DE1642973B2 - Vorrichtung zur Herstellung von Alkalihydriden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Alkalihydriden aus den Elementen bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, bestehend aus mindestens drei übereinander angeordneten miteinander verbundenen Behältern, von denen der mittlere als Druckreaktor ausgebildet ist, einen Rührer, Heizelemente sowie Zuleitungen für geschmolzenes Alkalimetall und Wasserstoff aufweist und vermittels einer Überfallröhre mit dem unteren, Kühlelemente aufweisenden Sammelbehälter für das Reaktionsprodukt in Verbindung steht.

Zweck der Erfindung ist es, einen Reaktor zu schaffen, der zur Herstellung von Hydriden der Alkalimetalle durch direkte Hydrierung ohne Verwendung inerter flüssiger Kohlenwasserstoffe bei erhöhten Temperaturen und erhöhtem Druck brauchbar ist.

Bislang werden die Alkalimetall- und Erdalkalimetallhydride ganz allgemein durch direkte Reaktion der besagten Metalle mit Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen und höherem Druck in einem Einsatzverfahren hergestellt, bei welchem die Reaktion eine hinreichende Zeitlang, für gewöhnlich mehrere Stunden, geführt werden muß, bis eine genügende Menge des Produktes zur Entstehung gebracht ist. Verschiedene Ausführungen sind bekannt, doch keine kann zur industriellen Herstellung herangezogen werden. Die Hydride stellen e;n festes Material dar, welches von den geschmolzenen Metallen nicht benutzt wird. Demzufolge entstehen sowohl an der Innenwand des Reaktors als auch auf der Oberfläche der Metallschmelze feste Krusten, welche einerseits den Zutritt der Wärme behindern und andererseits die Reaktion mit Wasserstoff hindern und so den Verbrauch von Wasserstoff wehren, so lange nicht besondere Maßnahmen getroffen werden, wie z. B. die Dispersion der Metallschmelze in einem Kohlenwasserstoff (britische Patentschrift 877 510), etwa in Mineraiöl od. dgl., welcher jedoch nur schwerlich aus dem entstandenen Produkt wieder zu beseitigen ist.

Es ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Alkalimetallhydriden bekanntgeworden, bei der der Reaktor mit einem Rührer ausgerüstet ist und einen Zufluß für

ίο den flüssigen, hochsiedenden Kohlenwasserstoff, für geschmolzenes Natriummetall und für Wasserstoff aufweist. Ein Abfluß für das in dem flüssigen Kohlenwasserstoff befindliche erhaltene Reaktionsprodukt ist etwa in der Mitte des Reaktors vorgesehen, so daß das Reaktionsprodukt zusammen mit flüssigem Kohlenwasserstoff ständig in einen weiteren Behälter abgezogen wird.

Mit dieser Vorrichtung ist ein weitgehend kontinuierliches Arbeilen möglich, das Produkt ist aber mit

ίο dem flüssigen Kohlenwasserstoff behaftet, was unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kohlenwasserstofffreies Reaktionsproduki in einer kontinuierlich arbeitenden Reaktoreinrichtung so herzustellen,

as daß das Reaktionsprodukt in voluminöser Form ohne Krustenbildung aus dem Reaktor ausgetragen wird.

Hier/u kommt es vor allem darauf an, eine innige direkte Berührung der reagierenden Bestandteile sowie eine leichte, jedoch gründliche und kontinuierliche Emfernung des Reaktionsproduktes zu erreichen.

Die Erfindung erreicht dieses dadurch, daß die Behälter senkrecht übereinander angeordnet sind, die Überfaliröhre im mittleren Reaktor axial verläuft und mit Spielraum von einer schwingenden, schneckenförmig um eine Hülse gewundenen Austragrinne umgeben ist. deren oberes Ende als Rutsche in die Überfallröhre mündet, während der obere Behälter mit dem Gasraum des Druckreaktors durch ein axiales Rohr in Verbindung steht und das Treibwerk sowie den Schwingungserreger für den Rührer und die Austragrinne enthält.

Durch das Zusammenwirken des sich drehenden Rührers mit der schwingenden, schneckenförmig gewundenen Austragrinne wird einerseits eine beständige Reaktion an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen Alkalimetall und dem gasförmigen Wasserstoff begünstigt sowie andererseits ein beständiges Austragen des Reaktionsproduktes von der Grenzfläche nach oben zu erreicht, wobei durch die schwingende Austragrinne die Reaktion vervollkommnet wird, ohne daß sich Krustcn und dergleichen Verhärtungen bilden.

Die Hülse am Ende der schwingenden Rinne weist eine trichterförmige Rutsche auf, welche in ein axial angeordnetes Überfallrohr führt, welches als Abfuhrrohr für das Produkt dient. Auf diese Weise wird das Reaktionsprodukt abgeführt, ohne daß die Rührerbewegung und die Schwingbewegung der Austragrinne gestört wird. Das Überfallrohr ist in einen Sammelbehälter geführt, welcher unterhalb des Reaktors angeordnet ist.

Für einen möglichst einfachen Aufbau und einen sicheren Betrieb ist ein Rohr vorgesehen, welches zu dem über dem Reaktor angeordneten Behälter führt, in welchem ein Motor für den Drehantrieb des Rührers und ein Schwinger für den Schwingantrieb der Austragrinne angeordnet ist. Damit der Motor und der Schwinger nicht durch Wärme beschädigt werden und damit auch das Reaktionsprodukt nichi hohen Temperaturen ausgesetzt ist, ist es zweckmäßig wenn kühl.

vorrichtungen oberhalb und unterhalb des Reaktors vorgesehen sind, die eine Kühlung der Rohre vornehmen. Auf diese Weise werden sonst notwendige komplizierte und reparaturanfällige Dichtungen für eine rotierende und eine schwingende Welle am heißen Druckreaktor vermieden.

Damit der Reaktor auf der richtigen Reaktionstemperatur gehalten wird, ist es zweckmäßig, einen Brenner unter dem Reaktor vorzusehen.

Um das auszutragende Produkt gegen Verunreinigung zu schützen, die durch die zerspritzende Metallschmelze in den oberen Teil der Austragrinne hineingeraten könnten, ist es zweckmäßig, wenn eine stumpfkegelige Prallwand oberhalb der Hülse der Austragrinne vorgesehen ist.

Das Wesen der Erfindung ist an Hand von zwei in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Reaktoranordnung näher erläutert: Es zeigt

Fig.) eine Ausführung der Vorrichtung in sehematischer Darstellung im senkrechten Axialschnitt,

F i g. 2 eine andere Ausführung im Seitenschnitt mit einem teilweisen Axialschnitt.

In F i g. 1 besteht die Vorrichtung zur Durchführung einer direkten Reaktion zwischen geschmolzenem Natrium und Wasserstoff aus einem als Druckreaktor dienenden dickwandigen zylindrischen Behälter 1 mit einem Deckel 2, der mittels eines axial durchgeführten Rohres 3 mit dem oberen Behälter 4 in Verbindung steht, in welchem einerseits ein Elektromotor 5 für den Antrieb der Rührvorrichtung 6 sowie ein Schwingungserreger 7 als motorische Antriebe eingeschlossen sind. Von diesen beiden Antrieben führen zwei koaxial zueinander und axial in dem Rohr 3 gelagerte Hohlwellen 8, 9 bis in den Autoklaven I, wo auf der äußeren Welle 8 die Rührvorrichtung 6 mit auf deren Umfang verteilten Rohrarmen 10 hängt, die bei der Rührbewcgiing mit einem geringen Spielraum dicht entlang der Innenwandung des Autoklaven I vorbeistreichen, während an der inneren Welle 9 die Schwingungsrinne 14 aufgehängt ist. Den Boden des Druckreaktors 1 durchsei/t eine Überfallröhre 11, welche im Abschnitt zwischen dem Druckreaktor 1 und dem Sammelbehälter 12 von einem Durchflußkiihler 13 dicht umschlossen ist. An dem in das Innere des Autoklaven eingreifenden Abschnitt ist die Überfallröhre 11 von einer schwingenden, schneckenartig um eine Hülse 15 gewundenen Austragrinne 14 mit Spielraum umgeben, die an der inneren Welle bzw. Stange 9 aufgehängt ist, welche diese Austragrinne 14 mit dem Schwingungserreger 7 verbindet. Das obere Ende der Austragrinne 14 läuft in eine trichterförmige Rutsche 16 aus, welche in die Überfallröhre 11 mündet. Oberhalb der Hülse 15 mit der Austragrinne 14 ist eine stumpfkegelige Prellwand 17 vorgesehen, die das ausgetragene Produkt gegen Verunreinigungen mit der zerspritzten Metallschmelze schützt. Die im oberen Behälter 4 eingeschlossenen Antriebsmittel, d. h., Elektromotor 5 und Schwingungserreger 7 werden einer Einwirkung von aus dem Autoklav ausstrahlender Reaktionswärme durch eine unterhalb des oberen Behälters 4 gelagerten Bodenkühler 18 entzogen. Zur Einleitung der Ausgangsmaterialien in den Autoklav sind an seinem Kopf oder dicht unterhalb des Deckels zwei Eintrittsstutzen 19 zur Einleitung von Wasserstoff und in seinem Boden Eintrittsstutzen 20 zur Einführung des geschmolzenen Metalls vorgesehen.

In F i jr. 2 ist der mit einem gewölbten Boden und flachem Deckel 2 versehene Druckreaktor 1 mit einem axialen Verbindungsrohr 3 mit dem obe:cn Behälter 4 verbunden, in welchem ein Elektromotor 5 zum Antrieb der Rührvorrichtung 6, 10 sowie ein elektromagnetischer Schwingungserreger eingeschlossen sind. An einem inneren Flansch 23 des Behälters 4 ist ein Schwingungserreger 7 fest angeschraubt, dessen fest an der Welle 9 angeordneter Kern zu beiden Seiten von je einem Vierer oder Quadrupel von in Richtungen von sich im Räume kreuzenden Geraden, d. h., also windschief zueinander gestellten Torsionsfedern 24, 25 abgestützt ist. Aus der Zusammensetzung dieser beiden Bewegungen ergeben sich räumliche Schwingungen, deren Gleit- und Pendelbewegungen in ihrer Frequenz und Größe eine Funktion der auf den Schwingungser-

!5 reger wirkenden Kräfte und der Charakteristik der Torsionsfeder der beiden Quadrupel ist. Gegenüber den bekannten Wuchtfördertrögen, mit welchen festes, stückiges Gut wurfartig befördert wird, sollen hier winzige Schwingungen mit der Größenordnung nach hö-

2ö herer Frequenz nicht nur zur Förderung einer innigen Berührung der in Reaktion begriffenen Massen zwecks Beschleunigung der Reaktion, sondern auch zur vol¹-ständigen Abtrennung und Austragung des Reaktionsproduktes herangezogen werden.

Von dem im oberen Behälter 4 eingeschlossenen Triebwerken führen wieder die beiden koaxial zueinander und axial innerhalb der Röhre 3 gelagerten Hohlwellen 8, 9 in den Druckreaktor, wo von der äußeren Welle 8 die Rührvorrichtung 6, 10 getragen und betätigt wird, während an der inneren Welle 9 die Förderund Aüstragrinne 14 aufgehängt und in Schwingungen versetzt wird. Diese Rinne ist schneckenartig um eine Hülse 15 gewunden, welche die Überfallröhre, die in dt η Sammelbehälter 12 führt, mit einem Spielraum umschließt. Dieser Behälter ist oben mit Ankerstützen 21 und am Umfang mit Kühlrippen ausgerüstet. Zur Abführung der aus dem Druckreaktor mit dem Produkt hinausgetragenen Wärme ist an der Überfallröhre 11 ein Druckflußkühler 13 vorgesehen, und die im oberen Behälter 4 eingeschlossenen Triebwerke werden von der aus dem Druckreaktor strahlenden Reaktionswärme durch einen anderen unterhalb des Behälters 4 angeordneten Bodenkühler 18 geschützt. Die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Wärme wird dem Autoklav vermittels eines Ringbrenners 26 zugeführt, der unterhalb des gewölbten Bodens gelagert ist.

Die Vorrichtung arbeitet während des Betriebes folgendermaßen: Noch vor dem Betrieb muß der Druckreaktor 1 samt dem Sammelbehälter 12 zum Zwecke der Beseitigung der Luft mit Stickstoff gefüllt urd auf eine Temperatur von 200⁰C erhitzt werden. Danach wird der Stickstoff zu einem späteren Zeitpunkt durch vorerhitzten Wasserstoff ersetzt. Nachdem die Temperatur die notwendige Höhe erreicht hat, wird mit einer Dosierpumpe geschmolzenes Natrium eingeleitet, die Rührvorrichtung in Gang gesetzt und die Temperatur weiter bis zur Reaktionstemperatur zwischen 270 und 320⁰C gesteigert. Hierauf wird auch der Schwingungserreger 1,1 Tätigkeit gesetzt und der Wasserstoffdruck in konstanter Höhe zwischen 40 und 50 at gehalten. Das geschmolzene Natrium wird kontinuierlich eingelassen, damit im Autoklav eine konstante Menge desselben vorliegt. Sobald im Sammelbehälter 12 eine hinreichende Hydrid-Menge vorhanden ist, wird dieselbe nach einer vorherigen Abstellung der Lieferung von Wasserstoff und Natrium pneumatisch abgelassen. Die Rührvorrichtung und der Schwingungserreger bleiben in Tätigkeit. Nach dem Ablassen des Produktes wird

die Dosierung von Wasserstoff und Natrium wieder in Tätigkeit gesetzt. Zum Ausgleich des zum Ablassen des Produktes benötigten Mehrverbrauches an Wasserstoff wird entsprechend mehr Wasserstoff dosiert als dem äquimolaren Verhältnis entspricht.

Durch gemeinsame Einwirkung der Rührvorrichtung sowie des elektromagnetischen Schwingungserregers wird die reagierende Masse und somit auch das Reaktionsprodukt im Zustande einer feinen Verteilung einer großen Oberflächenausdehnung erhalten, wodurch das »o Zusammenballen derselben und somit auch die Bildung einer kompakten Schmelze verhindert wird. In dieser Verbindung ist zu beachten, daß manche chemische Reaktionen, und darunter auch die vorliegenden, in Gegenwart von katalytisch aktiven Stoffen beschleunigt werden. Es ist daher möglich, solche Stoffe auch hier etwa gemeinsam mit dem Wasserstoff hinzuzufügen, damit die rein mechanische Auswirkung der Vorrichtung noch weiter unterstützt wird. Der Reaktionsvcrlauf wird dadurch wesentlich beschleunigt. Zugleich wird das feste Produkt ständig in einem voluminösen Zustand entlang der schwingenden Wendelrinnc aus der Schmelze und oberhalb des Niveaus derselben weiter zum Überfall in den Sammelbehälter hinausgetragen. Dabei findet eine zuverlässige und hochwirksame Abtrennung des Reaktionsproduktes von der Schmelze statt, die das Produkt nicht benetzt und daher dasselbe leicht verläßt. Es wird demnach ein reines Produkt erhalten, das gar keiner Nachreinigung bedarf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Alkalihydriden aus den Elementen bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, bestehend aus mindestens drei übereinander angeordneten miteinander verbundenen Behältern, von denen der mittlere als Druckreaktor ausgebildet ist, einen Rührer, Heizelemente sowie Zuleitungen für geschmolzenes Alkalimetall und Wasserstoff aufweist und vermittels einer Überfallröhre mit dem unteren, K.ühlelerneme aufweisenden Sammelbehälter für das Reaktionsprodukt in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter senkrecht übereinander angeordnet sind, die Überfallröhre (II) im mitleren Reaktor a/rial verläuft und mit Spielraum von einer schwingenden, schneckenförmig um eine Hülse (15) gewundenen Austragrinne (14) umgeben ist, deren oberes Ende als Rutsche (16) in die Überfallröhre (11) mündet, während der obere Behälter (4) mit dem Gasraum des Druckreaktors durch ein axiales Rohr (3) in Verbindung steht und das Treibwerk (5) sowie den Schwingungserreger (7) für den Rührer und die Austragrinne (14) enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kühlvorrichtungen (13, 18) für die Verbindungsrohre (3,11) zwischen den Behältern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch eine stumpfkegelige Prallwand (17) oberhalb der Hülse (15) und der Austragrinne (14).