WO2021047707A1 - Method for thermochemically producing titanium - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for the thermochemical production of titanium and a device for the thermochemical production of titanium.
  • No. 2,874,040 A describes a partial process for the production of titanium from titanium tetrachloride with hydrogen at a temperature above 1000 K, with titanium dichloride being disproportionated at a temperature above 2000 K to form titanium trichloride and liquid titanium in a final step.
  • thermochemical production of titanium comprising at least the following method steps:
  • Providing gaseous titanium tetrachloride comprising the process steps: a) Providing a starting material comprising titanium dioxide, in particular providing titanium dioxide and / or ilmenite, b) digesting the starting material in mineral acid, preferably in hydrochloric acid, at a temperature in a range greater than or equal to 25 ° C up to less than or equal to 135 ° C.
  • a solution in particular an aqueous solution, comprising dissolved titanium (IV); c) precipitating an alkali metal titanium (IV) hexachloride from the solution with an alkali metal chloride while supplying hydrochloric acid or hydrogen chloride at a temperature in a range greater than or equal to -15 ° C to less than or equal to 30 ° C, the alkali metal being selected from the group consisting of lithium, sodium and potassium, d) Optional drying of the alkali metal titanium (IV) hexachlpride with hydrogen chloride at a temperature in a range greater than or equal to 30 ° C to less than or equal to 250 ° C, e) heating the alkali metal titanium (IV) hexachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 340 ° C to less than or equal to 700 ° C with the formation of solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride;
  • Reduction of the gaseous titanium tetrachloride to titanium trichloride comprising the process steps: f) providing a reducing agent, preferably selected from the group consisting of hydrogen gas and transition metal chloride, the transition metal chloride being selected from the group consisting of vanadium (II) chloride, iron (II) chloride, chromium (II) chloride, cobalt (II) chloride, nickel (II) chloride, copper (I) chloride, antimony (II) chloride, tin (II) chloride, and mixtures thereof, the transition metal chloride preferably being vanadium (II) chloride, g) Reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent with the release of chlorine to titanium trichloride at a temperature in a range from greater than or equal to 20 ° C to less than or equal to 440 ° C, the reducing agent being oxidized with the absorption of chlorine, h) recycling of the oxidized
  • the above-described method can advantageously ensure that no climate-affecting carbon dioxide has to be released during the production of titanium. Furthermore, it can advantageously be achieved that the titanium obtained is particularly pure. Furthermore, it was surprisingly possible to achieve that the method can be operated in such a way that the energy for the method is provided purely by solar energy. Compared to processes that can be operated indirectly via solar energy, such as electrolysis, the process can advantageously have a higher energy efficiency, since solar thermal energy can be used directly due to the process running in several stages.
  • a starting material comprising titanium dioxide is to be understood as meaning a starting material which has titanium dioxide, that is to say T1O 2 , as a main component. This is to be understood as meaning that the starting material has titanium dioxide in a mixture and / or has a chemical compound which contains titanium dioxide.
  • ilmenite is to be understood as the naturally occurring mineral with the empirical formula FeTiO 3 , which formally consists essentially of iron (II) oxide and titanium dioxide.
  • hydrochloric acid is to be understood as meaning hydrochloric acid.
  • This is to be understood as an aqueous solution of hydrogen chloride.
  • hydrogen chloride is to be understood as meaning the stoichiometric compound of chlorine and hydrogen.
  • a method described above is therefore used in particular for the thermochemical production of titanium.
  • the dissolving from method step b) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 40 ° C. to less than or equal to 120 ° C.
  • the precipitation of the alkali metal titanium (IV) hexachloride from process step c) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 5 ° C. to less than or equal to 20 ° C.
  • the drying of the alkali metal titanium (IV) hexachloride from process step d) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 50.degree. C. to less than or equal to 250.degree.
  • the heating of alkali metal titanium (IV) tetrachloride from process step e) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 500 ° C. to less than or equal to 600 ° C.
  • the reduction of the gaseous titanium tetrachloride from method step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 50.degree. C. to less than or equal to 400.degree.
  • the disproportionation of the titanium trichloride from method step i) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 400.degree. C. to less than or equal to 600.degree.
  • the disproportionation of the titanium trichloride or the titanium dichloride from method step j) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 800 ° C. to less than or equal to 1900 ° C.
  • a method according to the invention initially comprises providing gaseous titanium tetrachloride.
  • the provision of the gaseous titanium tetrachloride initially comprises process step a), provision of a starting material comprising titanium dioxide, in particular provision of titanium dioxide and / or ilmenite.
  • raw material usually used for the extraction of titanium can advantageously be used as the starting material for the process according to the invention.
  • the starting material can be procured in large quantities.
  • process step b) digestion of the starting material in mineral acid, preferably hydrochloric acid, at a temperature in a range from greater than or equal to 25 ° C to less than or equal to 135 ° C, forming a solution, in particular an aqueous solution, comprising dissolved titanium (IV ).
  • the digestion in mineral acid makes it possible to dissolve the titanium dioxide inexpensively, since mineral acids can be obtained inexpensively and in large quantities and little or no energy input is necessary, since the reaction is exothermic.
  • the mineral acid is hydrochloric acid.
  • a high chloride ion concentration is already present for the subsequent steps.
  • the hydrochloric acid has a concentration of greater than or equal to 8% by weight to less than or equal to 35% by weight, particularly preferably from greater than or equal to 15% by weight to less than or equal to 35% by weight , very particularly preferably from greater than or equal to 20% by weight to less than or equal to 28% by weight.
  • concentration of greater than or equal to 8% by weight to less than or equal to 35% by weight particularly preferably from greater than or equal to 15% by weight to less than or equal to 35% by weight , very particularly preferably from greater than or equal to 20% by weight to less than or equal to 28% by weight.
  • the amount of the reactants is selected such that the solution obtained has titanium in a concentration in a range from greater than or equal to 2% by weight to less than or equal to 15% by weight, preferably greater than or equal to 3 , 5 wt. % to less than or equal to 14% by weight, particularly preferably greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 7% by weight.
  • the temperature in process step b) is reached at the beginning by supplying heat.
  • a chloride-containing salt for example calcium chloride or magnesium chloride, is added in process step b).
  • a chloride-containing salt for example calcium chloride or magnesium chloride
  • the reaction is mixed mechanically in process step b). If the starting material contains iron, for example ilmenite, the iron is separated off after process step b), the iron optionally being oxidized, reduced or precipitated, the iron being separated off. Preferably by precipitation, liquid-liquid extraction, in particular of III-valent iron chloride and / or ion exchange of iron (II) chlorides.
  • iron (III) chloride can be separated off by liquid-liquid extraction, preferably with amines, e.g. trioctylamine.
  • iron (II) ions can be separated off on a solid or liquid ion exchanger. It can be provided that the ion exchanger is then regenerated with hydriodic acid and the iron contained in the following as Iron (II) iodide is present, which can be dried and broken down into elemental iron and lodine vapor by supplying solar heat at 1200 ° C.
  • the recycling of the iodine and renewed provision of the hydrogen iodide is preferably carried out in an aqueous disproportionation reaction, for example a known Bunsen reaction.
  • the separated foreign chlorides can be pyrolytically decomposed into hydrogen chloride and the corresponding metal oxides by supplying steam and introducing heat. These can then be used for further purposes.
  • Process step b) is followed in process step c) by precipitating an alkali metal titanium (rV) hexachloride from the solution with an alkali metal chloride with the addition of hydrochloric acid or hydrogen chloride at a temperature in a range from greater than or equal to -15 ° C to less than or equal to 30 ° C wherein the alkali metal is selected from the group consisting of lithium, sodium and potassium.
  • rV alkali metal titanium
  • the titanium in the form of the alkali metal titanium (IV) hexachloride can easily be separated from the solution obtained in process step b).
  • the separation can be achieved using a method known to the person skilled in the art.
  • the alkali metal titanium (IV) hexachloride can be separated from the solution by filtering, decanting or centrifuging.
  • a particularly high proportion of the alkali metal titanium (IV) hexachloride can be achieved.
  • the supply of hydrogen chloride takes place under excess pressure with heat dissipation at ambient temperature. As a result, as complete a precipitation as possible can be achieved at ambient temperature.
  • the alkali metal is potassium. It could be shown that potassium chloride is particularly suitable as an alkali metal chloride, since it forms potassium titanium (IV) hexachloride with titanium tetrachloride in the presence of hydrogen chloride, which can advantageously be separated from the solution by precipitation.
  • the alkali metal is lithium, sodium or potassium, if the solution is not an aqueous solution.
  • the alkali metal chloride in particular the potassium chloride, is added in an amount in a range from greater than or equal to 0.5% by weight to less than or equal to 45% by weight, particularly preferably greater than or equal to 15% by weight. % to less than or equal to 25% by weight, based on the total weight of the aqueous solution, comprising dissolved hydrogen chloride and dissolved titanium tetrachloride.
  • the addition can take place gradually in the course of a continuous process with precipitation or batchwise, preferably with stirring, for conversion to the insoluble hexachlorotitanate.
  • step b) a liquid-liquid extraction takes place to purify the titanium tetrachloride.
  • a neutral extractant such as tributyl phosphate with decanol dissolved in a saturated C9-C17 hydrocarbon is particularly advisable.
  • the hexochlorotitanate can be precipitated in step c) directly from and through contact with the organic phase respectively.
  • an anhydrous, polar solvent can also be used here.
  • step c After the titanium chloride has been separated off in process step c), the remaining solution can again be passed to step b) for renewed dissolution,
  • the alkali metal titanium (rV) hexachloride is optionally dried with hydrogen chloride at a temperature in a range from greater than or equal to 30 ° C. to less than or equal to 250 ° C.
  • the alkali metal titanium (IV) hexachloride is dried without reacting again to form titanium dioxide. Furthermore, the hydrogen chloride quickly absorbs water or solvent and additionally heats the alkali metal titanium (IV) hexachloride.
  • the hydrogen chloride is provided in process step d) as a saturated solution in an anhydrous solvent or as a hydrogen chloride atmosphere.
  • the hydrogen chloride in process step d) is anhydrous. This enables particularly efficient drying to be achieved.
  • the hydrogen chloride from process step d) is regenerated and / or dried after process step d), the regeneration and drying preferably being carried out using solar-thermally regenerated calcium chloride, concentrated sulfuric or phosphoric acid.
  • the hydrogen chloride is fed in in process step d) in countercurrent to the alkali metal titanium (IV) hexachloride.
  • This can advantageously be achieved that the alkali metal titanium (IV) hexachloride particularly is dried quickly and has a particularly low water content after drying.
  • process step e which involves heating the
  • Alkali metal titanium (IV) hexachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 340 ° C. to less than or equal to 700 ° C. with the formation of solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride.
  • gaseous titanium tetrachloride as described above, it can advantageously be achieved that, compared to the commonly used carbochlorination, fewer or no harmful chlorinated hydrocarbons are formed and no carbon dioxide is produced.
  • the gaseous titanium tetrachloride is purified using known processes between process steps e) and f).
  • the steps described above provide gaseous titanium tetrachloride.
  • the gaseous titanium tetrachloride is reduced to titanium trichloride.
  • a reducing agent is first provided in process step f), preferably selected from the group consisting of hydrogen gas and transition metal chloride, the transition metal chloride being selected from the group consisting of vanadium (II) chloride, iron (II) chloride, chromium (II) chloride, Cobalt (II) chloride, nickel (II) chloride, Copper (I) chloride, antimony (II) chloride, tin (II) chloride, and mixtures thereof, the transition metal chloride being preferably vanadium (II) chloride.
  • process step g) the reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent with the release of chlorine to titanium trichloride at a temperature in a range from greater than or equal to 20 ° C. to less than or equal to 440 ° C., the reducing agent being oxidized with the absorption of chlorine .
  • reaction can proceed in a controlled manner and that no chlorine gas is released during the conversion to titanium trichloride.
  • the reaction can thus be implemented particularly well.
  • the correspondingly selected reducing agent makes it possible to work at particularly mild temperatures.
  • process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 135.degree. C. to less than or equal to 250.degree. C., preferably from greater than or equal to 200.degree. C. to less than or equal to 250.degree.
  • the titanium trichloride can advantageously be part of the oxidized reducing agent as a solid .
  • known methods for example, can be separated by utilizing the different density.
  • the oxidized reducing agent obtained in method step g) is recycled by reduction in a preferably solar-thermally operated cycle with the formation of chlorine gas and then oxygen and the recycled reducing agent is provided again as a reducing agent in method step f).
  • the invention provides for this reduction in particular by means of a thermochemically operated reaction sequence.
  • the chlorine obtained is mixed with water or water vapor is converted into oxygen and hydrogen chloride in a reverse reaction according to Deacon.
  • the hydrogen chloride can ideally be reintroduced into process steps b), c) and d).
  • a cycle can advantageously be obtained, as a result of which there is almost no consumption of the substance necessary for reduction.
  • it can be achieved that the heat generated and absorbed can be exchanged.
  • the reduction in process step g) is catalyzed, particularly preferably by the action of UV-containing radiation or a catalyst.
  • the UV-containing radiation obtained from sunlight for example by separation with Lichtfiltem, optical redirection and Eispeisung in the reactor can thereby advantageously be achieved that even at low temperatures of for example 25 ° C and corresponding TiCl 4 vapor pressure and 2 bar hydrogen partial pressure under simple sunlight, the equilibrium position favored at low temperatures in the direction of TiCl 3 under quartz glass is reached in a few minutes.
  • the reduction in process step g) is preferably carried out at temperatures in a range from greater than or equal to 120 to less than or equal to 200 ° C., and with an increased partial pressure of hydrogen and preferably also a slightly increased pressure of titanium tetrachloride.
  • the titanium trichloride obtained is deposited in solid form and can be collected by a suitable mechanical device and removed from the reaction space. Alternatively, cyclic rinsing with liquid titanium tetrachloride can take place and the titanium trichloride is removed from the reaction chamber to allow further entry of the UV radiation. The trichloride can then be separated off from the liquid titanium tachloride, for example by filtration.
  • hydrogen chloride gas formed in each case can be bound by appropriate, preferably anhydrous, absorbers and removed from the reactor, the unused hydrogen being returned again and subsequently being supplemented by new, thermochemically provided hydrogen.
  • the reaction can take place in the gas phase under strongly bundled UV radiation, a targeted supply of hydrogen gas along a quartz glass window, through which the radiation enters, preventing precipitation and clouding due to titanium trichloride.
  • the process steps described above reduce the gaseous titanium tetrachloride to titanium trichloride.
  • the next step is the disproportionation of the titanium trichloride to titanium and titanium tetrachloride.
  • the titanium trichloride can be disproportionated to titanium tetrachloride and titanium dichloride at a temperature in a range from greater than or equal to 400 ° C. to less than or equal to 780 ° C., preferably from greater than or equal to 430 ° C. to less than or equal to 600 ° C. .
  • process step j) the titanium trichloride or the titanium dichloride is disproportionated to titanium and titanium tetrachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 580 ° C. to less than or equal to 1900 ° C.
  • the energy requirement for the production of the titanium is particularly low, because the disproportionation from titanium trichloride is energetically advantageous. Furthermore, it can be achieved in this way that the titanium can then be separated off particularly easily, since the titanium tetrachloride is volatile and can be easily removed.
  • the titanium tetrachloride obtained in process step j) and optionally i) is provided as titanium tetrachloride in process step g).
  • traces of volatilized titanium and / or titanium trichlorides can be deposited at a slightly colder point, for example on the surface of the heat exchanger, as part of the removal of the titanium tetrachloride from the reaction area. These can preferably be released mechanically, for example by vibration or mechanical slides, and fed back into the reactor. As a result, it can be achieved more advantageously that as little titanium as possible is lost.
  • the removal of the titanium can preferably be carried out by a method known to the person skilled in the art.
  • the process thus describes the thermochemical production of titanium.
  • the reducing agent from process step f) is hydrogen gas and the reduction from process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 20 ° C. to less than or equal to 350 ° C., preferably greater than or equal to 350 ° C. or equal to 130.degree. C. to less than or equal to 240.degree. C., for example at 180.degree.
  • the hydrogen gas being oxidized to hydrogen chloride with the absorption of chlorine, with the hydrogen chloride being mixed with vanadium (II) chloride with the formation of vanadium (III ) chloride is reduced to hydrogen gas at a temperature in a range from greater than or equal to 60 ° C to less than or equal to 390 ° C, preferably from greater than or equal to 160 ° C to less than or equal to 280 ° C, for example 200 ° C, where the Hydrogen gas is used again as reducing agent in process step f), and the vanadium (III) chloride is formed with the formation of chlorine gas by heating at a temp temperature in a range from greater than or equal to 460 ° C.
  • vanadium (IV) chloride is produced as an intermediate product on the way to decomposition to chlorine gas.
  • the reduction from method step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 150 ° C. to less than or equal to 250 ° C., preferably from greater than or equal to 190 ° C. less than or equal to 210 ° C, for example at 200 ° C.
  • step h) at a temperature in a range from greater than or equal to 250 ° C. to less than or equal to 390 ° C., preferably from greater than or equal to 300 ° C. to less than or equal to 340 ° C, for example 320 ° C, is carried out.
  • the vanadium (III) chloride is formed with the formation of chlorine gas by heating at a temperature in a range from greater than or equal to 520 ° C. to less than or equal to 620 ° C., preferably greater than or equal to 560 ° G to less than or equal to 580 ° C, for example 570 ° C, is recycled to vanadium (II) chloride.
  • the hydrogen gas was obtained by thermal, preferably solar-thermal, decomposition of water with the aid of cyclically heated mixed oxides, for example cerium oxide or the sulfur iodine cycle.
  • the hydrogen chloride from process step g) would be returned to process step b) and c).
  • the reducing agent from process step f) is hydrogen gas and the reduction from process step g) with a hydrogen partial pressure in a range from greater than or equal to 1 bar to less than or equal to 20 bar, for example 4 bar, at a temperature in one range from greater than or equal to 20 ° C. to less than or equal to 250 ° C., preferably less than or equal to 160 ° C., is carried out under the action of UV radiation.
  • the reducing agent is provided via two separate devices, one device being used for the provision while in the other device, the vanadium (III) chloride is recycled with the formation of chlorine gas, and vice versa.
  • the vanadium (III) chloride is recycled with the formation of chlorine gas, and vice versa.
  • the reducing agent from process step f) is vanadium (II) chloride and the reduction from process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 80 ° C to less than or equal to 420 ° C is, preferably from greater than or equal to 240 ° C.
  • the vanadium (II) chloride being oxidized to vanadium (III) chloride with uptake of chlorine
  • the vanadium (III) chloride is reduced to vanadium (II) chloride with the formation of chlorine gas at a temperature in a range from greater than or equal to 460 ° C. to less than or equal to 800 ° C., preferably from greater than or equal to 590 ° C. to less than or equal to 660 ° C., for example 620 ° C.
  • the vanadium (II) chloride preferably being provided as the reducing agent in process step f).
  • process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 80 ° C. to less than or equal to 120 ° C., preferably greater than or equal to 95 ° C. to less than or equal to 105 ° C, for example at 100 ° C.
  • method step h) at a temperature in a range of greater than or equal to 520 C. to less than or equal to 620.degree. C., preferably from greater than or equal to 560.degree. C. to less than or equal to 580.degree. C., for example 570.degree.
  • the vanadium (III) chloride and the vanadium (II) chloride are present as sodium double salt. Thereby, a better decomposition property can be obtained.
  • the vanadium (II) chloride is run in process step g) in countercurrent to the titanium tetrachloride. This enables a particularly high conversion of the reduction in titanium tetrachloride to be achieved.
  • the chlorine gas from process step h) is reacted with water in a reverse Deacon process to form hydrogen chloride and oxygen, the hydrogen chloride obtained preferably being provided as the hydrochloric acid in process step b).
  • the chlorine gas does not have to be disposed of, transported or stored in a complex manner.
  • What can also be achieved in this way is that the consumption of hydrochloric acid in the overall process is reduced.
  • the use as hydrochloric acid is particularly preferred when the aqueous hydrogen chloride is obtained in the reverse Deacon process.
  • the hydrogen chloride obtained is used as hydrogen chloride in process step c) and / or d).
  • This use is particularly preferred when essentially anhydrous hydrogen chloride gas is obtained in the reverse Deacon process.
  • the magnesium chloride formed is preferably decomposed with water to form hydrogen chloride and magnesium oxide at a temperature in a range from greater than or equal to 450.degree. C. to less than or equal to 550.degree.
  • the reverse Deacon process is catalyzed in an aqueous environment with solar radiation.
  • the reverse Deacon process is carried out in a non-aqueous environment at a temperature in a range from greater than or equal to 550 ° C. to less than or equal to 650 ° C., for example 600 ° C., with off Chlorine and water Hydrogen chloride and oxygen are formed, the hydrogen chloride being present as hydrochloric acid and a catalyst preferably optimizing the conversion reaction
  • the titanium trichloride or the titanium dichloride is introduced into a molten salt and into the molten salt is disproportionated, the molten salt being a melt of magnesium chloride, calcium chloride, potassium chloride, sodium chloride or mixtures thereof.
  • the titanium trichloride or the titanium dichloride is disproportionated in a targeted manner.
  • the titanium tetrachloride can be separated off particularly easily and quickly, since it has only a low solubility in the molten salt and outgasses quickly.
  • the reaction equilibrium can advantageously be shifted further to the product side and the location of the deposition can be better controlled.
  • a metal element preferably a metal element with a titanium surface, in particular a titanium element, protrudes into the molten salt. It can advantageously be provided that the molten salt is heated via the metal element. In addition, it can be provided that the titanium is deposited on the heated titanium element. The titanium element can grow accordingly and be removed as a semi-finished product for further processing.
  • the metal element is movably mounted in the reactor and this enables, among other things, the continuous removal of the titanium.
  • the disproportionation steps should preferably take place under a sufficient vacuum or, in a particularly preferred embodiment, in an inert or reactive protective gas atmosphere.
  • Argon and hydrogen are particularly suitable for this purpose, and in the case of hydrogen, depending on the application, the retention of titanium hydride as a product may be explicitly desired.
  • the goal of energy storage, transport or preservation of titanium powder It can preferably be provided that heat is exchanged through heat exchangers during the process steps. As a result, it can advantageously be achieved that the total energy required for the entire process can be reduced. In particular, it can thereby be achieved in a particularly advantageous manner that the energy to be supplied externally for the individual steps can be kept particularly low. This means that the area required for heliostats and the investment required for solar bundling can be kept small.
  • heat is released and the heat is dissipated via a heat exchanger. It can preferably be provided that in process step c) heat is released and the heat is dissipated via a heat exchanger. It can preferably be provided that in method step e) heat is absorbed and the heat is supplied via a heat exchanger. It can preferably be provided that in method step i) heat is absorbed and the heat is supplied via a heat exchanger. It can preferably be provided that in method step j) heat is absorbed and the heat is supplied via a heat exchanger.
  • the thermal energy released by the exothermic reactions and during cooling is preferably used to heat up and drive the endothermic reactions to the appropriate temperature level.
  • thermochemical cycle process and necessarily dissipated according to the Camot principle can be dissipated to the environment with appropriate air, geothermal or water heat exchangers.
  • inexpensive thermal masses such as soil regenerated by air cooling at night are also suitable.
  • thermal energy for the process steps is provided by solar radiation, preferably through flat or vacuum collectors, a parabolic trough power plant, a solar dish receiver and / or through a solar tower heat exchanger, the thermal energy in particular for process steps d), e), h ), i) and j) is provided.
  • the alkali metal chloride obtained in process step e) is used as the alkali metal chloride in process step c).
  • the process is carried out as a continuous process. This enables the process to be operated particularly efficiently because the heat generated can be used particularly well.
  • the invention also proposes a device for the thermochemical production of titanium by the method described above, having at least one first reactor, preferably an acid-resistant stirred tank reactor, for the digestion of a Starting material comprising titanium dioxide with mineral acid, the first reactor having an inlet for the starting material, an inlet for the mineral acid and an outlet for a solution comprising dissolved titanium (IV), the first reactor preferably having a heat exchanger, a second reactor, preferably one acid-resistant precipitation reactor for precipitating an alkali metal titanium (IV) hexachloride, the second reactor having an inlet for the solution containing dissolved titanium (IV), an inlet for hydrochloric acid or hydrogen chloride, an inlet for alkali metal chloride and an outlet for precipitated alkali metal titanium (IV) tetrachloride , the second reactor being designed to enable the separation of precipitated alkali metal titanium (IV) hexachloride and reaction solution, the second reactor preferably having a heat exchanger, optionally a third reactor, preferably a tube dryer
  • an inlet is to be understood as a device which enables the addition of the corresponding substance.
  • an inlet can be understood to mean a nozzle, a pipe, a hatch or a simple opening.
  • a process is to be understood as meaning a device which enables the corresponding substance to be removed.
  • an inlet or outlet for one substance can also serve as an inlet and / or outlet for another substance. Accordingly, it can be provided, for example, that the inlet for the starting material of the first reactor is an opening on an upper side of the reactor and the same opening also serves as an inlet for the mineral acid. It can preferably be provided that at least one of the fifth, sixth and seventh reactors, particularly preferably the fifth reactor, can be operated with solar heat, in particular via a UV-permeable window in a wall of the reactor.
  • the first reactor has several divided acid-proof reactors, e.g. 8 acid-proof containers each with agitator transport and conveying device as well as heat exchangers, whereby the titanium ore is passed in countercurrent in steps past the mineral acid. A particularly efficient resolution is achieved in this way.
  • the material of the reactor is preferably acid-proof coated steel or acid-proof plastic.
  • a particularly preferred embodiment of the second reactor contains a stirring and circulation system for complete mixing and salting of the continuously supplied alkali salt to form hexachlorotitanate.
  • the second reactor has a continuous removal device, for example a centrifuge with an automatic conveying device for separating and pre-drying the hexachlorotitanate crystals.
  • a continuous removal device for example a centrifuge with an automatic conveying device for separating and pre-drying the hexachlorotitanate crystals.
  • the second reactor has a pressure-tight, gas-tight and / or acid-resistant envelope.
  • the solution in the inflow can be saturated with hydrogen chloride in countercurrent with the solution in the outflow from which the titanium chloride was previously precipitated in the second reactor.
  • the hydrogen chloride gas can gradually outgas in the downstream channel and turn into the Loosen the inflow channel and fiir there for an increasing hydrogen chloride content.
  • a simultaneous heat exchange of the saturation reaction of the inflow to the second reactor and outgassing of the outflow is a very preferred embodiment.
  • the inflow and outflow of the second reactor can be designed in several sections, each with an integrated gas exchange through a common gas volume on the surface and local heat exchange of the respective solutions.
  • Embodiments can preferably have a liquid-liquid extractor with mixer and separation chambers, furthermore a crystallization and separation device, or furthermore a device for separation by means of an ion exchanger integrated in the inlet of the second reactor.
  • a preferred configuration of the feed to the second reactor can have a device for oxidation or reduction.
  • the device has a pipe system with outlet openings below the surface of the solution, through which oxygen or chlorine gas can be blown.
  • reaction h for recycling chlorine or oxygen gas.
  • the fifth reactor for the reduction of titanium tetrachloride with hydrogen has a pressure-tight housing which is at least partially made of UV-permeable glass, which is used to optically couple the catalytically active UV radiation.
  • a pressure-tight housing which is at least partially made of UV-permeable glass, which is used to optically couple the catalytically active UV radiation.
  • the inner surfaces of reactors six and seven, and any heat exchangers 444 integrated with them are lined with a material that does not contain oxygen.
  • FIG. 3 schematically shows the method according to the invention and the device according to a second exemplary embodiment
  • FIGS. 4a and 4b schematically show different configurations of method step j
  • FIG. 1 shows schematically the method steps of the method according to the invention.
  • the process for the thermochemical production of titanium 100 initially as Method step of providing gaseous titanium tetrachloride 110.
  • the provision of gaseous titanium tetrachloride 110 initially comprises the provision of a starting material comprising titanium dioxide 111. This is followed by dissolving the titanium dioxide 112 in hydrochloric acid at a temperature in a range from greater than or equal to 30 ° C. to less than or equal to 120 ° C. to form an aqueous solution having dissolved hydrogen chloride and dissolved titanium tetrachloride.
  • an alkali metal titanium (IV) hexachloride 113 is precipitated from the aqueous solution with an alkali metal chloride with the addition of hydrochloric acid at a temperature in a range from greater than or equal to -15 ° C. to less than or equal to 30 ° C., the alkali metal being selected from the group consisting of lithium, sodium and potassium.
  • This is followed by drying the alkali metal titanium (IV) hexachloride 114 with hydrogen chloride at a temperature in a range from greater than or equal to 50.degree. C. to less than or equal to 250.degree.
  • the dried alkali metal titanium (IV) hexachloride (115) is then heated at a temperature in a range from greater than or equal to 500 ° C. to less than or equal to 600 ° C. with the formation of solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride.
  • the gaseous titanium tetrachloride is reduced 120 to titanium trichloride.
  • the reduction 120 initially comprises providing a reducing agent 121.
  • the gaseous titanium tetrachloride is reduced 122 with the reducing agent, releasing chlorine to titanium trichloride at a temperature in a range of greater than or equal to 20 ° C. to less than or equal to 440 ° C., the reducing agent being oxidized with the absorption of chlorine.
  • the oxidized reducing agent obtained in this process step is recycled 123 by reduction with the formation of chlorine gas.
  • the recycled reducing agent is then provided 123 as a reducing agent in the previous method step.
  • a disproportionation of the titanium trichloride to titanium and titanium tetrachloride 130 follows, comprising the process steps.
  • Optional is initially the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride disproportionate 131 at a temperature in a range from greater than or equal to 400 ° C to less than or equal to 600 ° C.
  • the titanium trichloride or titanium dichloride is then disproportionated 132 to titanium and titanium tetrachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 800 ° C to less than or equal to 1900 ° C.
  • the resulting titanium tetrachloride is provided 133 as titanium tetrachloride for the reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent 122.
  • Fig. 2 shows schematically the method according to the invention and the device according to a first embodiment.
  • Fig. 3 shows schematically the method according to the invention and the device according to a second embodiment.
  • the device 500 in FIGS. 2 and 3 each has a first reactor 510.
  • the first reactor 510 is, for example, an acid-resistant stirred tank reactor and has an inlet for the starting material 511, an inlet for the mineral acid 512 and an outlet for a solution containing dissolved titanium (IV) 513.
  • a starting material comprising titanium dioxide is provided 111 and digested 112 with mineral acid, a solution comprising dissolved titanium (IV) being formed.
  • the device 500 furthermore has a second reactor 520.
  • the second reactor 520 has an inlet for the solution containing dissolved titanium (IV) 521, an inlet for hydrochloric acid 522, an inlet for alkali metal chloride 523 and an outlet for precipitated alkali metal titanium (IV) tetrachloride 524.
  • the second reactor is designed to enable the separation of precipitated alkali metal titanium (IV) hexachloride and reaction solution.
  • the alkali metal titanium (IV) hexachloride is correspondingly precipitated 113 in the second reactor 520.
  • the device 500 also has a third reactor 530, for example a tube dryer or belt dryer.
  • the third reactor 530 has an inlet for alkali metal titanium (IV) hexachloride 531, an inlet for hydrogen chloride 533 and a drain for dried alkali metal titanium (IV) hexachloride 533.
  • the alkali metal titanium (rV) tetrachloride 114 is dried in the third reactor 530.
  • the device 500 has a fourth reactor 540, which can likewise be, for example, a tube dryer or belt dryer.
  • the fourth reactor 540 has an inlet for dried
  • the dried alkali metal titanium (IV) hexachloride is heated 115 with the formation of solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride.
  • the device 500 also has a fifth reactor 550.
  • the fifth reactor 550 has an inlet for
  • the gaseous titanium tetrachloride is reduced 112 with the reducing agent.
  • the device 500 also has a device for recycling and providing the reducing agent 555.
  • the device for recycling reducing agent has an inlet for oxidized reducing agent 556 and an outlet for recycled reducing agent 557.
  • the device for recycling hydrogen gas is designed as a reducing agent.
  • the device for recycling vanadium (II) chloride is designed.
  • the device 500 according to FIG. 2 also has an optional sixth reactor 560.
  • the sixth reactor 560 has an inlet for titanium trichloride 561, an outlet for titanium tetrachloride 562 and an outlet for titanium dichloride 563.
  • the disproportionation of the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride 131 optionally takes place.
  • the device 500 according to FIGS. 2 and 3 then has a seventh reactor 570 in each case.
  • the seventh reactor 570 has an inlet for titanium trichloride 571 in FIG. 3 or an inlet for titanium dichloride 571 in FIG. 2, as well as an outlet for titanium tetrachloride 572.
  • the device 500 has a device for recycling 573 of the 570 in the seventh and optionally sixth 560 reactor formed titanium tetrachloride to the fifth reactor 550.
  • the seventh reactor is designed to enable separation of titanium and the other reactants.
  • 4a and 4b schematically show different configurations of method step j).
  • 4a shows an embodiment of method step j), the disproportionation of titanium trichloride or titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride 132, for example of titanium dichloride in a molten salt 300 of magnesium chloride.
  • the titanium dichloride dissolves in the molten salt 300.
  • the disproportionation 132 takes place as a result of the supply of heat via the reaction vessel.
  • Titanium powder 301 precipitates and titanium tetrachloride is produced, which is further made available to the method 133. Titanium powder 300 can then be separated 140 from the molten salt using known methods.
  • FIG. 4b shows an embodiment of method step j), the disproportionation of titanium trichloride or titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride 132, for example of titanium dichloride in a molten salt 300 of magnesium chloride.
  • the titanium dichloride dissolves in the molten salt 300.
  • the disproportionation 132 takes place by supplying heat via a movable titanium element 302.
  • titanium is deposited on the titanium element 302.
  • the titanium is separated 140 from the melt by pulling out the titanium element 302.
  • FIG. 5 schematically shows various devices for providing thermal energy with solar thermal energy. In large systems in particular, mirror surfaces can be produced inexpensively. Suitable materials are, for example, glass mirrors, highly reflective plastic films coated with metal or aluminum, and protected, polished aluminum sheets.
  • each of the collector shapes has technical and economic advantages in different temperature ranges and can be selected accordingly.
  • the heat transfer between the reactions and the heat exchangers of the cycle process can be carried out with passively or actively circulating heat carriers, such as water at low temperatures or thermal oils, with gas flow, with salt or Metal melts or bypassed ceramic elements are implemented at high process temperatures.
  • a flat-plate collector 400 with absorber 411, circulation line 412, housing with possibly thermal insulation 415 and glass or plastic windows is particularly suitable.
  • a parabolic interior system 420 with receiver or absorber with heat transfer medium 412, tracking and foundation 422 and parabolic mirror surface 423 is suitable.
  • For temperatures in a range from 400 ° C to 2000 ° C are suitable Solar dish receiver 430 with absorber / reactor 431 and parabolic mirror 432 or solar tower heat exchanger with trackable mirror surface 441, with trackable axes and support structure 442,
  • High temperature absorber with heat exchanger or reactor 443 and tower with supply lines or heat transfer medium 444
  • gaseous titanium tetrachloride comprises the reaction of titanium dioxide with hydrochloric acid in aqueous solution to form titanium tetrachloride via alkali metal titanium hexachloride.
  • the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent 122, for example with vanadium (II) chloride, the titanium tetrachloride reacts to form titanium trichloride and vanadium (III) chloride.
  • titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride 131 and the disproportionation of the titanium trichloride or titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride 132.
  • the titanium tetrachloride produced in each case is provided again as titanium tetrachloride 133.
  • the oxidized reducing agent is removed, for example, as vanadium (III) chloride and recycled 123 by heating while releasing chlorine gas.
  • the recycled reducing agent is thus provided again 124 as reducing agent.
  • the chlorine gas reacts in a reverse Deacon process 200 to form hydrogen chloride or hydrochloric acid and oxygen.
  • the hydrogen chloride or hydrochloric acid is again provided 201 for the process.

Abstract

The invention relates to a method and a device for thermochemically producing titanium. The method comprises at least the following method steps: providing gaseous titanium tetrachloride, involving a) providing a starting material having titanium dioxide, b) breaking down the starting material in mineral acid and forming a solution containing dissolved titanium (IV), c) precipitating an alkali metal titanium (IV) hexachloride out of the solution with an alkali metal chloride with the addition of hydrochloric acid or hydrogen chloride, e) heating the alkali metal titanium (IV) hexachloride and forming solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride; reducing the gaseous titanium tetrachloride to form titanium trichloride, involving f) providing a reducing agent, g) reducing the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent and releasing chlorine to form titanium trichloride, wherein the reducing agent is oxidised by receiving chlorine, h) recycling the oxidised reducing agent obtained in method step g) via reduction and producing chlorine gas and/or oxygen, and providing the recycled reducing agent as the reducing agent in method step f); disproportionation of the titanium trichloride to form titanium and titanium tetrachloride, involving j) disproportionation of the titanium trichloride or of the titanium dichloride to form titanium and titanium tetrachloride, k) providing the titanium tetrachloride obtained in method step j) and optionally i) as titanium tetrachloride in method step g); and separating the obtained titanium.

Description

VERFAHREN ZUR THERMOCHEMISCHEN HERSTELLUNG VON TITAN METHOD FOR THE THERMOCHEMICAL PRODUCTION OF TITANIUM
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermochemischen Herstellung von Titan, sowie eine Vorrichtung zur thermochemischen Herstellung von Titan. The present invention relates to a method for the thermochemical production of titanium and a device for the thermochemical production of titanium.
Verfahren zur Herstellung von Titan sind an sich bekannt. Processes for the production of titanium are known per se.
Zur Gewinnung von Metall aus den entsprechenden Erzen sind zahlreiche, teilweise sehr alte Verfahren bekannt. Bedeutend ist die erfolgreiche Gewinnung von Metallen durch die Reduktion mit Kohle beziehungsweise mit kohlenstoffhaltigen, fossilen Energieträgern. Dabei wird jedoch klimawirksames Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Ebenso hat ein wiederentdeckter Ansatz hierfür nachwachsende kohlenstoffhaltige Biomasse, wie etwa Holzkohle zu verwenden bei industrieller Anwendung den Nachteil auf große Flächen, zur Last besonderer Ökosysteme, angewiesen zu sein. Ebenso versagt die karbothermische Reduktion im Hinblick auf einige unedle Metalle, wie zum Beispiel Titan, da hier eine zu große Affinität der Elemente zu Sauerstoff gegeben ist und die Reaktion unter den üblichen Bedingungen nur bis zum Carbid verlauft. Numerous processes, some of them very old, are known for extracting metal from the corresponding ores. The successful extraction of metals through reduction with coal or with carbonaceous, fossil fuels is important. However, this releases carbon dioxide that has an impact on the climate. Likewise, a rediscovered approach for this purpose, using renewable carbonaceous biomass, such as charcoal for industrial applications, has the disadvantage of being dependent on large areas, to the detriment of particular ecosystems. Carbothermal reduction also fails with regard to some base metals, such as titanium, since the elements have too great an affinity for oxygen and the reaction only proceeds as far as the carbide under the usual conditions.
Des Weiteren nimmt die elektrolytische Metallgewinnung als Verfahren zur Metallgewinnung einen wichtigen Stellenwert, wie etwa beim Aluminium ein. Hierzu sind jedoch vergleichsweise große Strommengen notwendig. Im Falle des Titans fanden sich in den letzten Jahren zahlreiche Innovationen, die eine weitgehend direkte elektrolytische Gewinnung zunehmend möglich erscheinen ließen. Der Nachteil ist hierbei jedoch der oft sehr hohe Sauerstoffgehalt des erhaltenen Rohtitans, ein Umstand, der zu erheblichen Problemen der Werkstoffeigenschaft führt, sowie die bei Titan oft geringe Stromeffizienz der Elektrolyse. In addition, electrolytic metal extraction is an important process for extracting metal, for example in the case of aluminum. However, this requires comparatively large amounts of electricity. In the case of titanium, numerous innovations have been found in recent years that have made a largely direct electrolytic production increasingly possible. The disadvantage here, however, is often The raw titanium obtained has a very high oxygen content, a fact which leads to considerable problems with the properties of the material, as well as the often low current efficiency of electrolysis in the case of titanium.
So ist weiterhin die von Kroll entdeckte Reduktion mit elektrolytisch gewonnenem Magnesium in einem diskontinuierlichen und technisch aufwendigen Prozess mit erheblichem Energiebedarf mit etwa 85 kWh pro kg Metall der aktuelle Standard in der Industrie. The reduction discovered by Kroll with electrolytically obtained magnesium in a discontinuous and technically complex process with considerable energy requirements of around 85 kWh per kg of metal continues to be the current standard in the industry.
Bei einzelnen Metallen wurde die direkte Thermolyse in Erwägung gezogen. Jedoch sind hierbei die notwendigen Temperaturen je nach Metall extrem hoch und das Problem einer ausreichenden Stofftrennung erscheint praktisch nicht lösbar, zumal hierbei auf thermodynamisch verlustreiche Quenchverfahren zurückgegriffen werden muss. For some metals, direct thermolysis has been considered. However, depending on the metal, the necessary temperatures are extremely high and the problem of adequate material separation does not appear to be practically solvable, especially since quenching processes that are thermodynamically lossy have to be used.
SCHOSSBERGER, Frederic V.: A new process for titanium. In: Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 51, 1959, No. 3, 669-670, beschreibt ein Teilverfahren zur Gewinnung von Titan aus Kaliumtitan(IV)hexachlorid durch Reduktion mit Magnesium. SCHOSSBERGER, Frederic V .: A new process for titanium. In: Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 51, 1959, No. 3, 669-670, describes a partial process for the production of titanium from potassium titanium (IV) hexachloride by reduction with magnesium.
US 2 874 040 A beschreibt ein Teilverfahren zur Herstellung von Titan aus Titantetrachlorid mit Wasserstoff bei einer Temperatur über 1000 K, wobei in einem letzten Schritt Titandichlorid bei einer Temperatur über 2000 K zu Titantrichlorid und flüssigem Titan disproportioniert wird. No. 2,874,040 A describes a partial process for the production of titanium from titanium tetrachloride with hydrogen at a temperature above 1000 K, with titanium dichloride being disproportionated at a temperature above 2000 K to form titanium trichloride and liquid titanium in a final step.
Aufgrund der Bedeutung von Titan und dem gestiegenen Umweltbewusstsein gibt es ein Interesse daran ein Verfahren zur Herstellung von Titan bereitzustellen, welches wirtschaftlich sein kann und die ökologischen Nachteile bekannter Verfahren überwindet. Due to the importance of titanium and increased environmental awareness, there is an interest in providing a method for producing titanium which can be economical and which overcomes the ecological disadvantages of known methods.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Titan bereitzustellen, welches zumindest einige Nachteile der vorbekannten Verfahren überwindet. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Titan bereitzustellen, das bei vergleichsweise niedriger Temperatur durchgeführt werden kann und dessen Energiebedarf durch Wärmezufuhr ausreichend gedeckt werden kann, insbesondere mit solarthermischer Energie. It is therefore the object of the present invention to provide a method for producing titanium which overcomes at least some disadvantages of the previously known methods. In particular, it is the object of the present invention to provide a method for the production of titanium which can be carried out at a comparatively low temperature and whose energy requirement can be adequately covered by the supply of heat, in particular with solar thermal energy.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1. Ferner wird die Aufgabe durch die Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. This object is achieved by the method according to claim 1. Furthermore, the object is achieved by the device according to claim 10.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren angegeben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur thermochemischen Herstellung von Titan vorgeschlagen, aufweisend zumindest die Verfahrensschritte: Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims, in the description or the figures, wherein further features described or shown in the subclaims or in the description or the figures can represent an object of the invention individually or in any combination if they emerge from the Context does not clearly show the opposite. The invention proposes a method for the thermochemical production of titanium, comprising at least the following method steps:
Bereitstellen von gasförmigem Titantetrachlorid umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Ausgangsmaterials aufweisend Titandioxid, insbesondere Bereitstellen von Titandioxid und/oder Ilmenit, b) Aufschluss des Ausgangsmaterials in Mineralsäure, vorzugsweise in Chlorwasserstoffsäure, bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 25 °C bis kleiner oder gleich 135 °C unter Ausbildung einer Lösung, insbesondere einer wässrigen Lösung, aufweisend gelöstes Titan(IV); c) Fällen eines Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids aus der Lösung mit einem Alkalimetallchlorid unter Zufuhr von Chlorwasserstoffsäure oder Chlorwasserstoff bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich -15 °C bis kleiner oder gleich 30 °C, wobei das Alkalimetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Natrium und Kalium, d) Optionale Trocknen des Alkalimetalltitan(IV)hexachlprids mit Chlorwasserstoff bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 30 °C bis kleiner oder gleich 250 °C, e) Erhitzen des Älkalimetalltitan(IV)hexachlorids bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 340 °C bis kleiner oder gleich 700 °C unter Ausbildung von festem Alkalimetallchlorid und gasförmigem Titantetrachlorid; Providing gaseous titanium tetrachloride comprising the process steps: a) Providing a starting material comprising titanium dioxide, in particular providing titanium dioxide and / or ilmenite, b) digesting the starting material in mineral acid, preferably in hydrochloric acid, at a temperature in a range greater than or equal to 25 ° C up to less than or equal to 135 ° C. with the formation of a solution, in particular an aqueous solution, comprising dissolved titanium (IV); c) precipitating an alkali metal titanium (IV) hexachloride from the solution with an alkali metal chloride while supplying hydrochloric acid or hydrogen chloride at a temperature in a range greater than or equal to -15 ° C to less than or equal to 30 ° C, the alkali metal being selected from the group consisting of lithium, sodium and potassium, d) Optional drying of the alkali metal titanium (IV) hexachlpride with hydrogen chloride at a temperature in a range greater than or equal to 30 ° C to less than or equal to 250 ° C, e) heating the alkali metal titanium (IV) hexachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 340 ° C to less than or equal to 700 ° C with the formation of solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride;
Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids zu Titantrichlorid umfassend die Verfahrensschritte: f) Bereitstellen eines Reduktionsmittels, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffgas und Übergangsmetallchlorid, wobei das Übergangsmetallchlorid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Vanadium(II)chlorid, Eisen(II)chlorid, Chrom(II)chorid, Cobalt(II)chlorid, Nickel(II)chlorid, Kupfer(I)chlorid, Antimon(II)chlorid, Zinn(II)chlorid, und Mischungen davon, wobei das Übergangsmetallchlorid bevorzugt Vanadium(II)chlorid ist, g) Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids mit dem Reduktionsmittel unter Abgabe von Chlor zu Titantrichlorid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 20 °C bis kleiner oder gleich 440 °C, wobei das Reduktionsmittel unter Aufnahme von Chlor oxidiert wird, h) Rezyklieren des in Verfahrensschritt g) erhaltenen oxidierten Reduktionsmittels durch vorzugsweise thermische Reduktion unter Entstehung von Chlorgas und/oder Sauerstoff sowie Bereitstellen des rezyklierten Reduktionsmittels als Reduktionsmittel in Verfahrensschritt f); Disproportionierung des Titantrichlorids zu Titan und Titantetrachlorid umfassend die Verfahrensschritte: i) optional Disproportionieren des Titantrichlorids zu Titantetrachlorid und Titandichlorid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 400 °C bis kleiner oder gleich 800 °C, j) Disproportionieren des Titantrichlorids oder des Titandichlorids zu Titan und Titantetrachlorid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 600 °C bis kleiner oder gleich 1900 °C, k) Bereitstellen des in Verfahrensschritt j) und optional i) erhaltenen Titantetrachlorids als Titantetrachlorid in Verfahrensschritt g); und Abtrennen des erhaltenen Titans. Reduction of the gaseous titanium tetrachloride to titanium trichloride comprising the process steps: f) providing a reducing agent, preferably selected from the group consisting of hydrogen gas and transition metal chloride, the transition metal chloride being selected from the group consisting of vanadium (II) chloride, iron (II) chloride, chromium (II) chloride, cobalt (II) chloride, nickel (II) chloride, copper (I) chloride, antimony (II) chloride, tin (II) chloride, and mixtures thereof, the transition metal chloride preferably being vanadium (II) chloride, g) Reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent with the release of chlorine to titanium trichloride at a temperature in a range from greater than or equal to 20 ° C to less than or equal to 440 ° C, the reducing agent being oxidized with the absorption of chlorine, h) recycling of the oxidized reducing agent obtained in process step g) by preferably thermal reduction with the formation of chlorine gas and / or acid substance and provision of the recycled reducing agent as reducing agent in method step f); Disproportionation of the titanium trichloride to titanium and titanium tetrachloride comprising the process steps: i) optionally disproportionation of the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride at a temperature in a range from greater than or equal to 400 ° C to less than or equal to 800 ° C, j) disproportionation of the titanium trichloride or the titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 600 ° C. to less than or equal to 1900 ° C., k) providing the titanium tetrachloride obtained in process step j) and optionally i) as titanium tetrachloride in process step g); and separating the obtained titanium.
Durch das vorbeschriebene Verfahren kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass bei der Herstellung von Titan kein klimawirksames Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden muss. Weiter kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das erhaltene Titan besonders rein ist. Ferner konnte in überraschender Weise erreicht werden, dass das Verfahren derart zu betreiben ist, dass die Energie für das Verfahren rein durch Solarenergie bereitgestellt wird. Im Vergleich zu Verfahren, die indirekt über Solarenergie betreibbar sind, wie beispielsweise Elektrolysen, kann das Verfahren vorteilhafterweise eine höhere Energieeffizienz aufweisen, da durch das in mehreren Stufen verlaufende Verfahren direkt solarthermische Energie verwendet werden kann. The above-described method can advantageously ensure that no climate-affecting carbon dioxide has to be released during the production of titanium. Furthermore, it can advantageously be achieved that the titanium obtained is particularly pure. Furthermore, it was surprisingly possible to achieve that the method can be operated in such a way that the energy for the method is provided purely by solar energy. Compared to processes that can be operated indirectly via solar energy, such as electrolysis, the process can advantageously have a higher energy efficiency, since solar thermal energy can be used directly due to the process running in several stages.
Ebenso ermöglichen das Verfahren durch die Kombination der dargestellten Reaktionen das Betreiben bei Temperaturen von unter 1000°C. Hierdurch wird die Nutzung von Wärmespeichem etwa Salzschmelzen oder keramischen Speicherelementen und somit das Erreichen einer ökonomisch vorteilhaften kontinuierlichen Betriebsweise z.B. in den Nachstunden zugänglich. Unter einem Ausgansmaterial aufweisend Titandioxid ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Ausgangsmaterial zu verstehen, welches als einen Hauptbestandteil Titandioxid, also T1O2, aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass das Aüsgangsmaterial Titandioxid in einem Gemisch aufweist und/oder eine chemische Verbindung äufweist, die Titandioxid enthält. The combination of the reactions shown also enables the process to be operated at temperatures below 1000 ° C. This makes it possible to use heat accumulators, for example molten salt or ceramic storage elements, and thus to achieve an economically advantageous continuous mode of operation, for example in the late hours. In the context of the present invention, a starting material comprising titanium dioxide is to be understood as meaning a starting material which has titanium dioxide, that is to say T1O 2 , as a main component. This is to be understood as meaning that the starting material has titanium dioxide in a mixture and / or has a chemical compound which contains titanium dioxide.
Unter dem Begriff Ilmenit ist im Sinne der vorliegenden Erfindung das natürlich vorkommende Mineral mit der Summenformel FeTiO3 zu verstehen, welches formal im Wesentlichen aus Eisen(II)-oxid und Titandioxid bestehet. In the context of the present invention, the term ilmenite is to be understood as the naturally occurring mineral with the empirical formula FeTiO 3 , which formally consists essentially of iron (II) oxide and titanium dioxide.
Unter dem Begriff Chlorwasserstoffsäure ist im Sinne der vorliegenden Erfindung Salzsäure zu verstehen. Darunter ist eine wässrige Lösung von Chlorwasserstoff zu verstehen. Unter Chlorwasserstoff ist im Sinne der vorliegenden Erfindung die stöchiometrische Verbindung aus Chlor und Wasserstoff zu verstehen. For the purposes of the present invention, the term hydrochloric acid is to be understood as meaning hydrochloric acid. This is to be understood as an aqueous solution of hydrogen chloride. For the purposes of the present invention, hydrogen chloride is to be understood as meaning the stoichiometric compound of chlorine and hydrogen.
Ein vorbeschriebenes Verfahren dient somit insbesondere der thermochemischen Herstellung von Titan. A method described above is therefore used in particular for the thermochemical production of titanium.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Auflösen aus Verfahrensschritt b) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 40 °C bis kleiner oder gleich 120 °C durchgeführt wird. In one embodiment, it can be provided that the dissolving from method step b) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 40 ° C. to less than or equal to 120 ° C.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Fällen des Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids aus Verfahrensschritt c) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 5 °C bis kleiner oder gleich 20 °C durchgeführt wird. In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Trocknen des Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids aus Verfahrensschritt d) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 50 °C bis kleiner oder gleich 250 °C durchgeführt wird. In one embodiment it can be provided that the precipitation of the alkali metal titanium (IV) hexachloride from process step c) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 5 ° C. to less than or equal to 20 ° C. In one embodiment it can be provided that the drying of the alkali metal titanium (IV) hexachloride from process step d) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 50.degree. C. to less than or equal to 250.degree.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Erhitzen Alkalimetalltitan(IV)tetrachlorids aus Verfahrensschritt e) bei einer Temperatur einem Bereich von größer oder gleich 500 °C bis kleiner oder gleich 600 °C durchgeführt wird. In one embodiment it can be provided that the heating of alkali metal titanium (IV) tetrachloride from process step e) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 500 ° C. to less than or equal to 600 ° C.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids aus Verfahrensschritt g) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 50 °C bis kleiner oder gleich 400 °C durchgeführt wird. In one embodiment it can be provided that the reduction of the gaseous titanium tetrachloride from method step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 50.degree. C. to less than or equal to 400.degree.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Disproportionieren des Titantrichlorids aus Verfahrensschritt i) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 400 °C bis kleiner oder gleich 600 °C durchgeführt wird. In one embodiment, it can be provided that the disproportionation of the titanium trichloride from method step i) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 400.degree. C. to less than or equal to 600.degree.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Disproportionieren des Titantrichlorids oder des Titandichlorids aus Verfahrensschritt j) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 800 °C bis kleiner oder gleich 1900 °C durchgeführt wird. In one embodiment, it can be provided that the disproportionation of the titanium trichloride or the titanium dichloride from method step j) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 800 ° C. to less than or equal to 1900 ° C.
Im Detail umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zunächst ein Bereitstellen von gasförmigem Titantetrachlorid. Das Bereitstellen des gasförmigen Titantetrachlorids umfasst dabei zunächst Verfahrensschritt a), Bereitstellen eines Ausgangsmaterials aufweisend Titandioxid, insbesondere Bereitstellen von Titandioxid und/oder Ilmenit. In detail, a method according to the invention initially comprises providing gaseous titanium tetrachloride. The provision of the gaseous titanium tetrachloride initially comprises process step a), provision of a starting material comprising titanium dioxide, in particular provision of titanium dioxide and / or ilmenite.
Somit kann vorteilhafterweise als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren üblicherweise für die Titangewinnung verwendeter Rohstoff verwendet werden. Dadurch kann erreicht werden, dass das Ausgangsmaterial in großen Mengen beschaffbar ist. Danach folgt Verfahrensschritt b), Aufschluss des Ausgangsmaterials in Mineralsäure, vorzugsweise Chlorwasserstoffsäure, bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 25 °C bis kleiner oder gleich 135 °C unter Ausbildung einer Lösung, insbesondere einer wässrigen Lösung, aufweisend gelöstes Titan(IV). Thus, raw material usually used for the extraction of titanium can advantageously be used as the starting material for the process according to the invention. This means that the starting material can be procured in large quantities. This is followed by process step b), digestion of the starting material in mineral acid, preferably hydrochloric acid, at a temperature in a range from greater than or equal to 25 ° C to less than or equal to 135 ° C, forming a solution, in particular an aqueous solution, comprising dissolved titanium (IV ).
Durch den Aufschluss in Mineralsäure kann erreicht werden, dass das Titandioxid kostengünstig gelöst werden kann, da Mineralsäuren günstig und in großen Mengen zu erhalten sind und keine oder nur wenig Energiezufuhr nötig ist, da die Reaktion exotherm verläuft. The digestion in mineral acid makes it possible to dissolve the titanium dioxide inexpensively, since mineral acids can be obtained inexpensively and in large quantities and little or no energy input is necessary, since the reaction is exothermic.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Mineralsäure Chlorwasserstoffsäure ist. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass für die nachfolgenden Schritte bereits eine hohe Chloridionenkonzentration vorliegt. It can preferably be provided that the mineral acid is hydrochloric acid. As a result, it can advantageously be achieved that a high chloride ion concentration is already present for the subsequent steps.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Chlorwasserstoffsäure eine Konzentration von größer oder gleich 8 Gew.-% bis kleiner oder gleich 35 Gew.-% aufweist, besonders bevorzugt von größer oder gleich 15 Gew.-% bis kleiner oder gleich 35 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von größer oder gleich 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich 28 Gew.-%. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die Chlorwasserstoffsäure ausreichend reaktiv ist und zugleich gut gehandhabt werden kann. Ebenso besteht die Möglichkeit der einfachen Rezyklierung, da eine anfallende azeotrope Konzentration erneut an den Anfang des Prozesses zurückgeführt werden kann. It can preferably be provided that the hydrochloric acid has a concentration of greater than or equal to 8% by weight to less than or equal to 35% by weight, particularly preferably from greater than or equal to 15% by weight to less than or equal to 35% by weight , very particularly preferably from greater than or equal to 20% by weight to less than or equal to 28% by weight. In this way it can advantageously be achieved that the hydrochloric acid is sufficiently reactive and at the same time can be handled well. There is also the possibility of simple recycling, since any azeotropic concentration that occurs can be returned to the beginning of the process.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Menge der Reaktanden derart gewählt wird, dass die erhaltene Lösung Titan aufweist in einer Konzentration in einem Bereich von größer oder gleich 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich 15 Gew.-%, bevorzugt größer oder gleich 3,5 Gew.- % bis kleiner oder gleich 14 Gew.-%, besonders bevorzugt größer oder gleich 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich 7 Gew.-%. It can preferably be provided that the amount of the reactants is selected such that the solution obtained has titanium in a concentration in a range from greater than or equal to 2% by weight to less than or equal to 15% by weight, preferably greater than or equal to 3 , 5 wt. % to less than or equal to 14% by weight, particularly preferably greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 7% by weight.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Temperatur in Verfahrensschritt b) zu Beginn durch Zufuhr von Wärme erreicht wird. It can preferably be provided that the temperature in process step b) is reached at the beginning by supplying heat.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in Verfahrensschritt b) ein chloridhaltiges Salz, beispielsweise Calciumchlorid oder Magnesiumchlorid zugesetzt wird. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Ausgangsmaterial aufweisend Titandioxid möglichst vollständigen und effizient aufgelöst wird. It can preferably be provided that a chloride-containing salt, for example calcium chloride or magnesium chloride, is added in process step b). As a result, it can advantageously be achieved that the starting material comprising titanium dioxide is dissolved as completely and efficiently as possible.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Reaktion in Verfahrensschritt b) mechanisch durchmischt wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, wenn das Ausgangsmaterial eisenhaltig ist, beispielsweise Ilmenit, dass nach Verfahrensschritt b) das Eisen abgetrennt wird, wobei das Eisen optional oxidiert, reduziert oder gefällt wird, wobei das Eisen abgetrennt wird. Vorzugsweise durch Fällung, Flüssig-Flüssig-Extraktion insbesondere von III-wertigem Eisenchlorid und/oder Ionenaustausch von Eisen(II)chloride. It can preferably be provided that the reaction is mixed mechanically in process step b). If the starting material contains iron, for example ilmenite, the iron is separated off after process step b), the iron optionally being oxidized, reduced or precipitated, the iron being separated off. Preferably by precipitation, liquid-liquid extraction, in particular of III-valent iron chloride and / or ion exchange of iron (II) chlorides.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann Eisen(III)chlorid durch Flüssig-Flüssig-Extraktion bevorzugt mit Aminen, z.B Trioctylamin, abgetrennt werden. In a preferred embodiment, iron (III) chloride can be separated off by liquid-liquid extraction, preferably with amines, e.g. trioctylamine.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann im Falle von Ilmenit als Ausgangssubstanz die Abtrennung von Eisen(II)-Ionen an einem festen oder flüssigen Ionenentauscher erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Ionentauscher anschließend mit lodwasserstoffsäure regeneriert wird und das enthaltende Eisen im Weiteren als Eisen(II)iodid vorliegt welches getrocknet und durch Zufuhr von solarer Wärme bei 1200°C in elementares Eisen und loddampf zerlegt werden kann. In a particularly preferred embodiment, in the case of ilmenite as the starting substance, iron (II) ions can be separated off on a solid or liquid ion exchanger. It can be provided that the ion exchanger is then regenerated with hydriodic acid and the iron contained in the following as Iron (II) iodide is present, which can be dried and broken down into elemental iron and lodine vapor by supplying solar heat at 1200 ° C.
Die Rezyklierung des Iods und erneute Bereitstellung des Iodwasserstoffes erfolgt bevorzugt in einer wässrigen Disproportionierungsreaktion, zum Beispiel einer bekannten Bunsenreaktion. The recycling of the iodine and renewed provision of the hydrogen iodide is preferably carried out in an aqueous disproportionation reaction, for example a known Bunsen reaction.
In einer alternativen Ausgestaltung können die abgetrennten Fremdchloride pyrolytisch unter Wasserdampfzufuhr und Wärmeinbringung in Chlorwasserstoff und die entsprechende Metalloxide zersetzt werden. Diese können dann einer weiteren Verwendung zugeführt werden. In an alternative embodiment, the separated foreign chlorides can be pyrolytically decomposed into hydrogen chloride and the corresponding metal oxides by supplying steam and introducing heat. These can then be used for further purposes.
Nach Verfahrensschritt b) folgt in Verfahrensschritt c) ein Fällen eines Alkalimetalltitan(rV)hexachlorids aus der Lösung mit einem Alkalimetallchlorid unter Zufuhr von Chlorwasserstoffsäure oder Chlorwasserstoff bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich -15 °C bis kleiner oder gleich 30 °C, wobei das Alkalimetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Natrium und Kalium. Process step b) is followed in process step c) by precipitating an alkali metal titanium (rV) hexachloride from the solution with an alkali metal chloride with the addition of hydrochloric acid or hydrogen chloride at a temperature in a range from greater than or equal to -15 ° C to less than or equal to 30 ° C wherein the alkali metal is selected from the group consisting of lithium, sodium and potassium.
Dadurch kann erreicht werden, dass das Titan in Form des Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids einfach von der in Verfahrensschritt b) erhaltenen Lösung abgetrennt werden kann. Das Abtrennen kann dabei mit einem dem Fachmann bekannten verfahren erreicht werden. Beispielsweise kann das Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid durch Filtrieren, Dekantieren oder Zentrifugieren von der Lösung abgetrennt werden. Durch die geringe Temperatur kann erreicht werden, dass das Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids zu einem besonders hohen Anteil ausfallt. In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Zufuhr von Chlorwasserstoff unter Überdruck bei Wärmeabfuhr bei Umgebungstemperatur erfolgt. Dadurch kann eine möglichst vollständige Fällung bei Umgebungstemperatur erreicht werden. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Alkalimetall Kalium ist. Es konnte gezeigt werden, dass sich Kaliumchlorid besonders gut als Alkalimetallchlorid eignet, da es mit Titantetrachlorid unter Anwesenheit von Chlorwasserstoff Kaliumtitan(IV)hexachlorid bildet, welches sich vorteilhafterweise durch Ausfällung besonders gut von der Lösung abtrennen lässt. It can thereby be achieved that the titanium in the form of the alkali metal titanium (IV) hexachloride can easily be separated from the solution obtained in process step b). The separation can be achieved using a method known to the person skilled in the art. For example, the alkali metal titanium (IV) hexachloride can be separated from the solution by filtering, decanting or centrifuging. As a result of the low temperature, a particularly high proportion of the alkali metal titanium (IV) hexachloride can be achieved. In one embodiment it can be provided that the supply of hydrogen chloride takes place under excess pressure with heat dissipation at ambient temperature. As a result, as complete a precipitation as possible can be achieved at ambient temperature. It can preferably be provided that the alkali metal is potassium. It could be shown that potassium chloride is particularly suitable as an alkali metal chloride, since it forms potassium titanium (IV) hexachloride with titanium tetrachloride in the presence of hydrogen chloride, which can advantageously be separated from the solution by precipitation.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Alkalimetall Lithium Natrium oder Kalium ist, wenn die Lösung keine wässrige Lösung ist. Alternatively, it can be provided that the alkali metal is lithium, sodium or potassium, if the solution is not an aqueous solution.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Alkalimetallchlorid, insbesondere das Kaliumchlorid, in einer Menge hinzugefügt wird in einem Bereich von größer oder gleich 0.5%Gew.-% bis kleiner oder gleich 45 Gew.-%, besonders bevorzugt größer oder gleich 15 Gew.-% bis kleiner oder gleich 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässrigen Lösung aufweisend gelösten Chlorwasserstoff und gelöstes Titantetrachlorid. It can preferably be provided that the alkali metal chloride, in particular the potassium chloride, is added in an amount in a range from greater than or equal to 0.5% by weight to less than or equal to 45% by weight, particularly preferably greater than or equal to 15% by weight. % to less than or equal to 25% by weight, based on the total weight of the aqueous solution, comprising dissolved hydrogen chloride and dissolved titanium tetrachloride.
Die Zugabe kann schrittweise im Zuge eines kontinuierlichen Prozesses mit Fällung oder Chargenweise bevorzugt unter Rühren zur Umsetzung zu dem unlöslichen Hexachlorotitanat erfolgen. The addition can take place gradually in the course of a continuous process with precipitation or batchwise, preferably with stirring, for conversion to the insoluble hexachlorotitanate.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass nach Schritt b) eine Flüssig-Flüssig- Extraktion zur Aufreinigung des Titantetrachlorides erfolgt. Beispielsweise bietet sich in diesem Falle insbesondere die Verwendung von einem neutralen Extraktanden wie beispielsweise Tributylphospat mit Decanol gelöst in einem gesättigten C9-C17 Kohlenwasserstoff an. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Fällung des Hexochlorotitanates in Schritt c) direkt aus und durch Kontakt mit der organischen Phase erfolgen. Neben Wasser als Solvens kann hier auch ein wasserfreies, polares Lösungsmitel Verwendung finden. In one embodiment it can be provided that after step b) a liquid-liquid extraction takes place to purify the titanium tetrachloride. For example, in this case the use of a neutral extractant such as tributyl phosphate with decanol dissolved in a saturated C9-C17 hydrocarbon is particularly advisable. In a preferred embodiment, the hexochlorotitanate can be precipitated in step c) directly from and through contact with the organic phase respectively. In addition to water as the solvent, an anhydrous, polar solvent can also be used here.
Nach erfolgter Abtrennung des Titanchlorids in Verfahrensschrit c) kann die verbleibende Lösung wiederum zu Schritt b) zur erneuten Auflösung geführt werden, After the titanium chloride has been separated off in process step c), the remaining solution can again be passed to step b) for renewed dissolution,
In Verfahrensschrit d) folgt ein optionales Trocknen des Alkalimetalltitan(rV)hexachlorids mit Chlorwasserstoff bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 30 °C bis kleiner oder gleich 250 °C. In process step d), the alkali metal titanium (rV) hexachloride is optionally dried with hydrogen chloride at a temperature in a range from greater than or equal to 30 ° C. to less than or equal to 250 ° C.
Dadurch kann erreicht werden, dass das Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid getrocknet wird, ohne wieder zu Titandioxid zu reagieren. Ferner nimmt der Chlorwasserstoff schnell Wasser oder Lösungsmittel auf und erwärmt dabei das Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid zusätzlich. This means that the alkali metal titanium (IV) hexachloride is dried without reacting again to form titanium dioxide. Furthermore, the hydrogen chloride quickly absorbs water or solvent and additionally heats the alkali metal titanium (IV) hexachloride.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Chlorwasserstoff in Verfahrensschritt d) als gesättigte Lösung in einem wasserfreiem Lösungsmittel oder als Chlorwasserstoffatmosphäre bereitgestellt wird. It can preferably be provided that the hydrogen chloride is provided in process step d) as a saturated solution in an anhydrous solvent or as a hydrogen chloride atmosphere.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Chlorwasserstoff in Verfahrensschrit d) Wasserfrei ist. Dadurch kann eine besonders effiziente Trocknung erreicht werden. It can preferably be provided that the hydrogen chloride in process step d) is anhydrous. This enables particularly efficient drying to be achieved.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Chlorwasserstoff aus Verfahrensschrit d) nach Verfahrensschritt d) regeneriert und/oder getrocknet wird, wobei die Regeneration und Trocknung vorzugsweise durch solarthermisch regeneriertes Calciumchlorid, konzentrierte Schwefel- oder Phosphorsäure erfolgt. It can preferably be provided that the hydrogen chloride from process step d) is regenerated and / or dried after process step d), the regeneration and drying preferably being carried out using solar-thermally regenerated calcium chloride, concentrated sulfuric or phosphoric acid.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Chlorwasserstoff in Verfahrensschritt d) im Gegenstrom zum Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid zugeführt wird. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das AlkaIimetalltitan(IV)hexachlorid besonders schnell getrocknet wird und nach dem trocknen einen besonders geringen Wasseranteil aufweist. It can preferably be provided that the hydrogen chloride is fed in in process step d) in countercurrent to the alkali metal titanium (IV) hexachloride. This can advantageously be achieved that the alkali metal titanium (IV) hexachloride particularly is dried quickly and has a particularly low water content after drying.
Es schließt sich Verfahrensschritt e) an, welcher ein Erhitzen desThis is followed by process step e), which involves heating the
Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 340 °C bis kleiner oder gleich 700 °C unter Ausbildung von festem Alkalimetallchlorid und gasförmigem Titantetrachlorid umfasst. Alkali metal titanium (IV) hexachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 340 ° C. to less than or equal to 700 ° C. with the formation of solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride.
Vorteilhafterweise kann durch das vorbeschriebene Bereitstellen von gasförmigem Titantetrachlorid erreicht werden, dass im Vergleich zur üblicherweise verwendeten Carbochlorierung weniger bzw. keine gesundheitsschädlichen Chlorkohlenwasserstoffe gebildet werden und kein Kohlenstoffdioxid anfällt. By providing gaseous titanium tetrachloride as described above, it can advantageously be achieved that, compared to the commonly used carbochlorination, fewer or no harmful chlorinated hydrocarbons are formed and no carbon dioxide is produced.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das gasförmige Titantetrachlorid zwischen Verfahrensschritt e) und f) mit bekannten Verfahren gereinigt wird. In one embodiment, it can be provided that the gaseous titanium tetrachloride is purified using known processes between process steps e) and f).
Durch die vorbeschriebenen Schritte wird gasförmiges Titantetrachlorid bereitgestellt. Im nächsten Verfahrensschritt folgt eine Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids zu Titantrichlorid. The steps described above provide gaseous titanium tetrachloride. In the next process step, the gaseous titanium tetrachloride is reduced to titanium trichloride.
Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass eine anschließende Disproportionierung ermöglicht wird. As a result, it can advantageously be achieved that a subsequent disproportionation is made possible.
Es wird zunächst in Verfahrensschritt f) ein Reduktionsmittel bereitgestellt, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffgas und Übergangsmetallchlorid, wobei das Übergangsmetallchlorid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Vanadium(II)chlorid, Eisen(II)chlorid, Chrom(II)chorid, Cobalt(II)chlorid, Nickel(II)chlorid, Kupfer(I)chlorid, Antimon(II)chlorid, Zinn(II)chlorid, und Mischungen davon, wobei das Übergangsmetallchlorid bevorzugt Vanadium(II)chlorid ist. A reducing agent is first provided in process step f), preferably selected from the group consisting of hydrogen gas and transition metal chloride, the transition metal chloride being selected from the group consisting of vanadium (II) chloride, iron (II) chloride, chromium (II) chloride, Cobalt (II) chloride, nickel (II) chloride, Copper (I) chloride, antimony (II) chloride, tin (II) chloride, and mixtures thereof, the transition metal chloride being preferably vanadium (II) chloride.
Anschließend folgt in Verfahrensschritt g) die Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids mit dem Reduktionsmittel unter Abgabe von Chlor zu Titantrichlorid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 20 °C bis kleiner oder gleich 440 °C, wobei das Reduktionsmittel unter Aufnahme von Chlor oxidiert wird. This is followed in process step g) the reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent with the release of chlorine to titanium trichloride at a temperature in a range from greater than or equal to 20 ° C. to less than or equal to 440 ° C., the reducing agent being oxidized with the absorption of chlorine .
Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die Reaktion kontrolliert ablaufen kann und während der Umsetzung zu Titantrichlorid kein Chlorgas freigesetzt wird. Somit ist die Reaktion besonders gut umsetzbar. Ferner kann durch das entsprechend gewählte Reduktionsmittel erreicht werden, dass bei besonders milden Temperaturen gearbeitet werden kann. In this way it can advantageously be achieved that the reaction can proceed in a controlled manner and that no chlorine gas is released during the conversion to titanium trichloride. The reaction can thus be implemented particularly well. Furthermore, the correspondingly selected reducing agent makes it possible to work at particularly mild temperatures.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt g) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 135 °C bis kleiner oder gleich 250 °C durchgeführt wird, bevorzugt von größer oder gleich 200 °C bis kleiner oder gleich 250 °C. It can particularly preferably be provided that process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 135.degree. C. to less than or equal to 250.degree. C., preferably from greater than or equal to 200.degree. C. to less than or equal to 250.degree.
Das Titantrichlorid kann als Feststoff dabei vorteilhafterweise von dem oxidierten Reduktionsmittel mit . bekannten Verfahren, beispielweise durch Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte abgetrennt werden. The titanium trichloride can advantageously be part of the oxidized reducing agent as a solid . known methods, for example, can be separated by utilizing the different density.
In Verfahrensschritt h) wird das in Verfahrensschritt g) erhaltene oxidierte Reduktionsmittel durch Reduktion in einem vorzugsweise solarthermisch betriebenen Kreisprozess unter Entstehung von Chlorgas und im Weiteren Sauerstoff rezykliert und das rezyklierte Reduktionsmittel als Reduktionsmittel in Verfahrensschritt f) wieder bereitgestellt. In method step h), the oxidized reducing agent obtained in method step g) is recycled by reduction in a preferably solar-thermally operated cycle with the formation of chlorine gas and then oxygen and the recycled reducing agent is provided again as a reducing agent in method step f).
Die Erfindung sieht diese Reduktion insbesondere durch einen thermochemisch betriebene Reaktionsabfolge vor. Als vorzugsweise Ausgestaltung wird das erhaltene Chlor mit Wasser oder Wasserdampf in einer umgekehrten Reaktion nach Deacon zu Sauerstoff und Chlorwasserstoff umgesetzt. Wobei der Chlorwasserstoff idealerweise wieder in die Verfahrensschritte b), c) und d) eingebracht werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Kreislauf erhalten werden, wodurch nahezu kein Verbrauch an der zur Reduktion notwendigen Substanz besteht. Zudem kann erreicht werden, das entstehende und aufgenommene Wärme ausgetauscht werden kann. The invention provides for this reduction in particular by means of a thermochemically operated reaction sequence. As a preferred embodiment, the chlorine obtained is mixed with water or water vapor is converted into oxygen and hydrogen chloride in a reverse reaction according to Deacon. The hydrogen chloride can ideally be reintroduced into process steps b), c) and d). As a result, a cycle can advantageously be obtained, as a result of which there is almost no consumption of the substance necessary for reduction. In addition, it can be achieved that the heat generated and absorbed can be exchanged.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Reduktion in Verfahrensschritt g) katalysiert wird, besonders bevorzugt durch Einwirkung UV-Haltiger Strahlung oder einem Katalysator. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die UV-haltige Strahlung aus Sonnenlicht erhalten wurde, beispielsweise durch Abtrennung mit Lichtfiltem, optische Umlenkung und Eispeisung in den Reaktor Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass schon bei geringen Temperaturen von beispielsweise 25°C und entsprechendem TiCl4 Dampfdruck und 2 bar Wasserstoffpartialdruck unter einfachem Sonnenlicht die bei geringen Temperaturen begünstigte Gleichgewichtslage in Richtung TiCl3 unter Quarzglas in wenigen Minuten erreicht wird. It can preferably be provided that the reduction in process step g) is catalyzed, particularly preferably by the action of UV-containing radiation or a catalyst. Preferably, it can be provided that the UV-containing radiation obtained from sunlight, for example by separation with Lichtfiltem, optical redirection and Eispeisung in the reactor can thereby advantageously be achieved that even at low temperatures of for example 25 ° C and corresponding TiCl 4 vapor pressure and 2 bar hydrogen partial pressure under simple sunlight, the equilibrium position favored at low temperatures in the direction of TiCl 3 under quartz glass is reached in a few minutes.
Bevorzugt erfolgt die Durchführung der Reduktion in Verfahrensschritt g) bei Temperaturen in einem Bereich von größer oder gleich 120 bis kleiner oder gleich 200°C, und erhöhtem Partialdruck von Wasserstoff und bevorzugt auch leicht erhöhtem Druck von Titantetrachlorid. Wobei im Weiteren das erhaltende Titantrichlorid in fester Form abgeschieden wird und durch entsprechende mechanische Vorrichtung gesammelt und dem Reaktionsraum entzogen werden kann. Alternativ kann eine zyklische Spülung mit flüssigem Titantetrachlorid erfolgen und so das Titantrichlorid aus dem Reaktionsraum verbracht werden, um den weiteren Zutritt der UV-Strahlung zu ermöglichen. Aus dem Flüssigen Titantertachlorid kann dann das Trichlorid beispielsweise durch Filtration abgetrennt werden. The reduction in process step g) is preferably carried out at temperatures in a range from greater than or equal to 120 to less than or equal to 200 ° C., and with an increased partial pressure of hydrogen and preferably also a slightly increased pressure of titanium tetrachloride. In addition, the titanium trichloride obtained is deposited in solid form and can be collected by a suitable mechanical device and removed from the reaction space. Alternatively, cyclic rinsing with liquid titanium tetrachloride can take place and the titanium trichloride is removed from the reaction chamber to allow further entry of the UV radiation. The trichloride can then be separated off from the liquid titanium tachloride, for example by filtration.
Jeweils gebildetes Chlorwasserstoffgas kann in einer Ausgestaltung durch entsprechende, bevorzugt durch wasserfreie Absorber gebunden und aus dem Reaktor entfernt werden, wobei der unverbrauchte Wasserstoff erneut zurückgeführt wird und im Weiteren durch neuen, thermochemisch bereitgestelltem Wasserstoff ergänzt wird. In one embodiment, hydrogen chloride gas formed in each case can be bound by appropriate, preferably anhydrous, absorbers and removed from the reactor, the unused hydrogen being returned again and subsequently being supplemented by new, thermochemically provided hydrogen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Reaktion in der Gasphase unter stark gebündelter UV-Strahlung ablaufen, wobei bevorzugt eine gezielte Wasserstoffgaszufuhr entlang eines Quarzglasfensters, durch das ein Strahlungseintritt erfolgt einen Niederschlag und Trübung durch Titantrichlorid verhindert. In a preferred embodiment, the reaction can take place in the gas phase under strongly bundled UV radiation, a targeted supply of hydrogen gas along a quartz glass window, through which the radiation enters, preventing precipitation and clouding due to titanium trichloride.
Im Ergebnis wird durch die vorbeschriebenen Verfahrensschritte das gasförmige Titantetrachlorid zu Titantrichlorid reduziert. Im nächsten Verfahrensschritt folgt die Disproportionierung des Titantri Chlorids zu Titan und Titantetrachlorid. As a result, the process steps described above reduce the gaseous titanium tetrachloride to titanium trichloride. The next step is the disproportionation of the titanium trichloride to titanium and titanium tetrachloride.
Optional kann in Verfahrensschritt i) das Titantrichlorids zu Titantetrachlorid und Titandichlorid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 400 °C bis kleiner oder gleich 780 °C disproportioniert werden, bevorzugt von größer oder gleich 430 °C bis kleiner oder gleich 600 °C. Optionally, in process step i), the titanium trichloride can be disproportionated to titanium tetrachloride and titanium dichloride at a temperature in a range from greater than or equal to 400 ° C. to less than or equal to 780 ° C., preferably from greater than or equal to 430 ° C. to less than or equal to 600 ° C. .
Dadurch kann erreicht werden, dass in dem folgenden Schritt eine geringere Stoffinenge Titantetrachlorid pro gewonnener Stoffmenge Titan entsteht. Somit kann in dem folgenden Schritt das Verfahren einfacher kontrolliert werden und die Abtrennung des Titans wird erleichtert. Optional kann auf den Verfahrensschritt i) auch verzichtet werden. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Verfahrensschritt eingespart werden, wodurch Kosten gesenkt werden können. Es wird in Verfahrensschritt j) das Titantrichlorid oder das Titandichlorid zu Titan und Titantetrachlorid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 580 °C bis kleiner oder gleich 1900 °C disproportioniert. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass der Energiebedarf zur Herstellung des Titans besonders gering ist, weil die Disproportionierung aus Titantrichlorid energetisch von Vorteil ist. Weiterhin kann dadurch erreicht werden, dass das Titan anschließend besonders einfach abgetrennt werden kann, da das Titantetrachlorid flüchtig ist und einfach entfernt werden kann. It can thereby be achieved that in the following step a lower amount of titanium tetrachloride is produced per amount of titanium obtained. The process can thus be controlled more easily in the following step and the separation of the titanium is facilitated. Process step i) can optionally also be dispensed with. As a result, one method step can advantageously be saved, as a result of which costs can be reduced. In process step j), the titanium trichloride or the titanium dichloride is disproportionated to titanium and titanium tetrachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 580 ° C. to less than or equal to 1900 ° C. As a result, it can advantageously be achieved that the energy requirement for the production of the titanium is particularly low, because the disproportionation from titanium trichloride is energetically advantageous. Furthermore, it can be achieved in this way that the titanium can then be separated off particularly easily, since the titanium tetrachloride is volatile and can be easily removed.
Das in Verfahrensschritt j) und optional i) erhaltene Titantetrachlorid wird in Verfahrensschritt g) als Titantetrachlorid bereitgestellt. The titanium tetrachloride obtained in process step j) and optionally i) is provided as titanium tetrachloride in process step g).
Im Rahmen der Disproportionierung in Schritt j) und i) können sich in Spuren mit verflüchtigte Titandi- und/oder Titantrichloride im Rahmen der Abführung des Titantetrachlorides aus dem Reaktionsbereiches an leicht kälteren Stelle, etwa an der Oberfläche des Wärmetauschers, abscheiden. Diese können vorzugsweise mechanisch beispielweise durch Vibration oder mechanische Schieber gelöst und in den Reaktor zurückgeführt werden. Dadurch kann vorteilhafter erreicht werden, dass möglichst kein Titan verloren geht. As part of the disproportionation in steps j) and i), traces of volatilized titanium and / or titanium trichlorides can be deposited at a slightly colder point, for example on the surface of the heat exchanger, as part of the removal of the titanium tetrachloride from the reaction area. These can preferably be released mechanically, for example by vibration or mechanical slides, and fed back into the reactor. As a result, it can be achieved more advantageously that as little titanium as possible is lost.
Zuletzt erfolgt ein Abtrennen des erhaltenen Titans. Finally, the titanium obtained is separated off.
Das Abtrennen des Titans kann bevorzugt nach einem dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt werden. Somit beschreibt das Verfahren die thermochemische Herstellung von Titan. The removal of the titanium can preferably be carried out by a method known to the person skilled in the art. The process thus describes the thermochemical production of titanium.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Reduktionsmittel aus Verfahrensschritt f) Wasserstoffgas ist und die Reduktion aus Verfahrensschritt g) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 20 °C bis kleiner oder gleich 350 °C durchgeführt wird, bevorzugt von größer oder gleich 130 °C bis kleiner oder gleich 240 °C, beispielsweise bei 180 °C, wobei das Wasserstoffgas unter Aufnahme von Chlor zu Chlorwasserstoff oxidiert wird, wobei in Verfahrensschritt h) der Chlorwasserstoff mit Vanadium(II)chlorid unter Bildung von Vanadium(III)chlorid zu Wasserstoffgas reduziert wird bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 60 °C bis kleiner oder gleich 390 °C, bevorzugt von größer oder gleich 160 °C bis kleiner oder gleich 280 °C, beispielsweise 200 °C, wobei das Wasserstoffgas wieder als Reduktionsmittel in Verfahrensschritt f) eingesetzt wird, und wobei das Vanadium(III)chlorid unter Entstehung von Chlorgas durch Erhitzen bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 460 °C bis kleiner oder gleich 700 °C, bevorzugt von größer oder gleich 560 °C bis kleiner oder gleich 580 °C, beispielsweise 570 °C, zu Vanadium(II)chlorid rezykliert wird. Hierbei wird auf dem Weg zur Zersetzung zu Chlorgas je nach Reaktionsbedingung als Zwischenprodukt Vandium(IV)chlorid anfallen. In a preferred embodiment, it can be provided that the reducing agent from process step f) is hydrogen gas and the reduction from process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 20 ° C. to less than or equal to 350 ° C., preferably greater than or equal to 350 ° C. or equal to 130.degree. C. to less than or equal to 240.degree. C., for example at 180.degree. C., the hydrogen gas being oxidized to hydrogen chloride with the absorption of chlorine, with the hydrogen chloride being mixed with vanadium (II) chloride with the formation of vanadium (III ) chloride is reduced to hydrogen gas at a temperature in a range from greater than or equal to 60 ° C to less than or equal to 390 ° C, preferably from greater than or equal to 160 ° C to less than or equal to 280 ° C, for example 200 ° C, where the Hydrogen gas is used again as reducing agent in process step f), and the vanadium (III) chloride is formed with the formation of chlorine gas by heating at a temp temperature in a range from greater than or equal to 460 ° C. to less than or equal to 700 ° C., preferably from greater than or equal to 560 ° C. to less than or equal to 580 ° C., for example 570 ° C., is recycled to vanadium (II) chloride. Depending on the reaction conditions, vanadium (IV) chloride is produced as an intermediate product on the way to decomposition to chlorine gas.
Mit Wasserstoffgas als Reduktionsmittel kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Reduktion aus Verfahrensschritt g) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 150 °C bis kleiner oder gleich 250 °C durchgeführt wird, bevorzugt von größer oder gleich 190 °C bis kleiner oder gleich 210 °C, beispielsweise bei 200 °C. With hydrogen gas as the reducing agent, it can be provided in one embodiment that the reduction from method step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 150 ° C. to less than or equal to 250 ° C., preferably from greater than or equal to 190 ° C. less than or equal to 210 ° C, for example at 200 ° C.
Mit Wasserstoffgas als Reduktionsmittel kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt h) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 250 °C bis kleiner oder gleich 390 °C, bevorzugt von größer oder gleich 300 °C bis kleiner oder gleich 340 °C, beispielsweise 320 °C, durchgeführt wird. Mit Wasserstoffgas als Reduktionsmittel kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Vanadium(III)chlorid unter Entstehung von Chlorgas durch Erhitzen bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 520 °C bis kleiner oder gleich 620 °C, bevorzugt von größer oder gleich 560 °G bis kleiner oder gleich 580 °C, beispielsweise 570 °C, zu Vanadium(II)chlorid rezykliert wird. With hydrogen gas as the reducing agent, it can be provided in one embodiment that method step h) at a temperature in a range from greater than or equal to 250 ° C. to less than or equal to 390 ° C., preferably from greater than or equal to 300 ° C. to less than or equal to 340 ° C, for example 320 ° C, is carried out. With hydrogen gas as the reducing agent, it can be provided in one embodiment that the vanadium (III) chloride is formed with the formation of chlorine gas by heating at a temperature in a range from greater than or equal to 520 ° C. to less than or equal to 620 ° C., preferably greater than or equal to 560 ° G to less than or equal to 580 ° C, for example 570 ° C, is recycled to vanadium (II) chloride.
Durch die Verwendung von Wasserstoffgas als Reduktionsmittel kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Titantetrachlorid reduziert wird, ohne Verunreinigungen einzubringen, da der entstehende Chlorwasserstoff besonders effektiv wieder abgetrennt werden kann. Somit wird die darauffolgende Prozessführung erleichtert und es kann besonders reines Titan erhalten werden. By using hydrogen gas as the reducing agent, it can advantageously be achieved that the titanium tetrachloride is reduced without introducing impurities, since the hydrogen chloride formed can be separated off again particularly effectively. The subsequent process management is thus facilitated and particularly pure titanium can be obtained.
In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Wasserstoffgas durch thermische, vorzugsweise solarthermisch durchgeführte Zersetzung von Wasser mit Hilfe von zyklisch erhitzten Mischoxiden beispielsweise Ceriumoxid oder den Schwefel Iod Zyklus erhalten wurde. In diesem Falle würde der Chlorwasserstoff aus Verfahrensschritt g) zu Verfahrensschritt b) und c) zurückgeführt. In an alternative embodiment, it can be provided that the hydrogen gas was obtained by thermal, preferably solar-thermal, decomposition of water with the aid of cyclically heated mixed oxides, for example cerium oxide or the sulfur iodine cycle. In this case, the hydrogen chloride from process step g) would be returned to process step b) and c).
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Reduktionsmittel aus Verfahrensschritt f) Wasserstoffgas ist und die Reduktion aus Verfahrensschritt g) mit einem Wasserstoffpartialdruck in einem Bereich von größer oder gleich 1 bar bis kleiner oder gleich 20 bar, beispielsweise 4 bar, bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 20 °C bis kleiner oder gleich 250 °C, vorzugsweise kleiner oder gleich 160°C, unter Einwirkung von UV-Strahlung durchgeführt wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Rezyklieren des Vanadium(III)chlorids unter Entstehung von Chlorgas separat zur Bereitstellung vom Reduktionsmittel erfolgt. Dabei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Bereitstellung vom Reduktionsmittel über zwei separate Vorrichtungen erfolgt, wobei über die eine Vorrichtung die Bereitstellung erfolgt, während in der anderen Vorrichtung das Vanadium(III)chlorid unter Entstehung von Chlorgas rezykliert wird, und umgekehrt. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass kontinuierlich Reduktionsmittel in Verfahrensschritt f) bereitgestellt werden kann. It can preferably be provided that the reducing agent from process step f) is hydrogen gas and the reduction from process step g) with a hydrogen partial pressure in a range from greater than or equal to 1 bar to less than or equal to 20 bar, for example 4 bar, at a temperature in one range from greater than or equal to 20 ° C. to less than or equal to 250 ° C., preferably less than or equal to 160 ° C., is carried out under the action of UV radiation. Provision can preferably be made for the vanadium (III) chloride to be recycled with the formation of chlorine gas separately for the provision of the reducing agent. It can preferably be provided that the reducing agent is provided via two separate devices, one device being used for the provision while in the other device, the vanadium (III) chloride is recycled with the formation of chlorine gas, and vice versa. As a result, it can advantageously be achieved that reducing agent can be continuously provided in method step f).
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Reduktionsmittel aus Verfahrensschritt f) Vanadium(II)chlorid ist und die Reduktion aus Verfahrensschritt g) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 80 °C bis kleiner oder gleich 420 °C durchgeführt wird, bevorzugt von größer oder gleich 240 °C bis kleiner oder gleich 360 °C, beispielsweise bei 320 °C, wobei das Vanadium(II)chlorid unter Aufnahme von Chlor zu Vanadium(III)chlorid oxidiert wird, wobei in Verfahrensschritt h) der das Vanadium(III)chlorid unter Bildung von Chlorgas zu Vanadium(II)chlorid reduziert wird bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 460 °C bis kleiner oder gleich 800 °C, bevorzugt von größer oder gleich 590 °C bis kleiner oder gleich 660 °C, beispielsweise 620 °C, wobei das Vanadium(II)chlorid bevorzugt als das Reduktionsmittel in Verfahrensschritt f) bereitgestellt wird. In an alternative preferred embodiment, it can be provided that the reducing agent from process step f) is vanadium (II) chloride and the reduction from process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 80 ° C to less than or equal to 420 ° C is, preferably from greater than or equal to 240 ° C. to less than or equal to 360 ° C., for example at 320 ° C., the vanadium (II) chloride being oxidized to vanadium (III) chloride with uptake of chlorine, in process step h) the the vanadium (III) chloride is reduced to vanadium (II) chloride with the formation of chlorine gas at a temperature in a range from greater than or equal to 460 ° C. to less than or equal to 800 ° C., preferably from greater than or equal to 590 ° C. to less than or equal to 660 ° C., for example 620 ° C., the vanadium (II) chloride preferably being provided as the reducing agent in process step f).
Dadurch kann vorteilhafterweise eine besonders einfache Prozessführung erreicht werden, da das Reduktionsmittel kontinuierlich rezykliert werden kann. In this way, a particularly simple process control can advantageously be achieved, since the reducing agent can be recycled continuously.
Mit Vanadium(II)chlorid als Reduktionsmittel kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt g) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 80 °C bis kleiner oder gleich 120 °C durchgeführt wird, bevorzugt von größer oder gleich 95 °C bis kleiner oder gleich 105 °C, beispielsweise bei 100 °C. With vanadium (II) chloride as reducing agent, it can be provided in one embodiment that process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 80 ° C. to less than or equal to 120 ° C., preferably greater than or equal to 95 ° C. to less than or equal to 105 ° C, for example at 100 ° C.
Mit Vanadium(II)chIorid als Reduktionsmittel kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt h) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 520 °C bis kleiner oder gleich 620 °C, bevorzugt von größer oder gleich 560 °C bis kleiner oder gleich 580 °C, beispielsweise 570 °C, durchgeführt wird. With vanadium (II) chloride as the reducing agent, it can be provided in one embodiment that method step h) at a temperature in a range of greater than or equal to 520 C. to less than or equal to 620.degree. C., preferably from greater than or equal to 560.degree. C. to less than or equal to 580.degree. C., for example 570.degree.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Vanadium(III)chlorid und das Vanadium(II)chlorid als Natriumdoppelsalz vorliegt. Dadurch kann eine bessere Zersetzungseigenschaft erhalten werden. It can preferably be provided that the vanadium (III) chloride and the vanadium (II) chloride are present as sodium double salt. Thereby, a better decomposition property can be obtained.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Vanadium(II)chlorid in Verfahrensschritt g) im Gegenstrom zum Titantetrachlorid gefahren wird. Dadurch kann eine besonders hoher Umsatz der Reduktion des Titantetrachlorids erreicht werden. It can preferably be provided that the vanadium (II) chloride is run in process step g) in countercurrent to the titanium tetrachloride. This enables a particularly high conversion of the reduction in titanium tetrachloride to be achieved.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Chlorgas aus Verfahrensschritt h) in einem umgekehrten Deacon- Verfahren mit Wasser zu Chlorwasserstoff und Sauerstoff umgesetzt wird, wobei der erhaltene Chlorwasserstoff vorzugsweise als die Chlorwasserstoffsäure in Verfahrensschritt b) bereitgestellt wird. It can preferably be provided that the chlorine gas from process step h) is reacted with water in a reverse Deacon process to form hydrogen chloride and oxygen, the hydrogen chloride obtained preferably being provided as the hydrochloric acid in process step b).
Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Chlorgas nicht aufwändig entsorgt, transportiert oder gespeichert werden muss. Zudem kann dadurch erreicht werden, dass der Verbrauch an Chlorwasserstoffsäure des Gesamtprozesses reduziert wird. Die Verwendung als Chlorwasserstoffsäure ist besonders bevorzugt, wenn der in dem umgekehrten Deacon- Verfahren wässriger Chlorwasserstoff erhalten wird. In this way, it can advantageously be achieved that the chlorine gas does not have to be disposed of, transported or stored in a complex manner. What can also be achieved in this way is that the consumption of hydrochloric acid in the overall process is reduced. The use as hydrochloric acid is particularly preferred when the aqueous hydrogen chloride is obtained in the reverse Deacon process.
Alternativ oder zusätzlich kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der erhaltene Chlorwasserstoff in Verfahrensschritt c) und/oder d) als Chlorwasserstoff verwendet wird. Diese Verwendung ist besonders bevorzugt, wenn in dem umgekehrten Deacon- Verfahren im Wesentlichen wasserfreies Chlorwasserstoffgas erhalten wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das umgekehrte Deacon- Verfahren in wässriger Umgebung mit einem Katalysator, vorzugsweise einem Übergangsmetallkatalysätor, insbesondere Nickel öder Cobaltkatalysator, bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 45 °C bis kleiner oder gleich 70 °C, beispielsweise bei 60 °C, unter Anwesenheit eines Chlorwasserstoffsäure bindenden Materiales, beispielsweise Magnesiumoxid, durchgeführt wird, wobei beispielsweise Magnesiumchlorid und Sauerstoff entsteht. Bevorzugt wird in einem anschließenden Schritt das entstandene Magnesiumchlorid mit Wasser zu Chlorwasserstoff und Magnesiumoxid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 450 °C bis kleiner oder gleich 550 °C zersetzt. Alternatively or additionally, it can preferably be provided that the hydrogen chloride obtained is used as hydrogen chloride in process step c) and / or d). This use is particularly preferred when essentially anhydrous hydrogen chloride gas is obtained in the reverse Deacon process. In a preferred embodiment, it can be provided that the reverse Deacon process in an aqueous environment with a catalyst, preferably a transition metal catalyst, in particular nickel or cobalt catalyst, at a temperature in a range from greater than or equal to 45 ° C to less than or equal to 70 ° C , for example at 60 ° C, in the presence of a hydrochloric acid-binding material, for example magnesium oxide, is carried out, for example magnesium chloride and oxygen being formed. In a subsequent step, the magnesium chloride formed is preferably decomposed with water to form hydrogen chloride and magnesium oxide at a temperature in a range from greater than or equal to 450.degree. C. to less than or equal to 550.degree.
Alternativ zu Magnesiumchlorid ist auch eine Abtrennung des erhaltenen gelösten Chlorwasserstoffes mittels bekannten Flüssig-Flüssig-Extraktionssystemen für Chlorwasserstoff bei geringen Temperaturen eine energetisch vorteilhafte Ausgestaltung. As an alternative to magnesium chloride, separation of the dissolved hydrogen chloride obtained by means of known liquid-liquid extraction systems for hydrogen chloride at low temperatures is an energetically advantageous embodiment.
In einer weiteren Ausgestaltung kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das umgekehrte Deacon-Verfahren in wässriger Umgebung mit solarer Strahlung katalysiert wird. In a further embodiment, it can preferably be provided that the reverse Deacon process is catalyzed in an aqueous environment with solar radiation.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das umgekehrte Deacon-Verfahren in nicht wässriger Umgebung bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 550 °C bis kleiner oder gleich 650 °C, beispielsweise 600 °C, durchgeführt wird, wobei aus Chlor und Wasser Chlorwasserstoff und Sauerstoff entsteht, wobei der Chlorwasserstoff als Chlorwasserstoffsäure vorliegt und hierbei bevorzugt ein Katalysator die Umsetzungsreaktion optimiert In an alternative preferred embodiment, it can be provided that the reverse Deacon process is carried out in a non-aqueous environment at a temperature in a range from greater than or equal to 550 ° C. to less than or equal to 650 ° C., for example 600 ° C., with off Chlorine and water Hydrogen chloride and oxygen are formed, the hydrogen chloride being present as hydrochloric acid and a catalyst preferably optimizing the conversion reaction
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in Verfahrensschritt j) das Titantrichlorid oder das Titandichlorid in eine Salzschmelze eingeleitet wird und in der Salzschmelze disproportioniert wird, wobei die Salzschmelze eine Schmelze aus Magnesiumchlorid, Calciumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumchlorid oder Mischungen davon ist. It can preferably be provided that in process step j) the titanium trichloride or the titanium dichloride is introduced into a molten salt and into the molten salt is disproportionated, the molten salt being a melt of magnesium chloride, calcium chloride, potassium chloride, sodium chloride or mixtures thereof.
Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Titantrichlorid oder das Titandichlorid gezielt disproportioniert. Zudem kann erreicht werden, dass das Titantetrachlorid besonders einfach und schnell abgetrennt werden kann, da es in der Salzschmelze nur eine geringe Löslichkeit aufweist und rasch ausgast. Somit kann das Reaktionsgleichgewicht vorteilhafterweise weiter auf die Produktseite verschoben werden und der Ort der Abscheidung besser kontrolliert werden. In this way it can advantageously be achieved that the titanium trichloride or the titanium dichloride is disproportionated in a targeted manner. In addition, it can be achieved that the titanium tetrachloride can be separated off particularly easily and quickly, since it has only a low solubility in the molten salt and outgasses quickly. Thus, the reaction equilibrium can advantageously be shifted further to the product side and the location of the deposition can be better controlled.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass ein Metallelement, bevorzugt ein Metallelement mit Titanoberfläche, insbesondere ein Titanelement, in die Salzschmelze hineinragt. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Salzschmelze über das Metallelement erhitzt wird. Zudem kann vorgesehen sein, dass sich das Titan an dem erwärmten Titanelement anlagert. Das Titanelement kann entsprechend anwachsen und als Halbzeug zur Weiterverarbeitung entnommen werden. It can preferably be provided that a metal element, preferably a metal element with a titanium surface, in particular a titanium element, protrudes into the molten salt. It can advantageously be provided that the molten salt is heated via the metal element. In addition, it can be provided that the titanium is deposited on the heated titanium element. The titanium element can grow accordingly and be removed as a semi-finished product for further processing.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Metallelement beweglich im Reaktor angebracht ist und hierdurch unter anderem die kontinuierliche Entnahme des Titans möglich wird. In a preferred embodiment, it can be provided that the metal element is movably mounted in the reactor and this enables, among other things, the continuous removal of the titanium.
Zur Verhinderung von einer Oxidation sollten die Schritte der Disproportionierung bevorzugt unter einem ausreichenden Vakuum oder in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung in einer inerten oder reaktiven Schutzgasatmosphäre erfolgen. Hierzu eignen sich insbesondere Argon und Wasserstoff, wobei im Falle des Wasserstoffes je nach Anwendung der Erhalt von Titanhydrid als Produkt explizit gewünscht sein kann. So etwa zum Ziel der Energiespeicherung, des Transportes oder des Erhaltes von Titanpulver. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass unter den Verfahrensschritten Wärme durch Wärmetauscher ausgetauscht wird. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die für das gesamte Verfahren in Summe benötigte Energie reduziert werden kann. Insbesondere kann dadurch besonders vorteilhaft erreicht werden, dass die von extern zuzuführende Energie der Einzelschritte besonders gering gehalten werden kann. Dadurch lässt sich die notwendige Fläche von Heliostaten und den Investitionsaufand für die solare Bündelung klein halten. To prevent oxidation, the disproportionation steps should preferably take place under a sufficient vacuum or, in a particularly preferred embodiment, in an inert or reactive protective gas atmosphere. Argon and hydrogen are particularly suitable for this purpose, and in the case of hydrogen, depending on the application, the retention of titanium hydride as a product may be explicitly desired. For example, the goal of energy storage, transport or preservation of titanium powder. It can preferably be provided that heat is exchanged through heat exchangers during the process steps. As a result, it can advantageously be achieved that the total energy required for the entire process can be reduced. In particular, it can thereby be achieved in a particularly advantageous manner that the energy to be supplied externally for the individual steps can be kept particularly low. This means that the area required for heliostats and the investment required for solar bundling can be kept small.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in Verfahrensschritt b) Wärme freigesetzt wird und die Wärme über einen Wärmetauscher abgeführt wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in Verfahrensschritt c) Wärme freigesetzt wird und die Wärme über einen Wärmetauscher abgeführt wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in Verfahrensschritt e) Wärme aufgenommen wird und die Wärme über einen Wärmetauscher zugeführt wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in Verfahrensschritt i) Wärme aufgenommen wird und die Wärme über einen Wärmetauscher zugeführt wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in Verfahrensschritt j) Wärme aufgenommen wird und die Wärme über einen Wärmetauscher zugeführt wird. It can preferably be provided that in process step b) heat is released and the heat is dissipated via a heat exchanger. It can preferably be provided that in process step c) heat is released and the heat is dissipated via a heat exchanger. It can preferably be provided that in method step e) heat is absorbed and the heat is supplied via a heat exchanger. It can preferably be provided that in method step i) heat is absorbed and the heat is supplied via a heat exchanger. It can preferably be provided that in method step j) heat is absorbed and the heat is supplied via a heat exchanger.
Die jeweils von den exothermen Reaktionen und bei Abkühlung freigesetzte Wärmeenergie wird bevorzugt zur Aufheizung und zum Antrieb der Endothermen Reaktionen auf den entsprechend passenden Temperatumiveaus verwendet. The thermal energy released by the exothermic reactions and during cooling is preferably used to heat up and drive the endothermic reactions to the appropriate temperature level.
Die im thermochemischen Kreisprozess erhaltene und nach dem Camot Prinzip notwendigerweise abzuführende Abwärme kann an die Umgebung mit entsprechenden Luft-, Erd- oder Wasserwärmetauschem abgeführt werden. Vorzugsweise bieten sich auch nächtlich durch Luftkühlung regenerierte kostengünstige thermische Massen wie Erdreich an. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass Wärmeenergie für die Verfahrensschritte durch Solarstrahlung bereitgestellt wird, vorzugsweise durch Flach- oder Vakuumkollektoren, ein Parabolrinnenkraftwerk, einen Solar Dish Receiver und/oder durch einen Solarturmwärmetauscher, wobei die Wärmeenergie insbesondere für die Verfahrensschritte d), e), h), i) und j) bereitgestellt wird. The waste heat obtained in the thermochemical cycle process and necessarily dissipated according to the Camot principle can be dissipated to the environment with appropriate air, geothermal or water heat exchangers. Preferably, inexpensive thermal masses such as soil regenerated by air cooling at night are also suitable. It can preferably be provided that thermal energy for the process steps is provided by solar radiation, preferably through flat or vacuum collectors, a parabolic trough power plant, a solar dish receiver and / or through a solar tower heat exchanger, the thermal energy in particular for process steps d), e), h ), i) and j) is provided.
Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass der Prozess besonders umweltfreundlich ist und keine weiteren teuren sekundären Energieträger notwendig sind. As a result, it can advantageously be achieved that the process is particularly environmentally friendly and no further expensive secondary energy sources are necessary.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das in Verfahrensschritt e) erhaltene Alkalimetallchlorid als das Alkalimetallchlorid in Verfahrensschritt c) verwendet wird. It can preferably be provided that the alkali metal chloride obtained in process step e) is used as the alkali metal chloride in process step c).
Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass pro Stoffmenge hergestellten Titans, weniger Alkalimetallchlorid verbraucht wird. As a result, it can advantageously be achieved that less alkali metal chloride is consumed per quantity of titanium produced.
Durch die erfmdungsgemäße Kombination der Verfahrensschritte wird es somit möglich, das eine sehr weitgehende Rezyklierung der verwendeten Reaktionspartner und beteiligten Stoffe erfolgt, so dass letztendlich die zentrale Reaktion von Titandioxid unter Zufuhr von Wärme zu elementarem Metall und Sauerstoff als Nettoreaktion praktisch vollständig erreicht werden kann. The combination of the process steps according to the invention thus makes it possible for the reactants used and the substances involved to be recycled to a very large extent, so that ultimately the central reaction of titanium dioxide with the supply of heat to elemental metal and oxygen can be achieved practically completely as a net reaction.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Verfahren als kontinuierliches Verfahren durchgeführt wird. Dadurch kann der Prozess besonders effizient betrieben werden, weil entstehende Wärme besonders gut genutzt werden kann. It can preferably be provided that the process is carried out as a continuous process. This enables the process to be operated particularly efficiently because the heat generated can be used particularly well.
Mit der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zur thermochemischen Herstellung von Titan nach dem vorbeschriebenen Verfahren vorgeschlagen, aufweisend zumindest einen ersten Reaktor, vorzugsweise säurebeständigen Rührkesselreaktor, zum Aufschluss eines Ausgangsmaterials aufweisend Titandioxid mit Mineralsäure, wobei der erste Reaktor einen Zulauf für das Ausgangsmaterial, einen Zulauf für die Mineralsäure und einen Ablauf für eine Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV) aufweist, wobei der erste Reaktor vorzugsweise einen Wärmetauscher aufweist, einen zweiten Reaktor, vorzugsweise einen säurebeständigen Fällungsreaktor, zum Fällen eines Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids, wobei der zweite Reaktor einen Zulauf für die Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV), einen Zulauf für Chlorwasserstoffsäure oder Chlorwasserstoff, einen Zulauf für Alkalimetallchlorid und einen Ablauf für gefälltes Alkalimetalltitan(IV)tetrachlorid aufweist, wobei der zweite Reaktor dazu ausgestaltet ist ein Trennen von gefälltem Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid und Reaktionslösung zu ermöglichen, wobei der zweite Reaktor vorzugsweise einen Wärmetauscher aufweist, optional einen dritten Reaktor, vorzugsweise Röhrentrockner oder Bandtrockner, zum Trocknen von Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid, wobei der dritte Reaktor einen Zulauf für Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid, einen Zulauf für Chlorwasserstoff und einen Ablauf für getrocknetes Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid aufweist, wobei der dritte Reaktor vorzugsweise einen Wärmetauscher aufweist, einen vierten Reaktor, vorzugsweise Röhrentrockner oder Bandtrockner, zum Erhitzen des Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids, wobei der vierte Reaktor einen Zulauf für Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid, einen Ablauf für Alkalimetallchlorid und einen Ablauf für gasförmiges Titantetrachlorid, wobei der vierte Reaktor vorzugsweise einen Wärmetauscher aufweist, wobei der vierte Reaktor vorzugsweise derart ausgestaltet ist, dass er eine Reaktion unter einer Schutzatmosphäre ermöglicht, einen fünften Reaktor, zur Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids, mit einem Reduktionsmittel zu Titantrichlorid, wobei der fünfte Reaktor einen Zulauf für Titantetrachlorid, einen Zulauf für Reduktionsmittel, einen Ablauf für oxidiertes Reduktionsmittel und einen Ablauf für Titantrichlorid aufweist, eine Vorrichtung zur Rezyklierung und Bereitstellung des Reduktionsmittels aufweisend einen Zulauf für oxidiertes Reduktionsmittel und einen Ablauf für rezykliertes Reduktionsmittel, optional einen sechsten Reaktor zur Disproportionierung des Titantrichlorids zu Titantetrachlorid und Titandichlorid, wobei der sechste Reaktor einen Zulauf für Titantrichlorid, einen Ablauf für Titantetrachlorid und einen Ablauf für Titandichlorid aufweist, einen siebenten Reaktor zur Disproportionierung des Titantrichlorids oder des Titandichlorids zu Titan und Titantetrachlorid, wobei der siebente Reaktor einen Zulauf für Titantrichlorid oder Titandichlorid und einen Ablauf für Titantetrachlorid aufweist, wobei siebente Reaktor dazu ausgestaltet ist ein Trennen von Titan und den übrigen Reaktanden zu ermöglichen, und eine Vorrichtung zur Rückführung des im siebenten und optional sechsten Reaktor entstehenden Titantetrachlorids zum fünften Reaktor wobei der dritte, vierte, fünfte, sechste, und/oder siebente Reaktor vorzugsweise gegen die Umgebung gasdicht ist. The invention also proposes a device for the thermochemical production of titanium by the method described above, having at least one first reactor, preferably an acid-resistant stirred tank reactor, for the digestion of a Starting material comprising titanium dioxide with mineral acid, the first reactor having an inlet for the starting material, an inlet for the mineral acid and an outlet for a solution comprising dissolved titanium (IV), the first reactor preferably having a heat exchanger, a second reactor, preferably one acid-resistant precipitation reactor for precipitating an alkali metal titanium (IV) hexachloride, the second reactor having an inlet for the solution containing dissolved titanium (IV), an inlet for hydrochloric acid or hydrogen chloride, an inlet for alkali metal chloride and an outlet for precipitated alkali metal titanium (IV) tetrachloride , the second reactor being designed to enable the separation of precipitated alkali metal titanium (IV) hexachloride and reaction solution, the second reactor preferably having a heat exchanger, optionally a third reactor, preferably a tube dryer or belt dryer, for drying alkali metal titanium (IV) hexachloride, the third reactor having an inlet for alkali metal titanium (IV) hexachloride, an inlet for hydrogen chloride and an outlet for dried alkali metal titanium (IV) hexachloride, the third reactor preferably having a heat exchanger, a fourth reactor, preferably a tube dryer or belt dryer, for heating the alkali metal titanium (IV) hexachloride, the fourth reactor having an inlet for alkali metal titanium (IV) hexachloride, an outlet for alkali metal chloride and an outlet for gaseous titanium tetrachloride, the fourth reactor preferably having a heat exchanger, the fourth reactor preferably is designed in such a way that it enables a reaction under a protective atmosphere, a fifth reactor, for reducing the gaseous titanium tetrachloride, with a reducing agent to titanium trichloride, the fifth reactor having an inlet for titanium tetrachloride, an inlet for reducing agent, an outlet for oxidized s has reducing agent and a drain for titanium trichloride, a device for recycling and providing the reducing agent having an inlet for oxidized reducing agent and an outlet for recycled reducing agent, optionally a sixth reactor for disproportionation of the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride, the sixth reactor having an inlet for titanium trichloride, an outlet for titanium tetrachloride and an outlet for titanium dichloride, a seventh reactor for the disproportionation of titanium trichloride or titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride, the seventh reactor having an inlet for titanium trichloride or titanium dichloride and an outlet for titanium tetrachloride, the seventh reactor being designed to separate titanium and the other reactants to enable, and a device for recycling the titanium tetrachloride formed in the seventh and optionally sixth reactor to the fifth reactor, the third, fourth, fifth, sixth and / or sieves nte reactor is preferably gas-tight to the environment.
Unter einem Zulauf ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, die die Zugabe der entsprechenden Substanz ermöglicht. Beispielsweise kann unter einem Zulauf ein Stutzen, ein Rohr, eine Luke oder eine einfache Öffnung verstanden werden. Unter einem Ablauf ist im Sinne der vorliegenden Erfindung entsprechend eine Vorrichtung zu verstehen, die die Entnahme der entsprechenden Substanz ermöglicht. In the context of the present invention, an inlet is to be understood as a device which enables the addition of the corresponding substance. For example, an inlet can be understood to mean a nozzle, a pipe, a hatch or a simple opening. In the context of the present invention, a process is to be understood as meaning a device which enables the corresponding substance to be removed.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Zulauf oder Ablauf für eine Substanz auch als Zulauf und/oder Ablauf für eine andere Substanz dienen kann. Entsprechend kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Zulauf für das Ausgangsmaterial des ersten Reaktor eine Öffnung an einer Oberseite des Reaktors ist und die selbe Öffnung auch als Zulauf für die Mineralsäure dient. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zumindest einer vom fünften, sechsten und siebenten Reaktor, besonders bevorzugt der fünfte Reaktor, mit solarer Wärme betreibbar ist, insbesondere über ein UV-durchlässiges Fenster in einer Wand des Reaktors. It can be provided that an inlet or outlet for one substance can also serve as an inlet and / or outlet for another substance. Accordingly, it can be provided, for example, that the inlet for the starting material of the first reactor is an opening on an upper side of the reactor and the same opening also serves as an inlet for the mineral acid. It can preferably be provided that at least one of the fifth, sixth and seventh reactors, particularly preferably the fifth reactor, can be operated with solar heat, in particular via a UV-permeable window in a wall of the reactor.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der erste Reaktor mehrere abgeteilte säurefeste Reaktoren aufweist, z.B. 8 säurefeste Behälter jeweils mit Rühr- Transport und Fördereinrichtung sowie Wärmetauscher, wobei hierbei das Titanerz im Gegenstrom in Schritten an der Mineralsäure vorbeigeführt wird. Hierdurch wird eine besonders effiziente Auflösung erreicht. Bevorzugt ist das Material des Reaktors säurefest beschichteter Stahl oder säurefester Kunststoff . It can preferably be provided that the first reactor has several divided acid-proof reactors, e.g. 8 acid-proof containers each with agitator transport and conveying device as well as heat exchangers, whereby the titanium ore is passed in countercurrent in steps past the mineral acid. A particularly efficient resolution is achieved in this way. The material of the reactor is preferably acid-proof coated steel or acid-proof plastic.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des zweiten Reaktors beinhaltet ein Rühr und Umwälzsystem zur Vollständigen Durchmischung und Umsalzung des kontinuierlich zugeführten Alkalisalzes zum Hexachlorotitanat. A particularly preferred embodiment of the second reactor contains a stirring and circulation system for complete mixing and salting of the continuously supplied alkali salt to form hexachlorotitanate.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der zweite Reaktor in einer bevorzugten Ausgestaltung eine kontinuierliche Entnahmeeinrichtung beispielweise einer Zentrifuge mit automatischer Fördereinrichtung zur Abtrennung und Vortrockung der Hexachlorotitanatkristalle aufweist. Furthermore, it can be provided that, in a preferred embodiment, the second reactor has a continuous removal device, for example a centrifuge with an automatic conveying device for separating and pre-drying the hexachlorotitanate crystals.
Auf Grund des erhöhten Chlorwasserstoffdruckes über der Lösung zur Fällungsreaktion kann vorgesehen sein, dass der zweite Reaktor eine druckdichte, gasdichte und/oder säurefeste Umhüllung aufweiset. Due to the increased hydrogen chloride pressure above the solution for the precipitation reaction, it can be provided that the second reactor has a pressure-tight, gas-tight and / or acid-resistant envelope.
In einer weiteren energetisch bevorzugten Variante kann eine Aufsättigung der Lösung im Zustrom mit Chlorwasserstoff im Gegenstrom mit der Lösung des Abstromes, aus der das Titanchlorid in dem zweiten Reaktor zuvor ausgefallt wurde, vorgesehen sein. Dabei kann im Abstromkanal schrittweise das Chlorwasserstoffgas ausgasen und sich wiederum im Zustromkanal lösen und dort für eine zunehmende Chlorwasserstoffgehalt fiiren. Einen gleichzeitigen Wärmetausch der Sättigungsreaktion des Zustromes zum zweiten Reaktor und Ausgasung des Ablaufes ist eine sehr bevorzugte Ausgestaltung. Hierzu kann der Zustrom und Abstrom des zweiten Reaktors in mehre Abschnitte mit jeweils integriertem Gasaustausch durch gemeinsames Gasvolumen an der Oberfläche und lokalem Wärmetausch der jeweiligen Lösungen ausgeführt sein. In a further energetically preferred variant, the solution in the inflow can be saturated with hydrogen chloride in countercurrent with the solution in the outflow from which the titanium chloride was previously precipitated in the second reactor. The hydrogen chloride gas can gradually outgas in the downstream channel and turn into the Loosen the inflow channel and fiir there for an increasing hydrogen chloride content. A simultaneous heat exchange of the saturation reaction of the inflow to the second reactor and outgassing of the outflow is a very preferred embodiment. For this purpose, the inflow and outflow of the second reactor can be designed in several sections, each with an integrated gas exchange through a common gas volume on the surface and local heat exchange of the respective solutions.
Als weitere vorzugsweise Ausgestaltung erfolgt ja nach Ausgangsmaterial in Zusammenhang mit der Zufuhr der Titanhaltigen Lösung aus dem ersten Reaktor in den zweiten Reaktor zuvor eine Abtrennung eventuell gelöster Eisensalze oder weiterer Fremdsalze. Ausführungsformen können bevorzugt einen Flüssig-Flüssig-Extraktior mit Mischer und Abscheidekammem aufweisen, weiterhin eine Auskristallisierungs- und Abscheideeinrichtung, oder weiterhin eine Vorrichtung zur Abscheidung durch einen in dem Zulauft vom zweiten Reaktor integrierten Ionenaustauscher. As a further preferred embodiment, depending on the starting material, in connection with the supply of the titanium-containing solution from the first reactor to the second reactor, any dissolved iron salts or further foreign salts are separated off beforehand. Embodiments can preferably have a liquid-liquid extractor with mixer and separation chambers, furthermore a crystallization and separation device, or furthermore a device for separation by means of an ion exchanger integrated in the inlet of the second reactor.
Ebenso kann eine bevorzugte Ausgestaltung des Zulaufes zum zweiten Reaktor eine Vorrichtung zur Oxidation oder Reduktion aufweisen. Im Falle einer Oxidation kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ein Rohrsytem mit Austrittsöffnungen unterhalb der Lösungsoberfläche aufweist, durch das Sauerstoff oder Chlorgas eingeblasen werden kann. Likewise, a preferred configuration of the feed to the second reactor can have a device for oxidation or reduction. In the case of oxidation it can be provided that the device has a pipe system with outlet openings below the surface of the solution, through which oxygen or chlorine gas can be blown.
Hierbei bedient sich eine sehr bevorzugte Ausgestaltung im Hinblick auf eine Oxidation einer Rohrverbindung von der Zersetzungsreaktionskammer der Reaktion h) zur Rückführung von Chlor oder Sauerstoffgas. Here, a very preferred embodiment with regard to an oxidation of a pipe connection from the decomposition reaction chamber makes use of reaction h) for recycling chlorine or oxygen gas.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der fünfte Reaktor zur Reduktion von Titantetrachlorid mit Wasserstoff aus eine druckdichten Umhausung auf, die zumindest teilweise aus UV durchlässigem Glas ausgebildet ist, welches zur optischen Einkopplung der katalytisch aktiven UV-Strahlung dient. In einer sehr bevorzugten Ausgestaltung sind insbesondere die inneren Oberflächen der Reaktoren sechs und sieben, sowie eventuell an diese integrierte Wärmetauscher, 444 von einem nicht sauerstoffhaltigen Material ausgekleidet. In a preferred embodiment, the fifth reactor for the reduction of titanium tetrachloride with hydrogen has a pressure-tight housing which is at least partially made of UV-permeable glass, which is used to optically couple the catalytically active UV radiation. In a very preferred embodiment, in particular the inner surfaces of reactors six and seven, and any heat exchangers 444 integrated with them, are lined with a material that does not contain oxygen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren weiter erläutert. Die Figuren zeigen mögliche Ausgestaltungen der Erfindung. Prinzipiell sind jedoch auch Kombinationen oder Abwandlungen der Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung möglich. The invention is explained further below with reference to the figures. The figures show possible embodiments of the invention. In principle, however, combinations or modifications of the configurations are also possible within the scope of the invention.
Es zeigen Show it
Fig. 1 schematisch die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 schematically shows the method steps of the method according to the invention;
Fig. 2 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel; 2 schematically shows the method according to the invention and the device according to a first exemplary embodiment;
Fig. 3 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel; 3 schematically shows the method according to the invention and the device according to a second exemplary embodiment;
Fig. 4a und Fig. 4b schematisch verschiedene Ausgestaltungen von Verfahrensschritt j); FIGS. 4a and 4b schematically show different configurations of method step j);
Fig. 5 schematisch verschiedene Vorrichtungen zur Bereitstellung von Wärmeenergie mit Solarthermie; und 5 schematically shows various devices for providing thermal energy with solar thermal energy; and
Fig. 6 schematisch die Hauptreaktionen des Verfahrens, wobei Chlorgas aus Verfahrensschritt h) in einem umgekehrten Deacon-Verfahren mit Wasser zu Chlorwasserstoff und Sauerstoff umgesetzt wird. 6 schematically shows the main reactions of the process, chlorine gas from process step h) being reacted with water in a reverse Deacon process to form hydrogen chloride and oxygen.
Fig. 1 zeigt schematisch die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren zur thermochemischen Herstellung von Titan 100, weist zunächst als Verfahrensschritt ein Bereitstellen von gasförmigem Titantetrachlorid 110 auf. Das Bereitstellen von gasförmigem Titantetrachlorid 110 umfasst zunächst das Bereitstellen eines Ausgangsmaterials aufweisend Titandioxid 111. Anschließend folgt ein Auflösen des Titandioxids 112 in Chlorwasserstoffsäure bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 30 °C bis kleiner oder gleich 120 °C unter Ausbildung einer wässrigen Lösung aufweisend gelösten Chlorwasserstoff und gelöstes Titantetrachlorid. Danach erfolgt ein Fällen eines Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids 113 aus der wässrigen Lösung mit einem Alkalimetallchlorid unter Zufuhr von Chlorwasserstoffsäure bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich -15 °C bis kleiner oder gleich 30 °C, wobei das Alkalimetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Natrium und Kalium. Anschließend folgt ein Trocknen des Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids 114 mit Chlorwasserstoff bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 50 °C bis kleiner oder gleich 250 °C. Dann folgt ein Erhitzen des getrockneten Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids (115) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 500 °C bis kleiner oder gleich 600 °C unter Ausbildung von festem Alkalimetallchlorid und gasförmigem Titantetrachlorid. 1 shows schematically the method steps of the method according to the invention. The process for the thermochemical production of titanium 100, initially as Method step of providing gaseous titanium tetrachloride 110. The provision of gaseous titanium tetrachloride 110 initially comprises the provision of a starting material comprising titanium dioxide 111. This is followed by dissolving the titanium dioxide 112 in hydrochloric acid at a temperature in a range from greater than or equal to 30 ° C. to less than or equal to 120 ° C. to form an aqueous solution having dissolved hydrogen chloride and dissolved titanium tetrachloride. This is followed by precipitation of an alkali metal titanium (IV) hexachloride 113 from the aqueous solution with an alkali metal chloride with the addition of hydrochloric acid at a temperature in a range from greater than or equal to -15 ° C. to less than or equal to 30 ° C., the alkali metal being selected from the group consisting of lithium, sodium and potassium. This is followed by drying the alkali metal titanium (IV) hexachloride 114 with hydrogen chloride at a temperature in a range from greater than or equal to 50.degree. C. to less than or equal to 250.degree. The dried alkali metal titanium (IV) hexachloride (115) is then heated at a temperature in a range from greater than or equal to 500 ° C. to less than or equal to 600 ° C. with the formation of solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride.
Nach dem Bereitstellen von gasförmigem Titantetrachlorid 110 wird das gasförmige Titantetrachlorid zu Titantrichlorid reduziert 120. Die Reduktion 120 umfasst zunächst ein Bereitstellen eines Reduktionsmittels 121. Anschließend wird das gasförmige Titantetrachlorid mit dem Reduktionsmittel reduziert 122 unter Abgabe von Chlor zu Titantrichlorid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 20 °C bis kleiner oder gleich 440 °C, wobei das Reduktionsmittel unter Aufnahme von Chlor oxidiert wird. Das im diesem Verfahrensschritt erhaltene oxidierte Reduktionsmittel wird rezykliert 123 durch Reduktion unter Entstehung von Chlorgas. Das rezyklierte Reduktionsmittel wird dann in dem vorherigen Verfahrensschritt als Reduktionsmittel bereitgestellt 123. After the provision of gaseous titanium tetrachloride 110, the gaseous titanium tetrachloride is reduced 120 to titanium trichloride. The reduction 120 initially comprises providing a reducing agent 121. Subsequently, the gaseous titanium tetrachloride is reduced 122 with the reducing agent, releasing chlorine to titanium trichloride at a temperature in a range of greater than or equal to 20 ° C. to less than or equal to 440 ° C., the reducing agent being oxidized with the absorption of chlorine. The oxidized reducing agent obtained in this process step is recycled 123 by reduction with the formation of chlorine gas. The recycled reducing agent is then provided 123 as a reducing agent in the previous method step.
Nach der Reduktion zu Titantrichlorid 120 folgt eine Disproportionierung des Titantrichlorids zu Titan und Titantetrachlorid 130 umfassend die Verfahrensschritte. Optional wird zunächst das Titantri chlorid zu Titantetrachlorid und Titandichlorid disproportioniert 131 bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 400 °C bis kleiner oder gleich 600 °C. Das Titantrichlorid oder das Titandichlorid wird dann zu Titan und Titantetrachlorid disproportioniert 132 bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 800 °C bis kleiner oder gleich 1900 °C. Das dabei entstehende Titantetrachlorid wird als Titantetrachlorid für die Reduktion des gasförmige Titantetrachlorid mit dem Reduktionsmittel 122 bereitgestellt 133. After the reduction to titanium trichloride 120, a disproportionation of the titanium trichloride to titanium and titanium tetrachloride 130 follows, comprising the process steps. Optional is initially the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride disproportionate 131 at a temperature in a range from greater than or equal to 400 ° C to less than or equal to 600 ° C. The titanium trichloride or titanium dichloride is then disproportionated 132 to titanium and titanium tetrachloride at a temperature in a range from greater than or equal to 800 ° C to less than or equal to 1900 ° C. The resulting titanium tetrachloride is provided 133 as titanium tetrachloride for the reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent 122.
Dann wird das erhaltene Titan abgetrennt 140. Then the obtained titanium is separated 140.
Fig. 2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Fig. 3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 500 in Fig. 2 und 3. Weist jeweils einen ersten Reaktor 510 auf. Der erste Reaktor 510 ist beispielsweise ein säurebeständiger Rührkesselreaktor und weist einen Zulauf für das Ausgangsmaterial 511, einen Zulauf für die Mineralsäure 512 und einen Ablauf für eine Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV) 513 auf. Somit wird in dem ersten Reaktor 510 ein Ausgangsmaterial aufweisend Titandioxid bereitgestellt 111 und mit Mineralsäure aufgeschlossen 112, wobei sich eine Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV) bildet. Die Vorrichtung 500 weist weiter einen zweiten Reaktor 520 auf. Dieser ist beispielsweise ein säurebeständiger Fällungsreaktor. Der zweite Reaktor 520 weist einen Zulauf für die Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV) 521, einen Zulauf für Chlorwasserstoffsäure 522, einen Zulauf für Alkalimetallchlorid 523 und einen Ablauf für gefälltes Alkalimetalltitan(IV)tetrachlorid 524 auf. Dabei ist der zweite Reaktor dazu ausgestaltet ein Trennen von gefälltem Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid und Reaktionslösung zu ermöglichen. In dem zweiten Reaktor 520 wird das Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid entsprechend gefällt 113. Weiter weist die Vorrichtung 500 einen dritten Reaktor 530 auf, beispielsweise einen Röhrentrockner oder Bandtrockner. Der dritte Reaktor 530 weist einen Zulauf für Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid 531, einen Zulauf für Chlorwasserstoff 533 und einen Ablauf für getrocknetes Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid 533 auf. In dem dritten Reaktor 530 findet ein Trocknen des Alkalimetalltitan(rV)tetrachlorids 114 statt. Ferner weist die Vorrichtung 500 einen vierten Reaktor 540 auf, der ebenfalls beispielsweise ein Röhrentrockner oder Bandtrockner sein kann. Der vierte Reaktor 540 weist einen Zulauf für getrocknetesFig. 2 shows schematically the method according to the invention and the device according to a first embodiment. Fig. 3 shows schematically the method according to the invention and the device according to a second embodiment. The device 500 in FIGS. 2 and 3 each has a first reactor 510. The first reactor 510 is, for example, an acid-resistant stirred tank reactor and has an inlet for the starting material 511, an inlet for the mineral acid 512 and an outlet for a solution containing dissolved titanium (IV) 513. Thus, in the first reactor 510, a starting material comprising titanium dioxide is provided 111 and digested 112 with mineral acid, a solution comprising dissolved titanium (IV) being formed. The device 500 furthermore has a second reactor 520. This is, for example, an acid-resistant precipitation reactor. The second reactor 520 has an inlet for the solution containing dissolved titanium (IV) 521, an inlet for hydrochloric acid 522, an inlet for alkali metal chloride 523 and an outlet for precipitated alkali metal titanium (IV) tetrachloride 524. The second reactor is designed to enable the separation of precipitated alkali metal titanium (IV) hexachloride and reaction solution. The alkali metal titanium (IV) hexachloride is correspondingly precipitated 113 in the second reactor 520. The device 500 also has a third reactor 530, for example a tube dryer or belt dryer. The third reactor 530 has an inlet for alkali metal titanium (IV) hexachloride 531, an inlet for hydrogen chloride 533 and a drain for dried alkali metal titanium (IV) hexachloride 533. The alkali metal titanium (rV) tetrachloride 114 is dried in the third reactor 530. Furthermore, the device 500 has a fourth reactor 540, which can likewise be, for example, a tube dryer or belt dryer. The fourth reactor 540 has an inlet for dried
Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid 541, einen Ablauf für Alkalimetallchlorid 542 und einen Ablauf für gasförmiges Titantetrachlorid 543 auf. In dem vierten Reaktor 540 wird das getrocknete Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid erhitzt 115 unter Ausbildung von festem Alkalimetallchlorid und gasförmigem Titantetrachlorid. Die Vorrichtung 500 weist zudem einen fünften Reaktor 550 auf. Der fünfte Reaktor 550 weist einen Zulauf fürAlkali metal titanium (IV) hexachloride 541, a drain for alkali metal chloride 542 and a drain for gaseous titanium tetrachloride 543. In the fourth reactor 540, the dried alkali metal titanium (IV) hexachloride is heated 115 with the formation of solid alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride. The device 500 also has a fifth reactor 550. The fifth reactor 550 has an inlet for
Titantetrachlorid 551, einen Zulauf für ein Reduktionsmittel 552, einen Ablauf für oxidiertes Reduktionsmittel 553 und einen Ablauf für Titantrichlorid auf. In dem fünften Reaktor 550 wird das gasförmige Titantetrachlorid mit dem Reduktionsmittel reduziert 112. Titanium tetrachloride 551, an inlet for a reducing agent 552, an outlet for oxidized reducing agent 553 and an outlet for titanium trichloride. In the fifth reactor 550, the gaseous titanium tetrachloride is reduced 112 with the reducing agent.
Die Vorrichtung 500 weist ferner eine Vorrichtung zur Rezyklierung und Bereitstellung des Reduktionsmittels 555 auf. Die Vorrichtung zur Rezyklierung von Reduktionsmittel weist einen Zulauf für oxidiertes Reduktionsmittel 556 und einen Ablauf für rezykliertes Reduktionsmittel 557 auf. In der Ausgestaltung nach Fig. 2 ist die Vorrichtung zur Rezyklierung von Wasserstoffgas als Reduktionsmittel ausgestaltet. In der Ausgestaltung nach Fig. 3 ist die Vorrichtung zur Rezyklierung von Vanadium(II)chlorid ausgestaltet. Die Vorrichtung 500 nach Fig. 2 weist zudem einen optionalen sechsten Reaktor 560 auf. Der sechste Reaktor 560 weist einen Zulauf für Titantrichlorid 561, einen Ablauf für Titantetrachlorid 562 und einen Ablauf für Titandichlorid 563 auf. In dem sechsten Reaktor 560 findet optional die Disproportionierung des Titantrichlorids zu Titantetrachlorid und Titandichlorid 131 statt. Die Vorrichtung 500 nach Fig. 2 und 3 weist dann jeweils einen siebenten Reaktor 570 auf. Der siebente Reaktor 570 weist einen Zulauf für Titantrichlorid 571 in Fig. 3 bzw. einen Zulauf für Titandichlorid 571 in Fig. 2 auf, sowie einen Ablauf für Titantetrachlorid 572. Ferner weist die Vorrichtung 500 eine Vorrichtung zur Rückführung 573 des im siebenten 570 und optional sechsten 560 Reaktor entstehenden Titantetrachlorids zum fünften Reaktor 550 auf. Der siebente Reaktor ist dabei dazu ausgestaltet ein Trennen von Titan und den übrigen Reaktanden zu ermöglichen. Fig. 4a und Fig. 4b zeigen schematisch verschiedene Ausgestaltungen von Verfahrensschritt j). Fig. 4a zeigt eine Ausgestaltung von Verfahrensschritt j), dem Disproportionieren des Titantrichlorids oder des Titandichlorids zu Titan und Titantetrachlorid 132, beispielhaft an Titandichlorid in einer Salzschmelze 300 aus Magnesiumchlorid. Das Titandichlorid löst sich in der Salzschmelze 300. Durch Wärmezufuhr über den Reaktionsbehälter findet die Disproportionierung 132 statt. Dabei fallt Titanpulver 301 aus und es entsteht Titantetrachlorid, welches dem Verfahren weiter bereitgestellt wird 133. Das Titanpulver 300 kann anschließend durch bekannte Verfahren von der Salzschmelze abgetrennt 140 werden. Fig. 4b zeigt eine Ausgestaltung von Verfahrensschritt j), dem Disproportionieren des Titantrichlorids oder des Titandichlorids zu Titan und Titantetrachlorid 132, beispielhaft an Titandichlorid in einer Salzschmelze 300 aus Magnesiumchlorid. Das Titandichlorid löst sich in der Salzschmelze 300. Durch Wärmezufuhr über ein bewegliches Titanelement 302 findet die Disproportionierung 132 statt. Dabei scheidet sich Titan auf dem Titanelement 302 ab. Durch Herausziehen des Titanelements 302 wird das Titan von der Schmelze abgetrennt 140. Fig. 5 zeigt schematisch verschiedene Vorrichtungen zur Bereitstellung von Wärmeenergie mit Solarthermie. Insbesondere in großen Anlagen können Spiegelflächen kostengünstig hergestellt werden. Als Materialen eignen sich beispielsweise Glasspiegel, metall- bzw. aluminiumbedampfte hochreflektierende Kunststofffolien, geschützte polierte Aluminiumbleche. Jeder der Kollektorformen besitzt in unterschiedlichen Temperaturbereichen technische und ökonomische Vorteile und kann entsprechend ausgewählt werden. Wenn notwendig kann der Wärmetransport zwischen den Reaktionen und den Wärmetauschern des Kreisprozesses mit passiv oder aktiv umwälzenden Wärmträgem, wie Wasser bei geringen Temperaturen oder Thermoölen, mit Gasströmung, mit Salz oder Metallschmelzen oder umgeführten keramischen Elementen bei hohen Prozesstemperaturen umgesetzt werden. Für den Temperaturbereich von 50 °C bis 180 °C eignet sich besonders ein Flachkollektor 400 mit Absorber 411, Zirkulatiönsleitung 412, Gehäuse ggf. mit Wärmedämmung 415 und Glas- oder Kunststofffenster. Für Temperaturen in einem Bereich von 120 °C bis 600 °C eignet sich ein Paraboirinnensystem 420 mit Receiver oder Absorber mit Wärmeträger 412, Nachführung und Fundament 422 sowie parabolischer Spiegelfläche 423. Für Temperaturen in einem Bereich von 400 °C bis 2000 °C eignen sich Solar Dish Receiver 430 mit Absorber / Reaktor 431 und Parabolspiegel 432 oder Solarturmwärmetauscher mit nachführbaren Spiegelfläche 441, mit nachführbaren Achsen und Trägerstruktur 442, The device 500 also has a device for recycling and providing the reducing agent 555. The device for recycling reducing agent has an inlet for oxidized reducing agent 556 and an outlet for recycled reducing agent 557. In the embodiment according to FIG. 2, the device for recycling hydrogen gas is designed as a reducing agent. In the embodiment according to FIG. 3, the device for recycling vanadium (II) chloride is designed. The device 500 according to FIG. 2 also has an optional sixth reactor 560. The sixth reactor 560 has an inlet for titanium trichloride 561, an outlet for titanium tetrachloride 562 and an outlet for titanium dichloride 563. In the sixth reactor 560, the disproportionation of the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride 131 optionally takes place. The device 500 according to FIGS. 2 and 3 then has a seventh reactor 570 in each case. The seventh reactor 570 has an inlet for titanium trichloride 571 in FIG. 3 or an inlet for titanium dichloride 571 in FIG. 2, as well as an outlet for titanium tetrachloride 572. Furthermore, the device 500 has a device for recycling 573 of the 570 in the seventh and optionally sixth 560 reactor formed titanium tetrachloride to the fifth reactor 550. The seventh reactor is designed to enable separation of titanium and the other reactants. FIGS. 4a and 4b schematically show different configurations of method step j). 4a shows an embodiment of method step j), the disproportionation of titanium trichloride or titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride 132, for example of titanium dichloride in a molten salt 300 of magnesium chloride. The titanium dichloride dissolves in the molten salt 300. The disproportionation 132 takes place as a result of the supply of heat via the reaction vessel. Titanium powder 301 precipitates and titanium tetrachloride is produced, which is further made available to the method 133. Titanium powder 300 can then be separated 140 from the molten salt using known methods. 4b shows an embodiment of method step j), the disproportionation of titanium trichloride or titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride 132, for example of titanium dichloride in a molten salt 300 of magnesium chloride. The titanium dichloride dissolves in the molten salt 300. The disproportionation 132 takes place by supplying heat via a movable titanium element 302. In the process, titanium is deposited on the titanium element 302. The titanium is separated 140 from the melt by pulling out the titanium element 302. FIG. 5 schematically shows various devices for providing thermal energy with solar thermal energy. In large systems in particular, mirror surfaces can be produced inexpensively. Suitable materials are, for example, glass mirrors, highly reflective plastic films coated with metal or aluminum, and protected, polished aluminum sheets. Each of the collector shapes has technical and economic advantages in different temperature ranges and can be selected accordingly. If necessary, the heat transfer between the reactions and the heat exchangers of the cycle process can be carried out with passively or actively circulating heat carriers, such as water at low temperatures or thermal oils, with gas flow, with salt or Metal melts or bypassed ceramic elements are implemented at high process temperatures. For the temperature range from 50 ° C to 180 ° C, a flat-plate collector 400 with absorber 411, circulation line 412, housing with possibly thermal insulation 415 and glass or plastic windows is particularly suitable. For temperatures in a range from 120 ° C to 600 ° C, a parabolic interior system 420 with receiver or absorber with heat transfer medium 412, tracking and foundation 422 and parabolic mirror surface 423 is suitable. For temperatures in a range from 400 ° C to 2000 ° C are suitable Solar dish receiver 430 with absorber / reactor 431 and parabolic mirror 432 or solar tower heat exchanger with trackable mirror surface 441, with trackable axes and support structure 442,
Hochtemperaturabsorber mit Wärmetauscher oder Reaktor443 und Turm mit Versorgungsleitungen oder Wärmeträger 444 High temperature absorber with heat exchanger or reactor 443 and tower with supply lines or heat transfer medium 444
Notwendige Systeme zur Wärmeabgabe (Kühlturm, Luft- oder Erdwärmetauscher) sind nicht dargestellt. Necessary systems for heat dissipation (cooling tower, air or geothermal heat exchanger) are not shown.
Fig. 6 zeigt schematisch die Hauptreaktionen des Verfahrens, wobei Chlorgas aus Verfahrensschritt h) in einem umgekehrten Deacon- Verfahren mit Wasser zu Chlorwasserstoff und Sauerstoff umgesetzt wird. Das Bereitstellen von gasförmigem Titantetrachlorid umfasst die Reaktion von Titandioxid mit Chlorwasserstoffsäure in wässriger Lösung zu Titantetrachlorid über Alkalimetalltitanhexachlorid. Das Titantetrachlorid reagiert bei der Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids mit dem Reduktionsmittel 122 beispielsweise mit Vanadium(II)chlorid zu Titantrichlorid und Vanadium(III)chlorid. Anschließend folgt optional die Disproportionierung des Titantrichlorids zu Titantetrachlorid und Titandichlorid 131 und die Disproportionierung des Titantrichlorids oder des Titandichlorids zu Titan und Titantetrachlorid 132. Das jeweils entstehende Titantetrachlorid wird als Titantetrachlorid wieder bereitgestellt 133. Das oxidierte Reduktionsmittel wird nach der Reduktion 122 beispielsweise als Vanadium(III)chlorid entfernt und durch Erhitzen unter Abgabe von Chlorgas rezykliert 123. Das rezyklierte Reduktionsmittels wird so wieder als Reduktionsmittel bereitgestellt 124. 6 shows schematically the main reactions of the process, chlorine gas from process step h) being reacted with water in a reverse Deacon process to form hydrogen chloride and oxygen. The provision of gaseous titanium tetrachloride comprises the reaction of titanium dioxide with hydrochloric acid in aqueous solution to form titanium tetrachloride via alkali metal titanium hexachloride. During the reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent 122, for example with vanadium (II) chloride, the titanium tetrachloride reacts to form titanium trichloride and vanadium (III) chloride. This is optionally followed by the disproportionation of the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride 131 and the disproportionation of the titanium trichloride or titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride 132. The titanium tetrachloride produced in each case is provided again as titanium tetrachloride 133. After the reduction 122, the oxidized reducing agent is removed, for example, as vanadium (III) chloride and recycled 123 by heating while releasing chlorine gas. The recycled reducing agent is thus provided again 124 as reducing agent.
Das Chlorgas reagiert in einem umgekehrten Deacon- Verfahren 200 zu Chlorwasserstoff bzw. Chlorwasserstoffsäure und Sauerstoff. Der Chlorwasserstoff bzw. die Chlorwasserstoffsäure wird wieder für das Verfahren bereitgestellt 201. The chlorine gas reacts in a reverse Deacon process 200 to form hydrogen chloride or hydrochloric acid and oxygen. The hydrogen chloride or hydrochloric acid is again provided 201 for the process.
Fig. 7 zeigt eine ungefähre Abschätzung des Wärmebedarfes ohne Wärmerückgewinnung anhand bekannter thermodynamischer Eigenschaften der ausgewählten Reaktionspartner. 7 shows an approximate estimate of the heat requirement without heat recovery on the basis of known thermodynamic properties of the selected reactants.
Bezugszeichen: Reference number:
100 V erfahren zur thermochemischen Herstellung von T itan 100 Process for the thermochemical production of titanium
110 Bereitstellen von gasförmigem T itantetrachlorid 110 Provision of gaseous titanium tetrachloride
111 Bereitstellen eines Ausgangsmaterials aufweisend Titandioxid 111 Providing a starting material comprising titanium dioxide
112 Aufschluss des Ausgangsmaterials 112 Digestion of the starting material
113 Fällen eines Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids 113 cases of an alkali metal titanium (IV) hexachloride
114 Trocknen des Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids 114 Drying the alkali metal titanium (IV) hexachloride
115 Erhitzen des getrockneten Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids 115 Heat the dried alkali metal titanium (IV) hexachloride
120 Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids zu Titantrichlorid 120 Reduction of the gaseous titanium tetrachloride to titanium trichloride
121 Bereitstellen eines Reduktionsmittels 121 Provision of a reducing agent
122 Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids mit dem Reduktionsmittel 122 Reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent
123 Rezyklieren des oxidierten Reduktionsmittels 123 Recycle the oxidized reducing agent
124 Bereitstellen des rezyklierten Reduktionsmittels als Reduktionsmittel 124 Provision of the recycled reducing agent as reducing agent
130 Disproportionierung des Titantrichlorids zu Titan und Titantetrachlorid 130 Disproportionation of titanium trichloride to titanium and titanium tetrachloride
131 Disproportionieren des Titantrichlorids zu Titantetrachlorid und Titandichlorid 132 Disproportionieren des Titantrichlorids oder des Titandichlorids zu Titan und Titantetrachlorid 131 Disproportionation of titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride 132 Disproportionate titanium trichloride or titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride
133 Bereitstellen des in Verfahrensschritt erhaltenen Titantetrachlorids als133 Providing the titanium tetrachloride obtained in process step as
Titantetrachlorid Titanium tetrachloride
140 Abtrennen des erhaltenen Titans 140 Separation of the titanium obtained
200 umgekehrtes Deacon- Verfahren mit Freisetzung Sauerstoff 200 reverse Deacon process with release of oxygen
201 Bereitstellen der Chlorwasserstoffsäure 201 Providing the hydrochloric acid
300 Salzschmelze 300 molten salt
301 T itanniederschlag 301 Titanium precipitation
302 Metallelement, Titanelement 302 metal element, titanium element
400 Flachkollektor 400 flat plate collector
411 Absorber 411 absorber
412 Zirkulationsleitung 412 circulation line
415 Gehäuse 415 housing
420 Paraboirinnensystem, Parabolrinnenkraftwerk 420 Parabolic internal system, parabolic trough power plant
422 Nachführung und Fundament 422 Tracking and Foundation
423 parabolische Spiegelfläche 423 parabolic mirror surface
430 Solar Dish Receiver 430 Solar Dish Receiver
431 Absorber / Reaktor 431 absorber / reactor
432 Parabolspiegel 432 parabolic mirror
440 Solarturmwärmetauscher 440 solar tower heat exchanger
441 nachführbare Spiegelfläche 441 trackable mirror surface
442 nachführbare Achsen und Träger Struktur 442 trackable axes and beam structure
443 Hochtemperaturabsorber mit Wärmetauscher oder Reaktor 443 high temperature absorber with heat exchanger or reactor
444 Turm mit Versorgungsleitungen oder Wärmeträger 444 Tower with supply lines or heat transfer medium
500 Vorrichtung zur thermochemischen Herstellung von Titan 500 Device for the thermochemical production of titanium
510 erster Reaktor 510 first reactor
511 Zulauf für Ausgangsmaterial 512 Zulauf für Mineralsäure 511 Feed for starting material 512 Inlet for mineral acid
513 Ablauf für Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV) 513 Process for solution containing dissolved titanium (IV)
520 zweiter Reaktor 520 second reactor
521 Zulauf für Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV) 522 Zulauf für Chlorwasserstoffsäure 521 Feed for solution containing dissolved titanium (IV) 522 Feed for hydrochloric acid
523 Zulauf für Alkalimetallchlorid 523 Inlet for alkali metal chloride
524 Ablauf für gefälltes Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid 524 Drain for precipitated alkali metal titanium (IV) hexachloride
530 dritter Reaktor 530 third reactor
531 Zulauf für Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid 532 Zulauf für Chlorwasserstoff 531 Feed for alkali metal titanium (IV) hexachloride 532 Feed for hydrogen chloride
533 Ablauf für getrocknetes Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid 533 Drain for dried alkali metal titanium (IV) hexachloride
540 vierter Reaktor 540 fourth reactor
541 Zulauf für getrocknetes Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid 541 Feed for dried alkali metal titanium (IV) hexachloride
542 Ablauf für Alkalimetallchlorid 543 Ablauf für gasförmiges Titantetrachlorid 542 Drain for alkali metal chloride 543 Drain for gaseous titanium tetrachloride
550 fünfter Reaktor 550 fifth reactor
551 Zulauf für T itantetrachlorid 551 Inlet for titanium tetrachloride
552 Zulauf für Reduktionsmittel 552 Inlet for reducing agent
553 Ablauf für oxidiertes Reduktionsmittel 554 Ablauf für Titantri chlorid 553 Drain for oxidized reducing agent 554 Drain for titanium trichloride
555 Vorrichtung zur Rezyklierung und Bereitstellung von Reduktionsmittel555 Device for recycling and supplying reducing agent
556 Zulauf für oxidiertes Reduktionsmittel 556 Inlet for oxidized reducing agent
557 Ablauf für rezykliertes Reduktionsmittel 560 sechster Reaktor 561 Zulauf für Titantri chlorid 557 outlet for recycled reducing agent 560 sixth reactor 561 inlet for titanium trichloride
562 Ablauf für Titantetrachlorid 562 Drain for titanium tetrachloride
563 Ablauf für Titandichlorid 570 siebenter Reaktor Zulauf für T itantrichlorid oder T itandichlorid Ablauf für Tiantetrachlorid Vorrichtung zur Rückführung von Titantetrachlorid 563 Drain for titanium dichloride 570 Seventh reactor Inlet for titanium trichloride or titanium dichloride Outlet for titanium tetrachloride Device for recycling titanium tetrachloride

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur thermochemischen Herstellung von Titan (100), aufweisend zumindest die Verfahrensschritte: 1. A process for the thermochemical production of titanium (100), comprising at least the process steps:
Bereitstellen von gasförmigem Titantetrachlorid (110) umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Ausgangsmaterials aufweisend Titandioxid (111), insbesondere Bereitstellen von Titandioxid und/oder Ilmenit, b) Aufschluss des Ausgangsmaerials (112) in Mineralsäure, vorzugsweise in Chlorwasserstoffsäure, bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 25 °C bis kleiner oder gleich 135 °C unter Ausbildung einer Lösung, insbesondere einer wässrigen Lösung, aufweisend gelöstes Titan(IV), c) Fällen eines Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids (113) aus der Lösung mit einem Alkalimetallchlorid unter Zufuhr von Chlorwasserstoffsäure oder Chlorwasserstoff bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich -15 °C bis kleiner oder gleich 30 °C, wobei das Alkalimetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Natrium und Kalium, d) Optional Trocknen des Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids (114) mit Chlorwasserstoff bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 30 °C bis kleiner oder gleich 250 °C, e) Erhitzen des Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids (115) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 340 °C bis kleiner oder gleich 700 °C unter Ausbildung von festem Alkalimetallchlorid und gasförmigem Titantetrachlorid; Providing gaseous titanium tetrachloride (110) comprising the process steps: a) Providing a starting material comprising titanium dioxide (111), in particular providing titanium dioxide and / or ilmenite, b) digesting the starting material (112) in mineral acid, preferably in hydrochloric acid, at a temperature in a range from greater than or equal to 25 ° C. to less than or equal to 135 ° C. with the formation of a solution, in particular an aqueous solution, comprising dissolved titanium (IV), c) precipitating an alkali metal titanium (IV) hexachloride (113) from the solution with a Alkali metal chloride with the supply of hydrochloric acid or hydrogen chloride at a temperature in a range from greater than or equal to -15 ° C. to less than or equal to 30 ° C., the alkali metal being selected from the group consisting of lithium, sodium and potassium, d) optionally drying the Alkali metal titanium (IV) hexachloride (114) with hydrogen chloride at a temperature in the range of g greater than or equal to 30 ° C to less than or equal to 250 ° C, e) heating the alkali metal titanium (IV) hexachloride (115) at a temperature in a range from greater than or equal to 340 ° C to less than or equal to 700 ° C with the formation of solid Alkali metal chloride and gaseous titanium tetrachloride;
Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids zu Titantrichlorid (120) umfassend die V erfahrens schritte : f) Bereitstellen eines Reduktionsmittels (121), vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffgas und Übergangsmetallchlorid, wobei das Übergangsmetallchlorid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Vanadium(II)chlorid, Eisen(II)chlorid, Chrom(II)chorid, Cobalt(II)chlorid, Nickel(II)chlorid, Kupfer(I)chlorid, Antimon(II)chlorid, Zinn(II)chlorid, undReduction of the gaseous titanium tetrachloride to titanium trichloride (120) comprising the process steps: f) providing a reducing agent (121), preferably selected from the group consisting of hydrogen gas and transition metal chloride, the transition metal chloride being selected from the group consisting of vanadium (II) chloride, iron (II) chloride, chromium (II) chloride, cobalt ( II) chloride, nickel (II) chloride, copper (I) chloride, antimony (II) chloride, tin (II) chloride, and
Mischungen davon, wobei das Übergangsmetallchlorid bevorzugt Vanadium(II)chlorid ist, g) Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids mit dem Reduktionsmittel (122) unter Abgabe von Chlor zu Titantrichlorid bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 20 °C bis kleiner oder gleich 440 °C, wobei das Reduktionsmittel unter Aufnahme von Chlor oxidiert wird, h) Rezyklieren des in Verfahrensschritt g) erhaltenen oxidierten Reduktionsmittels (123) durch Reduktion innerhalb eins vorwiegend thermischen betrieben Kreisprozesses unter Entstehung von Chlorgas und/ oder Sauerstoff sowie Bereitstellen des rezyklierten Reduktionsmittels als Reduktionsmittel (124) in Verfahrensschritt f); Mixtures thereof, the transition metal chloride being preferably vanadium (II) chloride, g) reduction of the gaseous titanium tetrachloride with the reducing agent (122) with the release of chlorine to titanium trichloride at a temperature in a range from greater than or equal to 20 ° C to less than or equal to 440 ° C, the reducing agent being oxidized with the absorption of chlorine, h) recycling of the oxidized reducing agent (123) obtained in method step g) by reduction within a predominantly thermal cycle with the formation of chlorine gas and / or oxygen and providing the recycled reducing agent as reducing agent (124) in method step f);
Disproportionierung des Titantrichlorids zu Titan und Titantetrachlorid (130) umfassend die Verfahrensschritte: i) optional Disproportionieren des Titantrichlorids zu Titantetrachlorid und Titandichlorid (131) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 400 °C bis kleiner oder gleich 800 °C, j) Disproportionieren des Titantrichlorids oder des Titandichlorids zu Titan und Titantetrachlorid (132) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 580 °C bis kleiner oder gleich 1900 °C, k) Bereitstellen des in Verfahrensschritt j) und optional i) erhaltenen Titantetrachlorids als Titantetrachlorid (133) in Verfahrensschritt g); und Abtrennen des erhaltenen Titans (140). Disproportionation of the titanium trichloride to titanium and titanium tetrachloride (130) comprising the process steps: i) optionally disproportionation of the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride (131) at a temperature in a range from greater than or equal to 400 ° C to less than or equal to 800 ° C, j) Disproportionation of the titanium trichloride or the titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride (132) at a temperature in a range from greater than or equal to 580 ° C to less than or equal to 1900 ° C, k) providing the titanium tetrachloride obtained in process step j) and optionally i) as titanium tetrachloride (133) in process step g); and separating the obtained titanium (140).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel aus Verfahrensschritt f) Wasserstoffgas ist und die Reduktion aus Verfahrens schritt g) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 20 °C bis kleiner oder gleich 440 °C durchgefuhrt wird, bevorzugt von größer oder gleich 130 °C bis kleiner oder gleich 240 °C, beispielsweise bei 180 °C, wobei das Wasserstoffgas unter Aufnahme von Chlor zu Chlorwasserstoff oxidiert wird, wobei in Verfahrensschritt h) der Chlorwasserstoff mit Vanadium(II)chlorid unter Bildung von Vanadium(III)chlorid zu Wasserstoffgas reduziert wird bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 60 °C bis kleiner oder gleich 390 °C, bevorzugt von größer oder gleich 160 °C bis kleiner oder gleich 280 °C, beispielsweise 200 °C, wobei das Wasserstoffgas wieder als Reduktionsmittel in Verfahrensschritt f) eingesetzt wird, und wobei das Vanadium(III)chlorid unter Entstehung von Chlorgas durch Erhitzen bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 480 °C bis kleiner oder gleich 700 °C, bevorzugt von größer oder gleich 560 °C bis kleiner oder gleich 580 °C, beispielsweise. 570 °C, zu Vanadium(II)chlorid rezykliert wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the reducing agent from process step f) is hydrogen gas and the reduction from process step g) is carried out at a temperature in a range from greater than or equal to 20 ° C to less than or equal to 440 ° C, preferably from greater than or equal to 130.degree. C. to less than or equal to 240.degree. C., for example at 180.degree. C., the hydrogen gas being oxidized to hydrogen chloride with the uptake of chlorine, in process step h) the hydrogen chloride with vanadium (II) chloride to form Vanadium (III) chloride is reduced to hydrogen gas at a temperature in a range from greater than or equal to 60 ° C. to less than or equal to 390 ° C., preferably from greater than or equal to 160 ° C. to less than or equal to 280 ° C., for example 200 ° C. , wherein the hydrogen gas is used again as a reducing agent in process step f), and wherein the vanadium (III) chloride is formed with the formation of chlorine gas by heating at a temper atur in a range from greater than or equal to 480 ° C. to less than or equal to 700 ° C., preferably from greater than or equal to 560 ° C. to less than or equal to 580 ° C., for example. 570 ° C, is recycled to vanadium (II) chloride.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, die Reduktion in Verfahrensschritt g) katalysiert wird, besonders bevorzugt durch Einwirkung UV-haltiger Strahlung oder einem Katalysator, wobei bevorzugt die UV-haltige Strahlung aus Sonnenlicht erhalten wurde. 3. The method according to claim 2, characterized in that the reduction in process step g) is catalyzed, particularly preferably by exposure to UV-containing radiation or a catalyst, the UV-containing radiation preferably being obtained from sunlight.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel aus Verfahrensschritt f) Vanadium(II)chlorid ist und die Reduktion aus Verfahrensschritt g) bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 80 °C bis kleiner oder gleich 420 °C durchgefuhrt wird, bevorzugt von größer oder gleich 240 °C bis kleiner oder gleich 360 °C, beispielsweise bei 320 °C, wobei das Vanadium(II)chlorid unter Aufnahme von Chlor zu Vanadium(III)chlorid oxidiert wird, wobei in Verfahrensschritt h) der das Vanadium(III)chlorid unter Bildung von Chlorgas zu Vanadium(II)chlorid reduziert wird bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 470 °C bis kleiner oder gleich 800 °C, bevorzugt von größer oder gleich 590 °C bis kleiner oder gleich 660 °C, beispielsweise 620 °C, wobei das Vanadium(II)chlorid bevorzugt als das Reduktionsmittel in Verfahrensschritt f) bereitgestellt wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that the reducing agent from process step f) is vanadium (II) chloride and the reduction from process step g) is at a temperature in a range from greater than or equal to 80 ° C to less than or equal to 420 ° C is carried out, preferably from greater than or equal to 240 ° C to less than or equal to 360 ° C, for example at 320 ° C, wherein the vanadium (II) chloride is oxidized to vanadium (III) chloride with the absorption of chlorine, wherein in process step h) the vanadium (III) chloride is reduced to vanadium (II) chloride with the formation of chlorine gas at a temperature in a range from greater than or equal to 470 ° C. to less than or equal to 800 ° C., preferably from greater than or equal to 590 ° C. to less than or equal to 660 ° C., for example 620 ° C., the vanadium (II) chloride being preferred as the reducing agent in process step f ) provided.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Chlorgas aus Verfahrensschritt h) in einem umgekehrten Deacon- Verfahren (200) mit Wasser zu Chlorwasserstoff und Sauerstoff umgesetzt wird, wobei der erhaltene Chlorwasserstoff vorzugsweise als die Chlorwasserstoffsäure in Verfahrensschritt b) bereitgestellt wird (201). 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the chlorine gas from process step h) is reacted with water in a reverse Deacon process (200) to form hydrogen chloride and oxygen, the hydrogen chloride obtained preferably being provided as the hydrochloric acid in process step b) becomes (201).
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt j) das Titantrichlorid oder das Titandichlorid in eine Salzschmelze (300) eingeleitet wird und in der Salzschmelze (300) disproportioniert wird, wobei die Salzschmelze (300) eine Schmelze aus Magnesiumchlorid, Calciumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumchlorid oder Mischungen davon ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in method step j) the titanium trichloride or the titanium dichloride is introduced into a molten salt (300) and is disproportionated in the molten salt (300), the molten salt (300) being a melt of magnesium chloride , Calcium chloride, potassium chloride, sodium chloride, or mixtures thereof.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter den Verfahrensschritten Wärme durch Wärmetauscher ausgetauscht wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that heat is exchanged through heat exchangers during the process steps.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie für die Verfahrensschritte durch Solarstrahlung bereitgestellt wird, vorzugsweise durch Flach- oder Vakuumkollektoren (400), ein Paraboirinnenkraftwerk (420), einen Solar Dish Receiver (430) und/oder durch einen Solarturmwärmetauscher (440), wobei die Wärmeenergie insbesondere für die Verfahrensschritte d), e), h), i) und j) bereitgestellt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that thermal energy for the process steps is provided by solar radiation, preferably by flat or vacuum collectors (400), a Paraboirinnenkraftwerk (420), a solar dish receiver (430) and / or by a Solar tower heat exchanger (440), the thermal energy being provided in particular for process steps d), e), h), i) and j).
9. Vorrichtung zur thermochemischen Herstellung von Titan (500) nach dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend zumindest einen ersten Reaktor (510), vorzugsweise säurebeständigen Rührkesselreaktor, zum Aufschluss eines Ausgangsmaterials aufweisend Titandioxid mit Mineralsäure, wobei der erste Reaktor (510) einen Zulauf für das Ausgangsmaterial (511), einen Zulauf für die Mineralsäure (512) und einen Ablauf für eine Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV) (513) aufweist, wobei der erste Reaktor (510) vorzugsweise einen Wärmetauscher aufweist, einen zweiten Reaktor (520), vorzugsweise einen säurebeständigen Fällungsreaktor, zum Fällen eines Alkalimetalltitan(IV)hexachlorids, wobei der zweite Reaktor (520) einen Zulauf für die Lösung aufweisend gelöstes Titan(IV) (521), einen Zulauf für Chlorwasserstoffsäure oder Chlorwasserstoff (522), einen Zulauf für Alkalimetallchlorid (523) und einen Ablauf für gefälltes Alkalimetalltitan(IV)tetrachlorid (524) aufweist, wobei der zweite Reaktor (520) dazu ausgestaltet ist ein Trennen von gefälltem Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid und Reaktionslösung zu ermöglichen, wobei der zweite Reaktor vorzugsweise einen Wärmetauscher aufweist, optional einen dritten Reaktor (530), vorzugsweise Röhrentrockner oder Bandtrockner, zum Trocknen von Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid, wobei der dritte Reaktor (530) einen Zulauf für Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid (531), einen Zulauf für Chlorwasserstoff (532) und einen Ablauf für getrocknetes Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid (533) aufweist, wobei der dritte Reaktor vorzugsweise einen Wärmetauscher aufweist, einen vierten Reaktor (540), vorzugsweise Röhrentrockner oder Bandtrockner, zum Erhitzen des Alkalimetalltitan(rV)hexachlorids, wobei der vierte Reaktor (540) einen Zulauf für Alkalimetalltitan(IV)hexachlorid (541), einen Ablauf für Alkalimetallchlorid (542) und einen Ablauf für gasförmiges Titantetrachlorid (543), wobei der vierte Reaktor vorzugsweise einen Wärmetauscher aufweist, wobei der vierte Reaktor vorzugsweise derart ausgestaltet ist, dass er eine Reaktion unter einer Schutzatmosphäre ermöglicht, einen fünften Reaktor (550), zur Reduktion des gasförmigen Titantetrachlorids mit einem Reduktionsmittel zu Titantrichlorid, wobei der fünfte Reaktor (550) einen Zulauf für Titantetrachlorid (551), einen Zulauf für Reduktionsmittel (552), einen Ablaüf für oxidiertes Reduktionsmittel (553) und einen Ablauf für Titantrichlorid (554) aufweist, eine Vorrichtung zur Rezyklierung und Bereitstellung des Reduktionsmittels (555) aufweisend einen Zulauf für oxidiertes Reduktionsmittel (556) und einen Ablauf für rezykliertes Reduktionsmittel (557), optional einen sechsten Reaktor (560) zur Disproportionierung des Titantrichlorids zu Titantetrachlorid und Titandichlorid, wobei der sechste Reaktor (560) einen Zulauf für Titantrichlorid (561), einen Ablauf für Titantetrachlorid (562) und einen Ablauf für Titandichlorid (563) aufweist, einen siebenten Reaktor (570) zur Disproportionierung des Titantrichlorids oder des Titandichlorids zu Titan und Titantetrachlorid, wobei der siebente Reaktor (570) einen Zulauf für Titantrichlorid oder Titandichlorid (571) und einen Ablauf für Titantetrachlorid (572) aufweist, wobei siebente Reaktor dazu ausgestaltet ist ein Trennen von Titan und den übrigen Reaktanden zu ermöglichen, und eine Vorrichtung zur Rückführung (573) des im siebenten und optional sechsten Reaktor entstehenden Titantetrachlorids zum fünften Reaktor wobei der dritte, vierte, fünfte, sechste, und/oder siebente Reaktor vorzugsweise gegen die Umgebung gasdicht ist. 9. Device for the thermochemical production of titanium (500) according to the method according to one of the preceding claims, comprising at least one first reactor (510), preferably acid-resistant stirred tank reactor, for digesting a starting material comprising titanium dioxide with mineral acid, the first reactor (510) having a Has an inlet for the starting material (511), an inlet for the mineral acid (512) and an outlet for a solution containing dissolved titanium (IV) (513), the first reactor (510) preferably having a heat exchanger, a second reactor (520 ), preferably an acid-resistant precipitation reactor, for precipitating an alkali metal titanium (IV) hexachloride, the second reactor (520) having an inlet for the solution containing dissolved titanium (IV) (521), an inlet for hydrochloric acid or hydrogen chloride (522), an inlet for alkali metal chloride (523) and a drain for precipitated alkali metal titanium (IV) tetrachloride (524), the two The first reactor (520) is designed to enable the separation of precipitated alkali metal titanium (IV) hexachloride and reaction solution, the second reactor preferably having a heat exchanger, optionally a third reactor (530), preferably a tube dryer or belt dryer, for drying alkali metal titanium (IV ) hexachloride, the third reactor (530) having an inlet for alkali metal titanium (IV) hexachloride (531), an inlet for hydrogen chloride (532) and an outlet for dried alkali metal titanium (IV) hexachloride (533), the third reactor preferably having one Has heat exchanger, a fourth reactor (540), preferably tubular dryer or belt dryer, for heating the alkali metal titanium (rV) hexachloride, the fourth reactor (540) having an inlet for alkali metal titanium (IV) hexachloride (541), an outlet for alkali metal chloride (542) and an outlet for gaseous titanium tetrachloride (543), the fourth reactor preferably having a heat exchanger t, the fourth reactor preferably being designed in such a way that it enables a reaction under a protective atmosphere, a fifth reactor (550) for reducing the gaseous titanium tetrachloride with a reducing agent to titanium trichloride, the fifth reactor (550) having an inlet for titanium tetrachloride (551), an inlet for reducing agent (552), an outlet for oxidized reducing agent (553) and having an outlet for titanium trichloride (554), a device for recycling and providing the reducing agent (555) having an inlet for oxidized reducing agent (556) and an outlet for recycled reducing agent (557), optionally a sixth reactor (560) for disproportionation of the titanium trichloride to titanium tetrachloride and titanium dichloride, the sixth reactor (560) having an inlet for titanium trichloride (561), an outlet for titanium tetrachloride (562) and an outlet for titanium dichloride (563), a seventh reactor (570) for the disproportionation of the titanium trichloride or the titanium dichloride to titanium and titanium tetrachloride, the seventh reactor (570) ei NEN inlet for titanium trichloride or titanium dichloride (571) and an outlet for titanium tetrachloride (572), the seventh reactor being designed to allow separation of titanium and the other reactants, and a device for recycling (573) the seventh and optionally sixth Titanium tetrachloride formed in the reactor to the fifth reactor, the third, fourth, fifth, sixth and / or seventh reactor preferably being gas-tight to the environment.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer vom fünften, sechsten und siebenten Reaktor, besonders bevorzugt der fünfte Reaktor, mit solarer Wärme betreibbar ist, insbesondere über ein UV-durchlässiges Fenster in einer Wand des Reaktors. 10. The device according to claim 9, characterized in that at least one of the fifth, sixth and seventh reactor, particularly preferably the fifth reactor, can be operated with solar heat, in particular via a UV-permeable window in a wall of the reactor.
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SCHOSSBERGER, FREDERIC V.: "A new process for titanium", INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY, vol. 51, no. 3, 1959, pages 669 - 670

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