DE2051218A1 - Plasmabrenner - Google Patents

Description

! Γ.ΛΝ'¹" '" '

11 431/2 30/h

UNITED STATES BORAX AND CHEMICAL CORPORATION, 3075 Wilshire Boulevard, Los Angeles, Kalifornien, USA

Plasmabrenner

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Durchführung einer chemischen Reaktion bei hoher Temperatur, nämlich einen Plasmabrenner mit einem Rohr aus hitzebeständigem Werkstoff, z.B. Quarz, welcher stromauf gegenüber einer Aufheizeinrichtung für durch das Rohr zum Zwecke der Ionisation strömendes Gas einen Gaseinlass und stromab gegenüber der Aufheizeinrichtung eine Reaktionsmittelzufuhr aufweist.

In der britischen Patentanmeldung Nr. 30 545/67 ist ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion bei hoher Temperatur, z.B. zwischen Bortrichlorid und Wasserstoff zur Erzeugung fein verteilten elementaren Bors, beschrieben, bei dsm ein gasförmiges Reaktionsmittel durch Induktionsheizung zur Bildung eines Plasmas ionisiert und ein anderer im allgemeinen ebenfalls gasförmiger Reaktionspartner dem Plasma während des Ablaufs dieser Reaktion zugeführt wird. In dieser Anmeldung wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, die im wesentlichen aus einem von einer Induktionsspule umgebenen Quarzrohr besteht, welches stromauf gegenüber der Spule einen Einlass für das zu ionisierende Gas und stromab gegenüber der Spule eine Anzahl von rohrför-

109818/U31

migen Quarzeinlässen aufweist, durch die der zweite Reaktionspartner in das Plasma eingeführt wird.

In der britischen Patentanmeldung Nr. 60 I64/68 ist ein gegenüber der Vorrichtung nach der älteren Anmeldung verbessertes Gerät beschrieben, welches mit einer Hülle versehen ist, durch die ein flüssiges Kühlmittel strömen kann.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, dieseVorrichtung zur Durchführung des oben erwähnten Verfahrens weiter zu verbessern. Zu diesem Zweck wird bei einem Plasmabrenner der eingangs erwähnten Ausbildung vorgeschlagen, dass der Gaseinlass einen abnehmbaren Einlasskopf sowie die Reaktionsmittelzufuhr ein abnehmbares Zuführstück aufweist, und dass der Einlasskopf und das Zuführstück aus gegenüber Quarz widerstandsfähigerem Werkstoff bestehen. Auf diese Weise wird erreicht, dass im Falle der Beschädigung der Zuführrohre für das das Plasma bildende Gas oder das Reaktionsmittel zum Reaktionsrohr diese einfacher und schneller ersetzt werden können. Die Verwendung von abnehmbaren Teilen erleichtert dabei den Zugang zum Reaktionsrohr bei der Reinigung.

Vorzugsweise bestehen Einlasskopf und Zuführstück aus spanabhebend bearbeitbarem Werkstoff, wobei es sun - falls die Aufheizeinrichtung für das Gas, wie bevorzugt der Fall sein wird, eine Induktionsspule ist - um ein nicht ferromagnetisches Material handeln sollte. Dadurch wird verhindert, dass das Material durch elektromagnetische Induktion aufgeheizt wird. Bevorzugt wird für den Einlasskopf und das Zuführstück Messing verwendet. Die spanabhebende Bearbeitbar-

109818/U31

keit und mechanische Widerstandfähigkeit des Einlasskopfes und Zuführstückes vereinfacht deren Herstellung und verlängert deren Lebensdauer gegenüber Einlass- und Zuführstücken aus Quarz,die äusserst zerbrechlich und kompliziert anzufertigen sind.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung, d.h. der Plasmabrenner, v/eist als voneinander getrennte Teile den Einlasskopf, ein Quarzreaktionsrohr und das Zuführstück für das Reaktionsmittel auf.

Das Einlassstück ist zweckmässigerweise ein zylindrischer Kopf aus robustem, paramagnetischem Werkstoff, z.B. Messing, welcher etwa den gleichen radialen Queerschnitt wie das Reaktionsrohr aufweist, an einem Ende durch eine mit ihm einstückige Kappe verschlossen und zur Bildung wenigstens einer tangentialen Einlassöffnung für das Gas durchbohrt ist. Sein offenes Ende kann dann durch Anwendung entsprechenden Druckes abdichten!auf das stromauf gelegene Ende des Reaktionsrohres , beispielsweise unter Verwendung eines kompressiblen Dichtgliedes, angedrückt werden. Der Kopf kann einen mit ihm einstückigen Kühlmantel aufweisen.

Das Zuführstück wird vorteilhafterweise von einem ringförmigen Element aus robustem, paramagnetischem Werkstoff, z.B. Messing, gebildet und weist einen inneren etwa dem radialen Queerschnitt des Reaktionsrohres entsprechendem Querschnitt auf. Auch das Zuführstück kann unter Druck abdichtend an das offene, stromab gelegene Ende des Reaktionsrohres angepresst werden. Dieses ringförmige Element ist durchbohrt, um wenigstens eine Einlassöffnung für Reaktionsmittel zu schaffen. Vorzugsweise weist es eine Reihe derartiger Ein-

1 0 9 8 1 8 / 1 /₄ 3 ^

lassöffnungen auf, welche über den Umfang verteilt und radial nach innen ausgerichtet sind. Es können auch mehr als ein derartiges ringförmiges Element zur Zufuhr verschiedener Reaktionsmittel vorgesehen sein. Das bzw. jedes ringförmige Element kann Kanäle für Kühlmittel, entweder infolge des Vorhandenseins eines Kühlmantels oder, was zu bevorzugen ist, infolge der Anbringung von Kühlmittelkanälen im massiven Werkstoff, aus dem das ringförmige Element gebildet ist, aufweisen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 .einen Längsschnitt durch einen Plasmabrenner, wobei dje Einzelteile in voneinander gelöster Stellung dargestellt sind;

Figur 2 einen Queerschnitt durch den Einlasskopf nach Linie H-II in Figur 1;

Figur 3 eine Draufsicht, stromab gesehen, der ersten Grundplatte und

Figur 4 eine Draufsicht entsprechend Figur 3 auf die zweite Grundplatte;

Figur 1 zeigt ein zylindrisches Quarzreaktionsrohr 10 , welches von einer zylindristten Quarzhülse 11 umgeben ist, welche mit

10 9818/U31

dem Reaktionsrohr 10 mittels eines Flansches 12 verbunden ist, ■welchersich vom stromab angeordneten Ende des Reaktionsrohres 10 radial auswärts erstreckt. Zwischen das Reaktionsrohr 10 und die Hülse 11 ist eine zylindrische Quarztrennwand 13 eingesetz, die sich stromauf bis über die Hülse 11 und stromab etwa bis zum Flansch 12 erstreckt. Die Trennwand 13 ist über ihren Umfang mit dem Reaktionsrohr 10 an dessen stromauf gelegenen Ende 14 verbunden. Die Hülse 11 ist über den Umfang mit der Trennwand 13 an ihrem oberen Ende 15 verbunden. Die Hülse 11 hat nahe ihrem stromauf gelegenen Ende eine Leitung 16 für die Zufuhr von Kühlwasser zum Kühlkanal 17, der zwischen der Hülse 11 und der Trennwand 13 gebildet ist. Ausserdem hat die Trennwand 13 nahe ihrem stromauf gelegenen Ende einen Stutzen 18 zum Austritt des Kühlwassers aus einem Kühlkanal 17A zwischen der Trennwand 13 und dem Reaktionsrohr 10, wobei die beiden Kühlkanäle 17, 17A an ihren stromab gelegenen Enden miteinander in Verbindung stehen. Die Röhrenanordnung aus Reaktionsrohr 10, Trennwand 13 und Hülse 11 ist von einer mit Radiofrequenz arbeitenden Induktionsspule 19 umgeben. Während des Betriebs ist die Spule 19 in einem nicht dargestellten Gestell befestigt und die Röhrenanordnung kann in die Spule eingeschoben oder aus dieser je na.ch Bedarf entnommen werden.

Ein Gaseinlasskopf, welcher insgesamt mit 20 bezeichnet ist, ist derart ausgebildet, dass er auf das stromauf gelegene Ende 14 des Reaktionsrohres 10 passt. Ein inneres, zylindrisches Messingteil 21 des Kopfes 20 mit etwa dem gleichen Durchmesser wie das Rohr weist einen Flansch 22 auf, der sich an dessen stromab gelegenen Ende radial nach aussen erstreckt, sowie eine Messingscheibe 23,

1 0 9 8 1 8 / U 3 1

die sein stromauf gelegenes Ende verschliesst.Vier G.aseinlassöffnungen 24, die von der Messingscheibe 23 gleichweit entfernt und in gleichem Winkelabstand über den Umfang des inneren Teils 21' verteilt sind, sind an dem inneren Teil 21 vorgesehen. Die Einlassöffnungen 24 sind so ausgerichtet, dass sie Gas etwa tangential ins Innere des Kopfes 20 einströmen lassen. Rund um das stromauf gelegene Ende des inneren Teils 21 ist unterhalb der Einlassöffnungen 24 ein Flansch 25 vorgesehen, welcher sich von dem inneren ^ Teil 21 radial nach aussen erstreckt und stromauf gegenüber der Messingscheibe 23 umgebogen ist. Die Aussenflache 26 des umgebogenen Teils des Flansches 25 ist mit einem Gewinde versehen, welches mit einer Messingkappe 27 zusammenwirkt, die zur Aufnahme einer mittig angeordneten Leitung 28 für Gas durchbrochen ist und welche zusammen mit dem inneren Teil 21, der Scheibe 23 und dem Flansch 25 einen Verteiler 29 bildet.

Eine zylindrische Messinghülse 30 ist an die Flansche 22 und 25 angelötet bzw. angeschweisst und weist stromab eine Einlassöffnung ™ 31 und stromauf eine Auslassöffnung 32 für Kühlwasser auf.

Eine insgesamt mit 33 bezeichnete und im einzelnen in den Figuren 3 und 4 gezeigte Sockelanordnung dient zur Lagerung des stromab gelegenen Endes des Reaktionsrohres 10. Eine ringförmige Messinggrundplatte 34, welche an ihrer stromauf gelegenen Oberfläche eine zentrische Ausnehmung 35 zur Bildung einer konzentrischen, ringförmigen Haltefläche für die Rohranordnung aufweist, trägt eine konzentrische, kreisförmige Verteilerkammer 36. Die Verteilerkammer 36 steht mit dem Bereich ausserhalb der Grundplatte 34

10981H/U31

UvX¹ a ν; ei diametral gegenüberliegend angesetzte Gaseinlässe 37 und mit einem inneren Kanal 38, welcher mit dem Inneren des Rohres IG fluchtet, über acht Durchlässe 39 in Verbindung, welche im gleichen Winkelabstand um den inneren Umfang der V-rteilerkammer 36 angeordnet sind und sich von dieser weg radial nach innen erstrecken. Die Durchlässe sind abgewinkelt, so dass sie in den Kanal 35 am Austrittsende 40 unter einem Winkel gegenüber der Achse des Rohres zum Kopf gerichtet austreten. Sie können jedoch auch in eine Richtung ausgerichtet sein. Die Grundplatte 34 weist ausserdem stromauf eine konzentrische, ringförmige Leitung 4I auf, in welche ein Einlasskanal 42 und ein diametral gegenüberliegend angeordneter Auslasskanal 43 münden. Die Leitung 4I wird als Kühlkanal verwendet. Zusätzliche Einlasse 37A können mit jedem der acht Durchlässe 39 fluchtend angeordnet sein, um so einen Zugang zu diesen zu ermöglichen. Diese Einlasse 37A sind natürlich während des Betriebs des Brenners verschlossen.

Die Grundplatte 34 ruht ihrerseits auf einer zweiten, ringförmigen Messinggrundplatte 44, welche stromab eine konzentrische, kreisförmige Verteilerkanimer 45 aufweist, die mit zwei diametral gegenüberliegenden, sekundären Gaseinlassstutzen 46 in Verbindung steht und in.eine zentrische, ringförmige Öffnung 47 über acht Durchlässe 48 mündet, welche im gleichen Winkelabstand über den inneren Vmfang der Verteilerkammer 45 verteilt sind und sich von der Verteilerkammer 45 aus radial nach innen erstrecken, wobei die Durchlässe 48 derart abgebogen sind, dass sie in die Öffnung 47 am Austrittsende 49 in Richtung auf; den Kopf und unter einem Winkd gegenüber der Rohrachse einmünden. Die zweite Grundplatte 44 weist

109818/U31

ausserdem vier Zuführrohre 50 für feste Substanz auf, von denen jedes von dem Aussenumfang der Grundplatte 44 zur zentrischen Öffnung 47 führt, und die gleichwinkelig über den Umfang der ringförmigen, zentrischen Öffnung verteilt sind.

Zum Zusammenbau der Vorrichtung nach der Erfindung wird die ringförmige Grundplatte 34 gegen den Grundplattenring 44 in der Stellung gemäss Fig. 1 unter Zwischenlegung der Dichtung 51 gedrückt, während der Ring 44 mit einer Leitung zum Austrag und zur Reinigung des Gases fluchtet. Das Rohr 10 mit den zugehörigen Wassermänteln wird in ähnlicher Weise gegen die ringförmige Sockelanordnung 33 gedrückt und greift dabei in die Ausnehmung 35 ein, wobei es durch die Dichtung 52 im Abstand von dem Sockel 33 gehalten ist. Der Kopf 20 wird in der in Fig. 1 gezeigten Stellung gegen das stromauf gelegene Ende des Rohres 10 gedrückt, wobei eine gasdichte Ferbindung durch die Zwischenlegung des 0-Ringes 53 erfolgt, Die zusammengebaute Vorrichtung wird mittels Klammern, die den Kopf 20 gegen den Grundplattenring 44 drücken in der Gebrauchsstellung gehalten und mit einem stromab vorgesehenen Rohr verbunden, welches aus Glas bestehen kann und eine Reaktionszone bildet sowie zur Abführung des Erzeugnisses dient.

Beim Gebrauch der Vorrichtung, d.h. des Plasmabrenners, wird das zu ionisierende Gas, beispielsweise ein Argon-Wasserstoff-Gemisch, über die Einlassleitung 28 in den Kopf 20 eingeführt, worauf es das Rohr 10 durchsetzt und zur Bildung eines Plasmas ionisiert wird, wenn es das Rohr 10 innerhalb der Hochfrequenzspule 19 durchsetzt. Ein Reaktionsmittel, dessen Reaktion mit dem Plasma hervor-

10 9 818/1431

gerufen werden soll, wird am stromab gelegenen Ende dem Plasma über eine oder beide Ringgrundplatten 34, 44 zugeführt. Beispielsweise kann Bοrtrichloridgas durch den Einlass 37 oder den Einlassstutzen 46 zugeführt werden. Falls es erwünscht ist, eine Reaktion mit einem festen Reaktionspartner hervorzurufen, so wird dieser zweckmässigerweise durch das Einlassrohr bzw. die Einlassrohre 50 eingebracht. Es kann beispielsweise elementares Kobalt durch Einblasen von Kobaltchlorid (III) als festes, in Argongas suspendiertes Pulver in einem V/asserst off plasma erzeugt werden. Der Ablauf eines chemischen Prozesses in einer Vorrichtung der beschriebenen Ausbildung ist im einzelnen in der britischen Patentanmeldung Nr. 30 545/67 beschrieben.

Während des Betriebs wird die Vorrichtung infolge des Durchströmens eines Kühlmittels,z.3. V/assers, durch Kühlkanäle 32, 18 oder 41 gekühlt. Das Reaktionsprodukt kann sich an den Wänden der Vorrichtung als feines Pulver absetzen oder kann durch Gase, die nicht an der Reaktion teilgenommen haben, aus der Vorrichtung in die Abführleitung und von dort zu einer Abtrenneinrichtung, beispielsweise einem Beutelfilter, mitgeführt werden, nach welchem die Gase ausgewaschen werden. Da sie aus mehreren voneinander lösbaren Teilen besteht, kann die Vorrichtung leicht auseinandergenommen und so das abgelagerte pulvrige Erzeugnis entfernt und die Reinigung vorgenommen werden. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist insbesondere mechanisch widerstandsfähiger als Quarz, so daß ix geringerem Umfang die Gefahr der Beschädigung der Kühlröhren oder der Zuführeinrichtungen für das Reaktionsmittel besteht. Falls jedoch eine Beschädigung eintreten sollte, kann das beschädigte, abnehmbare Teil ersetzt werden, ohne dass es erforderlich wäre, die ge-

109818/U31

- ίο -

samte Vorrichtung zu erneuern.

Feste und nicht flüchtige Substanzen können in gleicher Weise zur Reaktion in einem Trägergasstrom eingebracht werden. Die Teilchengrüsse solcher fe'ster Substanzen ist nicht kritisch. Es ist jedoch ein niedriger Bereich der Teilchengrösse wünschenswert·, so dass sich eine gleichmässige Aufheizung ergibt.

109818/U31

Claims (13)

1. - Ii -

   Patent- (Schutz-) Ansprüche

   .y?iasniabi*enr.cr ...it einem Rohr aus hitzebeständigem Werkstoff, 2.B. Quarz, v;elcher stromauf gegenüber einer Auf heizeinrichtung für durch das Rohr zum Zwecke der Ionisation strömendes Gas einen Gaseinlass und stromab gegenüber der Auf hei.:. einrichtung eine Eeaktior.smittelzufuhr aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass der Gaseinlass einen abnehmbaren Einlasskopf (20) sowie die Reaktionsmittelzufuhr ein abnehmbares Zuführstück (33) aufweist, und dass der Einlasskopf und das Zuführstück aus gegenüber Quarz widerstandsfähigerem Werkstoff bestehen.
2. 2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, der Biniasskopf (20) und das Zuführstück (33) aus spanabhebend bearbeit/barem VJe rl·: s ν off best-ehen.
3. 3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 und 2, dadur:h gekennzeichnet,

   dass der Einlasskopf (20) und das Zuführstück (33) aus Messing ^ bestehen.
4. 4. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekenn- · zeichnet, dass das Zuführstück (33) einen oder mehrere Ringe

   (34) aufweist, welche einen ringförmigen inneren Kanal (36), wenigstens einen Einlass (37) von ausserhalb des Ringes zum Kanal und eine oder mehrere Auslässe (39, 40 )von dem Kanal zum Inneren des Ringes haben.

   10981R/U31 BAD ORIGINAL
5. 5. Plasmabrenner nach Anspruch I₊, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsenden (40) der Auslässe (39) gegenüber der Achse des Ringes (34, 44) geneigt-verlaufen.
6. 6. Plasmabrenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsenden,(40) der Auslässe (39) in Richtung auf den Einlasskopf (20) verlaufen.
7. 7. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn-™ zeichnet, dass er zwei oder mehrere Auslässe (39,40) aufweist, welche gleichwinkelig rund um den Ring (34, 44 ) verteilt cind.
8. 8. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (34) einen inneren ringförmigen Kühlkanal (41) nahe dem Brenner aufweist.
9. 9. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn-' zeichnet, dass das Zuführstück O3)^e;üien oder mehrere radial ausgerichtete Einlasse (50) von ausserhalb zum Inneren des Zuführstückes aufweist.
10. 10.Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vier in gleichem Winkel abstand angeordnete Einlasse (50)vorgesehen sind.
11. 11.Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskopf (20) ein etwa zylindrisches Teil (21) aufweist, welches am stromauf gelegenen Ende (23) verschlos-

    1 0 9 8 1 ft / 1 /< 3 ι _BAD original

    sen ist, -wobei das Teil 'wenigstens eine tangential ausgerichtete-Einlassöffnung zu seinem Inneren aufweist.
12. 12. Plasmabrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an den zylindrischen Teil (23 vier im gleichen Winkelabstand
    angeordnete Einlassöffnungen (24) vorgesehen sind.
13. 13. Plasmabrenner nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, neö, dass die oder, jeds Einlassöffnung (24) mit einer Kammer (29) in Verbindung steht, die von dem verschlossenen Ende-(23) des zylindrischen Teils (21) und einer das verschlossene Ende umgebenden Kappe (27) begrenzt ist.

    Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Teil (21) wenigstens teilweise von einem Kühlmantel (30) umgeben .bt.

    1 0 9 3 1 fl / 1 /, 3

    Leerseite