Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Hydrolyse einer Verbindung.

Die beispielsweise bei der Herstellung von Polysilicium auf- tretenden Reaktionsprodukte enthalten in der Regel Wasser- stoff, Chlorsilane und Chlorwasserstoff. Diese können

insbesondere an feuchter Luft stark korrodierend wirken und darüber hinaus durch einen Anteil an polymeren Silicium- chlorwasserstoffverbindungen selbstentzündlich sein. Die Abgase werden daher üblicherweise einer Aufarbeitung unter- zogen, wobei gefährliche Komponenten abreagieren und in unge- fährliche oder weniger gefährliche Komponenten überführt werden. Eine solche Aufarbeitung kann beispielsweise Hydro- lyseschritte umfassen, bei welchen eine chemische Verbindung durch Reaktion mit Wasser gespalten wird. Chlorsilane können durch eine Behandlung mit Wasser beispielsweise unter Bildung ihrer Hydrolyseprodukte (z.B. RSi(0H) ₃ ) abgeschieden und abge- trennt werden.

Insbesondere bei der Herstellung von Trichlorsilan (TCS) , das für die Herstellung von Polysilicium als Ausgangsmaterial dient, aus Chlorwasserwasserstoff und metallurgischem Silicium bildet sich üblicherweise eine Fraktion von Chlorsiliciumver- bindungen, deren Siedebereich grundsätzlich etwa zwischen 40 und 160 °C liegt. Diese Fraktion, die in der Regel als Hoch- sieder oder Hochsiedergemisch bezeichnet wird, kann Chlor- Disilane, Chlor-Disiloxane , Metallchloride, Dotierstoffe sowie Tri- und Tetrachlorsilane umfassen. Da einige der genannten Verbindungen ähnliche Siedepunkte aufweisen können, ist eine destillative Trennung solcher Hochsieder generell mit einem großen Aufwand verbunden. Daher werden die Hochsieder von den übrigen Chlorsilanen abgetrennt und anschließend - üblicher- weise mittels Hydrolyse - abreagiert.

Aus der DE 28 20 617 AI ist beispielsweise ein Verfahren be- kannt, bei dem die Hydrolyse eines Hochsiedergemischs in einem konisch sich nach unten verjüngendem Rohr (Hydrozyklon) durch- geführt wird. Das Hochsiedergeraisch umfasst Chlorsilane. Dabei wird von oben - am Kopf des Hydrozyklons - tangential Wasser zugeführt, wodurch sich ein rotierender Wasserkegel ausbildet. Das flüssige Hochsiedergemisch wird ebenfalls am Kopf des Hydrozyklons über eine Zweistoff- oder Zweikanaldüse zusammen mit einem inerten Trägergas in den Wasserkegel gesprüht. Durch die große Wasseroberfläche und die Feinverteilung des Hoch- siedergemischs in Form des Sprühstrahls kann ein schnelles und gleichmäßiges Abreagieren gewährleistet werden.

Allerdings kann es bei derartigen Verfahren zu Unterbrechungen des Hydrolyseprozesses kommen. Diese Unterbrechungen können insbesondere durch Verblockungen und Ablagerungen in Form von fester oder gelartiger Kieselsäure im Bereich der Zweistoff- düse und des konischen Rohres auftreten. Insbesondere im Nah- bereich der Düse können Verblockungen durch einen Kontakt der fein verteilten (zerstäubten) Hochsieder mit Wasserdampf auf- treten. Es sind häufig Reinigungsarbeiten durchzuführen, die eine geringere Anlagenverfügbarkeit und somit höhere Her- stellungskosten zur Folge haben. Es kann durchaus üblich sein, dass ein Hydrozyklon gemäß dem obigen Beispiel durch- schnittlich einmal pro Tag einer Reinigung unterzogen werden muss .

Die WO 2009/037923 AI beschreibt eine Vorrichtung zur Dampf- phasenhydrolyse bei der die zu hydrolisierende Verbindung zusammen mit Wasser und einem inerten Trägergas mittels einer Dreistoff- oder Dreikanaldüse in einem Brennraum vermischt wird. Die Vermischung und damit die Hydrolyse der Verbindung erfolgt insbesondere am Düsenauslass .

Allerdings kann es bei der beschriebenen Vorrichtung zu einem Auftreten von Rezirkulationszonen (Verwirbelungen) im Bereich stromabwärts der Düse kommen. In diesen Zonen niedriger Strö- mungsgeschwindigkeit kommt es bevorzugt zu Ablagerungen, da ein Abtransport der entstehenden Hydrolyseprodukte nicht mehr gewährleistet ist. Ferner wird die Hydrolyse in einem Tempe- raturbereich zwischen 850 und 1100°C durchgeführt. Der Betrieb der Vorrichtung in diesem Temperaturbereich erfordert einen erheblichen technischen Aufwand (insb. Kühlung und Heizung) .

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine wartungs- freie Vorrichtung zur Hydrolyse von Verbindungen bereitzu- stellen, bei welcher die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht auftreten. Die Hydrolyse sollte ferner in einem Temperaturbereich stattfinden, der geringere Material- anforderungen stellt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merk- malen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merk- malen des Anspruchs 10.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Hydrolyse zumindest einer Verbindung handelt es sich vorzugsweise um eine Düse oder Austragsvorrichtung, die einen ersten zylindrischen Ab- schnitt und einen zweiten sich verjüngenden Abschnitt sowie mindestens zwei Kanäle - einen zentralen Kanal und einen

Außenkanal - umfasst. Die Längsachse A _L verläuft vorzugsweise mittig durch den zentralen Kanal und vorzugsweise ebenfalls mittig durch den Ausläse. Der Außenkanal umgibt den zentralen Kanal koaxial. Grundsätzlich kann durch jeden Kanal ein be- liebiges Medium in flüssiger oder gasförmiger Form geleitet werden. Die Vorrichtung kann daher beispielsweise auch als Mehrstoff-oder Mehrkomponentendüse bezeichnet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Ab- schnitt der Vorrichtung im Querschnitt entlang der Längsachse A _L eine Profil auf, dass durch zwei tangential ineinander über- gehende Radien Rl und R2 beschrieben ist, wobei das Verhältnis der Radien Rl und R2 zum Durchmesser D _A des Auslass definiert ist als 0,8 < R1/D _A < 2,0 und 1,0 < R2/D _A < 3,0.

Bei dem Profil des zweiten Abschnitts handelt es sich um eine Außenwand eines Hohlvolumens im Inneren der Vorrichtung, das auch eine Mischzone, in welcher eine Durchmischung der an der Hydrolyse beteiligten Medien stattfindet, umfasst. Ein durch den Radius R2 beschriebenes Profilteilstück schließt sich, insbesondere tangential, an eine im Profil gerade - vorzugs- weise parallel zur Achse A _L - verlaufende Wand des Außenkanals im ersten Abschnitt an. An ein durch den Radius Rl beschrie- benes Profilteilstück schließt sich, insbesondere tangential, der Auslass mit seinem Durchmesser D _A an.

Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Gestaltung des Profils des zweiten Abschnitts im Betrieb der Vorrichtung das Auftreten von Rezirkulationszonen, Rückströmzonen und Ruhe- zonen im Bereich der Außenwand des Hohlvolumens verhindert. Einem längeren Kontakt sowohl der zu hydrolisierenden Ver- bindung als auch der Hydrolyseprodukte mit der Außenwand wird auf diese Weise vorgebeugt. Durch die kurze Kontaktzeit und die hohen Strömungsgeschwindigkeiten in unmittelbarer Nähe zur Außenwand wird die Ausbildung von Ablagerungen an der Außen- wand verhindert. Dies gewährleistet lange Betriebszeiten, da sich eine Außerbetriebnahme der Vorrichtung zu Reinigungs- zwecken erübrigt .

Die spezielle geometrische Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt zur Ausbildung einer Mischzone minimaler Größe, in welcher die an der Hydrolyse beteiligten Komponenten vermischt werden, die sich in ausreichendem Abstand zur Außen- wand befindet. Ferner treten keine Rezirkulationszonen, Rück- strömzonen und Ruhezonen auf, welche die Bildung von Ablage- rungen, insbesondere aus Hydrolyseprodukten, begünstigen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwischen dem Außenkanal und dem zentralen Kanal zumindest einen weiteren Zwischenkanal, der den zentralen Kanal koaxial umgibt. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung acht, besonders bevorzugt vier, insbesondere zwei, weitere Zwischenkanäle. Insbesondere bevorzugt handelt es sich um eine Vorrichtung mit insgesamt drei Kanälen, also einem weiteren Zwischenkanal.

Vorzugsweise münden die Kanäle zumindest teilweise etwa auf Höhe des Scheitelpunkts der tangential ineinander übergehenden Radien Rl und R2 in den zweiten Abschnitt der Vorrichtung. Unter „zumindest teilweise" soll dabei verstanden werden, dass nicht alle Kanäle auf Höhe dieses Punkts zwingend in den zweiten Abschnitt münden. Bevorzugt mündet zumindest der zentrale Kanal auf Höhe des Scheitelpunkts in den zweiten Ab- schnitt. Ferner kann es bevorzugt sein, dass die Kanäle auf Höhe eines Punktes in den zweiten Abschnitt münden, der auf dem durch den Radius R2 beschriebenen Profilteilstück liegt.

Zwischen dem Auslass und dem Punkt, an welchem die Kanäle in den zweiten Abschnitt münden, insbesondere dem Scheitelpunkt, kann eine Mischungszone definiert werden, in welcher eine Durchmischung der zu hydrolisierenden Verbindung mit Wasser beginnt. Es hat sich herausgestellt, dass durch diese Ausge- staltung ein Kontakt zwischen einer Außenwand der Mischzone und der zu hydrolisierenden Verbindung bzw. der Hydrolyse- produkte weitestgehend vermieden wird. Ferner wird auf diese Weise eine besonders intensive Durchmischung im inneren, insbesondere achsnahen, Bereich der Mischzone realisiert.

Es kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Kanal in den zweiten Abschnitt auf einer Höhe mündet, bei welcher der erste Abschnitt in den sich verjüngenden zweiten Abschnitt der Vor- richtung übergeht. Bevorzugt mündet der Außenkanal auf Höhe dieses Übergangs in den zweiten Abschnitt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Kanäle einen bis zur Einmündung in den zweiten Abschnitt konstanten oder abnehmenden Strömungsquerschnitt auf. Die verschiedenen Kanäle der Vorrichtung können bezüglich dieser Eigenschaft auch unterschiedlich ausgestaltet sein. Der Außenkanal reduziert vorzugsweise seinen Strömungsquerschnitt auf eine Größe, die zwischen 10 und 60%, bevorzugt zwischen 20 und 50%, insbe- sondere zwischen 30 und 45%, der Größe eines Eintrittsquer- schnitts entspricht. Insbesondere bevorzugt sind 40%.

Grundsätzlich können die Kanäle der Vorrichtung denselben oder voneinander verschiedene Strömungsquerschnitte aufweisen.

Insbesondere kann der Strömungsquerschnitt des Außenkanals und/oder zumindest eines Zwischenkanals größer sein als der Strömungsquerschnitt des zentralen Kanals. Zwischen einem Strömungsquerschnitt am Austritt (an der Ein- mündung des Außenkanals in den zweiten Abschnitt) des Außen- kanals A _außen , und einem Strömungsquerschnitt des Auslass A _A besteht vorzugsweise ein Verhältnis von 0,3 < A _außen /A _A < 20; besonders bevorzugt 1,0 < A _außen /A _A < 10; insbesondere

2,0 < A _außen /A _A < 8 , 0.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verhältnis aus dem Durchmesser des ersten zylindrischen Abschnitts und dem Durchmesser des Düsenauslass D _A definiert als

1 < D _max /D _A < 8, bevorzugt 1,5 < D _max /D _A < 6, besonders bevorzugt

2 < D _max /D _A < 5.

Vorzugsweise ist dem Auslass ein dritter zylindrischer Ab- schnitt mit einer Länge 1 von 0 < 1/D _A < 100, bevorzugt

3 < 1/D _A < 40, besonders bevorzugt 5 < 1/D _A < 20, nachgeordnet. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Rohr oder Schlauch, dessen Innendurchmesser vorzugsweise dem Durchmesser des Aus- lass D _A entspricht.

Der dritte zylindrische Abschnitt gewährleistet insbesondere, dass bei der Hydrolyse gegebenenfalls freigesetzte Reaktions- wärme abgeführt werden kann. Bevorzugt ist der dritte Ab- schnitt daher aus einem hitzebeständigem Material, beispiels- weise Edelstahl, gefertigt.

Vorzugsweise findet die Hydrolyse in einem Temperaturbereich bis maximal 200°C statt.

Die Vorrichtung kann einstückig oder mehrstückig ausgestaltet sein. Bevorzugt ist der dritte zylindrische Abschnitt, insbe- sondere in Form eines Rohres, lösbar mit dem zweiten Abschnitt verbunden, beispielsweise verschraubt, verklebt oder ver- spannt. Insbesondere kann es sich bei der Vorrichtung um eine den ersten und den zweiten Abschnitt umfassende Düse handeln, die vorzugsweise lösbar mit einem Rohr verbunden ist, welches den dritten Abschnitt umfasst. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in dem zentralen Kanal eine entlang der Achse A _L bewegliche Durchstoßvorrichtung zur Entfernung von Ablagerungen angeordnet . Durch Bewegung der Durchstoßvorrichtung in Richtung des Auslass können Ablage- rungen in diesem Bereich mechanisch entfernt werden. Die

Durchstoßvorrichtung kann sowohl manuell als auch automatisch, beispielsweise nach bestimmten Zeitintervallen mittels eines Elektromotors, bewegt werden. Die Durchstoßvorrichtung ist bevorzugt zylindrisch ausgebildet und weist vorzugsweise eine Querschnittsfläche auf, die kleiner ist als der

Strömungsquerschnitt des zentralen Kanals. Auf diese Weise kann im Betrieb der Vorrichtung weiterhin Flüssigkeit den zentralen Kanal passieren, auch wenn die Durchstoßvorrichtung in Richtung des Auslass bewegt wird. Eine Abschaltung der Vorrichtung zu Reinigungszwecken erübrigt sich dadurch.

Vorzugsweise ist die Durchstoßvorrichtung allerdings derart angeordnet, dass sie im zurückgezogenen Zustand (Normalbe- trieb) den Strömungsquerschnitt des zentralen Kanals nicht verkleinert. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass der zentrale Kanal eine seitliche Flüssigkeits- zufuhr aufweist, die vor der Durchstoßvorrichtung angeordnet ist (in Richtung des Austritts des Kanals) .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hydrolyse mindestens einer Verbindung, bei dem mittels der be ^¬ schriebenen Vorrichtung Wasser zumindest durch den Außenkanal und die zu hydrolisierende Verbindung durch den zentralen Kanal und/oder durch zumindest einen Zwischenkanal geleitet und im zweiten Abschnitt zumindest teilweise miteinander ver- mischt werden. Die Verbindung und das Wasser liegen dabei je- weils als Flüssigkeit vor.

Es hat sich gezeigt, dass die Hydrolyse einer Verbindung unter Verwendung der Vorrichtung besonders effektiv ist, wenn sämtliche an der Hydrolyse beteiligten Komponenten aus- schließlich in flüssigem Zustand miteinander vermischt werden. Üblicherweise erfolgt eine Durchmischung der Komponenten durch Zerstäubung zumindest einer Komponente. Ferner ist es üblich den zu mischenden Komponenten ein Gas, das in der Regel nicht an der Hydrolyse beteiligt ist, beizumengen. Unter Ausbildung einer Blasenströmung erfolgt dann die Durchmischung. Insbe- sondere die Zuführung eines zusätzlichen Gases kann mit einem erhöhten apparativen Aufwand verbunden sein. Dieser Aufwand entfällt vorliegend. Ein weiterer Nachteil bei der Zerstäubung ist, dass sich eine relativ große Mischzone ausbildet. Wie oben bereits erwähnt ist die sich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausbildende Mischzone von minimaler Größe.

Mit besonderem Vorteil wird durch die Zuführung von Wasser durch den den zentralen Kanal konzentrisch umgebenden Außen- kanal ein Wassermantel entlang des Profils des zweiten Ab- schnitts erzeugt, der einen Wandkontakt der Hydrolyseprodukte auf ein Minimum reduziert und gegebenenfalls entstehende Ab- lagerungen sofort wegspült. Mit anderen Worten, umgibt der Wassermantel die sich ausbildende Mischzone und grenzt diese im Wesentlichen von der Außenwand des Hohlvolumens des zweiten Abschnitts ab.

Grundsätzlich eignet sich das Verfahren zum Aufarbeiten von jedweder Art von hydrolisierbaren und/oder wasserlöslichen Verbindungen. Insbesondere geeignet ist das Verfahren für Ver- bindungen, bei welchen sich während der Reaktion mit Wasser Feststoffe bilden, die zu Ablagerungen in Zu- oder Ableitungen und damit zu Verblockungen führen können.

Bei der als Flüssigkeit vorliegenden Verbindung kann es sich insbesondere auch um Emulsionen und/oder Suspensionen handeln.

Bevorzugt ist die Verbindung ausgewählt aus einer Gruppe mit Halogensilanen (z.B. Tetrachlorsilan) , Siloxanen (z.B. Hexa- chlorsilan, Pentachlorsilan) und Mischungen davon.

Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren bei der Auf- arbeitung von Reaktionsprodukten der Herstellungsprozesse von Halbleitern, insbesondere Polysilicium, aus der Gasphase ein- setzen. Gleichermaßen vorteilhaft ist es anwendbar für die Vernichtung von aggressiven Destillationsrückständen in der organischen und anorganischen Chemie.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein die zu hydro- lisierende Verbindung führender Kanal zumindest von einem Wasser führenden Kanal flankiert.

Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die zu hydrolisie- rende Verbindung, insbesondere bei Vorrichtungsausführungen mit mehr als einem Zwischenkanal, nach dem Austritt aus dem Kanal unmittelbar eine Grenzfläche mit Wasser bildet, wodurch es in der Mischzone zu einer besonders guten Durchmischung kommt .

Besonders bevorzugt sind Kanäle, welche die Verbindung führen und Kanäle, welche Wasser führen, in alternierender Reihen- folge angeordnet. Diese Ausführung kann insbesondere vorteil- haft sein, wenn es sich um mehrere zu hydrolisierende Verbin- dungen handelt. Die alternierende Zuführung von Wasser und der zu hydrolisierenden Verbindung durch die Kanäle der Vorrich- tung führt zu einer besonders schnellen Durchmischung in der Mischzone .

Vorzugsweise werden die zu hydrolisierende Verbindung und Wasser mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Kanäle geleitet. Die Bestimmung der Strömungsgeschwindig- keiten erfolgt vorzugsweise über eine Massenstrommessung, be- vorzugt durch eine Blendenmessung, besonders bevorzugt mittels eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts . Die Strömungsge- schwindigkeiten lassen sich aus dem Massenstrom anhand der folgenden Gleichung bestimmen.

A ₁ ist der jeweilige Kanalquerschnitt senkrecht zur Strömungs- richtung. p _i ist die Dichte des Mediums im jeweiligen Kanal, die aufgrund der bekannten Eintrittstemperaturen und Zusammen- setzung des Mediums berechnet werden kann.

Durch die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten wird beim Austritt der Komponenten aus den Kanälen - bei der Ein- mündung der Kanäle in den zweiten Abschnitt - ein Strömungs- geschwindigkeitsprofil (Austrittsgeschwindigkeitsprofil) er- zeugt, das zwischen den einzelnen Kanälen Strömungsgeschwin- digkeitsgradienten aufweist. Dadurch entstehen intensive Scherungen an den jeweiligen Grenzflächen zwischen Wasser und der zu hydrolisierenden Verbindung, die eine intensive und turbulente Durchmischung der Komponenten bewirken.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist für zwei benach- barte Kanäle, von denen einer die Verbindung mit einer mittleren Austrittsgeschwindigkeit V _v und einer Wasser mit einer mittleren Austrittsgeschwindigkeit V _H20 führt, der Betrag einer Differenz zwischen V _v und V _H20 definiert als

0 m/s < |V _V - V _H20 | < 200 m/s, bevorzugt

2 m/s < |V _V - V _H20 | < 100 m/s, besonders bevorzugt

5 m/s < |V _V - V _H20 | < 50 m/s.

Die Bestimmung der Austrittsgeschwindigkeiten erfolgt, wie oben beschrieben, bevorzugt durch eine Massenstrommessung, wobei die Querschnitte am Austritt der Kanäle senkrecht zur Strömungsrichtung, die bevorzugt parallel zur Kanalachse verläuft, als Bezug verwendet werden.

Vorzugsweise besteht zwischen allen benachbarten Kanälen eine Differenz zwischen den mittleren Austrittsgeschwindigkeiten der die Kanäle verlassenden Komponenten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform verlässt das Wasser den Außenkanal mit einer mittleren Austrittsgeschwindigkeit V _außen von mehr als 0,5 m/s, bevorzugt mehr als 2 m/s, besonders be- vorzugt mehr als 4 m/s. Die mittlere Austrittsgeschwindigkeit, mit der das Wasser den Außenkanal verlässt, erzeugt in der Nähe der Außenwand des Hohlvolumens hohe Strömungsgeschwin- digkeiten. Diese Strömungsgeschwindigkeiten können sich ins- besondere auch im Bereich von Innenwandungen des dritten Ab- schnitts fortsetzen. Gegebenenfalls entstehende Ablagerungen aus Hydrolyseprodukten werden so abgespült . Eine Verblockung des Auslass und des dritten Abschnitts wird auf diese Weise verhindert und die Standzeit der Vorrichtung erhöht. Vorzugsweise weist ein die Verbindung führender Kanal einen Massenstrom m _v und ein Wasser führender Kanal einen Massenstrom auf, wobei ein Verhältnis aus der Summe der Massenströme von allen die Verbindung führenden Kanälen und der Summe der Massenströme von allen Wasser führenden Kanälen definiert ist als bevorzugt

0,5, besonders bevorzugt

Insbesondere bei stark exothermen Reaktionen kann der Wasser- überschuss maximale Temperaturen in der Mischzone von unter 100 °C gewährleisten. Eine aufwändige Handhabung besonders heißer Reaktionsprodukte entfällt somit.

Die Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden .

Ablagerungen werden sowohl im Bereich des zweiten Abschnitts als auch im Bereich des dritten Abschnitts vermieden. Dadurch erhöht sich die Standzeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Hydrolyse- Vorrichtungen um mindestens das Fünffache. Der Reinigungsauf- wand verringert sich erheblich. Üblicherweise ist ein Hydro- zyklon einmal am Tag zu reinigen. Dagegen ist die erfindungs- gemäße Vorrichtung maximal einmal pro Woche zu reinigen. Die einphasige Zugabe aller an der Hydrolyse Beteiligten Kom- ponenten in Verbindung mit der geometrischen Ausgestaltung insbesondere des zweiten Abschnitts der Vorrichtung sowie der verfahrensgemäßen Zuführung der Komponenten bewirkt die Aus- bildung einer Mischzone minimaler Größe mit homogener Durch- mischung. Unter einphasig soll die Zugabe sämtlicher Komponen- ten in flüssiger Form verstanden werden. Aufgrund der kom- pakten Mischzone lässt sich der Durchsatz an Hochsiedern im Vergleich zum bisher eingesetzten Hydrozyklon deutlich

steigern.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 und Pig. 3 zeigen jeweils ein Geschwindigkeitsprofil mittlerer Austrittsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten während des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig.l zeigt eine schematische Querschnittdarstellung der er- findungsgemäßen Vorrichtung 10 entlang einer Längsachse A _L . Die Vorrichtung 10 umfasst einen ersten zylindrischen Ab- schnitt 12 mit einem Durchmesser D _max , einen zweiten sich ver- jüngenden Abschnitt 14 sowie einen dritten zylindrischen Ab- schnitt 16 mit einer Länge 1. Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin einen zentralen Kanal 18, einen diesen koaxial um- gebenden Außenkanal 20 sowie einen den zentralen Kanal koaxial umgebenden Zwischenkanal 22. Der erste Abschnitt 12 und der zweite Abschnitt 14 sind Bestandteil einer Düse, die einen Auslass 24 mit einem Durchmesser D _A aufweist. Bei dem dritten Abschnitt 16, der nicht vollständig dargestellt ist, handelt es sich um ein Reaktionsrohr, beispielsweise aus Edelstahl, welches sich bündig an den Auslass 24 anschließt und dessen Innenvolumen 17 denselben Durchmesser D _A aufweist. Das Ver- hältnis 1/D _A beträgt 10. Das Verhältnis D _max /D _A beträgt 3.

Der zweite Abschnitt 14, in welchen die Kanäle 18,20,22 mün- den, umfasst ein Hohlvolumen 15, das sich vom Auslass 24 bis zu einer vorzugsweise kreisrunden Mündungsebene 26 der Kanäle 18,20,22 erstreckt. Der zweite Abschnitt 14 ist durch ein Pro- fil 28 definiert, das sich zwischen den Punkten A und B er- streckt und durch zwei tangential ineinander übergehende Ra- dien Rl und R2 beschrieben werden kann. P definiert den Schei- telpunkt, an dem die beiden Radien Rl, R2 ineinander über- gehen. Bei dem Profil 28 handelt es sich abschnittsweise um eine das Hohlvolumen 15 begrenzende Wand 27. Die Wand 27 wird durch einen Profilabschnitt zwischen den Punkten B und P' be- schrieben, wobei es sich bei P' um den Schnittpunkt der Mün- dungsebene 26 mit dem Profil 28 handelt. Einen weiteren Ab- schnitt des Profils 28 bildet ein Teil einer Wand 21 des

Außenkanals 20 zwischen den Punkten P' und A. Das Verhältnis R1/D _A beträgt 1 und das Verhältnis R2/D _A beträgt 2. In dem zentralen Kanal 18 ist eine, vorzugsweise an ihrem vorderen Ende spitz zulaufende, Durchstoßvorrichtung 19 ange- ordnet. Diese lässt sich entlang der Achse A _L mindestens bis zum Auslass 24 verschieben und dient der Beseitigung von Ab- lagerungen, die im Betrieb der Vorrichtung 10 insbesondere im Bereich des Hohlvolumens 15 und des Auslass 24 auftreten können. Die Dimensionierung der Durchstoßvorrichtung 19 ist derart, dass der zentrale Kanal 18 von einer Flüssigkeit durchströmt werden kann.

Beispiel 1

Unter Verwendung einer Vorrichtung 10 wie sie schematisch in der Fig. 1 dargestellt ist wurden die bei der Herstellung von Polysilicium anfallenden Chlorsilane (typischerweise ein

Gemisch aus Tetrachlorsilan, Disilanen und Disiloxanen) einer Hydrolyse mit Wasser unterzogen. Sowohl die Chlorsilane als auch das Wasser wurden als Flüssigkeit in einem Temperatur- bereich von 20 bis 30 °C unter einem Druck von ca. 1 bis 3 bar absolut der Vorrichtung zugeführt. Dabei wurde Wasser durch den Außenkanal 20 und den Zwischenkanal 22 geleitet, während die Chlorsilane durch den zentralen Kanal 18 geleitet wurden.

Fig. 2 zeigt ein Geschwindigkeitsprofil der Austrittsgeschwin- digkeiten der Flüssigkeiten am Ort der Mündungsebene 26, wo die Flüssigkeiten in das Hohlvolumen 15 eintreten (vgl.

Fig. 1) . Auf der Ordinate ist in Anlehnung an Fig. 1 der

Radius r der kreisrunden Mündungsebene 26 aufgetragen. Auf der Abszisse ist die Austrittsgeschwindigkeit v aufgetragen. Die Zone III (Chlorsilanstrom) zeigt dabei die Strömungsgeschwin- digkeiten des zentralen Kanals 18, während die Zonen II und I (Wasserstrom) den Austrittsgeschwindigkeiten des Zwischen- kanals 22 bzw. des Außenkanals 20 entsprechen.

Der Chlorsilanstrom in Zone III weist die höchste (40 m/s) , der diesen flankierende Wasserstrom in Zone II die niedrigste (2 m/s) mittlere Geschwindigkeit auf. Aufgrund dieses

Unterschieds kommt es an der Grenzfläche der beiden Ströme zu intensiven Scherungen, wodurch unmittelbar nach dem Verlassen der Kanäle eine gründliche Durchmischling stattfindet. Die besonders gute Durchmischung bewirkt, dass die Hydrolyse bereits im Bereich des Auslass 24 abgeschlossen ist. Auf diese Weise kann das der Kühlung dienende Reaktionsrohr kurz

gehalten werden, was zu einer Materialeinsparung führt.

Der Wasserstrom aus dem Außenkanal 20 (Zone I) , der eine höhere Geschwindigkeit (4 m/s) als der Wasserstrom aus Zone II aufweist, ummantelt zum einen die sich ausbildende Mischzone, in welcher sich insbesondere Wasser aus Zone II und die Chlor- silane aus Zone III mischen. Dadurch wird verhindert, dass Hydrolyseprodukte in Kontakt mit der Wand 27 treten können. Die Entstehung von Ablagerungen wird so weitestgehend ver- mieden. Zum anderen wird in Verbindung mit dem speziell ausge- stalteten Profil 28 eine schnelle Wasserströmung entlang der Wand 27 erzeugt, wodurch gegebenenfalls an der Wand 27 ent- standene Ablagerungen abgespült werden. Die Betriebsdauer der Vorrichtung erhöht sich signifikant. Im Vergleich zu den bis- her verwendeten Hydrozyklonen konnte die Standzeit um den Faktor 7 auf etwa 200 Stunden erhöht werden. Der Durchsatz an Chlorsilanen konnte um den Faktor 3 auf 600 1/h erhöht werden.

Beispiel 2

Unter Verwendung der Vorrichtung aus Fig. 1 wurden ^' die bei der Herstellung von Polysilicium typischerweise ' anfallenden Chlor- silane einer Hydrolyse mit Wasser unterzogen. Die Reaktionsbe- dingungen waren identisch zu denen aus Beispiel 1.

Gemäß Fig. 3 wurden allerdings im Gegensatz zu Beispiel 1 die Chlorsilane durch den Zwischenkanal 22 (Zone II) mit einer maximalen mittleren Austrittsgeschwindigkeit von 10 m/s ge- leitet. Der Chlorsilanstrom wurde von zwei Wasserströmen

(Zonen I und III) flankiert, wobei der Wasserstrom des zen- tralen Kanals 18 die niedrigste Austrittsgeschwindigkeit von 2 m/s aufwies. Der große Geschwindigkeitsunterschied bewirkte auch hier eine intensive Durchmischung der Chlorsilane mit dem Wasserstrom (Zone III) . Da der Hochsiederstrom (Zone II) beid- seitig mit Wasser flankiert ist, konnten größere Mengen an Chlorsilanen umgesetzt werden. Im Vergleich mit den bisher verwendeten Hydrozyklonen konnte die Standzeit um den Faktor 5 auf 143 Stunden erhöht werden. Der Durchsatz an Chlorsilanen konnte um den Faktor 6 auf 1200 1/h erhöht werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 eignet sich insbesondere zur Hydrolyse von Verbindungen, die in Bezug auf sich ausbildende Ablagerungen weniger problematisch sind. Durch die sich in dieser Ausführungsform ausbildende besonders große Mischzone kann eine sehr schnelle Hydrolysereaktion erreicht werden, wodurch gegebenenfalls auf einen dritten Abschnitt 16 in Form eines Reaktionsrohres verzichtet werden kann.

Beispiel 3

Unter Verwendung der Vorrichtung aus Fig. 1 wurden die bei der Herstellung von Polysilicium typischerweise anfallenden Chlor- silane einer Hydrolyse mit Wasser unterzogen. Die Reaktionsbe- dingungen waren identisch zu denen aus Beispiel 1.

Die Chlorsilane wurden mit einer mittleren Austrittsgeschwin- digkeit von 8 m/s durch den zentralen Kanal 18 (Zone III) ge- leitet. Wasser wurde mit einer Austrittgeschwindigkeit von 35 m/s durch den Zwischenkanal 22 (Zone II) sowie mit einer Austrittsgeschwindigkeit von 3 m/s durch den Außenkanal 20 (Zone I) geleitet. Das Geschwindigkeitsprofil entspricht dabei im Wesentlichen dem in der Fig. 3 gezeigten. Durch den großen Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Zonen III und II kommt es zu einer intensiven Durchmischung im Bereich des Hohlvolumens 15, wobei entstehende Reaktionsprodukte durch den Wasserstrom im Außenkanal 20 von der Wand 27 ferngehalten werden. Im Vergleich zu den bisher verwendeten Hydrozyklonen konnte die Standzeit um den Faktor 10 auf etwa 290 Stunden er- höht werden. Der Durchsatz an Chlorsilanen lag mit 200 1/h auf dem Wert des bisher eingesetzten Hydrozyk1ons .

Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zur Hydrolyse von Hochsiedergemischen, deren Hydrolysprodukte eine erhöhte Tendenz zur Ausbildung von Ablagerungen aufweisen. Hier sind insbesondere Medien zu nennen, die höhere Konzentrationen an Metallchloriden, z.B. A1 ₂ C1 ₃ oder TiCl ₄ , aufweisen.

Beispiel 4

Unter Verwendung der Vorrichtung aus Fig. 1 wurden die bei der Herstellung von Polysilicium typischerweise anfallenden Chlor- silane einer Hydrolyse mit Wasser unterzogen. Die Reaktionsbe- dingungen waren identisch zu denen aus Beispiel 1.

Die Chlorsilane wurden mit einer mittleren Austrittsgeschwin- digkeit von 2 m/s durch den Zwischenkanal 22 (Zone II) ge- leitet. Der Chlorsilanstrom wurde von zwei Wasserströmen

(Zonen I und III) flankiert, wobei der Wasserstrom des zentra- len Kanals 18 die höchste Austrittsgeschwindigkeit von 50 m/s aufwies. Das Geschwindigkeitsprofil entspricht dabei im

Wesentlichen dem in der Fig. 2 gezeigten. Bezüglich der Durch- mischung kann auf die Ausführungen zu Beispiel 2 verwiesen werden. Im Vergleich zu den bisher verwendeten Hydrozyklonen konnte die Standzeit um den Faktor 8 auf etwa 220 Stunden erhöht werden. Der Durchsatz an Chlorsilanen konnte um den Faktor 3 auf 600 1/h erhöht werden.

Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zur Hydrolyse von Hochsiedergemischen, deren Hydrolysprodukte eine sehr hohe Tendenz zur Ausbildung von Ablagerungen aufweisen. Auch hier sind insbesondere Medien zu nennen, die höhere Konzentrationen an Metallchloride, z.B. A1 ₂ C1 ₃ oder TiCl ₄ , aufweisen. Ferner ist diese Ausführungsform besonders geeignet für stark exo- therme Hydrolysereaktionen, da die entstehende Wärme durch den Überschuss an Wasser schnell abgeführt werden kann.

Vergleichsbeispiel

Die bei der Herstellung von Polysilicium typischerweise an- fallenden Chlorsilane wurden einer Hydrolyse mit Wasser unter Verwendung eines Hydrozyklons unterzogen. Funktionsweise und Aufbau des Zyklons sind aus DE 28 20 617 AI bekannt. Die Halogensilane werden über eine freihängende Zweistoffdüse mit Hilfe eines inerten Gases, beispielsweise Stickstoff, in einen Zyklon gesprüht. Durch eine tangentiale Zugabe von Was- ser an einem oberen Ende des Zyklons kommt das Halogensilan- gemisch mit Wasser in Kontakt. Da es sich bei der Reaktion zwischen Hochsieder und Wasser um eine exotherme Reaktion han- delt, wird das zugeführte Wasser teilweise verdampft. Der auf- steigende Wasserdampf feuchtet die Zweistoffdüse an, wodurch regelmäßig Verblockungen auftreten, die zu einer Verstopfung der Zweistoffdüse führen können. Aufgrund des großen Verhält- nisses zwischen der benetzten Oberfläche des Zyklons und dem Wasservolumenstrom werden die Reaktanden nicht vollständig abgewaschen (kleine Strömungsgeschwindigkeiten) . Dies führt ebenfalls zu regelmäßig auftretenden Verblockungen. Die Stand- zeit des Zyklons beträgt daher nur etwa 28 Stunden. Der

Durchsatz an Chlorsilanen beträgt 200 [1/h] .

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der gegenüber dem Hydrozyklon geringe Reinigungsaufwand, was sich in einer geringeren Standzeit widerspiegelt. Während für die Reinigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich maximal 2 Stunden benötigt werden, ist für die Reinigung des Hydro- zyklons eine Standzeit von etwa 48 Stunden erforderlich. Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Durchstoßvor- richtung zur Entfernung von Ablagerungen versehen, lässt sich die Standzeit zu Reinigungszwecken weiter reduzieren, da die Durchstoßvorrichtung Verblockungen bereits im laufenden Be- trieb entfernen kann.