DE3024320C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Hochtemperaturbehandlung von Siliciumverbindungen in der Dampfphase enthaltenden Gasen, bestehend aus einem wärmeisolierten Gehäuse mit Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen sowie zwischen diesen Öffnungen angeordneten, durch direkten Stromdurchgang beheizten, in einem symmetrischen Mehrphasen-Wechselstromsystem in Stern geschalteten, inerten Widerstandsheizern, welche mit ihren auf Temperatur gebrachten Flächen Räume begrenzen oder besetzen, die von den aufzuheizenden Gasen durchströmt werden.

Bei der klassischen Herstellung von Trichlorsilan aus Rohsilicium und Chlorwasserstoff fällt in großen Mengen Siliciumtetrachlorid 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 Siliciumtetrachlorid umgesetzt, etwa gemäß folgenden Formelschema: 3 SiHCl₃ + H₂ → Si + SiHCl₃ + SiCl₄ + 2 HCl + H₂. Demnach wird etwa ein Drittel des eingesetzten Trichlorsilans zu Siliciumtetrachlorid umgewandelt (vgl. US-Patentschrift 39 33 985). Nach einer Reihe von Verfahren wird mit unterschiedlichem Erfolg das anfallende Siliciumtetrachlorid bei Temperaturen oberhalb 900° C mit Wasserstoff unter der Bildung von Trichlorsilan umgesetzt.

Eine Heizvorrichtung für Gase, bei der Heizelemente in einen von dem aufzuheizenden Gas durchströmten Raum hängen, ist aus der US-PS 35 41 304 bekannt. Bei dieser Anordnung ist jedoch die Wärmeübertragung wenig effektiv.

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

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß alle Widerstandsheizer im Gehäuse aufrecht stehend angeordnet und an ihrem oberen Ende elektrisch leitend miteinander verbunden, sowie an ihrem unteren Ende jeweils mit elektrischen Zuleitungen, welche durch gegenüber dem Gehäuse isolierte Öffnungen durch die Bodenplatte führen, versehen sind, wobei die Widerstandsheizer aus miteinander verbundenen zwangsdurchströmten Rohren bestehen, die in einem elektrisch leitenden Sammeltopf mit Übergang zum Gasauslaß enden.

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-, block- oder lamellenförmig ausgebildeten Widerstandsheizer im Gehäuse wird gewährleistet, daß die Gesamtgasmenge im Gehäuse die gewünschte Temperatur erreicht bevor sie ggf. nach einer Reaktion und nach dem Passieren einer vorzugsweise ebenfalls im Gehäuse eingepaßten Wärmeaustauschereinheit beim Gasablaß wieder aus dem wärmeisolierten 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 der Schichtebenen im Kristallgitter des Graphit auf ein Vielfaches des normalen Wertes von 3,35 Å 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 fest 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 eingesetzt, bei welchen bei den hohen Anwendungstemperaturen lediglich Kohlenstoff als fester Rückstand verbleibt.

Die Widerstandsheizer sind als miteinander verbundene zwangsdurchströmte Rohre oder Zylinder ausgeführt, die in einem elektrisch leitenden Sammeltopf mit Übergang zum Gasauslaß enden. Die Ableitung der Gase kann über ein im Zentrum angeordnetes Graphitrohr erfolgen, 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 durch Sternschaltung in einem symmetrischen Mehrphasenwechselstromsystem, wobei der Sammeltopf oder der die Heizelemente verbindende Ring den Mittelpunkt dieser Sternschaltung bildet. Aufgrund dieser 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 vorteilhafte 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 angeordnete Widerstandsheizer nicht verzichtet, da eine etwaige Berührung durch Versatz oder ähnliches zwischen Heizerende und Gehäusewand keinen Kurzschluß zur Folge hätte.

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 Rezipient 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 Wärmeaustauschereinheit 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 eine 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 gasförmiger Siliciumverbindungen geeignet.

Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand schematischer Darstellungen beispielhaft erläutert

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

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung nach Fig. 1 im Querschnitt (nach Linie A-A der Fig. 1)

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung nach der Fig. 1 und 2 mit zusätzlich integrierter Wärmeaustauschereinheit

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung mit nicht zwangsdurchströmten Widerstandsheizern, die um ein zentrales Tauchrohr angeordnet sind mit einer zusätzlich integrierten Wärmeaustauschereinheit

Fig. 5 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 4 im Querschnitt (nach Linie V-V der Fig. 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 Sammeltopf 5 aus ebenfalls Graphit enden. Die Graphitrohre 4 sind an ihrem unteren Ende mit Einlaßöffnungen 6 versehen, während der Sammeltopf 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 werden, versehen und in einem symmetrischen Mehrphasenwechselstromsystem, in diesem Fall in einem Dreiphasenwechselstromsystem (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 Fig. 2, welche einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1, an der durch die Hinweiszeichen A bezeichneten Stelle wiedergibt, besonders deutlich erkennbar.

In der Fig. 3 befindet sich zusätzlich in dem gegenüber Fig. 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 zugeführten Frischgas umströmt werden.

In Fig. 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 18 aufweisen. Innerhalb des inneren Graphitzylinders 16 sind innen nicht gasdurchgeströmte Heizrohre oder -stäbe 19 aus Grapit 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 Mehrfachwechselstromsystem 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.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Hochtemperaturbehandlung von Siliciumverbindungen in der Dampfphase enthaltenden Gasen, bestehend aus einem wärmeisolierten Gehäuse (1) mit Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen (8, 7) sowie zwischen diesen Öffnungen angeordneten, durch direkten Stromdurchgang beheizten, in einem symmetrischen Mehrphasen-Wechselstromsystem in Stern geschalteten, inerten Widerstandsheizern (4), welche mit ihren auf Temperatur gebrachten Flächen Räume begrenzen oder besetzen, die von den aufzuheizenden Gasen durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß alle Widerstandsheizer im Gehäuse aufrecht stehend angeordnet und an ihrem oberen Ende elektrisch leitend miteinander verbunden, sowie an ihrem unteren Ende jeweils mit elektrischen Zuleitungen (9), welche durch gegenüber dem Gehäuse (1) isolierte Öffnungen (10) durch die Bodenplatte führen, versehen sind, wobei die Widerstandsheizer aus miteinander verbundenen zwangsdurchströmten Rohren oder Zylindern bestehen, die in einem elektrisch leitenden Sammeltopf (5) mit Übergang zum Gasauslaß enden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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 dienenden Tauchrohr angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anordnung durch direkten Stromdurchgang beheizter, inerter Widerstandsheizer und der Gasauslaßöffnung im Gehäuse eine Wärmeaustauschereinheit (13) aus elektrisch unbeheizten Gasableitungen eingepaßt ist.