CH401927A - Reaktionsgefäss für eine Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und Temperaturen - Google Patents

Description

  
 



  Reaktionsgefäss für eine Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und Temperaturen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reaktionsgefäss für eine Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und Temperaturen, mit einem elektrisch nichtleitenden und thermisch isolierenden äusseren Zylinder, an dessen Stirnseiten elektrische Zuleitungen angeordnet sind, und einem konzentrisch innerhalb des äusseren Zylinders angeordneten, elektrisch leitenden Heizzylinder, der mit den Zuleitungen elektrischen Kontakt hat und einen Raum für die Reaktionsteilnehmer umschliesst, die durch im Heizzylinder fliessenden Strom indirekt aufgeheizt werden können.



   Das Reaktionsgefäss gemäss der Erfindung ermöglicht eine indirekte Heizung des Gefässinhaltes und soll eine genaue Temperaturregelung innerhalb des Gefässes zulassen.



   Anlagen für sehr hohe Drücke in der Grössenordnung von 100000 Atmosphären und darüber und sehr hohe Temperaturen, das heisst im Bereich um 22000 C und darüber sind zur Herstellung synthetischer Diamanten durch Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material in Gegenwart bestimmter Katalysatoren erforderlich. Eine derartige Anlage ist in der Schweizer Patentschrift Nr. 377 319 beschrieben. Diese Anlage besitzt ein Reaktionsgefäss zur direkten Heizung mittels eines durch das kohlen  stoffhaltige    Material geführten Stromes.



   Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Diamanten bekannt, bei welchem mittels genauerer Temperaturregelung innerhalb des gesamten Reaktionsgefässes grössere Diamantkristalle erzeugt werden können. Eine derartige genauere Temperaturregelung umfasst auch den Temperaturausgleich im gesamten Reaktionsgefäss und das Vermeiden von Temperatur änderungen während des Reaktionsablaufes.



   Bei direkt geheizten Reaktionsgefässen kann eine ähnliche Regelung durch entsprechende Wahl der Dicke der Endscheiben erzielt werden, die am Reaktionsgefäss zur Einführung und Durchleitung des Stromes durch die Charge vorgesehen sind. Man kann auch Endscheiben mit höherer oder niedrigerer elektrischer oder thermischer Leitfähigkeit verwenden, so dass verschiedene Heizgrade erzielt werden und die Lage der heissesten Zone im Reaktionsgefäss verändert wird. Die Verwendung von Kupferscheiben mit grosser elektrischer und thermischer Leitfähigkeit erhöht z. B. die Erhitzung im Mittelteil des Gefässes, während weniger leitfähige Metalle die Erhitzung an den Enden des Gefässes erhöhen. Auch durch eine zweckmässige Wahl der für die Charge notwendigen Katalysatormetalle kann wesentlich zur Diamantbildung beigetragen werden.



   Es hat sich jedoch im allgemeinen gezeigt, dass eine indirekte Heizung ein geeigneteres Mittel zur Regelung der Temperatur innerhalb des Reaktionsgefässes und während des Reaktionsablaufes darstellt.



  Ein Reaktionsgefäss für indirekte Heizung ist im genannten Schweizer Patent beschrieben. Dieses Gefäss besitzt einen aus Stein wie Pyrophyllit, Catlinit oder Talk geformten Isolationszylinder, der von einem Heizdraht umgeben ist. Diese Art von Reaktionsgefässen besitzt jedoch bestimmte Nachteile. Der beispielsweise aus Platin bestehende Heizdraht kann den für die sehr hohen Temperaturen erforderlichen Strom nicht zuführen, weil sich der Widerstand von Platin im Bereich höherer Temperaturen erheblich verändert; auch findet zwischen dem Platin und dem an der Aussenseite befindlichen Steinzylinder des Gefässes eine Reaktion statt.

   Noch wichtiger ist, dass der Kohlenstoff der Charge in dem Teil, welcher dem Stein unmittelbar benachbart ist, zu Veränderungen neigt, weil der Stein bei längerem Betrieb, beispiels  weise bei einer Betriebsdauer von ungefähr 30 Minuten und darüber, schmilzt oder sich zersetzt. Die Zersetzungsprodukte können die Diamantreaktion beeinflussen und die Diamantausbeute verringern. Diese Nachteile lassen sich durch eine sehr genaue Temperaturregelung vermeiden, wie sie mit dem Reaktions  gefäss 3 gemäss der Erfindung ermöglicht wird.   



   Das erfindungsgemässe Reaktionsgefäss soll nun anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch das Reaktionsgefäss und
Fig. 2 eine geänderte Ausführungsform des Reaktionsgefässes, insbesondere für grössere Reaktionsgefässe.



   Das Reaktionsgefäss 50 in Fig. 1 besitzt einen Pyrophyllit-Zylinder 51 mit einer Wandstärke von ungefähr 7,9 mm und einem Aussendurchmesser von ungefähr 19 mm. Die Figuren entsprechen diesen und noch folgenden Massangaben nicht.



   Konzentrisch im Zylinder 51 ist ein Heizrohr 52 aus Graphit für die indirekte Heizung angeordnet.



  Das Rohr 52 grenzt unmittelbar an den Zylinder 51. Ein weiterer Zylinder 53 aus Aluminiumoxyd ist innerhalb des Heizrohres 52 aus Graphit angeordnet und grenzt an dieses. Der Graphit 54, aus dem die Diamanten erzeugt werden, wird dann in ein Rohr 55 gebracht, das aus entsprechendem Katalysatormetall besteht. Dieses Rohr ist zentral innerhalb des Aluminiumoxydzylinders 53 angeordnet.



  Für andere Zwecke kann die Füllung 54 auch aus anderen Reaktionskomponenten bestehen. Je ein Stopfen 56 und   56' aus    Aluminiumoxyd ist in den oberen und den unteren Teil des Graphitheizrohres 52 eingepasst, so dass der Graphit und der Katalysator in ähnlicher Weise gehalten werden wie an der Innenseite des Teils 53. Für Widerstandsheizung kann ein einziger derartiger Stopfen ausreichen, da ein solcher Stopfen den durch den Graphit hindurchgehenden Strom unterbricht. Zur Stromzuleitung zum Heizrohr 52 sind geeignete Endscheiben 57 und 57' vorgesehen.



   Zweckmässigerweise ist der Aluminiumoxydzylinder 53 vorgebrannt und daher relativ weich. Man kann z. B. bei Temperaturen von ungefähr 1100 bis 12000 C brennen, da höhere Temperaturen zu hartgebranntem Aluminiumoxyd führen. Ein derartig hartgebranntes Aluminiumoxyd behindert die hydrostatische Druckübertragung bei höheren Drücken und Temperaturen. Auch andere keramische Stoffe wie beispielsweise Zirkoniumoxyd, Magnesiumoxyd und Bornitrid können ebenfalls für den Zylinder 53 verwendet werden. Der Aluminiumoxydzylinder 53 besteht z. B. aus handelsüblichem Material mit 96-99 % Aluminiumoxyd, wobei die restlichen Anteile die Reaktion des Diamantwachstums nicht beeinträchtigen sollen. Die Dicke des Zylinders kann zwischen 0,254 und 1,27 mm liegen, doch führen im allgemeinen auch Dicken zwischen 0,762 bis 2,54 mm zu guten Ergebnissen.



   Das Graphitheizrohr 52 besteht vorzugsweise aus spektroskopisch reinem 99   %    Graphit ohne Verunreinigungen, die bei hohen Drücken und Temperaturen Zersetzungserscheinungen zeigen oder ihren elektrischen Widerstand verändern.



   Reaktionsgefässe dieser Art besitzen die wesentlichen Merkmale eines Gefässes, da sie unter den hohen Anfangs drücken und hohen Temperaturen nicht undicht werden, d. h. die Zersetzungsprodukte des äusseren Steinzylinders vermischen sich zu Beginn des Prozesses nicht mit der Charge; ein derartiger Behälter hält eine praktisch konstante Temperatur während der gesamten Zeitspanne, während welcher der Graphit sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung umgewandelt wird. Ferner behält ein solcher Behälter seine jeweilige Grundform unter den hohen Drücken und Temperaturen, d. h. ein   Zusammenfall    erfolgt gleichmässig. Insbesondere ist sichergestellt, dass das Heizrohr oder der Steinzylinder nicht nach der Seite ausbricht bzw. umfällt und dabei die Charge vergiftet.

   Das Reaktionsgefäss macht es auch möglich, ein Heizrohr aus einem Material (Graphit) vorzusehen, dessen Widerstand sich unter hohen Drücken und Temperaturen nicht wesentlich verändert, so dass eine konstante Heizung erzielt werden kann. Die gewünschte geometrische Stabilität und die Verhinderung einer übermässigen Katalysatorvermischung werden insbesondere dadurch erzielt, dass die Reaktionskomponenten gegen das Heizrohr mit Stoffen wie Aluminiumoxyd, Zirkoniumoxyd, Magnesiumoxyd usw. isoliert sind, die auch in chemischer Hinsicht keine Neigung zur Vergiftung der Diamantreaktion durch den Reaktionsablauf störende Stoffe aufweisen. Der geschmolzene Katalysator benetzt den Aluminiumoxydzylinder 53 und bewirkt, dass dieser unter anderem instand und dicht bleibt usw. geschützt wird, weil das Aluminiumoxyd völlig vom Katalysator bedeckt ist.

   Dadurch können die Reaktionskomponenten auch auf jede im praktischen Bereich liegende Temperatur bis mindestens zum Schmelzpunkt der Isolation erhitzt werden, ohne dass dabei die Raumform eine zeitliche Veränderung erfährt.



   Die Verwendung von metallischem Katalysator in Rohrform ermöglicht eine starke Kompression des Reaktionsgefässes unter gleichzeitiger starker Verringerung der Axialabmessung, ohne dass es zu einer Rissbildung oder zu Undichtigkeiten im Zylinder 53 oder im Rohr und damit zu einer Störung der Diamantbildung durch Zersetzungsprodukte oder geschmolzene Anteile des Zylinders 51 kommt. Das Rohr 55, das eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, trägt zur Vermeidung eines grösseren Temperaturgradienten in axialer Richtung bei. Ein weiterer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass bei Beginn des Diamantwachstums vom Katalysatorrohr nach innen das Wachstum in Richtung des sehr niedrigen Temperaturgradienten verläuft. Dies ermöglicht auch eine bessere Regelung der das Diamantwachstum bestimmenden Bedingungen und verringert die Wachs  tumsgeschwindigkeit.

   Durch derartig stabile Wachstumsbedingungen wird die Herstellung grösserer Diamantkristalle möglich. So konnten beispielsweise bei Verwendung von Nickel als Katalysator Diamantkristalle mit einer Länge von 500 Mikron bis über einen Millimeter (d. h. bedeutend grösser als mit einem beliebigen anderen System) bei Drücken im Bereich von 76 bis 78 Kiloatmosphären und Temperaturen von 15000 C hergestellt werden, wobei die Wachstumsrate einer Zeitspanne von ungefähr 30 Minuten entsprach.



   Bei grösseren Gefässen kann eine abgeänderte Ausführungsform des Reaktionsgefässes für indirekte Heizung verwendet werden. In Fig. 2 ist ein konzentrisches Mehrschichtengefäss 60 dargestellt. Das Gefäss 60 besitzt einen äusseren Zylinder 61, der dem Zylinder 51 von Fig. 1 ähnlich ist. Ein Graphit Heizrohr 62 ist konzentrisch im Zylinder 61 angeordnet und dient zur Widerstandsheizung. Ferner ist ein Zylinder 63 aus Aluminiumoxyd innerhalb des Graphitrohres 62 angeordnet und wirkt als Isolation und als Versteifung bzw. als Stabilisator für den Katalysator. Den Kern des Reaktionsgefässes bildet ein Mittelstab 64 aus Aluminiumoxyd, um den ein Rohr 65 aus Katalysatormetall angeordnet ist Das Rohr 65 aus Katalysatormetall ist von einem Graphitzylinder 66 für die Diamantbildung und von einem weiteren Zylinder 67 aus Katalysatormetall umgeben.



  Dementsprechend tritt das Diamantwachstum in einem ringförmigen Raum auf, der durch den Graphitzylinder 66 gebildet ist. Während der zur Verfügung stehende Raum bei gegebener Grösse des Reaktionsgefässes beschränkt ist, ergibt sich zusätzlich zur verbesserten Temperaturregelung eine Vergrösserung der stabilisierten Katalysatoroberfläche und damit ein besseres Diamantwachstum. Die Diamanten wachsen im Bereich eines kleinen Temperaturgradienten, entfernt von der Mitte des Gefässes.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Reaktionsgefäss für eine Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und Temperaturen, mit einem elektrisch nichtleitenden und thermisch isolierenden äusseren Zylinder, an dessen Stirnseiten elektrische Zuleitungen angeordnet sind, und einem konzentrisch innerhalb des äusseren Zylinders angeordneten, elektrisch leitenden Heizzylinder, der mit den Zuleitungen elektrischen Kontakt hat und einen Raum für die Reaktionsteilnehmer umschliesst, die durch im Heizzylinder fliessenden Strom indirekt aufgeheizt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Heizzylinders (52, 62) ein Metallzylinder (55, 67) angeordnet ist, der vom Heizzylinder durch ein gegen Wärme widerstandsfähiges Material (53, 63) abisoliert ist,

   aus einem als Reaktionsteilnehmer für die beabsichtigte Reaktion dienenden Metall besteht und in seinem Inneren einen Raum für den anderen Reaktionsteilnehmer (54, 66) aufweist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Reaktionsgefäss nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation zwischen dem Heizzylinder (52, 62) und dem Metallzylinder (55, 67) von einem zum äusseren Zylinder (51, 61) konzentrischen Hohlzylinder (53, 63) gebildet ist.

   2. Reaktionsgefäss nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Metallzylinder (67) im Abstand von diesem konzenzentrisch ein weiterer Metallzylinder (65) angeordnet, der ringförmige Zwischenraum (66) zwischen den beiden Metallzylindern (67, 65) mit dem anderen Reaktionsteilnehmer beschickt und innerhalb des inneren Metallzylinders (65) ein elektrisch nichtleitender und gegen Wärme widerstandsfähiger zylindrischer Kern (64) angeordnet ist.

   3. Reaktionsgefäss nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens an einem Ende des Reaktionsgefässes ein isolierender Pfropfen (56) vorgesehen ist, der den Metallzylinder (55) bzw. die Metallzylinder (65 und 67) und den Raum für den anderen Reaktionsteilnehmer (54 bzw. 66) von der elektrischen Zuleitung (57) isoliert, wobei der Heizzylinder (52, 62) diesen isolierenden Pfropfen umschliesst, über ihn hinausragt und Kontakt mit der elektrischen Zuleitung hat.