167894. lajstromszámú szabadalom • Eljárás alumínium,titán vagy szilícium előállítására
5 167894 6 A további kiviteli példákat az alábbiakban mutatjuk be: Az Applied Aluminum Research Corporation által kidolgozott eljárás II. lépése rendkívüli mértékben tökéletesíthető ajelen találmányban ismertetett eljárás alkalmazása esetén. Folyékony alumíniumkloridot porított szilárd mangánnal 180—640 C° közötti hőmérsékleten és 1—-30 atmoszféra közötti nyomáson reagáltatunk. Az alapvető kémiai reakcióegyenlet a következő: 3 Mn (szilárd) + 2 A1C13 (gáz vagy folyadék) = = 3MnCl2 (szilárd vagy oldat) +2 Al (szilárd) A fent említett körülmények mellett a mangán és az alumínium szilárd alakban, az alumíniumtriklorid gáz vagy folyadék alakban van a hőmérséklet és nyomás adott kombinációjától függően. A mangándiklorid szilárd alakban, vagy a folyékony alumíniumtriklorid feleslegében feloldva lehet. A mangándiklorid és az alumíniumtriklorid között továbbá bizonyos körülmények között kémiai komplexek képződhetnek, ezek lényegesen megnövelik a gázfázisban a mangán részarányát az alumíniumhoz képest. A termodinamikai számítások alapján az állapítható meg, hogy a fenti reakció kémiai egyensúlya a megjelölt körülmények között jobb oldal felé van eltolódva. így például a fenti reakciókomponensekkel a következő reakció mehet végbe: 3 Mn (szilárd) + 2 A1C13 (folyékony) =3 MnCl 2 (szilárd) + 2 Al (szilárd) Az előbbi reakció szabadenergia változása 500 és 600 K°-on megközelítően —18,3 Kcal és —16,6 Kcal. Az egyensúlyi állandó 500 és 600 K°-on ennek megfelelően közel 1,0 x 108 és 1,1 x 106 , jellemezve azt, hogy a reakció a jobb oldal irányában megy végbe. A megadott alacsony hőmérsékleten végbemenő munkafolyamat előnyei (az alumínium olvadáspontja alatt) számos tényezőből tevődik össze. így például kevésbé drága szerkezeti anyagok alkalmazhatók és a korróziós problémák minimálisra csökkenthetők, a reakciókomponensek hőcsere szükséglete és ezáltal az ehhez szükséges költségráfordítás csökken, az alumínium és mangán, amely tiszta vagy elkevert szilárd részecskék alakjában lehet, könnyen és egyszerűen érintkezésbe vihető a gázalakú vagy folyékony alumíniumkloriddal, bármely szokásos kivitelű berendezésben A kísérleti adatok azt bizonyítják, hogy a fenti reakció ténylegesen végbemegy a megadott reakciófeltételek között. A következő két példa néhány kísérleti feltételt ismertet, amelyek között az alumíniumtriklorid gáz és folyékony állapotban van (600 C°-on és 600 C° alatti hőmérsékleten). 1. példa Az 1. ábrán vázlatosan szemléltetett alacsony hőmérsékleten üzemelő gázalakú alurníniumtrikloriddal dolgozó berendezés a 26 reaktorból és a 22 alumíniumtriklorid fejlesztőből áll, amelyek egy 190 mm átmérőjű 19 vízszintes alumíniumcsőben vannak egyesítve. A 19 csőreaktor pyrexgyapottal 28 és 203,2 mm hosszú 24 üres térrészekre van egymástól elválasztva. A csőreaktor 22 alumíniumtrikloridot fejlesztő szakasza 101,6 mm hoszszú alumíniumszemcsékből álló ágyat tartalmaz, míg a 26 reaktorszakasz 127 mm hosszú 5 g mangánból álló ágyat tartalmaz. A 32 kondenzátor 50,8 mm átmérőjű lágyacélból készült 127 mm hosszú cső, amely a 30 tömszelencével van a kerámiacsővel összekapcsolva és 34 vezetéke és 36 szelepe van tetszés szerinti gáz lefuvatására. A reaktort és az alumíniumtrikloridot fejlesztő 5 csőszakaszt külön-külön hevítjük a 20 ellenálláshuzal segítségével. A 10 tartályból klórgázt vezetünk a 12 vezetéken és a 14 rotaméteren keresztül, a rotaméterrel mérjük az áramlási sebességet, amelyet 16 szeleppel szabályozunk. 10 A klórgázt a 18 vezetéken keresztül a 22 alumíniumtrikloridot fejlesztő részben elhelyezett alumíniumszemcsékhez vezetjük és ezáltal 300 C°-on alumíniumtrikloridot állítunk elő. Az így képezett alumíniumtriklorid ezután a 26 reaktorban elhelyezett mangánágyon halad 15 át, amelyben a mangán szemcsemérete 45—300 mikron között ingadozik. A mangán szemcseméretét úgy választjuk meg, hogy a méreteloszlás kellően nagy fajlagos felületet biztosítson jó gáz-szilárdfázis érintkezéshez. Különböző kísérleteket végeztünk 2 vagy 3 óra hosszat 20 5—5 g mangánnal 300—600 C°-on 0,75—3,2 g/óra alumíniumtriklorid áramlási sebességgel. A kapott eredmények a következők: III. táblázat Alacsony hőmérsékleten üzemelő gázalakú alumíniumkloridot fejlesztő berendezés (nyomás =1,05 atm) Adag (Mn %) Termék (Al %) Hőmérséklet (C°) A1C13 áramlási sebesség (gramm/óra) Idő (óra) 100 0,1 600 0,75 2,0 100 0,7 400 0,69 2,0 100 2,7 400 3,20 2,0 100 3,9 300 2,60 2,0 100 42,2 500 63,3 3,0 Az eljárás a szokásos gáz-szilárdfázis érintkezésére alkalmas reaktorokban vagy ilyen reaktorok kombiná-45 ciójában kivitelezhető. A MnCl2 -t az alumíniumtermékből MnCl2 —AIC1 3 gázkomplex alakban elgőzölögtetjük vagy folyékony AlCl3 -ban esetleg valamely más oldószerben feloldjuk. A reakció megállítható és a képződött alumínium a mangántól elválasztható pl. 50 alumíniumszubhalogenid desztillációval, cinkextrakcióval, zónás fagyasztással vagy hőmérsékletkülönbségen alapuló elgőzölögtetéssel. Különösebb magyarázatot nem igényel az a körülmény, hogy a gázfázisban végbemenő alumíniumtriklo-55 rid reakciók, amelyeket a táblázatban bemutattunk, optimálisra állíthatók be (reakciósebesség és a reakció teljessé tétele szempontjából) nagy nyomás és más változók, mint kisebb részecskeméret, hosszabb érintkezési idő, nagyobb gázsebesség beállításával, például transz-60 port- vagy ciklonreaktorokban vagy a hőmérséklet változtatásával. A 42,2% Al-t tartalmazó teimék azt mutatja, hogy a reakció 70%-os konverziós fokkal valósítható meg a mangánra vonatkoztatva vagyis az A1C13 áramlási sebességének a növelésével a hozam jelentősen "5 fokozható. 3
