DD244766A5 - Verfahren und vorrichtung zum reinigen von lithium - Google Patents

Abstract

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man das Bad aus dem zu reinigenden, unter Intergas-Atmosphaere geschmolzenen Lithium ruehrt, die Verunreinigungen bei einer Temperatur zwischen 400C und 700C und einem Druck unterhalb von 10 Pascal selektiv verdampft und diese bei einer Temperatur unterhalb von 100C kondensiert. Die Vorrichtung besteht aus einem luftdichten, metallischen Vakuumbehaelter, gebildet aus einem geheizten, oberen Teil (1), der mit einem Aufnahmegeraet (9) fuer das geschmolzene Lithium (11) ausgeruestet ist, geruehrt wird und von dem aus die Verunreinigungen verdampfen, und einem gekuehlten, unteren Teil (13), der mit einer Kondensations-Oberflaeche (17) und mit einem Rohrleitungssystem (16) fuer die Lieferung des benoetigten Unterdruckes versehen ist. Die Erfindung wird bei der Reinigung von Lithium angewendet, insbesondere zur Entfernung von Natrium und Kalium, sowie darueber hinaus bei der Herstellung von Aluminium-Legierungen fuer die Beduerfnisse der Luftfahrt-Industrie.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Lithium, insbesondere zur Entfernung von Natrium und Kalium sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Man weiß, daß Lithium insbesondere für die Luftfahrtindustrie interessant ist, wo es, mit Aluminium legiert, die Herstellung von leichteren Blechen und massiven Teilen ermöglicht und einige mechanische Eigenschaften der klassischen Legierung verbessert.

Jedoch muß das für diesen Zweck verwendete Lithium eine entsprechende Reinheit besitzen, insbesondere darf es nur sehr wenig Alkalimetalle, wie Natrium und.Kalium, enthalten, denn diese Elemente setzen die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierungen beträchtlich herab.

Das auf chemischem oder elektrochemischem Wege erhaltene Lithium enthält im allgemeinen Natrium, das von dem Ausgangsprodukt stammt, und Kalium, insbesondere wenn es elektrolytisch hergestellt wird, weil mit dieser Technik meistens Bäder geschmolzener Salze angewendet werden, die Kaliumchlorid enthalten und weil diese Verbindung bei der Elektrolyse partiell dissoziiert, um so die Ursache für die Abscheidung des Kaliums gleichzeitig mit dem Lithium zu bilden.

Es erweist sich daher als notwendig, eine Reinigung des Lithiums von diesen Elementen vor der Verarbeitung zu Legierungen mit Aluminium durchzuführen.

Es ist aus der Abhandlung der Chimie Minerale de Pascal Tome II, ler fascicule, edition 1966, S. 25 bekannt, daß man das Lithium vom Kalium reinigen kann, indem man das Hydrit bei etwa 700⁰C destilliert, oder auch schrittweise den Gehalt an Natrium und Kalium absenken kann, indem man das Lithium bei etwa 400°C bis 450°C unter einem sehr geringen Druck in der Größenordnung von ungefähr 1.10~³ Pascal destilliert.

Aber diese Verfahren erfordern die vollständige Verdampfung des Lithiums und damit einen relativ beträchtlichen Verbrauchan Wärmeenergie. Außerdem ist der Trennungskoeffizient dieser Metalle gering und die Destillation muß langsam geführt werden, wenn man eine entsprechende Reinheit erzielen will. Das verursacht wiederum eine geringe Produktivität und verhindert insofern nicht den bedeutenden Lithiumverlust sowohl in Form von Verunreinigungen als auch durch Verdunstung.

Außerdem bildet das Ablaufen des flüssigen Lithiums an den Wandungen der Destillationskolonne den Grund für eine erhebliche Korrosion des im allgemeinen aus rostfreiem Stahl bestehenden Materials, die nachteilige Verunreinigungen des erhaltenen Metalls verursachen kann.

In Kenntnis dieser Nachteile hat die Anmelderin nach einem schnelleren Verfahren gesucht, das weniger verunreinigend und ökonomischer ist als die bekannten Verfahren, sowie nach einer Vorrichtung, die die Durchführung eines derartigen Verfahrens ermöglicht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Reinigung von Lithium, mit dem auf einfache und wirtschaftliche Weise Lithium von hoher Reinheit erhalten werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verunreinigungen selektiv zu verdampfen und eine geeignete Vorrichtung hierfür zur Verfügung zu stellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist, dadurch gekennzeichnet, daß man das Bad aus dem zu reinigenden, unter Inertgas-Atmosphäre geschmolzenen Lithium rührt, die Verunreinigungen bei einer Temperatur zwischen 400°C und 700⁰C und einem Druck unterhalb von 10 Pascal selektiv verdampft und diese bei einer Temperaturn unterhalb von 100°C kondensiert. Dieses Verfahren besteht also darin, daß man, nachdem die zu reinigende Lithiummasse unter Luftausschluß geschmolzen wurde, um ihre Oxidation zu vermeiden, das auf diese Weise entstandene Bad rührt, so daß ständig die freie Oberfläche erneuert wird, die sich in dem Aufnahmegefäß ausbildet, wo am Anfang das Lithium eingebracht wurde. Dieses Rühren kann durch mechanische Mittel, wie Rührer oder durch elektrische Mittel, wie durch Wechselstrom gespeiste elektromagnetische Spulen erfolgen, die in dem Bad elektrische Kräfte induzieren und die wiederum ihrerseits durch Wechselwirkungen mit dem magnetischen Feld, das sie bilden, die zum Rühren geeigneten Laplace-Kräfte entwickeln.

Während der gleichen Zeit, in der man rührt, wird das Metall auf einer Temperatur zwischen 400°C und 700⁰C gehalten und der atmosphärische Druck an der freien Oberfläche des Bades auf einen Wert von niedriger als 10 Pascal abgesenkt, so daß dadurch eine Verdampfung bewirkt wird. Das Auf rechterhalten der Temperatur kann mit Hilfe von Heizelementen erfolgen, die außerhalb des Bades angeordnet sind, um ihre Korrosion durch das Lithium zu vermeiden. Der reduzierte Druck wird durch eine entsprechende Pumpvorrichtung hergestellt, wie sie beispielsweise die Verbindung einer Flügelkolbenpumpe mit einer Diffusionspumpe darstellt.

Die Spanne der festgehaltenen Temperatur resultiert aus der Tatsache, daß eine höhere Temperatur die Lithiumverluste vergrößert, während eine niedrigere Temperatur die Verdampfungsgeschwindigkeit herabsetzt. Innerhalb dieser Spanne muß ein Druck von weniger als 10 Pascal aufrechterhalten werden, um eine ausreichende Verdampfung zu erreichen. Die günstigen Bedingungen bei der Durchführung des Verfahrens entsprechen einer Temperatur zwischen 53O⁰C und 570⁰C und einem Druck zwischen 1.10~¹ und 1.10"³ Pascal.

Die unter diesen Bedingungen realisierte Verdampfung erweist sich daher als sehr selektiv, das heißt, daß sie fast ausschließlich die Verunreinigungen Natrium und Kalium betrifft und man keine merkliche Verdampfung des Lithiums zu verzeichnen hat, wobei das außerdem mit relativ großer Geschwindigkeit erfolgt, die auf diese Weise ermöglicht, eine angemessene Produktivität zu erreichen. Im Hinblick auf die Beschaffenheit der erfindungsgemäßen Mittel wird das darauffolgende Problem der Korrosion und der Verschmutzung beseitigt.

DasVerdampfenumfaßtebenfalls eine Kondensationsphase, die es ermöglicht, die verdampften Verunreinigungen im flüssigen oder festen Zustand aufzufangen. Diese Kondensation erfolgt bei einer Temperatur von unterhalb von 100⁰C und vorzugsweise von unterhalb 5O⁰C. Es ist dabei tatsächlich wünschenswert, die Kondensation bei einer möglichst niedrigen Temperatur durchzuführen, um die Verdampfung günstig zu beeinflussen und eine Geschwindigkeit aufrechterhalten zu können, die mit derJL angestrebten Produktivität übereinstimmt.

Die Erfindugn umfaßt ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem luftdichten, metallischen Vakuumbehälter besteht, der gebildet wird aus;

— einem oberen Teil, ausgerüstet mit Mitteln zur Heizung, zum Rühren, zur Beschickung und zur Entnahme des Lithiums, sowie zum Messen des Niveaus und der Temperatur, wobei im Inneren von diesem Teil ein Aufnahmegefäß angeordnet ist, wo das Lithium eine Verdampfungsoberfläche zum Vakuumbehälter hin aufweist;

— einem unteren Teil, ausgerüstet mit Mitteln zur Wärmeübertragung, einem Ablaßschieber und einem Rohrleitungssystem, das mit einer Pumpvorrichtung verbunden ist, wobei im Inneren von disem Teil eine zur Kondensation bestimmte, umlaufende Oberfläche angeordnet ist, dicht über ihre gesamte äußere Peripherie und mindestens über einen Teil ihrer Höhe an der inneren Wandung des Vakuumbehälters befestigt, wobei der Innenraum der genannten Oberfläche den oberen Teil des Vakuumbehälters mit dem Rohrleitungssystem verbindet.

Bei dieser Vorrichtung ist die Kondensationsoberfläche mindestens gleich der Verdampfungsoberfläche, um bei dem Reinigungsverfahren eine ausreichende Wirksamkeit zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird mit Hilfe der anliegenden Zeichnung beschrieben.

Die Zeichnung zeigt einen vertikalen axialen Schnitt einer besonderen Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Figur 1 zeigt einen zylinderisch-konischen Vakuumbehälter aus Stahl, der zur umgebenden Luft hin dicht ist und gebildet wird aus:

— einem oberen, zylindrischen Teil 1, geheizt mit Hilfe von elektrischen Widerstandselementen 2, ausgerüstet mit Mitteln zum Rühren, die hier aus einer Ringspule 3 bestehen, in der ein elektrischer Wechselstrom fließt, sowie Mitteln zur Beschickung 4 und zur Entnahme 5 des Lithiums, mit einer Sonde 6 zur Messung des Niveaus des Lithiums, mit einem unten verschlossenen Rohr, in dem sich ein Thermoelement 7 befindet, und mit einer Öffnung 8 zum Einleiten von neutralem Gas, wobei im Inneren von diesem Teil ein Aufnahmegefäß 9 aus Stahl NSCM, innen ausgekleidet mit reinem Eisen, angeordnet ist, das am Deckel des Vakuumbehälters durch Träger 10 aufgehängt ist und das Bad 11 aus Lithium enthält, das seinerseits eine Verdampfungsoberfläche 12 aufweist;

— einem unteren, konischen Teil 13, der eine doppelte Umhüllung 14 besitzt, in deren Inneren ein Kühlmittel zirkuliert, ausgerüstet an seinem unteren Ende mit einem Ablaßschieber 15 für die Verunreinigungen und an seinem seitlichen Teil mit einem Rohrleitungssystem 16, das mit einer nicht dargestellten Pumpvorrichtung verbunden ist, wobei im Inneren von diesem Teil eine zur Kondensation bestimmte, umlaufende Oberfläche 17 angeordnet ist, dicht über ihre gesamte äußere Peripherie und entlang dem Kranz 18 an der inneren Wandung des Vakuumbehälters 1; 13 befestigt, die den oberen Teil des Vakuumbehälters 1 mit dem Rohrleitungssystem 16 verbindet. Auf dieser Oberfläche 17 ist eine Hülse befestigt, die es

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wie folgt:

In den zuvor durch Einleiten eines Argonstromes in die Öffnung 8 von der Luft gereinigten Vakuumbehälter 1; 13, wozu man das Argon durch den Schieber 15 abziehen kann, wird das zu reinigende Lithium in das Aufnahmegefäß 9 durch die Beschickungsmittel 4 eingetragen, wobei man das Niveau mit Hilfe der Sonde 6 verfolgt und das Gefäß 9 mittels der elektrischen Widerstandselemente 2 auf eine entsprechende Temperatur aufheizt, die durch das angeordnete Thermoelement 7 reguliert wird. Der Vakuumbehälter 1; 13 wird dann durch Inbetriebnahme der Pumpvorrichtung über das Rohrleitungssystem 16 mit einem entsprechenden Unterdruck versehen, während der untere Teil 13 durch Einbringen eines kalten Kühlmittels in die doppelte Umhüllung 14 gekühlt wird, so daß die Temperatur der Kondensationsoberfläche 17 auf dem gewünschten Wert gehalten und durch das Thermoelement 19 überwacht werden kann.

Dann werden die Rührmittel 3 in Betrieb genommen. Die Verunreinigungen verflüchtigen sich über die Verdampfungsoberfläche 12 des Metallbades und die Dämpfe kondensieren auf der Kondensationsoberfläche 17. Nach einer Rührdauer, die von der Menge des Lithiums, von seiner Zusammensetzung und dem Grad der gewünschten Reinheit abhängt, werden die Rührmittel 3 außer Betrieb gesetzt, die Pumpvorrichtung abgeschaltet, das gereinigte Lithium entnommen und die Verunreinigungen mittels des Bodenschiebers 15 abgezogen. Um diesen Vorgang zu ermöglichen, wird das Kühlmittel auf eine für das Schmelzen der kondensierten Verunreinigungen ausreichende Temperatur gebracht, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 100⁰C und 200⁰C.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Anwendungsbeispiel veranschaulicht.

Eine Charge von 10 kg Lithium, die in Gewicht 200 ppm Natrium und 100 ppm Kalium enthielt, wurde bei einer Temperatur von 55O⁰C und einem Druck von 1.10^-2 Pascal 6 Stunden lang in einer Vorrichtung behandelt, bei der die Kondensationsoberfläche doppelt so groß wie die Verdampfungsoberfläche war. Die Temperatur der Kondensationsoberfläche betrug 100⁰C. Man erhielt 9,95kg Lithium mit einem Gehalt von 5ppm Natrium und 2ppm Kalium.

Diese Zahlen zeigen die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, das seine Anwendung insbesondere bei der Reinigung von Lithium findet, das insbesondere zur Herstellung von Aluminiumlegierungen für die Bedürfnisse der Luftfahrtindustrie bestimmt ist.

Claims (8)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Reinigung von Lithium, gekennzeichnet dadurch, daß man das Bad aus dem zu reinigenden, unter Inertgas-Atmosphäre geschmolzenen Lithium rührt, die Verunreinigungen bei einerTemperaturzwischen400⁰C und 700°C und einem Druck unterhalb von 10 Pascal selektiv verdampft und diese bei einer Temperatur unterhalb von 100⁰C kondensiert.
2. 2. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnetdadurch, daß man das Bad mechanisch rührt.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß man das Bad elektromagnetisch rührt.
4. 4. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur zwischen 530°C und 570⁰C beträgt.
5. 5. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß der Druck zwischen 1.10"¹ und 1.10"³ Pascal beträgt.
6. 6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kondensationstemperatur unterhalb von 50°liegt.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus einem luftdichten, matallischen Vakuumbehälter (!; 13) besteht, gebildet aus:

   — einem oberen zylinderischen Teil (1), ausgerüstet mit Mitteln zur Heizung (2), zum Rühren (3), zur Beschickung (4) und zur Entnahme (5) des Lithiums, sowie zum Messen des Niveaus (6) und derTemperatur (7), wobei im Inneren von diesem Teil (1) ein Aufnahmegefäß (9) angeordnet ist, wo das Lithium eine Verdampfungsoberfläche (12) zum Vakuumbehälter (1; 13) hin aufweist;

   — einem unteren konischen Teil (13), ausgerüstet mit Mitteln zur Wärmeübertragung (14), einem Ablaßschieber (15) und einem Rohrleitungssystem (16), das mit einer Pumpvorrichtung verbunden ist, wobei im Inneren von diesem Teil (13) eine zur Kondensation bestimmte, umlaufende Oberfläche (17) angeordnet ist, dicht über ihre gesamte äußere Peripherie und mindestens über einen Teil ihrer Höhe an der inneren Wandung des Vakuumbehälters (1; 13) befestigt, wobei der Innenraum der genannten Oberfläche (17) den oberen Teil (1) des Vakuumbehälters mit dem Rohrleitungssystem (16) verbindet.
8. 8. Vorrichtung nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Kondensationsoberfläche (17) mindestens gleich der . Verdampfungsoberfläche (12) ist.

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