DE2232579A1 - Verfahren zum verbrennen von halogeniden - Google Patents

Verfahren zum verbrennen von halogeniden

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DE2232579A1 DE19722232579 DE2232579A DE2232579A1 DE 2232579 A1 DE2232579 A1 DE 2232579A1 DE 19722232579 DE19722232579 DE 19722232579 DE 2232579 A DE2232579 A DE 2232579A DE 2232579 A1 DE2232579 A1 DE 2232579A1
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/14Methods for preparing oxides or hydroxides in general
    • C01B13/20Methods for preparing oxides or hydroxides in general by oxidation of elements in the gaseous state; by oxidation or hydrolysis of compounds in the gaseous state
    • C01B13/22Methods for preparing oxides or hydroxides in general by oxidation of elements in the gaseous state; by oxidation or hydrolysis of compounds in the gaseous state of halides or oxyhalides

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Description

  • Verfahren zum Verbrennen von Halogeniden Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Halogeniden oder Halogenidgemischen mit Sauerstoff, sauerstoffhaltigen Gasen und/oder sauerstoffabgebenden Stoffen.
  • Verfahren zum Verbrennen (Oxidieren) von Halogeniden dienen der Herstellung von Oxidpulvern und/oder der Rückgewinnung von Halogenen.
  • Nach bekannten Verfahren werden die bei der Halogenierung von Erzen, Schlacken, Kiesabbränden und anderen festen Stoffgemischen gewonnenen Halogenide mit Sauerstoff, sauerstoffhaltigen Gasen (z. B. Luft) oder sauerstoffabgebenden Stoffen (z. B. Oxiden) zu Oxiden und Halogenen umgesetzt. Die dabei stattfindenden chemischen Vorgänge entsprechen Reaktionstypen gemäß folgenden Beispielen: 2 FeCl3 (g) + 3 (g) = Fe203 (c) + 3 C12 (g) 202 3 SiCl4 (g) + 3 H2 (g) + O2 (g) = SiO2 (c) + 4 HCl (g) + H2O (g) 2 3 TiBr4 (g) + CO (g) + O2(g) = TiO2(c) + 2 Br2(g) + CO2 (g) TiC14 (g) + SnO2 (c) = TiO2 (c) + SnC14 (g) Von den bei der Oxidation entstenenden Feststoffen verlangt man oft besondere Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Reinheit, Korngröße und Kornform. Außerdem soll der chemische Umsatz bei der Verbrennung möglichst groß sein; Wirbelbetten, Verbrennungsräume und Brennerdüsen dürfen nicht verkrusten.
  • Als gasförmiges Verbrennungsprodukt ist in den meisten Fällen ein Halogen erwünscht, das möglichst wenig Sauerstoff, andere -Fremdgase und Halogenidreste enthält, um eine direkte Wiederverwendung zu ermöglichen.
  • Zur Erreichung dieser Ziele wurden bereits sehr viele Vorschläge gemacht, jedoch gelang noch nicht die Entwicklung eines Verfahrens, das allen Anforderungen entspricht. Bei der Verbrennung von Halogeniden sind die meisten Gas- oder Dampfgleichgewichte umso ungünstiger, je höhere Verbrennungstemperaturen sich einstellen. Bei bekannten Verfahren wird die Verbrennungstemperatur dadurch herabgesetzt, daß man beispielsweise einen entsprechend großen Überschuß von Sauerstoff oder ein anderes Ballastgas verwendet, das einen Teil der Verbrennungswärme aufnimmt und infolgedessen kühlend wirkt. Die anschließend erforderliehe Abtrennung des Halogens vom Ballastgas vermindert aber cie Wirtschaftlichkeit dieser Methode erheblich. Bei vielen bekannten Verfahren, z. B. bei der Ghlorierung von Ilmenit zur Herstellung von synthetischem Rutil, werden nicht einzelne reine Halogenide, sondern Halogenidgemische gebildet. Gerade die Verbrennung solcher Gemische bereitet erhebliche Schwierigkeiten, weil sie Halogenide mit niedrigeren und weit höheren Siedepunkten enthalten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbrennen von Halogeniden zu entwickeln, das die Mängel der bekannten Verfahren vermeidet, insbesondere also einen möglichst großen chemischen Umsatz bei der Verbrennung ergibt und die Gefahr einer Verkrustung des Verbrennungsraumes weitgehend vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Temperatur der dem Verbrennungsraum zugeführten Halogenide und/oder der Druck im Verbrennungsraum so gewählt werden, daß der Dampfdruck der zugeführten Halogenide größer ist als der Druck im Verbrennungsraum.
  • Das dem Verbrennungsraum beispielsweise durch eine Düse zugeführte, überhitzte Halogenid (das im flüssigen oder festen Zustand zugeführt werden kann) vergast im Augenblick des Verlassens der Düse5 d.h. beim Eintritt in den Verbrennungsraum, mit exklusiver Spontaneität, wodurch die Verbrennungskinetik immens gesteigert wird.
  • Bei der Verbrennung mn Halogenidgemischen werden eventuell nicht verdampfende hochsiedende Halogenidanteile so energisch und fein dispergiert, daß sie sich reaktionskinetisch wie Dämpfe verhalten und glatt mitverbrennen. Infolgedessen treten auch in solchen Fällen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Störungen auf.
  • Die bei demerfindungsgemäßen Verfahren erzielten hohen chemischen Umsätze sowie die großen sonstigen Vorteile (insbesondere Vermeidung einer Verkrustung von Düse, Verbrennungsraum usw. ) werden aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele deutlich werden.
  • Die Reaktionsgeschwindigkeit ist oft nicht groß genug, damit bei der Verbrennung ein dem thermodynamischen Gleichgewicht entsprechender chemischer Umsatz erreicht wird. Man kann aber die Reaktionsgeschwindigkeit katalytisch vergrößern und damit den chemischen Umsatz wesentlich verbessern, wenn man gemäß der Erfindung dem reagierenden System geringe Mengen systemfremder Halogene zusetzt. Diese Halogenekonnen in elementarem Zustand oder auch an andere Elemente gebunden sein (z. B. HF, CBr4, HSiJ3).
  • Um trotz hoher Verbrennungstemperaturen Verkrustungen im Verbrennungsraum zu verhindern und günstige Gasgleichgewichte und damit hohe chemische Umsätze zu erreichen, wird gemäß der Erfindung das Reaktionsgemisch durch eine oder mehrere gekühlte Kammern geleitet. Durch die Temperaturerniedrigung des Systems stellt sich ein günstiges Gleichgewicht ein, ein Zusatz von Ballastgas und die unwirtschaftliche Gastrennung fallen weg, an den gekühlten Innenwänden des VerbrennWungsraumes können Feststoffe nicht ansintern.
  • Um in verhältnismäßig kleinen Apparaturen große Mengen durchsetzen zu können und trotzdem mit dem Ziel eines maximal möglichen chemischen Umsatzes einen langen Berührungsweg der reagierenden Stoffe zu erreichen, wird gemäß der Erfindung das Reaktionsgemisch durch mindestens eine sich konisch erweiternde Kammer geleitet. Durch die Saugwirkung des axialen Teiles werden die peripheren Teile immer wieder in Richtung zur Achse gewirbelt.
  • Eine weitere Verlängerung des Reaktionsweges sowie die Verhinderung der Bildung von Krusten an den Kammerwänden kann man erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß man das Reaktbnsgemisch in Rotation versetzt. Dazu kann man die verschiedensten Formen von Wirbelkammern, beispielsweise mit tangentialem Eintritt und axialem Austritt, als Verbrennungsräume verwenden.
  • Schließlich kann man erfindungsgemäß bei den Verbrennungsreaktionen, bei denen bei einem Druck von 1 at im Verbrennungsraum nur ein unbefriedigender chemischer Umsatz erreichbar ist, diesen dadurch verbessern, daß man volumenvergrößernde Verbrennungsreaktionen bei einem Druck durchführt, der kleiner ist als 1 at, und volumenverkleinernde Reaktionen bei einem Druck, der großer ist als 1 at.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sei anhand einiger Beispiele näher erläutert.
  • Beispiel 1 Eisenchlorid (Fe2C16) wurde mit technischem Sauerstoff (rd. 98 Vol.-% °2 und rd. 2 Vol.-% N2) mittels einer Doppeldüse von einem Heizölbrenner in einer zylindrischen Kammer verbrannt, deren Innenwände-aus Sillimanit bestanden.
  • a) 1. Versuch Temperaturen: Fe2C16, flüssig - 3250 c techn. °2 - 210C Temperatur der heißesten Reaktionszone....750°C Je 203 und Chlor-haltiges Abgas 7400c Der Dampfdruck des geschmolzenen Fe2Cl6 in einem geschlossenen Behälter war etwas kleiner als 1 at; der Förderdruck wurde mit Preßluft im Behälter erzeugt Der Druck in der Verbrennungskammer betrug genau 1 at.
  • Das Abgas der Verbrennung hatte folgende Zusammensetzung in Vol.-%: C12 92,43 Fe2C16 3v33 p2 2,22 N2 2,02 Nach 40 min Brenndauer war die Doppeldüse derartig mit Fe2O3 verkrustet, daß der Verbrennungsvorgang zum Stillstand kam.
  • An den Innenwänden der Verbrennungskammer hatten sich Ablagerungen gebildet, die die Kammer bei längerer -Be.triebsdauer zu verstopfen drohten.
  • b) 2. Versuch Das Fe2C16 wurde in einem geschlossenen Druckbehälter bis auf 4400C erhitzt, wobei sein Dampfdruck auf 3 at anstieg.
  • Die Verbrennung mit dieser "überhitzten" Schmelze konnte beliebig lang durchgeführt werden, ohne daß sich an der Brennerdüse Verkrustungen bildeten. Die Brennkammer wurde aber nach wie vor durch krustige Ablagerungen in zunehmendem Maße verengt. Die Abgaszusammensetzung war praktisch gleichgeblieben, die Temperatur der heißesten Reaktionszone betrug 860°C.
  • c) 3. Versuch Die zylindrische Sillimanitkammer wurde durch drei sich konisch erweiternde Kammern ersetzt, die aus Kupferblech bestanden und gekühlt wurden. Das Fe2C16 wurde wieder als überhitzte Schmelze mit 4400C und 3 at Dampfdruck der Brennerdüse zugeführt. Bei diesem dritten Versuch gelangte das Fe 203 mit dem Abgas mit einer Temperatur von 4500C aus der Apparatur mit folgender Zusammensetzung des Gases in Vol.-%: C12 96,41 Fe2C16 0,65 02 o,g8 N2 1,96 Eine thermodynamische Rechnung ergab, dalS sich das Gasgleichgewicht bei der Abkühlung der Reaktionsprodukte von 860°C bis gegen 6000C laufend umgestellt haben mußte, wodurch die Chlorausbeute erheblich gesteigert und der Eisenchlorid-und Sauerstoffanteil wesentlich vermindert wurden.
  • d) 4. Versuch Hierbei wurde so verfahren wie vorher, jedoch wurde dem Sauerstoff 0,01 Vol.-% Bromdampf zugesetzt. Das resultierende Abgas bestand dann (in Vol.-%): C12 97,71 Fe2C16 0,13 02 0,20 N2 i,95 Br2 0,01, so daß man errechnen kann, daß sich das Gasgleichgewicht bei der Abkühlung der Reaktionsprodukte von 860°C bis gegen 500°C laufend umgestellt hat. Die Chlorausbeute ist erstaunlich hoch, die Anteile von Eisenchlorid und Sauerstoff sind sehr niedrig.
  • Beispiel 2 a) 1.Versuch Titanbromid (TiBr4) wurde in einem Behälter auf 2300C (0,85 at) erhitzt und mittels Preßluftdruck, der auf das geschmolzene TiBr4 wirkte, in eine Doppeldüse geleitet, der auch Verbrennungsluft zugeführt wurde. Die an die Düse angeschlossene Brennkammer hatte eine konische Form; sie bestand aus einem gasdichten Stahlmantel, einer Isolierschicht aus Sillimanitwolle und einer Auskleidung aus Sillimanit.
  • Die Reaktionsprodukte TiO2 und Abgas vedießen die Brennkammer mit einer Temperatur von 11500C.
  • Das Abgas hatte folgende Zusammensetzung in Vol.-%-: Br2 33,57 N2 66,43 Nach geraumer Zeit war die Stirnfläche der Doppeldüse durch eine Kruste zugesetzt.
  • Röntgenographische Untersuchungen zeigten, daR die gebildeten TiO2-Teilchen Rutilgitter besaßen. Ihre mittlere Korngröße betrug 1,5.
  • b) 2. Versuch Hierbei wurde dafür gesorgt, daß in der Brennkammer ein Druck von nur 0,3 at eingehalten wurde, indem das resultierende Staub-Gas-Gemisch durch einen gasdicht angeschlossenen Kühler, einen Staubabscheidezyklon und ein Staubfilter abgesaugt wurde. Da das mit einer Temperatur von 2300C zur Düse gelangende geschmolzene TiBr4 einen Dampfdruck von 0,85 at besaß, verdampfte es beim Verlassen der Düse spontan. Die Düse blieb auch bei langer Betriebsdauer frei von jeder Verkrustung. Die Rutilteilchen waren erstaunlicherweise größer; ihr mittlerer Durchmesser betrug 2,7 . Dieser Effekt kann auf eine wesentlich bessere Durchmischung der Reaktionspartner und infolgedessen rascheres Wachstum der Rutilteilchen zurückgeführt werden.
  • Das Abgas (11300C) bestand wieder nur aus Bromdampf und Stickstoff; TiBr4 und O2konnten nicht nachgewiesen werden.
  • Beispiel 3 Auch bei der Verbrennung von Aluminiumhalogeniden konnte gemäß der Erfindung die Verkrustung der Brennerdüse dadurch verhindert werden, daß das Al-Halogenid in einem geschlossenen Druckbehältf geschmolzen und - beispielsweise Al2Br6 0 bis auf 420 C - erhitzt wurde. Bei einer Temperatur von 4000C und mit einem eigenen Dampfdruck von 9,4 at gelangte die Al2Br6-Schmelze durch ein wärmeisoliertes Rohr zur Brennerdüse. Beim Austreten aus der Düse verdatfte die Schmelze spontan, mischte sich mit der Verbrennungsluft und verbrannte in einem gekühlten Verbrennungsraum vollständig zu Al 203 und Brom. Die Temperatur der heißesten Reaktionszone betrug 1530 C.

Claims (8)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbrennen von Halogeniden oder Halogenidgemischen mit Sauerstoff, sauerstoffhaltigen Gasen und/oder sauerstoffabgebenden Stoffen, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Temperatur der dem Verbrennungsraum zugeführten Halogenide und/oder der Druck im Verbrennungsraum so gewählt werden, daß der Dampfdruck der zugeführten Halogenide größer ist als der Druck im Verbrennungsraum.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenide dem Verbrennungsraum in flüssigem Zustand zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenide dem Verbrennungsraum in festem Zustand zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man dem reagierenden System geringe Mengen systemfremder Halogene zusetzt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Reaktionsgemisch durch eine oder mehrere gekühlte Kammern leitet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das Reaktionsgemisch durch mindestens eine sich konisch erweiternde Kammer leitet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Reaktbnsgemisch in Rotation versetzt.
8. Verfahren"nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man volumenvergrößernde Verbrennungsreaktionen bei einem Druck durchführt, der kleiner ist als 1 at, und volumenverkleinernde Reaktionen bei einem Druck, der größer ist als 1 at.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3739002A1 (de) * 1987-11-17 1989-05-24 Veba Oel Ag Metallmischoxidpulver, deren mischungen, metalloxidpulver und deren verwendung bei der katalytischen dehydrierung von kohlenwasserstoffen
WO1989005281A1 (en) * 1987-11-30 1989-06-15 Toth Aluminum Corporation Oxidizing method for production of special aluminas from pure aluminum chloride

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