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Dokumentenidentifikation DE4022707C2 31.01.2002
Titel Isolierungssystem für einen Chlorsilan- und Wasserstoff-Reaktor
Anmelder Hemlock Semiconductor Corp., Hemlock, Mich., US
Erfinder Burgie, Richard Anthony, Midland, Mich., US
Vertreter Spott & Weinmiller, 80336 München
DE-Anmeldedatum 17.07.1990
DE-Aktenzeichen 4022707
Offenlegungstag 31.01.1991
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.01.2002
IPC-Hauptklasse F27D 1/00
IPC-Nebenklasse B01J 19/02   C01B 31/36   
IPC additional class // C07F 7/12,C01B 33/107  

Beschreibung[de]

Die Reaktion von Wasserstoff mit Chlorsilanen erfordert eine Temperatur im Bereich von 500°C bis 1100°C. Die Kinetik dieser Reaktionen ist bei höheren Temperaturen verbessert. Jedoch ist die Möglichkeit, höhere Temperaturen zu erreichen und aufrechtzuerhalten, innerhalb des Reaktors begrenzt durch die wirtschaftlichen Verhältnisse, die erforderlich sind, um die zusätzliche Strahlungswärme zu liefern, und die Fähigkeit des Reaktors, die zusätzliche Hitze zu tolerieren. Das bevorzugte Verfahren, höhere Temperaturen aufrechtzuerhalten innerhalb des Chlorsilan- und Wasserstoff-Reaktors, besteht in verbesserter Isolierung. Jedoch ist eine erhöhte Isolierung nicht genug, die Isolierung muß fähig sein, den erzeugten höheren Temperaturen zu widerstehen.

Es ist bekannt, daß Isolierungen, die aus Kohlenstoff und Graphit hergestellt sind, eine hohe Hitzestabilität haben. Jedoch zeigt es sich, daß diese auf Kohlenstoff basierenden Isolierungsmaterialien, wenn sie in einem Chlorsilan- und Wasserstoff- Reaktor verwendet werden, mit Wasserstoff unter Bildung von Methan und mit Chlorsilanen unter Bildung von Siliciumcarbid reagieren. Diese Reaktionen reduzieren die Isolierungskapazität der auf Kohlenstoff basierenden Isolierung ebenso wie deren strukturelle Integrität.

Die drei hauptsächlich anerkannten Arten der Wärmeübertragung durch die Isolierung sind elektromagnetische Strahlung, Leitung und Konvektion. Wärmeübertragung durch elektromagnetische Strahlung herrscht vor bei Temperaturen oberhalb von etwa 1000°C, aber bei Temperaturen unterhalb etwa 1000°C werden Leitung und Konvektion zunehmend wichtiger als Art der Wärmeübertragung.

Im allgemeinen machen Dichte- und Reflexionseigenschaften ein Material wirksam gegen Wärmeverlust durch elektromagnetische Strahlung. Jedoch nimmt der Verlust an Wärme aufgrund von Leitung zu mit der Zunahme der Dichte des Materials. Daher werden Isolierungen, um den Wärmeverlust als Ergebnis der Leitung durch die Materialien zu vermindern, typischerweise aus Filzmaterialien niedriger Dichte hergestellt.

Derzeit wird vorgeschlagen, daß eine verbesserte Hochtemperatur- Isolierung erreicht werden kann, indem man eine Reihe von Strahlungsabschirmungen mit einer flexiblen Filzisolierung niedriger Dichte kombiniert. Die Anzahl der Strahlungsabschirmungen, die erforderlich ist, um die Temperatur auf einen Punkt unterhalb dem abzusenken, bei dem die Strahlung als Hauptform von Energieverlust dominiert, kann durch Standardmittel abgeschätzt werden (C. K. Crawford, J. Vac. Sci. Technol. 9: 23, 1972). Der Stand der Technik lehrt, daß ein Filz mit niedriger Dichte in Bereichen eines Ofens verwendet werden kann, wo konduktive und konvektive Energie eine zunehmende Bedeutung haben.

Es ist bekannt, daß die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff größer ist als die von Luft. E. W. Edstrand, Evolution and Applicability of High Temperature Electric Heating Fiber Modules, Industrial Heating, November 1986 Seiten 48 bis 51 lehrt, daß bei einer Isolierung, die aus Keramikfaser hergestellt wurde, die Anwesenheit von Wasserstoffgas den Wärmeverlust dramatisch erhöhen kann. Edstrand schlägt vor, daß verbesserte Isolierungsfähigkeiten realisiert werden können, wenn die Keramikfaser-Isolierung eine Dichte von 192 kg/m3 (12 lb/ft3) oder mehr hat. Edstrand liefert keine Information über die Wirkung der Gegenwart von Wasserstoffgas auf Isolierung, die aus Materialien auf Basis von Kohlenstoff hergestellt wurde.

Aus DE 27 44 838 A1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von hochreinem Siliciumcarbidpulver bekannt, bei der ein Graphitrohr in ein Kieselglasrohr eingesetzt ist. Mehrere Schichten aus Graphitfilz sorgen für eine thermische Isolierung zwischen diesen Rohren. Die thermische Isolierung besteht hier aus einer einzigen Komponente, da das innere Graphitrohr einen Bestandteil einer Reaktionskammer bildet.

Die US 4 325 694 beschreibt einen Hochtemperaturofen für isostatischen Druck für die Behandlung keramischer Materialien, wie etwa Siliciumcarbid. Die Wärmeisolierung weist einen isolierenden Abschnitt in Form eines Graphitrohres auf, das von einem mehrlagigen Filz aus Kohlenstoff- oder Graphitfasern umgeben ist.

Auch die US 4 620 839 beschreibt einen Hochtemperaturofen für isostatischen Druck für die Behandlung keramischer Materialien. Bei diesem Ofen besteht die Wärmeisolierung aus einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten perforierten und nicht-perforierten Graphitfolien. In den Löchern der perforierten Folie ist ein Gas gefangen, das eine extrem niedrige Wärmeleitung hat, um möglichst hoch wärmeisolierend zu wirken.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Wärmeisolierungssystem für einen Chlorsilan- und Wasserstoff-Reaktor. Es wurde erkannt während der Entwicklung dieser Erfindung, daß geringere Mengen Chlorsilane und Wasserstoffgase aus dem Reaktor entweichen können und in Kontakt mit der Isolierung kommen können. Der Aufbau des Isolierungssystems der vorliegenden Erfindung vermindert den Angriff durch Reaktionen der freigesetzten Chlorsilane und Wasserstoffgase mit einer Filzisolierung auf Kohlenstoffbasis. Außerdem trägt der Aufbau des Wärmeisolierungssystems dem Angriff von Wasserstoffgas auf die Wärmeübertragung durch einen Filz auf Basis von Kohlenstoff Rechnung und vermindert diesen Angriff. Der Aufbau des Wärmeisolierungssystems gestattet es, den Chlorsilan- und Wasserstoff-Reaktor bei höheren und wirksameren Temperaturen über längere Zeiträume zu betreiben.

Die vorliegende Erfindung ist ein Hochtemperatur-Isolierungssystem zur Verwendung rund um einen Reaktor, der Chlorsilan- und Wasserstoffgase enthält. Das Wärmeisolierungssystem besteht aus einer inneren Strahlungsabschirmung aus Graphit und einem äußeren festen filzartigen isolierenden Material. Die Erfindung vermindert, wie beschrieben, den Verlust der Isolierungsfähigkeit der Filzisolierung auf Basis von Kohlenstoff. Diese Verbesserung wird erreicht durch Verwendung einer Graphit-Wärmestrahlungsabschirmung, um die Grenzflächen-Temperatur zwischen der Graphit- Wärmestrahlungsabschirmung und dem dichten Filz auf Basis Kohlenstoff auf unter etwa 1000°C zu vermindern, der Temperatur, bei der der Filz auf Kohlenstoffbasis weniger reaktiv mit Wasserstoff und Chlorsilanen ist. Die äußere Isolierungsschicht aus festem Filz auf Kohlenstoffbasis hat eine Dichte, die die erhöhte Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoffgas kompensiert. Dieser Aufbau des Wärmeisolierungssystems gestattet es, Chlorsilan- und Wasserstoffreaktoren bei höheren und effizienteren Temperaturen über längere Zeiträume zu betreiben, als es bisher mit bekannten Isolierungsverfahren, die für Chlorsilan und Wasserstoffreaktoren verwendet werden, erreicht werden kann.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun auf die Ausführungsformen, die beispielhaft für die Erfindung in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, Bezug genommen, wobei:

Fig. 1 ein Querschnitt eines Reaktors ist, der das Isolierungssystem der vorliegenden Erfindung anwendet und

Fig. 2 ein vergrößerter Querschnitt einer Ausführungsform der Strahlungswärmeabschirmung ist, die einen Teil des beanspruchten Isolierungssystems darstellt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen umschlossenen Reaktionsbereich 1 mit nebeneinander liegenden Heizelementen 2. Rund um die Heizelemente 2 ist ein Wärmeisolierungssystem angeordnet, bestehend aus einer inneren Strahlungswärmeabschirmung 3 und einer äußeren Isolierungsschicht 4 aus festem Filz auf Kohlenstoffbasis. Der isolierte Reaktor ist von einem Druckgefäßmantel 5 umgeben.

Fig. 1A ist ein vergrößerter Querschnitt der inneren Strahlungswärmeabschirmung 3. Die vergrößerte Sicht zeigt einen Abschnitt der inneren Strahlungswärmeabschirmung 3, mit einer gewickelten Folie 7, deren Windungen durch Abstandshalter 6, die aus einer gerippten bzw. gewellten Folie bestehen, auf gegenseitigen Abstand gehalten sind.

Die vorliegende Erfindung ist ein Wärme-Isolierungs-System für einen Hochtemperatur-Reaktor, der Chlorsilan und Wasserstoffgase enthält. Das Wärmeisolierungssystem umfaßt:

  • A) eine innere Strahlungswärmeabschirmung, die aus Graphit gebildet wird und
  • B) eine äußere Isolierungsschicht aus festem Filz auf Kohlenstoffbasis.

Der Ausdruck "Wärmeisolierungssystem" gibt an, daß die beschriebene Erfindung eine Kombination von Elementen in einem System ist, die die Isolierungsfähigkeiten von Isolierungsmaterialien auf Kohlenstoffbasis erweitert, wenn sie rund um einen Chlorsilan- und Wasserstoffgase enthaltenden Reaktor verwendet werden, wobei diese Gase aus dem Reaktor entweichen und mit dem Isolierungssystem in Kontakt kommen. Das Wärmeisolierungssystem besteht aus einer inneren Schicht, die am wirkungsvollsten gegen Wärmeverlust durch elektromagnetische Strahlung ist, und einer äußeren Schicht, die wirkungsvoller gegen Verluste von konvektiver und konduktiver Wärme ist. Es wird angenommen, daß in dem beschriebenen System auf Kohlenstoffbasis bei Temperaturen oberhalb etwa 1000°C die elektromagnetische Strahlung die Hauptmethode der Wärmeleitung ist. Unter 1000°C werden konduktive und konvektive Wärmeverluste wichtiger. Daher ist, um für das Wärmeisolierungssystem der vorliegenden Erfindung wirksam zu sein, ein Hochtemperatur-Reaktor ein solcher, bei dem die Temperatur der inneren heißen Oberfläche der Isolierung größer als etwa 1000°C wird. Auch bei Temperaturen oberhalb etwa 1000°C reagiert der Filz auf Kohlenstoffbasis in wesentlichem Ausmaß mit Wasserstoffgas unter Bildung von Methan und mit Chlorsilangas unter Bildung von Siliciumcarbid. Die Temperaturverminderung, die durch die Strahlungswärmeabschirmung geboten wird, vermindert die festgestellten Temperaturen durch Filz auf Kohlenstoffbasis, um diese destruktiven Reaktionen zu minimieren und die Isolierungsfähigkeit und strukturelle Integrität der Filzisolation auf Kohlenstoffbasis zu schützen.

Das Chlorsilan, das umgesetzt werden soll, kann jedes Material sein, das eine Bindung von Chlor an Silicium enthält. Das Chlorsilan kann Mono-, Di-, Tri- oder Tetrachlorsilan oder eine Mischung davon sein. Das Chlorsilan kann ein Disilan, das Chlorid enthält, sein. Das Chlorsilan kann z. B. Trimethylchlorsilan, Tetrachlorsilan, Hexachlorsilan oder Heptamethylchlordisilan sein.

Die innere Strahlungswärmeabschirmung wird aus Graphit gebildet. Bevorzugt ist anisotroper Graphit. Unter anisotropem Graphit wird Graphit verstanden, bei dem die Ebene der Kristalle so angeordnet ist, daß eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Wärmeleitung senkrecht zur Ebene der Kristalle als innerhalb der Ebene besteht. Diese Art der Anordnung minimiert die Wärmeleitung durch die Abschirmung, während sie eine einheitlichere Wärmeverteilung innerhalb der Abschirmung zuläßt. Die einheitlichere Wärmeverteilung innerhalb der Abschirmung hilft, lokale Erhitzungspunkte und ein Verbiegen der Abschirmung zu vermindern. Es wird auch angenommen, daß die anisotrope Natur des Graphits eine erhöhte chemische Stabilität des Materials liefert. Die Dichte der inneren Graphit-Wärmestrahlungs-Abschirmung kann etwa 320 kg/m3 bis etwa 1760 kg/m3 sein. Bevorzugt ist eine Dichte von etwa 1120 kg/m3. Die Dichte des Materials trägt zur chemischen Stabilität ebenso wie zur strukturellen Integrität der Abschirmung bei.

Die Strahlungswärmeabschirmung wird aus einer zusammenhängenden Folie des Graphitmaterials, die in eine Spirale für die erforderliche Anzahl von Windungen oder Lagen aufgewickelt ist, gestaltet. Die Anzahl der Windungen bezieht sich nur auf die Anzahl der Windungen der zusammenhängenden Graphitfolie um den Reaktor. Der Abstandshalter z. B., eine gerippte Folie aus anisotropem Graphit, wird, wenn vorhanden, nicht als separate Windung betrachtet. Die Dicke des Graphit-Abschirmungmaterials wird bestimmt durch die Erfordernisse für die Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung, Flexibilität und Größenbeschränkungen. Im allgemeinen liefert eine untere Grenze von 1 µm in der Dicke des Graphitmaterials die erforderlichen Durchlässigkeits-Erfordernisse für elektromagnetische Strahlung. Jedoch hat sich in der Praxis gezeigt, daß eine Dicke von 0,13 bis 0,8 mm für die strukturelle Integrität und die Herstellung der Abschirmung zweckmäßig ist. Obwohl dickere Materialien verwendet werden können, begrenzt die Dicke die Anzahl von Windungen, aus denen eine wirksame Abschirmung aufgebaut sein kann. Ein bevorzugtes Konstruktionsmaterial für die Strahlungswärmeabschirmung ist eine kontinuierliche anisotrope Graphitfolie von etwa 0,4 mm Dicke.

Die Anzahl der Windungen der Graphit-Strahlungswärmeabschirmung wird so bestimmt, daß die Temperatur an der Grenzschicht zwischen der Strahlungswärmeabschirmung und dem festen Filz auf Kohlenstoffbasis auf unter etwa 1000°C vermindert wird. Standardmethoden existieren, um die Anzahl solcher Windungen abzuschätzen (C. K. Crawford, J. Vac. Sci. Technol. 9: 23 (1972)). In der Praxis liefern diese Berechnungen nur eine grobe Abschätzung der erforderlichen Anzahl von Windungen und die tatsächliche Anzahl muß durch Versuche bestimmt werden. Die Anzahl der Windungen hängt teilweise von der erforderlichen Temperaturabsenkung ab, die wiederum abhängig ist von der Temperatur der heißen Oberfläche. Die Anzahl der Windungen hängt auch ab von der Gesamtwärmeübertragung durch Leitung und Strahlung innerhalb der Strahlungswärmeabschirmung. Wärmekonvektion innerhalb der Strahlungsabschirmung wird als vernachlässigbar angesehen.

Die erforderliche Anzahl der Windungen der Folie aus Graphitmaterial, die die Strahlungswärmeabschirmung umfaßt, hängt zum Teil von dem Emissionsvermögen des Graphitmaterials ab. Ein Emissionsvermögen im Bereich von etwa 0,4 bis 0,6 bei 1500°C wird als geeignet für die vorliegende Erfindung angesehen. Bevorzugt ist ein Material mit einem Emissionsvermögen von etwa 0,5.

Die erforderliche Anzahl der Windungen der Folie aus Graphitmaterial, die die Wärmestrahlungsabschirmung umfaßt, ist auch abhängig von der Wärmeleitung an Kontaktpunkten zwischen den Windungen. Die Kontaktpunkte sind Quelle der Wärmeleitung durch die Abschirmung und vermindern daher die Isolierungsfähigkeit der Abschirmung. Deshalb müssen die Windungen so auf Abstand gehalten werden, daß dieser Kontakt minimiert wird. Der Wärmeleitungsverlust einer Strahlungswärmeabschirmung ist auch eine Funktion des Verhältnisses zwischen der heißen Oberfläche der Abschirmung und der kalten Oberfläche. Je näher dieses Verhältnis zu 1 ist, desto wirksamer ist die Strahlungswärmeabschirmung. Deshalb ist der Abstandshalter kritisch, wenn man eine Wärmeabschirmung konstruiert, um den Kontakt zu minimieren und gleichzeitig zu verhindern, daß die Abschirmung zu dick wird, so daß das Verhältnis von innerer zu äußerer Abschirmung wesentlich größer als 1 ist. Bei Beachtung all dieser Faktoren wird die betriebsfähige Anzahl von Windungen im Bereich von 5 bis 85 angesehen. Eine bevorzugte Anzahl von Windungen ist 20 bis 30, wenn die Temperatur der heißen Oberfläche etwa 1300°C bis 1550°C ist und der Abstand von Mitte zu Mitte der Windungen 0,25 bis 2,25 mm (0,01 bis 0,09 inch) ist. Besonders bevorzugt sind unter diesen Bedingungen 28 Windungen. Wenn der Abstand von Mitte zu Mitte der Windungen etwa 0,25 mm ist, ist die bevorzugte Anzahl von Windungen 60 bis 75. Unter der beschriebenen Bedingung ist eine typische geeignete Dicke für die Strahlungswärmeabschirmung etwa 16 mm bis etwa 64 mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Windungen der Strahlungswärmeabschirmung durch Abstandhalter getrennt. Die Abstandhalter können aus Kohlenstoff oder Graphit gebildet sein. Die Abstandshalter können z. B. in Form einzelner Streifen oder Punkte, eines Siebes oder einer perforierten Folie sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Abstandshalter eine gerippte anisotrope Graphitfolie, die an einer Seite der Graphitfolie, die die Strahlungswärmeabschirmung darstellt, befestigt ist. Das Abstandshaltermaterial kann an der Graphitfolie, die die Strahlungswärmeabschirmung darstellt, mit bekannten Mitteln befestigt sein, z. B. einem Klebstoff auf Basis von Kohlenstoff. Es ist wesentlich, daß die Dicke des Abstandshalters entsprechend ist, um den Kontakt der einzelnen Windungen der Strahlungswärmeabschirmung miteinander zu verhindern, ohne unnötig die Gesamtdicke der Abschirmung zu vergrößern. Bevorzugt sind Abstandshalter einer Dicke von etwa 0,025 mm bis etwa 0,5 mm, aber die Dicke kann bis zu etwa 0,8 mm sein. Eine Kombination von Abstandshaltern kann in der Strahlungswärmeabschirmung verwendet werden. Zum Beispiel können die inneren Windungen einer Strahlungswärmeabschirmung durch faserförmige Abstandshalter getrennt sein, während die äußeren Windungen durch einen Abstandshalter in Form einer gerippten Folie getrennt sein können. Strahlungswärmeabschirmungen sind bekannte Materialien und im Handel erhältlich, z. B. angefertigte GRAFOIL® Wärmeabschirmungen, hergestellt von Union Carbide Corporation, Cleveland, Ohio.

Eine Schicht eines festen Filzes auf Kohlenstoffbasis wird um das Äußere der Strahlungswärmeabschirmung angeordnet. Unterhalb etwa 1000°C werden die konduktiven und konvektiven Wärmeverluste normalerweise bedeutsamer als die Strahlungswärmeverluste, deshalb ist ein Filz eine wirksamere Isolierung. Der Filz kann entweder aus Kohlenstoff oder Graphit gebildet sein.

Es wurde gefunden, daß die Verwendung eines festen, hochdichten Filzes auf Kohlenstoffbasis kritisch ist für ein wirksames Isolierungssystem für einen Chlorsilan- und Wasserstoff-Reaktor. Die Verwendung eines hochdichten Filzes auf Kohlenstoffbasis ist das Gegenteil dessen, was im Stand der Technik für Isolierungen auf Kohlenstoffbasis gelehrt wird.

Wenn man die geeignete Dichte des Filzes in Betracht zieht, muß abgewogen werden zwischen der Wärmeleitung durch die Fasern und der Wärmeleitung durch das Gas, das die Hohlräume des Filzes besetzt. In Luft- oder Stickstoff-Umgebungen tritt Wärmeverlust durch Filz auf Kohlenstoffbasis hauptsächlich durch Leitung durch die Fasern bei Temperaturen unterhalb etwa 1000°C auf. Deshalb sind Materialien mit niedriger Dichte von etwa 80 kg/m3 (5 lb/ft3) oft bevorzugt. Jedoch hat das Wasserstoffgas, das in dem Reaktor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Wärmeleitfähigkeit, die etwa siebenmal größer ist als die von Luft oder Stickstoff. Deshalb spielt die Wärmeleitung durch die Filzhohlräume, die Wasserstoff enthalten, eine wesentlich größere Rolle beim Wärmeverlust. Wegen der höheren Wärmeleitung von Wasserstoff wurde gefunden, daß Filzmaterialien auf Kohlenstoffbasis mit höherer Dichte mit verminderten Hohlräumen eine bessere Isolierung für den Chlorsilan- und Wasserstoff-Reaktor liefern. Die höhere Dichte der Materialien vermindert auch die Strahlungswärme-Übertragung, was jede Erhöhung der Faserleitung kompensiert.

Die Dichte des Filzes auf Kohlenstoffbasis ist nicht nur wichtig für die Isolierungsfähigkeit des Filzes, sondern ist auch wichtig für die strukturelle Integrität der Isolierung. Die erhöhte Dichte trägt zur Festigkeit des Materials bei. Es ist kritisch für die vorliegende Erfindung, daß der Kohlenstoff-Filz fest ist, um zu verhindern, daß das Material kollabiert im Fall von geringer Methanbildung und Siliciumcarbidbildung an der Grenzfläche zur Strahlungswärmeabschirmung.

Materialien wie Kohlenstofffaser- oder Graphitfaser-Filze mit Dichten von etwa 160 kg/m3 bis 800 kg/m3 werden als vorteilhaft angesehen. Bevorzugt sind Materialien mit einer Dichte von etwa 320 kg/m3 bis etwa 480 kg/m3. Am meisten bevorzugt ist ein Material mit einer Dichte von etwa 400 kg/m3. Filze auf Kohlenstoffbasis mit Dichten im angegebenen Bereich sind im Handel erhältlich bei Union Carbide Corporation, UCAR Division, Cleveland, Ohio.

Die Dicke des verwendeten Filzes auf Kohlenstoffbasis wird sowohl von dem erzielbaren Abstand innerhalb des Reaktors als auch von der erforderlichen Temperaturabsenkung abhängen. Eine Dicke von etwa 13 min bis 305 mm wird als vorteilhaft angesehen.

Bevorzugt ist ein Filz auf Kohlenstoffbasis mit einer Dicke von etwa 25 mm bis etwa 152 mm.

Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung erläutern und den Schutzbereich der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen wiedergegeben ist, nicht beschränken.

Beispiel 1 (nicht erfindungsgemäß)

Eine Untersuchung wurde durchgeführt, um die Gründe für das Versagen einer Kohlenstoff-Filz-Isolierung festzustellen, wenn sie als Isolierung rund um einen Reaktor, der Chlorsilan und Wasserstoff enthält, verwendet wird. Die Beschickungsmaterialien wurden erhitzt über die Reaktionstemperatur durch ein 1400°C- bis 1550°C-Graphit-Widerstandsheizsystem, das in dem Reaktor angeordnet und von dem Isolierungsmaterial umgeben war. Das Isolierungsmaterial bestand aus einer 152 mm dicken Schicht von Kohlenstofffilz mit einer Dichte von 168 kg/m3. Das Verfahren wurde 190 Tage lang betrieben, wonach die äußere Manteltemperatur des Reaktor-Druckkessels auf einen Punkt angestiegen war, der ein Abschalten des Reaktors erforderte.

Der Isolierungs-Kohlenstofffilz des Reaktors wurde entfernt und sowohl visuell als auch mit analytischen Standardtechniken auf Art und Grund des Versagens geprüft. Ein Querschnitt der entfernten Isolierung wurde erstellt und visuell auf Änderungen geprüft. Ausgehend vom inneren Durchmesser der Isolierung zum äußeren Durchmesser konnten drei Bereiche identifiziert werden. Ein innerer Bereich, Bereich A, bestand aus 6% bis 9% der Gesamtdicke der Isolierung und hatte eine hohe Dichte und besaß gute strukturelle Integrität. Ein mittlerer Bereich, Bereich B, bestand aus 25% bis 50% der Gesamtdicke der Isolierung, hatte eine niedrige Dichte und eine schlechte strukturelle Integrität; und ein äußerer Bereich, Bereich C, der aus 38% bis 62% der Gesamtdicke der Isolierung bestand. Bereich C bestand aus unreagiertem Kohlenstofffilz.

Zusätzlich wurden Proben von jedem der drei Bereiche für gravimetrische und chemische Analyse erstellt. Ungefähr 1 g Proben von jedem Bereich wurden pulverisiert und im Platintiegel eingewogen. Freier Kohlenstoff wurde bestimmt aus der Abnahme des Probengewichts nach Brennen in Luft bei 950°C über mindestens 4 Stunden.

Die Proben wurden weiter mit einer Mischung aus Flußsäure und Salpetersäure (50 : 50 Volumen/Volumen) behandelt und anschließend wurde die Probe durch Erhitzen getrocknet. Die Proben wurden dann wieder in Luft 16 Stunden bei 950°C gebrannt. Dieses Verfahren entferne freies Silicium als gasförmiges SiE4. Das zuletzt verbleibende Gewicht wurde als Siliciumcarbid betrachtet. Die Reduktion im Gewicht, die durch dieses Verfahren verursacht wurde, wurde als freies Silicium angegeben. Das Ergebnis dieser Analyse ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1



Die in Tabelle 1 angegebenen Daten zeigen, daß viel von den inneren 102 mm der Standard-Kohlenstoff-Filzisolierung, Dichte 168 kg/m3 in Siliciumcarbid umgewandelt ist. Siliciumcarbid ist ein guter Wärmeleiter, der kontinuierlich Wärme an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumcarbid und der Isolierung auf Kohlenstoffbasis liefert. Deshalb kann die Siliciumcarbidschicht allmählich nach außen wachsen, bis die Isolierung auf Kohlenstoffbasis versagt.

Beispiel 2

Die Stabilität verschiedener Isolierungsmaterialien in einer Wasserstoff- und Chlorsilan-Umgebung wurde getestet. Proben der Testmaterialien wurden in den Reaktor, wie im Beispiel 1 beschrieben, eingebracht. Am Ende des Betriebszyklus wurde der Reaktor gekühlt, und die Testproben wurden auf Gewichtsverlust ausgewertet. Die Ergebnisse dieser Auswertung sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2



Die Daten in Tabelle 2 legen nahe, daß Materialien auf Kohlenstoff- und Graphitbasis eine bessere Stabilität in der Testumgebung haben als Standard-Isolierungsmaterialien, wie Siliziumoxid, Aluminiumoxid und Mullit.

Beispiel 3

Es wurde die äußere Manteltemperatur eines Chlorsilan-Wasserstoff-Reaktors, der mit dem Wärmeisolierungssystem der vorliegenden Erfindung isoliert war, über der Zeit bestimmt. Diese Manteltemperatur wurde mit der Manteltemperatur desselben Reaktors, der mit Kohlenstofffilz niedriger Dichte isoliert war, verglichen.

Ein Verfahren unter Anwendung von Chlorsilan- und Wasserstoffgasen wurde in dem Reaktor betrieben. Die Beschickungsmaterialien wurden erhitzt über die Reaktionstemperatur durch ein 1400°Cbis 1550°C-Graphit-Widerstandsheizsystem, das in dem Reaktor angeordnet und von dem Isolierungsmaterial umgeben war.

Das Wärmeisolierungssystem, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, bestand aus einer inneren Strahlungswärmeabschirmung und einer äußeren festen Filzschicht. Die innere Strahlungswärmeabschirmung wurde gebildet aus einem zusammenhängenden Bogen einer anisotropen Graphitfolie, an dessen einer Seite eine geripptes Folie einer anisotropen Graphitfolie als Abstandshalter befestigt war. Die anisotrope Graphitfolie hatte eine Dicke von etwa 0,4 mm und eine Dichte von etwa 1120 kg/m3. Der Verbund aus Folie und gerippter Folie war insgesamt etwa 2,3 mm dick. Der Verbund aus Graphitfolie und gerippter Folie wurde in eine 63,5 mm dicke Spirale aufgewickelt, die 28 Windungen umfaßte. Die Strahlungswärmeabschirmung wurde dann, wie beschrieben, mit 152 mm eines festen Graphitfilzes einer Dichte von 400 kg/m3 (UCAR-Graphitfilz, Union Carbide Corporation, UCAR Division, Cleveland, Ohio) umgeben. Die Reaktion wurde dann zweimal in diesem Reaktor ablaufen gelassen. Das gleiche Verfahren wurde in zwei gleichen Reaktoren unter Verwendung einer 152 mm dicken Schicht Kohlenstofffilz einer Dichte von 168 kg/m3 als Isolierung ohne die Strahlungswärmeabschirmung durchgeführt.

Um die Änderung der Isolierungseigenschaften der Isolierungen anzuzeigen, wurden die externen Temperaturen des Mantels des Reaktors täglich über einen Zeitraum von mindestens 4 Monaten überwacht. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3



Die in Tabelle 3 dargestellten Daten zeigen, daß während die Isolierungsfähigkeit von Standard-Kohlenstofffilzen mit der Zeit abnimmt, keine vergleichbare Abnahme bei der Kombination aus Strahlungswärmeabschirmung und festem Filz gemäß der vorliegenden Erfindung zu sehen ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Hochtemperatur-Reaktor, der Chlorsilan- und Wasserstoffgas enthält, mit einem umschlossenen Reaktionsbereich (1), der die Chlorsilan- und Wasserstoffgase bei einer Temperatur von mehr als 1000°C enthält und dessen Außenseite mittels eines thermischen Isolierungssystems (3, 4) isoliert ist, das aufweist:
    1. A) eine innere Strahlungswärmeabschirmung (3), die aus einer zusammenhängend spiralförmig gewickelten Folie (7) aus anisotropem Graphit gebildet ist, deren Wicklungslagen durch einen Abstandshalter (6) auf gegenseitigen Abstand gehalten sind, und
    2. B) eine äußere feste Filzisolierschicht (4) auf Kohlenstoffbasis, die eine Dichte im Bereich zwischen 160 und 800 kg/m3 aufweist.
  2. 2. Reaktor Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter, (6) eine gerippte Folie ist.
  3. 3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gerippte Folie aus anisotropem Graphit besteht.
  4. 4. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gerippte Folie aus Kohlenstoff besteht.
  5. 5. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (6) eine perforiere Folie ist.
  6. 6. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (6) in Form von Fasern vorliegt.
  7. 7. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängend gewickelte Folie (7) der inneren Strahlungswärmeabschirmung (3) 5 bis 85 Windungen aufweist.
  8. 8. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Strahlungswärmeabschirmung (3) eine Dicke von etwa 16 bis 64 mm hat und der Mittenabstand ihrer Wicklungslagen zwischen 0,25 und 2,25 mm beträgt.
  9. 9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere feste Filzisolierungsschicht (4) aus Kohlenstofffasern oder Graphit besteht.
  10. 10. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Wicklungslagen der Folie (7) der Strahlungswärmeabschirmung (3) durch einen Abstandshalter (6) in Form von Fasern und die äußeren Wicklungslagen der Folie (7) der Strahlungswärmeabschirmung (3) durch eine gerippte Folie auf gegenseitigen Abstand gehalten sind.






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