NO128652B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av findelte siliciumoxyder.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved fremstilling av meget findelte siliciumoxyder fra grovdelt siliciumdioxyd under anvendelse av en væskestabilisert plasmabrenner, hvor det som stabiliseringsvæske som sirkulerer gjennom brenneren benyttes en flytende reaksjonsdeltager som fordamper inn i plasmaet og derved danner plasmaet og i plasmatilstand bringes til å reagere med det grovdelte siliciumdioxyd.

Det er kjent å fremstille siliciummonoxyd fra siliciumdioxyd ved delvis reduksjon med fast earbon i en lysbueovn eller en elektro-ovn. For å minske den nodvendige temperatur arbeides det ofte under redusert trykk.

Fra Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie,.8.- Ausgabe,

1959, System Nrt 15, Teil B (Si),- side 258, er det kjent at siliciummonoxyd kan erholdes ved oppvarming av en blanding av siliciumdioxyd og carbon eller carbonholdig materiale i det nodvendige mengdeforhold i en elektrisk motstandsovn som bare er fylt med inert gass.

Det er dessuten kjent etter intim blanding å presse og brenne det for reaksjonen anvendte siliciumdioxyd og reduksjonscarbonet i form av lysbueelektroder. Den nodvendige varme tilfores via en elektrisk lysbue eller lysbuer mellom slike elektroder.

Det er også kjent å fremstille siliciumqxyd ved å oppvarme en blanding av siliciumdioxyd og metallisk silicium.

Ved de kjente fremgangsmåter fåes alt etter avkjolingsbetingel-sene som de fra reaksjonssonen unnvikende gasser utsettes for (oxy-derende eller noytral eller reduserende atmosfære), findelt siliciumdioxyd, siliciummonoxyd eller blandinger derav som reaksjonsprodukter som også kan inneholde metallisk silicium. For å oppnå tilstrekkelig rene sluttprodukter er det nbdvendig å anvende ikke bare et meget rent utgangssiliciumdioxyd, men også et rent, fast carbon som for det meste bare kan oppnås ved forkoksning eller til og med grafitisering. Den intime blanding hhv. sammenpressing og brenning av utgangsmateri-alene er en kostbar fremgangsmåte .som bare kan utfores med. stort energi- og materialforbruk. De kjente fremgangsmåter er beheftet med den ytterligere ulempe at de bare kan anvendes for en forholdsvis lav materialtilforsel og derfor med et forholdsvis lavt energiutbytte.

Osterriksk patentskrift nr. 252191 angår en fremgangsmåte for fremstilling av intime blandinger av sterkt dispergert kiselsyre og ett eller flere sterkt dispergerte materialer og med i det vesentlige jevn partikkelstorrelse for alle bestanddeler. Ved denne fremgangsmåte overfores minst en oxydisk siliciumforbindelse, eventuelt sammen med andre under normale betingelser faste, oxydiske forbindelser som kan forflyktiges, til gassfase og bringes til ved temperaturer over 1000°C å innvirke på de forbindelser som danner blandingsbestanddelene, hvorpå de dannede faststoffer avkjoles og fraskilles.

Norsk patentskrift nr. 12709<*>+ angår en fremgangsmåte ved gjennom-føring av kjemiske reaksjoner (f.eks. reduksjon eller utvekslings-reaksjon) ved hjelp av en væskestabilisert plasmabrenner, hvor det som stabiliseringsvæske anvendes minst én flytende reaksjonsdeltager som fordamper inn i plasmaet og derved danner minst en del av plasmaet og som i plasmatilstand bringes til å reagere med i .det minste én ytterligere reaksjonsdeltager. ;Det taes ved oppfinnelsen sikte på å unngå de ovenfor angitte ' ulemper som er forbundet med kjente fremgangsmåter, dvs. å fremstille findelte siliciunuoxyder med lavt energiforbruk. ;Dette oppnås ved hjelp av den foreliggende fremgangsmåte som er særpreget ved at hydrocarbon tilfores som stabiliseringsvæske og. reaksjonsdeltager for reduksjon av det grovdelte siliciumdioxyd, og at en del av det i lysbuesonen fordampede og spaltede hydrocarbon som fjernes sammen med det sirkulerende, flytende hydrocarbon, skilles fra dette og det fraskilte fordampede og spaltede hydrocarbon anvendes som bærergass for innforing av det grovdelte siliciumdioxyd. ;Det ved foreliggende fremgangsmåte fremstilte findelte siliciummonoxyd kan utvinnes som sådant, men det er også mulig å overfore dette primært dannede siliciummonoxyd til siliciumdioxyd etter anoden ved reoxydasjon. Derved oppnås et findelt siliciumdioxyd. ;Reoxydasjonen av det primært dannede siliciummonoxyd kan utfores med vann og/eller carbondioxyd. ;Ved foreliggende fremgangsmåte stabiliseres plasmabrenneren med flytende hydrocarboner som samtidig delvis virker som plasmagass. Dvs, at det dannes et plasma av hydrocarbon som bevirker at siliciumdioxydet reduseres. Det velges flytende hydrocarboner med fortrinnsvis et hoyt forhold mellom carbon og hydrogen for på grunn av minsk-ningen av hydrogenmengden å oke energiutbyttet. Slike hydrocarboner er fortrinnsvis de som har et hoyere karboninnhold enn 10 C-atomer pr. molekyl, dvs. bensin og hoyere fraksjoner fra råoljedestillasjon. ;Som siliciumdioxyd anvendes fortrinnsvis kvartssand. En sand som er egnet for fremstilling av glass, kan f.eks. anvendes. Korn-storrelsen kan holdes innen forholdsvis vide grenser, men det er gunstig at kornstbrrelsen ikke overskrider 150-200 mesh. ;Siliciumdioxydet innfores fortrinnsvis direkte .i plasmastrålen ;i nærheten av anoden. ;På tegningen er vist et apparat som er egnet for utforelse av den foreliggende fremgangsmåte som vil bli nærmere beskrevet i for-bindelse med tegningen, hvor en væskestabilisert plasmabrenner med katode 6 og anode 8 tilfores flytende hydrocarbon gjennom åpningene 1 og 3. Dette flytende hydrocarbon sirkuleres og fjernes gjennom åpningene 2 og k. I en ikke vist skilleanordning befris det flytende hydrocarbon for det meddrevne gassformige innhold som anvendes for tilforsel av siliciumdioxydet. 'Plasmastrålen brenner mellom ;katoden 6 og anoden 8 som fortrinnsvis består av carbon. Gjennom et ror 9 tilfores grovdelt siliciumdioxyd i en hydrocarbonbærergass til plasmastrålen. En gasstett reaksjonsbeholder 5 er festet til plasmabrennerens vegg og parallelt anordnet i forhold til plasma-strbmmens akse og rettvinklet i forhold til anoden 8. Denne strekker seg til brennerens utlopsåpning. Plasmastrålen 7 skyter over anodens 8 grunnflate inn i reaksjonsbeholderen. Denne består fortrinnsvis av en varmeisolert carbon-, grafitt-, siliciumcarbid- eller kvarts-sylinder. Tilforselsroret 9 for det pulverformige, grovkornige siliciumdioxyd er anordnet i anodens plan. En reoxydasjonsdusj 12 ;er anordnet etter reaksjonsbeholderen 5? og en bråkjolingsdusj ih- er aksialt forskyvbart anordnet i to avkjblte rorstykker 10 og 13. En skilleanordning 11 er koblet til denne del av apparatet. ;Etter at siliciumdioxydet er blitt tilfort, rives de små korn med av plasmastrålen og aksellereres i retning mot anoden 8 .og til skilleanordningen 11. Reduksjonen til gassformig siliciummonoxyd begynner ved overflaten av de små siliciumdioxyddeler under samtidig oppvarming. De oppvarmede, små siliciumdioxyddeler ville avgi en be-traktelig varmestråling i radial retning og derved ha bragt reduksjonen hurtig til avslutning. På grunn av at reaksjonsrommet består av en isolerende del med en sylindrisk, innvendig åpning slynges imidlertid de små siliciumdioxydpulverdeler i smeltet tilstand til-dels på grunn av plasmastrålen mot denne innervegg og danner der en film med meget hoy viskositet for reduksjonen til siliciummonoxyd er avsluttet, og den dannede film beveger seg under innvirkning av impulsen fra strålen i retning mot skilleanordningen. Derved reduseres det videre til siliciummonoxydgass av strålens bestanddeler slik at siliciumdioxydskiktet er fullstendig oppbrukt ved enden av reaksjonsrommet. Den tilforte mengde siliciumdioxydpulver reguleres slik at det ved utlopet fra reaksjonsrommet ikke dannes noen an-samling av smeltet kvarts. En gasstrom bestående av siliciummonoxyd, carbonmonoxyd og hydrogen og dessuten et eventuelt overskudd av hydrocarbon strbmmer fra reaksjonsrommet mot skilleanordningen. ;Gassblandingens temperatur bor fortrinnsvis holdes over 2300°C ved regulering av energitilfbrselen til brenneren for å unngå ubnskede bireaksjoner, som f,eks. siliciumcarbiddannelse, i dette tverrsnitt. Ved utlopet fra reaksjonsbeholderen kan en reoxydasjon gjennomfbres ved tilfbrsel av vann og/eller carbondioxyd gjennom en ringdusj med radialt innadrettede åpninger. Ethvert materiale eller enhver blanding som inneholder elementært eller kjemisk bundet oxygen er generelt egnet for reoxydasjonen, men med den betingelse at bindingsenergien er mindre enn den frie energi for oxydasjon av siliciummonoxyd til -dioxyd og at det ved reaksjonen ikke dannes bestanddeler som det er vanskelig å skille fra sluttblandingen. Som angitt ovenfor anvendes imidlertid fortrinnsvis vann hhv. vanndamp og/eller carbondioxyd. ;En reoxydasjonsbeholder 15 er anordnet etter reoxydasjons-dusjen og har en lengde som velges i overensstemmelse med den onskede partikkelstorrelse for det blandede siliciumdioxyd. Etter at den onskede partikkelstorrelse, fortrinnsvis 10 - 20 mu, er blitt nådd, kommer suspensjonen av de små partikler i reaks.jansgas-sen til bråkjolingsdusjen 1^. Her innblåses for bråkjolingen et kjolemiddel, fortrinnsvis en fordampbar væske eller en fleratomig gass, radialt og med stor hastighet. Det anvendes fortrinnsvis vann, carbondioxyd eller hydrogen. Etter bråkjolingen skilles de faste små partikler fra gassbestanddelene i et skilleapparat. ;Dersom, siliciummonoxyd skal fremstilles, bor en reoxydasjon unngås så langt som mulig. I dette tilfellet settes ringdysen 12 ut av drift. Som bråkjolingsmiddel benyttes en gass som ikke er istand til å oxydere det dannede siliciummonoxyd, dvs. at det anvendes en edelgass eller hydrogen. Bråkjolingsdusjen lh skyves fortrinnsvis frem til enden av reaksjonsrommet i apparatet. ;Eksempel 1 ;Et flytende hydrocarbon, f.eks. brenselolje, ble tilfort en væskestabilisert plasmabrenner som stabiliseringsmiddel. Under innvirkning av buen som brant mellom den indre grafittkatode og den i reaksjonsbeholderen anordnede stavformige grafittanode ble en del av brenseloljen fordampet og delvis også disossiert og fort rundt i plasmatilstand. En del av disse damper og gasser ble gjennom spalten foran katoden og eventuelt også anoden fjernet sammen med stabili-ser ingsvæsken og etter sirkulasjonssugepumpen skilt fra væsken i et sentrifugalgass-skilleapparat og tilfort gassinnlopet til den pneu-matiske pulvertransportor. Den større del av det dannede plasma strommet over grafittanoden inn i reaksjonsbeholderen 5 omhyllet med en strbm av varme hydrocarbongasser og -damper. Fra pulver transpor-teren ble pulverformig kvartssand med et siliciumdioxydinnhold av 98$ fort av hydrocarbongass-strommen gjennom roret 9 inn i den fra brenneren kommende strbm. De små pulverpartikler ble allerede i ■ svevetilstand delvis redusert til gassformig siliciummonoxyd av carboninnholdet i strålen under samtidig dannelse av carbonmonoxyd. Resten av de små' pulverpartikler ble smeltet og i smeltet tilstand slynget mot kvartsrorets 5 vegger på grunn av strålens turbulens. Dette skikt med en meget hby viskositet strommet langs veggen og ble fort videre av strålen og redusert til gassformig siliciummonoxyd. Strålen fra kvartsroret besto av gassformig siliciummonoxyd, carbonmonoxyd og hydrogen. Ved enden av kvartsroret var det anordnet en ringdusj med radialt innadrettede åpninger. Vanndamp ble tilfort som reoxydasjonsmiddel*gjennom denne. Vann for bråkjoling ble sproytet inn gjennom en annen rekke av radiale åpninger. En reoxydasjon til siliciumdioxyd begynte etter ringdusjen og varte inntil bråkjolingssonen ble nådd, og reoxydasjonen opphbrte på grunn av den sterkt nedsatte temperatur. Etter bråkjolingssonen ble det i gass-suspensjonen inneholdte findelte, faste pulver fraskilt i en skilleanordning. Det ble fremstilt 12 kg meget findelt SiC>2 pr. time med en diameter under 1 /im ved en brenneref f ekt av 120 kWh og en sand-pulvertilfor sel av 13,2 kg/h.

Eksempel 2

I det samme apparat som beskrevet i eksempel 1 ble ringdusjen satt ut av drift. Gjennom bråkjblingsåpningen ble gassformig hydrogen tilfort for bråkjolingen. Reoxydasjonen kunne ved denne fremgangsmåte ikke finne sted på grunn av oxygenmangelen fordi bråkjolingssonen var forskjbvet helt til kvartsroret. Etter bråkjolingen ble det oppnådd et findelt, fast siliciummonoxyd i en strbm av carbonmonoxyd og hydrogen, hvorfra siliciummonoxydet ble skilt etter av-kjøling ..Det ble oppnådd 10 kg/h siliciummonoxydpulver med et monoxyd-innhold av 9&% ved en krafttilførsel av 120 kWh.

Ved foreliggende fremgangsmåte fremstilles siliciumdioxyd med hbyt energiutbytte. Dette oppnås ved at det som plasma anvendes hydrogencarboner, dvs. at hovedreduksjonsarbeidet bevirkes av de i plasmaet forekommende grunnstoffer carbon og hydrogen, hvorved hoved-delen av reduksjonsarbeidet skyldes carbon.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av meget findelte siliciumoxyder fra grovdelt siliciumdioxyd under anvendelse av en væskestabilisert plasmabrenner, hvor det som stabiliseringsvæske som sirkulerer gjennom brenneren, benyttes en flytende reaksjonsdeltager som fordamper inn i plasmaet og derved danner plasmaet og i plasmatilstand bringes til å reagere med det grovdelte siliciumdioxyd, karakterisert ved at hydrocarbon tilfores som stabiliseringsvæske og reaksjonsdeltager for reduksjon av det grov

   delte siliciumdioxyd, og at en del av det i lysbuesonen fordampede og spaltede hydrocarbon som fjernes sammen med det sirkulerende, flyt-ande hydrocarbon, skilles fra dette, og det fraskilte fordampede og spaltede hydrocarbon anvendes som bærergass for innforing av det grovdelte siliciumdioxyd.