DE3024320A1

DE3024320A1 - Vorrichtung zur hochtemperaturbehandlung von gasen

Info

Publication number: DE3024320A1
Application number: DE19803024320
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Chem. Dr. 8263 Burghausen Grießhammer; Helmut Ing.(grad.) 8263 Burghausen Hamster; Franz Dipl.-Ing. 8262 Altötting Köppl; Franz Ing.(grad.) 8342 Tann Schreieder
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1982-04-01
Also published as: DE3024320C2; IT8148752A0; JPS5712826A; IT1171330B; US4536642A; JPS6049021B2

Description

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WACKER-CHEMITRONIC . „2,- München, den 4.12.1981

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Gesellschaft fur ' '

Elektronik-Grundstoffe mbH

Wa-Ch 8002

' Vorrichtung zur Hochtemperaturbehandlung von Gasen

Bei der klassischen Herstellung von Trichlorsilan aus Rohsilicium und Chlorwasserstoff fällt in großen Mengen Siliciuratetrachlorid mit an, welches für die Herstellung hochreinen Siliciums durch Reduktion mit Wasserstoff wenig geeignet ist. Wird für diese Reduktion - wie allgemein üblich - Trichlorsilan eingesetzt, so verläuft auch hier die Reaktion keineswegs quantitativ, vielmehr wird ein großer Teil des Trichlorsilans zu Sxliciumtetrachlorid umgesetzt,

etwa gemäß folgendem Pormelschema: 3 SiHCl + H ^. Si + SiHCl +

3 2 3

SiCl, + 2 HCl + H . Demnach wird etwa ein Drittel des eingesetzten Trichlorsilans zu Sxliciumtetrachlorid umgewandelt (vgl. US-Patentschrift 3 933 985). Nach einer Reihe von Verfahren wird mit unterschiedlichem Erfolg das anfallende Siliciuratetrachlorid bei Temperaturen oberhalb 900
chlorsilan umgesetzt.

raturen oberhalb 900 C mit Wasserstoff unter der Bildung von Tri-

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine optimale Vorrichtung für derartige bei hohen Temperaturen ablaufende Gasumsetzungen bereitzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung, bestehend aus einem wärmeisolierten Gehäuse mit Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen sowie zwischen diesen Öffnungen angeordneten durch direkten Stromdurchgang beheizten inerten Widerstandsheizern.

Diese Widerstandsheizer begrenzen oder besetzen mit ihren durch elektrischen Stromdurchgang auf Temperatur gebrachten Flächen Räume, welche von den aufzuheizenden Gasen durchströmt werden. Durch die geometrische Anordnung dieser beispielsweise rohr-, stab-, blockodor lamellenförmig ausgebildeten Widerstandsheizer im Gehäuse

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wird gewährleistet, daß die Gesamtgasraenge im Gehäuse die gewünschte Temperatur erreicht bevor sie ggjf. nach einer Reaktion und nach dem Passieren einer vorzugsweise ebenfalls im Gehäuse eingepaßten Wärmeaustauschereinheit beim Gasabiaß wieder aus dem wärraeisolierten Gehäuse austritt.

Bei der Erhitzung oder Umsetzung von Gasen oder Gasgemischen, die nicht mit Kohlenstoff reagieren, eignet sich dieses Material, insbesondere Graphit, besonders gut für die Herstellung der Widerstandsheizer.. Handelt es sich dabei nicht um Stäbe oder Blöcke, so lassen sie sich besonders leicht aus Graphitfolien herstellen, die nach Auskunft der Hersteller beispielsweise aus reinem, gut geordnetem Graphit gefertigt werden können., wobei durch chemische und thermische Behandlung die Abstände eier Schichtebenen, im Kristallgitter des Graphits auf ein Vielfaches des normalen Wertes von 3,35 A aufgeweitet werden. Das resultierende leichte Schüttgewicht aus wurmförmigen Einzelteilen wird anschließend auf Kalandern oder Pressen zum Endprodukt verdichtet, wobei die Schichten des Graphitgitters und die Einzelteilchen des Schüttgutes allein durch Anwendung mechanischen Druckes wieder fes"fc miteinander verbunden werden. Derartige Graphitfolien, die in unterschiedlichsten Wandstärken erhältlich sind, lassen sich außerordentlich leicht verarbeiten und sind zudem billig. Sie können mit einfachen Haushaltsscheren geschnitten, durch Zusammenbiegen in die gewünschte Form gebracht und mit handelsüblichen Kohleklebern verklebt werden. Als Kohlekleber werden dabei bevorzugt Klebstoffe eiegesetzt, bei welchen bei den hohen Anwendungstemperaturen lediglich Kohlenstoff als fester Rückstand verbleibt.

Die Widerstandsheizer lassen sich beispielsweise vorteilhaft als miteinander verbundene zwangsdurchströnte Rohre oder Zylinder ausführen, die in einem elektrisch leitenden Sammeltopf mit Übergang zum Gasauslaß enden oder auch aus Stäben oder nichtzwangsdurchströmten Rohren, welche über einen ßraphitring miteinander verbunden und innerhalb und/oder außerhalb eines oder mehrerer Graphitzylinder angeordnet sind, durch welche die Energieübertragung auf-

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Ururid von Wärmestrahlung optimal genutzt wird. Die Ableitung der Gase erfolgt bei letzterer Ausführungsform beispielsweise über ein im Zentrum angeordnetes Graphitrohr, welches am oberen Ende trichterförmig aufgeweitet die gesamte Aufheizanordnung abdeckt und am unteren Ende der Gaszufuhr ins Rohrinnere zugänglich ist.

Die Aufheizung der elektrisch leitenden Widerstandskörper erfolgt vorzugsweise durch Sternschaltung in einem symmetrischen Mehrphasenwechsel stromsystem, wobei bei den voranbeschriebenen beispielshaften Ausführungsformen der Sammeltopf oder der die Heizelemente verbindende Ring den Mittelpunkt dieser Sternschaltung bildet. Aufgrund dieser bevorzugten Schaltung entfallen im Inneren der Anlage elektrische Isolierteile, worin ein besonderer Vorteil zu sehen ist, da Isolatoren bei derartig hohen Temperaturen schwer zu finden sind, Insbesondere solche, die nicht zu einer Verunreinigung der im Rezipienten zu behandelnden Gase führen.

Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist darin zu sehen, daß sich beliebig .viele Widerstandsheizer bei der erstgenannten Ausführungsform in einem Sammeltopf enden lassen, da sich bekanntlich für verschiedene in Stern geschaltete Mehrphasensysteme der selbe Mittelpunkt verwenden läßt. Die vorteilhaft Folge ist, daß sich einzelne Heizergruppen unterschiedlich zueinander regeln lassen, also unterschiedlich durch elektrischen Stromdurchgang beheizen lassen. Dies ist deshalb von Vorteil, da allgemein die an der Peripherie im Rezipienten angeordneten elektrisch leitenden Widerstandskörper naturgemäß mehr Energie abstrahlen als die im Zentrum angeordneten, die von umstehend angeordneten Widerstandsheizern selbst angestrahlt werden.

Aber auch bei der zweiten, beispielhaft beschriebenen Ausführungsart wird auf die Sternschaltung der als Rohre oder Stäbe angeordnete Widerstandsheizer nicht verzichtet, da eine etwaige Berührung durch Versatz oder ähnliches zwischen Heizerende und Gehäusewand keinen Kurzschluß zur Folge hätte. Grundsätzlich .sind allerdings auch beispielsweise paarweise verknüpfte elektrisch- beheizte Widerstandsheizer einsetzbar, welche mit Einphasen-Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden, da ein direkter Kontakt der elektrisch

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beaufschlagten Teile rait anderen Vorrichtungsbestandteilen im Inneren dor Anlage nicht gegeben ist.

Die Außenwand des Gehäuses wird im Regelfall zweckmäßig aus einem druckfesten Metallmantel aus beispielsweise Edelstahl gefertigt, wobei es je nach beabsichtigter Anwendung günstig sein kann, für eine Kühlung, beispielsweise durch doppelwandig kühlmitteldurchflossene Ausführung, zu sorgen.

Der Recipient wird im Inneren zweckmäßig mit einer geeigneten Wärmeisolierung versehen, um Energieverluste möglichst zu minimieren. Als Material eignen sich hierzu gegenüber den zu behandelnden Gasen inerte hitzbeständige Stoffe, wie beispielsweise Aluminiumoxidwolle oder Graphitfilz. Diese Isolierung wird vorteilhaft nach innen mit einem Strahlungsblech oder Graphitfolie abgedeckt, wodurch sich aufgrund des Strahlungsaustausches mit den Widerstandsheizern Energieverluste weitgehend ausschalten lassen und somit eine gleichmäßige Temperaturführung der einzelnen Widerstandsheizer gewährleistet wird.

In Fällen, in denen Gase bei hohen Temperaturen zur Reaktion gebracht werden sollen und die Reaktionsprodukte ebenfalls wieder gasförmig sind, die Reaktion also in der erfindungsgemäßen Vorrichtung selbst ablaufen kann, wie im Falle der einleitend beschriebenen Tetrakonvertierung, empfiehlt es sich, die zur Reaktion und somit auf Temperatur zu bringenden Gase oder Gasgemische durch die noch heißen Reaktionsgase in einem Wärmeaustauscher vorzuwärmen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird diese Wärmeaustaüschereinheit in die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert und vorteilhaft zwischen der Anordnung durch direkten Stromdurchgang beheizter, inerter Widerstandsheizer und der Gasablaßöffnung eingepaßt.

Diese Wärmeaustauschereinheit kann beispielsweise aus einem Satz unbeheizter Graphitrohre, die als Gasableitung dienen, welche außen im Gegenstromprinzip von Frischgas umströmt werden, bestehen oder auch aus einem oder mehreren Kreuzstrom-Wärmeaustauscherblöcken, welche über ein Unzahl von Bohrungen für die abzuleitenden und frisch zuzuführenden Gase verfügen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist natürlich nicht auf den Einsatz bei der einleitend beschriebenen Tetrakonvertierung beschränkt, sondern prinzipiell für die Durchführung .von Hochtemperaturreaktionen oa.s.förmifler Reaktanten geeignet oder kann auch lediglich zur Aufhetzung von Gasen eingesetzt werden.

Ira nachfolgenden wird die Erfindung anhand schematischer Darstellungen beispielhaft erläutert:

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung mit zwangsdurchströmten rohrförmigen Widerstandsheizern im Längsschnitt mit einem Schaltdiagramm

Figur 2 zeigt die Vorrichtung nach Figur 1 im Querschnitt (nach Linie A-A der Figur l)

Figur 3 zeigt die Vorrichtung nach der Figur 1 und 2 mit zusatzlieh integrierter Wärmeaustauschereinheit

Kigur 4-zeigt eine Vorrichtung mit nicht zwangsdurchströmten Wider-. standsheizern, die um ein zentrales Tauchrohr angeordnet · sind mit einer zusätzlich integrierten Wärmeaustauschereinheit

Figur 5 zeigt die Vorrichtung gemäß Figur 4 im Querschnitt (nach Linie V-V der Figur 4).

In einem Gehäuse 1 aus beispielsweise Edelstahl, welches mit einer Schicht 2 aus wärmeisolierendem Material wie beispielsweise Graphitfilz mit einer Innenabdeckung aus 'Graphitfolie 3 ausgekleidet ist, befinden sich eine Anzahl von Graphitrohren 4, welche in einem Sammellopf 5 aus ebenfalls Graphit enden. Die Graphitrohre 4 sind nn ihrem unteren Ende mit Einlaßöffnungen 6 versehen, während der Sammel~ topf 5 direkt in die Ablaßöffnung 7 übergeht. Hierdurch wird eine Zwangsdurchströmung durch die bei der Einlaßöffnung 8 dem Reaktor zugeführten Gase oder Gasgemische realisiert. Die Heizrohre 4 sind am unteren Ende mit elektrischen Zuleitungen 9, welche durch gegenüber dem Gehäuse 1 isolierte Öffnungen 10 aus dem, Gehäuse 1 herausgeführt virerden, versehen und in einem symmetrischen Mehrphasenwechselstrorasystem, in diesem Fall in einem Dreiphasenwechselstromsystem

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(U, V, W) in Stern geschaltet, wobei der Sammeltopf 5 als Mittelpunkt fungiert. Ein Rohr ist als Mittelpunkts- oder Nulleiter (MP) geschaltet, obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist. Letzteres bedingt keinen großen Aufwand und hat den Vorteil, daß selbst für den unwahrscheinlichen Fall, daß beispielsweise ein Rohr platzt oder anderweitig defekt würde und somit die Symmetrie der Schaltung wegfallen würde, die Spannung trotzdem nicht am Sammeltopf anläge. Die symmetrische Anordnung.der Heizrohre 4 der drei Phasen U, V und W sowie die Mittelpunktserdung MP ist in der Figur 2, welche einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Figur 1, an der durch die Hinweiszeichen A bezeichneten Stelle wiedergibt, besonders deutlich erkennbar.

In der Figur 3 befindet sich zusätzlich in dem gegenüber Figur 1 gestreckten Gehäuse 1 eine Wärmeaustauschereinheit, bestehend aus zwischen dem Sammeltopf 5 und der Ablaßöffnung 7 angeordneten Gasableitungen aus unbeheizten Graphitrohren 11, welche in einem zweiten Sammeltopf 12 enden und außen von durch die Gaseinlaßöffnung 8 zugeführtem Frischgas umströmt werden.

In Figur 4 ist eine modifizierte Vorrichtung dargestellt, in welcher eine Wärmeaustauschereinheit aus Graphitblöcken 13 eingepaßt ist, durch welche in waagrechter Richtung durch entsprechende Bohrungen das bei 8 eintretende Frischgas strömt, dessen Durchlauf durch sämtliche Wärmeaustauscherblöcke durch Graphitsperren 14 zwischen den Blöcken und der als Innenabdeckung der Isolierung 2 dienenden Graphitfolie 3 erzwungen wird. Dieses vorgewärmte Frischgas strömt durch zwei ineinandergestellte Graphitzylinder 15 und 16, welche im unteren Teil respektive oberen Teil entsprechende Gasdurchlaßöffnungen 17 und l8 aufweisen. Innerhalb des inneren Graphitzylinders 16 sind innen nicht gasdurchströmte Heizrohre oder -stäbe 19 aus Graphit angeordnet, welche über einen Graphitring 20 elektrisch miteinander verbunden sind. Die elektrischen Zuleitungen 9 für die einzelnen Phasen U, V und W sowie den Nulleiter MP werden durch entsprechend isolierte Öffnungen 10 aus dem Gehäuse herausgeführt. Die Schaltung der einzelnen Stäbe erfolgt auch hier wieder in einem Mehrfachwech-•elstromsystem in Stern, wobei der beschriebene Graphitring den

Mittelpunkt des Systems bildet. Die Gasableitung aus diesem Heizersystem erfolgt über ein am Oberrand trichterförmig aufgeweitetes
zentrales Graphitrohr 21. Die aufgeheizten und eventuell abreagierten Gase oder Gasgemische verlassen durch dieses Tauchrohr 21 nach
Passieren der Wärmeaustauscherblöcke 13 durch die Gasablaßöffnung 7 die erfindungsgemäße Vorrichtung.

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Vorrichtung zur Hochtemperaturbehandlung von Gasen Zusammenfassung

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Hochtemperaturbehandlung von Gasen oder Gasgemischen, wie beispielsweise zu der als Tetrakonvertierung bekannten Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff zu Trichlorsilan. Die Vorrichtung weist elektrisch direkt beheizte Widerstandsheizer auf, welche von den zu behandelnden Gasen um- oder durchströmt werden. Diese Vorrichtung ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform noch mit einer zusätzlichen integrierten Wärmeaustauschereinheit bestückt.

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Claims

• · .« Λ ■ 302Α320 Patentansprüche

1. Vorrichtung 7iur Hochtemperaturbehandlung von Gasen, bentehend aus einem wärmaisolierten Gehäuse mit GaselnlaiJ- und Gafiaualaiiöffnungen sowie zwischen diesen Öffnungen angeordneten, durch direkten Stroradurchgang beheizten inerten Widerstandsheizern,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrisch leitenden Widerstandsheizer in einem symmetrischen Mehrphasenwechselstromsystem in Stern geschaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandsheizer aus miteinander verbundenen zwangsdurchströmten Rohren bestehen, «lie in oinora elektrisch leitenden Sarameltopf mit Übergang zum Gasauslaß enden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in dem wärmeisolierten Gehäuse durch direkten Stromdurchgang beheizte elektrisch miteinander verbundene Widerstandsheizer zwischen äußeren, ineinander gestellten konzentrischen und zwangsdurchströmten Graphitzylindern und einem inneren, zentrischen der Gasableitung dienendem Tauchrohr angeordnet sind.

5· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dor Anordnung durch direkten Stromdurchgang beheizter, inerter Widerstandsheizer und der Gasauslaßöffnung im Gehäuse eine Wärmeaustauschereinheit aus elektrisch unbeheizten Gasableitungen eingepaßt ist.

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