-
Verfahren zum Herstellen von pyrogenem Siliziumdioxid
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verwenden eines
Sintermetallfilters und mehr im besonderen ein Verfahren zum Herstellen von pyrogenem
Siliziumdioxid, bei dem man einen Sintermetallfilter benutzt.
-
Verfahren zum Herstellen pyrogenen Siliziumdioxids sind bekannt. So
werden Alkoxysilane verbrannt, um pyrogenes Siliziumdioxid herzustellen. Die gebildeten
Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids und die entstandenen Verbrennungsgase werden
durch einen Wärmeaustauscher geschickt. Danach läßt man die Verbrennungsgase durch
einen Agglomerator strömen. Dieser Agglomerator besteht aus einer langen Reihe von
Rohren mit scharfen Biegungen. Der Agglomerator dient der Vergrößerung der Teilchen
pyrogenen Siliziumdioxids, so daß sie durch den Filterbeutel abgetrennt werden können.
-
Danach schickt man die Verbrennungsgase und die Teilchen pyrogenen
Siliziumdioxids durch eine Reihe von Cyclonen,um die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids
abzutrennen und schließlich werden die Verbrennungsgase und die verbliebenen Teilchen
pyrogenen Siliziumdioxids durch einen Filterbeutel geschickt, um die verbliebenen
Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids von den Verbrennungsgasen abzutrennen. Nach dem
Durchgang der Verbrennungsgase durch die Filterbeutel-Baueinheit läßt man die Verbrennungsgase
in die Atmosphäre entweichen.
-
Die von von den Cyclonen und den Filterbeuteln gesammelten Teilchen
pyrogenen Siliziumdioxids werden in einen Kalzinator überführt, wenn sie nicht ausreichend
trocken sind, in dem sie auf Temperaturen oberhalb von 1000C für unterschiedliche
Zeitdauer erhitzt werden, um die Feuchtigkeit daraus zu entfernen. Nach dem Verlassen
des Kalzinators haben die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids vorzugsweise einen
Feuchtigkeits
- oder Wassergehalt von 0,01 bis 1,0 Gew.-%.
-
Zu diesem Zeitpunkt haben die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids üblicherweise
eine Dichte von etwa 0,016 bis etwa 0,040 g/cm3 Es ist dann erwünscht, die Teilchen
durch einen Verdichter zu führen, um ihre Dichte auf etwa 0,064 bis etwa 0,080 g/cm3
zu erhöhen. Es ist für die meisten Anwendungen des pyrogenen Siliziumdioxids als
verstärkendem Füllstoff in Silikonkautschukmassen zu Herstellung von Elastomeren
erwünscht, daß dieses pyrogene Siliziumdioxid eine hohe Dichte hat. Auf den Kalzinator
kann daher noch ein Cyclon folgen, so daß die aus dem Kalzinator austretenden Gase
in dem Cyclon behandelt werden, um so viel als möglich von dem pyrogenen Siliziumdioxid
aus den Gasen zu entfernen. Das gewonnene Siliziumdioxid wird dann in den Kalzinator
zurückgeführt, um eine maximale Gewinnung der Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids
zu gestatten.
-
Der Beutelfilter umfaßt allgemein verschiedene Beutel, wobei jeder
aus Teflonmatrix mit kleinen Öffnungen zusammengesetzt ist, durch die die Verbrennungsgase
austreten können, wenn sie durch die Beutel geleitet werden, während das pyrogene
Siliziumdioxid in die Teflonmatrix eingebettet wird. Nach 1, 2, 3 oder 4 Minuten,
in Abhängigkeit von dem jeweiligen Herstellungsverfahren, d. h. der Menge des gebildeten
pyrogenen Siliziumdioxids und der Zahl von Beutelfiltern in der Vorrichtung, wird
das Hindurchführen der Verbrennungsgase durch den Beutelfilter gestoppt. Ein inertes
Gas, wie Stickstoff, wird im Gegenstrom zur Strömung der Verbrennungsgase durch
den Beutelfilter geführt, um die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids von der Teflonmatrix
wegzublasen, so daß sie auf den Boden des Filters fallen, wo sie eingesammelt und
danach in den Kalzinator überführt werden.
-
Unter Verwendung einer Reihe von Cyclonen und Beutelfiltern ist es
möglich, bis zu 97 und bevorzugter 99 % des im Brennerofen gebildeten pyrogenen
Siliziumdioxids zu gewinnen. Dieses Verfahren hat viele Nachteile und insbesondere
hat die
Verwendung der Beutelfilter viele Nachteile. Es ist darauf
hinzuweisen, daß zu dem Beutelfilter vorteilhafterweise eine Reihe von Cyclonen
führt, um die richtige Abtrennung der Teilchen auszuführen. Ohne die Cyclone arbeitet
der Beutelfilter nicht richtig, d. h. ohne die Cyclone wird zu viel von dem pyrogenen
Siliziumdioxids in einer zu kurzen Zeit gesammelt und das Inertgas muß zu häufig
die Beutelfilter wieder freiblasen. Um eine möglichst vollständige Abtrennung der
Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Cyclone
die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids zu einem starken Maße zurückgewinnen, wobei
die bevorzugte Zurückgewinnung der Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids zu 97 bis
99 % erfolgt. Ein weiteres Problem bei der Verwendung der Beutelfilter besteht darin,
daß die Beutel sehr schwierig zu reinigen sind, wenn sie durch die Teilchen des
pyrogenen Siliziumdioxids verstopft sind, so daß man spezielle zeitaufwendige Reinigungsverfahren
benötigt. Schließlich verbraucht sich das Gewebe der Beutel nach einer gewissen
Zeit und muß ersetzt werden.
-
Das Verfahren zum Herstellen von pyrogenem Siliziumdioxid, bei dem
ein Beutelfilter benutzt wird, um die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids abzutrennen,
ist daher nicht so wirksam, wie es erwünscht wäre. Außerdem erfordert ein solches
Verfahren den Einsatz zusätzlicher Ausrüstung, um die Abtrennung zu bewirken, wie
von Cyclonen und Agglomeratoren und ist hinsichtlich der periodischen Ersetzung
der Beutel im Beutelfilter teuer.
-
Während das vorbeschriebene Verfahren zum Herstellen pyrogenen Siliziumdioxids
auf dem Verbrennen von Alkoxysilanen beruht, besteht das üblichste Verfahren zum
Herstellen von pyrogenem Siliziumdioxid doch im Verbrennen von Chlorsilanen, wie
von Methyltrichlorsilan, Dimethyldichlorsilan, Trimethylchlorsilan, Siliziumtetrachlorid
und anderen Chlorsilanen. Diese sind die billigsten und meist verfügbaren Ausgangsmaterialien
bei der Herstellung von pyrogenem Siliziumdioxid.
-
Einige der Hauptunterschiede bei der Herstellung von pyrogenem Siliziumdioxid
durch Verbrennen von Chlorsilanen bestehen jedoch darin, daß es erforderlich ist,
das Chlorwasserstoffgas und das Chlor sowie andere korrosive Verunreinigungen aus
den Verbrennungsgasen zu entfernen, bevor man diese in die Atmosphäre ablässt. Hierfür
sind verschiedene Einrichtungen offenbart, wie Wäscher, alkalische Kolonnen usw.
d.h. nachdem die Verbrennungsgase durch den Beutelfilter geleitet wurden, führt
man sie durch einen Wäscher und dann eine alkalische Kolonne, um die korrosiven
Verunreinigungen aus den Verbrennungsgasen zu entfernen, bevor man sie an die Atmosphäre
abgibt.
-
Sintermetallfilter sind bekannt. So ist z. B. in der US-PS 4 328 353
die Verwendung von Sintermetallfiltern zum Entfernen von Katalysatorteilchen aus
dem Chlorsilanstrom beschrieben, der beim Direktverfahren erhalten wird, so daß
die Silizium- und die Kupferkatalysatorteilchen in den Reaktor zurückgeführt werden
können. So weit bekannt sind Sintermetallfilter jedoch nie bei dem Verfahren zum
Herstellen von pyrogenem Siliziumdioxid benutzt worden.
-
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein wirksames
Verfahren zum Herstellen von pyrogenem Siliziumdioxid zu schaffen, und dabei insbesondere
die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids von den Verbrennungsgasen abzutrennen. Insbesondere
sollte die wirksame Abtrennung der Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids von den Verbrennungsgasen
der Art sein, daß mehr als 99,5 % der Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids gewonnen
werden und insbesondere mehr als 99,99%. Auch sollte die Abtrennung der Teilchen
pyrogenen Siliziumdioxids von den Verbrennungsgasen dahingehend optimiert werden,
daß Cyclone und Beutelfilter nicht erforderlich sind und dies insbesondere bei einem
Verfahren zum Herstellen von pyrogenem Siliziumdioxid durch Verbrennen von Chlorsilanen
oder von Alkoxysilanen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Herstellen
von pyrogenem Siliziumdioxid dadurch gelöst, daß man
a) Silane
in einem Brennerofen verbrennt, um Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids und Verbrennungsgase
zu bilden und b) man die Verbrennungsgase und die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxid
durch einen Sintermetallfilter leitet, um die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids
von den Verbrennungsgasen abzutrennen und man das pyrogene Siliziumdioxid sammelt.
-
Die verbrannten Silane können entweder Chlor- oder Alkoxysilane sein.
-
Die Hauptbetrachtungen bei der Benutzung des Sintermetallfilters sind
daß vorzugsweise die Temperatur der Verbrennungsgase, die in den Sintermetallfilter
eintreten, nicht unterhalb von 1350C und noch bevorzugter nicht unterhalb von 1500C
liegen. Auch soll der Druckabfall der durch den Sintermetallfilter strömenden Verbrennungsgase
nicht mehr als etwa 7030 Pa bzw. 0,07 kg/cm2 bzw. 1 US-Pfund/Zoll2 betragen. Es
ist auch erforderlich, daß der Sintermetallfilter elektrisch ausreichend geerdet
ist, so daß sich keine überschüssige statische Ladung auf den Filterelementen sammelt.
Anderenfalls kann es außerordentlich schwierig und manchmal unmöglich sein, mit
dem im Gegenstrom geführten Gas die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids von den Metallfilterkartuschen
abzublasen.
-
Diese und andere Bedingungen hinsichtlich des Betriebes des Sintermetallfilters
bei der Herstellung von pyrogenem Siliziumdioxid sind im folgenden detaillierter
beschrieben.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Sintermetallfilter zum Abtrennen
von pyrogenem Siliziumdioxid von den Verbrennungsgasen nicht nur dann benutzt werden,
wenn Chlorsilane verbrannt werden, sondern auch dann, wenn man das pyrogene Siliziumdioxid
durch Verbrennen anderer Silane herstellt.
-
Der Sintermetallfilter, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt
wird, uxttfaßt eine Behälter- oder Gehäuseeinheit aus Metall, in der sich Metallrohre
befinden. Die Metallrohre haben eine Matrix kleiner Perforationen oder oeffnungen,
durch
die das Gas hindurchströmen kann, durch die jedoch die meisten
Teilchen des pyrogenen Siliziumdioxids oder anderes festes Material nicht hindurch
kann. Der Filter arbeitet, indem man das Gas, das die Festteilchen enthält, in den
Metallbehälter leitet und dann das Gas durch die Perforationen in den Metallrohren
oder Filterstäben dringt und dabei die Festteilchen in den Oberflächenporen eingebettet
zurückläßt. Das Gas passiert die Perforationen in den Filterstäben und strömt durch
den hohlen Filterkern zu der nächsten Vorrichtung während des Verfahrensganges.
Die Kraft, die erforderlich ist, die Verbrennungsgase durch die Sintermetallfilter
und aus ihnen herauszudrücken, wird durch einen Druckabfall vom Einlaß zum Sintermetallfilter
bis zur Auslaßseite der hohlen Filterstabrohre verursacht. Dieser Druckunterschied
drückt das Gas durch die hohlen Filter und den zentralen Ringkörper aus dem Filter
heraus. Der Sintermmetallfilter besteht vorzugsweise aus einer Legierung, wie Inconel,
das eine Legierung aus Chrom, Nickel und Eisen ist. Diese Art von Material oder
Legierung weist Beständigkeit gegenüber den korrosiven Dämpfenswie wie Chlorwasserstoff
oder Chlor auf, die in den Verbrennungsgasen vorhanden sein können.
-
Der Filter sollte bei den bevorzugten Betriebsbedingungen arbeiten,
weil anderenfalls die Löcher in den Filterstäben durch die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids
verstopft werden können, die mit dem Metall verschmelzen. Wenn dies passiert, ist
es notwendig, das gesamte Verfahren abzustellen und die Filter aus dem Prozeßstrom
herauszunehmen. Dann muß man die Sintermetall-Filterstäbe aus dem Filtergehäuse
herausnehmen und sie reinigen, indem man sie in eine alkalische Lösung eintaucht,
wie eine Lösung aus Natrium- oder Kaliumhydroxid in Wasser.
-
Denn die Teilchen aus pyrogenem Siliziumdioxid können in die Perforationen
der Filterporen eingebettet werden und es erfordert ein Baden in einer solchen alkalischen
Lösung, um diese Teilchen aus dem Filter zu entfernen. In jedem Falle mag es nach
längerem Gebrauch erforderlich sein, die Filter auf diese Weise zu waschen oder
zu behandeln, um sie bei ihrer maximalen Wirksamkeit zu erhalten.
-
Neben diesem periodischen Waschen oder möglichen Ersetzen der Filterstäbe
zu unterschiedlichen Zeiten, bedarf ein solcher Sintermetallfilter wenig Wartung.
Wenn während des Verfahrens der Sintermetallfilter für eine Dauer von 1 bis 3 oder
4 Minuten im Betrieb gewesen ist, muß man den Prozeßstrom von dem Sintermetallfilter
abschalten und einen im Gegenstrom geführten Freiblasestrom aus einem heißen Gas,
dessen Temperatur höher ist als der Taupunkt der Verbrennungsgase, durch den Filter
führen. Dieser Gegenstrom bläst die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids von den Filtern
ab und läßt sie sich am Boden der Filtereinheit in einem Trichter sammeln. Man kann
das pyrogene Siliziumdioxid dann von dort aus zu einem Lagerbehälter oder einem
Kalzinator überführen.
-
Dieses Freiblasen erfordert üblicherweise etwa 1 Minute. Dabei kann
das Freiblasen entweder dadurch erfolgen, daß man den Prozeßstrom entweder völlig
abstellt oder ihn von einer Einheit von Sintermetallfiltern zu einer anderen leitet,
die jeweils aus einem oder mehreren parallel geschalteten Sintermetallfiltern besteht,
so daß eine Einheit aus Sintermetallfiltern mit einem nicht kondensierenden oder
inerten Gas freigeblasen wird, um das pyrogene Siliziumdioxid aus den Filterrohren
zu entfernen, während eine andere Einheit von Sintermetallfiltern die vom Brennerofen
kommenden Verbrennungsgase filtriert. Im letzteren Fall kann das Verfahren im wesentlichen
kontinuierlich ausgeführt werden, wobei kein vorübergehendes Abschalten des Verfahrens
während des Freiblasens der Filter vom pyrogenen Siliziumdioxid erforderlich ist.
-
Es gibt gewisse erforderliche Bedingungen, die beim Betrieb der Sintermetallfilter
erwünscht sind. Die Bedingung, die beim Filterbetrieb am meisten erwünscht und am
meisten erforderlich ist, ist die Minimaltemperatur, mit der die Mischung aus Verbrennungsgasen
und pyrogenem Siliziumdioxid in den Filter eingeführt wird. Im allgemeinen ist es
erwünscht, daß die Temperatur der in den Sintermetallfilter eingeführten Verbrennungsgase
und des pyrogenen Siliziumdioxids mindestens 1350C und bevorzugter mindestens 1500
oder mehr beträgt.
-
Würde die Temperatur der Verbrennungsgase nämlich unterhalb der vorstehenden
Grenzwerte und insbesondere unterhalb von 135°C liegen, dann könnte dies zur Kondensation
verschiedener Dämpfe auf dem Sintermetallfilter führen und ihn durch rasche Agglomeration
des pyrogenen Siliziumdioxids auf einer feuchten Oberfläche verstopfen. Auch würden
die Teilchen aus pyrogenem Siliziumdioxid eine Paste auf dem Metall des Filters
bilden, die die öffnungen oder Poren in dem Filter verstopfen würde.
-
Der Filter kann zwar bei Temperaturen unterhalb von 135°C betrieben
werden, doch stünde dann nur eine kurze Betriebszeit zur Verfügung, bevor das Filtrieren
beendet und der Filter in einer alkalischen Lösung gereinigt werden müßte. Je höher
die Temperatur der Verbrennungsgase ist, um so weniger besteht die Möglichkeit,
daß isolierte kalte Flecke in dem Filter eine Kondensation gestatten.
-
Eine weitere notwendige Bedingung'für den Betrieb des Sintermetallfilters
ist der Druckabfall durch den Filter. Im allgemeinen sollte der Druckabfall etwa
0,17 kg/cm² bzw. 17600 Pa, bevorzugter jedoch etwa 0,07 kg/cm² oder 7030 Pa nicht
übersteigen. Ist der Druckabfall zu hoch, dann neigt der Filter zum Verstopfen aufgrund
des Aufprallens der Teilchen aus pyrogenem Siliziumdioxid auf die Metalloberfläche
und dies macht auch das Freiblasen der Poren in den Filterrohren schwieriger.
-
Eine notwendige Bedingung beim Betrieb des Sintermetallfilters ist
auch, daß er richtig geerdet ist. Ohne eine solche richtige Erdung wird sich eine
zu hohe statische Ladung auf den Filter ansammeln und dies wird zum Haften der Teilchen
auspyrogenem Siliziumdioxid an den Filtern führen, so daß sie während des Freiblasens
nicht leicht vom Filter entfernt werden können.
-
Vorzugsweise ist der Sintermetallfilter daher so geerdet, daß die
elektrische Erdung einen Widerstand von weniger als 1,0 Ohm und bevorzugter einen
geerdeten Widerstand von weniger als 0,5 Ohm hat. Bei einer solchen Erdung des Filters
gibt
es keinen starken Aufbau statischer Elektrizität, denn die
statische Elektrizität wird in gleichem Maße, wie sie erzeugt wird, abgeleitet.
-
Dies waren die drei Hauptbedingungen für den wirksamen Betrieb des
Filters und innerhalb der obengenannten allgemeinen Bereiche können die Bedingungen
so variiert werden, daß man eine maximale Leistungsfähigkeit des Sintermetallfilters
für ein bestimmtes Verfahren erhält.
-
Sind Bereiche für die genannten Bedingungen erwünscht, dann sollte
der geerdete Widerstand vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis weniger 0,5 Ohm liegen.
Die Betriebstemperatur des Filters sollte im Bereich von 150 - 3000C liegen, und
der Druckabfall der den Filter passierenden Verbrennungsgase soll-2 te im Bereich
von 0,007 bis 0,07 kg/cm bzw. etwa 700 bis etwa 7000 Pa liegen.
-
Es gibt noch weitere Bedingungen, die man einhalten sollte, um den
Filter bei maximaler Wirksamkeit zu betreiben. Eine Bedingung davon ist die Filtrationsgeschwindigkeit.
Je größer diese Filtrationsgeschwindigkeit ist, ohne daß der Filter verstopft wird,
um so höher ist seine Wirksamkeit. Hinsichtlich der normalen Oberflächengeschwindigkeit
des Filters ist es zum Erzielen einer maximalen Wirksamkeit bevorzugt, daß diese
Oberflächengeschwindigkeit der Verbrennungsgase durch die Poren in den Filterstäben
im Bereich von etwa 0,30 bis etwa 1,80 m/min liegt.
-
Um die Filtrationsgeschwindigkeit in einer anderen Weise auszudrücken,
kann man sie als das Gewicht des pyrogenen Siliziumdioxids in Grains bzw. etwa 59
mg angeben, das, bezogen auf 2 eine Filterfläche von etwa 930 cm oder einem Quadratfuß
in der Minute entfernt wird. Eine solche Filtergeschwindigkeit kann in Abhängigkeit
von der Art und der Oberflächengröße eines speziellen Filters und der Zahl der Filter
in der Filtereinheit im Bereich von 20 - 120 Grains bzw. etwa 1200 bis etwa 6000
mg pryrogenem Siliziumdioxid, bezogen auf etwa
930 cm 2 der Filter
fläche pro Minute variieren.
-
Die Kapazität des Filters würde in Abhängigkeit von der Größe des
Filters und einer bestimmten Filtereinheit, d. h. der Anzahl der Filter, die in
dieser Einheit vorhanden sind, variieren. Bei einer typischen Filtereinheit kann
man die Kapazität des Filters variieren, um von weniger als 10 Grain bzw. etwa 600
mg pyrogenem Siliziumdioxid pro etwa 28,3 1 bzw. einem Kubikfuß Gas bis zu 200 bis
300 Grain bzw. etwa 1200 bis etwa 18 000 mg pyrogenes Siliziumdioxid in etwa 28,3
1 Verbrennungsgas zu filtern.
-
Da die Bereich für die Oberflächengeschwindigkeit des Filters, die
Filtrationsgeschwindigkeit, ausgedrückt in Grain pro Quadratfuß Oberflächenbereich
pro Minute und Grain pro Kubikfuß Gas von der Größe des Filters und der Zahl der
Filterstäbe darin sowie der Zahl der Einheiten von Sintermetallfiltern variieren
kann, sind die obigen Bereiche angegeben für einen Filterstab mit einer Länge von
etwa 1,5 m und einem Filterbreich von etwa 62,2 x 930 cm². Doch können diese Abmessungen
und Kapazitäten von Filter zu Filter variieren, in Abhängigkeit von seiner Bauart
und seinem Oberflächenbereich.
-
Die weiter oben für den optimalen Betrieb und die längste Betriebsdauer
des Filters?$ bevor er gereinigt, auseinandergenommen wird mit Reinigung oder Ersatz
der Filterstäbe, sind der Druckabfall durch den Filter während des Betriebes und
die Einlaßtemperatur der in den Filter eintretenden Verbrennungsgase. Dazu kommt
das obengenannte erforderliche Erden des Sintermetallfilters. eangegebenen Bedingungen
Liegen diese drei Bedingungen bei einem Verfahren zum Herstellen von pyrogenem Siliziumdioxid
innerhalb der angegebenen Bereiche, dann arbeitet der Sintermetallfilter mit guter
Wirksamkeit und minimaler Abschaltzeit zum Reinigen oder Ersetzen der Filterstäbe.
Dies führt nicht nur zu einer effizienteren Herstellung des pyrogenen Siliziumdioxids,
sondern auch zu einer wirtschaftlicheren Instandhaltung des Filters. Während
der
Filter außerhalb eines oder mehrerer der obengenannten Bereiche betrieben werden
kann, ist dies nur für kurze Zeiten möglich, und danach muß man den Filter aus dem
Betrieb nehmen, ihn reinigen und möglicherweise ersetzen.
-
Die Abweichung von den obengenannten drei Bedingungen, d. h.
-
dem erforderlichen Erden, dem Druckabfall und der Temperatur der Einlaßgase
in den Filter bestimmt, wie kurz die Betriebszeit ist und wie gründlich das Reinigen
ausgeführt werden muß.
-
Innerhalb der obigen Bereiche kann man die optimalen Bedingungen für
ein bestimmtes Verfahren zum Herstellen des pyrogenen Siliziumdioxids ermitteln.
Unabhängig davon, ob man die optimalen Bedingungen ermittelt erhält man jedoch in
einem Verfahren zum Herstellen pyrogenen Siliziumdioxids gute Betriebsbedingungen,
wenn man den Sintermetallfilter innerhalb dieser Bereiche betreibt.
-
Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen pyrogenen Siliziumdioxids
im Rahmen der vorliegenden Erfindung, bei dem man den Sintermetallfilter benutzt,
besteht darin, daß man Wasserstoff, Erdgas und Silane mit Luft in einem Brennerofen
verbrennt. Obwohl die Silane Alkoxysilane oder andere Arten von Silanen sein können,
sind Chlorsilane am bevorzugtesten.
-
Diese Chlorsilane können irgendwelche Chlorsilane sein, wie Monomethyltrichlorsilan,
Dimethyldichlorsilan, Trimethylchlorsilan, Methylhydrogendichlorsilan, Tetrachlorsilan
und andere Chlorsilane. Es ist bevorzugt, Tetrachlorsilan, Methylchlorsilan und
Methylhydrogendichlorsilan zu benutzen, um das pyrogene Siliziumdioxid herzustellen,
da diese Silane die billigsten und am leichtesten erhältlichen brauchbaren Chlorsilane
sind. Auch andere Methylchlorsilane und Phenylchlorsilane sowie Vinylchlorsilane
können zum Herstellen pyrogenen Siliziumdioxids eingesetzt werden, doch sind sie
teuerer und haben auch andere Verwendungsarten, so daß sie zum Herstellen des pyrogenen
Siliziumdioxids gemäß der vorliegenden Erfindung nicht bevorzugt sind. Demgegenüber
werden Methylchlorsilane, vorzugsweise Methyltrichlorsilan, Methylhydrogendichlorsilan
und Tetrachlorsilan zum Herstellen pyrogenen Siliziumdioxids
in
der vorliegenden Erfindung benutzt, da ihre anderen Verwendungsmöglichkeiten begrenzt
sind und es einen wirtschaftlichen Vorteil darstellt, sie anstelle anderer Silane
hierfür einzusetzen.
-
Obwohl die Verwendung von Alkoxysilanen und anderen Arten von Silanen
zur Herstellung pyrogenen Siliziumdioxids Vorteile hat, ist es allgemein doch teuerer
diese anderen Arten von Silanen zum Herstellen von pyrogenem Siliziumdioxid zu benutzen,
da die Chlorsilane am leichtesten erhältlich sind.
-
Die Silane werden verdampft und dann mit Luft (oder einem anderen
Oxidationsmittel) und Wasserstoffgas in einem Brennerofen verbrannt. Vorzugsweise
werden die Chlorsilane auf eine Temperatur oberhalb von 90°C erhitzt und insbesondere
auf eine Temperatur im Bereich von 90 bis 150°C, um sie zu verdampfen und sie auf
die richtige Verbrennungstemperatur zu bringen. Der Brenner wird vorzugsweise bei
einer Temperatur von 800 bis 2300°C und noch bevorzugter bei siner Temperatur von
1600 bis 1900°C betrieben, um Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids optimaler Konfiguration
und Teilchengröße zu erhalten.
-
Am Boden des Brennerofens kann Luft eingeführt werden, um die Verbrennungsgase
zu kühlen, so daß sie in dem üblichen Wärmeaustauscher behandelt werden können.
Vorzugsweise werden die Verbrennungsgase auf eine Temperatur von 400 bis 6000C abgekühlt.
Dann leitet man die abgekühlten Gase vorteilhafterweise durch einen Wärmeaustauscher,
der dazu benutzt werden kann, irgendwelche Strömungsmittel zu erwärmen, die in einer
chemischen Anlage benutzt werden, wie 2. B. um Wasser in Dampf umzuwandeln, der
dann in einer üblichen Weise eingesetzt werden kann.
-
Es ist aber nicht erforderlich, daß ein Wärmeaustauscher benutzt wird.
Vielmehr kann jegliche Art, die Verbrennungsgase abzukühlen, benutzt werden, so
daß sie in den Sintermetallfilter eingeführt werden können, wie die Verwendung von
ausreichend Luft zum Abschrecken. Auf diese Weise wird die Temperatur der Verbrennungsgase
auf 3000C oder weniger vermindert.
-
Diese Temperatur ist jedoch nicht kritisch, sondern es ist einfach
eine erwünschte Temperatur, auf die die Gase abgekühlt sein sollen, nachdem man
sie entweder durch einen Wärmeaustauscher geschickt oder in anderer Weise gekühlt
hat, so daß sie durch den Filter geschickt werden können. Außerdem ist diese Temperaturverminderung
bevorzugt, um die Temperatur der Gase zu verringern, nachdem sie im unteren Teil
des Verbrennungsofens bereits abgekühlt wurden.
-
Dann schickt man die Verbrennungsgase durch einen Agglomerator, um
die Teilchengröße des pyrogenen Siliziumdioxids zu erhöhen.
-
Auch dieser Schritt ist nach der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Der Sintermetallfilter trennt mindestens 99,5 % der Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids
ab, auch wenn deren Größe nicht durch den Agglomerator erhöht worden ist. Daß ein
solcher Agglomerator nicht erforderlich ist, ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens, da damit die Ausgaben für einen Agglomerator und seinen Betrieb gespart
werden können.
-
Die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids und die Verbrennungsgase, die
sich allgemein auf einer Temperatur im Bereich von 135 bis 300°C befinden, werden
dann vorzugsweise in den Einlaß der Sintermetallfiltereinheit geleitet. Die Teilchen
pyrogenen Siliziumdioxids,die in dem Sintermetallfilter gebildet oder gesammelt
werden, können dann entweder gelagert oder in einen Kalzinator überführt werden,
der bei Temperaturen oberhalb von 7000C betrieben wird und der ein Trockenofen oder
eine Trockendarre ist, um am pyrogenen Siliziumdioxid vorhandene Feuchtigkeit und
Säure zu entfernen.
-
Vorzugsweise hat das pyrogene Siliziumdioxid einen Feuchtigkeitsgehalt
im Bereich von 0,01 bis 1 Gew.-%. Nach dem Kalzinator, und wenn es erforderlich
ist, die Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids weiter zu verdichten, können sie durch
einen Verdichter geführt werden, der einfach aus zwei Walzen entweder auf Förderbändern
oder nicht bestehen kann, durch die die Masse von Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids
zusammengequetscht
wird, um die Größe der Teilchen und ihre Dichte
zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Dichte des pyrogenen Siliziumdioxids auf 0,064
bis 0,080 g/cm3 erhöht werden, was eine geeignete Dichte zur Verwendung des pyrogenen
Siliziumdioxids als Füllstoff in Siliconkautschukmassen zur Herstellung von Elastomeren
ist.
-
Die aus dem Sintermetallfilter austretenden Verbrennungsgase, die
Chlorwasserstoff enthalten, können dann durch einen Wäscher geleitet werden, um
dieses HCl als Salzsäure aus den Gasen zu entfernen, die in einer chemischen Anlage
eingesetzt werden kann, während die gereinigten Gase durch einen weiteren Wäscher
geleitet werden können, um weitere Verunreinigungen daraus zu entfernen, wie Chlor.
Die Gase haben dann eine etwa der Umgebungstemperatur entsprechende Temperatur,
und sie können an die Atomosphäre abgegeben werden.
-
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, das pyrogene
Siliziumdioxid zu mindestens 99,5 % und vorzugsweise 99,99 % aus den Verbrennungsgasen
zu entfernen. Das so gewonnene pyrogene Siliziumdioxid kann für verschiedene Füllstoffzwecke
eingesetzt werden.
-
Der Filter kann entweder aus einem oder einer Reihe von Filtern bestehen,
die abwechselnd benutzt werden, d. h.
-
während ein Teil der Filter filtriert,werden die anderen freigeblasen,
um Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids davon zu entfernen, die auf den Filterstäben
festgehalten wurden, und sie sammeln sich dann am Boden des Filters. Bei Verwendung
der erfindungsgemäß eingesetzten Sintermetallfilter sind Cyclone für die Erzielung
der vorstehenden Prozentsätze nicht erforderlich, während zusammen mit Filtersäcken
solche Cyclone benutzt werden müssen.
-
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert, in deren einziger Figur ein detailliertes Diagramm eines bevorzugten
schematischen Verfahrens zum Herstellen
von pyrogenem Siliziumdioxid
dargestellt ist, bei dem ein Sintermetallfilter benutzt wird, um die Teilchen pyrogenen
Siliziumdioxids aus den Verbrennungsgasen abzutrennen.
-
In das Flammen- oder Düsenende eines Brennerofens 10 wird Wasserstoff
durch eine Leitung 12, Erdgas durch eine Leitung 14 und Brennerluft durch eine Leitung
16 eingeführt. Wie oben erwähnt, werden die Chlorsilane vorzugsweise vorerhitzt
und zwar in einem Verdampfer 22, von dem aus sie durch eine Leitung 24 in ein oberes
Ende 26 des Brennerofens 10 geleitet werden.
-
Die gebildeten Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids und die Verbrennungsgase
werden dann mittels Druck zum Boden 32 des Brennerofens 10 geführt. Dort wird Luft
durch eine Leitung 30 eingeführt, um die Temperatur der Verbrennungsgase auf weniger
als 900°C abzukühlen und sie vorzugsweise in dem Bereich von 400 bis 6000C zu bringen.
Wenn es nicht erwünscht ist, Wärme in einem Wärmeaustauscher wiederzugewinnen, dann
kann die Temperatur der Verbrennungsgase mit ausreichend Luft durch die Leitung
30 oder auf andere Weise auf 300°C oder weniger vermindert werden, so daß sie danach
in den Sintermetallfilter eingeleitet werden können.
-
Bei Benutzung eines Wärmeaustauschers werden die vorzugsweise auf
eine Temperatur im Bereich von 400 bis 6000C abgekühlten Verbrennungsgase durch
den Boden 32 des Brennerofens 10 und sinne Leitung 34 in einen Wärmeaustauscher
36 überführt. Wasser wird durch eine Leitung 40 in den Wärmeaustauscher 36 geleitet
und verläßt diesen als Prozeßdampf oder heißes Wasser durch eine Leitung 42. Die
abgekühlten Gase mit einer Temperatur von 3000C oder weniger, aber nicht unterhalb
von 135 bis 1500C, verlassen den Wärmeaustauscher 36 durch eine Leitung 50 und gelangen
zu einer Sintermetallfiltereinheit 64, die entweder aus einem einzelnen Filter oder
einer Reihe von Filtern bestehen kann.
-
Das gesammelte pyrogene Silizumdioxi wird dann durch eine Leitung
66 zu einem Kalzinator 67 überführt. Der Kalzinator 67
soll den
Wassergehalt des Füllstoffes bis zu dem erwünschten Niveau vermindern, so daß er
in Siliconkautschukmassen zum Herstellen von Elastomeren eingesetzt werden kann.
Durch Leitungen 68, 69 und 70 wird reiner Stickstoff oder eine Mischung von Stickstoff
und Luft zusammen mit Dampf in den Kalzinator -67 geleitet, um das Austreiben der
Feuchtigkeit zu unterstützen.
-
Der Kalzinator 67 ist ein Rotationsofen, der bei einer Temperatur
oberhalb von 100°C und vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 700°C betrieben
wird, um die Feuchtigkeit aus dem Siliziumdioxid auszutreiben. Die feuchtigkeitshaltigen
Gase, die einige suspendierte Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids mitreißen, werden
dann durch eine Leitung 71 in ein Cyclon 72 geleitet, das den größten Teil pyrogenen
Siliziumdioxids abtrennt, der durch eine Leitung 73 in den Kalzinator 67 zurückgeführt
wird. Die aus dem Cyclon 72 austretenden Gase werden durch eine Leitung 74 in die
Atmosphäre gelassen. Der in den Kalzinator 67 geleiteS Dampf soll das Austreiben
verbliebenen Chlorwasserstoffs aus den Teilchen pyrogenen Siliziumdioxids unterstützen,
da dieser Chlorwasserstoff in einem Füllstoff unerwünscht ist.
-
Vom Kalzinator 67 wird das pyrogene Siliziumdioxid durch eine Leitung
75 in einen Verdichter 76 überführt. Dieser Verdichter 76 erhöht die Dichte des
pyrogenen Siliziumdioxids in einen Bereich von etwa 0,064 bis etwa 0,080 g/cm3.
Der Verdichter 76 kann einfach aus zwei oder einer Reihe von Rollen auf Förderbändern
bestehen, die das pyrogene Siliziumdioxid durch einen kleinen Spalt zusammenquetschen
und dadurch seine Dichte in an sich bekannter Weise erhöhen. Vom Verdichter 76 gelangt
das pyrogene Siliziumdioxid durch eine Leitung 77 zur Lagerung.
-
Die aus dem Sintermetallfilter austretenden Verbrennungsgase, aus
denen etwa das gesamte pyrogene Siliziumdioxid entfernt worden ist, leitet man durch
eine Leitung 80 in eine Wäscherkolonne 82. Das zum Freiblasen intermittierend benutzte
Gas gelangt durch eine Leitung 83 zum Filter 64. Die Verbrennungsgase werden mit
verdünnter HCl gewaschen, die sich am Boden 84
der Kolonne 82 sammelt
und durch eine Leitung 85, eine Pumpe 86 und Leitungen 88, 90, 92 und 94 zum Oberteil
100 der Kolonne 82 zurckgeführt wird. Wasser wird im erforderlichen Maße durch eine
Leitung 102 in die Leitung 88 geleitet. Die wässrige HCl, die bis zu etwa 32 % HCl
konzentriert worden ist, wird dann vom Boden 84 der Kolonne 82 durch eine Leitung
106, mittels der Pumpe 108 und eine weitere Leitung 110 abgezogen und dem gewünschten
Einsatz zugeführt.
-
Die aus der Kolonne 82 abgezogenen Gase gelangen vom Oberteil 100
der Kolonne durch eine Leitung 120 und ein Gebläse 121 zum Boden 122 eines alkalischen
Wäschers 126. Das Gebläse 121 ist erforderlich, um im System einen Druckunterschied
zu erzeugen, mit dem die Verbrennungsgase durch dieses System getrieben werden.
Am Oberteil 128 des alkalischen Wäschers 126 wird Alkali durch eine Leitung 120
eingeführt, die im Gegenstrom zu den Verbrennungsgasen verläuft, die durch die Leitung
120 in den Boden 122 des alkalischen Wäschers eintreten.
-
Die alkalische Lösung sammelt Verunreinigungen, wie Chlor, in Form/NaOC1
und anderen Verbindungen, die durch eine Leitung 140 entfernt und dann in geeigneter
Weise verwertet oder verworfen werden. Die Verbrennungsgase treten durch das Oberteil
128 des alkalischen Wäschers 126 aus und werden durch eine Leitung 150 entfernt.
Diese Gase können vor ihrem Ablassen an die Atmosphäre durch einen nicht gezeigten
Filter geführt werden. An den meisten Standorten mag ein Filter nicht erforderlich
sein.
-
Als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die
Verbrennungsgase, aus denen der größte Teil der Verunreinigungen entfernt worden
ist, an die Atmosphäre abzugeben.
-
Weiter ist es möglich, das HCl-Gas zu gewinnen und es in Form wäßriger
HCl entweder zu verwenden oder zu verkaufen. Schließlich werden allgemein 99 % des
pyrogenen Siliziumdioxids und vorzugsweise mindestens 99,5 % des pyrogenen Siliziumdioxids
unter Einsatz des Sintermetallfilters aus den Verbrennungsgasen entfernt. Der Sintermetallfilter
ist wirtschaftlicher
zu betreiben, da er nicht den Einsatz von
Cyclonen erforderlich macht und weniger Wartung benötigt als ein Beutelfilter.
-
In der folgenden Tabelle sind typische Betriebsbedingungen für einen
Sintermetallfilter in einem Verfahren zum Herstellen pyrogenen Siliziumdioxids angegeben,
bei dem eine Ausrüstung ähnlich der der Zeichnung benutzt wird. Die in der Tabelle
zusammengefaßten Betriebsbedingungen sind typisch und sie veranschaulichen Betriebs
temperatur und Betriebsdrucke sowie Filterkapazitäten von Sintermetallfiltern bei
einem solchen Verfahren. Doch sind die angegebenen Daten der Tabelle nur beispielhaft.
| Filterkapazität |
| Oberflächenge- mg mg |
| Filtrationsge- schwindigkeit 2 1 |
| schwindigkeit am Filter cm /min |
| Filter-Temp.(°C) Druckabfall # [pa](psi) kg/h [m/min] Grains/2
Grains/3 |
| versuch Nr. Ein Aus zu Beginn am Ende (lbs/hr) (ft/min) (Ft
min) (Ft) |
| 1 135 120 17575 (2,5) 6,35 (14) |
| 2 170 130 0 (0) 4220 (0,6) 6,25 (13,8) 0,44 (1,47) 5,58 (88,7)
125,6 (60,4) |
| 3 195 140 705 (0,1) 5625 (0,8) 7,34 (16,2) 0,47 (1,56) 5,15
(81,9) 109,2 (52,5) |
| 4 175 135 5625 (0,8) 4920 (0,7) 5,71 (12,6) 0,44 (1,47) 4,63
(73,6) 104,2 (50,1) |
| 5 270 175 15465 (2,2) 16170 (2,3) 5,17 (11,4) 0,74 (2,46) 1,45
(23,1) 19,55 (9,4) |
| 6 225 155 11950 (1,7) 17575 (2,5) 5,21 (11,5) 0,72 (2,37) 1,62
(25,8) 22,7 (10,9) |
| 7 260 140 10545 (1,5) 10545 (1,5) 5,17 (11,4) 0,75 (2,49) 1,56
(24,9) 21,2 (10,2) |
| 8 370 200 7030 (1,0) |
| 9 145 140 2110 (0,3) 3515 - 5625 5,89 (13) 0,44 (1,47) 6,46
(102,6) 145,2 (69,8) |
| (0,5 - 0,6) |
| 10 150 140 2810 (0,4) 3515 - 4220 6,35 (14) 0,44 (1,47) 3,84
(61,0) 86,3 (41,5) |
| (0,5 - 0,6) |
| 11 130 125 4220 - 6325 12655 - 11250 6,35 (14) 0,45 (1,50)
4,86 (77,2) 107,1 (51,5) |
| (0,6 - 0,9) (1,8 - 1,6) |
| 12 140 130 6325 - 10545 11250 - 16870 6,35 (14) 0,49 (1,61)
4,42 (70,2) 90,7 (43,6) |
| (0,9-1,5) (1,6-2,4) |
| 13 140 130 14060 - 17575 19685 - 24605 6,35 (14) 0,49 (1,61)
4,64 (73,8) 95,3 (45,8) |
| (2 - 2,5) (2,8 - 3,5) |
Leerseite