NO146535B - Apparat for desublimering av gassformig aluminiumklorid til fast form - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår et apparat for desublimering av gassformig aluminiumklorid til fast form. I apparatet opprett-holdes et virvelsjikt av aluminiumklorid-partikler, i hvilket det gassformige aluminiumklorid desublimeres.

Skjønt de potensielle fordeler ved anvendelse av aluminiumklorid som et utgangsmateriale ved den elektrolytiske fremstilling av metallisk aluminium lenge har vært erkjent, så er den kommersielle utnyttelse blitt hindret, idet man ikke har vært i stand til å skaffe aluminiumklorid med tilstrekkelig høy renhet og med slike egenskaper og i så store mengder at en slik anvendelse kunne realiseres. Det behov som således har forelig-get i lang tid for sådant aluminiumklorid, har resultert i ut-strakt eksperimentell virksomhet og vurdering av et antall for-slag for oppnåelse av disse lenge ønskede resultater. Til nå har imidlertid ingen av forslagene gitt de ønskede resultater når det gjelder fremstilling av kommersielle mengder av rent aluminiumklorid på en økonomisk måte.

Reduksjonen av alumina-holdig materiale med klor i nærvær av karbon i en eller annen form for fremstilling av aluminiumklorid er generelt sett en gammel og velkjent reaksjon. Denne reaksjonen forløper raskt og resulterer vanligvis i gassformig aluminiumklorid som utgjør en del av et gassformig produkt med forhøyet temperatur.

Et av de problemer som man hittil har stått overfor, har vært å kunne fraskille og gjenvinne på en effektiv og økonomisk måte det erholdte aluminiumklorid fra reaksjonsgassen, særlig har fraskillingen og gjenvinningen av det erholdte gassformige aluminiumklorid i en godt brukbar form ved kondenseringstek-nikk vist seg å være meget besværlig på grunn av aluminiumkloridets egenskaper under kondenseringen, og spesielt på grunn av virkningen av aluminiumkloridets damptrykk på kondenserings-graden under de anvendte betingelser.

Oppfinnelsen angår et apparat for desublimering av gassformig aluminiumklorid til fast form, omfattende et kammer for fluidisering av aluminiumklorid-partikler, og en gassfordelingsanordning for tilførsel av fluidiseringsgass til kammeret for opprettholdelse av et virvelsjikt av aluminiumklorid-partikler, samt et utløp for restgass og organer for uttak av aluminiumklorid-partikler fra virvelsjiktet, karakterisert ved en kjøleanordning i virvelsjiktet i kammeret til å regulere temperaturen i virvelsjiktet til en på forhånd bestemt verdi under den øvre desublimerings-temperatur for aluminiumklorid ved de anvendte betingelser, og organer for tilførsel av en gasstrøm inneholdende gassformig aluminiumklorid til sjiktet av fluidiserte aluminiumklorid-partikler, anordnet i avstand fra alle kontaktflater i kammeret som har en temperatur under desublimerings-temperaturen for aluminiumklorid ved de anvendte betingelser, slik at i det minste en vesentlig andel av det gassformige aluminiumklorid desublimeres på overflaten av aluminiumklorid-partiklene i virvelsjiktet.

I henhold til en foretrukken utførelsesform omfatter apparatet ifølge oppfinnelsen også en oppvarmningsanordning forbundet med tilførselsanordningen for gassen inneholdende gassformig aluminiumklorid, hvorved for tidlig kjøling og skadelig kondensasjon av gassformig aluminiumklorid hindres.

En annen foretrukken utførelsesform går ut på at apparatet er forsynt med en ledning mellom utløpet for restgass og innløpet for fluidiseringsgass for resirkulering av iallfall en del av restgassen til anvendelse som fluidiseringsgass for aluminiumkloridpartiklene. I henhold til en ytterligere, foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen er apparatet forsynt med en fordelingsplate anordnet ved og skrånende mot organene for uttak av aluminiumklorid-partikler, slik at relativt tunge partikler føres mot uttaksstedet.

Bauxitt er et alumina-holdig materiale som er blitt fore-slått som utgangsmateriale for fremstilling av aluminiumklorid. Bauxitt inneholder normalt mange forurensninger innbefattende jernoksyd, kiselsyre og titandioksyd. Da disse forurensninger lett reagerer med klor i nærvær av karbon under dannelse av jern-, silisium- og titan-klorider, har fraskil-lelsen og utvinningen av aluminiumkloridet fra det varme gassprodukt fra kloreringen av bauxitt vært et særlig vanskelig problem på grunn av forurensningene og på grunn av aluminiumkloridets egenskaper ved separasjons-operasjonene, særlig på grunn av virkningen av aluminiumkloridets damptrykk på kon-denseringsgraden under de anvendte forhold.

Skjønt fuktighet eller andre hydrogenforbindelser ofte

er tilstede på den karbon-tilblandede bauxitt som brukes for kloreringsreaksjonen, har dette hittil ikke vært ansett som skadelig, da hydrogen omdannes til hydrogenklorid som kan reagere med jernforurensningene. Forsåvidt som reaksjonsblandingen inneholdende det gassformige aluminiumklorid nødven-digvis krevde en etter-rensning, ble tilstedeværelsen av slike bi-produkter i reaksjonsblandingen ikke ansett som en særlig stor ulempe, og bruken av det dannede hydrogenklorid til re-duksjon av jernforurensningene i bauxitten ble ansett som en brukbar måte til å omdanne slike forurensninger til en form i hvilken de lett lot seg fjerne.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er imidlertid spesielt egnet til bruk ved utvinning av aluminiumklorid i forbindelse med prosesser hvor alumina fremstilt ved Bayer-prosessen er det opprinnelige materiale, som på grunn av behandlingen med kaustisk soda normalt er forurenset med natriumforbindelser, f.eks. ^£0, som fører til dannelse av natriumaluminiumklorid og andre natriumbaserte forurensninger under kloreringen.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er således særlig egnet til bruk i en fremgangsmåte til fremstilling av selektivt dimen-sjonert og formet, fast aluminiumklorid av høy renhet ved selektiv fraskillelse av kondenserbare og andre forurensninger fra det varme, gassformige produkt som fåes ved klorering av natrium-forurenset alumina, såsom alumina fra Bayer-prosessen, som praktisk talt ikke inneholder jern-, silisium- og titan-forurensninger, ved nedsettelse av temperaturen til under kloreringsreaksjonens temperatur og over kondenseringstemperaturen for aluminiumklorid under de anvendte forhold og utvinning av det rene aluminiumklorid ved direkte desublimering fra det gassformige produkt. Spesielt kan det tilveie-bringes et hovedsakelig forurensningsfritt aluminiumklorid i gassform i en gassformig bærer ved at man først kjøler det nevnte gassformige produkt til et første, på forhånd bestemt temperaturområde under kloreringstemperaturen og godt over kondenseringstemperaturen for aluminiumklorid under de anvendte forhold, hvorved en utvalgt del av de kondenserbare bestanddeler innbefattende natriumaluminiumklorid utkondenseres og medførte faste og væskeformige partikler og de nevnte konden-serte flyktige bestanddeler innbefattende natriumholdige reaksjonsprodukter fraskilles, fortrinnsvis fulgt av en annen nedkjøling av det gjenværende gassprodukt til et annet og lavere på forhånd bestemt temperaturområde over kondenseringstemperaturen for aluminiumklorid ved de anvendte betingelser, hvorved man selektivt kondenserer ut de gjenværende kondenserbare stoffer unntatt aluminiumklorid, hvoretter man i dette annet trinn fraskiller eventuelle rester av medførte partikler og ytterligere utkondenserte bestanddeler, hvorved man oppnår en kjølt restgass omfattende klor, fosgen og karbonoksyd og inneholdende hovedsakelig forurensningsfritt gassformig aluminiumklorid som en kondenserbar bestanddel. Dette aluminiumklorid utvinnes som et rent, partikkelformet produkt ved direkte desublimering i et selv-fornyende virvelsjikt av partikkelformet aluminiumklorid ved en på forhånd bestemt temperatur vesentlig lavere enn størkningstemperatu-ren for aluminiumklorid ved de anvendte betingelser.

Apparatet ifølge oppfinnelsen kommer med fordel til anvendelse ved en fremgangsmåte til effektiv og økonomisk utvinning av fast aluminiumklorid med fordelaktige fysikalske egenskaper ut fra en blanding inneholdende gassformig aluminiumklorid, f.eks. fra det varme, gassformige produkt som fås ved klorering av alumina. Fremgangsmåten omfatter selektiv desublimering av gassformig aluminiumklorid i et virvelsjikt av partikler av aluminiumklorid som holdes ved en temperatur vesentlig under størkningstemperaturen for aluminiumklorid ved de anvendte betingelser. Den ønskede temperatur for det fluidiserte sjikt ligger innen området 30-100°C, hensiktsmessig mellom 60 og 90°C, fortrinnsvis 50-70°C. Uttryk-ket "desublimering" refererer seg i det foreliggende til den direkte dannelse av fast aluminiumklorid fra den gassformige fase uten noen merkbar dannelse av en mellomliggende væske-formig fase.

Den beskrevne desublimering av aluminiumklorid kan ut-føres ved undertrykk, f.eks. ned til 0,1 ata. såvel som ved overtrykk opptil det trykk ved hvilket aluminiumklorid ville kondensere til en væske under omgivelses-betingelser, når hensyn tas til partialtrykket av aluminiumkloridet under

nevnte betingelser. Et foretrukket trykk er ca. 1,5 ata.

Ved utførelsen av denne fremgangsmåte kan man bruke hvilken som helst relativt ren, gassformig bærer inneholdende gassformig aluminiumklorid. Hensiktsmessig blir et gassformig produkt av den type som erholdes ved klorering av natrium-forurenset alumina i nærvær av karbon, og fra hvilket med-førte partikler av faste og væskeformige stoffer og kondenserbare, flyktige bestanddeler eller forurensninger som kondenserer ved en høyere temperatur enn den øvre kondensa-sjonstemperatur for aluminiumklorid under de tilsvarende betingelser, er blitt fjernet på forhånd, fortrinnsvis anvendt som det ønskede, relativt rene utgangsmateriale.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er blitt funnet å være

godt egnet til bruk ved desublimering av gassformig aluminiumklorid til fast form i en kontinuerlig prosess i teknisk måle-stokk. Det oppnås et partikkelformet produkt som er særlig godt egnet til bruk ved fremstilling av aluminiummetall ved elektrolyse.

En egnet utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen er skjematisk vist på tegningen.

Som illustrert på tegningen, blir et gassformig produkt inneholdende aluminiumklorid fra et kloreringsapparat 1, først ledet gjennom en kjøler 5 og deretter gjennom et renseapparat 7 (med et utløp 7 a for gassformig produkt, glatte vegger 7 b, og en samletrakt 7 c for utskilt kondensat), hvor medrevne partikler og kondenserbare, flyktige bestanddeler som kondenserer ved en temperatur høyere enn den øvre størkningstempe-ratur for aluminiumklorid under de anvendte betingelser, fjernes. Renseapparatet 7 omfatter et antall gjennomtrengelige filterorganer 13 av egnet materiale, f.eks. steinmateriale. Filterorganene 13 og deres omgivelser holdes ved en tilstrekkelig høy temperatur, eksempelvis 200-500°C, til at utkonden-sering av de gjenværende, flyktige stoffer i avgassen hindres eller blir minst mulig. Restgassen, hvis temperatur er tilstrekkelig høy til å hindre kondensasjon av aluminiumklorid, føres via ledning 11 gjennom en varmeveksler 9 (om nødvendig), hvor gassproduktets temperatur bringes til det ønskede, for-utbestemte nivå, 150-250°C. Gassproduktet blir så ført til en skilleinnretning 10, hvor det kjølte natriumaluminiumklorid-aluminiumklorid-kompleks sammen med eventuelle rester av medrevne eller oppløste faste partikler, såsom karbonbelagt alumina og karbonstøv og væsker såsom aluminiumoksyklorid og/ eller aluminiumhydroksyklorid, fraskilles kontinuerlig som ytterligere forurensninger fra det gjenværende og nå ytterligere kjølte gassprodukt inneholdende aluminiumklorid. Skille-innretningen 10 inneholder et gjennomtrengelig filter 15, f.eks. et steinfilter av samme type som filterorganene 13.

Via ledning 16 blir gassen deretter ført til et virvelsjikt 17 av aluminiumklorid-partikler i et kammer 4. Kammeret 4 er forsynt med et fordelingsinnløp 12 for fluidiseringsgass som tilføres via ledning 11. En skilleanordning 21, hensiktsmessig et gjennomtrengelig filtermateriale 23 og et utløp 29 for restgass ved kammerets øvre ende forbundet med en ledning 22, og et utløp 24 for aluminiumklorid ved den nedre ende av en skråttstillet perforert fordelingsplate 25 for fludi-seringsgass med hull 20 og anordnet nær kammerets bunn, slik at tyngre partikler føres mot utløpet for uttak av kondensert aluminiumklorid i form av faste partikler, utgjør en del av utstyret. Anordnet i de øvre deler i det fluidiserte sjikt er det på tegningen antydet en varmeveksler i form av rør 26 med finner til kjøling av innholdet i virvelsjiktet og til å holde temperaturen i sjiktet innenfor de fastsatte grenser. Den rensede avgass som kommer fra renseapparatet (f.eks. skilleanordningen 10) med gassformig aluminiumklorid tilføres det fluidiserte sjikt på et sted i avstand fra kjølefinnene og fra andre kontaktflater.

En resirkuleringsledning 27 for gass forbinder ledning

22 med innløpet 12 for fluidiseringsgass, slik at en del av gassen kan resirkuleres og brukes som fluidiseringsgass. For dette formål er det innsatt en kompressor eller pumpe 19 i ledning 22. Alternativt kan gass fra en uavhengig kilde brukes som fluidiseringsgass og tilføres via ledning 28, even-tuelt i tillegg til resirkulert restgass tilført via ledning 27. Når resirkuleringsledningen 27 anvendes for tilførsel av fluidiseringsgass for systemet, vil gassen selvsagt inne-holde hovedsakelig karbondioksyd og karbonoksyd og kanskje restmengder eller spor av ureagert klor, hydrogenklorid, fosgen eller karbontetraklorid, idet gassen representerer det endelige avgassresiduum fra kloreringsreaksjonen. En del av denne avgassen fjernes via ledning 40 og vaskes, hvorved skadelige bestanddeler elimineres. Når en uavhengig kilde for fluidiseringsgass anvendes, uttas normalt den nevnte avgass i sin helhet via ledning 40.

Denne avgass som uttas fra det lukkede system via ledning 40, inneholdende overveiende klor, hydrogenklorid og fosgen som skadelige eller giftige bestanddeler, må renses før gassen kan slippes til atmosfæren. Avgassen kan således vaskes fri for slike bestanddeler med lut, f.eks. natriumhydroksyd eller med natriumkarbonat etc, på vanlig måte, hvoretter den slippes ut i det fri. Gassen kan brennes i en ovn med hydrogen (eller en hydrogenforbindelse, såsom metan), hvorved det dannes hydrogenklorid fra klor og fosgen, hvoretter den således behandlede gass vaskes før den slippes til atmosfæren, eller man kan bruke en hvilken som helst konvensjonell metode til å fjerne disse skadelige og giftige bestanddeler fra avgassen.

I henhold til et annet trekk ved oppfinnelsen er inn-løpet 30 for det gassformige produkt inneholdende gassformig aluminiumklorid forsynt med midler til å holde temperaturen i den innkommende gass passende høy, f.eks. midler som vist skjematisk ved 31, f.eks. elektriske motstandselementer, eller man kan bruke varmeisolerende materiale såsom kvarts, alumina, grafitt, asbest eller liknende ved innløpet for å hindre for tidlig kjøling og kondensering til væske eller fast stoff av det gassformige aluminiumklorid, idet slik kondensasjon kunne tette til innløpet eller påvirke den ønskede kondensasjon eller desublimering på en uheldig måte. Midler til å regulere temperaturen i den innkommende gass vil såle-- des virke til å hindre varmetap ved tilførselen av den aluminiumklorid-holdige gass til virvelsjiktet.

På grunn av nødvendigheten av å unngå for tidlig kondensering av det gassformige aluminiumklorid på andre steder

enn i selve virvelsjiktet, reaksjonsforholdene tatt i betrakt-ning, er det ønskelig å la innløpet 30 rage godt inn i virvelsjiktet og slik at det ender i avstand fra alle kontaktflater innbefattende veggene av reaksjonskammeret og kjøleanordnin-

gen 26. Den innkommende kloridholdige gass kommer derfor inn i kammeret 4 på en slik måte at den straks kommer i kontakt med partiklene i virvelsjiktet, og aluminiumkloridet vil kondensere før det har noen sjanse til å komme i kontakt med apparaturens vegger og liknende. På det tidspunkt da blandingen av restgass og fluidiseringsgass strømmer ut fra toppen av virvelsjiktet, er aluminiumkloridet i tilstrekkelig grad endret til fast fase og har bygget opp faste partikler som unngår å bli revet med av den utstrømmende gass-blanding og er tunge og harde nok til å gå inn i virvelsjiktet som faste partikler uten å avsettes på kammerveggene eller kjøleflåtene.

Betingelsene eller forholdene på det sted hvor kondenseringen finner sted, bør være slik at aluminiumkloridets damptrykk er akkurat lavt nok til at aluminiumkloridet de-sublimerer til fast form uten at rester av klorid avsettes som fast stoff eller væske på overflaten av filtermaterialet 23 i skille-anordningen 21.

Claims (4)

1. Apparat for desublimering av gassformig aluminiumklorid til fast form, omfattende et kammer (4) for fluidisering av aluminiumkloridpartikler, og en gassfordelingsanordning (25) for tilførsel av fluidiseringsgass til kammeret for opprettholdelse av et virvelsjikt (17) av aluminiumklorid-partikler, samt et utløp (29) for restgass og organer (24) for uttak av aluminiumklorid-partikler fra virvelsjiktet (17), karakterisert ved en kjøleanordning (26) i virvelsjiktet (17) i kammeret (4) til å regulere temperaturen i virvelsjiktet til en på forhånd bestemt verdi under den øvre desublimeringstemperatur for aluminiumklorid ved de anvendte betingelser, og organer (16, 30) for tilførsel av en gasstrøm inneholdende gassformig aluminiumklorid til sjiktet av fluidiserte aluminiumklorid-partikler, anordnet i avstand fra alle kontaktflater i kammeret (4) som har en temperatur under desublime-ringstemperaturen for aluminiumklorid ved de anvendte betingelser, slik at i det minste én vesentlig andel av det gassformige aluminiumklorid desublimeres på overflaten av aluminiumklorid-partiklene i virvelsjiktet.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det også omfatter en oppvarmingsanordning (31) forbundet med tilførselsanordningen (30) for gassen inneholdende gassformig aluminiumklorid, hvorved for tidlig kjøling og skadelig kondensasjon av gassformig aluminiumklorid hindres.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det er forsynt med en ledning (22, 27) mellom utløpet (29) for restgass og innløpet (12) for fluidiseringsgass for resirkulering av iallfall en del av restgassen til anvendelse som f luidiseringsgass for aluminiumklorid-partiklene.

4. Apparat ifølge krav 1-3, karakterisert ved at det er forsynt med en fordelingsplate (25) anordnet ved og skrånende mot organene (24) for uttak av aluminiumklorid-partikler, slik at relativt tunge partikler føres mot uttaksstedet.