DE3739578A1 - Zyklon bei der herstellung von chlorsilanen - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine weitere Ausgestaltung der Apparaturen, die bei der Herstellung von Chlorsilanen in der Wirbelschicht durch Umsetzung von Rohsilicium mit Chlorwasserstoff eingesetzt werden, in denen der mit dem fluidisierten Si-metallhaltigen Ma­ terial in Berührung kommende Werkstoff einen Nickelge­ halt von mindestens 40 Gew.-% aufweist und bei Nickel­ gehalten bis 95 Gew.-% zusätzlich zu den weiteren Werk­ stoffbestandteilen Titan in Mengen zwischen 0,5 und 4 Gew.-% aufweist.

In der deutschen Patentschrift (Patentanmel­ dung P 36 40 172.2) wird ein Reaktor aus nickelhaltigem Werkstoff zur Umsetzung von körnigem Si-metallhaltigem Material mit Chlorwasserstoff in einem Fluidbett unter Bildung von Chlorsilanen beschrieben, dessen Werkstoff einen Nickelgehalt von mindestens 40 Gew.-%, insbeson­ dere über 98 Gew.-% aufweist, und der sich durch eine besondere Verschleißfestigkeit auszeichnet. Wie bei den meisten Fluidbettreaktoren wird auch bei der Umsetzung von körnigem Si-Metall im Fluidbett zur Abscheidung der aus dem Fluidbett aufgewirbelten Partikel aus Si-Metall und Asche ein Zyklon eingesetzt. Die durch den Zyklon abgeschiedenen Partikel können entweder in den Fluid­ reaktor zurückgeführt oder aus dem Prozeß ausgeschleust werden.

Es ist bekannt, daß ein solcher Zyklon viele Bedingungen erfüllen muß, damit die Produktionsanlage einwandfrei arbeitet. Zum einen werden seine Wandungen durch die ab­ zuscheidenden Partikel einer starken Abrasion ausge­ setzt, was zum Durchscheuern und zur Leckage führt. Zum anderen lagern sich Partikel an der Wand des Zyklons an und bilden dort Krusten; diese brechen von Zeit zu Zeit los und verstopfen den Zyklonunterlauf, wodurch die Funktionsfähigkeit des Zyklons nicht mehr gegeben ist und Partikelteilchen unerwünscht in die nachgeschalteten Anlagenteile gelangen, von wo diese aufwendig entfernt werden müssen.

Um das Herstellungsverfahren in diesem Punkte störungs­ freier zu gestalten, besteht daher die Notwendigkeit, einen Zyklon so zu betreiben, daß Verkrustungen nicht mehr auftreten und seine Wandungen dauerhaft gegen Ab­ rasion geschützt sind.

Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit ist es bereits be­ kannt, Oxidschichten durch Plasmaspritzen auf die zu schützende Oberfläche aufzubringen. Solche Überzüge sind jedoch - durch ihr Herstellungsverfahren bedingt - nur einige Zehntel Millimeter dick; sie werden deshalb auch in relativ kurzer Zeit abgetragen, so daß dann ihre Schutzfunktion entfällt. Insgesamt bringen solche Über­ züge demzufolge nur eine geringfügig längere Standzeit des Zyklons mit sich.

Es ist weiterhin bekannt, Auskleidungen aus Sinterkorund gegen abrasiven Staub einzusetzen. Diese bieten auch hier einen guten Schutz während des laufenden Betriebes; jedoch zerfällt die Korundauskleidung bei Außerbetrieb­ nahme der Produktionsanlage bei Kontakt mit der Umge­ bungsluft, so daß auch diese Maßnahme nur bedingt be­ triebstauglich ist.

In der Zeitschrift "Corrosion", Vol. 41, Nr. 2, Seiten 63 bis 69, werden zwar Korrosionsdaten verschiedener Werkstoffe bei Beanspruchung in einem Labor-Wirbelbett­ reaktor bei 500°C beschrieben, wobei in diesem Reaktor Trichlorsilan durch Umsetzung von Tetrachlorsilan mit Wasserstoff in Gegenwart von metallischem Silicium her­ gestellt wird. Aufgrund seiner Untersuchungen kommt der Autor dieses Artikels zu dem Ergebnis, daß Legierungen mit einem hohen Gehalt an Chrom und/oder Molybdän geeig­ nete Werkstoffe für Wirbelschichtreaktoren sind. Dagegen wird reines Nickel als Werkstoff nicht empfohlen, und der Einfluß von Titan auf die Werkstoffeigenschaften wird nicht untersucht.

Es bestand deshalb die Aufgabe, einen Werkstoff für Zyklone zu finden, in denen Si-haltige Materialien und deren mit Chlorwasserstoff und/oder Chlor gebildete Reaktionsprodukte transportiert und abgeschieden werden, wobei dieser Werkstoff eine geringere Neigung zu Abra­ sionen und Verkrustungen zeigen soll als die bekannten, für diesen Zweck eingesetzten Werkstoffe.

In Erfüllung dieser Aufgabe wurde nun in weiterer Ausfüh­ rung des Patents (Patentanmeldung P 36 40 172.2) auch ein Zyklon zur Abscheidung der in der Wirbelschicht aufgewirbelten Si- und aschehaltigen Par­ tikel gefunden, der aus dem in dem Patent (Patentanmeldung P 36 40 172.2) genannten Werkstoff her­ gestellt ist.

Da die Innenwände von Zyklonen einer wesentlich stärke­ ren Beanspruchung ausgesetzt sind als das Wandmaterial von Fluidbettreaktoren, konnte von der Tatsache, daß die genannten nickelhaltigen Werkstoffe sich als Wand­ material für Fluidbettreaktoren bei der Umsetzung von Si-haltigem körnigem Material mit Chlorwasserstoff un­ ter Bildung von Chlorsilanen eignen, nicht von vornher­ ein darauf geschlossen werden, daß diese Werkstoffe auch ein gleich gutes Verhalten in Zyklonen aufweisen.

Es wurde weiterhin gefunden, daß eine Temperierung der Zyklonwand während des Betriebes auf Temperaturen über 190°C insofern von Vorteil ist, als Ankrustungen an der Zykloninnenwand, die zu Betriebsunterbrechungen führen können, dann nicht mehr auftreten. Diese Tempe­ rierung kann in an sich bekannter Weise vorgenommen werden, z. B. mit Dampf, mit Heißöl oder mit elektri­ scher Energie. Zweckmäßigerweise liegt die Temperatur­ obergrenze einer solchen Temperierung bei 300°C.

Die in den erfindungsgemäßen Zyklonen transportierten und abzuscheidenden Materialien sind einerseits nicht umgesetzte körnige Si-haltige Materialien, die als Aus­ gangsstoffe für die Wirbelschicht in den Fluidbettreak­ toren eingesetzt werden, und andererseits die Umset­ zungsprodukte dieses körnigen Si-haltigen Materials mit dem Chlorwasserstoff und/oder Chlor in dem Fluidbett­ reaktor.

Diese Umsetzungsprodukte werden hier auch als asche­ haltige Partikel bezeichnet. Sie umfassen hauptsächlich Aluminium- und Eisenchlorid. Bei dem körnigen Si-halti­ gen Material handelt es sich überwiegend um mitgerissene Partikel aus dem Fluidbettreaktor; es sind im allgemei­ nen Ferrosiliciumteilchen mit einem Siliciumgehalt bis zu 98%.

Die Werkstoffe, die für die Zyklone, in denen die ge­ nannten Si- und aschehaltigen Partikel transportiert und abgeschieden werden, beansprucht werden, sind an sich bekannt. Ihre Verwendung für die genannten Anla­ genteile ist jedoch nicht bekannt; es muß deshalb als überraschend angesehen werden, daß sie sich für den beanspruchten Verwendungszweck eignen, weil sie allge­ mein als relativ weiche Werkstoffe angesehen werden, die mechanisch leicht angegriffen werden können.

Es ist weiterhin erfindungsgemäß wesentlich, daß bei Nickelgehalten in den beanspruchten Werkstoffen zwi­ schen 40 und 95 Gew.-% Titan in Mengen zwischen 0,5 und 4 Gew.-% vorhanden ist. Dieser Titangehalt bewirkt einen geringeren Abtrag als bei analogen Werkstoffen ohne Titan. Die erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffe können außer Nickel und Titan als Legierungskomponenten auch Chrom und Molybdän enthalten; dabei kann der Chromanteil bis zu 25 Gew.-% und der Anteil an Molybdän bis zu 20 Gew.-% betragen. Auch Eisen kann als weiterer metallischer Legierungsbestandteil in Mengen bis zu 30 Gew.-% anwesend sein.

Der bevorzugte Werkstoff ist ein Metall, das Nickel in Anteilen über 98 Gew.-% enthält.

Es genügt, wenn nur die Innenwände der genannten Anlagen­ teile aus den beanspruchten Werkstoffen gefertigt sind. Dies kann dadurch erfolgen, daß in an sich bekannter Weise z. B. entsprechende Bleche auf die Innenwände auf­ geschweißt oder aufplattiert werden.

Die Zyklone oder die sich daran anschließenden Anlagen­ teile können jedoch auch vollständig aus dem nickelhal­ tigen Werkstoff angefertigt sein.

Beispiel

In eine Anlage zur Herstellung von Trichlorsilan durch Umsetzung von körnigem Rohsilicium mit einem Silicium­ gehalt von 98 Gew.-% mit Chlorwasserstoff bei 370°C in einem Fluidbettreaktor wird hinter dem Reaktor zur Abscheidung von Asche und Si-haltigen Partikeln aus dem gasförmigen Produktionsstrom ein Zyklon eingesetzt, dessen Innenwand aus einem Werkstoff gefertigt ist, der über 99 Gew.-% Nickel enthält und der unter der Bezeich­ nung LC-Ni 99 im Handel erhältlich ist. Dieser Zyklon besitzt einen Doppelmantel, der mit Heißöl beheizt wird, so daß die Wandinnentemperatur des Zyklons 200°C be­ trägt. Der Zyklon wurde unter Betriebsbedingungen mehr als 15 Monate betrieben, ohne daß eine Unterbrechung aufgrund von Korrosion oder auftretenden Verkrustungen an der Innenwand notwendig war.

Ein in derselben Anlage eingesetzter Zyklon mit identi­ schen Abmessungen, der jedoch aus unlegiertem Stahl ge­ fertigt war und der ohne Beheizung der Zyklonwände be­ trieben wurde, war nach spätestens 4 Wochen Betriebs­ zeit funktionsuntüchtig und mußte ausgetauscht werden. Infolge dieses Austausches war eine Produktionsunter­ brechung von jeweils 10 Stunden notwendig.

Claims (4)

1. Gegenstand nach Patent (Patentanmeldung P 36 40 172.2) aus einem nickelhaltigen Werkstoff, der mit dem bei der Umsetzung von körnigem Si-hal­ tigem Material in einem Fluidbett unter Bildung von Chlorsilanen auftretenden fluidisierten Si-haltigen Material in Berührung kommt und der einen Nickelge­ halt von mindestens 40 Gew.-%, insbesondere über 98 Gew.-% aufweist, wobei dieser Werkstoff bei Nic­ kelgehalten bis zu 95 Gew.-% zusätzlich zu den wei­ teren Werkstoffbestandteilen Titan in Mengen zwi­ schen 0,5 und 4 Gew.-% enthält, gekenn­ zeichnet als ein Zyklon zur Abschei­ dung der in der Wirbelschicht aufgewirbelten Si- und aschehaltigen Partikel.

2. Zyklon gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Wand auf Temperaturen oberhalb 190°C gehalten wird.

3. Verwendung von nickelhaltigen Werkstoffen mit einem Nickelgehalt von mindestens 40 Gew.-%, insbesondere über 98 Gew.-%, die bei Nickelgehalten bis zu 95 Gew.-% zusätzlich zu den weiteren Werkstoffbe­ standteilen Titan in Mengen zwischen 0,5 und 4 Gew.-% enthalten, als Werkstoff für diejenigen Anlagenteile einer Chlorsilan-Produktion, in denen Chlorwasser­ stoff und/oder Chlor in einer Wirbelschicht mit Si- haltigem Material umgesetzt und/oder in denen dieses Material zusammen mit den bei seiner Umsetzung ent­ stehenden Reaktionsprodukten transportiert und abge­ schieden wird.

4. Verwendung von nickelhaltigen Werkstoffen gemäß An­ spruch 3 in Zyklonen, die sich an einen Reaktor an­ schließen, in dem Si-haltiges Material in einer Wir­ belschicht mit Chlorwasserstoff und/oder Chlor unter Bildung von Chlorsilanen umgesetzt wird.