DE2240954A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von materie zu bestandteilselementen und zur abtrennung eines der elemente von den anderen elementen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von materie zu bestandteilselementen und zur abtrennung eines der elemente von den anderen elementenInfo
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Description
B- 994
The Boeing Company, P.O.Box 3999, Seattle, Washington 98 124,
V.St.v.A«,
Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Materie zu Bestandteilselementen und zur Abtrennung eines der Elemente
von den anderen Elementen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Materie zu Bestandteilselementen
und zur Abtrennung der Elemente jeweils von den anderen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Reduzierung von Verbindungen, wie Metalloxiden, zu Bestandteilselementen und zur Abtrennung eines gewünschten
Elementes (z.B. Aluminium von Sauerstoff) unter Anwendung von Hochtemperaturplasmen.
Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß Verbindungen bei hohen Temperaturen in ihre Bestandteilselemente dissoziieren. Es ist
ebenfalls bekannt, daß genügend hohe Temperaturen die Ionisierung solcher Elemente hervorrufen. Die Existenz der Ionisierung
legt nahe, daß es möglich sein kann, die Bestandteile, einen von dem anderen, durch Anwendung elektrischer, magnetischer oder
mechanischer (z.B. Massendifferenz-) Verfahren oder eine Kombination
derselben zu trennen. Die vorliegende Erfindung verwendet
ein Magnetfeld in Kombination mit anderen Faktoren, um die
Trennung in wirtschaftlich praktischer Weise zu bewerkstelligen.
Der lonisierungsgrad bei einer besonderen Temperatur variiert
303009/1080
von Element zu Element. Zum Beispiel beträgt das Ionisierungspotential yon Aluminium etwa 5»98 eV und das von Sauerstoff
etwa 13,6 eV. Die praktische Auswirkung eines differierenden
Ionisierungspotentials und anderer Faktoren (z.B. der Degeneration
des niedrigsten ionisierten Zustandes) ist, daß bestimmte Elemente von hohem Ionisierungspotential bei den Temperaturen,
wo eine bedeutende Ionisierung anderer Elemente stattfindet, nicht merklich ionisieren. Die Untersuchung der Gleichgewichtszusammensetzung eines gasförmigen Gemisches bei erhöhten Temperaturen
zeigt, daß für bestimmte Verbindungen nach der Dissoziation ein Element teilweise ionisiert wird, Jedoch das andere
Element oder Elemente nicht bedeutend ionisiert werden. Der Ionisierungsgrad ist eine stetig zunehmende Funktion der Tempe
ratur.
Das vorliegende Trennverfahren und die Vorrichtung arbeiten mit einem Gas, das lediglich eine bedeutend ionisierte Specie enthält.
Abtrennung unter Verwendung nur teilweiser Ionisierung bedeutet, daß tiefere Temperaturen verwendet werden können.
Tiefere Temperaturen bedeuten weniger Energiezugabe. Analysen zeigen, daß die Durchsatzgeschwindigkeiten der Herstellung für
die gewählte Specie wenig durch Ionisierungsfraktionen beeinflußt werden, nur in der Größenordnung einiger Prozente. Dies
bedeutet, daß das Verfahren bei sehr kleinen Prozentanteilen Ionisierung ( 1 - 2 % ) arbeitet und daher in bedeutsamer Welse
die Enthalpie in Vergleich zu solchen Verfahren, die eine vollständige Ionisierung erfordern, herabsetzt, obgleich größere
Mengen der ausgewählten Specie noch hergestellt werden. Dies wurde praktisch durchführbar durch den sehr schnellen (Resonanz)
Austausch von Ladung zwischen Atomen und Ionen einer einzigen Specie.
Das erfiiidungsgemäße Verfahren trennt die teilweise ionisierte
Specie von den im wesentlichen nichtionisierten Species unter
Anwendung eines Magnetfeldes. Es wurde gefunden, daß ein Magnetfeld in einem Winkel zur Richtung des Flusses des teilweise
ionisierten Gases eine Trennungskraft erzeugt, die gut
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bei Plasmadrucken wirkt, welche so hoch sind» daß eher ein
Flüssigfluß ( i.Orig. fluid flow) denn ein Molekularfluß
existiert. Dies steht in Gegensatz zu dem oben diskutierten Stand der Technik. Dies erlaubt zusammen mit den großen
Fließgeschwindigkeiten, große Durchsatzgeschwindigkeiten zu erzeugen.
Der Separator verwendet ein extern erzeugtes Magnetfeld,
durch welches das gesamte Plasma, einschließlich der Ionen, Elektronen und neutralen Elemente fließen kann. Im einzelnen
ist ein Magnetfeld in einem Winkel orientiert, so daß es
sowohl Senkrecht- als auch Parallel-Komponenten relativ zur Plasmaflußgeschwindigkeit besitzt. Die Wechselwirkung der
Senkrecht-Komponente mit der Plasmaflußgeschwindigkeit erzeugt eine Stromdichte mit sowohl Größe als auch Richtung.
Die Wechselwirkung der Stromdichte und der parallelen Magnetfeld-Komponente
erzeugt eine trennende Kraft für die Ionen und die neutralen Elemente derselben Specie, die senkrecht
zur Plasmageschwindigkeit steht. Damit keine störende Raumladung aufgebaut wird, ist der Strom in sich geschlossen.
Hierfür ist ein Aufbau mit Axialsymmetrie geschaffen worden. Das Nettoergebnis ist eine Trennkraft, die auf die Gesamtheit
der teilweise ionisierten Specie wirkt.
Nachdem eine Trennkraft erzeugt worden ist, die nur hinsichtlich
eines der Bestandteilselemente aktiv ist, ist es möglich, jenes Element von den restlichen neutralen Elementen zu isolieren.
Die Specie, auf welche die elektromagnetische Trennkraft wirkt, wird einer erzwungenen Diffusion durch die anderen
Species unterworfen und so im Verhältnis zu den anderen in einer Region des Raumes konzentriert. Eine ausgehöhlte
oder kalte Wand zur Kondensation, die in dieser Region liegt, vervollständigt den Trennprozeß. Im letzteren Falle werden
zum Beispiel die Ionen und neutralen Elemente derselben Specie gegen eine verhältnismäßig kühle Oberfläche schlagen gelassen;
sie gehen daher aus dem gasförmigen in den geschmolzenen Zustand über, wie noch im einzelnen zu beschreiben ist.
3üüöüa/10'8Ö
Seit Jahrzehnten haben Ingenieure eine Plasmavorrichtung
zur Trennung der Atome voneinander wegen der erreichbaren Reinheit und der hohen Wirksamkeit, welche bei der Entfernung
ausgewählter Atome aus einem Gas anzutreffen sein sollte, gesucht. Um 1940 wurde das Calutron verwendet, um Gramm-Mengen
der damals neu entdeckten spaltbaren Materialien zu erhalten. Es war praktisch ein Hassenspektrograph. Um die elektrischen
Raumladungsbeschränkungen hinsichtlich der Geschwindigkeit, mit welcher das Material verarbeitet werden konnte, zu beseitigen,
wurde als Ionenquelle ein Plasma verwendet. Dieses Verfahren blieb im wesentlichen unverändert bis 1970, als
Wissenschaftler im Royal Institute of Technology in Stockholm eine Entwicklung aus ihrem Plan der homopolaren Schmelzforschung
bekanntgaben. Sie hatten gefunden, daß ein schnell kreisendes Plasma wie eine Superhochleistungszentrifuge wirkt,
die Atomspecies verschiedener Masse trennt. Die Produktionsrate wird stark erhöht und die Kosten sind gegenüber denen des
Calutrons herabgesetzt. Die wesentliche Änderung, die die schwedischen Wissenschaftler vornahmen, bestand darin, die
Plasmanutzung in die Prozeßregion zu bringen, wo magnetofluiddynamische (MFD) Blockprozesse zum Tragen kamen. Dies
erhöhte den Durchsatz je verbrauchte Energieeinheit. Für
Materialien mit einem hohen Einheitswert war dies ein wirtschaftlich bedeutsames Ergebnis. Doch für die in enormen
Volumenmengen durch die Industrie verwendeten, in der Erde
vorkommenden Materialien, wie Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel und Titan stellt es keine Konkurrenz zu den derzeitigen
Methoden zur Trennung jener Elemente aus ihren Erzen oder aus Schrott dar. Dies scheint damit der jetzige Stand der Plasma-Reduktionstechniken
unter Verwendung der Massendifferenzen als Mittel zur Trennung zu sein. Derartige Trennmaßnahmen
können als eine Trennung aufgrund der Massendifferenzen gekennzeichnet werden und schließen das Calutron, die Zentrifuge
und den Massenspektrographen ein.
Eine andere Näherung ist ebenfalls möglich. Anstatt Atome aus dem Plasma aufgrund der Massendifferenzen zu trennen, können
3 ü P 8 0 9 / 1 0 8 Ü
die Unterschiede im Ionisierungspotential.ausgenutzt werden.
Ein Gasgemisch unter niedrigem Druck wird mit einer heißen
Platte in Kontakt gebracht. Die Gaskompönenten mit niedrigen Ionisierungspotentialen werden stark ionisiert, während die
anderen Komponenten nicht ionisiert werden. Die Erfindung erfolgte in einem Magnetfeld, so daß sich die ionisierte
Fraktion nur entlang der Feldrichtung bewegte. Die ionisierte Fraktion wurde geradeaus zu einem Kollektor durch Löcher und
Hemmplatten mit den anderen, sich in statistischer Richtung bewegenden Komponenten geleitet, um langsam durch das System
durch Kollisionen mit den Wänden zu diffundieren. Der Trennungsgrad konnte durch eine geeignete Anordnung sehr hoch gehalten
werden, da er auf dem Prozentanteil an thermischer Ionisierung einer Gaskomponente gegenüber einer anderen beruhte.
Bei Massendifferenz-GeKäten ruft die aktive Kraft eine
Trennung hervor,die proportional der fraktionierten Massen-
en '
different der zu trennenden Komponenten istj bei dem Columbie-Gerät
ist jedoch die Trennung proportional einem Exponent der Ionisierungspotentialdifferenz. Dies deswegen, weil die Prozent
Ionisierung durch einen Boltzmann-Faktor bestimmt sind, welcher das lonisierungspotential in einem Exponenten aufweist.Die
Natur dessen ist derart, daß ein Faktor zwei in der Differenz des Ionisierungspotentials zu einem Faktor Einhundert in der
Differenz der Prozent Ionisierung führen kann.
Unglücklicherweise wird diese Annäherung zur Trennung in praktischer Weise zunichte gemacht, weil die mittleren Gasdrucke,
die für vernünftige Produktionsraten notwendig sind, zu derart häufigen KoILisionon zwischen Ionen und neutralen
Atomen führen, daß eine magnetische Kannelierung eigentlich ausgeschaltet wird. Die KanneIierung wird stark reduziert
durch das Verhäitnisquadrat der Ko Ii is ions frequenz zur Ioneiicyclotronfrequenz.
In der vorliegenden Erfindung ist dies viel größer als die Einheit, so daß es effektiv keine Trennung
von Species durch Kannelierung gibt.
Ander« Probleme treten bei "Abschreck"- oder "Kaltfinger"-
3 ο a β ο ü /1 ο ο ö
2240354*
Trenntechniken auf. Ein Problem ist die hohe Reaktionsfähigkeit
der meisten Metalle mit Sauerstoff oder Schwefel (z.B. Aluminium mit Sauerstoff). Die Abschreckung des Aluminiums
allein ist daher ziemlich schwierig in Gegenwart von Sauerstoff. Außerdem bringt eine rasche Abschreckung von 5 000 0K
auf etwa 300 0E innerhalb des kürzest möglichen Abstandes im
Inneren des Plasmareaktors ein größeres Ingenieurproblem mit sich. Wenn dies überwunden werden könnte, würden die gesame1-ten
Produkte wahrscheinlich durch Oxide verunreinigt sein, was viel Rückführung erfordern würde.
Die vorliegende Erfindung anerkennt, daß das Prinzip der
Trennung unter Ausnutzung der Ionisierungspotentialdifferenzen gültig ist. Tatsächlich erfolgen die existierenden elektrolytischen
Trennverfahren, wie die Trennung von Aluminiumoxid, AIpO, , in Form einer Trennung durch Ionisierung. Die wirksamen
Ionisierungspotentiale der zu trennenden Komponenten werden durch die Verwendung eines speziellen Elektrolyten herabgesetzt,
weLcher im Falle von Aluminiumoxid Kryolith ist. Das IonLsLerungspotential von Aluminium beträgt 5,98 eV, während
das von Sauerstoff 13,61 eV ist. Im Elektrolyten bei 1 300 0C
wird das ALuminium positiv ionisiert. An die Elektrolytzelle wird eine Spannung angelegt, und die positiven Ionen werden
durch diese in eine Richtung gezwungen. Die negativen Ionen v/erden gezwungen, sich in entgegengesetzter Richtung zu bewegen.
Selbst wenn man die teilweise Rückgewinnung von verbrauchter
Energlo zuläßt, ist das Verfahren in modernen Anlagen
zu vmniger ah; 50 % wirksam. Dies läßt einen Raum für eine
umfHinreiche Verbesserung hinsichtlich der Wirksamkeit. Der
Grund tür die Ineffizienz beim existierenden Verfahren ist,
daß Alma hi iumionen durch den Elektrolyten gezwungen werden
müunen; d.h. die Elektrolyse findot in einer kondensierten
(flüssigen) Phnm? statt. Jedes Molekül des Elektrolyten wird
bewußt, um ein lon passieren zu lassen und muß wiederum viele benachbarte) Moleküle bewegen, mit welchen es in innigem Kontakt
steht. Dur Vorfahren ist daher langsam und erfordert
Enor{;Lo,
.]()<) Uli')/ 10 BO
-7- 224 095 A
Daraus folgt, daß , wenn die Elektrolyse in der Gasphase
stattfinden könnte, wo der meiste Raum leer ist, der Widerstand des Elektrolyten gegenüber der Ionenbewegung stark
herabgesetzt werden könnte. Tatsächlich kann der Elektrolyt in der Gasphase insgesamt weggelassen werden, da er nicht
zur Erniedrigung des Ionisierungspotentials von Aluminium dient. Gasionisierung findet jedoch bei sehr hohen Temperaturen
statt. Daher ist der Preis für die Erniedrigung des Widerstandes gegenüber der Ionenbewegung in Form der hohen
Temperaturen im Bereich von 4 000 - 8 000 0K zu zahlen.
Wenn man einmal Ionisierung erreicht hat, ergibt sich als nächstes Problem die Trennung der ionisierten Specie von den
neutralen Elementen. Die Trennung aufgrund der Massendifferenzen oder die verschiedene Rekombinationsgeschwindigkeitscharakteristik
von Ionen sind oben diskutiert worden. Kein Verfahren schein eine wirtschaftlich durchführbare Technik
für Metalle, wie Aluminium, Eisen, Titan und andere darzustellen.
Das Voranstehende legt andere Verfahren zur Trennung ausgewählter Atome aus einem gasförmigen Plasma nahe. Die kurze
Erwähnung des herkömmlichen elektrolytischen Verfahrens zur Trennung von Aluminium aus seinem Erz erfolgte, weil es in
gewisser Hinsicht analog ist, denn es greift auf die Ionisierung zurück, jedoch nicht auf die teilweise Ionisierung
in einer Gasphase. Die Abtrennung von Aluminium wird hier als Hauptbeispiel beschrieben, obwohl die Erfindung gleichermaßen
anwendbar auf sämtliche Elemente ist, die die Kriterien erfüllen und innerhalb der Parameter, die aufgestellt werden,
liegen. Es wird als nicht notwendig erachtet, im einzelnen andere existierende Verfahren zur Abtrennung üblicher Metalle
aus ihren Erzen zu beschreiben,da solche Verfahren in der
Literatur angemessen beschrieben werden und nicht in spezifischem Bezug zum gefundenen Verfahren stehen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Trennung eines
3 0UHU97 10 80 .
Elementes von einem anderen. In den hier beschriebenen AusfUhrungsformen und Beispielen werden Metalle aus ihren Verbindungen abgetrennt, z.B. Aluminium aus Aluminiumoxid
(Al2O, ). In solchen Beispielen stellt die teilweise ionisierte Specie das gewünschte Produkt dar. Es ist jedoch
selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf Fälle beschränkt ist, in welchen nur die teilweise ionisierte Specie
gewonnen werden soll. Die Erfindung ist ein Trennverfahren. Dies bedeutet, daß die nichtionisierte Specie oder die
Species als primäres Prozeßgut des Verfahrens gewonnen werden können. Es sollte auch selbstverständlich sein, daß die
Erfindung auf die Trennung eines Elementes und einer chemischen Verbindung von einem anderen anwendbar ist, wenn dies
die Form ist, in welcher die eingegebene Verbindung dissoziiert und dann eine Teilionisierung des Elementes erfolgt.
Der hauptsächliche Vorteil des gefundenen Verfahrens und der Vorrichtung liegt in der Trennung bestimmter Metalle von
den elektronegativeren Elementen, insbesondere Sauerstoff, aber auch Schwefel und Silizium. Diese Elemente ionisieren
nicht merklich bei den Temperaturen, wo eine bedeutende Ionisierung der Metalle stattfindet.
Das üblichste und wirtschaftlichste Verfahren, das heute in
Gebrauch ist für eine große Vielzahl von Metallen, besteht in der Abtrennung des Metallelementes aus seinem Erz durch
chemische Behandlungen, die gewöhnlich ein Oxid ergeben, und der anschließenden Reduzierung des Oxids Hit Kohlenstoff.
Das Plasmareduktionsverfahren, welches diese Erfindung bildet, nimmt den Platz der Reduzierung des Oxids mit Kohlenetoff ein,
da eine vollständige Abtrennung von anderen metallischen Elementen nicht allgemein durch diese Erfindung möglich ist.
Bestimmte andere Elemente, wie die Metalle der Spalten III und IV des Periodensystems neigen zur Bildung stabiler Carbide,
so daß die Reduktion zu reineren Metallen durch Kohlenstoff nicht möglich ist. Beispiele sind Aluminium (III), Titan (IV)
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und Zirkon (IV). -
Die Abtrennung von Aluminium aus seinen Oxiden wird hier im
einzelnen abgehandelt. Alüminiumsilikat ist eine verbreitetere
verfügbare Aluminiumerz-Quelle als AIpO.,. Es wird normalerweise
in Form von Tön vorgefunden. Im Aluminiumsilikat bei
5 000 0K und 1 Atmosphäre Druck sind Aluminiumionen mehr als
tausendmal so häufig wie Siliziumionen. Daher bietet die vorliegende Erfindung ein Mittel, wodurch die reichlichen
Aluminiumsilikat-Tone zur Quelle von ziemlich reinem Aluminiummetall
werden, was in der Vergangenheit bisher nicht der Fall war.
Titan wird gewöhnlich durch Überführung in Titantetrachlorid
und anschließende Reinigung des Tetrachlorids durch fraktionierte
Destillation hergestellt. Das gereinigte Tetrachlorid wird mit Magnesium oder Natrium reduziert. Dieses Reduktionsverfahren
ist das kostspieligste und macht Titan zu einem verhältnismäßig teuren Metall, trotz des Umstandes, daß es
eines der häufigsten Metalle der Erdkruste ist.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, daß Titantetrachlorid ohne die Verwendung von Magnesium- oder Natriumrückständen
reduziert werden kann. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die Reduktion von Titanoxid ist möglich, obwohl
schwierig, da TiO sehr stabil ist.
Zirkon wird nach praktisch dem gleichen Verfahren wie Titan hergestellt. Reines Zirkontetrachlorid wird hergestellt und
dann reduziert. Die vorliegende Erfindung kann zur Reduktion
des Zirkontetrachlorids ausgenutzt werden.
Wie schon dargelegt, nutzt die vorliegende Erfindung den Vorteil des Konzeptes, daß bestimmt© Metallelemente zumindest
teilweise bei Temperaturen ionisiert sind, bei denen keine bedeutende Ionisierung der elektronegativeren Elemente wie
Sauerstoff, Schwefel und Silizium, die mit ihnen su ihren
Erzen kombiniert sind, vorliegt. Dies bietet ein Mittel, wo-
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mit die ionisierten Metalle aus ihren Verbindungen abgetrennt werden können. So Aluminium aus Al2O, ; Aluminium aus AIpSiOc;
Eisen aus Fe2°3 » 2^1111 aus SnO2 ; Kupfer aus CuO ; Nickel aus
NiO ; oder Chrom aus Cr2O, .
Bei genügend hohen Temperaturen für Aluminiumoxid, beispielsweise,
um vollständig zu dissoziieren und das Aluminium teilin-
weiseyeinem Gas zu ionisieren, sind die negativen Ladungsträger eher Elektronen denn Ionen. Eine einfache gaselektrolytische
Zelle kann zur Trennung verwendet werden. Für jedes positive Aluminiumion, das an der Kathode gesammelt werden
würde, erreichen etwa 50 000 Elektronen die Anode (in der herkömmlichen flüssig-elektrolytischen Zelle wird nur etwa
ein negatives Ion je nutzbares positives Ion gesammelt).
Pies bringt ein schwieriges Trennproblem mit sich. Wenn die Elektronen am Fluß gehindert sind, wird eine Raumladung bis
zu einem solchen Ausmaß aufgebaut, daß der Ionenstrom über eine hohe Spannung gezogen wird. Dies wiegt stärker als der
Ausgleich des Energievorteils, der mit der Eliminierung des Kryoliths, durch welchen die Ionen gezwungen werden müßten,
erzielt wird.
In einem Plasma ist jeder Strom I*, der in einer Region mit
einem Feld B fließt, einer Kraft I χ B im rechten Winkel zu I ausgesetzt. So werden die Elektronen durch ihren Strom in eine
neue Richtung gezwungen. Wenn der elektrische Strom am Fließen
in diese Richtung gehindert ist, beginnen sich die Elektronen zu häufen, und die Raumladungsspannung zieht die Elektronen zu
ihnen. Sie werden sich dann beide in die IxB -Richtung mit
der Geschwindigkeit bewegen, welche dem großen Elektronenstrom proportional und der Beweglichkeit der Ionen und des heißen
Gases umgekehrt proportional ist.
In der nachfolgenden Beschreibung benutzen die mathematischen
Ausführungen die Symbole B , I , usw., welche Vektoren darstellen, wie sie von Fachleuten der als Vektoranalyse bekannten
mathematischen Richtung verstanden werden.
π η η ηο 9 /1 ο β 0
Dann erhebt sich die Frage, wie der Strom I im ersten Fall
vorzugeben ist. Eine Möglichkeit ist, Elektroden wie in der herkömmlichen elektrolytischen Zelle zu verwenden. Das Problem
bei Elektroden besteht in der Joule'sehen Wärme als Quelle der
Ineffizienz wie auch im Elektrodenverschl^eß, sowohl in der
Elektrode als auch in den Verbindungsdrähten. Bei der vorliegenden Erfindung wird dies vermieden, weil sich die Ionen in
derselben IxB -Richtung bewegen wie die Elektronen, so daß
kein Strom durch Oberflächen benötigt wird und keine entsprechende Joule'sehe Wärme und kein Verschleiß auftritt.
Es gibt zwei Wege, den Strom I ohne Elektroden zu erzeugen.
Einer besteht in der Alternierung eines Magnetfeldes durch ein feststehendes Plasma. Der andere besteht im Fluß des
Plasmagases durch das Magnetfeld. In jedem Fall sieht sich das Gas einem wirkenden elektrischen Feld gegenüber, dessen
Kraftlinien geschlossene Schleifen bilden. Wenn daher Wände nicht diese Linien durchschneiden, muß der durch dieses
elektrische Feld erzeugte Strom niemals das Gas verlassen. Der Nachteil der Verwendung eines variierenden Magnetfeldes
ist, daß Streuströme in den Wänden der das Plasma enthaltenden Struktur induziert werden können. Daher ist eine annehmbarere
Arbeitsweise, das Gas mit einer hohen Geschwindigkeit durch ein fixes (oder relativ fixes) Magnetfeld fließen zu lassen.
Die Richtung des Magnetfeldes ist bedeutsam. Ein paralleles
Magnetfeld kann verwendet werden, um die Ionen von neutralen Teilchen zu trennen, da geladene Teilchen sich um die Magnetfeldlinien
spiralförmig anordnen, wogegen neutrale Teilchen unbeeinflußt bleiben. Dies arbeitet sehr wirksam, jedoch sehr
langsam, weil geringe Drucke erforderlich sind, um störende Kollisionen zu verhindern. Ein Magnetfeld in einem Winkel
zum Fluß erzeugt jedoch eine trennende Kraft, die gut bei hohen Plasmadrucken und hohen Flußgeschwindigkeiten zum Tragen
kommt, so daß große Durchsätze möglich sind.
Das Trennungskonzept nutzt sowohl senkrechte als auch parallele
Magnetfeld-Komponenten aus. Ein Magnetfeld ist in einem
309809/1Öi§
Winkel ß relativ zur Plasmaflußgeschwindigkeit ν orientiert.
Demgemäß hat das Hagnetfeld eine Senkrecht-Komponente Bx und
eine Parallel-Komponente Wf, relativ zur Plasmaflußgeschwindigkeit vf Die Wechselwirkung von fj mit v* erzeugt eine
Stromdichte 7*. Die Wechselwirkung von T* und S~f, bringt
eine Trennkraft F hervor, die senkrecht zu v*wirkt. Der Strom wird in sich geschlossen, so daß Raumladungen nicht
aufgebaut werden. Aus diesem Grunde wird ein Aufbau mit Axialsymmetrie vorgeschlagen. Die trennende Kraft geht entweder nach innen oder nach außen und hängt von der Richtung
des Magnetfeldes ab.
Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich unter Bezug auf die Abtrennung von Metallen aus ihren Verbindungen beschrieben
wird, ist es selbstverständlich, daß die Prinzipien gleichermaßen zur Abtrennung jedes Elementes anwendbar sind,
welches ein Bestandteil eines besonderen Substanztyps ist, wo ein Element in einer Gasphase zumindest teilweise ionisiert
werden kann, ohne daß das andere Element oder die anderen Elemente, welche die Substanz enthält, wesentlich ionisieren.
Die Erfindung ist auch zur Abtrennung einer nicht-ionisierten Specie von zwei oder mehreren ionisierten Species der Verbindung
anwendbar. Jenes teilweise ionisierte Element kann zusammen mit den neutralen Teilchen desselben Elementes bei
Verwendung der Prinzipien des hier beschriebenen Separators abgetrennt werden. Insbesondere wird die Substanz zu einer
Gasphase erhitzt, worin das eine Element (Specie) zumindest teilweise ionisiert ist. Das Gas wird dann in einem Winkel
durch ein Magnetfeld und mit hoher Geschwindigkeit geschickt. Sowohl die ionisierten als auch die neutralen Teilchen des
teilweise ionisierten Elementes werden in Richtung auf einen Sammelpunkt gezwungen, wie nachfolgend zu beschreiben ist.
Ein Hauptvorteil der Erfindung ist, daß die Trennung erreicht wird, selbst wenn nur teilweise Ionisierung vorliegt. In der
Tat ist die Produktionsrate unabhängig von den Prozent Ionisierung oberhalb weniger Zehntel eines Prozentes. Dies bedeu-
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tet: weniger Energie ist zur Ausführung der Abtrennung erforderlich. Es braucht nicht mehr Energie eingegeben zu
werden, als zur Dissoziation und teilweisen Ionisierung eines Specie-Elementes zu etwa 1 - 2 % erforderlich ist.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, daß die Abtrennung bei mäßgen Drucken, wie 0,5 Atmosphären, stattfindet anstatt
bei niedrigen Drucken wie *< 0,001 atm. Dies erlaubt hohe
Durchsatzgeschwindigkeiten, was das Verfahren bezüglich der eingegebenen Energiemenge wirtschaftlich durchführbar macht.
Zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung ist in den Zeichnungen eine Ausführungsform gezeigt, die derzeit bevorzugt
wird} es versteht sich jedoch, daß diese Erfindung nicht auf
die gezeigten genauen Anordnungen und Instrumentierungen beschränkt werden soll.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm des gefundenen
Verfahrens.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Vorrichtung.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Gleichgewichts
zusammensetzung von AIpO, bei einer (1) Atmosphäre
zeigt.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Gleichgewichtszusammensetzung
von Fe„Ο, bei einer (1) Atmo-.Sphäre
zeigt.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Gleichgewichtszusammensetzung
von CuO bei einer (1) Atmosphäre zeigt.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die Gleichgewichts
zusammensetzung von NiO bei einer (1) Atmosphäre zeigt.
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die die Gleichgewicht
szusammens et zung von SnOg bei einer (1) Atmosphäre
zeigt.
309809/1080
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die die Gleichgewichtszusammensetzung von FeNiS. bei einer (1)
Atmosphäre zeigt.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die die Gleichgewichtszusammensetzung von AIpSiOc bei einer (1) Atmosphäre zeigt. In
Fig. 11 ist eine Hartmannzahl gegen den dimensionslosen
Druckgradienten aufgetragen.
Fig. 12 ist eine graphische Darstellung, die schematisch die
Zwischenbeziehung von Stromdichte, Hagnetfeld- und
Kraftflußdichte veranschaulicht.
Fig. 15 ist eine Teilschnittansicht einer anderen Ausf Uhrungsform einer Wand.
Fig. 16 ist eine Teilschnittansicht einer noch anderen AusfUhrungsform einer Wand.
Es ist hervorgehoben worden, daß Wissenschaftler es seit Jahren als wünschenswert betrachteten, Verfahren zur Abtrennung gasförmiger Atome voneinander anzugeben. Es ist auch
bekannt gewesen, daß die Ionisierung gasförmiger Atome bei hohen Temperaturen zumindest das Konzept nahelegte, daß die
Abtrennung möglich sein könnte. Tatsächlich ist eine Trennung mit bestimmten Einschränkungen erreicht worden, wie hinsichtlich der Verfahren, welche auf Kassendifferenzen und Rekombinationsgeschwindigkeiten zurückgehen, dargelegt wurde.
Es gibt ein interessantes frühes Beispiel eines Verfahrens zur Reduzierung metallischer Erze durch Trennung ionisierter
Dämpfe. Eine metallische Verbindung wird erhitzt und mittels eines zwischen zwei Elektroden passierenden Lichtbogens ionisiert. Ein Magnet treibt den Lichtbogen und das ionisierte
Gas aus einer Reduktionskammer in eine Kondensationskammer oder ein Auffanggefäß. Die Abtrennung erfolgt unter Ausnutzung
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der Geschwindigkeit, Masse und Schwere. So fallen die Teilchen mit höherer Geschwindigkeit infolge der Schwere in einen anderen
Teil der Wand des horizontal angeordneten Sammelauffanggefäßes als die Teilchen mit geringerer Geschwindigkeit.
Die vorliegende Erfindung trennt ein ausgewähltes Specie-Element von den restlichen Elementen in der Substanz bzw. Materie,
indem unter Ausnutzung der Prinzipien der Magnetofltiiddynamik
gearbeitet wird. Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, könnte es hilfreicher sein, zunächst die Torrichtung und
das Verfahren in ihrer Gesamtheit kurz zu beschreiben und dann im einzelnen zu den grundlegenden Teilen derselben zu kommen.
Die Hauptaspekte des Verfahrens sind das Erhitzen der Substanz,
aus welcher ein Specie-Element abgetrennt werden soll, bis die Substanz in einen gasförmigen Zustand dissoziiert, und zwar auf
eine Temperatur, bei welcher ein solches Specie-Element teilweise ionisiert wird. Bei einer derartigen Temperatur haben
die restlichen Elemente keine bedeutende Ionisierung und können daher als neutral betrachtet werden. Das Gas und Plasma wird
bei hoher Geschwindigkeit durch ein Magnetfeld geschickt, das sowohl parallele als auch senkrechte Komponenten relativ zur
Richtung des Flusses hat. Das Verfahren wird in Fig. 1 schematisch
erläutert. Die Substanz, einschließlich des abzutrennenden Specie-Elementes, wird in einen Erhitzer, Verdampfer und
Ionisator 10 mittels einer geeigneten Energiequelle getrieben.
Die Substanz wird dann von dem Erhitzer, Verdampfer und Ionisator 10 zum Separator 12 geführt, wo das teilweise ionisierte
Specie-Element von den anderen Elementen der Substanz abgetrennt wird. Der Separatpr 12 wird bis zu dem notwendigen Ausmaß
mit Energie durch eine geeignete Energiequelle versorgt, die in der beschriebenen Ausführungsform elektrische und mechanische
Energie ist. Das Specie-Element wird - wie gezeigt aus dem Separator entnommen, während Nebenprodukte, die aus der
restlichen Materie bestehen, in geeigneter Weise in Nebenprodukt- und Rück- bzw. Umführungsvorrichtungen 14 verarbeitet
werden. Wie nachfolgend beschrieben, ist es erwünscht, einige
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224095Λ
der Nebenprodukte zurück- bzw. umzuführen, um auf dem Wege des Wärmeaustausches bei den Heiz- und Ionisierungsverfahren
zu unterstützen. Überschüssige Wärme könnte auch zum Betreiben geeigneter Wärmemaschinen verwendet werden.
Zum Verständnis sei bemerkt, daß der Begriff "Nebenprodukt"
nur der Einfachheit halber verwendet wird und jene Materie vom abgetrennten Specie-Element unterscheiden soll. Mit
diesem Begriff ist nicht eine Unterscheidung hinsichtlich der Natur oder der schließlichen Verwendung des aus den
neutralen Species aufgebauten Nebenproduktes beabsichtigt. Die Erhitzer, Verdampfer und Ionisatoren zur Ausführung des
Erhitzungs- und teilweisen Ionisierungsverfahrens werden später unten beschrieben. Die Separatoren und das grundlegende
Trennverfahren werden in diesem Abschnitt beschrieben. Die Nebenprodukt- und RückfUhrungsverfahren werden hier
nicht beschrieben, mit insofern einer Ausnahme, als die Rückführung von Sauerstoff zum Wärmeaustausch und zur Calzinierung
hier abgehandelt werden. In einem anderen Abschnitt werden Verfahren und Vorrichtungen zum Erhalten der heißen
Gase beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur teilweisen Ionisierung eines Elementes in einer Verbindung und anschließenden
Abtrennung des teilweise ionisierten Elementes von den restlichen Elementen der Verbindung gezeigt.
Aluminium erfährt hier spezifischen Bezug. Es sollte jedoch verständlich sein, daß die Prinzipien allgemein auf Verbindungen
anwendbar sind, wo lediglich eine Specie ionisiert wird. Wie gezeigt, enthält die Vorrichtung Vorrichtungsmittel
16 und 18 zur Zufuhr der Verbindung in die Verdampfer 19 und
20,die später beschrieben werden. Die spezifische Weise, in der die Verbindung 20 in die Verdampfer befördert wird, ist
nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Daher braucht sie nicht im einzelnen beschrieben zu werden.
Die verdampfte Verbindung gelangt aus den Verdampfern 19 und
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20 in die Lichtbogenerhitzer 22 und 24, die mit einer geeigneten Kühl vorrichtlang ausgestattet sind. Diese Verbindung
wird weiter erhitzt, bis sie in ein Gas dissoziiert, das aus den dissoziierten Bestandteilselementen besteht. Obgleich
nur zwei Lichtbogenerhitzer 22 und 24 gezeigt sind, können selbstverständlich zusätzliche Erhitzer um die Peripherie
des oberen Teils des Separators 26 zur Zuführung der gewünschten Menge gasförmigen Materials in die Vorrichtung angeordnet
sein.
Die verdampfte und dissoziierte Verbindung wird weiter auf die Ionisierungstemperatur durch die innerhalb des Magnetfeldes
B gelegenen lichtbogen 23 und 25 erhitzt. Gegebenenfalls kann die Ionisierung unter Anwendung eines Radiofrequenzfeldes
anstatt der Lichtbogen 23 und 25 erfolgen. Die Ionisierung muß innerhalb des Magnetfeldes stattfinden. In '
anderer Weise werden die ionisierten Teilchen nicht in dieses eintreten.
Der Separator 26 ist direkt unterhalb der Lichtbogenerhitzer
22 und 24 angeordnet und enthält, wie gezeigt, einen Aufbau mit einer allgemein Kegelstumpf-artigen Innenwand 28. Der in
den Lichtbogenerhitzern 22 und 24 erzeugte Gasdruck führt das Plasma in den Separator 26 in einem Winkel und einer Geschwindigkeit,
die allgemein parallel zur Wand gerichtet ist, so daß gasförmiges Plasma mit der richtigen Geschwindigkeit
entlang der Wand und in einem Winkel ß zu dem durch die Magnetspule 30 erzeugten Magnetfeld B fließt. Die Magnetspule
30 ist von der superleitenden Type ( kryogenen Type), so daß sie ein Magnetfeld der geeigneten Feldstärke erzeugen
kann, wie hier nachfolgend spezieller zu beschreiben ist.
Der Wandaufbau 28 des Separators 26 kann' aus porösem Material hergestellt sein (vorzugsweise aus demselben wie die Erzspecies),
durch welches Flüssiges oder flüssiges Metall oder eine Kombination derselben gezwungen wird (z.B. flüssiges
Aluminium, flüssiges Aluminiumoxid oder eine Kombination aus
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flüssigem Aluminium und flüssigem Aluminiumoxid) und zwar
zur Transpirationslcühlung, wie im besonderen hier noch beschrieben wird. Die Wand könnte auch Aluminiumoxid sein,
welches verdampfen gelassen und von Zeit zu Zeit oder fortlaufend ersetzt wird.
Das abgetrennte Metall kondensiert am unteren Teil der Wandstruktur
28 und fließt in das ringförmige Aufnahmegefäß 32 herab, wo es gesammelt und aus welchem es durch den Auslaß
abgenommen wird. Eine Schlacke 38 ist über dem Metall 36 schwimmend innerhalb des Gefäßes 32 gezeigt. Dichte Schlacke
39 ist am Boden des Gefäßes 32 gezeigt.
Der Auslaß 40 ist zur Abführung und Rückführung von Nebenprodukt-Gasen
und anderer Materie, aus welcher das Metall abgetrennt worden ist, vorgesehen. Solche Nebenprodukt-Gase
bestehen hauptsächlich aus Sauerstoff, wie beispielsweise im Falle der Abtrennung von Aluminium aus AIpO, und Eisen aus
Fe2O,.
Der in Fig. 2 gezeigte Aufbau kann so modifiziert werden, daß
Plasma- und Gasfluß entlang der äußeren Oberfläche eines Konus erfolgen. Das Trennverfahren arbeitet gleichermaßen
gut, und es könnte ein zentrierter Ionisator am Scheitelpunkt des Konus verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine noch andere Vorrichtung gezeigt, die den Prinzipien der Erfindung entspricht. Wie
gezeigt, wird eine Verbindung, wie Aluminiumoxid, mittels der Zufuhrvorrichtungen 44 und 46 in die Kanäle 48 und 50 eingegeben.
Die Vorrichtungen zum Zuführen der Verbindung in die Kanäle 48 und 50 bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung
und werden daher nicht im einzelnen beschrieben. Zusätzliche Zufuhrvorrichtungen können gegebenenfalls vorgesehen sein.
Die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Verbindung wird durch die Ablenkfläche oder den Deflektor 52 in den Schmelz-
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teil 54 abgelenkt, wo sie geschmolzen und auf eine nahe der
Siedetemperatur der Verbindung liegende Temperatur erhitzt wird. Die Verbindung wird zu diesem Zustand mittels eines
Wärmeaustauschverfahrens mit Sauerstoff erhitzt, der vom Separator zurückgeführt wird, nachdem das Aluminium vom Gas
entfernt worden ist. Wie gezeigt, prallt der zurückgeführte Sauerstoff auf dem Sauerstoffdeflektor 58 auf, so daß er über
die und vorbei an den Teilchen fließt, um dieselben aufzuheizen und zu schmelzen. Die Ablenkplatten 52 und 58 dienen
auch zur Führung des Sauerstoffs in Kammer 62, aus welcher er durch den Ausgang 64 zu einer Wärmemaschine, Calzinierungsanlage
oder ähnlichem abgezogen wird.
Die Verdampfung der Verbindung ist in Fig. 3 erläutert, wobei
sie in Teilchenform in der Region 66 wiedergegeben ist. In der Region 68 ist sie in flüssiger Form anhand der abgebildeten
Tröpfchen veranschaulicht.
Die verflüssigte Verbindung bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit
in den Abtrennteil 76. Im oberen Teil dieses Abschnittes wird sie durch Plasmafackeln 84 und 86 verdampft und
ionisiert.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist der ringförmige Kanal, durch
welchen die gasförmigen Dämpfe dirigiert werden, konisch, da er durch die ringförmige Wand 78 und die Außenwand 80 definiert
wird. Dies ist die Ursache, daß der gasförmige Dampf in einem Winkel zum Magnetfeld B, das durch die superleitende Magnetspule
82 erzeugt wird, fließt.
Die verflüssigte Verbindung wird erhitzt, so daß Verdampfung
und die geforderte teilweise Ionisierung des abzutrennenden ausgewählten Elementes von den anderen Elementen mittels
ilasmastrahlen eintritt, die am Kopf des durch die Wände 78
und 80 definierten konischen Kanals angeordnet sind. Die Plasmastrahlen werden durch Plasmafackeln 84 und 86 erzeugt,
die mit einer geeigneten Quelle elektrischer Energie betrieben werden. Solche Fackeln können Dreiphas'an-Wechselstrom-
309809/1080
Fackeln sein, welche mit 90 % thermischem Wirkungsgrad arbeiten
können, um Gase mit Temperaturen von 5 400 0K - 7 000 0K
zu erzeugen. Gegebenenfalls kann ein Rotationslichtbogenverfahren zur Verdampfung und teilweisen Ionisierung die Plasmafackeln
verstärken. Ein solcher Rotationslichtbogen ist in Fig. 13 abgebildet und wird weiter unten beschrieben.
Die Hagnetspule 80 ist vorzugsweise ein Solenoid, welches den
gesamten konischen ringförmigen Kanal 77 umgibt und ein Magnetfeld B erzeugt, das parallel zur Achse der Torrichtung
ausgerichtet ist. Die Länge der Spule 80 ist so bemessen, daß die Ionisierung innerhalb des Magnetfeldes stattfindet.
Wie nachfolgend detaillierter erläutert wird, wirkt die kombinierte
Wechselwirkung der senkrechten Magnetfeld-Komponente B. und der parallelen Magnetfeld-Komponente B,, auf das ionisierte
Element ein, um es zu einer der Wände 78 oder 80 zu treiben. Da das Magnetfeld B meistens in der Richtung des
Flusses des ionisierten Elementes liegt und ein solcher Fluß im Winkel nach innen gegen die Achse der Vorrichtung gerichtet
ist, wird das teilweise ionisierte Element auf die Außenwand 80 zu gelenkt und diffundiert daher zur Außenwand 80 und
fließt abwärts, um in dem Aufnahmegefäß 88 gesammelt zu werden. Eine Schlacke 90 ist abgebildet, die oben auf der
Oberfläche des flüssigen Metalls 92 schwimmt. Das flüssige Metall kann aus dem Aufnahmegefäß 88 über Leitung 94 abgezogen
werden.
Die restlichen Elemente der gasförmigen Dämpfe, wie Sauerstoff im Falle der Abtrennung von Aluminium aus Aluminiumoxid,
kehren durch das Zentrum der ringförmigen Wand 78, wie durch die Pfeile angedeutet, zurück. Von dort wird er zu den Deflektoren
58 und 60 zum Wärmeaustausch mit dem eintretenden Metallerz geführt, wie zuvor beschrieben wurde.
Die Wände der Vorrichtung werden geeigneterweise durch entweder Konvektionskühlung oder Transpirationskühlung gekühlt,
^ η Qh η 9/1060
wie detaillierter weiter unten beschrieben werden wird.
Ablative Wände können ebenfalls verwendet werden. Um die Beschreibung der Erfindung nicht übermäßig zu komplizieren,
sind solche Kühlmittel in Fig. 3 nicht gezeigt.· Es sollte
jedoch angegeben werden» daß die Wände vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt sind, wie die zu reduzierende
Substanz bzw. Materie. Beispielsweise können die Wände aus gesintertem Aluminiumoxid hergestellt sein - sind jedoch
nicht hierauf beschränkt - , wenn Aluminium abgetrennt wird.
Der rückgeführte Sauerstoff oder andere gasförmige Substanzen
werden auch etwas von der Schlacke 90 wiederverdampfen und sie durch die Vorrichtung leiten, wo sie wieder von den eintretenden
Teilchen mitgerissen und zur weiteren Abtrennung des ausgewählten Elementes rückgeführt wird.
Angenommen, das Gas, welches die zu trennenden Elemente enthält, ist bereits auf eine Temperatur erhitzt worden, wo
es in die verschiedenen Atombestandteil© dissoziiert und ein Element teilweise ionisiert ist. Dies ist graphisch veranschaulicht
in den Fig. 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10, in welchen
die Gleichgewichtszusammensetzung verschiedener Verbindungen aufgetragen ist. Fig. 4 stellt die Gleichgewiehtszusammensetzung
von Al2O,, bei einer (1) Atmosphäre dar. Man beachte,
daß 2 % Ionisierung bei annähernd 5 000 0K in Fig. 4 vorliegt.
Fig. 5 stellt die Gleichgewichtszusammensetzung von Fe2O*
bei einer (1) Atmosphäre dar. Fig. 6 stellt die Gleichgewicht szusammensetzung von CuO bei einer (1) Atmosphäre dar.
Fig. 7 stellt die Gleichgewichtszusammensetzung von NiO bei einer (1) Atmosphäre dar. Fig. 8 stellt die Gleichgewichtszusammensetzung von SnO bei einer (1) Atmosphäre dar.
Fig. 9 stellt die Gleichgewichtszusammensetzung von FeSp.NiS«
bei einer (1) Atmosphäre dar. Fig.10 stellt die Gleichgewicht
szusammensetzung Al2SiOc bei einer (1) Atmosphäre dar.
Die Temperatur, bei welcher zwischen 1 - 10 % Ionisierung stattfindet, ist aus diesen graphischen Darstellungen einfach
abzulesen.
3 09 809/1080
-22- 22Λ095Λ
Jedes dieser Diagramme zeigt, daß eine bedeutende Ionisierung des einen Elementes in der Verbindung zwischen 5 000 und
6 000 0K vorliegt. Diese Ungleichheit ist bei anderen Verbindungen
zu finden, für welche die vorstehenden Diagramme als Beispiele dienen. Es sollte bemerkt werden, daß die in
den Fig. 4-10 abgebildeten Kurven nur für Gase, nicht für Feststoffe Gültigkeit besitzen. Es sollte ebenfalls beachtet
werden, daß diese Diagramme als Beispiele für die Ionisierung eines Elementeain einer Verbindung gezeigt sind. Sie sind
nicht als eine Eingrenzung der Anwendbarkeit des Verfahrens auszulegen. Zum Beispiel ist das Verfahren auch anwendbar auf
Sulfiderze. Außerdem braucht das gesuchte Element nicht das teilweise ionisierte Element zu sein. Das Verfahren ist ein
Trennverfahren. Daher könnte das erwünschte Element eines sein, das nicht ionisiert ist. Ferner könnte das erwünschte
"Element" sogar eine Verbindung sein.
Das Verfahren ist auf Roherz, wie es abgebaut wird, anwendbar. Die einzige notwendige Behandlung ist das Mahlen und Trocknen.
Die einzige Ausnahme hiervon würde in der unerwarteten Situation gegeben sein, wo ein Erz bedeutende Mengen eines
Elementes mit einem Ionisierungspotential bei oder tiefer als das Ionisierungspotential des gesuchten Elementes enthält.
In diesem Fall kann eine weitere Trennung durch Flotation oder chemische Behandlung zwecks Entfernung des unerwünschten
Elementes notwendig werden.
Die Erfindung greift auf die Tatsache zurück, daß das ausgewählte Specie-Element, wie Aluminiumionen ( Al+ ), die Hauptionenspecie
in einem Gasgemisch zwischen 5 000 0K und 10 000 0K ist. Da der Ladungsaustausch-Wirkungsquerschnitt
zwischen einem Atom und einem Ion desselben Elementes sehr groß ist, hat Jedes ausgewählte Specie-Element eine hohe
Wahrscheinlichkeit, innerhalb einer kurzen Zeitspanne ionisiert zu werden. Durch Einwirkung eines Magnetfeldes auf das
Gemisch aus Gas und Plasma wird der teilweise ionisierte Fluß
30 9 809/1080
des ausgewählten Specie-Elementes (z.B. Al mit Al+ ) durch
das Magnetfeld beeinflußt.
Es ist eine Kammer vorgesehen, in welcher ein kontinuierlich
erzeugter Ring aus Mischplasma ( teilweise ionisierte Specie) und Gas gezwungen ist, entland der Oberfläche eines Kegels in
einem Axialmagnetfeld zu fließen. Infolge der Lenz'sehen Regel
widersteht ein Leiter der Änderung im Gesamtmagnetfluß, welcher ihn umschließt. Folglich wirkt auf das leitende Plasma
eine Kraft, welcher das nicht-leitende Gas nicht direkt ausgesetzt
ist. Diese Kraft liefert eine Trennung des Plasmas und Gases. Zum Zwecke der Erläuterung,jedoch nicht Beschränkung,
wird hier speziell auf die Abtrennung von Aluminium aus Aluminiumoxid Bezug genommen. Die allgemeine Anwendbarkeit des
Konzeptes auf andere Substanzformen wird jedoch schnell offensichtlich
aus den unten angeführten Gleichungen und Beispielen. Der Begriff "Plasma" wird in der gesamten Beschreibung verwendet.
Wenn er verwendet wird, ist beabsichtigt, jenen Teil eines ionisierten Gases oder Dampfes von solchem Ausmaß zu
bezeichnen, daß innerhalb desses statische Ladungen statistisch durch Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens abgeschirmt
sind, und von kleinem Ausmaß, verglichen mit dem Ausmaß des Gases.
Fig. 2 zeigt den Separator 26 mit einer konischen Wand 28. Er wird beliefert mit einer Zufuhr an Aluminium und Sauerstoff,
in welcher mindestens ein Teil des Aluminiums ionisiert ist ( Al+ ). Sie Spule 30 liefert ein gleichförmiges
Magnetfeld B*" mit der durch den Pfeil angedeuteten Richtung. Der Fluß des Plasmas und Gases erfolgt parallel zur Wand 28
des Separators 26 und daher im Winkel ß zum Magnetfeld B ;
Im Separatur 26 fließen die heißen Gase ( bestehend aus Aluminiumionen,
Elektronen, neutralen Aluminiumatomen und neutralen Sauerstoffatomen) entlang der konischen Wand 28.
In Fig. 3 wird der Flußkanal 77 durch die Wände 78 und 80 definiert.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird die
30380 9/10 80
Breite des Flußkanals durch den Einlaß aus den Lichtbogenerhitzern
22 und 24 definiert. Das Gas bewegt sich mit einer Geschwindigkeit v*f die geringer als die Schallgeschwindigkeit
ist, und in einem Winkel ß zum Magnetfeld B. Das Hagnetfeld wird durch die Spule 30 ( ein superleitendes Solenoid in
einem flüssigen Heliumbad ) erzeugt und ist nahezu gleichförmig über dem Querschnitt des Separators 28. Wenn sich das
heiße Gas und Plasma entlang der Kammerwand bewegt, wird ein starker Strom, der hauptsächlich von den Elektronen getragen
wird, erzeugt. Die Elektronen existieren, da sie von den Aluminiumatomen abgestoßen werden.
Die Elektronen fließen um die Achse des Separators oder aufgrund
der Tatsache, daß sie gezwungen sind, sich in rechten Winkeln zur Senkrecht-Eomponente des Magnetfeldes Bj_ und der
Gasgeschwindigkeit zu bewegen. Diese Bewegung erzeugt eine Stromdichte T*, die um die Achse der Maschine zirkuliert.
Dieser Zirkulationsstrom, der in sich geschlossen ist, tritt wiederum mit der Parallel-Zomponente des Magnetfeldes B,, in
Wechselwirkung und erzeugt eine andere Kraft auf die Elektronen. Diese Kraftflußdichte r ist entweder radial nach innen
oder nach außen gerichtet. Wenn das Plasma nach unten auf einem sich verjüngenden kegelartigen Weg wandert, wie in
Fig. 2 gezeigt, ist die Kraft wegen der Lenz'sehen Regel
nach außen gerichtet. Wenn der Kegelstumpfweg sich erweitert,
wird die Kraft F* derart sein, daß sie diesem entgegenwirkend
und daher radial nach innen gerichtet ist.
In Fig. 2 diffundieren die Elektronen zur Wand 28 des Separators 26. Wenn sie sich zu bewegen beginnen, baut sich ein
elektrisches Feld infolge der Trennung zwischen den Ionen ( Al+ ) und den Elektronen auf. Das Radialfeld zieht die
Ionen nach den Elektronen zur Wandoberfläche 28, wo sie in das Aufnahmegefäß 32 fließen. Die vorherige Beziehung zwischen
dem Magnetfeld ΪΓ*, der Stromdichte T* und der Kraftflußdichte
F* ist in Fig. 12 wiedergegeben. Man beachte, daß der Kraftfluß überall nach außen gerichtet ist.
309809/1080
Die Kraftflußdichte ist
ν Β, B1,
F = (I)
F = (I)
worin die Symbole wie oben definiert sind und
der spezifische Widerstand des Gases und Plasmas ist.
Es sollte zu erkennen sein, daß es einen Ladungsaustausch zwischen den neutralen Aluminiumatomen und den Aluminiumionen gibt. Bin Elektron kann von einem Atom zu einem
Aluminiumion in der Nähe überspringen, wodurch jenes Ion
zurück in ein Atom verwandelt wird. Das Atom, das gerade das Elektron verlor, ist nun ein Ion, welches nun den Zug der
sich zur Wand bewegenden Elektronen spürt. Wenn man diesen Austausch zwischen neutralen Aluminiumatomen und Aluminium-'
ionen über einen gegebenen Zeitraum mittelt, scheint jedes
gegebene Aluminiumatom eine positive Ladung zu haben, welche geringer ist als die Elektronenladung. So können alle Aluminiumatome als "teilweise Aluminiumionen", betrachtet werden.
Das durch die Elektronen erzeugte elektrische Feld ist groß genug, um alles Aluminium auszuziehen.
Mit anderen Worten, der Resonanzladungsaustausch ist für die Realisierung des Verfahrens wichtig. Typisch ist der Reso-
-14 nanzladungstransfer-Wirkungsquerschnitt annähernd 10 cm
Dies bedeutet, daß ein gegebenes Atom seinen Ionisierungs-
7
zustand annähernd 10 mal je Sekunde für eine Temperatur von mehreren tausend Grad K und einen Druck der Größenordnung einer Atmosphäre ändert. Demzufolge kann sich ein Aluminiumatom nur wenige zehn Mikrons bewegen, bevor es seinen Ionisierungszustand ändert. Diese Tatsache bedeutet, daß man mit einem sehr kleinen Prozentanteil Ionisierung die gesamte Aluminiummasse durch elektrische Kräfte bewegen kann.
zustand annähernd 10 mal je Sekunde für eine Temperatur von mehreren tausend Grad K und einen Druck der Größenordnung einer Atmosphäre ändert. Demzufolge kann sich ein Aluminiumatom nur wenige zehn Mikrons bewegen, bevor es seinen Ionisierungszustand ändert. Diese Tatsache bedeutet, daß man mit einem sehr kleinen Prozentanteil Ionisierung die gesamte Aluminiummasse durch elektrische Kräfte bewegen kann.
Es ist anzumerken, daß Gleichung 1 den Zustand in einer beliebigen
Lage des teilweise ionisierten Gasgemisches innerhalb des Magnetfeldes wiedergibt. So kann die Geschwindig-
309809/1080
keit ττ entlang der Richtung des Gasflusses variieren. Tatsächlich
nimmt die Geschwindigkeit des Gases zu, wenn es vom Eingang zum Ausgang des Separators 26 fließt. Eine solche
Geschwindigkeit ist vorzugsweise geringer als die Schallgeschwindigkeit. Es ist jedoch verständlich, daß die Erfindung
gleichermaßen mit Überschallgeschwindigkeiten anwendbar ist, vorausgesetzt, die KUhlungs- und Heizaustauschprobleme,
die bei solchen Geschwindigkeiten bestehen, können gelöst werden. Des weiteren steht der Winkel ß bei der in den
Fig. 2 und 3 gezeigten Ausf Uhrungsform fest. Die Wand der Trennvorrichtung kann jedoch gegebenenfalls konturiert werden,
um hierdurch die trennende Kraft gegebenenfalls zu variieren.
Die elektrische Kraft auf jedes Ion ist nahezu umgekehrt
proportional der Ionisierung der ionisierten Specie, wie Aluminium. Somit ist der Gesamtkraftfluß je Volumeneinheit
(Kraftfluß je Ion χ Anzahl Ionen je Volumeneinheit), wie durch Gleichung (1) gegeben, nahezu unabhängig vom Prozentsatz
der Ionisierung. Dies kann jedoch nur so weit geführt werden, bis *\ stark zunimmt. Die Grenze liegt bei etwa
einigen Zehnteln Prozent Ionisierung des Aluminiums. Dies ist eine vorteilhafte Situation, weil eine teilweise Ionisierung
von etwa 1 % der Betrag der Ionisierung ist, der eintritt, wenn Aluminiumoxid zum Beispiel auf eine genügend hohe
Temperatur erhitzt wird, um das Molekül in seine Bestandteilsatome vollständig dissoziieren zu lassen. Dies bedeutet, daß
nicht mehr Energie in das Heiζverfahren eingegeben werden
muß, als zur vollständigen Dissoziierung des Aluminiumoxids erforderlich ist. Mit anderen Worten, es braucht sehr wenig
mehr Energie als zur Dissoziierung der Verbindung verwendet zu werden, um die zu trennenden Species teilweise zu ionisieren,
und wenig mehr als zur Erreichung der Trennung. Große Mengen Energie zur vollständigen oder wesentlichen
Ionisierung der ausgewählten Species sind nicht erforderlich.
Die zugrundeliegenden Gleichungen zur Berechnung der Durch-
309UÜ9/1080
führbarkeit und der Ausstattungserfordernisse des Verfahrens
bestehen aus den fluidmechanischen Massen-, Moment- und Energieerhaltungsgleichungen und den elektromagnetischen
Feld-Gleichungen. Ableitungen der fluidmechanischen Gleichungen aus der exakten kinetischen Theorie sind allgemein
bekannt und aus Standardliteratur-Abhandlungen über diesen Gegenstand zu entnehmen.
Es wird nun eine Gleichung für die Flußdichte von Aluminium abgeleitet, so daß der Durchsatz der Maschine berechnet
werden kann.
Die zeitunabhängige Momentgleichgewichtsgleichung für teilweise ionisiertes Aluminium ( α ist der Bruchteil Ionisierung)
ist (unter Vernachlässigung der konvektiven Ableitung, die klein sein soll)
nA α e (V*0 -vj ad*) + kF*(nAT) = ri^a^ A(vJ^) = 0 (2)
n» die Dichtezahl (number density) von Aluminiumatomen
und -ionen
e die Größe der Elektronenladung
v» die Driftgeschwindigkeit von Aluminiumatomen und -ionen
B* das Magnetfeld
k die Boltzmannkonstante
T die Temperatur des Gases und Plasmas
m. die Masse eines Aluminiumatoms oder -ions
ν die Flußgeschwindigkeit des Sauerstoffs
0 ein elektrisches Potential, welches aufgebaut wird,
und \). die Kollisionsfrequenz für den Momenttransfer von
einem Aluminiumatom zu Sauerstoffatomen ist.
Wegen der kleinen Masse eines Elektrons wird v. als weit
größer als die Momenttransfer-Kollisionsfrequenz .zwischen
3 Ου a 0 97.10-8 0
-28- 224095A
einem Aluminiumatom und Elektronen angenommen.
Aus Gleichung (2) kann die mittlere Geschwindigkeit von
Aluminiumatomen in direkter Weise abgeleitet werden, wenn man die x-Achse entlang B nimmt.Durch die Symmetrie ist
dz0 = 3z(nT) = 0 . Dann ist der Winkel zwischen B"*und
(3) und
Ax - vo * ^
(4)
mA
nA (5)
mA
Die Symbole sind, da sie in den Darlegungen schon einmal definiert wurden, nicht neu zu definieren.
worin die Indices x, y und ζ χ-, y- und z-Komponenten bezeichnen.
Die Momentgleichgewichtsgleichung für Elektronen ist
ββ (neT) - n e m e ^ e(^e~^A) = ° (7)
η die Dichtezahl der Elektronen ve die Driftgeschwindigkeit der Elektronen
m die Elektronenmasse
^6 die Kollisionsfrequenz für den Momenttransfer von
einem Elektron zu Aluminium
ist.
ist.
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Wegen des langen Bereichs der Kraft zwischen einem Elektron und Aluminiumionen, wenn α j^ 0,01 ist, ist 0 viel größer
als die Momenttransfer-Kollisionsfrequenz zwischen einem Elektron und Sauerstoffatomen.
Aus Gleichung (7) kann die mittlere Geschwindigkeit von Elektronen in direkter Weise abgeleitet werden:
- ν B] - k_ J (n T) y η y
ey "* vAy λ
me ^e
do)
Durch Einsetzen für «„0 aus Gleichung (9) in Gleichung (5)
ergibt sich
vAy = -ßvo -{ a^ezB + ^y^e^ + me
Die Debye-Länge ist sehr klein, verglichen mit einem Zenti
meter, so wird annähernde Ladungsneutralität erhalten:
V^ anA
Weil die Außen- und Innenwand, wenn überhaupt, elektrisch
isoliert ist, fließt wenig, wenn überhaupt, elektrischer Strom normal zu ihren Oberflächen, d.h, in der y-Richtung.
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Unter Berücksichtigung der Gleichung (12) wird dies
ν ν τ. (14)
ey-^ Ay v '
So kann der Term, der ν - vÄ enthält, in Gleichung (11)
ey Ay
y y
eliminiert werden. Wenn man für vßz aus Gleichung (10) in
eliminiert werden. Wenn man für vßz aus Gleichung (10) in
Gleichung (11) setzt, dann ergibt sich
- "ßTo -
Unter Verwendung von Gleichung (14) in Gleichung (15) ergibt
sich wieder
- JE iSL· MneT) + ±
Me ±- VA
n e H (16)
2B2
ae2B
me
Die gewünschte Aluminiumauffanggeschwindigkeit ist die Ge schwindigkeit normalerweise zu der Auffangoberfläche:
= vAy + ßvAxÄ ßvo -
A A ne t_ (17)
anAe
von der ersten Ordnung in ß ist, so daß deren Produkte mit
Größen erster Ordnung vernachlässigt werden können und
an_e
309809/Ί080
η = ^T" <19>
ist.
Da der Wirkungsquerschnitt für Elektronenkollisionen mit Ionen sehr viel größer als mit neutralen Atome ist, werden
die ersteren den spezifischen Widerstand kontrollieren, wenn α mehr als wenige Prozent beträgt. Der Übergang von neutraler
zu ionischer Kollision tritt bei etwa 4 000 0K laufend ein.
Extrapoliert man Spitzer's Theorie für "7 :
t] = 261 ohm meter deg 3/2 = 7,4'10""40hmmeter für T = 50000K
1 T3/2
Für T β 60000K und B = 3 weber/meter2 und^-4,88.1023/
meter wird der Parameter im Nenner der Gleichung (17)
= 6,88·10~3 (21)
So kann Gleichung (17) annähernd als
.v^ W + nA i^A [o_ Α-(η_Τ) + 1_ «Un.T)] (22)
"t* e ne nA .
nAvc~ ßVo ^AB + k Pa ^T(nAT) für α <& 1 . (23)
neu geschrieben werden. Gleichung (23) gibt daher die Trennflußdichte des Aluminiums im Verhältnis zum Sauerstoff
an. .
Da der Dauerzustandfluß von Aluminium divergenzlos sein muß, ist der Mittelwert von nAvc unabhängig von )[' , und er kann
errechnet werden, wo «v(nAT ) = 0 ist, d.h. in Nähe der
cZenträbberfläche einer - y
YTrennreglon" der Maschine. In dieser Region ist nur der
erste Termite auf der rechten Seite von Gleichung (23) wichtig. Ein merkwürdiges Phänomen kann in diesem Fall gesehen werden:
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.32- 224 09 5 A
Die Durchsatzrate ist nahezu unabhängig von α , der bruchteiligen
Ionisierung. Es könnte angenommen werden, daß, da die auf eine Masse von Aluminiumatomen durch ein gegebenes
elektrisches Feld ausgeübte Kraft proportional α ist, deren resultierende Geschwindigkeit, v_ , würde α proportional
gewesen sein. Jedoch verhält sich das (kleine) elektrische Feld, das an den Ionen durch die Elektronen angreift, wie
l/a , damit Gleichung (12) entsprochen werden kann. Der
spezifische Widerstand f\ ist nahezu unabhängig von α. So
sind die niedrigste Temperatur, 4 500 - 5 000 0K , für welche
diese Bedingungen gelten, am besten, d.h. haben das kleinste α.
E? ist ermittelt worden, daß ein sehr großer Resonanzladungsaustausch-Wirkungsquerschnitt vorliegt. Dessen Wichtigkeit
besteht darin, daß das Ion und Atom von Aluminium, wie oben angegeben, als einzige Specie betrachtet werden
kann. Der Wirkungsquerschnitt des Resonanzeinzelladungstransfers zwischen einem Aluminiumatom und einem einfach
geladenen Aluminiumion wird aus einer Formel unter Verwendung einer adiabatischen Approximation abgeschätzt. Durch Verwendung
dieser Näherung scheint es, daß der Wirkungsquerschnitt für den Resonanzeinizelladungstransfer zwischen einem Aluminiumatom
und einem einfach geladenen Aluminiumion 1,73 x 10~14 cm2 bei 5 000 0K
Die voranstehenden Gleichungen können verwendet werden, um genau die Durchführbarkeitscharakteristiken einer Trennvorrichtung,
wie sie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, vorauszusagen.
Die voranstehenden Gleichungen können auch gelöst werden, um Lösungen des Dauerzustandes für die Maschine zu liefern.
Um sie getrennt von der Verwendung eines Computers zu berechnen, sind bestimmte Annahmen erforderlich. Insbesondere
werden die Akkumulationsterme für Masse, Moment und Energie vernachlässigt, und in den meisten Fällen wird die Konstanz
der Transferkoeffizienten angenommen. Die Gültigkeit dieser
3098 ü 9/1080
Annahmen trifft nicht in allen Fällen zu. Aber es können
bestimmte gültige Schlußfolgerungen, betreffend die Maschinengröße, Magnetfelderfordernisse, Trennungslänge in der
wirksamen Massenbewegung, hinsichtlich des Transferverfahrens,
das während der Abtrennung eintritt, abgeleitet werden.
Um die Geschwindigkeit zu berechnen, mit welcher sich eine
Grenzschicht nahe dem Eintritt eines zweidimensionalen Kanals entwickelt, kann eine Integralnäherung benutzt werden, um
die Momentgleichung im nichtkomprimierbaren Fluß zu lösen. Es wird geschlossen, daß unter der Voraussetzung einer
Hartmannzahl in der Größenordnung von 10 oder größer die Eintrittsstrecke vernachlässigt und der Druckgradient aus
einer Studie der Flußgleichungen bestimmt werden kann.
Es ist notwendig, den Druckgradienten, der zur Überwindung *
des viskosen und magnetofluid-dynamischen Strömungswiderstandes erforderlich ist, zu berechnen. Der Druckgradient
kann als eine Funktion der mittleren Flußgeschwindigkeit, u , und des angelegten Magnetfeldes, B , be;6r&chjiet werden.
In einem vollentwickelten Kanalfluß kann der Druckgradient ρ
(i.Orig. pressure ρ gradient) aus der folgenden Gleichung errechnet werden
U = 0 (24) ix 3y 2
in dimensionsloser Form.
Worin
Worin
χ * χ 1
a We
a We
y.« σ
VL ι= U
4Rump
30ü809/1080
M » Ba γ ο* » Hartmannzahl.
F
Für den voll entwickelten Fluß ist ο ρ » konstant.
35E Die Grenzbedingungen sind
ü"=o bei y » 0
ü - ο bei y * 2 , (25)
Das Ergebnis ist in Fig. 11 wiedergegeben.
Eine Schwierigkeit beim hier beschriebenen Plasmareduktionsverfahren
ist die Neigung der ionisierten Species, die neutralen Species mit ihnen mitzuschleppen oder mitzureißen.
Hierin einbezogen ist die Neutralgasbewegung, die für große Magnetkräfte zu einem modifizierten Bild des Abtrennverfahrens
führt, in welchem anfangs beide Species, sobald das Gas in
das Magnetfeld eintritt, zur gleichen Seite hin gestoßen werden. Dann diffundiert das neutrale Gas zurück in seine
ursprüngliche Verteilung, während die teilweise ionisierte Specie in die Anreicherungsrichtung zu diffundieren fortsetzt.
Dies vermindert die anfängliche Auffanggeschwindigkeiten um etwa den Faktor zwei.
Die Temperatur der Wand wird so hoch im Separator gehalten, daß das Aluminium in der Dampfphase nicht kondensiert, bis
es den Separator verläßt.
Die folgenden Gleichungen stellen grobe Näherungen für Lösungen der zuvor abgeleiteten Gleichungen dar. Sie geben Jedoch
relative Hinweise auf Maßstab, Größe und andere Betriebsparameter.
Bevor die Abtrennung eintreten kann, muß eine Specie innerhalb der Substanz teilweise ionisiert sein. Der Ionisierungsprozentsatz muß weit größer als Jener , bei welchem die
Frequenz der Elektronenmomenttransfer-Kollisionen mit Atomen
30ÜÖUU/1080
gleich der mit Ionen wird. Wenn die ersteren annähernd gleich
werden oder die letzteren übersteigen, werden Unstetigkeiten eine weitere Trennung verhindern. Ionisierungsprozentsätze,
die die oben genannte Forderung übersteigen, können zur Energieverschwendung führen, wenn sie in Nähe der Wände, wie
im Flußkanal, vorliegen. Für zwei Teile Aluminium in drei Teilen Sauerstoff ist die Bedingung bei etwa 2 %' Ionisierung
erfüllt. Die Verwendung eines minderwertigen Tons als Einsatz erhöht die Verdünnung des Aluminiums um einen Faktor f.
So muß die Temperatur etwas angehoben werden, bis die Prozent Ionisierung f χ 2 % betragen.. Dies setzt einen vergleichbaren
Kollisionswirkungsquerschnitt je Atom voraus; wenn die Wirkungsquerschnitte
größer sind, muß der Prozentsatz Ionisierung noch weiter erhöht werden. Bei der Trennung anderer
Materie als Aluminiumverbindungen tritt die gleiche Art von Wirkung ein. Große Elektron-Atom-Wirkungsquerschnitte erfordern
höherprozentige Ionisierungen. Die Prozent Ionisierung sollten jedoch nicht über 10 % gehen müssen, wenn nicht die
Konzentration der abzutrennenden Verbindung unter etwa zehn Prozent fällt.
Zur Abtrennung von Aluminium wird die in Fig. 2 und 3 gezeigte Vorrichtung aus den Vorratsbehältern mit Aluminiumoxidpulver
technischer Grade beliefert. Das Pulver fließt von den Zufuhrvorrichtungen 16 und 18 in die Lichtbogenerhitzer und
Verdampfer. In diesem Punkt hat es die Temperatur von etwa 5 000 0K erreicht, wo der gasförmige Dampf etwa 2 % Aluminiumionen
enthält. Nun beginnt die physikalische Trennung.
Auf den ersten wenigen Dezimetern werden Aluminium und Sauerstoff beide zur Wand 28 hin bewegt (Fig.2) oder zur
Wand 80 (Fig. 3), wobei die magnetische Kraftflußdichte aus
Gleichung (1) mit ß«r ist:
M veB2ß
— = (z.B. 65 atm./m ) (26)
309809/ IO 8 0
M ■ Machzahl (z.B. 0,5 )
v_ = Schallgeschwindigkeit (z.B. 1735 m/sek.)
B = Magnetfeld (z.B. 7,5 weber/m )
ß = Winkel zwischen Fluß- und Magnetfeldrichtung (z.B. 0,1 Radianten )
β Plasmawiderstand (spezifischer) (z.B. 7,4 χ 10 Ohm.m)
Die Ausführungsform in Fig. 3 verwendet die Innenwand 78, um
den Fluß des gasförmigen Plasmas zu begrenzen. Jedoch ist der magnetische Druckgradient für dieses Beispiel ausreichend,
den Plasmafluß gegen die äußere Wand abzugrenzen. Daher ist in der Ausführungsform der Fig. 2 keine Innenwand eingezeichnet.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Sauerstoff aus dem Zentralteil
der Vorrichtung entweichen gelassen, von wo er zu einer Calzinierungsanlage geleitet werden kann. Dort kann er
abgekühlt und als Nebenprodukt entnommen werden. Das Aluminium wird weiterhin durch die magnetische Eraftflußdichte an
der Wand gehalten, wenn der Sauerstoff von dieser herausdiffundiert. Wenn der Sauerstoffdruck innerhalb des Geschwindigkeitsstromes
abgenommen hat und die Machzahl zunimmt,wird das Aluminium auf etwa 40 % seiner ursprünglichen Kanalbreite
komprimiert, und 75 % des Aluminiums sind in 20 % der ursprünglichen
Kanalbreite enthalten. Das angereicherte Aluminium fließt entlang der Wand in die Auffangregion, die durch
das Auffanggefäß 32 gegeben ist, wo es kondensiert wird. Anzumerken ist, daß die Kanalbreiten des Eingangsstromes von
Plasma und Gas in der Größenordnung von einem Dezimeter liegen.
Das als Beispiel herangezogene Magnetfeld stabilisiert den Gasfluß auf traverse Reynoldszahlen von etwa 6 000. Eine
bessere Näherung ist jedoch, die Reynoldszahl bei einem
wesentlich kleineren Wert wie
3098Ü9/1080
R = Μ Ύ 3 w
< 3 000 (27)
zu halten,wobei
w die Kanalbreite
/ν* die kinematische Viskosität
ist.
ist.
Der Druckabfall im ganzen Separator sollte nahezu so groß sein wie der Einlaßdruck, um aus dem Einlaßdruck die größte
Wirksamkeit zu erzielen und die unnötige thermische Belastung der Wände herabzusetzen. So kann festgelegt werden,
daß der Auslaßdruck wie folgt sei:
Paus « Pein
Die Produktionsrate R für eine Maschine wird gemäß der folgenden Formel bestimmt:
R = 0,75TTMv 0,4 P . m w _ = 100 tons M/W
— ~ eln_a_ ^ Tag metep mc
worin _
X der Durchmesser der Maschine
m die Masse eines Aluminiumatoms ist.
Der Faktor 0,75 bedeutet 75 % Auffang unter Benutzung eines
Kollektors mit einer Breite gleich 0,2 w (Kanalbreite).
Der Faktor 0,4 ist der Atombruch von Aluminium.
Die Kanalbreite wird bestimmt unter Verwendung der Gleichungen
29 und 27 und ergibt sich zu
w « 10~2 cm atm ( R ) (30)
HPain 1 tons/ Tag m
ein —
w< (31)
Ά Fein
3098Ü 9/1080
Die Höhe des Trennteils 76 wird in der folgenden Weise
bestimmt:
Sauerstoffflußdichte = η ()^ 2 D n 0 (32)
T* w
D der Diffusionskoeffizient des Sauerstoffs durch Aluminiumdampf ist
D = /}v~0,02 m£_ atm (33)
T sec ^T"
/I der mittleren freien Weglänge für den Momenttransfer
zwischen einem Sauerstoffatom und den Aluminiumatomen ^ 10
bei einer Atmosphäre mittlerem Gesamtdruck, P0.„/2
ν der mittleren Kollisionsgeschwindigkeit zwischen Sauerstoff- und Aluminiumatomen ^ 3 km/sek.
η der mittleren Sauerstoffdichte in dem Kanal
=9« 10/ cm bei einer Atmosphäre Gesamtdruck und
der Diffusionszeit.
Der Faktor 0,2 , mit dem w multipliziert ist, bedeutet, daß bei 75 %igem Auffang von Aluminium der Sauerstoff nur eine
Strecke von -0,2 w zu diffundieren braucht. Aus den Gleichungen 32 und 33 folgt
^ w2 ^ 4 » 10~8 atm / R )2
~ 100 ~ ~~Z2. Ζ Hons/Tag m
ein
und die Höhe des Separators ist
-4 2
H-v* ?Mv Ύ*~>
"Ό meter atm. (R ) (1*})
^ s —' M Pein ^ tons/Tag m ; K-'
v_ die Schallgeschwindigkeit = 2 km/sek ist.
Der Faktor 2 geht auf die Tatsache zurück, daß die mittlere Machzahl über die Einlaß-Machzahl, M, hinausgeht.
30UÜU9/1080
Das Magnetfeld, welches zur Einstellung der Anfangskompression
des Einlaßgases gegen die Außenwand erforderlich ist, ist gegeben durch
B = 10 P vjber/m2 __ -
atm. Y?R m Tag/ton X ^36^
Der Flußwinkel wird in der folgenden Weise berechnet: Der Druckabfall, der nötig ist« um das Gas gegen den elektromagnetischen
Strömungswiderstand zu zwingen, ist gegeben durch
2M Ts b2 ß' !
ein . (37)
/w ·~ H
Somit wird die Produktionsrate je Meter einheitlich bestimmt
durch den Flußwinkel ß. Setzt man Gleichung 38 in Gleichung 36 ein, ergibt sich:
Pein "eber/m
(39)
atm.
Man sieht, je größer das Magnetfeld B ist, umso besser ist die Betriebsführung des Verfahrens.Jedoch gibt es Einschränkungen.
Die Kosten steigen rapide aii jenseits etwa 7 weber/m Doch ist dies eine Frage des Technologiefortschritts. Außerdem
wird der magnetische Druck gefährlich und verursacht Strukturprobleme weit oberhalb 7 weber/m . Der Magnetdruck
bei jener Feldstärke beträgt 190 Atmosphären.
Es sollte auch beachtet werden, daß Gleichung 39 ein Mittel
zur Bestimmung des Eingangsdruckes Pein bietet.
ß * w/H (40)
Vorzugsweise sollte der Winkel ß zwischen der Flußrichtung und dem Magnetfeld B auf weniger als 15 ° beschränkt bleiber
um einen kleinen elektromagnetischen Strömungswiderstand zu
3038Ü9/1Ü8Ü
-40- 22A095A
erreichen. Er sollte größer als 0 sein, um die Höhe des Separators zu begrenzen. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen
2 und 8°.
Die Toranstehenden Zahlenangaben wurden auf zwei Stellen berechnet
und auf eins aufgerundet, so daß scheinbare Unstimmigkeiten festgestellt werden können.
Die voranstehenden Ausführungen zeigen, daß eine solche Haschine die Herstellung von Aluminium in Mengen von Zehnertonnen
je Tag in einer Vorrichtung erlaubt, deren Dimensionen
in Metern gemessen wird, und unter Verwendung mäßiger Flußgeschwindigkeiten.
Aus den vorangehenden Ausführungen wird offenbar, daß die
Materie, aus welcher ein Bestandteil abgetrennt werden soll, erhitzt werden muß, um einen Dampf (Gas) zu bilden, und daß
der ausgewählte Bestandteil teilweise zu ionisieren ist. Ein Mittel zum Erhitzen wird vorgeschlagen, wenn ein rotierender
Lichtbogen verwendet wird.
Es ist notwendig, Aluminiumoxid (Al2O, ) auf etwa 4 000 0E zu
erhitzen, um es zu verdampfen. Es ist bekannt, daß elektrische Entladungen genügend Energie liefern können, um solches Erhitzen
zu bewerkstelligen. Das Problem bei der elektrischen Entladungserhitzung ist, daß sich die zu erhitzenden Teilchen
schwierig innerhalb des Lichtbogens lange genug halten lassen, um genügend Energie zu erlangen. Gemäß dem hier Vorgeschlagenen
wird ein Lichtbogen zwecks Definierung eines Konus rotiert. Die festen Teilchen werden innerhalb des Konus gehalten, bis
sie verdampft sind. Nach Verdampfung treten sie durch den Konus hindurch.
Es gibt zwei grundlegende Enthalpietransfer-Probleme, denen
man beim Versuch, einen elektrischen Lichtbogen als Wärmequelle zu verwenden, gegenübersteht. Erstens wird, weil das Gas
30 9 809/ίθ8Ο
und die darin mitgerissenen Teilchen erhitzt werden, wenn
sie sich dem Lichtbogen nähern, die Dichte des Gases und der Teilchen in dem Maße herabgesetzt, wie sie sich dem Lichtbogen
nähern. Das Ergebnis ist, daß das meiste des Massenflusses den Entladungskanal zu meiden versucht. Zweitens muß
die Zeit, während welcher das Material (Gas und feste Teilchen) in der Nähe des Lichtbogens zu erhitzen ist (Verweilzeit),
verhältnismäßig lang sein, wenn ein schwerschmelzbares Material wie AIpO, verdampft und dissoziiert werden
soll.
In einem Hochleistungsgasflußerhitzer, mit kurzer Verweilzeit, können schwerschmelzbare Materialien nur verdampft
werden, wenn sie durch einen Teil des Entladungsvolumens treten, wo das Gas, in dem Moment, dissoziiert wird. Dies
ist für einen großen Enthalpietransfer zum Fest- oder Flüssigstoff
notwendig. Plasmastrahlen sind für diese Erhitzungsaufgabe nicht gut geeignet. Die Schwierigkeiten sind die
kurze Verweilzeit und daß ein merklicher Teil des Materials in innige Assoziation mit dem Lichtbogen und dem dissoziierten
Gas kommt. Ein rotierender Lichtbogen jedoch greift dieses Problem auf und Überwindet es.
Der hier zur Diskussion stehende Lichtbogenerhitzer aus
Fig. 2 ist in Fig. 13 gezeigt. Der Erhitzer enthält eine
entlang der Achse einer zylindrischen Kammer, die durch die Wand 104 definiert wird, angeordnete Kathode 100. Eine ringförmige
Anode 102 ist in der Kammerwand 104 angebracht und axial von der Kathode 100 getrennt. Die Kammerwand 104 ist
von einer elektrisch leitenden Solenoidspule umgeben, welche ein gleichförmiges Magnetfeld S^ erzeugt, das parallel zur
Achse der Kammer ausgerichtet ist. Die Wirkung des Magnetfeldes B- besteht in der Wechselwirkung mit dem Lichtbogenstrom
Ifii, um den Lichtbogen 106 in Rotation zu versetzen.
Der rotierende Lichtboden 106 definiert in Wirkung eine konische
Lichtbogenwand. Um eine gleichförmige Erhitzung alles zugeführten Materials zu erreichen, muß . die Zeit für eine
3098 (J 9/1080
Umdrehung des Lichtbogens beträchtlich geringer sein, als sie für den Durchtritt des Materials durch die Region, die vom
Lichtbogen erhitzt wird, erforderlich ist.
Der rotierende Lichtbogen ist wirksamerweise ein Kegel aus hochionisiertem Plasma mit einer Temperatur oberhalb 5 000 0K.
Die Wand ist annähernd 3 mm dick. Die Wechselwirkung des Hagnetfeldes B mit dem Lichtbogenstrom I zwecks Erzeugung
einer Kraft ( BQ χ T^ ) reicht aus, den Lichtbogen mit etwa
6 000 bis 12 000 Upm zu rotieren. Bei 12 000 Upm passiert der
rotierende Lichtbogen jeden Punkt in der konischen Lichtbogenwand 200 mal pro Sekunde. Aus den nachfolgend erläuterten
Gründen stellt der rotierende Lichtboden für das feste und flüssige zugeführte Material eine feste Wand dar. Die Strukturwand 104 ist aus einem thermisch hochisolierenden Material
hergestellt oder wird, wie nachfolgend beschrieben, konvektiv gekühlt.
In dem gezeigten Beispiel ist das eingeführte Material Aluminiumoxid (AIpO,) in Teilchenform, welche durch Sauerstoff
zu flüssigen Tröpfchen vorerhitzt werden können.
Die durch den rotierenden Lichtbogen 106 erzeugte Lichtbogenwand wirkt so, daß alle festen und flüssigen Teilchen in Zone
II gehalten bleiben, bis sie verdampft sind. Die Verdampfung des Materials in Zone II liefert genügend Druck, um das Gas
und den Dampf aus Zone II in Zone III fließen zu lassen und von dort in die Trennvorrichtung 26, die in Fig. 2 gezeigt
ist.
Der konische rotierende Lichtbogen bietet eine genügend lange Verweilzeit, um feste Teilchen zu verdampfen, weil die Verdampfung
der Leitkante der Teilchen eine Kraft liefert, die die Teilchen von dem Lichtbogen wegstößt. So tritt das Teilchen
nicht durch den Lichtbogen, bevor es vollständig verdampft ist.
Der zwischen der Kathode 100 und der ringförmigen Anode 102
bogen hat eine T<
3098U9/1080
erzeugte Plasmalichtbogen hat eine Temperatur über 10 000 0K.
In einer vorbestimmten Höhe oberhalb des Lichtbogens tritt
ein allgemein kugelförmiges Teilchen mit vernachlässigbarer
Anfangsgeschwindigkeit ein. Die Teilchen bewegen sich abwärts unter dem Einfluß der Gravitationskraft und des von dem umgebenden Gas ausgeübten Strömungswiderstandes. Wenn das Teilchen
mit dem Plasmalichtbogen in Berührung kommt, wird Wärme vom Lichtbogen auf das Teilchen durch die Kontaktoberfläche
des Teilchens übertragen. Wenn die Wärmetransfergeschwindigkeit schnell genug ist und die Abwärtsbewegung des Teilchens
langsam genug, wird das Teilchen teilweise verdampft. Der Dampf tritt aus der Kontaktoberfläche des Teilchens aus.
Dieser Dampfausstoß übt einen Schub auf das Teilchen vom Lichtbogen weg aus. So wird die Bewegung des Teilchens durch
die Gravitationskraft, die Strömungswiderstandskraft und den Schub infolge des Dampfausstoßes bestimmt.
Die Kraft infolge der entweichenden Dämpfe stößt Teilchen bis zu mehreren zehn Mikrometern Durchmesser aus dem Lichtbogen
zurück. So wird das Teilchen oberhalb des Lichtbogens gehalten, bis vollständige Verdampfung stattfindet.
Grundlegend für die Arbeitsweise des vorliegenden Verfahrens ist die Tatsache, daß bestimmte Elemente zumindest teilweise
bei einer Temperatur ionisieren, wo keine bedeutende Ionisierung der anderen Bestandteilselemente vorliegt. Mit anderen
Worten, das Verfahren arbeitet mit der Existenz einer Hauptionenspecie unter anderen neutralen Elementen innerhalb eines
Hochtemperaturgasgemisches. Speziell erwähnt wurde bereits die Ionisierung von Aluminium aus dem Gasgemisch von verdampftem
AIpO, . Es wird Bezug genommen auf Fig. 4, worin
die Gleichgewichtszusammensetzung für ein Gasgemisch aus 40 Atomprozent Aluminium und 60 Atomprozent Sauerstoff bei
1 Atmosphäre gezeigt ist. Fig. 4 zeigt auch, daß die Suboxide AIpOp , AIpO und AlO ebenfalls in den niedrigen Temperaturbereichen
existieren. Der diesen Lichtbogen verlassende Dampf .muß eine niedrige Temperatur ( 4 000 0K ) haben, so daß
er nicht ionisiert wird, bevor er in den Trennkanal gebracht
309809/1Ö80
ist, wo ein anderer Lichtbogen ihn bis zu A/ 2 % Ionisierung
erhitzt ( 5 000 0K ).
Da die vorliegende Erfindung gleiche Anwendbarkeit auf andere Verbindungen hat, wo eine Hauptionenspecie in einem Gasgemisch erzeugt werden kann, sind die Gleichgewichtszusammensetzungen
für verschiedene Metallerze in den Fig. 5-10 gezeigt. Fig. 5 zeigt die Gleichgewichtszusammensetzung von
Hämatit ( Fe2O5 ) bei 1 Atmosphäre. Fig. 7 zeigt die Gleichgewicht
szusammensetzung von Bunsenit ( NiO) bei 1 Atmosphäre. Und Fig. 6 zeigt die Gleichgewichtszusammensetzung von
Tenorit (CuO) bei 1 Atmosphäre. Fig. 10 zeigt die Gleichgewicht szusammensetzung von (Al2SiOc ). Fig. 9 zeigt die
Gleichgewichtszusammensetzung von Pentlandit (FeNiS. ).
Es ist klar, daß die Wand 28 für den Trennteil spezielle Ausstattungsüberlegungen wegen der vorherrschenden hohen
Temperaturen erfordert. Dasselbe trifft auf die Wand 104 in den Lichtbogenerhitzern zu. Es gibt wenige Materialien, welche
bei Temperaturen oberhalb 3 000 0K schmelzen und der Oxidation
bei diesen Temperaturen widerstehen. Es gibt eine noch geringere Zahl von Materialien, die nicht Eutektika oder tieferschmelzende
Lösungen mit Aluminiumoxid oder Aluminium bilden. Es werden hier drei Wände vorgeschlagen, die den Separatorteil
einfassen können. Die erste ist eine ersetzbare ablative Wand. Die zweite ist eine poröse Wand, die durch Transpiration
einer durch sie gezwungenen Flüssigkeit gekühlt wird. Die Flüssigkeit besteht aus denselben Materialien wie die zu
behandelnden. Die dritte ist eine Wand, die dirch Konvektion gekühlt wird.
Wenn ein metallisches Erz reduziert werden soll, sollten die
Wände oder ein überzug auf den Wänden des Trennteils und erforderlichenfalls andere Teile der Vorrichtung aus jenem
besonderen Erz oder aus einem oder mehreren Bestandteilen des Erzes hergestellt sein. Dies deshalb, damit die Wand selbst
oder ihr Überzug nicht das Verfahren verunreinigt, wenn sie
309809/1080
verdampft (ablatiert) oder in einem stationären Gleichgewichtszustand
mit dem Dampf steht.
Obwohl Wände erwünscht sind, die die heißen teilweise ionisierten
Gase des aus einem Material aufgebauten Erzes enthalten, das bei der Betriebstemperatur fest ist, muß für die
meisten Erze, einschließlich Aluminium, die Wandoberfläche bei etwa dem Siedepunkt des Erzes sein und daher in flüssigem
Zustand. Beim Siedepunkt der meisten Erze gibt es wenige Materialien, die fest bleiben und nicht mit dem verdampften
Erz reagieren. Aluminiumoxid siedet bei 3 800 - 4 000 0K.
So schlägt die vorliegende Erfindung vor, eine flüssige Wandoberfläche
zur Aufnahme der heißen verdampften Erze vorzugeben.
Eine solche Wand kann drei Formen annehmen. Die erste besteht
in der Schaffung einer festen Wand, die aus der Verbindung (z.B. eine feste Alp0,-Wand) hergestellt ist und von außen
gestützt wird. Die Innenseite der Wand schmilzt und wird flüssig. Die Verdampfung aus dieser Flüssigkeit beschränkt
die Temperatur der Innenseitenoberfläche. Das feste Material wird fortlaufend oder in Zeitabständen ersetzt.
Dies wird in Fig. 14 veranschaulicht, wo eine ablative Wand 200 für den Abtrennteil einer erfindungsgemäß arbeitenden
Vorrichtung abgebildet ist; Wie gezeigt, ist die Wand 200 aus dem gleichen Material wie die zu verarbeitende Verbindung
hergestellt. Im Falle von AIgO* kann die Wand 200 aus Aluminiumoxid
hergestellt sein. Wie gezeigt, ist die Innenseite der Wand mit einer Kondensatschicht 202 überzogen, an welcher
das Gas und Plasma vorbeifließt.
Gegebenenfalls kann ein Mechanismus zum Einsetzen der Wand vorgesehen werden. Ein solcher Mechanismus könnte zwecks
konstanter Forcierung die Wand 200 in Abwärtsrichtung mit neuem Wandmaterial in dem Maße versorgen, wie sie abgetragen
wird.
Zu betonen ist, daß die Magnetspule vorzugsweise von einer
309809/1080
dicken Schicht Pulvermaterial umgeben ist, um einen hohen thermischen Widerstand (spezifischen) zu erreichen. Meistens
kann jedes herkömmliche wärmeisoliegende Pulvermaterial für diesen Zweck verwendet werden.
Der zweite Wandtyp, welcher verwendet werden kann, ist eine
Form, die durch eine Flüssigkeit (z.B. Alo°3 oder A1?°3 + A1 )
gekühlt wird, welche durch eine poröse Festsubstanz gezwungen
wird. Dies ist die Transpirationskühlungj d.h. die Temperatur
der Wand wird durch Verdampfung beschränkt.
Fig. 15 zeigt eine durch Transpirationskühlung gekühlte Wand 220. Wie gezeigt, ist die Wand aus einem porösen Material
hergestellt, so daß die Flüssigkeit, die zur Absorption des auftreffenden Wärmeflusses durch deren Verdampfung verwendet
wird, hindurchfließen kann. Das Material 228 kann beispielsweise gesintertes Wolfram oder Molybdän sein. Die Flüssigkeit
wird zur Wand 220 durch die Leitungen 222, 224 und 226 aus einem Vorerhitzer (nicht gezeigt) geführt. Die Flüssigkeit
fließt unter Druck durch den porösen Teil der Wand 228 und mit dem Plasma und Gas herab zur Auffangregion.
Da die Flüssigkeit nicht das Plasma und Gas verunreinigen darf, kann nur das Material als TranspirationskUhlungsflüssigkeit
verwendet werden, das reduziert wird oder eines seiner Bestandteile.
Wo Aluminiumoxid reduziert wird, muß die Flüssigkeit entweder Al, AIpO, oder eine Lösung von Al und Al2O, sein.
Die Verwendung von reinem Aluminium ist nicht erwünscht, weil zu viel Aluminium zur Aufnahme des Wärmeflusses verbraucht
wird, verglichen mit dem erzeugten Aluminium. Reines AIpO, ist
als Kühlflüssigkeit nicht geeignet, weil sein Siedepunkt zu hoch liegt.Reines Aluminiumoxid siedet bei einem Punkt zwischen
3 800 0K und 4 036 0K. Es kann jedoch ein Gemisch aus Aluminium
und Aluminiumoxid verwendet werden, weil das Aluminium den Siedepunkt des Aluminiumoxids ausreichend herabsetzt, damit
dieses mit einem Wandmaterial, das aus Molybdän oder Wolfram hergestellt ist, verträglich ist.
309809/1080
Der dritte Wandtyp, welcher in Fig. 16 gezeigt ist, funktioniert so, daß„ ein stationärer Zustand hinsichtlich der Verdampfung
und Kondensation des verdampften Erzes eingehalten wird. Dies wird durch konvektive Kühlung der Außenoberfläche der Wand
geregelt.
Die konvektiv gekühlte Wand 240 ist in Fig. 16 gezeigt. Wie
gezeigt, besteht die Wand grundlegend aus einem Material 242, das mit der abzutrennenden Verbindung verträglich ist. Jm Falle
von Aluminiumoxid könnte das Wandmaterial 242 Wolfram oder Molybdän sein, die mit Aluminiumoxid überzogen sind. Gegebenenfalls
kann die Wand 242 durch ein poröses Material verstärkt sein, durch welches ein gasförmiges Kühlmittel,, wie luft,gelenkt
wird. Der Kühlmittelkanal ist durch die Wand 244 abgeschlossen.
Da verfügbare Erze differierende Mengen an Verunreinigungen enthalten, kann es sein, daß sie vorbehandelt werden müssen.
Insbesondere muß das Erz zu einer kleinen Teilchengröße ( 10 - 100 /um) gemahlen sein, um eine wirksame Erhitzung im
Lichtbogenerhitzer zu erhalten. Calzinierung .zur Entfernung von Wasser oder anderer flüchtiger Bestandteile kann unter Ausnutzung
der durch Abgase, wie Sauerstoff, mitgeführten Energie erfolgen.
Wenn eine der Verunreinigungen in dem Erz ein anderes Metall oder ein Element ist, das einen annähernd gleichen Ionisierungsgrad
wie das ausgewählte abzutrennende Metall zeigt, dann muß das Vorbehandlungsverfahren einen Prozeß zur Abtrennung
dieser Verunreinigung umfassen. Jedoch wird bei kleinen Prozentanteilen der metallischen Verunreinigungen deren Ionisierung
durch die Ionisierung der abzutrennenden metallischen Hauptkomponente unterdrückt. Somit toleriert das System eine
ziemlich hohe Konzentration an metallischer Verunreinigung in dem Erz ohne Vorreinigung.
Patentansprüche
309809/10 80
Claims (24)
1. Verfahren zur Abtrennung voneinander einer Specie und der
restlichen Species in einem alle Species enthaltenden Gas, wobei dieses Gas sich auf einer Temperatur befindet, wo
die Specie teilweise ionisiert ist und die restlichen Species unbedeutend ionisiert sind, dadurch gekennzeichnet,
daß man eine Relativbewegung zwischen dem Gas und einem Magnetfeld erzeugt, derart, daß die Richtung der Relativbewegung
in einem Winkel in Bezug auf die Vektorrichtung dieses Magnetfeldes steht; man den durch die Wechselwirkung
der Elektronen der ionisierten Specie mit der Senkrecht-Komponente des Magnetfeldvektors erzeugten Strom
in einer geschlossenen Bahn fließen läßt; man diesen in der geschlossenen Bahn fließenden Strom ausnutzt, um mit
der Parallel-Komponente des Magnetfeldvektors in Wechselwirkung zu treten zwecks Erzeugung einer Kraft auf die
teilweise ionisierte Specie, um sowohl ionisierte als auch neutrale Teilchen dieser teilweise ionisierten Specie si«h
aus diesem Gas wegbewegen zu lassen; und man die ausgewählte Specie vom Gas getrennt sammelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch dieses Magnetfeld mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit
gerichtet wird, der Magnetfeldvektor relativ zum Geschwindigkeitsvektor dieses gerichteten Gases so
orientiert ist, daß die Vektoren jenen Winkel zwischen ihnen definieren, wobei die erzeugte Kraft sowohl die
ionisierten als auch neutralen Teilchen dieser teilweise ionisierten Specie sich in einem Winkel zur Bewegungsrichtung
des Gases bewegen läßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß diese Specie ein Metallelement ist, das von den restlichen Elementen in einer Verbindung dieses MetallIs abzutrennen
ist, diese Verbindung auf eine Temperatur erhitzt wird, wo sie in gasförmigem Zustand vorliegt und nur dos
Metallelement teilweise ionisiert ist.
10 8 0
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
Aluminium aus einer Aluminiumverbindung abgetrennt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Aluminiumverbindung Aluminiumoxid ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
diese Aluminiumverbindung Aluminiumsilikat ist.
7. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß Eisen aus einer Eisenverbindung abgetrennt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß Zupfer aus einer Kupferverbindung abgetrennt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß «
Nickel aus einer Nickelverbindung abgetrennt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß
Zinn aus einer Zinnverbindung abgetrennt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß Titan aus einer Titanverbindung abgetrennt wird.
12. Verfahren zur Abtrennung eines ausgewählten Specie-Elementes
von den restlichen Specie-Elementen in einer Verbindung der Materie, dadurch gekennzeichnet, daß man
die Materiezusammensetzung erhitzt, bis sie in gasförmigem Zustand vorliegt und die Specie-Elemente disassoziiert
sind; dieses Erhitzen ausreicht, nur das ausgewählte Specie-Element zu ionisieren; dieses ausgewählte Specie-Element
auf eine Temperatur erhitzt wird, wo es in der Weise teilweise ionisiert ist, daß die Zahl der neutralen
Teilchen des ausgewählten Specie-Elementes die Zahl der ionisierten Teilchen des ausgewählten Specie-Elementes
übertrifft; man das teilweise ionisierte ausgewählte Specie-Element aus dem Gas herauszwingt, indem man das Gas
30 9 809/1080
durch ein Magnetfeld mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit
richtet, wobei das Magnetfeld relativ zur Bewegungsrichtung dieses Gases so orientiert ist, daß der Geschwindigkeitsvektor
dieses Gases und die Vektorrichtung dieses Magnetfeldes einen Winkel zwischen ihnen definieren; und
man die ausgewählte Specie getrennt vom Gas sammelt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein kleiner Prozentsatz der Teilchen des ausgewählten
Specie-Elementes ionisiert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß man den durch die Wechselwirkung der sich bewegenden
Elektronen der ionisierten Specie mit der Senkrecht-Komponente des Magnetfeldvektors erzeugten Strom in einer geschlossenen
Bahn fließen läßt und den in dieser geschlos-
v senen Bahn fließenden Strom benutzt, um mit der Parallel-Komponente
des Magnetfeldvektors in Wechselwirkung zu treten zwecks Erzeugung der Kraft auf das teilweise ionisierte
Element, um sowohl die ionisierten als auch neutralen Teilchen des teilweise ionisierten Elementes sich in
einem Winkel zur Bewegungsrichtung der gasförmigen Materiezusammensetzung
bewegen zu lassen.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kraftflußdichte auf die ionisierten und neutralen Teilchen des teilweise ionisierten Elementes
oder der Specie ist:
F = vBJ- B"
mit '
ν der Geschwindigkeit des fließenden Gases
Bj_ der senkrecht zur· Flußrichtung stehenden Komponente
des Magnetfeldes
B1 , der parallel zur Flußrichtung dar. Gases stehenden
Komponente des Magnetfeldes
^I dem spezifischen Widerstand des liases und Plasmas
309809/ 1080
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trennflußdichte wie folgt definiert werden kann:
B2 k
Q γ /l k
Q γ /l k
3^e e y*A'
mit
n. der Dichtezahl ( i.Orig. number density) von Atomen
und Ionen des ionisierten Elementes
e der Größe der Elektronenladung
v_ der Geschwindigkeit in Auffangrichtung
ν der Flußgeschwindigkeit des neutralen Elements
:iAz JL-
mA der Masse eines Atoms oder Ions des ionisierten
Elementes
V^ der Kollisionsfrequenz für den Momenttransfer
V^ der Kollisionsfrequenz für den Momenttransfer
ß dem Winkel zwischen dem Magnetfeld B und ν
B dem Magnetfeld
k der Boltzmannkonstante
T der Temperatur des Gases und Plasmas
?l dem spezifischen Widerstand des Gases und Plasmas
α der bruchteiligen Ionisierung
17. "Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Erhitzen des die abzutrennende Specie enthaltenden Materials durch einen rotierenden elektrischen
Lichtbogen bewirkt wird, dieser rotierende Lichtboden die Eigenschaft besitzt, daß durch ihn nur jener Teil des
Materials passieren kaiin, der verdampft worden ϊνΛ.
18, Verfall-en nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet., daß
dieser rotierende Lichtboden in Form eines Konus vorgegeben ist,
ι η u ',. ! «ι / 1 η Q π
19. Produkt der Abtrennung, wenn es nach dem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche hergestellt worden ist.
20. Vorrichtung zur Abtrennung voneinander einer Specie und der restlichen Species in einer Materiemasse, gekennzeichnet
durch Vorrichtungen zum Erhitzen dieser Mnteriemasse,
bis sie in gasförmigem Zustand vorliegt und die ausgewählte Specie teilweise ionisiert ist5 Vorrichtxangen
zur Ausrichtung des Flusses zwecks Entlangführung dieser gasförmigen Materiemasse mit einer Geschwindigkeit; Vorrichtungen
zur Erzeugung eines Magnetfeldes; worin die Richtung des Flußvektors dieser gasförmigen Materiemasse
in einem Winkel in Bezug auf die Vektorrichtung dieres Magnetfeldes ausgerichtet ist; diese Flußausrichtui)p,ßraittel
axial symmetrisch sind, um den durch die Wechselwirkung der sich bewegenden Elektronen der ionisierten
Specie mit der Senkrecht-Komponente des Magnet!eldvehtors
erzeugten Strom in einer geschlossenen Bahn Hi(JiUi) hu
lassen; und das Auffangen der ausgewählten Specie getrennt von dem Rest der gasförmigen Materiemasse auf diesen VJußausrichtungsmitteln,
wenn diese ausgewählte Specin gegen
diese Flußausrichtungsmittel infolge der· VJeolujeJwirkung
des Stromvektors und der Parallel-Komponente den Ma/me1-feldvektors,
der auf die ionisierten und die neuiralen
Teilchen dieser ausgewählten Specie wirkt, gezwungen wird.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin die Vorrichtung zur Ausrichtung des Gasflusses eine symmetrisch um eine Achse
angeordnete Wand ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, worin diese Heizvorrichtungen
einen rotierenden elektrischen Lichtbogen in Form eines Konus enthalten.
23. Verfahren zur Abtrennung voneinander einer Specie und der restlichen Species in einem Gas, wie es hier im wesentlichen
und unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeiclinungen
3098U9/ 1080
beschrieben wurde.
24. Vorrichtung zur Abtrennung voneinander einer Specie und
der restlichen Species in einer Materiemasse, im wesentlichen aufgebaut wie unter Bezugnahme auf die anliegenden
Zeichnungen beschrieben.
ι η η η η η ί \ η ß
sw
Leerseite
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