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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein System zur Behandlung mit flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall. Genauer ausgedrückt,
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung
von in Behältern enthaltenen
Einsatzmaterialien, ohne dass die Materialien zuerst aus den Behältern herausgenommen werden
müssen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Viele
Arten von Sondermüll
oder anderen Abfallmaterialien werden für die längerfristige Lagerung in Fässern, Tonnen,
Kästen
oder anderen Behältern
gesammelt. Diese Behälter
mit Materialien werden oftmals so lange gesammelt und gelagert,
bis eine Entscheidung über
ein angemessenes Entsorgungsverfahren für die Materialien getroffen
wurde. Von einigen Arten von Abfällen
haben sich durch die Lagerung sehr große Mengen angesammelt, da es schlicht
keine durchführbare
Entsorgungsalternative gegeben hat. Dies gilt insbesondere für die riesigen Mengen
von Mischabfällen,
die Halogenkohlenwasserstoffe und andere toxische Materialien aufweisen, vermischt
mit hoch radioaktiven und schwach radioaktiven Materialien oder
nicht gefährlichen
Materialien, die mit gefährlichen
und/oder radioaktiven Materialien kontaminiert wurden. In Behältern enthaltene Abfälle erzeugen
nicht nur das Problem der Entsorgung des gesammelten Abfallmaterials
selbst, sondern auch das Problem, dass die Behälter, die selbst kontaminiert
wurden, entweder behandelt oder entsorgt werden müssen.
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Es
ist bekannt, dass bestimmte chemisch aktive oder reaktionsfähige Metalle,
die bei erhöhten Temperaturen
in flüssigem
Zustand gehalten werden, die Fähigkeit
haben, organische Verbindungen, zu welchen auch gefährliche
Verbindungen wie z.B. Halogenkohlenwasserstoffe gehören, chemisch
zu reduzieren. Zu geeigneten reaktionsfähigen Metallen zählen Aluminium,
Magnesium, Lithium und Legierungen dieser Metalle, wie es in den
U.S.-Patenten 5,000,101 ,
6,069,290 und
6,355,857 (Wagner) beschrieben wird.
Der gesamte Gehalt jedes dieser früheren Patente wird durch diesen
Bezug hiermit in der vorliegenden Offenbarung integriert. Diese
flüssigen, reaktionsfähigen Metalle
reduzieren organische Moleküle
chemisch so, dass hauptsächlich
Wasserstoff- und Stickstoffgas, elementarer Kohlenstoff, künstliche
Kohle und Metallsalze produziert werden. Die meisten Metalle, die
mit den organischen Materialien vermischt sind oder in organischen
Molekülen
in den Abfallmaterialien gebunden sind, lösen sich auf oder verschmelzen
mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen Metall.
Metalle mit niedrigem Siedepunkt wie Quecksilber können in
einen gasförmigen
Zustand übergehen
und sich mit anderen Gasen aus dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
herauslösen.
Andere Metalle bilden Legierungen mit dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
oder trennen sich durch Schwerkrafttrennung von dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall.
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Ein
beständiger
Aspekt bei Prozessen zur Behandlung von Abfällen, bei welchen ein Bad eines flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls verwendet wird, besteht darin, einen ausreichenden Kontakt
zwischen dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall und dem Abfallmaterial selbst oder Zwischenverbindungen,
welche aus anfänglichen
Reaktionen zwischen dem Abfallmaterial und dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall entstehen, zu gewährleisten.
Obwohl es in manchen Fällen
wünschenswert
sein kann, die Reaktionen mit dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall zu
kontrollieren, um zu verhindern, dass das Einsatzmaterial vollständig reduziert
wird, ist es bei der Behandlung der meisten Abfallmaterialien wünschenswert,
einen ausreichenden Kontakt mit dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
zu gewährleisten,
um das Einsatzmaterial vollständig
zu reduzieren. Das Problem, für
die erforderliche Kontaktzeit zu sorgen, ist bei gasförmigen oder
flüchtigen
Materialien besonders kritisch, da sich derartige Materialien schnell von
dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall trennen und eine Blase an der Oberseite des Behälters für das flüssige, reaktionsfähige Metall
bilden. Das abgeschiedene Material muss im Allgemeinen wieder in das
flüssige,
reaktionsfähige
Metall eingepresst werden, um zu ermöglichen, dass die Reduktionsreaktionen
weitergehen oder schneller weitergehen. Das
U.S.-Patent Nr. 6,227,126 (Wagner)
ist gerichtet auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von
gasförmigem
und flüchtigem
Material in einem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall. Bei diesem System wird das Einsatzmaterial in eine Behandlungskammer
eingesprüht,
und der Strom bzw. Durchfluss von Gasen und reaktionsfähigem Metall
durch die Reaktionskammer wird beeinflusst, um die jeweiligen Materialien
zu vermi schen und einen ausreichenden Kontakt zu gewährleisten,
damit die gasförmigen
Materialien vollständig
reduziert werden.
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Das
U.S.-Patent 5,452,671 ist
gerichtet auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung eines
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls, um hochgefährliche,
flüssige
und gasförmige
Verbindungen, insbesondere Materialien, die als chemische Waffen oder
zur Erzeugung von chemischen Waffen verwendet werden, zu zerstören. Dieses
Patent offenbart die Behandlung eines Kanisters mit gefährlichen
Materialien, indem der Kanister in ein Bad aus flüssigem Metall
getaucht und unter der Oberfläche
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls gehalten wird. Das Patent offenbart einen einzigartigen
Tauchmechanismus, der Gase, die aus dem eingetauchten Behälter entweichen,
zwangsweise dazu bringt, sich an unterschiedlichen Sammelpunkten
in dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall anzusammeln und einem gewundenen Pfad durch das flüssige, reaktionsfähige Metall
zu folgen, bevor sie die oberste Oberfläche des reaktionsfähigen Metalls
erreichen. Die Gase dazu zu bringen, dass sie diesem gewundenen
Pfad durch die verschiedenen Sammelpunkte unter der Oberfläche folgen,
hatte den Zweck, für
den gewünschten Kontakt
zwischen dem reaktionsfähigen
Metall und den Chemikalien in dem Gas zu sorgen. Obwohl diese Eintauchanordnung
für viele
Anwendungsgebiete geeignet sein mag, besteht immer noch Bedarf an
einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Behandlung von in Behältern enthaltenen
Einsatzmaterialien in einem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall, um einen ausreichenden Kontakt zwischen dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall und dem Einsatzmaterial/Produkten von Zwischenreaktionen
zu gewährleisten und
es damit zu ermöglichen,
dass die gewünschten Reduktionsreaktionen
vollständig
ablaufen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Vorrichtung gemäß der Erfindung
weist einen Sicherheitsbehälter
für ein
flüssiges,
reaktionsfähiges
Metall auf, um ein erstes flüssiges,
reaktionsfähiges
Metall aufzunehmen und das reaktionsfähige Metall von der Atmosphäre zu isolieren.
Die Vorrichtung weist außerdem
eine Freigabekammer auf, die dazu vorgesehen ist, das erste flüssige, reaktionsfähige Metall
aus dem Sicherheitsbehälter
aufzunehmen. Eine Versenk- oder Eintauchanordnung, die zu der Vorrichtung
gehört,
ist dazu vorgesehen, einen Behälter
mit Einsatzmaterial in das flüssige,
reaktionsfähige
Metall einzutauchen bzw. darin zu versenken und den Behälter an
eine Freigabestelle in der oder neben der Freigabekammer zu bewegen.
Relativ leichte Materialien, die aus dem eingetauchten Behälter aufsteigen,
zu welchen nicht in Reaktion getretenes Einsatzmaterial, Zwischenreaktionsprodukte und
eventuell auch Endprodukte zählen,
sammeln sich in einem Sammelbereich an, der eine obere Fläche aufweist,
welche durch eine obere Fläche
der Freigabekammer definiert ist. Eine zu der Vorrichtung zählende Behandlungsanordnung
bringt die in dem Sammelbereich gesammelten Fluids mit dem ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall oder einem zweiten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall über
einen Zeitraum in Kontakt, der ausreicht, um die gewünschten
Reduktionsreaktionen zu bewirken.
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Die
vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass die Behälter mit
Einsatzmaterial als Einheit behandelt werden können und das Einsatzmaterial
vorzugsweise nicht aus dem Behälter
freigesetzt wird, bevor das Material in das flüssige, reaktionsfähige Metall
eingebracht wird. Das Einsatzmaterial wird zu unschädlichen
Verbindungen oder Elementen reduziert. Gefährliche Elemente wie radioaktive
Elemente und andere Metalle werden in dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
oder in einer Schlacke im Reaktor eingefangen. Die Behälter selbst
werden auch zerstört,
entweder durch chemische Reduktion im Fall von Kunststoff- oder
Papierbehältern,
oder durch Schmelzen und Auflösen
im Fall von Metallbehältern.
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Der
Begriff „Einsatzmaterial" wird in dieser Offenbarung
und in den anliegenden Ansprüchen verwendet,
um das Material zu beschreiben, das in der Vorrichtung und mit dem
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zu behandeln ist. Das Einsatzmaterial kann homogen sein
oder aus Mischungen von Materialien bestehen, zu welchen ungefährliche
Materialien, gefährliche
Materialien oder mit gefährlichen
Materialien kontaminierte Materialien gehören. „Zwischenreaktionsprodukte" bezeichnen teilweise
chemisch reduzierte Materialien, die im Verlauf der Reduktion der
Einsatzmaterialien erzeugt werden. „Endprodukte" bezeichnen Materialien,
die aus der vollständigen
Reduktion der Einsatzmaterialien durch Reaktion mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen Metall
hervorgehen. Es ist anzumerken, dass die Behälter, die zur Aufnahme von
Einsatzmaterialien verwendet werden, Kunststofffässer oder -tonnen, Metallfässer oder
-tonnen, Papier- oder Pappebehälter oder
eine beliebige andere Art von Behälter sein können, die verwendet werden
können,
um Einsatzmaterialien zur Behandlung in der vorliegenden Vorrichtung
zu halten oder aufzunehmen.
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Bei
einer Variation der Erfindung weist die Eintauchanordnung ein Tauchelement
auf, das dazu vorgesehen ist, sich entlang einem geneigten Pfad von
einem Behälter-Einsatzbereich
innerhalb des Sicherheitsbehälters
für das
flüssige,
reaktionsfähige Metall
bis zu der Freigabestelle innerhalb der Freigabekammer zu erstrecken.
Bei dieser Variation der Erfindung ist die Freigabekammer zwischen
einer Einlassöffnung
und einer Auslassöffnung
definiert. Der Sammelbereich weist einen Bereich auf, der zwischen
einem oberen Einlassöffnungsniveau
und einer inneren Grenze der Freigabekammer auf einem Niveau oberhalb
des oberen Einlassöffnungsniveaus definiert
ist. Bei dieser Variation der vorliegenden Erfindung weist die Behandlungsanordnung
eine Pumpe oder eine andere Vorrichtung auf, um eine Strömung von
flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall durch die Freigabekammer und eine Rückhalte- oder Behandlungskammer
zu induzieren. Die Behandlungskammer ist so angeschlossen, dass
sie den Strom des reaktionsfähigen
Metalls von der Freigabekammer zusammen mit jeglichem Einsatzmaterial,
Zwischenreaktionsprodukten und Endprodukten aufnimmt, und dass sie
jegliche nicht in Reaktion getretene Materialien über einen
ausreichenden Zeitraum mit dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
in Kontakt hält,
um die gewünschten
Reaktionen zu gewährleisten.
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Bei
einer anderen Variation der Erfindung ist der Sammelbereich nicht
unbedingt so positioniert, dass eine Strömung von flüssigem, reaktionsfähigem Metall
durch die Freigabekammer oder eine andere Kammer stromabwärts für den gewünschten
Kontakt mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall sorgt. Bei dieser Form der Erfindung werden zunächst Einsatzmaterialien
aus dem Behälter,
Zwischenreaktionsprodukte und eventuell einige Endprodukte in dem Sammelbereich
gesammelt und dann durch geeignete Mittel von dem Sammelbereich
in eine separate Reaktionskammer transportiert. Die separate Reaktionskammer
und die Transportstruktur bilden bei dieser Form der Erfindung die
Behandlungsanordnung. Die separate Reaktionskammer kann sich innerhalb des
Sicherheitsbehälters
befinden, in dem das Einsatzmaterial ursprünglich freigesetzt wurde, und kann
somit die gleiche Art von flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall verwenden, wie sie in der Freigabekammer verwendet wird.
Alternativ dazu kann die separate Reaktionskammer einen vollkommen separaten Reaktor
für flüssiges,
reaktionsfähiges
Metall aufweisen, bei dem ein zweites flüssiges, reaktionsfähiges Metall
verwendet wird. Bei beiden Alternativen der separaten Reaktionskammer
können
einige der gewünschten
Reduktionsreaktionen und die Zerstörung des Behälters immer
noch in der Freigabekammer oder in einer Reaktionskammer stromabwärts von der
Freigabekammer in Richtung der Strömung des reaktionsfähigen Metalls
auftreten.
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Bei
beiden Formen oder Variationen des Behandlungssystems, wie sie vorstehend
beschrieben wurden, weist die Vorrichtung eine Auslasskammer und
eine Anordnung für
das Entfernen der Reaktionsprodukte auf, um Gase, Feststoffe und
Flüssigkeiten aus
der Auslasskammer zu entfernen. Feststoffe, die aus Schlacke bestehen,
welche sich an der Oberfläche
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer sammeln, und einige Flüssigkeiten werden
vorzugsweise durch ein geeignetes Abschöpfsystem entfernt. Gase sammeln
sich oberhalb des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer und werden über eine geeignete Entlüftungsleitung
zur weiteren Verarbeitung abgezogen, um die verschiedenen Bestandteile
in den Gasen zurückzugewinnen.
In der Auslasskammer können auch
Ablassvorrichtungen für
Flüssigkeiten
vorgesehen sein, um Flüssigkeiten
zu entfernen, die sich von dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
in der Auslasskammer trennen.
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Die
aus der Auslasskammer entfernte Schlacke kann Metallsalze wie z.B.
Aluminiumchlorid aufweisen, nicht in Reaktion getretene Mineralien,
die aus dem Einsatzmaterial freigegeben wurden, und Schaum, der
aus Oxiden des reaktionsfähigen
Metalls besteht. Es wurde auch festgestellt, dass die Schlacke einen
beträchtlichen
Anteil von reaktionsfähigem
Metall und anderen Metallen, die mit den anderen Schlackematerialien
aufgefangen wurden und sich verfestigt haben, aufweisen kann. Um
das reaktionsfähige
Metall und andere Materialien aus der Schlacke zurückzugewinnen,
weist die Erfindung eine Schlackenverarbeitungsvorrichtung auf,
die so angeordnet ist, dass sie Schlacke aus der Auslasskammer des
Reaktors für
flüssiges,
reaktionsfähiges Metall
aufnimmt. Diese Schlackenverarbeitungsvorrichtung kann einen zweiten
Reaktor für
flüssiges Metall
aufweisen, der so angeschlossen ist, dass er die Schlacke aufnimmt,
die aus der Auslasskammer entfernt wird. Dieser zweite Reaktor für flüssiges Metall
kann gänzlich
von dem Reaktor getrennt sein, der das in Behältern enthaltene Einsatzmaterial
aufnimmt, oder kann in dem Behälterbehandlungssystem
integriert sein, um mit ein und demselben flüssigen, reaktionsfähigen Metall
zu arbeiten. Durch die Behandlung von Schlacke in einem zweiten
Reaktor werden erstarrte, reaktionsfähige Metalle und andere Metalle
aus der Schlacke zurückgewonnen.
Als Alternative zu einem zweiten Reaktor für flüssiges Metall kann die Schlackenverarbeitungsvorrichtung
auch eine Heizvorrichtung aufweisen, die dazu vorgesehen ist, die
Schlacke auf ausgewählte
Temperaturen zu erwärmen,
um wahlweise gewünschte
Materialien aus der Schlacke herauszuschmelzen. Das erstarrte, reaktionsfähige Metall
wird aus der Schlacke zurückgewonnen,
indem die Schlacke auf einer Temperatur gehalten wird, die gerade
oberhalb des Schmelzpunktes des reaktionsfähigen Metalls ist, nachdem zuerst
Materialien mit niedrigerem Schmelzpunkt entfernt worden sind.
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Ein
Reaktorsystem für
flüssiges
Metall zur Behandlung von Abfallmaterialien kann Folgendes aufweisen:
a) einen ersten Reaktor, um ein erstes Einsatzmaterial mit einem
ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall in Kontakt zu bringen und um Reaktionsprodukte, zu welchen
eine Schlacke und erstarrtes Metall aus dem ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall gehören,
die sich an einer Oberfläche des
ersten flüssigen
reaktionsfähigen
Metalls ansammeln, in dem ersten Reaktor zu sammeln; b) eine Schlackenentfernungsanordnung,
um die Schlacke und das erstarrte Metall von der Oberfläche des
ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in dem ersten Reaktor zu entfernen; und c) einen zweiten
Reaktor, der so angeschlossen ist, dass er die Schlacke und das
erstarrte Metall von der Schlackenentfernungsanordnung aufnimmt,
wobei der zweite Reaktor dazu dient, die Schlacke und das erstarrte
Metall mit dem ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall oder einem zweiten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall in Kontakt zu bringen.
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In
einem derartigen Reaktor können
das erste flüssige,
reaktionsfähige
Metall und das zweite flüssige,
reaktionsfähige
Metall im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung haben. Bei einem
Reaktorsystem dieser Art können
das erste flüssige,
reaktionsfähige
Metall und das zweite flüssige,
reaktionsfähige
Metall aus einer gemeinsamen Quelle für flüssiges, reaktionsfähiges Metall
bereitgestellt werden. Bei einem derartigen Reaktor können das
erste flüssige,
reaktionsfähige
Metall und das zweite flüssige, reaktionsfähige Metall
vor allem aus Aluminium bestehen.
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Ein
Verfahren zur Behandlung von Materialien in einem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall kann folgende Schritte umfassen:
- a)
ein erstes Einsatzmaterial wird mit einem ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall in Kontakt gebracht, um gasförmige Reaktionsprodukte zu erzeugen,
und es wird ermöglicht,
dass die gasförmigen
Reaktionsprodukte durch das erste flüssige, reaktionsfähige Metall
bis zu einer Oberfläche
des ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls strömen;
- b) an der Oberfläche
des ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls wird eine Schlacke und erstarrtes Metall von dem ersten
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall gesammelt;
- c) die Schlacke und das erstarrte Metall werden von der Oberfläche des
ersten flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall entfernt;
- d) die Schlacke und das erstarrte Metall werden mit dem ersten
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall oder einem zweiten flüssigen,
reaktionsfähigen Metall
in Kontakt gebracht, um das erstarrte Metall wieder in einen flüssigen Zustand
zu bringen und von der Schlacke zu trennen.
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Ein
derartiges Verfahren kann außerdem den
Schritt aufweisen, bei dem das erste flüssige, reaktionsfähige Metall
und das zweite flüssige,
reaktionsfähige
Metall in einem gemeinsamen Konditioniergefäß konditioniert werden. Bei
einem Verfahren dieser Art können
das erste flüssige,
reaktionsfähige Metall
und das zweite flüssige,
reaktionsfähige
Metall einen gemeinsamen Hauptbestandteil haben. Der Hauptbestandteil
kann Aluminium sein.
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Diese
und andere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang
mit der anliegenden Zeichnung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur Behandlung mit flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall gemäß den Grundlagen
der Erfindung;
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2 eine
annähernd
grafische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Behandlung mit
flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall gemäß den Grundlagen
der Erfindung, von der Höhe
der Linie 2-2 in 3 aus gesehen;
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3 eine
Schnittdarstellung der Behandlungsvorrichtung entlang der Linie
3-3 in 2;
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4 eine
Schnittdarstellung ähnlich
der 3, bei der jedoch eine Tauchvorrichtung ausgefahren
dargestellt ist, um mit einem Behälter mit Einsatzmaterial, der
in der Behandlungsvorrichtung abgelegt ist, in Kontakt zu kommen;
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5 eine
Schnittdarstellung ähnlich
der 3, bei der jedoch die Tauchvorrichtung in einer vollständig ausgefahrenen
Position dargestellt ist, in der bewirkt wird, dass das Einsatzmaterial
aus einem Behälter
freigegeben wird;
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6 eine
annähernd
grafische Schnittdarstellung einer alternativen Vorrichtung zur
Behandlung mit flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall gemäß den Grundlagen
der Erfindung, von der Höhe
der Linie 6-6 in 7 aus gesehen;
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7 eine
Schnittdarstellung des alternativen Behandlungssystems entlang der
Linie 7-7 in 6;
und
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8 eine
Schnittdarstellung ähnlich
der 7, bei der jedoch dargestellt ist, wie die Tauchvorrichtung
vollständig
ausgefahren wird, um zu bewirken, dass das Einsatzmaterial aus einem
Behälter,
der in der Vorrichtung abgelegt ist, freigegeben wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
aus 1 ersichtlich, weist eine Vorrichtung 10 zur
Behandlung mit flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall gemäß den Prinzipien
der Erfindung einen Sicherheitsbehälter für das flüssige, reaktionsfähige Metall
auf, der durch den gestrichelten Kasten 11 angedeutet ist.
In dem Sicherheitsbehälter 11 sind mehrere
unterschiedliche Kammern oder Systeme enthalten oder definiert.
Im Besonderen umgibt der Sicherheitsbehälter 11 eine Freigabekammer 14, eine
Behandlungs- oder Rückhaltekammer 15,
eine Auslasskammer 16, eine Heiz- und Konditionierkammer 17 und
ein Umwälzsystem 18.
Die Vorrichtung 10 weist auch ein Zufuhrsystem 20 auf,
um zu behandelndes Material dem Sicherheitsbehälter 11 zuzuführen, ein
Versenk- oder Eintauchsystem 21, um zu behandelndes Material
unter die Oberfläche
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der oder neben der Freigabekammer 14 zu versenken,
und eine Anordnung zum Entfernen von Reaktionsprodukten 22,
die einen Bestandteil zum Entfernen von gasförmigen Reaktionsprodukten 23 und
einen Bestandteil zum Entfernen von festen/flüssigen Reaktionsprodukten 24 aufweist.
All diese Grundkomponenten sind sowohl in der Form der Erfindung
gemäß den 2 bis einschließlich 5 als
auch in der alternativen Form der Erfindung gemäß den 6 bis einschließlich 8 enthalten.
Die Behandlungsvorrichtung 10 kann außerdem eine Behandlungsanordnung
für freigegebenes Fluid 25 aufweisen.
Diese Behandlungsanordnung für
freigegebenes Fluid 25 wird nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Form der Erfindung gemäß den 6 bis
einschließlich 8 beschrieben.
Ein Schlackenverarbeitungssystem 26 kann dem Bestandteil zum
Entfernen von festen/flüssigen
Reaktionsprodukten 24 zugeordnet sein, um reaktionsfähiges Metall
und andere Materialien aus der Schlacke zurückzugewinnen, die in dem Behandlungssystem 10 erzeugt
wird, was nachfolgend noch erörtert
wird.
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Die
grundlegende Form der Erfindung, die in 1 schematisch
dargestellt ist, bietet gewisse Vorteile für die Konstruktion und die
Handhabung des erforderlichen flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls, indem die Freigabekammer 14, die Behandlungskammer 15,
die Auslasskammer 16 und das Heiz- und Konditioniersystem 17 innerhalb
des einzigen, durchgehenden Sicherheitsbehälters für flüssiges, reaktionsfähiges Metall 11 definiert
werden. Es ist jedoch anzumerken, dass die Erfindung nicht auf diese
Ausführung
begrenzt ist. Die verschiedenen Kammern können auch als separate Kammern
ausgebildet sein, die durch geeignete Leitungen oder Durchgänge miteinander
verbunden sind, um für
den nötigen Transport
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls und der Reaktionsprodukte/Einsatzmaterialien zu sorgen,
wie nachfolgend noch beschrieben. Die Ausführungen des einzigen Sicherheitsbehälters und
separater Behälter/Kammern
sind für
die nachfolgenden Ansprüche
als äquivalent
anzusehen.
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Bei
der Form der Erfindung gemäß den 2 bis
einschließlich 5 ist
der Sicherheitsbehälter 11 durch
verschiedene Wände
und Wehre bzw. Überläufe unterteilt,
so dass Kammern 14, 15, 16 und 17 gebildet
werden. Die Heiz- und Konditionierkammer 17 schafft einen
Aufnahmebereich, in dem das flüssige,
reaktionsfähige
Metall für
die Behandlung des Einsatzmaterials erwärmt und konditioniert werden kann.
Diese Kammer 17 ist zwischen Trennwänden 28 und 29 und
den Außenwänden 30 und 31 des
Behälters
definiert. Die Trennwände 28 und 29 weisen jeweils
Wehre 32 und 33 auf, die es ermöglichen, dass
flüssiges,
reaktionsfähiges
Metall zur Heiz- und Konditionierkammer 17 und von dieser
weg transportiert wird, was später
noch weiter beschrieben wird. Wie in 3 dargestellt,
dichtet eine obere Abdeckung 35 die Oberseite der Kammer 17 ab
und isoliert den Inhalt der Kammer von der Umgebung. In der Abdeckung 35 sind
einige gasgefeuerte Brenner 37 eingeschlossen. Diese Brenner 37 verbrennen
einen geeigneten Brennstoff, wie z.B. Erdgas oder Propan, um die
Wärme zu
liefern, die notwendig ist, um das reaktionsfähige Metall auf die gewünschten
Temperaturen zu bringen, die bei einem reaktionsfähigen Metall,
das vorwiegend Aluminium enthält,
in der Größenordnung
von 800 bis 900 Grad Celsius liegen können. 3 zeigt
außerdem
einen Rauchzug oder Kamin 38, der mit der Abdeckung 35 verbunden
ist, um Rauchgas/Verbrennungsprodukte des Heizelements aus der Kammer 17 zu
entfernen. Ein Teil des Rauchgases oder das gesamte Rauchgas wird
zu einer Rauchgas-Konditionier-anordnung
abgezogen, die in 3 am Block 40 schematisch
dargestellt ist. Diese Rauchgas-Konditionieranordnung 40 wird
verwendet, um das Rauchgas zu kühlen
und anderweitig zu konditionieren und es damit für die Verwendung als Spülgas vorzubereiten,
was nachfolgend noch weiter beschrieben wird.
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Das
Niveau des flüssigen,
reaktionsfähigen Metalls
in dem Behälter
11 ist
in den
3 bis einschließlich
5 mit einer
gestrichelten Linie
41 dargestellt. Das bevorzugte flüssige, reaktionsfähige Metall weist
vorwiegend Aluminium zusammen mit anderen Metallen auf. Die speziellen
Anteile der verschiedenen Metalle in einem flüssigen, reaktionsfähigen Metall,
das für
die Verwendung in der Vorrichtung
10 geeignet ist, können genau
auf das zu behandelnde Einsatzmaterial abgestellt werden. Die
U.S.-Patente 5,000,101 ,
6,069,290 und
6,355,857 , auf die hier Bezug genommen
wird, beschreiben verschiedene reaktionsfähige Metalle, die in der Vorrichtung
10 Verwendung
finden können.
Auf eine weitere Erörterung bestimmter
reaktionsfähiger
Metalle oder Metalllegierungen wird hier verzichtet, um die vorliegende
Erfindung nicht durch unnötige
Details unverständlich
zu machen.
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Das
Zufuhrsystem 20 bei der Form der Erfindung, die in den 2 und 3 dargestellt
ist, weist eine Einsatzisolierkammer 42 auf, die eine innere Luftschleusentür 43 und
eine äußere Luftschleusentür 44 aufweist.
Diese Einsatzisolieranordnung isoliert einen Behälter 46 mit Einsatzmaterial
in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Umgebung und gibt dann
den Behälter
in den Sicherheitsbehälter 11 frei. Während des
Betriebs wird die äußere Luftschleusentür 44 geöffnet, um
den Behälter 46 mit
Einsatzmaterial in die Kammer 42 einzubringen. Dann wird die äußere Luftschleusentür 44 geschlossen
und die zwischen den Türen 43 und 44 definierte
Einsatzisolierkammer 42 wird durch die Spüleingangsleitung 48 mit
einem geeigneten Spülgas
gespült.
Die ausgespülten
Gase treten durch die Spülausgangsleitung 49 aus
und werden durch geeignete Leitungen und Ventile zu einer Entlüftung oder,
falls notwendig, zur weiteren Behandlung geleitet. Wenn die Einsatzisolierkammer
von Sauerstoff freigespült
ist, wird die innere Luftschleusentür 43 geöffnet, um
zu ermöglichen,
dass der Behälter 46 in
den Sicherheitsbehälter
für flüssiges,
reaktionsfähiges
Metall 11 fällt.
Dann wird die innere Luftschleusentür 43 geschlossen und die
Kammer 42 wird vorzugsweise erneut gespült, um sie für die Aufnahme
eines weiteren Behälters
mit Einsatzmaterial durch die äußere Luftschleusentür 44 bereit
zu machen. Für
Gase, die aus der Kammer 42 gespült werden, kann eine nicht
unwesentliche Behandlung erforderlich sein. In einigen Fällen können diese
Gase zu einem System zur Behandlung mit flüssigem, reaktionsfähigen Metall
geleitet werden, das speziell für
die Behandlung von Gasen geeignet ist.
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Um
Behälter
mit Einsatzmaterial zu behandeln, die andernfalls an der Oberfläche des
flüssigen, reaktionsfähigen Metalls
schwimmen würden,
weist die Erfindung eine Tauchkonstruktion oder ein Tauchsystem 21 auf,
mit der bzw. dem die Behälter
in das flüssige,
reaktionsfähige
Metall getaucht werden. Das Tauchsystem 21 umfasst ein
Tauchelement 52, das ausgefahren werden kann, um einen
Behälter
mit Einsatzmaterial unter die Oberfläche 41 des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in dem Sicherheitsbehälter 11 zu
tauchen oder zu drücken,
insbesondere in einem Einsatzbereich des Sicherheitsbehälters, der
in 3 mit dem Bezugszeichen 53 gekennzeichnet
ist. Das Tauchelement 52 ist in einem Tauchgehäuse 55 aufgenommen,
das im Wesentlichen die Abdeckung des Sicherheitsbehälters 11 in dem Einsatzbereich 53 des
Behälters
bildet. Ein Betätigungselement 56,
das dem Tauchgehäuse 55 zugeordnet
ist, ist dazu vorgesehen, das Tauchelement 52 zwischen
einer zurückgezogenen
Position gemäß 3 und
einer ausgefahrenen Position gemäß 5 zu
bewegen. Der Ablauf der Ausdehnung des Tauchelements wird nachfolgend
bei der Beschreibung des Betriebs der Vorrichtung 10 genauer
beschrieben.
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Das
Tauchsystem 21 dient nicht nur dazu, den Behälter mit
Einsatzmaterial unter die Oberfläche 41 des
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls zu drücken,
sondern bewegt auch den Behälter
an eine Freigabestelle in der Freigabekammer 14. Bei der Form
der Erfindung, die in den 2 bis einschließlich 5 dargestellt
ist, ist die Freigabekammer 14 in einer Tunnelstruktur
unterhalb des Niveaus 41 des flüssigen, reaktionsfähigen Metalls
in dem Behälter 11 zwischen
der Linie I und der Linie O in 3 definiert.
Die dargestellte Freigabekammer 14 umfasst einen Sammelbereich 60,
ein Feststoffsieb 61 und eine Zerstörungsfläche 62. Das Feststoffsieb 61 weist
ein Siebmaterial auf, das von dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
leicht durchdrungen werden kann, aber dazu vorgesehen ist, Feststoffe über einer bestimmten
Größe zu blockieren
und zu verhindern, dass die Feststoffe die Freigabekammer 14 verlassen.
Die Zerstörungsfläche 62 weist
eine Oberfläche auf,
die sich im Wesentlichen senkrecht zur Ausdehnungsachse des Tauchelements 52 erstreckt,
und bietet eine Fläche,
gegen die das Tauchelement einen Behälter mit Einsatzmaterial drücken kann,
um jeglichen Verschluss des Behälters
aufzubrechen und zu ermöglichen,
dass dessen Inhalt in der Freigabekammer 14 in das flüssige, reaktionsfähige Metall
freigegeben wird.
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Der
Bereich der Tunnelstruktur in den 2 und 3 rechts
von der Freigabekammer 14 stellt bei dieser Form der Erfindung
die Behandlungskammer 15 dar. Die Funktion der Behandlungskammer 15 bei
dem Behandlungssystem 10 besteht darin, dazu beizutragen,
dass das Einsatzmaterial und jegliche Zwischenreaktionsprodukte
gezwungenermaßen
mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall in Kontakt bleiben, um zu gewährleisten, dass die gewünschten
Reduktionsreaktionen vollständig
ablaufen. Der Durchsatz des flüssigen,
reaktionsfähigen Metalls
durch die Behandlungskammer 15 kann so gesteuert oder geregelt
werden, dass die Länge
der Behandlungskammer eine ausreichende Verweildauer für das Einsatzmaterial
und die Zwischenreaktionsprodukte gewährleistet, um das gewünschte Niveau
der chemischen Reduktion zu bewirken. Die dargestellte Form der
Behandlungskam mer 15 weist Öffnungen 65 an ihrem
unteren Umfang auf, die es erlauben, dass Fluid direkt zwischen
der Heiz- und Konditionierkammer 17 und der Behandlungskammer
fließen
kann. Diese Öffnungen 65 ermöglichen es,
dass frisches reaktionsfähiges
Metall in die Behandlungskammer über
deren Länge
eintreten kann, um dazu beizutragen, die gewünschten Reduktionsreaktionen
zu vereinfachen. Die Öffnungen 65 haben auch
eine Überdruckfunktion,
um Gasblasen aufzunehmen, die in der Behandlungskammer 15 von
dem Einsatzmaterial und den Reaktionsprodukten erzeugt werden.
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Der
in
3 dargestellte Behandlungskammer-Tunnel
15 hat
eine im Allgemeinen horizontale obere Grenze
67. Für den Fachmann
ist jedoch ersichtlich, dass die Fläche, die die obere Grenze
67 bildet,
zum Austrittsende hin bzw. in
3 zur rechten
Seite hin nach oben geneigt sein kann. Eine Reihe von quer angeordneten
Wehren kann nahe der oberen Grenze
67 auch mit umfasst
sein, wobei sie über
die Länge
der Behandlungskammer
15 voneinander beabstandet sein können. Diese
Wehre würden
Gase oder leichte Flüssigkeiten
auffangen und einen noch mehr gewundenen Pfad durch das flüssige, reaktionsfähige Metall
schaffen, um den gewünschten
Kontakt zwischen dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall und den Gases oder leichten Flüssigkeiten zu gewährleisten.
Eine derartige Tunnelanordnung ist in dem
U.S.-Patent 6,227,126 dargestellt, dessen
Offenbarung hier mit einfließt.
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Die
Auslasskammer 16 bei der in den 2 und 3 dargestellten
Form der Erfindung befindet sich am rechten Ende der Behandlungskammer 15 in einer
Position, in der sie Reaktionsprodukte und das flüssige, reaktionsfähige Metall,
die aus der Behandlungskammer austreten, aufnimmt. Die Auslasskammer 16 ist
in dem Sicherheitsbehälter 11 zwischen der
Wand 29, den Außenwänden 70 und 31 des
Behälters
und einem Auslass- oder Oberflächensammelwehr 71 definiert.
Die Auslasskammer 16 weist auch eine Abdeckung auf, um
das flüssige,
reaktionsfähige
Metall in dem Teil des Systems von der Umgebung zu isolieren. Die
Abdeckung umfasst einen Gasrückführungsabzug 73,
der sich oberhalb der Auslasskammer 16 in dem Teil der
Auslasskammer erstreckt, der unmittelbar neben dem Ende der Behandlungskammer 15 liegt.
Das Auslasswehr 71 erstreckt sich von der Oberseite bzw.
der Abdeckung der Auslasskammer 16 nach unten bis zu einem
Niveau deutlich unterhalb des Niveaus 41 des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer. Das flüssige, reaktionsfähige Metall
kann ohne Weiteres unter dem Auslasswehr 71 hindurchströmen, um die
Auslasskammer 16 zu verlassen; Reaktionsprodukte und andere
Materialien, die sich an der Oberfläche des flüssigen, reaktionsfähigen Metalls
in der Auslasskammer sammeln, werden jedoch in der Auslasskammer
zurückgehalten,
um durch die Anordnung zum Entfernen von Reaktionsprodukten 22, die
der Auslasskammer 16 zugeordnet ist, entfernt zu werden.
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Bei
der in 2 und 3 dargestellten Form der Erfindung
weist der Gasentfernungsbestandteil 23 der Anordnung zum
Entfernen von Reaktionsprodukten 22 eine Gasentfernungsleitung 74 auf,
die so angeschlossen ist, dass sie Gase aufnimmt, die sich unter
dem Gassammelabzug 73 sammeln. Die Leitung 74 ist
vorzugsweise mit einer Partikelkontroll- und – rückführungseinrichtung (PCE) 75 verbunden.
Die PCE 75 kann einen Gaswäscher, einen Filtersack zur
Gasreinigung und/oder andere Partikelkontroll- und -rückführungsvorrichtungen
umfassen, die auf dem Gebiet der Systeme zur Behandlung mit flüssigem Metall
bekannt sind. Der Gasentfernungsbestandteil 23 kann unter
dem Druck arbeiten, der durch die gesammelten Gase erzeugt wird, oder
kann eine Vakuumanordnung aufweisen, um Gase aus dem Bereich des
Gassammelabzugs 73 abzuziehen. Unabhängig davon, ob ein Vakuum angelegt
wird oder ob anders verfahren wird, kann die Auslasskammer 16 eine
(in 2 dargestellte) Gastrennwand 76 aufweisen,
die sich von der Abdeckung der Auslasskammer nach unten erstreckt,
im Allgemeinen bis zu dem (in 3 dargestellten)
Niveau 41 des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer 16, um dazu beizutragen, gasförmige Reaktionsprodukte
im Bereich des Gassammelabzugs 73 zurückzuhalten, die durch die Entfernungsleitung 74 abzuziehen
sind.
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Der
(in 1 dargestellte) Bestandteil zum Entfernen von
Feststoffen/Flüssigkeiten 24 weist
bei der dargestellten Form der Erfindung einen Schneckenförderer 78 auf,
der sich nahe dem Ende der Auslasskammer 16 neben dem Auslasswehr 71 befindet.
Der Schneckenförderer 78 wird
von einem Schneckenfördererantrieb 79 angetrieben,
um Feststoffe oder Schlacke und möglicherweise auch einige Flüssigkeiten
abzuschaben, die auf der Oberfläche des
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer 16 schwimmen. Diese von der
Oberfläche
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls entfernten Materialien werden in Richtung einer Feststoffentfernungsrutsche
und eines Luftschleusensystems abgeschabt bzw. dorthin geleitet,
wie unter dem Bezugszeichen 80 schematisch dargestellt.
Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist anzumerken,
dass die Auslassrutsche und das Luftschleusensystem 80 eine
Reihe von Luftschleusentüren
oder eine andere Anordnung aufweisen, die so betrieben werden können, dass
Feststoffe und Flüssigkeiten,
die in der Rutsche gesammelt werden, aus dem Behandlungssystem entfernt
werden können, ohne
zuzulassen, dass wesentliche Mengen von Luft in die Auslasskammer
eintreten.
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Um
für die
gewünschte
Strömung
von flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall durch die Freigabekammer 14, die Behandlungskammer 15 und
die Auslasskammer 16 zu sorgen und um die gewünschte Umwälzung des
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Heiz- und Konditionierkammer 17 zu induzieren,
weist die Form der Erfindung gemäß den 2 und 3 ein
Umwälzsystem
auf. Dieses Umwälzsystem
entspricht dem Umwälzsystem 18,
das in 1 schematisch dargestellt ist. Bei der in 2 und 3 dargestellten
Behandlungsvorrichtung weist das Umwälzsystem zwei Pumpen oder andere geeignete
Vorrichtungen zum Induzieren der Strömung auf. Eine erste Pumpe 85 befindet
sich neben dem Auslasswehr 71 auf der der Auslasskammer 16 gegenüberliegenden
Seite. Diese erste Pumpe 85 nimmt das flüssige, reaktionsfähige Metall
aus der Auslasskammer 16 unter dem Auslasswehr 71 auf und
drückt
das flüssige,
reaktionsfähige
Metall unter dem Wehr 32 in die Heiz- und Konditionierkammer 17.
Eine zweite Pumpe 86 befindet sich in einem Bereich des
Sicherheitsbehälters 11 zwischen
der Wand 28 und der Außenwand 87 des
Behälters.
Die zweite Pumpe 86 nimmt das erwärmte und konditionierte flüssige, reaktionsfähige Metall
aus der Kammer 17 unter dem Wehr 33 auf und drückt das
flüssige,
reaktionsfähige
Metall durch einen Durchgang, der zwischen der Wand 28 und
der Außenwand
des Behälters 87 definiert
ist, in den Einsatzbereich 53 und durch die Freigabekammer 14 und
die Behandlungskammer 15, d.h. in den 2 und 3 von links
nach rechts. Die in den 2 und 3 angegebenen
Umwälzpfeile
zeigen die gewünschte
Umwälzung
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in den und durch die verschiedenen Kammern des Sicherheitsbehälters 11.
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Obwohl
es aus der Zeichnung nicht ersichtlich ist, liegt es für den Fachmann
nahe, dass die gesamte Einrichtung so konstruiert sein muss, dass
sie den Temperaturen standhält,
denen sie in dem System ausgesetzt ist. Darüber hinaus müssen alle
Bestandteile der Vorrichtung 10, die mit dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
in Kontakt kommen, aus einem geeigneten Schutzmaterial bestehen,
das nicht mit dem reaktionsfähigen
Metall reagiert oder sich darin auflöst, oder müssen zumindest damit beschichtet
sein. Bei bevorzugten Formen der Erfindung kann der gesamte Sicherheitsbehälter 11 aus einem
geeigneten Quarzgut- oder Keramikmaterial bestehen. Auch die Wände, Wehre
und Tunnel, die die Freigabekammer 14 und die Behandlungskammer 15 definieren,
können
aus Quarzgut gegossen sein. Das Tauchelement 52 und das
Feststoffsieb 61 können
aus einem geeigneten Metall- oder Stahluntergefüge bestehen, das mit Quarzgut
oder einem anderen geeigneten feuerfesten Material beschichtet ist,
oder kann ebenfalls aus einem feuerfesten Material gegossen oder
in anderer Weise geformt werden.
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Die
Arbeitsweise der in den 2 und 3 dargestellten
Form der Erfindung kann insbesondere unter Bezugnahme auf die Schnittdarstellungen
der 3 bis einschließlich 5 beschrieben
werden. 3 zeigt den Zustand der Behandlungsvorrichtung 1 0,
bevor der Behälter 46 mit
Einsatzmaterial in den Einsatzbereich 53 des Sicherheitsbehälters 11 freigegeben
wird. In dieser Position wird der Behälter 46 in der Isolierkammer
oder Spülkammer 42 des
Zufuhrsystems zwischen den Luftschleusentüren 43 und 44 gehalten,
und der Bereich zwischen den Luftschleusentüren 43 und 44 wird
mit einem geeigneten Spülfluid
gespült.
Bei dieser Form der Erfindung weist das Spülfluid Rauchgas auf, das vom
Heizsystem 17 stammt und dann im Rauchgas-Konditioniersystem 40 konditioniert
wird. Ausgehend von dieser Position gemäß 3 kann die
untere oder innere Luftschleusentür 43 geöffnet werden,
um zu ermöglichen,
dass der Behälter 46 im
Einsatzbereich 53 in den Sicherheitsbehälter 11 fällt. Wie
in 4 angedeutet, kann dann das Tauchelement 52 ausgefahren werden,
um mit dem Behälter 46 in
Kontakt zu kommen, während
dieser auf dem Niveau 41 auf der Oberfläche des flüssigen, reaktionsfähigen Metalls schwimmt.
Es ist anzumerken, dass in dieser in 4 dargestellten
Position weiterhin flüssiges,
reaktionsfähiges
Metall in den Einsatzbereich 53 und aus dem Einsatzbereich
in die Freigabekammer 14 strömt, wie durch die Pfeile dargestellt.
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Ausgehend
von der in 4 dargestellten Position und
während
die Pumpen 85' (in 6 dargestellt)
und 86' (in 6 dargestellt)
weiterhin die gewünschte
Strömung
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls induzieren, wird das Tauchelement 52 weiter ausgefahren,
um den Behälter 46 in
das flüssige,
reaktionsfähige
Metall unterhalb des Niveaus 41 zu drücken. Wie in 5 dargestellt,
wird das Tauchelement 52 weiter ausgefahren und bewegt den Behälter 46 bis
zu einer Freigabestelle, an der der Inhalt des Behälters in
das flüssige,
reaktionsfähige
Metall freigegeben wird. Bei der dargestellten bevorzugten Form
der Erfindung zerbricht oder verformt das Tauchelement 52 den
Behälter 46 an
der Zerstörungsfläche 62.
Diese Verformung des Behälters
bewirkt, dass die Verschlüsse
an dem Behälter 46 reißen, und
führt somit
zur Freigabe des Einsatzmaterials in das flüssige, reaktionsfähige Metall.
Andere Formen der Erfindung können
keine Zerstörungsstruktur
aufweisen und es einfach ermöglichen, dass
der Behälter
für die
Freigabe des Einsatzmaterials in dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
zerstört
wird.
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Die
Freigabestelle befindet sich vorzugsweise in der Freigabekammer 14 rechts
vom Einlass zur Freigabekammer an der Linie I in den 3 bis
einschließlich 5.
Bei anderen Formen der Erfindung kann jedoch die Freigabestelle
auch am Einlassende der Freigabekammer 14 an der Linie
I oder gerade außerhalb
des Einlassendes der Freigabekammer unmittelbar links von der Linie
I vorgesehen sein. Wie in 5 angedeutet,
gewährleistet
die Freigabeposition in der Freigabekammer 14 zusammen
mit dem Strom des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in die Freigabekammer, dass Gase und leichte Fluids und Feststoffe,
die in dem Einsatzmaterial enthalten sind, aus dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall aufsteigen und sich in der Freigabekammer selbst ansammeln.
Im Besonderen steigt dieses Material, das aus dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall aufsteigt, in den Sammelbereich 60 auf, der bei
der dargestellten Form der Erfindung durch den Abzug in der Freigabekammer 14 definiert
ist. Bei den Formen der Erfindung, bei welchen die Freigabeposition
sich am Eingang zur Freigabekammer 14 oder gerade außerhalb des
Eingangs zur Freigabekammer befindet, setzt man darauf, dass der
Strom des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls freigegebenes Material in die Freigabekammer trägt.
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Nachdem
der Behälter 46 über einen
Zeitraum in der Freigabeposition gehalten wurde, der gewährleistet,
dass der Großteil
des Einsatzmaterials in dem Behälter
in die Freigabekammer 14 freigegeben wurde, kann das Tauchelement 52 aus
der vollständig
ausgefahrenen Position gemäß 5 wieder
zurückgezogen
werden. Wenn das Tauchelement 52 aus seiner vollständig ausgefahrenen
Position zurückgezogen
wird, bleibt der Rest des Behälters 46 entweder
am Boden des Sicherheitsbehälters 11 oder
treibt an die Oberfläche.
Der Strom des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in die Freigabekammer 14 spült auch alle festen oder flüssi gen Überreste des
Behälters
zur rechten Seite der Figur und verhindert im Allgemeinen, dass
das Material in den Einsatzbereich 53 zurückfließt. Alle
Feststoffstücke,
die größer sind
als die Siebgröße, sammeln
sich am Sieb 61, bis das Material entweder mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall reagiert oder in dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
schmilzt oder sich auflöst. Die
entstandenen Reaktionsprodukte oder das geschmolzene bzw. aufgelöste Material
fließen
bei dem dargestellten Behandlungssystem weiter von links nach rechts
durch die Freigabekammer 14, die Behandlungskammer 15 und
schließlich
zur Auslasskammer 16.
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Aus 5 ist
ersichtlich, dass die Oberfläche des
Stroms von flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall, die die untere Grenze für
die Materialien bildet, welche in dem Sammelbereich 60 der
Freigabekammer 14 aufgefangen werden, eine fortwährend erneuerte Fläche aus
flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall bietet, das mit den aufgefangenen Materialien reagieren kann.
Die Geschwindigkeit, mit der die Einsatzmaterialien in die Freigabekammer 14 eingebracht
werden, ist begrenzt, damit wesentliche Mengen von Materialien nicht
wieder zurück
in den Einsatzbereich 53 gelangen können. Somit müssen – vorausgesetzt, das
System wird nicht überlastet – letzten
Endes alle Materialien, die in dem Sammelbereich 60 aufgefangen
werden, in der Figur nach rechts fließen, durch die Behandlungskammer 15 und
schließlich
zur Auslasskammer 16. Die Länge der Behandlungskammer 15 zusammen
mit dem Durchsatz des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls durch die Freigabe- und Behandlungskammern ist vorzugsweise
so konstruiert, dass gewährleistet
ist, dass die Einsatzmaterialien und Zwischenreaktionsprodukte über einen
Zeitraum mit der Oberfläche
des Stroms von flüssigem,
reaktionsfähigem
Metall in Kontakt gehalten werden, der ausreicht, um zu ermöglichen,
dass die gewünschten Reduktionsreaktionen
mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall vollständig
ablaufen, bevor sie die Auslasskammer 16 erreichen. Die
erforderliche Verweildauer in der Freigabekammer 14 und
der Behandlungskammer 15 variiert abhängig von der Art des Einsatzmaterials,
doch im Allgemeinen reicht eine Verweildauer in der Größenordnung
von ein bis drei Minuten.
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Der
Grund für
einige der Merkmale der Behandlungsvorrichtung 10 ergibt
sich aus der vorstehenden Beschreibung der Arbeitsweise der Behandlungsvorrichtung.
Das Tauchelement 52 erstreckt sich vorzugsweise entlang
einer schrägen
Bahn, um den Behälter 46 in
die Frei gabekammer 14 zu drücken, und insbesondere unter
die vordere, obere Einlassöffnungsgrenze 63 des
Sammelbereichs 60, die sich in den 3 bis einschließlich 5 mit
der Linie I überschneidet.
Diese Grenze 63 des Sammelbereichs 60 befindet
sich auf einem niedrigeren Niveau als die Oberseite des Sammelbereichs
und liegt unterhalb des Niveaus der Obergrenze der Behandlungskammer
am Eingang zur Behandlungskammer 15, um dazu beizutragen,
zu gewährleisten,
dass gasförmiges
Material, das sich in dem Bereich 60 sammelt, in den Figuren
zwangsweise nach rechts geführt
wird, also durch die Behandlungskammer 15.
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Es
liegt nahe, dass regelmäßig einige
Mengen von nicht behandeltem Material und Reaktionsprodukten in
den Bereich oberhalb des Niveaus 41 des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in dem Einsatzbereich 53 gelangen können. Der
Großteil
dieses Materials reagiert mit der Zeit mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall, so dass gefährliche
Verbindungen zerstört
werden. Dieser Bereich kann auch regelmäßig gespült werden, um angesammelte
Reaktionsprodukte oder nicht in Reaktion getretene Materialien zu
entfernen. Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Ausführungsform
der Erfindung gemäß den 6 bis 8 beschrieben,
können
alle nicht in Reaktion getretenen Materialien entweder mit dem gleichen
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall in dem System 10 oder mit einem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall in einem separaten System behandelt werden.
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Die
Endprodukte verlassen die Behandlungskammer 15 und treten
in die Auslasskammer 16 ein. Gasförmige Reaktionsprodukte, zu
welchen gasförmiger
Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, einige Metallsalze und sogar
einige Metalle gehören,
gelangen an die Oberfläche
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer 16 und sammeln sich im Gasentfernungsbereich 74 an,
um durch die Partikelsammel- und -kontrolleinrichtung 75 entfernt zu
werden. Es wurde auch festgestellt, dass einige Metalle, die bei
der Temperatur des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls als Gas existieren, in der Schlacke aufgefangen werden können, die
sich an der Oberfläche
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer bildet und nicht mit anderen Gasen
austreten darf. Vielmehr sammelt sich dieses Material zusammen mit
fester Schlacke und leichten Fluids an der Oberfläche des
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer 16, um von dem Schneckenförderer 78 oder
einer anderen Abschöpfanordnung
zur Rutsche für
die Entfernung von Feststoffen und zum Luftschleusensystem 80 hin
abgeschabt zu werden. Obwohl es in der Zeichnung nicht darge stellt
ist, können
sich schwere Fluids, wie z.B. Metalle, die keine Legierung mit dem
flüssigen, reaktionsfähigen Metall
bilden, am Boden der Auslasskammer 16 ansammeln. In dem
Behälter 11 kann an
der Auslasskammer 16 eine geeignete Ablassanordnung (nicht
dargestellt) vorgesehen sein, um jegliches schwere Fluid dieser
Art, das sich am Boden der Auslasskammer sammelt, zu entfernen.
Der Großteil
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls, das aus der Behandlungskammer 15 strömt, fließt durch die
Auslasskammer 16, unter dem Auslasswehr 71 hindurch,
und wird durch die Pumpe 85 zurück in die Heiz- und Konditionierkammer 17 gepumpt.
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Es
wurde festgestellt, dass die Schlacke, die sich an der Oberfläche des
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Auslasskammer 16 ansammelt, wesentliche
Mengen von reaktionsfähigem
Metall und anderen Metallen aufweisen kann, die von dem Einsatzmaterial
freigesetzt werden können.
Dieses reaktionsfähige
Metall und andere Metalle können sich
verfestigen, wenn Gase aus dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
entweichen, und werden mit anderen Materialien aufgefangen, die
die Schlacke bilden. Um dieses erstarrte, reaktionsfähige Metall
und andere Metalle, die von dem Einsatzmaterial isoliert wurden,
wiederzuerlangen, umfasst ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
die Behandlung der Schlacke in einem Schlackenverarbeitungssystem,
wie z.B. in dem System 26 gemäß 1. Zur Schlackenbehandlung
kann das erneute Hindurchführen
der Schlacke durch die Behandlungsvorrichtung 10 entweder
in einem Behälter
oder auf andere Weise gehören,
oder die Behandlung der Schlacke aus der Auslasskammer 16 in
einem separaten Teil der Behandlungsvorrichtung oder einer vollkommen
separaten Behandlungsvorrichtung für flüssiges, reaktionsfähiges Metall.
Das Wiedereinführen
der Schlacke in den Kreislauf bewirkt, dass das aufgefangene reaktionsfähige Metall
und andere Metalle wieder mit dem flüssigen, reaktionsfähigen Metallbad
verschmelzen oder sich darin auflösen, so dass nur flüssige oder
feste Reaktionsprodukte übrig
bleiben. Diese flüssigen
und festen Reaktionsprodukte, die nicht von Gasen begleitet sind,
welche aus dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall
austreten, neigen nicht dazu, wesentliche Mengen von reaktionsfähigem Metall oder
anderen Metallen aufzufangen, wenn sie sich in einer Auslasskammer
eines Systems zur Behandlung mit flüssigem Metall ansammeln, und
können abgezogen
werden, ohne dass wesentliche Mengen des reaktionsfähigen Metalls
aus dem Behandlungssystem entfernt werden. Bei anderen Formen der
Erfindung kann die Schlacke, die nach der Behandlung eines Behälters mit
Einsatzmaterial aus der Auslasskammer abgezogen wird, in einem Ofen
behandelt werden, um Materialien mittels der Schmelztemperatur abzuscheiden.
Diese selektive Erwärmung
ermöglicht
es, das reaktionsfähige
Metall, bestimmte Metallsalze, bestimmte nicht in Reaktion getretene Mineralien
und andere Materialien von der Schlacke zu trennen. Wenn das Einsatzmaterial
beispielsweise Uran, Plutonium oder Seltenerdmetalle aufweist, können diese
Metalle in der Schlacke aufgefangen werden und unter Ausnützung ihrer
unterschiedlichen Schmelzpunkte aus der Schlacke zurückgewonnen
werden. Strategische Metalle wie Titan, Wolfram und Vanadium können auf
diese Weise ebenfalls aus der Schlacke zurückgewonnen werden.
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Obwohl
in 5 dargestellt ist, wie der Behälter 46 in der Freigabeposition
tatsächlich
zerstört wird,
kann es auch sein, dass bei Variationen der Vorrichtung gemäß den 2 bis
einschließlich 5 der Behälter nicht
zerstört
wird, um das Einsatzmaterial freizugeben. So kann beispielsweise
bei einigen Formen der Erfindung der Behälter mit Einsatzmaterial einfach
mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall in Kontakt gehalten werden, um zu gewährleisten, dass der Behälter preisgegeben
und dann das Einsatzmaterial freigesetzt wird. Bei einer Anordnung
kann das Tauchelement 52 ausgefahren werden, um den Behälter 46 unter
der Oberfläche
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls zu halten. Bei einer anderen Anordnung kann ein Tauchelement 52 oder
eine alternative Eintauchanordnung so betrieben werden, dass ein
leichter Behälter
mit Einsatzmaterial unter die obere Einlassöffnungsgrenze 63 der
Freigabekammer 14 über
die Linie I in 3 bis 5 hinaus
gedrückt
wird. Der leichte Behälter
mit Einsatzmaterial würde
dann in die Ausbuchtung, die die obere Grenze des Sammelbereichs 60 definiert,
auftauchen und durch das Sieb 61 daran gehindert werden,
sich in den Figuren weiter nach rechts zu bewegen. Abhängig von
der Art des Behälters
reagiert dann das Behältermaterial
mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen Metall
oder verschmilzt mit dem flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall bzw. löst
sich darin auf, bis der Behälter
durchbricht und das Einsatzmaterial freigegeben wird, um mit dem
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall direkt in Kontakt zu treten.
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Die
alternative Behandlungsvorrichtung 10', die in den 6 bis
einschließlich 8 dargestellt
ist, weist einen ähnlichen
Sicherheitsbehälter 11', eine Auslasskammer 16', eine Heiz- und Konditionierkammer 17' und ein Umwälzsystem
mit Pumpen 85' und 86' auf. Bei dieser
Form der Erfindung besteht jedoch die Freigabekammer 14' im Allgemeinen
aus der Kammer, die den Bereich definiert, in dem der Behälter 46' mit Einsatzmaterial
ursprünglich
in dem Sicherheitsbehälter 11' abgelegt wurde.
Da der Behälter 46' in der Freigabekammer 14' selbst in das
Behandlungssystem eintritt, wird das Tauchelement 52' durch das Betätigungselement 56' entlang einer
vertikalen Achse V in der 7 ausgefahren,
und nicht entlang einer schrägen
Bahn, wie es bei der vorherigen Ausführungsform dargestellt wurde.
Die Behandlungsvorrichtung 10' weist auch ein Zufuhrsystem 20' auf, das sich
von dem Zufuhrsystem 20 gemäß 2 bis 5 unterscheidet.
Das Zufuhrsystem 20' weist eine
Einsatzisolierkammer 42' auf,
die zu einer Seite der Freigabekammer 14' abgesetzt ist, um Raum für die Bewegung
des Tauchelements 52' entlang
einer vertikalen Achse zu schaffen. Eine innere Tür 43' und eine äußere Tür 44' arbeiten im
Einklang, um Behälter 46' in das System
einzuführen, ähnlich wie
die Türen 43 und 44,
die oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben
wurden. Das Zufuhrsystem 20' weist auch
einen Stößel 45`
auf, der dazu vorgesehen ist, mit einem geeigneten Betätigungselement
ausgefahren zu werden, um einen Behälter 46' in die Freigabekammer 14' zu drücken, wenn
die innere Tür 43' geöffnet wird.
Dann wird der Stößel 45' zurückgezogen,
damit die Tür 43' geschlossen
und die äußere Tür 44' geöffnet werden
kann, um einen weiteren Behälter
mit Einsatzmaterial in die Isolierkammer 42' zu laden.
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Sobald
der Behälter 46' mit Einsatzmaterial in
die Freigabekammer 14' in
eine Position unmittelbar unterhalb des Tauchelements 52' gebracht worden
ist, wie in 7 dargestellt, kann das Tauchelement
in die in 8 dargestellte Position ausgefahren
werden, um den Behälter
unter das Niveau 41' des
flüssigen,
reaktionsfähigen
Materials zu drücken. Wie
bei der vorher dargestellten Ausführungsform kann das Tauchelement 52' dazu vorgesehen
sein, den Behälter
an einer Zerstörungsfläche zu zerbrechen
oder zu verformen, die in diesem Fall einfach aus dem Boden des
Sicherheitsbehälters 11' in der Freigabekammer 14' besteht. Im
Gegensatz zu der Form der Erfindung, die in den 2 bis 5 dargestellt
ist, sammelt sich ein großer
Teil des Einsatzmaterials und der Reaktionsprodukte in einem Sammelbereich 60', der aus dem
Bereich besteht, an dem der Behälter
in die Freigabekammer 14' eingebracht wurde.
Nur ein Teil der Einsatzmaterialien und Reaktionsprodukte wird durch
die Strömung
des flüssigen, reaktionsfähigen Metalls
in die Behandlungskammer 15',
also von links nach rechts in den Figuren, mitgeführt. Für dieses
Material, das in die Behandlungskammer 15'' mitgeführt wird,
bietet die Behandlungskammer eine ausreichende Kontaktzeit mit dem
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metall, um die Einsatzmaterialien und Reaktionsprodukte bis zum
gewünschten Niveau
zu reduzieren.
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Das
Material, das bei dieser Form der Erfindung in den Sammelbereich
60' in der Freigabekammer
aufsteigt, kann jedoch nicht bis zum gewünschten Niveau chemisch reduziert
werden, da die Kontaktzeit mit dem flüssigen, reaktionsfähigen Metall begrenzt
ist. Um Materialien, die sich in dem Bereich
60' ansammeln,
vollständig
zu reduzieren, wird dieser Bereich entweder regelmäßig oder
kontinuierlich mit einem geeigneten Spülfluid gespült. Das Spülfluid weist vorzugsweise konditioniertes
Rauchgas aus dem Rauchgassammelsystem
40' auf. Das ausgespülte Material,
zu dem das Spülfluid
selbst, nicht in Reaktion getretenes Einsatzmaterial und Zwischenreaktions-
sowie Endprodukte zählen,
wird durch eine geeignete Leitung
50' zu einem Behandlungssystem
25' geleitet, das
dem Behandlungssystem
25 gemäß
1 entspricht.
Diese Anordnung zum Entfernen von freigesetzten Gasen aus dem Bereich
60' und zum Weiterleiten
der Gase zum Behandlungssystem
25' bildet bei dieser Form der Erfindung
eine Behandlungsanordnung. Das System zur Behandlung von freigegebenem
Fluid
25' weist
vorzugsweise einen Reaktor für
flüssiges,
reaktionsfähiges
Metall auf. Es ist anzumerken, dass die aus dem Bereich
60' gespülten Materialien,
obwohl in den
7 bis einschließlich
9 ein
separates Behandlungssystem angedeutet ist, das ein zweites flüssiges,
reaktionsfähiges
Metall verwendet, auch in das flüssige,
reaktionsfähige
Metall in dem Sicherheitsbehälter
11' eingespritzt
werden können.
Unabhängig
davon, ob es in dem Sicherheitsbehälter
11' integriert oder anderweitig angeordnet
ist, kann das System zur Behandlung von freigegebenem Fluid
25' aus einem System bestehen,
das speziell für
die Behandlung von Gasen geeignet ist, wie z.B. das in dem
U.S.-Patent 6,227,126 dargestellte
System.
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Es
ist anzumerken, dass sich bei der in den 6 bis 8 dargestellten
Form der Erfindung Feststoffe und Flüssigkeiten an der Oberfläche des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in der Freigabekammer 14' (auf dem Niveau 41') ansammeln
können.
Das Tauchelement 52' kann
verwendet werden, um dieses Material unter die Oberfläche des
flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls zu drücken,
wo es von der Strömung
des flüssigen,
reaktionsfähigen
Metalls in die Behandlungskammer 15' und schließlich in die Auslasskammer 16' getragen werden
kann.
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Von
dieser Stelle können
die Feststoffe und leichte Flüssigkeiten
entfernt werden, wie es bei der Ausführungsform gemäß den 2 bis 5 beschrieben
wurde.
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Die
vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sollen die Grundlagen
der Erfindung veranschaulichen, aber nicht den Umfang der Erfindung
einschränken.
Abgesehen von diesen bevorzugten Ausführungsformen sind verschiedene
andere Ausführungsformen
und Modifikationen durch den Fachmann möglich, ohne vom Umfang der
nachfolgenden Ansprüche
abzuweichen. So zeigen die Figuren beispielsweise den Behälter 46 und 46' als Zylinder.
Obwohl zylindrische Fässer
oder Kanister mit Einsatzmaterial die am meisten verwendeten Elemente
für die
Behandlung in dem vorliegenden System sind, kann das System auch
für die
Behandlung von Einsatzmaterialien in jeder anderen Art von Behälter verwendet
werden, zu welchen auch Verpackungen, Kisten und Beutel gehören. Außerdem können anstatt
des in den Figuren dargestellten Brennersystems elektrische Induktionsheizsysteme
und andere Arten von Heizsystemen verwendet werden, um das reaktionsfähige Metall
auf die gewünschte
Temperatur zu erwärmen.