DE2531481A1

DE2531481A1 - Verfahren zur herstellung von hochdispersem siliciumdioxid

Info

Publication number: DE2531481A1
Application number: DE19752531481
Authority: DE
Inventors: Sergio Delfanti; Stephan M L Hamblyn; Claude R Dr Schnell; Mathias Wissler
Original assignee: Lonza AG
Current assignee: Lonza AG
Priority date: 1974-07-26
Filing date: 1975-07-15
Publication date: 1976-02-05
Also published as: FR2279666A1; GB1462579A; BE831752A

Description

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LONZA A.G., Gampel/faallis (Geschäftsleitunq; Basel)

Verfahren zur Herstellung von hochdispersem Siliciumdioxid

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochdispersem Siliciumdioxid durch Umsetzung von aus Siliciumdioxid bestehenden oder Siliciumdioxid enthaltenden Materialien mit einem Reduktionsmittel bei hohen Temperaturen unter Bildung eines Siliciummonoxid enthaltenden Gasstromes, anschliessend Abkühlung des Gasstromes in Gegenwart oxidierend wirkender Gase und Abtrennung des mit der Abkühlung entstandenen hochdispersen Siliciumdioxids vom Restgas.

Eb ist bekannt, Siliciumdioxid in fein verteilter Form herzustellen, dadurch dass man einen Strom von heissem Gas aus einem Plasmagenerator mit Siliciumdioxid in Kontakt bringt, wobei im wesentlichen das Siliciumdioxid in einem axial symmetrischen Körper eine Auskleidung bildet, die durch eine Rotation des Körpers am Ort gehalten wird und dass man das Siliciumdioxid schmilzt, verdampft und dann mit Kühlgas ab'schreckt (DOS 1940 832). _S09886/08s3 ' ' [

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Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass das aus Siliciumdioxid bestehende oder Siliciumdioxid enthaltende Material in Form grösserer Partikel durch den Gasstrom mitgerissen wird, sodass eine vollständige Verdampfung ausbleibt und dieses nicht umgesetzte Material die Qualität des gewünschten Endproduktes wesentlich beeinträchtigt. Zudem wird durch den schnellen Durchfluss durch die relativ kleine Reaktionszone die Energie nicht optimal ausgenutzt.

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Erfindungsgemäss wurde das dadurch erreicht, dass ein Strom von heissem Gas aus einem Plasmabrenner in axialer Richtung in eine hohlzylinderförmige Kammer mit an beiden Stirnseiten in der Drehachse liegenden Oeffnungen geführt wird, der hohlzylinderförmige Körper sich um seine Längsachse dreht, wodurch das am brennerseitigen Ende der sich drehenden hohlzylxnderförmigen Kammer eingeführte,aus Siliciumdioxid bestehende oder Siliciumdioxid enthaltende Material durch die Zentrifugalkraft an die inneren Kammerwände gedrückt wird, dabei an der Oberfläche in einen geschmolzenen Zustand übergeht und aus der Schmelze in dem Gasstrom verdampft und der Gasstrom nachfolgend tangential in mindestens eine weitere zylinderförmige Kammer senkrecht zu deren Längsachse einführt,so dass eine wirbelförraige Bewegung entsteht und den Gasstrom an dem der Einspeiseöffnung entgegengesetzten Ende der zylinderförraigen Kammer durch mindestens einen tangentialen Auslass aus dem Reaktor strömen lässt.

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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung von hochdispersem Siliciumdioxid durch Umsetzung von aus Siliciumdioxid bestehenden oder Siliciumdioxid enthaltenden Materialien mit einem Reduktionsmittel bei hohen Temperaturen unter Bildung eines Siliciummonoxid enthaltenden Gasstromes, anschlies sende Abkühlung des Gasstromes in Gegenwart oxidierend wirkender Gase und Abtrennung des mit der Abkühlung entstandenen hochdispersen Siliciumdioxides vom Restgas, gekennzeichnet durch einen Plasmabrenner, eine hohlzylinderförmige Kammer mit an beiden Stirnseiten in der Drehachse liegenden Oeffnungen, wobei der'hohlzylinderförmige Körper um seine Längsachse drehbar ist und der Plasmabrenner so angeordnet ist, dass der Strom heissen Gases in axialer Richtung durch die hohlzylinderförmige Kammer strömt, und mindestens einer weiteren hohlzylxnderförmigen Kammer senkrecht zur Drehachse der ersten Kammer mit einer tangentialen Einspeiseöffnung und mindestens einer am der Einspeiseöffnung entgegengesetzten Ende angebrachten tangentialen Auslassöffnung.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert: Die Oeffnung 16 dient als Eintritt für den Strom heissen Gases, stammend aus einem Plasmabrenner, in den Reaktor. Als Plasmabrenner kommen die bekannten Konstruktionen, beispielsweise wie in der schweizerischen Patentschrift 494.517 in Frage, vorzugsweise wird ein alkoholstabilisierter Brenner angewendet.

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Der erste Abschnitt des Reaktors liegt zweckmässig horizontal und ist so eingerichtet, dass der Strahl heissen Gases aus dem Brenner in axialer Richtung an der einen Stirnseite 1 in die hohlzy linder förmige Kammer ..2, eintritt. Der Teil 3" ist drehbar und in den Lagern ,4, abgestützt. Die drehbare Einheit wird durch Kühlrohre 5 oder Sprühvorrichtung 6 durch ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser , gekühlt. Der Auslass 7 befindet sich an der dem Einlass gegenüberliegenden Stirnseite. An dem ersten Reaktorabschnitt ist der zweite Reaktorabschnitt angeflanscht. Der zweite Reaktorabschnitt ,8 besteht ebenfalls· aus einer zylinderförmigen Kammer $., deren Seitenwände 10 aus Quarz bestehen. Die Quarzschicht wird durch einen wassergekühlten Metallmantel 11 , der mit Stützrillen 12 versehen ist, gehalten. Die Isolationswirkung des Quarzes wird dadurch erhöht, dass zwischen Metallmantel 111 und Quarzschicht 10, eine gut isolierende Schicht 13 feinteiliges Siliciumoxid eingebaut wird. Der Einlass 14 des zweiten Reaktorabschnittes ist zweckmässig tangential am einen Ende der Längsseite der Kammer 9, angebracht. Der Auslass '15 befindet sich zweckmässig an dem dem Einlass gegenüberliegenden Ende der Längsseite der Kammer, tangential in Strömungsrichtung.

Der Auslass kann über oder unter dem Einlass angeordnet werden. Zweckmässig wird die zweite Reaktionskammer in vertikaler Stellung angebracht, wobei der Einlass im Bereich des oberen, der Auslass im Bereich des unteren Endes der Längsseite der Kammer angebracht ist.

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Bei der Ausübung des Verfahrens wird der Strom heissen Gases aus dem Plasmabrenner durch die Oeffnung 16 in den ersten Reaktorabschnitt geführt. Durch eine Zuleitung 17 kann gleichzeitig kontinuierlich ein Reduktionsmittel in Gasform oder fest in Pulverform beigemischt werden. Das aus Siliciumdioxid bestehende oder Siliciumdioxid enthaltende, vorzugsweise pulverförmige Material wird über die Zuleitung ,18, in den ersten Reaktorabschnitt eingebracht. Pulverförmiges Reduktionsmittel kann auch direkt dem Siliciumdioxid beigemischt sein. Die hohlzylxnderförmige Kammer 2 dreht sich mit einer mindestens so hohen Drehzahl, dass das eingebrachte pulverförmige Material durch die Zentrifugalkraft an den Wänden gehalten wird. Es ist vorteilhaft, wenn sich stets soviel siliciumdioxidhaltiges Material im Reaktorinnern befindet, dass sich im Kammerinnern eine Schicht aus dem aus Siliciumdioxid bestehenden oder Siliciumdioxid enthaltenden Material ausbildet.

Unter dem Einfluss des heissen Gasstromes schmilzt das Siliciumdioxid in der dem Gasstrom zugewandten, innern Schicht, verdampft und der mit dem gasförmigen Siliciummonoxid beladene Gasstrom wird tangential mit solcher Geschwindigkeit in den zweiten Reaktorabschnitt eingeführt, dass eine wirbeiförmige Bewegung entsteht. Zusätzlich kann dem Gasstrom im zweiten Reaktorabschnitt noch weiteres Reduktionsmittel über Zuleitung 19, zugeführt werden.

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Das Siliciumdioxid wird durch das Reduktionsmittel im ersten Reaktorabschnitt zum Siliciununonoxid reduziert und verdampft, Durch die grosse Strömungsgeschwindigkeit des heissen Gases werden aber laufend grössere Siliciumdioxidpartikel im Gasstrom mitgerissen/ die im ersten Reaktxonsabschnitt nicht vollständig zu Siliciummonoxid umgesetzt wurden. Im zweiten Reaktorabschnitt erfolgt schliesslich eine vollständige Umsetzung allen Siliciumdioxids.

Das Siliciummonoxid wird vom Gasstrom schliesslich aus dem Reaktor ausgetragen und auf eine an sich bekannte Weise der Rückoxidierung zugeführt.

Beispiel 1

Mit Hilfe eines Plasmabrenners, wie z.B. in der schweizerischen Patentschrift 494.517 beschrieben, der ein Kohlenwasserstoffplasma erzeugt, wurden 20 kg/h Quarzsand in der folgenden Apparatur reduziert und verdampft und anschliessend wieder oxidiert, so dass ein submikrones SiO_ entsteht: Die heissen Plasmagase, welche bei einer Leistung von 200 kW erzeugt werden, treten durch die Oeffnung 0.6) in den mit 700 Upm rotierenden Reaktor ein. Parallel zum Plasmastrahl wird, durch eine se-

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parate Oeffnung (17) bzw. (18), 3,2 Nm³/h CH₄ bzw. 20 Quarzsand mit 99,7 % Reinheit und einer Korngrösse von 0,1 - 0,3 mm eingespiesen. Der grösste Teil des Quarzsandes gerät in die rotierende Quarzschmelze, welche den Hohlraum I2 umgibt. Von der Oberfläche der rotierenden Quarzschmelze wird laufend SiO_ reduziert und verdampft nach der Gasflüssig-Reaktion:

SiO₂₍₁₎ + CH_4(g) *SiO_(g) + C0_(g) + 2H_2(g)

Ankommendes und verdampfendes SiO_ stehen im Gleichgewicht,so dass sich keine Querschnittsänderung des Hohlraumes 2 ergibt.

Der restliche Quarzsand, welcher nicht an die Wand gelangt, verlässt den rotierenden Reaktor geschmolzen aber unreagiert und gelangt in den Wirbelreaktor 8 . In dieser Zone wird der geschmolzene Quarzsand wegen der radialen Beschleunigung des Wirbels an die Wand geschleudert, wo der Sand auf eine von aussen gekühlte Quarzschicht 10 trifft. Durch die heissen Plasmagase, welchen im Wirbelreaktor nochmals 3,2 Nm /h CH. zugeführt werden, wird die innere Oberfläche der Quarzschicht laufend reduziert und verdampft,so dass die Quarzschicht eine konstante Wandstärke beibehält. Wegen der Kühlung von aussen, welche eine starke Viskositätssteigerung des SiO₅ bewirkt und wegen der Stützrillen 12. läuft die Quarzschicht 10 nicht ab.

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Der Gasstrom, welcher neben den Plasmagasen H₂ und CO nur noch SiO enthält, verlässt den Wirbelreaktor und wird am Austritt mit 100 kg/h Wasserdampf oxidiert und abgeschreckt. Das so erhaltene submikrone SiO₂ weist eine spezifische Ober-

fläche von 200 m /g auf, sowie eine aktive Oberfläche, was in der Verdxckungswxrkung des SiO„ in unpolaren organischen Dispergierungsmitteln zum Ausdruck kommt.

Beispiel 2

Wie im Beispiel 1 beschrieben, wurden mit Hilfe eines 200 kW Kohlenwasserstoff-Plasmabrenners 20 kg/h Quarzsand in der obenerwähnten Apparatur reduziert und verdampft und anschliessend wieder oxidiert.

In diesem Beispiel wurde als Reduktionsmittel auf 0,1 - 0,3 mm gemahlener Koks gebraucht. Die 20 kg/h Quarzsand und 4 kg/h Koks werden separat durch eine Oeffnung * 18 bzw. 17; in den rotierenden Reaktor eingespeist. Der grösste Teil des Quarzsandes und des Koks gerät in die rotierende Quarzschmelze, in welcher sich eine Gleichgewichtskonzentration von Koks in Quarzschmelze einstellt. Von der Oberfläche der rotierenden Schmelze wird laufend Siliciummonoxid erzeugt nach der Reduktion:

^Si02(l) ^{+ C}(s) ► ^Si0(g) ^{+ C0}(g)

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Ankommender Sand und Koks und verdampfendes SiO und CO stehen im Gleichgewicht.

Der restliche Quarzsand und Koks, welche nicht an die Wand gelangen, verlassen den rotierenden Reaktor und gelangen in den Wirbelreaktor. Der geschmolzene Sand und der Koks gelangen wegen der Radialbeschleunigung des Wirbels an die von aussen gekühlte Quarz/Koks-Wand. In diese Zone läuft die Bildungsreaktion des gasförmigen Siliciummonoxides weiter ab, so dass ankommendes und reagiertes Gut im Gleichgewicht stehen. Die nun folgende Abschreckung entspricht derjenigen von Beispiel 1, Das so erhaltene submikrone SiO₂ entspricht in seinen Eigenschaften demjenigen von Beispiel 1.

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Claims

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-ΙΟ-

Patentansprüche .

Verfahren zur Herstellung von hochdispersem Siliciumdioxid durch Umsetzung von aus Siliciumdioxid bestehenden oder Siliciumdioxid enthaltenden Materialien mit einem Reduktionsmittel bei hohen Temperaturen unter Bildung eines Siliciummonoxid enthaltenden Gasstromes, anschliessende Abkühlung des Gasstromes in Gegenwart oxidierend wirkender Gase und Abtrennung des mit der Abkühlung entstandenen, hochdispersen Siliciumdioxides vom Restgas, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom von heissem Gas aus einem Plasmabrenner in axialer Richtung in eine hohlzylinderförmige Kammer/mit an beiden Stirnseiten in der Dreh-

(16)
achse liege:«üen Oeffnungen/geführt wird, der hohlzylinderförmige

Körper sich um seine Längsachse dreht, wodurch das am brenner-

(1)
seitigen Ende/der sich drehenden, hohlzylinderförmigen Kammer (2) eingeführte aus Siliciumdioxid bestehende oder Siliciumdioxid enthaltende Material durch die Zentrifugalkraft an die inner en Kammerwände gedrückt wird, dabei in einen geschmolzenen Zustand übergeht und aus der. Schmelze in dem Gasstrom verdampft und der Gasstrom nachfolgend tangential in mindestens eine

(9)

weitere hohlzylinderförmige Kammer/senkrecht zu deren Längsachse eingeführt wird, so dass eine wirbeiförmige Bewegung ent-

, C14)

steht und den Gasstrom an dem der Einspeiseöffnung/entgegengesetzten Ende der zylinderförmigen Kammer durch mindestens einen

(15)

tangentialen Auslass/aus dem Reaktor strömen lässt.

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'J Vorrichtung zur Herstellung von hochdispersem Siliciumdioxid durch Umsetzung von aus Siliciumdioxid bestehenden oder Siliciumdioxid enthaltenden Materialien mit einem Reduktionsmittel bei hohen Temperaturen unter Bildung eines Siliciummonoxid enthaltenden Gasstromes, anschliessende Abkühlung des Gasstromes in Gegenwart oxidierend wirkender Gase und Abtrennung des mit der Abkühlung entstandenen hochdispersen Siliciumdioxides vom Restgas, gekennzeichnet durch einen Plasmabrenner,

(2)
eine hohlzylinderförmige Kammer/mit an beiden Stirnseiten in

(16) der Drehachse liegenden Oeffnungen/ wobei der hohlzylinderförmige Körper um seine Längsachse drehbar ist und der Plasmabrenner so angeordnet ist, dass der otrom heissen Gases in axialer Richtung durch die hohlzylinderförmige Kammer strömt, und mindestens einer weiteren hohlzylinderförmigen Kammer (9)

(2) senkrecht zur Drehachse der ersten Kammer/mit einer tangen-

(14)

tialen Einspeiseöffnung /and mindestens einer am der Einspeiseöffnung entgegengesetzten Ende angebrächten tangentialen Auslassöffnung. (15).

Patent anwalt:

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