Technische fabricage van lithiumzout uit spodumeen

,. t1.\tt..

k~~~

.

~~'u.-.

i

S::>~W;Il-~_ ~':t·~fJhliJ~t

_~JA..

t"

.

i

'"

'~

,.

~':

" . , . ,

~

Q~-k.~ krV"~C;,

.

l~

\-t~r~ ~

~,~~It~H

,,'''''::'-

'~'\Ja..r\h..t.:.

-tot

\[01)"c,

:

~k

lrvW.û.1.v. ,

k-LJ.<.

.,...t...r.--c

.LV J"r.,,L.:J. '

I

~.v. \hL.t I\\..~ \(U.. ~-c.. ,k!k~

ul.t

~tr~ •

~

?,,'

k'

v?'O,

V,"- u'Ö·C ,

~

'"

~ ~

.

"-'~*'- ~.

'..

..

1

~\-

f..l;kR.oIf' u-..-

V

ft,h'J.o"-

.,{"k-...

l

Jvvw

~cwlw.v-

\/1i.I-

~

~

~,~Lvr,{ ~

(I\h..

kh.r

~

k-

wJv

-t.-

;\>L'~

. Cl

t-

'i"

~

Q,I

~Ih ~ ~"- r~

~

~ .wutl.:rfl~ ~

~~~o.k~

~

\',tr~

a.v,(.:l I"'-

~

""l- -

,,~

•

Jl.<wt'.f'"

"I'

l

d

fi

16

f..

'1"

C§

j

< ~ ~ ~

•

_• ~ ~ ~

•

< • •

•

<

TECHNISCHE FABRICAGE VAN LITHIUMZOUT UIT SPODUMEEN.

November

1957.

L:J.van

aer

Toorn

Hügo'Mo1enaarstraat 9a,

,

1

.

.

, ,

Inleiding: ' (1,3,4,S,6,7,11,12) ,,' : ~ \ "

Zoals vele 'andere producten van de chemisèhe' industriE;', hebbèh lithium en lithiumverbindingén hun grote commerciele ontwikkeling te danken aan hun toepa'ssingen voor oorlögsdoeleinden.' .' ." ,'., _ ... ,\.

Ofschoon het element reeds in' 1817 'door' de-Zweèd'Arfveasoh\ ~ was ontdekt en' eerl' jaar'later' hls' 'zuiver metaal" werd' geisoleerd~ èioor Sir Humprey'Davy,had"hettot-á,à.h het begin van aë'twihtigs'te eeuw';h geén cominerciele betekènis~Zelfs'toenwerd het'nog'zeér'weinig töège-past' eh"eers't''ih 'de afgelopen twintig jaar kunnen we van een lithium

industrie spreken. '

Lithium wordt zeer verspreid in dë aardkorst aangetroffen, in een hoeveelheid \velke' geschat wordt op 0,007% (ter vérgelïjkiilg d'ienen b

deahoevee)lhe?:en loo~~~. ~~I?-" ~~~~~" ~~?p~,c~~~V,e,li~~ 0,002 en, O,OPSX?~,

'

eragen • '

Het' konit' voor'aTs' silicaat; phosphaat', fIüoriae' ërf'chlèriae,· \llàarvan

de silicaat'miheralen de belangrijkstè b:N:inhen" zijn voör' de lithitiin ertsen • .Aà.hgezien' hetlithiilm op practisch alle"continehten'wordt' aangetroffen èn de' gemiddelde " concentratie' aan"li thium in de aard-korst zo géring'"is, is het logisch dat de ert'seh slë'èhts' weinig lithium bevatten, daarom hebbeilalleen die vindplaatsen economische betekenis', welke zeer diep en uitgestrekt-ziJn'.- Af'hankélijk" daarvan zijn de bëlangrijkste' gebieden voor' lithiumertsen' gélegen' in':" -,' , dè BelgischeCo:hgo, Zuid West Afrika', Zuid Rhodesie, de Verenigde Staten, Brazilie, Zweden en Dil i télahd.'

"- , ' De belangrijkste mineralen zijn:

Spodumeen: LiA1{,~i~3)2

Lepidoliet~" _{Li2KAlSi4010(F, OH) 2}

Am1?lygo~iet: LiAl (~ ,0~9

P04

Petaliet: e~n ~i.,A1,~Silicaat

Zinnwaldiet: _{Li~~~2Si39l0(F,OH)2}

Daarnaast wordt nog een aanzienlijke hoeveelheid'lithium gewonnen uit de zoutpannen van het Searles meer in Californië, waarin ongeveè~ -0,02 tot 0,03 gewichtsprocent lithiumchloride voorkomt,en waaruit men het lithium wint als een concentraat van lithium-natrium-phosphaat met circa 20% lithiumoxyde.'

Van deze mineralen komt-het' spodumeen het meest verbre'id en in de grootste hoeveelhed~n voor₂terwijl het bovendien economisch het meest geschikte uitgangsmater~aal voor-de winning van lithium is; d arom zal in dit fabrieksschema s odumeen als , .. ondstof, worden

geno-men. ,

SpodUmeen(13_t14₁15)behoort tot de>monokline p,yroxenen, een ' subgroep van de sil~ca"t,en met enkelvoudige ketenvormige kiezelgeraam-ten. Het 'vormt een-best;ä.nddeel der pegmatiet'en" en wördt meestartroe-belig grijs of groenachtig gekleurd'aangetroffen. Sommige heldere

soorten (groene, rose enjviollette)worden tot edèlstenen' g'eslepen. Het spodumeen dat polymorphie vertoont, wordt in de natuur gevonden al's 0{ -spodumeen(s.g.3,lS), het gaat bij verhitting op lOSO à 11000C

irreversibel over in de p-vor.m(s.g.2.4l),wel~e overgang dus met een

aanzienlijke volumevergroting gepaard gaat (25%).' , ' . -.~ I,.

Hoewel spod~eB ee~ tl}eoretisch gehalte, àan lithiumöXydew

van 8·,~%

bevat, wordt het als mJ.neraal slechts gevonden'met een gehalte ài3.n',

li thiumoxyè.è. van I tot 3% •. Door Ifhand~pickinglfof indieil' dat- óninögë~'

,-lijk is,door concentratie van' het miheraal met behulp van'he~flotatÈ

(Schuimscheiding-) proces , wordt een gehalte van 3 tot 5% verkregen.

Technische betëidingSinethOa.ën'

van

-JithitimZQÜtëil:"'Cl '5 E; '1 'ïf)' :

In het begin vän- de twintigste' eëuw wäs' lepidoliet"'hJt"bJla.ng~

rijkste' èrtsdat men 'veÏ'IJITerktè.Ret' Ihineraa.l' wèra"daartoe-'eerst verhït,' tot' roodgloèiend 'en verVólgeris--irï koud-' water' gestort' teneîhdehet hros

te maken, zodat' hë'tgeinäkkelijll: te poederen -was; -Hierna' werd- het

hèhan-delde' 'erts langdurigniet'''ge'concèntreera' zWavelzuur verhit, waarna men na verdunning en filtratie een oplossing van lithium- en andere

alkali-sulfaten verkreeg, tesamen met'grote hoeveelheden aluminiumsulfaat. Zeer omvangrijke en kostbare zuiveringspncessen waren daarna nodig om het litniumsulfaat in" zuivereivor.m tè krijgen'. Ditzelfde proces werd later ook nog uitgevoerd met amblygoniet, maar is ongeschikt voor de

verwerking van spodumeen. '

Een ingrijpende verbetering was de ont\'Tikkeling van het z.g. "base-exchange"-proces,waarbij het fijngemaleneerts(in ons geval dus spodumeen)werd verhit met een overmaat alkali sulfaat (gewoonlijk

kaliumsulfaat).Hierbij vindt een uitwisseling van ionen plaats,L~,

na extraheren met water werd aldus een oplossing van lithiumsulfaat

en kaliumsulfaat (overmaat) verkrëgen~Men ~eeft in de jaren tussen

1900 en 1940 verschillende variaties op di't- proces-'ontvrikkeld; een niet te overkomen" bezWaar van dit proces Bilieef echter dë zeer grote

hoeveelheid reagens~(ongeveer 30% van de-te verwerken hoeveelheid erts)

waardoor deze werkwij ze eC'onomisch niet uitvoerbaar was om op grote schaal lithium uit spodumeen te extraheren.

Het com~erciele proces dat in dè"tweede wereldoorlog werd

ont-wikkeld en algeriie'en bëké:b.d is--als"dë- 'J3uréau-of Mines"'mëthode;- besl.àä.t uit het winnen van lithiuin uit spodÜI!1een''- aoor hët' eruit' te-<verdainpeh<

als lithiumchlor'ide.Dit proces<aat" o.à. bij de Fóöte~Mihërä.l' CO.·VlOrot

toegepast is economisch verantwoord,omdat het lithium hier een bij~

product is,immers bij dit proces fabriceert men portland-cement door

het erts geme~d met calciumcarbonaat encalcïÜffichloride'te verhittën

op 1000

à

1200 C. Het lithiumchloride dat na sublimatie wordt

verkre-gen ~~.evemv~~ zeer moeilijk te zuiveren.

Bij de nu volgende methode, welke voor he~ eerst wer~ toeg;~p~~.t

1

Corporation of America, wordt eerst het (in 1943)door de Metalloy Corporàtion, nu iri~e~na~uur-gevnnden ge~s*-o:ge~_ met de LJ. thJ.um alp

ha-spodumeen,door verhitting"opllOOOC'omgezet in bèta-spodumeen • Het nu verkregen erts is veel gemakkelijker tot zeer fijn poeder te

malen, en wordt vervolgens behandeld met-geconcentreerd"~laVelzuur,

.,<1, ,"

I'

!

,~_.. • •. _ . . . . _ . . . • ... _ ... "tl .. v, '"

verwisselen met de in het -erts àahwezige lithium" ionen, zohdèr·'dat daarbij de physische structuur van het bèta-spodumeen verandèrt en zonder dat er iets "van de in het spodumeen a~rezige aluminiumióhen wordt geëxtraheerd,

~. "

Li20 :Al203 4Si_02 .... H2~04 ---:-::

?29

~293 ~~~02,. t , ~i2S~4

-_. ". -. welke" reactie plaáts 'viiidt bij 250-300oC~ -,--'"

Er ontstaat hierbij dus eenbydraat· van aluminiumsilicaat, waarin het water op dezelfde manier gebonden is als het oorspronkelijke lithiumoxyde.' - .,

Het in wate~ _ oplosbB:J?e li thiumsulfaat k~n ge~el~jk ui~_ !'l~~_ r~s~t.lu.

worden verkregen en ~s nu dus het ruwe mater~aal voor de versch1lIeh-de lithiumzouten welke hieruit via het carbonaat worversch1lIeh-den bereid.(fig.l~

0{ -: spodumeen

residu' . filter H20.AJ.2034Si02 + CaS04 IE---::;,...----I

Ca.(OH) rr2---~ HC1~---~~~~ 2S04n---~

.

.-HBr'---, HF---~---i0₂n - - - i > I Al 2 0 3 r y - - - , H3B03'---~ Fig.l. ~---~ 'I----warmte ~LiOHI ---1iIILiCl(anbydr. ) electrolyse

"

4

Toepassingen van lithium en lithillmverbindingen.(1,2,3,9~lO) Als smeermiddel. . . ' . , Vele jaren lang heeft men speciale vetten nodig' gehad voor'···' hoge en lage temperaturen en weer andere, welke water resistent Vlaren. Eerst toen men smeermiddelen op lithium basis ontwikkeld had '(lithiÎl.m-stearaat, lithiumoleaat, 'etc. ) verkreeg men een vet dat bij de drie genoemde omstandigheden voldeed, dit omdat de lithiumzepen van de'~

vetzuren een hoog smeltpunt bezitten, zacht genoeg zijn om bij lage temperaturen (tot -160oC. toè) te vloeien, niet met water emulgeren en een minimale verandering van de consistentie met de temperatuur vertonen.

In de kéramische industrie.

Lithium, in de 'vorm van manganieten, titanieten en cobaltiet'en, wordt gebruikt in porcelein emaillen om er een betere hechting en een grotere weerstand tegen inwerking van zuren aan te geven. Daarnaast'" dient het als vloeimiddel, waardoor het materiaal'bij 'n lagere'tempeÈ ratuur zacht wordt en dus niet zo'n hoge bewerkingstemperatuur ver~ '. eist. Als lithi~~carbonaat,-oxyde, en -fluoride speelt het een belang-rijke rol bij de productie van glas voor televisie toestellen, auto-' lampen, decoratief glas, brillen, etc., omdat het eén' grotere thermi-sche stabiliteit geeft en de hardheid van het glas verhoog~.

In de metaalindustrie.

Het gebruik van lichté metalen zoals aluminium, magnesium, 'etc. in b.v. radiatoren van automobielen, 'is mogelijk door de vorming van' vaste oxyde-huidjes, welke corrosie voorkomen. Bij het lassen'of sol-deren van deze metalen moet de Q)0Jde-huid' verwijderd worden, om een' goed contact tussen de stukken metaal te verkrijgen, dit gaat met een vloeimiddel dat voldoet aan de volgende eisen:

a. het moet gemakkelijk smelten, ". .

b. het gevormde vloeibare laagje moet goed vloeien en het oxyde-huidje benedèn It smeltpunt van het metaal oplössen, . . . . ,--.. c. het moet tijdens het solderen (lassen) vloeibaar blijven, teneinde de metaaloppervlakken schoon te houden.' . . .. " Nnlti-component systemen, die lithiumhalogeniden bevatten, bezitten al deze eigenschappen. ',I..' •

Bij air-conditioning en in industriele drooginstallaties,' voor, chemische componenten, worden voorallithiumchloride en lithiumbromlde toegepast. Deze zouten zijn namelijk zeer hygroscopisch, kunnen gemak-kelijk een bepaalde relatieve vochtigheid handhaven en zijn buitenge~'

woon geschikt om kv'lalijk riekende stoffen uit de lucht te verV'rijderen. Bovendien worden Lithiumchloride, lithiumbromide en lithiumnitraat. :: .: toegepast in koelsystemen, deze gouten staan de geabsorbeerde koelgas-sen bij verhitting (eventueel tot l20oC.) vlot af, zonder daarbij zelf te ontleden. . ,.. ...

Een van de oudste toepassingen is het gebruik van lithiumhYd~o­ xyde, tesamen met kaliumhydroxyde in de cellen van Edison batterijen; terwijl het ook reeds lang als absorptiemidàel voor kooldioxyde in gasmaskers en onderzeeërs dienst doet.

Minder uitgebreid wordt lithium nog toegepast: a. in alliages en metaalzoutbaden.

c. in de organische industrie, o.a. ter bereiding van synthetische

vi tamine A. . .. , . . "..

v,...:

~

.

d. in de cosmetische industrie, vamvaar het terecht komt in "

_nu

"làB.ïes beauty box", aangezien verschillende lithiumpreparaten de natuurlijke

schoonheid sèhijnen te verhogen. . ,

• ... • • ,. f . . . , • • •

Tenslotte volgt hier de in de' toekomst misschien be1a.ngrïJlt~~e toepassing,. n.l. 'als grondstof voor' de oorlogsindustrie.' Als' zodanig kan het gebruik van lithiUm,als hoog 'energetische brandstof'~ voor" " ' -raketten en geleide projectielen; de lithium markt' gaan beheersen". ~ In het November .n1l1Ïlmer van Wall Street· Journal" (23 November 1955

r

zeegt IIJTcConilell W.O; (vice;"presidént- van de Olih ETathiesoh Chemical' Corp-" ) _. hierover het volgende:"" The 'prihcipäl EXIierimental Fü"elis' are' chemIcal combiriations

of

boron

and

lïthïUr.~""lÏt!j." bydrogeh -11" eii vëraer" "-w'e'

àre" .

working hard in the f'iëld- of' exotic fuelts"~AhYone of twenty' compöunds

including boron ana. lithium"could be the answer"ih 'si:\Y"ten years for the whole field of propuIsiön

l'

etc. Uit zijn woordeh volgt:' ". " .. a.waterstof is 'n zeer explosief gas dat ,met een vre-selijke hitte

veT-brandt 0 ' " , " " .' ' . , . . - , • . " •• - ~

b.als net chemisch gebonden" wordt is het" gemakkelijk te behandelen en

te transporteren met minder'gevaar'voor explosies. "

c • combinatie met li thiur.a en borium leve±:t 'n vaste stof, welke dus' weiAli~

volurae inneemt en tengevolge van het gebruik van de twee lichtstè ,- " metalen, bovendien 'h laag gewicht heeft in vergelijking met de con-ventionele brandstoffen.

Ook zal lithium misschien gebruikt kunnen wordèn als grondstof voor"··, thermische kernreacties i.p.v. waterstof, waarvan Thirrihg H." ,dirëcteur van het Institute for Theoretical'Physics in Australië, een"groot"voor-stander "is.' In verbáhd hiermede staat" ook' het in"' n hUmmer van" Lif'ë Ma-gàzine (5December 1955" )"'gepubliceera.'e artiKel' over de' tot op-1i8"deh~' " hypothetische 3F-bom.(fission":fusion:'fisáióri)Deze bevat lithiumhydride naast uranium, plutonium, beryllium en polonium.

Productïe van lithium eh litl1iur.aVerbindihgen·. (1;2;3; 7',9)' - . ~ ; Bekijken we allereerst de groei van de"wereldproductie va.h·ae·~

lithium-mineralen,dan zien we-dat deze de' laatste jaren sterk gestegen is, hetgeen uit onderstaande tabe~" bl~jk.t. _ '.' . .

Vindplaats. ' . Productie in long tons.(is lQ016 ton) •. " ','

_L~4:{:s .L~4:~. .L~ov. .L'<:?Q.L • 1952. " 1953.

Z.Rhodesie: - - - 179 1737 1241 -- ~'7568)

Z.W.Af'rica: 1532 1035 8742 10573 8751 9259

Uganda: " " " - - - 200 265 19 - - -

16

Unie van Z.Af'rica: - - - 13 - - - . 54"

Australië: - - - 5 - - - -, - - :.;--Portugal: - - - 18 [6 66 10 16" Spanj e: . - - -

io

.'

~ ~ Monambique : .. --- - . 590 2 1 8 ' " 275 " 1083 ' .• ' VerenigÇie Staten: 3465 4320 ' 8309 11515 13938

~~

Totaal: " " . 4997 -'. -6168 " . 17742 24185, "25033 ".3~ ..

Gegevens'over de wereldproductie van lithium over de' laatste "jareh"' ". zijn niet bekend; wer"v/etenwe dat me'er dan 50% ervan" 'in de V.S. \vordt geproduceerd, en daarover zijn wel mededelingen gedaan.

In fig.2 zijn de gegevens over de productie van lithium ertsen, zoals deze doór de U.S.Bureau of Mines werden verstrekttuitgedrukt ,in de h6eveelheid'lithiumo:xyde)

grafisch weergegeveh~

Hierin ~ien

v/e

dus, de langzame groe i in de jaren' 1935-1939 ," en de belangrijke invloed van de" . ttveede 'wereldoorlog, met als top-jaar 1944. . " . " . .

N.B. Deze en'de nu volgende getallen slaan op de productie

in de V.S. tonnen Li:;aO

r

900 800 700 600 500 400 300 200 100 1935 '3 '41 '44 fig.~ '47 " 50 ~jaar 6

Over het verbruik van lithium en lithiumverbindingen zijn de volgende gegevens bekend:" . ." . , . . ' . Al deze gegevens zijn' schattingen en uitgedrukt in aequivalente hoe-veelheden(kg) lithiumcarbonaat. Gebruik. 1951 1952 1953 . 1955 kg _{% % %} kg _% Smeernliddelen: 370.000 27 44 47 1.500.000 39 Keramische indo : 353.000 26 36 39 725.000 19 Metaal indo : 130~000 9 4 4 500 .. 000 13 Air-conditioning: 145.000 11 4 2 [500.000 13 Batterijen,etc.: ,178.000 13 4 2 276',,000 7 . '15.000 1 3 2 ,13.600 ..:. Pharmaceutische inde : 118 • QQQ . la ...§ _~ 345.000 '.00 Andere toepassingen: p,.369.0oo 100 100 100 3.859.600 100 Totaal: . . . a r ., . ,.". Gebruik. . .- 1956 ... 1960 kg %. kg _%

--Smeermiddelen: D..360.0oo 28 2.040.000 27 5

,

Keramische ind.: 1.045.000 22 2.040.000 27,5 Metaal indo : 545.000 11 725.000 10 Air-conditioning: 680.000 14 907.000 12 Batterijen' etc.: ' 295 .• 000 6 318.000 4

Andere toepassingen: ' 921.000 :...la 1.383.Qoo J~

Totaal: 4.846.000 100 7.413.000 100

... '. . ... . . ~ '"" .. , .. _. ' . .

-w~ zieh,dus'ee:n' beJ:an~:qke'~erschuiv~hg naar de "andere' toepassingen", waarvan de voornaamste d~e vobr de "defensie'ft'is; De' schattingen hiep.

over lopen sterk'uiteeh'eh"wordetl dikVlijls-geraamd' op ineer'-dän'"

lO~OOO.OOO kg voor de jaren

ha

1960, waardoor' ze dan meer dan 60

%

van

liet totale ve::bruik zullen g~c:;n bedragen. -Deze -'schatt1îigen zijn eëhtEr.r zeer speculat~ef en afhankel~Jk van eventueel gebruik in de oorlogs-industrie.

7

,

..

De productie- capaciteit der bestaande lithium-fabrieken wordt voor 1956 geschát op 10.800.000 kg,ditis'dus aanzienlijk meer dahOohè-:t~ .. geschatte verbruik voor dat jaar (4.-846.000 ,kg },' ja zelfs veel' hoger dan dat voor 1960(7.4l3.000kg).Deze productie is als volgt verdeeld:

Bedrijf en plaats. _, Productie in 1956." (in kg lithiumcarbonaat). AmeriGan Potash andChemical Corp.

Searles Lake, Californië: American Lithium ChemicaIs. San Antonio, Texas:

Foote Mineral Co.

Sunbright, Va.:- .... " Lithium Corp. of America. Minneapolis , Wrinn.: ' Lithium Corp. of America. Bessemer City, N.C.:

Maywood Chemical VJorks. Maywood, N.J.: Totaal: 910.000 2.700.000 2.400.000 640.000 3.800.000 320.000 10.800.000

Zoals direct uit het bovenstaande volgt, veftvacht men in de nabije toekomst 'n te grote aanbod van lithiumproducten, hierdoor"'

zullen de lithium prij zen gaan' dalen, hetgeen reeds in 1955 en1956 ,. , werd waargenomen en dit zàl ziCh waarschijnlijk tót na 1960 manifes:'"

teren. 'Hoe de verhoudihg vraag-aanbod zich' in de verdere toekomst 'zàr ontwikkelen is nog onzeker, aangezien' dit vooral afhangt' van de nieuwe

toepassingsm?~e.l~jk~~~~~ van lithium en ,z~~,~ 'Ye~b"i!l9:i~~l?-~ ",' ,. '_"", , Belangrîjke factoren bij de stichting van een"nieuwe lithium-' fabriek zijn de hoge' grohdstoffen- en verwerkingskosten. De ko'st'envan het ruwe" mate riaalbe dragen per ton erts, waarin 1,5% lithiumoxyde ge~ middeld f. 9' :':';"',en dus':- .' -" "'-", ' ,

Per~e~ lithiumoXyde':' .'

:r.

6,--Per ~irthiumèarbonaat' aeq. : f, 0,24 ' , . -~; > I

Per kg lithiumcarbonaat aecf.in' 'il erts dat geconcent:r-eei'd is tot 'n gèhalte aah IithiÛÏl10xyde van 5% wordt'dit:·'f. 0-80-' Als we nu' een rendement' van 65% kunnen' verw:ezenlijkèh (äat is erg hoog) ,dan zijn dus de grondstofkosten: f. 1,23 per kg lithiumcarbonaat.Hierbij moeten de eventuele transportkosten nog gevoegd worden'. - . . . , " ", .'.." -, ., " , _.. .. .".,

, De meest geschikte plaats ',voor een nieuwè fabriek; is' vlak bij

de lithium-m~jn.Hiervoor zijn~.v~ ges,chi~~.9-~ y~üg.en<:1~ gebieden:

Ver. Staten. Black-Hills

Uit"bÓdemonderzóèk geschatte reserve, in tonnen.

S.D, " 4'.000'.000 100.000'.000 Canada. N;Carolina; Quebec;

FlTanitbba.: -,,' -,-' N.W. Tèrritory (Yellowknife): 20.000.000 18.000.000 100.000.000 % Li~ 1,5 1 1 à l,S 1 à 2 2 t

Aan' dt~hhant d van het bovenstaande werd besloten een middelgröte fabriek

Het ontworpen fabri eks Schema'. '( 6,7,8,16,17,18,19,20,21)' "~,

Hierbij werden de gegevens van de L~thïum Corpbratibh' bf'Àfue~ica

Inc. als basis genomen. In\tegenstelling met" de in"deze "fàbriek toegè:;'" paste werkwijze, wordt dit' proce"s" geheel continu uitgèvoera,:, eeh metho-de, welke m~n ook in een I?-ie~we fab:riek, die de Lithium Corp •. "oI' .... Äfue-rica, Inc. ~n Noord Carol~na gaat bouwen, zal toepassen. (de kosten van deze nieuwe fabriek . worden geraamd op 7.000.000 dOllar) , " Daar men de afmetingen van de gekozen- oven's én koelers niet zonaer meer kan berekenen, ars men' het" temperatuursverloop erin nièt keu,·t", .. werd,indien nodig, gebruik gemaakt van de in de literatuur vermélde ge-gevens, die in overeenstemming waren met' onze productie-capaciteit.-·, Deze bedraagt 1.095.000 kg lithiumcarbonaat per jaar en dus 3000kg per

dag. ' _.' . ' -- '- -- . . , , ' . ,

Gezien de, uitgebreidheid'

van'

hét 'proces moest' ih"ait' schèinä' ' , . slechts gegaan wo~de? tot . ~e-?e:re~di!l?;, vä~', een' ~i~J:iim.nsu~faat-op~ossingJ welke als tussenproduct b~J het proces wordt gevormd, de verdere ver-werking tot lithiumcarbonaat zal daarna, voor de volledigheid, summier worden aangegeven." ' """'-" "., , "., . ' . "

Uit' de op pag. 2 en' 3 behandelde"bereidingsmethoden volgt"dirèct dat de meest geschikte werkwijze de laatst genoemde is, gezien de grote bezwaren'die iflhaerent'zijn aan-alle andere methoden.

We kunnen-bet" proces nu in de volgende stadia verdelen:

1. Voorbeha.ndeling~·· '

2. Het "eigenlijke schema, bestaailde "uit:

a. verhitting van het alpha-spodumeen, waardoor dit overgaat in bèta-spodjumeen. ' ,., , b. omzetting van het aanwezige lithium tot lithiumsulfaat. c. extractie en zuivering van het lithiumsulfaat~ .

3. Omzetting van het lithiumsulfaat tot lithiumcarbonaat en afscheiding daarvan.

VOorbehandeling. .

Spodume.en erts, waarvan het gehalt'e aan lithiumoxyde 3 tot' 5% bedraagt; daar' een- gedeelte van het ganggesteente reeds bij de miJhén door een flotatie~proces verwijderd is, wórdt per wagon naar het'fà-brieksterrein' vervoerd. " Hier wordt' het; evehtueer na- maling- tot eeh : grootte van maximaal 5 cm, met behulp van een lopende band-jacobslaà.i-' der systeem naar een grote' opslagtank "(200 ton) getran'sportèera:- '; .

van:"

waar de stukken'erts naar de voorraadtank (10 ton) voor de

verhittings-oven worden gevoerd. Het schema.

De verhittingsoven vlOrdt met een snelheid van gemiddeld 30'.000' kg erts' perdäg gevoèd". Deze hoeveelheid is berekend op het gemiddelde van 4% 'aan lïthiumoxj"de' en ze wordt dus bij een gehalte van 3 of 5%' . aan lithiumoxyde resp. 40.000 of 24.000 kg per dag.Al deze hoeveelhe~

den slaan op het droge' erts en worden al naar gelang het vochtgehalt'e evenredig daarmee -groter. (Het 'vochtgehalte variëert van 0,00 tot 0,46%) Aangezien dit vocht in de verhittingsoven toch direct uit het erts·

ver ...

wijderd wordt, zullen we' daar geen rekening mee höuden en in

het'ver-volg steeds rekenen mét een gehalte aan lithiumoxyde vah4%, zodat de gecontroleerde voedingssnelheid 1250 kg erts per uur bedraagt.-··· In deze oven, welke eenmaal per minuut ronddraait, een lenp"te heeft van 12m20 en een inwendige diameter van lm20, wordt het ents verhit

,

.

1"1< '" r ' , .... . _, ... , .... .J. ... ", "

.

.

. J " J' \.0,

.'

.' ' .... , . • < ~-.I ....

-

.

, " ~ i , • ,. -4 • c -• t

.

' ... . • < '\ , . , ... -. -, . , , '< t.ó: .' , ( , l"t ·,7 r v '< . \.- .... ' . I , ' ~ .' e.. .... .. • • ~ t.-' ' . ' ... • '.

'-.

. •

9,

.

.

~~1' ~{;y

tot llOOoC. De verwarming geschied

~ meth~~~e~tue~l~~t ~ii:

gesuppleerd) en

h~ertoe.

is aan.

hev(i~!inde v~n

,!-e.

oven,:'ivelkÈ'.~f:C:

staal is vervaard~gd en bovend~en/met een 0ml5 d~k ~van:.vuur­ vaste'steen is bedekt,-een grote gasbrandergëplaatst~De hete'veroran:' dingsgassen worden via'een niulti-cycloon naar de schoorsteen afgevoerd, terwijl het in de cyclonen'afgescheiden stof naar de voonraadtafik·· wordt teruggevoerd. Tengevolge van deze verhitting wordt het alpha

-spodumeen (s.g.3,15) omgezet in het aanzienlijk gemakkelijker te malen

beta~spodumeen (s.g.2,4l), hetgeen dus met een volume vergroting van

circa 25% gepaard gaat. . - , " .

Vanuit de verhittingsoven wordt het erts dirèct in dekoeltrommeI-ge-voerde Deze is van onbedekt staal, draait zeven maal per minuut

rond;

heeft een lengte van 8m en een diameter van ~~O, zij wordt uitwendig met een grote hoevéelheïd"water gekoeld, 'gaardoor de temperatuur"'van het erts w'ordt teruggebràcht :tot 50

à

100

C'. Bij deze temperatuur- - . wordt het' erts;' 'dat als gevolg van de deze bev.Tkingen- tbt- een' groöt'te van maximaal 2cm is gereduceerd, . met behulp van een transportschl:'oefmaa.r

In slagmolen gevoerd.' Een'opstijgende luchtstroom draagt de kleine-stukjes erts' via e,en exhauster naar In cycloon, waar dë kleine-stukjes

weer-(

w9rden afgeschèiden, terwijl de te zware stukjes te .. rugvallen in d.e mo-~ 'len. De luchtstroom is zo geregeld, dat minstens 9ö% vah" het" erts'" dat" \. - in de cycloon verzameld wordt, door In 200:"înesh zeef pass'eert.

Boven-dien is de molen nog voorzien van een stofvanger (zie tekening).~:.,

Vervolgens wordt het gemalen spodumeen-erts met een gecontroleerde ~ . snelheid van nog steeds 1250 kg per uur'in de z.g. zuurmenger overge-bracht, waar het met geconcentreerd zwavelzuur wordt vermengd. Dez',e'"

zwa~elzuur van 660

Bê

(93 gew.proeent) wordt vanuit de voorraadtank"van

3 m, (genoeg voor, ... ~én dag) , door de open bovenkant van de zuurmehger', 3m20 lang en 0Iy30(hoog, aan het erts toegevoegd m. b. v. een geperfor'eer-/1>._ de pijp. Aangezien' het erts' 4% lithiumo:xyde bevat en we een hoeveel;""

~

t7

heid zwavelzuur toevoegen welk~40% groter is dan de theoretisch

beno-digde, is de toevoersnelheid ervan:' ,. '.' -, 0 , ,

~.1250 +±40.""4 .1250 kMol zwavelzuur per uur. 100 29,9 *00 100 29,9

d. i. In snelheid van' 250 kg zwavelzuur van' 66oBè" per uur,

ze

'Îl'röra'E'~

gé-controleerd met een' r'otameter. Door de' draaiing van' de in: de zuurmen:" ger aanwezige mengpeddels (20 to~Cen per ininuut), worB.t-'naà"st' eè~: zeer goede menging It transport naar de zuur-roostoven bewe~kstelliga.:.~~,: , , De zuur-roostoven is, evenals de mengapparatuur, gemaakt' van gegótêp .. ·· roestvrij staal CF-lOM: 'Fe, Cr' 18-20, Ni 8-10, C 0',16 max. ,Mo '2;!5;;3,5. Ze draáit vijfmaal'per minuut rond, heeft lti lengte van 8mOO, In~dlà­

meter van Om80 en wordt gevoed met een- snelheid van 1500 kg per' UÛÎ','

(1250 kg erts en 250' kg-zwavelzuur). In deze oven wordt de massa-opgê-warma tot 2500_{C .. waardoor het in het erts aanwezige lithium wordt}

om-gezet in lithiumsulfaat: _{. .}

• J f"

De verwarming--geschiedt ook hier ÏIlet een' methaan gasbrander, de ver:.. ,.

brand~ngsgas~e:r: verlaten' de" over;1' en worden via In CYCloon, waarin"

hei-meegevoerde stof wordt afgesche~den (berekening zie aChterin) naar de

schoorsteen gevoerd~ " - ", . - , ' . . '-, ~;

N.B. He~ in'het zw~velzuur aarwrezige water (17,5 kg) verdampt in de zuur-roostoven. - " , , . . , .,. "', , . "', -" ''',

~n' de hu' vo~genae ha:r:deling wo::dt het. _Iithiumsu.lfaat .. uit, dema.s~s~:(ge-'" extraheerd ~n een dr~~7tanks

-<

~~der met een inhoud van 3 5 rri?) -~O tinu werkend systeem, terw~Jl meehan~sch roeren het afzetten der deeltjes

-'." .... ' t

-,

" " ; , '.' [e, ',.' 'I ",-' r

.

' .v '1 • ,C", • t _, ... ' .,. , ~ ~-' .... '

..

,.. ~"., \ .,..1.

.

...

..

' :-'J

.

,

..

i r ',..- ., ...- ' f ' ~. t' ""' -' ':) '1. " , r-, -~ ~~ •• "t , . , . .... ~ '..' -). ... j,

....

.

" r .J ... , \ . -,

.

\. .. .1,;' .• :"-1.: "'OV\,t ~... t. >' .1.,'" '.

.

~ ... { , , r ... t , & . '-l> t o , J , t! , r " . . . .:;I ' . ' 0 ,

.

,.

..

\l " , f

...

" l" '"' -~ t'c ~ è' .' '~'."- ,,;;,,; ... ' .. ; ,

.

r

...

-'- i. ·~.~i-.. ~~; ... : ... ~ ~->.,:,. ~_ r:n :::c\r f 1 1" ~. ':.1. ... ; ~ ~.;) !'"'f' -, ( ': . ~. f '\ ~ .. ,-, .. ~ ,---.f::r !.~, ~)1.1 ·~2r··~ .~)

..

t •

.,

~ : ... -00:;~-· < '"'IJ ~ • r • ~!'.:

'..

' ,. '.j. - ,~ \.' .-:.. ~fc-" -!) ",. ... :-- 1"'" .. .:;; ... ~I -' ". r, i.;..1 ., ::-.~

..

.".' ) . .

.

..

t

.

.

\ .. : r " . '. t '" " .. ., I r' • ' o l · ; .

.

.

..

.

; ~ .,

..

.-.

....

"', -. ; -. -.-.-. &A I ' 0: ,. o " I " ", ",

_..

.'

10

Dit uitlogen gebeurt als volgt:' , .. , ,,~. " .... ~.

In de eersté der drië tanken laat· mehl800 kg waswater (zie 'bij

I..:h,l_

tratie)benevens één uur lang de" massa;'welke' uit de zuur:"ro()stovèh'· ' komt, stromen. Hierna wordt de 'aldus verkregen' tahkinhoud gedurenèle' één uur verder behandeld, ter\'V'ijl eenzelfde hoeveelheidert's' eÎ{'vias::' water nu inde tweede tank'wórden gevoerd. Tenslotte wordt' de"eerste tankinhoud gefiltreerd, terwijl in de tweede tank de verdere behàn~

deling plaats vindt en erts en waswater nu in de derde tank terecht komen, etc. ' etc."" .' "

Volgén we nu de procedure in één tank, dan zien we het volgende:~-"

Ongeveer 'n' half uur nadat' het laatste erts de tank binnenkwabi,lvlorat het uitloogproces als geëindigd beschouwd, hierna wordt de overinà.ä.t' . zwavelzuur 40 • ....1...-.1250 kMol = 0,6708 kl'v1ol, waarvoor we genomen hebben

.. 100 100 29 9 ' , - . " , ." , , . " , , . 0,700 krvIol(zie

pag.9~

1

géheutraliseero doot-toevoeging van "70

k~

. " , calciumcarbonaat, de pH van de oplossing stijgt hierdoor tot 6 a 6,5. De tankinhoud bestaàt'nu dus uit:

1800 kg waswater ,

183,8 kg lithiumsulfaat (aequivalent met de 50 kg d.i. 4% . 1230,1 kg'erts~ lithiumoxyde ~vezig in 1250 kg ert~

(1200 kg +§.SL...18 kg _{H20 i.p.v. 50} kg _{Li20 )}

29 9

,

' . '

,

95,2 kg calciumsulfaat (0,70 kMol.) Totaal:3300,1 kg - - - - , ' , . , , .

Verder 4324 kg koolzuur gevormd, dat grotendeels ontweken is.

3352,5 kg.

Dit klopt, immers we hebben toegevoegd: waswater 1800 erts 1250 calciumcarbonaat 70 zwavelzuur 232,5 Totaal: 3352,5 kg kg kg kg (250 -kg. 17,5)

De geneutraliseerde massa wordt nu naar' een roterend vacuum filter" gepompt,diameter lmOO en lengte 1m20, welke de uitgeloogde

lithium-sulfaat oplossing van het neerslag scheidt. Tijdens de draaiing op,. het filter ('n halve onwlenteling per minuut), wordt de slijk eenmàál gewassen met water(1800 kg).Bij dit wa'ssen wordt gebruik gemaakt'van een wasband, waardoor een gelijkmatiger uitwassing wordt bereikt. De na uitwassingv:erkregeil wasloo§ wordt via een afscheider' n"aa:r~'èen waswatertank gepompt(inhoud 3,5 m ) en dient als waswater voor ,'p,

volgende uitloogtaruc (zie boven). - ~.~~ De na filtratie verkregen moederloog wordt via een afscheider naar ' een zuiveringstank gepompt en daar met calciumhydroxyde behand~ld , l teneinde het in de oplossing aanwezige magnesium,dát in het'erts'àaa-wezig was, neer te slaan 'als magnesillil1hydroxy'de.Hierna worden de

toegëvoeg-de en reeds oorspronkelijk' in het erts äá.bwezige calciWri-iohen, ver-wijderd, door aan de' oplóssing, die' inmidaëls een pH vaD: circá ... 12·· .. heeft'gekregen een aequivalente hoeveelheid natriumcarbonaat toe te voegen. Benodigde hoeveelheden: - '" . ' ' ' ' ' ' , '--. '. , , Uit vele analysen blijkt'dat het'gGalte aan magnesiumo:xyde en

calci-umoxyde gemiddéld 0,375' resp. 0,41 gew.procent bedraagt (17).

J

Dus nodig aan calci~~dro~?-e:0,3i~ö1250.~6.,=. 8,?~ ~ ,_,;' .;'::~!.

, , eI?-

aa~, n~~r~~~a:r:bona~~,:?,'~igöl~~~,.l~ ,~, ~,4îö6~~0.~~

=22,15 . Dèz'e hoèveelheden zijn voor iedere zuivering nodig en het z· on d

_ : -'; _.' J . ~ - t ; >, OJ • , > ( • L t ; -, t '

.

.. ~ ... ; >~ ,-' -, ~ '.

:

.

.

--.J- _ ~ . " ; " r ~,r r " ! . " .... ~~ 1,.,,, •. 1..-~. ~.

,

Q -". ft • > • r t- '''','

..

:? ;],' , , ft

..

i . 1 ~ '.#) f ' ,.~ ,

..

_{'>11- .. ' ...} ~. , ~.l 'CT' ~. , ,. -

.

..

. ( , . ' , 1:0 j ; Ir ... " r ., r " ." !-' .,. -,..~ -:..!-~ .• , , ',i' ". ,. : r t C' .

.

, . - -~ " "~ .1: _, )

..

" ,-r' - r "

""

"

.

..

" t

.

,

.'

" ... . .:

-... ... , "

Daarnaast wordt 'er) eveneens per uur) aan"ne erslag gevormd: 0,375.1250.;,58

=.

6,81 kg magnesiumhydroxyde en 100' 40 ~ .. ~. ~ .. _. - .. ~ ... ' ", 11 0,375.1250.100

+

0,41.1250.100,

=

20,90 kg calciumcarbonaat. 100 "'40' . "JLOO "-56 . . . ,,, .. -, " .. - ... -... ~" .~

Het laboratorium controleert of' de' oploSsing vrij" is' vaif calcium~:, eÎi'

magnesium ionen en eerst als dat het geval' is wordt de massa doör>: eén filterpers gepompt,waarna de"verkregen zuivere oplossing in de' vöör-. raadtánk voor ~e verdamper', welke' evenals de zuiveringstank een

.in-houd van 3,5 m heeft, wordt opgevangen. . .. . , ... , ... Aangezien we 6,81 + 20,90

=

27 71 kg' neerslag per uur en dus' 66',50' kg

per dag moeten'af'filtreren werA een filterpers gekozen bestaande' ûit ( 23 platen en 24, ramen, beide vän gietij zer, met ~fmetingen van om90 ' . ~ bij Om60 bij Om025, l'ér'raäin kunnen dus 0,0135 'm , d.i. als we het s'.g. op ongeveer 2 stellerl,' circá 27 kg'neerslag opvángen; zodat in dit ge-val de per:9 ~~~cI:-:ts éenmaal per dag g~~~i~.?-gd moet.,,!o~~.~~,., ' . ' _ ...

. De aldus verkregen op1?ssing bevat ':t;10%lithiümsulfäat', omdät er naast'de' 1650 kg water' (e'rblijf't ongeveer' 30' völuine"·procent·" düs' , . 150 kg water 'in het'erts' achter)' en de':l7 kg gevormd natriumhydroxyde, 183,8 kg l~-{jh~um~ulf~~t i~ aanwezig. i:9- , . , .. " ~ _ ... ,"

Teneinde tijdéns het, ihdampen al het koolzuur" uit de oplos'sing te venlijderen en tévenshet . alUminium , '. dat iil' oplossing üf gégärul"

(zeer . weinig) , benevens het in oe doorlopen"apparatuur

en

de

veroäin:'"

per eventueel opgeloste ijzer, als àlumiUinhydroxYde', resp. ijzërnydro':" xyde,af te scheiden, wordt in deze voorraadtàhk de "pH van de oplossing teruggebracht tot 7,2 à 7,0 door toevoeging van geconcentreerd

zwavel-zuur. ~t.r~

?

Verdere verwerking' tot 1i thiruncarbónaare~' ". .' _. ~',

Allereerst wordt de tien-procent oplossing in de verdamper:'in~

gedampt tot een oplossing; die tweemaal zo' gèconcentreérdtis',

waarna: ..

na toevoeging van carbon black de' suspensie 'van het gevormde neerslag en het adsorptiemiddel wordt ontdaan m.b.v. een filterpers.

voo voor verdamper 10% Li2S04 ~~~ black technisch lithiumcarbonaa

,

I I

H--f~

~' ... - , uitwastank

12

•

.... '

.

Vandaar wordt de twintig-procentige Iithihmsulfaat oplossing overg~~ bracht' naar een kleinere tank, voorzien vah een gesloten stoomspä:raà.l,

en In roerwerk, "waarin het lithium als lithiumcarbonaat wordt' hè~rgè;'"

slagen. Men voegt in deze tank een geconcentreerde "soda" oplossipg~ '~,àls

precipitatiemiddel" toe, 'de, soda" oplossing, "welke 0,33- kg" natriUincarbo-na at per 'liter water bevat, wordt in-een àpart hulptankje bereid en vóór toevoeging in een"kleine filterpers g~fil reerd.

Daar de oplosbaarheid van lithium- ' carbonaat'sterk'afneemt'met

stij-gende temperatuur, wordt de tempe-ratuur in de neerslagtank relatief hoog gehouden(circa 90oC.), tenein-de een maximale praecipitatie te verkrijgen. (zie fig., 3).' "

. "'. . ~

.

fig.3

Een continu'werkende cehtrifuge scheidt"de verkregen carbonaatkris-tallen van"de-moederloog, waarna de verkregen vloeistof verder behandeld wordt, om het aanwezige natriur'll-". "

sulfaat eruit" te verWijderen en dah dient ter bereiding van' de geconcèn-treerde soda oplossing(zie'hierbbven) Het natriumsulfaat is l~h bijproduct

van deze fabriek'ca 6000 kg per' dag)~ 5 . . - +

Het afgescheiden lithiumcarbonaat,nog eenmaal uitgewàssen met ,ged~,ïo­ niseerd waterlnoppiêuw gecentrifugeerd, bevat ongeveer tien procent vocht en wordt daarom-eerst gedroogd en dáarna'in drums verpakt,~om

als technisch lithiumcarbonaát te worden verkocht. De eisen waaraan dit technische product moet voldoen zijn:

%

Vocht 0,50

%

Sulfaat 0,50

%

Calciumoxyde 0,05 % Natrium- en kaliurJlo~ 0,30

%

Ferri-oxyde 0,005

%

Zware metalen 0,002

%

Chloride 0,01

Indien het lithiumcarbonaat als grondstof wordt gebruikt voor-dë·pro-ductie van een ander lithium pröduct" in" dezelfde fabriek wordt het niet gedroogd, maar direct verder verwerkt.

I" ,: ... ( - 0 l..._} .~. I ' ) I" • <'-'.. . --Û •. r::~ . )

..

o J • '. -- ~. .-!" ... , J r •• r " t · .. • .# -- #>.!. ~ , .

..

, ' ~. ( .

.

r t. : . ,

..

;: r.J .~ ." - 1\ '

..

, 0< _, ' " ~ r • . ï . ... /. - : "1~ .-,\~ ,

.

, " , ,,. ' .. .' C , _, . ,

..

·

· .

. · ' r , " -+ ~"rc, _{. ,}

,.

-:": ~: f ,

..

r ... 10 'rf' t r -r-;-~" J •• t .... ~ ,l • t ' -, t·j ., t "t J 1"-r (~._ ~t '+J.'" .. .' , ,

.

~. "

.

.: \ . r . f ' .... -." I (

'.

13

.

• • . ' _ _ . . . . _. ~ I .. ~,. ... _~ . ' J 1t'" .

BEREKENING VAN DE CYCLOON, die de stofdeeltJes, welkè" doórr

de verbrandingsgassen uit de zuur-roostoven worden afgevoerd, weer af-scheidt. (20,21,22,23,24). _. ' _. , , '

'" .. _ .... _ . ~ -. ... ",. ~

In de- cycloon;' welke een van de beste' vertegenirioordigeJ:"s~

,;'hh

i de z.g."centrifugaalvangersflis, worden de gassen'met'de' stofdeeltJes

in een roterende beweging gebracht' met> het gevolg; dàt de' stof haar' buiten geslingerd wordt, terwijl de min of'ineer gereinigdë gas:sel),

a.e' .

cycloon in het' nlidden verlaten.' Niettegenstaande de cycloon t'eëas", inèèr " dan honderd jáar bekend is' en in tal van' industriéën wordt toegepàst;·· ~: ~ q) kan men. toch niet zeggen dat' de w~rking' van ~,i t t<:>estel" ~na=!-=!-e'.

?p~~.?h-~

.t}J'I • beken?- ~s. In~egend~el.moet me~ constateren, dat ~n de praktJ..Jk ,een ,

, g::ote ve::sche~denhe~~ ~n. c:>:cloon-vormen bestaat. Ook de vele theoriëh

d~e men ~n de technlsche llteratuur over cyclonen aantreft, maken geerl bevredigende indruk en zijn dikWijls met· elkaar, in strijd. . ....

Teneinde nu de werking :vaneen cycloon bèter te'leren kennen zijn in het laboratorium' voor warmte:' 'en stof techniek o.l".V.' profes'sor ter Linden sinds' 1935 zeer vele proefnemingen'met cycloonmöde~len'van

verschillende vormen genomen. Hierbij werden nagegaan' de invloed van' , een verandering vàh elk der hoofdafmetingèn op het-vàngstcijfer en de invloed van de gássnelheid en de grootte' van de' cycloon. .. , '.' ' ..

Af'gezien van de verkregen' resultaten, die' de' mee'st gUnstige afmetingen, bepalen en die'bij de'dimensionering van de te 'berekenen cycloon zul-len worden gebruikt, blij:kt dat het zeer

'belang-rijk is, dat men de 'aànkomende gassenzoveel'mo-gelijk tangentiaal invoert,'teneinde de rotatie van de gassen om deliitlaatpijp zo 'min mogelijk te storen. Het gunstigste is een over'de halve'

omtrek van de cycloon verdeelde gasinvo.er(fig.4).-I---t---I Verder blijkt dat gelijkrnatige vergroting van

een cycloon het vangstcijfer doet dalen, zodat kleine cyclonen beter werken dan grote. Boven-dien veroorzaken speciale inrichtingen' zoals ge-leidschoepen voor de gassen, omloopkanalen enz. integenstelling'van wat me~ ervan ven~acht, een daling van het vangstcijfer.

,

Fig.4~-I~-'-Om :qu de ineest geschikte cycloon te dimèn'sioneren; is hè't; al1e'r-, eerst nodig, dat de hoeveelheid gassen ,welke p'er seconde door de cy'cl'é)on

ge-1eüt

worden, bekend is. Daarom zullen we 'eerst deze hóèveelheid- bepalêilo' : We nemen hilrbij aan ,dat de gassen' de' zuur':'rëfo'stoveh met' 'een tempera:.:;. tuur van 2500_{Ce verlaten -en de 'cycloon isothermisch doorlopen. (Mocht}

dit ih de praktijk hiethet'geval zijn,'dah kan aan de hand van te me-ten grootheden een analoge berekening worden opgezet.) ,

War.mtebalans zuur-roostoveno ' ' Ql is warmte per uur nodig om het erts op te warmen

tot

250@C.

1250 kg spodume,en, s.w.0.',~2 kcal/kg. (~andolt-Bornstein)

Ql

=

125~.(25<?-20) .0,2~

=

?3250,O .. k?~1/uur.

Q2 is warmte per uur nodig om het zwavelzuur op te warmen tot t'

25bob'~

: . 250 -...1-._250== 232,5 kg zwavelzuur, s.w. 0,34 kcal/kg.(Landoltt:&lórh.)

100

.~. " . ~

-.

" 14

Q3 is warmte nodig om het water uit het zVlavelzuur om te zetten in . damp van 250oC. Eveneens per uur •

-1-.250

=

17,5 kg water

100

_.'

_.

~ ,

Q3= l7,5.(100-2~.l.

t

17,?5~0

t..

17.,.5.,(250-1OC»,.0,48 ;, 12110,9 ~~<:tlju ~ is warmte per uur nodig om de verbrandingsgassen op te warmen

tot-2500C. . . .. . tA~, " ...

C~4.,+_.~~~L _{) CO2} + 2H20 + _{13250 kca.l/kg qH4} (Landolt-Born~

. smëilion<ilgig: x kg methaan, dan nodig 4x kg zuurstof' •. _. "-" :li:én kl"\101 lucht is:80 .28 kg stikstof'

+

20 .32 kg zuurstof'

. 100' 100

. d.i. 22,40 + 6,40

=

28,80 kg. . ... , . 0 '

Nodig: 4x kg O2, dus . 4x .22,40

=

l4x kg N2, dus18x kglucht.

. . 6 40 "

Opm: Al deze hoeveelhe~en zijn per uur.

Uit' je kg me·thaan, '4x kg zuurstof' en 14x kg stikstof' kriJgen·

we na de verbranding: '2,25 x"kg waterdamp, 2,75x kg

koolaï-oxyde en l4x kg stikstOf gevormd, . dus totaal 19x kg gasseh •. Uit· de in'M.de Häas'; Thermodynamiça, gegeven ·s.w. voor 'deze" . stof'fen, vinden we voor de gemiddelde ~.·w. van de 19x kg gas-" sen 0,27 kcal/kg.

~ - 19x.(250-20).0,27

=

1179,9~ kcal/uur.

,

.

De totale warmte, die per, uur nodig is, be~raagt dus: .',t...,

~ot

=

63250,<? ~ 1818;t~5 + ;t?llO.,O ot:' 1179,9?C .. (9354~,5 .... 1179,~~)~?al<~'

Deze warmte wordt geleverd d.oor de verbranding van x kg me.thaan, en is dus gélij·k aan: 13250xkcal/uur.

Hieruit volgt dus zonder meer dat:

en dus: 93541,5 + 1179,9x

=

13250x x

=

7,75

Nodig aan methaan: 7,75 ~/uur d.i. 7,75

=

, 0,717 Nodig aan zuurstof':31,00kg/uur d.i.31;00

-1,429 Gevormd aan waterdamp en kooldioxyde: Aanwezig aan 'stikstof: 4.21,69

=

Uit zwavelzuur verdampt~ \vater: . . '

... -"~ . 10,81 m3(Ooc.)/uu~. 21,69 m3 (OoC.)/UU!. , 3 32,50 m₃(Ooc.)/uur. 86,76

m

(OoC.)/uur. 1 kg waterdamp

=

1,73"m (lOOoC.)(de Haas)

Aanwezig aan waterdamp: 17,5.1,73.273

=

22,16 m3(oóC.)/uur. 141,42

m

3(0°C.)/uur.

270,~2m3/uur verbrandingsgassen van 250°C.

373 Verbrandingsgassen: En dus 141,42.523

=

273 ' Er gaan dus 270,~2 3600 . ~...

I 1., ...

'-.

-...

15

, ;.;:, ~ .. I.~· • ~ ., t . t '

Deze hoeveelheid gassen is nu' bepalend voor afmetingen van-aè·lhlaat~

opening (welke vierkant is) van de cycloon, immers Uit dé'proeI'hèfuïh-gen van prof. ter Linden blijkt dat'de meest gunstige invoersnelheid der gassen' ca. 10 m/sec gedraagt' (zie' fig.5) Ilcrc~D-I!~~~

Nemen wij voor'deze snelheid 10,38 m/sec, dan vinden we voor' het o.ppervlak van de in-laatopening: 0,675

=

0,007225 m~oMet de

ge-, 10 38

gevens, mlJ vers{rekt door de afdeling voor warmte- en stof techniek, werden de vo~gen~e ' dimensies voor de cycloon gevonden:(z~e f~g.6)

ai is hoogte inlaat cycloon is - 8,5.10- m . 2

b. is breedte inlaat cycloon is- -2 Fig. 5

1 8,5.10 m

~ is diameter uitlaat cycloon is-;:::9, 6 .10-2m _{- --- - -}

---, -2 I Sc is instee!<:di~p~e _-uitlaat is

_{_.}

_{, ,} '9,5.10 ~

_':":

_U 4, -2 I dc is diameter cycloon is - 23,0.10

m

I I I I I I 'I II II • ~ ... 2

Ic is lengte ?ylinder.c3[cloon is- 23,0.10 m

Zc is lengte conisch cycloon is 23,0.10-2m

!C---d~f"-~--\-I>I

ic is diameter stofuitlaat is

-Vlgs(2l~ is het scheidend vermogen

cycloon voor deeltjes met een s.g. als volgt (pag. 239, fig.2l):

... -2 6,0.10 ,

m

van deze 1000 kg/m3 D )12 .J-': 100% D

>

6,5~: 90% D

> 4,9M-:

80% D

>

3,-u-: 70% D

>,

2~: 50%

Hierin is D de diameter van het deeltje, dat wordt afgescheiden.ln ons geval, s.g'.24l0 kg/ro3 ,

is het scheidend vermogen dus"nog gunstiger.

Opm: deze getallen z.ijn ex~~rzëmen:te,el:, gev0l?-~eno Fig.6

Voor de berekening van de diameter van het deeltje, dat nog r •

juist wordt afgescheiden~ wordt in de bekende theoriën, zoals deze' .. ' bijvoorbeeld ontwikkel~zijn door Rosin, Rammler en Intelmann, getraCht de banen van 'de stofdeeltjes in de cycloon te berekenen en dan de'" stof als "gevangen" te beschouwen, indien de deeltjes de buitenwand van de cycloon bereiken. Voor de berekening van deze banen der stof~ deeltjès is' het nodig om de in werKelijkheid zeer ingewikkelde

'stro-mingsverschijnsèle~terk te vereenvoudigen. Hierdoor gaat echter het

verband met de werkelijkheid verloren en wordt het rèsultaat der be-r~keningen onbetrouwbaar.

Prof. ter Lin~en'heeft een andere methode aangegeven, waarbij men niet de ~~of?anen ~n.de cycl~or; narekent, doch slechts de stroming in'de'

nablJh~l~ ~an ultla~t~eldlng der gassen beschouwt daar hier tenslo~te

16

.

,

Fig.? geeft het stromingsbèeld bij deze: uitlaatleiding weer;

he'ï:;: is

om de berekening te vereenvoudigen twee-dimensionaal en symmetrisch gedacht. "

Nemen we nu aan dat een stofdeeltje P zich op een cirkel met straal OP=r be-vindt en op deze cirkel juist-in even-wicht is,dan vinden we,ervan,uitgaande daiSvve met ronde deeltjes te maken heb-ben(eventueel kunnen we hiervoor later

een correctie aanbrengen) en dat we de wet van Stokes'hier mogen toepassen

(dit is het geval, zie later), dat:

V_s

=

D2.g.fla.dg

L

, 1 .

'J

Hierin is: "

-(1)

V_s

=

valsnelheid van het beschouwde

de el tj e - . - " .

g - ver$nelling van de zwaa~t~kra?ht, is 9,81 m/sec

D - diameter van het beschouvrde deeltje

,

_... ~ ~.

1 . . . _ . . .

~d ; dichtheid van de deeltjes,is Fig.?

1 \ 2 41.103 kg/m3 ' . . ' ... ~. ,

~g

=

dichtheid van de gasseniuit de in' (22') pag. 176 gegeven getallen /, en de bekende samenstel ins der gassen (zie pag.l~)'vinden we

dat~g bij oo~. 1,412 kg/m bedraagt,verder

is

lm gas van 0oC.

523

=

1,915 m' gas bij 250oC, waaruit volgt dat~g B 1,412

=

2?3 1,915

0,737 kg/m3 • _{... ,,,,}

?

=

viscositeit der gassen, hiervoor vSinden we m.b.v. (22)pag.37l, en (24)pag.586,dat" 0

=

2,50.10- kg/m sec. . , -.- - :'., ·

Als dit deeltje tesamen~g~ ae gassen roteert, dan heeft het ee~angen­ tiale snelheid welke elijk is aan de ta entiale component van de gas-snelheid.. Vt,. --6~1i

.

,

. "

Op" dit deeltje 'werKt ,dan een ,cen:tr~fug~le ~:rach~ C, die dus gelijk is aan:

C: ill.!.Y~

r m,is de massa van het deeltje.

-

' -

-

"

.

. ~ .

en deze is voor dit' zich op', de cirkel in" evem'li'cht""bevihdènde' deeltje gelijk, doch tegengesteld aandê' naar bih.nëh' geri'cht'e krá:cht' dië de' .

-gassen op het deeltje uitoef'éhen;'n'.l.' de 'cehtripetalë kracht F, welke dus een gevolg is van de radiale snelheid der gassen vr.Zodat we krij-gen: ' " , ..

F

=

C _,

=

!!l!Jl-2

_{r "}

Met in acht neming van de wet van Stokes vinden we:

V_s

=

g.r·!r_

Vt

(2)

Combinatie van (1) met (2) levert ons dan de volg~nde vergelijking:

g~rzvr_

=

n

2

·g·GId

-/gl-Vt , ~8~?,

_

, _, ( , -. o , • , f r- _.!J. ( _'" , r . _: :'"" ,'. _:' Cr 'F \

..

~. ,,"'I .... . , • J ~. , .. ,. r .'< • '. ,,; , t;-. h , t . ,'! H ' Ii

.

.

'.

.

, ' .~ c' ~

.

_{I ,} " v ..

-'< ,..

..

... , '. 1 • ' -, r r (

"

f ... : , . . . . { ' o " "-.~ , .[\ ~ .' / .-.. '" \. ; • I • r -' ., ."; _~

.

'. L

.

.[ , I

.

, ;

,

.'

,-

_\~ . .. <> ...

\:

0 . C<r\ i ~; ~ ~ .1 " \

..

' Q o ..., ... 1 t · _, "'-. ~. " 0 \

..

... \ :' ,,: J .,- !.p -! ... ... ".,J 'ó.! -. .; '* f,

17

zijn 9P een cirkel ond de

Voor de diameter van~~~~~~~~~~~ een straal r

=

__

~~.

'2

D

=

dll.Vr.

9.a

Vt

2 <fd

-1

g)

(3)

Teneinde D te kunnen bepalen, is het dus nodig dat we v_t en v

r kennen. Volgens (23)pag.6, is:

, , v.r.

=

constant en dus: i- slaat op inlaat u- slaat op uitlaat. vi

=

0,0~5 _~ m/sec en ~i

=

1/2.~o

=

11,5.10 -2 m. , 8,5 .10 ~ :: 4,75.10- 2 m. Waaruit volgt: Vu

=

25,~3 ,m/sec.,

Bovendien gaan door iedere doorsnede (loodrecht op vr ) 'evnveel gassen ,dus.:

-7(. _{di .vri}

=

7(

·du

ov_ru

~.di.vri

=

hoeveel§eid gassen per hoogte-eenheid is:

0,075 m /sec. . 0 085

~

=

9,5.10-~-.

Daaruit volgt: _{, ,} NU is: v2 en dus:' 2 v_{t .}

=

v2 _ v r 2

(we laten de index u achterwege)

Vullen we de gevonden waarden voor v en vr in, dan krijgen we: vt2

=

25,132 - 2,962

Zodat:

vt

=

24,9~ m/s~c.

Met deze waarden voor vt'en vr en de op pag.16 gegeven waarden voor

Id'fg

en?; te~lijl

du

eveneens bekend is, vinden we voor D:

n2

=

9;5.10- 2 • 2,96 • '9 • 2~50.10-5 ... 24,94.24,94 • (2,41.10' - 0,737)

En de diameter van het kleinste deeltje, dat nog volledig wordt af-gescheiden is dus:

" ,

D

=

6,48.10-6

J?-'

,dus, D

=

6,5 micron.

Controleren we nu of 'wè de- wet van Stoke's inderdaad mochten toepas-sen, dan weten we dat in dat geval het getal van Heynolds (Re)

a

18

. Re

=

/goVS.D

'J

Voor vs"vind~n we,m.b.v.verg.(2):

V

s

=

9,81.4,75.1@-2.2,96 _{24,94 ,}

=

2,167.l0-3m/sec. en dus: " . .

Re

=

0,737.2,167.10-;.6,48.10- 6

=

4,14.10-4• . 2

50.10-dit is dus inderdaad'kleiner dan één!

yolgens(2l) mogen we Stokes toepass§nals V_{s kleiner is"dan}

5,0.10- m/sec, maar groter is dan 1,0.10- m/sec, dus ook daaraan is in dit geval voldaan.

-,.. "

• ! • Voor de volledigheid" zal 'ter vergelijking ook 'n andere - cy:.··· " cloonberekening worde"n gegeven, n.l. zoals' deze in (22) is aangegeven

De invoersnelheid der gassen' is 10,38 m/sec.De inlaat der' cycloon is

2hier rechthoekig, waarbij: ai

=

2.bio Hieruit vinden we voor: 2.b i

=

0,075:: 72,25.10-4.

10,38 .

Voor de dimensies van de cycloon vinden we dan (voor betekenis der tekens zie pag.15): 2

ai

=

_2.bi

=

12,02.10-

m

b· _~

-

.- _6,01. 1 -2

°

_m

<\t=

2.b· ~

=

12,02.10-2 m -3/2.b. 9 -2 Sc

-

, ~

-

-

,02.10 m d c 1:2 4.bi

=

24,04.10- 2 m Ic

₌

2.dc

-

-

48,08.10- 2 m Ic ' 2 Zc

-

-

-

-

48,08.10- ~ ic

=

bi

-

-

6,01.10 -2 m _ - •. t,. • •

Passen we nu de door Rosin,Rammler en Intelmann berekende formule voor de kleinste.deeltjes, diameter D, welke nog voor 100% worden afgescheiden toe, dan vinden we voor D:

2 -5 6 10-2

D

=

9.9.bi

=

9.2

_t

50.IO.

t

Ol •3

n.nteviCfci-Pg) 3,14.5? 0,38.(2,4 .10 -0,737)

n is het aantal omwentelingen dat het gas in de cycloon" ~,

t maakt, en wordt in dit geval gesteld op 5.(zie (22)pag.l02,§ Hieruit volgt:

D

=

1,86.10-6 m

=

1,86 micron.

Deze waarde komt dus vrij goed' overeen met die gevonden volgens' de 'eerste berekening, vooral als men hierbij in aanmerking neemt dat

Dt waarschijnlij~ t~hoog is. '

~ot slot volgt hier de berekening van het drukverval over de volgens de eerste method~ gedimensioneerde cycloon:

~Pc

=

~.!~.v2/2g

=

44,5 nnn water. (~= 11,is afb. van de

.. "a

4

.!e

.

-LITERATUUR. 1. Hampel C.A. 2. Lando1t P.E. 3. Work L.T. 4.Sanderson L. 5. Roberts A.E. 6. Roberts A.E. 7. Nader R.N. Nie1sen R.L. Herre M.G. 8. Meyer H.C. 9. Hyde R.W. 10.Shie1ds J.E. 12.Pye E.G. 11. Kirk-Othmer 13.Grutterink J.A • 14.Doelter C. 15.Doe1ter C.

Rare Metals Handbook J.Meta1s

-, ... Brit.Chem.Eng.

_-

_. , Can.-Min.J. World Min. Wor1d Min. Ind. Eng.Chem. Ind.Eng.Chem • _{.. ...} Can.Min.J. Can.Min.J. Can.Min.J. Delfstofkunde

Handbuch der Mineralchemie

vr

.

... 19 .. . ., " • .. ~ • I .. Co,. ". 9, (1~?7)? 766. •. ,I.. 1l1 • •

1,g,

(?-~56), 106. . ., " 77,1, (1956)', 70. " ~,1, (1956) , 40. ~,g, (1956) , 57.

_

... ~. 43,(1951),2636. 30,(1938),433. 77,5, (1956) , 67., .. . ~ ~''''" '" 77,1, (1956) , 98. 77,1,(1956), .73. ", ... # 8,(1952), 467. II, (1944) , 82. '1,(1912), 702.

_.

_". Handbuch der Mineralchemie ~ II,g,(1917) , 193.

-'

. Krysta110graphie (Groth P.)

V

g,

(1908) , ~ 4 ' . 16. Chemische 265. 102 • (1~~).,

17.Eclitorial Staff' Report Chemoand Met. Eng.

. , _.. . ..

-18.Imperia1 Apparate Eau ~ (1955).

. . . J . • • • . . . "

19.Grinding,Pu1verizing and Separating Machinery Cat.16,(1923). ,

• . . .~... •• • ' . . - ... . , . .. 0. . . • _~. _ • • • • • .. • • ,~ .

20~ Tët,jl1inden A.J., Tijdschr. Vlaar.ase Ing. Ver. _..

2,

(1937) ,

~... .. .

_.

'". -. ..--.

.

.. 96. ,

..

21. Ter Linden A.J., 22.perry J.H. '... ~ 23oKramers'H. 24.Brown G.G. Proc. Inst.Mech.Eng. Chemical Engineers'Handbook

_-

_{--_.-} ~ .... .. .. ' .. , " Collegedictaat Ph.W.W. Unit Operations 160, (1949), 233. " . .'

...

".' (19501-,1026. , ~.'" (1953). l ,

..

' (1951), 586.

-~

--

- .

--

---~--==---:..----=----=----

--

"-" -... , -

..

_--~.

---~~-I

-I .~_ L~

\$f'l

2

'1,:.1" r·UTI r.':. (lUN , " . I " \ -\

\

Q ..

f ---=:!...:j.Jl/=-_

~)~

--::.: .--:;''l.; ,

.

~)u,r\ .. vl\r , m á/. ,~ -/ ~ VEfltDTTlN0S0VEN

~

n

~l--~_l'L

\---~L--'---=-~,k:====----~:LL~~~L...~~~~~.E..~~~'::----II

, I

!

~. , KQEL TRQJ;lMEL '

..

-I

I

OOTEREND YAO.!.JMFIl TER ~ I

! LT- - - , I I I I I I I I I I I I I I

~1-_~---~~~~_:

__ :

..

=1J:;

~

~.l

-

~ ~ ~~)Jo.-,Ji;;lzkt:~_·

"---,

~t

____

J,

1J.--_~

__

----=_~r~~~ ZUL~

-r-J-l~~~~_~~~~~=n==1J-1~_~=~c~_

L

~ ~

,LAB

RQQSIQ.\'.~

, UIILOOjtrANK