DE1814580C3

DE1814580C3 - Verfahren zum Herstellen von Aluminium

Info

Publication number: DE1814580C3
Application number: DE1814580A
Authority: DE
Inventors: Charles Westwego La. Toth (V.St.A.)
Original assignee: Applied Aluminum Research Corp Westwego La (vsta)
Current assignee: Applied Aluminum Research Corp Westwego La (vsta)
Priority date: 1967-12-20
Filing date: 1968-12-13
Publication date: 1975-03-20
Also published as: AT288721B; BE725801A; NO124216B; US3615359A; CH536877A; SE361180B; JPS491368B1; DE1814580A1; ES361684A1; NL6818326A; FR1594279A; DE1814580B2; GB1229278A; OA02961A

Description

von Patenten oder andere Veröffentlichungen herausgegeben worden.

Es ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei welchem Ton in Gegenwart von Kohlenstoff bei erhöhter Temperatur chloriert, das wasserfreie (unreine) Aluminiumehlorid gereinigt und elektrisch zu elementarem Aluminium und freiem gasförmigem Chlor reduziert wird. Dieses Verfahren besaß zeitweise beträchtliche wirtschaftliche Zukunft, scheiterte aber an einigen beträchtlichen Nachteilen. Diese Nachteile bestanden in der Bildung von äußerst schlechtem, verunreinigtem Aluminium bei nur geringer Kostenersparnis, da auch bei diesem Verfahren ein äußerst großer Bedarf an elektrischer Energie bestand. Außerdem erwiesen sich die Kosten zur Entfernung des Eisens aus dem Aluminiumchlorid als Hindernis.

[Die Erfindung besitzt insofern eine Beziehung zu dem obigen vergeblichen Versuch, als bei dem cffin- «lungsgemäUen Verfahren eine teilweise Chlorierung «ies toncrdehaltigen Ausgangsmateri; 's erfolgt. Die Erfindung unterscheidet sich jedoch grundsätzlich und vollständig von den bekannten Verfahren zum Herstellen von Aluminium und schafft erstmalig ein technisch ausführbares nicht elektrolytisches Verfahren zum Herstellen von hochwertigem Aluminium. Die Erfindung wird in einem cyclischen Zweistulenverfahren ausgeführt; in der ersten Stufe dieses Verfahrens wird Aluminiumoxid mit Manganchlorid unter reduzierenden Bedingungen in Gegenwart von Kohlenstoff zu Aluminiumtrichlorid und Mangan umgesetzt; in der zweiten Stufe wird das Aluminiumtrichlorid mit dem Mangan bei einer zur Reduktion des Aluminiumtrichlorids zu Aluminium ausreichenden Temperatur umgesetzt und das bei dieser Stufe gebildete Manganchlorid in die erste Stufe rückgeführt.

Die Erfindung schafft also ein neues nicht elektrolytisches Verfahren zum Herstellen von Aluminium.

Oie Erfindung wird nun an Hand der folgenden Beschreibung und des in der Zeichnung dargestellten FlieUschcmas des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erläutert.

Das erfindungsgemäßc Verfahren wird zunächst allgemein an Hand des Fließschemas und dann an Hand von Verfahrenseinzelheitcn erläutert.

Ein geeignetes tonerdehaltiges Material (/. B. in der Zeichnung als Rohion bezeichnet) wird in einem Ofen 10 getrocknet. Der getrocknete Ton wird mit Koks vermischt und in einen Gebläseofen 12 bei 14 eingeführt. Manganchlorid wird in den Ofen 12 bei 16 und Sauerstoff zur Begünstigung der Reaktion bei 18 eingeführt. Nach Beendigung der Reaktion im Ofen 12 werden Aluminiumtriehlorid und Kohlenmonoxid gasförmig bei 20 abgezogen, während elementares Mangan in flüssigem Zustand bei 22 entfernt wird.

Das flüssige Mangan wird bei 26 in den Rekator 24 eingeführt. Das gasförmige Gemisch aus Aluminiumtrichlorid und Kohlenmonoxid wird bei 28 komprimiert und das Aluminiumtrichlorid als Flüssigkeit txler Festsubstanz in einem Kondensor 30 kondensiert, während das Kohlenmonoxid gasförmig bei 32 abgezogen wird. Das flüssige oder feste Aluminiumtrichlorid wird bei 36 in eine Heizvorrichtung 34 eingebracht, in welcher es verdampft und bti 38 in einen Reaktor 24 eingeleitet wird.

Das gasförmige Aluminiumtrichlorid wird unter solchen reduzierenden Bedingungen durch flüssiges Mangan in einen Reaktor 24 geleitet, daß möglichst viel Aluminium in elementares Aluminium umgewandelt wird. Führt man die Reduktion in dem Reaktor 24 bei entsprechend hoher Temperatur aus, so kann man das Manganchlorid als Gas bei 40 und das Aluminium als Flüssigkeit bei 42 abziehen. Das Manganchlorid wird dann in dem Kondensor 44 kondensiert und als Flüssigkeit von gewünschter Temperatur bei 16 in den Ofen 12 eingeführt.

An Stelle des Rohtons kann jedes beliebige andere tonerdehaltige Material bei dem erfindungsgemäßen

ίο Verfahren angewendet werden, obwohl allgemein Alumoiilicate sowie Rohton, Schieferton oder Bauxit insbesondere bevorzugt werden. (Das tonerdehaltige Material wird im folgenden allgemein als Ton bezeichnet.)

Da die Anwensenheit von merklichen Mengen Feuchtigkeit in dem Gebläseofen 12 unzweckmäßig ist, wird der Ton in dem Ofen 10 auf einen entsprechend niedrigen Feuchtigkeitsgehalt, vorzugsweise von weniger als 0,1 Gewichtsprozer:-. Wasser, getrocknet. Die Verweilzeit und Temperatur in c'cm Ofen 10 hängt von der Art des Ausgangsmaterials ab; gewöhnlich wild das Material bei einer Temperatur von etwa 200 bis 1200 C getrocknet, bis der Feuchtigkeitsgehalt entsprechend gesunken ist. Der Ton wird gewöhnlich in Form von Körnern mit einem Durchmesser von etwa 1,3 bis 15,2 cm angewandt.

Der Ton wird vor dem Einbringen in den Gebläseofen 12 praktisch homogen mit Koks oder anderem praktisch wasserfreiem kohlenstoffhaltigem Material

(z. B. Kohle, Holzkohle usw.) von etwa derselben Größe vermischt. Unter »praktisch wasserstofffreiem kohlcnstoffhtaligem Material« sind dabei Stoffe mit einem Gehalt von nicht mehr als 5 Gewichtsprozent Wasserstoff zu verstehen. Der Wasserstoffgehalt des kohlenstoffhaltigen Materials beträgt vorzugsweise nicht mehr als etwa I Volumprozent des Materials. Der Koks dient nicht nur als Hauptenergiequelle in dem Ofen 12, sondern begünstigt die Reduktion der Tonerde und der Manganverbindungen. Das Gemisch aus Ton und Koks wird so in den Gebläseofen 12 eingefüllt, dall dieser praktisch vollständig ausgefüllt wird.

Der Gebläseofen 12 ist in ati sich bekannter Weise konstruiert. Die Konstruktion des Ofens 12 bildet daher keinen Teil der Erfindung; es läßt sich für den vorliegenden Zweck vielmehr jeder beliebige herkömmliche Gebläseofen verwenden, welcher unter den angewandten Reaktionsbedingungen beständig ist.

Die in dem Ofen 12 stattfindende Gesamtreaktion

o° entspricht der folgenden Formelglcichung:

AI₂O₃ \ .¹MnCI, I 3 C >3Mr. \ 2 AlCI₃1 f 3CO;

Die obige Gesamtreaktion umfaßt jedoch tatsächlich eine Reihe von Einzelreaktionen, von denen einige im folgei Jen aufgeführt sind:

MnCI₂ I
2 AI₂O
2 MnO₂

O₂ -> MnO₂ I Cl₂1

₂vy₃ -t- 6 Cl₂ -> 4 AICl₃1

2 C
CO

f C
I O

I-3C ->2Mn
->2CO
^CO₂!

f 2CO! l· CO₂!

Zur Umwandlung des Aluminiumtrioxids in AIuminiumtrichlorid und des Manganchlorids in elementares Mangan gemäß den obigen Gleichungen wird die Umsetzung in dem Ofen 12 bei einer Temperatur von etwa 190"C im Oberteil des Ofens bis etwa UOO'C am Boden des Ofens ausgeführt. Die entsprechende

Temperatur wird aufrechterhalten, indem man einen Überschuß von etwa 5 bis 50 Gewichtsprozent Koks gegenüber der bei den Reaktionen stöchiometrisch benötigten Menge anwendet. Der Sauerstoff kann auf etwa 200 bis 1000"C und vorzugsweise auf etwa 900 C vorerhitzt und als reines Gas in einer zur Aufrechlcrhaltung der Verbrennung und Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur erforderlichen Menge zugeführt werden. Die benötigte Menge schwankt selbstverständlich je nach der Art des angewandten Systems; die jeweils benötigte Menge läßt sich jedoch von einem Fachmann ohne weiteres ermitteln.

Das Manganchlorid kann in den Ofen 12 in stöchiometrischer Menge und in beliebiger form, d. h. als Gas, flüssigkeit oder Festsubstanz, zugegeben werden. Beim Zugeben als Gas wird dieses in den Ofen 12 eingebracht, nachdem es den Reaktor 24 gasförmig bei 40 verlassen hat; gewöhnlich ist es jedoch zweckmäßig, das den Reaktor 24 verlassende Manganchlorid (wie bei 44) zu kondensieren und das Manganchlorid als Flüsisgkeit in den Reaktor 12 zuzugeben. Die Temperatur des Manganchlorids beim Einbringen in den Ofen 12 beträgt etwa 650 bis 1190" Γ

Die in den Ofen 12 eingeführte Tonmenge soll etwas größer als die für die obige Reaktion erforderliche stöchiometrische Menge sein, um eine entsprechende Schlackenbildung in dem Ofen zu gewährleisten. Der Ton soll in einem wenigstens 15 gewichtsprozentigen stöehiometrischen Überschuß gegenüber der für die gewünschten Reaktionen erforderlichen Aluminiumoxidmenge vorliegen.

Die Umsetzung in dem Ofen 12 wird zweckmüßigerweise in Abwesenheit von Wasserstoff und Wasser ausgeführt. Wasserstoff würde sich nämlich mit dem Sauerstoff in dem Ofen zu Wasser verbinden, welches dann mit dem Aluminiumtrichlorid unter Bildung von Aluminiumoxid und Chlorwasserstoff reagiert. Letzterer ist aber in dem System äußerst unerwünscht. Die Anwensenheit von Wasser führt natürlich zu demselben unerwünschten Ergebnis.

Der Ofen 12 wird kontinuierlich mit einem Koks-Ton-Gemisch betrieben, wobei das Manganchlorid und der Sauerstoff periodisch nach Bedarf zugegeben werden. In bestimmten Abständen und sobald die Menge des elementaren Mangans abstechbare Mengen erreicht, wird das geschmolzene Mangan am Boden des Ofens abgestochen und bei 26 in den Reaktor 24 eingebracht.

Das gasförmige Aluminiumtrichlorid und Kohlenmonoxid aus dem Reaktor 12 werden durch Kompression und Kondensation voneinander getrennt. Durch Anwendung eines Überdrucks von etwa 1,4 bis 10,5 kg/cm² (in dem Kompressor 28) läßt sich das gasförmige Gemisch in flüssiges Aluminiumtrichlorid in dem Kondensator 30 und gasförmiges Kohlenmonoxid trennen. Zur Erzielung bester Ergebnisse soll das Gemisch in dem Kondensor 30 nur bis zur Verflüssigungstemperatur gekühlt werden. Gegebenenfalls kann das Aluminiumtrichlorid weiter bis zur Erstarrung gekühlt werden; dieses ist jedoch für die nachfolgende Handhabung nicht wirtschaftlich, so daß man vorzugsweise nur bis zur Verflüssigung des AIuminiumchlorids abkühlt.

Da das Aluminiumchlorid mit dem flüssigen Mangan in dem Reaktor 24 in innige Berührung gebracht werden soll, wird das flüssige Aluminiumtrichlorid vorerhitzt und bei 34 bei einer Temperatur von wenigstens etwa 900 bis 1300 C verdampft; anschließend wird das gasförmige Aluminiumtrichlorid durch das flüssige Mangan im Reaktor 24 geleitet, wie in der Zeichnung angedeutet. Das Gewichtsverhältnis des Aluminiumtrichlorids zu Mangan in dem Reaktor 24 beträgt etwa 1,65:1.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das aus dem Ofen YL abgezogene u:ul in den Reaktor 24 eingebrachte Mangan hauptsächlich aus elementarem Mangan mit weniger als 10°,, Vcrunreinigungen. Hieraus ergibt sich, daß das Verfahren noch durchführbar ist, wenn auch in weniger wirtschaftlichem Maßstab, wenn das in den Reaktor 24 eingebrachte Mangan nur einen Teil der zur Umsetzung mit dem Aluminiumtrichlorid eingebrachten manganhaltigen Reaktions-Massc darstellt. Da die primäre Funktion der in dem Reaktor 24 stattfindenden Umsetzung in der Umwandlung von Aluminiumtrichlorid in elementares Aluminium und nicht nur in einer Chlorierung des Mangans besteht, so besteht eine

ao praktische untere Grenze für die in dieser Reaktions-Massc vorhandenen Manganmctige. Diese unlere Grenze beträgt 5 Gewichtsprozent und vorzugsweise 50 Gewichtsprozent Mangan.

Mit »mehr als geringen Mengen« einer Substanz

*5 sind wenigstens etwa 5 Gewichtsprozent dieser Substanz in dem diese Subtsanz enthaltenden Material zu verstehen.

Die in dem Reaktor 24 stattfindende Gesamtreaktion entspricht allgemein der folgenden Gleichung:

2 AICI₃ l 3 Mn > 2 Al I 3

Das Manganchlorid wird also als Gas ausgetrieben. während das elementare Aluminium als Flüssigkeit ;ihgezogen wird. Hierzu muß der Reaktor 24 bei einer Temperatur über etwa 1190 C betrieben werden, was etwa dem Siedepunkt des Manganchlorids entspricht. Bei dieser Ausführungsform wird das Manganchlorid vorzugsweise (wie bei 44) zu einer Flüssigkeit kondensiert und in den Ofen 12 rückgeführt. Wahlweise kann der Reaktor 24 bei einer Temperatur unter etwa 1190¹C betrieben werden, bei welcher das Manganchlorid als Flüssigkeit vorliegt. Da das Aluminium bei dieser Temperatur dann ebenfalls als Flüssigkeit vorliegt, scheidet sich das spezifisch schwerere Manganchlorid am Boden des Reaktors· ab und das Aluminium läßt sich hiervon leicht abdekantieren. Hi.raus ergibt sich, daß es zweckmäßiger ist, bei einer Temperatur über 1190" C zu arbeiten, bei welcher das Manganchlorid leicht am Kopf des Reaktors 24 als Gas abgezogen werden kann.

Bei der Ausführungsform, bei welcher das Manganchlorid den Reaktor 24 in Gasform verläßt, ergibt sich die obere Begrenzung der Reaktionstemperatur in dem Reaktor 24 aus praktischen Gesichtspunkten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, obwohl Temperaturen über etwa I900"C, dem Siedepunkt des Mangans, nicht angewandt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Temperatur des Reaktors 24 zwischen etwa 1260 und etwa 1400"C; bereits die zuerst genannte Temperatur liegt über dem Schmelzpunkt des Manganchlorids und über dem Schmelzpunkt des Aluminiums (etwa 660^J C). Zwar läßt sich die Umsetzung auch mit festem gekörntem Mangan ausführen, indem man das Aluminiumtrichlorid mit den Körnern unter etwa 1260 C in Berührung bringt; man muß aber auf jeden Fall bei wenigstens über 900"C (vorzugsweise über 1000 C)

arbeiten, da die Reduktion des Aluminiiimtrichlorids Möglichkeit der Reduktion des Chlorids durch Kotierst bei 900"C beginnt. lenstoff stellt das Mangan somit einen idealen Stoff

Das aus dem Reaktor 24 abgezogene flüssige AIu- zurAusführungdeserfindungsgemäßen Verfahrens dar.

minium weist eine sehr gute Qualität auf und läßt sich Der Reaktionsmechanismus der Reduktion des AIu-

zum nachfolgenden Gebrauch in Barren gießen. 5 miniumtrichlorids durch Mangan verläuft vermutlich

Der Reaktor 24 kann aus einem übergroßen wie folgt: Bei den in dem Reaktor 24 angewandten

Schmelztiegel oder einem Zylinderofen bestehen, wel- Temperaturen dissoziiert das Aluminiumtrichlorid ge-

cher unter den Reaktionsbedingungen beständig ist maß folgender Gleichung:

und aus einem geeigneten schwerschmelzbaren Mate- _A|q __x ^q , ₂ q\

rial besteht. Die spezielle Konstruktion des Reaktors io ³ '

24 stellt keinen Teil der Erfindung dar. Da der Zylin- Da Mangan eine stabile Chlorverbindung (MnCI₂) bei

derofcn 24 diskontinuierlich und der Ofen 12 konti- den in dem Reaktor 24 angewandten Temperaturen

nuierlich betrieben wird, können selbstverständlich bildet, reagiert es mit dem auf Grund der obigen Dis-

mehrere Reaktoren 24 pro Ofen 12, je nach der Art soziation gebildeten Chlor, wodurch das Gleichge-

und Größe des letzteren angeordnet werden. 15 wicht der obigen Reaktionsgleichung in Richtung der

Die Reaktion in dem Reaktor 24 soll ausgeführt Bildung von AICI verschoben wird. Das AICl

werden, bis die Umsetzung zwischen dem Mangan ist jedoch bei diesen Temperaturen unbeständig und

und dem Aluminiumchlorid beendet ist. Die Beendi- reagiert mit dem Mangan wie folgt:

gung dieser Reaktion läßt sich ohne weiteres fest- _{2 A)c| Mn} ^ _MnC, _{} 2M}

stellen, wenn das am Kopf des Reaktors 24 bei 4(1 10

austretende Manganchlorid kein Kondensat mehr bil- Der Hauptvorteil der Erfindung beruht also in

det und stattdessen schwere weiße dichte Wolken (von einem vollständigen Zweistufenverfahren, bei welchem

Aluminiumtrichlorid) auftreten. Die Reaktion kann das Manganchlorid aus der zweiten Stufe in die erste

dann abgebrochen und die Stoffe können aus dem Stufe der Reaktion rückgeführt wird. Ein zweiter

Reaktor 24 entfernt werden. »5 Gesichtspunkt der Erfindung beruht auf der Verwen-

Die beträchtlichen Vorteile des oben beschriebenen dung von Mangan zum Reduzieren von Aluminium-Verf;.hrens liegen auf der Hand. Das zum Reduzieren chlorid zu elementarem Aluminium in äußerst wirkdes Aluminiumtrichlorids zu elementarem Aluminium samer Weise. Es ist also ein weiterer Gesichtspunkt der verwendete Mangan wird bei dem Verfahren in Man- Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Alumiganchlorid umgewandelt, das dann in einfacher Weise 30 nium durch Reduktion von Aluminiumtrichlorid mit in die erste Reaktionsstufe rückgeführt werden kann. Mangan in der bereits beschriebenen Weise zu schaffen. In dieser Stufe dient der Chlorgehalt des Mangan- Zur Ausführung dieses Teils der Erfindung kann man, Chlorids zur Bildung des in der zweiten Reaktionsstufe falls man nicht den vorteilhaftesten Weg eines vollverwendeten Aluminiumtrichlorids, wobei sich gleich- ständigen cyclischen Verfahrens anwenden will, ein bezeitig elementares Mangan bildet, das in der zweiten 35 liebig hergestelltes Aluminiumtrichlorid unabhängig Stufe wiederum zum Reduzieren des Aluminiumtri- mit Mangan unter den in Zusammenhang mit dem chlorids verwendet wird. Der Wirkungsgrad dieses Reaktor 24 beschriebenen Bedingungen umsetzen.
Verfahrens ist also sehr hoch; da außerdem keine Die Erfindung wird nun an Hand des vorliegenden teure elektrische Energie wie bei dem bekannten Bayer- Ausführungsbeispiels weiter erläutert:
Hall-Verfahren erforderlich ist, werden die Herstel- 4° _ . . .
lungskosten von hochwertigem Aluminium auf äußerst eispi

einfache Weise beträchtlich verringert. Weißer Ton wurde in einen Rotationstrockenofen Die Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen Ver- mit einer Länge von 45,70 m und einem Außendurchfahrens ließ sich keineswegs vorhersehen und wider- messer von 2,45 m am Ausgang sowie einem Durchspricht allen geläufigen Vorstellungen über die ange- 45 messer von 1,50 m am Eingang eingebracht. Der Rohwandten Reaktionsmechanismen. Bei dem erfindungs- ton wies die folgende chemische Zusammensetzung gemäßen Verfahren reduziert das Mangan einerseits bezogen auf Gewichtsprozent, auf:
das Aluminiumtrichlorid zu elementarem Aluminium Bestandteile Gewichtsprozen und wird andererseits aus dem Chlorid mit Hilfe von . jjq

Kohlenstoff in die elementare Form überführt. Da der 50 ^q 200

Fachmann allgemein annimmt, daß das Reduzieren * 20

eines in einer Verbindung enthaltenden Elements nur ₂'rj

mit einem elektronegativeren Element möglich ist, MbO* 2 0

ergibt sich hieraus die Folgerung, daß Aluminiumtri- ⁸^ '

chlorid nicht mit Mangan zu elementarem Aluminium 55 Verschiedene Stoffe

reduziert werden kann, da es elektropositiver als Alu- (MnO₂, TtO₂, CuO, V₂O₃ usw.)

minium ist. Die Bezeichnung »elektropositiv« und

»elektronegativ« bezieht sich im vorliegenden Zusam- Dieser Ton hatte die folgende ursprüngliche Zu

menhang auf die Stellung eines Elements gegenüber sammensetzung in Gewichtsprozent:

einem anderen Element im Periodensystem. Diejenigen ⁶° Bestandteile Gewichtsprozen

Elemente, die sich in rechts von einem bestimmten Anorganische Oxide 72,0

element stehenden Gruppen befinden, sind also elek- Freie Feuchtigkeit 20 0

tropositiv und diejenigen Elemente, die sich in links Kristallwasser und Carbonate' '.Υ.'.'.'.'.'.'.'i',0
von einem bestimmten Element befindlichen Gruppen

befinden, sind elektronegativ. Tatsächlich übt aber 65 Die Arbeitstemperatur des Ofens betrug etwa 860 C

das Mangan die gewünschte Funktion aus und redu- am Tonausgang und etwa 120⁰C am Eingang. Di<

ziert das Aluminiumtrichlorid. Auf Grund der niedri- Verweilzeit des Tons in dem Ofen betrug etwa 4 Stun

Ken Kosten und leichten Erhältlichkeit sowie der den, so daß der endgültige Feuchtigkeitsgehalt (ein

9 10

schließlich freier Feuchtigkeit und K ristall wasser) des etwa 194 C kondensiert, wobei das Aluminiumtri- ;alcinierten Tons weniger als etwa 0,1 Gewichtsprozent chlorid verflüssigt und von den übrigen Gasbestandbetrug, teilen abgetrennt wird. Nach dieser Verflüssigung wird Der calcinierte Ton wurde homogen mit Koks im das flüssige Aluminiumtrichlorid verdampft und auf Verhältnis von etwa 1,4 Gewichtsteilen Koks zu 5 etwa 1200" C vorerhitzt.

1 Gewichtsteil Ton vermischt. Die Teilchengröße des Der Reaktor für die Reduktion von Aluminiumtri-

Tons beim Vermischen mit dem Koks war wie folgt: chlorid wird mit geschmolzenem Mangan beschickt,

Durchmesser/cm welches den Gebläseofen mit einer Temperatur von

„ . . etwa 1400 C verläßt und in den Reaktor mit einer

Durchmesser, cm Gew.ch.sprozen. _{|o Temperatur von etwa |34(rc eingebracht wir(1}. _Das

5 bis JO gasförmige Aluminiumtrichlorid wird durch dieses

2'5 |>!^s 5 ■ ~ geschmolzene Mangan in dem Reaktor durchgeleitet.

1,3 bis 2,5 J _Der Reaktor für die Reduktion für Aluminiumtri-

^unter '·³ chlorid besteht aus einem 6,10 m hohen, mit schwer-

Der verwendete Koks bestand aus gewöhnlichem 15 schmelzbarer Auskleidung versehenen Schmelztiegel,

handelsüblichem Koks von großer Dichte, wobei dessen Innendurchmesser etwa 1,20 m beträgt. Der

etwa 85% der Koksteilchen eine Größe zwischen etwa Reaktor wird mit etwa 3300 I geschmolzenem Mangan

5 und 10 cm aufwiesen. Der maximale Wasserstoff- beschickt und das gasförmige Aluminiumtrichlorid

gehalt des Koks lag unter etwa 0,01 Gewichtsprozent. wird durch dieses geschmolzene Mangan in einer

Der Koks wurde mit dem Ton homogen im Verhält- ao Menge von etwa 10,5 m³/min bei einem Überdruck

nis von etwa 1,4 Gewichtsteilen Koks zu 1 Gewichts- von 5,6 kg/cm² und einer Eingangstemperatur von

teil Ton vermischt und so in den Gebläseofen einge- etwa I200°C durchgeleitet.

führt, daß etwa 85 bis 90 Volumprozent des Ofens Das gasförmige Aluminiumtrichlorid reagiert beim

ausgefüllt waren. Hochsteigen durch das geschmolzene Mangan unter

Als Gebläseofen wurde ein üblicher, in der Stahl- as Bildung von gasförmigem Manganchlorid, welches am

Industrie verwendeter Ofen mit folgenden geringen Kopf des Reaktors abzieht. Das Aluminiumtrichlorid

Abänderungen verwendet: wird mit obiger Geschwindigkeit etwa 8 Stunden

1. Die Größe des Gasabzugs wurde um etwa '/s durch das in dem Reaktor befindliche flüssige Mangan größer gewählt als bei den in der Stahlindustrie durchgeleitet. Danach wird die Strömungsgeschwinverwendeten Gebläseöfen, um den Ofen an die 30 digkeit im Verlauf von zwei Stunden allmählich aul durch das Aluminiumtrichlorid gebildete zusatz- Null herabgesetzt.

liehe Gasmenge anzupassen. Das am Kopf des Reaktors während der ersten

2. Der Ofen wurde mit einer Vorrichtung zum Ein- 8 Stunden abziehende Gas besteht beinahe zu 100% bringen von flüssigem Manganchlorid in der Nähe aus Manganchlorid und weist eine Temperatur von des oberen Ofenendes versehen, damit das Man- 35 etwas über 1200° C auf. Am oder gegen Ende der Umganchlorid gut über das Koks-Ton-Gemisch dis- Setzung, wenn nur noch geringe Mengen Mangan in pergiert werden kann. Dies wird mit Hilfe einer dem Reaktor vorhanden sind, ist das abgehende gas-Sprühdüse erreicht. förmige Manganchlorid stark mit Aluminiummono-

Der Gebläseofen war während des gesamten Betriebs chlorid und Aluminiumtrichlorid verunreinigt (letzte-

etwa zu 85 bis 90% gefüllt. 40 res erkennt man am Auftreten von dichten weißen

Der in den Gebläseofen eingeblasene Sauerstoff ist Wolken). Um eine Verunreinigung des Manganchlo-

praktisch feuchtigkeits-und wasserstofffrei, weist einen rids mit diesen, Aluminiummonochlorid und Alumi-

Minimalsauerstoffgehalt von 90 Gewichtsprozent auf niumtrichlorid enthaltenden Gasen zu vermeiden,

und wird vor dem Einblasen in den Gebläseofen auf werden die abziehenden Gase in den Boden eines

etwa 900°C vorerhitzt. Der Sauerstoff wird in den 45 anderen, noch Mangan enthaltenden Reaktors einge-

Gebläseofen etwa 1,20 m über die Oberfläche des leitet und als Teil der Aluminiumtrichloridbeschickung

flüssigen Mangans mit einer Geschwindigkeit von etwa verwendet, sobald das Auftreten weißer Wolken beob-

1,4 kg Sauerstoff pro kg Ton eingeblasen. achtet wird.

Das Manganchlorid wird in den Ofen bei einer Das große Volumen des gasförmigen Mangan-Temperatur von etwa 1200⁰C in einer Menge von 50 chlorids (etwa 7,6 1 Manganchlorid pro Liter Alumietwal, 15 GewichUteilen Manganchlorid pro Gewichts- niumtrichlorid) wird dann bei etwa 1200⁰C auf eir teil Ton eingebracht. wesentlich geringeres Volumen herabgesetzt und in

Der Gebläseofen wird kontinuierlich betrieben und den Gebläseofen rückgeführt.

in gleicher Weise wie übliche Gebläseöfen periodisch Wenn die Umsetzung in dem Reaktor vollständig ist, abgestochen, um geschmolzenes Mangan am Boden 55 wird das flüssige Aluminium am Boden des Reaktors zu entfernen. Aluminiumtrichlorid und andere Gase abgezogen und zur weiteren Verwendung in Barren entweichen in den am oberen Ende des Ofens befind- gegossen. Die Aluminiumausbeute, bezogen auf Alulichen Abzug. Der Ofen wird etwa 48 Stunden ab Zu- miniumtrichlorid, beträgt etwa 98 Gewichtsprozent, gäbe des Manganchlorids bis zum Abstich des ge- Die Erfindung schafft ein einfaches und wirtscihaftschmolzenen Mangans aus dem Ofen betrieben. ⁶° liches Verfahren zum Herstellen von elemanUirem

Die in den Abzug entweichenden Gase verlassen den Aluminium. Bei diesem Verfahren sind keine giroße

Ofen mit einer Temperatur von etwa 190⁰C und in Mengen an elektrischer Energie erforderlich, da die

einer Menge von etwa 5620 l/kg Ton. Die Zusammen- Hauptenergiequelle aus Koks oder anderein kohlen-

setzung dieses Gases in Volumprozent beträgt etwa stoffhaltigen, in dem Ofen 12 verwendetem Material

7% Aluminiumtrichlorid, 70% Kohlenmonoxid, 10% 65 besteht. Ferner werden die Anforderungen hinischtlich

Kohlendioxid, 10% Stickstoff und 3% verschiedene Handhabung und Energiebedarf bei der Anwendung

andere Bestandteile. Diese Gase werden auf einen von großen Volumen Flüssigkeit uno anderen Stoffen

Überdruck von etwa 5,6 kg/cm² komprimiert und bei wesentlich verringert. Bei den bekannten Verfahren,

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wie dem Bayer-Hall-Verfahren, gehen unweigerlich alle in den Ausgangsmaterialien in geringer Menge vorhandenen Elemente, die gegebenenfalls anderweitig brauchbar sein können, verloren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können dagegen auch die im Ausgangsmaterial in geringer Menge vorhandenen Elemente, wie Fe, Ti, V, U, Co. usw. in wirtschaftlicher Weise gewonnen werden, da große Mengen

verarbeitet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt ferner das bisher mit dem Auftreten von größeren Mengen Siliciumdioxid in dem tonerdehaltigem Rohmaterial verbundene Problem, da die Chlorierung des Tons bei einer ausreichend niedrigen Temperatur (unter 1200⁰C) ausgeführt wird, bei welcher die Chlorierung von Siliciumdioxid vernachlässigbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Aluminium uns Aluminiumtrichlorid, dadurch geken η zeichnet, daß man Aluminiumtriehlond mit einer manganhaltigen Masse bei einer zur Keduklion des Aluminiumtrichlorids zu flüssigem Aluminium ausreichenden Temperatur umsetzt, wobei das Mangan in der manganhaltigen Masse zumindest zu Beginn der Umsetzung mit dem Aluminiumtriehlorid in einer Konzentration von mindestens 5 Gewichtsprozent vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Mangankonzentration in der manganhaltigen Masse zumindest zu Beginn der Umsetzung mit dem Aluminiumtrichlorid mindestens 50 Gewichtsprozent betrügt.

3. Verfahren lu'ch einem der Ansprüche I otter 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktions- zn temperatur unter dem Siedepunkt, jedoch über dem Schmelzpunkt des anfallenden Manganchlorids hält, so daß das Manganchlorid eine flüssige, praktisch mit dem Aluminium nicht mischbare Schicht bildet, und daß man diese flüssige Manganchloridschicht vom Aluminium abtrennt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaklionstemperatur über den¹ Siedepunkt des Manganchlorids hält und das gebildete Manganchlorid dampfförmig vom Aluminium abtrennt.

5. Verfahren zum Herstellen von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß snar

a) Aluminiumoxid mit Manganchlorid unter reduzierenden Bedingungen in Gegenwart eines praktisch wasserstofffreien, kohlenstoffhaltigen Materials zu Aluminiumtrichlond und Mangan umset/.t und

b) das Aluniiniumtrichlorid mit dem Mangan hei einer zur Reduktion des Aluminiumtrichlorids 4a zu Aluminium ausreichenden Temperatur umsetzt.

6. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß das während der Reduktion des Aluminiumtrichlorids gebildete Manganehlorid zur Umsetzung mit dem Aluminiumoxid in Stufe (a) rückgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Reduktion des Aluminiumtrichlorids gebildete Manganehlorid auf einer Temperatur über seinem Siedepunkt gehalten und dampfförmig vom Aluminium abgetrennt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Reduktion des Aluminiumtrichlorids gebildete Manganehlorid auf einer Temperatur unter seinem Siedepunkt, jedoch über seinem Schmelzpunkt gehalten und als flüssige, mit dem Aluminium praktisch nicht mischbare Schicht vom Aluminium abgetrennt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiges Material Koks, Kohle oder Holzkohle verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumoxid in Form eines Alumosilicats verwendet wird.

Il Verfahren nach einem der Ansprüche 5 his 7 oder 9 oder K), dadurch gekennzeichnet, daß während der Reduktion des Aluminiumchloride bei einer Temperatur gearbeitet wird, die über dem Schmelzpunkt des Mangans liegt. _ .. ,

2 Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6 oder's bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß wahrend der Reduktion des Alumimium* I ο ruh, he. einer Temperatur von wenigstens etwa 'X)U C ge-

nVerrahrcn zum Herstellen von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß man Λ Aluminiumoxid mit Manganehlorid unter reduzierenden Bedingungen in Gegenwart von Koks Kohle oder Holzkohle zu Aluminiumtrichlorid und Mangan in einer ersten Reaklionszone bei Temperaturen zwischen etwa IW und 1400 C umsetzt,

hl das Aluminiumtrichlorid dampening in einer /weiten Reaktionszone hei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Mangans bis ctwi 14(K) C in innige Berührung nut flussigem Mingan bringt und das Aluminiumtrichlond •iiif diese Weise mit dem Mangan zu Aluminium unter Bildung % on dampfförmigem Maniianchlorid umsetzt und

c) das dampfförmige Manganehlorid von dem Aluminium abtrennt.

Viele Jahre wurde das Bayer-Hall-Verfahren allgemein zum Herstellen von elementarem Aluminium angewandt. Bei diesem Verfahren wird Bauxit mit konzentriertem Natriumhydroxid vermischt und das so erhaltene Gemisch bei hoher Temperatur und Druck mehrere Stunden gekocht. Das in dem Bauxit enthaltene Aluminium löst sich während des Kochens auf und bildet eine flüssigkeit, die dann von dem Schlamm abdekantiert, filtriert, gekühlt und verdünnt wird. Nach langem (wenigstens 48stündigcm) kontinuierlichen Rühren der verdünnten Lösung fällt etwa 50",, des in der Lösung enthaltenen Aluminiums als Aluminiumhydroxid aus. Dieses wird dann bei etwa !200 C calciniert und elektrisch mit Hilfe von Kohleelektiodcn und geschmolzenem Kryolit reduziert.

Dieses Verfahren weist eine Reihe beträchtlicher Nachteile auf. Erstens muß der verwendete Bauxit einen äußerst geringen Siliciumdioxidgchalt (nicht über etwa 5 Gewichtsprozent) aufweisen, da das Siliciumdioxid mit Aluminiumoxid und Natriumhydroxid unter Bildung von Natriumaluminiumsilicat reagiert, welches sich in Form steinharter Klumpen in der Vorrichtung ablagert. Zweitens entstehen hierbei große Verluste an Aluminiumoxid und Natriumhydroxid und es muß ein großes Flüssigkeitsvolumen pro Einheit gewonnenenes Aluminium gehandhabt werden. Außerdem besteht bei dem Bayer-Hall-Verfahren ein äußerst großer Energiebedarf, weil die verdünnten Losungen nicht nur eingedampft werden müssen, sondern auch sonst ein äußerst großer Bedarf an elektrischer Energie besteht.

Wegen dieser Nachteile wurden bereits viele Versuche unternommen, jm Aluminium anderweitig herzusli-llcn. In diesem Zusammenhang sind eine Vielzahl