DE1916760C3

DE1916760C3 - Röhrenförmige Vorrichtung zum Erhitzen von gasförmigen Metallhalogenide!!

Info

Publication number: DE1916760C3
Application number: DE1916760A
Authority: DE
Inventors: Anthony Welwyn Garden City Hertfordshire Horton (Ver. Koenigreich)
Original assignee: Laporte Titanium Ltd
Current assignee: Laporte Titanium Ltd
Priority date: 1968-04-03
Filing date: 1969-04-01
Publication date: 1980-10-16
Also published as: NL168104B; NL168104C; DE1916760B2; NL6905155A; BE731003A; US3626153A; NO129385B; FR2005444A1; DE1916760A1; FR2005444B1; GB1267803A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine röhrenförmige Vorrichtung zum Erhitzen von gasförmigen Halogeniden (ausschließlich von Fluoriden) von Titan, Silicium, Aluminium, Zirkon und Eisen.

Beim Erhitzen der gasförmigen Metallhalogenide bis auf Temperaturen in der Größenordnung von 700 bis 1000⁰C, beispielsweise um ihnen das Eingehen von Oxydationsreaktionen mit oxydierenden Gasen zu ermöglichen, ergeben sich infolge der korrosiven Natur dieser Halogenide bsi derartigen Temperaturen ernsthafte Schwierigkeiten und Probleme.

Bei Vorrichtungen zum Erhitzen von gasförmigen Metallhalogeniden bis auf die genannten hohen Temperaturen kann Platin, oder eine Platinlegierung für Teile der Vorrichtung, die mit dem heißen Halogenidgas in Berührung gelangen, verwendet werden. Jedoch ist aufgrund der hohen Kosten des Platins die Verwendung dieser Materialien für diesen Zweck gewöhnlich wirtschaftlich nur vertretbar, wenn die Menge der verwendeten Materialien auf einem verhältnismäßig geringen Ausmaß gehalten werden kann.

Aus der FR-PS 14 42 007 ist es bekannt, Titantetrachloriddampf zu erhitzen, indem der Dampf durch eine röhrenförmige Vorrichtung geführt wird, welche einen Schacht umfaßt, der mit einem nichtmetallischen, feuerfesten Material oder mit einem Überzug von Platin auf einer Nickellegierungsunterlage ausgekleidet ist. Der Titantetrachloriddampf wird während des Durchgangs durch die bekannte Vorrichtung mit einer Anzahl von Heizelementen in Berührung gebracht, von denen jedes ein elektrisches Widerstandselement und eine rohrförmige Schutzhülle umfaßt Die Teile der elektrischen Elemente, die in Berührung mit dem TUantetrachlorid kommen, sind zum Schutz mit Quarz, Aluminiumoxyd, einem Aluminiumoxyd enthaltenden teuerfe-

sten Material oder Platin in Form eines Oberzugs auf einer Nickellegierungsunterlage bedeckt

Gemäß der FR-PS wird das Platin, wenn es zur Anwendung gelangt nicht in Form eines elektrischen Widerstandselements benutzt sondern es ist lediglich wegen seiner korrosionsfesten Eigenschaften vorhanden. Die bekannte Vorrichtung weist nur eine beschränkte Leistung auf und ist wenn sie unter Verwendung von Platin hergestellt wird, vergleichsweise aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer röhrenförmigen Vorrichtung zum Erhitzen von gasförmigen Metallhaiogeniden (ausschließlich Fluoriden) von einem der Elemente Titan, Silicium, Aluminium, Zirkon oder Eisen, oder einer Mischung von mehr als einem dieser Halogenide unter Verwendung von elektrischen

Heizelementen, die einen einfachen Aufbau aufweist

und leicht unter Ersatz von einzelnen Heizelementen repariert werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß

durch eine röhrenförmige Vorrichtung zum Erhitzen von gasförmigen Metallhalogeniden mit einem aus nichtmetallischem, feuerfestem Material ausgekleideten Schacht und elektrischen Heizelementen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Schacht eine Mehrzahl von feuerfesten, nichtmetallischen Traggliedern angeordnet ist, die aufeinander ausgerichtete, in Strömungsrichtung des Halogenids liegende parallele Kanäle aufweist, in denen elektrische Widerstandselemente aus Drähten oder Bändern aus Platin oder einer Legierung von Platin mit Rhodium, Ruthenium oder Iridium für das zu erhitzende Halogenid untergebracht sind.

Bei Verwendung eines heißen Metalls zum Erhitzen eines Gases wird die Wärmeübertragung von dem Metall zu dem Gas gewöhnlich durch Konvektion bewirkt und wenn die Menge an Metall gering gehalten werden muß, ist es zweckmäßig, daß der Oberflächenbereich des Metalls, der von dem Gas je Einheitsmasse des Metalls berührt wird, möglichst klein ist. Überlegungen mit Bezug auf die mechanische Festigkeit setzen jedoch eine Grenze auf das Ausmaß, bis zu welchem das Verhältnis des freiliegenden Oberflächenbereichs zu der Masse des Metalls herabgesetzt werden kann. Das Problem der Erhitzung der Metallhalogenide ist bei der

Vorrichtung gemäß der Erfindung hervorragend gelöst. Während gemäß der FR-PS 14 42 007 das Platin,

wenn es verwendet wird, nicht die Wirkung eines elektrischen Widerstandselements besitzt, sondern lediglich wegen seiner Korrosionswiderstandsfähigkeit vorhanden ist, wird bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung Platin oder eine Legierung von Platin mit Rhodium, Ruthenium oder Iridium für die Widerstandsheizelemente selbst verwendet und dabei seine Korrosionswiderstandsfähigkeit ausgenutzt, so daß die Not-

M wendigkeit einer Schutzhülle um das elektrische Widerstandselement beseitigt ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht jedes der Tragglieder aus Platten, die senkrecht zu der

Richtung der Halogenidströmung angeordnet sind, wobei jede Platte Kanäle hat, die sich in Ausrichtung mit denen von benachbarten Platten befinden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind in jedem der Tragglieder die Wider-Standselemente auf- und abwärts durch benachbarte Kanäle geführt Diese Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht eine leichte Entfernung der einzelnen Heizelemente zur Reparatur oder zum Ersa',2, falls dies erforderlich ist

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird die Wärme zu dem gasförmigen Metallhalogenid nicht nur durch direkte Konvektion aus den Widerstandselementen, sondern auch durch einen Vorgang übertragen, der Strahlungswärme aus den Widerstandselementen umfaßt Die von jedem Widerstandselement ausgestrahlte Wärme steigert die Temperatur der Wand der Kanäle, in denen die Widerstandselemente untergebracht sind, und es ergibt sich eine Konvektion von Wärme von der Kanalwand zu dem gasförmigen Metallhalogenid. Das Ausmaß der Wärmeübertragung aus einer gegebenen Masse Platin wird hierdurch erhöht und demgemäß kann die erforderliche Gesamtmenge an Pnitin oder Platinlegierung verringert werden.

Vorzugsweise sind die Widerstandselemente so angeordnet und verbunden, daß das Ausmaß der Wärmeerzeugung je Einheit der Oberfläche der Widerstandselemente in Richtung des Halogenidstroms durch die Kanäle abnimmt

Die Abnahme (in Stromabwärtsrichtung) im Ausmaß jo der Wärmeerzeugung je Einheit der Oberfläche der Widerstandselemente führt zu einem Ausgleich mit Bezug auf die in Stromabwätsrichtung eintretende Abnahme des Kühleffektes der gasförmigen Metallhalogenide auf die Widerstandselemente. Somit kann die Temperatur der Widerstandselemente, ohne irgendwo einen gegebenen Wert zu übersteigen, auf einem höheren Durchschnittswert sein, als dies sonst der Fall wäre, und es ist auf diese Weise möglich die erforderliche Gesamtmenge an Platin oder Platinlegierung weiter zu verringern.

Eine Änderung im Ausmaß der Wärmeerzeugung je Einheit der Oberfläche der Widerstandselemente kann z. B. erreicht werden, indem man unterschiedliche Spannungen an verschiedene Widerstandselemente anlegt und/oder Widerstandselemente mit verschiedenen Widerständen verwendet. Bei Verwendung von Widerstandselementen mit verschiedenen Widerständen können die Elemente parallel miteinander geschaltet sein und sie können in Form von verschiedenen Draht- oder Bandlängen mit dem gleichen Widerstand je Längeneinheit angewendet werden.

Die Kanäle, in denen die Widerstandselemente untergebracht sind, können in einer Mehrzahl von feuerfesten nichtmetallischen Traggliedern, die in einem Schacht mit einer Innenoberfläche aus feuerfestem, nichtmetallischem Material angeordnet sind, so gebildet sein, daß die Kanäle jedes der Tragglieder in Ausrichtung mit den Kanälen von dem oder jedem benachbarten Tragglied sind.

Wenn verschiedene Widerstandselemente aus verschiedenen Längen von Draht oder Band gebildet sind, können verschiedene Tragglieder von verschiedener Länge in Richtung des Halogenidstromes sein und/oder Üie die verschiedenen Widerstandselemente bildenden μ Drähte oder Bänder können durch die Tragglieder in verschiedenen Anzahlen von Wiederholungen geführt werden.

Jedes Tragglied kann aus einer Mehrzahl von Platten gebildet sein, die so miteinander verbunden sind, daß die Ebene jeder Platte senkrecht zur Richtung der Halogenidströmung ist, wobei jede Platte mit einer Mehrzahl von öffnungen ausgebildet ist, die so angeordnet sind, daß jede öffnung in Ausrichtung mit einer öffnung von jeder benachbarten Platte vorliegt, um Kanäle zu bilden, die sich durch das Tragglied in der Richtung des Halogenidstromes erstrecken. Gegebenenfalls kann jedes Tragglied aus einer Mehrzahl von zusammengebundenen und parallel zur Richtung des Halogenidstroms liegenden Platten bestehen, bei denen die benachbarten Oberflächen der benachbarten Platten jeweils mit einer Mehrzahl von Rillen oder Auskehlungen ausgebildet sind, die so angeordnet sind, daß sie Kanäle bilden, die sich durch das Tragglied in Richtung des Halogenidstroms erstrecken.

Vorteilhaft sind sämtliche elektrischen Verbindungen zu den Widerstandselementen an den kalten stromaufwärts liegenden Enden der Leitungen ausgeführt

Die Erfindung wird nachstehend öl einem Beispiel einer Vorrichtung zum Vorerhitzen easer Mischung von Titantetrachloriddampf und Aluminiumchloriddampf von der Dampfphasenoxydation zur Herstellung von Titandioxyd mit einverleibtem Aluminiumoxyd mit Bezug aaf die Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen senkrechten axialen Schnitt durch die Vorrichtung,

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung entlang der Linie A-A der F i g. 1,

Fig.3 zeigt in schematischer Darstellung eine aufrechte Ansicht (in größerem Maßstab als in Fig.2) einer der ein Tragglied bildenden Platten,

F i g. 4 zeigt in Draufsicht (in größerem Maßstab als in F i g. 3) einen Teil der Oberseite der oberen Platte eines der Tragglieder und

F i g. 5 zeigt ein aufrechtes Schnittbild (in größerem Maßstab als in Fig.4) durch einen Teil einer oberen oder einer unteren Platte von jedem Traggüed.

Gemäß F i g. 1 weist die Vorrichtung ein zylindrisches Außengehäuse 1 auf, das aufrecht angeordnet ist. Mit Ausnahme von dessen unterem Endteil 2 ist das Außengehäuse 1 mit einer Auskleidung 3 aus einem nichtmetallischen, feuerfesten Material versehen, wobei die Innenoberfläche der Auskleidung 3 einen Schacht 4 begrenzt durch den die Mischung von Thanteirachloriddampf und Aluminiumchloriddampf, die erhitzt werden soll, nach oben geleitet werden kann.

An dem unteren Ende ist das Gehäuse 1 durch eine Platte 5 verschlossen, die einen gasdichten Abschluß mit einem ringförmigen Flansch 6, der an dem unteren Ende des Gehäuses 1 ausgebildet ist, herstellt Tragglieder 7 erstrecken sich zwischen dem Flansch 6 und dem unterer Endteil 2 der Seitenwand des Gehäuses. 1. Ein rohrförmiger Einlaß 8 erlaubt die Einführung des zu erhitzenden Dampfes oder Gases in das Innere des nicht ausgekleideten Teils 2 des Gehäuses 1 und ist außerhalb des Gehäuses mit einem Thermoelement 9 ausgestattet, um ein Messen der Temperatur des eingeführten Dampfes zu ermöglichen.

In Nähe des geschlossenen oberen Endes des Gehäuses 1 ist ein rohrförmiger Auslaß 10 vorgesehen, der zu einer in der Auskleidung 3 gebildeten Bohrung 11 koaxial ist. Das innere Ende der Bohrung 11 öffnet sich in den oberen Endteil des Schachts 4, und ein Thermoelement 12 wt vorgesehen, um ein Messen der Temperatur des erhitzten Dampfes, der aus der Bohrune herausströmt, zu ermöglichen.

Innerhalb des Schachts 4 ist eine Säule von kreisförmigen Keramikplatten im Gleitsitz angeordnet, um vier Tragglieder 13, 14, 15 und 16, jeweils eines für jedes der vier Widerstandselemente (nicht gezeigt) zu bilden. Jedes der Tragglieder 13 bis 16 ist aus unteren und oberen Endplatten 17 und einer Mehrzahl von Zwischenplatten 18 gebildet. Fünf zusätzliche Platten 18 sind vorgesehen, eine am unteren Ende der Säule, eine zwischen den Traggliedern von jedem Paar von benachbarten Traggliedern und eine an dem oberen Ende der Säule.

Die Säule von Platten 17 und 18 wird von drei Flanschen 19 getragen, die sich einwärts von dem nicht ausgekleideten Teil 2 des Gehäuses 1 unmittelbar unterhalb der Auskleidung 3 und über die Innenoberfläche der Auskleidung hinaus so erstrecken, daß sie gegen die untere Oberfläche der untersten Platte 18 anliegen.

Jede der Platten 17 und 18 ist mit einer Mehrzahl von Kanälen 20 ausgebildet, dip «ich durch sie in aufrprhter Richtung erstrecken, und die Platten sind so angeordnet, daß jeder Kanal 20 in Ausrichtung mit einem Kanal 20 in der oder in jeder angrenzenden Platte 17 oder 18 vorliegt. Auf diese Weise ist die Säule von Platten 17 und 18 von einer Mehrzahl von Kanälen durchsetzt, wobei durch jeden das zu erhitzende Halogenid von dem einen Ende des Schachts 4 bis zu dem anderen Ende strömen kann.

Damit die Platten 17 und 18 um ihre gemeinsame Achse ausgerichtet sind, daß die Kanäle 20 von benachbarten Platten in Ausrichtung miteinander sind, ist die Oberseite jeder Platte 17 oder 18 mit erhabenen Randteilen 21 ausgebildet und die untere Oberfläche ist mit entsprechenden ausgenommenen Randteilen 22 ausgebildet (Fig.3). Wenn die Platten 17 und 18 aufeinandergelegt werden, passen die erhabenen Teile

21 jeder Platte 17 oder 18 in die ausgenommenen Teile

22 der Platten 17 oder 18 unmittelbar darüber.

Die Kanäle 20 in jeder Platte 17 oder 18 sind in drei symmetrischen Anordnungen 23 so angeordnet, daß auf der oberen oder der unteren Oberfläche jeder Platte 17 oder 18 jede Anordnung 23 in Gestalt eines Rhombus, wie in F i g. 2 gezeigt, vorliegt. Die Kanäle 20 sind in Reihen angeordnet, die zu einer Seite des Rhombus parallel sind, und sind in Säulen oder Kolonnen parallel zu einer benachbarten Seite des Rhombus angeordnet.

Die Endplatten 17 unterscheiden sich von den Platten 18 lediglich darin, daß die obere Oberfläche jeder oberen Endplatte 17 und die untere Oberfläche jeder unteren Endplatte 17 mit Ausnehmungen 24 und 25, wie in den F i g. 4 und 5 gezeigt, ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 24 sind in abwechselnden Zwischenräumen zwischen den Kanälen 20 in jeder Reihe gebildet und die Ausnehmungen 25 sind in den Zwischenräumen zwischen den Endleitungen von benachbarten Reihen von Kanälen gebildet.

Jedes der Widerstandselemente ist in Form von Platinbändern 26 (vgl. Fig.S), die auf- und abwärts durch die Leitungen von jedem der Tragglieder 13 bis 16 hindurchgehen, wobei die Widerstandselemente 26 sich längs eines Kanals 20 in Richtung des Halogenidstroms und längs eines anderen Kanals in entgegengesetzter Richtung erstrecken. Die Ausnehmungen 24 und 25 in den Endplatten 17 jedes der Tragglieder 13 bis 16 nehmen das Band 26 dort auf, wo es von einem Kanal zu einem benachbarten Kanal übergeht, so daß es nicht von den Endoberflächen der Tragglieder 13 bis 16 vorstehen kann (vgl. Fig. 5). Das Band 26 weist eine vergrößerte Querschnittsfläche dort auf, wo es seitwärts von einem Kanal 20 zu einem benachbarten Kanal 20 übergeht.

ίο Hierdurch kann eine örtliche Überhitzung des Bandes vermieden werden und somit eine höhere Strombelastung mit einer entsprechenden Einsparung an Platin oder Platinlegierung ermöglicht werden. Die Kanäle 20 sind in drei getrennten Bereichen oder Anordnungen 23

ι ^r> angeordnet, um den Anschluß der Widerstandselemente für den Gebrauch mit einer Dreiphasenstromquelle zu erleichtern.

Die zwischen den Traggliedern angeordneten Platten 18 wirken als Abstandshalter. Jedes der Tragglieder 13 bis 16 ist außerdem mit einer Anzahl von anderen Kanälen 27 ausgebildet, die zwischen einer der Anordnung 23 und den Randteilen 21 und 22 der Platten 17 und 18 gebildet sind (Fig.4). Durch diese Kanäle 27 gehen Verbindungsdrähte (nicht gezeigt) von einem oder mehreren der Widerstandselemente zu einem Anschlußkasten 28, der in dem nicht ausgekleideten Teil 2 des Gehäuses I angebracht ist.

Jede Platte 17 und 18 ist mit einer Mittelbohrung ausgebitdet, und ein keramischer Stab 29 erstreckt sich durch diese Bohrungen von einem Ende der Säule zu dem anderen, wobei die Säule von Platten auf dem keramischen Stab, die in ihre richtigen relativen Lagen gebracht werden, vor dem Einsatz in die Leitung 4 zusammengesetzt wird.

J5 Die an jedes Widerstandselement angelegte Spannung wird im Hinblick auf die Erzielung einer gewünschten stufenweisen Abnahme der Wärmeerzeugung je Einheit der Oberfläche der Widerstandselemente in Richtung des Halogenidstromes so gewählt, daß die Temperaturunterschiede zwischen den verschiedenen Elementen bei der Durchführung des Halogenidstroms durch die Kanäle auf einem Minimum gehalten werden.

Die Längen der Tragglieder 13 bis 16 werden von der

Forderung bestimmt, daß sie die verbundenen Widerstandselemente mit sämtlichen der von dem Band 26 eingenommenen Leitungen tragen sollen.

Für das gesamte Band 26, das möglichst nahe bei der optimalen Temperatur gehalten werden soll, ist es

erwünscht, daß die Änderung der Temperatur des Halogenidstroms über die Länge jedes Tragglied t3 bis 16 möglichst gering ist, wobei jedoch die Verwendung einer großen Anzahl von kurzen Elementen zu einer zusätzlichen Komplexität führt; tue Verwendung von vier Elementen stellt eine Kompromißlösung dar.

Gewünschtenfalls kann die Vorrichtung so abgeändert werden, daß jede der keramischen Platten 18 durch Platten ersetzt wird, die im Aufbau den Endplatten 17 ähnlich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Röhrenförmige Vorrichtung zum Erhitzen von gasförmigen Metallhalogeniden mit einem aus nichtmetallischem feuerfesten Material ausgekleideten Schacht und elektrischen Hetzelementen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schacht (4) eine Mehrzahl von feuerfesten, nichtmetallischen Traggliedern (13 bis 16) angeordnet ist, die aufeinander ausgerichtete, in Strömungsrichtung des Halogenids liegende parallele Kanäle (20) aufweisen, in denen elektrische Widerstandselemente (26) aus Drähten oder Bändern aus Platin oder einer Legierung von Platin mit Rhodium, Ruthenium oder Iridium für das zu erhitzende Halogenid untergebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Tragglieder (13 bis 16) aus Platten (17, 18) besteht, die senkrecht zu der Richtung der Halogenidströmung angeordnet sind, wobei jede Platte (17,18) Kanäle (20) hat, die sich in Ausrichtung mit denen von benachbarten. Platten befinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Widerstandselemente (26) so geschaltet sind, daß sie eine stufenweise Abnahme der Wärmeerzeugung je Einheit der Oberfläche in Richtung des Halogenidstroms ergeben.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Tragglieder (13 bis lfe; die Widerstandselemente (26) auf- und abwärts durch benachbarte Kc.-äle (20) geführt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Draht oder <las Band (26) am Obergang von einem Kanal (20) zum nächsten in den Ausnehmungen (24, 25) eine größere Querschnittsfläche aufweist.