NO155286B - Fremgangsmaate til selektiv fremstilling av flere fra hinannen adskilte rene halogenider og/eller halogenidblandinger ut fra en blanding av faste oksyder. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte til selektiv fremstilling av flere fra hinannen atskilte rene halogenider og/eller halogenidblandinger ut fra en blanding av faste oksyder ved oksyderende halogenering, uten eller med bare ett eneste reduserende halogeneringstrinn, under utnyttelse av den kjente serien av halogenid-dannende affiniteter, hvorved de enkelte oksyder omsettes med et halogenid av et element med lavere halogenid-dannende affinitet. De faste oksyder kan eksempelvis være enkle og komplekse malmer, røstede residuer, slagg, avfall, mineraler og spesielt produkter og residuer fra halogenerings-reaksjoner. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen med foretrukne utførelsesformer er angitt i kravene, og det vises til disse.

Med et elements halogenid-dannende affinitet forstås differansen mellom halogenpotensialet til dets halogenid eller oksyhalogenid og oksygenpotensialet til dets oksyd. Opp-dagelsen av serien av den klorid-dannende affinitet ble publisert i tysk patent nr. 1 243 165 svarende til US-patent nr. 3 466 169. Serien av bromid-dannende affiniteter er også blitt publisert senere.

For eksempel, hvis tinndioksydpulver og aluminium-trikloriddamp blandes sammen kraftig ved 1100°K, dannes tinntetrakloriddamp og aluminiumoksydpulver ifølge den følgende ligning:

Reaksjonene forløper på denne måte fordi den klorid-dannende affinitet hos tinn er større enn den hos aluminium.

Oksyhalogenider kan dannes på samme måte, f.eks. de av vanadium, fosfor og krom. For eksempel, hvis silisium-tetrafluoriddamp føres inn i smeltet vanadiumpentoksyd ved 1000°K, dannes silisiumdioksydpulver og vanadiumoksyfluorid-damp, fordi den fluoriddannende affinitet hos vanadium er større enn den hos silisium:

I omsetningen av oksyder med halogenider til de tilsvarende halogenider eller oksyhalogenider på den ene side og oksyder på den andre side foregår alltid en oksygen-halo-genutbytting. Dette prinsipp er allerede blitt benyttet i de følgende prosesser: 1. Fremgangsmåte til fremstilling av rent jernklorid (tysk patent nr. 1 136 722, US-patent nr. 3 244 509). 2. Fremgangsmåte til fremstilling av rene metallklorider (tysk patent nr. 1 243 165, US-patent nr. 3 466 169). 3. Fremgangsmåte til fremstilling av titanhalogenider, syntetisk rutil og elementært jern

(US-patent nr. 3 859 077).

4. Fremgangsmåte til fremstilling av aluminiumsub-halogenider for å muliggjøre ekstraksjon a\ elementært aluminium fra oksydmateriale (US-patent nr. 3 793 003) .

For å fremstille rent jernklorid (tysk patent

nr. 1 136 722) blandes jernoksydholdig materiale i prinsippet med karbon og omsettes med den mengde klor som svarer til mengden av jern i utgangsmaterialet. Denne reduserende klorering resulterer i en blanding av gassformige klorider, som så bringes

i kontakt med en ytterligere mengde av utgangsmaterialet,

men denne gang uten nærvær av karbon. På denne måte foregår en oksygen/klor-utbytting (svarende til den kloriddannende serie) mellom det faste jernoksyd i utgangsmaterialet og de gassformige ikke-jern-klorider fra den reduserende klorering, slik at det dannes gassformig jern(III)-klorid, mens ikke-jern-kloridene reoksyderes til de tilsvarende oksyder. De faste ikke-jern-oksyder fra denne "oksyderende klorering"

blir så igjen reduserende-klorert med karbon og klor når, som et resultat av klor-støkiometrien, en brøkdel av dette ikke-jern-oksyd blir til overs som et kloreringsresiduum. Prosessen avhenger således av en "kombinert reduserende og oksyderende klorering". Denne fremgangsmåte kan selvfølgelig bare benyttes for oksydblandinger hvor jernet er det metall som har den største klorid-dannende affinitet.

Den kjente fremgangsmåte til selektiv fremstilling av flere fra hinannen atskilte rene klorider fra oksydmateriale (tysk patent nr. 1 243 165) avhenger av at man først under-kaster dette materiale en kombinert reduserende og oksyderende klorering i hvilken kloridet av det metall som har den største klorid-dannende affinitet av alle metallene som er tilstede i utgangsmaterialet, fremstilles. Kloreringsresiduet blir så atter underkastet en kombinert reduserende-oksyderende klorering, i hvilken man fremstiller kloridet av det metall som nå har den største klorid-dannende affinitet av de metaller som er tilbake i utgangsmaterialet, og så videre.

Denne fremgangsmåte til selektiv fremstilling av flere fra hinannen atskilte klorider har den tekniske og økonomiske ulempe at et komplett kammer må konstrueres og drives for å gjennomføre den kombinerte reduserende og oksyderende klorering som trenges til fremstilling av hvert slikt klorid. Under visse forhold blir de individuelle klorider forurenset av kloridene av de elementer som er tilstede i reduksjonsmidlet, f.eks. jernklorid fra metallurgisk koks.

I den foreslåtte fremgangsmåte til fremstilling

av titanhalogenider, syntetisk rutil og elementært jern (US-patent nr. 3 859 077) blir materiale som inneholder titanoksyd og jernoksyd i et kammer blandet med karbon og under-

kastes en reduserende klorering med klor og titantetraklorid, hvorved som et resultat av oksygen-klor-utvekslingen, det dannes gassformig jern(III)-klorid, og et titanrikt fast produkt - rutil - som er sterkt forurenset med karbon. Denne karbonholdige syntetiske rutil blir reduserende-klorert i en annen beholder med jern(III)-kloridet og klor, hvorpå det øyensynlig dannes jern, titandioksyd og titantetraklorid. Fraksjoner av titantetraklorid og syntetisk rutil kan fjernes mellom de to kamrene. Denne fremgangsmåte består således av to trinn av utelukkende reduserende klorering utført i motstrøm. Imidlertid dannes det, ved de angitte høye temperaturer - som et resultat av naturlige prosesser - ikke bare titantetraklorid, men også betydelige fraksjoner av titansubklorider, og som et resultat av virkningen av titan-klorid på jernet, dannes også gassformig jern(III)-klorid samt en jern-titan-legering. På grunn av den dobbelte reduserende klorering fordrer denne fremgangsmåte en uøkonomisk høy mengde karbon og en meget kostbar enhet bare for til slutt å fremstille titantetraklorid forurenset med jern(III)-klorid og/eller lavgradig syntetisk rutil og en uunngåelig dårlig kvalitet av titanholdig jernprodukt.

Den foreslåtte fremgangsmåte til fremstilling av aluminium fra materiale som inneholder aluminiumoksyd og jernoksyd (US-patent nr. 3 793 003), består av tre trinn.

I det midtre trinn dannes aluminiummonoklorid ved reduserende klorering av aluminiumoksyd blandet med karbon og et gassformig klorid (f.eks. silisiumtetraklorid) og/eller klor.

Det nødvendige gassformige klorid (f.eks. silisiumtetraklorid) må på liknende måte frembringes i en reduserende klorering med karbon og klor.

Den gassformige blanding av oksyder av karbon og aluminiummonoklorid menes så å sønderfalle, etter kjøling,

i aluminium og gassformig aluminiumtriklorid, som benyttes i det første trinn av den oksyderende klorering av malmen, hvorved gassformig jernklorid og aluminiumoksyd fremstilles.

Fremgangsmåten består således av et trinn av oksyderende klorering og to trinn av reduserende klorering. Anlegget som kreves for dette er kostbart, bortsett fra det faktum at som et resultat av nærvær av karbonmonoksyd og karbondioksyd under kjølingen og nedbrytningen av aluminiummonoklorid, reoksyderes det dannede aluminium til aluminiumoksyd under frigivelse av elementært karbon.

Bortsett fra andre svakheter har således alle

kjente fremgangsmåter til fremstilling av flere fra hinannen atskilte halogenider fra en blanding av faste oksyder den tekniske og økonomiske ulempe at et kammer for reduserende klorering kreves til fremstilling av hvert enkelt halogenid.

I motsetning til teknikkens nåværende stand har

man nå oppdaget at flere fra hinannen atskilte rene halogenider og/eller blandinger av halogenider kan fremstilles uten reduserende halogenering, eller med bare ett trinn derav,

fra blandinger av faste oksyder ved bruk av serien av halogenid-dannende affinitet og motstrømsprinsippet.

Ifølge denne oppfinnelse karakteriseres fremgangsmåten til selektiv fremstilling av flere fra hinannen atskilte rene halogenider og/eller blandinger av halogenider fra en blanding av faste oksyder uten reduserende halogenering, av de følgende trinn. For å lette forståelsen av fremgangsmåten fremsettes den i forbindelse med et eksempel (fig. 1 og 2). Mengdene er angitt i mol. Serien av avtakende halogenid-dannende affiniteter hos elementene i oksydblandingen er: Fe, Ti, Al, Si. Ordet "enhet" sikter til en apparatur i hvilken gassformige substanser kan bringes i kontakt med fast og/eller smeltet materiale i motstrøm; det kan f.eks. sikte til et opprettstående tårn eller til flere tilliggende horisontale kamre (f.eks. i kaskade). "Frontsiden" eller "front-enden" av enheten er alltid den ende til hvilken arbeidsblandingen av oksyder mates, enten enheten er vertikal, hori-sontal eller hellende;

(a) den pulveriserte blanding av oksyder bestående av

(a) Fe203, (b) Ti02, (c) Al203 og (d) Si02, chargeres til frontsiden 1 av enheten, som er oppdelt i like mange soner I, II, III, IV som det antall halogenider eller blandinger av halogenider som skal fremstilles; (b) til "baksiden" av enheten tilføres et halogenid av et element (WClg) som har en lavere halogenid-dannende affinitet enn elementet med den laveste sådanne affinitet blant de elementer hvis halogenider skal fremstilles. Mengden av halogenid som til-føres (a + 2/3b + c + 2/3d)WCl6 er ekvivalent med det samlede halogeninnhold i de halogenider som skal utvinnes av enheten 2a FeCl^ + b TiCl^ + 2c A1C13 + SiCl4; (c) det halogenid (WC1D,) som ble innført til baksiden av enheten, og det faste oksyd (Si02) (fig. 1) eller blandingen av oksyder (A1203 + Si02) (fig. 2) som kommer frem dit, omdannes som en følge av oksygen-halogen-utvekslingen til et fast oksyd (W03) og et gassformig halogenid (SiCl4) (fig. 1) eller en blanding av halogenider (A1C13 + SiCl^) (fig. 2); (d) det faste oksyd (W03) dannet ved den bakre ende av enheten skilles fra det gassformige halogenid (SiCl4) eller halogenidblandingen (A1C13 + SiCl4) og fjernes fra enheten; (e) det gassformige halogenid (SiCl4) (fig. 1) eller halogenid-blandingen (A1C13 + SiCl^) (fig. 2) som ble dannet ved den bakre ende 2 av enheten, bringes i motstrøm i kontakt med blandingen av de faste oksyder som ble chargert til frontsiden 1 av enheten, hvorved det atter gjennom oksygen-halogen-utveksling fremstilles et individuelt gassformig halogenid eller en blanding av halogenider i hver sone av enheten: A1C13 i sone III, TiCl^ i sone II og FeCl3 i sone I (fig. 1), eller

A1C13 + SiCl4 i sone III, TiCl4 i sone II og FeCl3 i sone I (fig. 2) ; (f) fraksjoner av de gassformige halogenider eller halogenidblandinger dannet i de individuelle soner skilles fra de faste oksyder og uttas fra enheten. Den mengde av halogenidet av hvert element som uttas er ekvivalent med den mengde av oksydet av dette element som chargeres til frontsiden 1 av enheten: 2a FeCl^ svarende til a Fe203,

b TiCl4 svarende til b Ti°2' 2c A1C13 svarende til c A12°3 og d sicl4 svarende til d SiC>2.

I dette eksempel foregår oksygen-halogen-utvekslingsreaksjoner i de fire soner ifølge de følgende ligninger:

På fig. 1

På flg. 2

Sone I: (som ovenfor)

De dimere klorider Fe2Cl^ (g) og Al2Clg(g) som foreligger i henholdsvis sone I og III, tas for enkelhets skyld ikke hensyn til.

Siden ingen reduserende halogenering foregår ved denne utførelsesform av fremgangsmåten, blir halogenidgassene som uttas av enheten, hverken fortynnet eller forurenset med oksydene fra reduksjonsmidlet, f.eks. oksydene av karbon og/ eller svovel, slik at de etter separasjon fra faststoffet kan kjøles ned til fast eller flytende form uten noen ytterligere spesielle forholdsregler.

I eksemplet (fig. 1 og 2) må halogenidet (WCl^) som innmates til den bakre ende av enheten 2, kontinuerlig tas fra et forråd, og oksydet (WO^) som dannes der må fjernes kontinuerlig. Dette kan med fordel oppnås ved å underkaste oksydet (WO^) som uttas fra den bakre ende av enheten, en reduserende halogenering med et halogen eller en halogenholdig gass eller halogenavgivende forbindelse og et reduksjonsmiddel, fraskille halogenidet (WClg) som dannes, fra den resulterende gassblandingen (f.eks. WClg + C02 + CO) på kjent måte (f.eks. kondensering) og innføre det påny i den bakre ende av enheten .

Siden -ifølge oppfinnelsen - rene halogenider kan fremstilles ved en fremgangsmåte som er teknisk elegant og meget økonomisk, er en ytterligere fordel muligheten for å fremstille rene oksyder eller blandinger av oksyder - alt etter behov - ved å oksydere et halogenid eller individuelle halogenider eller blandinger av halogenider med oksygen eller oksygenholdige gasser eller oksygenavgivende forbindelser ved en kjent fremgangsmåte og skille det resulterende oksyd eller blanding av oksyder fra de halogenider som frigjøres.

De frigjorte halogener kan med fordel benyttes om igjen til den reduserende halogenering av oksydet - f.eks.

WO^ (fig. 1) - som uttas fra den bakre ende av enheten. Halogenidet som dannes (WCl,) skilles fra den resulterende qassblanding og føres atter inn i den bakre ende av enheten.

De vanlige termodynamiske likevekter av oksygen-halogen-utvekslingsreaksjonene fører til rene gassformige halogenider. I mange tilfeller dannes imidlertid gassblandinger i hvilke et halogenid er forurenset med en kvantitet av et annet halogenid eller oksy-halogenid - f.eks. blir det i reaksjonen 5SiCl4(g) + 2 Nb205(s) = 5Si02(s) + 4NbCl5(g) ved 1100 K og 1 atm. totaltrykk dannet en gassformig blanding som inneholder ca. 99,95 volum% NbCl^, men også 0,05 voluml SiCl4.

Reaksjonen

3SiCl4(g) + 2Al203(s) = 3Si02(s) + 4AlCl3(g) gir AlCl3 og Al2Clg-damp som alt etter temperaturen og trykket

også kan inneholde 2-7 volum% SiCl4.

For å fremstille et halogenid eller en halogenidblanding i ren form må det/den skilles fra det andre gassformige stoff enten på fysikalsk eller på kjemisk vei etter en kjent, fremgangsmåte, fortrinnsvis ved fraksjonert kondensasjon eller destillasjon.

Siden det vanlige ledsagende materiale imidlertid

i mange tilfeller bringer med seg en residuell del av det fraskilte halogenid eller halogenidblanding, avhengig av deres damptrykk og av fremgangsmåten ved separeringen, så er det fordelaktig å returnere dem til enheten for å unngå tap.

Ved fremstilling av rene oksyder ved oksydasjon av halogenider med oksygen til oksyder og frie halogener er det kjemiske utbytte mindre - ifølge naturlovene - jo større den halogenid-dannende affinitet er hos det element som finnes ihalogenidet. Således gir for eksempel oksydasjon av 17,73

mol sinkbromid med den støkiometriske mengde luft ved 1100°K

og 1 atm. totaltrykk en gassblanding bestående av:

3,27 mol 02

6,55 mol ZnBr2

11,18 mol Br2

79,00 mol N2

og 11,18 mol fast sinkoksyd. Den molare kjemiske omdannelse av sinkbromid til sinkoksyd er således 11,18 : 17,73 = 63%; ved temperaturer over 1000°K er den enda dårligere.

Hvis det halogenid som skal oksyderes, omsettes

med oksydet av et element som har større halogenid-dannende affinitet enn elementet i halogenidet, blir det kjemiske utbytte betraktelig større og går i mange tilfelle opp til nesten et hundre prosent. For eksempel reagerer sinkbromiddamp med fast blyoksyd ved 1000°K og 1 atm. trykk nesten fullstendig og gir fast sinkoksyd og smeltet blybromid. Ved 1200°K og 1 atm. trykk fås fast sinkoksyd og en gassformig blanding av 99,84 mol PbBr2 og bare 0,16 mol ZnBr2. Et fast eller flytende oksyd fremstilt på denne måte har en høy renhetsgrad; som kjent kan det lett skilles fra den gjenværende gassblandingen.

Det er fordelaktig å fremstille oksydet av elementet med den større halogenid-dannende affinitet som er påkrevet for reaksjonen, ved oksydasjon av et tilsvarende halogenid fremstilt i enheten med oksygen, oksygenholdige gasser eller oksygenavgivende forbindelser.

På denne måte kan f.eks. (fig. 1) fast silisiumdioksyd fremstilles fra silisiumtetraklorid som uttas fra enheten, ved å oksydere titantetrakloriddamp fra enheten til fast titandioksyd med oksygen eller luft eller nitrøse gasser, skille det fra klorholdig restgass og omsette det med silisiumtetrakloriddamp. Siden titan har en betraktelig høyere klorid-dannende affinitet enn silisium, dannes titantetrakloriddamp (med spor av silisiumtetrakloriddamp) og fast silisiumdioksyd av høy renhet, som lett kan skilles fra hverandre.

Titantetrakloridet kan kondenseres på kjent måte

og kan f.eks. benyttes til fremstilling av Ti02-pigment eller metallisk titan. Imidlertid kan det også gjeninnfører i sone I eller II i enheten, for eksempel av kjemi-tekniske grunner, og gir da en tilstrekkelig stor gassmengde til å sikre grundig agitering av oksydpulveret. I sone II dannes for øvrig TiCl^ fra Ti02 i den arbeidende oksydblandingen, og er også fremdeles tilstede i sone I, hvor det kontinuerlig dannes til Ti02 ved Fe203 (likeledes omdannes spor av SiCl4 til Si02).

En spesielt fordelaktig utførelsesform av fremgangsmåten til å fremstille oksyder eller blandinger av oksyder

er således karakterisert ved de følgende trekk:

(a) fremstilte halogenider eller blandinger av halogenider omdannes til de tilsvarende oksyder eller blandinger av oksyder gjennom bruk av oksyder eller blandinger av oksyder av elementer med større halogenid-dannende affinitet og skilles fra de således dannede halogenider eller blandinger av halogenider;

(b) oksydene eller blandinger av oksyder av elementer

med høyere halogenid-dannende affinitet fremstilles av de tilsvarende halogenider eller blandinger av halogenider som dannes i enheten, gjennom oksydasjon med oksygen, oksygenholdige gasser eller oksygenavgivende forbindelser.

(c) etter fraskillelse fra oksydene eller blandingene

av oksyder gjeninnføres halogenidene eller blandingene av halogenider som dannes i trinn (a) i prosessen, x enheten.

I eksemplet (fig. 1 og 2) innføres et halogenid (WClg) i den bakre ende 2 av enheten, og det tilsvarende oksyd (WO-j) uttas. Som allerede vist kan dette halogenid fremstilles om og om igjen fra oksydet gjennom reduserende halogenering.

Dog er det mer fordelaktig å underkaste oksydet (Si02) (fig. 1 IV) eller oksydblandingen (Al-jO-j + Si02) (fig. 2 III) som fore-finnes i den siste sone, en reduserende halogenering og å føre halogenidet (SiCl^) eller den halogenidholdige gassblandingen (AlCl^ + Al2Clg + SiCl^) gjennom enheten i motstrøm til oksydene.

Denne teknisk og økonomisk fordelaktige metode til

å gjennomføre prosessen består av de følgende trinn:

(a) Istedenfor et halogenid innføres et reduksjonsmiddel og et halogen eller en halogenholdig gass eller halogenavgivende forbindelse i den bakre enden av enheten i mengder ekvivalente med det samlede halogeninnhold i de halogenider som fore-finnes i enheten. (b) Reduksjonsmidlet og halogenet omsettes til en gassformig halogenidholdig blanding av oksydet eller oksydblandingen som kommer frem til den bakre ende av enheten. Denne gassblanding omsettes så i motstrøm til blandingen av oksyder som innmates i enheten. (c) Fraksjoner av de halogenidholdige gassblandinger i de individuelle soner skilles fra oksydene og fjernes fra sine respektive soner, slik at kvantiteten av halogenid av hvert element i den uttatte gassblandingen er ekvivalent med kvantiteten av det element som tilføres til frontsiden av enheten. (d) Halogenider skilles fra de gassformige blandinger som er frigjort av oksydene og fjernes fra de individuelle soner.

Avhengig av det reduksjonsmiddel som brukes ved den reduserende halogenering, dannes gassformige forbindelser som fortynner de fremstilte gassformige halogenider, for eksempel vil karbon, karbider og karbonhalogenider gi CC^ og CO; svovel, svovelhalogenider og sulfider gir SO^ t fosfor og fosfider gir fosforoksyhalogenider; hydrogen og fuktighet i reduksjonsmidlet og oksydenblandinger leder til dannelse av hydrogenhalogenider.

Halogenidene som skal fremstilles kan skilles fra slike gassformige forurensninger ved en kjent fysikalsk eller kjemisk prosess alt etter hva de ønskes anvendt til. De isoleres i sin rene form fortrinnsvis ved fraksjonert kondensasjon eller destillasjon.

Dog kan betydelige deler av de fremsti.lte halogenider føres bort med det residuelle avfall under separasjonen, avhengig av deres damptrykk og av separasjonsmetoden. For å unngå tap utføres prosessen på en slik måte at halogenidet eller blandingen av halogenider skilles på kjent måte fra den gassformige blanding som uttas fra en sone, og residuet returneres til enheten.

I denne utførelsesform av fremgangsmåten kan likeledes rene oksyder eller blandinger av oksyder fremstilles med ett trinn av reduserende halogenering på en liknende måte som den som tidligere er beskrevet, inklusive gjenanvendelse av det frigjorte halogen.

De mange mulige oksygen-halogen-utvekslingsreaksjoner inkluderer eksoterme og endoterme reaksjoner. Som velkjent leder, i adiabatiske systemer, eksoterme reaksjoner til en økning i temperaturen og endoterme reaksjoner til et fall i temperaturen.

Når flere slike reaksjoner er forbundet med hverandre i et motstrømssystem, oppveier temperaturene hverandre noenlunde. Det kan imidlertid skje at denne opphevelse ikke er tilstrekkelig eller fullstendig slik at temperaturen i én sone blir for høy og i en annen sone for lav.

Som regel må halogeneringskamre fores med høy-temperaturmaterialer som er motstandsdyktige mot siging, slitasje, korrosjon og temperaturvekslinger ved de rådende temperaturer, f.eks. magnesium-spinell (MgO.A^O^). Slike materialer er imidlertid ikke fri for porøsitet og har relativt lav varmeledningsevne. På grunn herav er det teknisk meget vanskelig å tilføre eller å avlede varme til eller fra de individuelle soner gjennom reaksjonskammerets vegger.

Det er allerede kjent forslag til fremstilling av den nødvendige varmemengde for oksygen-halogen-utvekslingsreaksjoner ved å tilblande en tilsvarende mengde karbon til oksydblandingen og å innføre gassformige halogenerings-materialer (halogenider og/eller halogener) sammen med oksygen eller luft. På denne måte frembringes den nødvendige varmemengde gjennom forbrenning av en del av karbonet. Denne metode har imidlertid den ulempe at ekstra karbon og oksygen behøves, noe som betraktelig øker mengden av gass i systemet og pro-duserer varme som må fjernes for å kjøle de gassformige produkter og kondensere det fremstilte halogenid, for ikke å nevne det faktum at ikke bare halogeneringskammeret, men også kondensasjonsbeholderen må være meget voluminøs. Denne metode til å kontrollere temperaturen f or reaksjonen er besværlig, forvrenger prosessens kjemi og influerer på økonomien av prosessen.

For å senke reaksjonstemperaturen i den eksoterme reduserende kloreringen av malmer er det allerede blitt fore-slått å blande inn kolde kloreringsavfallsmaterialer eller andre kolde inerte faststoffer i reaksjonsblandingen.

Ved gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen -uten eller med bare ett trinn av reduserende halogenering - hvor temperaturene i de individuelle soner gjen-sidig påvirker hverandre, og hvor oppvarmningseffekter i de forskjellige soner er forskjellig fra tilfelle til tilfelle avhengig av den kvalitative og kvantitative sammensetning av arbeidsblandingen av oksyder og reduseringsmidlet så vel som de halogener som blir benyttet, kan fagfolk på området beregne matematisk og på kjent måte hvor meget og til eller fra hvilke soner varme må tilføres eller fjernes for å oppnå og kontrollere de ønskede reaksjonstemperaturer.

Styring av reaksjonstem<p>eraturene i enheten oppnås således ifølge oppfinnelsen ved å innføre faste, flytende eller gassformige materialer, inklusive arbeidsblandingen av oksyder, reduksjonsmiddel og halogener, ved egnede temperaturer og i tilsvarende mengder på <p>assende punkter langs enheten; kolde materialer for å redusere temperaturen og varme materialer for å øke den. Selvfølgelig må ikke de materialer som benyttes forstyrre <p>rosessens kjemi på noen ufordelaktig måte.

For dette øyemed er det fordelaktig å benytte ikke bare materialenes følbare varme, men også deres latente varme og reaksjonsvarme; f.eks. blir det til kjøling av en blanding av fast NaCl og KC1 i molforhold 1:1 (frysepunkt = 936°K) innført koldt, flytende SiCl4 (kokepunkt = 331°K), flytende klor eller fast kalsiumfosfat i den reduserende halogenerings-sone, hvorved det dannes kalsiumhalogenid og fosforhalogenid i en sterkt endoterm reaksjon; eller, for oppvarmning, til-føres kalsiumkloriddamp (kokepunkt = 1710°K, smeltepunkt = 1044°K) eller smeltet natriumklorid (smeltepunkt = 1074°K). Med andre ord så blir gassformige eller flytende materialer tilført til enheten slik at forholdsvis små kvantiteter enten absorberer eller avgir meget varme gjennom smelting og/eller fordampning, eller gjennom kondensasjon eller størkning.

For å gjennomføre denne metode til temperaturregulering på den mest økonomiske måte benyttes materialer,

som, så langt mulig, kommer fra enhetens produksjon eller fra produksjonen i tilliggende enheter; f.eks. halogenerings-residuer, halogenider, residuelle gasser fra separasjon av halogenider eller materialer som oppstår ved produksjon av oksyder, kort sagt, produkter som oppstår i løpet av hele prosessen.

Som allerede vist blir gassformige halogenider, dannet i de individuelle soner i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, blandet med andre gasser som blir tilbake etter fremstillingen av rene halogenider - f.eks. ved fraksjonert kondensasjon eller destillasjon. I mange tilfeller inneholder disse residuelle gasser også fraksjoner av halogenidene. For å unngå tap blir* disse residuelle gasser returnert til enheten. Det er spesielt fordelaktig hvis disse residuelle gasser returneres til neste sone av enheten til hvilken den gassformige blanding strømmer, ved en temperatur og i en mengde som reguleres slik at den reaksjonstemperatur som ønskes i denne neste sone, tilveiebringes. ;For dette øyemed kan kolde residuelle gasser som unnviker fra destillasjon eller kondensasjon, igjen oppvarmes med den varme gassformige blanding som tas fra halogenerings-enheten, f.eks. i en varmeveksler. Følgelig blir intet tilleggs-karbon og intet brensel nødvendig, og mengden av gass blir ikke øket. ;Disse fremgangsmåter til å holde de ønskede reaksjonstemperaturer i de individuelle soner belyses nærmere ved følgende eksempel. På fig. 3 er enheten vist som et vertikalt tårn bestående av fire soner, I, II, III og IV. En mengde av gassblandingen bestående av CO,, og et halogenid ekvivalent med oksydchargen uttas fra hver sone, halogenidet kondenseres i en av kjølerene V, VI, VII og VIII gjennom kjøling til 298°K, ;og C02 returneres ved en temperatur på 298°K til den påfølgende sone. Den fraksjon av gassblandingen som blir tilbake i tårnet strømmer direkte til neste sone. ;En kold finpulverisert blanding av oksyder tilføres på toppen av sone I. Blandingen har følgende sammensetning i Vekt%: ;De ønskede ekvivalente mengder av koldt karbon og koldt klor mates til den laveste del av sone IV. ;Det faste materiale faller ned gjennom tårnet, mens gassblandingen stiger opp gjennom dette. Reaksjonene mellom faststoffet og de gassformige halogenider (tidligere beskrevet) foregår i de individuelle soner. Rene klorider uttas fra kjølerene; fast FeCl3 fra V, flytende TiCl4 fra VI, fast A1C13 fra VII og flytende SiCl4 fra VIII. De residuelle mengder av CC^ returneres ved en temperatur på 298 K, til tårnet på følgende måte: den fra sone IV via kjøler VIII til sone III, den fra sone III via kjøler VII til sone II og den fra sone II via kjøler VI til sone I. Når reaksjonstempera-turene i hver sone beregnes termodynamisk, fås følgende resultat: ;;For å oppnå en reaksjonstemperatur på 1000°K i ;soner I, II og III (fig. 4) må oksydblandingen mates inn ved en temperatur på 1032°K, og de mengder av CC^ som gjeninnføres til sonene, må varmes opp igjen, f.eks. i motstrømsvarmevekslerne IX, X, XI, ved hjelp av den gassformige blanding som uttas fra tårnet, til følgende temperaturer: ;;Reaksjonstemperaturen i sone IV blir da 1528°K. ;Hele mengden av CC^ som forlater kjøler VIII, må ikke nødvendigvis benyttes i sone III. En del derav kan tappes av til andre øyemed, og resten, oppvarmet til en tilsvarende høyere temperatur, mates inn i sone III. ;Hvis det er ønskelig å holde temperaturen i sone I ved bare 560°K, er det bare nødvendig å chargere oksydblandingen ved en temperatur på 712°K, men i dette tilfelle må faststoffer og gasser først bringes i kontakt i motstrøm i den øvre del av sone I for å la temperaturene jevnes ut. ;For å regulere temperaturen i sone IV til 10 00°K ;kan enten koldt flytende SiCl^ dannet i kjøler VIII, og/eller flytende, komprimert klor tilsettes til denne sone som varme-absorberende medium. Alternativt kan en tilsvarende mengde råfosfat, hvis reduserende klorering er sterkt endoterm, ;også mates til sone IV. Hydrolyse av fosforoksyhalogenider i avgassene fra kjøler V gir ren fosforsyre og en hydrogen-halogenidsyre som biprodukter. ;Alt etter sammensetningen av arbeidsblandingen av oksyder og reduksjonsmidlet som benyttes, dannes ikke bare gassformige halogenider, men også halogenider som er vanskelige å fordampe. Disse blir holdt i fast eller flytende tilstand i halogeneringsavfallet som slippes ut fra den bakre ende av enheten, f.eks. halogenider av alkali- og jordalkalimetaller, MnBrp, CoB^, CuC^* KiC^. Samtidig kan gassblandingen

som forlater frontsiden av enheten inneholde ikke bare det halogenid som skal fremstilles, men også flere andre gasser som blir tilbake som en residuell gassblanding når halogenidet er blitt fraskilt.

Hverken halogeneringsavfallet eller den residuelle gass kan uten videre slippes ut i atmosfæren, spesielt siden de kan inneholde farlige substanser. Fjerning av slike substanser med samtidig fremstilling av biprodukter såsom fosforsyre, svovelsyre, sulfitter, vanadiumpentoksyd, hydrogen-halogenid-syrer, alkalihydroksyder, karbonater av jordalkalimetaller, oksyder eller hydroksyder av tungmetaller etc. er allerede velkjent i forbindelse med halogeneringsprosessen og kan benyttes i dette tilfelle.

Når et fast, industrielt, karbonholdig reduksjonsmiddel benyttes for den reduserende halogenering i de forskjellige utførelsesformer av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, f.eks. metallurgisk koks, høytemperaturkoks eller torv, som blant andre ting inneholder karbider, sulfider, fosfider eller oksyder av forskjellige elementer såsom jern, aluminium og silisium, vil de halogenider som produseres være forurenset i større eller mindre grad av halogenider av disse elementer.

Skal de utvundne halogenider fremstilles spesielt rene,

så må det karbonholdige reduksjonsmiddel på kjent måte renses ved behandling med halogen eller halogenforbindelser og skilles fra den resulterende gassformige blanding, før det anvendes for den reduserende halogenering. Fra den gassformige blanding kan man på kjent måte utvinne biprodukter. Fordelaktig er imidlertid dens anvendelse i apparaturen, idet man fører den inn i en sone i hvilken den idet minste ikke virker ugunstig på fremgangsmåtens kjemi, enda bedre om den deltar deri; for eksempel kan jern- og aluminiumhalogenid som inneholdes i den gassformige blanding, utvinnes sammen med det jern- og aluminiumhalogenid som utvinnes fra en oksydblanding.

I motsetning til teknikkens nåværende stand repre-senterer oppfinnelsen et forbausende stort steg fremmad ikke bare fra teknisk, økonomisk og industrielt synspunkt, uten også ut fra miljømessige hensyn. Dette kan lett ses av de følgende eksempler: For å produsere aluminium må mange industrielle nasjoner importere bauksitt fra fjerne land. I Bayer-prosessen utvinnes først rent aluminiumoksyd som et mellomprodukt, samtidig som rødslam fremkommer som avfall. Lagring herav er et av de minst velkomne problemer ved produksjonen av aluminiumoksyd (forurensning av grunnvann, kostnad av lagringsplass). Siden hvert tonn aluminiumoksyd er forbundet med ca. 2 tonn rødslam, ble i 1976 i Vest-Tyskland alene (f.eks.) med en produksjon på 1,3 million tonn aluminiumoksyd den enorme mengde av 2,6 million tonn rødslam fremstilt, som fremdeles inneholdt 500.000 tonn aluminiumoksyd så vel som 600.000 tonn jernoksyd og 400.000 tonn titanoksyd. På samme tid var den samlede verdensproduksjon av aluminiumoksyd ca. 45 millioner tonn svarende til ca. 90 millioner tonn rødslam.

Ifølge fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan rent FeCl3 (pigment), rent TiCl4 eller Ti02 (pigment) og rent AlCl3 eller Al203 fremstilles ved en enkel gjennomgang gjennom enheten fra alt det rødslam som for tiden kommer fra produksjon av aluminiumoksyd, og også av det som allerede er ansamlet i de uendelige lagerhaugene. Alt etter markedets stilling kan disse produkter omdannes til jern, stål, metallisk titan og metallisk aluminium etter konvensjonelle metoder.

Som følge av fremgangsmåtens enkelhet, produksjonen av ekstra mengder av aluminium så vel som av jern og titan,

som hittil er gått tapt, er .fremgangsmåten ytterst lønnsom og tillater en drastisk reduksjon i importen av bauksitt,

rutil og ilmenitt, samt eliminerer problemet med lagring av rødslam og garanterer en tilgang på råmateriale som inneholder titan.

I fremtiden blir det imidlertid ikke nødvendig å produsere rødslam. Tvertimot vil bauksitten med unngåelse av Bayer-prosessen omdannes direkte til AlCl3 eller A1203, FeCl3 eller Fe203, og TiCl4 eller Ti02 ifølge den fremgangsmåte som er beskrevet i det foreliggende. Av særdeles stor vekt for den industrielle økonomi er enn videre produksjonen av <Al>2<0>3, Fe203 og Ti02 fra leire, som også er tilgjengelig i tilstrekkelig store mengder i Vest-Tyskland til at bauksitt ikke mer behøver importeres.

Det jernoksydpulver som fremstilles kan lett og økonomisk omdannes til jern- eller stålpulver for sintring eller til ferdige stållegeringer av høy renhetsgrad (fri for svovel, fosfor og karbon).

Ifølge fremgangsmåten som her er beskrevet kan halogenider eller oksyder alt etter behov fremstilles på en måte som er teknisk elegant og meget økonomisk, fra lav-kvalitets og komplekse blandinger av oksydiske, silisiumholdige, sulfidiske og fosforholdige malmer, hvis smelting ifølge klassiske metoder er teknisk vanskelig, uøkonomisk og uaksep-tabel ut i fra miljøhensyn. I tillegg produseres, avhengig av de malmer som benyttes, biprodukter såsom fosforsyre, svovelsyre og saltsyre så vel som forbindelser av vanadium, krom og mangan etc.

Slike malmer er eksempelvis de i milliard-tonn-kvantiteter forekommende titanmagnetitt, svart-sand og ilmenitt. Smelting av disse komplekse titan-jern-oksyder ifølge konvensjonelle måter er vanskelig og kostbart. I dag fremstilles TiC^-pigment fremdeles mest etter sulfatprosessen, i hvilken hvert tonn av Ti02 følges av 15-20 tonn avfall som dumpes i havet. Denne uholdbare situasjon må ifølge de nye direktiver fra EECs ministerråd for miljøbeskyttelse (1977) stanses før utgangen av 1980. Den nye fremgangsmåte ifølge denne oppfinnelse byr også på en teknisk enkel og forbausende økonomisk metode til å tilveiebringe rent jernoksyd, rene titanhalogenider og TiC^-pigment uten å sette hverken luften eller vannet i fare.

Siden man ved gjennomføring av fremgangsmåten

ifølge oppfinnelsen alltid skiller gassformig materiale fra fast og/eller smeltet materiale, er det ikke nødvendig å

oppnå kjemisk likevekt i vannoppløsninger eller i smelte-blandinger, prosesser som alltid er forbundet med forholdsvis høye tap samt miljøforurensning. Hvilket som helst karbonholdig materiale med lavt hydrogeninnhold eller hvilket som helst sulfidisk materiale kan benyttes som reduksjonsmiddel; ingen fall-resistent, trykkresistent eller slitasjefast metallurgisk koks trengs. Siden enhetene, som i de fleste kjemitekniske anlegg, er stengt mot atmosfæren og er gasstette, og siden meget lite fast og uskadelig avfallsstoff (som der-til kan benyttes, hvis nødvendig) og bare ufarlige gasser såsom nitrogen, damp og karbondioksyd blir igjen, er prosessen avgjort uskadelig mot miljøet.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte til selektiv fremstilling av flere fra hinannen atskilte rene halogenider og/eller halogenidblandinger ut fra en blanding av faste oksyder ved oksyderende halogenering, uten eller med bare ett eneste reduserende halogeneringstrinn, under utnyttelse av den kjente serien av halogenid-dannende affiniteter, hvorved de enkelte oksyder omsettes med et halogenid av et element med lavere halogenid-dannende affinitet, 'karakterisert ved de følgende trekk: (a) den findelte blanding av faste oksyder innføres i den fremre ende av en innretning som har like mange soner som det antall halogenider eller halogenid-blandinger som skal fremstilles, og føres gjennom innretningen, (b) i den andre enden av innretningen innføres et halogenid av et element som har lavere halogenid-dannende affinitet enn det element som har den laveste halogenid-dannende affinitet av dem som forekommer i de halogenider som skal fremstilles, idet det innføres en halogenidmengde som er ekvivalent med det totale halogeninnhold i de halogenider som skal utvinnes fra innretningen, alternativt at det innføres reduksjonsmiddel og halogen eller halogenholdig gass eller halogenavgivende stoffer som gir den nevnte halogenmengde. (c) halogenidet som tilføres nevnte andre ende av innretningen, og et fast oksyd eller oksydblanding som ankommer der, omsettes ved oksygen-halogen-utveksling til et fast oksyd som uttas, og et gassformig halogenid eller blanding av halogenider, eller hvis reduksjonsmiddel og halogen tilføres omsettes dette med det faste oksyd eller oksydblandingen til å gi en gassformig halogenidholdig blanding, (d) en del av den i den siste sone dannede gass uttas, mens den annen del innføres i den foregående sone og omsettes i motstrøm med det der ankommende oksyd eller oksydblanding, (e) denne omsetningsmåte fortsettes i retning mot den fremre ende av innretningen, hvorved - i hver sone - en del av det i den etterfølgende sone dannede metallhalogenid eller -halogenider bringes til reaksjon med metalloksydet eller -oksydblandingen fra den foregående sone, (f) deler av de i de enkelte soner dannede gassformige halogenider eller halogenidblandinger skilles fra de faste oksyder og uttas fra innretningen i en slik mengde at den uttatte halogenidmengde for hvert element er ekvivalent med den oksydmengde som innføres i den fremre ende av innretningen for hvert element.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at halogenidet eller blandingen av halogenider som fremstilles i en sone, separeres på kjent måte fra en gassformig blanding som uttas fra sonen, og residuet gjeninnføres i enheten.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at passende mengder av materialer med i det minste ingen skadelig innvirkning på prosessens kjemi tilføres på egnede steder i enheten med sikte på å regulere reaksjonstemperaturen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at det i enheten innføres faste eller flytende materialer som absorberer varme ved smelting og/eller fordampning.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at det i enheten innføres gassformige eller flytende materialer som avgir varme ved kondensasjon og/eller størkning.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at de materialer som benyttes til temperaturregulering, tas fra produksjonen i prosessen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at halogenidet eller blandingen av halogenider i den gassformige blanding uttatt fra en sone, fraskilles og den gassformige rest returneres til neste sone i enheten, hvor den gjenforenes med gassblandingen i den sonen, idet temperaturen og mengden av den returnerte restgass reguleres slik at den ønskede reaksjonstemperaur oppnås i nevnte neste sone.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at de returnerte restgasser varmes opp igjen av en het gassblanding uttatt fra enheten.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at et fast karbonholdig reduksjonsmiddel før anvendelsen for den reduserende halogenering behandles med halogen eller halogenforbindelser, separeres fra den resulterende gassformige blanding og gassblandingen mates inn i en sone i enheten i hvilken den i det minste ikke har noen skadelig virkning på prosessens kjemi.