DE10257093A1

DE10257093A1 - Aerosolabscheider und Verfahren zur Reinigung von gasförmigem Schwefeltrioxid durch Abscheidung darin dispergierter Flüssigkeiten

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Publication number: DE10257093A1
Application number: DE2002157093
Authority: DE
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: DE10257093B4

Abstract

Ein Aerosolabscheider zur Entfernung von Aerosolen aus gasförmigem Schwefeltrioxid enthält als Flüssigkeiten abscheidendes Bauteil eine vom Gasstrom durchströmte poröse Wand aus teilweise perfluoralkoxisubstituiertem Polytetrafluorethylen. Dispergierte Flüssigkeiten werden aus gasförmigem Schwefeltrioxid mittels Durchleiten durch eine poröse Wand aus teilweise perfluoralkoxisubstituiertem Polytetrafluorethylen entfernt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aerosolabscheider und ein Verfahren zur Reinigung von gasförmigem Schwefeltrioxid durch Abscheidung darin dispergierter Flüssigkeiten. Insbesondere betrifft sie einen Aerosolabscheider und ein Verfahren zur Reinigung von gasförmigem Schwefeltrioxid, das nach der Reinigung so wenig Verunreinigungen enthält, dass es zur Herstellung von Schwefelsäure geeignet ist, die zur Verwendung bei der Herstellung mikroelektronischer Bauteile vorgesehen ist, also sogenannte „electronic grade-"(abgekürzt „EG")-Schwefelsäure.
Schwefelsäure wird in der Mikroeletronik beispielsweise als Ätzmittel bei der Erzeugung von Schaltkreisen auf Siliciumscheiben verwendet. Chemikalien, die zur Verwendung bei der Herstellung elektronischer Bauteile wie beispielsweise integrierte Schaltkreise geeignet sein sollen, müssen außerordentlich hohe Anforderungen an ihre Reinheit erfüllen, da bereits geringste Anteile an unerwünschten Verunreinigungen in einem Halbleiter dessen Eigenschaften und die der ihn enthaltenden elektronischen Bauteile erheblich verändern können. Störend wirken alle Feststoffanteile, aber auch gelöste Verunreinigungen, insbesondere Metallionen. Electronic Grade-Chemikalien dürfen derartige Verunreinigungen typischerweise höchstens im ppb (part per billion)-Bereich oder sogar nur im ppt (part per trillion)-Bereich enthalten, Verunreinigungen sind also bis auf Restgehalte in der Größenordnung von 10^–9 oder sogar nur in der Größenordnung von 10^–12 kg Verunreinigungen pro kg EG-Chemikalie zu vermeiden oder zu entfernen. Im Rahmen dieser Erfindung wird unter EG-Schwefelsäure Schwefelsäure mit einem Gehalt an Verunreinigungen durch Metalle und Metallionen von höchstens 100 ppt verstanden.
Feststoffpartikel können mit den Ausgangsstoffen in das Produkt eingetragen werden, sie entstammen aber auch durch unvermeidlichen Prozessen bei der technischen Herstellung, wie etwa dem Entstehen von Abrieb in Teilen der Anlage, beispielsweise in Pumpen. Gelöste Verunreinigungen wie Metallionen im Produkt entstammen entweder ebenfalls den Einsatzstoffen oder werden im Verfahren erzeugt, beispielsweise durch Korrosion in Anlagenteilen. Feststoffpartikel können durch eine in aller Regel routinemäßig durchgeführte Filtration entfernt werden, gelöste Verbindungen jedoch naturgemäß nicht.
Schwefelsäure wird in bekannter Weise technisch überwiegend durch Verbrennung von Schwefel zu Schwefeldioxid und anschließende Oxidation von Schwefeldioxid an Vanadium enthaltenden Katalysatoren zu Schwefeltrioxid und Reaktion des so hergestellten Schwefeltrioxids mit Wasser hergestellt. Üblicherweise wird für die Umsetzung mit Wasser SO₃ in Schwefelsäure absorbiert und deren Konzentration durch Wasserzugabe konstant gehalten, da Schwefeltrioxid in Schwefelsäure (unter Bildung der anschließend durch Wasser gespaltenen Dischwefelsäure) erheblich besser absorbiert wird als in reinem Wasser. 96 %-ige Schwefelsäure (96 Gew.-% H₂SO₄, Rest Wasser) ist eine übliche Handelsware. Zum Ätzen von Silicium wird üblicherweise diese 96 %-ige Schwefelsäure verwendet. Wird in Schwefelsäure weiteres Schwefeltrioxid absorbiert, entsteht sogenanntes Oleum (oder „rauchende Schwefelsäure"), formal Schwefelsäure, die gelöstes Schwefeltrioxid enthält. Eine handelsübliche Oleumqualität ist sogenanntes 32 %-iges Oleum, das 32 Gew.-% Schwefeltrioxid in H₂SO₄ enthält.
Technische Schwefelsäure enthält typischerweise einige ppm an Metallionen als Verunreinigung. Reinere Schwefelsäure, insbesondere Schwefelsäure, die lediglich Verunreinigungen im unteren ppm (parts per million)-Bereich enthält, beispielsweise zur Verwendung bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte, wird üblicherweise durch Desorption von Schwefeltrioxid aus Oleum und Absorption des so gewonnenen Schwefeltrioxids in entsalztem Wasser gewonnen. Meist wird auch hierbei das Schwefeltrioxid in Schwefelsäure des gewünschten Reinheitsgrades absorbiert und die Konzentration der Schwefelsäure durch Zugabe von vollentsalztem Wasser konstant gehalten. Anlagen zur Durchführung dieser Umsetzung sind üblicherweise aus Glas und/oder Kunststoffen gefertigt. Die verwendeten Werkstoffe müssen gegen Schwefelsäure resistent sein und sollen möglichst wenig Feststoffpartikel oder gelöste Verunreinigungen abgeben. Üblicherweise werden fluorierte Kunststoffe wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidendifluorid und/oder fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer verwendet.
Um EG-Reinheit zu erreichen, ist eine erheblich sorgfältigere Vorreinigung der Reaktionskomponenten Wasser und Schwefeltrioxid nötig. Während EG-Wasser oder auch technische Anlagen zur Herstellung von EG-Wasser auf dem Markt erhältlich sind, ist die Reinigung von Schwefeltrioxid über eine Desorption aus Oleum und Reabsorption in EG-Wasser oder EG-Schwefelsäure hinaus wegen seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften keine triviale Aufgabe. Schwefeltrioxid schmilzt bei ca. 36°C, siedet bereits bei 44°C und reagiert bereits mit Spuren von Feuchtigkeit so stark exotherm, dass die für Anlagen zur Herstellung reiner Schwefelsäure üblicherweise verwendeten Kunststoffe schmelzen.
US-A-5,275,738 offenbart eine Filtervorrichtung von Entfernung von partikulären Verunreinigungen aus anorganischen Säuren wie Schwefelsäure. Das eigentliche Filterelement besteht aus einer Polyvinylidendifluorid-Membran. US-A-4,702,836 und US-A-4,623,670 lehren eine poröse Membran aus Fluorpolymerharz, insbesondere Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymerem, Ethylen-Chlortrifluorethylencopolymerem oder Polychlortrifluorethylen, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Diese poröse Membran wird unter anderem zur Feinfiltration von starken Säuren verwendet. JP-A-60/180 905 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von EG-Schwefelsäure, bei dem flüssiges Schwefeltrioxid filtriert und anschließend verdampft wird, um danach wie üblich in Schwefelsäure absorbiert zu werden. CS-B-259 353 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure, bei dem durch Desorption aus Oleum gewonnenes gasförmiges Schwefeltrioxid über einen nicht näher beschriebenen Filter in EG-Schwefelsäure oder EG-Wasser geleitet wird. Die mit diesem Verfahren erreichbaren Schwermetallgehalte liegen bei 3·10^–5 Gew.-% (0,3 ppm) und damit um den Faktor 3000 über den heutzutage für EG-Schwefelsäure geforderten maximal 100 ppt.
M. Schlipf: „Weniger Deformation und verbessertes Rückstellungsvermögen", Verfahrenstechnik 33 (1999) 66–67, offenbart einige fluorierte Kunststoffe, insbesondere sogenanntes TFM^® (Marke der Unternehmensgruppe Dyneon), das formal durch Substitution einzelner Fluoratome der Polytetrafluorethylenkette durch Perfluorpropoxigruppen hervorgeht, und dessen Anwendung als Konstruktionswerkstoff für den chemischen Armaturen- und Apparatebau. Die Unternehmensgruppe Dyneon bietet TFM^® in den Typen 1600 PTFE als frei fließendes Pulver und 1700 PTFE sowie 1705 PTFE als feineres, nicht frei fließendes Pulver an und stellt auch Halbzeuge aus diesen Materialien her (Dyneon LLC. Aston, Pennsylvania, U.S.A.; Dyneon GmbH & Co. KG, Kelsterbach, Deutschland, www.dyneon.com). Diese Typen sind in Firmenschriften der Dyneon (Dyneon^® TFM^®1600 PTFE, Dyneon^® TFM^®1700 PTFE und Dyneon^® TFM^®1705 PTFE, jeweils eine „Technical Information", (derzeit aktuelle Ausgaben vom Oktober 2001), und jeweils eine als „Flyer" bezeichnete Übersicht (derzeit aktuelle Ausgaben August 2001)) näher beschrieben. Diese Kunststoffe gehören zur Gruppe der Perfluoralkoxipolymeren (oft mit „PFA" abgekürzt) und sind Copolymere von Tetrafluorethylen mit pertluorierten Alkylvinylethern, TFM^® ist dementsprechend ein Copolymer aus Tetrafluorethylen und Pertluorpropylvinylether (vgl. CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995, Stichwort „Perfluor-Alkoxy-Polymere"). Derartige Kunststoffe werden zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften oft „compoundiert", d.h., mit Füllstoffen versehen, beispielsweise mit Kohle- oder Glasfasern.
Zur Herstellung hochreiner Salzsäure ist aus DE 199 48 206 ein Verfahren bekannt, bei dem gasförmiger Chlorwasserstoff aus Salzsäure ausgetrieben wird, über eine Retentionskolonne und einen sogenannten Demister geführt und anschließend in einer Absorptionskolonne in Reinstwasser absorbiert wird. Die mit Chlorwasserstoff in Berührung kommenden Teile werden aus fluoriertem oder perfluoriertem Polyolefin gefertigt. Als fluorierte oder pertluorierte Polyolefine werden PVDF, PFA, PTFE und PTFE-TFM genannt. Was mit diesen Abkürzungen gemeint ist, bleibt unklar, da die üblicherweise mit PFA bezeichneten Pertluoralkoxipolymere wie auch deren einzelne Vertreter wie z.B. TFM^® mit ihren Perfluoralkoxisubstituenten als Copolymere mit Vinylethern nicht notwendigerweise unter den verwendeten generischen Begriff „fluorierte oder pertluorierte Polyolefine" fallen. Mit dem Fachjargon-Begriff „Demister" werden konventionelle Tropfenabscheider aus Drahtgestrickpackungen, die je nach Aggressivität der abzuscheidenden Flüssigkeiten auch aus Polytetrafluorethylen bestehen können, bezeichnet (vgl. CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995, Stichwort „Demister"). Demister werden oft, fast schon routinemäßig, am Kopf von Destillationskolonnen eingesetzt, um das Mitreißen von Flüssigkeiten in Tropfenform aus der Kolonne zu verhindern.
„Demister", „Aerosolabscheider" und „Tropfenabscheider" sind im Grundsatz synonyme Begriffe, die gelegentlich, aber in der Fachwelt nicht konsistent, etwas unterschiedlich verwendet werden, z. B. „Tropfenabscheider" eher für größere, „Aerosolabscheider eher für allerfeinste Tröpfchen. Aerosolabscheider dienen stets der Entfernung von in Gasen dispergierten Flüssigkeiten. Die Begriffe „Demister" und Aerosolabscheider" sind daher strenggenommen nicht exakt, da nicht der Nebel (engt. „mist") oder Aerosol abgeschieden wird (das ist schließlich das Gas-/Flüssigkeitsgemisch mit im Gas dispergierter Flüssigkeit ), sondern die Flüssigkeit aus dem Gas. An Stelle von Drahtgestrickpackungen können Aerosolabscheider beispielsweise auch Gewebepackungen, Blechanordnungen mit Kreuzkanalstruktur oder Vliesmatten als Flüssigkeit abscheidende Bauteile enthalten. Die Flüssigkeitströpfchen sammeln sich an der als Flüssigkeit abscheidendes Bauteil dienenden Packung, Anordnung oder Matte, laufen gemäß der Schwerkraft ab und können unten am Aerosolabscheider abgeführt werden. Neben mindestens einem Flüssigkeit abscheidenden Bauteil umfassen Aerosolabscheider meist noch Gehäuse und/oder Halterungen für ein oder mehrere Flüssigkeit abscheidende Bauteile und Zu- und Ableitungen für Aerosol, Gas und Flüssigkeit. Sie können als eigener Apparat ausgeführt werden, aber können aber auch direkt auf einen anderen Apparat aufgesetzt werden, in dem Aerosole entstehen, wie etwa Destillationskolonnen.
Den bekannten Verfahren zur Reinigung von Schwefelsäure ist gemeinsam, dass sie zur Entfernung von Feststoffpartikeln dienen, aber nicht zur Entfernung von gelösten Verunreinigungen, insbesondere von Metallionen, geeignet sind. Den bekannten Aerosolabscheidern ist gemeinsam, dass ihre Abscheidewirkung, ihre Stabilität gegenüber Schwefeltrioxid und/oder ihre mechanische Stabilität unbefriedigend sind. Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, einen Aerosolabscheider und ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem Schwefeltrioxid zu finden, die diese Nachteile nicht aufweisen, und insbesondere einen Aerosolabscheider und ein Verfahren zur Herstellung von Schwefeltrioxid zur Erzeugung von EG-Schwefelsäure zu finden. Dementsprechend wurde ein Aerosolabscheider zur Abscheidung von in Gasströmen dispergierten Flüssigkeiten gefunden, der als Flüssigkeiten abscheidendes Bauteil mindestens eine vom Gasstrom durchströmte poröse Wand aus teilweise pertluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen enthält. Ferner wurde ein Verfahren zur Reinigung von gasförmigem Schwefeltrioxid durch Abscheidung darin dispergierter Flüssigkeiten gefunden, das da durch gekennzeichnet ist, dass man das Schwefeltrioxid durch einen poröse Wand aus teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen leitet.
Mit dem erfindungsgemäßen Aerosolabscheider und Verfahren ist es möglich, hochreines Schwefeltrioxid herzustellen, insbesondere Schwefeltrioxid, das einen sehr niedrigen Gehalt an Metallionen aufweist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass offenbar ein erheblicher Teil der Metallionen, die sich in konventioneller hochreiner Schwefelsäure findet, durch Aerosolbildung bei der Desorption von Schwefeltrioxid aus technischem Oleum in Form von im gasförmigen Schwefeltrioxidstrom dispergierten Flüssigkeitströpfchen, die diese Metallionen enthalten, eingeschleppt wird und nicht die Folge des direkten Kontakts gereinigter Schwefelsäure mit einer Behälterwand oder sonstigen Apparaten oder Armaturen unter Korrosion oder sonstigem Einschleppen von Verunreinigungen ist. Mit dem erfindungsgemäßen Aerosolabscheider werden zudem die Nachteile vermieden, die bekannte Aerosolabscheider vor allem bei der Schwefeltrioxidreinigung aufweisen. Insbesondere zeigt der erfindungsgemäß verwendete Kunststoff im Gegensatz zu anderen Fluorpolymeren hervorragende Alterungsbeständigkeit und mechanische Stabilität auch bei langem Kontakt mit Schwefeltrioxid, und ist auch gut verarbeitbar.
Der erfindungsgemäße Aerosolabscheider ist dadurch gekennzeichnet, dass er als Flüssigkeit abscheidendes Bauteil mindestens eine vom Gasstrom durchströmte poröse Wand aus teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung von gasförmigem Schwefeltrioxid durch Abscheidung darin enthaltener Aerosole ist dadurch gekennzeichnet, dass man das Schwefeltrioxid durch einen poröse Wand aus teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen leitet. Diese poröse Wand wirkt als Flüssigkeitsabscheider und ist damit der eigentliche Kern des Aerosolabscheiders. Im Aerosol enthaltende Flüssigkeitströpfchen werden von der porösen Wand zurückgehalten und laufen als Flüssigkeit an der Wand ab, während gasförmiges, aerosolfreies Schwefeltrioxid die Wand durchtritt.
Die Wand oder Schicht besteht aus teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen, einem Perfluoralkoxipolymer (sogenanntes PFA). Derartige Kunststoffe werden, wie oben erwähnt, durch Copolymerisation von Tetrafluorethylen mit Perfluoralkylvinylethern hergestellt. Pertluoralkoxipolymere und ihre Herstellung sind bekannt. Perfluoralkoxipolymere sind gängige Handelswaren.
Im allgemeinen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Perfluoralkoxipolymeren einsetzbar, die durch Polymerisation von Tetrafluorethylen mit Perfluoralkylvinylethern erhältlich sind. Bevorzugt sind solche mit C1- bis C4-Alkylgruppen, also Perfluormethyl-, Perfluorethyl-, Perfluor-n-propyl-, Perfluor-iso-propyl-, Perfluor-n-butyl-, Perfluor-sec.-butyl-, Perfluor-iso-butyl- und Perfluor-tert-butyl-Gruppen. Formal entsprechen diese Kunststoffe Polytetrafluorethylen, bei dem einzelne Fluoratome durch Perfluormethyoxi-, Perfluorethyoxi-, Perfluor-n-propoxi-, Perfluor-n-butoxi-, Perfluor-sec.-butoxi-, Perfluor-iso-butoxi oder Perfluor-tert.-butoxi-Gruppen ersetzt sind. Die Alkoxisubstituenten können auch gemischt vorliegen, derartige Copolymere sind durch Copolymerisation von Tetrfluorethylen mit zwei oder mehr Perfluoralkylvinylethern erhältlich. Besonders bevorzugt ist teilweise mit Perfluor-n-propoxi-Gruppen substituiertes Polytetrafluorethylen, das durch Copolymerisation von Tetrafluorethylen mit Perfluor-n-propylvinylether erhältlich ist.
Der Grad der formalen Substitution von Fluoratomen in Polytetrafluorethylen durch Perfluoralkoxigruppen wird durch das Mengenverhältnis von Tetrafluorethylen und Perfluoralkylvinylether während der Polymerisation bestimmt. Im allgemeinen liegt der molare Anteil an Vinylether, bezogen auf die Gesamtmenge von Vinylether und Tetrafluorethylen, bei höchstens 10 Mol-%, in bevorzugter Weise bei höchstens 5 Mol-% und in besonders bevorzugter Weise bei höchstens 1 Mol-%. D.h., der erfindungsgemäß zu verwendende Kunststoff ist formal ein Polytetrafluorethylen, in dem im Allgemeinen höchstens 10 %, vorzugsweise höchstens 5 % und in besonders bevorzugter Weise höchstens 1 % der Tetrafluorethyleneinheiten durch Perfluoralkoxitrifluorethyleneinheiten ersetzt sind.
Das mittlere Molekulargewicht der erfindungsgemäß zu verwendenden Polymere wird wie üblich während der Polymerisation eingestellt. Es wird vorzugsweise so eingestellt, dass ein sinterbares Pulver erhalten wird, also kein rein thermoplastisches Produkt. Molekulargewichtsangaben sind bei Fluorpolymeren oft rein theoretische Größen, da sie mangels Löslichkeit der Polymere durch indirekte Methoden bestimmt werden müssen. Das zahlenmittlere Molekulargewicht der erfindungsgemäß zu verwendenden Polymere liegt im allgemeinen bei mindestens 100 000 g/Mol, vorzugsweise bei mindestens 500 000 g/Mol und in besonders bevorzugter Weise bei mindestens 1 Million g/Mol, sowie im Allgemeinen bei höchstens 200 Millionen g/Mol, vorzugsweise bei höchstens 100 Millionen g/Mol und in besonders bevorzugter Weise bei höchstens 50 Millionen g/Mol.
Derartige Polymere sind marktgängig und beispielsweise unter der Bezeichnung Dyneon^® PTFE TFM^®1700 PTFE von der Unternehmensgruppe Dyneon (s.o.) erhältlich.
Die Polymere fallen üblicherweise in Form von Pulvern an. Diese werden mit bekannten und üblichen Verfahren zu Formkörpern gesintert, die als Halbzeug auch handelsüblich sind. Dazu werden die Pulver in die gewünschte Form gebracht gesintert. Die wesentlichen bei der Sinterung einzustellenden Parameter sind wie üblich Temperatur, Druck und Dauer. Diese werden so eingestellt, dass ein Produkt mit den gewünschten Eigenschaften erhalten wird. Die Sintertemperatur liegt üblicherweise im Bereich von im Allgemeinen mindestens 200°C, vorzugsweise mindestens 300°C und in besonders bevorzugter Weise mindestens 350°C sowie im Allgemeinen höchstens 500°C, vorzugsweise höchstens 450°C und in besonders bevorzugter Weise höchstens 400°C gesintert. Wahlweise kann unter Druck gesintert werden, um höhere und/oder schnellere Verdichtung zu erreichen. Üblich ist die Anwendung eines Drucks von mindestens 5 MPa, vorzugsweise mindestens 10 MPA und in besonders bevorzugter Weise mindestens 15 MPa sowie im Allgemeinen höchstens 50 MPa, vorzugsweise höchstens 40 MPa und in besonders bevorzugter Weise höchstens 30 MPa. Es wird im Allgemeinen über eine Zeitdauer von mindestens 10 Minuten, vorzugsweise mindestens 30 Minuten und in besonders bevorzugter Weise mindestens 60 Minuten sowie im Allgemeinen höchstens 10 Stunden, vorzugsweise höchstens 5 Stunden und in besonders bevorzugter Weise höchstens 2 Stunden gesintert.
Das Pulver kann vor der Sinterung mit Füllstoffen versehen werden. Dies ist bei manchen Fluorpolymeren gelegentlich notwendig, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Gängige Füllstoffe sind Glasfasern oder Kohlenstofffasern, die, sofern verwendet, in Anteilen von im Allgemeinen mindestens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 1 Gew.-% und in besonders bevorzugter Weise mindestens 5 Gew.-% sowie im Allgemeinen höchstens 50 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 40 Gew.-5 und in besonders bevorzugter Weise höchstens 30 Gew.-% zugesetzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise füllstofffreies perfluoralkoxisubstitutiertes Polytetrafluorethylen eingesetzt, in besonders bevorzugter Weise perfluorpropoxisubstituiertes Polytetrafluorethylen.
Die Sinterung wird so durchgeführt, dass der gesinterte Formkörper eine Porosität von im Allgemeinen mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 50 % und in besonders bevorzugter Weise mindestens 60 % sowie im Allgemeinen höchstens 85 %, vorzugsweise höchstens 80 und in besonders bevorzugter Weise höchstens 70 %. Unter "Porosität" wird im Rahmen dieser Erfindung der Volumenanteil der Poren im Formkörper verstanden. Die Größe der Poren ergibt sich aus der Partikelgröße des eingesetzten Polymerpulvers und den Sinterbedingungen. Diese Parameter werden so gewählt, dass die Poren des Formkörpers einen mittleren Durchmesser von im Allgemeinen mindestens 0,1 Mikrometer, vorzugsweise mindestens 0,2 Mikrometer und in besonders bevorzugter Weise mindestens 0,3 Mikrometer sowie im Allgemeinen höchstens 3 Mikrometer, vorzugsweise höchstens 2 Mikrometer und in besonders bevorzugter Weise höchstens 1 Mikrometer aufweisen.
Für die Anwendung im erfindungsgemäßen Verfahren werden Formkörper hergestellt, die als durchströmbare Wand ausgebildet sind. Beispiele dafür sind Platten, beidseitig offene oder einseitig geschlossene Rohre mit kreisförmigem, elliptischen, sternförmigen oder anderem Quer schnitt. Grundsätzlich kann für den erfindungsgemäßen Aerosolabscheider jede Bauform eingesetzt werden, die bei Filtern zur Abtrennung von Feststoffen aus Gasen bekannt ist. Die Flüssigkeit abscheidende Wand des erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders entspricht dann einem Filterelement.
Die Wandstärke der Flüssigkeiten abscheidenden Wand liegt im Allgemeinen bei mindestens 0,2 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm und in besonders bevorzugter Weise mindestens 1 mm sowie im Allgemeinen höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm und in besonders bevorzugter Weise höchstens 3 mm.
Die Dicke der Wand, die Porosität und der mittlere Porendurchmesser bestimmen den Druckverlust und die Effektivität der Aerosolabscheidung und werden nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten gegenseitig optimiert.
Im erfindungsgemäßen Aerosolabscheider wird mindestens eine derartige Wand verwendet. Der erfindungsgemäße Aerosolabscheider besteht daher zumindest aus einer Platte, einem Rohr oder einer anderen geometrischen Form, die porös ist, im wesentlichen aus teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen besteht, und derart ausgeformt und angeordnet ist, dass der Gasstrom die Wand durchtreten muss. In einer allereinfachsten Ausführungsform genügt eine Platte aus porösem, teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen, die in den Weg des Gasstroms eingebaut ist.
Eine geeignete Anordnung sind beispielsweise ein oder mehrere parallele senkrechte Rohre, die zwischen zwei ebenen Platten befestigt sind. Durch in die Rohre führende Bohrungen in der unteren Platte tritt der Aerosolstrom in die Rohre ein, durchströmt die Rohrwände, und der von dispergierter Flüssigkeit befreite Gasstrom tritt durch außerhalb der Rohre angeordnete Bohrungen in der oberen Platte nach oben aus. Der untere Boden kann als Doppelboden mit einem schräg angeordneten unteren Boden ausgeführt sein, durch entsprechende Bohrungen sammelt sich dann ablaufende Flüssigkeit an der tiefsten Stelle des Doppelbodens und kann dort abgeführt werden. Der Aerosolabscheider kann auch in Form von einseitig geschlossenen Rohren in der Art von Filterkerzen ausgeführt werden und – bei geschlossenem unteren Ende – auch ohne unteren Boden direkt über einer Flüssigkeit (etwa Oleum), aus der durch Desorption ein Aerosol erzeugt wird, angeordnet sein. Bauformen von Aerosolabscheidern und Filtern sind dem Fachmann bekannt. Die Optimierung der angebotenen Gesamtfläche der porösen Wand oder Wände aus teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen, der Bauform, und der konkreten Eigenschaften (Porosität, Porendurchmesser und Dicke) der als Wand oder Wände verwendeten Formkörper sind eine Routineaufgabe, die gemäß der vorliegenden technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen (wie etwa vorhandener Platz für Apparate, Druck des Gasstroms, geforderter Abscheidegrad etc.) gelöst wird.
Die Wand oder Wände aus teilweise pertluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen können mit Hilfskonstruktionen wie beispielsweise Stützgeweben, Stützdrähten, Körben oder Ähnlichem stabilisiert werden. Es ist jedoch ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders, dass dies im Allgemeinen nicht notwendig ist.
Die Stützkonstruktionen sowie die sonstigen Bauteile außer den Flüssigkeit abscheidenden Wänden des erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders (wie etwa das Gehäuse, die Halterungen der Flüssigkeit abscheidenden Wände etc.) können, müssen aber nicht aus dem Material der Flüssigkeit abscheidenden Wände gefertigt werden. Vorzugsweise wird für diese Bestandteile des erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders jedoch unporöses Material verwendet. Dies kann pertluoralkoxisubstitutiertes Polytetrafluorethylen sein, aber auch unsubstituiertes Polytetrafluorethylen (compoundiert oder nicht), oder jedes andere Material, das die mechanischen und chemischen Anforderungen unter den Einsatzbedingungen des Aerosolabscheiders erfüllt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Reinigung von Schwefeltrioxid wird das gasförmige Schwefeltrioxid, das durch Desorption aus Oleum gewonnen wird und dispergiertes Oleum oder dispergierte Schwefelsäure in flüssiger Form enthält, durch einen erfindungsgemäßen Aerosolabscheider geführt.
Die Temperatur beträgt dabei mindestens 44°C, vorzugsweise mindestens 80°C und in besonders bevorzugter Weise mindestens 100°C sowie im Allgemeinen höchstens 200°C, vorzugsweise höchstens 150°C und in besonders bevorzugter Weise höchstens 120°C. Es können jedoch auch Temperaturspitzen bis 250°C auftreten. Der Druck des zur reinigenden Gases wird mindestens so hoch eingestellt, dass der Druckverlust des Aerosolabscheiders überwunden wird. Er ist nach oben von der Druckfestigkeit des Aerosolabscheiders begrenzt und ansonsten nicht kritisch. Im Allgemeinen wird der Druck so eingestellt, dass der Druckverlust des Aerosolabscheiders und ein etwaige im Anschluss zu überwindender Druckverlust bei der Absorption des gereinigten Schwefeltrioxids in Wasser oder Schwefelsäure überwunden wird. Üblicherweise wird der absolute Druck im Allgemeinen auf einen Wert von mindestens 100 Pa, vorzugsweise mindestens 10 000 Pa und in besonders bevorzugter Weise mindestens 100 000 Pa sowie im Allgemeinen höchstens 1 MPa, vorzugsweise höchstens 0,8 MPa und in besonders bevorzugter Weise höchstens 0,5 MPa eingestellt.
Beispiel
Aus einem mit handelsüblichem technischem Oleum beschickten Fallstromverdampfer wurde durch Erhitzen ein Gasstrom von 250 kg/h Schwefeltrioxid erzeugt. Der Gasstrom wurde durch einen Aerosolabscheider geführt, der aus 7 Rohren von je 76 mm Durchmesser und 475 mm Höhe aufgebaut war, die in einem Rohr zwischen zwei Böden eingebaut waren. Die Rohre bestanden aus gesintertem TFM mit einer Porengröße von 0,3 Mikrometer und einer Porosität von 65 %. Die Böden bestanden aus Polytetrafluorethylen. Durch Bohrungen im unteren Boden wurde des Gasstrom in den Außenraum um die Rohre geführt und durch Bohrungen im oberen Boden aus dem Innenraum der Rohre abgezogen. Der untere Boden war als Doppelbodenkonstruktion mit einem geneigten Ablauf für abgeschiedene Flüssigkeit ausgeführt. Der so von Aerosolen befreite SO₃-Strom wurde mit Reinstwasser (EG) zu Schwefelsäure umgesetzt.
Die Temperatur des Aerosolabscheiders stieg zu Beginn des Versuchs auf 240°C (vermutlich durch anhaftende Feuchtigkeit) und fiel danach auf eine stationäre Betriebstemperatur von 110°C. Der Druckverlust über den Aerosolabscheider betrug konstant 20 kPa. Die Rohre des Aerosolabscheiders blieben über die gesamte Versuchsdauer formstabil. Die Metallionenkonzentration der so hergestellten Schwefelsäure lag während der kompletten Versuchsdauer von 8 Wochen unterhalb der Nachweisgrenze der verwendeten Analytik von 100 ppt.

Claims

Aerosolabscheider zur Abscheidung von in Gasströmen dispergierten Flüssigkeiten, der als Flüssigkeiten abscheidendes Bauteil mindestens eine vom Gasstrom durchströmte poröse Wand aus teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen enthält.
Aerosolabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wand aus füllstofffreiem, teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen besteht.
Aerosolabscheider nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wand aus teilweise petfluorpropoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen besteht.
Aerosolabscheider nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wand eine Porosität im Bereich von 30 bis 85 % aufweist.
Aerosolabscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wand Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 3 Mikrometer aufweist.
Verfahren zur Reinigung von gasförmigem Schwefeltrioxid durch Abscheidung darin dispergierter Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass man das Schwefeltrioxid durch mindestens eine poröse Wand aus teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen leitet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das Schwefeltrioxid durch mindestens eine Wand leitet, die aus füllstofffreiem, teilweise perfluoralkoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass man das Schwefeltrioxid durch mindestens eine Wand leitet, die aus teilweise perfluorpropoxisubstitutiertem Polytetrafluorethylen besteht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man das Schwefeltrioxid durch mindestens eine Wand leitet, die eine Porosität im Bereich von 30 bis 85 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man das Schwefeltrioxid durch mindestens eine Wand leitet, die Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 3 Mikrometer aufweist.