162348. lajstromszámú szabadalom • Eljárás aluminium előállítására
3 162348 4 Az találtuk, hogy akkor kapunk megfelelő eredményeket, ha a mangánt atmoszférikus nyomás és 70 at túlnyomás között adagoljuk a reaktorba. Általában a mangánt elég magas hőmérsékleten, 1400-1650 C*-on tartjuk, és így az folyadék fázisban van a reaktorba való belépés időpontjában. Ezt megvalósíthatjuk úgy, hogy a mangán előállításánál, mangánklorid és/vagy mangánoxid redukciója során kapott maradék hő felhasználásával tartjuk a mangánt folyadék halmazállapotban. Itt a mangán redukálására szolgáló redukciós kemencére utalunk, azonban egy egyszerű fűtőkemencét is alkalmazhatunk, amelyben a lényegében tiszta mangánt 1400 C^-ra hevítiük. A mangánt használhatjuk szilárd alakban is, ha a 10 reaktor tetején olyan berendezést (pl. indukciós tekercset) helyezünk el, mely képes a szilárd mangán túlhevítésére. A túlhevítéses technikánál a szilárd mangánt a 10 reaktor felső részébe ömlesztjük és cseppfolyóssá alakítjuk.' Bármelyik megoldást alkalmazhatjuk azonban, hogy a reagensek, amint az a találmány szerinti eljárás előnyös kivitelezéséhez, az ellenáramú módszerhez szükséges, folyékony halmazállapotban legyenek. A mangán folyadékfázisban tartásához szükséges hőmérséklet megközelítően 1400 C*. Hogy biztosítsuk ezt a hőmérsékletet, a 16 vezetéket tekercsekkel fűtjük (nincs ábrázolva). Természetesen, ha a távolság a redukciós kemence és a reaktor között rövid, ilyen fűtó'tekercsre nincs szükség. A reaktor üzemelése közben a folyékony mangán lefelé áramlik, amint ezt a rajzon a 18 nyilak mutatják. Ezzel egyidó'ben az aluminiumtrikloridot a 10 reaktorba a 20 vezetéken keresztül visszük be. Az aluminíumtriklorid gázfázisban van, amikor belép az oszlopba, és felfelé halad, amint ezt a 24 nyilak jelzik. Az aluniiniumtriklorid gázhalmazállapotúvá alakításához a hőmérsékletet 750-1500 C* közé kell emelni. Az aluminíumtriklorid adagolását a rendszer sztöchiometrikus szükséglete szabályozza, de értékét általában 11.35 227 kg/perc között tartjuk. Az ellentétes irányú, gázhalmazállapotu aluminíumtriklorid és folyadék halmazállapotú mangán áram érintkezik egymással és a következő reakció játszódik le: 3 Mn • A1C13 3 MnCl 2 • 2 Al Az aluminium előállításban az ellenáram létrehozása, mint azt a 18 és 24 nyilak mutatják a rajzon, jelentős előnyöket eredményez. Például a 10 reaktor 26 alsó zónájában tiszta aluminiumklorid van jelen, míg a 10 reaktor 28 tetején tiszta mangán van jelen. Szabályszerű üzemelés esetén a mangán aluminium arany csökken, amint a mangán felülről lefelé, az aluminiumklorid alulról felfelé halad a 10 reaktorban. így a 10 reaktor alján a lényegében tiszta aluminiumtriklorid érintkezik a reakciótermékkel, vagyis a kismennyiségű mangánt tartalmazó aluminiummal. Az eredmény az, hogy a reaktor alján nagy mennyiségű aluminiumtriklorid kerül szembe egy kis mennyiségű mangánnal, és az a tényező biztosítja a mangán reakciójának csaknem teljes lejátszódását. Az ellenáram hatékonyan befolyásolja a reakciót az aluminium előállítása szempontjából legelőnyösebb állapot irányában. Tovább magyarázva az előbb említett ellenáramú eljárás működését, a 30 reakció-zónát az 1. ábra mutatja. Ezt a reakciózónát természetesen csak szemléltető szándékkal ábrázoljuk ilyen formában, a tényleges reakciózóna a 10 reaktor teljes belső tere. Amint a 2. ábrán látható, a felfelé haladó aluminiumtriklorid találkozik a lefelé haladó mangánnal. Amikor a reaktorban egy molekula aluminiumtriklorid találkozik egy molekula mangánnal, a reakció körülményei között egyszerű helyettesítési reakció játszódik le, és a reakció körülményei között gázalakú mangánklorid illetve folyadék halmazállapotú aluminium keletkezik. Amint a 2. ábra mutatja, a mangánklorid gáz felfelé halad äz oszlopban, míg az aluminium leülepedik. Az eljáráshoz általában aluminiumtriklorid felesleget használunk a sztöchiometrikusan szükséges mennyiséghez képest. így mind az aluminiumtriklorid, mind a mangánklorid az oszlop tetején lévő 32 vezetéken távozik. A mangánklorid és aluminiumklorid együttes jelenléte lassítja a reakciót, az egyik reakciótermék, a mangánklorid jelenléte következtében. A találmány szerinti ellenáramú módszernél az oszlop tetején a nagy mangánkoncentráció kiküszöböli a nagy mangánklorid-koncentráció okozta kedvezőtlen egyensúlyi feltételeket. A végső eredmény az, 5 hogy a reaktor valamennyi pontján a reakció az aluminium és ' mangánklorid keletkezése irányában játszódik le. Az a körülmény, hogy a gázalakú aluminiumtriklorid és mangánklorid keveréke van jelen a reaktor felső részén, nem 10 jelent hátrányt, mert a két gáz könnyen elválasztható egymástól. A 32 vezeték a 40 kondenzátorban végződik, mely cseppfolyósítja a mangánkloridot a gázkeverék hőmérsékletének 760 C* körüli értékre való csökkentésével. Az aluminiumtriklorid gázhalmazállapotban hagyja el a 15 kondenzátort, a a kondenzátor tetején lévő 42 vezetéken, majd visszavezetjük a reaktorba, miután nyomását a 41 kompresszorral 1,4-69,8 at túlnyomásra és hőmérsékletét a 43 fűtőberendezéssel 1000-1500 C*-ra növeltük. Jóllehet nincs ábrázolva, a mangánkloridot visszavezetjük oly módon, 20 h°Sy mangánná alakítás végett bevisszük egy redukciós kemencébe, amint azt a fentiekben említettük. Az eljárásban nem kell sok figyelmet fordítani az aluminiumtriklorid hőmérsékletére a reaktoron belül, mert az aluminiumtrikloridot az olvadt mangán fűti, amint felfelé 25 halad a reaktorban. így a hőmérsékletet a reaktor alsó részében alacsonyabb értéken, az aluminium olvadáspontja körül tarthatjuk (650 C° felett). A reaktor hőmérsékletét tarthatjuk 650 C*-on is, az előnyös hőmérséklet azonban 900 C* körül van, melyet a 10 reaktor körüli indukciós tekercsek-30 kel tarthatunk fenn (nincs ábrázolva). Magától értetődik, hogy hacsak nem említünk mást, a leírásban és az igénypontokban megadott bármely hőmérséklet azonos a normál nyomáson (760 Hgmm) szükséges hőmérséklettel. A találmány szerinti eljárás bármilyen megvalósításánál 35 igen fontos, hogy a hőmérsékletet és nyomást úgy válasszuk meg, hogy ne legyen mangánklorid kiválás a reaktorban. Ha mangánklorid kondenzál a reaktorban, ez az aluminiummal együtt távozik és szennyeződési problémákat okoz. A folyékony mangánklorid jelenléte ezenkívül 40 nemkívánatos ellentétes irányú reakciót eredményez az aluminium és mangánklorid között, melynek során aluminiumklorid vagy aluminium-monoklorid keletkezik. A folyékony mangánklorid jelenléte az aluminium eltávolításánál, vagyis éppen a rendszer egyik legkényesebb pontján hoz 45 létre ellentétes irányú reakciót. Jóllehet a nagynyomású rendszerek költségesebbek, használatuk mégis gazdaságosabbá válik, minthogy a nagy nyomás javítja az aluminiumklorid és mangán alumíniummá és mangánkloriddá való átalakulását. A 10 reaktorban 60 50 atmoszféráig terjedő túlnyomást alkalmazunk, ez a nyomás ugyanis jelentősen megnöveli a hozamot az előállítási költségek jelentősebb növekedése nélkül. Természetesen az eljárás normál nyomáson is sikeresen megy végbe. Az alumíniumot az 50 vezetéken át távolítjuk el a 55 reaktorból 4.5359-45.359 kg/perc sebességgel a reagáló anyagok áramától függően. A találmány szerinti aluminiumelőállítási eljárást az alábbi példákkal kívánjuk megvilágítani. 1. példa A folyékonv mangánt 1500 C* körüli hőmérsékleten és 3,5 at túlnyomáson tápláljuk be a töltött reaktor tetején g5 percenként 45.359 kg sebességgel. A reaktor 6.096 m magas, hőálló borítású 0,914 m belső átmérőjű edény, amelyet nagy alumíniumoxid tartalmú -kerámiából készült 2.54 cm átmérőjű Raschig-gyűrűvel töltünk meg. Az 1000 C körüli hőmérsékletre előmelegített és kb. 35 at túlnyomású, 70 gázhalmazállapotú aluminiumtrikloridot a torony alján vezetjük be percenként 90.718 kg sebességgel. A keletkezett mangánkloridot a reagálatlan aluminiumtrikloriddal együtt folyamatosan vezetjük el az oszlop tetejéről. Megközelítően 20%, azaz percenként 18.143 kg aluminiumtriklorid halad át'; .75 az oszlopon reagálatlanul, és egyenletesen elkeveredve' 2
