CN114634295A - 制备合成石英玻璃的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种用于生产合成石英玻璃的工艺，其中原料蒸气由有机硅起始化合物和任何可燃的燃烧器辅助气体在小于或等于1.00的燃烧器中的空气系数下反应而成。此外，本发明涉及一种相应设备。

Description

制备合成石英玻璃的工艺
技术领域
本发明涉及一种用于生产合成石英玻璃的工艺和一种用于进行根据本发明的工艺的对应设备。
背景技术
为了生产合成石英玻璃，在CVD工艺中通过水解或氧化从含硅起始物质中生成SiO2粒子，并且将其沉积于移动载体上。外部沉积工艺与内部沉积工艺之间可能存在差异。在外部沉积工艺中，SiO2粒子沉积于旋转载体的外部。此类外部沉积工艺的实例是所谓的OVD工艺(外部气相沉积)、VAD工艺(气相轴向沉积)或PECVD工艺(等离子体增强化学气相沉积)。内部沉积工艺的众所周知的实例是MCVD工艺(改性化学气相沉积)，其中SiO2粒子沉积在从外部加热的管的内壁上。
在载体表面区域内足够高的温度下，SiO2粒子直接玻璃化，这也称为“直接玻璃化(direct vitrification)”。相比之下，在所谓的“烟灰工艺(soot process)”中，SiO2粒子沉积期间的温度非常低，以致获得多孔SiO2烟灰层，然后在单独的工艺步骤中将所述烟灰层烧结成透明的石英玻璃。直接玻璃化和烟灰工艺都产生致密、透明、高纯度的合成熔融二氧化硅。
在用于生产合成熔融二氧化硅的现有技术工艺中，通常使用一种方法来确保SiO2粒子的足够沉积效率，其中沉积效率被理解为假设硅从所用的含硅起始化合物完全转化，所产生的烟灰体的重量与可以生产的SiO2的数学上最大量的商。这些常用条件首先包括尽可能化学计量的氧气与燃料(＝含硅起始化合物+燃料气体，例如对于引火火焰(pilotflame))的比率，以便确保基本上完全转化成所需的目标产物。此外，氧气与可氧化起始物质的化学计量比(即，在空气系数(air number)为1的情况下进行的工艺)引起高转化温度，这对于工艺效率也称为优选的。在现有技术中，含硅起始物质用湍流火焰有规律地燃烧，这确保了单独气体(特别是氧气和含硅起始化合物)的良好混合，并且同时引起快速转化成所需的二氧化硅。尽可能避免在火焰中形成碳烟灰，以防止碳烟灰沉积在所得烟灰体上。最后，现有技术工艺的特征在于使用的燃烧器距沉积表面一定最小距离，以便能够在烟灰体上尽可能完全收集转化为SiO2的材料。
例如在WO 90/10596 A中描述了用于生产合成石英玻璃的对应工艺，其中结合上述解释使用了过量的氧气并因此使用了大于1的空气系数。
EP 3 549 921 A公开了一种通过在起始构件上沉积玻璃微粒来制造用于光纤的多孔玻璃预制件的方法，包括向汽化器供应液态有机硅化合物原料和载气；在汽化器中，将液态的有机硅化合物原料与载气混合并汽化，以将有机硅化合物原料和载气转化为原料混合气体；将原料混合气体和可燃气体供给燃烧器，使原料混合气体和可燃气体在燃烧器中燃烧，并将燃烧产生的SiO微粒从燃烧器中喷出；以及通过使汽化器和燃烧器在其纵向平行于起始构件以同步方式重复地一起移动，将从燃烧器喷出的SiO微粒沉积在起始构件上。
EP 0 622 340 A描述了一种用于制备合成二氧化硅玻璃体的方法，其中硅烷化合物由以下通式表示：
RnSi(OR)4-n，
其中R为脂肪族单价烃基且下标n为零或不超过4的正整数，所述硅烷化合物在形成于同心多管燃烧器喷嘴上的氢氧火焰中火焰水解，所述同心多管燃烧器喷嘴由中心喷嘴和至少四个环形喷嘴组成，所述至少四个环形喷嘴包含环绕中心喷嘴的第一环形喷嘴、环绕第一环形喷嘴的第二环形喷嘴、环绕第二环形喷嘴的第三环形喷嘴和环绕第三环形喷嘴的第四环形喷嘴，硅烷化合物的蒸气、氧气和氢气被引入到所述喷嘴中以形成氢氧火焰以及实现硅烷化合物在氢氧火焰中的火焰水解，由此所述方法包含以下步骤_
(a)将硅烷化合物的蒸气和氧气的气态混合物引入到中心喷嘴中；
(b)将氧气引入到包括第一环形喷嘴的至少两个环形喷嘴中；以及
(c)将氢气引入到包括第二环形喷嘴的至少两个环形喷嘴中，
并且其中氧气的总进料速率在氢气的完全燃烧和硅烷化合物的完全火焰水解所需的化学计量当量的至少50％但不超过90％的范围内。
WO 99/20574 A公开了一种在玻璃衬底的表面上形成高纯度的合成玻璃质二氧化硅层的方法，所述玻璃衬底具有不同于所述高纯度层的物理和/或化学特性，所述方法通过在燃烧器中燃烧二氧化硅前体并且在玻璃衬底的表面上在足够高的温度下沉积所得二氧化硅，使得形成无孔玻璃质二氧化硅粘结层，而不需要后续烧结。
US 2019/0084866 A描述了一种用于生产合成熔融二氧化硅的工艺，其中含硅起始化合物与氧气混合且作为原料馈入燃烧器。由此提及，混合物中的氧气与含硅起始化合物以亚化学计量比存在于原料中，使得避免含硅起始化合物和氧气的混合物的过早点燃。然而，氧气与含硅起始化合物的亚化学计量比仅仅是指含硅起始化合物和氧气的混合物的进料流。供应的氧气的总量(即，与含硅起始化合物一起供应到燃烧器的氧气的量以及单独供应到燃烧器的氧气的量)相对于含硅起始化合物为超化学计量的。
DE 10 2011 121 153 A还描述了一种用于生产合成石英玻璃的烟尘工艺，其中包含含碳硅化合物的原料与氧气在反应区中反应以形成SiO2粒子，然后将SiO2粒子沉积在沉积表面上以形成含有碳和羟基的多孔SiO2烟灰体，将所述多孔SiO2烟灰体干燥且接着玻璃化。在此情形下，DE 10 2011 121 153 A陈述，在以小于1的空气系数下，即在至多0.95的空气系数λ(空气系数＝可用氧气的实际量与理论上对于化学计量完全燃烧所需的最小氧气量的比率)即氧气供应不足的情况下工作时，含硅起始物质八甲基环四硅氧烷(OMCTS)的沉积效率得到提高。然而，如果基于DE 10 2011 121 153 A，将另外的氧气添加到载气OMCTS料流，那么这将不可避免地导致空气系数的增加，并且技术人员会认为DE 10 2011 121153 A中描述的优点未实现。此外，DE 10 2011 121 153 A中的较高累积速率归因于由较少氧气添加引起的较低平均气体速度，并且因此归因于SiO2粒子在沉积表面附近的较长滞留时间。
总体而言，现有技术工艺在含硅起始材料的沉积效率方面仍需要提高，并且因此需要一种可以提高含硅起始材料的沉积效率的合成熔融二氧化硅制造工艺。提高的沉积效率伴随着合成熔融二氧化硅的低制造成本。
发明内容
根据本发明，此任务现通过一种生产合成石英玻璃的工艺来解决，所述工艺最初的特征在于以下工艺步骤：
(1)蒸发含有至少一种有机硅起始化合物的原料以形成原料蒸气；
(2)将来自工艺步骤(1)的原料蒸气馈入反应区，其中所述原料蒸气在火焰中在氧气存在下燃烧并且通过氧化和/或通过水解转化成SiO2烟灰粒子；
(3)将由工艺步骤(2)产生的所述SiO2烟灰粒子沉积在沉积表面上以形成烟灰体；以及
(4)必要时，干燥和玻璃化由工艺步骤(3)产生的烟灰体以形成合成熔融二氧化硅。
此外，本发明涉及一种用于生产合成二氧化硅玻璃的工艺，其特征在于以下工艺步骤：
(1)蒸发含有至少一种有机硅起始化合物的原料以形成原料蒸气；
(2)将来自工艺步骤(1)的原料蒸气馈入同心燃烧器的反应区，在所述反应区中原料蒸气在火焰中在氧气存在下燃烧且通过氧化和/或水解转化成SiO2烟灰粒子，其中在燃烧器的同心横截面内部，将原料蒸气连同氧气一起作为进料混合物馈入燃烧器火焰中，并且通过非氧化分离气体将进料混合物与含氧燃料气体分离；
(3)将由工艺步骤(2)产生的所述SiO2烟灰粒子沉积在沉积表面上以形成烟灰体；以及
(4)必要时，干燥和玻璃化由工艺步骤(3)产生的烟灰体以形成合成熔融二氧化硅。上文根据本发明所描述的两种工艺的特征接着在于欲在工艺步骤(2)中进行的原料蒸气的转化在小于或等于1.00的燃烧器中的空气系数下进行。
在本发明的上下文中，原料蒸气任选地与一种或多种额外辅助气体一起用于工艺步骤(2)中。
根据本发明，因此前提为，在根据本发明的装置的燃烧器中的气体流量，即，来自燃烧器的氧气(包括进料氧气)与主动地供应到燃烧器(即，在压力下)的所有可燃材料的比率被调整成使得实现主动地供应到燃烧器(即，在压力下)的所有气体的空气系数小于或等于1。
空气系数λ定义为可用氧气的实际量与理论上对于化学计量完全燃烧所需的最小氧气量的比率。
在本发明的上下文中，针对燃烧器中的有机硅起始化合物与辅助气体(H2)进行反应(至多)化学计量使用的氧气的总量应理解为在压力下主动供应到燃烧器的氧气的量。根据此对于氧气的总量的定义，得出被动(即，未加压)供应到燃烧器的氧气的量不加到根据本发明提供的氧气的总量中。确切地说，这排除了在有机硅起始化合物的燃烧期间从围绕燃烧器的大气扩散到火焰中的氧气。
此外，用于(至多)化学计量地在燃烧器中转化有机硅起始化合物和必要时可燃辅助气体的氧气的量应理解为集中供应到燃烧器中的氧气的总量。
术语集中馈送到燃烧器的氧气在同心燃烧器中意谓在燃烧器火焰侧的表面区域中主动离开燃烧器的氧气总量，所述表面区域由具有半径r的基本上环形区域形成，其中半径r从材料喷嘴的中心或材料喷嘴组合体(用于馈送有机硅起始化合物的一个或多个喷嘴)的中心垂直于饵棒(bait-rod)旋转轴的方向延伸，并且半径r对应于材料喷嘴距所形成的烟灰体的沉积表面的平均距离的约1/5。
术语集中供应至燃烧器的氧气在线性燃烧器中应理解成意谓，在燃烧器的火焰侧，在表面区域中主动离开燃烧器的氧气总量，所述表面区域由一表面形成，所述表面从材料喷嘴的中心或材料喷嘴组合体(用于馈送有机硅起始化合物的一个或多个喷嘴)的中心线垂直于饵棒旋转轴方向具有一距离d，并且距离d对应于材料喷嘴距所形成的烟灰体的沉积表面的平均距离的约1/5。
氧气的(至多)化学计量使用优选地在烟灰体的完全积聚时间期间维持，其中积聚时间理解为将有机硅起始化合物馈送到根据本发明的程序中所花费的时间
t积聚时间＝Δt含硅起始化合物的馈送开始-结束。
在本发明的上下文中，假设来自所使用的起始有机硅化合物的硅完全转化，沉积效率由所产生的烟灰体的重量与可产生的SiO2的所计算最大量的商得到。
在本发明的上下文中，在燃烧期间应用小于或等于1的空气系数产生下文所论述的技术效应。
使用富燃烧混合物(伴有小于或等于1的空气系数)导致稍后局部点燃仅火焰的外围区域，足够的燃烧器气体O2已经从外部喷嘴扩散到所述外围区域中。由于混合物太丰富，火焰的芯区域更难以点燃。其结果是，仅较小体积的气体同时点燃，并且氧气必须首先扩散进入。这防止了热燃烧气体从已经点燃的区域膨胀到其它火焰区域中并且使得火焰的湍流较小。
在根据本发明的工艺中，具有可燃混合物的气体体积一直向上延伸并且具有较低横向膨胀。这产生更为层状的火焰。相关的效果为，更窄、更为层状的火焰更好地将自身附着在烟灰体上，并且在烟灰体的正下方形成更稳定的停滞点。这产生SiO2粒子至烟灰体的沉积表面的较短扩散路径，并且增加停滞点处的滞留时间，从而产生总体较高的沉积效率。
此外，氧气的亚化学计量使用另外产生在火焰中心处氧气不足的情况下碳黑的黄色发光焰心(flame soul)。
根据本发明的工艺尤其是外部气相沉积工艺(OVD)方法、气相轴向沉积(VAD)工艺或烟灰-晶锭(Soot-Boule)工艺。相应的OVD和VAD工艺对于所属领域的技术人员来说是充分已知的，并且烟灰-晶锭工艺例如从US 8,230,701已知。
附图说明
图1展示根据本申请使用之燃烧器几何结构。
具体实施方式
下文更详细地描述根据本发明的方法的个别工艺步骤：
工艺步骤(1)-馈入材料的蒸发
在工艺步骤(1)中，含有至少一种有机硅起始化合物的原料被汽化以形成原料蒸气。有机硅起始化合物优选为聚烷基硅氧烷化合物。
原则上，根据本发明可以使用适合于生产合成二氧化硅玻璃的任何聚烷基硅氧烷化合物。在本发明的上下文中，术语聚烷基硅氧烷涵盖线性(包括分支结构)和环状分子结构。
特别适合的环状代表物是具有以下经验式的聚烷基硅氧烷
SipOp(R)2p，
其中p是大于或等于3的整数。基团“R”是烷基，在最简单的情况下是甲基。
聚烷基硅氧烷的特征在于每重量分率的硅含量特别高，这有助于它们在合成熔融二氧化硅的生产中使用的经济性。
聚烷基硅氧烷化合物优选地选自由以下组成的群组：六甲基环三硅氧烷(D3)、八甲基环四硅氧烷(D4)、十甲基环五硅氧烷(D5)、十二甲基环六硅氧烷(D6)、十四甲基环七硅氧烷(D7)、十六甲基环八硅氧烷(D8)及其线性同系物，以及以上化合物的任何混合物。记法D3、D4、D6、D7及D8获自通用电气公司(General Electric Inc.)所引入的记法，其中“D”表示基团[(CH3)2Si]-O-。
以上聚烷基硅氧烷化合物的混合物也可以在本发明的范围内使用。
目前，八甲基环四硅氧烷(OMCTS)由于其可以高纯度地大规模获得而是优选的。因此在本发明的情形下，如果聚烷基硅氧烷化合物是八甲基环四硅氧烷(D4)，那么其是尤其优选的。
原则上，原料有可能在引入工艺步骤(1)之前进行纯化。此类纯化工艺是技术人员已知的。然而，在优选实施例中，原料不预先经历上游纯化工艺。
原料的蒸发可以在存在或不存在载气组分的情况下进行。优选地，原料的蒸发在载气的存在下进行，因为这允许蒸发在低于有机硅起始化合物的沸点的温度下发生。这意谓原料蒸气优选另外包含载气。如果原料的蒸发是在低于其沸点的情况下进行，那么这类工艺是优选的。惰性气体优选为化学惰性的且优选为氮气或氩气。在此情况下，有机硅起始化合物与载气的摩尔比优选在0.01至2范围内，尤其优选在0.02至1.5范围内，并且最优选在0.05至1.25范围内。确切地说，优选使用以体积计水分含量<40ppm的氮气作为载气，并且使用OMCTS作为有机硅起始化合物。还优选的是，OMCTS与氮气的分子比在0.015至1.5的范围内。
蒸发步骤为所属领域的技术人员已知的。根据有机硅起始化合物与载气的所选分子比，将有机硅起始化合物转化成气相，优选在120℃与200℃之间的温度下进行。蒸发室中的蒸发温度应始终至少比有机硅起始化合物的露点高几度。露点又取决于有机硅起始化合物与载气的所选分子比。在一个优选的实施例中，这通过在蒸发之前将有机硅起始化合物预热至40℃与120℃之间的温度，并且接着将其喷入具有比原料预热更高的温度的蒸发室中来实现。在优选实施例中，惰性载气在被馈入蒸发室之前可以另外预热至高达250℃的温度。有利的是，蒸发室中的温度平均总是高于有机硅起始化合物和载气的混合物的露点温度。例如在国际专利申请WO 2013/087751 A和WO 2014/187513 A以及德国专利申请DE 102013 209 673 A中描述了适合的蒸发工艺。
在本发明的上下文中，术语“露点”描述在冷凝液与蒸发液之间达到平衡状态时的温度。
当使用低于原料的沸点的温度时，蒸发优选地与惰性载气一起进行。
在本发明的上下文中，“蒸发”被理解为原料基本上从液相转化为气相的工艺。这优选通过使用如上所述的高于作为原料主要成分的有机硅起始化合物的露点的温度来完成。技术人员应意识到，从工艺工程的角度来看，不能排除可能夹带原料的小液滴。因此，在工艺步骤(1)中，优选产生原料蒸气，其优选含有不少于97mol％、优选不少于98mol％、尤其优选不少于99mol％、极尤其优选不少于99.9mol％的气态组分。
气态有机硅起始化合物或载气与气态有机硅起始化合物的混合物通常从蒸发室中被取出并馈入燃烧器中。在馈入燃烧器之前，气态材料或气态材料与载气的混合物优选与氧气混合。在火焰中，有机硅起始化合物被氧化成SiO2。形成了细粒、无定形SiO2(SiO2烟灰)，其以多孔物块的形式首先沉积在载体表面上，并且随后沉积在形成的烟灰体的表面上。
工艺步骤(2)-将原料蒸气馈入反应区，其中原料蒸气在火焰中在氧气存在下燃烧 并且通过氧化和/或通过水解转化成SiO2烟灰粒子
在工艺步骤(2)中，将由工艺步骤(1)产生的气态原料蒸气馈入反应区，在所述反应区中原料蒸气通过氧化和/或通过水解转化成SiO2粒子。
此工艺步骤确切地说对应于已知的烟灰工艺。此通用工艺的可能设计对于技术人员是已知的。
原料蒸气的燃烧通常采用同心燃烧器，其气体出口喷嘴围绕燃烧器口的中心呈圆形排列。
根据本发明，已发现，通常降低空气系数不足以实现所要的沉积效率以及同时获得基本上不含碳沉积物的烟灰体。举例来说，如果根据DE 10 2011 121 153 A的工艺中的空气系数降低到低于在实施例中应用于其中的空气系数，那么获得具有过量碳沉积物的烟灰体。因此，本发明-在与DE 10 2011 121 153 A的公开内容的基本差异中，优选地提议至少一个另外的工艺修改，其在下文中解释。
根据本发明优选地使用的燃烧器中的中心喷嘴(内喷嘴)通常用于进料原料蒸气，所述原料蒸气通常在本发明的上下文中与载气预混合使用。此外，优选将氧气添加到原料蒸气中，以便从通常使用的同心燃烧器的中心喷嘴产生进料流，所述进料流中除了原料蒸气以外还含有载气和氧气。
在本发明的优选实施例中，有机硅起始化合物在进料中与氧气一起馈入燃烧器中。
通过与DE 10 2011 121 153 A的公开内容相比的此修改的方法，有可能将通用工艺中的空气系数降低到低于现有技术中所定义的范围，并且因此增加产率效率，而不同时获得具有过量碳沉积物的烟灰体。
因此，根据本发明的此优选方法与DE 10 2011 121 153 A中所描述的工艺显著不同，DE 10 2011 121 153 A建议使用富燃料混合物，即，过量SiO2起始化合物和因此供应不足的氧气，但不含有关于如何避免同时引起的烟灰体上的碳沉积增加的任何公开内容。始于DE 10 2011 121 153 A的教示，希望提高通用工艺的沉积效率的技术人员将再进一步减少燃烧器氧气，但将由于烟灰体中的过量未燃烧的碳而失败。仅通过在总体上减少氧气总量的情况下向进料流添加额外的氧气才可能实现根据本发明的低空气系数。
在本发明的上下文中，还可使用除同心燃烧器以外的燃烧器形状；在这些情况下，根据前述新发现，有机硅起始化合物优选地与氧气(任选地与载气一起)混合，并且馈入燃烧器室中(无关于有机硅起始化合物的馈入的位置)。
燃烧器的中心喷嘴(内喷嘴)通常由围绕中心喷嘴同心布置的第二喷嘴包围，分离气体从所述第二喷嘴引入到燃烧器中。此分离气体将含氧SiO2起始化合物与从另一个同心喷嘴进入燃烧器的另一氧气流分离，所述另一个同心喷嘴围绕中心喷嘴和分离气体喷嘴同心布置。
优选地，气体用作分离气体，其通常含有按体积计超过5％的氢气，尤其按体积计超过10％的氢气、尤其按体积计超过20％的氢气、尤其按体积计超过30％的氢气、尤其按体积计超过40％的氢气、尤其按体积计超过50％的氢气、尤其按体积计超过60％的氢气、尤其按体积计超过70％的氢气、尤其按体积计超过80％的氢气、尤其按体积计超过90％的氢气、尤其按体积计超过95％的氢气、尤其按体积计超过98％的氢气、尤其按体积计超过99％的氢气。
优选地，基本上纯的氢气用作分离气体。
在本发明的范围内，可提供在沉积工艺期间调整燃烧器与烟灰体表面之间的距离。出于此目的，原则上可以改变燃烧器和/或烟灰体的位置，由此在优选实施例中，使燃烧器移动而使烟灰体的旋转轴位置保持静止。
在具有与炬口(torch mouth)齐平的喷嘴的沉积炬的情况下，沉积炬与烟灰粒子的沉积表面之间的距离被定义为炬口与形成的烟灰体的表面之间的最短距离。以其它方式，此距离被定义为就数量而言主要的玻璃起始材料穿过的喷嘴孔喷嘴的喷嘴孔与形成烟灰体的表面之间的最短距离。这通常是优选使用的同心燃烧器形状的中心喷嘴(中间喷嘴)。
通过沉积炬产生的SiO2烟灰粒子通常沉积在围绕其纵轴旋转的承载管上，从而使烟灰体逐层积聚。出于此目的，沉积炬可以沿着承载管的纵轴在两个转向点之间来回移动。另外，优选使用燃烧炉体(burner block)，其中各自具有一个火焰的若干沉积燃烧器位于其中。在使用燃烧炉体的情况下，根据本发明操作燃烧器中的至少一个、优选地燃烧器中的全部，即，针对燃烧器中的至少一个、优选地针对燃烧器中的全部维持根据本发明的空气系数，并且根据如本发明的考虑因素针对燃烧器中的至少一个、优选地针对燃烧器中的全部调整燃烧器中的每一个与烟灰体的表面之间的距离。
在本发明的上下文中，如在开始时已描述，发现如果空气系数(即，氧气与原料的比率)小于或等于1，那么其对于沉积效率是有利的。根据本发明，因此进一步优选的是，相对于待水解和/或聚合的原料蒸气和任何可燃辅助气体，在工艺步骤(2)中优选地以亚化学计量使用氧气。
确切地说，根据本发明的工艺中的优选空气系数小于或等于0.95，甚至更优选小于或等于0.90，甚至更优选小于或等于0.85，甚至更优选小于或等于0.80，甚至更优选小于或等于0.78，甚至更优选小于或等于0.76。
在至少20％、更优选地至少30％、甚至更优选地至少40％、甚至更优选地至少50％、甚至更优选地至少60％、甚至更优选地至少70％、甚至更优选地至少80％、甚至更优选地至少90％、甚至更优选地至少95％、甚至更优选地至少97％、甚至更优选地至少98％、甚至更优选地至少99％的先前所定义的根据本发明工艺中的建立时间期间优选地维持以上空气系数。
DE 10 2011 121 153 A公开将0.952作为其中所描述的石英玻璃生产中的最小具体空气系数。技术人员因此不会预料，与DE 10 2011 121 153 A中所公开的相比伴有显著较大氧气不足的较低空气系数将导致根据本发明的SiO2粒子的沉积效率增加，以及即使馈入燃烧器中的有机硅起始化合物的料流另外富含氧气，仍可以实现效率增加。
整体上较丰富气体排列中的降低点燃能力另外引起同时点燃的气体区域的平均直径减小(较小的“小火焰”)。由于热膨胀和摩尔增益(例如，1摩尔OMCTS气体产生x倍于燃烧气体摩尔数)，减小的体积会增加，因为分解会产生较小压力波，使火焰的湍流较小。这产生具有更长燃尽长度的更为层状的火焰，其具有前面所描述的优点。必须考虑到，在根据本发明的工艺中的燃烧器和火焰中心中，只有进料流和氢气存在，它们在一起太富集而不能快速点燃，并且来自外喷嘴的氧气到达中心较晚，由于湍流较低而分布在更长的距离上。
由于在本发明的上下文中，原料优选与载气和氧气一起从优选同心燃烧器的中心喷嘴排放到燃烧区，因此必须考虑用于计算空气系数的氧气量是由氧气混入原料流和用作燃料气体的额外氧气所产生的。
在根据本发明的工艺的范围内，空气系数可以显著降低到低于DE 10 2011 121153 A定义的值，并且同时可以显著提高沉积效率。
与从DE 10 2011 121 153已知的其中空气系数为0.95和氧气不足仅为5％的工艺相比，在0.85的示例性空气系数下，根据本发明的工艺中的氧气不足高三倍(15％)，并且在0.75的示例性空气系数下，氧气不足高五倍(25％)。
此外，根据本发明的工艺的特征优选地在于具有一定粒度分布的过量烟灰，其接着可优选地用于副产品。
工艺步骤(3)-SiO2粒子的沉积
在工艺步骤(3)中，由工艺步骤(2)产生的SiO2粒子沉积在沉积表面上。此工艺步骤的设计在本领域技术人员的技能和知识范围内。
为此目的，在工艺步骤(2)中形成的SiO2粒子逐层沉积在旋转载体上以形成多孔烟灰体。
在烟灰粒子沉积期间，必要时，改变炬与支撑材料之间的距离，以满足前面描述的条件。
工艺步骤(4)-必要时干燥和玻璃化
在工艺步骤(4)中，必要时，将由工艺步骤(3)产生的SiO2粒子干燥和玻璃化以形成合成石英玻璃。如果先前执行的工艺步骤是根据烟灰工艺进行的，则此工艺步骤是特别必要的。此工艺步骤的设计在本领域技术人员的技能和知识范围内。
根据本发明的工艺适用于生产合成熔融二氧化硅，所述工艺以外部或内部沉积工艺进行。如果根据本发明的工艺以外部沉积工艺进行，那么其优选为OVD工艺(外部气相沉积)、VAD工艺(气相轴向沉积)或烟灰-晶锭工艺。
根据本发明的工艺可以降低石英玻璃的制造成本。
本发明的另一目标是提供一种用于生产合成二氧化硅玻璃的设备，其中根据本发明的设备包含：
(a)至少一个蒸发区，其用于蒸发至少一种含有至少一种有机硅起始化合物的原料以形成原料蒸气，所述蒸发区包含蒸发单元；
(b)至少一个反应区，来自工艺步骤(a)的所述原料蒸气馈入所述反应区中，并且所述原料在所述反应区中通过热解或通过水解转化成SiO2粒子，所述反应区包含燃烧器；以及
(c)至少一个沉积区，其包含用于由所述反应区(b)产生的所述SiO2粒子形成合成熔融二氧化硅的沉积区，其中所述沉积区包含烟灰体。
根据本发明的装置的特征接着在于，所述燃烧器具有喷嘴，所述喷嘴经设计以使得
■通过所述喷嘴，将所述原料蒸气与氧气一起馈入所述反应区中，以及
■所述设备包含可以一定方式调整氧气与含硅起始化合物的量比的构件，所述方式使得待实现的所述原料蒸气的所述反应在小于或等于1.00的所述燃烧器中的空气系数下进行。
根据关于根据本发明的工艺的以上解释，在根据本发明的设备的燃烧器中的气体流量，尤其氧气作为燃料的量和有机硅起始化合物和可能的可燃辅助气体的量优选地被调整，以使得实现小于或等于0.95的空气系数。
对于空气系数的定义，参考以上给定的解释。
在本发明的上下文中，原料蒸气可另外与载气一起使用。
根据关于根据本发明的工艺的以上解释，在根据本发明的设备的燃烧器中的气体流量，尤其氧气作为燃料的量和有机硅起始化合物和可能的可燃辅助气体的量优选地被调整，以使得实现小于或等于0.90的空气系数。
根据关于根据本发明的工艺的以上解释，在根据本发明的设备的燃烧器中的气体流量，尤其氧气作为燃料的量和有机硅起始化合物和可能的可燃辅助气体的量优选地被调整，以使得实现小于或等于0.85的空气系数。
根据关于根据本发明的工艺的以上解释，在根据本发明的设备的燃烧器中的气体流量，尤其氧气作为燃料的量和有机硅起始化合物和可能的可燃辅助气体的量优选地被调整，以使得实现小于或等于0.80的空气系数。
根据关于根据本发明的工艺的以上解释，在根据本发明的设备的燃烧器中的气体流量，尤其氧气作为燃料的量和有机硅起始化合物和可能的可燃辅助气体的量优选地被调整，以使得实现小于或等于0.78的空气系数。
根据关于根据本发明的工艺的以上解释，在根据本发明的设备的燃烧器中的气体流量，尤其氧气作为燃料的量和有机硅起始化合物和可能的可燃辅助气体的量优选地被调整，以使得实现小于或等于0.76的空气系数。
根据本发明的装置优选地经设计以使得在至少20％、进一步优选至少30％、再进一步优选至少40％、再进一步优选至少50％、再进一步优选至少60％、再进一步优选至少70％、再进一步优选至少80％、再进一步优选至少90％、再进一步优选至少95％、再进一步优选至少97％、再进一步优选至少98％、再进一步优选至少99％的先前所定义的建立时间期间优选地维持所述空气系数。
根据本发明的设备的燃烧器优选地具有同心横截面，其中在同心横截面内部，将原料蒸气与氧气(和作为载气的惰性气体)一起作为进料混合物引入到燃烧器火焰中，并且通过分离气体将进料混合物与含氧燃料气体分离。
最后，本发明涉及此设备用于生产合成熔融二氧化硅的用途。
实例
下文参考以下实例和图式更详细阐释本发明。
根据本发明的实例
根据国际专利申请PCT/EP2012/075346的实施例，液体原料OMCTS与已预热到180℃的作为载气的氮气一起在蒸发器中在170℃下汽化。氮气-OMCTS蒸气混合物与氧气(O2混合物)一起被引入到同心燃烧器中，并且实验在以下条件下进行：
实验1至3，每小时将相同量的OMCTS引入到燃烧器中，其中调整O2混合物和O2燃烧的量以实现下表中列出的空气系数。H2和N2的量也相同。在所有实验中，燃烧器与烟灰体之间的距离也都是相同的。
比较测试1 试验1 试验2 试验3
OMCTS(kg/h) 恒定 恒定 恒定 恒定
空气系数λ 1.23 1.00 0.81 0.78
效率 - + ++ +++
含义：
-：不良沉积效率
+：提高的沉积效率
++：显著提高的沉积效率
+++：极大提高的沉积效率
测试1至3和比较实例展示，通用工艺的产率效率可通过降低空气系数(即，在氧气与含硅起始化合物和可能的可燃辅助气体的亚化学计量比渐小的情况下)而增加。确切地说，显著低于从DE 10 2011 121 153 A已知的氧气与含硅起始化合物和可能的可燃辅助气体的比率的空气比是优选的。
在上述实验中，使用同心燃烧器，所谓的进料混合物通过内喷嘴引入到燃烧器区域中。进料混合物由可聚合的聚烷基硅氧烷化合物OMCTS、N2载气和O2混合物组成。燃烧器的内喷嘴由围绕内喷嘴同心的中心喷嘴包围，H2气体作为分离气体从所述中心喷嘴进入燃烧器区域。在外同心喷嘴中，氧气作为燃烧剂引入(O2燃烧)。
此实施例中使用的燃烧器几何结构展示于图1中，在所述图1中表示为：
1：内喷嘴；
2：中间喷嘴；和
3：外喷嘴
比较测试
从根据DE 10 2011 121 153 A的表1的测试4开始，比较测试中，空气系数降低到低于0.952的值。在此比较测试中，在中心进料喷嘴中没有氧气与OMCTS一起被馈入燃烧器中。所获得的烟灰体由于过高碳含量而不可用。

Claims (15)

1.一种用于生产合成石英玻璃的工艺，其特征在于以下工艺步骤：
(1)蒸发含有至少一种有机硅起始化合物的原料以形成原料蒸气；
(2)将所述原料蒸气馈送到反应区，在所述反应区中所述原料蒸气在火焰中在氧气存在下燃烧并且通过氧化和/或通过水解转化成SiO2烟灰粒子；
(3)将由工艺步骤(2)产生的所述SiO2烟灰粒子沉积在沉积表面上以形成烟灰体；以及
(4)必要时，对由工艺步骤(3)产生的所述SiO2粒子进行干燥和玻璃化以形成合成熔融二氧化硅；
所述工艺的特征在于
欲在工艺步骤(2)中进行的所述原料蒸气的所述转化在小于或等于1.00的燃烧器中的空气系数下进行。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于工艺步骤(2)中使用的用于所述原料蒸气的燃烧的所述火焰具有0.95或更小的空气系数。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于工艺步骤(2)中使用的用于所述原料蒸气的燃烧的所述火焰具有0.85或更小的空气系数。
4.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于所述有机硅起始化合物在进料中与氧气一起馈送到所述燃烧器中。
5.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于所述工艺步骤(2)通过具有同心横截面的燃烧器进行，其中在所述同心横截面内部，将所述原料蒸气与氧气一起作为进料混合物引入燃烧器火焰中，并且通过非氧化分离气体将所述进料混合物与含氧氧化气体分离。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于所述分离气体含有按体积计超过5％的氢气。
7.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于所述有机硅起始化合物选自由以下组成的群组：六甲基环三硅氧烷(D3)、八甲基环四硅氧烷(D4)、十甲基环五硅氧烷(D5)、十二甲基环六硅氧烷(D6)、十四甲基环七硅氧烷(D7)、十六甲基环八硅氧烷(D8)、其线性同系物和以上化合物的任何混合物。
8.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于用于使所述有机硅起始化合物和任选地可燃辅助气体在所述燃烧器中反应的氧气的总量为主动供应到所述燃烧器的氧气的量。
9.一种用于生产合成石英玻璃的设备，其特征在于所述设备包含：
(a)至少一个蒸发区，其用于蒸发至少一种含有至少一种有机硅起始化合物的原料以形成原料蒸气，所述蒸发区包含蒸发单元；
(b)至少一个反应区，由工艺步骤(a)产生的所述原料蒸气馈送到所述反应区中，且所述原料在所述反应区中通过热解或通过水解转化成SiO2粒子，所述反应区包含具有火焰的燃烧器；以及
(c)至少一个沉积区，其包含用于由所述反应区(b)产生的所述SiO2粒子形成合成熔融二氧化硅的沉积区，其中所述沉积区包含烟灰体，
所述设备的特征在于，所述燃烧器具有喷嘴，其经设计以使得
■通过所述喷嘴，将所述原料蒸气与氧气一起馈送到所述反应区中，以及
■所述设备具有能够以一定方式调整氧气与所述有机硅起始化合物的量比的构件，所述方式使得待实现的所述原料蒸气的所述反应在小于或等于1.00的所述燃烧器中的空气系数下进行。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述设备包含在小于或等于0.95的空气系数下操作的燃烧器。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于所述设备包含在小于或等于0.85的空气系数下操作的燃烧器。
12.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于所述设备包含在小于或等于0.76的空气系数下操作的燃烧器。
13.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于所述燃烧器具有同心横截面，其中在所述同心横截面内部，将所述原料蒸气与氧气一起作为进料混合物引入燃烧器火焰中，并且通过分离气体将所述进料混合物与含氧氧化剂气体分离。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于所述分离气体含有按体积计超过5％的氢气。
15.一种根据权利要求9至14中任一权利要求所述的设备的用途，其用于生产合成熔融二氧化硅。
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