DE69511288T2

DE69511288T2 - Vertikal angeordneter schüttschicht-filmverdampfer für halogenidfreie silizium enthaltende verbindungen

Info

Publication number: DE69511288T2
Application number: DE69511288T
Authority: DE
Inventors: Michael Cain
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1994-12-30
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2015-12-20
Also published as: US5558687A; EP0800489B1; JPH10511923A; AU705116B2; AU4643896A; CA2208031A1; DE69511288D1; EP0800489A1; WO1996020897A1; US5707415A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Verdampfer (Evaporatoren) zur Verwendung zur Herstellung von Vorformen, die dazu verwendet werden können, optische oder akustische Wellenleiterfasern entweder direkt oder über zwischenzeitliche Herstellung eines Kernrohrs/Kernstabs herzustellen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Historisch wurden Halogenid-haltige Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise SiCl&sub4; oder Gemische von SiCl&sub4; mit verschiedenen Dotierungsmitteln zur Herstellung von Vorformen durch Gasphasenablagerungsverfahren, wie beispielsweise MCVD (modified chemical vapor deposition, modifizierte chemische Gasphasenablagerung)-, VAD (vapor axial deposition, axiale Gasphasenablagerung)- und OVD (outside vapor deposition, Außengasablagerung)- Verfahren verwendet.
Beim MCVD-Verfahren werden Halogenid-haltige Ausgangsmaterialien verdampft und mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht, wodurch Oxidteilchen gebildet werden, die auf der Innenseite eines Quarzglasrohrs abgelagert werden. Bei den VAD- und OVD-Verfahren werden verdampfte, Halogenid-haltige Ausgangsmaterialien in einem Brenner hydrolysiert, wodurch Rußteilchen erhalten werden, die im Fall von VAD auf einem rotierenden Startstab (Beuterohr/Einfangrohr) gesammelt werden oder im Fall von OVD auf einem rotierenden Dorn. In einigen OVD-Systemen wird der Mantelteil der Vorform auf einer vorher gebildeten Kernvorform abgelagert anstatt auf einem Dorn.
Es wurden verschiedene Verdampfer entwickelt, die in solchen Prozessen eingesetzt werden können. Beispiele hierfür können gefunden werden in Blankenship, US-Patent Nr. 4,314,837, French, US-Patent Nr. 4,529,427 (Flash-Verdampfer), Tsuchiya et al., US-Patent Nr. 4,938,789, Antos et al., US-Patent Nr. 5,078,092 (Halogenid-freie Reaktanten) und japanische Offenlegungsschrift Nr. 58-125633 (Flash-Verdampfer). Soubeyrand et al., US-Patent Nr. 5,090,985 offenbart die Verwendung eines horizontalen Dünnschichtverdampfers zur Verdampfung verschiedener Ausgangsmaterialien, die zur Herstellung beschichteter Glasgegenstände eingesetzt werden.
Aslami, US-Patent Nr. 4,212,663 offenbart eine vertikal orientierte Festbettsäule mit einer oberen Flüssigkeitszufuhr und einer unteren Gaszufuhr. Die Säule ist mit einem Verdampfersystem für einen flüssigen Reaktanten, z. B. SiCl&sub4;, ausgestattet, in der ein erhitzter Reaktant im oberen Bereich der Säule abgelagert wird, welche ein poröses Füllmaterial enthält, und ein Trägergas, z. B. Sauerstoff, wird durch ein Reservoir des flüssigen Reaktanten und anschließend aufwärts durch die Säule geblasen. Das Aslami-System kann eine zweite erwärmte Säule beinhalten, die oberhalb der ersten Säule angeordnet ist, und dazu dient: (1) zu gewährleisten, daß das Trägergas vollständig gesättigt ist, und (2) zu verhindern, daß Tropfen des flüssigen Reaktanten mit dem Gasstrom mitgeschleppt werden. Es ist von hohem Stellenwert in bezug auf die vorliegende Erfindung, daß Aslamis Reaktant und Trägergas nicht zusammen abwärts strömen, um eine Verdampfung zu erreichen, und anschließend zusammen die Richtung wechseln, um unerwünschte höher molekulargewichtige Bestandteile abzutrennen.
Die GB-Offenlegungsschrift Nr. 1,559,978 stellt ein anderes System dar, bei dem ein poröses Material bei der Verdampfung flüssiger Reaktanten, eingeschlossen SiCl&sub4;, eingesetzt wird. In diesem Fall wird das poröse Material in einem Kessel angeordnet, der den flüssigen Reaktanten enthält, flüssiges Siliconöl wird über die äußere Oberfläche des Kessel geströmt, um den Re aktanten zu erhitzen, und Trägergas wird durch den Reaktanten geblasen oder in einen Teil des porösen Materials, welches oberhalb der oberen Oberfläche des Reaktanten angeordnet ist, eingeführt. Man sagt, daß das poröse Material die differentielle Verdampfung zwischen dem flüssigen Reaktanten und den darin enthaltenen Verunreinigungen unterstützt, wodurch ein reinerer Gasstrom erhalten werden soll, indem entweder der frühere Teil des Gasstroms im Fall einer Verunreinigung mit einem Dampfdruck unterhalb des Reaktanten oder ein späterer Teil des Stroms im Fall einer Verunreinigung mit einem höheren Dampfdruck als dem des Reaktanten verwendet wird.
Ebenso wie das Aslami-Patent offenbart die GB-Offenlegungsschrift nicht das Verdampfungssystem der vorliegenden Erfindung, bei dem spezifische Strömungsmuster verwendet werden, um ein polymerisierbares Material zu verdampfen und um Formen/Spezies mit höherem Molekulargewicht vom Gasstrom abzutrennen.
Die Verwendung Halogenid-haltiger Ausgangsmaterialien erzeugt beträchtliche Mengen Halogenid-haltiger Nebenprodukte, z. B. Salzsäure. Um Umweltverschmutzung zu vermeiden, müssen diese Nebenprodukte gesammelt werden, was die Gesamtkosten des Herstellungsverfahrens für die Vorform erhöht. Demgemäß sind Halogenid-freie Materialien und insbesondere Halogenid-freie Silicium-haltige Materialien wünschenswerte Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Vorformen. Siehe Dobbins et al., US-Patent Nr. 5,043, 002.
Wie im Dobbins et al.-Patent erklärt ist, sind besonders bevorzugte Halogenid-freie Silicium-haltige Materialien zur Verwendung bei der Herstellung von Vorformen Polymethylsiloxane, wobei Polymethylcyclosiloxane besonders bevorzugt sind und Octamethylcyclotetrasiloxan (OMCTS) ganz besonders bevorzugt ist. Dieselben Halogenid-freien Silicium-haltigen Ausgangsmaterialien sind zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
In Cain et al., US-Patent Nr. 5,356,451 ist ein Verdampfer offenbart, der speziell zur Verwendung mit Halogenid-freien, Silicium-haltigen Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise OMCTS, entwickelt wurde. In Übereinstimmung mit dieser Technologie wird ein Vorwärmer in Reihe mit einem Verdampfer, der als flache Platte ausgestaltet ist, verwendet, um den Zustand des Ausgangsmaterials von flüssig zu gasförmig umzuwandeln. Sowohl der Vorwärmer als auch der Verdampfer, der als Platte ausgestaltet ist, verwenden elektrische Widerstandsdrähte als Wärmequelle. Bei dem Vorwärmer wird die Flüssigkeit auf unterhalb ihres Kochpunkts erwärmt. Im Flachbettverdampfer wird zusätzlich Wärme zugeführt, um (1) die Flüssigkeit auf ihre Kochtemperatur zu überführen, und (2) die notwendige Energie bereitzustellen, um die latente Verdampfungswärme des Materials zu überwinden, woraufhin die Flüssigkeit zu Dampf wird.
Halogenid-freie, Silicium-haltige Materialien sind aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Spaltung und Polymerisation bei Behandlung mit übermäßigen Temperaturen schwer zu verdampfen. Polymerisation führt zur Bildung von Formen/Spezies mit höherem Molekulargewicht, welche Gummi und Gele bilden. Zusätzlich können Formen mit höherem Molekulargewichtig in den ursprünglich hergestellten Ausgangsmaterialien vorliegen. Solche Spezies verdampfen nicht leicht, und mit der Zeit neigen die polymerisierten Materialien dazu, Wärmeübertragungsoberflächen zu verschmutzen und Rohrsysteme zu verstopfen. Gegenwärtige Daten legen nahe, daß es möglicherweise nicht möglich ist, Dampf von solchen Materialien, wie OMCTS zu erzeugen, ohne ein wenig Polymerisation hervorzurufen.
Die EP-A-0 303 911 offenbart einen mehrfach parallelen Festbettsäulenverdampfer zur Verdampfung einer Chemikalie mit einer relativ niedrigen Zersetzungstemperatur, wobei die Säule vertikal orientiert ist und eine obere Flüssigkeitszufuhr und eine untere Gaszufuhr aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf die oben genannten Überlegungen ist es ein Ziel dieser Erfindung, einen Verdampfer (Evaporator) für Halogenidfreie Silicium-haltige Materialien bereitzustellen, der (1) die Einwirkung hoher Temperaturen auf das Material minimiert, und (2) das Gummi und die Gele, die mit solch einem Material einhergehen, an einem Ort sammelt, wo sie nicht die Wärmeübertragungsoberflächen verschmutzen oder das Zufuhrleitungssystem verstopfen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verdampfung eines flüssigen Reaktanten bereit, der zur Bildung einer Siliciumdioxid-haltigen Vorform verwendet wird, wobei der Reaktant polymerisierbar ist, wodurch eine Form mit höherem Molekulargewicht gebildet wird, wobei die Vorrichtung enthält:
eine vertikal angeordnete Festbettsäule mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche (56) und einem inneren Betriebsdruck, dessen Maximalwert Pmax beträgt;
Zufuhreinrichtungen (10, 12, 14, 16, 32), um:
(a) den flüssigen Reaktanten der Festbettsäule mit einer ersten vorbestimmten Flußrate zuzuführen und zur Verteilung des flüssigen Reaktanten über die Querschnittsfläche der Säule, und
(b) der Festbettsäule im Bereich der oberen Oberfläche der Säule ein Gas mit einer zweiten vorbestimmten Flußrate zuzuführen,
wodurch der flüssige Reaktant und das Gas beide abwärts durch die Festbettsäule fließen;
Heizeinrichtungen (18, 28, 30, 34, 36, 60, 62) zur Erwärmung der Festbettsäule auf eine ausreichend hohe Temperatur, so daß der flüssige Reaktant und das Gas mit deren vorbestimmten Fluß raten vor Erreichen der unteren Oberfläche der Festbettsäule auf eine Temperatur oberhalb der Taupunkt-Temperatur des flüssigen Reaktanten bei Pmax erwärmt werden, wodurch der flüssige Reaktant vor Erreichen der unteren Oberfläche verdampft wird und von dieser Oberfläche als ein Gemisch des verdampften Reaktanten und des Gases austritt, welches von nun an als Dampf-/Gasgemisch bezeichnet wird;
eine Aufnahmeeinrichtung (24) zur Aufnahme des Dampf-/Gasgemisches, das von der unteren Oberfläche der Festbettsäule austritt;
eine Trenneinrichtung (44) zwischen der unteren Oberfläche der Festbettsäule und der Aufnahmeeinrichtung, zur Abtrennung von Formen mit höherem Molekulargewicht (46) des Reaktanten von dem Dampf-/Gasgemisch; und
eine Entfernungseinrichtung (48), um Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten aus der Trenneinrichtung (44) zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Bereitstellung von Reaktantdämpfen bereit, um eine Siliciumdioxid enthaltende Vorform herzustellen, indem die Reaktant-Dämpfe zersetzt werden, so daß Teilchen gebildet werden, umfassend:
(a) Bereitstellung eines Reaktanten in flüssiger Form mit einer ersten vorbestimmten Flußrate, wobei der Reaktant polymerisierbar ist, so daß Formen mit höherem Molekulargewicht gebildet werden;
(b) Bereitstellung eines Gases mit einer zweiten vorbestimmten Flußrate;
(c) Bereitstellung einer vertikal orientierten Festbettsäule mit einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche;
(d) Durchleitung des flüssigen Reaktanten und des Gases durch die Festbettsäule, wobei der flüssige Reaktant und das Gas beide in der Säule abwärts fließen und der maximale innere Betriebsdruck innerhalb der Säule während des Abwärtsfließens Pmax beträgt;
(e) Erwärmung der Festbettsäule auf eine ausreichend hohe Temperatur, so daß der flüssige Reaktant und das Gas mit deren vorbestimmten Flußraten vor Erreichen der unteren Oberfläche der Säule auf eine Temperatur oberhalb der Taupunkt-Temperatur des flüssigen Reaktanten Pmax erwärmt werden, wodurch der flüssige Reaktant vor Erreichen der unteren Oberfläche verdampft wird und aus dieser Oberfläche als ein Gemisch des verdampften Reaktanten und des Gases (das Dampf-/Gasgemisch) austritt;
(f) Abtrennung von Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten aus dem Dampf-/Gasgemisch; und
(g) Abgabe des Dampf-/Gasgemisches zu einer Dampf-Verwertungsstelle, um die Vorform zu bilden.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden mehrere Festbettsäulen verwendet und um ein zentrales Rohr angeordnet, welches als Aufnahmeeinrichtung für das Dampf- /Gasgemisch, welches die Trenneinrichtung verläßt, dient. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen wird eine Gaszerstäuberdüse verwendet, um den flüssigen Reaktanten und das Gas auf die obere Oberfläche der Festbettsäule aufzubringen.
Bei erfindungsgemäßer Durchführung mit den bevorzugten Ausführungsformen besitzt der Verdampfer dieser Erfindung die folgenden Vorteile gegenüber früheren Verdampfern: (1) Verminderung der Verdampfungstemperatur durch Zuführung von Gas während des Verdampfungsvorgangs, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, daß während des Verdampfungsvorgangs eine Polymerisation des Reaktanten stattfindet; (2) Verminderung der Verschmutzung der Wärmeübertragungsoberfläche und der Verstopfung des Zufuhr rohrleitungssystems durch Hinzunahme einer Trenneinrichtung für Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten als ein Teil des Verdampfers; (3) Ausschaltung des Bedarfs nach Voröfen, die stromaufwärts des Verdampfers für den flüssigen Reaktanten und/oder des Gases angeordnet sind (es sei erwähnt, daß Voröfen verwendet werden können, wenn erwünscht, jedoch im allgemeinen nicht erforderlich sind); (4) Ausschaltung des Erfordernisses, stromabwärts des Verdampfers Sauerstoff zum Reaktanten zu geben (es sei erwähnt, daß Sauerstoff stromabwärts zugeführt werden kann, wenn erwünscht); und (5) Verminderung der heißen Bereiche (hot spots), die zur Polymerisation des Reaktanten führen können, durch Einsatz einer Flüssig-flüssig-Wärmeübertragung anstatt von Widerstandsöfen im Verdampfungsprozeß (es sei erwähnt, daß Widerstandsöfen verwendet werden können, wenn erwünscht).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Dampfzufuhrsystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Fig. 2 ist eine schematische, horizontale Querschnittsansicht eines Verdampfers zur Verwendung in dem System nach Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische, vertikale Querschnittsansicht entlang der Linien 3-3 in Fig. 2 eines Verdampfers zur Verwendung in dem System nach Fig. 1.
Die oben erwähnten Zeichnungen, die in die Beschreibung aufgenommen werden und einen Teil hiervon darstellen, zeigen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, und zusammen mit der Erfindung dienen sie dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Dies soll selbstverständlich so aufgefaßt werden, daß sowohl die Zeichnungen als auch die Beschreibung nur Erklärungen sind und die Erfindung nicht beschränken. Es ist nicht beabsichtigt, daß die Zeichnungen den Maßstab oder relative Proportionen der darin gezeigten Bestandteile andeuten.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt ein Gesamtsystem zur Herstellung von Formen, bei dem ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter Verdampfer verwendet werden kann. Wie dort gezeigt ist, werden eine Reaktantflüssigkeit, wie beispielsweise OMCTS, und ein Gas, wie Sauerstoff, dem vertikalen Festbett-Filmverdampfer 13 zugeführt. Der Verdampfer erzeugt ein Dampf-/Gasgemisch, welches Öfen 20 zugeführt wird. Die Brenner oxidieren den Reaktanten, wodurch Siliciumdioxid-Rußteilchen erzeugt werden, aus denen die gewünschte Vorform gebildet wird.
Ein Brenneraufbau zur Verwendung mit OMCTS und ähnlichen Materialien ist in WO-A-9620898, veröffentlich am 11. Juli 1969, offenbart. Zusätzlich zu einem Reaktant/Sauerstoff-Gemisch wird den Öfen außerdem ein inneres Schutzgas, z. B. N&sub2;, ein äußeres Schutzgas, z. B. O&sub2;, und ein Gemisch aus CH&sub4; und Sauerstoff zugeführt, um eine Stichflamme/Sparflamme zu bilden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird flüssiger Reaktant in einem Flüssigkeitszulaufbehälter 10 gelagert und durch eine Flüssigkeitsdosierpumpe 12, die eine vorbestimmte Flußrate für den Reaktanten gewährleistet, z. B. eine Flußrate im Bereich von 50 bis 500 Gramm/Minute für OMCTS, wobei eine Flußrate im Bereich von 200 bis 400 Gramm/Minute für OMCTS bevorzugt ist, einem Verdampfer 13 zugeführt. Das im Verdampfer verwendete Gas wird in einem Gaszulaufbehälter 14 gelagert und durch die Gasmassenfluß-Steuereinrichtung 16 mit dessen eigener vorbestimmten Flußrate dem Verdampfer zugeführt. Wenn der flüssige Reaktant OMCTS ist und das Gas Sauerstoff ist, ist beispielsweise eine bevorzugte Flußrate für das Gas im Bereich von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,4 Standardliter pro Minute (Slpm) pro Gramm/Minute OMCTS, wobei eine Flußrate von ungefähr 0,32 Slpm pro Gramm/Minute OMCTS besonders bevorzugt ist.
Diese bevorzugte Gasflußrate bewirkt ein Sauerstoff/OMCTS- Dampf-Gemisch, welches direkt den Öfen 20 zugeführt werden kann, ohne daß dem Gemisch weiterer Sauerstoff zugegeben werden braucht. Für andere Reaktanten als OMCTS können bevorzugte Sauerstoff-Flußraten, die einsetzbare Sauerstoff-/Dampfgemische bereitstellen, von einem Fachmann leicht ermittelt werden.
Wenn erwünscht, können dem Verdampfer 13 niedrigere Sauerstoff- Flußraten zugeführt werden. In einem solchen Fall wird zusätzlicher Sauerstoff normalerweise stromabwärts des Verdampfers 13 zu dem Sauerstoff-/Dampfgemisch gegeben. Auf die gleiche Weise können dem Verdampfer andere Gase als Sauerstoff, z. B. ein Schutzgas wie Stickstoff, zugeführt werden, und Sauerstoff kann dem Inertgas-/Dampfgemisch stromabwärts von Verdampfer 13 zugegeben werden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine bevorzugte Konstruktion für den Verdampfer 13, wobei mehrere Festbettsäulen 22, die ein zentrales, vertikal orientiertes Rohr 24 zur Dampf-/Gasaufnahme umgeben, eingesetzt werden. Die Festbettsäulen und das zentrale Rohr 24 bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl und weisen einen Durchmesser von ungefähr 25 mm und eine Länge von ungefähr 75 cm auf. Selbstverständlich können, wenn erwünscht, andere Materialien und Bauteildimensionen verwendet werden.
In den Festbettsäulen können verschiedene Füllstoffe eingesetzt werden, eingeschlossen Kügelchen, Fasern, Ringe, Sattel und ähnliches, die aus Glas, Metall, Keramiken oder anderen Materialien bestehen können, die weitgehend gegenüber dem Reaktanten inert sind. Ein bevorzugtes Füllmaterial umfaßt keramische Elemente mit einer sattelförmigen Form und einer Länge von ungefähr 6 mm. Diese Füllung gewährleistet ein großes Verhältnis von Oberfläche zum Packvolumen. Die untere Oberfläche 56 der Festbettsäule ist mit einem Gitter, einem Sieb oder ähnlichem ausgestattet, um das Füllmaterial in der Säule zu halten.
Die flüssige Phase (OMCTS) und die Gasphase (O&sub2;) werden einer Reihe von Zerstäuberdüsen 32 zudosiert, die sich an der Oberseite des Verdampfers 13 befinden, wobei eine Flüssigkeitsdosierpumpe 12 und eine Gasmassenfluß-Steuereinrichtung 16 verwendet werden. Obwohl die Verwendung von Zerstäuberdüsen bevorzugt ist, können, wenn erwünscht, andere Einrichtungen zur Zufuhr der flüssigen Phase und der Gasphase zum oberen Teil der Festbettsäule verwendet werden, wie beispielsweise eine Vielzahl von Rohren für jede Festbettsäule zur Verteilung der flüssigen Phase über die obere Oberfläche der Säule und ein einzelnes Rohr für jede Säule für die Gasphase. Die Verteilung der flüssigen Phase über die oberen Oberflächen 54 der Festbettsäulen ist wichtig, da die flüssige Phase dazu neigt, in einem engen Strom durch die Säule zu fließen, wenn sie nur einem Teil der oberen Oberfläche zugeführt wird. Solch ein enger Strom reduziert die effektive Oberfläche, die zur Verdampfung der flüssigen Phase zur Verfügung steht, und vermindert damit die Wirksamkeit des Verdampfers.
Gaszerstäuberdüsen, die die flüssige Phase in einem Kegel von Tröpfchen, die durch die Gasphase mitgeführt werden, verteilen (schematisch dargestellt bei 58 in Fig. 3), sind besonders bevorzugt. Solche Düsen gewährleisten gleichmäßigen Kontakt zwischen flüssiger Phase und Gasphase und gleichmäßiges Anfeuchten des Säulenmaterials. Düsen dieser Art haben normalerweise getrennte Einlässe für die flüssige Phase und die Gasphase. Um einen gleichmäßigen Betrieb der Vielzahl der Festbettsäulen von Fig. 2 und 3 zu gewährleisten, sind die Einlässe für die flüssige Phase mit einem Verteilerrohr zum Ausgleich des Flüssigkeitsdrucks verbunden (nicht gezeigt) und die Gaseinlässe sind mit einem Verteilerrohr zum Ausgleich des Gasdrucks verbunden (nicht gezeigt). Diese Verteilerrohre sind wiederum mit der Flüssigkeitsdosierpumpe 12 und der Gasmassenfluß-Steuereinrichtung 16 verbunden.
Es wurde gefunden, daß in der Praxis Gaszerstäuberdüsen mit einer Öffnungsgröße von ungefähr 3 mm, einem Zerstäubungskegel winkel von ungefähr 60º und einem Druckabfall über der Düse von ungefähr 10 psig besonders günstig arbeiten und bevorzugt sind. Andere Düsen können selbstverständlich bei Durchführung der Erfindung verwendet werden, wenn erwünscht.
Die Pfeile 38, 40 und 42 in Fig. 3 zeigen das Strömungsmuster durch den Verdampfer 13. Die Pfeile 38 stellen den gleichlaufenden Abwärtsstrom von flüssigem Reaktanten und Gas durch die Festbettsäulen dar, wobei der flüssige Reaktant vor Erreichen der unteren Oberflächen 56 der Säulen zu Dampf wird (siehe unten). Pfeil 40 stellt den Aufwärtsstrom des Dampf-/Gasgemischs durch das zentrale Rohr 24 dar, und die Pfeile 42 geben die Änderung der Flußrichtung des Dampf-/Gasgemisches von abwärts nach aufwärts in der Phasentrenneinrichtung 44 an. Wie unten erläutert wird, dient diese Richtungsänderung der wichtigen Funktion, Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten von dem Dampf-/Gasgemisch abzutrennen (schematisch gezeigt in Fig. 3 bei 46). Zusätzlich zur Richtungsänderung kann eine weitere Trennung und Filtrierung durch Einrichtung einer Aufprallplatte und/oder durch Glaswolle oder anderes Filtriermaterial am Einlaß des zentralen Rohrs 24 erreicht werden. Durch diese Ansätze kann das austretende Dampf-/Gasgemisch weitgehend vollständig von mitgeschleppten Verunreinigungen gereinigt werden. Es sei angemerkt, daß ein Filtriermaterial allein verwendet werden kann, ohne eine Richtungsänderung des Gas-/Dampfstroms, wenn dies erwünscht ist.
Die Pfeile 60 und 62 in Fig. 1 geben die Strömung von heißem Öl (z. B. Siliconöl) vom Heißöl-Übertragungssystem 18 zum Verdampfer 13 an. Das heiße Öl 28 dient dazu, die Festbettsäulen 22 zu erhitzen, indem es um die äußeren Wände 50 der Säulen strömt. Es dient weiterhin dazu, das Dampf-/Gasgemisch, das in dem zentralen Rohr 24 strömt, zu erhitzen, indem die äußeren Wände 52 dieses Rohrs erhitzt werden. Außer heißem Öl können andere heiße Flüssigkeiten, z. B. Dampf, verwendet werden, um die Festbettsäulen und das zentrale Rohr zu erwärmen, wenn erwünscht. Weiterhin können andere Heizeinrichtungen, wie beispielsweise elektrische Wärmebänder, verwendet werden, obwohl der Ansatz mit heißer Flüssigkeit bevorzugt ist, da hierdurch die Wahrscheinlichkeit für heiße Bereiche im Verdampfer minimiert wird, was zur Polymerisation des Reaktanten führen könnte.
Heißes Öl 28 tritt in den Verdampfer 13 durch die Einlaßöffnung 34 ein und verläßt den Verdampfer durch die Auslaßöffnung 36. Während es sich in dem Verdampfer befindet, strömt das heiße Öl durch die Durchgänge 30, die durch die äußere Hülle 26 des Verdampfers und die äußeren Oberflächen der Festbettsäulen und des zentralen Rohrs definiert sind. Es können Baffles/Stauelemente (nicht gezeigt) in die Durchgänge 30 aufgenommen werden, um eine gleichmäßige Verteilung von heißem Öl um die Kreisumfänge der Wände 50 und 52 zu gewährleisten.
Es sei angemerkt, daß die äußere Hülle 26 über die Düsen 32 hinausragt (und über die oben angeführten Druckausgleichverteilerrohre, mit denen die Düsen verbunden sind), so daß das Innere des Verdampfers ein abgeschlossener Raum ist. Durch die äußere Hülle führen die Ölanschlüsse 34 und 36, der Auslaß des zentralen Rohrs 24 und Einlaßöffnungen (nicht gezeigt), welche dem Druckausgleichverteilerrohr flüssigen Reaktanten und Gas zuführen.
Der Mechanismus des Betriebs von Verdampfer 13 kann als analog angesehen werden zu dem, was an der Oberfläche eines feuchten Thermometers stattfindet. D. h., flüssiger Reaktant bedeckt die Oberflächen des Füllmaterials, und das Gas umgibt diese Oberflächen. In den oberen Bereichen der Säulen ist das Gas ungesättigt. Demgemäß fungiert das Packungsmaterial als Kugel des feuchten Thermometers, wobei flüssiger Reaktant Wärme vom Füllmaterial absorbiert und in das umgebende ungesättigte Gas verdampft.
Gasphase und flüssige Phase werden gleichzeitig, während sie durch die Festbettsäule abwärts strömen, erhitzt. Während deren Temperatur zunimmt, verdampft mehr Flüssigkeit in die Gasphase. Dieser Prozeß wird durch den Wärmestrom und die Diffusion des Dampfs durch das Gas bei der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit gesteuert. Der Prozeß läuft weiter, während das Gemisch abwärts durch die Säulen strömt, bis die Taupunkt-Temperatur erreicht wird. Bei der Taupunkt-Temperatur ist die gesamte flüssige Phase zu Dampf umgewandelt worden, ausgenommen die unerwünschten Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten. Anschließend nimmt die Temperatur des Dampf-/Gasgemisches weiter zu, während es abwärts zur unteren Oberfläche 56 der Säule strömt.
Die Taupunkt-Temperatur hängt von den Molverhältnissen des Reaktanten und des Gases, vom Druck innerhalb der Festbettsäule und dem speziellen Reaktant, der verdampft werden soll, ab. Für OMCTS und Sauerstoff liegt beispielsweise, für die oben angegebenen Flußraten und für einen Maximaldruck (Pmax) in der Säule 22 von ungefähr 137,9 kPa (20 psig), der Taupunkt für OMCTS im Bereich von ungefähr 145-150ºC.
Auf Basis der berechneten Taupunkt-Temperatur für den verwendeten Reaktanten und der Betriebsparameter des Systems wird die Temperatur des heißen Öls 28 auf einen Wert eingestellt, der gewährleistet, daß der flüssige Reaktant und das Gas auf eine Temperatur oberhalb der Taupunkt-Temperatur erhitzt werden, bevor diese die untere Oberfläche 56 der Säule erreichen. Für eine Festbettsäule mit den oben angegebenen Dimensionen, die bei 137,8 kPa (20 psig) arbeitet, wurde gefunden, daß eine Öltemperatur von 175ºC ausreicht, um dieses Erfordernis für OMCTS als Reaktant und für die OMCTS- und O&sub2;-Flußraten, die oben angegeben sind, zu erfüllen. Selbstverständlich können andere Temperaturen eingesetzt werden, wenn erwünscht. Die für andere Reaktanten erforderliche Wärmemenge, andere Molverhältnisse, andere Pmax-Werte und andere Verdampferdimensionen können vom Fachmann ausgehend von dieser Offenbarung einfach bestimmt werden.
Am Ausgang der Festbettsäulen befindet sich die Phasentrenneinrichtung 44, in der Verunreinigungen mit höherem Molekulargewicht 46 vom Dampf-/Gasgemisch abgetrennt und zur Abfallentsorgung gesammelt werden. Insbesondere enthält die Trenneinrichtung 44 die Öffnung 48 zur Entfernung von Formen mit höherem Molekulargewicht, beispielweise während der regelmäßigen Wartung des Systems.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt die Phasentrenneinrichtung 44 eine Kammer, die bewirkt, daß sich der Strom des Dampf- /Gasgemisches von abwärts nach aufwärts ändert. Durch diese Richtungsänderung werden unerwünschte Gele und Gummi wirksam aus dem Dampf-/Gasstrom entfernt. Andere Ansätze zur Reinigung des Dampf-/Gasstroms sind, den Strom durch einen Winkel von weniger als 180º, z. B. 90º umzuleiten und eine Abprallplatte und/oder ein Filtrationsmaterial, wie Glaswolle, in dem Bereich des Stroms anzuordnen, welcher die Verunreinigungen mit sich trägt, nachdem die Umleitung durchgeführt ist, d. h. in den äußeren Anteilen des Stroms, gesehen vom Zentrum der Biegung/Umleitung. Wie oben erwähnt, kann der aus den Festbettsäulen austretende Strom ohne eine Richtungsänderung filtriert werden, wenn erwünscht.
Nach Verlassen der Phasentrenneinrichtung 44 bewegt sich das saubere Dampf-/Gasgemisch durch das zentrale Rohr 24 aufwärts. Die Wand von Rohr 24 wird durch heißes Öl 28 erhitzt, und dadurch wird die Temperatur des Dampf-/Gasgemischs aufrechterhalten, während es durch das Rohr und aus dem Verdampfer strömt.
Die vorliegende Erfindung wird ausführlicher durch das folgende Beispiel beschrieben, ohne zu beabsichtigen, daß sie in irgendeiner Weise beschränkt wird.
Es wurde eine Einzelrohr-Festbettsäule unter Verwendung des oben beschriebenen sattelförmigen Füllmaterials hergestellt. Die Säule wurde aus rostfreiem Stahl hergestellt und wies die oben beschriebenen Dimensionen auf. Die äußere Oberfläche wurde unter Verwendung von Wärmeband auf ungefähr 175ºC erhitzt.
OMCTS und Sauerstoff wurden einer Gaszerstäuberdüse des oben beschriebenen Typs bei einem Einlaßdruck von ungefähr 206,8 kPa (30 psig) zugeführt. Der Druckabfall über das Ventil betrug ungefähr 68,9 kPa (10 psig) und der Druck am Ausgang der Säule betrug ungefähr eine Atmosphäre.
Es wurden OMCTS-Flußraten im Bereich von 33 bis 67 Gramm/Minute verwendet, wobei die Sauerstoff-Flußrate bei einem Verhältnis von 0,32 slpm (g/min) Flüssigkeit gehalten wurde. Wenn beispielsweise die Flußrate der Flüssigkeit auf 33 g/min eingestellt wurde, betrug die entsprechende Flußrate des Gases 10,6 slpm. Diese OMCTS-Flußraten sind äquivalent zu Flußraten im Bereich von 200 bis 400 Gramm/Minute bei einem Verdampfer mit sechs Festbettsäulen, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt. Sowohl die Gasphase als auch die flüssige Phase traten in die Zerstäuberdüse bei Raumtemperatur (25ºC) ein. Tabelle 1 faßt die gemessenen Dampftemperaturen an der Unterseite der Säule für zwei extreme Flußraten zusammen.

Tabelle 1: Auslaßtemperatur des Verdampfers

Flußrate der Flüssigkeit Auslaß-Dampftemperatur
33 g/min 165ºC
67 g/min 156ºC
Die Taupunkt-Temperatur für OMCTS beträgt unter diesen Testbedingungen ungefähr 120-125ºC. Wie in der obigen Tabelle gezeigt ist, war die Festbettsäule in der Lage, für einen weiten Bereich von Flußraten die Temperatur des Reaktanten und des Gases leicht über diese Temperatur zu erhöhen. Vereinbar mit diesen Temperaturen wurde beobachtet, daß kein flüssiger Reaktant an der Unterseite der Säule austrat.
Obwohl hier bevorzugte und andere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, kann der Fachmann, ohne vom Umfang der in den folgenden Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen, weitere Ausführungsformen erkennen. Weiterhin sind die folgenden Ausführungsformen der Erfindung als nicht einschränkend und beispielhaft aufzufassen:
(a) Wenn die Vorrichtung mehrere vertikal orientierte Festbettsäulen umfaßt, umfaßt die Zufuhreinrichtung mehrere Gaszerstäuberdüsen, wobei eine Düse mit jeder Festbettsäule verbunden ist und jede Düse ein Gemisch des flüssigen Reaktanten und des Gases auf die obere Oberfläche der Festbettsäule, mit der sie verbunden ist, sprüht.
(b) Wenn die Vorrichtung mehrere vertikal orientierter Festbettsäulen umfaßt, umfaßt die Aufnahmeeinrichtung eine vertikal orientierte Leitung, und wahlweise
(b1) sind die mehreren Festbettsäulen um die Peripherie der vertikal orientierten Leitung angeordnet, und/oder
(b2) die Vorrichtung umfaßt weiterhin Heizeinrichtungen zum Erhitzen der vertikal orientierten Leitung, und wahlweise sind die mehreren Festbettsäulen und die Aufnahmeeinrichtungen durch eine äußere Hülle umgeben, und die Heizeinrichtungen zum Erhitzen der Festbettsäulen und die Heizeinrichtungen zum Erhitzen der Aufnahmeeinrichtung umfassen Einrichtungen, um eine erhitzte Flüssigkeit in der Hülle und entlang mindestens eines Teils der äußeren Oberfläche der vertikal orientierten Leitung und entlang mindestens eines Teils der äußeren Oberfläche jeder der Festbettsäulen fließen zu lassen.
(c) Wenn die Vorrichtung mehrere vertikal orientierte Festbettsäulen umfaßt, umfaßt die Trenneinrichtung eine Kammer, die mehrere Festbettsäulen mit der vertikal orien tierten Leitung verbindet und in der sich die Flußrichtung des Gas-/Dampfgemisches von abwärts nach aufwärts ändert.
(d) Die Vorform wird dazu verwendet, eine optische Wellenleiterfaser herzustellen.
(e) Bei dem Verfahren zur Bereitstellung von Reaktantdämpfen, um eine Siliciumdioxid enthaltende Vorform herzustellen, wird in Schritt (d) der flüssige Reaktant über die Querschnittsfläche der Säule verteilt, und wahlweise wird der flüssige Reaktant unter Verwendung einer Gaszerstäuberdüse über die Querschnittsfläche der Säule verteilt.
(f) Bei dem Verfahren zur Bereitstellung von Reaktantdämpfen zur Herstellung einer Siliciumdioxid enthaltenden Vorform wird in Schritt (e) die Festbettsäule erhitzt, indem eine erhitzte Flüssigkeit entlang zumindest eines Teils der äußeren Oberfläche der Säule fließen gelassen wird.
(g) Bei dem Verfahren zur Bereitstellung von Reaktantdämpfen zur Herstellung einer Siliciumdioxid enthaltenden Vorform werden in Schritt (f) die Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten in einer Sammelzone gesammelt und regelmäßig aus dieser Zone entfernt.

Claims

1. Vorrichtung zur Verdampfung eines flüssigen Reaktanten, der zur Bildung einer Siliciumdioxid-haltigen Vorform verwendet wird, wobei der Reaktant polymerisierbar ist, wodurch eine Form mit höherem Molekulargewicht gebildet wird, wobei die Vorrichtung enthält:

Eine vertikal angeordnete Festbettsäule (22) mit einer oberen Oberfläche (54), einer unteren Oberfläche (56) und einem inneren Betriebsdruck, dessen Maximalwert Pmax beträgt;

Zufuhreinrichtungen (10, 12, 14, 16, 32,), um:

(a) den flüssigen Reaktanten der Festbettsäule mit einer ersten vorbestimmten Flußrate zuzuführen und zur Verteilung des flüssigen Reaktanten über die Querschnittsfläche der Säule, und

(b) der Festbettsäule im Bereich der oberen Oberfläche der Säule ein Gas mit einer zweiten vorbestimmten Flußrate zuzuführen,

wodurch der flüssige Reaktant und das Gas beide abwärts durch die Festbettsäule fließen;

Heizeinrichtungen (18, 28, 30, 34, 36, 60, 62) zur Erwärmung der Festbettsäule auf eine ausreichend hohe Temparatur, so daß der flüssige Reaktant und das Gas mit deren vorbestimmten Flußraten vor Erreichen der unteren Oberfläche der Festbettsäule auf eine Temperatur oberhalb der Taupunkt-Temperatur des flüssigen Reaktanten bei Pmax er wärmt werden, wodurch der flüssige Reaktant vor Erreichen der unteren Oberfläche verdampft wird und von dieser Oberfläche als ein Gemisch des verdampften Reaktanten und des Gases austritt, welches von nun an als Dampf-/Gas- Gemisch bezeichnet wird;

eine Aufnahmeeinrichtung (24) zur Aufnahme des Dampf- /Gas-Gemisches, das von der unteren Oberfläche der Festbettsäule austritt;

eine Trenneinrichtung (44) zwischen der unteren Oberfläche der Festbettsäule und der Aufnahmeeinrichtung, zur Abtrennung von Formen mit höherem Molekulargewicht (46) des Reaktanten von dem Dampf-/Gas-Gemisch; und

eine Entfernungseinrichtung (48), um Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten aus der Trenneinrichtung (44) zu entfernen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zufuhreinrichtungen (10, 12, 14, 16, 32) mit einer Gaszerstäuber-Düse (58) versehen sind, um ein Gemisch des flüssigen Reaktanten und des Gases auf die obere Oberfläche (54) der Festbettsäule (22) zu sprühen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizeinrichtung mit Einrichtungen (30, 34, 36) versehen ist, um eine erwärmte Flüssigkeit (28) zumindest an einem Teil der äußeren Oberfläche der Festbettsäule (22) entlang fließen zu lassen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die weiterhin mit Einrichtungen (18, 28) zum Erwärmen der Aufnahmeeinrichtung (24) versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Aufnahmeeinrichtung (24) mit einem vertikal orientierten Leitungsrohr (24) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, die weiterhin mit Einrichtungen (18, 34, 36) versehen ist, um eine erwärmte Flüssigkeit (28) an zumindest einem Teil (30) der äußeren Oberfläche (50) des vertikal orientierten Leitungsrohres entlang fließen zu lassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Trenneinrichtung (44) mit einem Leitungsrohr versehen ist, das die Festbettsäule (22) mit dem vertikal orientierten Leitungsrohr (24) verbindet und in dem die Richtung des Flusses des Gas-/Dampf-Gemisches (42) von abwärts (38) nach aufwärts (40) wechselt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, angepaßt zur Herstellung einer Vorform, die zur Herstellung einer optischen Wellenleiterfaser geeignet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit:

einer Vielzahl vertikal orientierter Festbettsäulen (22), wobei jede Säule eine obere Oberfläche (54), eine untere Oberfläche (56) und einen inneren Betriebsdruck aufweist, dessen Maximalwert für alle Säulen Pmax beträgt;

Zufuhreinrichtungen (10, 12, 14, 16, 32), um:

(a) den flüssigen Reaktanten mit einer ersten vorbestimmten Flußrate jeder der Festbettsäulen zuzuführen und den flüssigen Reaktanten über die Querschnittsfläche jeder der Säulen zu verteilen, und

(b) jeder der Festbettsäulen im Bereich der oberen Oberfläche der Säulen ein Gas mit einer zweiten vorbestimmten Flußrate zuzuführen,

wodurch der flüssige Reaktant und das Gas beide durch jede der Festbettsäulen abwärts fließen;

Heizeinrichtungen (18, 28, 30, 34, 36, 60, 62) zum Erwärmen jeder der Festbettsäulen auf eine ausreichend hohe Temparatur, so daß der flüssige Reaktant und das Gas vor Erreichen der unteren Oberfläche der Säule mit ihren vorbestimmten Flußraten auf eine Temperatur oberhalb der Taupunkt-Temperatur des flüssigen Reaktanten bei Pmax erwärmt werden, wodurch der flüssige Reaktant vor Erreichen der unteren Oberfläche verdampft wird und von dieser Oberfläche als ein Gemisch des verdampften Reaktanten und des Gases, von nun an als Dampf-/Gas-Gemisch bezeichnet, austritt;

einer Aufnahmeeinrichtung (24), um das von den unteren Oberflächen der Festbettsäulen austretende Dampf-/Gas- Gemisch aufzunehmen;

einer Trenneinrichtung (44) zwischen den unteren Oberflächen der Festbettsäulen und der Aufnahmeeinrichtung, um Formen höheren Molekulargewichts (46) des Reaktanten von dem Dampf-/Gas-Gemisch abzutrennen; und

einer Entfernungseinrichtung (48), um Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten aus der Trenneinrichtung zu entfernen.

10. Verfahren zur Bereitstellung von Reaktantdämpfen, um eine Siliciumdioxid-haltige Vorform herzustellen, indem die Reaktant-Dämpfe zersetzt werden, so daß Teilchen gebildet werden, umfassend:

(a) Bereitstellung eines Reaktanten in flüssiger Form mit einer ersten vorbestimmten Flußrate, wobei der Reaktant polymerisierbar ist, so daß Formen mit höherem Molekulargewicht gebildet werden;

(b) Bereitstellung eines Gases mit einer zweiten vorbestimmten Flußrate;

(c) Bereitstellung einer vertikal orientierten Festbettsäule (22) mit einer oberen Oberfläche (54) und einer unteren Oberfläche (56);

(d) Durchleitung des flüssigen Reaktanten und des Gases durch die Festbettsäule (22), wobei der flüssige Reaktant und das Gas beide in der Säule abwärts (38) fließen und der maximale innere Betriebsdruck innerhalb der Säule während des Abwärtsfließens Pmax beträgt;

(e) Erwärmung der Festbettsäule (22) auf eine ausreichend hohe Temparatur, so daß der flüssige Reaktant und das Gas mit deren vorbestimmten Flußraten vor Erreichen der unteren Oberfläche (56) der Säule auf eine Temperatur oberhalb der Taupunkt-Temperatur des flüssigen Reaktanten Pmax erwärmt werden, wodurch der flüssige Reaktant vor Erreichen der unteren Oberfläche verdampft wird und aus dieser Oberfläche als ein Gemisch des verdampften Reaktanten und des Gases (das Dampf-/Gas-Gemisch) austritt;

(f) Abtrennung von Formen mit höherem Molekulargewicht des Reaktanten aus dem Dampf-/Gas-Gemisch; und

(g) Abgabe des Dampf-/Gas-Gemisches zu einer Dampf-Verwertungsstelle (20), um die Vorform zu bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in Schritt (f) die Formen mit höherem Molekulargewicht (46) des Reaktanten von dem Dampf-/Gas-Gemisch abgetrennt werden, indem die Flußrichtung (42) des Dampf-/Gas-Gemisches von abwärts (38) nach aufwärts (40) gewechselt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Reaktant ein Polymethylsiloxan ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Reaktant ein Octamethylcyclotetrasiloxan ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Gas Sauerstoff ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Vorform dazu verwendet wird, eine optische Wellenleiterfaser herzustellen.