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Verfahren zur Herstellung und Reinigung von Aluminium Gegenstand der
vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Destillationsverfahren zur Herstellung
oder zur Reinigung von Aluminium.
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Es ist bereits bekannt, daB beim Erhitzen einer innigen Mischung von
Aluminium mit einem festen oder flüssigen. wenig flüchtigen Halogenid, wie z. B.
@lagnesiumfluorid oder Kryolith, Verflüchtigung des Aluminiums und des Halogenides
bei Temperaturen vor sich geht, die weit unter den Temperaturen liegen, hei denen
die Erhitzung von :10uminium allein, d. h. nicht gemischt mit einem Halogenid, eine
nennenswerte Verflüchtigung des Aluminiums gibt.
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Beruhend auf diesem Vorschlag wurde ein Verfahren zur Herstellung
oder Reinigung von Aluminium vorgeschlagen, welches darin besteht, daß ein inniges
Gemisch eines Halogenides mit Aluminium oder einern alumittiumhaltigen Material
gebildet wird, die Mischung in einer gegen Aluminium inerten Atmosphäre erhitzt
wird, wobei das Aluminium zusammen mit dem Halogenid verdampft, die entstehenden
Dämpfe abgekühlt werden, wobei sich ein Kondensat, bestehend aus einer Mischung
von Aluminium mit dem Halogenid, bildet, und schließlich das Aluminium von dem Halogenid
des Kondensates in einer besonderen Operation getrennt wird. Es wird davon abgeraten,
bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens Halogenide zu verwenden, die bei
der für die beschriebene Destillation nötigen Temperatur oder bei noch tieferen
Temperaturen merklich verdampfen oder die bei dieser Temperatur instabil sind.
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Weiterhin haben W. K 1 e m m und E. V o s s (Zeitschrift für anorganische
und allgemeine Chemie, Bd. 25 i, S. 232 bis 240, 1943) gefunden,
daß
die wiederholte Destillation des Kondensates, das bei der Destillation eines Gemisches
von Aluminium mit Aluminiumfluorid bei ungefähr 700° erhalten wird und aus einer
innigen Mischung von Aluminium und Aluminiumfluorid besteht, zu einem Endkondensat
führt, das 2 Grammatome Aluminium je Grammolekül Aluminiumfluorid enthält. Daraus
haben die Autoren geschlossen, daß die Flüchtigkeit des Aluminiums in einer Mischung
mit Aluminiumfluorid auf der Bildung eines flüchtigen Aluminiummonofluörids beruht.
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Im Gegensatz zu dem bekannten Vorschlag wurde nach der vorliegenden
Erfindung festgestellt, daß Halogenide, die vor ihrer Berührung mit Aluminium oder
aluminiumhaltigem Gut in die Dampfphase übergeführt worden sind, mit Aluminium hei
Temperaturen reagieren, die viel tiefer sind als die Temperaturen, bei denen Aluminium
wegen seines Dampfdruckes merklich verdampft, und daß hei der Reaktion dieser Dämpfe
mit dem aluminiumhaltigen Gut flüchtige Reaktionsprodukte entstehen, die bei Abkühlung
zur Kondensation von Aluminium und dem ursprünglichen Halogenid führen. Zur Durchführung
dieser Reaktion wird das :duminium in einer Atmosphäre erhitzt, die entweder nur
aus den Dämpfen der Halogenide, zweckmäßig unter erniedrigtem Druck, oder aus einem
Gemisch dieser Dämpfe mit einem inerten Gas besteht. In ähnlicher Weise kann Aluminium
aus Aluminiumlegierungen und aus Verbindungen des Aluminiums mit anderen nichtflüchtigen
Elementen, wie z. B. den intermetallischen Verbindungen des Aluminiums mit Eisen,
oder aus Aluminiumkarbid verflüchtigt werden.
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Im Gegensatz zur früheren Auffassung können gemäß der Erfindung niedrig
siedende oder sublimierende Halogenide, wie Aluminiumchlorid (Sublimationspunkt
bei normalem Druck 18o,2° C) oder .Aluminiumbromid (Siedepunkt bei normalem Druck
256,4° C), mit großem Vorteil verwendet werden, aber auch höher siedende oder sublimierende
Halogenide, wie Natriumchlorid (Siedepunkt bei normalem Druck 1465° C) oder Aluminiumfluorid
(Sublimationspunkt bei normalem Druck ungefähr 126o° C), sind als wirksam befunden
worden.
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Je nach der Natur des verwendeten Halogenides, der Reaktionstemperatur,
der für die Kondensation gewählten Niethode, der Kondensationstemperatur, der Natur
des aluminiumhaltigen Materials und dem im System aufrechterhaltenen Druck kondensiert
(las Halogenid entweder zusammen mit dem .Aluminium oder getrennt davon oder überhaupt
nicht. Wenn die Verdampfungstemperatur des Halogenides unter dem im System herrschenden
Druck nicht oder nicht wesentlich unter der Reaktionstemperatur liegt, so kondensiert
das Aluminium zusammen oder teilweise zusammen mit dem Halogenid und muß nach der
Kondensation von diesem getrennt werden. Dabei ist unter Reaktionstemperatur jene
Temperatur (oder jenes Temperaturintervall) zu verstehen, bei der die Reaktion eine
hinreichend große Geschwindigkeit hat
| und bei der unter dem herrschenden Druck die |
| Umsetzung des Halogenides mit dem aluminium- |
| haltigen Material in technisch brauchbarem Aus- |
| maß erfolgt. Wenn jedoch unter dem im System |
| herrschenden Druck die Reaktionstemperatur ge- |
| nügend hoch über der '\'er(iampfungsteinperatur |
| des Halogenides liegt, so kondensiert das _11u- |
| minium bei einer Temperatur. (U; wesentlich höher |
| ist als die Kondensationstemperatur des Halo- |
| genides. Das Aluminium kondensiert in diesem |
| Fall daher völlig oder zum größten Teil getrennt |
| von dem Halogenid in der heißesten Zone des Kon- |
| densators und das Halogenid oder die Hauptmenge |
| des Halogenides in einer kälteren Zone. Wenn |
| aber der Kondensator und alle dazugehörenden |
| Teile der Apparatur zwischen den Kondensations- |
| temperaturen des Aluminiums und des Halogenides |
| gehalten werden, kondensiert das Halogenid über- |
| haupt nicht und bleibt in d^m System als Dampf |
| für kontinuierliche Reaktion y erfügbar. Diese |
| beiden Möglichkeiten, Vermeidung der Kon- |
| densation des Halogeni(l,2s oder :eine gänzlich ge- |
| trennte Kondensation, können leicht 1>e1 der Ver- |
| wendung von Aluminiumchlorid oder -bromid er- |
| reicht werden, da die Reaktionstemperatur dieser |
| Halogenide viel höher ist als ihre recht niedrige |
| Verdampfungstemperatur. |
| Wenn der Halogeni(ldaml>f über das erhitzte |
| Aluminium oder aluminiumhaltige Material geführt |
| wird, können seine Strömungsgeschwindigkeit, der |
| Partialdruck des Halogenides, die Oberflächen- |
| ausdehnung des Aluminiums oder des aluminium- |
| haltigen Materials und die Temperatur der Re- |
| aktion so geregelt werden, daß die Menge des Alu- |
| miniums, die je Gewichtseinheit Halogenid destil- |
| liert, einen Ma-aimalwert erreicht. der nicht über- |
| schritten werden kann. Wie aus den später an- |
| geführten Beispielen zu' ersehen ist, ist dieser |
| Maximalwert bei Verwendung von Aluminium- |
| chlorid i Gewichtsteil Aluminium je 2.5 Gewichts- |
| teile Aluminiumchlorid oder 2 Grammatome Alu- |
| minium je i Grammolekiil Aluminiumchlorid. Die |
| Geschwindigkeit der Verflüchtigung des Alu- |
| miniums im Verhältnis zur Geschwindigkeit des |
| Halogenidstromes bleibt immer inr_erhalb dieser |
| Grenze, wird jedoch bei sonst gleichbleibenden Be- |
| dingungen stark vermehrt. wenn die Oberflächen- |
| größe des aluminiumhaltigen Materials oder die |
| Temperatur der Reaktionszone erhöht wird. |
| Dieses Verhalten steht in Übereinstimmung mit |
| der Annahme, daß sich hei der Reaktionstempera- |
| tur ein Gleichgcwicht zwischen dem in dem alu- |
| miniumhaltigen, :Material enthaltenen Aluminium, |
| dem Dampf des Ausgangshalogenides und einem |
| Aluminiummonohalogenid einstellen kann, das 1>e1 |
| hohen Temperaturen und niedrigen Drucken auf der |
| Seite des Aluminiummonohalogenides liegt und |
| sich beim Abkühlen auf die Seite des :lusgangs- |
| halogcnides und des metallischen Aluminiums, das |
| sich ausscheidet. zuriickverschiebt. Durch di;s" |
| theoretische Erklärung soll aber der Anwendungs- |
| bereich der Erfindung nicht eingeschränkt werden. |
| Nach obiger Annahme verläuft die Reaktion mit |
Aluminiumclilori(ldampf, der sich als für die Reaktion sehr geeignet
erwies, nach folgender Gleichung: 2 Al + :\1 C13 (Dampf) = 3 Al Cl (Dampf).
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.Mit Natriumchlorid verläuft die Reaktion nach der Gleichung: N a
Cl (Dampf) @- Al = N a (Dampf) + Al Cl (Dampf). Da die Bildung des Alurniniummonohalogenides
Wärme verbraucht und unter Vergrößerung des Volumens verläuft, wird die Reaktion
um so vollständiger von rechts nach links verlaufen, je höher die Temperatur und
je niedriger der Druck ist, oder, wenn der Halogeniddampf mit einem inerten Gas
vermischt ist. je niedriger sein Partialdruck ist. Die -Menge llorrohalor;errid
je Raumeinheit in der Gasmischung, d. h. die Raumkonzentration des verflüchtigten
Aluminiums, nimmt mit abnehmender Konzentration des Ausgangshalogenides ab. Eine
untere Grenze für den Druck (die Raumkonzentration) des flalogeniddampfes ist in
der Praxis dadurch gegeben, daß bei zu niedrigem Halogeniddruck die -Mengen destillierten
Aluminiums, die durch die Ouerschnittseinheit der angewendeten Apparatur strömen,
zu gering werden.
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Da die Reaktion um so vollständiger verläuft und daher einen um so
höheren Wirkungsgrad hat, je höher die Temperatur ist und je niedriger der Druck
des Halogeniddampfes ist, und da die Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur
zunimmt, ist es im allgemeinen ratsam, die Reaktionstemperatur höher zu halten als
die Verdampfungstemperatur des Halogenides unter dem im System herrschenden Druck.
Dieser Unterschied zwischen der Verdampfungstemperatur des Halogenides und der Temperatur,
bei der die Reaktion vorteilhafterweise ausgeführt wird, ist, wie bereits erwähnt.
sehr groß, wenn die besonders leicht flüchtigen Aluminiumhalogenide, Aluminiumchlorid
oder -bromid, verwendet werden. Er ist aber auch recht .beträchtlich in anderen
Fällen und mag z. B. bei der Verwendung von Natrittmchlorid als Halogenid je nach
dem gewählten Druck und je nach der Natur des aluminiumhaltigen Materials 300 bis
40o° C betragen. Es ist in. Übereinstimmung mit ganz allgemeinen Betrachtungen,
die auf ein chemisches Gleichgewicht anwendbar sind, für gewöhnlich am wirtschaftlichsten,
sich mit einem Umsetzungsgrad von ungefähr go% oder weniger zufrieden zu geben.
'v\'irkungsgrade, die höher als 9o% sind, können nur durch eine verhältnismäßig
sehr starke 1?rhöhung der Reaktionstemperatur erreicht werden. Eine untere Grenze
für die Reaktionstemperatur. die von dem verwendeten Halogenid, -der Art des Aluminium
enthaltenden Materials und (lern Druck abhängt, ist dadurch gegeben, daß bei zu
tiefen Temperaturen der Umsetzungsgrad und die keaktionsgeschwindigkeit ztt klein
werden.
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Das -'erfahren zur Tierstellung und Reinigung von Aluminium gemäß
der Erfindung besteht darin.. claß erhitztes aluminiumhaltiges Material mit einem
vorher in die Dampfphase übergeführten Halogenid zur Reaktion gebracht wird, wobei
sich Aluminium unter Bildung von Alurniniumhalogenv erbindungen verflüchtigt, und
das Aluminium aus den dampfförmigen Reaktionsprodukten durch Kühlung abgeschieden
wird. Es ist zweckmäßig, die Reaktionstemperatur so zu wählen, daß der Halogeniddampf
bei der Reaktion ungesättigt in bezug auf das kondensierte (feste oder flüssige)
Halogenid ist. Dies kann vorzugsweise so erreicht werden, daß man die Halogenidverdampfungstemperatur
tiefer als die Reaktionstemperatur wählt und den Halogeniddampf praktisch ohne Volumvergrößerung
vom Halogenidverdampfer in die Reaktionszone strömen läßt. oder auch dadurch, daß
man bei beliebiger Halogenidverdampfungstemperatur den Halogeniddampf sich beim
Strömen vom Verdampfer in. den Reaktionsraum so weit ausdehnen läßt, daß sein Druck
im Reaktionsraum niedriger als sein Sättigungsdruck bei der Reaktionstemperatur
ist.
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Der Ausdruck aluminiumhaltiges Material umfaßt unreines Aluminium,
Aluminiumlegierungen, besonders solche, die durch Reduktion von aluminiumhaltigen
Erzen mit Kohle im elektrischen I_ichthogenofen erhalten werden, wie Aluminium-Silicium-
oder .Aluminium-Eisen-I.egierungen, Verbindungen des Aluminiums mit anderen nichtflüchtigen
Elementen, wie Ferroaluminium (A1 Fe) und Aluminiumkarbid, und Mischungen und Gemenge
dieser Stoffe. Der Ausdruck aluminiumlraltiges -Material umfaßt auch gereinigte
oder rohe Tonerde oder andere oxydische Aluminiumerze, wie z. B. Bauxit oder Ton,
wenn gemischt mit geeigneten Reduktionsmitteln, wie Kohle, und die Gemenge dieser
Stoffe zusammen mit den vorhergenannten aluminiumhaltigen Materialien. Der Ausdruck
unreines Aluminium umfaßt auch Aluminium, das, wie z. B. 99,5 %iges Aluminium, im
gewöhnlichen Sprachgebrauch als rein bezeichnet wird, aper durch die erfindungsgemäße
Destillation einen noch höheren Reinheitsgrad, z. B. 9995 % oder mehr, erlangen
kann.
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Der Ausdruck Halogenid umfaßt die Halogenide der Alkalimetalle, der
Erdalkalimetalle und des Aluminiums, einschließlich der verschiedenen. Komplexsalze.
welche diese Halogenide untereinander bilden. und ferner solche halogenidhaltige
Substanzen, die durch Reaktion mit dem aluminiumhaltigen Material die erwähnten
Halogenide bilden können, z. B. Chlor oder Chlorwasserstoff oder Gemische -zweier
oder mehrerer solcher Stoffe miteinander.
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Niedrig siedende oder sublimierende Halogenide. wie Alurniniuml>romid
und wegen seines niedrigen Preises insbesondere Aluminiumchlorid. wurden als wirksam
und besonders vorteilhaft befunden, da sie u. a. nach der Reaktion, wenn ihre Kondensation
überhaupt bewirkt wird, völlig getrennt vom Aluminium kondensieren. Die Jodide sind
weniger wirksam als die übrigen Halogenide. Die Verwendung der Berylliumhalogenide
und der Fluoride der übrigen Erdalkalimetalle bietet wegen der geringen Flüchtigkeit
des Berylliums bzw. der genannten Fluoride nur in seltenen Fällen alle Vorteile
gemäß der Erfindung.
Das Halogenid oder die Halogenide können in
den das aluminiumhaltige Material enthaltenden Kammern zur Verdampfung gebracht
werden oder in Kammern, die mit diesen verbunden sind. Die Verdampfung kann unter
erniedrigtem, normalem oder leicht erhöhtem Druck vorgenommen werden, das letztere
insbesondere, wenn, die Verdampfung in einem Strom eines @inerten Gases oder Gasgemisches,
der über das Halogenid geführt wird, erfolgt.
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Je nach der Natur des verwendeten aluminiumhaltigen Materials und
des Halogenides sind die Aluminiumhalogenverbindungsdämpfe (Alum-iniummonohalogeniddämpfe)
entweder die einzigen gasförmigen Reaktionsprodukte oder diese Dämpfe entstehen
zusammen mit anderen Gasen oder Dämpfen, wie Natriumdampf oder Kohlenstoffmonoxyd.
Das Verfahren Dur Gewinnung des Aluminiums aus den Reaktionsprodukten muß dementsprechend
gewählt werden. Wenn die Dämpfe der Aluminiumhalogenverbindungen (Aluminiummonohalogenide)
die einzigen gasförmigen Reaktionsprodukte sind oder wenn sie zusammen mit anderen
Gasen oder Dämpfen gebildet werden, die nicht die Fähigkeit zu oxydieren haben,
so wird direkte, allmähliche Abkühlung bevorzugt. Wenn zusammen mit den Dämpfen
der Aluminiumhalogenverbindungen Gase gebildet werden, die oxydierende Fähigkeit
haben, wie z. B. Kohlenmonoxyd, das @im Falle, in dem das aluminiumhaltige Material
ein Gemisch von Tonerde mit Kohlenstoff ist, entsteht, so muß man plötzliches Abkühlen
oder Abschrecken oder, alternativ, Ab-sorption des Aluminiums durch ein anderes
Metall, z. B. Kupfer, mit nachfolgender Redestillation verwenden, in Übereinstimmung
mit den Regeln, die in der Technik der Reduktion von Magnesia mit Kohlenstoff wohl
bekannt sind.
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Bei der Ausführung der Erfindung wird das aluminiumhaltige Material
vorzugsweise in die Form eines groben Pulvers oder von Brocken oder, wenn es flüssig
ist, von Tropfen gebracht, so daß es dem Halogeniddampf eine große Oberfläche bietet.
Wenn das Material bei der Reaktionstemperatur flüssig ist, so kann es in beheizten,
flachen Behältern oder Tellern enthalten sein oder über erhitztes gebrochenes Füllmaterial
verteilt werden; diese Behälter oder Füllmaterialien befinden sich ihrerseits in
Kammern, die mit dem Halbgeniddampf, vorzugsweise unter vermindertem Druck, oder
mit einer Mischung von Halogeniddampf und Inertgasen gefüllt sind. Die Kammern müssen
mit geeigneten Kühlern verbunden sein, in denen das Aluminium oder das Aluminium
und das Halogenid kondensiert. Wenn das aluminiumhaltige Material bei der Reaktion
flüssig ist, kann man es durch Türme, die mit Brocken oder ähnlichen Hilfsmitteln
gefällt sind, herabrieseln lassen. Die Türme müssen mit einem Kühler für die Kondensation
des Aluminiums verbunden sein. Durch diese Türme streicht der Halogeniddampf oder
das den Halogeniddampf enthaltende Gasgemisch unter normalem, leicht erhöhtem oder
reduziertem Druck. Der Halogeniddampf oder das den Halogeniddampf enthaltende Gas
kann auch durch das flüssige, erhitzte aluminiumhaltige Material gesprudelt werden,
und die entweichenden dampfförmigen Reaktionsprodukte werden durch Kühler geleitet,
wo das Aluminium oder das Aluminium und das Halogenid kondensieren.
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Wenn das aluminiumhaltige Material hei der Reaktionstemperatur fest
ist, wird es vorzugsweise zu kleinen Stücken oder zu einem groben Pulver zerkleinert.
Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, es zu porösen Briketts zu pressen. Die so
vorbereiteten Materialien werden in beheizte Reaktionskammern. oder Türme gebracht,
wo sie mit Halogeniddampf in Berührung sind oder von ihm bestrichen werden.
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Das aluminiumhaltige Material kann auch als Pulver oder Sprühregen
durch den Halogeniddampf selbst oder durch das den Halogeniddampf enthaltende Gas
in den Reaktionsraum eingeblasen werden. In diesem Fall setzen sich flüssige oder
feste Reaktionsrückstände entweder am Boden des Reaktionsraumes oder in besonders
zu diesem Zweck vorgesehenen Kammern ab, die auf geeigneter Temperatur gehalten
werden, während die bei der Reaktion entstehenden Dämpfe zur Kondensation des Aluminiums
in geeignete Kühler geleitet werden.
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Wenn niedrig siedende oder su,blimnierende Halogenide verwendet werden,
so kann man eine Kondensation der Halogeniddämpfe nach der Reaktion völlig vermeiden.
Die Reaktion kann z. B. in einem geschlossenen System stattfinden, dessen Teile
einschließlich des Kühlers zur Kondensation des Aluminiums über der Kondensationstemperatur
des Halogenides gehalten werden. Ein Strom des Halogeniddampfes oder des Gases,
das den Halogeniddampf enthält, kann durch die Reaktionszone geleitet werden und
von dort in geeignete Kühler, um nur das Aluminium zu kondensieren, und schließlich
wieder im Kreislauf in die Reaktionszone zurückkehren. Der Kreislauf kann durchKonvektion
oder durchAnordnung geeigneter Pumpen bewirkt werden. Dabei ist es notwendig, Umlaufpumpen
zu verwenden, die bei erhöhten Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur
des Halogeniddampfes arbeiten können; z. B. wenn Aluminiumchloriddampf unter dem
Druck von r/too Atm. verwendet wird, so muß es möglich sein, die Pumpe bis 12o°
C zu erhitzen. Der Umlauf des Halogeniddampfes kann durch Konvektion und Diffusion,
ohne Anwendung einer besonderen Pumpe, innerhalb der Apparatur herbeigeführt werden,
z. B. wenn die Destillation in Absätzen durchgeführt und ein Reaktionsgefäß verwendet
wird, das nach dem Einbringen des aluminiumhaltigen Materials und des Halogenides
völlig verschlossen und luftleer gepumpt werden kann, und wenn die Erhitzung des
aluminiumhaltigen Materials z. B. auf elektrischem Wege innerhalb des Reaktionsgefäßes
stattfindet. Wenn die Wände diesesReaktionsgefäßes auf eineTemperatur gekühlt werden,
die nicht unter der Kondensationstemperatur des Halogenides unter dem herrsohenden
Druck.
liegt, so erfolgt Kondensation des Aluminiums an der Innenseite der Wände des Reaktionsgefäßes.
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Werden relativ niedrig siedende oder sublimierende Halogenide verwendet
und wird der Halogeni,ddampf während der Durchführung des Verfahrens kondensiert,
so ist es zweckmäßig, wenigstens zwei Halogenidkondensatoren vorzusehen, die abwechselnd
als Halogenidkondensator und -verdampfer verwendet werden. Durch abwechselnden Gebrauch
des einen dieser Kondensatoren (oder eines Satzes dieser Kondensatoren) als Kühler
und des anderen (oder des anderen Satzes) als Verdampfer kann die Destillation einer
großen Menge Aluminium oder sogar eine kontinuierliche Destillation des Aluminiums
mit einer sehr kleinen Menge Halogenid durchgeführt werden.
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Bei der Verwendung niedrig siedender Halogenide kann die durch die
Kondensation des Aluminiums erzeugte Wärme leicht zur Verdampfung des Halogenides,
wenn dieses kondensiert wird, und/oder zum Vorheizen .des Halogeniddampfes benutzt
werden. Der Halogeniddampf kann dabei entweder direkt als Kühlmittel für den Aluminiumkondensator
verwendet und hierbei vorgeheizt werden oder es kann ein besonderes Kühlmittel,
z. B. ein Gas, im Kreislauf zwischen dem Aluminiumkondensator und einem Wärmeaustauscher,
durch den der Halogeniddampf streicht, herumgeführt werden. Von der schließlich
im Kühlmittel verbleibenden Restwärme kann man für die Verdampfung des Halogenides
Gebrauch machen. Beide Methoden, die direkte und indirekte Erwärmung des Halogenides
durch die Abwärme der Aluminiumkondensation, können kombiniert werden.
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Es ist ein Vorteil .der vorliegenden Erfindung, daß keinerlei Vorbereitung
des Halogenides, wie Mahlen und Brikettieren, notwendig ist. Sogar das aluminiumhaltige
Material kann in vielen Fällen, nämlich wenn es bei der Reaktionstemperatur flüssig
ist, in den Destillationsraum eingeführt werden, ohne vorher in fein zerteilten
Zustand gebracht zu werden. In anderen Fällen ist die für das Verfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung notwendige Zerkleinerung leicht und billig durchzuführen.
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Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer beträchtlichen
Ersparnis an der Menge Halogenid, die je Einheit Aluminium verdampft werden muß.
Wenn z. B. der Dampf von Aluminiumfluorid, das bei etwa 750° unter reduziertem Druck
verdampft wurde, über Tropfen aus unreinem Aluminium geleitet wurde, die bei iooo°
C rin einem mit Tonerdestücken gefüllten Turm aufgeschichtet waren, so waren ungefähr
1,6 Teile Aluminiumfluorid zur Destillation von i Teil Aluminium nötig, während
für die Destillation von i Teil Aluminium 3 Teile Aluminiumfluorid notwendig gefunden
worden waren, wenn Briketts aus einer Mischung von Aluminium und Aluminiumfluoridpulver
verwendet worden waren.
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Wenn Halogenide verwendet werden, die bei einer Temperatur sieden
oder sublimieren, die wesentlich niedriger ist als die für die wirksame Reaktion
nötige Temperatur, ergibt sich ein sehr großer Vorteil der vorliegenden Erfindung
daraus, daß das Halogenid bei einer viel tieferen Temperatur als das Aluminium und
deshalb völlig getrennt davon kondensiert. Die schwierige Trennung des Kondensates
in Aluminium und Halogenid erübrigt sich dann völlig. Aus der getrennten Kondensation
von Halogenid und Aluminium ergeben sich weitere Vorteile, und zwar a) Die aus dem
Aluminiumkühler wiedergewonnene Abwärme kann zur Verdampfung des Halogenides, wenn
es kondensiert wird, und zur Vorwärmung des Halogeniddampfes verwendet werden.
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b) Die in dem gesamten System enthaltene Halogenidmenge kann im Verhältnis
zu der in einer ununterbrochenen Operation destillierten Menge Aluminium stark vermindert
werden, wodurch eine Verkleinerung der Apparatur für eine gegebene Tagesleistung
an Aluminium erzielt wird und wodurch sogar eine völlig kontinuierliche Destillation
des Aluminiums ermöglicht wird.
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Für das Verfahren werden die folgenden Beispiele gegeben: Beispiel
i Für die Durchführung der Destillation wurde ein mit Stücken von rekristallisiertem,
sehr reinem Aluminiumoxyd gefüllter Turm als Reaktionskammer benützt; das Aluminium
wurde zerkleinert auf das Aluminiumoxyd aufgebracht und floß langsam von der Spitze
zum Boden des Turmes. Der Turm wurde durch elektrische Ströme, die in einem Mantel
aus kohlenstoffarmem Eisen induziert wurden, auf die gewünschte Temperatur gebracht.
Der untere Teil des Turmes war mit einem Halogenidverdampfer verbunden, der das
zu verwendende Halogenid enthielt und elektrisch erhitzt wurde, und der obere Teil
des Turmes war mit einem Kondensator verbunden, der am oberen Ende wassergekühlt
wurde und der mit einer Vakuumpumpe verbunden war.- Das Aluminium kondensiert gewöhnlich
in einer Zone nahe dem Austrittsende der Reaktionskammer bei einer Temperatur von
schätzungsweise 700° C, während das verwendete Halogenid in der wassergekühlten.
Zone des Kondensators kondensiert. Der Restdruck betrug immer weniger als
0,5 mm Quecksilbersäule und in den meisten Fällen noch erheblich weniger.
Die Destillationszeit lag zwischen i Stunde und 4 Stunden.
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In einer Reihe von Experimenten, die in diesem Apparat durchgeführt
wurden, war das Aluminium enthaltende Gut unreines Aluminium, das 3,360% Cu, 0,75%
Ni, 1,28% Fe, 1,74% Si und 0,35% Mn enthielt; die Verunreinigungen im Destillat
betrugen durchschnittlich: Cu weniger als o,o50lo, Fe weniger als o,o6%, Si weniger
als o,040/0, Spuren von Mangan bis 0,o5 %. Das verwendete Halogenid war Aluminiumchlorid,
das bei ungefähr 120°' C verdampft wurde. Wenn die Temperatur des Reaktionsturmes
bei 90o bis looo° C
gehalten wurde, war das Verhältnis des Gewichtes
von Aluminiumchlorid, welches durch das Aluminium enthaltende Gut hindurchgegangen
war, zu dem Gewicht des destillierten Aluminiums ungefähr 2,5 bis 2,6 ansteigend
bis ungefähr 2,8 bis 3,0, wenn die Reaktionstemperatur auf ungefähr 8oo' C herabgesetzt
wurde, und verschlechterte sich bis zii Werten zwischen 4 und 7, wenn die Reaktionstemperatur
auf ungefähr 700° C vermindert oder wenn die Verdampfungstemperatur des Aluminiumchlorids
auf 130' C oder mehr erhöht wurde.
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In der gleichen Apparatur wurde Aluminium mit A1 Brs destilliert,
wobei die Temperatur des Halogenidverdampfers ungefähr bei ioo' C und die des Reaktionsturmes
bei etwa iooo' C gehalten wurde. Beispie12 In einer anderer. Versuchsreihe wurde
in einer gleichartigen Apparatur eine Aluminium-Silicium-Legierung mit einem'Gehalt
von 46,6% Si als aluininiumhaltiges Gut verw=endet. Dieses wurde als grobes Pulver
in den Turm eingefüllt, ohne daß ein Trägermaterial verwendet wurde. A1 C13, bei
ungefähr 120' C verdampft, wurde als Halogenid verwendet. In allen Fällen, enthielt
das Destillat weniger als o,o8% Silicium. Das Verhältnis des Gewichtes des Aluminiumchlorids
zu dem Gewicht des destillierten Aluminiums betrug im Mittel 2,7 bei einer Reaktionstemperatur
um etwa 930' C und stieg auf Werte von ungefähr 7 und höher bei Temperaturen
von 830' C und darunter.
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Beispiel 3 In einer dritten Versuchsreihe wurde Ferroaluminium von
verschiedenen Zusammensetzungen verwendet. Das Ausgangsgut wurde als grobes Pulver
in die Reaktionskammer gebracht, wobei kein Trägerstoff verwendet wurde. Die unten
angegebenen Werte wurden bei Verwendung von Aluminiumchlorid als Halogenid und bei
einer Verdampfungstemperatur von 120° C erhalten.
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Wenn Ferroaluminium, das 45,2% Eisen enthielt und hauptsächlich aus
der Verbindung Als Fee oder den Verbindungen Als Fe und A12 Fe bestand, mit Aluminiumchloriddampf
bei etwa 9So' C zur Reaktion gebracht wurde, mußten etwa 2,5 bis 2,7 Teile Aluminiumchlorid
durch das Ferroaluminium geleitet werden, um i Teil des Aluminiums zu destillieren,
wogegen bei ungefähr 830' C etwa 8 Teile AI C13 auf i Teil Aluminium unter
den gegebenen Bedingungen verwendet werden mußten. Der Eisengehalt des Destillates
war von der Größenordnung o, i 0/0 oder weniger.
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Wenn Ferroaluminium, das 71,4% Eisen enthielt und hauptsächlich aus
der Verbindung A1 Fe bestand, bei ungefähr iooo' C zur Reaktion gebracht wurde,
betrug das Verhältnis von Aluminiumchlorid zu dem destillierten Aluminium etwa 2,5
bis 2,7; hei ungefähr 95o' C lag das Verhältnis zwischen 3 und 8 in Abhängigkeit
von der Höhe der Ferroaluminiumsäule und mit dieser abnehmend; eine "Temperatur
von 8oo' C erwies sich bei diesem aluminiumenthaltenden Gut als für eine zufriedenstellende
Destillation zu niedrig.
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Beispiel, In einer vierten Versuchsserie wurden Briketts einer Mischung
von 2 Gewichtsteilen Tonerdepulver und i Gewichtsteil Kohlepulver verwendet. Für
diese Versuche wurde der Gasstrom von der Reaktionszone in die Kondensationszone
auf eine verhältnismäßig enge Öffnung in einer besonders zu diesem Zwecke eingebauten
Scheidewand beschränkt. Innerhalb dieser engen Öffnung war die lineare Geschwindigkeit
des Gases entsprechend groß, wodurch die Abkühluiigsgeschw indigkeit des Gases beträchtlich
erhöht wurde. Außerdem wurde die Abkühlungsgeschwindigkeit durch einen in die Kondensationszone
ragenden wassergekühlten Kühler verbessert. A1 C1.3 wurde wieder als Halogenid verwendet.
Wenn der Al Cl3-Verdampfer auf iso' C und die Reaktionszone auf etwa 1200° C erhitzt
wurde, so destillierte eine Menge Aluminium über, die einer 1- bis 2%igen ]Unisetzung
des angewandten Al C13 *°ntsprach, während die Umsetzung bei einer Al C13-Verdampfungstemperatur
von i5o bis 16o° C und einer Reaktionstemperatur von ungefähr 1.500' C 25 bis 45%
betrug. Das bei der tieferen Reaktionstemperatur destillierte Aluminium kondensierte
praktisch frei von Kohlenstoff und Oxvd, während das Kondensat der bei der höheren
Temperatur durchgeführten Destillation Verunreinigungen von Aluminiumoxyd und Kohlenstoff
enthielt, von denen es in der üblichen Weise durch Umschmelzen mit einem Flußmittel
befreit werden mußte.