DE102008001851A1

DE102008001851A1 - Verfahren zur Phasenumwandlung von Stoffen

Info

Publication number: DE102008001851A1
Application number: DE102008001851A
Authority: DE
Inventors: Aymee Dr. Michel; Patrick Stenner; Stefan Dr. Fiedler; Dieter Dr. Kerner; Manfred Dr. Nagel
Original assignee: Evonik Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-11-26
Also published as: UA107650C2; US20110123424A1; JP5523447B2; CN102036724B; EP2276546A1; US8486157B2; JP2011524245A; WO2009141234A1; CN102036724A; EP2276546B1

Abstract

Verfahren zur Phasenumwandlung von Stoffen und Stoffgemischen, bei dem man den Stoff oder das Stoffgemisch in einen Plasmareaktor einträgt, den Stoff oder das Stoffgemisch in die energiereichere Phase überführt und das Produkt gasförmig aus dem Plasmareaktor entfernt. Das Verfahren kann zur Sublimation von Metallsalzen, Metallnitraten und/oder Metallalkoholaten und anderen verdampfbaren Metallorganoverbindungen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phasenumwandlung von Stoffen und Stoffgemischen.
Es ist bekannt, Aluminiumtrichlorid zu verdampfen, indem man einen U-förmigen Trog mit flachen Stirnwänden, der von außen mittels Heizstäben beheizt wird, verwendet ( DE 29 28 805 ).
Nachteiligerweise führt die aggressive Salzschmelze des Aluminiumtrichlorides durch Abrasion und Korrosion des Materials, aus dem der Trog sowie die rotierenden Teile gefertigt sind, zur Verunreinigung des gewünschten gasförmigen Aluminiumtrichlorides.
Das bekannte Verfahren hat weiterhin den Nachteil, dass um einen entsprechenden Durchsatz erzielen zu können und um eine ausreichend große Wärmemenge sowie Oberfläche für die Phasenwandlung zur Verfügung stellen zu können, ein sehr großes Apparatevolumen zur Verfügung gestellt werden muss. Die damit verbundenen langen Reaktionszeiten zum An- und Abfahren des Apparates wirken sich nachteilig auf das dynamische Verhalten des Systems aus.
Die Handhabung des großen Apparatevolumens erfordert weiterhin ein aufwendiges sicherheitstechnisches Konzept, um zum Beispiel Überdruck, hervorgerufen zum Beispiel durch geschlossene Armaturen bei gleichzeitig betriebenem Heizsystem oder Verkrustung beziehungsweise Blockierung beweglicher, nicht ausreichend beheizter Steuerventile durch Desublimation, zu vermeiden.
Zusätzlich müssen Antriebswellen gasdicht nach außen abgedichtet sein, was nur mit konstruktivem Aufwand und aufwendiger Betreuung zu erreichen ist.
Weitere bekannte Apparatekonzepte beruhen auf rotierenden Teilen im Inneren eines Reaktors ( US 5,711,089 und DE 196 13 125 C1 ), die ebenfalls die Nachteile wie Abrasion beziehungsweise Korrosion aufweisen. Weitere bekannte, nach außen offene Systeme ( DE 199 04 196 C1 ) sind für aggressive und korrosive Metallsalze ebenfalls nicht geeignet.
Aus DE 102 42 797 A1 ist eine Vorrichtung zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung bekannt, umfassend einen Reaktor mit einem Behälter oder rohrförmigen Reaktorwand, Vorrichtungen zum Zuführen und Entnehmen des umzuwandelnden Stoffes oder Stoffgemisches in beziehungsweise aus dem Reaktor und eine elektromagnetische Strahlungsquelle außerhalb des Reaktors, wobei die Strahlungsquelle ein Infrarot (IR)-, sichtbares Licht (VIS)-, Ultraviolett-(UV-Strahler) oder Mikrowellenstrahler ist, die Reaktorwand zumindestens in einem Bereich aus einem strahlungsdurchlässigen Material besteht, der Strahler geschützt vom Produkt angeordnet ist, die Strahlungswärme berührungslos übertragen und direkt im Produkt eingekoppelt wird.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass nur kleinere Mengen behandelt werden können.
Die WO 96/22867 beschreibt eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von kunststoffhaltigen Schüttgütern in Schneckenförderern, bei der der Wärmeeintrag durch Wärmestrahlungsquellen direkt auf das Fördergut im förderwirksamen Bereich der Schneckenförderer wirkt.
Die WO 95/13130 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Granulaten in einer geneigt angeordneten Trommel, wobei im Inneren der Trommel ein sich über die ganze Länge erstreckender Infrarotstrahler angeordnet sein kann. Im Inneren der Trommel können Schneckengänge befestigt sein, wie sie aus der CH 478591 A1 bekannt sind.
Diese Dokumente beschreiben nicht die Stoffumwandlung, wie zum Beispiel die Sublimation von Aluminiumtrichlorid und die weitere Behandlung des gasförmigen Produktes.
Die DE 10 2005 022 707 A1 beschreibt ein Verfahren zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung von Stoffen und Stoffgemischen, wobei man den Stoff oder das Stoffgemisch in einem Wendelrohr bewegt, mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle bestrahlt und das Produkt aus dem Wendeldrehrohr entfernt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass in dem Wendeldrehrohr ungelöste Dichtungsprobleme auftreten.
Es bestand somit die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die diese Nachteile nicht aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Phasenumwandlung von Stoffen und Stoffgemischen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man den Stoff oder das Stoffgemisch in einen Plasmareaktor einträgt, den Stoff oder das Stoffgemisch in die energiereichere Phase überführt und das Produkt gasförmig oder als Aerosol in geeigneter Form aus dem Plasmareaktor entfernt und/oder seiner Verwendung zuführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können zur physikalischen Phasenumwandlung, insbesondere zur Verdampfung und zur Sublimation von Metallsalzen, Metallnitraten, und/oder Metallalkoholaten und anderen verdampfbaren Metallorganoverbindungen eingesetzt werden. Der Stoff oder das Stoffgemisch können als feste Phase, zum Beispiel in granularer Form, als flüssige Phase oder als Suspension in den Reaktor eingebracht werden.
Unter Phasenumwandlung wird die Umwandlung eines Stoffes oder Stoffgemisches verstanden, die dieser erfährt, wenn ihm Energie zugeführt wird.
Phasenumwandlung kann daher insbesondere das Verdampfen, das Sublimieren, das Schmelzen, das Trocknen und/oder die Bildung von Aerosolen, das heißt einer Mischung aus gasförmiger Phase und flüssiger oder fester Phase, bedeuten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise verwendet werden zum Verdampfen von Metallhalogenen, wie zum Beispiel SiCl₄, TiCl₄, SnCl₄, VdCl₄; Metall-Nitraten, Metall-Alkoholen; zum Sublimieren von Feststoffen, wie zum Beispiel Metallsalzen aus der Reihe der Metallhalogene AlCl₃, ZrCl₄, NbCl₄, InCl₃, FeCl₃; zum Schmelzen und gegebenenfalls anschließendem Verdampfen von Feststoffen, wie zum Beispiel Metallsalzen aus der Reihe YCl₃, SnCl₂, NbCl₅, FeCl₂; zum Initiieren von chemischen Reaktionen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Sublimation von Aluminiumtrichlorid eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Plasmareaktor bei Atmosphärendruck bei einer Temperatur von 20 bis 400°C betrieben werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Phasenumwandlung in einem Reaktor mit besonderer Atmosphäre erfolgen.
Die besondere Atmosphäre kann beispielsweise sein: Vakuum, Normaldruck, Überdruck. Die Gasatmosphäre und der Gasdruck können frei gewählt werden.
Plasma-Behandlung ist ein in der Literatur bekanntes Verfahren. Der Unterschied zu dem erfindungsgemäßen Verfahren ist

a) dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht der Lichtbogen als heißeste Quelle zum Sublimieren/Verdampfen genutzt wird, sondern das durch die Entladung erzeugte ionisierte Gas. Die Entladung zum Erzeugen des Plasmas findet außerhalb der Plasmazone statt. Dies ermöglicht ein Verdampfen/Sublimieren bei geringeren Temperaturen. Die Sublimation findet durch die energiereiche Plasmazone statt.

Eine erhöhte Temperatur im Reaktor ist jedoch zum Verhindern der Desublimation notwendig.
Als Plasma können alle Gase, die keine Reaktion mit der zu sublimierenden Masse eingehen, wie zum Beispiel Argon, Stickstoff, Helium verwendet werden.
In dem Plasma ist kein Sauerstoff vorhanden.
Die Sublimation kann bei einem Druck von 0,0001 bis 1 bar durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß kann Stickstoff sowohl als Plasmagas als auch als Trägergas für den Stoff oder das Stoffgemisch dienen.
Die Reaktorauslegung kann beliebig sein. Es sollte nur gewährleistet sein, dass der Reaktor bei hoher Temperatur und in einer korrosiven Umgebung verwendet werden kann.
Die Reaktionskammer des Reaktors kann eine Zufuhröffnung für den Stoff oder das Stoffgemisch sowie eine Austrittsöffnung für den Stoff oder das Stoffgemisch in der energiereicheren Phase aufweisen.
Weiterhin kann der Reaktor eine oder mehrere Öffnungen für die Einführung der Plasmadüsen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie ein Reaktor, der erfindungsgemäß eingesetzt werden kann, werden in der 1 schematisch dargestellt.
Gemäß 1 wird festes Aluminiumtrichlorid mittels der Dosierschnecke 1 in den Plasmareaktor 4 eindosiert, nachdem der Plasmareaktor die Sublimationstemperatur erreicht hat.
Der Plasmareaktor 4 wird mittels des Plasmagenerators 2 und den Plasmadüsen 3 erhitzt, wobei die Temperatur mittels des Temperatursensors 5 überprüft wird. Das Aluminiumtrichlorid wird durch den Kontakt mit dem ionisierten Gas sublimiert.
Das sublimierte Aluminiumchlorid wird über den beheizbaren Gasaustritt 6, der auf 220°C aufgeheizt ist, aus dem Plasmareaktor 4 ausgeführt und seiner Verwendung zugeführt.
Als Plasmagenerator kann man beispielsweise den Plasmagenerator FG 3001 der Firma Plasmatreat einsetzen.
Als Plasmadüse kann man beispielsweise die Plasmadüse PFW 10 der Firma Plasmatreat verwenden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Aluminiumtrichlorid auch in größeren Mengen zu verdampfen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2928805 [0002]
- US 5711089 [0007]
- DE 19613125 C1 [0007]
- DE 19904196 C1 [0007]
- DE 10242797 A1 [0008]
- WO 96/22867 [0010]
- WO 95/13130 [0011]
- CH 478591 A1 [0011]
- DE 102005022707 A1 [0013]

Claims

Verfahren zu Phasenumwandlung von Stoffen und Stoffgemischen, dadurch gekennzeichnet, dass man den Stoff oder das Stoffgemisch in einen Plasmareaktor einträgt, den Stoff oder das Stoffgemisch in die energiereichere Phase überführt und das Produkt gasförmig oder als Aerosol in geeigneter Form aus dem Plasmareaktor entfernt und/oder seiner Verwendung zuführt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stoff Metallsalze, Metallnitrate und/oder Metallalkoholate und andere verdampfbare Metallorganoverbindungen eingesetzt werden.