DE3702052C1 - Verfahren zur Herstellung von Natriumalkoholat hoher Reinheit aus dem Filtrationsrueckstand von schmelzelektrolytisch gewonnenem Rohnatrium - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Natriumalkoholat hoher Reinheit aus dem Filtrationsrueckstand von schmelzelektrolytisch gewonnenem RohnatriumInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Natriumalkoholat mit niedrigem Gehalt an Natriumoxid,
-hydroxid und -carbonat aus dem Natrium enthaltenden
Rückstand, der bei der Filtration von flüssigem
Rohnatrium aus der Schmelzflußelektrolyse anfällt, durch
Umsetztung mit einem Alkohol und Gewinnung in Form einer
Lösung in dem zur Umsetzung verwendeten Alkohol und
gegebenenfalls Gewinnung des festen Alkoholats durch
Abdestillieren des Lösungsmittels.
Das durch Schmelzflußelektrolyse bei etwa 600°C
hergestellte Natrium, das sog. Roh-Natrium, enthält ca.
2 Gew.-% Verunreinigungen. Neben geringen Mengen
mitgerissener Tiegelschmelze (BaCl₂, CaCl₂, NaCl) und
Oxiden, Hydroxiden sowie Carbonaten des Natriums und
Calciums liegt vornehmlich metallisches Calcium vor, das
während der Abkühlung auf eine Temperatur von ca. 120°C
weitgehend ausseigert und bei dieser Temperatur zusammen
mit den übrigen Verunreinigungen durch Filtration
mittels eines Stahlgewebefilters abgetrennt wird.
Der Calciumgehalt des so auf sog. Normalqualität
gereinigten Natriums liegt in der Regel bei 300 - 600 ppm,
die Sauerstoff- und Chloridgehalte liegen jeweils
unter 10 ppm. Der Filterrückstand, der sog.
Filterschlamm, hat dagegen Calciumgehalte von ca.
15 - 21 Gew.-%, im Mittel ca. 17 Gew.%. Durch Auspressen
des Filterschlamms in einer Kolbenpresse mit
Spaltsiebzylinder bei Drucken von
150 - 250 bar wird ein erheblicher Teil des Natriums
wiedergewonnen, so daß sich der Calcium-Gehalt der
anfallenden Preßkuchen auf ca. 25 - 33 Gew.-%, im Mittel
auf ca. 29 Gew.-%, erhöht. Mit den Preßkuchen, die somit
immer noch größere Mengen Natrium enthalten, wird in einer
Preßkuchenaufarbeitungsanlage eine verdünnte Natrium
hydroxid-Calciumhydroxid-Lauge hergestellt (US-PS 26 60 517);
die Lauge kann z. B. zur Neutralisierung saurer Betriebs
abwässer eingesetzt werden.
Da die Bildung eines Natriumhydroxid-Kalkmilch-Gemisches
aus den Preßkuchen nicht ungefährlich ist und wegen der
dabei unvermeidbaren Ausbildung von Natriumoxid-Aerosolen
zum Schutz der Umwelt eine kostspielige Abluftreinigung
mittels spezieller Filteranlagen, z. B. des Brink-Typs,
erfordert, wurde nach Möglichkeiten gesucht, mit denen
sich die apparativ aufwendige und hinsichtlich der
Natrium-Rückgewinnung wenig effektive Preßkuchengewinnung
wie die problematische Umarbeitung der Preßkuchen zur sog.
Preßkuchenlauge vermeiden ließe.
Das nachfolgend angegebene erfindungsgemäße Verfahren löst
die genannten Probleme auf überraschend einfache Weise
durch ein gezieltes Herauslösen des in dem Filtrations
rückstand von schmelzelektrolytisch gewonnenem Rohnatrium
enthaltenen Restnatriums mit Alkohol, vornehmlich Methanol,
gemäß der bekannten Reaktion
Na + ROH → RONa + 1/2 H₂
Für Natriumalkoholate, insbesondere das Methylat, herrscht
weltweit ein große Bedarf. So wird Natriummethylat in der
chemischen Industrie ( z. B. als Kondensations-, Vereste
rungs- und Umesterungsmittel), in der pharmazeutischen
Industrie (z. B. als Katalysator zur Synthese von Sulfona
miden, Barbitursäure, Vitamin B₁), in der Speiseöl- und
Fettindustrie (z. B. zur Verbesserung der Trocknung von
Pflanzenölen) und in der Waschmittel- und Lackindustrie
benötigt. Die Verbindung gelangt hierzu meist in Form
von ca. 20 - 30 gew.-%igen alkoholischen Lösungen in den
Handel, wobei die zulässigen Grenzen an Natriumoxid,
Natriumhydroxid und Natriumcarbonat (als Natriumhydroxid
gerechnet) bei maximal 0,5 Gew.-% angesetzt sind.
Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich sowohl zur
Gewinnung von Alkoholatlösungen (in dem
korrespondierenden Alkohol des Alkoholats) als auch zur
Gewinnung von Alkoholaten als Feststoff.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur
Herstellung von Natriumalkoholat mit niedrigem Gehalt an
Natriumoxid, -hydroxid und -carbonat aus dem Natrium
enthaltenden Rückstand, der bei der Filtration von
flüssigem Rohnatrium aus der Schmelzflußelektrolyse
anfällt, durch Umsetzung mit einem Alkohol und Gewinnung
in Form einer Lösung in dem zur Umsetzung verwendeten
Alkohol und gegebenenfalls Gewinnung des festen
Alkoholats durch Abdestillieren des Lösungsmittels. Das
Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man, jeweils
unter Inertgas, den in üblichen Mengen Natrium,
legiertes und suspendiertes Calcium, durch
Lufteinwirkung gebildete Oxidationsprodukte des Natriums
und Calciums und gegebenenfalls organische Substanz
enthaltenden Rückstand 2 - 6 Stunden bei Temperaturen im
Bereich von 300 - 600°C unter intensivem Durchmischen
thermisch behandelt, dann zu Formstücken verarbeitet
oder durch Rühren auf eine Temperatur nicht zu weit
oberhalb des Natriumschmelzpunktes abkühlt und
weiterrührt, ihn herauf in der festen oder fließfähigen
Einsatzform der für die gewünschte Endkonzentration der
Natriumalkoholatlösung benötigten Menge des Alkohols
unter Rühren zusetzt, den Reaktionsablauf bei Bedarf
durch Wärmezufuhr unterstützt und nach beendeter
Reaktion die Alkoholatlösung durch Filtration von den
unlöslichen Verunreinigungen trennt.
Wenn im Rückstand organische Substanz anwesend ist, hat
es sich als vorteilhaft erwiesen, diesen 3 - 6 Stunden
bei 400 - 600°C zu tempern.
Mit dem vorgestellten Verfahren lassen sich
beispielsweise methanolische Lösungen aus
Calciummethylat-freiem Natriummethylat mit geringem
Gehalt an Natriumoxid, Natriumhydroxid und
Natriumcarbonat, gerechnet als NaOH, von <0,5 Gew.-% und
durch Abdestillieren des Lösungsmittels entsprechend
reines Festprodukt mit einem Rest-Hydroxidgehalt,
gerechnet als NaOH, von <2 Gew.-% gewinnen. Die
erfindungsgemäß erhältlichen Alkoholatlösungen lassen
sich in dem jeweils durch die Sättigungstemperatur
vorgegebenen Rahmen mit beliebigen Konzentrationen
herstellen. Bevorzugt sind bei Natriummethylat die vom
Handel gewünschten Gehalte von 21 und 30 Gew.-%.
Das Verfahren soll in allen Stufen unter Luft- und
Feuchtigkeitsausschluß durchgeführt werden. Es wird mit
Inertgasspülung gearbeitet. Verwendbare Inertgase sind
Edelgase wie Argon oder Stickstoff. Zum Einsatz gelangt
der unter anderen Bestandteilen etwa 78 - 84 Gew.-%
Natriummetall enthaltende Filtrationsrückstand aus der
Filtration des flüssigen Rohnatriums der Schmelzfluß
elektrolyse. Wesentlich für die Gewinnung eines NaOH-
armen Alkoholats ist die Einhaltung der vorgeschriebenen
Temperaturen und Behandlungszeiten der unter
fortwährendem intensiven Durchmischen des
Filterrückstands vorzunehmenden thermischen Behandlung.
Das thermisch behandelte Material kann, wenn es zu
Formstücken verarbeitet wird, in kaltem oder mäßig
warmen Zustand (Temperaturen zwischen Raumtemperatur
und einer Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts
von Natrium) in den vorgelegten Alkohol eingetragen werden.
Für den alternativ möglichen, verfahrenstechnisch einfache
ren und daher industriell vorzuziehenden Eintrag als fließ
fähige Masse wird es auf Temperaturen nicht zu weit ober
halb des Natriumschmelzpunkts (z. B. 120°C) gehalten. Der
Alkohol wird stets im Überschuß vorgelegt, wobei der
Gesamt-Metallgehalt des zu verarbeitenden Filterrückstands
bei den für die Herstellung der Alkoholatlösungen einge
setzten Alkoholmengen jeweils vollständig umgesetzt wird.
Während des Eintrags des Natrium-haltigen Filterrückstands
und der Dauer der Alkoholatbildung wird der Reaktionsge
fäßinhalt durch Rühren in Bewegung gehalten.
Bei Verwendung z. B. von Methanol steigt die Temperatur
nach dem Eintrag der für eine gewünschte Endkonzentration
an Methylat berechneten Rückstandsmenge schnell bis zum
Siedepunkt von Methanol (64,7°C) an. Mit zunehmender
Methylat-Konzentration erhöht sich der Siedepunkt etwa wie
folgt.
10 Gew.-%:auf ca. 70°C;
20 Gew.-%:auf ca. 80°C;
30 Gew.-%:auf ca. 90°C;
Das verdampfende Methanol wird in einem Rückflußkühler
kondensiert und läuft in das Reaktionsgefäß zurück.
Mit zunehmender Aufkonzentrierung des Natriummethylats
wird die Reaktion, insbesondere bei Fehlen einer Wärme
isolation um das Reaktionsgefäß, langsamer, so daß Heizen
erforderlich wird, um die Reaktion zum Abschluß zu bringen.
Sie läßt sich dadurch quantitativ durchführen.
Der in großen Mengen anfallende und über den Rückflußkühler
entweichende Wasserstoff kann aufgefangen und bei industri
eller Produktion allein oder in Mischung mit Erdgas zu
Beheizungszwecken verwendet werden. Wenn eine solche Ver
wertung nicht möglich ist, kann der geringfügige Methanol
mengen enthaltende Wasserstoff gefahrlos abgefackelt werden.
Die erhaltene Natriummethylatlösung muß nun von einem in
ihr suspendierten feinen grauen Schlamm getrennt werden.
Dieser Schlamm besteht insbesondere aus nicht umgesetzten
Verunreinigungen des verarbeiteten Filterschlamms sowie
aus Calciummethylat, das sich durch Umsetzung des im zu
verarbeitenden Filterschlamm in Konzentrationen von durch
schnittlich ca. 17 Gew.-% enthaltenden Calciummetalls mit
Methanol bildet.
Die Trennung von Schlamm und Methylatlösung erfolgt durch
Filtration, am besten durch eine Druckfiltration. Das Fil
trat ist vollkommen calciumfrei (<1 ppm Ca) und enthält
im Mittel weniger als 0,2 Gew.-% an den unerwünschten
Natriumverbindungen. Es ist selbst dann völlig farblos,
wenn der eingesetzte Filterrückstand bei der mit der Passage
gefetteter Ventile verbundenen Überführung in das Reak
tionsgefäß organische Substanz aufgenommen hatte.
Durch Abdestillieren des überschüssigen Alkohols kann farb
loses pulvriges Natriummethylat erhalten werden. Die Her
stellung anderer Alkoholate kann auf entsprechende Weise
erfolgen.
Der anfallende, ca. 50 Gew.-% Natriummethylatlösung enthal
tende Filterkuchen kann zur Gewinnung des anhaftenden
Alkoholats noch mit Alkohol gewaschen oder auch direkt
verbrannt werden. Dabei bleibt im wesentlichen CaO zurück.
Dieses kann mit Wasser zu Kalkmilch abgelöscht werden.
Die Kalkmilch kann bei Bedarf zur Neutralisierung saurer
Werksabwässer verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen weiter erläutert:
Es wurde ein Filterschlamm aus der Rohnatrium-Filtration
mit einem Gesamtcalciumgehalt von 17,7 Gew.-% eingesetzt.
Zur thermischen Behandlung wurde ein 3 l-Labor-Rührreaktor
aus Edelstahl mit aufgeflanschtem Deckel mit Rührwerk und
Gaseinleitungs- und Gasableitungsrohr zur Argonspülung
benutzt. Er wurde mit 1,2 kg Filtersclamm gefüllt.
Die Beheizung erfolgte durch eine stufenlos regelbare Heiz
platte, Mantel und Deckel des Reaktors waren durch Mine
ralwolle wärmeisoliert. Nach dem Aufschmelzen des Filter
rückstands wurde kräftig mittels eines boden- und wandnah
gängigen Flügelrührers mit 150 Upm gerührt und eine End
temperatur von 500°C während 4 Stunden aufrecht erhalten.
Nach Erkaltenlassen unter Argon wurden Teilmengen in eine
rechteckige, 10 cm hohe (Abmessungen: Oben 12×32 cm,
unten 6×32 cm) Edelstahlform unter Argonatmosphäre abge
gossen und die Proben unter Schutzgas trocken aufbewahrt.
Zur Umsetzung des thermisch vorbehandelten Natriumfilter
schlamms mit Methanol wurde eine Glasschliffapparatur
benutzt, bestehend aus einem 2 l-Vierhalskolben mit auf
gesetztem Einlauftrichter für Methanol, einem Eintauch
thermometer, einer Schleuse zum Eintrag des in Würfel von
ca. 1 cm Kantenlänge zerschnittenen festen Filterschlamms
mit angesetztem Einführungssstutzen für das Inertgas, einem
Rückflußkühler für Kondensat sowie Abführung von Inertgas
und Wasserstoff über eine Abtauchung in Weißöl (Paraffinöl).
Das Rühren des Reaktionsgemisches erfolgte durch einen
Magnetrührer.
Wegen der heftigen Wasserstoffentwicklung bei der Reaktion
zwischen Natrium und Methanol sowie zwecks Vermei
dung einer Rückbildung von Natriumhydroxid und Alkohol durch
Luftfeuchtigkeit wurde für einen vollständigen Ausschluß
von Luft durch laufende Inertgasspülung gesorgt.
Zur Herstellung einer 30%igen Natriummethylat-Lösung aus
Rein-Natrium nach bekanntem Verfahren sind z. B. folgende
Mengen einzusetzen: 1000 ml Methanol (trocken, Restwasser
gehalt z. B. 0,013 Gew.-%) und 115,64 g Natrium.
Bei der Verarbeitung des thermisch vorbehandelten Natrium
haltigen Filterschlamms war die Feststoffzugabe aufgrund
einer vorangegangenen Analyse des Gesamtcalciumgehaltes
(17,7 Gew.-%) auf 140 g zu erhöhen. Eine genaue Einstellung
der Prozentigkeit der alkoholischen Produktlösung ist nach
Beendigung der Reaktion durch Vornahme einer einfachen
Alkalitätsbestimmung einer filtrierten Probe nach Hydrolyse
möglich; sie erfolgt bei Minderbefund entweder durch Nach
chargieren von Filterschlamm oder durch Entzug von Destillat
aus dem Rückfluß. Bei zu hohen Konzentrationswerten
erfolgt sie durch weitere Zugabe von Methanol.
Zur Ausführung der Umsetzung wurde der nach der thermischen
Vorbehandlung vergossene, erstarrte Filterschlamm rasch in
Würfel von etwa 1 cm Kantenlänge geschnitten, die errech
nete Menge (140 g/l) eingewogen, in die Schleuse überführt
und die Argonspülung in Betrieb gesetzt. Während die gesamte
Apparatur luftfrei gespült wurde, wurde die zur Einstellung
der gewünschten Endkonzentration erforderliche Alkoholmenge
(CH₃OH) über den Einfülltrichter in den Reaktionskolben
eingelassen und das Rührwerk angestellt. Nach Feststellung
von Sauerstoff-Freiheit im Apparaturraum durch Gasanalyse
wurden die Filterschlammwürfel aus der Schleuse in den
Kolben geschoben. Die exotherme Reaktion setzte prompt
ein, die Siedetemperatur des Methanols (64,7°C) war bald
(in 5 Minuten) erreicht, sie erhöht sich mit zunehmender
Konzentration an Methylat bis auf 90°C bei 30 Gew.-%
Es zeigte sich, daß die Reaktion mit Methanol bei höherer
Methylatkonzentration träger wird: Sie droht oberhalb von
etwa 25 Gew.-% Methylat einzuschlafen, wobei natürlich in
der Zeiteinheit weniger Wärmeenergie freigesetzt wird.
Dies zeigte sich daran, daß bei der gegebenen Wärmeab
strahlung des verwendeten Reaktionskolbens die Temperatur
stetig absank (was die Reaktionsgeschwindigkeit wiederum
verzögert). Der Kolbeninhalt wurde daher durch Beheizen
von außen mittels einer Pilzhaube auf Siedetemperatur
gehalten. Die Gesamtdauer der Reaktion konnte dadurch auf
ca. 1,5 Stunden herabgesetzt werden.
Die gewonnene Methylatlösung ist durch feinverteilte
unlösliche Stoffe graugefärbt und stark verunreinigt. Die
feinkristallinen Verunreinigungen (<2 µm) lassen sich
am besten durch eine Filtration unter hohem Druck abtrennen.
Verwendet wurde dazu das Einschichtenfilter Merkur EF 14/2
der Seitz-Werke, Bad Kreuznach, ausgelegt für einen
maximalen Druck von 3 bar. Die freie Filterfläche, belegt
mt der GORE-TEX®-Membrane C, betrug ca. 150 cm². Zur
Erhöhung der Filtrationsgeschwindikeit der hochviskosen
Methylatlösung wurde diese warm filtriert und dabei das
Filter bis nahe dem Siedepunkt der Alkoholatlösung, z. B.
auf ca. 70°C erhitzt. Es konnte ein farbloses klares
Filtrat erhalten werden, obwohl der zum Einsatz gelangte
Filterschlamm hier organische Fremdsubstanz in Form von
Schmierfett (ca. 0,1 Gew.-%) enthielt.
Gehalt an CH₃ONa=30,3%
Gehalt an NaOH + Na₂CO₃, als NaOH gerechnet= 0,19%
Gehalt an Ca=<1 ppm
(Atomabsorptionsspektro
graphisch)
Es wurde ein Filterschlamm aus der Rohnatrium-Filtration
mit einem Gesamtcalciumgehalt von 15,6 Gew.-% eingesetzt.
Zur Herstellung einer 20%igen Natriumethylatlösung werden
57,33 g Natrium/1000 ml Ethanol benötigt. Bei Einsatz und
Verarbeitung des Natriumfilterschlamms gemäß Beispiel 1
mußten somit 68.00 g des hier 6 Stunden bei 300°C thermisch
vorbehandelten Filterschlamms dem Alkohol zugesetzt werden.
Der vorgelegte Alkohol hatte einen Rest-Wassergehalt von
0,07 Gew.-%.
Gehalt an C₂H₅ONa=19,8%
Gehalt an NaOH + Na₂CO₃, als NaOH gerechnet= 0,37%
Gehalt an Ca= 1 ppm
(Atomabsorptionsspektro
graphisch)
Es wurde ein Filterschlamm aus der Rohnatrium-Filtration
mit einem Gesamtcalciumgehalt von 19,2 Gew.-% eingesetzt.
Der theoretische Natriumbedarf zur Herstellung einer
20%igen Natriumbenzylat-Lösung liegt bei 38,03 g Na/1000 ml
Benzylalkohol. Von dem unter Beispiel 1 eingesetzten
und hier 2 Stunden bei 600°C thermisch vorbehandelten
Natriumfilterschlamm wurden somit 47,00 g zur Alkoholat
bildung analog Beispiel 1 eingesetzt. Der benutzte Benzyl
alkohol hatte einen Rest-Wassergehalt von 0,06 Gew.-%.
Gehalt an C₆H₅CH₂ONa=20,3%
Gehalt an NaOH + Na₂CO₃, als NaOH gerechnet= 0,4%
Gehalt an Ca= 4 ppm
(Atomabsorptionsspektro
graphisch)
Es wurde ein Filterschlamm aus der Rohnatrium-Filtration
mit einem Gesamtcalciumgehalt von 18.0 Gew.-% eingesetzt.
Der Natriumbedarf zur Herstellung einer 10%igen Natrium
phenylethylat-Lösung liegt theoretisch bei 16,37 g Na/1000 ml
2-Phenylethanol. Bei Verwendung des gemäß
Beispiel 1 eingesetzten und hier 4 Stunden bei 550°C
thermisch vorbehandelten Natriumfilterschlamms mußten
20,00 g Schlamm dem vorgelegten Alkohol mit einem H₂O-
Gehalt von 0,03 Gew.-% zugesetzt werden.
Gehalt an C₆H₅CH₂CH₂ONa=10,1%
Gehalt an NaOH + Na₂CO₃, als NaOH gerechnet= 0,35%
Gehalt an Ca= 7 ppm
(Atomabsorptionsspektro
graphisch)
Claims (2)
1. Verfahren zu Herstellung von Natriumalkoholat mit
niedrigem Gehalt an Natriumoxid, -hydroxid und
-carbonat aus dem Natrium enthaltenden Rückstand,
der bei der Filtration von flüssigem Rohnatrium aus
der Schmelzflußelektrolyse anfällt, durch Umsetzung
mit einem Alkohol und Gewinnung in Form einer Lösung
in dem zur Umsetzung verwendeten Alkohol und
gegebenenfalls Gewinnung des festen Alkoholats durch
Abdestillieren des Lösungsmittels,
dadurch gekennzeichnet,
daß man, jeweils unter Inertgas, den in üblichen
Mengen Natrium, legiertes und suspendiertes Calcium,
durch Lufteinwirkung gebildete Oxidationsprodukte
des Natriums und Calciums und gegebenenfalls
organische Substanz enthaltenden Rückstand 2 - 6
Stunden bei Temperaturen im Bereich von 300 - 600°C
unter intensivem Durchmischen thermisch behandelt,
dann zu Formstücken verarbeitet oder unter Rühren
auf eine Temperatur nicht zu weit oberhalb des
Natriumschmelzpunktes abkühlt und weiterrührt, ihn
hierauf in der festen oder fließfähigen Einsatzform
der für die gewünschte Endkonzentration der
Natriumalkoholatlösung benötigten Menge des Alkohols
unter Rühren zusetzt, den Reaktionsablauf bei Bedarf
durch Wärmezufuhr unterstützt und nach beendeter
Reaktion die Alkoholatlösung durch Filtration von
den unlöslichen Verunreinigungen trennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Rückstand bei Anwesenheit organischer
Substanz 3 - 6 Stunden bei 400 - 600°C behandelt.
Priority Applications (5)
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