DE2745707A1 - Verfahren zur gewinnung von metallchloriden - Google Patents
Verfahren zur gewinnung von metallchloridenInfo
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Description
27 4 5 7 υ 7
DlpWng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIE D-KOWARZI K
DIpWn0. G. DANNENBERG · Dr. P.WEINHOLD Dr. D. GUDEL
335024 1 SIEGFFlItDSTRASSE 8
TELEFON: (089) ^8 0
BQQQ M0NCHEN 40
SK/SK
PG-1845 KILGREN, LOW 4 PORTER
E.I. DuPont de Nemours and Company Wilmington, Del. /USA
Verfahren zur Gewinnung von Metallchloriden
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Metallchloridon aus einer gasförmigen Mischung.
Sie bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zur selektiven Gewinnung der Metallchloride ohne Verstopfung
der Vorrichtung, in welcher die Metallchloride gebildet, transpoportiert
oder kondensiert werden.
Ein übliches Verfahren zur Abtrennung der Metallkomponenten aus
einem metallhaltigen Material besteht in der Chlorierung desselben
bei ausreichend hoher Temperatur, um die wesentlichen, so gebildeten Metallchloride zu verdampfen. Dann wird die entstehende
gasförmige Mischung nach verschiedenen Verfahren abgekühlt, um ein oder mehrere Metallchloride nacheinander oder gleichzeitig
in den festen Zustand zu kondensieren, wobei das oder die restlichein) Metallchlorid(e) im gasförmigen Zustand belassen werden.
So kann man das gewünschte Metallchlorid isolieren und notwendigenfalls getrennt einer weiteren, von der EncJverwendung diktierten
Behandlung unterwerfen.
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Wie wirksam das Abkühlverfahren die Abtrennung eines besonderen Hetallchlorid9 aus einer gasförmigen Mischung derselben beeinflußt,
hängt hauptsächlich von den besonderen Kondensationseigensr.haften
des abzutrennenden Motallchlorids ab. Die Abkühlwirksamkeit ist
besonders kritisch, wenn die gasförmige Mischung der Metallchloride
mindestens ein Metallchlorid mit einem breiten Flüssigkeitstemperaturbereich, d.h« einen breiten Temperaturbereich, bei
welchem das Metallchlorid sich in flüssigem Zustand befindet, und einen ausreichend hohen Gefrierpunkt enthält, um die Bildung eines
Feststoffes auf den kälteren Oberflächen der Vorrichtung zu erlauben. Werden gasförmige Metallchloride mit diesen Eigenschaften
in üblicher Weise, z.B. durch Sprühkühler oder durch den Transport durch die Vorrichtung, abgekühlt, dann bleiben sie vor der Verfestigung
ausreichend lange im flüssigem Zustand, so daß die Flüssigkeitströpfchen auf der Oberfläche der Vorrichtung zusammenlaufen
und eine feste Masse bilden. Sind in der gasförnigen
Mischung weiterhin feste Teilchen anwesend, dann können die zusammenlaufenden
Tröpfchen die Teilchen im Gefriervorgang einschließen. Die festen Massen können nicht pneumatisch durch die
gasförmige Mischung transportiert werden und verstopfen allmählich die Vorrichtung.
Werden z.B. ferrotitanhaltige Materialien chloriert, dann sind
die wesentlichen Chloride in der erhaltenen gasförmigen Mischung Titantetrachlorid, Ferrichlorid und Ferrochloride. In der Praxis
erfolgt die Chlorierung bei einer Temperatur von etwa 900-11000C.,
und bei diesem Temoeraturbereich verbleiben nur in gewissen Mengen vorhandene
niedrige Metallchloride, wie Calcium- und Magnesiumchlorid, als Flüssigkeiten
im Chlorierungsbett. Die in gewissen Mengen anwesenden Metallchloride machen
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gewöhnlich nicht mehr ale 2 Gbvi.-% dee ferrotitanhaltigen Materials
aus und bilden keinen Teil der die Chlorierungsvorrichtung vorlassenden, gasförmigen Mischung. Won den wesentlichen Metallchloriden in der gasförmigen Mischung hat Ferrochlorid einen
breiten Flüssigkeitstemperaturbereich, d.h. von 650-850 C1 und
einen relativ hohen Gefrierpunkt, nämlich etiua 6000C. Wenn daher
die gasförmige Mischung die Hochtemperatur-Chlorierungsanlage verläßt und Wärme verliert, beginnt sich das Ferrochlorid schon boi
einer Temperatur von 85O0C. zu verflüssigen und bleibt lange genug in flüssigem Zustand, so daß die flüssigen Tröpfchen zusammenlaufen und auf die Oberflächen der Vorrichtung mit einer Temperatur unter 6000C. fallen, iuo die zusammengelaufene Flüssigkeit
gefriert. Im Gegensatz dazu hat die Ferrichloridkomponente einen
sehr engen Flüssigkeitstemperaturbereich und kondensiert zu einem fein zerteilten Feststoff oder "Schnee" aus der gasförmigen
Mischung bei einer Temperatur von 200-3000C. Das fein zerteilte,
feste Ferrichlorid kann pneumatisch von der gasförmigen Mischung
durch die Verarbeitungsvorrichtung transportiert und gegebenenfalls von dieser abgetrennt werden. Die Titantetrachloridkomponente der
gasförmigen Mischung beginnt bei einer Temperatur unter etwa 160°C.
- abhängig vom Druck - zu einer Flüssigkeit zu kondensieren, gefriert aber erst nach Erreichen einer Temperatur unter etwa -200C.
Selbst wenn daher Temperaturen unter 16O0C. in der Vorrichtung oder
auf deren Oberflächen erreicht u/erden, kann der größte Teil des flüssigen Titantetrachlorids pneumatisch durch die Vorrichtung
transportiert werden, und es erfolgt keine Bildung von festem Titantetrachlorid.
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ν
Einer der frühesten Versuche zur Verhinderung einer Verstopfung
durch Ferrochlorid bestand in der Chlorierung eines Materials in
einem Reaktor bei einer Temperatur oberhalb 800 C, wobei die Temperatur eines Teil des Dampfraumes oberhalb des Chlorierungsbettes unter der Temperatur gehalten wurde, bei u/elcher Ferrochlorid fest ist. Die Temperatur des Dampfraumes kann z.B. durch
Einsprühon eines flüssigen Kühlmittels in den Dampfraur.i oberhalb
des Chlorierungsbettes in der Reaktionskammer aufrechterhalten
werden. Ein Hauptnachteil dieses Verfahren bestand in der Praxis in der Schwierigkeit, das Chlorierungsbett auf der für die Chlorierung notwendigen, hohen Temperatur, d.h. mindestens Θ00 C,
zu halten. Weiter muQte der Chlorierungsvorrichtung eine sehr große
Wärmemenge zugeführt worden, um die Reaktionstemperatur aufrechtzuerhalten, was zu prohibitiven Energiekoston führte·
Ein neuerer Versuch zur Eliminierung einer Verstopfung durch Ferrochlorid besteht im Kühlen einer gasförmigen Misczung aus Titantetrachlorid, Ferrichlorid und Ferrochlorid auf eine Temperatur
von 500-5500C, z.B, durch Einspritzen eines flüssigen Kühlmittels,
insbesondere Titantetrachlorid, in den Abgaskühler, in welchen die gasförmige Mischung nach der Reaktion geführt wird und wo
sich Flüssigkeit in den Abgasen akkumulieren kann.
Ein relativ neues Verfahren zur Abtrennung von Titantetrachlorid
aus Ferri- und Ferrochlorid besteht in der Führung der gasförmigen Mischung durch eine Leitung bei einer Temperatur mindestens
20 C. oberhalb des Taupunktes von Ferrochlorid zu einem Sprühkühler, wo die gasförmige Mischung auf 150-2800C. mit flüssigem
Titantetrachlorid abgekühlt wird. Obgleich dieses Verfahren
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schwere Verstopfungen durch Ferrochlorid in der Transportleitung
vermeidet, erfordert das Kühlen eine große, mit einer Sprühechsibe von ausreichender Größe versehene Kondensationskammer,
um große Mengen des flüssigen Titantetrachlorids zu atomisieren.
Die vorliegende Erfindung richtet sich nun auf ein verbessertes
Verfahren zur Gewinnung von Metallchloriden aus einer gasförmigen, im wesentlichen aus mindestens zwei gasförmigen Metallchloririen
bestehenden Mischung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die gasförmige Mischung bei einer Temperatur oberhalb des
Kondensationspunktes der gasförmigen Mischung, vorzugsweise mindestens 50C. oberhalb des Kondensationspunktes, mit mindestens
einem Strom einer Flüssigkeit, vorzugsweise in Form eines flüssigen
Stromes von hoher Geschwindigkeit, zum schnellen Abkühlen praktisch der gesamten gasförmigen Mischung auf eine Temperatur unterhalb
des Gefrierpunktes mindestens eines Metallchlorids in der gasförmigen Mischung in Berührung bringt, wobei die Geschwindigkeit
der gasförmigen Mischung mindestens die pneumatische Führungsgeschwindigkeit in der Kontaktzone ist und die Geschwindigkeit dos
Abkühlens praktisch der gesamten gasförmigen Mischung unter einer Sekunde, vorzugsweise unter 0,5 Sekunden, liegt. Zum schnellen
Abkühlen wird es bevorzugt, daß mindestens ein Strom einer Flüssigkeit im Gegenstrom zur Fließrichtung der gasförmigen
Mischung läuft. Für ein schnelles Kühlen wird es weiter bevorzugt, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit aus dem Strom ausreicht,
um mindestens 1,0 Jet horsepower (HP)
2
pro ft. Querschnittsfläche der Kontaktzone zu ergeben und daß
die Geschwindigkeit der gasförmigen Mischung mindestens gleich
der Flutungsgeschwindigkeit am Kontaktpunkt ist.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines senkrechten
Schnittes einer erfindungsgemSG verwendbaren Vorrichtung.
Die Zusammensetzung oder Quelle der erfindungsgemäß verwendbaren
gasförmigen Mischung von Metallchloriden ist nicht entscheidend, solange Temperatur und Geschwindigkeit derselben erfindungsgemäß
geregelt werden. Eine übliche Industriequelle einer gasförmigen Mischung von Metallchloriden stammt aus der Chlorierung metallhaltiger
Materialien, um, vorzugsweise getrennt, die Metallkomponenten derselben für verschiedene Endverwendungszwecke zu gewinnen.
Hauptsächlich abhängig von der Chlorierungstemperatur und den Eigenschaften der gebildeten Metallchloride kann die erhaltene
gasförmige Mischung die wesentlichen Metallchloride in gasförmigem Zustand (wie bei der Chlorierung ferrotitanhaltiger Materialien)
Mengen anwesenden enthalten; oder sie kann die in sewisGcn / Metallchloride, wie bei
der Chlorierung kupferhaltiger Materialien, enthalten, wo die Kupferchloride als Flüssigkeiten im Chlorierungsbett verbleiben.
In jedem Fall führt die Chlorierung metallhaltiger Materialien zur Bildung einer gasförmigen Mischung, die mindestens ein, gewöhnlich
mehrere Metallchloride enthält.
Metallhaltige Materialien, die Mischungen gasförmiger Metallchloride
bilden können, umfassen alle Erze oder aus einer Erzquelle hergeleiteten Materialien, die mindestens zwei Metall enthalten
und chloriert werden können. Die Metallkomponenten des Materials können als freies Metall oder in chemischer Bindung an eine
nicht-metallische Komponente dee Meteriale, z.B. ale Oxide,
Sulfide usw., vorliegen. Das entscheidende Material des Materials
besteht darin, daß seine metallischen Komponenten ungeachtet ihrer Bindung mit einem Chlorierungsmittel, z.B. Molekularem
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Chlor, zu einer Mischung gasförmiger Metalthloride umgesetzt
werden können, die erfindungsgemäQ getrennt oder gewonnen werden
können· Übliche Metallkomponenten metallhaltiger, zu einer
Chlorierung fähiger Materialien umfassen Titan, Eisen, Kupfer, Blei, Zink, Kobalt, Calcium, Chrom, Nickel, Zinn, Aluminium,
Vanadium, Mangan und Magnesium. Metallhaltige Materialien, wie Erze, enthalten oft andere Elemente, wie Phosphor, Schwefel und
Silicium, die unter Chlorierungsbedingungen ebenfalls Chloride bilden können. Diese Metallchloride sind gewöhnlich in geringeren
Mengen, z.B. unter 2 Gem.-^, in ferrotitanhaltigen Materialien
anwesend und werden durch Kondensation nicht gewonnen.
Die Temperatur zur Chlorierung des metallhaltigen Materials kann
aus thermodynamischen Überlegungen berechnet oder experimentell
bestimmt werden, indem man die Temperatur erhöht, bis eine Chlorierung stattfindet. Allgemein ist die Chlorierungstemperatur
eines metallhaltigen Materials mindestens ebenso hoch wie der Siede- oder Sublimationspunkt des am höchsten siedenden oder sublimierenden, in gasförmigem Zustand zu bildenden Metallchlorids.
Wenn das metallhaltige Material z.B. Titan und Eisen als wesentliche Metallkomponenten enthält, dann beträgt die Chlorierungstemperatur mindestens 9000C., und die Chloride von Titan und Eisen
sind gasförmig. Daher liegt die Temperatur der Mischung der so gebildeten, gasförmigen Metallchloride mindestens 5O0C. und.oft
mindestens 2000C. oberhalb des Kondensationspunktes der gasförmigen Mischung, um eine vollständige Chlorierung und eine vollständige Überführung in die Gasphase sicherzustellen.
Ungeachtet der Chlorierungetemperatur des metallhaltigen Materials
besteht ein entscheidendes Merkmal der vorliegenden Erfindung
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darin, daß die Temperatur der üblicherweise als Ausfluß bezeichneten! gasförmigen Mischung nach dem Verlassen der Chlorierungsanlage und vor dem Abkühlen oberhalb des Kondensationspunktes derselben, vorzugsweise mindestens 50C. oberhalb des Kondensationspunktes, liegt. Die hier verwendete Bezeichnung "Kondensationspunkt" bedeutet die Temperatur, bei welcher eines oder mehrere
der gasförmigen Chloride in der gasförmigen Mischung zu einer Flüssigkeit oder - wenn keine flüssige Phase existiert - zu einem
Feststoff zu kondensieren beginnt. Dieser Kondensationspunkt einer gasförmigen Mischung hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung
der Mischung ab; wenn diese Zusammensetzung sorgfältig kontrolliert werden kann, kann die Mischung nur 5°C. oberhalb des Kondensaionspunktes gehalten werden um sicherzustellen, daß die
Metallchloride vor dem Abkühlen praktisch alle in der Gasphase vorliegen. Bei der industriellen Chlorierung metallhaltiger Materialien jedoch, ωό die Zusammensetzung der gasförmigen Mischung
im Verlauf der Chlorierung etu/as variieren kann, u/ird die Temperatur der gasförmigen Mischung zweckmäßig mindestens 2O0C. oberhalb des Kondensationspunktes gehalten, damit die Metallchloride
der Mischung mit Sicherheit praktisch alle vor dem Abkühlen sich in der Gasphase befinden.
Die maximalen Vorteile der vorliegenden Erfindung erzielt man, wenn die gasförmige Mischung mindestens ein Metallchlorid mit
einem breiten Flüssigkeitstemperaturbereich, z.B. von mindestens 100 C, und einen relativ hohen Gefrierpunkt, d.h. die Temperatur,
bei welcher eich die Flüssigkeit zu verfestigen beginnt, aufweist.
Wenn z.B. ein verflüssigtes Metallchlorid einen Gefrierpunkt mindestens 5O0C. oberhalb der Temperatur der Reaktorwände hat, kann
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es eich auf den Wänden der Vorrichtung, durch welches es transportiert uilrd, verfestigen und allmählich ein schweres Verstopfen
bewirken. Ein typisches Metallchlorid mit diesen Eigenschaften ist das oben beschriebene Ferrochlorid. Um ein Verstopfen der
Behandlungsvorrichtung zu vermeiden, ist es entscheidend, daß die gasförmige Mischung schnell und praktisch vollständig unterhalb
den Gefrierpunkt mindestens eines Metallchlorids in der gasför-
wird.
migen Mischung abgekühlt/, wobei das Chlorid mit dem breiten
riü88igkeitstemperaturbereich bevorzugt wird, so daß die problematische flüssige Phase so schnell wie möglich, vorzugsweise in
weniger als einer Sekunde, durchlaufen wird, damit praktisch keine Kondensation der Flüssigkeit und kein anschließendes Gefrieren
auf der Vorrichtung erfolgt. "Praktisch keine Kondensation" der auf der Vorrichtung gefrierenden Flüssigkeit bedeutet, daß sich
zwar eine geringe Menge an Feststoff auf den Vorrichtungsoberflächen bilden kann, daß jedoch die Feststoffmenge nicht ausreicht, um beim längeren Betrieb ein Verstopfen zu bewirken.
Erfindungsgemäß erfolgt das Abkühlen der gasförmigen Mischung, indem man diese mit mindestens einem Strom eines flüssigen Kühlmittels in Berührung bringt. Dieses sollte eine Substanz sein, die
weit unterhalb der Temperatur, auf die die gasförmige Mischung abgekühlt werden soll, z.B. Zimmertemperatur, flüssig ist, die
gegenüber den Metallchloriden praktisch inert ist und leicht von diesen abgetrennt werden kann. Eine flüssige Form des Metallchloride in der gasförmigen, zu kühlenden Mischung mit dem niedrigsten
Kondensationspunkt ist zweckmäßig und wird bevorzugt, da nach dem Abkühlen der gasförmigen Mischung zwecke Kondensieren einer höher
kondensierenden Metallchloridkomponente das flüssige Metallchlorid·
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kühlmittel verdampft wird und später mit demselben, ursprünglich
in der gasförmigen Mischung anwesenden Metallchlorid isoliert werden kann. So wird z.B. flüssiges Titantetrachlorid zum Abkühlen
der gasförmigen Mischung aus der Chlorierung von ferrotitanhaltigen Materialien empfohlen. Es können Jedoch auch andere Flüssigkeiten, wie Tetrachlorkohlenstoff, Methylenchlorid, Chlor oder
Mischungen derselben, verwendet werden.
Zum schnellenund vollständigen Kühlen der gasförmigen Mischung
sollte das flüssige Kühlmittel in Form eines flüssigen Stromes
von hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise von ausreichender Ge-
8chwindigkeit, um mehr als 1,0 Jet HP pro ft
Querschnittsfläche der Kontaktzone, zu ergeben« dabei kann
Det HP/ft. aus der folgenden Gleichung berechnet werden:
Dabei sind
lbs/sec = Flüssigkeitsmenge aus der Düse
g. = 32,3 ft./see2
Der flüssige Strom von hoher Geschwindigkeit sollte vorzugsweise
in Form eines Kegels vorliegen. Während der Kegelwinkel zur allgemeinen Durchführung des erfindungsgemäQen Verfahrens nicht besonders entscheidend ist, beträgt er vorzugsweise weniger als
für das wirksamste Mischen des Kühlmittels. In der Praxis wird gewöhnlich eine gasförmige Mischung aus einer Chlorierungeanlage
Ober eine Leitung geführt, die viele verschiedene Konfigurationen haben kann. Wenn die Leitung ein relativ enges Rohr ist, sollte
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der Kegelwinkel möglichst klein sein.
Zur Bildung eines flüssigen Stromes von hoher Geschwindigkeit
können viele verschiedene Flüssigkeitsabgabevorrichtungen, wie Düsen oder andere rohrförmige Vorrichtungen mit einer verengten
Öffnung an einem Ende, verwendet werden. Eine besonders geeignete, in der US PS 3 803 805 beschriebene Vorrichtung besteht
aus einem Rohr, das am Einlaßende eine Zuführung für die Flüssigkeit besitzt, die dann durch das Rohr und eine verengte
öffnung am Austrittsende gepumpt wird, wobei die Austrittsöffnung so konstruiert ist, daß die Flüssigkeit zu einem 20° breiten
Kegel verteilt uiird. Der so verteilte flüssige Strom darf nicht
mit einem flüssigen Schauer verwechselt werden, die aus üblichen Sprühdüsen von geringer Geschwindigkeit ausgestoOen wird«
Während die Flieörichtung des flüssigen Stromes in jedem Winkel
relativ zur Fließrichtung der gasförmigen Mischung liegen kann, befindet sich die FlieGrichtung des flüssigen Stromes für die
wirksamste Kühlung vorzugsweise im Gegenstrom zur Fließrichtung der gasförmigen Mischung. Unter Bedingungen eines Gegenstromflusses
wird eine maximale Turbulenz, d.h. ein Mischen von Gas und Flüssigkeit, erreicht. Weiter begünstigt die bessere Verteilung
der Flüssigkeit in der gasförmigen Mischung eine gleichmäßig verteilte schnelle Kühlung und ein vollständiges Verdampfen des
flüssigen Kühlmittels in weniger als einer Sekunde nach erfolgtem Kontakt. Ein Gleichstromfließen des flüssigen Stromes liefert
eine zufriedenstellende Kühlung, erfordert jedoch eine etwas längere Kontaktzeit, um ein vollständiges Verdampfen des flüssigen
Kühlmittels sicherzustellen.
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liehe Geschwindigkeit des Ausflusses in der Kontaktzeite am
Berührungspunkt mit dem flüssigen Strom mindestens gleich der
pneumatischen ruhrungegeschiuindigkeit ist. Die "pneumatische FUhrungsgeschufindigkeit" ist die Gasgeschwindigkeit, bei u/elcher
flüssige Tröpfchen und fein zerteilte Materialien im Gasstrom euspendiert bleiben und dadurch in Richtung des Gasflusses weitergeführt werden· Wenn sich die Richtung des flüssigen Kühlmittelstromes von hoher Geschwindigkeit im Gegenstrom zur FlieOrichtung
der gasförmigen Mischung befindet, dann sollte die Geschwindigkeit der gasförmigen Mischung mindestens gleich der Flutungsgeschwindigkeit sein. Die hier verwendete Bezeichung "Flutungsgeschwindigkeit" ist das bekannte Phänomen, das auftritt, wenn die Gasschwebend
geschwindigkeit ausreicht, eine Flüssigkeit/in einem offenen Rohr
aufechtzuhalten (vgl. z.B. die US PS 3 350 075). Solche Flutungsgeschwindigkeiten erfolgen gewöhnlich bei Gasgeschwindigkeiten
um etwa 300-600 m/min, der tatsächliche Wert kann jedoch
von den besonderen, in Frage kommenden Gasen und Flüssigkeiten abhängen.
Wird die gasförmige Metallchloridmischung durch Chlorierung eines metallhaltigen Materials gebildet, dann muQ die erfindungsgemäße Kühlung außerhalb der Chlorierungsanlage oder Reaktionszone erfolgen. Mit anderen Worten, der Punkt, an welchem der
flüssige Kühlmittelstrom von hoher Geschwindigkeit mit der gasförmigen Mischung in Berührung gebracht wird, d.h. die Kontaktzone, muß von der Reaktionszone entfernt sein, um eine Verringerung der Temperatur der Chlorierung zu vermeiden.
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Die Temperatur» auf die die gasförmige Mischung erfindungegemäO
abkühlt wird, hängt von den thermischen eigenschaften, z.B. dem
Kondensationspunkt, dem Flüseigkeitstemperaturbereich und Gefrierpunkt, der verschiedenen Metallchloride in der gasförmigen Mischung und davon ab, ob man Jedes Metallchlorid allein oder zwei
oder mehrere zusammen abzutrennen wünscht. Enthält der AusfluQ eine Metallchloridmischung, deren Gefrierpunkte ausreichend u/eit
auseinander liegen, z.B. mindestens 50C. und vorzugsweise mindestens 2O0C. und liegen Metallchloride mit einer flüssigen Phase,
deren Flüs~sigkeitstemperaturbereiche sich nicht überlappen, vor,
dann kann Jedes Metallchlorid getrennt zu einem fein zerteilten Feststoff aus der gasförmigen Mischung kondensiert werden, indem
man zuerst die gasförmige Mischung auf eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes des am höchsten siedenden Metallchlorid in der
gasförmigen Mischung, vorzugsweise mindestens 50C. unterhalb des
Gefrierpunktes, abkühlt, wobei man mindestens 50C. oberhalb des
Gefrierpunktes des Metallchlorids mit dem nächst höheren Siedepunkt in der gasförmigen Mischung bleibt. So wird das am
höchsten siedende Material zu einem fein zerteilten Feststoff oder "Schnee" kondensiert und kann gegebenenfalls durch eine Zyklonvorrichtung oder andere übliche Feststoff/Gas-Trennvorrichtungen entfernt werden, bevor man das Metallchlorid mit den nächst
höheren Siedepunkt entfernt. Wenn die Flüssigkeitstemperaturbereiche oder Gefrierpunkte bestimmter Metallchloride in der gasförmigen Mischung überlappen oder wenn eine Gruppe von Metallchloriden in einem Kühlvorgang entfernt werden soll, dann sollte die
gasförmige Mischung auf eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes des Metallchloride mit dem niedrigsten Siedepunkt der
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zu kondensierenden Gruppe abgekühlt uierden. Auf diese Weise
können zuiei oder mehrere Metallchloride gemeinsam abgetrennt »erden.
Bei einer im wesentlichen aus Titantetrachlorid, Ferrichlorid und
Ferrochlorid bestehenden Mischung ist es entscheidend, daß ihre
Temperatur oberhalb des Kondensationspunktes von Ferrochlorid, vorzugsweise mindestens 2O0C. oberhalb desselben, liegt, bevor
abgekühlt wird. Ferrochlorid hat bei weitem den höchstens Kondeneationspunkt der Hauptkomponten der Mischung und den breitesten
Flüssigkeitstemperaturbereich. Der Kondensationspunkt von Ferrochlorid variiert mit der Zusammensetzung der gasförmigen Mischung,
insbesondere bezüglich des Molprozentsatzes an Ferrochlorid, relativ zur Gesamtmolanzahl an vorhandenen Ferro- und Ferrichlorid,
Weiterhin bewirkt ein Verdünnen der gasförmigen Mischung mit einem inerten Gas oder Titantetrachlorid die Verminderung des
Kondensationspunktes von Ferrochlorid· Verdünnungsmittel können auch zur Temperaturkontrolle zweckmäßig sein. Kohlendioxid,
Kohlenmonoxid und Stickstoff sind die üblicherweise in der gasförmigen Mischung angetroffenen Verdünnungsmittel, wenn die
Mischung aus der Dampfphasenchlorierung eines ferrotitanhaltigen Materials gebildet wird. Diese Verdünnungsmittel sind Reaktionsprodukte eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes im Chlorierungsofen zur Bildung der für das Verfahren notwendigen hohen Temperaturen und reduzierenden Bedingungen. Im tatsächlichen Betrieb liegt der Kondensationspunkt von Ferrochlorid zwischen etwa
700-9000C. Ein übliches Verfahren unter Verwendung von Ilmenit
mit 30 Gew.-% Eisenoxid liefert z.B. einen Ferrochloridkondensationspunkt von etwa 800-8500C. Ee wird bevorzugt, die gasförmige
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Mischung erfindungsgemäß schnell und vollständig auf eine Temperatur unter 6000C1 insbesondere unter 50O0C, Jedoch über 35O0C.
abzukühlen, um die praktisch vollständige Abtrennung der Ferrochlorid in Form feiner Teilchen sicherzustellen, die pneumatisch
durch die gasförmige Mischung leicht transportiert werden. Das Ferrichlorid kann nach Entfernung des fein zerteilten Ferrochlorids
durch weiteres Abkühlen der gasförmigen Mischung auf eine Temperatur zwischen 175-25O0C. unter Verwendung eines zweiten flüssigen
Strahls abgetrennt werden. Besteht kein Bedürfnis zur getrennten Gewinnung der Eisenchloride, dann kann die gasförmige Mischung
erfindungsgemäß sofort auf eine Temperatur zwischen 175-25O0C.
abgekühlt werden, um Ferro- und Ferrichlorid gemeinsam abzutrennen
und die Notwendigkeit zum weiteren Abkühlen der £psförmigen Mischung in üblichen Vorrichtungen zu eliminieren, wie den in der
US PS 3 628 913 beschriebenen Sprühkühlern· Gegebenenfalls kann jedoch die gasförmige Mischung nach der Abtrennung des Ferrochlorids
mit oder ohne dasselbe in fein zerteilter Form weiter durch übliche
Sprühkühler abgekühlt werden, da sich das Ferrochlorid in fein zerteilter Form befindet und beim weiteren Abkühlen nicht verflüssigt.
Bei der Behandlung ferrotitanhaltiger Materialien kann man das
Problem einer Verstopfung durch Ferrochlorid umgehen, indem man ferrotitanhaltige Materialien mit so geringem Eisengehalt verwendet, z.B. unter 10 Gew.-^, berechnet als Fe2O3, daß die Eisenchloridmenge, selbst als Ferrochlorid, zur Bildung wesentlicher
Probleme nicht ausreicht. Da ferrotitanhaltige Materialien mit geringem Eisengehalt nicht immer verfügbar oder wirtschaftlich
sind, kann ein minderwertigeres ferrotitanhaltiges Material, z.B.
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aus mehr als 10 Gew.-# Eisen, berechnet als Fe2O3, und geu/öhnlich
bis zu 50 Gew.-# Eisen, berechnet als Fe2O3, unter Verwendung
von überschüssigem Chlor chloriert werden, so daß Ferrichlorid da β hauptsächliche gebildete Elsenchlorid ist« Obgleich zwar die
Chlorierung unter Bildung von Ferrichlorid ein Verstopfen der Anlage im wesentlichen eliminiert, können die wirtschaftlichen
Nachteile aufgrund des notwendigen überschüssigen Chlorierungs
mittele hoch sein. De höher daher der Eisengehalt im ferrotitan-
BiIdung haltigen Material, umso höher sind die Chlorierungskosten zur/von
Ferrichlor-id. Die vorliegende Erfindung schafft eine wirksame
Verarbeitung ferrotitanhaltiger Materialien auf Ferro-basis, d.h. mindestens 85 Gew.-^ des Eisengehaltes des ferrotitanhaltigen
Materials werden zu Ferrochlorid chloriert, und zwar ohne Verstopfen und ohne überschüssiges Chlorierungsmittel·
Für das erfindungsgemäOe Verfahren können viele verschiedene
übliche Vorrichtungen verwendet werden. Eine Ausführungsform ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. In der Praxis betritt ein metallhaltiges Material, z.B. ein Ferrotitanmaterial, einen Chlorierungsofen 1 durch den MaterialeinlaQ 2. Ein Chlorierungsmittel,
wie gasförmiges Chlor, tritt durch den GaseinlaG 3 ein und reagreagiert mit dem metallhaltigen Material in dor Reaktionszone 4.
Dann läuft die gasförmige Metallchloridmischung aus der Chlorierungsreaktion aus der Reaktionszone 4 zur Kontaktzone 5, wo
sie mit einem flüssigen Kühlmittelstrom hoher Geschwindigkeit 6 in
Berührung kommt. Das flüssige Kühlmittel wird in einem ersten Lagertank 7 gelagert und unter Druck durch die Düse 8 in die Kontaktzone 5 geführt. Nach Berührung mit dem flüssigen Kühlmitteletrom hoher Geschwindigkeit 6 in der Kontaktzone 5 wird mindestens
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ein Matallchlorid ale fein zerteilter Festetoff 9 abgetrennt, der
pneumatisch durch die Leitung 10 mit den restlichen Komponenten der gasförmigen Mischung zum Sprühkühler 11 transportiert wird.
Gegebenenfalls kann der fein zerteilte Feststoff 9 vor Eintritt in den Sprühkühler 11 entfernt werden, indem man eine übliche
(nicht gezeigte) Gas/Feststoff/Gas-Trennvorrichtung, z.B. eine
Zyklonvorrichtung, an einem Punkt in der Leitung 10 anbringt. Ohne Entfernung des fein zerteilten Feststoffes 9 betreten die
gasförmige Mischung und der pneumatisch transportierte Feststoff 9 den Sprühkühler 11, indem sie von dem mit einer keramischen
Isolierung 13 versehenen Einlaß 12 zum ringförmigen, ebenfalls mit einer keramischen Isolierung 13 versehenen Dampfverteiler
14 laufen. Der Verteiler 14 formt die gasförmige Mischung und
den Feststoff 9 zu einem absteigenden zylindrischen Vorhang aus der Dampf/Feststoff-Mischung 15, die die Sprühkammer 16 betritt.
Das flüssige Kühlmittel wird zum Sprühkühler 11 aus dem Lagertank 17 zugeführt; es läuft aus diesem durch Leitung 18 zu einem
Propeller 19, der sich auf der Achse des zylindrischen Vorhangs der Dampf/Feststoff-Mischung 15 befindet. Nach Kontakt mit dem
durch Motorantrieb 20 getriebenen Propeller vuird das flüssige Kühlmittel durch die gesamte Dampf/Feststoff-Mischung zu derem
weiteren Abkühlen dispergiert, um die restlichen wesentlichen
Metallchloride in der gasförmigen Mischung mit Ausnahme von einem zu verfestigen. Das im gasförmigen Zustand verbleibende
Metallchlorid verläßt den Sprühkühler durch den Ausgang 21. Die festen Metallchloride werden durch die Transportvorrichtung 22
entfernt.
809816/07*3 - 17 -
Das folgende Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung,
ohne sie zu beschränken·
B e i s ρ ie I
Dieses Beispiel zeigt das erfindungsgemäQe Verfahren unter Verwendung einer gasförmigen Mischung aus der Chlorierung eines
ferrotitanhaltigen Material, in welchem mehr als 99 Gew.-^ der
Eisenkomponente zu Ferrochlorid chloriert wird. Das Verfahren
wird, zur Verwendung in einer Anlage gemäß Fig. 1 beschrieben.
Eine Mischung aus Ilmenit mit etwa 62 Gew.-% TiO2 und 32 Gew.-%
Eisen, berechnet als Fe2O,, wurde mit ausreichender Geschwindigkeit in eine Chlorierungsanlage gegeben, um 9,68 m /see GasausfluQ bei 98O0C. zu bilden, der 100 kg Ferrochlorid pro kg Ferrichlorid enthielt. Das AusfluQgas wurde aus der Chlorierungsnlage
zu einer Transportleitung geführt, wo es mit einem Gegenstromstrahl
aus flüssigen Titantetrachlorid mit einer FlieOgeschwindigkeit
von 760 l/min in Berührung gebracht und in weniger als einer Sekunde auf 4600C. abgekühlt wurde. Das erhaltene, fein zerteilte
Ferrochlorid wurde von dem restlichen gekühlten Gas durch die Transportleitung zu einem üblichen Sprühkühler gemäß Fig. 1 geführt und weiter auf 21O0C. abgekühlt, um Verunreinigungen, wie
Ferrichlorid, in den festen Zustand zu kondensieren, während das
Titantetrachlorid als Gas aufrechterhalten blieb. Dieses wurde
dann aus dem Sprühkühler entfernt, um in weiteren Verfahren gereinigt zu werden, während die im wesentlichen aus Ferrochlorid
bestehenden Feststoffe vom Boden des Sprühkühlers durch eine Förderschnecke entfernt werden.
809816/0743 - 18 -
Dae obige V/erfahren wurde kontinuierlich 7 Tage lang durchgeführt;
während dieser Zeit wurde entlang der Transportleitung kein Druckabfall festgestellt, u/as zeigte, daß sich dort keine
wesentlichen Mengen an Material akkumuliert hatten. Nach der kontinuierlichen Betriebsdauer wurde das Innere der Vorrichtung
untersucht und zeigte keinen merklichen Aufbau von Feststoffen.
809816/0743
- 19 ·
Leerseite
Claims (1)
- Patentansprüche1,- Verfahren zur Gewinnung von Metallchloriden aus einer gasförmigen, im wesentlichen aus mindestens zwei gasförmigen Metallchloriden bestehenden Mischung, dadurch gekennzeichnet, daß man die gasförmige Mischung bei einer Temperatur oberhalb des Kondensationspunktes der gasförmigen Mischung mit mindestens einem Flüssigkeitsstrom zum schnellen Abkühlen praktisch der gesamten ■ gasförmigen Mischung auf eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes mindestens eines der Metallchloridp in der gasförmigen Mischung in Berührung bringt, wobei die Geschwindigkeit der gasförmigen Mischung mindestens gleich der pneumatischen Führungsgeschwindigkeit bei der Kontaktzone ist und die Abkühlgeschwin dig. keit praktisch der gesamten gasförmigen Mischung unter einer Sekunde liegt,2,- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes ausreicht, um mindestens1,0 jet HP/ft Querschnittsflache der Kontaktzone zu ergeben.3,- Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom im Gegenstrom zur FlieGrichtung der gasförmigen Mischung gerichtet wird.4,- Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der gasförmigen Mischung mindestens gleich der Flutungsgeschw.indigkeit an der Kontaktzone ist.80981R/0743
- 20 -ORIGINAL INSPECTEDI 27457Q7 - ai -5.- Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Mischung im wesentlichen aus Titantetrachlorig, Ferrichlorid und Ferrochlorid besteht und als Flüssigkeitsstrom mindestens eine Verbindung aus Titantetrachlorid, Tetrachlorkohlenstoff, Methylenchlorid und/oder Chlor verwendet wird.Der Patentanwalt:8098 Iß/0743 - 21 -
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