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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Verdampfung von Phosphor
sowie zur Erzeugung von Phosphorverbindungen Für die fortlaufende Umsetzung von
Phosphor z. B. mit gasförmigen Stoffen, wie Sauerstoff oder Chlor, hat es bisher
an einem sicheren Verfahren und einer geeigneten Vorrichtung gefehlt, den Phosphor
in genau vor-,-eschriebener Menge mit den genannten- Stoffen zusammenzubringen.
Die bekannte Herstellung von Phosphortrichlorid durch überleiten von Chlor über
Phosphor in einer Retorte ist für eine kontinuierliche Arbeitsweise nicht geeignet,
und auch beim Arbeiten mit einem Düsenbrenner ergeben sich Schwierigkeiten, da infolge
der leicht eintretenden Verstopfungen nur während verhältnismäßig kurzer Zeiträume
störungsfrei gearbeitet werden kann. Beim Einführen von Phosphordampf in den Verbrennungsraum,
wie es zur Herstellung von Phosphorpentoxyd: mit anschließender Absorption in verdünnter
Phosphorsäure vorgeschlagen worden ist, ist der Verbrennungsvorgang nicht kontrollierbar,
so daß sich auch niedere Oxydationsstufen bilden- außerdem sind zur Erzielung einer
auch nur annähernd vollständigen Oxydation sehr große Verbrennungsräume erforderlich.
Bei Anwendung der nachstehend geschilderten Arbeitsweise und des beschriebenen Phosphorverdainpfers
gelingt es, Phosphor kontinuierl# cl lich, in beliebigen Mengen und störungsfrei
umzusetzen.
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Das Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß inan den Phosphor
zunächst mit einer solchen Menge eines gasförmigen ZD b
Stoffes reagieren
läßt, daß die gebildete Reaktionswärme genügt, urn den gesamten hierbei nicht in
Reaktion getretenen Phosphor gleichzeitig zu verdampfen, worauf dann der erzeugte
Phosphordampf mit der zur Umsetzung erforderlichen Reaktionskomponente in Berührung
gebracht wird: Der Phosphor wird z. B. geschmolzen mittels einer Rohrleitung in
einen Verbrennungsraum eingeführt, während gleichzeitig eine beschränkte Menge eines
Reaktionsgases, wie Sauerstoff oder Luft, hinzugeleitet -wird. Ein Teil des Phosphors
verbrennt hierbei in der Verbrennungskammer zu Phosphoroxyden, während der andere
Teil des Phosphors infolge der hohen Verbrennungswärine gleichzeitig verdampft.
Das Gemisch von Phosphoroxyden und Phosphordampf tritt aus der Verbrennungskammer
aus und kann nun mit Reaktionskomponenten zusammengebracht werden. Z. B. kann man
auf das Gemisch direkt anschließend die zur vollständigen Umsetzung des Phosphors_
erforderliche Menge der ursprünglich verwendeten gasförmigen Komponente (Sauerstoff
oder Luft) einwirken lassen und den Phosphor vollstandig zu Phosphorpentoxyd verbrennen.
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Der Anteil an Luft, der mit dem Phosphor innerhalb des Hohlraurns
zusammenkommt, braucht nur sehr klein zu sein, da die Verbrennun-swärme von Phosphor
zu Phosphorpentoxyd etwa 6ooo Wärmeeinheiten je Kilograinni Phosphor beträgt,
wogegen zur b Z> t'
Verdampfung von Phosphor weniger
als 200 Wärmeeinheiten je Kilogramm Phosphor, also etwa 3 0/, der
Verbrennungswärme, erforderlich sind. Infolgedessen genügt die vollständige Oxvdation
von etwa 33 9 PhOsphor zu Phosphorpentoxyd, um mittels der frei werdenden
Bildungswärine etwa 9679
Phosphor zu verdampfen. Zum Ausgleich von Wärmeverlusten,
z. B. durchAbstrahlung, zur Erwärinung des Stickstoffes der Luft bzw. der Verbrennungsgase
und unter Berücksichtigung des Umstandes, daß in Gegenwart von überschüssigem Phosphor
auch niedere Phosphoroxyde mit geringerer Bilduntrswärme entstehen, verwendet man
zweckinäßi- die etwa doppelte oder dreifache Menge der errechneten Luft. Es hat
sich gezeigt, daß man nach diesem Verfahren rund "1" des farblosen Phosphors in
Dampfform überführen kann.
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Zur Durchführung des Verfahrens verwendet man eine Verbrennungskammer.
An der einen Stirnseite werden durch zwei Rohre Phosphor (z. B. in geschmolzener
Form bei gelbem oder staubförmig bei rotem Phosphor) und das Reaktionsgas, z. B.
Luft, eingeführt. An der gegenüberliegenden Seite befindet sich eine Austrittsöffnung
für das Gemisch von Phosphoroxyden und Phosphordampf. Die Abführungsöffnung kann
mitten auf der Stirnfläche oder auch seitlich an-,gebracht sein.
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Soll der Phosphordampf unmittelbar nach dem Verlassen des Verbrennungsraumes
weiter oxvdiert werden, so kann der noch fehlende Teil der Verbrennungsluft durch
Rohrleitungen, die völlig außerhalb des Phosphorverdampfers liegen, zugeführt werden,
aber auch durch eine oder mehrere Rohrleitungen, die durch den Verdampfungskörper
durchgezogen sind und an der Austrittsöffnung des Phosphordampfgemisches münden,
so daß eine ejektorartige Wirkung erreicht wird. Soll der Phosphordampf jedoch anderen
chemischen Umsetzungen zugeführt werden, so läßt man den mit verhältnismäßig geringen
Mengen Phosphoroxyden gemischten Phosphordampf aus der Austrittsöffnung des Verdampfers
in den Raum für die weitere Behandlung eintreten.
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Als Baustoff -für den Phosphorverdampfer eignet sich am besten keramisches
Material, Kohle oder Graphit, wobei die Zuführungsleitungen z. B. auch aus Ouarz
oder Metall sein kiinnen. Für die Abdichtun- hat sich jeder mit ##'asserglas angesetzte
Kitt bewährt. Bei Verwendung von Kohle oder Graphit als Apparatmaterial erfolgt
vor dem ersten Gebrauch zur Verhütung von Oxydationen eine Durchtränkung mit konzentrierter
Ortho-, Pyro- oder Metaphospliorsäure. Die so hergestellten Verdampfungsvorrichtungen
sind, auch wenn die Weiterbehandlung des Phosphordampfs unmittelbar hinter der Austrittsöffnung
erfolgt, also hohe Temperaturen entstehen, lange betriebsfähig. Verstopfungen, die
durch die Bildung von rotem Phosphor zu erwarten gewesen wären, treten erfahrungsgemäß
nicht auf. Selbst Verkrustungen durch anorganische Verunreinigungen, die häufig
in farblosem Phosphor von der Herstellung her enthalten sind, sind nicht beobachtet
worden. Die Vorrichtung arbeitet betriebssicher, eine Gefährdung bei der Handhabung
kann nicht auftreten.
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Die Vorrichtung ei-net sich für die Herstellung von Phosphordampf
für beliebige Verwendungszwecke, bei denen geringe Ge-Z, halte an Phosphoroxyden
nicht stören, insbesondere aber zur LTnisetzung init Gasen. z. B. Chlor zur Herstellting
von Phosphorchloriden, oder Sauerstoff zur Gewinnunvon Phosphoroxyden. Reiner Sauerstoff
kann hierbei durch Luft ersetzt werden. 'Man kann aber die Phosphordämpfe auch frei
von Phosphoroxyden erhalten, wenn man den Phosphor nicht mit Sauerstoff, sondern
mit Chlor teilweise verbrennt und verdampft.
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Die Vorrichtung hat den besonderen Vorzug, daß durch Veränderung der
Abmessungen z. B. von Austrittsöffnungen und Gaszuführungsrohren die Flanlinenlänge
des austretenden Gemisches beliebig eingestellt werden kann und daß die Verbrennung
so vollkommen ist, daß Phosphornebel oder versprühte Phosphorteilchen nicht gebildet
-%verden. Infolgedessen ist z. B. bei der Herstellung von Phosphorsäure die Absorption
des Phosphorpentoxyds vollständig, und es gelingt die Erzeugung hochkonzentrierter
Saure.
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Die Verdarnpfung von 15 kg Phosphor stündlich erfordert etwa
einen Verdampfungsraum von einem Liter.
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An Hand der beiliegenden Zeichnungen werden nachstehend einige Ausführungsformen
der Erfindung noch näher erläutert.
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Fig. i. Der zylindrische Kohleblock a enthält einen Hohlraum
d mit öffnung e, nach der sich der Hohlratim verjüngt. Durch das Rohr
b, das aus Kohle oder Quarz bestehen kann, wird schmelzflüssiger Phosphor
in den t>
Hohlraum eingeführt, während durch das Rohr c diejenige Menge Luft
oder Sauerstoft eingebracht wird, die bei der Oxydation eines Anteils des zu-eführten
flüssigen Phosphors so viel Wärmeeinheiten liefert, daß der gesamte Phosphor verdampfen
kann. Der verdampfte Phosphor tritt aus der öffnung e z. B. in einen Reaktionsraum,
in dem der Phosphordampf unigesetzt werden soll. Wird in den Reaktionsratim z. B.
Chlor ein-eführt, so entsteht Phosphorpentachlorid. Wird aber
eine
weitere Menge Sauerstoff eingeleitet, so verbrennt der Phosphordampf vollkommen
zu Phosphorpentoxyd.
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Fig. 2. In einem Kohleblock von ähnlichen Ausmaßen wie in Fig. i befindet
sich der Hohlraum. 1 mit einem Austrittskanal k, der nach unten gerichtet
ist. Durch das Rohr f
wird schinelzflüssiger Phosphor, durch das Rohr
g Luft eingeführt. Der Phosphor verdampft im Raum 1 und tritt durch
die Öff-
nung k nach unten gerichtet aus der Vorrichtung aus. Die zur
völligen Oxydation des Phosphordampfes erforderliche Menge Luft wird durch das Rohr
h in einen Ringraum eingeführt, aus welchem die Kanäle i die eingeführte Luft an
die Austrittsöffnung k und somit an die Phosphordämpfe heranbringen. Da sich
der Körper erwärmt, wird auch die zu'geführteVerbrennungsluft mit vorgewärmt, was
für eine restlose und schnelle Verbrennun- des Phosphordampfes gün§tig ist.
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Z,
Fig. 3 stellt eine Vorrichtung ähnlich Z,
Fig.
2 dar, jedoch mit dem Unterschied, daß die Vorrichtung als drehbarer Brenner dient.
Z,
Zu diesem Zwecke ist der Kohleblock in den drehbaren Körper in, und den
feststehenden Körper ii unterteilt. Durch o tritt wiederum schine17flüssiger Phosphor,
durch p die Hilfsluft und durch (1 die zur völligen Oxydation erforderliche
Luft ein. Der im Hohlraum s verdampfende Phosphor wird an der Austrittsöffnung;-
von der Verbrennuncrsluft geel troffen. Die strahlenförmig austretende Phosphorpentoxydflamme
beschreibt infolge Drehung des Vorderteils in. einen Kreis und bestreicht auf diese
Weise eine große Fläche im vor-elagerten Reaktionsraum.
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Fig.4 stellt eine Vorrichtung dar zur Erzeugung einer scheibenförmigen
Phosphorpentoxvdflarnme. Der schmelzflüssige Phosphor t;itt durch t, die Hilfsluft
durch it in den Hohlraum y ein, aus welchem der Phosphordampf durch den Ringraumz
entweicht. Die zur völligen Verbrennung. erforderliche Luft wird von v aus in eine
Luftkammerw ,geleitet. welche durch vier oder mehr Bohrun-(T -"en #t die Verbrennungsluft
an die aus z entweichenden Phosphordämpfe heranführt und senkrecht zur Hauptachse
des- Brenners ablenkt, wobei eine scheibenförmige Flamme entsteht.