DE2736806C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Magnesium und Calcium - Google Patents

Description

a) ein Mischgas, bestehend aus Mg (oder Ca) und CO, das bei der Kohlenstoffreduktion erzeugt worden ist, in eine divergierende Düse, die im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird, unter einer thermischen Kontrolle eingeleitet wird, daß die Bestandteilsgase sich nicht miteinander umsetzen können;

b) das Mischgas aus der divergierenden Düse ausgestoßen wird und das Mischgus sich mit einer Geschwindigkeit adia!)atisch expandiert welche über die molekulare Bewegungsgeschwindigkeit der Bestandteilsgase hinausgeht, wodurch das Mischgas sofort auf Temperaturen abgekühlt wird, bei denen sich die Bestandteilsgase nicht miteinander umsetzen können, und daß

c) das Mischgas in das Mg (oder Ca) und CO aufgetrennt wird, um Mg (oder Ca) zu sammeln.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgestoßene Mischgas aus der divergierenden Düse auf ein Separatorsieb gerichtet wird, das im Abstand von dem Düsenausgang und innerhalb des maximalen Ablenkungswinkels des CO angeordnet ist, wodurch ein größerer Teil des CO außerhalb des Separatorsiebs vorbeilaufen kann und das Mg (oder Ca) und ein kleiner Teil des CO innerhalb des Separatorsiebs sich ansammeln kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesammelte Mg (oder Ca) kontinuierlich in einen Schmelzofen eingeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die divergierende Düse ausgestoßene Mischgas zu einer Sammeleinrichtung gerichtet wird, deren KoHektoroberfläche bezüglich des Düsenausgangs bewegbar ist, wodurch das Mg (oder Ca) darauf in pulverförmiger Aggregatform gesammelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gesammelte Mg (oder Ca) auf dem Kollektor zu einem darauf gebildeten Streifen verfestigt wird, wobei der Mg- (oder Ca-)Streifen von der Düse zusammen mit der Kollektoroberfläche wegbewegt wird, um das Mg (oder Ca) von der Kollektoroberfläche abzutrennen.

6. Vorrichtung zur Herstellung von Mg und Ca durch eine Kohlenstoffreduktion ihrer Oxide bei erhöhten Temperaturen und Abschrecken der Reaktionsprodukte, gekennzeichnet durch

a) eine Reaktionskammer, in der die Kohlenstoffreduktion unter Bildung eines Mischgases aus Mg (oder Ca) und CO stattfindet;

b) eine Einrichtung zur thermischen Kontrolle, um das Mischgas bei Temperaturen zu halten, bei denen während des Transportes des Mischgases durch eine divergierende Düse, durch die es ausgestoßen wird, die Bestandteilsgase miteinander nicht reagieren können;

c) wobei die divergierende Düse im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird und so ausgestaltet ist, daß das Mischgas adiabatisch mit einer Geschwindigkeit expandieren kann, welehe über die molekulare Bewegungsgeschwindigkeit der Bestandteilsgase hinausgeht, wodurch bewirkt wird, daß das Mischgas sofort auf Temperaturen abgekühlt wird, bei denen die Bestandteilsgase nicht miteinander reagieren können;

d) eine Sammeleinrichtung, deren KoHektoroberfläche bezüglich des Düsenausgangs bewegbar ist;

e) wobei die Sammeleinrichtung gegenüber dem Düsenaustritt angeordnet ist, so da sie das ausgestoßene Mischgas aufnimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur thermischen Kontrolle in einer Leitung vorgesehen ist, die sich von der Reaktionskammer zu dem Düseneingang erstreckt

3. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Separatorsieb vorgesehen ist das im Abstand von dem Düsenausgang und innerhalb des maximalen Ablenkungswinkels des CO angeordnet ist

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Mg und Ca in reiner metallischer Form aus den Oxiden dieser Elemente oder aus Materialien, die diese enthalten. Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Magnesium und Calcium, bei der ein Mischgas aus Mg- (oder Ca-) und CO-Gas am Anfang durch eine Kohlenstoffreduktion der Oxide bei erhöhter Temperatur erzeugt wird und bei der das Mischgas sodann mit Überschallgeschwindigkeit durch eine divergierende Düse ausgestoßen wird, welche im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird. Dies erfolgt unter thermischer Kontrolle, durch die die unerwünschte umgekehrte Reaktion von Mg (oder Ca) mit CO wirksam vermieden wird. Es ist hierdurch möglich, das Mischgas in Mg (oder Ca) und CO in einer sammelbaren Form aufzutrennen.

Bei dem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von metallischem Mg und Ca führt man eine Kohlenstoffreduktion bei erhöhter Temperatur durch. Diese kann durch die folgende Reaktionsgleichung angegeben werden:

Reduktion durch lihil/en

MgO (oder CaO) + ( «..._> Mp (oiler Ca) + CO
(fest) (gasförmig)

umgekehrte Reaktion

Wenn bei dieser Reaktion das Material auf eine Temperatur von etwa 2000⁰C bei Atmosphärendruck (genauer gesagt auf etwa 1800⁰C bei MgO und etwa 2050⁰C bei CaO), erhitzt wird, dann schreitet die Reaktion von links nach rechts vor und es wird ein Mischgas aus Mg (oder Ca) und CO erzeugt Wenn jedoch bei Atmosphärendruck die Temperatur auf etwa 1800⁰C oder etwa 2050⁰C erniedrigt wird, dann läuft die Reaktion radikal von rechts nach links ab, wodurch bewirkt wird, daß das Mischgas in MgO und C (oder CaO und C) dissoziiert Um Mg und Ca in metallischer Form durch Kondensation von Mg- (oder Ca-)Dampf unter Abtrennung von dem CO-Gas zu erhalten, ist es daher notwendig, das Mischgas sofort auf etwa 400⁰C oder weniger abzukühlen, um die Rückreaktion zu verhindern. Es wird bevorzugt, die Temperatur auf 200° C zu erniedrigen, wo Mg (oder Ca) und CO nicht miteinander umsetzen können oder nur mit vernachlässigbarer Geschwindigkeit miteinander reagieren. Im Bereich der wirksamen Temperaturen für die Rückreaktion läuft diese extrem rasch ab (obgleich sie auch von dem Druck abhängt) und es ist daher wesentlich, die gefährliche thermische Zone sofort zu durchlaufen, ohne daß ein Moment vorliegt, bei dem die unerwünschte Rückreaktion stattfinden kann. Dies erfordert, daß das Mischgas vollständig und rasch abgekühlt wird. Ob dies erzielt werden kann oder nicht, ist von entscheidungserheblicher Bedeutung für das Verfahren zur Herstellung von Mg und Ca in metallischer Form.

Es sind daher schon viele Vorschläge für die sofortige Abkühlung gemacht worden. Gemäß einem Vorschlag wird ein gasförmiges Kühlmedium verwendet, das mit dem Mg nicht reagiert, wie z. B. H₂, Kohlenwasserstoffe und Ar. Dieses vermischt sich leicht mit dem Mischgas, das durch die Kohlenstoffreduktion erzeugt wird, wodurch seine sofortige Abkühlung bewirkt wird. Gemäß einem weiteren Vorschlag wird ein flüssiges Kühlmedium verwendet, z. B. ein flüssiger Kohlenwasserstoff, geschmolzenes Blei oder Zinn oder ein gelöstes Salz, und das flüssige Medium wird in das Mischgas eingespritzt, um es durch seine latente Verdampfungswärme abzukühlen. Gemäß einem weiteren Vorschlag verwendet man ein festes AiAuuiungsmedium aus Salzen, z. B. Magnesiumchlorid, das in Pulverform in das Mischgas, und zwar entweder für sich oder zusammen mit einem weiteren Kühlmedium, z. B. H₂, eingespritzt wird, so daß das Mischgas durch die latente Schmelzoder Verdampfungswärme abgekühlt wird. Bei diesen Methoden besteht jedoch der Hauptnachteil darin, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit zu langsam ist, als daß die unerwünschte Rückreaktion verhindert werden könnte, und zwar selbst dann, wenn eine größere Menge des Abkühlungsmediums trotz der hierdurch erhöhten Kosten verwendet wird. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß das Abkühlen bei diesen Methoden durch Wärmeaustausch erfolgt. Die Unwirksamkeit dieser Methoden wurde von der Permanent Plant von USA gezeigt, die einen Großversuch durchgeführt hat, bei dem eine große Menge Naturgas als Kühlmedium verwendet wurde. Nach dem Bericht dieser Gesellschaft war das Material ein Gemisch aus MgO und C, das unter normalem Druck auf 2000° C erhitzt worden war. Sodann wurde das Mischgas durch das Abkühlungsmedium aus Naturgas abgekühlt. Als Ergebnis wurden 50% Mg, 20% MgO und 30% C erhalten. Dieses Ergebnis zeigt, daß die nicht ausreichende Abkühlungsgeschwindigkeit das Ablaufen der Rückreaktion gestattete. Bei diesen herkömmlichen Methoden itt die Produktivität extrem niedrig. Um einen hohen Reinheitsgrad des Produktes zu gewährleisten, ist daher ein gesondertes Verfahren zur Vervollständigung der Trennung erfor- ή derlich. Dieses Verfahren ist jedoch kostspielig, kompliziert und aufwendig. Diese Verfahren wurden daher bald nach dem zweiten Weltkrieg nicht mehr angewendet Es heißt, daß die Permanent Plant die letzte Gesellschaft war, die versucht hat, metallisches

ίο Mg aus Magnesiumoxiden durch ein herkömmliches Wärmeaustauschsystem zu erhalten. Die Schwierigkeit ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß durch das Abkühlen durch Wärmeaustausch die Rückreaktion von Mg und CO nicht verhindert werden kann, wodurch eine

ι > nicht unerhebliche Menge von MgO und C in dem frisch erhaltenen Mg vorliegt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von aktivem metallischem Mg und Ca mit hohem Reinheitsgrad zur Verfügung zu stellen, bei dem

Ji) kein Kühlmedium, sondern die adiabatische Expansion eines Mischgases aus Mg- oder Ca-Dampf und CO-Gas verwendet werden soll, so daß die bei bekannten Verfahren erforderlichen weiteren Verfahren entfallen können.

r> Durch die Erfindung soll auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung gestellt werden, die so konstruiert ist, daß sie die unerwünschte Rückreaktion von Mg oder Ca mit CO das ganze Verfahren hindurch von der Herstellung des Mischgases

in bis zum Sammeln von Mg und Ca verhindert

Durch die Erfindung wird daher ein Weg für die Erzeugung von Mg und Ca durch die Kohlenstoffreduktionsmethode eröffnet, was lange Zeit aufgrund der oben angegebenen Gründe als schwierig angesehen

π wurde.

Gemäß der Erfindung wird ein Mischgas aus Mg (oder Ca) und CO, das durch eine Kohlenstoffreduktion seines Oxids erzeugt worden ist, in eine divergierende Düse, die im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird, unter thermischer Kontrolle, so daß sich die Bestandteilsgase nicht miteinander umsetzen können, eingeführt. Das Mischgas wird aus der divergierenden Düse ausgestoßen und expandiert adiabatisch mit höherer Geschwindigkeit als die entsprechenden

■Ti Molekulargeschwindigkeiten von Mg (oder Ca) und CO, wodurch das Mischgas sofort auf Temperaturen abgekühlt wird, bei denen sich die Bestandteilsgase nicht miteinander umsetzen können. Anschließend wird das Mischgas in Mg- (oder Ca-) und CO-Gas

->o aufgetrennt, um Mg (oder Ca) zu sammeln.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Mischgas aus Mg (oder Ca) und CO, das durch eine Kohlenstoffreduktion des Oxids erzeugt worden ist, mit Überschallgeschwindigkeit durch eine divergie-

Vi rende Düse, die im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird, gegen ein Separatorsieb ausgestoßen, das entsprechend dem Ablenkungswinkel jedes Bestandteilsgases angeordnet ist, wodurch das Sammeln der Bestandteilsgase erleichtert wird.

M) Zum besseren Verständnis sollen nachstehend zunächst die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden theoretischen Verhältnisse näher erläutert werden. Die Bedingungen, bei denen die durch die Gleichung (1) ausgedrückte Reaktion von links nach rechts oder

r> von rechts nach links abläuft, sind in den Tabellen I und II dargestellt. Darin wird die Beziehung zwischen dem Druck und der Gleichgewichtstemperatur in Formel I anhand von thermodynamischen Größen dargestellt.

Tabelle I

Druck und Gleichgewichtstemperatur bei der Reaktion gemäß der Gleichung MgO + C *=» Mg + CO:

Druck
al

Torr

Pea Torr

Gleichgewichlsicmperalur

Γ°Κ T C

10³
10"³
ΙΟ"⁴
10 ⁴
10 ⁵

1520	760	2149	1876
760	380	2066	1793
380	190	1990	1717
76	38	1833	1560
38	19	1773	1500
7,6	3,8	1648	1375
3,8	1,9	1600	1327
0,76	0,38	1497	1224
0,38	0,19	1457	1184
0,076	0,038	1372	1099
0,038	0,019	1339	1066

IO

2(1

Tabelle II

Druck und Gleichgewichtstemperatur bei der Reaktion 2 > gemäß der Gleichung CaO + C *^ Ca + CO:

Torr

Pea Torr

Gleichgewichtstemperatur

7"° K T⁰C

760	380	2324	2051
380	190	2236	1963
76	38	2056	1783
38	19	1987	1714
7,6	3,8	1844	1571
3,8	1,9	1788	1515

Im Falle von Ca kann im Gegensatz zu Mg 4(1 Calciumcarbid bei bestimmten Bedingungen gemäß folgender Gleichung gebildet werden:

Ca+ 2C = CaC₂ (2)

Es ist wesentlich, diese unerwünschte Reaktion zu vermeiden. Die Tabelle III zeigt Beispiele für Bedingungen, bei denen diese Reaktion vermieden werden kann:

Tabelle IN

Gesamtdruck

Temperatur

0,01 at = 7,6 Torr 0,005 at = 3,8 Torr 0,001 at = 0,76 Torr

2114 C oder mehr 197 FC oder mehr 1695°C oder mehr

50

55

Im Falle von Ca sollte daher die Gleichgewichtstemperatur nicht kleiner als 2000⁰C sein und der Druck sollte nicht höher als 3,8 Torr seia

Die Fig. 10 und 11 zeigen das Energie-Temperaturdiagramm von Mg und Ca in der Formel (1) und das Dampfdruck-Temperaturdiagramm von Mg und Ca. In jedem Diagramm gibt die Abszisse die Temperatur r°C /T⁰K) an. Die linke Ordinate zeigt die Veränderung der freien Reaktionsenergie Δ G Kcal/ Mol, während die rechte Ordinate den Dampfdruck von Mg (oder Ca), aasgedrückt in Torr, zeigt Die Kurve I

60

65 gibt die Beziehung zwischen der freien Energie und der Temperatur wieder. Die Kurve Il zeigt die Beziehung zwischen dem Dampfdruck und der Temperatur. AC zeigt die Differenz der freien Energie. Der Wert hierfür verändert sich mit dem Gesamtdruck P (der Teildruck für Mg ist ^xh davon). Das bedeutet, daß, wenn AG < O₁ dann die Reaktion von links nach rechts abläuft, d. h. daß die Reduktion fortschreitet. Wenn andererseits ZlC > 0, dann läuft die Reaktion von rechts nach links ab. Wenn G = 0, dann ist das Gleichgewicht erreicht.

Wenn man beispielsweise im Zusammenhang mit den Werten der Tabelle I annimmt, daß die Reaktionskammer, in der die Kohlenstoffreduktion der Mg-Oxide vorgenommen wird, einen Druck von 1 Atmosphäre hat, dann beträgt die Gleichgewichtstemperatur 1793° C Wenn die Reaktionstemperatur in der Reaktionskammer 1793°C ist, dann ist es erforderlich, den Innendruck auf unterhalb 1 Atmosphäre zu vermindern, beispielsweise indem man die Luft mittels einer Vakuumpumpe absaugt Auf diese Weise schreitet die Reaktion von links nach rechts fort d. h., die Reduktion findet statt wodurch ein Mischgas aus Mg-Dampf und CO-Gas erhalten wird. Wenn man annimmt daß die Reaktionskammer bei einem Druck von 0,1 at betrieben wird, dann beträgt die Gleichgewichtstemperatur 1560⁰C. Wenn daher die Temperatur des Mischgases unter die Gleichgewichtstemperatur von 1560° C abfällt dann schreitet die Reaktion in sehr radikaler Weise in der Rückrichtung voran und das Mischgas dissoziiert in MgO und C Wie aus dem Beispiel ersichtlich wird, ist es erforderlich, wenn das Mischgas bei einem Druck von 1 at und mit einer Temperatur von 1793° C erzeugt wird, das Mischgas sofort unterhalb eine Temperatur abzukühlen, bei der die Rückreaktion selbst dann, wenn Mg und CO gemeinsam vorliegen, nicht stattfindet. Eine solche Temperatur ist z.B. etwa 200⁰C. Um dies erfolgreich zu erzielen, muß das Mischgas mit einer erheblich größeren Geschwindigkeit abgekühlt werden als diejenige der Rückreaktion, d. h. die einzelnen molekularen Bewegungsgeschwindigkeiten von Mg (oder Ca) und CO. Dies bedeutet daß die erforderliche Geschwindigkeit Oberschallgeschwindigkeit ist oder in Zahlen ausgedrückt etwa 10⁶⁰CZSeC oder mehr beträgt Bei den herkömmlichen Methoden unter Verwendung eines Wärmeaustausches, wobei ein Kühlmedium eingesetzt wird, wird diesem Erfordernis niemals genügt und diese Methoden sind nicht dazu imstande, die unerwünschte Rückreaktion zu verhindern. Das Mischgas kann sicher unter thermischer Kontrolle in die divergierende Düse eingeleitet werden, so daß die Rückreaktion nicht stattfinden kann. Es kann adiabatisch aus dem Düsenausgang expandieren, so daß gewährleistet wird, daß das Mischgas sofort expandiert

Wenn ein Gas adiabatisch unter Verwendung einer Düse expandiert, dann wird die Enthalpie des Gases in kinetische Energie umgewandelt und eine Druckverminderung führt zu einem TemperaturabfalL Dies ist eine allgemein anerkannte Tatsache; wenn jedoch diese Theorie auf die Kohlenstoffreduktion von Mg- (oder Ca-)Oxiden angewendet wird, dann muß spezielle Sorgfalt darauf gerichtet werden, daß das Mischgas genügend rasch abgekühlt wird, daß es sicher durch die ganze Gefahrenzone hindurchgeht in der die unerwünschte Rückreaktion stattfinden kann. Ohne diese spezielle Sorgfalt könnte die Idee der Abtrennung von metallischem Mg oder Ca aus dem Mischgas nicht in die Praxis umgesetzt werden. Gemäß der Erfindung wird daher das Mischgas, das durch die Kohlenstoffreduktion

erzeugt worden ist, zu einer divergierenden Düse geleitet, während das Mischgas bei einer Temperatur gehalten wird, bei der die Riickreaktion unwirksam ist. Als Ergebnis wird daher das Mischgas sicher vor der unerwünschten Rückreaktion geschützt, bis es den Stromaufwärtsabschnitt der Düse erreicht Dies ist wesentlich, um Mg oder Ca in hochreiner Form mit guter Produktivität zu erhalten. Für diesen Fall sind die Temperaturen, bei denen die Rückreaktion unwirksam ist, in den oben angegebenen Tabellen I und II aufgeführt. Im allgemeinen neigt die Geschwindigkeit, mit der die Rückreaktion fortschreitet, dazu, in der Rückreaktionszone entsprechend dem Temperaturanstieg zuzunehmen. Die Temperatur beim Stromaufwärtsabschnitt der Düse neigt dazu, höher zu sein, als am Stromabwärtsabschnitt Somit ist die Geschwindigkeit der Rückreaktion am Stromaufwärtsabschnitt höher als am Stromabwärtsabschnitt Wenn die Rückreaktion in dem Stromaufwärtsabschnitt einmal stattgefunden hat, dann kehrt, sogar wenn diese nur teilweise ist, festes MgO (oder CaO) und C niemals in den ursprünglichen gasförmigen Zustand zurück. Weiterhin neigen MgO (oder CaO) und C dazu, in der Düse auszufallen und es kann sein, daß sie Verschleißschäden in der Innenwand verursachen. Gemäß der Erfindung werden solche Schwierigkeiten jedoch wirksam vermieden, da das Stattfinden der Rückreaktion während des gesamten Vorgangs des Leitens des Mischgases von der Reaktionskammer zu dem Punkt, wo die Bestandteilsgase gesammelt werden, verhindert wird.

Wie oben beschrieben wurde, ist es erforderlich, das Mischgas mit eirer extrem hohen Geschwindigkeit wie 10⁶⁰CZSeC, weiche über die molekularen Bewegungsgeschwindigkeiten von Mg (oder Ca) oder CO hinausgeht abzukühlen. Dies bedeutet daß das Mischgas durch die Düse mit Überschallgeschwindigkeit ausgestoßen werden sollte. Wenn man annimmt daß ein Mischgas mit einer Temperatur von 1700⁰C am Düseneingang auf etwa 200⁰C an einem Punkt der im Abstand von 1 m von dem Düseneingang liegt, abgekühlt werden soll und wenn die mittlere Geschwindigkeit des ausgestoßenen Gases Xm m/sec beträgt wobei die mittlere Geschwindigkeit der Mittelwert der Geschwindigkeit des Mischgases am Düseneingang und an einem Punkt in 1 m Abstand von dem Düseneingang ist und letztere Geschwindigkeit als ^bezeichnet wird, dann ergibt sich der Zeitraum, den das Gas zum Durchströmen durch die Düse benötigt als:

1 m

X α, m/sec

see

Die Temperaturdiffcrcnz für diesen Zeitraum ist wie folgt:

1700^cC -200'C= 1500 C.

Daraus errechnet sich die Abkühlungsgeschwindigkeit wie folgt:

1500

= I0"°C/sec

Daraus geht hervor, daß, selbst wenn die Geschwindigkeit am Düseneingang nahezu null ist, A" einen Wert von etwa 1330 m/S haben muß und daß das Mischgas mit der mehrfachen Schallgeschwindigkeit strömen sollte.

Angesichts des Erfordernisses einer Überschallgeschwindigkeit sollte die Düse, die erfindungsgemäß verwendet wird, eine De-Laval-Düse sein, die aus einer Kombination eines konvergierenden Abschnitts, einer

ίο Drossel und einem divergierenden Abschnitt besteht, oder es sollte sich alternativ um eine divergierende Düse handeln.

Bei einer adiabatischen Expansion eines Gases durch eine divergierende Düse wird die Enthalpie des Gases mit einer Temperatur 7ö°K am Düseneintritt in kinetische Energie umgewandelt wodurch bewirkt wird, daß das Gas durch den Düsenaustritt mit einer Geschwindigkeit von W_x als Überschallstrom hindurchstrahlt während die Temperatur rasch auf Γι vermindert wird. T\ und W\ werden durch folgende Gleichungen angegeben:

H₁ = Φ \R %

1 -

(2)

(3)

(4)

Darin bedeuten:

= 666m/S.

Po Druck am Düseneingang
P\ Druck am Düsenausgang
Tc Temperatur am Düseneingang (° K)
T\ Temperatur am Düsenausgang (° K)
4(i K CpZCy(Cp-. spezifische Wärme bei konstantem Druck;

C₁-: spezifische Wärme bei konstantem Volumen)

g auf die Schwerkraft zurückzuführende Beschleunigung

R eine Konstante, die vom Gastyp abhängt
W\ Geschwindigkeit am Düsenausgang
P_c Druck außerhalb der Düse
P\ > Pe Betrieb der Düse im Zustand der Unterexpansion

Pt = Pe Betrieb der Düse im Zustand der optimalen Expansion

P₁ < Pe Betrieb der Düse im Zustand der Überexpansion.

Es ist daher zweckmäßig, daß eine Düse, wie sie erfindungsgemäß verwendet wird, vom divergierenden Typ ist Wenn jedoch die Düse im Zustand einer Überexpansion betrieben wird, dann kann ein unerwünschtes Abschälen in der Düse stattfinden und der Gasfluß neigt dazu, instabil zu sein. Dazu kommt noch, daß eine Schockwelle auftreten kann. Dieser Zustand ist daher für die Durchführung der Erfindung nicht geeignet Wenn die Düse im Zustand einer optimalen Expansion betrieben wird, dann kann es sehr gut sein, daß dieser Betriebszustand eine geringfügige Veränderung des Drucks und/oder der Temperatur in der Reaktionskammer verursacht Insbesondere ist es

wahrscheinlich, daß der Zustand der Überexpansion verschoben wird, wenn der Druck und/oder die Temperatur unter den vorgeschriebenen Wert abfallen. Wenn andererseits die Düse im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird, was bedeutet, daß das Gas sich in einem potentiell expansiven bzw. expandierbaren Zustand befindet, dann fließt das Gas mit Schallgeschwindigkeit an der Drossel bzw. Einschnürung der Düse und es beschleunigt sich in Richtung auf den stromabwärts gelegenen divergierenden Abschnitt, wo die Geschwindigkeit Überschallgeschwindigkeit M\ wird.

Vom Düsenausgang wird der Fluß weiter beschleunigt und wird Aft fAft > M\ > 1) und expandiert abrupt nach außen.

Wie hierin beschrieben, sind das Mg (oder Ca) und das CO, die in dem Mischgas gemeinsam vorliegen, einander gegenüber sehr reaktiv. Es muß daher folgenden Erfordernissen genügt werden: (1) vor der Düse muß das Mischgas bei einer Temperatur gehalten werden, bei der die Bestandteilsgase durch das ganze Verfahren hindurch von der Reaktionskammer bis zum Düseneingang nicht miteinander reagieren können; (2) der Strom des Mischgases muß zu der erforderlichen Geschwindigkeit durch die divergierende Düse beschleunigt werden, die im Zustand der Unterexpansion betrieben wird, damit eine höhere Abkühlungsgeschwindigkeit als die Geschwindigkeit der Rückreaktion erhalten wird, und (3) r!;e Tendenz der Bestandteilsgase, mit verschiedenen Verhältnissen der spezifischen Wärme mit dem richtigen Winkel am Düsenausgang abgelenkt zu werden, wenn sie durch eine divergierende Düse, welche im Zustand der Unterexpansion betrieben wird, ausgestoßen werden, muß verwertet werden. Dabei werden die Bestandteilsgase voneinander abgetrennt und sie kommen außer Kontakt, wodurch die Rückreaktion verhindert wird. Gemäß der Erfindung ist es wesentlich, diesen Erfordernissen, Genüge zu tun. Es wird daher als Düse eine divergierende Düse verwendet, die im Zustand einer Unterexpansion verwendet wird

Es ist allgemein bekannt, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit durch Wärmeaustausch zwischen einem Abkühlungsmedium und dem abzukühlenden Gegenstand von der durchschnittlichen Molekülgeschwindigkeit abhängt, die in diesem Falle nahezu gleich ist wie die Schallgeschwindigkeit Die Chancen für Mg (oder Ca) und CO, daß sie miteinander in der Düse in Kontakt kommen, hängen von der durchschnittlichen Molekülgeschwindigkeit dieser Stoffe ab. Gemäß der Erfindung wird jedoch eine divergierende Düse im Zustand einer Unterexpansion betrieben, so daß das Mischgas adiabatisch mit Überschallgeschwindigkeit expandieren kann und sofort auf Temperaturen abgekühlt wird, bei denen die Rückreaktion nicht wirksam ist. Dies gewährleistet eine höhere Abkühlungsgeschwindigkeit als in einem herkömmlichen Wärmeaustauschersystem.

Durch die Erfindung ist ein weiterer Vorteil aufgrund der Verwendung einer divergierenden Düse erhältlich, welche im Zustand der Unterexpansion betrieben wird. Mg (oder Ca) und CO neigen nämlich dazu, am Düsenausgang mit ihrem richtigen Winkel abgelenkt zu werden, wobei fast 100% Mg (oder Ca) mit einem kleinen Teil von CO innerhalb des Ablenkungswinkels β von Mg (oder Ca) vorliegen, während außerhalb des Ablenkungswinkels β 50 bis 75% des CO mit einer vernachlässigbaren Menge von Mg (oder Ca) vorliegen. Als Ergebnis wird innerhalb des Ablenkungswinkels die Gefahr, daß die Rückreaktion bewirkt wird, vermindert, weil eine nicht ausreichende Menge von CO, d. h. 50 bis 25% der ursprünglichen Gesamtmenge, vorliegt. Die Tatsache, daß die Bestandteilsgase eines Mischgases dazu neigen, mit ihren richtigen Winkeln am Düsenausgang abgelenkt zu werden, liegt als Entdeckung der vorliegenden Erfindung zugrunde. Sie wurde sowohl experimentell als auch theoretisch gestützt. Wenn z. B. ein Mischgas aus Ca und CO mit Uberschallgeschwin digkeit durch die divergierende Düse in einem potentiell expansiven Zustand (d. h. im Zustand einer Unterexpansion) ausgestoßen wird, dann expandiert das Mischgas am Düsenausgang aufgrund des potentiell expansiven Drangs jedes Bestandteilsgases, wobei das CO mit einem größeren Winkel als das Ca abgelenkt wird. In diesem Falle ist die relative Dichte am Düsenausgang von Ca größer als von CO. Dies bedeutet, daß das leichtere CO mit einem größeren Winkel abgelenkt wird als das schwerere Ca. In gleicher Weise, wenn ein Mischgas aus Mg und CO ausgestoßen wird, wird das CO mit einem größeren Winkel abgelenkt als das Mg. Am Düsenausgang ist die relative Dichte von CO größer als von Mg. Trotzdem wird das schwerere CO mit einem größeren Winkel abgelenkt als das leichtere Mg. Aus diesen Beispielen kann die Schlußfolgerung gezogen werden, daß der Ablenkungswinkel unabhängig von der relativen Dichte ist Diese Erscheinung kann nicht durch die anerkannte Theorie erklärt werden, daß sich ein schwereres Objekt innerhalb eines leichteren

jo Objekts anordnet Lntsprechend der Entdeckung, die der Erfindung zugrunde liegt wird ein Gas am Düsenausgang mit einem Winkel abgelenkt, der von seinem Verhältnis der spezifischen Wärme C₁JCv abhängt wenn das Gas durch die Düse mit Überschall geschwindigkeit ausgestoßen wird. Dieses Prinzip trifft zu, wenn das Gas ein Mischgas ist wobei jedes Bestandteilsgas mit seinem richtigen Winkel abgelenkt wird und wobei eine Trennung voneinander auftritt, wenn die Verhältnisse der spezifischen Wärme unter schiedlich sind. In diesem Falle wurde festgestellt daß ein Gas mit einem kleineren Verhältnis der spezifischen Wärme mit einem größeren Winkel abgelenkt wird. Durch die Erfindung wird diese Theorie und diese Erscheinung verwertet und es werden die einzelnen Bestandteilsgase mit verschiedenen Verhältnissen der spezifischen Wärme aus dem Gemisch erhalten, indem man dieses mit Überschallgeschwindigkeit aus einer divergierenden Düse ausstößt welche im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird. Im allgemeinen ist der K-Wert des Verhältnisses der spezifischen Wärme entsprechend der Anzahl der Atome eines Gasmoleküls praktisch konstant So haben z. B. einatomige Gase einen K-Wert von etwa 1,67. Zweiatomige Gase haben einen K-Wert von etwa 1,40 und vielatomige Gase, d. h.

Gase mit mehr als zwei Atomen, haben einen K-Wert von nicht mehr als 133. Es ist daher möglich, ein Mischgas in die Bestandteilsgase aufzutrennen, wenn es aus einem einatomigen Gas und einem zweiatomigen Gas oder einem einatomigen Gas und einem vielatomi gen Gas oder einem zweiatomigen Gas und einem vielatomigen Gas besteht

Wenn die Bestandteilsgase sich individuell vom Düsenausgang expandieren und sich davon entfernen, wird die Dichte des Gemisches geringer, wodurch die

b5 Möglichkeit für die einzelnen Gase verringert wird, daß sie miteinander in Kontakt kommen. Es ist festzustellen, daß der Ablenkungswinkel /fe von CO größer ist als ß\ von Mg (oder CaX d. h. daß es leichter ist, Mg (oder Ca)

aus einem Gemisch zu sammeln, als daraus das CO zu sammeln. Anders ausgedrückt, da Mg (oder Ca) innerhalb des Ablenkungswinkels verbleibt, ist es nicht nur leicht, Mg (oder Ca) in fester Form zu kondensieren, sondern auch die erforderliche Hochkühlungsgeschwindigkeit wie mehr als 10*°/S wird gewährleistet.

Die divergierende Düse kann verschiedene Gestalten der Querschnitte, z. B. kreisförmig, elliptisch, rechteckig, vieleckig, schirmförmig oder unregelmäßig, haben. Für den technischen Betrieb kann eine Vielzahl von Düsen anstelle einer großen Düse verwendet werden. Wenn ein Mischgas aus Mg und CO mit Überschallgeschwindigkeit aus der Düse ausgestoßen wird, dann neigen die einzelnen Bestandteilsgase dazu, sich am Düsenausgang unterschiedlich /u expandieren. Dabei werden ihre Geschwindigkeiten erhöht und ihre Temperaturen fallen iasch unter 200⁰C ab. Bei diesen Temperaturen können Mg und CO selbst dann nicht miteinander reagieren, wenn sie gemeinsam vorliegen. An diesem kritischen Punkt kam eine Vorrichtung gegen den Dü^cnausgang angeordnet werden, um das davon ausgestoßene gasförmige Mg zu kondensieren, um das Element in Pulverform zu erhalten.

Gemäß der E 'indung wird das Mischgas einer derartigen thermischen Kontrolle unterworfen, daß die Bestandteilsgase sich das ganze Verfahren hindurch von der Reaktionskammer bis zur Sammelstelle auf dem Wege über die Düse nicht miteinander umsetzen können, wodurch eine hohe Reinheit des Produkts und eine erhöhte Produktivität gewährleistet wird. Das auf diese Weise erhaltene hochreine Mg und Ca ist vorteilhafterweise sehr gut schmelzbar.

Bei Anwendung des bekannten Wärmeaustauschersystems ist es schwierig, die Rückreaktion zu verhindern, wobei die Rückreaktion schon beginnt, bevor der Wärmeaustausch beginnt Aus diesem Grunde ist die Reinheit des Produkts erniedrigt und beträgt beispielsweise maximal nur 50 oder 60%. Unreines Mg und Ca sind aufgrund des Vorhandenseins von Fremdsubstanzen schwierig zu schmelzen, wenn der Anteil dieser Stoffe 10% oder mehr beträgt Dies ist darauf zurückzuführen, daß die relativen Dichten von Mg und Ca sehr niedrig sind und daß nur ein geringfügiger Unterschied zu der Dichte der Fremdsubstanzen besteht wodurch das Produkt in Pastenform verbleibt Es ist daher erforderlich, das Produkt zu pelletisieren und wieder zu destillieren, was bedeutet daß ein spezielles gesondertes Verfahren benötigt wird. Dazu kommt noch, daß eine Verbrennung bei diesem Verfahren erfolgen kann. Demgegenüber können das erfindungsgemäß hergestellte Mg und Ca leicht geschmolzen werden, ohne daß die Notwendigkeit eines Sekundärprozesses besteht Dieser Umstand stellt bei großtechnischer Durchführung einen besonderen Vorteil dar.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, das das Prinzip eines Expansionsflusses um eine feste Ecke bzw. Kante herum bei Überschallgeschwindigkeit darstellt

Fig.2 ein Diagramm, das das Prinzip eines Expansionsflusses um einen Druckvorhang herum zeigt, welcher die feste Wand der F i g. 1 ersetzt,

F i g. 3 einen diagrammartigen Schnitt einer divergierenden Düse, die im Zustand der Unterexpansion betrieben wird, und ein Separatorsieb, das angrenzend daran angeordnet ist, darstellt,

Fig.4 einen vertikalen Querschnitt durch die

gesamte Struktur einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.5 einen vertikalen Querschnitt in größerem Maßslab eines Teils der Vorrichtung der F i g. 4,
ο F i g. 6 ein Zeitfolgediagramm, das die Aufeinanderfolge des Betriebs des Erhitzers, der Pumpe und der Ventile der Vorrichtung der F i g. 4 zeigt,

F i g. 7 (a), (b) und (c) Querschnitte von modifizierten Versionen der Düse,

ίο Fig.8 (a) und (b) Querschnitte von modifizierten Versionen der Düse, wobei (b) eine weitere Modifikation von (a) ist,

F i g. 9 (a) und (b) diagrammartige Ansichten, die eine modifizierte Version der Vorrichtung der F i g. 4 zeigen, F i g. 10 ein Diagramm, das Veränderungen der freien Energie bei der Bildung von Mg zeigt, und

F i g. 11 ein Diagramm, das Veränderungen der freien Energie bei der Bildung von Ca zeigt.

Im allgemeinen isi es so, daß, wenn ein gleichförmiger Überschallstrom entlang einer konvexen Oberfläche, wie AOB gemäß Fig. 1, strömt dann seine Geschwindigkeit und seine Richtung so verändert werden, daß er schließlich zu einem gleichförmigen Strom entlang von OB wird. Ein solcher Überschalldüsenstrom, der entlang einer konvexen Oberfläche strömt, ist als Prandtl-Meyer-Expansionsstrom bekannt

In F i g. 1 ist die Linie OX eine Machlinie, die Af = 1 entspricht Wenn eine Linie OK im rechten Winkel zu der Linie OX gezogen wird, dann wird ein Winkel θ durch die Linie OYund einen gegebenen Punkt auf der gekrümmten Linie in Stromflußrichtung gebildet, θ wird die Machzahl an dem Punkt.

Es gilt folgende Funktion:

²-!)- tan

Darin bedeuten:

M = Machzahl.

Ablenkungswinkel I (-)

= U₂ - M₁ = /(M₂ · λ) - f(M_x · /.) (6)
M₂ > M₁ > 1

M₁ = Machzahl beim Aufwärtsstrom,
Mi = Machzahl beim Abwärtsstrom.

Die Wand OB kann, wie in F i g. 2 gezeigt durch einen Druckvorhang OB' ersetzt werden, der durch den Außendruck der Düse P dargestellt wird. Wenn der Druck am Däseneingang P₀ und der Druck am

Düsenausgang P\ beträgt, dann können die folgenden Gleichungen abgeleitet werden:

Po

Pi / _2

P₀ \{Κ -I) Ml + 2,

K I

K I

Im allgemeinen ist es möglich, wenn ein Mischgas mit Oberschallgeschwindigkeit aus einer Düse ausgestoßen wird, das Ausmaß der Ausstoßung und die Geschwindigkeit und die Temperatur am Düsenausgang aus den Kennzahlen zu ermitteln, wenn diese bekannt sind. Wenn angenommen wird, daß jedes Bestandteilsgas einzeln durch die Düse bei den Bedingungen der gleichen Temperatur am Düseneingang wie für das Mischgas ausgestoßen wird, und wenn ein zuzuschreibender Partialdruck des Mischgases am Düseneintritt und -austritt angenommen wird, dann kann daraus hergeleitet werden, daß das Gesamtausmaß des Ausstoßens jedes Bestandteilsgases mit dem Ausmaß des AusstoOens des Gemisches übereinstimmt und daß der Mittelwert der Temperatur und der Geschwindigkeit jedes Gases am Düsenausgang mit den Werten der Temperatur und Geschwindigkeit des Gemisches übereinstimmen. Wenn man nun annimmt, daß die Temperatur am Düseneingang konstant ist, dann kann der Ablenkungswinkel ΔΘ jedes Bestandteilsgases dadurch erhalten werden, daß man die Werte für das Verhältnis der spezifischen Wärme und dem Partialdruck in die Gleichungen (5), (6) und (7) einsetzt Dieser errechnete Winkel bedeutet, daß das Bestandteilsgas mit diesem Winkel abgelenkt wird, wenn es einzeln unter den Bedingungen der gleichen Temperatur am Düseneingang wie für das Mischgas und des Teildrucks davon ausgestoßen wird. In diesem Falle sollten P₀, P\ und P die Werte des Partialdrucks bezüglich der Bestandteilsgase sein. Wenn nun angenommen wird, daß zwei Bestandteilsgase Gi und G₂ mit Verhältnissen K\ und K₂ vorhanden sind, und daß jedes Gas einzeln unter den oben angegebenen Bedingungen, d. h. mit der gleichen Temperatur am Düseneingang wie für das Mischgas und mit dessen Teildruck, ausgestoßen wird, dann werden die Ablenkungswinkel Δθ\ und ABi erhalten, wobei jeder Wert dem Verhältnis K\ und K₂ entspricht Wenn diese Gase gemischt und mit Überschallgeschwindigkeit durch eine divergierende Düse, die im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird, bei konstanter Temperatur und bei dem Gesamtdruck (Summe der Partialdrücke der Bestandteilsgase) ausgestoßen werden, dann werden die Bestandteilsgase mit Winkeln ΔΒ\ und AB₂ abgelenkt als wenn jedes Gas einzeln durch die Düse hindurch ausgestoßen würde.

Wie in F i g. 3 dargestellt wird, ist ein Separatorsieb 36 so angeordnet, daß es im Winkel um Δθ\ außerhalb der Verlängerung X der Innenwand der Düse 33 verschoben angeordnet ist Diese Beziehung wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

β=Δθχ + α/2

Darin bedeutet β den Winkel des Separatorsiebs 36 zu der Achse der Düse, λ/2 bedeutet den Winkel der Verlängerung X der Duseninnenseiten.wand zu der

Düsenachse. Zur Vereinfachung wird diese Gleichung durch folgende Gleichung ersetzt:

β = ABi + α/2

Wenn man annimmt, daß die aufzutrennenden Bestandteilsgase Gi und G2 sind und daß die Ablenkungswinkel jedes Gase Δθ\ und AB₁ (AQ₂ > Δθ\) sind, und wenn man weiterhin annimmt, daß die Menge von G₂ außerhalb des Separatorsiebs X₂G₂ (X₂ : Verhältnismenge von G₂ außerhalb des Separatorsiebs) ist, während die Menge von Gt innerhalb des Siebs X1G1 ist (Xi: Verhältnismenge von Gi innerhalb des Siebs), dann werden die folgenden Gleichungen erhalten:

Menge von G₂ außerhalb des Separatorsiebs

X₂G₂ Menge von Gi außerhalb des Separatorsiebs

0 Menge von G₂ innerhalb des Separatorsiebs

(X-X₂)G₂ Menge von Gi innerhalb des Separatorsiebs

G₁

Aus den Gleichungen wird ersichtlich, daß das Bestandteilsgas G< sicli ganz innerhalb des Separator siebs 36 befindet Diese Anordnung des Separatorsiebs ist geeignet daß das Gas G₂ von einem Gehalt an Gi frei ist In diesem Falle hängt X₂ von dem Wert UD ab. Darin bedeutet L den Abstand zwischen dem Düsenausgang und dem Separatorsieb 36 und D den Innendurch- messer der Düsenöffnung an dem Ausgang. Ein Beispiel dieser Beziehung wird zahlenmäßig wie folgt angegeben:

Tabelle IV

κ UD 0,5 1,0 13 137 2,0

X₂ 031 036 0,46 0,56 0,61

Durch diese Methode kann das Gas G₂ in sehr wirksamer Menge abgetrennt werden, ohne daß es damit vermischt einen Gehalt an Gi hat Dies stellt einen der Vorteile gegenüber den herkömmlichen Methoden dar.

Das nach herkömmlichen Methoden erhaltene Mg und Ca ist verunreinigt wodurch es unmöglich ist diese Materialien in dem Ofen in dem Zustand, wie sie sind, zu schmelzen. Es ist daher erforderlich, das Mg und Ca aus dem Ofen herauszunehmen und wieder zu destillieren. Während dieses Vorgangs muß der Betrieb des Ofens unterbrochen werden. Aufgrund der verb.ennbaren Natur dieser Materialien ist aber die Handhabung dieser Stoffe sehr gefährlich. Tatsächlich sind schon schwere Unfälle vorgekommen. Um diese Gefahr zu vermeiden, geht man beispielsweise so vor, daß man ein öl über das Produkt sprüht bevor man es herausnimmt um die Verbrennbarkeit zu beseitigen. Dieses zusätzliche Vorgehen ist jedoch aufwendig und teuer.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können das Mg und Ca in den Ofen so, wie sie sind, in Pulverform oder in Form von Aggregaten, wie diese Materialien aus der Vorrichtung gesammelt werden, eingebracht werden. In keinem Falle ist es notwendig, sie aus dem Schmelzprozeß herauszunehmen, so daß keine Gefahr besteht. Ein weiterer Vorteil ist neben der Vermeidung der Handhabungsgefahren die Tatsache, daß das erhaltene Mg und Ca hochrein sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt das ausgestoßene Mischgas in Kollision mit einer Kollektoroberfläche, auf der sich das Mg (oder Ca) in Pulverform

sammelt. Die Kollektoroberfläche wird konstant bei niedriger Temperatur gehalten und bezüglich des Diisenauigangs verschoben, so daß eine frische Sammeloberfläche zum Vorschein kommen kann. Diese Sammeleinrichtung ist an einem Ort angeordnet, wo Mg (oder Ca) und CO nicht miteinander reagieren können. Unmittelbar vor der Kollision nut der Sammeleinrichtung liegen Mg und Ca entweder in fester pulverförmiger Form oder in Form eines Gemisches aus einem Feststoff in Pulverform und einer Flüssigkeit vor. In jedem Falle verlieren Mg und Ca ihre kinetische Energie bei der Kollision mit der Kollektoroberfläche und ein Teil der kinetischen Energie wird in Wärme umgewandelt, wodurch die Mg- und Ca-Teilchen erweicht werden. Auf diese Weise werden Mg- und Ca-Teilchen weiter an die bereits erweichten Teilchen auf den Kollektoroberflächen angefügt und das Produkt wird schließlich in einen verfestigten Zustand überführt In diesem Falle muß darauf geachtet werden, daß der Einfallswinkel von Mg (oder Ca) auf die Kollektoroberfläche nicht bei 45° oder weniger gehalten wird, da sonst Mg und Ca auf die Kollektoroberflächen aufprallen können und in alle Richtungen zerstreut werden können, so daß sie nicht gesammelt werden können. Sonst besteht die Gefahr, daß sie in die Austragungslinie der Vorrichtung eingesaugt werden. Dies führt zu einer verminderten Produktivität und es können auch in der Austragungsleitung Schwierigkeiten auftreten. Die durch die kinetische Energie verliehene Wärme wird durch die Kühleinrichtung abgeführt, die in der Kollektoroberfläche vorgesehen ist Da jedoch sich Mg und Ca an den Oberflächen ansammeln, wird die Kühlleistung vermindert und der Kühleffekt erreicht nicht die Oberschicht von Mg (oder Ca) auf den Kollektoroberflächen, auf denen die Rückreaktion wegen der erhöhten Temperatur stattfinden kann. Es muß daher darauf geachtet werden, daß der Aufstau von Mg- und Ca-Teilchen auf den Kollektoroberflächen vermieden wird. Die Kollektoroberflächen sind daher so konstruiert, daß sie hinsichtlich des Düsenausgangs ersetzbar bzw. verschiebbar sind, so daß freie Sammeloberflächen zum Vorschein kommen können. In diesem Falle kann die Kollektoroberfläche kontinuierlich oder intermittierend verschoben werden. Ihre Gestalt kann flach oder rund oder kugelförmig sein. Sie kann auch jede beliebige andere Gestalt haben, die eine Schockwelle vermeiden kann, welche von der Kollision von Mg (oder Ca) im rechten Winkel auf die Kollektoroberfläche herrührt Die auf der Kollektoroberfläche gesammelten Mg- und Ca-Teilchen sind so weniger brennbar als diejenigen, die durch herkömmliche Methoden erhalten werden. Sie sind auch nicht gefährlich zu handhaben. Wie oben beschrieben, werden die Mg- und Ca-Teilchen auf der Kollektoroberfläche aufgrund der Wärme, die durch die kinetische Energie verliehen wird, erweicht Dieses erweichte Bett von Mg oder Ca stellt eine annehmbare Grundlage für die nachfolgende Ansammlung von Mg oder Ca dar, die mit Überschallgeschwindigkeit fließen. Auf diese Weise werden verfestigte elastische und amorphe Schichten to von Mg und Ca erhalten. Aufgrund der klebenden Natur des erweichten Bettes von Mg und Ca, das bereits hergestellt ist, wird das Streuen von Mg- und Ca-Teilchen verhindert Wenn der Grad der Dicke der Mg- (oder Ca-)Schicht kontrolliert werden soll, dann b5 kann die Bewegungsgeschwindigkeit der Kollektoroberfläche verändert werden. Daneben kann die sich bewegende Kollektoroberfläche einen unerwünschten Aufstaub von Mg- und Ca-Teilchen darauf vermeiden, wodurch die Gefahr, daß die Rückreaktion aufgrund der erhöhten Temperatur stattfindet, eliminiert wird. Die verfestigten elastischen und amorphen Schichten können in Streifenform zu der gewünschten Länge zugeschnitten werden.

Gemäß der Erfindung wird eine Reaktionskammer vorgesehen, in der ein Magnesium- oder Calciumoxid einer Kohlenstoffreduktion bei erhöhter Temperatur unterworfen wird, so daß ein Mischgas aus Mg (oder Ca) gebildet wird. Das Mischgas wird durch eine Einrichtung für eine thermische Kontrolle geleitet, wo es be^ Temperaturen gehalten wird, bei denen Mg und CO (oder Ca und CO) miteinander nicht reagieren können. Es wird einer divergierenden Düse zugeleitet, die im Zustand einer Unterexpansion betrieben wird. Das Mischgas wird durch die Düse hindurchgeleitet und mit Überschallgeschwindigkeit ausgestoßen, so daß es adiabatisch mit einer Geschwindigkeit expandieren kann, welche über die Molekülbewegungsgeschwindigkeit von Mg (oder Ca) und CO hinausgeht, wodurch bewirkt wird, daß das Mischgas sofort auf Temperaturen abgekühlt wird, bei denen Mg (oder Ca) und CO miteinander nicht reagieren können. Gegenüber dem Düsenausgang ist eine Kollektoreinrichtung vorgesehen, so daß sie den Strahl des Mischgases aufnimmt Auf dieser Einrichtung werden Mg- (oder Ca-)Teilchen in Pulverform gesammelt Die Kollektoreinrichtung ist bezüglich des Düsenausgangs bewegbar angeordnet

Einer der Vorteile der Vorrichtung besteht darin, daß der Prozeßverlauf von der Reaktionskammer bis zu der Kollektoreinrichtung auf dem Wege über die divergierende Düse eine einzige kontinuierliche Linie ist und daß durch den ganzen Prozeß hindurch das Mischgas bei Temperaturen gehalten wird, bei denen die Bestandteilsgase nicht miteinander reagieren können. Auf diese Weise wird Mg und Ca in reiner Form mit hoher Produktivität erhalten.

Das Mischgas ist somit gegen die unerwünschte Rückreaktion, insbesondere von der Reaktionskammer zu der divergierenden Düse, geschützt, indem eine thermische Kontrolleinrichtung vorgesehen ist, die aus einem Erhitzer und einem Kühler besteht, durch die die Gleichgewichtstemperatur oder eine höhere Temperatur bezüglich zu dem Druck in dem Kanal der Tabellen I und II erreicht wird, wodurch die Möglichkeit der Rückreaktion in der gefährlichsten Zone ausgeschaltet wird.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend die gefährliche Zone näher beschrieben. Wenn man annimmt daß die Temperatur in der Reaktionskammer 1793° C und der Betriebsdruck 0,1 at betragen, dann ist die Gleichgewichtstemperatur 1560⁰C Wenn die Temperatur des Mischgases unter diesen Wert abfällt, dann kann die Rückreaktion radikal stattfinden. Das Mischgas strömt mit relativ geringer Geschwindigkeit in der Leitung von der Reaktionskammer zu der Düse. Selbst wenn die Leitung bzw. der Kanal kurz ist ist doch im Vergleich zu der Fließgeschwindigkeit in und nach der divergierenden Düse eine relativ große Zeitspanne erforderlich, bis das Mischgas durch den Kanal bzw. die Leitung hindurchkommt Wenn daher einmal den Bedingungen der RQckreaktion Genüge getan worden ist dann wird eine große Menge der Bestandteilsgase durch die Rückreaktion verbraucht Als Ergebnis wird eine große Menge von MgO (oder CaO) und C in dem System erzeugt und die Wirksamkeit der divergierenden Düse wird in

nichtbehebbarer Weise verhindert Dazu kommt noch, daß die Düse beschädigt oder verschlissen wird und daß es unmöglich wird, Mg und Ca in reiner Form zu erhalten.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Separatorsieb an einem im Abstand von dem Düsenausgang angeordneten Ort und innerhalb des maximalen Ablenkungswinkels von CO vorgesehen, so daß ein größerer Teil des CO außerhalb des Separatorsiebs geleitet wird. Auf diese Weise werden ι ο Mg oder Ca und ein geringer Teil des CO innerhalb des Separatorsiebs gesammelt und sie werden in Kollision mit den Kollektoroberflächen gebracht, wie es oben beschrieben wurde.

Durch dieses Separatorsieb kann ein Mischgas aus Gasen mit verschiedenen Verhältnissen der spezifischen Wärme wirksam in die Bestandteilsgase aufgetrennt werden. Weiterhin kann Oberscnallgeschwindigkeit angewendet werden und die Trenngeschwindigkeit ist ziemlich hoch. Die Auftrennungseinrichtung ist in ihrer Konstruktion vereinfacht Sie kann aus einem wärmebeständigen Material hergestellt sein, so daß ein Hochtemperatur-Mischgas gehandhabt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Bestandteilsgase wirksam voneinander getrennt werden können, bevor die unerwünschte Rückreaktion stattfindet Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine sofortige Kühlung zusätzlich zu der mechanischen Trennung der Bestandteilsgase durch das Separatorsieb bewirkt Somit kann die Rückreaktion vollständig verhindert werden.

In der F i g. 4 wird eine Reaktionskammer 1 gezeigt die von einer Hülle 2 umgeben ist Beide sind druck- und vakuumfest und luftdicht Die Hülle ist von einem Kühlwassermantel 4 umgeben. Die Kammer und die Hülle sind durch thermisch isolierende feuerfeste Elemente 5 abgetrennt Der Bodenteil der Kammer 1 ist so geformt daß die sich ansammelnden Reste leicht weggenommen werden können. Bei der dargestellten Vorrichtung ist die Form konisch. Unter dem Boden sind Austragungsöffnungen 6 und 7 und ein Reservoir 8 vorgesehen. Das Reservoir 8 steht mit einer Vakuumpumpe 10 mittels einer Leitung 9 in Verbindung, um ein Vakuum zu erzeugen. Die Leitung 9 ist mit einem Antivakuumventil 11 und einem Ventil 12 vorgesehen. Unter dem Reservoir 8 ist eine Aufnahmevorrichtung 13 für die Rückstände vorgesehen. Auf der Hülle 2 ist ein Tank 14 zur Aufnahme eines Materials vorgesehen. Der Tank ist mit einem unteren Ventil 15 und einem oberen Ventil 16 versehen. Der Tank steht mittels eines Rohrs 17 mit einer Vakuumpumpe 18 in Verbindung, um darin ein Vakuum zu erzeugen. Das Rohr 17 ist mit einem Antivakuumventil 19 und einem Ventil 20 versehen. Das Material wird aus dem Tank 14 in die Reaktionskammer 1 eingebracht Die Reaktionskammer ist mit einem Paar von Elektroden versehen, zwischen denen ein Widerstandserhitzer 21 aus einer Graphitplatte mittels einer Schraubeneinrichtung tragend befestigt ist

Das Material 62 in der Kammer 1 wird erhitzt und wi durch den Erhitzer 21 verdampft Die Elektroden sind an der Hülle 2 durch Befestigungseinrichtungen 22 befestigt, die durch Sammelschienen 23 getragen werden. Wie am besten in F i g. 5 dargestellt ist, ist die Befestigungseinrichtung 22 an einem Flansch 24 durch t>^r> eine Mutter 27 befestigt, wobei eine Dichtung 25 dazwischengesetzt ist. Auf diese Weise ist der Flansch 24 an der Hülle bzw. dem Mantel 2 mit einer Dichtung 26 befestigt Dieser Abschnitt der Struktur ist daher vakuum- und druckbeständig. Alternativ kann ein Bogenerhitzungssystem zum Erhitzen des Materials verwendet werden.

Aus der Reaktionskammer 1 erstreckt sich eine Leitung 28 zum Durchleiten des Mischgases. Auch diese ist von einem Wasserkühlmantel 29 umgeben, welcher mit thermisch isolierenden feuerfesten Körpern 32 ausgekleidet ist Die Leitung steht mit einer Kammer 31 in Verbindung, in der das Mischgas in die Bestandteilsgase aufgetrennt wird.

Im Inneren der feuerfesten Körper 32 ist ein Widerstandserhitzer 30 eingebettet, so daß die Innentemperatur der Leitung 28 bei einem Wert gehalten wird, bei dem die Rückreaktion unwirksam ist Der Erhitzer wird durch einen (nicht gezeigten) Kontrollkreis kontrolliert Das obere Ende der Leitung 28 ist an eine Düse 33 angeschlossen, deren divergierende öffnung in Richtung auf die Innenseite der Kammer 31 gerichtet ist

Die Kammer 31 ist von einem Kühlwassermantel 35 umgeben. Ein Kollektor 34 ist gegenüber der Düse 33 mit einer geeigneten (nicht gezeigten) darin befindlichen Kühleinrichtung vorgesehen. Die Oberfläche des dargestellten Kollektors 34 ist zwar zylindrisch, doch ist die Gestalt nicht darauf beschränkt Vielmehr kann sie flach, bogenförmig oder beispielsweise kugelförmig sein. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der zylindrische Kollektor horizontal und drehbar unterhalb des Düsenausgangs gelagert Er wird durch einen (nicht gezeigten) Motor angetrieben. Sein Körper wird senkrecht zur Papierebene, d. h. im rechten Winkel zu der Düsenachse, hin- und hergehend verschoben. Die Bewegung des Kollektors kann intermittierend oder kontinuierlich sein. Zwischen der Düse 33 und dem Kollektor 34 ist ein Separatorsieb 36 vorgesehen. Außerhalb des Separatorsiebs strömt ein Teil des CO-Gases ohne Mg-Gehalt als Strom 37, während innerhalb des Separatorsiebs Mg und CO in einem Gemisch als Strom 38 fließen. Dieser kommt mit der zylindrischen Oberfläche des Kollektors in Kollision. Das restliche CO-Gas strömt durch Spalte zwischen dem Separatorsieb 36 und dem Kollektor 34. Die Mg-Teilchen auf dem Kollektor 34 werden durch eine Schabeinrichtung 39 entfernt und sie fallen auf den Boden der Kammer 31. Die Kammer 31 ist an ihrer Seitenwand mit einem Rohr 40 versehen. Das Rohr ist mit einem Zyklon 41 und einer Vakuumpumpe 43 über ein Vakuumventil 42 verbunden.

Unter der Kammer 31 ist ein Schraubenförderer 44, der im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn durch einen Motor 45 angetrieben wird, vorgesehen, um die Mg-Teilchen zu transportieren und zu verteilen. An gegenüberliegenden Endteilen der Fördereinrichtung 44 sind Leitungen 46 zum Sammeln der Mg-Teilchen vorgesehen. Die Leitung ist mit einem Paar Ventile 47 und 47' und auch mit einem Ofen 48 zum Aufschmelzen der Mg-Teilchen versehen. Der Ofen ist von einem feuerfesten Material 49 und einem Erhitzer 50 umgeben. Er ist weiterhin mit einem Rohr 51 versehen, das an eine Vakuumpumpe 52 angeschlossen ist. Das Rohr 51 ist mit einem Vakuumventil 53 und einem Ventil 54 versehen.

Die Leitung 46 steht mit einem Sammeltank 56 durch eine sekundäre hitzebeständige Leitung 55 in Verbindung. Der Sammeltank 56 ist von einer wärmebeständigen Wand 57 umgeben, und er ist am Boden mit einem Erhitzer 58 ausgestattet. Das geschmolzene Mg 61 wird durch eine Pumpe 59 abgesaugt' und wird von einer

Aufnahmeeinrichtung 60 aufgenommen.

Die Funktion der Vakuumpumpe 43 besteht darin, die divergierende Düse im Zustand der Unterexpansion zu betreiben, damit die gesamte Menge de.; CO-Gases abgesaugt wird und der Innendruck in der Reaktionskammer 1 vermindert wird. Wenn das Material in den Tank 14 eingebracht wird, dann werden die Ventile 15,

19 und 20 geschlossen, während das Ventil 16 geöffnet wird. Nach dem Eingeben des Materials wird der Materialtank 14 durch die Vakuumpumpe 18 evakuiert, wobei das Ventil 16 geschlossen und das Ventil 19 geöffnet wird. Bei der Erzeugung eines Vakuums in dem Tank wird das Ventil 16 geschlossen, und das Ventil 19 wird geöffnet Sodann wird bei geschlossenem Ventil 19 und geöffnetem Ventil 20 ein inertes Gas durch das Ventil 20 bis zu einem Ausmaß eingeführt, daß sich der Druck in dem Tank 14 und der Reaktionskammer 1 ausgleicht In dieser Stufe wird das Ventil 15 geöffnet, so daß das Material in dem Tank 14 in die Recktionskammer 1 hineinfallen kann Hierauf wird bei geschlossenem Ventil 15 und geöffnetem Ventil 20 Luft durch das Ventil

20 eingeführt Der Zyklus wird vervollständigt, indem das Ventil 16 geöffnet und das Ventil 20 geschlossen wird. Die Vakuumpumpe 10 für das Reservoir 8 zur Herausnahme des Rückstandes dient dazu, darin ein Vakuum zu erzeugen, wobei die Ventile 6, 7 und 12 geschlossen und das Ventil 11 geöffnet ist Sodann wird ein inertes Gas durch das Ventil 12 in das Reservoir bei geschlossenem Ventil 11 eingeführt wodurch der Druck in dem Reservoir und der Reaktionskammer ausgegli- jo chen wird. Hierauf wird der Rückstand in das Reservoir hineinfallen gelassen, wobei das Ventil 12 geschlossen und das Ventil 6 geöffnet ist Sodann wird das Ventil 6 geschlossen und ein inertes Gas wird durch das Ventil 12 eingeführt, um Atmosphärendruck zu erreichen. Hierauf J5 wird das Ventil 12 geschlossen, und das Ventil 7 wird geöffnet, wodurch der Rückstand in die Aufnahmeeinrichtung 13 hineinfallen kann. Der Zyklus wird vervollständigt, indem das Ventil 7 geschlossen wird. Die Vakuumpumpe 52 für den Schmelzofen dient dazu, 4< > um darin ein Vakuum zu erzeugen. Bei geschlossenen Ventilen 47', 54 und 53 und geöffnetem Ventil 47 werden die Mg-Teilchen in den Schmelzofen 48 von der Fördereinrichtung 44 hineinfallen gelassen. Sodann wird das Ventil 47 geschlossen, um ein inertes Gas in den 4> Ofen durch das Ventil 54 einzuführen, bis darin Atmosphärendruck erzeugt wird. Bei geschlossenem Ventil 54 werden Jie Mg-Teilchen durch den Erhitzer 50 aufgeschmolzen und das geschmolzene Mg wird durch das geöffnete Ventil 47 in das Reservoir 56 eingeleitet. "><> Sodann wird bei geschlossenem Ventil 47' und geöffnetem Ventil 53 der Schmelzofen 48 durch die Pumpe 52 evakuiert Wiederum wird ein inertes Gas durch das geöffnete Ventil 54 eingeleitet während das Ventil 53 geschlossen ist bis der Druck in dem Ofen 48 und der Fördereinrichtung 44 Gleichgewicht erreicht Der Zyklus wird vervollständigt, indem das Ventil 54 geschlossen und das Ventil 47 geöffnet wird Die Schmelzofen sind paarweise vorgesehen, so daß sie abwechselnd in Betrieb sind, wobei die Fördereinrich- wt tung 44 durch den Motor 45 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Auf diese Weise wird die Pumpe 43 kontinuierlich betrieben, während die Pumpen 18, 10 und 52 mit Unterbrechungen betrieben werden, wenn es erforderlich ist b5

Nachstehend wird ein typisches Beispiel des Betriebs beschrieben:

MgO oder ein MgO enthaltendes Material wird unter

Zugabe der theoretischen äquivalenten Menge von C oder einer geringfügigen überschüssigen Menge von C eingesetzt und das erhaltene Gemisch wird brikettiert Die Innenwand der Reaktionskammer 1 wird bei 1600 bis 1900⁰C gehalten. Es wird bevorzugt daß in der Anfaiigsstufe eine geeignete Menge des Materials auf das Torventil 6 gebracht wird, um dieses vor der Hitze zu schützen. Beim Fortschreiten des Betriebs sammeln sich jedoch die Reaktionsprodukte darauf an und übernehmen die Schutzrolle anstelle des Materials. Eine gegebene Menge des Materials in Brikettform wird zunächst in den Tank 14 eingegeben, wobei das Ventil 15 geschlossen und das Ventil 16 geöffnet ist Sodann wird bei geschlossenem Ventil 16, geöffnetem Ventil 19 und geschlossenem Ventil 20 in dem Tank 14 durch die Pumpe 18 ein Vakuum erzeugt In diesem Fall kann nach der Erzeugung eines Vakuums ein inertes Gas durch das Ventil 20 eingeführt werden. Das Material in dem Tank 14 wird sodann in die Reaktionskammer durch das geöffnete Schieberventil 15 hineinfallen gelassen und es wird am Boden durch den Erhitzer 21 erhitzt Wenn das Brikett auf die Reaktionstemperatur erhitzt worden ist wird ein Mischgas aus Mg und CO im oberen Abschnitt der Kammer erzeugt das durch die Leitung bzw. den Kanal 28 unter thermischer Kontrolle zu der divergierenden Düse 33 geleitet wird Mit diesem Mischgas wird das Ventil 33 im Zustand seiner Unterexpansion betrieben, wodurch das Mischgas durch den Düsenausgang mit Überschallgeschwindigkeit gegen den Kollektor 34 ausgestoßen wird

Das ausgestoßene Mischgas wird in Mg- und CO-Gase aufgetrennt wobei sich das CO-Gas teilweise außerhalb des Separatorsiebs 36 ablenkt während der Rest des CO-Gases und die Gesamtmenge des Mg-Gases in das Innere des Siebs geleitet werden und auf den Kollektor 34 auftreffen. Während der Ausstoßung expandiert das Mischgas adiabatisch und es erhält mehrfache Schallgeschwindigkeit während seine Temperatur abrupt auf eine Temperatur abfällt bei der Mg und CO, selbst wenn sie nebeneinander vorliegen, sich nicht umsetzen, d h. auf eine Temperatur von etwa 200⁰C oder weniger. Während dieses Abkühlungsprozesses wird das Mg zu einem unterkühlten Dampf und ein Teil davon beginnt zu kondensieren. Das Material sammelt sich in Pulverform im Kollektor 34. Die kinetische Energie des Mg-Pulvers verliert sich darauf und wird in Wärme umgewandelt, durch die die Schicht auf dem Kollektor 34 erweicht wird und es gestattet daß frisch akkumulierende Mg-Teilchen daran haften. Der Kollektor 34 wird durch eine geeignete Einrichtung gekühlt und die von den Mg-Teilchen abgegebene Wärme wird absorbiert Wenn der Kollektor 34, wie oben beschrieben, rotiert dann werden die Teilchen darauf mittels der Schabeinrichtung bzw. Kratzeinrichtung 39 entfernt und sie können auf die Fördereinrichtung 44 fallen. Das außerhalb des Separatorsiebs abgelenkte CO wird außen durch eine Vakuumpumpe 43 auf dem Weg über das Rohr 40 und den Zyklon 41 ausgetragen. Die Teilchen auf der Fördereinrichtung 44 werden in einen der öfen 48 eingeführt, wobei das Ventil 47 geöffnet ist, während das Ventil 47' geschlossen ist. Wenn eine gegebene Menge von Mg-Teilchen zugeführt worden ist, dann wird ein inertes Gas, wie Ar, durch daa Ventil 54 eingeführt, wobei das Ventil 47 geschlossen ist. Sodann werden die Teilchen durch den Erhitzer 50 aufgeschmolzen. Der Schmelzpunkt von Mg beträgt 650⁰C. In diesem Fall werden die Teilchen jedoch vorzugsweise auf 680⁰C erhitzt, daß

eine ausreichende Fließfähigkeit erhalten wird. Das geschmolzene Mg wird durch das Schieberventil 47' nach außen geleitet und in dem Reservoir 56 gelagert Sodann wird bei geschlossenem Ventil 47' und Ventil 54 das Ar in dem Reser/oir 48 durch die Pumpe 52 evakuiert. Dieser Zyklus wird vervollständigt, indem das Ventil 33 geschlossen und das Ventil 47 geöffnet wird Das gleiche Vorgehen wird sodann wiederholt Der Grund für die Einführung eines inerten Gases in den Ofen besteht darin, eine Kontrolle des relativ großen Dampfdruckes von Mg zu erreichen. Auf diese Weise wird, wenn der Ofen mit den Mg-Teilchen gefüllt ist, die Fördereinrichtung 44 umgekehrt gedreht um den anderen Ofen 48 mit den Teilchen zu beschicken. Während dieser Zeit werden die Teilchen in dem ersten Ofen geschmolzen. Die Kapazität des Ofens ist so bestimmt daß ein abwechselnder Betrieb ohne Unterbrechungen möglich ist Das geschmolzene Produkt 61 in dem Reservoir wird durch die Erhitzer 58, die in den Boden 57 eingebettet sind, erhitzt Dies wird dadurch unterstützt daß die Innenwand aus einem isolierenden Material hergestellt ist so daß die Innentemperatur konstant gehalten wird. Wenn das Reservoir mit dem geschmolzenen Mg gefüllt ist dann wird es durch ein inertes Gas über dessen Niveau bedeckt Das geschmolzene Mg darin wird durch die Pumpe 59 abgepumpt und es wird durch die Aufnahmeeinrichtung 60 aufgenommen. In diesem Falle muß darauf geachtet werden, daß das geschmolzene Produkt nicht direkt der Atmosphäre ausgesetzt wird. Hierzu wird vorgeschlagen, daß das obere Ende des Saugrohrs mit einem geeigneten Flußmittel bedeckt wird. Anstelle der Verwendung der Aufnahmeeinrichtung 60 kann die Abgabeöffnung der Pumpe 59 direkt an eine Gießmaschine angeschlossen sein.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Einfachheit mit der das Mg in dem Ofen geschmolzen wird, auf seine hohe Reinheit zurückzuführen ist die durch die Erfindung gewährleistet wird.

Um den kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung zi bewirken, wird ein Material intermittierend in dit Reaktionskammer 1 eingeführt Dies führt jedoch zt dem Problem einer kontinuierlichen Aufhäufung de: Rückstands. Um diesen zu entfernen, wird das Ventil 11 geschlossen und das Schieberventil 6 wird geöffnet wodurch das Material in das Abgabereservoir f hineinfallen kann, wobei das Reservoir bei geschlosse-

ίο nem Ventil 7 unter Vakuum gehalten wird. Sodann wire bei geschlossenem Ventil 6 ein inertes Gas, wie Ar durch das Ventil 12 eingeleitet und sodann wird da; Ventil 7 geöffnet. Auf diese Weise kann der Rückstanc in die Aufnehmeeinrichtung 13 hineinfallen. Schließlich

t5 wird das Ventil 7 geschlossen und das Ventil 11 wire geöffnet Erneut wird ein Vakuum in dem Reservoir f durch die Pumpe 10 erzeugt Die gleiche Verfahrensweise wird wiederholt um den Rückstand zu entfernen.
Die Fig.6 zeigt ein Zeitfolgediagramm, das die Aufeinanderfolge des Betriebes der Erhitzer 21,30, 58 50, der Pumpen 10,18,43,52,52' und der Ventile 6,7,11 12, 16, 15, 19, 20, 47', 47, 53, 54, 53', 54' sowie des Schraubenförderers 44 zeigt

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine einzige divergierende Düse verwendet Es kann jedoch auch eine Vielzahl von divergierenden Düser verwendet werden, wenn diese im oben beschriebener Zustand der Unterexpansion betrieben werden. Bei der Ausführungsformen wird ein Separatorsieb verwendet Der Kollektor 34 kann jedoch direkt der Düse ohne die Zwischenschaltung des Separatorsiebs gegenüberliegen. In diesem Falle wird es bevorzugt daß dei Kollektor bezüglich der Düse beweglich ist Mg- (odei Ca-) Teilchen kommen direkt in Kollision mit dei Oberfläche des Kollektors, auf der sie in Aggregatfonr verbleiben.

Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert Die Tabelle V bezieht sich auf Mg und die Tabelle VI auf Ca.

Tabelle V

Mg	Versuch Nr. 1	Versuch Nr. 2
Temperatur in der Reaktionskammer (Tn °C)	1927	1727
Gesamtdruck in dieser (Pn Torr)	69,7	139
Expansionsverhältnis'der verwendeten Düse:	7,5	12,5
T =T,
Temperatur am Düsenausgang (Γ, C)	851	588
Gesamtdruck am Düsenausgang (P1 Torr)	9,3	11,1
Druck in der Sammelkammer (P Torr)	0,14	0,28
PZP0	1/500	1/500
Machzahl am Düsenausgang (AZ1)	1,957	2^98
Machzahl oberhalb des Kollektors (AZ2)	5,267	5,267
Material menge	MgO: 0,774 kg	MgO: 0,774 kg
	C: 0,23 kg	C: 0,24 kg
Material größe	beide: —0,1 mm	beide: -0,074 mm
Gesammelte Menge von Mg (kg)	0,448 kg	0,444 kg
(theoretische Menge)	(0,467 kg)	(0,467 kg)
Qualität und Produktivität	Mg: 99% und mehr	Mg: 99% und mehr
	C: 0,3%	C: 0,2%
	·, = 0,959	i, - 0,951
Im Zvxion gefangene Mg-Menge	0,003 kg	0,004 kg

Fortsetzung

Versuch Nr. Versuch Nr.

Qualität und Produktivität

Menge von Keststoflen
(Prozentmenge, bezogen auf die Anfangsgesamtmenge)

Tabelle VI

Mg: 95% MgO: 4% C: 0,5% ι/ = 0,006

0,032 kg

(3,2%)

Ca

Mg: 97% MgO: 2% C: 0,5% ι/ = 0,009

0,041 kg (4,0%)

Versuch Nr. 1

Temperatur in der Reaktionskammer (T₀ ⁰C) Gesamtdruck in dieser (P₀ Torr) Expansionsverhältnis der verwendeten Düse

Temperatur am Düsenausgang (Γ, "C) Gesamtdruck am Düsenausgang (P₁ Torr)

Druck in der Sammelkammer (P Torr) PIP₀

Machzahl am Düsenausgang (Λ/,) Machzahl oberhalb des Kollektors (M₂) Materialmenge

Materialgröße

Gesammelte Menge von Mg (kg) (theoretische Menge)

Qualität und Produktivität

Im Zyklon gefangene Mg-Menge Qualität und Produktivität

Menge von Reststoffen (Prozentmenge, bezogen auf die Anfangsgesamtmenge)

2027
3,8

(Teildruck: 0,25 Torr) 0,0075

1/500

1,957

5,267

CaO: 0,561 C: 0,120 beide: -0,074 mm 0,268 kg

(0,280 kg)

Ca: 99% und mehr C: 0,2% // = 0,957 0,002 kg

Ca: 94% CaO: 5% C: 0,5% ι, =0,008 0,024 kg

(3,5%)

In den Tabellen VII und VIII sind die Ergebnisse der Analyse des auf die beschriebene Weise erhaltenen Mg und Ca zusammengestellt.

Tabelle VII (Mg)

Mn

Si

Cu

Fe Ni

Zn

Mn

Si

Ni

Cr

Mg

Mg

0,006% 0,003% 0,005% 0,0004% 0,002% 0,0005% 0,015% 99,968%

Tabelle VIII (Ca)

0,038% 0,015% 0,008% 0,008% 0,005% 0,010% (*) 0,005% 0,058% 0,012% 99,8 (*) Vernachlässigbare Menge.

Die Tabellen IX und X zeigen ein Beispiel der Trenncharakteristiken des Separatorsiebs bezüglich MG und Ca.

Tabelle IX

Versuch Nr. 1

Versuch Nr. 2

Temperatur am Düseneingang (T₀ "C) Gesamtdruck am Düseneingang (P₀ Torr) Expansionsverhältnis der verwendeten Düse: -rr = -£-

Temperatur am Düsenausgang (7*, "C) Gesamtdruck am Düsenausgang (P^ Torr) Außendruck am Düsenausgang (P Torr)

Ablenkungswinkel A 0, an der Mg-Seite

Ablenkungswinkel A 0₂ an der CO-Seite Winkel β des Separatorsiebs

Gasmenge außerhalb des Separatorsiebs (Gew.-%)

Gasmenge innerhalb des Separatorsiebs (Gew.-%) Machzahl von CO
Machzahl von Mg

1927	1727
69,7	139
7,5	12,5
851	588
9,3	11,1
0,14	0,28
1/500	1/500
40,9°	A 0, = 33,5° AQx = 19,5°
52,7°	42,2°
48,9°	27,5°
1,5	2,1
CO: 53,5 Mg: 0 ca.	CO: 73,6 Mg: 0 ca.
CO: 46,5 Mg: 100 ca.	CO: 26,4 Mg: 100 ca.
M1: 1,97 M2: 4,95	M1: 2,30 M2: 4,95
M,: 1.93 M2: 5,75	M1: 2,29 M2: 5,75

Tabelle X

Versuch Nr. 1

Versuch Nr. 2

Temperatur am Düseneingang (7Ό "C) Gesamtdruck am Düseneingang (P_n Torr) Expansionsverhältnis der verwendeten Düse: -$■ — -£■

Temperatur am Düsenausgang (T₁ "C) Gesamtdruck am Düsenausgang (P_{ Torr) Teildruck für Ca
Außendruck am Düsenausgang (P Torr)

Ablenkungswinkel A 0, an der Ca-Seite

Ablenkungswinkel A 0₂ an der CO-Seite Winkel β des Ssparatorsiebs

Gasmenge außerhalb des Separatorsiebs (Gew.-%)

Gasmenge innerhalb des Separatorsiebs (Gew.-%) Machzahl von CO
Machzahl von Ca

2027	1927
7,5	93,8
7,5	12,5
902	675
1	7,5
(0,5 Torr)	(3,75 Torr)
0,015	0,188
1/500	1/500
40,9°	A θ, = 33,5°
	A Θ\ = 23°
52,7°	42,2°
48,9°	31°
1,5	1,75
CO: 54,6	CO: 65,3
Ca: 0	Ca: 0
CO: 45,4	CO: 34,7
Ca: 100	Ca: 100
M1: 1,97	M1: 2,30
M2: 4,95	M2: 4,95
M1: 1,93	M,: 2,29
M2: 5,75	M2: 5,75

In Tabelle XI sind die Unterschiede der Ablenkungswinkel A 0, und A 0₂ zwischen Ca und CO anhand von Zahlenwerten angegeben, die durch Messen und Errechnen aufgrund der Versuche erhalten wurden, welche zum Erhalt der Werte der Tabelle X durchgeführt wurden.

Tabelle XI	27	Meßwerte 2. Messung	27 36	806	28	Durch schnittswert	Errechnete Werte
	Tatsächliche 1. Messung	40,4 53,6	3. Messung	4. Messung	5. Messung	40,92° 52,74°	40,89° 52,70°
At Al	41,8 52,2	39,9 52,0	42,1 52.5	40,4 53,4
9\ (Ca): % (CO):

Aus der Tabelle wird ersichtlich, daß zwischen den errechneten und den gemessenen Werten praktisch keine Unterschiede bestehen. Es wird daher ersichtlich, daß das Separatorsieb an seinem optimalen Ort angeordnet werden kann, der durch eine vorhergehende Errechnung des Ablenkungswinkels des zu erhaltenden Gases bestimmt worden ist

Gemäß der Erfindung ist es wesentlich, daß jedes Bestandteilsgas am Düsenausgang, aus dem das Mischgas mit Überschallgeschwindigkeit ausgestoßen wird, mit seinem richtigen Winkel ΔΘ abgrlenkt wird. Um dies zu erzielen, .nuß die Düse eine divergierende Düse sein, die im Zustand der Unterexpansion betrieben werden kann, wie aus den Gleichungen (5) und (6) hervorgeht Ein typisches Beispiel wird in Fig.3 gezeigt Der Querschnitt der Düse kann verschiedene Gestalt haben, z. B. kreisförmig, elliptisch, dreieckig, rechteckig oder mehreckig sein. Wenn der Querschnitt rechteckig ist, dann ist es auch möglich, daß eines der zwei Paare der Seitenwändc zu der Düsenachse parallel ist, während das andere Paar der Seitenwände in Richtung auf den Düsenausgang davon abgewandt ist. Diese modifizierte Version ist in F i g. 7 (a), (b), und (c) dargestellt Wenn die divergierende Düse im Zustand einer optimalen Expansion oder Oberexpansion betrieben wird, dann kann sie nicht verwendet werden. Hierin soll die Bezeichnung »divergierende Düse« auch eine schirmartige divergierende Düse beinhalten. Bei den in Fig.8 dargestellten Ausführungsformen beträgt der Austrittswinkel «/2, jedoch besteht die Düse in (b) aus zwei Düsen mit dem gleichen Verhalten wie die Düse in (a). Für die nachfolgende Berechnung soll der Durchmesser der Drossel bzw. der Einschnürung in (a) D sein und die Länge des divergierenden Teils soll L sein. Für die Düse in (b) soll der Durchmesser der Drossel bzw. Einschnürung d sein und die Länge des divergierenden Teils soll /sein. Dann gilt folgendes:

d =

(10)

I =

Aus diesen Gleichungen wird ersichtlich, daß die Länge / verkürzt werden kann.

Die F i g. 9 beschreibt eine modifizierte Version der in μ Fig.4 dargestellten Ausführungsform. Bei dieser sind der Kollektor 34, der Schmelzofen 48 und das Reservoir 56 für das geschmolzene Produkt durch einen Streifen 79 für die Aufnahme der Gasstrahlen ersetzt Die Düse 33 ist vom gleichen Typ wie diejenige in Fig.7. Der Streifen ist im erforderlichen Abstand von dem Düsenausgang so angeordnet, daß Her Sfeifen in jeder Richtung mittels Walzen laufen kann. Bei der gezeigten Ausführungsform läuft der Streifen 79 von einer Spule 72 zu einer weiteren Spule 76 mittels Antriebswalzen 73 und 75 und auf dem Wege über Preßwalzen 77 und 78. Die mit Überschallgeschwindigkeit durch die Düse 33 ausgestoßenen Mg-Teilchen kommen in Kollision mit dem Streifen 79 und sie verbleiben darauf in fester pulverförmiger Form. Auf dem Streifen 79 werden sie durch die Walzen 77 und 78 unter Bildung eines Bandes 71 gepreßt das sich von dem Streifen 79 von einer Walze 74 abscheidet um auf einer (nicht gezeigten) Spule aufgewickelt zu werden. Das auf diese Weise erhaltene Mg-Band hatte eine Dicke von etwa 0,8 mm und es war oxidationssicher, sehr elastisch und es hatte eine glatte Oberfläche.

Als eine weitere Ausführungsform ist es auch möglich, eine dünne Eisenplatte oder eine beliebige andere Platte bzw. ein beliebiges anderes Blatt anstelle des Streifens 79 zu verwenden. Dieser Streifen wird auf der Spule 76 zusammen mit dem daran haftenden Mg aufgewickelt Dieses Band kann zu der gewünschten Länge geschnitten werden und auf einer gewünschten Anzahl von Spulen als Magnesiumentschwefelungsstreifen aufgewickelt werden. Solche Magnesiumentschwefelungsstreifen sind aufgrund ihrer hohen Reinheit und aufgrund der Tatsache, daß sie von einem unerwünschten Oxidationsfilm auf der Oberfläche frei sind, sehr wirksam, um Schwefel zu entfernen. Durch Veränderung der Dicke der Mg-Schicht kann die relative Dichte, die für das Entschwefelungsmittel erforderlich ist in geeigneter Weise kontrolliert werden. Es liegt in einem amorphen gewellten Zustand vor und es besteht keine Verbrennungsgefahr. Dazu kommt noch, daß es leicht aufgewickelt oder in die gewünschte Form gefaltet werden kann.

Der Streifen 79 kann aus Stahl, Edelstahl, Kupfer, Messing oder dergleichen hergestellt werden. Diese Materialien werden entsprechend dem Anwendungszweck ausgewählt Sie können auch als Vorratsmaterial für den zukünftigen Gebrauch aufbewahrt werden, wobei sie in einem Behälter gehalten werden, der mit einem inerten Gas gefüllt ist Die Materialien können in gerollter oder gefalteter Form oder dergleichen vorliegen. Aufgrund des Vorhandenseins des inerten Gases können sie über einen langen Zeitraum aufbewahrt werden.

Es können verschiedene Modifikationen durchgeführt werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So können auch die Elemente Be, Sr, Ba und andere äquivalente Elemente gegenüber Mg und Ca durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Magnesium und Calcium durch Kohlenstoffreduktion ihrer Oxide bei erhöhter Temperatur und Abschrecken der Reaktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß