卤代硅烷加氢用单块整体热交换器和设备及方法技术

发明专利技术同逆流热交换器有关，可以使用单片式材料加工，并在高温和腐蚀环境小使用。热交换器设计通过使用环形加热元件，同样产能下更小的换热器体积和运营成本，显著提高了卤代硅烷加氢反应炉性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本专利技术要求于2013年5月7日提交的美国临时申请61/820607，包括图表和附图，其公开通过引用被全部并入本文。
本专利技术是关于一个用于卤代硅烷加氢,由单块整体材料，如石墨，加工而成的传热设备及使用方法。更具体而言，本专利技术的某些实施例是关于将四氯化硅(STC)转化为三氯氢硅(TCS)的设备和方法。
技术介绍
在腐蚀和高温环境下，由如石墨这类单块整体材料制成的热交换器是化工行业的常用设备。类似的设计也可以使用其它陶瓷材料，但出于成本和体积的限制而使用得比较少。比较小型的热交换器，可以使用一整块材料制作出工业上使用的交叉流孔。较大的热交换器通常使用多块材料组装而成，其中至少一种流体通过多次转向与另外一股流体大至成垂直方向通过。另外一种流体的管程则可以是一系列的通道，也可以直接流过热交换器的长轴方向。多数情形下，多块拼接设计是由于单块材料的尺寸限制不得以而为之。逆流式热交换设计紧凑可以将两类流体流道相邻排列相向流过，热传导效率最高而成本最优。目前几乎所有的代表最高商业化水准的单片(块)式热交换器都使用横流式设计而不是逆流设计。目前主要的横流式设计中，金属部件制造的外部夹套将流体的通过多程流道流向一侧。该项横流流体不具有腐蚀性的环境下非常成熟，使用良好(如冷却水，冷冻剂或者蒸汽)。当热交换器横流流管较多且流道两端温差较大情况下，横流设计的热性能接近使用大量立方块的逆流式设计。两种流体都具有腐蚀性或者高温导致金属部件不能暴露在这两种流体的情况下，同时因为加工和压力的原因比如高压必须使用圆筒状结构组合的设计而不是大量方块或者直角，就必须探讨更好的设计。化学气相沉积(CVD)还原炉被用来制造多晶硅(polysilicon)，一种生产了绝大多数半导体元器件和晶硅太阳能硅片和电池的关键原料。50多年来最常用的制造多晶硅的工艺是西门子还原工艺。该工艺中，高温多晶硅硅棒被置于反应器中，三氯氢硅(TCS)气体流过多晶硅棒。反应气体中的硅被还原沉积至硅棒上。当硅棒沉积到够大，就会收料将硅棒拆走。产品的最终形状是硅棒或者块，用来制作单晶锭或者多晶锭，然后切片直至制作成如太阳能电池等产品。与此相关的工艺，三氯氢硅通过歧化工艺生成硅烷(SiH4)和四氯化硅。硅烷在很多半导体和其他工艺中得到使用，包括使用前述西门子还原工艺或者流化床还原工艺制造多晶硅。流化床产出的多晶硅形状不规则，但名义上是最大直径约2毫米的硅珠。将三氯氢硅转换成硅烷以及使用西门子还原工艺制造多晶硅都生成大量的四氯化硅副产品。合成每公斤多晶硅或者硅烷大于至多生成20公斤四氯化硅。将四氯化硅在高温下加氢制成三氯氢硅是可行的。得到的三氯氢硅可以通过一系列的硅烷歧化反应器和分离工艺制造硅烷，或者通入还原反应器生产更多的多晶硅。如果四氯化硅无法被循环利用，将会导致大量硅和氯原料的损失和抛弃大量四氯化硅的费用。为了高效率地将四氯化硅加氢成三氯氢硅，要求很高反应气体温度(如,高于850摄氏度)。当前商业化的四氯化硅转化三氯氢硅装置是将西门子还原炉改造而来，使用电加热的石墨棒来加热反应气体。该设备具有大量的问题。由于还原炉的体积同加热棒表面积比巨大，反应器中的本地速率和热交换系数非常低。从而需要非常高的表面温度(如,高于1400摄氏度)将反应气体加热到足够的温度。更进一步，改造的还原炉具有巨大沉重的底盘，成本极高且不利于增加热交换设备来回收热能。此外，还原炉改造的氢化装置中使用了大量加热棒，需要很多电气连接。举例来说，24条U型的加热棒，每对发卡结构最多有8个电气连接。每个连接都是个潜在接地漏电的源头。此外，还原炉的炉壁上的辐射热损失巨大，浪费了大量能源。西门子还原炉形态的氢化炉可以通过安装绝热材料降低热损失，但是绝热材料的使用量很大。有些西门子西门子还原炉形态的氢化炉使用落后的热交换设计回收热能。此绝热材料相当昂贵必须在高温下不同反应气体发生反应，且可以布置在加热棒的周围。使用较差的材料会同高温反应气体发生反应，寿命较短。绝热材料的温度可以接近加热棒的问题。使用绝热材料和较差的换热器，一个西门子还原炉形态的氢化炉需要高达1.5度电来合成1公斤三氯氢硅。无换热器的情形，一个西门子还原炉形态的氢化炉需要高达3.5度电来合成1公斤三氯氢硅，或者热损更高的情况下能耗更高。氢化炉内的关键部件如加热棒，电气连接，隔热材料和热交换器寿命有限，需要在固定的间隔内进行替换。三菱，瓦克和汉姆洛克半导体都提出过四氯化硅加氢转化三氯氢硅的专门设计(非还原炉改造)的专利，意在实现比西门子还原炉改造氢化炉更高的能效，更低的成本(参见美国专利号5,906,799和7,998,428；美国专利申请公告2011/0215084；国际专利W0/2006/081965和W0/20101116440；以及欧洲专利申请公告号码2000434Al和2088124Al)。但是这类专用氢化炉并未得到广泛应用，甚至未商业化。美国专利7,442,824描述了使用加热元件和炉壁使用碳化硅涂层的防止污染和元件在高温下退化的专用四氯化硅三氯氢硅氢化炉。此氢化炉使用了石墨加热棒，和还原炉改造氢化炉一样有着大量电气连接点存在潜在的电气和机械失效的可能。美国专利7,964,155的实现方式显著不同，大量气体通过由外径至内径的大量同心圆筒同加热元件形成热交换。此设计在制造上面临极大的挑战，因为气体必须由外径流向内径导致在扩容和传热效率上都面临限制。因此，市场需要更高效的四氯化硅和三氯氢硅加氢装置。此次参考或者引用的所有专利，专利申请，临时专利申请和公告都同尽量完整以保持一致。
技术实现思路
本专利技术提供一个使用单片(块)材料加工的圆筒状逆流式换热器，相比现有设计具有大量的优点。本设计为完全逆流式换热器，紧凑，可以放大设计至任何工业上可以获得的石墨材料尺寸。除去流体出口和入口，流体在换热器流道内仅接触换热器材料本身和密封圈材料(例：石墨)。可以依据应用的性质，挑选合适的密封圈材质。本专利技术对设计具有上述专利技术背景中提到的情况，特别是对四氯化硅转换三氯氢硅的反应器，具有大量优点。一方面，本专利技术关系使用单片材料如石墨的逆流式热传导(或热交换)设备。本热交换器设计，流体除在每种流体的出入口外，仅接触石墨和密封圈材料。通过使用一个顶部单片材料块和底部单片材料块连接相邻的逆流式流道来实现。另一方面，本专利技术关系氯代硅烷的加氢和实现加氢的设备，并通过前述热交换设计实现加氢。此设备包括(i)一个利用逆流式设计将反应气体加热产品气体的换热器，反应气体包括氢气和氯代硅烷；(ii)一个圆筒状的加热区用来接受从热交换器过来的反应气体；和(iii)一个反应腔室，用于将加热后的反应气体转化为最终产品气体，反应腔室内具有圆筒状的加热元件，并且加热元件具有最少的电气连接。加热元件可以是两个连接点的直流，或两相交流，或者三点连接的三相交流供电。或者,此加热元件可以在一个基座内通过惰性气体保护各类。本专利技术的设计使得该(惰性气体保护)设计非常容易实施。另一方面，本专利技术关系到一种氯硅烷加氢方法。此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卤代硅烷的加氢反应器，包括：a.换热器，包括至少3个同心逆流式流道，所述换热器用于在反应气体和产品气体间换热，反应气体含氢气和卤代硅烷；b.加热器，用于接收和加热来自于热交换器的反应气体；和c.反应区，用于将加热后的反应气体转化为产品气体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.05.07 US 61/820,6071.一种卤代硅烷的加氢反应器，包括：
a.换热器，包括至少3个同心逆流式流道，所述换热器用于在反应气体和产品气体间换
热，反应气体含氢气和卤代硅烷；
b.加热器，用于接收和加热来自于热交换器的反应气体；和
c.反应区，用于将加热后的反应气体转化为产品气体。
2.如权利要求1所述的反应器,其特征在于，所述换热器进一步包含至少一个头部块，此
头部块含多个同心通道形成至少两个互相隔离的流。
3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，至少一个头部块含至少一个径向的同一个
所谓隔离的流相联通。
4.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述头部块中至少两个互相隔离的流，通
过至少两段弧进行隔离。
5.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述换热器、所述加热器和所述反应区放
在一个容器，所述加热器放置于容器的径向的中心和接近于轴向的一端。
6.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，加热器含圆筒状加热元件。
7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，加热器含至少两个加热元件各种具有蛇纹
石纹样切割，此至少两个加热元件同心放置并通过一个环形空间隔离。
8.如权利要求7所述的反应器，其特征在于，至少两个圆筒状加热元件在环形间隔中通
过支撑连接。
9.如权利要求7所述的反应器，其特征在于，进一步包括通过配置在轴心线上至少三个
接触点将至少两两个圆筒加热元件移位的装置。
10.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，加热器在基板中同反应气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁斯·黑兹尔坦，
申请(专利权)人：布鲁斯·黑兹尔坦，
类型：发明
国别省市：美国;US