Verfahren und Vorrichtung für die Reinigung von SiO ₂ -Körnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Siθ ₂ -Körnung, wobei die Körnung zur Entfernung der Verunreinigungen mit einem halogenhaltigen Gas bei einer Prozesstemperatur von mindestens 800 ⁰ C in einer mindestens eine Prozesskammer aufweisenden Reinigungsvorrichtung beaufschlagt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Reinigungsverfahrens.

Siθ ₂ -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 Siθ ₂ -Körnung durch eine Säurebehandlung oder durch Thermochlo- rierung von Verunreinigungen zu befreien.

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 ⁰ C erwärmt und anschließend in der Reaktionskammer bei einer Temperatur von 1300 ⁰ 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 durch- läuft 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.

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 ⁰ 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. 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 Reinigungs- effekts zu verzeichnen sind.

Diese Aufgabe wird für das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, dass in der Prozesskammer Mischelemente auf die zu reinigende SiO ₂ - Körnung einwirken. Die SiO ₂ -Körnung reagiert bei Temperaturen oberhalb von 800 ⁰ C, besser oberhalb von 1000 ⁰ C mit dem halogenhaltigen Behand- lungsgas 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 SiO ₂ -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 unbe- dingt erforderlich. Üblicherweise besteht die Prozesskammer aus einem rotierenden Rohr, das leicht schräg gestellt ist, so dass die eingespeiste SiO ₂ - 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 vorge- heizt werden. Die erfindungsgemäß in der Prozesskammer angeordneten Mischelemente bewirken eine intensive Durchmischung der SiO ₂ -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 Siθ ₂ -Körnung in der Prozesskammer dennoch den erforderlichen Reinigungseffekt gewährleisten. Beim Einsatz der Mischelemente in der Prozesskammer können auch SiO ₂ -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 SiO ₂ - Körnung besteht, die sich im Verlauf der Reinigungsbehandlung durch die Temperatureinwirkung überdies verändern kann.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die Prozesstemperatur für die zu reinigende SiO ₂ -Körnung in Abhängigkeit der Korngröße auf maximal 1400 ⁰ C eingestellt wird. Eine Prozesstemperatur von bis zu 1400 ⁰ 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 SiO ₂ -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 Siθ ₂ -Körnungen mit einer mittleren Korngröße von etwa 300 μm noch Prozesstemperaturen von bis 1400 ⁰ C angewendet werden können.

Liegt dagegen die mittlere Korngröße der zu reinigenden SiO ₂ -Körnung bei etwa 15μm (D ₅ o-Wert) so hat es sich als vorteilhaft erwiesen die Prozess- temperatur im Bereich zwischen etwa 800 ⁰ C und 1000 ⁰ 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 Siθ ₂ -Körnungen mit einer mittleren Korngröße von 200 μm (D ₅₀ - Wert), für die vorteilhaft eine Prozesstemperatur im Bereich zwischen etwa 1100 ⁰ C und 1300 ⁰ C eingestellt wird.

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 SiO ₂ - 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.

Besonders vorteilhaft ist die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich eines besonders effizienten Reinigungsgrades, wenn die SiO ₂ - Körnung in einer Vorheizkammer vorgewärmt wird. Da wie oben erläutert die Reaktivität mit steigender Temperatur zunimmt, ist es vorteilhaft, wenn die zu reinigende Siθ ₂ -Körnung schon beim Eintritt in die Prozesskammer vorge- heizt 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 nichtum- gesetzten halogenhaltigen Behandlungsgas aus der Prozesskammer. Es kann somit die Restwärme der abzusaugenden Gase für den Vorwärmvor- gang ausgenutzt werden. Dies fördert die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens hinsichtlich der Energieausnutzung. Wenn in der Vorheizkammer Mischelemente auf die SiO ₂ -Kömung einwirken, wird der Vorheizprozess effektiver gestaltet und es braucht nur eine relativ kurze Verweilzeit um die eingespeiste SiO ₂ -Körnung auf die gewünschte Temperatur zu bringen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens 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 Siθ ₂ -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 An- schluss 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.

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 SiO ₂ - 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.

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 Siθ2-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 Einspei- sungen für das Behandlungsgas in die Prozesskammer müssen nicht unbe- dingt vorgesehen sein. Üblicherweise besteht die Prozesskammer aus einem rotierenden Rohr, das leicht schräg gestellt ist, so dass die eingespeiste SiO ₂ -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 vorge- heizt werden. Die erfindungsgemäß in der Prozesskammer angeordneten Mischelemente bewirken eine intensive Durchmischung der Siθ ₂ -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 SiO ₂ -Körnung in der Prozesskammer dennoch den erforderlichen Reinigungseffekt gewährleisten. Beim Einsatz der Mischelemente in der Prozesskammer können auch Siθ ₂ -Körnungen mit einem weiten Korngrö- ßenspektrum 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 SiO ₂ - Körnung besteht, die sich im Verlauf der Reinigungsbehandlung durch die Temperatureinwirkung überdies verändern kann.

Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die Ausführungsformen gemäß den entsprechenden Unteransprüche verwiesen.

So zeigen sich die Vorteile der Vorrichtung besonders, wenn die Prozesskammer als Drehrohr ausgebildet ist. In das Drehrohr wird kontinuierlich zu reinigende SiO ₂ -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 SiO ₂ -Körnung zum Auslass der Prozesskam- mer oder zu einer an die Prozesskammer anschließenden Materialauslasskammer. Die Querschnittsform des Drehrohres ist vorzugsweise kreisförmig, es sind aber auch mehreckige oder ovale Querschnittsformen geeignet.

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.

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 Siθ ₂ -Körnung jeder- zeit während des Reinigungsverfahrens gut durchmischt wird und das Behandlungsgas gleichmäßig Zutritt zu allen Partikeln der zu reinigenden SiO ₂ - Körnung erhält.

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 Durchmi- schung der zu reinigenden Siθ ₂ -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.

Es hat sich weiterhin bewährt, wenn der Prozesskammer vorgeschaltet eine Vorheizkammer für die zu reinigende SiCVKörnung 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 Siθ ₂ -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 SiO ₂ - Körnung einwirken, wird der Vorheizprozess noch effektiver gestaltet und es braucht nur eine relativ kurze Verweilzeit um die eingespeiste SiO ₂ -Körnung auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Die Mischelemente in der Vor- heizkammer 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.

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 SiO ₂ -Körnern anhaftenden, halogenhaltigen Reaktionsprodukte aus dem Reinigungsschritt in der Prozesskammer oder auch nichtumgesetz- ten 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.

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 Siθ ₂ -Körnung einwirken. Außerdem wird durch den Gasdruck ein zusätzlicher Mischeffekt erzielt, der den der Mischelemen- te unterstützt. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Gaszuführung derart auf die zu reinigende SiO ₂ -Körnung einwirkt, dass sich ein Verwirbelungsef- fekt 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.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen in schema- tischer Darstellung

Figur 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Reinigung von Siθ ₂ -Körnung;

Figur 2 eine perspektivische Darstellung der Prozesskammer mit Mischelementen aus Fig.1 für die Reinigung von SiO ₂ - Körnung;

Figuren 3a, 3b Beispiele für die Ausgestaltung von Mischelementen in der Prozesskammer;

Figuren 4a, 4b Beispiele für die Ausgestaltung der Gaszufuhr in die Pro zesskammer, und

Figur 5 eine schematisches Schnittbild einer Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung.

In Figur 1 wird schematisch der gesamte Aufbau der Reinigungsvorrichtung 1 wiedergegeben. Die zu reinigende SiO ₂ -Körnung 2 wird in die als Drehrohr ausgebildete, leicht schräg gestellte Reinigungsvorrichtung 1 im oberen Bereich zugeführt. In Figur 1 ist eine Einfüllvorrichtung für die zu reinigende SiO ₂ -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 be- rührt oder durchlaufen, in denen die flüchtigen Verunreinigungsverbindungen aus der in der Prozesskammer 5 gereinigten Körnung 2 abgeführt werden. In Figur 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 SiO ₂ -Körnung 2 genutzt werden.

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 HCI-Gas am unteren Ende der Prozesskammer 5 bzw. im Bereich des Materialauslaufes 6 eingespeist. In Figur 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 Siθ ₂ -Körnung auf, die in Figur 1 mit einem Blockpfeil mit der Bezugsziffer 14 schematisch angedeutet ist. Die Vorrichtung kann durch eine in der Figur 1 nicht dargestellte, äußere oder innere Heizung der Prozesskam- mer 5 auf die gewünschte Prozesstemperatur gebracht werden. Zusätzlich kann das einströmende HCI-Gas vorgeheizt sein. Im Innern der Prozesskammer 5 befinden sich Mischelemente 7 wie sie in der Darstellung gemäß Figur 2 zu sehen sind. Hier sind die Mischelemente als vier Schaufeln 7a ausgebildet, die die Siθ2-Körnung 2 während der Drehbewegung der Pro- zesskammer 5 zunächst aufnehmen und dann im weiteren Verlauf wieder von der Schaufel abrieseln lassen. Wie aus den Figuren 3a und 3b ersichtlich können die Mischelemente 7 auch andere geometrische Formen aufweisen. Gemäß Figur 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 Figur 3b mit zwei geraden Stegen 7c, die von der Innenwand der Prozesskammer in den Innenraum der Prozesskammer 5 hineinragen.

Die Figuren 4a und 4b zeigen zwei Varianten der Mischelemente bzw. der Gaszuführung. Bei Figur 4a wird der Querschnitt einer Prozesskammer ge- zeigt, 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 Siθ ₂ -Körnung 2 eintauchen, geben dort das Behandlungsgas frei, während sie zu einem anderen Zeitpunkt außerhalb des Pulverbettes kein Behand- lungsgas einlassen. In Figur 4b sind die Mischelemente 7e als halbkugelförmige oder halbschalenförmige Kammern ausgeführt, die, sobald sie in das Pulverbett aus Siθ ₂ -Körnung 2 eintauchen, das halogenhaltige Behandlungsgas an die zu reinigende Siθ ₂ -Körnung 2 abgeben.

In Figur 5 wird in einem schematischen Schnittbild eine gesamte Reini- gungsvorrichtung 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 Gas- zuführkammern 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 Siθ ₂ -Körnung 2 unter Luftatmosphäre bei 1200 ⁰ C bis 1300X 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.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen und den Darstellungen in den vorgenannten Figuren näher erläutert. Beispiel 1 :

Die zu reinigende SiO ₂ -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 SiO ₂ -Körnung vorliegenden Verunreinigungen sind in der unten aufgeführten Tabelle 1 in der Zeile „lOTA-Standard" angegeben.

Die vorab gereinigte Quarzkörnung 2 wird kontinuierlich in die Vorheizkam- mer 4 der Reinigungsvorrichtung 1 eingespeist und dort auf ca. 800 ⁰ C vorgeheizt. Die Gesamtlänge der Reinigungseinrichtung 1 beträgt etwa 250 cm, der Durchmesser der als Drehrohr ausgebildeten Prozesskammer beträgt typischerweise 20 cm . 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 Verunreingungsverbin- dungen aus der Körnungsbehandlung in der Prozesskammer 5. In der Vorheizkammer sind Mischelemente 7 angeordnet, die die zu reinigende SiO ₂ - 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 Prozess- kammer 5 übertritt.

In der Prozesskammer 5 wird die SiO ₂ -Körnung 2 schließlich von HCI-Gas umspült, wobei eine Temperatur im Bereich von etwa 1200 ⁰ C eingestellt wird. Bei dieser Temperatur ist unter Einwirkung des halogenhaltigen Behandlungsgases und zusätzlich durch die in der Prozesskammer 5 befindli- chen Mischelemente 7 eine sehr gute Reinigungswirkung zu erzielen. Die Verweilzeit der etwa 40 kg umfassenden SiO ₂ -Körnungsmasse in der Pro- zesskammer beträgt etwa 2 Stunden. Als Behandlungsgas wird HCI-Gas oder ein Gemisch von HCI-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 gerei- nigten 6 Siθ ₂ -Körnung in der Materialauslaufkammer 6 bereits auf etwa 500 ⁰ 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 SiO ₂ -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 gu- tes 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.

Beispiel 2:

Bei der gemäß Beispiel 2 zu reinigenden Körnung 2 handelt es sich um eine feinteilige, synthetische SiO ₂ -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 ⁰ C vorgeheizt. Anschließend gelangt die SiO ₂ -Körnung 2 in die Prozesskammer 5, wo sie bei etwa 950 ⁰ C mit HCI-Gas oder einem Gemisch von HCI-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 HCI-Gas optimal an die Körnungspartikel heranführen. Das HCI-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 SiO ₂ -Körnung 2 bewegen. Die Nachbehandlung in der Materialauslaufkammer erfolgt analog wie in Beispiel 2 angegeben. Die Verweilzeit der etwa 35 kg umfassenden feinteiligen SiO ₂ - 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 etwa19 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.

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