167894. lajstromszámú szabadalom • Eljárás alumínium,titán vagy szilícium előállítására
/ 167894 8 2. példa Alacsony hőmérsékleten folyékony alumíniumtrikloriddal üzemelő laboratóriumi berendezés egyszerűsített vázlatát szemléltetjük a 2. ábrán. A 40 szakaszos üzemelésű reaktor arra szolgál, hogy a mangán fémszemcséket bensőségesen érintkezésbe hozzuk a folyékony alumíniumtrikloriddal folyamatosan keverésben tartott berendezésben. A berendezés különböző reakcióidőtartamokig üzemeltethető 180—600 C° közötti hőmérsékleten, 1,0—31—32 atm. nyomáson, körülbelül 30—60 g mangán és 120—450 g alumíniumtriklorid adaggal. A 40 reaktor 63,5 mm átmérőjű 58 alumíniumoxidcsövet tartalmaz, amely 76,2 mm átmérőjű 60 saválló acélcsőben van elhelyezve és kívülről 62 ellenálláshuzallal van fűtve. Az 56 saválló acél keverőberendezés és 54 tengelye az 50 motorral együtt a 46 felső peremre van szerelve a 48 tömszelence segítségével. A reakciókeveréket a 44 vezetéken keresztül vezetjük be. Az 52 manóméiért a 42 vezetékben helyezzük el. A reakcióperiódus után a reagálatlanul maradt alumíniumtrikloridot a 64 vezetéken és a 66 szelepen keresztül ledesztilláljuk, majd a 68 kondenzátorba engedjük, amelyet a 70 vezetéken és 72 szelepen keresztül lefúvatunk. A kapott kísérleti eredményeket a IV. táblázatban foglaljuk össze. IV. táblázat Alacsony hőmérsékleten folyékony alumíniumtrikloriddal üzemelő berendezés Hőmérséklet C° Mangán beadagolt rész g Szemcseméret szitanyílás mérete mm Beadagolt alumíniumtriklorid, g Idő óra Termék Al % 200 250 300 350 400 450 350 350 350 60 60 60 60 30 30 30 6,9 0,6 0,044 0,074/0,044 0,074/0,044 0,074/0,044 0,074/0,044 0,074/0,044 2,362/1,168 0,074/0,044 0,074/0,044 120 120 168 188 450 450 300 1380 100 1,5 1,5 1,5 1,5 2,0 4,0 3,5 2,5 15,0 8,0 18,0 30,0 55,0 66,0 71,0 80,0 94,1 99,1 Megjegyezzük azt, hogy nemcsak az egyensúlyi állandó és termodinamikai feltételek igen kedvezőek a reakció befejezése szempontjából ha folyékony alumíniumtrikloridot és szilárd mangánt reagáltatunk, hanem az a körülmény is, hogy a reakciókinetika meglepő módon gyors, főként egy olyan reakció esetében, amely szokásos körülmények között lassú fém-fém diffúziós reakció által van korlátozva. Ha az A1C13 : Mn részarányt jelentősen növeljük, továbbá a reakcióidőt is, akkor az eredmények tovább javíthatók. A megadott módon nem csupán Al—Mn ötvözet, pl. Al6 Mn vagy Al 8 Mn 5 , hanem 99,1%-os Al is előállítható. A reakció gyorsaságának okai rendkívül bonyolultak és nem teljesen ismertek, azonban a következőket feltételezzük: Először az MnCl2 feloldódása a mozgó folyékony A1C13 áramban azt eredményezi, hogy a reakcióterméket eltávolítjuk a reakciófelület közvetlen közeléből. Másodszor a folyékony alumíniumtriklorid oldószerként szolgál a szilárd MnCl2 feloldására, amely a leakció folyamán a felületen az alumíniummal együtt képződik, 5 és így porózus részecskékből álló mikroszerkezetet eredményez, amelyen keresztül a folyékony alumíniumtriklorid könnyen hozzáfér a reagálatlanul maradt mangánhoz. A harmadik ok azon a jelenségen alapul, amely a porozitást eredményezi, vagyis az MnCl2 és az alumí-10 niumtermék térfogata jóval meghaladja a viszonylag nagy fajsúlyú mangán térfogatát így az a tendencia érvényesülhet, hogy a szilárd reakciótermék filmszerűen képződik, vagy a porózus alumíniumtermék duzzasztja a mangán tömegét és ezáltal a porozitás kifejlődéséhez 15 hozzájárul. A folyékony alumíniumtriklorid végbemenő reakció alkalmazásának előnye abban is rejlik, hogy az AICI3—MnCl2 folyadék forráspontja a reakció előrehaladásának mértékében emelkedik az MnCl2 növekvő 20 koncentrációja következtében. Ez lehetővé teszi a reakciónál a kedvező magasabb 600 C°-ig is teijedő hőmérsékletek alkalmazását, a 352,5 C°-ra korlátozott hőmérséklettel szemben, amely a tiszta alumíniumtriklorid kritikus hőmérsékletének felel meg. Ez a megnövelt 25 hőmérsékleti faktor tehát felhasználható a csökkenő alumíniumtriklorid koncentráció kiegyenlítésére, mely csökkenő koncentráció a reakció előrehaladásával az MnCl2 -tartalom növekedésének tulajdonítható. További MnCl2 vagy más oldható fémsók is adagolhatok abból 30 a célból, hogy az optimális reakciófeltételeket beállítsuk. A folyékony alumíniumtrikloridot alkalmazó eljárás előnye továbbá az, hogy a képződött termék könnyen elválasztható. 35 Először is amilyen mértékben a mangánrészecskéket alumíniumtermékkel helyettesítjük, olyan mértékben csökken a fajsúly a 7,4 g/ml mangán értékéről az alumínium 2,7 g/ml értékére. Ezáltal a reakciótermékek a fajsúlykülönbség felhasználásával könnyen elválaszt-40 hatók. Például a termék egy folyamatos működésű reaktorból folyadék áram alakjában leüríthető megközelítően azonos áramlási sebességgel miközben a mangánrészecskék visszamaradnak, vagy a szokásos fajsúlykülönbségen alapuló elválasztó berendezéseket is 45 alkalmazhatjuk a termékből az elválasztott mangánrészek visszavezetésére. Alternatív módon a teljes mangánmennyiség alumíniummal pótolható a reaktorban vagy a reaktorsorozatban abból a célból, hogy az alumínium elválasztása a köztitermékből feleslegessé vál-50 jon. Az alumíniumterméket úgy tisztíthatjuk meg a rátapadó MnCl2 -től, hogy azt friss folyékony AlCl 3 -dal mossuk, amelyben az MnCl2 oldódik. Az A1C1 3 50 súly% MnCl2 -t képes feloldani. A két só könnyen el-55 választható kristályosítással, szublimáció útján vagy az alumíniumtriklorid ledesztillálásával. Víz vagy szerves oldószerek is alkalmazhatók a visszamaradt MnQ2 vagy AICI3 eltávolítására. Az alumíniumtermék felületén visszamaradt alumí-60 niumtrikloridot könnyen eltávolíthatjuk, szublimáció vagy elgőzölögtetés útján. Az MnCl2 -t úgy távolítjuk el az AICI3 folyadékból, hogy az utóbbit 180 C°-on atmoszferikus forrponton elgőzölögtetjük, míg az MnCl2 forráspontja 1190 C°. Az MnCl2 -t egyébként kikristá-65 lyosíthatjuk a forró koncentrált MnCl2 - és A1C1 3 oldat-4
