DE10037640C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Quarzrohstoff - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von QuarzrohstoffInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Quarzrohstoff, wobei der Quarzrohstoff 6 zur Entfernung von Verunreinigungen mit einem Halogenwasserstoff enthaltenden Gas bei einer Prozeßtemperatur von mindestens 800 DEG C beaufschlagt wird. Zur Vereinfachung des Verfahrens wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das den Halogenwasserstoff enthaltende Gas durch Verbrennung von Wasserstoff mit mindestens einem Halogen hergestellt und die Prozeßtemperatur durch die bei der Verbrennung entstehende Wärme bereitgestellt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Quarz
rohstoff nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie be
trifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah
rens.
Ein solches Verfahren ist aus der EP 0 440 893 A1 bekannt.
Ähnliche Verfahren sind außerdem beschrieben in DD 160 962,
DD 160 963, US 4,983,370 und US 5,037,625. Die US 5,637,284
beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein Quarzglasrohr zur
Aufnahme von Quarzrohstoff durch drei separat regelbare Heiz
vorrichtungen von außen her auf unterschiedliche Prozeßtempe
raturen erwärmbar ist.
Zur Erzeugung der Prozeßtemperaturen ist nach den bekannten
Verfahren eine besondere Heizvorrichtung erforderlich. Damit
wird gleichzeitig das bereitgestellte Chlorierungsgas, z. B.
HCl-Gas, erwärmt. Die Anschaffungs- und Unterhaltskosten der
artiger Heizvorrichtungen sind beträchtlich. Weitere Kosten
verursacht der hohe Energieverbrauch solcher Heizvorrichtun
gen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich
tung bereitzustellen, mit denen die Nachteile nach dem Stand
der Technik beseitigt werden. Es sollen insbesondere ein Ver
fahren und eine Vorrichtung angegeben werden, mit denen
Quarzrohstoff kostengünstig gereinigt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12
gelöst.
Nach Maßgabe der Erfindung ist verfahrensseitig vorgesehen,
daß das den Halogenwasserstoff enthaltende Gas durch Verbren
nung von Wasserstoff mit mindestens einem Halogen hergestellt
und die bei der Verbrennung entstehende Wärme zum Aufheizen
auf die Prozeßtemperatur benutzt wird.
Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß einer Einrichtung zur Verbren
nung von Wasserstoff mit mindestens einem Halogen stromab
wärts ein Reaktor zur Aufnahme des Quarzrohstoffs nachge
schaltet ist.
Mit der Erfindung wird auf überraschend einfache Weise der
Aufwand zur Reinigung von Quarzrohstoff reduziert. Insbeson
dere können Verunreinigungen, wie Alkalimetalle oder andere
Elemente, wie Eisen, wirksam entfernt werden. Es ist keine
besondere Heizvorrichtung zur Erzeugung der Prozeßtemperatur
mehr erforderlich. Durch den Wegfall der Anschaffungs-, Un
terhalts- und Betriebskosten der Heizvorrichtung können er
heblich Kosten eingespart werden. Die erfindungsgemäß vorge
schlagene Einrichtung zur Verbrennung ist vergleichsweise
einfach und kostengünstig herstellbar. Sie ist problemlos zu
warten und verursacht keine laufenden Betriebskosten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Die einzige Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung. Eine allgemein mit E bezeichnete Einrichtung zur
Verbrennung von Wasserstoff und Clorgas weist einen auf einer
keramischen Lochscheibe 1 abgestützten keramischen Porenkör
per 2 auf. Der Porenkörper 2 kann z. B. aus Al2O3, MgO, SiC
oder ZrO2-Keramik mit einem offenen Porenraum hergestellt
sein. Der mittlere Porendurchmesser ist so gewählt, daß eine
flammenfreie Verbrennung der vorgenannten Gase im Porenkörper
2 möglich ist. Es ist auch möglich, daß der Porenkörper 2 aus
einem porösen Quarzglas hergestellt ist. Ferner kommt es in
Betracht, anstelle des Porenkörpers gleichwirkende Mittel,
z. B. Kugelschüttungen, Faserstrukturen oder Schaumkeramiken
zu verwenden.
Der Porenkörper 2 ist in einem Reaktor 3 aufgenommen. Der Re
aktor 3 weist ein Quarzglasrohr 4 auf, welches abschnittswei
se den Porenkörper 2 umgibt. Zwischen dem Quarzglasrohr 4 und
dem Porenkörper 2 ist eine, vorzugsweise thermisch isolieren
de, Abstandsschicht 5 vorgesehen. Auf einer gasdurchlässigen,
vorzugsweise ebenfalls aus einer Keramik oder aus Quarzglas
hergestellten, Platte befindet sich der zu reinigende Quarz
rohstoff 6. Es kann sich dabei um einen Quarzsand, oder um
zumindest auf Sandkorngröße zerkleinerten Gangquarz, Hydro
thermalquarz, Quarzit, Bergkristall oder dgl. handeln.
Dem Reaktor 3 stromabwärts nachgeschaltet ist ein Wärmetau
scher 7. Stromabwärts des Wärmetauschers 7 befindet sich eine
Einrichtung 8 zum Abtrennen der halogenhaltigen Gase. Die
Einrichtung 8 weist z. B. eine Raschigringpackung 9 auf, die
im Gegenstrom mit Wasser gespült wird.
Die Funktion der Vorrichtung ist folgende:
Der Porenkörper 2 wird mit Wasserstoff und mit Chlorgas be aufschlagt. Im Porenkörper 2 findet die stark exotherme Ver brennung von Wasserstoff mit Chlorgas statt. Statt der Ver brennung im Porenkörper ist es selbstverständlich auch mög lich, eine Mischdüse oder jede andere geeignete Brennervor richtung einzusetzen.
Der Porenkörper 2 wird mit Wasserstoff und mit Chlorgas be aufschlagt. Im Porenkörper 2 findet die stark exotherme Ver brennung von Wasserstoff mit Chlorgas statt. Statt der Ver brennung im Porenkörper ist es selbstverständlich auch mög lich, eine Mischdüse oder jede andere geeignete Brennervor richtung einzusetzen.
Das Verbrennungsprodukt, nämlich HCl-Gas, wird mit einer Tem
peratur von etwa 1300°C und einem Druck von 1 bar durch den
stromabwärts aufgebrachten Quarzrohstoff 6 geführt. Zur Ein
stellung der gewünschten Temperatur des HCl-Gases kann zweck
mäßigerweise eine (hier nicht gezeigte) Kühleinrichtung dem
Porenkörper 2 nachgeschaltet sein.
Der Quarzrohstoff 6 wird durch das heiße HCl-Gas aufgeheizt.
Eine besondere Heizvorrichtung ist nicht erforderlich.
Durch die Wirkung des HCl-Gases werden die an den Korngrenzen
sowie im Gitter gelösten Verunreinigungen, z. B. Alkalimetalle
oder Eisen, entfernt und in der Gasphase als Reaktionsgas ab
geführt. Das Reaktionsgas wird mittels des Wärmetauschers 7
auf eine Temperatur von etwa 200°C gekühlt. Schließlich wird
das Reaktionsgas in wäßriger Lösung gelöst und dem Prozeß
entzogen. Die beim Prozeß abfallende Wärme kann zur Reinigung
der wäßrigen Lösung und/oder zur Rückgewinnung von Wasser
stoff und Chlorgas benutzt werden.
Es ist auch möglich, ein Gemisch von Halogenen mit Wasser
stoff zu verbrennen. Z. B. es kann ein Fluor/Chlor-Gemisch
eingesetzt werden. Ferner kann dem Verbrennungsgas auch
Stickstoff und/oder Wasserdampf beigemischt werden.
Das Quarzglasrohr 4 kann auch als schräg geneigtes Drehrohr
ausgebildet sein. Das ermöglicht eine kontinuierliche Zu- und
Abfuhr von Quarzrohstoff 6. Daneben sind selbstverständlich
auch andere Reaktortypen, wie Fließbett-, stationäre oder
zirkulierende Wirbelschichtreaktoren denkbar.
Um eine besonders hohe Reinheit zu erzielen kann der nach dem
vorgenannten Verfahren zu reinigende Quarzrohstoff 6 zuvor
einer magnetischen Reinigung unterworfen werden. Zur weiteren
Erhöhung der Reinheit kann außerdem eine Säurelaugung mittels
HF-Säure vorgesehen sein. Zur Verbesserung der Reinheit des
Quarzrohstoffs können außerdem Flotationsverfahren vorgesehen
sein. Mit einer solchen Reinigungskolonne können aus dem
Quarzrohstoff 6 Quarzausgangsstoffe hergestellt werden, die
sich zur Herstellung von Substraten für integrierte Schaltun
gen oder von Kieselglas eignen.
1
Lochscheibe
2
Porenkörper
3
Reaktor
4
Quarzglasrohr
5
Zwischenschicht
6
Quarzrohstoff
7
Wärmetauscher
8
Einrichtung zum Abtrennen
9
Raschigringpackung
E Einrichtung zur Verbrennung
E Einrichtung zur Verbrennung
Claims (18)
1. Verfahren zum Reinigen von Quarzrohstoff, wobei der
Quarzrohstoff (6) zur Entfernung von Verunreinigungen mit ei
nem Halogenwasserstoff enthaltenden Gas bei einer Prozeßtem
peratur von mindestens 800°C beaufschlagt wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß das den Halogenwasserstoff enthaltende Gas
durch Verbrennung von Wasserstoff mit mindestens einem Halo
gen hergestellt und die bei der Verbrennung entstehende Wärme
zum Aufheizen auf die Prozeßtemperatur benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halogenwasserstoff
enthaltende Gas durch eine im einem Reaktor (3) aufgenommene
Schüttung an Quarzrohstoff (6) geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Reaktor (3)
ein, vorzugsweise als Drehrohr ausgebildetes, Quarzglasrohr
(4) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das aus dem Reaktor (3) austretende Reaktionsgas auf eine
Temperatur von etwa 200°C abgekühlt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das Reaktionsgas nach der Abkühlung in Wasser gelöst wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Quarzrohstoff (6) vor der Beaufschlagung mit dem Halogen
wasserstoff enthaltenden Gas mittels eines magnetischen Rei
nigungsverfahrens gereinigt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Quarzrohstoff (6) vor der Beaufschlagung mit dem Halogen
wasserstoff enthaltenden Gas einer Säurelaugung mit wäßriger
HF-Lösung unterworfen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
dem den Halogenwasserstoff enthaltenden Gas Stickstoff
und/oder Wasserdampf zugesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das Halogen Chlor oder Fluor oder ein Gemisch davon ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Verbrennung des Halogens mit dem Wasserstoff in einem Po
renkörper (2), vorzugsweise einer porösen Keramik, durchge
führt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Prozeßtemperatur 1200 bis 1800°C, vorzugsweise 1300°C,
beträgt.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer Einrichtung (E) zur
Verbrennung von Wasserstoff mit mindestens einem Halogen
stromabwärts ein Reaktor (3) zur Aufnahme eines Quarzroh
stoffs (6) nachgeschaltet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Quarzrohstoff
(6) im Reaktor (3) in einem Quarzglasrohr (4) aufgenommen
ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Quarzglasrohr
(4) als Drehrohr ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei
dem Reaktor (3) stromabwärts eine Einrichtung (7) zum Kühlen
des daraus austretenden Reaktionsgases nachgeschaltet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei
dem Reaktor (3) stromabwärts eine Einrichtung (8) zum Her
stellung einer wäßrigen Lösung des Reaktionsgases nachge
schaltet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei
der Einrichtung (E) zur Verbrennung eine Einrichtung zur ma
gnetischen Reinigung und/oder eine Einrichtung zur Säurelau
gung mittels HF vorgeordnet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei
die Einrichtung (E) zur Verbrennung einen, vorzugsweise aus
einer Keramik hergestellten, Porenkörper (2) als Verdamp
fungs- und/oder Brennraum aufweist.
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