz herausgenommen und die Kondensationskörper aus dem Einsatz geschlagen oder gedrückt.

Bei diesem bekannten Verfahren besteht das Problem, daß Verunreinigungen des Einsatzes, insbesondere Magnesium, deren Dampfdrücke in der Nähe des Dampfdruckes von Calcium oder darüber liegen, auch in den bzw. die Kondensationskörper aus dem reinen Calcium mitgenommen werden. Nachdem in der Wirtschaft erhöhter Bedarf an Calcium hoher Reinheit besteht, fiel die Aufgabe an, eine bessere Lösung dieses Problems zu finden, insbesondere weil Kalk mit ausreichend geringem Magnesiumgehalt schwierig erhältlich ist.

Der Gedanke, mit Hilfe einer Zwischenwand bzw. einer Wärmeabschirmung im Kondensator zwei Temperaturzonen zur selektiven Kondensation zu bilden, ist bekannt, aber keine der bekannten Anordnungen eignet sich völlig für den vorgesehenen Zweck, weil die Entfernung des ziemlich weichen Kondensationskörpers aus Calcium aus dem Kondensationseinsatz schwierig ist.

Die vorstehend beschriebene Schwierigkeit wird durch die vorliegende Erfindung behoben. Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von reinem Calcium durch Reduktion von gebranntem Kalk mit Aluminiumpulver bei 1150 bis 1200° C in einer Retorte unter Vakuum und mehrstufiger Kondensation der Calciumdämpfe in einem mit der Retorte vakuumdicht verbundenen und einen im wesentlichen horizontal um seine Längsachse anVorrichtung und Verfahren zur Herstellung
von reinem Calcium

Anmelder:

Dominion Magnesium Limited,
Toronto, Ontario (Kanada)

Vertreter:

Dr.-Ing. A. v. Kreisler, Dr.-Ing. K. Schönwald,

Dr.-Ing. Th. Meyer,

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. J. F. Fues,

Dipl.-Chem. Dr. H.-G. Eggert

und Dipl.-Phys. I. Grave, Patentanwälte,

Köln 1, Deichmannhaus

Als Erfinder benannt:
Harold Alfred Timm,
Westmeath, Ontario (Kanada)

Beanspruchte Priorität:

Kanada vom 23. April 1963 (873 873)

geordneten Kondensatoreinsatz aufweisenden Kondensator, wobei in einer ersten Zone bei einer Temperatur über 650° C im wesentlichen reines Calcium und in weiteren Zonen bei einer Temperatur bis zu 650° C insbesondere magnesiumhaltiges Calcium zur Abscheidung kommt. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatoreinsatz im Inneren eine im wesentlichen senkrecht angeordnete Scheidewand aufweist, deren Größe 30 bis 90%, vorzugsweise 40 bis 70% und insbesondere 50% der Querschnittsfläche des Einsatzes beträgt, und die zum heißen Ende des Kondensatoreinsatzes einen Abstand hat, der 30 bis 150%, vorzugsweise etwa 75 bis 110% des Durchmessers des Einsatzes beträgt.

Zweckmäßig läßt sich die Scheidewand aus zwei mit Abstand voneinander und senkrecht gegeneinander angeordneten rechteckigen Platten bilden, von denen eine eine Öffnung besitzt, die zur Einführung eines Hakens dient und die Handhabung im heißen Zustand erleichtert.

Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des bekannten Verfahrens zur Herstellung von reinem Calcium bringt man den verdichteten gebrannten Kalk und das Aluminiumpulver

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in die Retorte ein, legt Vakuum an und erhitzt auf eine Temperatur oberhalb von 1100° C. Die sich dabei bildenden Calciumdämpfe werden in dem Kondensatoreinsatz aufgefangen, und zwar bildet sich an der heißen, eine Temperatur von mehr als 650° C aufweisenden Seite der Scheidewand ein Kondensationskörper mit hohem Calciumgehalt aus, während an der kalten, eine Temperatur von nicht mehr als 650° C aufweisenden Seite der Scheidewand ein Kondensationskörper mit hohem Magnesiumgehalt gebildet wird. Nach Beendigung der Kondensation wird das Vakuum aufgehoben und anschließend das Kondensat aus dem Einsatz gedrückt, zweckmäßig in der Weise, daß der Kondensationskörper mit hohem Magnesiumgehalt abgeklopft und die Scheidewand, herausgezogen wird, so daß der Kondensationskörper aus Calcium hoher Reinheit zurückbleibt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird an Hand der folgenden Abbildungen beschrieben.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Kombination im zusammengebauten Zustand nach der Kondensation;

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Kondensatoreinsatz und die Scheidewand längs der Linie 2-2 von F i g. 1, jedoch vor der Kondensation;

F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Teil einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In F i g. 1 befindet sich in einem Ofen 1 eine Retorte 2, die an einem Kondensator 3 befestigt ist, um den ein Wassermantel 4 angeordnet ist. Der Deckel 5 ist abnehmbar am kalten Ende des Kondensators 3 befestigt und bildet zu diesem beispielsweise durch die Gummidichtung 6 einen vakuumdichten Abschluß. Durch Leitung 7 kann Vakuum im System erzeugt werden. Die Retorte 2 besteht gewöhnlich aus dickwandigem legiertem Stahl und hat innen am kalten Endteil 8 eine konische Erweiterung. Der Kondensator 3 besteht gewöhnlich aus legiertem Stahl _ von geringer Wanddicke und ist normalerweise durch Stumpfschweißen mit dem kalten Ende der Retorte verbunden.

Der herausnehmbare Kondensatoreinsatz 9, der vorzugsweise aus Flußstahl besteht, wird in den Kondensator 3 eingesetzt und gegen die Erweiterung im kalten Endteil 8 der Retorte 2 geschoben. In das kalte Ende des Einsatzes 9 kann ein lose sitzender Stopfen 10 eingesetzt werden, um den Verunreinigungen mit sehr hohem Dampfdruck, wie Natrium und Kalium, entweichen können, um am kalten Ende des Kondensators zu kondensieren.

Die Scheidewand 12 ist vorzugsweise aus Flußstahl hergestellt und ist geradlinig ausgebildet. In ihrer bevorzugten Form besteht sie aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten senkrechten Platten, nämlich einer heißen Platte 13 und einer kalten Platte 14, die die Seitenwände 15 umschließen. In der kalten Platte 14 befindet sich vorzugsweise eine Öffnung 16 zur Einführung eines Hakens mit langem Griff, der dazu dient, die Scheidewand im warmen Zustand zu handhaben und in die richtige Stellung zu bringen.

Im Betrieb wird der Deckel 5 geöffnet und die Retorte mit einer Charge 17 aus gebranntem Kalk und Aluminiumpulver in Brikettform beschickt. Der Kondensatoreinsatz 9 wird eingesetzt und nach vorn geschoben, bis er dicht an dem sich erweiternden Teil 8 der Retorte anliegt. Die Scheidewand 12 wird dann so eingesetzt, daß sie frei tragend im Einsatz 9 steht, 30 bis 90% der Querschnittsfläche des Einsatzes ausfüllt und zum heißen Ende des Kondensatoreinsatzes einen Abstand hat, der dem 0,3- bis l,5fachen des Durchmessers des Einsatzes entspricht. Der Stopfen 10 wird eingesetzt und der Deckel 5 geschlossen und vakuumdicht gemacht. Ein Vakuum von etwa 0,001 Atmosphäre wird im System erzeugt und der Ofen so beheizt, daß die Temperatur in der Retorte etwa 1150 bis 1200° C beträgt. Als Verunreinigungen werden Natrium und Kalium abgetrieben. Sie entweichen unmittelbar durch den Stopfen 10 und kondensieren am kalten Ende des Kondensators. Mit Hilfe des Wassermantels wird die Temperatur an der kalten Seite der Scheidewand bei höchstens 650° C und an der heißen Seite bei etwa 700 bis 850° C gehalten. Die Magnesiumdämpfe strömen an der Scheidewand vorbei und kondensieren an deren kalter Seite unter Bildung eines magnesiumreichen Kondensationskörpers 18, während das Calcium an der heißen Seite unter Bildung eines Kondensationskörpers 19 aus Calcium hoher Reinheit kondensiert.

Wenn die Beschickung aufgebraucht ist, wird das Vakuum aufgehoben, der Deckel 5 abgenommen, der Stopfen 10 herausgezogen und der Kondensatoreinsatz 9 entnommen. Nach Abkühlung an der Luft wird der gesamte Kondensationskörper aus dem heißen Ende des Kondensatoreinsatzes herausgedrückt. Je höher die Reinheit des Calciumkondensats, um so weicher ist es, und um so schwieriger läßt es sich sauber aus dem Einsatz herausdrücken. Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise trägt jedoch die Anwesenheit eines verhältnismäßig harten und bröckeligen, magnesiumreichen Kondensationskörpers um die Außenseite und in der Mitte der Scheidewand stark dazu bei, daß leichtes, sauberes Herausdrücken des Kondensats aus dem Einsatz erzielt wird. Der bröckelige, magnesiumreiche Kondensationskörper 18 wird abgeschlagen und die Scheidewand herausgezogen, wobei der Kondensationskörper 19 aus Calcium hoher Reinheit zurückbleibt.

Das Verfahren ist so durchgeführt worden, daß Calcium mit nur 0,25 % Magnesium und ein magnesiumreiches Kondensat mit 3,4% Magnesium erhalten wurden. Durch dichteres Heranschieben der Scheidewand an das heiße Ende des Einsatzes wurde Calcium erhalten, das weniger als 0,1% Magnesium enthielt.

Die Scheidewand hat zweckmäßig quadratischen oder rechteckigen Querschnitt, so daß der magnesiumreiche Kondensationskörper an den vier Ecken dünn oder abgebrochen ist und leicht abgeschlagen werden kann. Die Scheidewand muß selbsttragend sein und hat vorzugsweise keine Beine oder Stützen, von denen das Kondensat schwierig zu lösen wäre. Ihre Dicke beträgt zweckmäßig etwa 65 mm. Wenn sie viel dünner ist, ist ihre Standfestigkeit im Einsatz gering, und wenn sie erheblich dicker ist, ist die Trennung weniger scharf, weil der größte Teil der magnesiumreichen Dämpf e an den Rändern und nicht auf der anderen Seite an der kalten Fläche kondensieren würde.

Wenn die Scheidewand mehr als 90% der Querschnittsfläche des Einsatzes ausfüllt, ist der verbleibende Spalt zu schnell durch Kondensat verschlossen, um eine wirksame Trennung zu erreichen. Wenn sie weniger als 30% ausfüllt, lassen sich keine ge-

nügend scharfen Temperaturzonen erzielen. Bevorzugt wird ein Bereich von 40 bis 70% der Querschnittsfläche des Einsatzes, wobei etwa 50% das Optimum für die meisten Zwecke ist.

Die Lage der Scheidewand im Einsatz hängt teilweise vom Kühlsystem ab, da die kalte Seite eine Temperatur von höchstens 650° C haben darf und die heiße Seite sich bei einer Temperatur von etwa 700 bis 850° C befindet und eine genügend große Zone aufweisen muß, um das gesamte Calcium aus der Beschickung aufzunehmen. Ferner ist der Kondensationskörper aus Calcium um so reiner, je höher die Temperatur der heißen Seite ist, aber um so mehr Calcium geht hierbei in den magnesiumreichen Kondensationskörper. Die optimale Lage der Scheidewand läßt sich somit in der Praxis leicht für eine vorhandene Apparatur und eine bestimmte gewünschte Reinheit des Calciums ermitteln. Im allgemeinen beträgt der Abstand zwischen dem heißen Ende des Einsatzes und der heißen Fläche der Trennwand etwa 30 bis 150%, vorzugsweise etwa 75 bis 110% des Durchmessers des Einsatzes. Die kalte Zone des Einsatzes muß so lang sein, daß die gesamten magnesiumreichen Dämpfe kondensieren können, ohne daß der Stopfen sich zusetzt. Sie beträgt zweckmäßig etwa 50 bis 100% des Durchmessers des Einsatzes.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform ist die gleiche wie in Fig. 1, mit der Ausnahme, daß der Einsatz 9 zweiteilig ist und aus zwei röhrenförmigen Teilen 20 und 21 besteht, die axial ausgerichtet sind und mit den Enden gegeneinanderstoßen und die Scheidewand neben den sich berührenden Enden dieser beiden Teile angeordnet ist. Wenn bei dieser Ausführungsform der Einsatz herausgezogen wird, können die beiden Teile auseinandergeschlagen werden, wobei der eine Teil das calciumreiche Kondensat und der andere Teil das magnesiumreiche Kondensat enthält. Jeder Kondensatkörper kann dann aus seinem entsprechenden Ende herausgedruckt werden. Es leuchtet ein, daß es sehr schwierig wäre, dei beiden Abschnitte auseinanderzuschlagen, wenn die Scheidewand nicht vorhanden wäre.

Als Beispiel seien die folgenden geeigneten Abmessungen und Anordnungen angegeben:

Bei einem Durchmesser des Einsatzes von 250 mm ist die Scheidewand zweckmäßig ein Quadrat von 165 mm Kantenlänge. Sie hat eine Dicke von 64 mm und besteht aus zwei Flußstahlplatten von 13 mm Dicke, die an ihren Rändern verschlossen sind, so daß sie einen Raum von 38 mm Dicke einschließen.

Die heiße Seite der Scheidewand hat vom heißen Ende des Einsatzes einen Abstand von etwa 230 mm und vom kalten Ende des Einsatzes den gleichen Abstand.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von reinem Calcium durch Reduktion von gebranntem Kalk mit Aluminiumpulver bei 1150 bis 1200° C in einer Retorte unter Vakuum und mehrstufiger Kondensation der Calciumdämpfe in einem mit der Retorte vakuumdicht verbundenen, einen im wesentlichen horizontal um die Längsachse angeordneten Kondensatoreinsatz aufweisenden Kondensator, wobei in einer ersten Zone bei einer Temperatur über 650° C im wesentlichen reines Calcium und in weiteren Zonen bei einer Temperatur bis zu 650° C insbesondere magnesiumhaltiges Calcium zur Abscheidung kommt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatoreinsatz (9) im Inneren eine im wesentlichen senkrecht angeordnete Scheidewand (12) aufweist, deren Größe 30 bis 90%, vorzugsweise 40 bis 70% und insbesondere 50% der Querschnittsfläche des Einsatzes beträgt, und die zum heißen Ende des Kondensatoreinsatzes einen Abstand hat, der 30 bis 150%, vorzugsweise etwa 75 bis 110% des Durchmessers des Einsatzes beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheidewand (12) aus zwei mit Abstand senkrecht angeordneten rechteckigen Platten besteht, von denen eine eine Öffnung (16) besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheidewand (12) frei tragend im Kondensatoreinsatz (9) steht und zum kalten Ende des Kondensatoreinsatzes (9) hin einen Abstand hat, der etwa 50 bis 100% des Durchmessers des Einsatzes beträgt.

4. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der kalten Seite (14) der Scheidewand (12) eine Temperatur von maximal 650° C und an der heißen Seite (13) der Scheidewand (12) eine Temperatur von mehr als 650° C eingestellt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 814 477;
kanadische Patentschrift Nr. 463 416.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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