DE102022119516B3

DE102022119516B3 - Herstellung von porösem kohlenstoff aus metallcarbid

Info

Publication number: DE102022119516B3
Application number: DE102022119516.3A
Authority: DE
Inventors: Ohannes Yeghia Ohannes Markarian; Jaan Leis; Sebastian Winzer
Original assignee: Skeleton Technologies GmbH
Current assignee: Skeleton Technologies GmbH
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2042-08-04
Also published as: WO2024028216A1

Abstract

Zur Verbesserung der Effizienz des CDC-Herstellungsverfahrens schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von von Carbid abgeleitetem Kohlenstoff durch Umsetzen eines Halogengases mit einem metallischen Carbidmaterial in einem Reaktor (10) mit einer Reaktionskammer (12) vor, wobei während der Reaktion des Halogengases mit dem Carbidmaterial eine Gas-Feststoff-Trennung durch ein Filterelement (22) einer Filteranordnung (18) in einer Reaktionszone (30) der Reaktionskammer (12) durchgeführt wird und die Reaktionszone (30) eine Temperatur von über 600 °C aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das weiterentwickelte Herstellungsverfahren von mikroporösem Kohlenstoff. Das hier beschriebene Verfahren betrifft die Herstellung von porösem Kohlenstoff aus Metallcarbiden. Genauer gesagt betrifft das hier beschriebene Verfahren Prozesse für einen diskontinuierlichen, halbkontinuierlichen oder kontinuierlichen Gas-Feststoff-Trennungsprozess innerhalb der beheizten Zone des Reaktors, der aus der Halogenierung von Metallcarbiden zur Bildung von porösem Kohlenstoff und Metallhalogenid mittels direkter Filtration entsteht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Poröse Kohlenstoffmaterialien werden in den Bereichen Energiespeicherung, Filterung bis hin zu Adsorptionsprozessen verwendet. Insbesondere bei der Energiespeicherung und bei Filteranwendungen ist die hohe spezifische Oberfläche dieser Materialklasse von Interesse. Carbidkohlenstoffe (engl.: carbide derived carbons; CDCs) sind eine Klasse mikroporöser Kohlenstoffe mit großer Oberfläche, enger Porenverteilung und hohem Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Üblicherweise werden die CDCs durch chemische Abtrennung von Metall- oder Metalloidcarbiden von ihren Metall- oder Metalloidanteilen durch Halogenierung bei hohen Temperaturen hergestellt, beispielsweise bei einer Temperatur von 200°C bis 1200°C der Reaktionszone, wobei Metall- oder Metalloidchloride und der mikroporöse Kohlenstoff als Produkt übrig bleiben.
CDCs können aus vielen verschiedenen Ausgangsstoffen synthetisiert werden, die im Folgenden als Carbide bezeichnet werden: binäre Carbide (wie TiC, SiC, Al₄C₃ , Mo₂C, SiC, B₄C, ZrC, NbC usw.) oder ähnliche Verbindungen mit Sauerstoff (wie Oxycarbide, MC_xO_y) oder Stickstoff (wie Carbonitride, MC_xN_y) oder tertiäre Carbide (wie M1_xM2_yC) oder deren Mischungen. Üblicherweise liegt der
Vorläufer in Form von Pulver mit variabler Partikelgrößenverteilung vor, aber auch Agglomerate, Pellets oder Carbidfolien können verwendet werden. Hinsichtlich der strukturellen Ordnung kann das Vorläufercarbid ein monolithischer Kristall oder ein polykristallines oder poröses biomorphes Carbid sein oder eine andere Morphologie aufweisen.
Es gibt mehrere Verfahren, um die Nicht-Kohlenstoff-Atome aus Carbid zu extrahieren; das am häufigsten angewendete Verfahren ist die chemische Extraktion mit Halogengas (X₂) bei hoher Temperatur (Gl. (1)): ${MC}_{x} + y / 2 X_{2} \to {MX}_{y} + xC .$
Gas-Feststoff-Reaktoren wie Festbett-, Drehrohrofen- oder Wirbelbettreaktoren können für die Reaktion von Rohmaterial (Reaktanten), Carbid und Halogengas verwendet werden. In der beheizten Reaktionszone befindet sich ein Gemisch aus Reaktanten und Produkten. Im Prinzip verbleiben die Feststoffe (Festbett, Wirbelschicht) in der Reaktionszone (oder im Reaktor), und der Gasstrom (das/die Halogen(e)) tritt/treten als Reaktant(en) ein und entweichen als Gemisch aus Metallhalogeniden und Halogen(en).
US 2012 / 219 488 A1 offenbart eine typische Festbettreaktoranlage zur kontinuierlichen Herstellung von porösem Kohlenstoffmaterial durch Halogenierung von Carbiden.

Ein typischer Reaktionstyp verwendet Chlorgas (Cl₂). Gemäß der Massenbilanz der Chlorierungsreaktion (siehe Gleichung (1)) kann die theoretische Ausbeute an Kohlenstoff aus Carbiden (CDC) aus verschiedenen Carbiden von ~6 Gew.-% im Falle von Molybdäncarbid bis zu fast 30 Gew.-% für Siliziumcarbid reichen. Wie in TABELLE 1 gezeigt, ist das Hauptprodukt der Carbidchlorierungsreaktion ein Chlorid des jeweiligen carbidbildenden Metalls oder Metalloids (MCl_y. Daher muss der Reaktor für eine effiziente Herstellung von porösem Kohlenstoff durch Halogenierung von Metallcarbiden bei erhöhten Temperaturen so ausgelegt sein, dass eine maximale Trennung beider Produkte, CDC und Metallchlorid, gewährleistet ist, während gleichzeitig homogene Temperaturbedingungen in der beheizten Reaktionszone aufrechterhalten werden. TABELLE 1. Relative Gewichtsverteilung der Produkte (CDC und MCl_y) für verschiedene Carbide durch Chlorierungsbehandlung.

Carbide (MC)_X	Reaktion	CDC, %.	MCl_y, %
SiC	SiC + 2 Cl₂ → SiCl₄ + C	6.6	93.4
TiC	TiC + 2 Cl₂ → TiCl₄ + C	5.9	94.1
Mo₂C	Mo₂C + 5 Cl₂ → 2 MoCl₅ + C	4.2	95.8
Al₄C₃	Al₄C₃ + 6 Cl₂ → 4 AlCl₃ + 3 C	4.0	96.0
B₄C	B₄C + 6 Cl₂ → 4 BiCl₃ + C	6.0	94.0
ZrC	ZrC + 2 Cl₂ → ZrCl₄ + C	4.9	95.1
NbC	2 NbC + 5 Cl₂ → 2 NbCl₅ + 2 C	4.2	95.8
HfC	HfC + 2 Cl₂ → HfCl₄ + C	3.6	96.4

Die CDC-Rückgewinnungsrate ist für die Gesamtausbeute des Prozesses von Bedeutung; während gleichzeitig ein Gasstrom aus Metallhalogeniden und Halogenen, der den Reaktor verlässt, von allen festen Bestandteilen (in diesem Fall dem CDC und/oder teilumgesetzten Carbid und/oder reinen Carbiden) befreit werden muss. Feststoffe im Gasstrom führen zu Komplikationen in den nachgeschalteten Einheiten (wie Kondensatoren, Filter, Pumpen usw.) und zu Komplikationen bei der Weiterverarbeitung der Metallhalogenide und Halogene. Es ist auch wichtig, einheitliche Bedingungen für die Feststoffe einzuhalten, d. h., dass Änderungen und/oder Schwankungen der Feststofftemperatur in der Regel zu einer uneinheitlichen Charakteristik des erzeugten CDC führen. Dies sollte vermieden werden. Darüber hinaus sollten die Feststoffe (teilweise oder vollständig umgewandeltes CDC) nicht mit Oberflächen/Materialien, die eine Quelle für Verunreinigungen sein können und/oder mögliche katalytische Fähigkeiten für die Graphitierung von CDC bieten, in Berührung kommen.

Gas-Feststoff-Reaktoren umfassen in der Regel Gas-/Feststoff-Trenneinheiten wie Zyklone und/oder Filter. Zyklone sind als Gas-/Feststoffabscheider im Partikelgrößenbereich über 20 µm begrenzt, wobei die Effizienz bei kleineren Partikelgrößen abnimmt. Die USEPA (engl.: United States Environmental Protection Agency, deutsch US-Umweltschutzbehörde) gibt in dem Dokument (EPA-452/F-03-005) die folgenden Wirkungsgrade an: TABELLE 2. Zyklontyp vs. Abscheidegrad (%) für Feinstaub (PM)

Zyklon-Typ	PM für Partikel > 10 µm	PM für 10 µm Partikel	PM für 2,5 µm Partikel
Konventioneller Zyklon	70 - 90	30 - 90	0 - 40
Hocheffizienter Zyklon	80 - 99	60 - 95	20 - 70
Zyklon mit hohem Durchsatz	80 - 90	10 - 40	80 - 95

Partikel im Bereich von 10 µm oder darunter werden daher höchstwahrscheinlich nicht abgeschieden.
US 6 673 133 B2 zeigt Schwierigkeiten bei der Abscheidung von Partikeln unter 50 µm in FCC-Anlagen, die zu FCC-Katalysatorkonzentrationen von 200-1000 mg/Nm³ führen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Partikelgrößenverteilung (engl.: particle size distribution; PSD) des für die CDC-Produktion zu verwendenden Rohmaterials (Metall- oder Metalloidcarbid) zwar gemessen werden kann, dies aber nicht bedeutet, dass das resultierende CDC genau dieselbe PSD aufweist, da die Partikel einem Abrieb ausgesetzt sind. Dies ist auf die mechanische Belastung zurückzuführen, der die Partikel durch Zusammenstöße zwischen den Partikeln und/oder durch den Aufprall des Feststoffs auf die Wand ausgesetzt sind, was wiederum zu einem allmählichen Abbau der Partikel (Abrieb) führt.
Der exotherme Charakter der Reaktion bei der CDC-Herstellung trägt ebenfalls dazu bei und führt zu einer zusätzlichen thermischen Belastung, die zu bestimmten Zeiten lokalisiert auftreten und Risse in der Struktur verursachen kann (Fragmentierung).
Der Einsatz von Gas-Feststoff-Trennverfahren wie Zyklonen und/oder Filtern in einem anderen Stadium der CDC-Produktion, die eine Änderung der Strömungseigenschaften (z. B. der Temperatur) erfordern, ist wenig effizient und setzt das Material anderen Bedingungen aus, die sich auf die Eigenschaften und damit letztlich auf die Leistung des CDC auswirken. Wenn das Material die Reaktionszone oder den Reaktor selbst verlässt und mit anderen Betriebseinheiten oder anderen Baumaterialien in Berührung kommt, ist der vollständig oder teilweise umgesetzte CDC auch Verunreinigungen ausgesetzt, die wiederum die Leistung des Materials beeinträchtigen, wenn es in den Reaktor zurückgeführt und als Produkt gewonnen wird. Ein geringer Wirkungsgrad der Gas-Feststoff-Trennung birgt auch das Risiko der Akkumulation, der Bildung von Schlämmen mit kondensierten Metallhalogeniden und der Verstopfung von Anlagen, Ausrüstungen und Rohrleitungen, was schwerwiegende Auswirkungen auf die Sicherheit haben kann.
Die mit der CDC-Produktion verbundenen Gasströme bestehen aus Metallhalogeniden (z. B. Metallchloriden) und Halogengas (z. B. Chlor) oder dessen Wasserstoffderivaten (z. B. Chlorwasserstoff).
Aufgrund der Reaktionsbedingungen bei der CDC-Produktion verlässt der Gasstrom den Reaktor mit einer erhöhten Temperatur von über 600 °C.
Metallchloride verursachen bekanntlich hohe Korrosionsraten bei Metalllegierungen, was die Verwendung von Spezialwerkstoffen als Konstruktionsmaterial für den Kondensator erfordert. Die Korrosion von Metalllegierungen führt unerwünschte Verunreinigungen in den Gasstrom ein. Selbst Spezialwerkstoffe können bei erhöhten Temperaturen Verunreinigungen einbringen. Dies bedeutet auch, dass jedes teilweise oder vollständig umgesetzte CDC, das mit anderen Konstruktionsmaterialien außerhalb des Reaktors in Kontakt kommt, in den Reaktor oder in die Heizzone mit etwaigen Verunreinigungen zurückgeführt wird, die sich aufgrund der hohen Temperatur und der Korrosivität der Metallhalogenide und Halogene bilden. Diese Verunreinigungen können sich wiederum auf die Reinheit des erzeugten CDC und/oder dessen Eigenschaften auswirken und schließlich die Leistung beeinträchtigen.
Der typische Konstruktionswerkstoff 316L-Edelstahl, der für die Zyklone verwendet werden kann, hat gemäß der Veröffentlichung (SMC-026) der Special Metals Corporation eine empfohlene Höchsttemperatur für den Betrieb mit trockenem Chlorkontakt von 343°C.
EP 2 937 130 A1 offenbart eine Anordnung zur Entfernung von mitgerissenen Katalysatorteilchen aus einem Gas mit einem Druckbehälter, mit einer Filteranordnung und mit einem Tauchrohr. Der Druckbehälter enthält ein Wirbelbett aus im Gas suspendierten Katalysatorteilchen. Ein Teil des Gases und der mitgerissenen Katalysatorteilchen wird in die Filteranordnung geleitet, wobei die mitgerissenen Katalysatorteilchen durch ein Filtermedium aus dem Gas gefiltert werden. Die Katalysatorteilchen strömen im Allgemeinen tangential entlang einer Zufuhrseite des Filtermediums, wobei sie die Zufuhrseite des Filtermediums reinigen, und gelangen sodann in das Tauchrohr, das die Katalysatorteilchen von dem Filtermedium wegführt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Effizienz des CDC-Produktionsprozesses zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen von von Carbid abgeleitetem Kohlenstoff durch Umsetzen eines Halogengases mit einem metallischen Carbidmaterial in einem Reaktor mit einer Reaktionskammer, wobei während des Umsetzens des Halogengases mit dem Carbidmaterial eine Gas-Feststoff-Trennung durch ein Filterelement einer Filteranordnung innerhalb einer Reaktionszone der Reaktionskammer durchgeführt wird und die Reaktionszone eine Temperatur von über 600 °C aufweist.
Vorzugsweise ist der Reaktor als Wirbelbettreaktor konfiguriert und umfasst ein Plenum und eine die Reaktionszone vom Plenum trennende Gasverteilerplatte, wobei im Betrieb die Reaktionszone angrenzend an die Gasverteilerplatte gebildet wird.
Vorzugsweise hat die Reaktionskammer ein oberes Kammerende und im Betrieb bildet sich angrenzend an die Reaktionszone eine Nichtreaktionszone mit Temperaturen von unter 600 °C, und das Filterelement führt eine Gas-Feststoff-Trennung innerhalb der Nichtreaktionszone und der Reaktionszone durch.
Vorzugsweise erfasst das Filterelement während des Betriebs das durch das von dem Plenum zu der Reaktionskammer strömende Gas fluidisierte Material.
Vorzugsweise führt das Filterelement eine Gas-Feststoff-Trennung mit einer Filterwand durch und leitet das gefilterte Gas durch einen Gaskanal ab.
Vorzugsweise umfasst die Filteranordnung eine Mehrzahl von Filterelementen, und die Filteranordnung fasst einen Gasstrom von jedem der Filterelemente zu einem einzigen Abgasstrom zusammen.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur In-situ-Heißfiltration für die Gas-Feststoff-Trennung in Heizzone eines Wirbelbettreaktors der Kohlenstoffherstellung aus Metall- oder Metalloidcarbid oder der Mischung solcher Carbide unter Verwendung der Extraktion von Nicht-Kohlenstoffatomen aus dem Metall- oder Metalloidcarbid durch Reaktion des Carbids mit halogenhaltigem Gas bei hohen Temperaturen.
Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren umfasst eine In-situ-Gas-Feststoff-Trennung in der beheizten Zone des Reaktors, wobei der dem Reaktor entweichende Gasstrom frei von Feststoffpartikeln bleibt. Dadurch kann die Exposition gegenüber parametrischen Schwankungen des teilweise vollständig umgewandelten CDC und jegliche Exposition gegenüber Oberflächen/Baumaterialien, die Verunreinigungen in das Feststoffbett einbringen können verringert werden.
Dadurch ist es möglich, einen höheren Gasdurchsatz zu erzielen, was zu einem geringeren Zeitbedarf für die laufende Charge beiträgt. Dies ist möglich, da für die Gas-Feststoff-Trennung eine andere Abscheidemethode verwendet wird als dies es bei anderen Verfahren, wie z. B. Zyklonen, der Fall ist.
Thermoschock, Materialkompatibilität und Filtereigenschaften, wie beispielsweise ein geringerer Druckabfall und Aufbau und Unterstützung eines durchlässigen Filterkuchens, werden berücksichtigt. Alle Materialien, die mit den Feststoffen in Berührung kommen (teilweise oder vollständig umgewandeltes CDC), bestehen aus Materialien, die keine Verunreinigungen einbringen oder als Graphitierungskatalysator wirken, wenn sie mit den Feststoffen in Berührung kommen. Die Auswahl des Materials richtet sich auch danach, ob es den Prozessbedingungen ohne oder mit nur minimaler Zersetzung standhalten kann.
Ein Verfahren zur Herstellung von Carbidkohlenstoff durch Reaktion eines Metall- oder Metalloidcarbids mit einem Halogengas umfasst vorzugsweise eine Reaktionskammer mit einem Einlass für den Reagenzgasstrom, einer Filteranordnung, die sich in einem Heizbereich befindet, und einem Auslass für den Abgasstrom. Vorzugsweise ist in der Reaktionskammer eine hocheffiziente Gas-Feststoff-Trennung bei hohen Temperaturen über 600 °C und einer korrosiven Umgebung integriert.
Vorzugsweise ist das Halogengas Chlor und die Temperatur der Reaktionseinheit liegt im Bereich von 600-1200 °C.
Vorzugsweise reduziert oder minimiert die Gas-Feststoff-Trennung die Verluste von teilweise oder vollständig umgewandeltem Kohlenstoff aus dem Reaktor, was die Gesamtausbeute an CDC erhöht.
Vorzugsweise wird der Kontakt zwischen teilweise und/oder vollständig umgewandeltem CDC mit kontaminierenden Oberflächen reduziert oder eliminiert.
Vorzugsweise wird für die teilweise und/oder vollständig umgewandelte CDC ein einheitliches Parameterprofil, z. B. die Temperatur, beibehalten.
Vorzugsweise werden die festen Bestandteile im entweichenden Gasstrom reduziert oder eliminiert.
Vorzugsweise führt die Gas-Feststoff-Trennung zu einer Verkürzung des gesamten Batch-Zyklus und/oder der Umwandlungszeit durch eine erhöhte Durchflussrate der Halogene in den Reaktor.
Vorzugsweise umfasst ein Wirbelbettreaktor eine Reaktionskammer und einen Gaseinlass für reaktives und/oder inertes Gas. Vorzugsweise sind mindestens zwei Filterelemente in einer Reaktionszone mit Temperaturen über 600 °C angeordnet. Vorzugsweise umfasst das Filterelement einen Gasauslass für den gefilterten Gasstrom, an dem ein gefilterter Gasstrom aus einem ersten Filterelement mit einem gefilterten Gasstrom aus einem zweiten Filterelement zusammengefasst wird, der seinerseits zu stromabwärts gelegenen Einheiten weitergeleitet wird.
Vorzugsweise befinden sich die Filterelemente zumindest teilweise in der Heizzone in beliebigen Anordnungen und/oder in beliebiger Höhe innerhalb der Zone, sogar eingetaucht in das Feststoffbett.
In einem Beispiel wird Siliciumcarbid (SiC) für die Synthese von CDC gemäß der in TABELLE 1 dargestellten allgemeinen Reaktion verwendet; die Reaktion findet bei etwa 900 °C - 1200 °C statt, je nach Anforderungen, Heizprofil des Reaktors und Länge der Heizzone. Bei der SiC-Chlorierung besteht die Zusammensetzung des Gasstroms hauptsächlich aus Siliciumtetrachlorid (SiCl₄, STC) und nicht umgesetztem Chlorgas (Cl₂). Zusätzlich zu diesen Hauptbestandteilen kann dieser Gasstrom eine unbekannte Menge an Salzsäure (HCl) enthalten, die auf eine gewisse Feuchtigkeit im Chlorgasstrom (99,8 % Reinheit) zurückzuführen ist, die sich innerhalb des Systems in HCl umwandelt. Darüber hinaus werden alle Inertgase, die zur Steuerung der Reaktionskinetik, zur Steuerung der Energiefreisetzung, zur Steuerung der Fluidisierung und zur Inertisierung und/oder zum Heizen/Kühlen der Prozessausrüstung verwendet werden, ebenfalls mit dem Gasstrom in unterschiedlichen Mengen je nach Prozessstufe abgegeben.
Die vorliegenden Ideen ermöglichen Verbesserungen in der CDC-Produktionstechnologie. Es ist zu beachten, dass nicht alle Vorteile gleichzeitig oder in der gleichen Intensität vorhanden sein müssen. Zu den Vorteilen gehören unter anderem:

- eine effizientere Gas-/Feststofftrennung von über 90 % in der Heizzonedes Reaktors;
- ein Gas/Feststoff-Trennverfahren, das unter Prozessbedingungen von über 600 °C und bei Vorhandensein von Halogen(en) durchgeführt werden kann;
- eine deutliche Reduzierung der Feststoffe im Gasstrom, der die Reaktionszone/den Reaktor verlässt;
- Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Exposition der Feststoffe (teilweise oder vollständig umgewandeltes CDC) gegenüber den Prozessbedingungen, wie z. B. der Temperatur, wodurch parametrische Schwankungen der Feststoffe vermieden werden;
- Verringerung des Kontakts von Feststoffen (teilweise oder vollständig umgewandeltes CDC) mit Oberflächen/Baumaterialien, die Verunreinigungen einbringen oder als Graphitierungskatalysatoren für CDC wirken können;
- Reduzierung der Auswirkungen von Abrieb durch Feststoffe auf Oberflächen;
- Eröffnung der Möglichkeit, den Rohgasdurchsatz von Halogenen zu erhöhen, was zu einer Verringerung der gesamten Batchzyklen führt;
- Verringerung des Wartungs- und Reinigungsaufwands von Downflow-Anlagen aufgrund der Reduzierung von Feststoffen, die mit dem aus dem Reaktor entweichenden Gasstrom mitgeführt werden;
- geringere Korrosionsraten, die durch den Kontakt von Feststoffen mit Abwärtsströmungsanlagen verursacht werden.

Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Reinheit sowohl der Feststoffe als auch des Gasstroms zu verbessern, indem die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass die die Heizzone oder den Reaktor verlassenden Feststoffe mit anderen Materialien in Kontakt kommen. Eine weitere Idee besteht darin, die mit dem Gasstrom entweichenden Feststoffe zu verringern, die andernfalls den Gasstrom mit Feststoffen (teilweise oder vollständig umgesetzte CDC) verunreinigen würden. Im Idealfall wird ein Abscheidegrad von über 90 % erreicht. Mit Hilfe des höheren Abscheidegrades und eines anderen Ansatzes hinsichtlich der Gas-/Feststofftrennung können höhere Gesamtdurchflussraten des Gasstroms erreicht werden, wodurch sich der Zeitaufwand für die Umwandlung von Carbid in CDC insgesamt verringert.
Die Gesamtzahl der Filterelemente kann zwischen zwei und zehn Filterelementen gewählt werden, wobei typischerweise sechs Filterelemente verwendet werden. Es sollte beachtet werden, dass selbst ein einziges Filterelement eine gewisse Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Konfigurationen darstellt. Die Anordnung der Filterelemente kann vertikal, horizontal und/oder jede andere mögliche Anordnung und/oder Kombination sein. Die Filterelemente können im Batch- und/oder Semibatch- und/oder kontinuierlichen Betrieb eingesetzt werden. Die Verwendung von Filterreinigungssystemen, wie beispielsweise pulsierenden Systemen, kann mit den hier offenbarten Ideen vermieden werden. Die Filterelemente bestehen aus einem Material, das mit den Prozessanforderungen kompatibel ist und das keine Verunreinigungen in den Prozess, in das/die Endprodukt(e) oder in das/die Nebenprodukt(e) einbringt. Ein Beispiel für ein solches Material ist eine makroporöse Kohlenstoffkeramik, die aus verschiedenen Kohlenstoffkorngrößenfraktionen hergestellt wird, wobei die Kohlenstoffkörner durch Kohlenstoffbrücken fest miteinander verbunden sind, um die Poren zu bilden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:

1 eine Ausführungsform eines Reaktors während des Betriebs; und
2 eine Variante des Reaktors aus 1.

Der in 1 gezeigte Reaktor 10 ist vorzugsweise als Wirbelbettreaktor ausgeführt. Der Reaktor 10 umfasst eine Reaktionskammer 12, eine Gasverteilerplatte 14 und ein Plenum 16. Der Reaktor 10 umfasst ferner eine Filteranordnung 18, die von der Reaktionskammer 12 an deren oberem Kammerende 20 gestützt wird. Die Filteranordnung 18 umfasst eine Mehrzahl von Filterelementen 22, die sich von dem oberen Kammerende 20 in Richtung der Gasverteilerplatte 14 erstrecken.
Während des Betriebs wird partikelförmiges Carbidmaterial, z. B. SiC, in die Reaktionskammer 12 eingefüllt. Ein geeignetes Halogengas, z. B. Cl₂, wird durch einen Einlass 24 in das Plenum 16 geleitet und durch die Gasverteilerplatte 14 in die Reaktionskammer 12 verteilt. Das partikelförmige Carbidmaterial wird von dem Halogengas beaufschlagt und bildet ein Wirbelbett 26.
Aufgrund des exothermen Charakters der Reaktion und der externen Erwärmung bilden der Feststoff und das/die Gas(e) in der Reaktionskammer 12 eine Nichtreaktionszone 28 und eine Reaktionszone 30, die durch eine Temperatur T = 600 °C getrennt sind. Die Reaktionszone 30 hat eine Temperatur von mindestens 600 °C, während die Nichtreaktionszone 28 Temperaturen unter 600 °C aufweist.
Die Filterelemente 22 erstrecken sich in die Reaktionszone 30 hinein und trennen Gas von Feststoffen. Jedes Filterelement 22 hat etwa die Form eines Hohlzylinders und ist nach unten hin geschlossen. Im Inneren des Filterelements 22 befindet sich ein oben offener und unten geschlossener Gaskanal 32. Das Gas entweicht in das hohle Filterelement 22 und wird gefiltert. Das Gas entweicht dann weiter durch den Gaskanal 32 und wird weiteren nachgeschalteten Prozessen wie Zyklon und Wäscher (beide nicht abgebildet) zugeführt. Der Gasstrom aus den beiden Filterelementen 22 wird vorzugsweise zu einem einzigen Abgasstrom zusammengefasst, bevor dieser stromabwärts geleitet wird.
Dadurch werden mit dem Gasstrom mitgeführte Feststoffpartikel, die das Wirbelbett 26 verlassen, durch In-situ-Heißfiltration innerhalb der Reaktionszone 30 herausgefiltert.
Im Gegensatz zu den meisten Gas-Feststoff-Trennanlagen ist die In-situ-Heißfiltration für die Gas-Feststoff-Trennung in der Lage, eine breite Palette von Partikelgrößenverteilungen von 2,5 µm und mehr sowie Umwandlungsgrade von Feststoffen von Carbid in Kohlenstoff (in Verbindung mit der Änderung der Gesamtdichte und des Gewichts der Partikel) zu verarbeiten.
In einer in 2 dargestellten Variante erstrecken sich die Filterelemente 22 nicht nur in die Reaktionszone 30, sondern auch in das Wirbelbett 26 hinein.
Bezugszeichenliste:

10: Reaktor
12: Reaktionskammer
14: Gasverteilerplatte
16: Plenum
18: Filteranordnung
20: oberes Kammerende
22: Filterelement
24: Einlass
26: Wirbelbett
28: Nichtreaktionszone
30: Reaktionszone
32: Gaskanal

Claims

Verfahren zum Herstellen von von Carbid abgeleitetem Kohlenstoff durch Umsetzen eines Halogengases mit einem metallischen Carbidmaterial in einem Reaktor (10) mit einer Reaktionskammer (12), wobei während der Reaktion des Halogengases mit dem Carbidmaterial eine Gas-Feststoff-Trennung durch ein Filterelement (22) einer Filteranordnung (18) in einer Reaktionszone (30) der Reaktionskammer (12) durchgeführt wird und die Reaktionszone (30) eine Temperatur von über 600 °C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Reaktor (10) als Wirbelbettreaktor ausgebildet ist und ein Plenum (16) und eine die Reaktionskammer (12) von dem Plenum (16) trennende Gasverteilerplatte (14) aufweist, wobei im Betrieb die Reaktionszone (30) angrenzend an die Gasverteilerplatte (14) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Reaktionskammer (12) ein oberes Kammerende (20) aufweist und sich im Betrieb angrenzend an die Reaktionszone (30) eine Nichtreaktionszone (28) mit Temperaturen von unter 600 °C bildet, und das Filterelement (22) innerhalb der Nichtreaktionszone (28) und der Reaktionszone (30) eine Gas-Feststoff-Trennung durchführt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Filterelement (22) im Betrieb das durch das vom Plenum (16) zur Reaktionskammer (12) strömende Gas fluidisierte Material erfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (22) eine Gas-Feststoff-Trennung mit einer Filterwand durchführt und das gefilterte Gas durch einen Gaskanal (32) ableitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filteranordnung (18) eine Mehrzahl von Filterelementen (22) umfasst und die Filteranordnung (18) einen Gasstrom von jedem der Filterelemente (22) zu einem einzigen Abgasstrom kombiniert.