DE19924495A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von NaDCI¶4¶ - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von NaDCI¶4¶Info
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von NaDCl¶4¶, worin D Aluminium oder Eisen bedeutet, wobei in einem ersten Reaktionsschritt eine Schmelze von Aluminium oder Eisen mit Chlorgas zu gasförmigem Metallhalogenid und anschließend dieses in einem zweiten Reaktionsschritt mit festem Natriumchlorid zu der entsprechenden Verbindung umgesetzt und als Schmelze abgetrennt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von NaDCl4, worin D Aluminium oder Eisen bedeutet,
wobei in einem ersten Reaktionsschritt eine Schmelze von Aluminium
oder Eisen mit Chlorgas zu gasförmigem Metallhalogenid und
anschließend dieses in einem zweiten Reaktionsschritt mit festem
Natriumchlorid zu der entsprechenden Verbindung umgesetzt und als
Schmelze abgetrennt wird.
Schmelzen von Salzen wie z. B. NaAlCl4 haben verschiedene
Einsatzgebiete. Salzschmelzen können als Speichermedium in
Wärmespeichern, als Wärmeübertragungsmittel, z. B. in Heizbädern,
zum Abdecken und Reinigen geschmolzener Metalle, zur
galvanotechnischen Beschichtung von hochschmelzenden
Werkstoffen oder als Schmelzelektrolyte in Primärbatterien, wie in
GB 2046506 beschrieben, eingesetzt werden. Eine weitere
Einsatzmöglichkeit dieser Salze ist in wiederaufladbaren
Natriumbatterien. Die Salze werden in Batterien eingesetzt, die
Betriebstemperaturen zwischen 130°C und 200°C haben (Abraham,
J. Electrochem. Soc., Vol. 137, 1189-1190, (1990)).
In DE 34 19 279 wird eine elektrochemische Zelle beschrieben, in der
die Kathodenmatrix mit einem Natrium-Aluminiumhalogenid-
Salzschmelzelektrolyt imprägniert ist.
Ein relativ neues Einsatzgebiet ist die "ZEBRA-Batterie". Diese
Hochtemperatur-Zelle besteht aus einer Elektrode aus flüssigem
Natrium, einem beta Aluminium Elektrolyten und einer Elektrode aus
Übergangsmetallchlorid in NaAlCl4-Schmelze (Cleaver, J.
Electrochem. Soc., Vol. 142, 3409-3413, (1995)).
In DE 37 18 920 wird die Herstellung von Salzschmelzen über die
Zugabe eines reinen Metalls und eines Alkalimetallhalogenids zur
Schmelze beschrieben. Die Reaktionszelle wird oberhalb des
Schmelzpunktes der Salzschmelze betrieben. Das
Alkalimetallhalogenid ist in dem Ausführungsbeispiel NaCl, das
schmelzflüssige Alkalimetall Natrium, und der Separator ist Beta-
Aluminiumoxid. Aufgrund des Einsatzes von reinem Natrium müssen
besondere Sicherheitsvorkehrungen, wie das Arbeiten unter
Schutzgasatmosphäre, getroffen werden. Die Reaktionen müssen in
separaten Zellen ablaufen, da eine Vergiftung des Separators durch
das gebildete Nebenprodukt AlHal3 verhindert werden muß.
Bisher bekannte Herstellverfahren für Salzschmelzen arbeiten
sämtlich chargenweise. Eine Ansatzfahrweise besitzt gegenüber
einem kontinuierlichen Herstellverfahren einige gravierende
Nachteile. Bei einem Chargenwechsel muß die Apparatur geöffnet
werden. Dabei kann das Produkt durch den Sauerstoff der
Umgebungsluft, Wasser und Staub verunreinigt werden. Durch den
Chargenwechsel kommt es zu Standzeiten der Anlage und damit zu
einer verringerten Raum-Zeit-Ausbeute. Für ein effektives
diskontinuierliches Verfahren muß mit großen Apparaturen gearbeitet
werden. Der Einfahrprozeß benötigt entsprechend mehr Energie und
Zeit. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere beim Anfahren der
Anlagen Verunreinigungen in den Prozeß eingeschleust werden. In
FR 2168912 wird ein aufwendiges Reinigungsverfahren für
Alkalihalogenaluminate dargestellt. Der 2-stufige Reinigungsprozeß
setzt sich aus einer Sauerstoffbehandlung zum Abbau der
organischen Verunreinigungen und einer Aluminiumbehandlung zur
Fällung von Eisen und Schwermetallen zusammen. Die
Aluminiumbehandlung muß unter Stickstoff- oder Argonatmosphäre
durchgeführt werden.
Zur Herstellung der Alkalihalogenaluminate wird die Reaktion von
entsprechenden Aluminiumhalogeniden und Alkalihalogeniden im
geschlossenen Rohr beschrieben (Friedmann, J. Am. Chem. Soc.,
72, 2236-2243, (1950)). Es wurde bei diesem Verfahren ein
Druckanstieg auf bis zu 6-7 Atmosphären festgestellt, was zu
Problemen führt (FR 2168912). Die Apparaturen müssen mit den
entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen ausgestattet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kontinuierliches Verfahren zur
Herstellung reiner Salzschmelzen zur Verfügung zu stellen, das die
nachteiligen Umgebungseinflüsse ausschließt, den Energiebedarf
minimiert und eine optimale Raum-Zeit-Ausbeute ermöglicht.
Aufgabe ist es auch, große Mengen von Salzschmelzen in kürzester
Zeit zur Verfügung zu stellen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung von Salzschmelzen und deren Mischungen der
allgemeinen Formel
NaDCl4 (I)
worin
D Al oder Fe
bedeutet, das in einem ersten Reaktionsschritt (i) eine Schmelze von Aluminium oder Eisen mit Chlorgas zu gasförmigem Metallhalogenid (DCl3) und anschließend dieses in einem zweiten Reaktionsschritt (ii) mit festem Natriumchlorid zu der entsprechenden Verbindung der Formel (I) umgesetzt und als Schmelze abgetrennt wird.
D Al oder Fe
bedeutet, das in einem ersten Reaktionsschritt (i) eine Schmelze von Aluminium oder Eisen mit Chlorgas zu gasförmigem Metallhalogenid (DCl3) und anschließend dieses in einem zweiten Reaktionsschritt (ii) mit festem Natriumchlorid zu der entsprechenden Verbindung der Formel (I) umgesetzt und als Schmelze abgetrennt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens, bestehend im wesentlichen aus einem
Reaktionsgefäß (1) enthaltend die Schmelze des Metalls D, mit einer
Zuführungsvorrichtung für Chlorgas (2), eine Auffangvorrichtung für
gasförmiges Metallchlorid (4) oberhalb des Reaktionsgefäßes (1) und
einem weiteren Reaktorgefäß (5), welches Natriumchlorid in fester
Form enthält und mit besagter Auffangvorrichtung verbunden ist.
Die Verfahrensprodukte sind für die Verwendung als
Schmelzelektrolyt in elektrochemischen Zellen, als Speichermedium
in Wärmespeichern, als Wärmeübertragungsmittel, z. B. in
Heizbädern, zum Abdecken und Reinigen geschmolzener Metalle,
zur galvanotechnischen Beschichtung von hochschmelzenden
Werkstoffen oder als Schmelzelektrolyte in wiederaufladbaren
Natriumbatterien und Primärbatterien geeignet.
Bei den alternativen Verfahren werden die Feststoffe z. B. NaCl und
AlCl3 gemischt und bis zur Schmelztemperatur erwärmt. Die dazu
nötige Wärmemenge muß von außen zugeführt werden.
Überraschend wurde gefunden, daß die Exothermie der Reaktion von
Aluminium oder Eisen (D) mit Cl2 zu Aluminium- oder Eisenchlorid
(DCl3) für den weiteren Prozeß zur Herstellung von NaDCl4 genutzt
werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Prozeß entsteht DCl3 (mit D = Al oder
Fe) bei Temperaturen zwischen 700°C und 1200°C. Dieses wird, im
Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, in gasförmiger Form einer
Alkalisalzschüttung von NaCl zugeführt.
Es wurde gefunden, daß die mitgeführte Wärme des Gases (DCl3)
ausreicht, um das Alkalisalz (NaCl) auf die Schmelztemperatur der
Salzschmelze NaDCl4 (I) zu erwärmen.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist der Einsatz billigerer
Rohstoffe und die Nutzung der freiwerdenden Reaktionswärme zur
Temperierung des Prozesses. Dadurch können Verfahrensschritte,
wie die Kondensation des Metallhalogenids (DCl3), eingespart und
der Energiebedarf zur Durchführung des Prozesses reduziert werden.
Es wurde gefunden, daß durch die kontinuierliche Verfahrensführung
störende Umgebungseinflüsse ausgeschlossen werden können.
Damit kann nach der Einlaufphase eine gleichbleibend hohe Qualität
des Produktes eingestellt werden.
Für das Verfahren können alle dem Fachmann geeignet
erscheinenden kontinuierlich arbeitenden Reaktionsgefäße
verwendet werden. Für die Umsetzung mit Chlorgas ist eine
Zuführungseinrichtung zur Gaseinleitung erforderlich. Das
Reaktionsgefäß ist feuerfest ausgemauert. Es empfiehlt sich eine
keramische Auskleidung, die gegen die eingesetzten Materialien und
die hohen Temperaturen unempfindlich ist.
Über eine Feststoffdosiereinheit (3) wird das Metall D in Pulver- oder
Granulatform für den Prozess bereitgestellt.
Zum Auffangen des Reaktionsproduktes (DCl3) ist über dem
Reaktionsgefäß (1) für die Schmelze eine Auffangvorrichtung (4),
versehen mit einer Zuleitung zum nachgeschalteten Reaktionsgefäß
(5), installiert.
Die Einspeisung des Reaktionsproduktes erfolgt zwischen dem
oberen Viertel und dem unteren Viertel des Reaktorgefäßes (5),
welches eine Mischung aus Metall D und Natriumchlorid in fester
Form enthält. Damit kann eine vollständige Umsetzung der
Reaktanten zu den Reaktionsprodukten gewährleistet werden.
Die entstehende Salzschmelze läuft durch die Alkalisalzschüttung
(NaCl), welche durch ein Trägerrost oder eine grobe Filterplatte
getragen wird, nach unten ab.
Über eine Feststoffdosiereinheit (6) wird dem Reaktionsgefäß (5)
kontinuierlich, entsprechend der Menge an gebildetem und
abgetrenntem Endprodukt, eine Mischung aus festem Natriumchlorid
und Metall D in Pulver- oder Granulatform zugeführt.
Durch Wasser, welches durch die Rohstoffe eingeschleust wird,
entsteht unerwünschtes HCl-Gas. Dieses kann durch Beimengungen
des entsprechenden Metalfgranulats oder -pulvers (D) in der
Alkalisalzschüttung zum Metallhalogenid (DCl3) abreagieren.
Es empfiehlt sich, daß dem Reaktorgefäß (5) in Fließrichtung zur
Aufreinigung der Schmelze ein weiteres Reaktorgefäß (7) mit
Alkalisalzschüttung nachgeschaltet wird, um das entstehende
Metallhalogenid (DCl3) wiederum zu NaDCl4 abreagieren zu lassen.
Eine Temperiervorrichtung ist lediglich für die einmalige Aufheizung
in der Startphase und gegebenenfalls zur Kühlung notwendig. Auch
die zur Aufschmelzung des Metallgranulats (D) notwendige Energie
wird durch die Reaktionswärme bereitgestellt.
Das Verfahren kann je nach Bedarf kontinuierlich oder
diskontinuierlich geführt werden.
Nachfolgend wird ein allgemeines Beispiel der Erfindung näher
erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt Fig. 1 ein
Reaktionsgefäß mit Metallschmelze 1 mit einer
Zuführungseinrichtung für Chlorgas 2 und Feststoffdosierer 3,
Auffangvorrichtung für gasförmiges Metallchlorid DCl3 4 und
Reaktorgefäß 5 mit Metallgranulat- bzw. Metallpulver- und
Alkalisalzschüttung und Feststoffdosierer 6 sowie einem
nachgeschalteten Reaktorgefäß 7.
Zur Herstellung von Salzen, entsprechend der Formel (I), und deren
Mischungen, können die Rohstoffe dem Reaktionsgefäß (1)
vorgemischt über den Feststoffdosierer (3) zugeführt werden. Die
Befüllung kann unter Inertgas durchgeführt werden.
Das beheizbare Reaktionsgefäß (1) enthält flüssige Metallschmelze.
Als Metalle (D) sind Eisen und Aluminium geeignet. Über die
Zuführungseinrichtung (2) wird Chlorgas in die Reaktionsapparatur
geleitet. Das Volumen der Schmelze und der Volumenstrom des
Gases wird in Abhängigkeit von der erforderlichen Verweilzeit und
dem gewünschten Durchsatz bestimmt. Im Reaktionsgefäß (1) wird
eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls (D)
eingestellt.
Über die Auffangvorrichtung (4) für das entstehende
Reaktionsprodukt wird das gasförmige Metallhalogenid (DCl3) zum
Reaktionsgefäß (5) geleitet.
Das Metallhalogenid wird zwischen dem oberen und dem unteren
Viertel des Reaktorgefäßes (5), bevorzugt zwischen dem oberen
Viertel und der Mitte, der Metallgranulat- bzw. Metallpulver- und
Alkalisalzschüttung zugeführt. Entsprechend dem Verbrauch wird
dem Reaktorgefäß über einen Feststoffdosierer (6) ständig eine
Mischung aus Metallgranulat oder -pulver (D) und Alkalisalz (NaCl)
zugeführt.
Das Metalllialogenid (DCl3) wird im Reaktorgefäß (5) mit dem
Alkalisalz zu NaDCl4 umgesetzt.
Durch Kontakt mit Wasser bzw. Luftfeuchtigkeit kann die Schmelze
verunreinigt sein. Der entstehende Halogenwasserstoff kann mit dem
der Salzschüttung des Reaktorgefäßes (5) beigemengten
Metallgranulat (D) zum Metallhalogenid (DCl3) abreagieren.
Zur weiteren Verarbeitung wird das Metallhalogenid über das
Reaktorgefäß (7) geleitet. Die mit Alkalisalz NaCl bestückte
Aufreinigungseinheit wird von unten nach oben durchströmt. Hierbei
wird das Metallhalogenid DCl3 mit dem Alkalisalz NaCl zum
gewünschten Salz NaDCl4 umgesetzt.
Die Durchströmung des Reaktorgefäßes (7) von unten nach oben ist
nicht zwingend. Sie hat jedoch den Vorteil, daß die durch die
Reaktion kleiner werdenden Partikel nicht durch die Strömung auf die
Siebplatte gedrückt werden und diese verstopfen. Dennoch ist auf
diese Weise eine homogene Durchströmung (Pfropfenströmung) in
der Säule gewährleistet. Die homogene Durchströmung ist für die
vollständige Umsetzung in der Aufreinigungseinheit wesentliche
Voraussetzung.
Das im folgenden gegebene Beispiel wird zur besseren
Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung gegeben, ist jedoch
nicht dazu geeignet, die Erfindung auf die hierin offenbarten
Merkmale zu beschränken.
Zur Herstellung von 1 kg/h NaAlCl4 wird einem Reaktionsgefäß mit
vorgelegter Aluminiumschmelze 453,7 g/h Cl2-Gas aus einem
Vorratsgefäß zugeführt. Gleichzeitig werden über einen
Feststoffdosierer 172,5 g/h Aluminiumgranulat dem Reaktionsgefäß
zugeführt. Das entstehende AlCl3 entweicht dem Reaktionsgefäß
gasförmig und wird über eine Auffangvorrichtung einem
Reaktorgefäß zugeführt, das eine Schüttung aus granularem
Kochsalz und Aluminium enthält. Dieses Reaktionsgefäß wird von
einem weiteren Feststoffdosierer mit 373,8 g/h NaCl versorgt. Je
nach Bedarf kann diesem Salz eine bestimmte Menge granulares
Aluminium zur Reaktion mit HCl beigemengt sein.
Das entstehende dünnflüssige Aluminat läuft unten aus dem
Reaktionsgefäß und wird dann vorteilhafterweise noch über ein
Reaktorgefäß, welche eine Schüttung aus reinem Kochsalz enthält,
geleitet. Darin reagieren Reste an AlCl3 ebenfalls zum gewünschten
Produkt.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von Salzschmelzen und deren
Mischungen der allgemeinen Formel
NaDCl4 (I)
worin
D Al oder Fe
bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Reaktionsschritt (i) eine Schmelze von Aluminium oder Eisen mit Chlorgas zu gasförmigem Metallhalogenid (DCl3) und anschließend dieses in einem zweiten Reaktionsschritt (ii) mit festem Natriumchlorid zu der entsprechenden Verbindung der Formel (I) umgesetzt und als Schmelze abgetrennt wird.
NaDCl4 (I)
worin
D Al oder Fe
bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Reaktionsschritt (i) eine Schmelze von Aluminium oder Eisen mit Chlorgas zu gasförmigem Metallhalogenid (DCl3) und anschließend dieses in einem zweiten Reaktionsschritt (ii) mit festem Natriumchlorid zu der entsprechenden Verbindung der Formel (I) umgesetzt und als Schmelze abgetrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Umsetzung des zweiten Reaktionsschrittes (ii) mit einer Mischung
aus Natriumchlorid und festem Metallgranulat oder -pulver (D) erfolgt,
wobei das Metall (D) mit eventuell gebildetem HCl in einem weiteren
Reaktionsschritt (iii) zum entsprechenden Metallchlorid (DCl3) in der
Schmelze umgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das als
Nebenprodukt gebildete Chlorid des Reaktionsschrittes (iii) durch
Umsetzung mit festem Alkalichlorid in einem nachgeschalteten
Reaktionsschritt (iv) zur Verbindung der Formel (I) umgesetzt und
zusammen mit der Hauptmenge der nach Reaktionsschritt (ii)
gebildeten Verbindung der Formel (I) als Schmelze abgetrennt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die frei werdende Energie bei der Umsetzung
des Metalls mit Chlorgas für die anschließende Umsetzung mit NaCl
zum Produkt genutzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umsetzung kontinuierlich erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
betreffende Metall D und die besagte Mischung aus Metall D und
Natriumchlorid jeweils in fester Form kontinuierlich, entsprechend der
Menge an gebildetem und abgetrenntem Endprodukt, zugegeben
wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 6, bestehend im wesentlichen aus einem
Reaktionsgefäß (1) enthaltend die Schmelze des Metalls D, mit einer
Zuführungseinrichtung für Chlorgas (2), eine Auffangvorrichtung für
gasförmiges Metallchlorid (4) oberhalb des Reaktorgefäßes (1) und
einem weiteren Reaktorgefäß (5), welches Natriumchlorid in fester
Form enthält und mit besagter Auffangvorrichtung verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Feststoffdosiereinheit (3), vorgesehen ist, welche das Metall D in
Pulver- oder Granulatform enthält und mit dem Reaktionsgefäß (1)
verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gaszuleitung zum Reaktorgefäß (5) zwischen dem oberen Viertel
und der Mitte des Reaktorgefäßes erfolgt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Feststoffdosiereinheit (6) vorgesehen ist,
welche eine Mischung aus festem Natriumchlorid und Metall D in
Pulver- oder Granulatform enthält und mit dem Reaktorgefäß (5)
verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Reaktorgefäß (5) ein weiteres
Reaktorgefäß (7) nachgeschaltet ist, welches festes Natriumchlorid
enthält.
12. Verwendung der Vorrichtung gemäß der Ansprüche 7 bis 11 zur
Herstellung von Salzschmelzen der Formel (I) für elektrochemische
Zellen, Batterien, Speichermedien in Wärmespeichern, zur
Abdeckung und Reinigung geschmolzener Metalle und zur
galvanischen Beschichtung von Werkstoffen.
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