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Dokumentenidentifikation DE3636704C2 28.02.1991
Titel Verfahren zur Herstellung von kleinen, hochreinen Magnesiumoxidteilchen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Ube Industries, Ltd., Ube, Yamaguchi, JP
Erfinder Yoshida, Kozaburo;
Nishida, Akio;
Adachi, Toru, Ube, Yamaguchi, JP
Vertreter Bartels, H.; Fink, H., Dipl.-Ing.; Held, M., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 28.10.1986
DE-Aktenzeichen 3636704
Offenlegungstag 27.05.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.02.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.02.1991
IPC-Hauptklasse C01F 5/04

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kleinen, hochreinen Magnesiumoxidteilchen durch Oxidation von dampfförmigem Magnesium mit molekularem Sauerstoff, wobei man ein Magnesiumdampf enthaltendes Gas und ein Intergas in eine Mischzone einführt und das gebildete Mischgas aus der Mischzone in eine Oxidationszone überführt, wo ein molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas auf das Mischgas auftrifft und das Magnesium zu Magnesiumoxidteilchen oxidiert, und wobei man in einer Auffangzone die Magnesiumoxidteilchen von dem Restgas abtrennt.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, daß kleine Teilchen verschiedener Metalloxide, z. B. aus Magnesiumoxid und Calciumoxid, eine ausgezeichnete Wärmewiderstandsfähigkeit aufweisen und ausgezeichnete elektrisch isolierende Eigenschaften haben und infolgedessen in vorteilhafter Weise zur Herstellung von keramischen Materialien, Katalysatoren, Pigmenten oder Füllstoffen auf den verschiedensten technischen Gebieten Verwendung finden. In jüngerer Zeit hat sich insbesondere gezeigt, daß sehr kleine Metalloxidteilchen mit einer sehr kleinen Teilchengröße von 0,1 µm oder darunter verschiedene besondere Eigenschaften aufweisen, die verschieden sind von den Eigenschaften grobkörniger Metalloxidteilchen. So weisen beispielsweise sehr kleine Metalloxidteilchen eine ausgezeichnete chemische Reaktivität auf, und zwar aufgrund ihrer großen Gesamtoberfläche und der hohen Oberflächenenergie dieser Teilchen. Auch zeichnen sich sehr kleine Metalloxidteilchen dadurch aus, daß sie magnetische und optische Eigenschaften aufweisen, die von jenen üblicher Metalloxidteilchen in Form einer Masse aufgrund des sehr geringen Volumens der einzelnen Teilchen verschieden sind.

Die erwähnten besonderen Eigenschaften eröffnen für sehr kleine Metalloxidteilchen neue Anwendungsgebiete, beispielsweise als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Katalysatoren, gesinterten Stoffen, porösen Materialien, Sensormaterialien, magnetischen Materialien und Pigmenten.

Insbesondere haben sich sehr kleine oder feine Magnesiumoxidteilchen als besonders geeignet als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Sintermaterialien oder Sensormaterialien erwiesen. Infolgedessen besteht ein starkes Bedürfnis nach kleinen hochreinen Magnesiumoxidteilchen.

Es ist ferner bekannt, kleine Metalloxidteilchen nach verschiedenen Methoden herzustellen, einschließlich Verfahren, die in flüssiger Phase ablaufen und Verfahren, die in der Gasphase durchgeführt werden.

Insbesondere durch Gasphasenreaktion lassen sich sehr kleine Metalloxidteilchen herstellen, indem die Metalloxid bildende Reaktion unter geeigneten Bedingungen mit hoher Effizienz durchgeführt wird, da bei diesem Verfahren die erhaltenen kleinen Metalloxidteilchen nicht leicht agglomerieren, die Bildung von sekundären Agglomeraten sehr gering ist und die Reaktionsbedingungen leicht bestimmt werden können.

Es hat demzufolge nicht an verschiedenen Versuchen gefehlt, neue Gasphasenreaktionsverfahren zu entwickeln, die zur Herstellung von hochreinen Magnesiumoxidteilchen geeignet sind.

Die Gasphasenreaktionsmethoden lassen sich einteilen in eine erste Methode, bei der Metalldampf in Kontakt mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas bei einer Temperatur gebracht wird, bei der der Metalldampf zu feinen Metalloxidteilchen oxidiert werden kann und in eine zweite Methode, bei der Metalloxidteilchen in einer Verbrennungsflamme erzeugt werden, die durch Verbrennung eines entsprechenden Metalles erzeugt wird, das oxidiert werden kann.

Bei der ersten Gasphasenreaktionsmethode wird beispielsweise metallisches Magnesium in einer inerten Gasatmosphäre unter Erzeugung von Magnesiumdämpfen erhitzt. Die Magnesiumdämpfe werden dann in einen oxidierenden Bereich überführt, in den des weiteren ein molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas eingeführt wird, und zwar im Gegenstrom zu dem Strom aus Magnesiumdämpfen, so daß die Magnesiumdämpfe in Kontakt mit dem Sauerstoff gelangen, und mit dem molekularen Sauerstoff reagieren. Diese Methode zur Erzeugung von kleinen oder feinen Magnesiumoxidteilchen von hoher Reinheit wird beispielsweise in der tschechoslowakischen Patentschrift 1 39 208 beschrieben.

Aus einer Arbeit von Takanori Watari, Kazumi Nakayoshi und Akio Kato, veröffentlicht in dem Journal of Japanese Chemical Society, Nr. 6, Seiten 1075 bis 1076 (1984) ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von kleinen Magnesiumoxidteilchen bekannt, bei dem metallisches Magnesium erhitzt wird und bei dem die erhaltenen Magnesiumdämpfe gemeinsam mit Argongas in einen Reaktor überführt werden und mit einer Sauerstoff (O2)- Stickstoff (N2)-Gasmischung vermischt werden.

Die im vorstehenden erwähnten Methoden weisen jedoch Nachteile auf. So hat sich gezeigt, daß, wenn Magnesiumdämpfe in eine oxidierende Zone unter Verwendung einer Düse eingespeist werden, ein Teil der eingespeisten Magnesiumdämpfe rund um die offene Stirnseite der Düse oxidiert wird, wobei sich die erhaltenen Magnesiumoxidteilchen auf der Düse abscheiden und die Stirnseite der Düse blockieren oder verstopfen. Aufgrund dieses Phänomens läßt sich das Oxidationsverfahren nicht über längere Zeiträume hinweg kontinuierlich durchführen. Dies bedeutet, daß das Oxidationsverfahren von Zeit zu Zeit unterbrochen werden muß, damit die Niederschläge aus Magnesiumoxidteilchen von der Stirnseite der Düsen entfernt werden können. Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen üblichen Methoden besteht darin, daß, wird die Oxidationsoperation bei höheren Temperaturen von 800 bis 1600°C ausgeführt, das abgeschiedene Magnesiumoxid auf der offenen Stirnseite der Düsen zusammensintert. Dieses Phänomen führt zu einer beträchtlichen Abnahme der Ausbeute an nicht-gesinterten Magnesiumoxidteilchen.

Zu unerwünschten Abscheidungen von Magnesiumoxidteilchen und damit zu Beeinträchtigungen im Betriebsablauf kommt es auch bei dem aus der DE-OS 34 18 424 bekannten Verfahren, bei dem man Magnesium bei einer Temperatur von 700°C oder darüber in einer Verdampfungszone, durch die ein Inertgasstrom geführt wird, verdampft und bei dem man den erhaltenen Magnesiumdampf enthaltenden Inertgasstrom in einen Oxidationsraum einleitet, in den gleichzeitig ein molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas eingespeist wird.

Hinzukommt, daß bei den üblichen Methoden, um kleine Magnesiumoxidteilchen von sehr geringer Größe zu erzeugen, es gewöhnlich erforderlich ist, die Magnesiumdämpfe mit einer großen Menge an inertem Gas zu verdünnen, um das verdünnte Magnesiumdämpfe enthaltende Gas in Kontakt mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas zu bringen. Die Magnesiumdämpfe werden durch Aufschmelzen und Verdampfen von metallischem Magnesium bei erhöhten Temperaturen erzeugt und dann mit einem inerten Gas in einer Verdünnungszone verdünnt. Enthält das inerte Gas Verunreinigungen, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, die mit den Magnesiumdämpfen reagieren können, so scheiden sich die erhaltenen Magnesiumverbindungen in der Verdünnungszone ab. Infolgedessen ist es erforderlich, die reaktionsfähigen Verunreinigungen aus dem inerten Gas zu entfernen. Diese Notwendigkeit erfordert die Durchführung eines komplizierten teuren Reinigungsverfahrens, wodurch die Produktionskosten der kleinen Magnesiumoxidteilchen beträchtlich erhöht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von kleinen, hochreinen Magnesiumoxidteilchen anzugeben, die sich durch eine sehr kleine und gleichförmige Größe auszeichnen und die mit hoher Effektivität durch eine oxidative Gasphasenreaktion in industriellem Maßstabe hergestellt werden können, ohne daß dabei die Nachteile der bekannten Verfahren in Kauf genommen werden müssen. Insbesondere sollten Abscheidungen von Magnesiumoxidteilchen an der offenen Stirnseite der Düsen oder Mundstücke, durch welche Magnesiumdämpfe in eine Reaktionszone eingeführt werden, verhindert werden, so daß eine unliebsame Blockierung oder eine nachteilige Verstopfung der offenen Stirnseite der Düsen oder Mundstücke durch abgeschiedene Magnesiumoxidteilchen vermieden wird.

Für das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist wichtig, daß das Magnesiumdampf enthaltende Gas mit dem Inertgas in der Mischzone vermischt wird, die durch die Mischkammer definiert ist und zwischen der Düse für die Einführung von Magnesiumdampf enthaltendem Gas und der Oxidationskammer, die den Oxidationsbereich bilden, angeordnet ist.

Der durch die Mischkammer definierte Mischbereich bewirkt eine effektive Verdünnung des Magnesiumdampfes mit dem Inertgas, wobei ein direkter Kontakt des Magnesiumdampfes mit dem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas verhindert wird. Die erhaltene Gasmischung mit dem verdünnten Magnesiumdampf bewirkt in effektiver Weise eine Verminderung der Wachstumsgeschwindigkeit der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen, wenn die Gasmischung in die oxidierende Zone fließt, die durch die Oxidationskammer definiert ist.

Die Mischkammer verhindert ferner in effektiver Weise unerwünschte Abscheidungen von Magnesiumoxidteilchen auf der offenen Stirnseite der Düse für die Einführung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases und verhindert infolgedessen eine unliebsame Blockierung der offenen Stirnseite der Düse durch Abscheidungen von Magnesiumoxidteilchen.

Die Zeichnungen dienen der näheren Erläuterung der Erfindung. Im einzelnen ist dargestellt in

Fig. 1 ein Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und in

Fig. 2 ein Querschnitt durch einen Teil einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei dieser Teil der Vorrichtung eine sog. Kern-Mantel- Düsenkonstruktion aufweist, um ein Magnesiumdämpfe enthaltendes Gas und ein Inertgas einzuspeisen.

Beim Verfahren der Erfindung wird somit ein Strom eines Magnesiumdampf enthaltenden Gases in eine Mischkammer durch eine Düse eingeführt, während separat hiervon ein Strom eines Inertgases in die Mischkammer über eine separate Einspeisdüse für das Inertgas eingeführt wird unter Erzeugun eines Mischgasstromes, bestehend aus dem Magnesiumdampf enthaltenden Gas und dem Inertgas, die in der Mischkammer miteinander vermischt wurden. Bei dieser Verfahrensweise wird die offene Stirnseite der Düse für die Einführung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases nut der Einwirkun der Gasmischung ausgesetzt, die von molekularem Sauerstoff frei ist.

Der Strom der Gasmischung wird aus der Mischkammer in eine Oxidationskammer überführt, während getrennt hiervon ein Strom eines molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases durch eine entsprechende Düse gleichzeitig mit dem Strom aus dem Mischgas in die Oxidationskammer eingeführt wird. In dieser Oxidationskammer wird die Gasmischung mit dem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas gemischt unter Erzeugung einer Reaktionsmischung. In dieser Reaktionsmischung gelangt der molekulare Sauerstoff in Kontakt mit dem Magnesiumdampf und oxidiert das Magnesium unter Erzeugung von hochreinen, kleinen oder feinen Magnesiumoxidteilchen. Der Strom der Reaktionsmischung mit den erhaltenen Magnesiumoxidteilchen wird dann in eine Kammer oder eine Zone zum Auffangen der Magnesiumoxidteilchen eingespeist.

In der Kammer oder der Zone zum Auffangen der Magnesiumoxidteilchen werden letztere von der Reaktionsmischung abgetrennt.

Die Magnesiumdämpfe können nach üblichen bekannten Verfahren erzeugt werden. Normalerweise werden die Magnesiumdämpfe nach einem Verfahren erzeugt, das beispielsweise in der nicht geprüften japanischen Patentpublikation (Kokai) 60-1 61 327 beschrieben wird. Bei diesem Verfahren wird in einer Retorte oder einer Muffel vorhandenes metallisches Magnesium auf Siedetemperatur des metallischen Magnesiums oder eine noch höhere Temperatur erhitzt. Diese Erzeugung von Magnesiumdämpfen kann in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden oder indem ein Inertgas über die Retorte oder Muffel strömt. Bei der Erzeugung der Magnesiumdämpfe in Gegenwart des Inertgases wird vorzugsweise ein Inertgas verwendet, das von Verunreinigungen frei ist, die mit den Magnesiumdämpfen reagieren könnten oder das Inertgas wird in einer so klein wie möglichen Menge verwendet. Das Magnesiumdampf enthaltende Gas kann auch aus Magnesiumdampf allein bestehen.

Das Inertgas, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird, besteht vorzugsweise aus mindestens einem der folgenden Gase: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon.

Stickstoff reagiert mit einer Magnesiumschmelze, erweist sich jedoch als nicht reaktiv mit Magnesiumdampf bei hohen Temperaturen. Infolgedessen läßt sich Stickstoff als Inertgas im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzen. Wird Stickstoffgas verwendet, so sollte das Gas jedoch zunächst auf eine Temperatur erhitzt werden, die hoch genug ist, um eine unerwünschte Kondensation des Magnesiumdampfes zu vermeiden.

Werden die Magnesiumdämpfe mit dem Inertgas in der Mischkammer vermischt, liegt der Gehalt an Magnesiumdämpfen in der erhaltenen Gasmischung vorzugsweise bei 10 Mol-% oder darunter, in besonders vorteilhafter Weise bei 5 Mol-% oder darunter.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das Magnesiumdampf enthaltende Gas und das Inertgas in Form eines Kern-Mantel-Typ Stromes in die Mischkammer eingeführt, wobei ein Kernstrom aus dem Magnesiumdampf enthaltenden Gas von einem Mantel eines Inertgasstromes umgeben ist. Ein solcher Strom vom Kern-Mantel-Typ läßt sich durch eine zusammengesetzte Düse vom Kern-Mantel-Typ erzeugen, wobei eine Kerndüse aus einer Düse zum Einspeisen des Magnesiumdampf enthaltenden Gases in konzentrisch umlaufender Weise von einer Manteldüse umgeben ist, die zur Einspeisung des Inertgases bestimmt ist.

Ein solcher zusammengesetzter Strom vom Kern-Mantel-Typ ist besonders effektiv bezüglich des Schutzes der Stirnseite der Düse oder des Mundstückes zum Einspeisen von Magnesiumdampf enthaltendem Gas mit dem Strom des Inertgases derart, daß unerwünschte Abscheidungen von Magnesiumoxidteilchen auf der Stirnseite der Düse oder des Mundstückes verhindert werden.

Der Strom des Magnesiumdampf enthaltenden Gases kann gleichzeitig mit dem Strom des Inertgases in die Mischkammer eingeführt werden. In diesem Falle ist die Richtung des Stromes des Magnesiumdampf enthaltenden Gases parallel zur Richtung des Inertgasstromes und das Magnesiumdampf enthaltende Gas wird allmählich mit dem Inertgas in der Mischkammer vermischt.

Gemäß einer alternativen Verfahrensweise kann der Inertgasstrom jedoch auch in einem Winkel R von 60° oder weniger bezüglich des Magnesiumdampf enthaltenden Gases eingeführt werden, um eine rasche Mischung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases mit dem Inertgas herbeizuführen, unter Erzeugung eines turbulenten Stromes der Gasmischung in der Mischkammer. Dieser turbulente Strom der Gasmischung verhindert in besonders effektiver Weise ein unerwünschtes Eindringen des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases aus dem oxidierenden Bereich in einen Bereich rund um die offene Stirnseite der Düse oder des Mundstückes für die Einführung von Magnesiumdampf enthaltendem Gas.

Wird der Inertgasstrom in die Mischkammer in einer Richtung parallel zu der des Magnesiumdampf enthaltenden Gases eingeführt, um das Vermischen des Inertgases mit dem Magnesiumdampf enthaltenden Gas zu fördern, so liegt in vorteilhafter Weise das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit des Inertgases zur Strömungsgeschwindigkeit des Magnesiumdampf enthaltenden Gases bei 1 : 1 oder darüber, in besonders vorteilhafter Weise bei 2 : 1 bis 10 : 1.

Schneidet der Inertgasstrom den Strom des Magnesiumdampf enthaltenden Gases in einem Winkel R von 60°, um ein gleichförmiges Vermischen des Inertgases mit dem Magnesiumdampf enthaltenden Gas zu fördern, so liegt vorzugsweise das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit des Inertgases zur Strömungsgeschwindigkeit des Magnesiumdampf enthaltenden Gases bei 0,5 : 1 oder darüber, in besonders zweckmäßiger Weise im Bereich von 1 : 1 bis 5 : 1.

Ist der Winkel R größer als 0°, jedoch geringer als 60°, so läßt sich das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten des Inertgases und Magnesiumdampf enthaltenden Gases bestimmen durch Berücksichtigung der angegebenen Werte des Strömungsgeschwindigkeitsverhältnisses, vorzugsweise bei einem Niveau von mehr als 0,5 : 1, jedoch weniger als 10 : 1.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas gewöhnlich aus Luft, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Das heißt, das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas kann beispielsweise auch aus Sauerstoff allein oder einer Mischung aus Sauerstoffgas und einem Inertgas bestehen.

Wird der Strom des Mischgases und der Strom des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases in die Oxidationskammer eingeführt und werden die beiden Gasströme miteinander vermischt unter Erzeugung einer Reaktionsmischung, so gelangt der molekulare Sauerstoff mit dem Magnesiumdampf in Kontakt und oxidiert das Magnesium unter Bildung von Magnesiumoxidteilchen. Bei dieser Oxidationsreaktion wachsen die gebildeten Magnesiumoxidteilchen sehr langsam, da der Gehalt (Partialdruck) des Magnesiumdampfes in der Reaktionsmischung gering ist. Die Reaktionskammer wird auf eine Temperatur von 800°C bis 1600°C erhitzt.

Die Reaktionsmischung mit den gebildeten Magnesiumoxidteilchen fließt dann von der Mischkammer in eine Kammer oder Zone, in der die Teilchen aufgefangen und gesammelt werden. In diesem Auffangbereich werden die Magnesiumoxidteilchen von der Reaktionsmischung abgetrennt, beispielsweise durch Filtration.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in vorteilhafter Weise in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie im folgenden näher beschrieben wird, durchführen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus der Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Magnesiumoxidteilchen, die umfaßt: Eine Düse 3 zur Einführung eines Magnesiumdampf enthaltenden Gases und eine Düse 4 zum Einspeisen eines Inertgases, eine Mischkammer 5, welche eine Mischzone zum Vermischen des Magnesiumdampf enthaltenden Gases mit dem Inertgas bildet, eine Oxidationskammer 6, die eine oxidierende Zone 6a bildet, für die Oxidation des Magnesiumdampfes mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas unter Erzeugung von feinen Magnesiumoxidteilchen, eine Düse 7 zur Einführung des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases in die Oxidationskammer 6 und Mitteln 8 zum Auffangen und Abtrennen der gebildeten Magnesiumoxidteilchen.

Vorzugsweise bilden die Düse 3 für die Einführung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases und die Düse 4 für die Einführung des Inertgases eine sog. zusammengesetzte Düse vom Kern-Mantel-Typ, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wobei eine Kerndüse 3 für die Einspeisung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases in konzentrischer Weise von einer Manteldüse 4 umgeben ist, die für die Einführung des Inertgases bestimmt ist.

Wie es im Detail in Fig. 2 dargestellt ist, erstreckt sich die Kerndüse 3 längs einer horizontalen Längsachse A der Vorrichtung und weist eine offene Stirnseite 3a und eine Rückseite 3b auf, wobei letztere an eine Vorrichtung oder einen Vorratsbehälter für Magnesiumdampf enthaltendes Gas angeschlossen ist (in der Zeichnung nicht dargestellt). In der Vorrichtung zur Erzeugung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases wird in einer Retorte oder Muffel enthaltendes metallisches Magnesium auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Siedepunkt des Magnesiums liegt und die erhaltenen Magnesiumdämpfe werden der Kerndüse oder dem Kernmundstück 3 durch die Rückseite 3b der Kerndüse oder des Kernmundstückes 3 zugeführt. Die Magnesiumdämpfe können mit einem Inertgas in der Vorrats- oder Zuführvorrichtung (nicht dargestellt) vermischt werden, um ein Magnesiumdampf enthaltendes Gas zu erzeugen. Das Magnesiumdampf enthaltende Gas wird dann in die Mischkammer oder das Mischrohr 5 über die offene Stirnseite 3a der Kerndüse 3 eingespeist.

Die Manteldüse 4 für die Einführung eines Inertgases in die Mischkammer 5 erstreckt sich in konzentrischer kreisförmiger Weise in bezug auf die Kerndüse 3 und weist eine offene Stirnseite 4a und eine Rückseite 4b auf, wobei letztere an einen in der Zeichnung nicht dargestellten Vorratsbehälter für das Inertgas über die Leitung 4c angeschlossen ist.

Die Mischkammer 5 stellt den Mischbereich für das Vermischen des Magnesiumdampf enthaltenden Gases mit dem Inertgas dar. Die Mischkammer 5 weist einen größeren Durchmesser auf als die zusammengesetzte Düse 2, erstreckt sich in konzentrischer ring- oder kreisförmiger Weise bezüglich der zusammengesetzten Düse 2 über die offenen Stirnseiten 3a und 4a der Kerndüse 3 und der Manteldüse 4 und weist eine offene Stirnseite 5a sowie eine Rückseite 5b auf. Die offenen Stirnseiten 3a und 4a der Kerndüse 3 und der Manteldüse 4 sind in das Mischrohr 5 durch die Rückseite 5b des Mischrohres 5 eingesetzt.

Die Oxidationskammer 6 definiert einen oxidierenden Bereich oder eine oxidierende Zone zur Oxidation des Magnesiumdampfes mit dem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas. Die Oxidationskammer 6 weist einen größeren Durchmesser auf als die Mischkammer 5 und erstreckt sich über die offene Stirnseite der Mischkammer 5 in konzentrischer kreisförmiger Weise und weist eine offene Stirnseite 6a und eine Rückseite 6b auf, wobei durch die Rückseite 6b die Stirnseite 5a der Mischkammer 5 in die Oxidationskammer 6 eingesetzt ist.

Die Düse 7 für die Einspeisung des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases in die Oxidationskammer 6 befindet sich zwischen der eingesetzten Stirnseite 5a des Mischrohres 5 und der Rückseite 6b der Oxidationskammer 6 in konzentrischer kreisförmiger Weise bezüglich der Mischkammer 5. Die Düse 7 weist eine offene Stirnseite 7a auf sowie eine Rückseite 7b, wobei an die Rückseite über die Leitung 7c ein in der Zeichnung nicht dargestellter Vorratsbehälter für das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas angeschlossen ist.

Die zusammengesetzte Düse 2, die Mischkammer 5 und die Oxidationskammer 6 bestehen aus hitzebeständigem Material, beispielsweise Porzellan.

Der Auffang- oder Sammelteil 8 weist einen Auffangbehälter 9 mit einer offenen Stirnseite 9a auf, die entfernbar an die Stirnseite 6a der Oxidationskammer 6 angeschlossen ist und eine geschlossene Rückseite 9b, die über eine Leitung 11 an eine Vakuumpumpe 10 angeschlossen ist. Der Sammel- oder Auffangbehälter 9 bildet einen Bereich 9c für die Abtrennung und zum Auffangen der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen aus der Reaktionsmischung und enthält Mittel zum Abtrennen der Teilchen, beispielsweise ein Filter 12.

Die Oxidationskammer 6 wird von Mitteln zum Aufheizen des Rohres 6 umgeben, beispielsweise von einem elektrischen Ofen 13. Fließt ein Strom der Reaktionsmischung mit den gebildeten Magnesiumoxidteilchen aus der Oxidationskammer 6 in den Sammelbehälter 9, so werden die Magnesiumoxidteilchen durch den Filter 12 abgetrennt und das restliche Gas wird durch die Vakuumpumpe 10 durch die Leitung 11 abgeführt.

Im Falle der zusammengesetzten Düse 2 der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung erteilt die Manteldüse 4 dem Inertgas eine Richtung, die parallel ist zur Richtung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases der Kerndüse 3.

In alternativer Weise weist im Falle der zusammengesetzten Düse, in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung die Manteldüse 4 eine abgeschrägte oder geneigte offene Stirnseite 4a auf, durch welche das Inertgas in einer Richtung B geführt wird, welche die Längsachse A der Kerndüse 3 in einemWinkel R schneidet. Demzufolge schneidet der Inertgasstrom den Strom des Magnesiumdampf enthaltenden Gases, das längs der Längsachse A durch die offene Stirnseite der Kerndüse 3 eingeführt wird, in einem Winkel R. Der Winkel R liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 60°.

Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren kleinen oder feinen, hochreinen Magnesiumoxidteilchen weisen eine große chemische Aktivität auf. Kommen die Teilchen in Kontakt mit Luft, so neigen die Teilchen dazu, aus der Luft Kohlendioxid und Wasserdampf zu absorbieren. Um die erhaltenen hochreinen, kleinen Magnesiumoxidteilchen vor einem Kontakt mit Luft zu schützen, ist der die Magnesiumoxidteilchen auffangende Bereich 9c vorzugsweise vollständig vor dem Zutritt von Luft geschützt, d. h. dieser Teil der Vorrichtung wird luftdicht gemacht, beispielsweise durch den Sammelbehälter 9.

Gewöhnlich erfolgt die Oxidation des Magnesiumdampfes unter normalen Druckbedingungen oder bei vermindertem Druck. Der Druck in der Oxidationskammer 6 wird durch die Vakuumpumpe 10 auf einem gewünschten Niveau gehalten.

Der Sammelbehälter 9 ist abtrennbar an die Oxidationskammer 6 angeschlossen, wie es in Fig. 1 angedeutet ist. Nachdem die Oxidation des Magnesiumdampfes beendet ist, wird der Sammelbehälter 9 von der Oxidationskammer 6 entfernt und die erhaltenen kleinen Magnesiumoxidteilchen, die durch den Filter 12 abgetrennt wurden, können entfernt werden.

Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren hochreinen Magnesiumoxidteilchen weisen eine Größe von 0,03 µm oder darunter auf, normalerweise von 0,015 µm oder darunter, berechnet aus einem spezifischen Oberflächenbereich, bestimmt durch Adsorption von Stickstoff nach der Methode von Brunauer, Emmett und Teller (BET- Methode). Die Teilchen liegen in Form von kubischen Periklas- Kristallen vor. Die kleinen Teilchen enthalten praktisch keine Agglomerate. Infolgedessen können die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten hochreinen Magnesiumoxidteilchen leicht in Formkörper überführt und dann in einen Sinterkörper überführt werden, der durch eine sehr hohe Dichte ausgezeichnet ist.

Da eine Pulverisierung der Magnesiumoxidteilchen nicht erforderlich ist, werden die feinen Magnesiumoxidteilchen weiterhin nicht durch Verunreinigungen verunreinigt, die normalerweise bei Pulverisierungsverfahren eingeschleppt werden.

Die erfindungsgemäß herstellbaren feinen Magnesiumoxidteilchen weisen einen hohen Reinheitsgrad von 99,9% oder darüber auf, der etwa dem Reinheitsgrad des verwendeten metallischen Magnesiums entspricht.

Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren hochreinen Magnesiumoxidteilchen weisen stark verbesserte Sintereigenschaften auf, ohne Zusatz eines Additivs oder ohne Oberflächenbehandlung. Demzufolge lassen sich die erfindungsgemäß herstellbaren Magnesiumoxidteilchen leicht in gesinterte Magnesiumkörper überführen, die eine hohe Dichte aufweisen, beispielsweise von 3,51 oder mehr bei einer relativ niedrigen Sintertemperatur von beispielsweise 1300°C.

Demzufolge lassen sich die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren hochreinen Magnesiumoxidteilchen als neues keramisches Material für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Prozellanprodukten, elektrischen Isolatoren, transparenten, hitzebeständigen Produkten und Produkten mit Infrarotdurchlässigkeit verwenden.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen, ohne sie in irgendeiner Weise zu beschränken.

Beispiel 1

Es wurde eine Vorrichtung, wie in Fig. 1 dargestellt, zur Herstellung von hochreinen, kleinen Magnesiumoxidteilchen verwendet.

In der verwendeten Vorrichtung bestand die verwendete zusammengesetzte Düse vom Kern-Mantel-Typ aus einer Kerndüse mit einem Kernrohr eines Innendurchmessers von 4 mm und einem Außendurchmesser von 10 mm und einer Manteldüse, die gebildet wurde zwischen dem Kernrohr und einem Mantelrohr mit einem inneren Durchmesser von 20 mm und einem äußeren Durchmesser von 26 mm. Der Winkel R war Null. Das Mischrohr hatte einen Innendurchmesser von 54 mm, einen Außendurchmesser von 60 mm und eine Länge von 140 mm.

Die Oxidationskammer wies einen Innendurchmesser von 70 mm, einen Außendurchmesser von 76 mm und einen Länge von 400 mm auf.

Zur Erzeugung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases (in der Zeichnung nicht dargestellt) wurde metallisches Magnesium in einer Retorte auf eine Temperatur von 1200°C erhitzt, wobei Magnesiumdampf mit einer Geschwindigkeit von 1,2 g/Min. erzeugt wurde. Der Magnesiumdampf wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 7,6 m/Sek. durch die Kerndüse in die Mischkammer eingespeist.

Als Inertgas wurde Argongas mit einem Reinheitsgrad von 99,99% durch die Manteldüse in die Mischkammer eingespeist, und zwar mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 12 m/Sek. Das Gas wurde mit dem Magnesiumdampf in der Mischkammer vermischt. In dem erhaltenen Mischgas in der Mischzone lag das Molverhältnis [Mg]/[Ar] des Gehaltes an Magnesiumdampf [Mg] zum Gehalt an Argon [Ar], das einreguliert wurde bei 0,033.

In die Oxidationskammer wurde Luft durch die Einspeisdüse für molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas mit einer Geschwindigkeit von 800 Nl/Min. eingeführt. Die Temperatur in der Oxidationskammer wurde auf 1200°C gehalten.

Die erhaltenen feinen Magnesiumoxidteilchen wurden von der Reaktionsmischung mittels eines Filters in einem Sammelbehälter abgetrennt.

Die erhaltenen feinen Magnesiumoxidteilchen hatten eine durchschnittliche Größe (BET-Teilchengröße) von 0,026 µm. Nach einem Betrieb von 24 Stunden zeigte sich, daß die Menge an Magnesiumoxidteilchen, die sich auf der Stirnseite der Kerndüse abgeschieden hatte, 0,3% des Gesamtgewichtes der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen entsprach.

Die Größe der Magnesiumoxidteilchen wurde in Übereinstimmung mit der Stickstoff-Absorptionsmethode nach folgender Gleichung bestimmt:

BET-Teilchengröße = a/(s × ρ)

wobei bedeuten: s der spezifische Oberflächenbereich der Teilchen, a ein Teilchen-Konfigurationsfaktor mit einem Wert von 6 und ρ eine Teilchendichte eines Wertes von 3,58 g/cm3.

Beispiel 2

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß das Inertgas, bestehend aus Argongas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 m/Sek. in die Mischkammer eingespeist wurde, und zwar durch die Manteldüse, wobei das Molverhältnis [Mg]/[Ar] in der Mischkammer auf einen Wert von 0,018 eingestellt wurde.

Die erhaltenen feinen Magnesiumoxidteilchen hatten eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,014 µm. Die Menge an Magnesiumoxidteilchen, die sich während einer Betriebsdauer von 24 Stunden an der Stirnseite der Kerndüse abgeschieden hatte, lag bei nur 0,2%, bezogen auf das Gesamtgewicht der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen.

Beispiel 3

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß die zusammengesetzte Düse vom Kern-Mantel- Typ, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, durch eine Düse des in Fig. 2 dargestellten Typs ersetzt wurde, wobei der Schnittwinkel R 60° betrug, das Molverhältnis [Mg]/[Ar] auf 0,051 eingestellt wurde und die Strömungsgeschwindigkeit des Inertgases 7 m/Sek. betrug.

Die auf diese Weise erhaltenen Magnesiumoxidteilchen hatten eine durchschnittliche Größe von 0,031 µm. Die Menge an Magnesiumoxidteilchen, die sich an der offenen Stirnseite der Kerndüse abgeschieden hatte, betrug 0,8%, bezogen auf das Gesamtgewicht der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen.

Beispiel 4

Das in Beispiel 3 beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß das Molverhältnis [Mg]/[Ar] 0,033 betrug und das die Strömungsgeschwindigkeit des Inertgases bestehend aus Argongas bei 12 m/Sek. lag.

Die auf diese Weise erhaltenen Magnesiumoxidteilchen hatten eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,023 µm. Der Anteil an Magnesiumoxidteilchen, der sich auf der offenen Stirnseite der Kerndüse abgeschieden hatte, betrug 0,6%, bezogen auf das Gesamtgewicht der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen.

Beispiel 5

Das in Beispiel 3 beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß das Molverhältnis [Mg]/[Ar] 0,018 betrug und daß die Strömungsgeschwindigkeit des aus Argon bestehenden Inertgases bei 20 m/Sek. lag.

Die erhaltenen Magnesiumoxidteilchen besaßen eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,012 µm. Die Menge an Magnesiumoxidteilchen, die sich an der offenen Stirnseite der Kerndüse abgeschieden hatte, lag bei 0,4%, bezogen auf das Gesamtgewicht der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen.

Vergleichsbeispiel 1

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt, jedoch mit der folgenden Ausnahme.

In dem Vorratsbehälter des Magnesiumdampfes wurde das Magnesium mit Argongas eines Reinheitsgrades von 99,9% vermischt, worauf die Mischung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 33,9 Nl/Min. in einen Vorratsbehälter eingespeist wurde, so daß in dem Mischgas das molare Verhältnis [Mg]/[Ar] bei 0,033 lag. Das Mischgas wurde dann mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 m/Sek. durch die Kerndüse in die Mischkammer eingespeist. In diesem Falle wurde kein inertes Gas durch die Manteldüse in die Mischkammer eingeführt. Dies bedeutet, daß im vorliegenden Falle die offene Stirnseite der Kerndüse nicht durch einen Inertgasstrom geschützt wurde.

Die erhaltenen Magnesiumoxidteilchen hatten eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,020 µm. Die Menge an Mangesiumoxidteilchen, die sich an der offenen Stirnseite der Kerndüse abgeschieden hatte, lag bei 6,3%, bezogen auf das Gesamtgewicht der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen. Nachdem das Verfahren 30 Minuten lang fortgesetzt worden war, zeigte sich, daß die offene Stirnseite der Kerndüse durch die abgeschiedenen Magnesiumoxidteilchen blockiert war.

Des weiteren zeigte sich, daß, da das verwendete Argongas eine geringe Menge an Sauerstoff und Stickstoff enthielt, beträchtliche Mengen an Magnesiumoxid und Magnesiumnitrit (Mg3N2) an den Retortenwänden des Vorratsbehälters für den Magnesiumdampf abgeschieden worden war.

Vergleichsbeispiel 2

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß Luft in die Mischkammer durch eine Luftdüse eingespeist wurde, die sich im rückwärtigen Teil der Mischkammer befand.

Die erhaltenen Magnesiumoxidteilchen hatten eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,015 µm. Die Menge an Magnesiumoxidteilchen, die sich auf der Stirnseite der Kerndüse während des Verfahrens von nur 12 Minuten abgeschieden hatte, lag bei 10,5%, bezogen auf das Gesamtgewicht der erhaltenen Magnesiumoxidteilchen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von kleinen, hochreinen Magnesiumoxidteilchen durch Oxidation von dampfförmigem Magnesium mit molekularem Sauerstoff, wobei man ein Magnesiumdampf enthaltendes Gas und ein Inertgas in eine Mischzone einführt und das gebildete Mischgas aus der Mischzone in eine Oxidationszone überführt, wo ein molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas auf das Mischgas auftrifft und das Magnesium zu Magnesiumoxidteilchen oxidiert, und wobei man in einer Auffangzone die Magnesiumoxidteilchen von dem Restgas abtrennt, dadurch gekennzeichnet, daß man das Magnesiumdampf enthaltende Gas und das Inertgas über Düsen in die Mischzone einführt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Magnesiumdampfgehalt des Mischgases in der Mischzone auf 10 Mol-% oder darunter einstellt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme aus Magnesiumdampf enthaltendem Gas und Inertgas in Form eines Kernstromes und eines Mantelstromes in die Mischzone eingeführt werden, derart, daß der Magnesiumdampf enthaltende Gasstrom von einem Mantel des Inertgasstromes umgeben ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Inertgasstrom parallel zu dem Magnesiumdampf enthaltenden Gasstrom in die Mischzone eingespeist wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten von Inertgasstrom und Magnesiumdampf enthaltendem Gasstrom bei 1 : 1 oder darüber liegt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme aus Magnesiumdampf enthaltendem Gas und Inertgas derart in die Mischzone eingeführt werden, daß sie sich in einem Winkel R von 60° oder weniger schneiden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten von Inertgasstrom zu Magnesiumdampf enthaltendem Gasstrom bei 0,5 : 1 oder darüber liegt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme aus Inertgas und Magnesiumdampf enthaltendem Gas in dem Strom der Gasmischung in der Mischzone eine Turbulenz erzeugen.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsmischung in der oxidierenden Zone auf eine Temperatur von 800 bis 1600°C erhitzt.
  10. 10. Weitere Ausbildung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die kleinen Magnesiumoxidteilchen durch Filtration von der Reaktionsmischung abtrennt.
  11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch:
    1. (A) eine Düse (3) zum Einführen des Magnesiumdampf enthaltenden Gases mit einer offenen Stirnseite und einer Rückseite, die in eine Zufuhrleitung für die Zufuhr des Magnesiumdampf enthaltenden Gases angeschlossen ist;
    2. (B) eine Düse (4) zum Einführen des Inertgases mit einer offenen Stirnseite und einer Rückseite, die an eine Zufuhrleitung für das Inertgas angeschlossen ist;
    3. (C) eine Mischkammer (5) zum Vermischen des Magnesiumdampf enthaltenden Gases mit dem Inertgas mit einer offenen Stirnseite und einer Rückseite, wobei in die Rückseite die offenen Stirnseiten der Düse für die Einführung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases und der Düse für die Einführung des Inertgases eingesetzt sind, und wobei die Mischkammer (5) konzentrisch um die Stirnseiten der Düse (3) für die Einführung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases und der Düse (4) für die Einführung des Inertgases angeordnet ist;
    4. (D) eine Oxidationskammer (6) für die Oxidation des Magnesiumdampfes mit einer offenen Stirnseite und einer Rückseite, in die die offene Stirnseite der Mischkammer (5) eingesetzt ist, wobei die Oxidationskammer konzentrisch um die Stirnseite der Mischkammer (5) angeordnet ist;
    5. (E) eine Düse (7) zum Einspeisen des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases, die zwischen der eingesetzten Stirnseite der Mischkammer (5) und der Rückseite der Oxidationskammer (6) gebildet ist, deren Stirnseite zur Oxidationskammer (6) hin geöffnet ist, und deren Rückseite an einen Vorratsbehälter für das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas angeschlossen ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (3) zum Einführen des Magnesiumdampf enthaltenden Gases und die Düse (4) zum Einführen des Inertgases in einer Kern-Mantel-Beziehung zueinander stehen, wobei die Düse (3) für die Einführung des Magnesiumdampf enthaltenden Gases die Kerndüse bildet, die konzentrisch von der einen Mantel um die Kerndüse bildenden Düse (4) zum Einführen des Inertgases umgeben ist.






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