t
~
.
I
'7~
n
~
~ : : -"--~ -~~a
::
~ , ~,1
1I
'--- ,,--\ I t-R
-i
_______ ___ ~__ _ _____ .---JJ
TECHNISCHE FABRICAGE VAN ZUIVER SIDLICIUM.
MaariL 1959.
O.Th. Stiekema,
Randweg
75a,
Rotterdam.
-1-I. Inleiding: (1,2)
Sinds. de oudheid was bekend, dat silicium
hou-dende stoffen geschikt waren om glas te maken.
Sir Humprey Davy was waarschijnlijk de eerste die
ontdekte, dat zand eenlverbinding en geenJ element was.
Ofschoon. Gay-Lussac en Thenard in 1811 uit
silicium-tetrachloride zeer onzuiver silicium bereidden, slaag-de Berzelius er in 1824 uiteinslaag-delijk in zuiver
sili-cium te bereiden door silicium-tetrachloride over verhit Kalium te leiden.
Kristallijn silicium werd het eerst door Deville
in 1854 door electrolyse van onzuiver
kalium-aluminium-silicaat bereid.
Het element had tot het einde der negentiende
eeuw geen commerci~le betekenis.
De IndustrHHe produktie van onzuiver silicium,
è31a
t toepassing vindt in allerlei alliages., begon in het begin van deze eeuw met de ontwikkeling van de hoogoven en de electrische oven.De vraag naar zeer zuiv.er silicium dateert van
J~< .J..
de laatste tien jaar, daar
zJ1
met germaniumtoepas-sing vindt in de electronische industrie bij de fabri-cage van transistors.
Voorkomen :
(3,4)
Silicium is na zuurstof het meest verbreide element op aarde. De hoeveelheid Iordt geschat op
25,8
%
(ter vergelijking dienen de hoeveelhedenzuurstof, aluminium en ijzer welke respectievelijk
49,4
%,
7,5
%,
en4,7
%
bedragen).Als element komt silicium niet voor wel in de vorm van allerlei silicaten en het oxide.
Aangezien het silicium op alle continenten
wordt aangetroffen en de gemiddelde concentratie aan silicium in de aardkorst zo groot is, is het logisch dat alleen die vindplaatsen economische waarde hebben waar zuiver Si0
2 wordt aangetroffen en welke zeer
r
-2-St
De belangrijke mineralen zijn:
Kwarts
Cristobaliet
Tridymiet
Opaal
Kaoliniet
Dickiet
Nacriet
Ha
.
lloysiet
Eyrophylliet
Talk
Montmorilloniet
Nontroniet
Mica
Biotiet
Si0
2
Si0
2
Si0
2
Si(OH)4
Si0 2
A1 2 (Si205 )(OH)4
A12(Si205110H)4
A1 2 (Si205 )(OH)4
A1 2 (Si03)(OH)3
Al2 (Si 40 10 )(OH)2
Mg
3
(Si
4
0 10 )(OH)2
A1 2 (Mg)(Si 40 10 )(OH)2
H
2
0
Fe 2 (Mg)(Si
4
0 10 )(OH)2 xH20
K A1 2
(AlSi
3
010)(OH)2
K (Mg
Fe)3(Al Si
3
010) OK 2
Voor
de
b~eiding
van silicium komen
alle~
n
kwarts,
Cristobaliet en Tridymiet in aanmerking; zij zijn
alle1 Si0
2
modificaties en kunnen volgens
onder-staand t
,
oes tandsdiagram van ii0
2
in elkaar overgaaJlli..
(fig
,
. 1)
--
---
--
-
-:. 870 1610 1460 1410 1710· CI
-3-De gesteenten, waariru kwarts (de meest voor-komende modificatie van Si0
2) vrij zuiver voorkomt, zijn: zand zandsteenl kwartsiet
ca.,
X
96%
~ 96%
97 -99% Si02 S.i0 2 Sli0 2Kwarts komt ook voor in pegmatietenl en hydro-thermale afzettingen, echter in niet ontginbare hoe-veelheden.
Toepassingen van silicium.
In legeringen.
(5,6)
Reeds vele jaren kent men in de staal produce-rende landen het procedé om ferro-silicium, met 3~%
-Le
ge
r
e
n
80%.;silicium-g,ehal te, te maken. Door het iwp± 0611918111 van ijzer met ferro-silicium verhoogt men de bestenT dig heid van het materiaal tegen corrosie, hi tt.e en slijtage.
De meest belangrijke silicium legeringen welke commerciäle betekenis hebben bij de ijzèr en staal produktie zijn die, waarin naast Fe en Si ook MD, Cr, V, Ti, Zr, B, Ca, Mg, of Ta kunnen voorkomen.
De produktie van silicium voor silicium legerin-gen bedroeg in 1956 ongeveer 9.000 ton~ De prijs on-geveer f. 1,50 per kg. Silicium in de vorm van 75% ferro-silicium wordt wel gebrm.ikt als reductiemiddel bij de produktie van Cr, Mni en Mg, (bv.: Pidgeon-proces), uit hun ertsen'.
In de laatste jaren zijn zeer veel pogingen
gedaan om een keramische massa samen te stellen welke tegen zeer hoge temperaturen. bestand is. Door smel-ten in vacuum van silicium-metaal en titaan-carbide, waarbij een omzetting plaats vindt in
silicium-carbi-~e
de en titaan-silicide, h&aft men een materiaal
samen-gesteld~ot welk iB va~t~ te~~t~~d geen glagfage ~eoft
J
~~ ~ gOW01Hilt-e e-ig~R8e~8:~~~R eOl?iit, zodat zij bijv.
r
-4-toepassing vindt in de verbrandings-kamers van.
straalvliegtuigen.
In silikoná~ (4,6)
De toepassingen van. silikonen (organische sili-cium verbindih:gen.) zijn veflerlei; het zou te ver voeren de diverse verbindingen met hun eigenschappen. te beschouwen. De produktie der silikonen is echter gebaseerd op Poly-condensatie van Si-hydridelin (ook wel sil~nen genoemd), Si-halogeniden, de esters vam
ortho-kiezelzuur en andere alkyl- of aiyl- Si-verbin-dingen. Zowel de Si-hydriden als de Si-halogeniden worden gemaakt uit het onzuiver silicium-metaal.
Vele bekende wereld-concerns produceren grote
hoeveelheden silikonen o.a.: General Electric, Du Pont,
Dow Oorning, Bayer A.G., Leverkusen.
Ook in silicium-oxyhydride is een silicium
deri-vaa~ ontstaan dat op ruime schaal bereid wordt en bv. toepassing vindt bij de bereiding van schuimrub-ber (1gram ontwikkeld ongeveer 400cc. H
2gaa in de warmte), en in de optische industrie, ter bescherming van spiegels en lenzen.
In elektronische apparatuur. (7,8)
Het zeer zuivere silicium vindt toepassing, als grondstof bij de fabricage van halfgeleiders en tran-sis tors. De drie factoren welke tot de
Qt't
e
e
î:~
s
i-
{@t
van halfgeleiders en transistors van siliciwn i.p.v. germanium hebben bijgedragen zijn, een geringere col-lector lekstroom, een hogere toelaatbare bedrijfs-temperatuu.r (vergelijk 17500. voor silicium en 5500.voor germanium transistors) en het feit, dat silicium in veel grotere hoeveelheden in de aardbodem beschik-baar is:.
lnduatti~n welke zich met het onderzoek naar ~Th de produktie van silicium bezig houden zijn o.a.: Texas Instruments lnc., en Eagle-Picher, die zich
(
-5-schaal zuiver silicium te produceren~ Du Pont die aan de bouw van een nieuwe silicium,fabriek te Brevard N.C. begonnen is, wil silicium maken in vier graden van zuiverheid. De~e fabriek zal de eerste zijn die op grote schaal zeer zuiver silicium ma~kt. Monsan~,
Merek, Foote Mineral en General Electric houden zich nog bezig met een actief onderzoek naar de produktie van zuiver silicium, terwijl Westinghouse reeds zui-ver silicium in geringe hoeveelheden produceert.
In een verslag van het Stanford Research Insti-tute, waar bij 80 maatschappijen, die zich op elek-tronisch terrein bezig houden, zijn aangesloten, wordt voorspeld, dat de produktie van germanium en silicium transistors in 1958 59millioen zal zijn, vergeleken, met een produktie van 26 millioen tran-sistors in 1957.
Verder voorspelt William
J.
Peltz, vice-president vam de Philco Corp!s Landsdale Tube Co. een vijf-vou-dige toename van de transistor produktie in de komen-de twee jaar tot 125-millioen.Wa~ het zeer zuivere silicium zelf betreft, voor-spellen de Aries Laboratories te NewTYork een toename van het gebruikV4500kg in 1956 tot 45.000 kg. in 1961.
Prijzen en zuiverheid.
Daar de produktie van zeer zuiver silicium van de laatste jaren dateert en de vraag van de afnemer nogal fluctueert wat betreft de guantiteit en de
qualitteit, heerst er bij de producenten van zeer zui-versilicium enige onzekerheid hoe hoog de zuiverheid moet zijn en tot welke prijs het zuivere silicium verkocht kan worden.
Drie van Du Pontls zuivere silicium produkten zijn die welke geschikt zijn voor halfgeleiders.
Klasse no. 1 bevat niet meer dan 3.10-7
%
bori~
terwijl de prijs bepaald is op f. 3000,--'Pèr" kg., , . ". '," .' .
-6-Du Pont beschrijft het a.ls een geheel aparte
klass~ ontwikkeld voor gelijk-richters in de hoog
frequente techniek. Texas Instruments Inc. verkoopt echter het silicium met deze zuiverheid tegen f.4170,--per kg.
Klasse no. 2 bevat niet meer dan 6.10- 7
%
horium en wordt verkocht tegen de prijs van f.
2.080,--per kg. De zuiverheid correspondeert geheel met die
van de grote hoeveelheid silicium welke toegepast wordt voor halfgeleiders.
Klasse no. 3 kan worden toegepast in de zwakstroom techniek en wordt verkocht tegen: f. 675,-- per kg, terwijl de verontreinigingen aan. borium minder daru 11.10-7
%
z.ijn.Silicium met een zuiverheid waardoor het ge-schikt is voor toepassingen in gelijk richters in radio's, telefoon-centrales enz. wordt verkocht tegen
f.
834,-- per kg.Zoals uit het voorgaande blijkt is het borium-gehalte een criterium voor de toepassingen en de prijs. Het uitgangsmateriaal voor de silicium bereiding moet dus borium vrij zlJn. Borium verontreinigingen int
silicium kunnen worden gemeten door de elektrische weerstand te meten. De weerstand is omgekeerd even= redig met het borium-gehalte.
(
I
~A
-7-TECHNISCHE BEREIDINGSWIJZE VAN ONZUIVER SILICIUM.
(5, 6, 7, 8, 9,
)
Voorbehandeling:
Bij de nu volgende methode, welke wordt toege-past door de Union Carbide and Carbon Corp. in Ameri-ka~ b~ort men zowel horizontaal als verticaal gaten voor springstof-lading in het gang-gesteente waarvan de samenstelling ongeveer als volgt is:
Si02 : 99,30%, Al203 : 0,50%, Fe203: 0,17%,
Ti02: 0,02%, CaO: 0,01%.
Een helling van 600 zorgt ervoor, dat het opg e-blazen gesteente gemakkelijk op een lager gelegen
e
platform tercht komt alwaar het met grote draaikranen, voorzien van een voorbreek installatie, im lorries gestort wordt en naar een ktaa~breker vervoerd wordt. Nadat de rotsmassa tot ongeveer 13 cm. verkleind is, /\ wordt het produkt vervoerd naar wasgo~en.
fJ· ss
ril/tij Na enige tijd gewaaen te zijn wordt het kwart-·
1f'''1
siet d.m.y. draaikranen in een natte draaiende
trom-rOOf'"
meI gestort, waar het tegelijkertijd verder ~ge
-malen en in drie grootten gescheiden wordt.
Alleen stukken van
1.
t
o
t/
G
cm. komen in aanmer-king voor de elektrische-oven, daar grotere stukken de reductie vertragen en kleinere aanleiding geven tot sintering en verstoppingen. Het kwartsiet kleiner dan 2 cm. wordt gebruikt als kiezelsteen voor spoor-banenfin het zeer fijne kwarts kleiner dan0,3
cm. als specie voor metselwerk.Na gedroogd tezijn in droogtrommels wordt het kwartsiet via Jacobs-Iadders naar opslag-trechters
vervoerd. Met behulp van schuiven onder aan deze
trechters kan men het kwarts in kantellorries storten waarna de lorries over een bascule rijden, die de inhoud op 1% nauwkeurig bepaald. Een rail boven de oven zorgt ervoor, dat de lading van boven af toe-gevoerd kan worden.
De reactie tussen kwarts en koolstof vindt plaats o \t1 ee.\"\ vL.a..1"'I"'\ uoo9 ove.".
bij ongeveer 1700 C:-' Deze temperatuur kan. bereikt worden m.b.v. drie stel boogelectroden van 100 V. waardoor een stroom vanJ
35000
Amp. gaat. Dekool-Kwarts As v. As v. T ~otaal
-8-electroden verplaatsen zich met een draaiende bewe-ging door de lading en hebben een diameter van 7,5 dm. en zijn 91 dm. lang, terwijl zij 11 dm. in de lading
steken. De oven-bodem bestaat uit geperst grafiet. Het
(4& ~gJ y -
--kwarts-houtskool~mengsel geleidt de stroom slecht
zoda t er een spannings'Tverschil van 60 à. 70 Volt. tussen
bodem en electroden ~ heerst waardoDr een goed gecon-
_I!
&
1, \ } -/:2)t>or <''4' ..tLJa., .. ' " 'J 'Te A.l, ~ -)
.At"
f
troleerde regeling van de temp. mogelijki~.
De lEiding fhoutsk. electr.
bestaat uit een mengsel van 3000kg. kwarts. en 1980 kg. houtskool. Men neemt hiervoor liever houtskool dan cokea omdat houtskool minder verontreiniging bevat; in Zweden gebruikt men zelfs liever houtskool van pijn-bomen wat een laag as-gehalte heeft.
Alle contact met ijzer moet vanwege de zuiver-heid v-an het ~i~icium vermeden. worden; bijv. geen
,-) _l --.1._.~
plaat-ijzeren bekleding der electr9den maar een
gemet-(va.,.. .:J~f'et)
selde huls waarin de electroden~op en neer kunnen bewegen. Om de drie uur wordt de gemetselde oven-wand m.b.v. een vlamboog-electrode doorboord, waarna het silicium vloeibaar afgegoten kan worden.
Bovengenoemde oven produceert iedere drie uur 1350 kg. silicium. In onderstaande tabel vindt men
bron "~n
de ~Drzaak)van de verontreiniging in het si+icium.
Kg. Si0
2 Fe203 11203 MgO BaO OaO Mn304
:g
J, 2 5°
Ti02 1000 990 1 ,2 4,3 0~5 e,2 1 ,°
0,521 ,5 2,9 0,4 1 ,2 0, 1 14,8 0,3 0, 1 3,5 1 ,7 0,6 0,8 0, 1 0,5 0,05,
1025 994,6 2,2 6,3 0,6 0,8 15,85 0,3 0, 1 0,.5
Terwijl analysen van het verkregen silicium en de slak het volgende resultaat gaven:
K 20 2 2 Si-metaal: 98,73% Si 21,5%Si0 2 0,39% Fe 1,3
%
Ti02 0,31% Al 14,4%
A1 203 0,045%Mn
0,18%Oa Div. 0,25% S.lak 0,8%
Mn
304 53,2%OaO De materiaal-balans van het silicium ziet er als volgt uit:Produkt In de slak Vervluchtigd
73,4
%
(t.o.v. ingevoerd Si) 0,6%
-9-Vooral met het laatste verschijnsel moet men ter
-dege reken~ng houden met het oog op silicose, men" is dus verplicht de gassen (waar onder 06) boven de oven goed af te zuigen. De mengverhnuding kwarts houtskool is zeer belangrijk, een overmaat houtskool geeft aan-leiding tot vorming van silicium-carbide.
Door Elyntin is in Stal.§. (1946), 554, hewe~en
dat de reactie tussen kwarts en koolstof als volgt verloopt:
3i0 2
+
0 #Si+
200 AH= 155,160 cal. Het is thermo-dynamisch onmogelijk, dat het Si02
geredu~e~d wordt door het 00; zelfs kan uit de
Nerns!lvergelijki~i afgeleid worden, dat het Si bij
20000 O. het kool-monoxyde reduceert, hetgeen i~pli ceert dat de temperatuur niet te hoog mag oplopen.
Voor de bereiding van 3i01
4
kent men twee methoden Th.l.: 1e Een reactie tussen 3i02 gemengd met houtskool en 61
2,
Si02
+
20+
012 ~ 3i014
+
200. 2e Een reactie tussen Si en 012• Si
+
2612 ~ Si014•
Reactie 1 vindt plaats bij 7400 O. i~dien men uit~at van amorf 3i0
2, bij 1060
0
O. van cristo-baliet en tridymiet, en 12200 O. van kwarts.
Silicium en 01
2 reageren al bij 200
0
O. met el-kaar. De onzuiverheden in het ruwe silicium (zoals bijv. Fe,
Al,
Mg en Oa) worden echter tegelijkertijd gechloreerd; zij kunnen door destillatie gemakkelijk wor«en verwijderd (zie fig.2).Bij overleiden van 11 kg. 01
2 over ruw silicium verkreeg men bij 5000 O. 11,3 kg. 3i01
4, hetgeen neer-komt op 85,8
%
omgezet 01r
" " \ ~ ... , .-10-11. TECHNISCHE BEREIDINGSMETHODEN VAN ZEER ZUIVER SILICIUM.
a. In het oudste proces dat tijdens de tweede
wereld-oorlog door Du Pont in Amerika werd ontwikkeld laat men zuiver SiC1
4
enl Z,n bij ongeveer 10000
C. met elkaar in een kwarts-buis reageren.
b. Bell Téiliephone Laboratories maken zuiver Si voor eigen gebruik door zuiver H
2 gas met SiC1
4
te latem reageren in een bolvormige ruimte van kwarts welke door eenbreed en zet zich c. Een
0,01 mm dunne. tantaal band, welke 6,5 mm
elac!.t:rls.c~
1000mm lang is~wordt verhit. Het silicium als fijne kristallen op deze band af.
geheel nieuw proces is door de U.S.Ä. Air
Force~ ontwikkeld en onlangs voor publicatie
vrij-gegeven. Hierbij laat men SiJ
4 thermisch ontleden in een inductie-oven , waarin zich een kwartsstaaf bevindt waarop Si kristallen zich afzetten. Het SiJ
4
bevat na herkristallisatie, sublimatie en zone smel-ten minder dan 10-5%
onzuiverheden. Het silicium vindt (waarschijnlijk) t oepassing in raketten. Deopbrengst is ongeveer 70
%
(v.u. theor. opbr.)De proceskeuze i s gebaseerd om op grotere schaal zuiver silicium te maken, dat toepassing vindt bij
de fabricage van transistors en hailifgeleiders tn re zwakstroom-techniek, waarin tot nu toe de grootste
hoeveelheid zuiver Silicium toepassing vindt.
Om deze reden lijkt het proces dat door Du Pont
ontwikkeld is zowel technisch als economisch beter
uitvoerbaar.
De plaats van de fabriek wordt bepaald door de
vind-plaa~sen van zuiver Si0
2 en de aanwezigheid van goed -kope electriciteit. In ieder geval moet de fabriek
~ in eere sterk geïndustrialiseerd land neergezet worden ~
omdat daar de toepassingsmogelijkheden het grootst zijn en de markt dus het gunstigst is.
I
/~---~
\
'"'1
-11-In dit licht bezien lijken het beste:
Verenigde Staten: :&cott River (6al.) (kwartsiet).
:Maine (Virg.) (kwartsiet).
Canada :Laurentian (kwarts 99% Si0
2).
:Grenville (kwartsiet).
Australia :Broken Hill.
Beschrijving vallihet proces (zie ook tekening).
~oals reeds vermeld passen wij het proces toe
van Du Pont, waarbij gebruik gemaakt wordt van enkele
zeer schaarse gegevens. Het gehele proces kan men in twee delen scheiden n.l.:
a. De continue silicium bereiding.
b. De discontinue zuivering van het silicium.
a. Alvorens tot beschrijving van de continue
sili-cium bereiding over te gaan worden eerst massa en
w
warmte balans gegeven.
1~ Massa-balans.
We streven naar een jaar-produktie van 39.000 kg.
_.. ... . .•.
--'-,
silicium, hetgeen neerkomt op - 39.000
= 4,45 kg. Si per uur. At. Gew. Si At. Gew. Zn = 28,06 = 65,38 Mol.Gew. ZnCl 4 =136,29
Mol. Gew. SiC1
4 =169,89
24. 365
' - -
~
Uit de litteratuur bleek, dat het meest gunstige
omzettings-percentage werd verkregen indien me~de
mengverhouding zn-damPl'SiCl4-damp gelijk
~~~.
Het percentage omgezet SiC14 bleek dan 80 te zijn.
Om een produktie van 4,45 kg. Si (160 Mol) per
uur tè krijgen moet men dus
1~g.
160 Mol SiC1 4 (= 200 Mol=
200. 169,89 gr. SiCl4 = 34,e kg. SiC14), naast 4. 200 Mol.
Zn
(= 800. 65,38 gr. = 21,0 kg. Zn).-12-In een koeler worden de niet gereageerde en de
I:ot 450°(.
gevormde gassen gekoeld, dit zijn resp.:
40
Mol SiC14
per uur= 6,8
kg.43,6
kg.~~
__
----~,320
Mol ZnC12
per uur ~\,l
\J,v.1---
"\_A
~~1.-480
Mol Zn per uur= 31, 3
kg.\
L....
II"V~~ 0.-'3 ee .... 4<.,IV'··
~~ Het iC14 wordt onmiddellijk gerecycled , zodat
t---vv '
V'
de SiC14
verdamper slechts200
-
40 = 16e
Mol SiC14
/
,
per uur hoeft te lieveren. Overzicht:
27,2
kg. SiC14
per uur43,65
kg. ZnC12
per uur.21,0
kg. Zn per uur. 4,45 kg. Si per uur.c -A6 2
et
~ Z-...v ~OlI.- .M- ok ~o~of
j e-1I~j~ J~'(;\.'1 I - - 1
f'
_.
e
c 1;0 t'""-e.t'.si. zet;- ~.v" 0., ... <.A.~ r ~ ,
2. Warmte-balans.
De reactie-warmte werd met behulp van gegevens
e..:-r.
uit Gmelin
(11),
I.~.(12)
en ~erry(13)
berekend.Hieruit bleek, dat voor de omzetting van
160
MolSiCl~ in Si bij
1000
0 C.12123
k.cal nodig waren.' Ier uur moet
21,0
kg. Zn(320
Mol) in deinduc-tie-oven verdampt worden, hetgeen
11380
k.cal kost.Het verdampen van
160
Mol SiC14
(27,2
kg.) kost1.263
k.cal, terwijl het opwarmen van
200
Mol SiC14
tot1000
0 C. in de voorverhitter3874
k.cal per uur kost.In de koeler moet totaal
30611
k.cal per uurdoor lucht-koeling worden afgevoerd.
Beschrijving vanl het proces.
Voor de voeding van Zn-damp zorgt een
induc-tie-oven welke een capaciteit heeft van
35
k.W. engevoed wordt door een hoog~frequent inductiestroom
van
10.000
Hz;de inhoud van de oven is97
dm3 •
Demaximale vulling bestaat uit
97. 7=679
kg. Zn(s. g. ) Zn
=
7), zodat dus één maal in32.u.bi jgevuld d.~nl;;')
te worden. i " . \<.'ro "·i'U,.1 \ , ' "", '\:' [".c, ,"" (_ ~,\",\,(,j/ \ 1.\\- ~'.
\
Een vulsysteem bestaande uit een verplaatsbare
-
----I afsluiter van vuurvaste steen
.-? \
met he~el kan echter/ \ de oven continu laten werken.
-/ .
\.
;;t!\,\/~!,It·
De opening in de wand is
0,75
dm. zodat Zn-broodjes\JU .,....
t
\-h.{ ~.lJT
~p-~ It
i2.
VI~
r h ' '.lu
f( l \ i< I- " '. ':
J
r'fU.A./
2 \ '"
i" j "r .
rI 1 (,.l.
fl,{;'
({,
~,
,,'
,~ \'"-' \!\.S
\t t t ( '-1 ;,rt,. , ~,I" ,
,
'.\ ~ \ \ ' \ -1}-\van
3,5
kg. per stuk om de 10 min aan de inhoud'Worc:(en
van de oven toegevoegd.
Door de inductieve verwarming bereikt het
toege-i I
I voegde vaste Zn onmiddellijk een hoge temperatuur en
I _- - - _.- - - - _. -
-t daalt de gas afvoer praktisch niet. Het voordeel
, van inductieve verwarming is, dat de energie-bron
koud blijft, terwijl de 1 oule-warmte in het materiaal
zelf door inductie-stromen2worden omgezet.
De grootte van de energie opwekking is alleen
afhankelijk van àe sterkte van het magnetische veld,
zodat energie toevoer uitstekend ~e regelen is,
het-geen ook een geregelde verdamping van het Zn impliceert.
Om 27,2 kg. Si~_!-4 per uur te verdampen is een
kleine verdamper nodig, waarvan het warmte-uitwisselen~
t"oe$t
vrg-opp. bestaat uit een Q,Q,r99Hi ftilE!Eelstalen piij..:p (f~a.et,t.Ji,/J
(O~
0,75 dm. en5
dm. lengte).De warmte wordt geleverd door 2,5 kg.
condense-rende stoom per uur. De toevoer van het SiC1
4 kan door
een eenvoudige flow-meter worden gecontroleerd en met
OfSL ...
er.sbehulp van ); i i i worden geregeld. Het uit de
verdam-per komende SiCl
4 (27,2 kg. per uur) wordt tegelijk
met "recycle" SiC1
4 (6,8 kg. per uur) door een op
11500 C. verhitte kwartspijp geleid.
(~~o
#1
6
.
dm enlengte 50 cm.) (
~:
"i" .t-k...J.tt.
:
I
Q,1
")
De reactor.
Om continu te kunnen weL'ken wordt Zn en SiCl
4
-gasge-leid in twee reactoren (ieder ~ uitwendig: 1,15m.)
terwijl 2 andere reactoren 6 uur buiten bedrijf staan
--om af te koelen, gereinigd en weer op temp gebracht
-
-
-
-
-
---
-
---
----te worden. Elke reactor bestaat uit drie gedeelten,
de voorkap waar Zn- en SiCl
4
-gas instromen en zichmengen; het tweede deel bestaat uit 37 kwartspijp~n
( ieder ~ inwendig: 101,6 mmo en lengte: 2000 mm.)
2 2
met een contact opp. van 37. 5,68 m
=
25,16 m . Dekwartswand dient als katalysator bij de reactie. Deze kwartspijpen worden aan voor- en achter-zijde alsmede in het rnid<:ien gesteur:-d door
cirkeilivor-mige kwarts platen. Weerstandsdraad om de kwarts pijpen
,/ [ \ \ \ \} I ol,
" t~(
[ I'; f"-(", I \1':\\"
Ot. .-14-houdt de reactor op
950
oC. om de pijpenbundel bevindtzich een~laa tij zereri-'iluls die aan de binnenzijde
ge-voerd is met
50
mm dik asbest isolatie. Deze plaat,
<
, -'
1;
~'~is d.m.v. een flens en bouten verbonden aan de voor- / -. .
kap, die evenals de achterkap van
,_
~hroom-nikkel-sta
fh
'1
11 gemaakt is. Aan de binnenzijde van de voorkap is een
r
)/
~Io
~:I'(.v
v
rand gemaakt, dusdanig dat de kwartspiJ'pen niet naarl\.,J \ MV'"'
-\"J", \ IJ
b
j l voren kunnen schuiven. Aan de onderziJ'de van devoor-~'(. ' ,I ; , '1 ( -
-J - .t\..Ji..,. . ' t
N
~\,.
'\~
C4
l>
-' \ ' \
"
\
:~ ~:re
b:V:::
t 1;:;~ ::~
::e ::; e:e::
~
0:
c~:~: :::r~:~ r
~
" "I: -, ?
, ' f! ( ,
"-'''''
\ ')
, , met
50
dm3
opslag capaci tei t afgevoerd kanworde~.
-
\l
Aan de achterzijde bevindt zich een snel-afneembarey i t
deksel deg9 rust tegen de achterste steunpiliaat van
de pijpen-bundel en wordt hier tegen-aan gedrukt door
6 spiraalveren terwijl een asbest-afdichting is
aan-gebracht om lekkage te voorkomen. De veren dienen om
het uitzetten (1
mm.)
van de kwartspijpen op tevan-gen (oékwarts
=
5,4 •
10-~).
De reactor wordt m.b.v.een langzame
N
2
-stroom afgekoeld tot ongeveer100
oC.;verondersteld wordt dat hier ongeveer
3
uur voor nodigis. Daarna kan men de veren losschroeven en de
achter-klep d.m.v. een knie-gewricht wegdraaien, zodat de
gehe~e achterkant . r i j komt voor het verwijderen van de Si kristallen.
1000
1273
3
Totaal volume gas
per
min.= ~.273. 22,4
=1731
dm, ' 2
Volume van
2
reactoren=
2. 37. 1/4.
! t
(1,016) 20
=1198
1198
Verblijf tijd:
=
1731
.
60
=41,4
sec.2000
=
Gassnelheid
=
41,4
48,3
mm./sec.Het gasmengsel dat vervolgens in een
10,2
m. langestalen piOp (~
=
2") wordt afgekoeld tot ongeveer460
oC. bestaat uit40
Mol SiC14
, 320
Mol ZnC12
en480
Mol Zn per hur en heeft een volume van840
•
1273. 22,4
=24,5
dm3
per sec. De af te voeren3600
273
warmte is
8,54
k.cal per sec.(=35,7. 103
J/sec).)
I
r
-15-u=
35 J/m2 °c sec. Terwijl Tln
=
600°c. Zodat het warmte uitwisselend opp.3
35,7. 10 1,7 m2 (= 18,3 ft 2 ) moet zijn. 35. 600
Een genormaliseerde stalen pijp met
%
=
2" heefteen warmte uitwisselend opp. van G,54 ft2/ft. zodat de totale lengte van de koeler
~~5~
= 34ft. = 10,2~.
moet zijn. De lucht wordt opgewarmd van 20°C. tot 400°C., zodat de hoeveelheid benodigde lucht om te koelen~8g4
0 24=
0,00935 kg. is (Cp lucht=
0,24 k.cal/kg.),• , 9 35 300 3
wat een volume heeft van~. 273. 22,4
=
79,5 dm. ( Indien de inlaatsnelheid v,d. lucht 1~IIlLsec. is /l-fitY/ moet dB opening een%
hebben van Bcm.Uit de koeler komt per uur 40 Mol SiCI
4(=
40.~i~.
22,4
-=
2410 dm3 ) in de scheider, dat rechtstreeks m.b.v. een pomp weer naar de voorverwarmer vervoerd wordt. In de scheider, waarvan het conische deel een volume heeft van 4,42 dm3 • worden Zn en ZnCl2 in de vloeistof toestand gescheiden t.g.v. hun groot verschil in s .g. (s.g. Zn= 7,1 s .g. ZnCl
2
=
2,9). De gemiddelde verblijf tijd IDS 60 min.(Invoer Zn per uur =
3~:~
= 4,42 dm3 , Volume conisch gedàelte=
4,42 dm3 ).Een vlotter met een gem. s . g. tussen 7,1 en 2,9
waar-schuwt wanneer Zn via een afscheider afgevoerd moet worden, om in broodjes van 0,5 bij 0,5 bij 2 dm. ge-goten te worden. Het ZnCl
2 wordt via een zwanenhals
I afgevoerd; hierdoor wordt toetreden van lucht (en dus
-
-
-oxidatie van Zn) voorkomen. Het ZnCl
2 is een bijpro-dukt en heeft vele toepassingen o.a. in de cosmetisqhe industrie, bij vulcaniseren, in soldeer en als kata-, lysator. De scheider is geïsoleerd met asbest om
, ___ \
t~~p. dal~"!lg
beneden ° 4200 te- voorkomen.(8meitfJ~t
grtO(Smel tpunt Zn= 419,5 C.). i . [ t
v~
kJA~J.J
....~-/.(
~
Cd~
I \,,«'"
,1.'" ;(.U \ ",t.A. V·",6{ • J.
",d:
.{ _ (',.". ,
:.~ I· l· ... __ ; I '.,.,..; t-\. I \ / l,r
--1
b-De discontinue zuivering van het Si.
Daar de uur-produktie zeer gering is wordt
discontinu gezuiverd. De produktie van 24 uur (106,8 ,
kg. Si) wordt gemalen in een stofloze kogelmolen
waar-van ~
=
0,4 m. en de lengte 0,5 m. is. Deze kogelmolen,~lke 20 omwentelingen per minuut maakt, maalt het
~~" J
Si ~o~YO~ grootte. Hierna wordt het Si met een doo~
I
~
h~dg;d~~
-
,;
"
~;-
-
~tÖir~f~:ycrt~t{
een met teflon bekleed •vat van 130
1.
getransporteerd. Gedurende 23 uurwordt het Si met een oplossing welke bestaat uit 50% water, 25% RF en 25% zwavalzuur geroerd. Hierdoor zul-len eventuele verontreinigingen in de vorm van sporen
Zn, Fe of Si0
2 verwijderd worden doordat zij in
op-lossing gaan als ZnS0
4, FeS04 of ontwijken als SiF4.
De gehele inhoud wordt hierna in 1uur afgevoerd en
over een ~rilléIl?-teflon filt~!' geleid waardoor het
Si gescheiden wordt van de begeleidende ~loeistof.
Vervolgens wordt het Si gewassen door 3 sproeiers
met gedestilleerd water; het waswater wordt afgevoerd
door een teflon filter (opp. = 0,05 m2). Het gewassen
silicium wordt nu via een lope~e band (1,85 m.) naar
een drooginstallatie gevoerd, ~ m.b.v. warme lucht
van 2000 C. het Si droogt. Daarna wordt het Si met
behulp van 4 cycl~ weer afgescheiden.
Berekeningen en afmetingen over droger en
cyclo-nen volgen in het volgende "hoofdstuk.
Het droge Si wordt nu verzameld in een bunker van 50 l f van hieruit wordt het Si gebracht naar een
vac
~
uum smeltov
~
In
de vacuum-oven wordt het Si lvia)~en afneembare rUbberslangl bij 50 mmo Hg-druk en
on-geveer 1450oC. gesmolten. Voor het vacuum wordt gezorgd door
een vacuum-plungerpomp.
De smelt wordt uit de smeltkroes, Inhoud 5 liter,
welke door hoogfrequente inductie-stromen wordt
ver-warmd, in coquilles gegoten.
- - - --
-
-
-l)"]
V".
,
L-U:--+-..J...,;..J.-+--+-a,...:...:...-=-,---:"'-L...I..-,:--'--'--~IMII
IMd IK. Di .. Trf)(twnl"lt In Abholngl!Jlwit vom
' \ ) '
\
I I)
I (' ~\.~
-17-Berekening van de droogtijd en de cycloon
1. Droogtijd.
De l engt e Van de droogtoren kan berekend w"0rden
uit de gassnelheid en de droogtijd. (19)
Nemen we de gem. deeltjes diameter~o/Si (droog Si), .
deze bevatten 50 vol.
%
water.l
\AfLee.r 'J e.c.\.cL..sOl"t)~o(
doorh~
St.}
Inho;"d
droog-deelt
jes
is
~.
7l
R3
=~
•3,
14(~.
10-3
)
3=
,U
,
1
·
1;;:;,!
Volume water per natTdeeltje=
f
·
.
O,
,r
O.
J6
,
~
.
10-6=
~i
,
t
.
10- mm?Totaal volume nat-deeltje=
,..L
l
-
Q
1.1'
JJ-
~
LA-
á
3
~ , • 10
+
l"""
7 . 10 = ~, 1. 1°
mm.Uit
~
;t
.R3
=6
,1.
10- volgt R= S ,OJ5. 10-2 mmoen D=/I)(J,.1jt .•
Kirschbaum (19) geeft in een grafiek het verband
aan tussen D en oL. Uit deze grafiek kaJIL men
~
=
~
.
302 k.cal/m2 h °c aflezen bij D=/
~a
,
f~
.
De gemiddèlde temp. v.d. lucht in de droogpijp is 150°C.
In (19) lezen we:. "Zelfs wanneer de droge lucht een
temp. heeft van 140°C. heerst aan het natte bol opp.
°
slechts een temp. van 42 C."
Nemen we in ons geval een temp.
verschi~t
aanvan 100°C. Dan volgt uit T • AX • 4 i = ~.6t.
Waarin:
;-
=
0,9 Cp.2
T= verdampingsgetal in kg/m h.
Cp= Soortelijke warmte (Cp lucht 1500C.= 0,244 k.cal/kg)
di=
verdampingswarmte van water 50°C. (= 568,34 k.cal/kg)~=
warmtegeleidings-venmogen (= 8. a02 k.cal/m2 hOC)A
t=
temp. verschil tussen droge lucht en natte bol opp.4X= verschil in vochtigheid tussen natte bol opp. en
de droge lucht.
~
x
= ;.!~
= 0,9. 0,224.~~~,34
= 0,03975.In een grafiek welke het verband tussen D. ~X. ót en
de droogtijd weergeeft, kan men voor D=~~1~~ ~X= 0,03975
-
- l
o
-18-Nemen we een zekere begroting en kiezen we als
droog-/WUL-J (I..
,~~
.
\
. f
ï
tijd 0,5 sec.
\ J
~,,/ f;
I<(k
tL
0~
(,,/:2
~
t
j~
r
II
~
fV ( k t e(\-,2. Berekening van de cycloon en de drog~.
'\v( •
In de cycloon, welke tot de "centrifugale vangera" behoort, worden de gassen met de stof-deeltjes in een roterende beweging gebracht waardoor de stof naar buiten wordt geslingerd, en de gereinigde gassen de cycloon in het midden verlaten.
Sinds 1935 houdt de afdeling van warmte en
stof-techniek van de T.H. Delft zich o.l.v. Prof. Ter Linden
zich bezig met het onderzoek over cyclonen.
Hieruit bleek, dat de intredende gassen zoveel mogelijk tangentiaal moeten worden ingevoerd, ten-einde rotatie van de gassen om de uitlaatpijp zo weinig mogelijk te storen. Het meest gunstige bleek een gasinvoer over de halve omtrek van de cycloon verdeeld (zie fig. 3 ).
Voorts concludeerde men, dat een gelijkmatige
vergroting van een cycloon het vangstcijfer doet
dalen, m.a.w. kleine cyclonen werken beter dan
grote. In tegenstelling tot de verwachtingen doen g e-leidschoèpen e.d. ook het vangstcijfer. dalen.
Om de cycloon te dimensi oneren is het allereerst
h.oe~eeL~~
nodig devgassen welke uit de droger komen te berekeneu.
De vochtigheid van het Si is 50 vol%, zodat
~go
.
44,5 kg H20/uur = 22,25 kg H20/uur = 0,00618 kg H20/sec.
moet worden iïgevoerd. L h
LLC I:
Het verschil in watergehalte per kg. droge kan men aflezen uit het Mollier diagram en is
0,04 - 0,017 = 0,023 kg H
20 per kg droge lucht.
0,0618 /
Hoeveelheid droge lucht per sec.= 0,023
=
0,269 kg sec. Volgens Amagat is het totaal volume der uittredende( 0 ) (0,269 0,0168) 373 3/
gassen 100 C. 29 1 8 · 273 • 22,4
=
0,289 m sec. De intredende snelheid der gassen in de cyclonènmoet ligKen tussen 10 en 13 m/sec. (zie fig. ~ ) Nemen we hiervoor 10 m/sec., dan moet het totale in
-tredende opp. der cyclonen 0,0289 m zijn.
r
Dan is de gassnelheid
Bij een droogtijd van
0,5. 9,2m.
=
4,6 m.d 28,9 2
I
in de roger 3,14
=
9, m sec. 0,5 sec. wordt de lengte dus:Om een totaal opp. van 2,89 dm2
we 4 cyclonen ieder
0,~289
=
0,00725te krijgen kiezem 2
m opp. Zodat: hoogte inlaat cycloon is 8,5. 10-2m.
breedte inlaat cycloon is 8,5.10-2m. diameter uitlaat cycloon .is 9,5.10-2m. insteekdiepte uitlaat is 9,5. 10-2m. diameter cycloon is 23,0.10 m.
-2
-2 lengte cylinder cycloon is 23,0. 10 m.
. -2
lengte conische cycloon 1S 23,0. 10 m. -2
diameter stofuitlaat is 6,0. 10 m.
=
hi.=
bi.=
duo=
sc.=
dc.=
Ic.=
zC.=
ic.Deze gegeven s werden door de afdeling voor de warmte-en stof techniek verstrekt. Uit experimwarmte-entwarmte-en (16), bk~K
/
,
~
?
dat het scheidehd vermogen van deze cycloon voorI
(i. \'
i3
bi
I deeltjes met een s.g. van -1000 kg!m_ als volgt iB.Het drukverval ~ver de cycloon wordt weergegeven door
AD ')11
r
V~ .~c = ) 2g' waarln:
5
=
weerstandsfactor ( is 11; hangt af van de cycloon)r
=
soortelijk gewicht der gassen (0,9 genomen)V
=
snelheid van de gassen.g
=
versnelling van de zwaartekracht.APC
=
11. 0,9. 100=
49,5 mmo H20. 20Om de diameter van het deeltje, dat nog juist wordt afgescheiden, te bereken,kan men de bekende theDriën
I
\ I / . "/ / . , /.
\
. /)
\ \ \ \""
\,
/
~ "-"-... F~j.5'
_2.0-van Rosin, Rammler en Zitelmann gebruiken. Zij
pro-beren de baan welke het stof-deeltje volgt te berekenen
en beschouwen de stof als afgescheiden indien het
deeltje de buitenwand van de cycloon bereikt.
Prof. Ter Linden beschouwt echter de stroming in de nabijheid van de uitlaat omdat ftier tenslotte
scheiding al dan niet plaats yindt.
Fig.5 geeft een stromingsbeeld bij de uitlaat
weer, dit beeld is vereenvoudigd doordat het
twee-dimensionaal en symmetrisch is, waar de werkelijk
-heid van afwijkt.
Op cirkel met straal OP = r bevindt zich een
stofdeeltje P in evenwicht. Nemen we een rond deeltje
aan en moge~ we de met v. Stokes toepassen dan geldt:
Vs = D • g. Pd-Pg (1)
Hierin is: 18
7
Vs = de valsnelheid van het deeltje.
g = de versnelling van de zwaartekracht = 9,81
D = de diameter van het beschouwde deeltje =
=
2,4.
10 3 kgjm3 •Pd
=
de dichtheid van de gassenm/sec 2 •
7
= de viscositiet van de gassen 150 oC.= 2. 10-5 kg.jmseDaar het deeltje met de gassen rotmert heeft het een
tangenti~le snelheid welke gelijk is aan de
tangen-ti~le-component van de gassnelheid Vt.
De op dit deeltje werkende centrifugale kracht is
gelijk aa.n: 2
K m. Vt
r m = massa van het deeltje.
en deze is voor de zich in evenwicht
mp
de cirkelbevindende deeltjes gelijk doch tegengesteld aan de
naar binnen gerichte kracht die de gassen op het
deeltje uitoafenen, n.~. de centripetale kracht F.
Dus: F=
K
= m. Vtr
Combinatie met de wet van stokes geeft:
m.g.: Vs = F : Vr Vs = g.r.Vr Vt2 en dus (2) Uit (1) en (2) volgt 2 g ~ r. V r = .;....D--,-• ... g""'--."-(>..,;;B;....d_-....;;.P ... g ... ) Vt2 18
7
-
2,1-Voor een deeltje, dat de cycloon juist niet verlaat
en zich in evenwicht bevindt op een cirkel rond de
uitlaat vinden we dus indien: ru
=
t
duduo Vr
Vt2 Pd - Pg
Om
D
te berekenen moeten we eerst Vt en Vr uit rekenen. ,Volgens (17) blz.
6
geldt: V • r = constant Dus: Vi • ri = Vu . ru ( i is inlaat, ti uitlaat) Vi=
10 m/sec. ri = .1.. dc 11 ,5 -2 2=
10 m.t
du 4,75 -2 ru=
=
10 m. Hieruit volgt: Vu=
24,2 m/sec.Door iedere doorsnede loodrecht op Vr gaan evenveel gassen per sec. zodat:
1[,.
di • Vri =-re..
d u • Vrure.
di • Vri = hoeveelheid gassen per hoogteh "d 0,289
een el = 4. 0,085
Terwijl:
-2
du
=
9,5 • 10m.
Zodat dus hieruit volgt: Vru = Vr= 2,85 m/sec.
2 2 2
Nu is: V = Vr - Vt (de index u laten we achterwege)
En dus vinden we:
Vt2
=
24,22- 2,852~
Vt=
23,3 m/sec.Substitueren we nu vt, Vr, Pd, Pg, du in verg (3) dan krijgen we:
D2 _
-
9,52
•10-2 • 0- 5 12
2,85 • 9 • 2 • 1
=
30,8 •10-23,3 (2,4. 103 -
°
,
9)D
=
5,55~HeEb, deeltje met een diameter groter dan 5,5~ word:t ,
dus nog afgescheiden.
We hebben ech~er het voorbehoud gemaakt dat we de
wet van Stokes mochten toepassen; dit mag indien
Re
<
1 is.2
11.
-Re
=
Pg • Vs • DVs kan men vinden uit (2) -2
Vs
=
9,81 . 4sI50· 10 .2,85=
2,44 • 10-3 m/sec.Re
=
0,9 • 2,442 • 10-
5
10-
3
•
10-6=
6,
1 • 10- 4 •De toepassing van de wet van Stokes was dus geoor-loofd.
De berekening van de afmetingen van de cycloon vol-gens Perry is Als volgt:
Inv~.snelheid der gassen
=
10 m/sec.Opp. rechthoekige inlaat eycloon
=
0,~289
=
0,00725 m2 ai=
2 biZodat opp.
=
2bi2=
0,00725 m en 2 bi=
6,02 10 -2 m. ai=
12,0 • 10 -2 m. du=
2 bi=
12,e 10-r2 m. sc=
3 bi=
9,0 10-2 m. 2 de=
4 bi=
24,0 10-2 m. Ic=
2 dc ::"Je
10-2 m. ze=
lc=
48,G 10-2 m. ie=
bi=
6,0 10-2 m.Passen we nu de formule van Rosin, Rammler en Zitel-maan toe nl.:
D
2=
9
·
7
·
bi.
nt.
Vi (d-g) Stellen we nt=
5 (zie 13 )dan wordt de diameter van het deeltje dat voor 100%
afgescheiden wordt: -5 -2
D2
=
9 • 2 • 10 . B ,IJ • 103
= , .
34 3 1 0~2 m 2 • 3,14 • 5 • 10 (2~4 • 10 - 0,9)D
=
5,8~Waaruit blijkt dat beide waarden goed met elkaar over-eenstemmen.
Literatuur.
1.
Hampel, C
.A.
Rare
N
etals
Handb
ook;
(1954), 379
(The
Haple Press
Company, York, P.A.)
2. De Jong,
W.]'.Compendium
der
l\.ristalkunde
;
(+951), 147.
(Oosthoek,
Utrecht)
3.
Cole
,
H
.L.
Silica
in Canada; I (1923), 3 e.v.
(Acland,
F
.
A
.,
Ottawa)
4.
Hauser, E
.
A
.
Silice Science
;
(1955), 8, 147.
(Van
Nostrand, Ne
-w
York)
5
...
F
.
l?
Lingamfel ter,
D
.
0
.
Davis, Chemical
Engineering
; 164
~957)
Aug
.
164 and 62 (1955)
"
~~:a-.
u6
(lV1C.Graw
Hill,
publishing
Comp
.
New
York)
6.
Blonco
Bulletin;
.§
(1957), 13 (Philips
Nederland N
.V.
Eindh
oven)
7.
Rock
l'roducts; 60 (1957), 78 (lVlaclean -
Hunter
,
Chig
ago)
8.
r
1l
ore, Ch.; La
N
etallurgie et la
Production
mecanique 79
(1947), 11 e.v. (Milinaire, Paris)
9. Freitag,
R
.
Sprechsaal
;
j
\(1954)
,
326 (Nuller und
/{f
Schm
Coburg)
idt,
Ono,
K
.
en
Matsushina
,
UU.oit\: JJ((1 U, , I (~ Il(\,.\"d\ j -' / ?"T.;
The Science
Reports of the
H.esearch
Institutes, Tohoku
Univ
.
A§.
(1954), 477
11.
Gmelins Handbuch
der
Anor
g
.
Chemie 8e
Auflage
'58,
blz.
413~~Verslag, Chemie
Vleinheim
12. International
Critical Tables
;
§(1929), 96. (New York:
NcS~v(
Hill
B.C.)
13.
Perry
,
J.H.;Chemical
b
ngineers
Handbook
;
(1950), 242, l023e.v.
Nc
Graw-Hill, London
14. Cremer en
Davis
;
Chemical Engineering Practise,
.§
(1955),497
(London:
.Batterworths
,
S&
P.)
15.
Ter Dinden
,
A
.J.;
Tijdschrift Vlaamse
Ing
.
Ver.; 6 (1937),
96 (Antwerpen)
r~---
---16. Ter Linden,
A
.J.
~roc.lnst.
M
ech. Eng
.:
160
(1949),
233
( Birmingham)
17.
K
ramers,
h
.
Colle
g
e dict
a
at Ph.
W
.
W
.
(1953)
18.
K
irk
-
Othmer,
E
ncyc10pedia of Chemica1 Techno1ogy; 12
(1952) 515
1
9
.
K
irsc
h
baum,
E
.
Chemie-In~enieur-Technik;(1952), 3
-
12
(Verslag Chemie, GmbH
.,
vJ
einheirp.)
20.
U11mann,
E
ncyk10padie der tech
n
ischen Chemie;
1 (1951),
626
(
U
rbau und Schw
a
rzenber
g
,
Ber1in).
i
Aanvulling en
verbetering
van het verslag van de
technische fabricage van zuiver silicium.
In
(5)
voorspelt men een toename van de vra;a
g
naar zuiver
"" c:le u..!t .R.
Si
V
van
45100kg. in 1956 tot 45.000 kg. in 1961.
Daar de
opzet
was een fabriek te bouwen die aan deze vraag
kon voldoen, leeK het gewenst deze te baseren
op
een
jaar-productie
van
ca. 40.000 kg. silicium (pag. 11)
De meest gun
s
ti
ge
omstandigheden waarbij de reactie
SiC1
4+
2
Zn
-
2 ZnC1
2+
Si
verloopt
zijn:
a)
Kwarts
(wand) als katalysator
b)
Reactietemperatuur
950
- 10000C.
c)
Verhouding volume
SiC1
4
en Zn damp
als
1
4.
Uit
(5)
blijkt dat men inderdaad de onzuiverheid van het
silicium tot 10- 7
%
borium kan bepalen m.b.v. electrische
geleidbaarheids
m
etingen.
Dat borium een maat is voor de onzuiverheid komt
omdat
borium
het moeilijkst te verwijderen is en in
grootste
hoeveelheid
aanwezig is. (pag.
5
en 6)
Bij de behandelin
g
van het verslag is uitvoerig gesproken
over de Zn-inductieoven en de reactor.
Hierbij
is
gebleken dat
:
1. Zn waarsc
h
ijnlij
k
beter
vloeiba~rin
g
evoerd kan worden.
~.---"._,"-
-2.
De
reactor bijzonder moeilijk te construeren en eventueel
te
herstellen
zou zijn.
3.
De
chroom-nik~elstalenvoor
.
en achterkap
g
een lan
g
e
le-vensduur beschoren
zou zijn
,
en "ZO&.l een on z.LAÀ.ve-rp ...
o~~-2
-Äd.
1.
Het Zn
vloeiba r invoeren
komt
n
e
er op voorverwarming
van het
Zn, bijv.
d.m.v. een extra inductieoventje.
In
dat
ge
val
kan men
beter
2 kleinere
inductieovens nemen
om
Zn damp
te
produceren en die
ieder o
m
beurt
i
n
be-dr
i
jf zijn
.
Bij het in bedrijf
stel
len
van de
oven
moet men
er
voor
zorg dragen dat al het aanwezige
O
2verwijderd
wordt
door
eerst
N
2in te leiden.
Ad
.
2
.
Uitvoerig is
h
ierover
g
esproken
,
waarbij
bleek
dat
het
'.)\
\,.
\}J' 'tIl'
l'-r'~ \l"
\ ',', ..-'~Il \,
g
r
o
otste bezwa
a
r
school
in
het feit dat
37
kwartspijpen
in 1 bundel tesa
m
en waren aangebracht
.
Indien het
boren van 37
ga
ten in
de kwartsplaat
,
die tot
'1'" \ ,c" \,.
"-J' ,,1.-1' ,- '
steun
moet dienen, onmogelij k
is,
zou men m
.
b
.
v
.
glas
/~.~\
"I,\'vv
"~
G
736
de
p
ijpen
kunnen kitten aan de
ateunplaat.
,LtV\~
: IJ,:S
en
g
eheel
andere uitvoering is
.l
atuurlijk
1
kwartspijp
,
V:-'
v"<; \
in
welk
ge
v
a
l
we te doen hebben met Si bereiding
o
p
la-I\N~
'1/ ,,:
'
boratorium
8
chaal.
1\
,
(
,
~ \
"
A~
.
3.
De
chroomni
kkel
stalen
voor~
'
~achterkap
kunnen
beter
"W\ .. ~
vervan
gen
worden door zowel de
a
chter
als de
voorkap
~vuurvaste steen te
r u l Nibe.\<
Le.~n.
~ag.
16
Verbetering Kogelmolen
.
Het
te verwerken volume
Si
=
1~~48
=
44,5 dml.
HOuden
we
re
ke
nin
g
m
e
t
een
extra stortvolume van 30
%
(=13,3
dml)
en nemen we het volume van de kogels 40 dml, dan zal de
kogel-molen,
indien tijdens het
ö
raaien voor
1/3gevuld
,
een inhoud
moeten hebben
van 3 (57,8
+
40)
=
294
dml.
Een kogelmolen waarvan
~=
1,5
m en de
lengte 1,7 m is,
maa~thet
Si
voor 80
%
tot
deeltjes
van
8~grootte.De
omwentelin
g
ssnelheid van de
kogelmolen kan
berekend
worden
vol
g
ens (19) en (
20)
.
-3-In
Kirk-Othmer
lezen we dat de omwentelingssnelheid
voor-namelijk een functie van
de
diameter is. Zo geeft
Kirk-Othmer dat bij een
0
=
1,5 meen critische snelheid van 35
omwentelingen per
minuut
behoort, en
geeft
daarbij aan voor
de werksnelheid 85% van 35
=
29
omwentelingen per minuut.
Volgens (20)
kan
men het aantal omwentelingen per minuut (n)
berekenen uit:
n
=
32~
,waarin
Dde binnendiameter
in
m. is.
Hieruit
zou volgen n
=
39.
De praktijk
zal uit
moeten wijzen
welke omwentelingssnelheid
de beste blijkt te zijn.
Pag
.
19.
Fig
.
4
laat zien dat voor
de
e
ltjes van
l~meteen
s.g.
=
1000 kg/m
3het vangstcijfer
da
h
lt indien de invoersnelheid
kleiner dan 10 m/sec wordt.
Voor
stoffen met hoger s.g.
In verband met pag. 3 van het verslag worden enkele van de
zeer vele Si legeringen welke in de techniek toepassing
vin-den genoemd. (Litt. Perry (13) blz. 1526 e.v.)
Handelsnaam (Eng.):
Samenstelling
in%
Bestand tegen:
Durichlor
Durimet
T
Duriron
Hastelloy D
Cyelops no. 17
Alcoa Alloy 43
Bronze 600
Reynolds 18 S
Berylco 25
Colomony
Opm. i.v.m. blz. 6.
82,5 Fe; 14,5 Si;
3 Mo.
Vochtig S02
54 Fe; 22 Ni; 19Cr; Vochtig S02
3,5 Mo; 1,3 Si;
0,1
C.
83,7 Fe; 15,5
0,8
C.85 Ni; 10 Si;
2 Al.
Si;
Vochtig S02
3Cu; Vochtig S02
70,6 Fe; 20 Ni; 8Ct-;
NH3
1Si; 0,4
c.
95 Al; 5 Si.
corrosie
58
Cu;
37,3 Zn;
2,5 Mu; 1,5 Al;
0,7 Si.
92,6 Al;
5
Mg;
lSi.;1 Fe; 0,35
Cu.
97
Cu; 2
Be;
0,5 C ;
0,2 Si; 0,1 Fe.
68 - 80 Ni; 7-19
Cr;
3 B; rest Fe eb Si
slijtage t.g.v.
wrijving
corrosie
corrosie
slijtage t.g.v.
wrijving
De prijzen hebben weinig invloed op de verbruikte
hoeveel-heden voor zover het oorlogsdoeleinden end. betreft, de
verbruikte hoeveelheden zullen correleren met de behoefte
hieraan. Indien het daarentegen Si voor commerciële
doel-einden betreft heeft de prijs zeer zeker invloed op de
ver-bruikte hoeveelheden, er is hier sprake van een negatieve
correlatie.
_---
----
--- 0_-.. \ \\
"
~ ' .. <) <. .I ! I..
Opm. i.v.m. het wassen van het gesteente zie blz. 7.
Het gesteente ia kennelijk verontreinigd met klei dat
in
wasgoten, waardoor rivierwater stroomt, wordt verwijderd
van het gesteente. Tevens zal gruis, dat ongeschikt is
voor de electrische oven en ontstaan is bij het voorbreken
door de stroming worden verwijderd. Dit gruis zou
aanlei-ding kunnen geven tot sintering en verstopping in de
elec-trische oven.
Opm. blz.
7.
De reductie van kwarts m.b.v. koolstof in de electrische
vlamboogoven past men toe bij Dpw Oorming's Midland, Mich.,
U.S.A.
Men
gebruikt hierbij drie stel boogelectroden van
grafiet, die de warmte overdragen aan de lading d.m.v.
vlam-bogen. Door de spanning op de electroden te verhogen,
waar-door de stroomsterkte groter
wordt,
regelt men de
reactie-temperatuur
(=ca 1700°0).
Het nuttig warmte effect van dè oven is ca
55%.
In verband met pag.
9.
Om
zuiver Si014 te bereiden is het noodzakelijk
verontrei-nigingen zoals Fe013 en Mg 012 te verwijderen.
In nevenstaande figuur ziet men de dampspanning uitgezet
tegen de temperatuur.
Indien men door destillatie bij 1 atm. het 3i014 wil
zui-veren kan men uit de dampspanning-temperatuur grafiek
af-lezen dat voornaamste verontreinigtngen in de gasfase
Al016 en FeC13 kunnen zijn. Si2016 behoeft men niet als
verontreinig~g
te beschouwen daar dit bij lagere
tempera-tuur overgaat in Si014 en Si
(2 Si2016~38i014
+
Si).
In onderstaande tabel zijn de gewichtaprocenten stof in de
gasfase (bij 60°0) van de twee binaire systemen 8i014
-Î
~
/
/
\
Àl2C1S en SiC14 - FeC13 uitgezet.
Deze waarden werden berekend uit de dampdrukken van de
metaalchlor1den. (Kookpunt S1C14
=
57°C; FeCll
=
294
°C;
_
Al2C16
=
l85·C).
SiC14
Al2C1
6FeC13
Partiaalspanning in atm.
1,09
7,59 10-3
9,8 10-
5Gew.%
98,92
" '91,08
Gew.
%
99,993
0,007
0
)0°7
In de praktijk wordt de destillatie om SiC14 te zuiveren
uitgevoerd onder atmosferische druk terwijl de
onzuiver-heden
inde vloeistof blijven, men moet evenwel
voorzich-tig zijn dat de onzuiverheden n1et
inde vorm van
over-verzadigde damp overgedestilleerd worden.
Opm. i.v.m. pag. 10.
De proceskeuze is voornamelijk gebaseerd op economische
gronden. Zoals in het verslag reeds vermeld is wordt het
meest goedkope Si
i
n de U.S.A. verkocht tegen f 675.- per
kg. (Litt.
Ia)
~.