DE2240954A1

DE2240954A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von materie zu bestandteilselementen und zur abtrennung eines der elemente von den anderen elementen

Info

Publication number: DE2240954A1
Application number: DE2240954A
Authority: DE
Inventors: Dabid B Chang; James E Drummond; Derek W Mahaffey
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1971-08-18
Filing date: 1972-08-17
Publication date: 1973-03-01
Also published as: BE787634A; NL7211373A; FR2149563A1; IL40055A0; IT965978B; AU4534372A; US3942975A; JPS4829668A

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

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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.

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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

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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-

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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

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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

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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

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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

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Winkel ß relativ zur Plasmaflußgeschwindigkeit ν orientiert. Demgemäß hat das Hagnetfeld eine Senkrecht-Komponente B_x 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.

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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. 13 ist eine Schnittansicht eines Lichtbogenerhitzers. Fig. 14 ist eine Teilschnittansicht einer Wand.

Fig. 15 ist eine Teilschnittansicht einer anderen Ausf Uhrungsform einer Wand.

Fig. 16 ist eine Teilschnittansicht einer noch anderen AusfUhrungsform einer Wand.

Das Trennverfahren und der Separator

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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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-

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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)

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.

Es ist anzumerken, daß Gleichung 1 den Zustand in einer beliebigen Lage des teilweise ionisierten Gasgemisches innerhalb des Magnetfeldes wiedergibt. So kann die Geschwindig-

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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)

n_A α e (V*0 -vj ad*) + kF*(n_AT) = 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 d_z0 = 3_z(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 (n_eT) - ⁿ _e ^m _e ^ e⁽^e~^A^{) =} ° ⁽⁷⁾

η die Dichtezahl der Elektronen v_e die Driftgeschwindigkeit der Elektronen

m die Elektronenmasse

^₆ die Kollisionsfrequenz für den Momenttransfer von

einem Elektron zu Aluminium
ist.

309809/1080

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^ez^{B +} ^y^e^ ^{+ m}e

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.

309809/1080

Unter Berücksichtigung der Gleichung (12) wird dies

ν ν τ. (14)

ey-^ Ay ^v '

So kann der Term, der ν - v_Ä enthält, in Gleichung (11)

ey Ay

y y
eliminiert werden. Wenn man für v_ßz aus Gleichung (10) in

Gleichung (11) setzt, dann ergibt sich

- "^ßTo -

Unter Verwendung von Gleichung (14) in Gleichung (15) ergibt sich wieder

- JE iSL· Mⁿe^{T) +} ±

Me ±- VA ⁿ e H (16)

²B²

ae²B

^me

Die gewünschte Aluminiumauffanggeschwindigkeit ist die Ge schwindigkeit normalerweise zu der Auffangoberfläche:

= ^vAy ^{+ ßv}Ax^{Ä ßv}o -

^{A A n}e t_ (17)

an_Ae

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 + n_A i^A [o_ Α-(η_Τ) + 1_ «Un.T)] (22) "t* ^{e n}e ⁿA .

ⁿA^vc~ ^ßVo ^A^B + ^k Pa ^_T(n_AT) 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 n_Av_c unabhängig von )[' , und er kann

errechnet werden, wo «_v(n_AT ) = 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

χ * χ 1
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 v_eB²ß

— = (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.

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} m_c

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)

HP_ain 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 P_ein ^ 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 v}j^ber/^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 T}s ^{b2 ß}' !

ein . (37)

/w ·~ H

O_t78 tons/m Tag

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 P_ein 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.

Erhitzen und Verdampfen der Materie

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 ( B_Q 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

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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

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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.

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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

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Claims

-48- B 994 Patentansprüche

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:

B^{2 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-

m_A der Masse eines Atoms oder Ions des ionisierten

Elementes
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