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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von SiO2-Körnung,
wobei die Körnung zur Entfernung der Verunreinigungen mit
einem halogenhaltigen Gas bei einer Prozesstemperatur von mindestens 800°C
in einer mindestens eine Prozesskammer aufweisenden Reinigungsvorrichtung
beaufschlagt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zur Durchführung des Reinigungsverfahren.
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SiO2-Körnungen, sei es natürlich
vorkommende Quarzkörnungen oder auch amorphe Quarzglaskörnungen
sowie Granulate oder Recyclingmaterial, werden als Rohstoff zur
Quarzglasherstellung eingesetzt. Die erforderliche Qualität
in Bezug auf die Reinheit ist für die Anwendung in der
Optik oder der Halbleiterindustrie sehr hoch. Insbesondere Alkalimetalle,
Erdalkalimetalle, Schwermetalle, Eisen und Kohlenstoff können
sich schädlich auf die gewünschten Eigenschaften
der Quarzglasprodukte auswirken. Es ist daher bekannt SiO2-Körnung durch eine Säurebehandlung
oder durch Thermochlorierung von Verunreinigungen zu befreien.
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Ein
gattungsgemäßes Verfahren für eine kontinuierliche
Reinigung von Quarzpulver und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens sind in
EP-A
0 737 653 beschrieben. Es wird darin vorgeschlagen, das zu
reinigende Quarzpulver kontinuierlich einem elektrisch beheizten
Drehrohrofen aus Quarzglas zuzuführen, in dem es nacheinander
eine Vorheizkammer, eine Reaktionskammer und eine Gas-Desorptionskammer durchläuft.
In der Vorheizkammer wird das Quarzglas auf ca. 800°C erwärmt
und anschließend in der Reaktionskammer bei einer Temperatur
von 1300°C mit einem Gasgemisch aus Chlor und Chlorwasserstoff
behandelt. Dabei reagieren Alkali- und Erdalkaliverunreinigungen
des Quarzpulvers mit dem chlorhaltigen Gasgemisch unter Bildung
gasförmiger Metallchloride. Das Behandlungsgas und die
gasförmigen Reaktionsprodukte werden anschließend
abgesaugt. Der Reinigungseffekt hängt bei diesem bekannten
Verfahren von der Reaktionsdauer des Quarzpulvers mit dem chlorhaltigen
Gasgemisch und von der Reaktionstemperatur ab. Bei höheren
Temperaturen reagiert Chlor schneller mit den metallischen Verunreinigungen,
so dass mit steigender Temperatur ein besserer Reinigungseffekt
zu erwarten wäre. Allerdings bilden sich bei hohen Temperaturen aufgrund
des Erweichens der Körnung Agglomerate, die den weiteren
Zutritt des Behandlungsgases zur Oberfläche der einzelnen
Körner erschweren. Weiterhin hängt der Reinigungseffekt
von der Verweilzeit des Quarzpulvers in der Reaktionskammer ab.
Großkörniges Pulver durchläuft die Reaktionskammer üblicherweise schneller
als feinkörniges Pulver. Dadurch können sich unterschiedliche
Reinheiten ergeben, die sogar innerhalb einer Charge, je nach Temperatur,
Kornfraktion oder Durchsatz unterschiedlich sein können.
Dies erschwert die Reproduzierbarkeit des bekannten Reinigungsverfahrens.
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Aus
WO 00/68147 ist weiterhin
ein „Fließbettverfahren” mit einem vertikal
orientierten Reaktor für die Reinigung von Quarzkörnung
bekannt. Dabei wird die Pulverschüttung aus Quarzkörnung
bei mindestens 1000°C im Gegenstrom mit einem chlorhaltigen
Behandlungsgas durchströmt. Bei einer entsprechend hohen Strömungsgeschwindigkeit
des Behandlungsgases kann die Partikelschicht im laminaren Gasstrom
leicht angehoben werden. Für eine effektive Reinigung ist
dieses Verfahren jedoch sehr kostenintensiv, da man einen sehr hohen
Gasdurchsatz benötigt. Weitere Maßnahmen wie eine
zusätzlich vorgesehene Gasdusche im unteren Pulverbett
gestalten dieses Verfahren und die dazu notwendige Vorrichtung besonders
aufwändig und kostspielig.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorgenannten Nachteile
des Standes der Technik zu vermeiden und ein einfaches und kostensparendes
Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Reinigung von
Quarzkörnung anzugeben, ohne dass Einbußen hinsichtlich
des Reinigungseffekts zu verzeichnen sind.
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Diese
Aufgabe wird für das erfindungsgemäße
Verfahren dadurch gelöst, dass in der Prozesskammer Mischelemente
auf die zu reinigende SiO2-Körnung
einwirken. Die SiO2-Körnung reagiert
bei Temperaturen oberhalb von 800°C, besser oberhalb von
1000°C mit dem halogenhaltigen Behandlungsgas zu Metallhalogeniden
oder anderen flüchtigen Verbindungen, die über
das Abgas aus der Prozesskammer abgeführt werden. Durch
die Mischelemente in der Prozesskammer wird sichergestellt, dass
zum Einen das Behandlungsgas schnell an jedes Körnungspartikel
angreift und dass die entstehenden gasförmigen Verbindungen
der Verunreinigungen möglichst schnell von den SiO2-Partikeln entfernt werden. Es wird also
für raschen Gasaustausch gesorgt und schnell unverbrauchtes
Behandlungsgas wieder zugeführt. Durch die Mischelemente
ist es nicht notwendig den üblichen Gasdurchsatz des Behandlungsgases
zu erhöhen; auch eine zusätzliche Einspeisung für
das Behandlungsgas in die Prozesskammer ist nicht unbedingt erforderlich. Üblicherweise
besteht die Prozesskammer aus einem rotierenden Rohr, das leicht
schräg gestellt ist, so dass die eingespeiste SiO2-Körnung darin langsam in Richtung
Auslauf fortbewegt wird, wobei das Behandlungsgas im Gegenstrom
zugeführt wird. Die Prozesskammer wird in der Regel von
außen beheizt, zusätzlich kann das Behandlungsgas
vorgeheizt werden. Die erfindungsgemäß in der
Prozesskammer angeordneten Mischelemente bewirken eine intensive Durchmischung
der SiO2-Körnung während
des Reinigungsvorgangs und sorgen dafür, dass gerade bei
höheren Temperaturen die Bildung von Körnungsagglomeraten
vermieden wird. Bei solchen Agglomeraten ist der Zutritt des Behandlungsgases
erschwert und ein ungenügender Reinigungseffekt ist zu
befürchten. Weiterhin kann der Durchsatz optimiert werden,
da die Mischelemente auch bei kürzerer Verweilzeit der
SiO2-Körnung in der Prozesskammer
dennoch den erforderlichen Reinigungseffekt gewährleisten.
Beim Einsatz der Mischelemente in der Prozesskammer können
auch SiO2-Körnungen mit einem weiten
Korngrößenspektrum reproduzierbar gereinigt werden,
da der feinteilige Anteil der Körnung nicht länger
als der grobkörnige Anteil in der Prozesskammer verweilt.
Ein zusätzlicher Vorteil für den Einsatz der Mischelemente
liegt darin, dass dadurch keine Abhängigkeit mehr von der
Rieselfähigkeit der SiO2-Körnung
besteht, die sich im Verlauf der Reinigungsbehandlung durch die
Temperatureinwirkung überdies verändern kann.
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Weitere
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine
vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass
die Prozesstemperatur für die zu reinigende SiO2-Körnung in Abhängigkeit
der Korngröße auf maximal 1400°C eingestellt
wird. Eine Prozesstemperatur von bis zu 1400°C ist vorteilhaft,
da je höher die Temperatur desto reaktiver setzen sich
die Verunreinigungselemente mit dem halogenhaltigen Gas um und können
abgeführt werden. Bei derart hohen Temperaturen besteht
insbesondere für feinteilige SiO2-Körnungen
die Gefahr des Agglomeratbildung durch teilweise Zusammensintern
der Partikel. Dem wirken die vorgenannten Mischelemente in der Prozesskammer
entgegen, so dass zumindest bei relativ grobkörnigen SiO2-Körnungen mit einer mittleren
Korngröße von etwa 300 μm noch Prozesstemperaturen
von bis 1400°C angewendet werden können.
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Liegt
dagegen die mittlere Korngröße der zu reinigenden
SiO2-Körnung bei etwa 15 μm
(D50-Wert) so hat es sich als vorteilhaft
erwiesen die Prozesstemperatur im Bereich zwischen etwa 800°C
und 1000°C einzustellen. So können Energiekosten
gespart werden und durch die Mischelemente in der Prozesskammer
wird trotz relativ niedriger Temperatur dennoch gewährleistet,
dass das Behandlungsgas an die feinteiligen Partikel vordringt und
dort seine Wirkung tut. Die Mischelemente in der Prozesskammer verkürzen überdies
die Verweilzeit für die zu reinigende Körnung,
so dass das erfin dungsgemäße Verfahren sehr wirtschaftlich
arbeitet. Dies gilt auch für zu reinigende SiO2-Körnungen
mit einer mittleren Korngröße von 200 μm
(D50-Wert), für die vorteilhaft
eine Prozesstemperatur im Bereich zwischen etwa 1100°C
und 1300°C eingestellt wird.
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Als
vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das halogenhaltige Gas vorzugsweise
Chlorwasserstoff oder ein Mischgas aus Chlorwasserstoff und einem
Inertgas ist. Als Inertgas wird vorzugsweise Stickstoff eingesetzt,
was im Vergleich zu anderen Inertgasen wie Argon oder Helium besonders
kostengünstig ist. Auch Chlor oder Gemische aus Chlor und
Chlorwasserstoff oder Chlorwasserstoff und Stickstoff sind als Reinigungsgas geeignet.
Sowohl Chlor als auch das Reaktionsprodukt der Reaktion mit wasserstoffhaltigen
Komponenten, nämlich Chlorwasserstoff tragen zur Reinigung
der SiO2-Körnung durch Bildung
flüchtiger Metall-Chlor-Verbindungen bei. Die entstehenden
Metallchloride weisen einen relativ niedrigen Siedepunkt auf. Dieser
Effekt kann durch Chlorüberschuss noch verstärkt
werden, indem Verbindungen metallischer Verunreinigungen mit Sauerstoff
durch die entsprechenden Chloride ersetzt werden. Bei besonders
hohen Temperaturen bilden sich überdies Chlorradikale,
die aufgrund ihrer Reaktivität mit metallischen Verunreinigungen
besonders leicht reagieren.
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Besonders
vorteilhaft ist die Wirkung des erfindungsgemäßen
Verfahrens hinsichtlich eines besonders effizienten Reinigungsgrades,
wenn die SiO2-Körnung in einer
Vorheizkammer vorgewärmt wird. Da wie oben erläutert
die Reaktivität mit steigender Temperatur zunimmt, ist
es vorteilhaft, wenn die zu reinigende SiO2-Körnung
schon beim Eintritt in die Prozesskammer vorgeheizt ist. Da das
Verfahren meist im Gegenstrom mit dem halogenhaltigen Behandlungsgas
angewendet wird, liegt die Vorheizkammer in unmittelbarer Nähe
der Absaugung der heißen Reaktionsgase und eines Anteils
nichtumgesetzten halogenhaltigen Behandlungsgas aus der Prozesskammer.
Es kann somit die Restwärme der abzusaugenden Gase für
den Vorwärmvorgang ausgenutzt werden. Dies fördert
die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens hinsichtlich der
Energieausnutzung. Wenn in der Vorheizkammer Mischelemente auf die
SiO2-Körnung einwirken, wird der
Vorheizprozess effektiver gestaltet und es braucht nur eine relativ
kurze Verweilzeit um die eingespeiste SiO2-Körnung
auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht weiterhin darin, dass die gereinigte Körnung
ohne Einwirkung von halogenhaltigem Gas in Luft oder Sauerstoff
nachbehandelt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Nachbehandlung
der gereinigten Körnung in einer der Prozesskammer nachgeordneten
Materialauslaufkammer im gleichen Temperaturbereich wie in der Prozesskammer
und ohne Einwirkung von halogenhaltigem Gas in Luft oder Sauerstoff
erfolgt. Diese Nachbehandlung wird auch als Kalzinierschritt bezeichnet
und bewirkt in Luft- oder Sauerstoffatmosphäre bei relativ
hoher Temperatur, dass eventuelle doch noch an den SiO2-Körnern
anhaftenden, halogenhaltigen Reaktionsprodukte aus dem Reinigungsschritt
in der Prozesskammer oder auch nichtumgesetzten Restgasanteile des
Behandlungsgases aus dem Pulverbett entfernt werden. Dadurch dass
dieser Kalzinierschritt gleich im Anschluss an die Reinigung in
der Prozesskammer erfolgt, ist der Gesamtablauf des Verfahrens kurz
und es bedarf keiner separaten Kalzinieranlage. Eine Variante, bei
der die Regelung der Gasführung in der Prozesskammer zuerst
die Behandlung mittels chlorhaltigen Reinigungsgas und gleich anschließend
eine Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr ermöglicht, kann ebenfalls
zu guten Reinigungsergebnissen führen.
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Eine
weitere Verbesserung in der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens stellt die Ausführungsform dar, bei der das
halogenhaltige Gas als Gasdusche zentral und/oder an den peripheren
Wänden in die Prozesskammer eingeleitet wird. Hierbei wird
durch den Gasdruck ein zusätzlicher Mischeffekt erzielt,
der den der Mischelemente unterstützt. Es ist dabei darauf
zu achten, dass die Gaszuführung derart auf die zu reinigende
SiO2-Körnung einwirkt, dass sich
ein Verwirbelungseffekt ergibt und nicht etwa ein Verdichten des Pulverbetts.
Am besten gewährleistet wird dies, indem die Mischelemente
selbst als Gaszufuhr ausgebildet sind und das Behandlungs gas nur
dann in die Körnung freigegeben wird, wenn das betreffende
Mischelement sich innerhalb des Pulverbetts befindet.
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Hinsichtlich
der Vorrichtung zur Durchführung des Reinigungsverfahrens
wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass zumindest in der Prozesskammer Mischelemente
angeordnet sind. Durch die Mischelemente in der Prozesskammer wird
sichergestellt, dass zum Einen das Behandlungsgas schnell an jedes
Körnungspartikel angreift und dass die entstehenden gasförmigen
Verbindungen der Verunreinigungen möglichst schnell von
den SiO2-Partikeln entfernt werden. Es wird
also für raschen Gasaustausch gesorgt und schnell unverbrauchtes
Behandlungsgas wieder zugeführt. Durch die Mischelemente
ist es nicht notwendig den üblichen Gasdurchsatz des Behandlungsgases
zu erhöhen und zusätzlichen Einspeisungen für
das Behandlungsgas in die Prozesskammer müssen nicht unbedingt
vorgesehen sein. Üblicherweise besteht die Prozesskammer
aus einem rotierenden Rohr, das leicht schräg gestellt
ist, so dass die eingespeiste SiO2-Körnung
darin langsam in Richtung Auslauf fortbewegt wird, wobei das Behandlungsgas
im Gegenstrom zugeführt wird. Die Prozesskammer wird in
der Regel von außen beheizt, zusätzlich kann das
Behandlungsgas vorgeheizt werden. Die erfindungsgemäß in
der Prozesskammer angeordneten Mischelemente bewirken eine intensive
Durchmischung der SiO2-Körnung
während des Reinigungsvorgangs und sorgen dafür,
dass gerade bei höheren Temperaturen die Bildung von Körnungsagglomeraten
vermieden wird. Bei solchen Agglomeraten ist der Zutritt des Behandlungsgases
erschwert und ein ungenügender Reinigungseffekt ist zu
befürchten. Weiterhin kann der Durchsatz optimiert werden,
da die Mischelemente auch bei kürzerer Verweilzeit der
SiO2-Körnung in der Prozesskammer
dennoch den erforderlichen Reinigungseffekt gewährleisten. Beim
Einsatz der Mischelemente in der Prozesskammer können auch
SiO2-Körnungen mit einem weiten
Korngrößenspektrum reproduzierbar gereinigt werden,
da der feinteilige Anteil der Körnung nicht länger
als der grobkörnige Anteil in der Prozesskammer ver weilt.
Ein zusätzlicher Vorteil für den Einsatz der Mischelemente liegt
darin, dass dadurch keine Abhängigkeit mehr von der Rieselfähigkeit
der SiO2-Körnung besteht, die sich im
Verlauf der Reinigungsbehandlung durch die Temperatureinwirkung überdies
verändern kann.
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Hinsichtlich
vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird auf die Ausführungsformen gemäß den
entsprechenden Unteransprüche verwiesen.
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So
zeigen sich die Vorteile der Vorrichtung besonders, wenn die Prozesskammer
als Drehrohr ausgebildet ist. In das Drehrohr wird kontinuierlich
zu reinigende SiO2-Körnung zugeführt,
die durch die Drehbewegung des Drehrohres langsam durchmischt und
die im Drehrohr angeordneten Mischelemente zur Wirkung bringt. Eine
in einem Winkel zur Horizontalen leicht schräg gestellte
Prozesskammer in Form eines Drehrohres erleichtert darüber
hinaus die Förderung der SiO2-Körnung
zum Auslass der Prozesskammer oder zu einer an die Prozesskammer
anschließenden Materialauslasskammer. Die Querschnittsform
des Drehrohres ist vorzugsweise kreisförmig, es sind aber
auch mehreckige oder ovale Querschnittsformen geeignet.
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Um
Probleme eines potenziellen Eintrags von Verunreinigungen durch
das Material der Reinigungsvorrichtung selbst zu vermeiden, bestehen
sowohl die Prozesskammer als auch die darin angeordneten Mischelemente
aus Quarzglas, aus Siliziumcarbid oder aus Silizium.
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Es
hat sich weiterhin bewährt, wenn die Mischelemente als
Schaufeln oder Stege ausgebildet sind, die in den Innenraum der
Prozesskammer hineinragen. Damit wird gewährleistet, dass
die Schüttung der SiO2-Körnung
jederzeit während des Reinigungsverfahrens gut durchmischt
wird und das Behandlungsgas gleichmäßig Zutritt
zu allen Partikeln der zu reinigenden SiO2-Körnung
erhält.
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Eine
weitere vorteilhafte Variante in Bezug auf die Ausgestaltung der
Mischelemente ist die, wenn die Mischelemente als Bänder
ausgebildet sind, die spiralförmig an der Innenwandung
der Prozesskammer entlang geführt sind. Hierdurch wirken
die Mischelemente wie eine Förderschnecke. Sind derartige
Mischelemente direkt mit der Innenwand der Prozesskammer verbunden,
so kann praktisch kein Totraum im Pulverbett entstehen und die Durchmischung
der zu reinigenden SiO2-Körnung
ist optimal gewährleistet. In einer besonders einfachen
Ausführungsform können die mit der Innenwand der
Prozesskammer verbundenen Mischelemente im Falle einer unbeweglichen,
feststehenden Prozesskammer leicht von außen über
die Wand der Prozesskammer in Bewegung gesetzt werden. Wenn die
Prozesskammer aber selbst bewegt wird beispielweise in Form eines
rotierenden Drehrohres, so funktionieren die Mischelemente automatisch
mit der Bewegung der Prozesskammer wenn die Mischelemente mit der
Innenwand der Prozesskammer fest verbunden sind.
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Es
hat sich weiterhin bewährt, wenn der Prozesskammer vorgeschaltet
eine Vorheizkammer für die zu reinigende SiO2-Körnung
und nachgeschaltet der Prozesskammer eine Materialauslaufkammer
angeordnet ist. Da wie oben erläutert die Reaktivität
mit steigender Temperatur zunimmt, ist es vorteilhaft, wenn die
zu reinigende SiO2-Körnung schon
beim Eintritt in die Prozesskammer vorgeheizt ist. Da das Verfahren
in der Regel im Gegenstrom mit dem halogenhaltigen Behandlungsgas
angewendet wird, liegt die Vorheizkammer bevorzugt in unmittelbarer
Nähe der Absaugung der heißen Reaktionsgase und
eines Anteils nichtumgesetzten halogenhaltigen Behandlungsgas aus
der Prozesskammer. Es kann somit die Restwärme der abzusaugenden Gase
für den Vorwärmvorgang ausgenutzt werden. Dies
fördert die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens
hinsichtlich der Energieausnutzung. Wenn zusätzlich in
der Vorheizkammer Mischelemente auf die SiO2-Körnung
einwirken, wird der Vorheizprozess noch effektiver gestaltet und
es braucht nur eine relativ kurze Verweilzeit um die eingespeiste
SiO2-Körnung auf die gewünschte
Temperatur zu bringen. Die Mischelemente in der Vorheizkammer sind
als Schaufeln oder Stege ausgebildet, die in den Innenraum der Vorheizkammer hineinragen
und erfüllen dort prinzipiell die gleiche Funktion wie
die Mischelemente in der Prozesskammer. Ebenso haben sich auch Mischelemente
in der Materialauslaufkammer bewährt.
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Darüber
hinaus zeichnet sich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorteilhaft dadurch aus, dass die Materialauslaufkammer
als Nachbehandlungskammer mit Luft- oder Sauerstoffzutritt ausgebildet
ist, der Zutritt von halogenhaltigem Gas jedoch ausgeschlossen ist.
Diese Nachbehandlung wird auch als Kalzinierschritt bezeichnet und
bewirkt in Luft- oder Sauerstoffatmosphäre bei relativ
hoher Temperatur, dass eventuelle doch noch an den SiO2-Körnern
anhaftenden, halogenhaltigen Reaktionsprodukte aus dem Reinigungsschritt
in der Prozesskammer oder auch nichtumgesetzten Restgasanteile des
Behandlungsgases aus dem Pulverbett entfernt werden. Dadurch dass
diese Nachbehandlungs- oder „Kalzinierkammer” gleich
an die Prozesskammer anschließt, ist der Gesamtablauf des
Verfahrens kurz und der Gesamtaufbau der Reinigungsvorrichtung kompakt.
Es bedarf also keiner separaten Nachbehandlungsanlage. Grundsätzlich ist
auch eine Ausgestaltung der Reinigungsvorrichtung möglich,
bei der durch entsprechende Gasregelung die Nachbehandlung in Luft-
bzw. Sauerstoffatmosphäre noch in der Prozesskammer stattfindet.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gaszufuhr für
das halogenhaltige Gas im Zentrum der Prozesskammer und/oder als
Gasdusche an den peripheren Wänden der Prozesskammer angeordnet
ist. So kann das Behandlungsgas direkt auf die zu reinigende SiO2-Körnung einwirken. Außerdem
wird durch den Gasdruck ein zusätzlicher Mischeffekt erzielt,
der den der Mischelemente unterstützt. Es ist dabei darauf
zu achten, dass die Gaszuführung derart auf die zu reinigende
SiO2-Körnung einwirkt, dass sich
ein Verwirbelungseffekt ergibt und nicht etwa ein Verdichten des
Pulverbetts. Am besten gewährleistet wird dies, indem die
Mischelemente selbst als Gaszufuhr ausgebildet sind und das Behandlungsgas
nur dann in die Körnung freigegeben wird, wenn das betreffende
Mischelement sich innerhalb des Pulverbetts befindet. Mit einer
entsprechenden Regelungstechnik kann die Gaszufuhr gesteuert werden,
was überdies einen sparsamen Einsatz des Behandlungsgases
ermöglicht.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung
zeigen im Einzelnen in schematischer Darstellung
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1 eine
Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für die Reinigung von SiO2-Körnung;
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2 eine
perspektivische Darstellung der Prozesskammer mit Mischelementen
aus 1 für die Reinigung von SiO2-Körnung;
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3a, 3b Beispiele
für die Ausgestaltung von Mischelementen in der Prozesskammer;
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4a, 4b Beispiele
für die Ausgestaltung der Gaszufuhr in die Prozesskammer,
und
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5 eine
schematisches Schnittbild einer Gesamtansicht der erfindungsgemäßen
Reinigungsvorrichtung.
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In 1 wird
schematisch der gesamte Aufbau der Reinigungsvorrichtung 1 wiedergegeben.
Die zu reinigende SiO2-Körnung 2 wird
in die als Drehrohr ausgebildete, leicht schräg gestellte
Reinigungsvorrichtung 1 im oberen Bereich zugeführt.
In 1 ist eine Einfüllvorrichtung für
die zu reinigende SiO2-Körnung
mit einem Blockpfeil mit der Bezugsziffer 3 schematisch
gekennzeichnet. Dieser Bereich wird mit Materialeinlaufkammer oder
mit Vorheizkammer 4 bezeichnet. Die Vorheizkammer 4 wird
von Rohrleitungen berührt oder durchlaufen, in denen die
flüchtigen Verunreinigungsverbindungen aus der in der Prozesskammer 5 gereinigten
Körnung 2 abgeführt werden. In 1 ist
die Absaugung bzw. der Gasauslass durch den Richtungspfeil mit der
Bezugsziffer 9 dargestellt. Da die abgesaugten Gase aus
der heißen Prozesskammer 5 stammen, kann ihre
Abwärme direkt für das Vorheizen der zu reinigenden
SiO2-Körnung 2 genutzt
werden.
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Am
entgegen gesetzten Ende der Vorrichtung 1 befindet sich
die Materialauslaufkammer 6, dazwischen ist die Prozesskammer 5 angeordnet.
Da die Vorrichtung nach dem Gegenstromprinzip arbeitet, wird das
Behandlungsgas in Form von HCl-Gas am unteren Ende der Prozesskammer 5 bzw.
im Bereich des Materialauslaufes 6 eingespeist. In 1 ist
der Gaseinlass durch den Pfeil mit der Bezugsziffer 8 angedeutet. Die
gesamte Vorrichtung 1, also Vorheizkammer 4, Prozesskammer 5 und
Materialauslaufkammer 6 sowie die in die Vorrichtung hinein
ragenden Gasleitungen, besteht aus Quarzglas. Die Materialauslaufkammer 6 weist eine
Materialentnahmevorrichtung für die gereinigte SiO2-Körnung auf, die in 1 mit
einem Blockpfeil mit der Bezugsziffer 14 schematisch angedeutet
ist. Die Vorrichtung kann durch eine in der 1 nicht
dargestellte, äußere oder innere Heizung der Prozesskammer 5 auf
die gewünschte Prozesstemperatur gebracht werden. Zusätzlich
kann das einströmende HCl-Gas vorgeheizt sein. Im Innern
der Prozesskammer 5 befinden sich Mischelemente 7 wie
sie in der Darstellung gemäß 2 zu
sehen sind. Hier sind die Mischelemente als vier Schaufeln 7a ausgebildet,
die die SiO2-Körnung 2 während
der Drehbewegung der Prozesskammer 5 zunächst
aufnehmen und dann im weiteren Verlauf wieder von der Schaufel abrieseln
lassen. Wie aus den 3a und 3b ersichtlich
können die Mischelemente 7 auch andere geometrische
Formen aufweisen. Gemäß 3a sind
die Mischelemente 7 in Form von V-förmigen Stegen 7b ausgebildet,
die mit der Innenwand der Prozesskammer 5 verbunden sind.
Eine andere Variante für die Mischelemente 7 zeigt 3b mit zwei
geraden Stegen 7c, die von der Innenwand der Prozesskammer
in den Innenraum der Prozesskammer 5 hineinragen.
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Die 4a und 4b zeigen
zwei Varianten der Mischelemente bzw. der Gaszuführung.
Bei 4a wird der Querschnitt einer Prozesskammer gezeigt,
bei der radiale als Kammern ausgebildete Wandsegmente an der Innenwand
angeordnet sind, die einerseits die Zuführung des Behandlungsga ses
darstellen und zugleich als Mischelemente 7d in der Prozesskammer
wirken. Die Segmente der Gaszuführung bzw. der Mischelemente,
die in die SiO2-Körnung 2 eintauchen,
geben dort das Behandlungsgas frei, während sie zu einem anderen
Zeitpunkt außerhalb des Pulverbettes kein Behandlungsgas
einlassen. In 4b sind die Mischelemente 7e als
halbkugelförmige oder halbschalenförmige Kammern
ausgeführt, die, sobald sie in das Pulverbett aus SiO2-Körnung 2 eintauchen,
das halogenhaltige Behandlungsgas an die zu reinigende SiO2-Körnung 2 abgeben.
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In 5 wird
in einem schematischen Schnittbild eine gesamte Reinigungsvorrichtung 1 für
das erfindungsgemäße Verfahren gezeigt. Diese
Vorrichtung 1 zeigt insbesondere eine Kombination von Mischelementen 7 mit
Gaszuführkammern 10, die in der Prozesskammer 5 das
Behandlungsgas direkt an die zu reinigende Körnung 2 heranbringen.
Die Mischelemente 7c sind in diesem Fall Stege, die auf
den in axialer Richtung verlaufenden Gaszuführkammern 10 angebracht
sind. Diese Mischelemente können auch in Form einer auf
den Gaszuführkammern 10 befestigten Förderschnecke
ausgebildet sein. Die Vorrichtung ist mit einer Drehdurchführung 11 ausgestattet,
die an der als Drehrohr ausgebildeten Prozesskammer 5 in
Kombination mit einer Gaszuführeinrichtung 13 die
Regelung des Behandlungsgases erlaubt. In der Materialauslaufkammer 6 wird die
SiO2-Körnung 2 unter Luftatmosphäre
bei 1200°C bis 1300°C nachbehandelt. Zum Erhitzen
der Materialauslaufkammer 6 einerseits und zum Vorheizen
des Gastroms andererseits ist eine Heizspirale 12 an der
Innenwand der Materialauslaufkammer 6 vorgesehen. Diese
Ausführungsform der Vorrichtung 1 zeigt eine Kombination
mehrere Gestaltungsdetails, die in vorteilhafter Weise für
das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden
können.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von
Ausführungsbeispielen und den Darstellungen in den vorgenannten
Figuren näher erläutert.
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Beispiel 1:
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Die
zu reinigende SiO2-Körnung 2 ist
eine bereits vorgereinigte Körnung aus natürlich
vorkommenden Quarzsand, der unter der Bezeichnung „IOTA
Standard” im Handel erhältlich ist. Der mittlere
Korndurchmesser beträgt bei dieser Quarzkörnung
etwa 200 μm, wobei der Feinanteil mit einer Korngröße
unterhalb von 63 μm bei etwa 2 Gew.-% liegt. Die in dieser
SiO2-Körnung vorliegenden Verunreinigungen
sind in der unten aufgeführten Tabelle 1 in der Zeile „IOTA-Standard” angegeben.
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Die
vorab gereinigte Quarzkörnung 2 wird kontinuierlich
in die Vorheizkammer 4 der Reinigungsvorrichtung 1 eingespeist
und dort auf ca. 800°C vorgeheizt. Die Gesamtlänge
der Reinigungseinrichtung 1 beträgt etwa 250 cm,
der Durchmesser der als Drehrohr ausgebildeten Prozesskammer beträgt
typischerweise 20 cm.
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Das
Aufheizen der Körnung 2 in der Vorheizkammer 4 geschieht
durch die Abwärme der durch die Vorheizkammer 4 hindurch
geführten Absaugleitungen für das Behandlungsgas
und die gasförmigen Verunreingungsverbindungen aus der
Körnungsbehandlung in der Prozesskammer 5. In
der Vorheizkammer sind Mischelemente 7 angeordnet, die
die zu reinigende SiO2-Körnung
durchmischen, dabei gleichmäßig vorheizen und gleichzeitig
in Richtung der Prozesskammer fortbewegen. Die Vorheizkammer 4 geht
in die Prozesskammer 5 über, ist aber durch eine
Verengung im Querschnitt von dieser teilweise abgetrennt ist. Die
Abtrennung bewirkt einen gewissen Stau der Pulverschüttung
in der Vorheizkammer bevor diese dann zwangsweise durch die verengte
Austrittsöffnung der Vorheizkammer 4 in die Prozesskammer 5 übertritt.
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In
der Prozesskammer 5 wird die SiO2-Körnung 2 schließlich
von HCl-Gas umspült, wobei eine Temperatur im Bereich von
etwa 1200°C eingestellt wird. Bei dieser Temperatur ist
unter Einwirkung des halogenhaltigen Behandlungsgases und zusätzlich
durch die in der Prozesskammer 5 befindlichen Mischelemente 7 eine
sehr gute Reinigungswirkung zu erzielen. Die Verweilzeit der etwa
40 kg umfassenden SiO2-Körnungsmasse
in der Pro zesskammer beträgt etwa 2 Stunden. Als Behandlungsgas
wird HCl-Gas oder ein Gemisch von HCl-Gas und Stickstoff in die
Prozesskammer 5 eingespeist, wobei die Gaszuführungen
durch die Materialauslaufkammer 6 geführt sind.
Dadurch wird das Behandlungsgas von der Restwärme der gereinigten
6 SiO2-Körnung in der Materialauslaufkammer 6 bereits
auf etwa 500°C vorgeheizt bevor es in die Prozesskammer 5 eintritt.
Der Gaseintritt in der Prozesskammer erfolgt über Gaszutrittsöffnungen
an der Innenwand der Prozesskammer 5, oder alternativ oder
zusätzlich auch über Mischelemente 7d, 7e,
die als entsprechende Gaszufuhrkammern ausgebildet sind. Hat die
SiO2-Körnung die Prozesskammer
durchlaufen so wird sie in die Materialauslaufkammer 6 befördert,
in der sie noch einmal einige Zeit ebenfalls bei 1200°C
unter Luftatmosphäre nachbehandelt wird. In dieser Nachbehandlungsphase
werden Restanteile des Behandlungsgases, die an der Körnung
noch anhaften entfernt. Für die eingesetzte „Standard”-Körnung
wird ein gutes Reinigungsergebnis erreicht, das aus Tabelle 1 ersichtlich
ist. Der Durchsatz der zu reinigenden Körnung ist damit
gegenüber dem herkömmlichen Verfahren ohne Mischelemente
in der Prozesskammer um etwa 20% verbessert.
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Beispiel 2:
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Bei
der gemäß Beispiel 2 zu reinigenden Körnung 2 handelt
es sich um eine feinteilige, synthetische SiO2-Körnung 2 mit
einem mittleren Korndurchmesser von 15 μm. Die Körnung 2 wird
genauso wie in Beispiel 1 zunächst in die Vorheizkammer 4 eingespeist
und dort auf 800°C vorgeheizt. Anschließend gelangt
die SiO2-Körnung 2 in
die Prozesskammer 5, wo sie bei etwa 950°C mit
HCl-Gas oder einem Gemisch von HCl-Gas mit Stickstoff behandelt
wird. Gerade bei der feinteiligen Körnung ist es wichtig,
dass insbesondere in der Prozesskammer 5 Mischelemente 7 angebracht
sind, die die feinteilige Körnung während des
Thermochloriervorgang durchmischen und das HCl-Gas optimal an die
Körnungspartikel heranführen. Das HCl-Gas wird
prinzipiell in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 in die Prozesskammer 5 eingespeist,
d. h. es erfolgt zunächst eine Vorwärmen des Behandlungsgases
in der Mate rialauslaufkammer 6 und anschließend
wird das Gas über die Mischelemente 7, 7e direkt
in das Körnungsbett eingespeist. Um nicht unnötig
Behandlungsgas zu verbrauchen wird das Behandlungsgas nur zugeführt
während die jeweiligen Mischelemente 7, 7e sich
in der SiO2-Körnung 2 bewegen.
Die Nachbehandlung in der Materialauslaufkammer erfolgt analog wie
in Beispiel 2 angegeben. Die Verweilzeit der etwa 35 kg umfassenden
feinteiligen SiO2-Körnungsmasse
in der Prozesskammer 5 beträgt etwa 4 Stunden.
Für die eingesetzte feinteilige Körnung wird ein
gutes Reinigungsergebnis erreicht, das aus Tabelle 1 ersichtlich
ist. Der Durchsatz der zu reinigenden Körnung beträgt
etwa 19 kg/Stunde und ist damit gegenüber dem herkömmlichen
Verfahren ohne Mischelemente in der Prozesskammer um etwa 30% verbessert,
wobei der Reinigungsgrad keinesfalls geringer ist als bei einem
vergleichbaren Prozess ohne Mischelemente in der Prozesskammer.
Eine Reinigung von derart feinteiliger Körnung im Fluidbett-Verfahren
kann ein etwa vergleichbar gutes Reinigungsergebnis erzielen, – dies
jedoch nur mit einem wesentlich höheren Gasverbrauch.
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Die
nachfolgende Tabelle zeigt die Anteile an Verunreinigungen vor und
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für
die Reinigung von SiO
2-Körnung
anhand der Beispiele 1 und 2. Die Konzentrationsangaben beziehen
sich auf Gew.-ppb. Die Verunreinigungsgehalte wurden mittels ICP-OES
gemessen; die mit * gekennzeichneten Werte mittels ICP-MS. Tabelle 1
| | Li | Na | K | Mg | Fe | Cu | Cr | Mn | Zr | Ca | Ti | Al |
| „IOTA-Standard” | 590 | 880 | 750 | 20 | 170 | 40 | < 10 | 30 | 930 | 460 | 1.130 | 15700 |
| Beispiel
1 | 574* | 53* | 246* | 20* | 77* | < 10* | < 10* | 12* | 41 | 436 | 1.022 | 15019 |
| | | | | | | | | | | | | |
| 30 μm
Körnung | < 10 | 35 | 35 | < 10 | 620 | 50 | 145 | < 10 | < 10 | 35 | < 10 | 30 |
| Beispiel
2 | < 10* | 30* | < 20* | < 10* | 35* | < 10* | < 10* | < 10* | < 10 | < 30 | < 10 | 30 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0737653
A [0003]
- - WO 00/68147 [0004]