DE2813085C2

DE2813085C2 - Verfahren zur Herstellung von Decaboran durch Pyrolyse von Diboran und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2813085C2
Application number: DE19782813085
Authority: DE
Inventors: William J. Butler Pa. Cooper
Original assignee: Mine Safety Appliances Co
Current assignee: MSA Safety Inc
Priority date: 1977-08-03
Filing date: 1978-03-25
Publication date: 1984-01-12
Also published as: GB1592138A; DE2813085A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pyrolytischen Umwandlung von Diboran in Decaboran und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Die Herstellung von Decaboran BmHu (Im folgenden auch kurz als B₁₀ bezeichnet) durch Pyrolyse von Diboran B₂H₆ (Im folgenden auch kurz als B₂ bezeichnet) ist allgemein bekannt. Decaboran kann In vieler Weise verwendet werden, beispielsweise als Härtungsmittel bei der Vulkanisierung von Gummi. Die Pyrolyse des Dlborans konnte bisher jedoch noch nicht so durchgeführt werden, daß Decaboran in kommerziell verwertbaren Mengen erhalten wurde.
Bei der pyrolytischen Umwandlung von Diboran zu Decaboran bei hohen Temperaturen beobachtet man gewöhnlich die Bildung von unerwünschtem polymeren Borhydrid (BH)_x. Obwohl Decaboran selbst bei den hohen Pyrolysetemperaturen thermisch stabil ist, reagiert es bei den hohen Pyrolysetemperaturen In zunehmendem Maße mit dem in der Reaktionsmischung befindlichen Diboran und anderen Borhydriden. Das hat zur Folge, daß eine Temperaturerhöhung zur Erhöhung der Umwandlungsrate von Diboran in Decaboran gleichzeitig eine erhöhte Bildung von polymerem Borhydrid als Folge der höheren Decaboranreaktivität bewirkt.

Die Pyrolyse von Diboran wird daher so durchgeführt, daß man zur Verminderung der Bildung von polymerem Borhycirid das Decaboran schnell aus der heißen Reaktionszone entfernt und abkühlt.

Derartige Verfahren sind aus der FR-PS 12 41 865, der US-PS 30 78 530, der US-PS 31 56 530 öfter aus Ind. Eng. Chem. !964, Seiten 234 bis 238 bekannt. Während in der FR-PS 12 41865 die Produkte in üblichen Kühlfallen ausgefroren werden, arbeitet man gemäß der US-PS 30 78 530 zur gleichzeitigen Gewinnung von Peniaboran und Decaboran so, daß man das durch die Pyrolysevorrichtung gepumpte Pyrolysegas in einem Sprühturm durch eine eingesprühte kalte Flüssigkeit schnell abkühlt. Nach Abtrennung der Reaktionsprodukte werden die restlichen Gase gereinigt und teilweise aufgetrennt und dann in die Pyrolyse zurückgeführt. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und erfordert eine Vielzahl von Pumpenventilen und Behältern, die angesichts der Brennbarkeit der Ausgangsstoffe und der Produkte bei deren Kontakt mit Luft und deren Giftigkeit ein Sicherheitsrisiko bedeuten und die außerdem das erhaltene Produkt verteuern.

Das Verfahren gemäß US-PS 31 56 530 wird i ι einem Reaktor durchgeführt, bei dem die heißen und kalten Flächen beispielsweise In Form konzentrischer Rohre eng benachbart sind.

Obwohl bei diesem Verfahren gute Decaboran-Ausbeuten über 75% erzielt werden, erwies es sich als schwierig, das gebildete Decaboran aus einer solchen Vorrichtung als Produkt zu gewinnen. Wegen des erforderlichen geringen Abstands der heißen und kalten Flächen war es auch schwierig, eine derartige Vorrichtung in Abmessungen zu bauen, die eine kommerzielle Verwertung gestatten.

Aus der Zeitschrift Ind. Eng. Chem. 1964, Seite 234 bis 238 ist ebenfalls ein Verfahren bekannt, bei welchem das Diboran in einem rohrförmigen Reaktor auf hohe Temperaluren zwischen 150 und 280 C erhitzt wird und die Pyrolyseprodukte üecaboran. Wasserstoffgas, PoIyborhydride und nicht umgesetztes Diboran rasch in einen nachgeschalteten rohrförmigen Kondensor für Decaboran geleitet werden, aus welchem das kondensierte Decaboran periodisch abgezogen wird, und bei welchem das aus dem Kondensor auftretende nicht umgesetzte Diboran wieder dem rohrförmigen Reaktor /ugelühri wird. Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einem senkrechten rohrförmigen, eine Heizung aufweisenden Reaktor und einem ebenfalls senkrechten

rohrförmigen, eine Kühlung aufweisenden Kondensor, wobei das untere Ende des Reaktors über ein Querrohr ,nit dem unteren Ende des Kondensors verbunden ist. Bei diesem Verfahren wird das Diboran bzw. die Gasmischung entgegen der natürlichen Konvektionsrichtung ί von oben nach unten durch den rohrförmigen Reaktor und von unten nach oben durch den Kühler gepumpt. Das aus dem Kühler austretende Gas wird weiter aufbereitet und einem Auffangtank zugeführt, aus dem es v. leder in die Pyrolyse zurückgepumpt und dem frischen κι Diboran zugcmlscht werden kann. Dieses Verfahren weist wegen der Notwendigkeit der Verwendung verschiedener Pumpen und Ventile die bereits oben beschriebenen Nachteile einer Gefährdung des Personals durch undichte Pumpen auf. Allen beschriebenen bekannten Pyrolyseverfahren ist gemeinsam, daß bei wirtschaftlich befriedigenden Ausbeuten die Reinheiten der erhaltenen Produkte unbefriedigend sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Decaboran durch Pyrolyse von Diboran und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die es ermöglichen, die Pyrolyse in einer optimal dichten einfachen Apparatur so durchzuführen, daß Decaboran in kommerziell vertretbarem Ausmaße und mit der erforderlichen Reinheil gewonnen werden kann. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Die der Lösung der Aufgabe dienende Vorrichtung ist ju in Anspruch 3 wiedergegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das erflndungsgemäbe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß Diboran In an sich bekannter Weise in einer heißen Reaktionszone in Decaboran umgewandelt wird, und daß es anschließend mittels Konvektion Schnell in eine ka'te Reaktionszone in einem Kondensor transponiert wird, in welcher das Decaboran aus dem Gasstrom kondensiert und leicht gewonnen werden -to kann. Die Pyrolyse wird dabei in einem rechteckigen Reaktor mit geschlossenem Umlauf durchgeführt, und das Diboran wird am unteren Ende der heißen Reaktionszone In den Umlauf eingeführt, infolge des Dlchteunterschieds zwischen dem heißen und dem kalten Gas nach oben durch die heiße Reaklionszone gefördert und anschließend in eine kalte Zone geführt. Infolge der Erzeugung eines Konvektlonsstromes verläuft der Medienstrom in einer Richtung, und das Gas wird dabei abwechselnd durch eine heiße und eine kalte Reaktlonsr.one transportiert.

Zusätzlich zu dem kontinuierlichen Umlauf der Deca- und Diborane werden Diborane in den Umlauf eingespeist. Wasserstoff, nicht umgewandelte Diborane und flüchtige Hydride werden als Abgase aus dem Umlauf entfernt. Bei den vorgegebenen heißen und kühlen Reaktortemperaturen wird die Umlaufrate primär durch die Geometrie des Reaktorumlaufs und die Gleichgewichtszusammensetzung des Gemische bestimmt. Die Umlaufgeschwindigkeit bestimmt dabei teilweise die Verweilzeit des Gases in der heißen Reaktionszone. Die durchschnittliche Gesamtverweilzeit, die sich unter Berücksichtigung wiederholter Durchgänge durch die heiße Reaktionszone ergibt, und die Pyrolysetemperatur sind die primären Faktoren, die die Gesamtausbeute an Decaboran bestimmen. Vorzugsweise wird die Pyrolyse in dem an sich bekannten Temperaturbereich zwischen 200 und 280° C durchgeführt.

Es wirde jedoch auch schon bei Temperaturen von etwa 150°'C im Reaktor eine Umwandlung beobachtet Die bei :äer Diboranpyrolyse gewonnenen Ausbeuten sind auf das Gewicht bezogen, wobei die Decaboranausbeute als Prozentsatz der theoretischen Ausbeute ausgedrückt wird, die sich aus der Reaktionsgleichung 5 B₂H₆ —-—* B₁₀Hu + 8H₂ ergibt. Aus dieser Reaktionsgleichung folgt, daß man aus einem Kilogramm Diboran theoretisch 0,88 kg Decaboran erhält. Die Decaboranausbeute ist bei einer Gleichgewichtstemperatur des heißen Gases umgekehrt mit der Zufuhrrate verknüpft, d. h. bei niedrigen Zufuhrraten (48,87 g/h pro"Quadratmeter beheizter Fläche oder weniger) erhält man höhere Ausbeuten als bei höheren Zufuhrraten (488,7 bis etwa 977,4 g/h pro Quadratmeter beheizter Fläche). Während jedoch die Decaboranausbeute mit zunehmenden Diboranzufuhrraten abnimmt, steigt die Produktivität des Reaktors (ausgedrückt in Kilogramm Decaboran pro Stunde) bei höheren Zufuhrraten.

Zur Erzielung höherer Ausbeuten und zur Erreichung einer höheren Produktivität kann das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform so durchgeführt werden, daß es in mehreren Stufen wiederholt wird. Dabei kann das in der ersten Stufe nicht umgewandelte Diboran in einer Mehrzahl gleichet Stufen weiterverarbeitet werden, wobei in jeder Stufe eine schrittweise Erhöhung der Ausbeute erzielt wird, die der Diboranzufuhrrate und der Verweilzett in jeder Stufe entspricht. Auf diese Weise kann man gleichzeitig hohe Decaboranausbeuten und kommerziell brauchbare Produktionsraten erzielen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors mit geschlossenem Umlauf;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Dekaboranausbeute in Funktion von verschiedenen Gleichgewichtstemperaturen und verschiedenen Diboran-Zufuhrraten;

Fig. 3 einen graphischen Vergleich der Decaboranausbeute als Funktion der Diboran-Zufuhrraten bei einem 10,16 cm (4 Inch)- und einem 5,08 cm (2 inch)-Reaktor; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufes bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei hintereinandergeschalteten Stufen.

FIg 1 zeigt einen erfindungsgemülien Reaktor 10 mit geschlossenem Umlauf. Er umfaßt einen rohrförmigen Reaktor 11, in dem eine heiße Reaktionszone für die Umwandlung von Diboran in Decaboran ausgebildet wird. Der heißen Reaktionszone ist mindestens eine Heizung 12 zum Aufheizen des Diborane im rohrförmigen Reaktor -Il und damit auch im Gesamtreaktor 10 zugeordnet. Vorzugsweise werden zu diesem Zweck elektrisch oder mit Dampf beheizte Mantelrohre verwendet, die vorzugsweise Temperaturen zwischen 180" C und 280° C erzeugen.

Am unteren Ende des rohrförmigen Reaktors 11 befindet sich ein Einlaß 13 für die Zufuhr von Diboran In den Umlaufreaktor Kl. Ein Querrohr 14 verbindet den rohrförfnlgen Reaktor Il mit dem oberen Teil eines rohrförmigen Kondensors 16, in dem eine kalte Zone ausgebildet Ir¹ Der Kondensor 16 umfaßt eine Kühlung 17, welche die Im Reaktor 10 umlaufenden Medien abkühlt und das üecaboran an der Innenwand des Kondensors 16 kondensiert. Vorzugswelse ist die Kühlung 17 als flüsslgkelts- oder luftgekühltes Mantelrohr ausgebildet und sorgt für Temperaturen zwischen 5° C und 30° C. Im

Inneren des Kondensors 16 ist vorzugsweise ein Turbulator IS (Vorrichtung zum Verwirbeln des Gasstronis) angeordnet, der das durch den Kondensor 16 transportierte Medium verwirbelt und damit verhindert, daß Decaboran durch den Kondensor hindurch und zurück In den Reaktionsrauni transportiert wird. In welchem es mit Diboran zu polymeren Borhydriden reagieren würde.

Ein Querrohr 19 verbindet die unteren Ende des rohrförmigen Reaktors Il und des Kondensors 16 miteinander und schließt unter Bildung eines rechteckigen Rcaktors mit geschlossenem Umlauf den Konvekllonsumlaul. Am unteren Ende des Kondensors 16 ist ein Auslaß 21 angeordnet, über den das kondensierte Decaboran entfernt wird. Das Decaboran kann von den Innenwanden des Kondensors 16 abgekratzt oder mit einem Lösungsmittel, beispielsweise Hexan, abgewaschen werden. Der Ausiall 21 kann zusätzlich dazu verwendet werden, die wahrend der Pyrolyse gebildeten Abgase zu entfernen. Die Entlüftung kann auch über eine Entlüfungsöffnung 22 erfolgen, die neben dem Auslaß 21 angeordnet Ist; diese Entlüftungsöffnung 22 kann dabei so ausgeführt werden, daß der Reaktor 10 mit einem zweiten Reaktor von Im wesentlichen gleichem Aufbau verbunden werden kann. Vorzugsweise wird der Reaktor Kl unter einem leichten Überdruck (beispielsweise 0,137 bis 0,206 bar) betrieben, um Lufleinbrüche In den Reaktor 10 zu verhindern. Am oberen Ende des rohrförmigen Reaktors Il ist ein Sicherheitsventil 23 angeordnet, das aktivierbar ist, wenn sich im Inneren ein zu hoher Druck aulbaut oder wenn man den Reaktor beim Beginn des Betriebs reinigen will.

Der Turbolader 18 ist vorzugsweise als Misch-Abkratz-Kombinalion 26 ausgebildet und über eine durch eine mechanische Dichtung 29 hindurchtretende Welle 28 mit einem Antrieb 27 verbunden. Es kann beispielsweise eine Mischvorrichtung verwendet weden, bei der außerhalb der Mischflügel 31 Haltestäbe 30 vorgesehen sind, und eine derartige Mischvorrichtung ist dabei bevorzugt so abgewandelt, daß an ihr Abstreifelemente 32 aus Teflon befestigt wurden. Die Mischflügel 31 sind dabei Vorzugs-■weise derart orientiert, daß sie gegenüber der Senkrechten mit einem Winkel von 30 geneigt sind, was die Entfernung des Üecaboran-Kondensats von diesem Mischflügel 31 erleichterl. Es ist zwar möglich, die Abstreifelemente 32 derart anzuordnen, daß sie die Innenwand des Kondensors 16 berühren; es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Abstreifelemente 32 das Pyrolyseprodukt besser entfernen, wenn sie in einem Abstand von der Innenwand angeordnet sind.

Das Ouerrohr 14 sollte relativ kurz sein, um eine Kondensation von Decaboran im Inneren dieses Querrohrs zu vermeiden. Es muli nur so iang sein, daß man die Heizung 12 und die Kühlung 17 um den rohrförmigen Reak-

Tabelle 1

tor 11 bzw. den Kondensor 16 herumlegen kann. Bei praktischen Ausführungsformen des erflndungsgemäßen Umlaufreaktors 10 hat sich gezeigt, daß Querrohre mit einer Länge von etwa 30 cm ausreichen. Vorzugsweise werden die Übergänge zwischen dem Reaktor Il und dem Kondensor 16 zu den Querrohren 14 und 19, insbesondere die Übergänge zu dem oberen Querrohr 14, so stromlinienförmig wie möglich ausgebildet, um zu vermeiden, daß Stellen mit Gasverwirbelung Ablagerungen entstehen. Es hat sich herausgestellt, daß dann, wenn der Medienfluß in der kalten Reaktionszone nicht mittels eines Turbulators 18 oder einer ähnlichen Vorrichtung gebremst wird, an den Verwirbelungsstellen Decaboran und polymeres Borhydrid abgelagert werden und zu einem Verstopfen des gesamten Reaktors üi führen können.

Die Heizung 12 erzeugt im rohrförmigen Reaktor Il vorzugsweise Oberflächentemperaturen von etwa 200 C oder darüber. Die erste Zufuhr von Diboran in den Reaktor führt dabei in der Regel im Reaklionsbereich zu einem Temperaturabfall, dem sich ein Temperaturanstieg anschließt. Die Gleichgewichtstemperatur steigt dann an. bis eine Temperatur von etwa 150 C erreicht ist. Bei einer Temperatur von etwa 150"C beginnt die Dccaborankondensation im Kondensor 16. Nach Überschreiten der Temperatur von 150 C wird eine neue Gleichgewichtstemperatur erreicht, die etwa 10 C oberhalb der Oberfiächentcmperatur des Reaktors liegt.

Nachfolgend wird das erfindungsgemälJe Verfahren anhand konkreter Durchführungsbeispiele näher erläutert. Dabei wurde ein Umlaufreaktoi mit einem Innendurchmesser von 2,54 cm verwendet. Bei den ersten beiden Durchgängen wurden im Kondensorbereich turbinenschaufelähnüche GasmiscMlemente und Spaltringe als Turbulatoren verwendet. Beim dritten Durchgang wurde ein vergrößerter Kondensor 16 (3,81 cm) und eine im Handel erhältliche Gasmischeinheil verwendet, die 6 Elemente aufweist und eine Länge von etwa 20,32 cm hat. Infolge des beim dritten Durchgang vergrößerten Durchmessers des Kondensators 16 wurde im Vergleich zu den ersten beiden Durchgängen ei großes Volumen und ein geringer Innendruck erreicht.

Der Reaktor mit einem Innendurchmesser von 2.54 cm hat heiße und kalte Reaktionsräume mit einer effektiven Länge von 76,2 cm und Querzweige mit einer Länge von 60,96 cm. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß die Länder der Querrohre größer war als notwendig, wodurch Decaboran auf der Innenwand des oberen Querrohrs kondensierte. Die Anordnung einer Isolierschicht an der Außenwand des Querrohrs zur Aufrechterhaltung einer Temperatur von über 120' C an der innenwand vcihinderi eine solche Kondensation.

Zusammenfassung von Durchläufen über längere Zeit bei einer Nennpyrolysetemperatur von 200° C

Durchlauf Heizungs- Gleichgewichts- Durch- Durch- Bio- Biq-

Nr. temperatur (°C) temperatur des laufzeit schnittliche B2 Ausbeute*) Rein

heißen Gases (⁰C) (Min.) Verweilzeit (Min.) (%) heit**)

1 200 201

2 200 209

3 200 204

*) Die Ausbeute ist auf die Bj-Zufuhr bezogen. **) Bestimmung an einer Probe des kondensierten Produktes, die am Kondensoreinlaß entnommen wurde.

180	25	25	99,5
180	32	24	99,4
270	31	31	98,3

Zusätzliche Durchläufe wurden in dem 2,54 cm Reaktor bei Temperaturen von 225° C, 235° C und 245° C durchgeführt. Es wurde eine Decaboranausbeute von über 40s, erreicht, wobei die erzielten Reinheitsgrade oberhalb von 90% lagen. Wie aus der Darstellung der FI g. 2 erkennbar, wurden üecarboranausbeuten in der Größenordnung von 60% mit Zufuhrraten von 4,54 g/h (195,5 g/h pro m¹ geheizter Fläche) und 2,26 g/h (97,74 g/m ην) erzielt. Bei der höheren Zufuhrrate 8,63 g/h (342,09 g/h m^!) war die Decaboranausbeute deutlich geringer als die Ausbeute bei geringeren Zufuhrraten. Bei der Zufuhrrate von 4,54 g/h (195,5 g/h nr) sank die Decaboranbildung bei einer Temperatur von 260 C deutlich ab, wobei die Bildung von Polymeren deutlich zunahm.

15 Decaborans mit der pyrolytischen Umwandlungstemperatur umgekehrt verknüpft war. Beispielsweise lag die Reinheit bei höheren Temperaturen In der Größenordnung zwischen 93 und 97%, während die Reinheil bei niedrigeren Temperaturen im Bereich zwischen 97 und 99% lag.

Weitere Versuche wurden mit einem Umlaufreaktor mit einem Innendurchmesser von etwa 5,08 cm durchgeführt, der ein effektives Volumen von 7,07 dm' aufwies und dessen Seltenrohre eine Länge von 111,76 cm und dessen Querrohre eine Länge von 30,48 cm hatten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt, wobei die nominale Reaktorverweilzeit von 48 bis 58 Minuten einer Dlboranzufuhrrate zwischen 9,08 g/h und 10 ,89 g/h entspricht.

Es wurde weiterhin festgestellt, daß die Reinheit des

Tabelle 2

Einstufiger, 5,08-cm-Reaktor

Durchlauf Nr.	Gleich gewichts- temperatur des heißen Gases (⁰C)	Gleich gewich ts- konzentra- tion von Hj im Abgas (%)	Durch laufzeit (Min.)	Durch schnittliche B₂-Verweil- zeit (Min.)	Bio- Ausbeute (%)	Bio- Reinheit (%)	(BH)_x- Ausbeute (%)
1	225	78	240	52	49,9	97,2	17,8
2	210	89	240	58	51,8	96,6	23,0
3	205	87	240	46	48,4	97,2	21,6
4	190	81-84	300	48	46,8	98,1	19,3
5	205	93	275	44	48,6	96,7	25,1
6	205	81	299	39	47,8	96,3	25,3
7	205	90	302	48	50,9	97,2	21,7

Die Zirkulationsgeschwindigkeit des Mediums im Reaktor kann dadurch verändert werden, daß die relativen Höhen der Heizung 12 und der Kühlung 17 variiert werden. Wenn man die Höhe der Heizung und der Kühlung verringert, ergeben sich eine höhere Polymerbildung und eine geringere Reinheit des kondensierten Decaborans (vgl. Durchläufe 8 und 9 in der unten stehenden

Tabelle 3 Tabelle 3).

Dies ist eine Folge der geringeren Umlaufgeschwlndigkeil des Gases. Eine Vergrößerung der relativen Höhen des Heizers und des Kondensors führte zu einer geringeren Polymerbildung, während die normale Decarbonausbeute und die Reinheit erhalten blieben (vgl. Durchlauf 10).

Einstufiger, 5,08-cm-Reaktor mit unterschiedlicher relativer Höhe der Heizung und der Kühlung

Durch	Gleich	B_rVer-	Durch	Bio-	Bio-	(BH)_x-	Änderung der
lauf	gewichts-	weilzeit	laufzeit	Ausbeute	Reinheit	Ausbeute	relativen Höhe
Nr.	temperatur	(Min.)	(Min.)	(%)	(%)	(%)	von Heizung
	des heißen						und Kondensor
	Gases (⁰C)
8	231	54	272	47,3	94,2	33,1	-10,16 cm
9	220	49	272	50,4	94,6	30,2	- 5,08 cm
10	187	47	268	49,8	97,5	14,1	+ 244 cm

Änderungen der Geometrie des Reaktors erlauben also eine gewisse Flexibilität und eine Beeinflussung der Pyrolysereaktion. Dies ist insbesondere bei einem mehrstufigen Betrieb wichtig. Da maximale Decaboranausbeuten bei geringen und mittleren Zufuhrraten erzielt werden können, wird ein zweistufiges Reaktorsystem vorzugsweise bei geringen Temperaturen und langen Verweilzeiten in der ersten Stufe sowie bei hohen Temperaturen und kurzen Verweilzeiten in der zweiten Stufe durchgeführt. Die kürzeren Verweilzeiten in der zweiten Stufe nehmen den Volumenzuwachs der ersten Stufe auf, so daß die Reaktoren beider Stufen vorzugsweise die gleiche Geometrie aufweisen können und damit gleiche Wärmeübertragungs- und Flußcharakteristiken aufweisen.
Die Durchführbarkeit eines mehrstufigen Prozesses

ίο

(Fig. 4) wird In einer Anlage nachgewiesen, bei welcher ein erster Reaktor mit einem Innendurchmesser von 2,54 cm mit einem zweiten Reaktor mit einem Innendurchmesser von 5,08 cm verbunden wurde. Obwohl keinerlei Anstrengungen im Hinblick auf die Optimierung der Ergebnisse get ro ITe η wurden und obwohl tatsächlich die beiden Reaktorslulen nicht aneinander angepaßt waren, wurden Ausbeuten bis zu 73"i, erreicht. Die Ergebnisse sind In Tabelle 4 zusammengefaßt.

Tabelle 4

Zweistufiger Reaktor (2,54 cm-5,08 cm)

In den Durchlaufen 1 und 5 wurde das Diboran für die erste Stufe mit der bevorzugten geringen Zufuhrgeschwindigkeit zugeführt. Das Abgas des Reaktors mit dem Innendurchmesser von 2,54 cm wurde direkt in den Einlaß des zweiten Reaktors mit einem Innendurchmesser von 5,08 cm eingeleitet. Im Durchlauf 2 lag eine optimierte, hohe Diboranzufuhrrate in die erste Stufe vor. Bei den Durchlaufen 3 und 4 wurden hohe Diboranzufuhrraten gewählt.

Durch	B₂-Zufuhr-	Durchlauf	Bio-Ausbeute	5,08 cm	insges.	Bio-Reinheit	5,08 cm
lauf Nr.	ral'j (g/min)	zeil (Min.)	2,54 cm	26,4	72,2	2,54 cm	98,7
1	0,053	315	45,8	28,7	65,2	98,4	99.0
2	0,125	269	36,5	27,2	55,8	96,2	96,6
3	0,264	108*)	28,6	29,1	57,1	84,0	97.5
4	0,26	269	28,0	22,5	73,3	95,0	_
5	0,04	309	50,8		98,3

·) Durchlauf abgebrochen - Kondensor des 2,54-cm-Reaktors verstopft.

Die Ausbeute und die Produktivität des Reaktorsystems werden durch eine zweite Stufe erhöhl. Die Zweistulen-Gesamtdecaboranausbeute kann erheblich vergrößert werden, wenn zunehmend höhere Diboran-/uluhrraien verwendet werden. Im folgenden ist ein Vergleich der Auswirkungen von hohen und niedrigen Zufuhrraten angegeben.

Hohe Zuflußraie (. 8,626 g/h)

Optimale Ausheute des einstufigen Systems: 41 "

Uesanitausbeute des zweistufigen Systems: 65 "

Niedrige Zuluhrrale (2,27 g/mln)

Optimale Ausbeute des einstufigen Systems: 57"

üesamtausbeuic des zweistufigen Systems: 73"

In Tabelle 5 sind die Resultate angegeben, die bei lesilaufen in einem Reaktor mit einem Innendurchmesser von 10,16 cm erzielt wurden, wobei 60,%-cm-Hcizeinheiten verwendet wurden (vgl. Fig. 3). Der lurbulaior IX umfaßte den bevorzugten, unter einem Winkel \on 30 angeordneten Mischflügel 31 up'I ein Absireilelenient M, welches einen geringen Absland von der Innenwand des Zweiges 16 aufwies. Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist. halte der Reaktor ein Waschsystem, in welchem das Decaboran durch Waschen mit Hexan gewonnen wurde. In Tabelle 6 sind die Ergebnisse der Verdampfung der Hexanwaschlösung bis zur Trockenheil dargestellt: es ergibt sich daraus die Eignung dieses Produktgewinnungsverfahrens, bei dem die Substanz in Hexan gelöst und das Hexan anschließend verdampft wird.

Tabelle 5	B₂-Zufuhr- rate (g/min) *)	Durch laufzeit (min)	Bio-Aus beute (%)	Reinheit des gesam-	(BH)_x- Ausbeute	Nominelle Heißgas- temperatijr (⁰C)
	1,95	286	33,1	95,1	9,0	S 180
10,16-cm-Reaktor	1,96	291	35,3	96,0	8,8	S 180
Durch lauf VI- 1> I .	2,00	282	38,6	90,4	22,0	200
1**)	3,07	105	35,0	87,5	23,5	200
2	3,18	314	31,7	87,1	25,3	200
3
4***)
5

*) 2 g/min — 293,22 g/h m² in einem Reaktor mit einem Innendurchmesser von 10,16 cm.

*) Testlauf mit Mischflügel bei 45°.

*) Durchlauf abgebrochen, weil sich im Waschsystem ein Rückdruck autbaute.

Die folgenden Resultate zeigen,
(879,66 g/h m²) arbeitel.

daß der 10,16-cm-Reaktor bis zu Dlboranzufuhrraten von 5.8 g/min

	28 13	6	085	Bio-Gehalt-	Roh-B₁₀-	Roh-Bio-	Bio-Rückgewin
Tabelle			Vorhersage	Rückge-	Probe	nung (hinsicht
	aufgrund	winnung		lich Reinheit kor
	der Lösungs			rigiert) - Bruch
Decaborangewinnung mit Hexanauswaschung	analyse			teil des Betrages,
und Verdampfung				der sich aufgrund
Durch				der Lösungsana
lauf				lyse vorhersagen
Nr.	g	g	g	läßt
	5,803	5,383	95,4	0,885
	4,336	3,913	95,3	0,860
	4,309	4,592	94,5	1,007
	2,834	2,990	96,4	1,017


1
2
3
4

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Decaboran durch Pyrolyse von Diboran, bei welchem das Diboran in einem rohrförmigen Reaktor auf Temperaturen zwischen 150 und 280³C erhitzt wird und die Pyrolyseprodukte Decaboran, Wasserstoffgas, Polyborhydrlde und nicht umgesetztes Diboran rasch in einen nachgeschalteten rohrförmigen Kondensor für Decaboran geleitet werden, aus welchem das kondensierte Decaboran periodisch abgezogen wird, und bei welchem das aus dem Kondensator austretende nicht umgesetzte Diboran wieder dem rohrförmigen Reaktor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen rechteckiger Reaktor mit geschlossenem Umlauf verwendet wird, bei dem Diboran am unteren Ende einer heißen Reaktionszone In den Umlauf eingeführt wird und anschließend durch Konvention in eine kalte Zone gelangt, aus der nicht umgewandeltes Diboran erneut durch Konvektion in die Reaktionszone transportiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Diboran in einer Menge von 97,74 bis 879,66 g/h pro m² beheizter Oberfläche des Reaktors zuführt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem rohrförmigen, eine Heizung aufweisenden Reaktor und einem rohrförmigen, eine Kühlung aufweisenden Kondensor, der an seinem unteren Ende über ein Querrohr mit dem unleren Ende des Reaktors verbunden 1st, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des rohrförmigen Reaktors (11) über ein weiteres Querrohr (14) unter Bildung eines im wesentlichen rechteckigen Reaktors (Kt) mit geschlossenem Umlauf ebenfalls mit dem rohrförmigen Kondensor (16) verbunden Ist, und daß der rohrförmige Reaktor (U) an seinem unleren Ende einen Dlboranelnlaß (13) und der rohrförmige Kondensor (16) an seinem unleren Ende einen Decaboranauslaß (21) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im rohrförmigen Kondensor (16) ein Turbulator (18) zum Verwirbeln des Gasstroms angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulator (18) Mischgefüge (31) zur Verwirklichung des Gasstroms aufweist, an denen Abstrelfelemente (32) derart angeordnet sind, daß sie das an der Innenwand des Kondensors (16) kondensierte Dekaboran abstreifen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mlschflügel (31) gegenüber der Senkrechten unter einem Winkel von 30° geneigt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Kondensators eine Entlüftungsöffnung (22) angeordnet ist, an die ein Im wesentlichen gleich aufgebauter zweiter Reaktor angeschlossen werden kann.