DE19781533B4

DE19781533B4 - Kalzinierung unter Verwendung eines Flüssigmetall-Wärmeaustauschfluids

Info

Publication number: DE19781533B4
Application number: DE19781533T
Authority: DE
Inventors: Ivars Mirovics; Malcolm Timothy Frost; Raymond Louis Koenig; Peter James Tait
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO; Australian Magnesium Corp Pty Ltd; Australian Magnesium Operations Pty Ltd
Current assignee: Australian Magnesium Operations Pty Ltd
Priority date: 1996-01-17
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2017-01-18
Also published as: GB2324368A; IL125348A0; CA2241978C; DE19781533T1; NO983195L; GB9815304D0; AU1360997A; NO315501B1; US6482366B1; AU722012B2; JP2000503376A; IS1965B; GB2324368B; AUPN758496A0; IL125348A; CA2241978A1; WO1997026077A1; IS4793A

Abstract

Eine Vorrichtung zum Kalzinieren eines Materials, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
ein Kalzinierungsgefäß;
einen Wärmetauscher, der durch das Kalzinierungsgefäß gehäust ist;
ein Flüssigmetall-Wärmeaustauschfluid, das in dem Wärmetauscher angeordnet ist, um mittels des Wärmetauschers Wärme zu dem Material zu übertragen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Kalzinierung und spezieller auf die indirekt geheizte Kalzinierung. Kalzinierung ist das Verfahren des Unterwerfens eines Materials einer verlängerten Erhitzung bei ziemlich hohen Temperaturen.
Hintergrund der Erfindung
Bei einer direkt geheizten Kalzinierung wird das Material, das kalziniert werden soll, der Wärmequelle ausgesetzt, beispielsweise bei der Kalzinierung von Al(OH)₃ in AL₂O₃, bei der Al(OH)₃ durch die Verbrennung von Öl, Gas oder Kohle direkt erhitzt wird. Bei der indirekt beheizten Kalzinierung ist das Material, das kalziniert werden soll, von der Wärmequelle isoliert. Typischerweise ist das Material, das kalziniert werden soll, in einer zylindrischen Retorte enthalten, die in einem stationären, feuerfest ausgekleideten, zylindrischen Ofen gedreht wird, wobei die Verbrennung des Kraftstoffes in dem kreisförmigen Ring zwischen der Retorte und dem Ofen stattfindet. Derartige Kalzinierungsvorrichtung wurden zur Aktivierung von Holzkohle, zur Reduzierung von mineralischen hochwertigen Oxiden in niederwertige Oxide, zum Trocknen von Fluoridausfällungen in einer Wasserstoff-Fluoridatmosphäre, zur Kalzinierung von Silikagel, zum Trocknen und Beseitigen von Schwefel aus Kobalt, Kupfer und Nickel, zur Reduktion von Metalloxiden, zum Oxidieren von organischen Unreinheiten und zur Rückgewinnung von Formsand verwendet.
Die vorliegende Erfindung betrifft nicht die direkt beheizte Kalzinierung, wobei, im Gegensatz zu bekannten indirekt be heizten Kalzinierungsverfahren die vorliegende Erfindung eine indirekt beheizte Kalzinierung betrifft, bei der das Material, das kalziniert werden soll, in einem Kalzinierungsgefäß enthalten ist und durch Wärme erhitzt wird, die von einem Flüssigmetall, das durch einen Wärmetauscher in dem Kalzinierungsgefäß fließt, übertragen wird. Die vorliegende Erfindung ist sowohl auf Verfahren, bei denen ein fluidisiertes Bett des Materials, das kalziniert werden soll, in dem Kalzinierungsgefäß gebildet ist, als auch auf Verfahren, bei denen die Fluidisierung nicht verwendet wird, beispielsweise bei einer Kalzinierung mit indirekt beheizter Rotationstrommel, anwendbar. Die vorliegende Erfindung ist ferner auf Verfahren anwendbar, bei denen der Druck in dem Kalzinierungsgefäß atmosphärisch, größer als atmosphärisch oder kleiner als atmosphärisch ist.
Die DE 28 26 500 A1 zeigt eine Kalziniereinrichtung mit einem Kessel, der von einem Mantel umgeben ist, so daß zwischen der Kesselwand und dem Mantel eine Heizkammer gebildet ist. Die Heizkammer umfaßt Trennwände, die dieselbe in eine Mehrzahl von Kammerabschnitten unterteilt. Innerhalb des Kessels sind eine Reihe von ersten Rauchrohren angeordnet, die mit Kammerabschnitten der Heizkammer verbunden sind. Durch die Rohre wird ein Gas geführt, wobei die Rohre in mehreren übereinanderliegenden Ebenen angeordnet sein können, um eine gleichmäßige Verteilung der Wärme zu erreichen.
Die DE 35 22 496 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von Gips-Halbhydrat, die einen Reaktorraum zum Kalzinieren umfaßt. Der Reaktorraum ist von einem Wärmetauscher eng umschlossen, um ein gleichmäßiges Zuführen von Wärme zu ermöglichen. Der Wärmetauscher weist ein Wärmetauschmedium auf, das Öl oder heißen Wasserdampf umfassen kann. Ferner kann der Wärmetauscher aus einem Heizdraht bestehen, welcher um den Reaktorraum herum geschlungen ist.
Die WO 94/22763 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Magnesiumchlorid, bei dem eine Ammonikatverbindung nach einem Trocknen in einen Kalzinierer befördert wird, um MgCl₂ und ein NH₃-Gas zum Recyceln herzustellen. Die Entgegenhaltung 3 befaßt sich jedoch nicht mit einer spezifischen Ausgestaltung des Kalzinierers oder einer spezifischen Verwendung eines Wärmetauschmediums, um das Kalzinieren durchzuführen. Der Fachmann erhält somit auch aus der Entgegenhaltung 3 keinerlei Hinweise oder Informationen, die ihm das Schaffen der erfindungsgemäßen Gegenstands auf naheliegende Weise ermöglichen würde.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die ein kostengünstiges Kalzinieren ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Kalzinieren eines Materials, wobei die Vorrichtung ein Kalzinierungsgefäß aufweist, das einen Wärmetauscher häust, der angeordnet ist, um Wärme von einem Flüssigmetall-Wärmeaustausch-Fluid, das angeordnet ist, um durch den Wärmetauscher zu fließen, zu dem Material zu übertragen.
Die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein einzelnes Kalzinierungsgefäß aufweisen. Alternativ kann die Vorrichtung eine Reihe von Kalzinierungsgefäßen aufweisen, wobei jedes der Reihe von Kalzinierungsgefäßen angeordnet ist, um das Material partiell zu kalzinieren. Typischerweise weist die Reihe von Kalzinierungsgefäßen zwei oder drei Kalzinierungsgefäße auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalzinieren eines Materials in einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren das Übertragen von Wärme von einem Flüssigmetall-Wärmeaustauschfluid, das durch den Wärmetauscher innerhalb des Kalzinierungsgefäßes fließt, zu dem Material umfaßt.
Wenn die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein einzelnes Kalzinierungsgefäß aufweist, ist das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Einstufen-Kalzinierungsverfahren, während, wenn die Vorrichtung eine Reihe von Kalzinierungsgefäßen aufweist, das Verfahren ein Mehrstufen-Kalzinierungsverfahren ist.
Gemäß einem dritten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Material, das durch ein Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kalziniert wurde.
Flüssigmetalle, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind dadurch gekennzeichnet, daß dieselben relativ geringe Schmelzpunkte, relativ hohe Siedepunkte, relativ hohe Wärmeübertragungskoeffizienten, eine relativ hohe spezifische Wärme und relativ geringe Viskositäten aufweisen. Solche Flüssigmetalle umfassen Natrium, Potassium, Magnesium, Blei, Zinn, Quecksilber und Legierungen derselben. Eine Natrium-Potassium-Legierung, die einen Gewichtsanteil von 22% Natrium und einen Gewichtsanteil von 78% Potassium enthält, ist ein Beispiel einer geeigneten Flüssigmetallegierung.
Der Wärmetauscher (die Wärmetauscher), der (die) in dem Kalzinierungsgefäß (den Gefäßen) gehäust ist (sind), bildet (bilden) einen Teil einer geschlossenen Schleife mit dem Flüssigmetall, das außerhalb des Kalzinierungsgefäßes (der Gefäße) durch eine Heizeinrichtung erhitzt wird.
Flüssigmetalle, wie z.B. Natrium und Potassium, sind sehr reaktiv, weshalb aus Sicherheitsgründen das Flüssigmetall von der Atmosphäre und anderen Quellen von Reaktanden iso liert ist. Es kann daher bewirkt werden, daß das Flüssigmetall durch die Verwendung von einer oder mehreren mechanischen oder elektromagnetischen Pumpen durch die Wärmeaustauschschleife fließt.
Flüssigmetalle sind elektrische Leiter, weshalb zwangsweise bewirkt werden kann, daß dieselben unter dem Einfluß eines magnetischen Stroms fließen, wenn ein Strom senkrecht zu der Richtung des magnetischen Felds durch das Flüssigmetall geleitet wird. Eine Kraft wird in einer Richtung senkrecht sowohl zu dem magnetischen Feld als auch zu dem Stromfluß auf das Flüssigmetall ausgeübt. Beispielsweise kann ein Abschnitt der Wärmeaustauschschleife horizontal zwischen den Polen eines Elektromagneten (der angeordnet ist, um ein vertikal ausgerichtetes magnetisches Feld zu bewirken) verlaufen, wobei ein extern gespeister Strom horizontal in dem magnetischen Feld in einer Richtung, die senkrecht zu der gewünschten Flußrichtung des Flüssigmetalls ist, durch das Flüssigmetall geleitet wird. Elektromagnetische Pumpen sind vorteilhaft, da dieselben keinerlei bewegliche Teile besitzen.
Vorzugsweise wird bewirkt, daß das Flüssigmetall durch die Wärmeaustauschschleife fließt, indem dasselbe durch eine oder mehrere Zentrifugalpumpen geleitet wird. Zentrifugalpumpen sind gegenüber elektromagnetischen Pumpen bevorzugt, da Zentrifugalpumpen effizienter sind, und ferner in der Lage sind, größere Volumina zu pumpen. Jedoch machen die hohen Betriebstemperaturen einen sorgfältigen Entwurf der Zentrifugalpumpen, die zum Pumpen von Flüssigmetall verwendet werden, erforderlich. Faktoren, die bei dem Entwurf einer Zentrifugalpumpe zum Pumpen von Flüssigmetall beachtet werden müssen, umfassen die Wärmeableitung von der Pumpe, die Expansion von Komponenten der Pumpe, die kritische Rotationsgeschwindigkeit der Welle, die Operation der Lager in dem Flüssigmetall und das Abdichten der Welle, um eine Leckage des Flüssigmetalls zu verhindern.
In jedem Fall ist es bevorzugt, daß die Pumpe oder die Pumpen an dem kühlsten Punkt in der Wärmeaustauschschleife angeordnet sind, beispielsweise zwischen dem Ausgang des Wärmetauschers eines Einstufen-Kalzinierungsverfahrens und dem Punkt, an dem das Flüssigmetall erwärmt wird.
Als eine Alternative zu einer Pumpe kann ein Thermosiphon verwendet werden, um einen Fluß eines Flüssigmetalls durch die Wärmeaustauschschleife zu bewirken. Eine Thermosiphonzirkulation kann induziert werden, vorausgesetzt, daß eine ausreichende Dichtedifferenz zwischen den heißen und den kalten Abschnitten des Flüssigmetalls existiert.
Der Wärmetauscher kann eine Vielzahl von Formen annehmen. Der Wärmetauscher kann einfach eine Rohrleitung sein, die durch das Kalzinierungsgefäß verläuft. Um die Wärmeübertragung zu dem Material in dem Kalzinierungsgefäß zu erhöhen, ist es jedoch bevorzugt, daß der Wärmetauscher angeordnet ist, um den Oberflächenbereich für eine Wärmeübertragung zu maximieren. Der Wärmetauscher kann die Form einer Rohrleitung oder von Rohrleitungen mit einem serpentinenförmigen Kanal durch das Kalzinierungsgefäß besitzen. Alternativ kann der Wärmetauscher die Form einer Reihe von Rohrleitungen, die durch Verteiler oder Anschlüsse (Pigtails) verbunden sind, annehmen.
Alternativ zu einer Wärmeaustauschschleife, durch die das Flüssigmetall gepumpt wird, kann das Flüssigmetall in einem oder mehreren Wärmerohrleitungen enthalten sein. Jede Rohrleitung ist Teil eines geschlossenen, normalerweise evakuierten, Systems, das als der Wärmetauscher in das Kalzinierungsgefäß vorsteht. Wärme wird zu einem Abschnitt des Systems außerhalb des Kalzinierungsgefäßes zugeführt. Beispielsweise kann eine Wärmerohrleitung die Form einer Verbindungsrohrleitung annehmen, die durch die Unterseite des Kalzinierungsgefäßes verläuft, welche einen Basisabschnitt mit einem Wärmeaustauschabschnitt verbindet. Wärme kann dem Basisabschnitt von einer externen Quelle zugeführt werden, beispielsweise durch die Verbrennung von Gas oder dergleichen, was eine Erwärmung des enthaltenen Flüssigmetalls zur Folge hat, um einen Dampf und eine Bewegung des Metalldampfs durch die Verbindungsrohrleitung zu dem Wärmeaustauschabschnitt, an dem der Dampf auf den Wänden des Wärmeaustauschabschnitts kondensiert, zu erzeugen, wobei Wärme zu dem Material in dem Kalzinierungsgefäß übertragen wird. Bei Abkühlung kehrt das Flüssigmetall in dem Wärmeaustauschabschnitt durch die Verbindungsrohrleitung in den Basisabschnitt zurück, indem dasselbe wiederum erhitzt wird, um zu verdampfen. Ein Konvektionsfluß aus Flüssigmetall und Dampf wird folglich in der Wärmerohrleitung erzeugt, wobei die Wärme von dem Dampf zu den Wänden des Wärmeaustauschabschnitts und nachfolgend zu dem Material in dem Kalzinierungsgefäß übertragen wird. Wärmerohrleitungen sind vorteilhaft, da kein Pumpen des Flüssigmetalls erforderlich ist.
Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Kalzinierung von Magnesiumchlorid-Hexammoniat (MgCl₂·6NH₃) in wasserfreies Magnesiumchlorid (MgCl₂). Die vorliegende Erfindung wird hierin nachfolgend bezugnehmend auf eine solche Anwendung beschrieben, wobei es jedoch ausdrücklich offensichtlich ist, daß die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Anwendung beschränkt ist.
Magnesiummetall kann elektrolytisch aus MgCl₂ erzeugt werden, wobei MgCl₂ durch Kalzinierung von MgCl₂·6NH₃ unter Freisetzung von Ammoniak (NH₃) erzeugt werden kann. Die Kalzinierung von MgCl₂·6NH₃ für eine nachfolgende Erzeugung von Magnesiummetall ist aus einer Anzahl von Gründen problematisch.

– Eine große Wärmemenge ist erforderlich, da MgCl₂·6NH₃ bei einer hohen Temperatur, beispielsweise in der Größenordnung von 480°C, kalziniert werden muß, um MgCl₂ zu erzeugen.
– Eine direkt beheizte Kalzinierung ist aufgrund des Rein heitspegels, der für das Produkt MgCl₂ erforderlich ist, nicht möglich.
– Die kommerzielle Herstellung von Magnesiummetall durch Elektrolyse aus MgCl₂ erfordert die Kalzinierung von großen Mengen von MgCl₂·6NH₃.
– Die Kalzinierungsumgebung ist korrosiv, weshalb das Kalzinierungsgefäß aus aufwendigen Materialien hergestellt werden muß, um eine Verunreinigung des Produkts MgCl₂ zu begrenzen.
– Das Kalzinierungsverfahren ist ein Verfahren mit innerem Überdruck.
– Lange Verweilzeiten in dem Kalzinierungsgefäß sind aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung unerwünscht.

Für MgCl₂, das aus MgCl₂·6NH₃ hergestellt werden soll, müssen sechs NH₃-Moleküle aus jedem MgCl₂·6NH₃-Molekül entfernt werden. Bei einem Einstufen-Kalzinierungsverfahren gemäß dem zweiten. Aspekt der vorliegenden Erfindung lautet die Kalzinierungsreaktion wie folgt: MgCl₂·6NH₃ → MgCl₂ + 6NH₃ wobei ausreichend Energie in dem Kalzinierungsgefäß erforderlich ist, um alle sechs NH3-Moleküle zu beseitigen.
Ein Mehrstufen-Kalzinierungsverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft, da insgesamt weniger Energie und Wärmeaustauschfläche erforderlich ist. Beispielsweise kann ein Zweistufen-Kalzinierungsverfahren wie folgt dargestellt sein: MgCl₂·6NH₃ → MgCl₂·2NH₃ + 4NH₃ Stufe eins MgCl₂·2NH₃ → MgCl₂ + 2NH₃ Stufe zwei während ein Dreistufen-Kalzinierungsverfahren wie folgt dargestellt werden kann: MgCl₂·6NH₃ → MgCl₂·2NH₃ + 4NH₃ Stufe eins MgCl₂·2NH₃ → MgCl₂·NH₃ + NH₃ Stufe zwei MgCl₂·NH₃ → MgCl₂ + NH₃ Stufe dreiMgCl₂ wird vorzugsweise in einem Einstufen- oder Mehrstufen-Kalzinierungsverfahren mit fluidisiertem Bett aus MgCl₂·6NH₃ erzeugt, wobei NH₃ als ein Fluidisierungsgas verwendet wird. Eine hohe Reinheit des Produkts MgCl₂ ist stark erwüscht, da das Vorliegen von Verunreinigungen die elektrolytische Herstellung von Magnesiummetall aus MgCl₂ beeinträchtigen kann. Es ist daher bevorzugt, daß zumindest das Innere des Kalzinierungsgefäßes (der Gefäße) und das Äußere des Wärmetauschers (der Wärmetauscher) aus einem Material hergestellt sind, das ein Minimum von Verunreinigungen einbringt, und das einer Verschlechterung widersteht. Vorzugsweise wird aufgrund der Möglichkeit eines Metallverlustes oder der Verschlechterung der Eigenschaften desselben bei den Betriebstemperaturen kein rostfreier Stahl verwendet. Es ist vielmehr bevorzugt, spezielle Legierungen zu verwenden, beispielsweise INCONEL 600 oder INCONEL 601, die einen hohen Korrosionswiderstand, eine Festigkeit und eine Stabilität bei hohen Temperaturen besitzen. Alternativ kann das Kalzinierungsgefäß (die Gefäße) aus Kohlenstoffstahl hergestellt sein und innen mit isolierenden Keramikziegeln oder einem feuerfesten Material ausgekleidet sein.
Wie vorher erwähnt wurde kann der Wärmetauscher (die Wärmetauscher), der in dem Kalzinierungsgefäß (den Gefäßen) gehäust ist, einen Teil einer geschlossenen Schleife mit dem Flüssigmetall, das außerhalb des Kalzinierungsgefäßes (der Gefäße) durch eine Heizeinrichtung erwärmt wird, bilden. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, diejenigen Abschnitte der Wärmeaustauschschleife außerhalb des Kalzinierungsgefäßes (der Gefäße) aus einem Material wie z.B. rostfreiem Stahl herzustellen, um die Kosten zu minimieren. Das Flüssigmetall kann erwärmt werden, indem die Wärmeaustauschschleife durch eine Heizeinrichtung in der Form von einem oder mehreren mit Kohlenwasserstoff-Kraftstoff-aktivierten Kesseln oder elektrischen Heizern geführt wird. Die Temperatur in dem Kalzinierungsgefäß eines Einstufen-Kalzinierungsverfahrens oder in dem letzten Kalzinierungsgefäß eines Mehrstufen-Kalzinierungsverfahrens liegt vorzugsweise in dem Bereich von 460-500°C, noch bevorzugter bei 480°C. Für ein Einstufen-Kalzinierungsverfahren betritt das Flüssigmetall den Wärmetauscher vorzugsweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 700°C und verläßt den Wärmetauscher bei einer Temperatur in der Größenordnung von 550°C, woraufhin dasselbe vor dem erneuten Betreten des Wärmetauschers auf näherungsweise 700°C erwärmt wird.
Bei einem Zweistufen-Kalzinierungsverfahren betritt das Flüssigmetall den Wärmetauscher des ersten Kalzinierungsgefäßes vorzugsweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 550°C und verläßt dasselbe bei einer Temperatur in der Größenordnung von 300°C, wobei davon ausgegangen wird, daß dies eine Temperatur in dem Bereich von 210-230°C, vorzugsweise von etwa 220°C, in dem ersten Kalzinierungsgefäß liefert. Es wird angenommen, daß eine Kalzinierungstemperatur von näherungsweise 220°C ausreicht, um vier NH₃-Moleküle aus einem MgCl₂·6NH₃-Molekül entsprechend folgender Reaktion zu beseitigen: MgCl₂·6NH₃ → MgCl₂·2NH₃ + 4NH₃
Das Flüssigmetall wird zwischen dem ersten und dem zweiten Kalzinierungsgefäß vor dem Betreten des Wärmetauschers des zweiten Kalzinierungsgefäßes, wobei davon ausgegangen wird, daß hier die letzten zwei NH₃-Moleküle entsprechend der folgenden Reaktion beseitigt werden, vorzugsweise auf näherungsweise 700°C erwärmt: MgCl₂·2NH₃ → MgCl₂ + 2NH₃
Das Flüssigmetall verläßt den Wärmetauscher des zweiten Kalzinierungsgefäßes mit näherungsweise 550°C, woraufhin dasselbe vorzugsweise für eine Wiederholung des Heizzyklusses zu dem Wärmetauscher des ersten Kalzinierungsgefäßes zurückgegeben wird.
Bei dem Zweistufen-Kalzinierungsverfahren, das oben beschrieben ist, wird vorzugsweise MgCl₂ kontinuierlich aus dem zweiten Kalzinierungsgefäß beseitigt, wobei MgCl₂·6NH₃ kontinuierlich in das erste Kalzinierungsgefäß eingebracht wird, wobei MgCl₂·nNH₃ (wobei n näherungsweise 2 ist) kontinuierlich von dem ersten Kalzinierungsgefäß in das zweite Kalzinierungsgefäß übertragen wird.
Auf eine zu der oben für ein Zweistufen-Kalzinierungsverfahren beschriebenen gleichartige Art und Weise kann MgCl₂·6NH₃ in einem Dreistufen-Kalzinierungsverfahren entsprechend der folgenden Reaktionen zu MgCl₂ kalziniert werden: MgCl₂·6NH₃ → MgCl₂·2NH₃ + 4NH₃ → MgCl₂·NH₃ + NH₃ → MgCl₂ + NH₃
Eine Mehrstufen-Kalzinierung ist aus folgenden Gründen gegenüber einer Einstufen-Kalzinierung bevorzugt:

(a) der kummulative Oberflächenbereich der Wärmetauscher kann verglichen mit dem Oberflächenbereich eines Einstufen-Wärmetauschers reduziert sein;
(b) eine geringere Flüssigmetall-Austrittstemperatur von dem Wärmetauscher des ersten Kalzinierungsgefäßes verglichen mit der Flüssigmetall-Austrittstemperatur von dem Wärmetauscher eines einzelnen Kalzinierungsgefäßes ermöglicht, daß ein Pumpen, eine Flußmessung und ein Steuern des Flüssigmetalls bei einer tieferen Temperatur durchgeführt wird, wodurch die Verwendung einer weniger aufwendigen Ausrüstung möglich ist;
(c) bei einer Mehrstufen-Kalzinierung ermöglicht eine größere Gesamttemperaturdifferenz des zirkulierenden Flüssigmetalls, daß eine Pumpe geringerer Kapazität verwendet wird; und
(d) die Mehrstufen-Kalzinierung ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad bei der Erwärmung des Flüssigmetalls.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kalzinierungsgefäßes für eine Einstufen-Kalzinierung von MgCl₂·6NH₃ in MgCl₂, das einen Serpentinenwärmetauscher enthält;
2 eine schematische Darstellung des Kalzinierungsgefäßes von 1 und eines zugeordneten Gas-aktivierten Heizers;
3 ein partiell schematischer Querschnittaufriß eines Serpentinenwärmetauschers in einem Kalzinierungsgefäß;
4 eine partiell schematische Draufsicht des Wärmetauschers und des Kalzinierungsgefäßes von 3;
5 einen partiell schematischen Querschnittaufriß eines mit einem Verteiler versehenen Wärmetauschers in einem Kalzinierungsgefäß;
6 eine partiell schematische Draufsicht des Wärmetauschers und des Kalzinierungsgefäßes von 5;
7 einen partiell schematischen Querschnittaufriß eines alternativen Serpentinenwärmetauschers in einem Kalzinierungsgefäß;
8 eine partielle schematische Draufsicht des Wärmetauschers und des Kalzinierungsgefäßes von 7;
9 eine schematische Darstellung ähnlich der von 2, bei der ein Thermosiphon-Effekt verwendet ist, um eine Zirkulation des Flüssigmetalls zu bewirken;
10 eine schematische Darstellung des Kalzinierungsgefäßes für eine Einstufen-Kalzinierung von MgCl₂·6NH₃ in MgCl₂, die einen Abschnitt einer Wärmerohrleitung darstellt; und
11 eine schematische Darstellung von zwei Kalzinierungsgefäßen für eine Zweistufen-Kalzinierung von MgCl₂·6NH₃ in MgCl₂.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Bezugnehmend nun zunächst auf 1 ist das Kalzinierungsgefäß 10 für eine Kalzinierung von näherungsweise 15,7 T/Stunde von MgCl₂·6NH₃ konfiguriert, was näherungsweise 7,9 T/Stunde von MgCl₂ ergibt.
Das Kalzinierungsgefäß 10 ist aus 4 mm dickem INCONEL 600 hergestellt, weist einen Durchmesser von näherungsweise 3.500 mm und eine Höhe von näherungsweise 9.000 mm auf. Das Kalzinierungsgefäß 10 häust einen Wärmetauscher 12 in der Form eines Serpentinenwegs aus einer INCONEL 600-Röhre mit einem äußeren Durchmesser von 101,6 mm und einer Wanddicke von 3,05 mm. Natrium (Na) betritt den Wärmetauscher 12 mit einer Eintrittstemperatur von näherungsweise 700°C von einem Rohr 14 aus rostfreiem Stahl, fließt durch den Wärmetauscher 12 und verläßt das Kalzinierungsgefäß 10, um mit einer Austrittstemperatur von näherungsweise 550°C durch ein Rohr 16 aus rostfreiem Stahl zu fließen. Die Rohre 14 und 16 aus rostfreiem Stahl sind an den INCONEL 600-Wärmetauscher 12 geschweißt. MgCl₂·6NH₃ wird über eine Eintrittsöffnung 18 mittels herkömmlicher pneumatischer Partikelübertragungstechniken mit einer Rate von näherungsweise 15,7 T/Stunde in das Kalzinierungsgefäß 10 eingebracht. Ein fluidisiertes Bett 20 wird über einem Fluidisierungsgitter 22 gebildet, wobei ein NH₃-Fluidisierungsgas die Basis des Kalzinierungsgefäßes 10 über eine Eintrittsöffnung 24 betritt. Wärme, die durch den Fluß von Na durch den Wärmetauscher 12 zu dem fluidisierten Bett 20 übertragen wird, erhöht die Temperatur des fluidisierten Betts 20 auf näherungsweise 480°C. Die Kalzinierung von MgCl₂·6NH₃ ergibt näherungsweise 7,9 T/Stunde des Produkts MgCl₂ und näherungsweise 7,8 T/Stunde NH₃, das das Kalzinierungsgefäß 10 über Austrittsöffnungen 26 bzw. 28 verläßt. Das Produkt MgCl₂ wird unter Verwendung herkömmlicher pneumatischer Partikelübertragungstechniken über die Austrittsöffnung 26 beseitigt. NH₃, das durch die Kalzinierung von MgCl₂·6NH₃ erzeugt wird, ist zusammen mit dem NH₃, das über die Eintrittsöffnung 24 eingebracht wird, zur Wiederverwendung verfügbar.
Wie nun in 2 gezeigt ist, häust ein Kalzinierungsgefäß 10 derart, das bezugnehmend auf 1 beschrieben wurde, einen Wärmetauscher 12, durch den flüssiges Na fließt. Das Na wird durch eine Wärmeaustauschschleife mittels einer 30HP-Zentrifugalpumpe 30 zirkuliert. Die Wärmeaustauschpumpe besteht aus einem Wärmetauscher 12, einem Rohr 16 aus rostfreiem Stahl, einer Zentrifugalpumpe 30, einer Röhre 32 aus rostfreiem Stahl, die durch einen Gas-aktivierten Heizer 34 verläuft, und ein Rohr 14 aus rostfreiem Stahl, das das Na zu dem Wärmetauscher 12 zurückgibt. Die Pumpe 30 ist zwischen dem Kalzinierungsgefäß 10 und dem Heizer 34, was der kühlste Punkt in der Wärmeaustauschschleife ist, angeordnet. Das Na weist an der Pumpe 30 etwa 55°C auf und wird während des Durchlaufs durch den Heizer 34 auf näherungsweise 700°C erwärmt. Der Heizer 34 ist von herkömmlicher Bauart, wobei Luft durch die Bewegung eines Lüfters 38 durch eine Leitung 36 eingebracht wird, während Gas durch eine Leitung 40 eingebracht wird. Abwärme, die den Heizer 34 über eine Leitung 42 verläßt, durchläuft den Wärmetauscher 44, um ankommende Luft vorzuheizen, bevor dieselbe über ein Leitung 46 entlüftet wird.

Die vorliegende Erfindung ist auf die Verwendung eines Flüssigmetalls als ein Wärmeaustauschfluid beschränkt. Die folgende Tabelle zeigt Vorteile eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das ähnlich zu dem, das bezugnehmend auf 2 beschrieben wurde, ist (d.h. eine Einstufen-Kalzinierung mit fluidisiertem Bett), verglichen mit einer äquivalenten Einstufen-Anordnung mit fluidisiertem Bett, bei der Luft als das Wärmeaustauschfluid bei der Kalzinierung von näherungsweise 15,7 T/Stunde MgCl₂·6NH₃ verwendet wird. In beiden Fällen sind das Kalzinierungsgefäß und der Wärmetauscher aus INCONEL 600 hergestellt, um eine Verunreinigung des Produkts MgCl₂ zu reduzieren.

Anmerkung A:	Eine minimale Verweilzeit ist aufgrund der Reduzierung der Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung des Produkts MgCl₂ erwünscht.
Anmerkung B:	Der große Kostenunterschied ist eine Folge des Bedarfs, einen sehr großen elektrischen Lüfter zu betreiben, um heiße Luft als das Wärmeaustauschfluid zu zirkulieren, verglichen mit einer Pumpe in dem Fall von Natrium.

Die 3 bis 8 zeigen Konfigurationen verschiedener Wärmetauscher 12 für die Verwendung in einem Kalzinierungsgefäß 10. In allen Fällen ist der Wärmetauscher aus INCONEL 600 hergestellt. Die 3 und 4 zeigen einen Wärmetauscher 12, der in dem Kalzinierungsgefäß 10 einem Serpentinenweg folgt. Die 5 und 6 zeigen Anordnungen von Wärmetauschern mit Verteiler, bei denen vertikal angeordnete Arme 48 des Wärmetauschers 12 durch horizontal angeordnete Anschlußstücke 50 (Pigtails) verbunden sind. Die 7 und 8 zeigen einen vertikal angeordneten Serpentinenwärmetauscher 12, der an der Oberseite und der Unterseite in einem Kalzinierungskessel 10, der mit isolierenden feuerfesten Ziegeln oder Mörtel ausgekleidet ist, verzweigt ist.
Wie in 9 gezeigt ist, fließt Na abwärts durch eine Reihe von Wärmeaustauschelementen 52, die der Wärmetauscher 12 aufweist. Das Na wird durch einen Gasheizer 34 der Art, die bezugnehmend auf 2 beschrieben wurde, erwärmt und durch einen Thermosiphon-Effekt durch den Wärmetauscher 12 zirkuliert, wobei sich das Natrium durch den Heizer 34 aufwärts, während dasselbe erwärmt wird, und durch die Wärmeaustauschelemente 52 abwärts, während dasselbe abgekühlt wird, bewegt.
Wie in 10 gezeigt ist, wird Wärme durch die Verwendung einer Wärmerohrleitung 54, die einen Wärmetauscherabschnitt 12 aufweist, zu dem Material in dem Kalzinierungsgefäß 10 übertragen. Die Wärmerohrleitung 54 ist evakuiert und enthält Na sowohl als eine Flüssigkeit als auch als einen Dampf. Die Flüssigkeit Na wird durch einen Gasheizer 34 der Art, die bezugnehmend auf 2 beschrieben wurde, zu einem Dampf erhitzt. Der Na-Dampf bewegt sich über Rohrleitungen 56 aufwärts in den Wärmeaustauschabschnitt 12, wo die Wärme durch die Wände des Wärmeaustauschabschnitts 12 zu dem Material in dem Kalzinierungskessel 10 übertragen wird. Der Na-Dampf kondensiert, während derselbe auf den Wänden des Wärmeaustauschabschnitts 12 abkühlt und kehrt zurück, um durch den Gasheizer 34 wieder zu Dampf erhitzt zu werden. Ein Konvektionsfluß von Na wird durch diese wechselnde Verdampfung und Kondensation erzeugt.
Schließlich wird auf 11 Bezug genommen, in der eine Zweistufen-Kalzinierung von MgCl₂·6NH₃ zu MgCl₂ dargestellt ist, bei der ein erstes und ein zweites Kalzinierungsgefäß 10A bzw. 10B verwendet sind. Die Kalzinierungsgefäße 10A und 10B sind aus INCONEL 600 hergestellt und häusen Serpentinenwärmetauscher 12A bzw. 12B. Die Kalzinierungsgefäße 10A und 10B und die Wärmetauscher 12A und 12B sind von der Art, die bezugnehmend auf die 7 und 8 beschrieben wurde. Flüssiges Na betritt den Wärmetauscher 12A aus einem Rohr 14A aus rostfreiem Stahl mit einer Eintrittstemperatur von näherungsweise 550°C, fließt durch den Wärmetauscher 12A und verläßt das erste Kalzinierungsgefäß 10A, um mit einer Austrittstemperatur von näherungsweise 300°C durch ein Rohr 16A aus rostfreiem Stahl zu fließen. Danach wird das flüssige Na mittels einer Zentrifugalpumpe 30 zu dem Gas-aktivierten Heizer 34 (der Art, wie bezugnehmend auf 2 beschrieben wurde), wo dasselbe erwärmt wird, um über eine Leitung 14B den Wärmetauscher 12B mit einer Temperatur von näherungsweise 700°C zu betreten. Das flüssige Na wird aus dem Wärmetauscher 12B über eine Leitung 16B zu dem Wärmetauscher 12A wiedergewonnen, welche bei einer Temperatur von näherungsweise 550°C zu der Leitung 14A wird. Diese Wärmeaustauschschleife hat Temperaturen des fluidisierten Betts in dem Kalzinierungsgefäß 10A und 10B von näherungsweise 220°C bzw. 480°C zur Folge. Herkömmliche pneumatische Partikelübertragungstechniken werden verwendet, um MgCl₂·6NH₃ in das Kalzinierungsgefäß 10A einzubringen, um MgCl₂ aus dem Kalzinierungsgefäß 10B zu beseitigen, und um partiell kalziniertes Material aus dem Kalzinierungsgefäß 10A in das Kalzinierungsgefäß 10B zu übertragen. Im Vergleich zu der Einstufen-Kalzinierung, die bezugnehmend auf 2 beschrieben wurde, ermöglicht die Zweistufen-Kalzinierung von 11, daß die kombinierten Oberflächenbereiche der Wärmetauscher 10A und 10B näherungsweise 80% des Oberflächenbereichs des Wärmetauschers 10 von 2 ausmachen.

Claims

Eine Vorrichtung zum Kalzinieren eines Materials, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: ein Kalzinierungsgefäß; einen Wärmetauscher, der durch das Kalzinierungsgefäß gehäust ist; ein Flüssigmetall-Wärmeaustauschfluid, das in dem Wärmetauscher angeordnet ist, um mittels des Wärmetauschers Wärme zu dem Material zu übertragen.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Wärmeaustauschschleife, die den Wärmetauscher umfaßt, aufweist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die ferner eine Heizeinrichtung zum Erhöhen der Temperatur des Flüssigmetalls in einem Abschnitt der Wärmeaustauschschleife, der außerhalb des Kalzinierungsgefäßes liegt, aufweist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Heizeinrichtung einen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff-aktivierten Heizer oder einen elektrischen Heizer aufweist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, die ferner eine Pumpe in der Wärmeaustauschschleife aufweist, um einen Fluß eines Flüssigmetalls durch die Wärmeaustauschschleife zu induzieren, wobei die Pumpe bezüglich des Kalzinierungsgefäßes stromabwärts und bezüglich der Heizeinrichtung stromaufwärts angeordnet ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Pumpe eine mechanische Pumpe oder eine elektromagnetische Pumpe ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wärmetauscher eine Rohrleitung mit einem serpentinenförmigen Kanal in dem Kalzinierungsgefäß oder eine Reihe von Rohrleitungen, die durch Verteiler oder Anschlüsse verbunden sind, in dem Kalzinierungsgefäß aufweist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei der der Wärmetauscher eine Reihe von Wärmeaustauschelementen aufweist, wobei die Vorrichtung derart angeordnet ist, daß das Flüssigmetall unter dem Einfluß eines Thermosiphon-Effekts abwärts durch die Wärmeaustauschelemente fließt.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Wärmetauscher einen Teil einer evakuierten Wärmerohrleitung bildet, die angeordnet ist, um außerhalb des Kalzinierungsgefäßes erwärmt zu werden, um einen Konvektionsfluß des Flüssigmetalls in der Wärmerohrleitung zu liefern.
Eine Vorrichtung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Reihe von Kalzinierungsgefäßen aufweist, wobei jedes der Reihe von Kalzinierungsgefäßen angeordnet ist, um das Material partiell zu kalzinieren.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Vorrichtung eine Reihe von zwei oder drei Kalzinierungsgefäßen aufweist.
Eine Vorrichtung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei der das oder jedes Kalzinierungsgefäß ein Kalzinierungsgefäß mit fluidisiertem Bett ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Flüssigmetall aus Natrium, Potassium, Magnesium, Blei, Zinn, Quecksilber und Legierungen derselben ausgewählt ist.
Ein Verfahren zum Kalzinieren eines Materials in einer Vorrichtung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Vorrichtung zum Kalzinieren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13; Bewirken eines Fließens von Flüssigmetall-Wärmeaustauschfluid in dem Wärmetauscher; und Übertragen von Wärme von dem Flüssigmetall-Wärmeaustauschfluid, das durch den Wärmetauscher in dem Kalzinierungsgefäß fließt, zu dem Material.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Material ein Magnesium-Chlorid-Ammoniat ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Magnesium-Chlorid-Ammoniat MgCl₂·6NH₃ ist.