DE337326C - Verfahren, um eine chemische Reaktion in zu Briketten geformten Mischungen durch elektrische Erhitzung zu bewirken - Google Patents

Description

• Verfährep, um eine chemische Reaktion in zu Briketten geformten Mischungen durch . elektrische Erhitzung zu bewirken. Viele Patente sind .in :den Industrieländern auf Verfahren und Vorrichtungen zum Fixieren von Stickstoff durch die Herstellung von Aluminiumnitrid erteilt worden, wobei ein Gemisch von. Aluminium bzw. Aluminiumerzen oder Aluminiumveribindungen, wie Tonende o. ,dgl., und, Kohle auf ein stickstoffhaltiges Gas in einem elektrischen Ofen bei einer geeigneten Temperatur wirkt.
• Keines dieser Verfahren und keine der dazu dienenden Vorrichtungen scheinen seich in der Praxis, bzw. für dien Fabrikationsbetrieb, bewährt zu haben. Diesem Mangel wird :durch das vorliegende Verfahren abgeholfen.
• Um die Porosität ider fein verteilten Aluminium- bzw. Tonerdemischung zu erhöhen und dadurch den Durchtritt des Gases zu erleichtern, ist auch vorgeschlagen worden, einen Überschuß von Kohlenstoff anzuwenden, jedoch hat di'es, offenbar nicht die Schwierigkeiten beseitigt.
• Es ist auch vorgeschlagen worden, eine gleichmäßige Verteilung des- elektrischen Stromes durch die Masse, unddadurch gleichmäßige Exhitzung durch den Strom auf die Weise zu erzielen, daß,die Mischung in Form von Briketten angewendet wird. Auch dies scheint nicht erfolgreich gewesen zu sein. Ferner eist empfohlen' worden, in den kontinuierlichen elektrischen Öfen, in welchen das behandelte Material als Heizwiderstand! dient, einen Überschuß von Kohlenstoff in derartigem Maße anzuwenden, daß .der Durchgang des Stromes trotz des Verbrauchs von Köhlenstoff während der Reaktion gesichert ist. In .diesem Falle ist empfohlen worden, die Mischung in pulverförmigem Zustande oder in Form von Agglomeraten anzuwenden, wobei der Kohlenstoff, der ,dazu dient, den Durchgang des Stromes zu sichern, besonders zugesetzt wird. Auch dieses Verfahren hat sich praktisch nicht bewährt.
• Die Aufgabe, welche gelöst werden sollte, bestand darin, eine gleichmäßig ble'b"ende Erhitzung der Mischjung bei geeigneter Temperatur zu erhalten, wozu es natürlich notwendig .ist, d'aß der elektrische Leitungswiderstand' durch die Masse während des Verfahrens gleichbleibt. Wenn an einzelnen Teilen der Beschickung, bzw. der Reaktionsmasse, Schmelzungen und damit Veränderungen in .dem Leitungswiderstand stattfinden, so ist naturgemäß der Heizprozeß in dem ganzen Ofen gestört, und es findet ein ungleichmäßiger Stromdurchgang, Kurzschluß o. digl. statt.
• Wenn die Mischung von Tonerde und Kohlenstoff in Form von Briketten angewendet wird, so haben die letzteren ,das Bestreben, unter der hohen Erhitzung zusammenzuschmelzen, woraus sich naturgemäß eine Veränderung in .dem Leitungswid'erstarnd an den Stellen, wo ein Zusammenschmelzen stattfindet, ergibt. An diesen Stellen wird der Leitungswiderstand bedeutend verringert und der Strom wird diese Stellen für seinen Durchgang vorziehen und von anderen Stellen abgelenkt werden. Die Folge ist, :daß die Hitze in ,der Beschickung sich ungleichmäßig verteilt, woraus sich, wie ersichtlich, viele Übelstände ergeben. Für eine erfolgreiche Durchführung des Verfahrens ist es unbedingt notwendig, d'aß die Hitze in allen Teilender Beschickung während,d'es ganzen, Verfahrens .gleich bleibt. Es ist der Zweck der vorliegenden Erfindung, diese Übelstände zu beseitigen.
• . Gemäß der Erfindung wird' fein verteilte Tonende, welche mehr oder weniger rein sein kann, wie z. B. kalzinierter natürlicher Bauxit, mit nur so viel fein verteiltem Kohlenstoff gemischt, als für die chemische Reaktion notwendig ist, und es werden a-us dieser Mischung, zweckmäßig unter Zusatz eines Bindemittels, Brikette hergestellt. Letztere mögen die Form kurzer Zy'lind'er erhalten, welche etwa 50 mm im Durchmesser haben und etwa q:5 mm lang sind. Es hat sieh in der Praxis herausgestellt, daß innerhalb gewisser Grenzen bessere Resultate mit unter stärkerem Druck hergestellten Briketten erzielt `verden, was wahrscheinlich seinen Grund darin hat, d'aß bei den stärker gepreßten Briketten Tonerde und Kohlenstoff miteinander besser in Berührung kommen. Diese Brikette werden mit Kohlenstoff oder einer an@dferen geeigneten, elektrischleitenden, schwerflüssigen Substanz, die mit unregelmäßiger Stückenform in Anwendung kommt, gemischt, -,vobei der Durchmesser -der Stücke etwa 1:2 bis 15 cm beträgt.
• Durch eine derartige kombinierte Anwendung von Briketten zusammen mit -den unregelmäßig geformten großen Stücken von Kohlenstoff o. dgl. werden .dfe Brikette am Schmelzen verhindert. Die Form und' Größe der Brikette und der Kohlenstoff- o. dgl. Stücke kann natürlich dem Verfahren entsprechend schwanken. Die Koh:lenstoffstücke haben hierbei eine größere elektrische Leitungsfähigkeit als die Brikette, und der Strom nimmt daher vorzugsweise seinen Weg durch die Kohlenstoffstücke o. dgl., welche bei diesem Verfahren gewissermaßen Heizelemente bilden, durch welche die Temperatur der Brikette auf einen bestimmten, für die Reaktion notwendigen Grad gebracht wird: Diese Heizelernente verhalten sich in- dem vorliegenden Verfahren chemisch indifferent. Sie halten,die Brikette mechanisch voreinander getrennt. und verhindern @dadurch ein Schmelzen bzw. Zusammenschweißen. Die Stücke bzw. Heizelemente der beschriebenen Art werden in einem derartigen Verhältnis zu den Briketten angewendet, d'aß sie eine Anzahl Leitungswege für den elektrischen Strom durch die Masse bilden. Es ist nicht ganz sicher,'bis zu welchem Grade der Heizwiderstand dieser durch dlie Masse der Brikette verteilten Kohlenstoffelemente auf deren geringes elektr's.ches Leitungsvermögen zurückzuführen ist, und wie weit hierbei der verhältnismäßig geringe Kontakt zwischen .den einzelnen Stücken eine Rolle spielt. Durch Versuche hat sich jedoch herausgestellt, daß die gewünschten Wirkungen erzielt werden, wenn .ungefähr 6o bis 65 Gewichtsprozente auf die .Kohlenstoffstücke bzw. Heizelemente kommen, während 35 bis 40 Prozent den Briketten zukommen. Für die- Erhaltung der Wärme ist es wünschenswert, die Menge der Widerstandselemente so nnbdrig wie möglich zu halten, sofern nur eine Schmelzung der Brikette verhindert wird. Jedoch soll damit nicht gesagt sein, daß bei den letzteren eine schwache Sinterung ganz ausgeschlossen ist. Vielmehr wind -durch einen schwachen Grad der Sinterung die Reaktion gefördert. Die Widerstandselemente werden vorzugsweise aus Kohlenstoff oder Graphit hergestellt, jedoch könnten sie auch aus einem anderen geeigneten schwerflüs,sigen Material bestehen. Der Kohlenstoff kann in Form von Koks, Kohle oder besonders präparierter Kohle, wie solche für die Herstellung von Elektroden ,dient, verwendet wenden. Der letzteren Form ist .der Vorzug gegeben. In Folge ihrer Stükkengröße und,des Umstandes, @däß der Raum zwischen den Stücken durch die kleineren Brikette ausgefüllt ist, wird offenbar, wenigstens bis zu einem gewissen Grade, e'n Schutz der Brikette gegen mechanische Verletzungen, Bruch o.,dgl. erzielt.
• Diese Mischung von Briketten und Widerstan@dskörpern wird in Form einer Säule abwärts durch einen elektrischen Ofen geführt, wobei die Säule mit feststehenden Elektroden in Berührung kommt, und die Mischung zwischen den Elektro,den den elektrischen Heizwid !erstand bildet. Zu gleicher Zeit wird durch diese Beschickungssäule ein beständiger, aufsteigender Strom; von Stickstoff oder .stickstoffhaltigem Gas durchgeleitet. Die chemische Einwirkung zwischen dem Stickstoff und d ler BI.schickung findet hierbei bei einer Temperatur von z8oo bis 2ooo° C statt. Bei diesem Verfahren könnte auch Generatorgasfeuerung oder eine andere geeignete Gasfeuerung Anwendung finden.
• Es ist bei diesem Verfahren von Wichtigkeit, daß der -Kohlenstoff oder Widerstandselemente, welche man auch in Hinblick auf .die chemische Reaktion als überschüssigen Kohlenstoff bezeichnen kann, die Porosität der Brikette nicht erhöht, und daß in den Briketten nur so viel Kohlenstoff angewendet ist, wie für d ie chemische Reaktion notwendig ist. Es wind vielmehr dichten, bzw. kondensierten Briketten der Vorzug vor porösen Briketten gegeben. Da ferner die Widerstandskörp2r im wesentlichen den ganzen elektrischen Strom führen, so ersetzen sie nicht den Kohlenstoff, welcher bei .der Reaktion in den Briketten verbraucht wird', und dier Widerstand in ,dem Ofen wird d ürch, den Fortschritt der chemischen Reaktion, bzw.,die Veränderung in der Zusammensetzung der Brikett-- nicht beeinflußt.
• Der Grad der Hitze, welche sich im Ofen entwickelt, wird,durch die angewendete elektrische Spannung bestimmt, da der Widerstand indem Ofen mehr oder weniger gleich bleibt.
• Infolge der bedeutend größeren Gestalt der Heizelemente bzw. Kohlenstücke ist es leicht, sie von der Charge, nachdem d'reese dem Ofen entnommen ist, d urch Sieben zu trennen. Die Kohlenstücke können von neuem benutzt .,werden, da sie in dem Ofen nur wenig Veränderung erleiden und lediglich etwas durch Reibung abgenutzt werden. Wenn sie schließlich . durch wiederholte Benutzung in ihrer Größe so weit verringert sind wie die Brikette, können sie aus ,dem Prozeß entfernt werden, @da es schwieriger wird, sie von den Briketten zu trennen.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung in einer Ausführungsform veranschaulicht, wobei der elektrische Ofen, in welchem das Verfahren ausgeführt wird, im senkrechten Schnitt veranschaulicht ist.
• Der elektrische Ofen io ist mit einem geeigneten feuerfesten Futter i i versehen und bildet in der Mitte einen senkrechten Schacht 12, .in den @die Beschickung durch Rinnen bzw. Röhren 13 eingeführt wird, während.` die behandelte Charge bei 1.4 aus dem Ofen abgezogen wird. Die Zuführung -der Beschikkung zu .dem Ofen und die Entnahme aus dem Ofen geschieht zweckmäßig ununterbrochen durch auf der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtungen, welche im allgemeinen dem Fachmann geläufig sind. .
• In der Mitte -des. Schachtes befindet sich an dem oberen Teile eine eingehängte Elektrode 15, welche an dem Schachtfutter von einem E4ektrodenring 16 konzentrisch umgeben ist. Im übrigen besteht :das Futter des Schachtes zweckmäßig aus hochfeuerfesten Kohlenblökken oder Steinen 17. Die Graphitelektroden sind durch Polklemmen 18 und i9 an einen elektrischen Strom angeschlossen,, so ;daß der Strom von einer Elektrode zu der anderen durch die zu behandelnde Masse hindurchgeht und in der letzteren die für den chemischen Prozeß notwendige Wärme erzeugt.
• Die Brikette 2o bestehen vorzugsweise aus einer mechanischen Mischung von fein verte'ltem Kohlenstoff, Tonerde und einem geeigneten Bindemittel, und' die Widerstandselemente 21 bestehen aus Kohl°nstoff und anderen geeigneten verhältnismäßig nicht flüssigen Sübstanzen. Diese Widerstan ,dselemente, welche eine größere elektrische Leitungsfähigkeit als die Brikette besitzen, bilden eiine Anzahl paralleler Wege für den elektrischen Strom. Da sie nur unvollkommen miteinander in Berührung gebracht sind und in sich d'em elektrischen Strom einen bedeutenden Widerstand bieten, wird die nötige Hitze erzeugt, welche die chemische Reaktion. in den Briketten bewirkt- - Diese Widerstandselemente lenken dien elektrischen Strom von den mehr oder weniger schmelzbaren Briketten ab: jedoch ist anzunehmen, daß :ei.n kleiner Teil des Stromes, der aber nicht schädlich wirken kann, durch die Brikette hindurchgeht. Diese -unschmelzbaren Widerstandskörper sind ziemlich gleichmäßig d furch die Mischung verteilt und bewirken eine fast gleichmäßige Erhitzung der Brikette, ohne d aß die letzteren durch ihren eigenen Widerstand wesentlich erhitzt bzw. überhitzt «-erden. In -die Besch'ckung wind von unten durch. Anschlußröhren 22, 23 Stickstoffgas oder -ein Stickstoff enthaltendes Gas eingeleitet. Das kalte Gas wirkt auf ,die in dem unteren Teil des Schachtes befindliche, bereits fertige Beschikku.ng abkühlend, so daß ein. verhältnismäßig kaltes Material aus dem Ofen abgezogen wird, während gleichzeitig das Gas beim Aufsteigen durch die abkühlende Beschickung derart vorgewärmt wird, daß es mit hoher Temperatur in die zwischen den Elektroden befindliche Reaktionszone eintritt. Das die Reaktionszone verlassende, mehr oder winiger verbrauchte Gas gibt seine Wärme an .die im oberen Teile des Schachtes befindliche Beschickung ab und wärmt diese dadurch vor. Die Beschickung gelangt daher mit verhältnismäßig hoher Temperatur in die Reaktionszone, und das Gas entweicht in fast kaltem Zustand'-- durch die an die Beschickungsröhren 13 angeschlossenen Röhren 24 und 25, die mit einem .gemeinsamen Rohre 26 verbunden sind. -%"'on -dem Rohr 26 wird idurch ein Zweigrohr 27 nur ein Teil des verbrauchten Gases ausgestoßen, während derRest des Gases durch einen Waschraum 28 zwecks Reinigung und Kühlung geleitet wird, um schließlich durch einen Zentrifugalventiqator 29 angesaugt und durch die -bereits erwähnten Röhren 22, 23 wieder in den Ofen eingeblasen zu werden. Zwischen dem Waschbehälter 28 und dem Gebläse 29 ist ein Röhr 31 -an das Rohr 26 angeschlossen, durch welches frisches, kaltes Gas angesaugt und mit dem bereits benutzten Gas vermischt werden kann, um den Verbrauch an Stickstoff auszugleichen. Das Gas nimmt demnach einen Kreislauf durch den Ofen, .in welchem ein Teil des Gases verbraucht wird, während ein anderer Teil zugesetzt wird: Es ist ersichtlich, daß das Gas der Beschickung im Überschuß zugeführt wird, wobei der Überschuß .dazu dient, die fertige Beschickung zu kühlen und die niedergehende frische Beschickung vorzuwärmen. Der überschuß an Gas dient demnach auch als- Wärmeträger und Wärmeaustauschmittel.

Claims (9)

1. PATGXT-ANSPRÜCIIG: i: Verfahren, um eine chemische Reaktion in zu Briketten geformten Mischungen -durch elektrische Erhitzung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, -daß die Brikette mit chem"sch indifferenten, -nur als elektrische Widerstandselemente ,dienenden besser leitenden Körpern ge- mischt werden, welche im Verhältnis zu den Briketten so groß und so zahlreich sind, daß die für die Reaktion nötige Hitze im wesentlichen durch den durch ,diese Widerstandskörper hindurchgehenden Strom erzeugt wird, -ohne daß -die Brikette selbst zusammenschmelzen können.
2. 2. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitri,d nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Aluminium enthaltenden Substanz, z. B. Tonerde o. dgl., mit geeigneten Zusätzen hergestellte Brikette mit Widerstand'skohlenkörpern beträchtlicher Größe gemischt in Gegenwart eines Stickstoff enthaltenden Gases zwischen Elektroden hindurchgeführt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstandskörper solche verwendet werden, die größer sind als die .damit gemischten Brikette.
4. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Brikette ixt der-Beschickung 35 bis q.o Gewichtsprozent und die Widerstandskörper 60 bis 65 Gewichtsprozent ausmachen.
5. 5. Verfahren nach Anspruch i und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskörper nach Beendigung der Reaktion von den Briketten getrennt und von neuem für eine frische Beschickung verwendet werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch i und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brikette aus einer Aluminium bzw. Tonerde und Kohle enthaltenden Mischung im Gewichtsverhältnis von etwa 3 zu 1 hergestellt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch i zur Herstellung von Aluminiumnitrid,dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung von etwa 3 Gewichtsteilen fein verteilter Tonerde o.,dgl. und einem Teil fein verteilten Kohlenstoffs. zu zylindrischen Körpern geformt wird, die etwa 50 mm im- Durchmesser und 45 mm in der Länge messen, und daß etwa 35 bis q.o Gewichtsteile dieser Brikette mit 6o bis 65 Gewichtsteilen einer chemisch neutralen, fast unschmelzbaren Substanz in Form von unregelmäßigen Stücken gemischt werden, deren Durchmesser etwa i2o bis 150 mm beträgt, worauf die Mischung von Briketten und Widerstandskörpern in bekannter Weise im Gegenstrom zu einem stickstoffhaltigen Gas kontinuierlich zwischen Elektroden -hindurchgeführt wird'. B.
8. Verfahren nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet; daß -das Reaktionsgas im Gegenstrom zu :der Beschikkung im Überschuß und in einem Kreislauf durch die Beschickung geführt wird, ,derart, @d'aß, nachidem der Gasstrom die Beschickung verlassen hat, nur ein Teil des gebrauchten Gases ausgestoßen wird, während andererseits dem zurückgeführten Gasstrom vor Eintritt in -die Beschikkung eine entsprechende Menge frisches Gas zugeführt wird. '
9. 9. Verfahren nach Anspruch i und 8, .dadurch gekennzeichnet, daß das gebrauchte Gas abgekühlt wird, bevor das frische Gas zugesetzt wird.