DE10358065A1

DE10358065A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica

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Publication number: DE10358065A1
Application number: DE10358065A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Haack; Helmut Huber; Holger Dipl.-Chem. Szillat; Helmut Dipl.-Ing. Maginot
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-07-28
Also published as: WO2005056486A2; WO2005056486A3

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, deren nun folgende Komponenten metallfrei sind, eine Fördervorrichtung für Fumed Silica, eine Messvorrichtung und eine Dosiervorrichtung und darauf folgend eine Reaktor mit einer Versinterungsvorrichtung und darauf folgend eine Abscheidungsvorrichtung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica.
Mit dem Begriff Fused-Silica sind feinkörnige, sphärische Quarzglaspulver gemeint. Ein typisches Beispiel für Fused Silica ist Excelica^® SE-15 der Firma Tokuyama mit einer mittleren Teilchengröße von 15 μm.

Nach US 5063179 (Cabot) geschieht der zweite Teilschritt (= die Herstellung von Fused Silica) dadurch, dass Fumed-Silica in Wasser dispergiert, filtriert, getrocknet, mit SOCl₂ oder Cl₂ nachgereinigt und im Ofen gesintert wird. Die Konzentrationen der Verunreinigungen, wie Na und Fe, liegen danach um 1 ppm (Gesamtverunreinigungen < 50 ppm), also immer noch recht hoch.

Nach JP 59152215 und JP 5330817 (Nippon Aerosil) wird im zweiten Teilschritt (= die Herstellung von Fused Silica) das Fumed-Silica-Pulver z.B. direkt mittels Schneckenförderer dispergiert, in eine Knallgasflamme überführt und zu Fused Silica-Pulver versintert.

Nach JP 5301708 und JP 62-270415 (Tokuyama) wird zur Herstellung der Fused-Silica hochreine Fumed-Silica mit H₂O bedampft, gekühlt, fluidisiert und mittels Schneckenförderer einer Knallgasflamme zum Zwecke der Versinterung zugeführt.

Das nach den genannten Verfahren erhaltene Fused Silica-Produkt enthält Verunreinigungen > 1000 ppb, summiert über die Elemente Cu, Fe, Ti, Al, Ca, Mg, Na, K, Ni, Cr, Li. Die Dispergierung und Förderung der Fumed-Silica-Partikel erfolgt nach den genannten Verfahren z.B. mit Hilfe eines Schneckenförderers. Die Schnecke ist ein bewegtes Teil, das sich durch Kontakt mit Silica abnutzt, insbesondere im Bereich der Kanten. Dadurch kontaminiert die Schnecke das Silica-Pulver. Auch andere Anlagenbestandteile sind den abrasiven Silica-Partikeln und damit starkem Verschleiß ausgesetzt. Zu nennen ist insbesondere die Brennerdüse, in der die Geschwindigkeiten der Silica-Pulver besonders hoch sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica-Pulver mit sehr hoher Reinheit zur Verfügung zu stellen.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Vorrichtung zur kostengünstigen Herstellung des fused Silica-Pulvers zur Verfügung zu stellen.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, deren nun folgende Komponenten metallfrei sind, eine Fördervorrichtung für Kieselsäure, eine Messvorrichtung und eine Dosiervorrichtung und darauf folgend einen Reaktor mit einer Versinterungsvorrichtung und darauf folgend eine Abscheidungsvorrichtung aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird aus einem Lagerbehälter 1, der eine beliebige Größe haben kann, mit Kieselsäure, vorzugsweise hochreiner Fumed Silica beschickt.
Dieser Lagerbehälter 1 besitzt, wie die meisten Lagerbehälter, einen Bunkeraufsatzfilter 2, über das die entweichende Abluft 3 auf die zulässigen Staubrestwerte gefiltert wird. Der Lagerbehälter 1 wird über die Leitung 4 befüllt. Die Förderdüse 5 dient gleichzeitig neben ihrer Förderfunktion als Kühleinheit. Im Einzelnen bedeutet dies, dass die Fördergasmenge 6 so eingestellt wird, dass die Produkttemperatur im Zielgefäß 9 auf vorzugsweise ca. 100°C reduziert werden kann. Im Auslauf besitzt der Lagerbehälter 1 ein Auflockungssystem (Austragshilfe) 7. Weiter befindet sich am Tiefpunkt eine Förderdüse 5, die über den Anschluss mit Fördergas 6 versorgt wird. Über die Leitung 8 gelangt das Produkt zu einer Messvorrichtung wie z.B. einer Waage 9 oder volumetrischen Messvorrichtung. Das verdrängte Gas wird über die Gaspendelleitung 10 zum Lagerbehälter 1 zurückgeführt und verlässt über den Filter 2 das System.
Das komplette System ist metallfrei aufgebaut und hält einer Temperatur von vorzugsweise 200°C, bevorzugt 50°C bis 180°C, besonders bevorzugt 80°C bis 140°C stand. Dies bedeutet für die Förderleitung 8 und 4, welche mit 4 bar betrieben wird, dass sie aus abriebsarmen, druckfestem und temperaturbeständigem Kunststoff und in bestimmten Bereichen aus Mehrschichtlaminat mit Kühlung besteht.
Vorzugsweise finden Werkstoffe wie Vespel^TM, PEEK (Polyimid), (Polyetheretherketon, PFA (Polyflouramid), PU (Polyuretan) auf der produktberührten Innenseite Verwendung.
Die Waage 9 verfügt über ein Wiegesystem 19, das in diesem Anwendungsfall 1–2 kg/h gravimetrisch über die Pumpe 12 und dem Regler 18 dosiert. Als Dosiervorrichtung fungiert eine Pumpe 12 und ein Mischdosiersystem 11 am Auslauf der Waage 9. Über das Mischdosiersystem 11 kann das Produkt mit O₂ aus der Leitung 16 direkt an der Düse oder vor dem Mischer 2 0 zugeführt werden, zudem kann über die Leitung 15 dem Mischdosiersystem Druckluft zugeführt werden. Die Waage 9 verfügt über ein Auflockerungssystem, welches mit O₂ über die Leitung 16 oder mit Druckluft über die Leitung 15 versorgt wird.
Die Pumpe 12 wird mittels Druckluft 17 angetrieben. Diese Druckluft wird von der Menge über ein Regelventil 18 geregelt, dadurch ändert sich die Pumpenfrequenz und die Menge des Produktes. Das Produkt wird in dem Mischdosiersystem 11 so aufbereitet und mit der Pumpe 12 weiter gefördert, dass es sich im Brenner 21 unter Zuführung eines Brenngases exakt nach Spezifikation versintern lässt (siehe unten).
Dieses System ist wie oben ausgeführt metallfrei aufgebaut und hält einer Temperatur von max. 180°C stand, Bei dem kompletten Dosier-Mischsystem ist eine Eduktaufbereitung in unterschiedlichsten Weisen möglich und es können eine Vielzahl an Mischungsverhältnissen gefahren werden wie unten beschrieben.
Die erfindungsgemäße Versinterungsvorrichtung weist vorzugsweise einen Brenner 21 auf, der als Diffusionsbrenner in der Form aufgebaut ist, das er zumindest eine Feststoffdüse 23, aber auch so viele Düsen wie bauartbedingt möglich sind, aufweisen kann, aus der die Kieselsäure mit einem Fördergas 24 austreten kann und um diese Einzelfeststoffdüse(n) 23 eine entsprechend umgebende Ringdüse(n) 25 aufweist, aus der das Brenngas 26 austreten kann, sowie gegebenenfalls zumindest eine äußere Ringdüse 27 aufweist, aus der Brenngas 28 austreten kann, die am äußeren Rand des Diffusionsbrenners angeordnet ist.
Bei der Fused-Silica-Brennerdüse 21 handelt es sich um eine Gas-Feststoffdüse () mit der Möglichkeit, die eingesetzte Fumed-Silica mit einzelnen Edukten/Inertgasen (z.B. H₂O, O₂, N₂, Ar, ...) bei (24) mittels Statikmischer (20) bzw. alternativ ohne Statikmischer vorzumischen. Die Brennerdüse 21 kann als Düse für nicht vorgemischte Edukte (1. Variante-Diffusionsbrenner), oder als Düse für vorgemischte Edukte (2. Variante) betrieben werden.
Die Fumed-Silica wird mit Zuführung in die Mischkammer der Brennerdüse mit O₂ [1. Variante – (29)], alternativ H₂/O₂ [2. Variante – (30)] angereichert und anschließend in der Versinterungsvorrichtung mittels vorzugsweise Brennerdüse den Verbrennungsgasen zugeführt, oder. wie oben beschrieben, im Mischdosiersystem alternativ teilweise bereits vorgemischt.
Bei der Brennerdüse für nicht vorgemischte Edukte [1. Variante] erfolgt die endgültige Vermischung mit den Brenngasen im Flammbereich (31) erweiterbar mit zusätzlicher Lavaldüsenkonfiguration (34) und anschließender Versinterung. Eine Moderation der mittleren Partikelgröße und Partikelverteilungsbreite ist mit der Variation der Strömungsgeschwindigkeiten durch Edukte/Inertgaseinleitungen bei (24), Inertgas 31, Sauerstoff 29 und Brenngas (26) gegeben. Bei der Brennerdüse für vorgemischte Edukte [2. Variante] erfolgt die Vermischung der Fumed-Silica mit den Brenngasen in der Mischkammer (32) durch Zuführung von Brenngas (26), wobei der Brenner 21 als Brenner in der Form aufgebaut ist, das er eine Düse 23 aufweist, aus der die Kieselsäure mit einem Fördergas und dem Brenngas zusammen austreten kann. Eine gute Durchmischung wird durch vorzugsweise einen Turbulator (22) erreicht. Eine Moderation der Partikelgröße und Partikelverteilungsbreite wird durch die Zuführung der Eduktströme (24) und 24, 26, 27, 29 und 30 erreicht. Durch modifizierte Lavaldüsen (34) kann eine zusätzliche Einflußnahme auf die Partikelgröße und Versinterung erreicht werden. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit die Brenngase 26 durch Zuführung (33) von Inertgas (z.B. N₂, Ar, ...) zu moderieren. Für eine verbesserte Ausbeute ist eine zusätzliche Einspeisung von Brenngas über eine äußere Ringdüse (27) möglich. Durch diese Ringdüse wird in der Nachverbrennungszone (35) eine vollständige Versinterung erreicht.
Als Brenngas können H₂, Methan, Propan dienen, vorzugsweise wird H₂ verwendet.
Die Brennerdüsen bestehen vorzugsweise aus den Werkstoffen Quarzglas, Si und SiC. Nur bei Verwendung einer vorgemischten Düse [2. Variante] sind diese Werkstoffe als Inliner in einer druckfesten Metalldüse auszuführen.
Alternativ zur Flammversinterung mittels Gas-Feststoffdüsen, ist die Versinterung von Fumed-Silica mittels Solid-State-Plasma in einem Plasmatorch (vgl. 3) möglich.
Der Fumed-Silica wird Eduktgas (Ar, O₂, N₂, ...) bei (36) zugeführt und im Vormischer (37) miteinander vermischt und der Zuleitung (38) zugeführt. Über eine Ringdüse (39) wird Mantelgas 40 (Ar, N₂, H₂, O₂, ...) dem Plasmagas zugeführt und in Heißgaszone (41) bei > 2000°C versintert. Die dafür notwendige Energie wird elektrisch über Induktionsspule 42 in das System eingebracht.
Der über das Mantelgas eingebrachte Wasserstoff in Reaktion mit Sauerstoff sorgt für eine effizientere Energiekopplung und Versinterung der Fumed-Silica.
Zur Temperierung des Plasma – Torchs dienen die Kühlmediumsbohrungen (43), die eine Überhitzung des Werkstoffes ausschließen.
Bei dem Reaktor (44), der die Versinterungsvorrichtung aufweist, handelt es sich um einen gekühlten Hochtemperaturreaktor mit nichtmetallischer Oberfläche (z.B. SiO₂, Email, SiC, Quarzglas, Quarzgut, Si, hochtemperaturfeste Kunststoffe, Email...). Die zur Versinterung der Fumed-Silica notwendigen hohen Temperaturen wird im Temperaturbereich (45) von 1500–2300°C, bevorzugt 1600–1800°C erreicht.
Der Druckbereich im Reaktor (44) geht von 10 mbar_a bis 4000 mbar_a, vorzugsweise bei Verwendung der Flammenversinterung von 900 mbar_a bis 2000 mbar_a, bei Verwendung der Plasmaversinterung von 10 mbar_a bis 1100 mbar_a.
Die Reaktorgeometrie ist so zu wählen, dass die Versinterungszone (46) (Reaktionsflamme – Temperaturzone) keine Wandberührung aufweist und die Rezirkulation der Reaktionsgase (47) minimiert wird. Dies wird durch einen zentrisch liegenden Prozessgasaustritt (48) und einer Querschnittserweiterung (49) im untereren Reaktorteil erreicht.
Für eine Vorabscheidung des Produktes kann das Prozessgas alternativ über einen Prozessgasausgang (50), vorzugsweise über drei (51) seitlich angebrachter Prozessgasausgänge zur Zentrierung und Stabilisierung der Versinterungszone geführt werden. Die Produkt (52) – und Prozessgasausgänge (50) bis (52) sind zum Schutz vor Abrieb mit keramischen Inlinern (z.B. Quarzglas) ausgeführt. Das vorabgeschiedene Produkt kann mittels Ausschleusung (53) direkt aus dem Prozeß ausgeschleust werden.
Für eine exakte Temperatursteuerung kann dem Reaktor über separate Quenchzuführungen (54), die sowohl am Reaktor und Reaktorausgang (50) bis (52) angebracht sein können, verschiedene Quenchströme (z.B. Ar, N₂, H₂O, Luft, ...) zugeführt werden.
Für die Produktabscheidung wird zur Erreichung höchster Produktreinheiten (Verunreinigungen < 150 ppb) eine Vorabscheidung mittels Zyklonabscheider (55) vorgenommen. Zur Erreichung dieser hohen Produktreinheiten ist der Zyklonabscheider mit nichtmetallischen Inlinern (56) (z.B. Quarzglas, Quarzgut, Si, hochtemperturfeste Kunststoffe, Email, SiO₂...) ausgekleidet.
Die Abscheidung kann durch zusätzliche Einleitung von Zuführströmen (z.B. N₂, H₂O, Ar, Luft) direkt in den Zyklonabscheider bei (57), oder vor Einleitung des Prozessgases (58) in den Zyklonabscheider (55) erhöht werden.
Der Feststoff wird anschließend in einer Trocknungs- und Kühlapparatur (59) mittels Heißgas (60) (z.B. N₂, Ar, Luft, ...) getrocknet und im Anschluss daran mittels Gasquenche (61) unmittelbar gekühlt. Zur Wahrung der Produktreinheit werden nur nichtmetallische Beschichtungen aus hochtemperaturfesten Kunststoffen (z.B. PFA, PEEK, PVDF, ...) und keramischen Werkstoffen (z.B. Si, SiO₂, SiC, ...) verwendet.
Das Produkt wird anschließend mittels einer Förderdüse (62) bestehend aus nichtmetallischen Werkstoffen, bevorzugt Vespel^®, PEEK^® Quarzglas ausgetragen.
Eine Totalabscheidung im Temperaturbereich 150–300°C wird nach Durchlaufen des Prozeßgaskühlers (63) mittels Filterabscheider (64) erreicht. Hier werden Produktreinheiten mit Verunreinigungen im Bereich von 150–5000 ppb erreicht. Zur Wahrung dieser Reinheiten werden Prozeßgaskühler als auch Filterabscheider mit Inlinern bestehend aus Quarzglas, Si, SiC, Email, hochtemperaturfeste Kunststoffe (z.B. PEEK^®) ausgeführt.
Var. 2: Alternativ kann der Kühl- und Trocknungsapparatur eine Totalabscheidung (65) unter Verwendung eines Filters mit oben genannten Inlinerwerkstoffe, aufgeschaltet werden.
Eine weitere Möglichkeit (vgl. 6) der hochreinen Abscheidung besteht durch Quenchung des Prozessgases in einem Venturiwäscher/ -zyklon (66) mittels Flüssigkeit (z.B. H₂O) (67). Bevorzugte Werkstoffe sind in diesem Temperaturbereich ( < 100°C) vor allem Kunststoffe (z.B. PA, PU, PE, PP, ...).
Eine vollständige Entstaubung kann mit dieser Feinstabscheidung und Gasreinigung erreicht werden. Das abgekühlte Prozessgas wird ohne weitere Nachbehandlung der Atmosphäre zugeführt (68). Die abgeschiedene Slurry aus Waschflüssigkeit und Fused-Silica wird anschließend über Hydro-zyklone (69) eingedickt, mittels Filter (70), oder alternativ Zentrifuge abgeschieden und anschließend mittels Konvektions- oder Strahlungstrockner (71) getrocknet. Die getrocknete Fused-Silica wird im Überlauf aus dem Trockner ausgetragen (72). Bevorzugte Werkstoffe sind vor allem oben genannten Kunststoffe. Die abgeschiedene Quench- und Waschflüssigkeit wird nach Kondensation (73) und Kühlung (74) zurückgewonnen und im Kreislauf wieder dem Venturiwäscher (66) zugeführt.
Alternativ ist auch die Verwendung eines Sprühtrockners (75) zur Trocknung der Fused-Silica, dem Venturiwäscher/ -zyklon nachgeschaltet, möglich. Die getrocknete Fused-Silica wird im Auffangbehälter (76) gesammelt, die abgetrennte Flüssigkeit mittels zugeführten Gasstroms (77) über Abgasstutzen (78) ausgetragen. Zur Wahrung der Produktreinheit sind alle Apparate mit oben genannten Kunststoffinlinern bzw. mit keramischen Werkstoffen (z.B. Si, SiO₂, SiC, ...) ausgeführt.
Der Druckbereich liegt in den verwendeten Abscheide- und Trocknungsapparaten bei 20 mbar_a bis 1100 mbar_a.
Die Fusedförderung besteht wie die Fumedförderung aus einer Förderdüse 79 und besteht vorzugsweise aus PEEK oder Vespel und ist wie die Düse 5 ebenfalls von außen, ohne die Düse 79 zu öffnen, in ihren Parametern veränderbar.
Die Förderleitung 81 ist ein spezieller Schlauch bzw. Leitung aus nicht metallischen Werkstoffen und verschiedenen Kunststoffen aufgebaut und besitzt ein spezielles Kühlsystem. Isbesondere ist er druck-, temperatur- und verschleißfest ausgeführt. Als Fördermedium dient ein Gas 80.
Das Lagersilo 82 ist wie die meisten Lagerbehälter mit einem Filter 83, Auslaufhilfe 88 und Auslaufabsperrung 85 ausgestattet. Es kann druckfest bis 1,5 bar absolut ausgeführt sein. Vorzugsweise besteht es aus Metall mit einer Beschichtung aus z. B. PU, Si, PFA, das gleiche gilt für den Filter 83, über das die Abluft gereinigt wird und dann über die Abluftleitung 84 entweicht.
Vom Lagerbehälter 82 wird das Produkt über die Weiche 95 und 89 zur Abfüllanlage 90 oder über eine Klassierung mittels einer Förderung wie oben beschrieben gefördert.
Die Klassierung besteht aus einem Vorbehälter 96 und einem Auffangbehälter 91, in dem das Produkt nach der Klassierung gelangt, welches in der Siebung 97 auf eine Korngröße von 30 μ bis 300 μ, vorzugsweise kleiner 40 μ gesiebt wurde. Das Überkorn verlässt über einen Ausgang 98 oberhalb des Siebes 97 den Prozess.
Aus dem Auffangbehälter 91 gelangt das Produkt mittels einer Austragshilfe 93 zur Düse 92. Von der Düse 92 wird das Produkt mit dem Fördergas 94 über die Wegeweiche 89 zur Abfüllanlage 90 gefördert. Die komplette Anlage ist metallfrei aus vorzugsweise temperaturbeständigen Kunststoffen aufgebaut. Im Einzelnen finden hier Peek, Vespel^® oder Werkstoffe wie Glas oder Keramik Verwendung.
Der beschriebene Vorgang läuft bei einer Temperatur von 10–100°C ab.
Vorzugsweise ist die Summe an Verunreinigungen im Fused Silica-Pulver kleiner 150 ppb. Besonders bevorzugt ist die Summe an Verunreinigungen kleiner 150 ppb, wobei die Verunreinigung an Cu < 1 ppb, an Fe < 25 ppb, an Ni < 2 ppb, an Cr < 2 ppb, an Ti< 3 ppb, an Al < 31 ppb, an Ca < 65 ppb, an Mg < 12 ppb, an Na< 12 ppb, an K < 6 ppb und an Li < 1 ppb ist und das Pulver zudem frei ist von Kohlenstoff.
Die Bestimmung der Verunreinigungen erfolgt gemäß der ICP-Analysenmethode (Inductive Coupled Plasma, Gerätetyp ICP-MS HP4500), die Nachweisgrenze der Methode ist kleiner als 1 ppb.
Die hochreinen Fused-Silica-Pulver können für alle aus dem Stand der Technik genannten Anwendungen eingesetzt werden. Sie eignen sich vorzugsweise zur Herstellung von Formkörpern wie z.B. in DE 19943103 (Wacker Chemie GmbH) beschrieben.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, deren nun folgende Komponenten metallfrei sind, eine Fördervorrichtung für Fumed Silica, eine Messvorrichtung und eine Dosiervorrichtung und darauf folgend einen Reaktor mit einer Versinterungsvorrichtung und darauf folgend eine Abscheidungsvorrichtung aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versinterungsvorrichtung einen Brenner aufweist, der als Diffusionsbrenner in der Form aufgebaut ist, das er zumindest eine Düse aufweist, aus der die Fumed Silica mit einem Fördergas austreten kann und um diese Düse eine Ringdüse aufweist, aus der das Brenngas austreten kann, sowie gegebenenfalls zumindest eine Ringdüse aufweist, aus der Brenngas austreten kann, die am äußeren Rand des Diffusionsbrenners, oder turbulent vorgemischte Brennerdüse angeordnet ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versinterungsvorrichtung einen Brenner aufweist, der als Brenner in der Form aufgebaut ist, das er eine Düse aufweist, aus der die Fumed Silica mit einem Fördergas und dem Brenngas zusammen austreten kann.
Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versinterungsvorrichtung einen Plasmatorch aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsvorrichtung ein Zyklonabscheider ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsvorrichtung ein Filter ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Fused Silica nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsvorrichtung ein Venturiwäscher oder ein Hydrozyklon ist.