專利名稱：具有集成式換熱器的反應(yīng)器在將四氯化硅加氫脫氯方法中的應(yīng)用的制作方法
具有集成式換熱器的反應(yīng)器在將四氯化硅加氫脫氯方法中的應(yīng)用本發(fā)明涉及四氯化硅和氫氣在改進(jìn)的加氫脫氯反應(yīng)器中反應(yīng)生成三氯硅烷的方法。本發(fā)明進(jìn)一步涉及這種改進(jìn)的加氫脫氯反應(yīng)器作為設(shè)備的組成部分在用于從冶金硅制備三氯硅烷中的應(yīng)用。在硅化學(xué)的許多工業(yè)方法中，SiCl4和HSiCl3共同存在。因此，必要的是將這兩種產(chǎn)物互相轉(zhuǎn)換和由此滿足對任一種產(chǎn)物的具體需求。此外，高純度HSiCl3是太陽能電池用硅生產(chǎn)中的一個重要的原料。在四氯化硅(STC)加氫脫氯生成三氯硅烷(TCS)時，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)使用熱控制的方法，其中的STC與氫氣一起被導(dǎo)入到石墨襯里的反應(yīng)器中，該反應(yīng)器被稱為“西門子爐”。位于本反應(yīng)器中的石墨棒作為電阻加熱來操作，以便達(dá)到1100°c或者更高的溫度。通過高的溫度和相關(guān)的氫氣含量，平衡狀態(tài)向產(chǎn)物TCS方向移動。產(chǎn)物混合物在反應(yīng)后從反應(yīng)器中輸出和在耗費(fèi)的方法中分離。反應(yīng)器中連續(xù)地通入料流，其中反應(yīng)器的內(nèi)表面必須由石墨作為耐腐蝕性的材料組成。為了進(jìn)行穩(wěn)定化，使用金屬的外殼。反應(yīng)器的外壁必須冷卻，以便盡可能地抑制在高溫度下在熱的反應(yīng)器壁上出現(xiàn)的分解反應(yīng)，該反應(yīng)可能會導(dǎo)致硅沉積。除了由于必要的和不經(jīng)濟(jì)的非常高的溫度引起的不利分解，反應(yīng)器經(jīng)常性的清理也是不利的。由于反應(yīng)器大小受限制，必須操作一系列獨(dú)立的反應(yīng)器，這樣同樣在經(jīng)濟(jì)上是不利的?，F(xiàn)有的技術(shù)不允許在壓力下操作，以便達(dá)到較高的空時收率并因此例如降低反應(yīng)器的數(shù)目。另一缺點(diǎn)在 于，純粹熱驅(qū)動的反應(yīng)是在沒有催化劑的條件下進(jìn)行的，這樣使得該方法總的來說非常沒有效率。同樣不利的是，在常規(guī)體系中換熱器體系和反應(yīng)器是分開的，因此必須承擔(dān)在這種空間分開的體系的效率上的更多損失。此外，在使用陶瓷管的情況下，在陶瓷到金屬的密封區(qū)域中允許的最高溫度被限制到密封材料允許的最高溫度，從而通常只是非常低效地利用了熱的反應(yīng)排放。本發(fā)明的任務(wù)在于，提供將四氯化硅和氫氣反應(yīng)生成三氯硅烷的方法，該方法可以更有效地工作和使用該方法在可比較的反應(yīng)器大小的情況下可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化率，即TCS的空時收率明顯提高。此外本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)了針對TCS高的選擇性。為了解決這些問題已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，STC和氫氣的混合物可以輸送通過壓力驅(qū)動的反應(yīng)室，優(yōu)選管狀的反應(yīng)器，該反應(yīng)器優(yōu)選可以配備具有催化性的壁涂層和/或固定床催化器，其中優(yōu)選提供有催化性的壁涂層而只是任選地使用固定床催化劑。按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案使用了位于反應(yīng)室的第二個管，通過該管輸送反應(yīng)物STC和H2和這些反應(yīng)物被反應(yīng)室一起加熱，這樣實(shí)現(xiàn)了相對緊湊的結(jié)構(gòu)形式，其中可以放棄使用貴的惰性材料或者催化性涂覆的載體，它們?nèi)芜x具有高含量的貴金屬。使用催化劑用來改善反應(yīng)動力學(xué)和提高選擇性的組合以及具有用于熱交換的集成式流動管的壓力驅(qū)動的反應(yīng)提供了經(jīng)濟(jì)上和生態(tài)上非常有效的方法實(shí)施。通過合適地調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)例如壓力、停留時間、氫氣與STC的比例，可以提供一種得到高的TCS空時收率和高的選擇性的方法。配合著壓力使用合適的催化劑提供了該方法的特別之處，因?yàn)檫@樣在明顯低于1000°C，優(yōu)選低于950°C的相對低的的溫度下，已經(jīng)可以產(chǎn)生足夠高的量的TCS，而不必承擔(dān)由于熱分解產(chǎn)生的明顯的損失。在此已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以使用對于反應(yīng)室和集成式換熱器來說確定的陶瓷材料，因?yàn)樗鼈兪亲銐蚨栊缘暮蜕踔猎诟邷叵吕?000°c保證了反應(yīng)器的抗壓性，而陶瓷材料例如沒有發(fā)生相轉(zhuǎn)變，相轉(zhuǎn)變可能損害結(jié)構(gòu)和由此負(fù)面影響了機(jī)械負(fù)荷能力。在這里必須使用氣密性的反應(yīng)室。氣密性和惰性可以通過耐高溫的陶瓷實(shí)現(xiàn)，這些接下來將做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。反應(yīng)室材料和換熱器材料可以帶有催化活性的內(nèi)涂層?？梢苑艞壥褂糜糜诟纳屏鲃觿恿W(xué)的惰性松散材料。具有集成式換熱器的反應(yīng)室的尺寸和整套加氫脫氯反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是由反應(yīng)室?guī)缀涡螤畹目色@得性決定的，以及由在導(dǎo)入對于反應(yīng)進(jìn)行所需的熱量方面的要求決定的。其中，反應(yīng)室可以是具有相配套的外部設(shè)備的單獨(dú)的反應(yīng)管，也可以是許多反應(yīng)器管的組合。在后者的情況下，將許多反應(yīng)器管設(shè)置在加熱的室中是有意義的，其中熱量例如通過天然氣燃燒器導(dǎo)入。為了避免在反應(yīng)器管上的局部溫度峰值，所述燃燒器不應(yīng)直接對準(zhǔn)所述管。它們可以例如間接地從上面對準(zhǔn)反應(yīng)室空間和分布在反應(yīng)器空間上面。為了增加能量效率，反應(yīng)器體系通過集成式換熱器連接到一個熱量回收體系。上述任務(wù)按照本發(fā)明的解決方案，包括不同的或者優(yōu)選的實(shí)施變體，將在下面進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的主題是一種方法，其中通過輸入熱量將含有四氯化硅的反應(yīng)物料流和含有氫氣的反應(yīng)物料流 在加氫脫氯反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，生成含有三氯硅烷和含有HCl的產(chǎn)物混合物，其特征在于，所述方法具有下列其它的特點(diǎn):將含有四氯化硅的反應(yīng)物料流和/或含有氫氣的反應(yīng)物料流在壓力下輸送到壓力驅(qū)動的加氫脫氯反應(yīng)器中；所述反應(yīng)器包含至少一個伸入反應(yīng)室中的流動管，通過該管將所述反應(yīng)物料流中的一個或者兩個都輸送到反應(yīng)室中；產(chǎn)物混合物作為處于壓力下的料流從反應(yīng)室中輸出；反應(yīng)室和任選地流動管由陶瓷材料組成；在反應(yīng)室中形成的產(chǎn)物混合物如此從反應(yīng)室輸出，以便在反應(yīng)室內(nèi)部的反應(yīng)物料流/產(chǎn)物料流至少部分沿著伸入反應(yīng)室中的流動管外側(cè)輸送；熱量的輸送是通過至少部分包住反應(yīng)室的加熱套或者加熱空間進(jìn)行的；和在反應(yīng)室中通過加熱套或者加熱空間加熱的區(qū)域下游，所述反應(yīng)室包括一個集成式換熱器，該換熱器將加熱的產(chǎn)物混合物冷卻，其中帶走的熱量用于預(yù)熱含有四氯化硅的反應(yīng)物料流和/或含有氫氣的反應(yīng)物料流。在加氫脫氯反應(yīng)器中的平衡反應(yīng)通常在700°C -1000°C，優(yōu)選850°C _950°C，和在Ι-lObar,優(yōu)選3_8bar,特別優(yōu)選4_6bar的壓力下進(jìn)行。在按照本發(fā)明的方法的描述的所有變體中，加氫脫氯反應(yīng)器包含唯一的流動管，通過該管共同輸送兩種反應(yīng)物料流，或者該反應(yīng)器可以包含多于一個流動管，通過該管兩種反應(yīng)物料流可選擇地在流動管的任意一個中共同輸送到反應(yīng)室中，或者不同的反應(yīng)物料流可以彼此分開地從分別不同的流動管中輸送到反應(yīng)室中。用于所述反應(yīng)室、所述集成式換熱器管和任選地流動管的陶瓷材料優(yōu)選選自A1203、AIN、Si3N4, SiCN和SiC，特別優(yōu)選選自S1-浸潤的SiC、均衡壓制的SiC、熱均衡壓制的SiC和無壓燒結(jié)的SiC(SSiC)。特別是優(yōu)選具有含SiC的反應(yīng)室(例如一個或者多個反應(yīng)器管)、上升管和正是這樣的集成式換熱器管的反應(yīng)器，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅：玫膶?dǎo)熱能力，這能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的熱分布和對于反應(yīng)好的熱量輸入以及好的耐熱沖擊性。特別優(yōu)選反應(yīng)室、上升管和集成式換熱器管由無壓燒結(jié)的SiC (SSiC)組成。按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)，將含有四氯化硅的反應(yīng)物料流和/或含有氫氣的反應(yīng)物料流優(yōu)選在Ι-lObar，優(yōu)選3-8bar，特別優(yōu)選4-6bar范圍的壓力，和在150_900°C，優(yōu)選300-8000C，特別優(yōu)選500-700°C范圍的溫度輸送到加氫脫氯反應(yīng)器中。在含有四氯化硅的反應(yīng)物料流與含有氫氣的反應(yīng)物料流分開地輸送到加氫脫氯反應(yīng)器中的情況下，含有四氯化硅的反應(yīng)物料流取決于施加的壓力和溫度是液態(tài)或者氣態(tài)的，而含有氫氣的反應(yīng)物料流通常是氣態(tài)的。因此可以通過反應(yīng)器室的流動管輸送液態(tài)的含有四氯化硅的反應(yīng)物料流。但是，也可以將液態(tài)的含有四氯化硅的反應(yīng)物料流首先轉(zhuǎn)化成氣相，優(yōu)選借助換熱器，特別是在使用存在的廢熱的情況下，和通過流動管輸送到反應(yīng)器室中。進(jìn)一步可以將含有氫 氣的反應(yīng)物料流通過單獨(dú)的流動管導(dǎo)入到反應(yīng)器室中。但是也可以將含有氫氣的反應(yīng)物料流輸送到含有四氯化硅的優(yōu)選已經(jīng)呈氣態(tài)的反應(yīng)物料流中，和將該混合物通過流動管導(dǎo)入到反應(yīng)器室中。在將兩種反應(yīng)物料流一起輸送到加氫脫氯反應(yīng)器中的情況下，共同的反應(yīng)物料流優(yōu)選是氣態(tài)的。用于在加氫脫氯反應(yīng)器中的反應(yīng)的熱量輸入可以通過加熱套進(jìn)行，該加熱套通過電阻加熱進(jìn)行電加熱或者通過加熱空間加熱。該加熱空間也可以是利用可燃?xì)怏w和燃燒空氣運(yùn)轉(zhuǎn)的燃燒室。按照本發(fā)明特別優(yōu)選的是，在加氫脫氯反應(yīng)器中的反應(yīng)通過一個催化該反應(yīng)的反應(yīng)室(例如所述一個或者多個反應(yīng)器管)上的內(nèi)涂層和/或通過一個催化該反應(yīng)的在反應(yīng)器室中設(shè)置的固定床的涂層進(jìn)行催化。用于反應(yīng)器內(nèi)壁和/或任選使用的固定床的催化活性的涂層優(yōu)選由組合物組成，該組合物至少包含一種活性組分，該組分選自金屬T1、Zr、Hf、N1、Pd、Pt、Mo、W、Nb、Ta、Ba、Sr、Ca、Mg、Ru、Rh、Ir或者它們的組合或者它們的硅化物化合物，特別是Pt、Pt/Pd、Pt/Rh和 Pt/Ir。反應(yīng)器內(nèi)壁和/或任選使用的固定床可以如下所述地施加上催化活性的涂層:通過提供懸浮液，下面也稱為漆料或者糊料，其含有a)至少一種選自下列的活性組分:金屬 T1、Zr、Hf、N1、Pd、Pt、Mo、W、Nb、Ta、Ba、Sr、Ca、Mg、Ru、Rh、Ir 或者它們的組合或者它們的硅化物化合物，b)至少一種懸浮介質(zhì)，和任選地c)至少一種輔助組分，特別用于穩(wěn)定該懸浮液、用于改善該懸浮液的存儲穩(wěn)定性、用于改善該懸浮液在待涂覆的表面上的粘附性和/或用于改善該懸浮液在待涂覆的表面上的施加；通過在所述一個或者多個反應(yīng)器管的內(nèi)壁上施加該懸浮液，和任選地通過在任選提供的固定床的填充料的表面上施加該懸浮液；通過干燥所施加的懸浮液；和通過在500-1500°C的溫度范圍在惰性氣體或者氫氣中熱處理所施加的和干燥的懸浮液。熱處理過的的填充料可以然后填充到所述一個或者多個反應(yīng)器管中。但是，也可以對已經(jīng)填充的填充物進(jìn)行所述的熱處理和任選前面的干燥處理。正如在顏料和漆工業(yè)中使用的，可以有利地使用熱塑性聚合物丙烯酸酯樹脂作為按照本發(fā)明的懸浮液即漆料或者糊料的組分b)的懸浮介質(zhì)，特別是那些具有粘結(jié)特性的懸浮介質(zhì)(也簡稱粘結(jié)劑)。為此，例如有聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丙酯或者聚丙烯酸丁酯。這涉及到市場上常見的體系，例如可以從Evonik Industries以商品名Degalan 購得。任選地可以有利地使用一種或者多種助劑或者輔助組分作為其它的組分，即組分
c)意義上的組分。因此，可以任選使用溶劑或者稀釋劑作為輔助組分C)。優(yōu)選合適的有機(jī)溶劑，特別是芳香族的溶劑或者稀釋劑，例如甲苯、二甲苯、以及酮、醛、酯、醇或者前面提到的溶劑或者稀釋劑中至少兩種的混合物。如果需要，對懸浮液的穩(wěn)定可以有利地通過無機(jī)或者有機(jī)的流變添加劑實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的作為組分c)的無機(jī)流變添加劑例如有硅藻土，膨潤土，蒙脫石和坡縷石，合成的層狀硅酸鹽，熱解二氧化硅或沉淀二氧化硅。有機(jī)流變添加劑或者輔助組分C)優(yōu)選包括蓖麻油和它們的衍生物，例如聚酰胺改性的蓖麻油、聚烯烴或者聚烯烴改性的聚酰胺，以及聚酰胺和它們的衍生物，例如以商品名Luvotix 銷售的，以及由無機(jī)和有機(jī)的流變添加劑組成的混合體系。為了達(dá)到有利的粘附性，作為輔助組分c)也可以使用來自硅烷或者硅氧烷的合適的增粘劑。為此要提到例如_但不是唯一的_ 二甲基-、二乙基-、二丙基-、二丁基-、二苯基聚硅氧烷或它們的混合系統(tǒng)，例如苯基乙基或苯基丁基硅氧烷或其它混合系統(tǒng)，以及它們的混合物。本發(fā)明的漆料或者糊料可以以相對簡單和經(jīng)濟(jì)的方式，例如通過將原料，比較組分a)、b)和任選C)，在相應(yīng)的本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員本身已知的常用的儀器中混合、攪拌或捏合得到。進(jìn)一步參考存在的、按照本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明的另一個主題是加氫脫氯反應(yīng)器作為設(shè)備的組成部分在用于從冶金硅制備三氯硅烷中的應(yīng)用，其特征在于，所述反應(yīng)器在壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)；所述反應(yīng)器包含至少一個用于進(jìn)入的反應(yīng)物料流的伸入反應(yīng)室中的流動管；反應(yīng)室和任選地流動管由陶瓷材料組成；反應(yīng)物料流/產(chǎn)物料流如此輸送到所述反應(yīng)室內(nèi)部，以便反應(yīng)物料流/產(chǎn)物料流至少部分沿著伸入反應(yīng)室中的流動管外側(cè)輸送；熱量的輸送是通過至少部分包住反應(yīng)室的加熱套或者加熱空間進(jìn)行的；和所述反應(yīng)室在該反應(yīng)室通過加熱套或者加熱空間加熱的區(qū)域下游包含一個用于將加熱的產(chǎn)物混合物冷卻的集成式換熱器。按照本發(fā)明的待使用的加氫脫氯反應(yīng)器因此可以如上面描述地獲得。用于制備三氯硅烷的設(shè)備，其中可以優(yōu)選使用加氫脫氯反應(yīng)器，所述設(shè)備包括:
a)一個用于四氯化娃與氫氣反應(yīng)生成三氯娃燒的分設(shè)備，包括:
-一個包含反應(yīng)室(21)的加氫脫氯反應(yīng)器(3)；
-反應(yīng)室(21)中被加熱套(15)或者加熱空間(15)至少部分包住的一個區(qū)域；
-至少一個用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)和至少一個用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2)，兩根管道都通入加氫脫氯反應(yīng)器(3)中，其中任選地代替分開的管道
(I)和(2)而設(shè)計(jì)一個用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流和含有氫氣的反應(yīng)物料流的共同管道(1，2)；
-至少一個伸入反應(yīng)室(21)中的流動管(22)，通過該管含有四氯化硅的反應(yīng)物料流(1)和/或含有氫氣的反應(yīng)物料流(2)可以輸送到反應(yīng)室(21)中，其中所述反應(yīng)室(21)和任選地流動管(22)由陶瓷材料組成； -用于在反應(yīng)室(21)中形成的產(chǎn)物混合物(4)的出口，其中如此設(shè)置該出口，以便在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時可以如此從反應(yīng)室(21)中輸出產(chǎn)物混合物(4)，以便在反應(yīng)室(21)內(nèi)部的反應(yīng)物料流/產(chǎn)物料流至少部分沿著伸入反應(yīng)室(21)中的流動管(22)外側(cè)輸送，
-一個用于含有三氯硅烷和含有HCl的產(chǎn)物混合物的從加氫脫氯反應(yīng)器(3)中伸出的管道(4)；
-一個在加氫脫氯反應(yīng)器(3)中集成的換熱器(5)，通過該換熱器如此設(shè)置所述產(chǎn)物混合物管道(4)以及所述至少一個用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)和/或所述至少一個用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2)，以便來自產(chǎn)物混合物管道(4)的熱量可以轉(zhuǎn)移到所述至少一個用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)和/或所述至少一個用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2)，其中所述集成式換熱器(5)設(shè)置于所述反應(yīng)室(21)通過加熱套(15)或者加熱空間(15)加熱的區(qū)域下游；
-任選地一個分設(shè)備(7)或包含多個分設(shè)備(7a, 7b, 7c)的布置,用于在每一種情況下分離一種或者多種包括四氯化硅、三氯硅烷、氫氣和HCl的產(chǎn)物；
-任選地一個管道(8)，其將分離出的四氯化硅輸送到用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)中，優(yōu)選在換熱器(5 )上游；
-任選地一個管道(9)，通過該管道將分離出的三氯硅烷輸送到最終產(chǎn)物提取處；
-優(yōu)選一個管道(10)，其將分離出的氫氣輸送到用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道
(2)中，優(yōu)選換熱器(5)上游；和
-任選地一個管道(11)，通過該管道將分離出的HCl輸送到用于硅的氫氯化的設(shè)備中；和
b)一個用于冶金硅與氯氣反應(yīng)生成四氯化硅的分設(shè)備，包括:
-一個設(shè)置在用于四氯化硅與氫氣反應(yīng)的分設(shè)備上游的氫氯化設(shè)備(12)，其中任選地將至少一部分使用的HCl通過HCl-料流(11)輸送到氫氯化設(shè)備(12)中；
-一個用于分離至少一部分出自氫氯化設(shè)備(12)中的反應(yīng)的關(guān)聯(lián)產(chǎn)物(KuppIungsprodukt)氫氣的冷凝器(13 ),其中所述氫氣通過用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2)輸送到加氫脫氯反應(yīng)器(3)中；
-一個用于從剩余的出自氫氯化設(shè)備(12)中的反應(yīng)的產(chǎn)物混合物中至少分離四氯化硅和三氯硅烷的蒸餾設(shè)備(14 )，其中所述四氯化硅通過用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)輸送到加氫脫氯反應(yīng)器(3)中；和
在代替加熱套(15)而使用加熱空間(15)的情況下:
-任選地一個預(yù)熱器(16)，用于預(yù)熱為加熱空間(15)提供的含有從加熱空間(15)中流出的煙氣(20)的燃燒空氣(19);和
-任選地一個設(shè)備(17)，用于從由所述預(yù)熱器(16)中流出的煙氣(20)中產(chǎn)生蒸汽。

圖1示例性和示意性地顯示了加氫脫氯反應(yīng)器，它可以按照本發(fā)明應(yīng)用在將四氯化硅和氫氣反應(yīng)生成三氯硅烷的方法中或者用作為用于從冶金硅制備三氯硅烷的設(shè)備的組成部分。圖2示例性和示意性地顯示了用于從冶金硅制備三氯硅烷的設(shè)備，其中可以使用按照本發(fā)明的加氫脫氯反應(yīng)器。圖3顯示了產(chǎn)物中TCS量(以]\&1%計(jì))依賴于STC進(jìn)料速率(以ml/min計(jì))以及STC轉(zhuǎn)化率(以％計(jì))依賴于STC進(jìn)料速率(以ml/min計(jì))的曲線圖，和分別按照本發(fā)明(具有集成式換熱器)和不按照本發(fā)明(沒有集成式換熱器)。圖1中顯示的加氫脫氯反應(yīng)器3包含一個在加熱空間15中設(shè)置的反應(yīng)室21以及一個伸入反應(yīng)室21中的流動管22，通過該管可以將反應(yīng)物料流I和/或2輸送到反應(yīng)室21中。在所述反應(yīng)室21的通過加熱空間15加熱的區(qū)域下游顯示了集成式換熱器5，其用于冷卻在從反應(yīng)室21中導(dǎo)出的管道4中的加熱的產(chǎn)物混合物，以便通過獲得的熱量借助換熱器5a預(yù)熱反應(yīng)物料流I和/或2。圖2中顯示的設(shè)備包括一個具有在加熱空間15中設(shè)置的反應(yīng)室21以及伸入反應(yīng)室21中的流動管22 (通過該流動管可以將反應(yīng)物料流I和/或2輸送到所述反應(yīng)室21中)的加氫脫氯反應(yīng)器3，一個用于含有三氯硅烷和含有HCl的產(chǎn)物混合物的從加氫脫氯反應(yīng)器3中導(dǎo)出的管道4，一個換熱器5，通過該換熱器設(shè)置產(chǎn)物混合物管道4以及四氯化硅管道I和氫氣管道2，以便熱量可以從產(chǎn)物混合物管道4轉(zhuǎn)移到四氯化硅管道I和氫氣管道
2。此外，該設(shè)備包括一個用于分離四氯化娃8、三氯娃燒9、氫氣10和HClll的分設(shè)備7。其中將分離出的四氯化硅通過管道8輸送到四氯化硅管道I中，將分離出的三氯硅烷通過管道9輸送到最終產(chǎn)物提取處，將分離出的氫氣通過管道10輸送到氫氣管道2和將分離出的HCl通過管道11輸送到用于將硅氫氯化的設(shè)備12。此外，該設(shè)備包括一個用于分離出源自氫氯化設(shè)備12中的反應(yīng)的關(guān)聯(lián)產(chǎn)物氫氣的冷凝器13，其中所述氫氣通過氫氣管道2經(jīng)由換熱器5輸送到加氫脫氯 反應(yīng)器3中。顯示的還有一個用于從產(chǎn)物混合物中分離四氯化硅I和三氯硅烷(TCS)以及低沸物(LS)和高沸物(HS)的蒸餾設(shè)備14，其中產(chǎn)物混合物經(jīng)由冷凝器13出自氫氯化設(shè)備12。最后，該設(shè)備還包括一個預(yù)熱器16 (其利用從加熱空間15中輸出的煙氣20預(yù)熱為加熱空間15提供的燃燒空氣19)以及一個用于借助從預(yù)熱器16中流出的煙氣20產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備17。
實(shí)施例對比例:(沒有集成式換熱器的反應(yīng))
作為反應(yīng)管使用的是長度為1400mm和內(nèi)直徑為16mm的由SSiC形成的管。該反應(yīng)管從外部配備有電加熱套。溫度測量顯示了在400mm的管長上900°C的恒定溫度。該區(qū)域被認(rèn)為是反應(yīng)區(qū)。所述反應(yīng)管覆蓋著含有Pt的催化劑層。該反應(yīng)管用由SSiC形成的環(huán)填充，這些環(huán)直徑為9_和高度為9_。為了形成催化劑，將該反應(yīng)器管加熱到900°C的溫度，其中在3bar的絕對壓力下將氮?dú)鈱?dǎo)入通過反應(yīng)管。兩個小時后用氫氣代替氮?dú)?。在同?bar的絕對壓力下的氫氣流中再一個小時以后，向反應(yīng)管中泵入四氯化硅。其量(“STC進(jìn)料流速”)在對比例VBl到VB3中按照表I變化。調(diào)節(jié)氫氣料流使其摩爾過量為4:1。通過在線氣相色譜法分析出反應(yīng)器輸出物，并由此計(jì)算出四氯化硅轉(zhuǎn)化率和對于三氯硅烷的摩爾選擇性。其結(jié)果(“STC轉(zhuǎn)化率”和“產(chǎn)物中的TCS”)在表I中給出，并額外地在圖3中描繪出曲線圖。按照本發(fā)明的實(shí)施例:(具有集成式換熱器的反應(yīng))
作為反應(yīng)管使用的是長度為1.400mm和內(nèi)直徑為16mm的由SSiC形成的管。該反應(yīng)管從外部配備有電加熱套。溫度測量顯示了在400mm的管長上900°C的恒定溫度。該區(qū)域被認(rèn)為是反應(yīng)區(qū)。所述反應(yīng)管覆蓋著含有Pt的催化劑層。在反應(yīng)管中設(shè)置第二個由SSiC形成的管，其外直徑為5mm和壁厚1.5mm。該管沒有進(jìn)行涂覆。通過該內(nèi)管將STC和氫氣從下面導(dǎo)入。反應(yīng)物混合物在內(nèi)管內(nèi)部向上流動，并被加熱。通過內(nèi)管的開口，其然后流入反應(yīng)區(qū)。產(chǎn)物混合物向下從反應(yīng)管中導(dǎo)出。為了形成催化劑，將該反應(yīng)器管加熱到900°C的溫度，其中在3bar的絕對壓力下通過反應(yīng)管通入氮?dú)狻蓚€小時后用氫氣代替氮?dú)?。在同?bar的絕對壓力下的氫氣流中再一個小時以后，向反應(yīng)管中泵入四氯化硅。其量(“STC進(jìn)料流速”)在實(shí)施例1到3中按照表I變化。調(diào)節(jié)氫氣料流使其摩爾過量為4:1。通過在線氣相色譜法分析出反應(yīng)器輸出物，并由此計(jì)算出四氯化硅轉(zhuǎn)化率和對于三氯硅烷的摩爾選擇性。其結(jié)果(“STC轉(zhuǎn)化率”和“產(chǎn)物中的TCS”)在表I中給出，并額外地在圖3中描繪出曲線圖。表1:試驗(yàn)條件和結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種方法，其中通過輸入熱量將含有四氯化硅的反應(yīng)物料流(I)和含有氫氣的反應(yīng)物料流(2)在加氫脫氯反應(yīng)器(3)中進(jìn)行反應(yīng)，生成含有三氯硅烷和含有HCl的產(chǎn)物混合物(4)，其特征在于，所述方法具有下列的其它特征: -將含有四氯化硅的反應(yīng)物料流(I)和/或含有氫氣的反應(yīng)物料流(2)在壓力下輸送到壓力驅(qū)動的加氫脫氯反應(yīng)器(3)中， -所述反應(yīng)器(3)包括至少一個伸入反應(yīng)室(21)中的流動管(22)，通過該管將反應(yīng)物料流⑴和/或⑵輸送到該反應(yīng)室(21)中， -產(chǎn)物混合物(4)作為處于壓力下的料流從所述反應(yīng)室(21)中輸出， -所述反應(yīng)室(21)和任選地流動管(22)由陶瓷材料組成， -在所述反應(yīng)室(21)中形成的產(chǎn)物混合物(4)如此從反應(yīng)室(21)中輸出，以便在反應(yīng)室(21)內(nèi)部的反應(yīng)物料流/產(chǎn)物料流至少部分沿著伸入反應(yīng)室(21)中的流動管(22)外側(cè)輸送， -熱量的輸送是通過至少部分包住所述反應(yīng)室(21)的加熱套(15)或者加熱空間(15)進(jìn)行的，和 -在反應(yīng)室(21)的通過加熱套(15)或者加熱空間(15)加熱的區(qū)域下游，所述反應(yīng)室(21)包括一個集成式換熱器(5)，該換熱器將加熱的產(chǎn)物混合物(4)冷卻，其中帶走的熱量用于預(yù)熱含有四氯化硅的反應(yīng)物料流(I)和/或含有氫氣的反應(yīng)物料流(2)。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述反應(yīng)器(3)包括唯一的流動管(22)，通過該管共同輸送反應(yīng)物料流(I)和(2)，或者其中反應(yīng)器(3)包括多于一個流動管(22)，通過該管反應(yīng)物料流(I)和(2)可選擇地在流動管(22)的任意一個中共同輸送到反應(yīng)室(21)中，或者反應(yīng)物料流(I)和(2)彼此分開地在分別不同的流動管(22)中輸送到反應(yīng)室(21)中。
3.按照前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，陶瓷材料選自Al203、AlN、Si3N4、SiCN或者SiC。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于，陶瓷材料選自S1-浸潤的SiC、均衡壓制的SiC、熱均衡壓制的SiC和無壓燒結(jié)的SiC(SSiC)。
5.按照前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，反應(yīng)室(21)和/或流動管(22)由無壓燒結(jié)的SiC (SSiC)組成。
6.按照前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，將含有四氯化硅的反應(yīng)物料流(I)和/或含有氫氣的反應(yīng)物料流(2)在Ι-lObar，優(yōu)選3_8bar，特別優(yōu)選4_6bar范圍的壓力，和在150-900°C，優(yōu)選300-800°C，特別優(yōu)選500-700°C范圍的溫度下輸送到加氫脫氯反應(yīng)器(3)中。
7.按照前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，將含有四氯化硅的反應(yīng)物料流與含有氫氣的反應(yīng)物料流分開地輸送到加氫脫氯反應(yīng)器中，和含有四氯化硅的反應(yīng)物料流是液態(tài)或者氣態(tài)。
8.按照前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，熱量輸入通過加熱套(15)進(jìn)行，該加熱套通過電阻加熱或者通過加熱空間(15)進(jìn)行加熱，其中加熱空間是一個燃燒室(15)，該燃燒室通過可燃?xì)怏w(18 )和燃燒空氣(19 )運(yùn)轉(zhuǎn)。
9.按照前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，反應(yīng)器室(21)中的反應(yīng)通過所述反應(yīng)室上催化該反應(yīng)的內(nèi)涂層和/或通過催化該反應(yīng)的在反應(yīng)器室(21)中設(shè)置的固定床的涂層進(jìn)行催化。
10.加氫脫氯反應(yīng)器(3)作為設(shè)備的組成部分在用于從冶金硅制備三氯硅烷中的應(yīng)用，其特征在于， -所述反應(yīng)器(3)在壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)， -所述反應(yīng)器(3)包括至少一個用于進(jìn)入的反應(yīng)物料流的伸入反應(yīng)室(21)中的流動管(22)， -所述反應(yīng)室(21)和任選地流動管(22)由陶瓷材料組成， -反應(yīng)物料流/產(chǎn)物料流如此輸送到反應(yīng)室(21)內(nèi)部，以便反應(yīng)物料流/產(chǎn)物料流至少部分沿著伸入反應(yīng)室(21)中的流動管(22)外側(cè)輸送， -熱量的輸送是通過至少部分包住所述反應(yīng)室(21)的加熱套(15)或者加熱空間(15)進(jìn)行的，和 -在反應(yīng)室(21)的通過加熱套(15)或者加熱空間(15)加熱的區(qū)域下游，所述反應(yīng)室(21)包括一個用于將加熱的產(chǎn)物混合物冷卻的集成式換熱器(5)。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其特征在于，用于從冶金硅制備三氯硅烷的設(shè)備包括: a)一個用于四氯化娃與氫氣反應(yīng)生成三氯娃燒的分設(shè)備，包括: -一個包含反應(yīng)室(21)的加氫脫氯反應(yīng)器(3)； -反應(yīng)室(21)的被加熱套(15)或者加熱空間(15)至少部分包住的一個區(qū)域； -至少一個用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)和至少一個用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2)，兩根管道都通入加氫脫氯反應(yīng)器(3)中，其中任選地代替分開的管道(I)和(2)而設(shè)計(jì)一個用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流和含有氫氣的反應(yīng)物料流的共同管道(1，2)； -至少一個伸入反應(yīng)室(21)中的流動管(22)，通過該管含有四氯化硅的反應(yīng)物料流(I)和/或含有氫氣的反應(yīng)物料流(2 )可以輸送到反應(yīng)室(21)中，其中所述反應(yīng)室(21)和任選地流動管(22)由陶瓷材料組成； -用于在反應(yīng)室(21)中形成的產(chǎn)物混合物(4)的出口，其中如此設(shè)置該出口，以便在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時可以如此從反應(yīng)室(21)中輸出產(chǎn)物混合物(4)，使得在反應(yīng)室(21)內(nèi)部的反應(yīng)物料流/產(chǎn)物料流至少部分沿著伸入反應(yīng)室(21)中的流動管(22)外側(cè)輸送， -一個用于含有三氯硅烷和含有HCl的產(chǎn)物混合物的從加氫脫氯反應(yīng)器(3)中伸出的管道(4)； -一個在加氫脫氯反應(yīng)器(3)中集成的換熱器(5)，通過該換熱器如此設(shè)置所述產(chǎn)物混合物管道(4)以及所述至少一個用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)和/或所述至少一個用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2)，以便來自產(chǎn)物混合物管道(4)的熱量可以轉(zhuǎn)移到所述至少一個用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)和/或所述至少一個用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2)，其中所述集成式換熱器(5)設(shè)置于所述反應(yīng)室(21)的通過加熱套(15)或者加熱空間(15)加熱的區(qū)域下游； -任選地一個分設(shè)備(7)或包含多個分設(shè)備(7a, 7b, 7c)的布置,用于在每一種情況下分離一種或者多種包括四氯化硅、三氯硅烷、氫氣和HCl的產(chǎn)物； -任選地一個管道(8)，其將分離出的四氯化硅輸送到用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(1)中，優(yōu)選在集成式換熱器(5 )上游；-任選地一個管道(9)，通過該管道將分離出的三氯硅烷輸送到最終產(chǎn)物提取處； -任選地一個管道(10)，其將分離出的氫氣輸送到用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2 )中，優(yōu)選集成式換熱器(5 )上游；和 -任選地一個管道(11)，通過該管道將分離出的HCl輸送到用于將硅氫氯化的設(shè)備中；和 b)一個用于冶金硅與HCl反應(yīng)生成四氯化硅的分設(shè)備，包括: -一個設(shè)置在用于四氯化硅與氫氣反應(yīng)的分設(shè)備上游的氫氯化設(shè)備(12)，其中任選地將至少一部分使用的HCl通過HCl料流(11)輸送到氫氯化設(shè)備(12)中； -一個用于分離至少一部分出自氫氯化設(shè)備(12)中的反應(yīng)的關(guān)聯(lián)產(chǎn)物氫氣的冷凝器(13)，其中所述氫氣通過用于含有氫氣的反應(yīng)物料流的管道(2)輸送到加氫脫氯反應(yīng)器(3)中； -一個用于從剩余的出自氫氯化設(shè)備(12)中的反應(yīng)的產(chǎn)物混合物中至少分離四氯化硅和三氯硅烷的蒸餾設(shè)備(14)，其中所述四氯化硅通過用于含有四氯化硅的反應(yīng)物料流的管道(I)輸送到加氫脫氯反應(yīng)器(3)中；和 在代替加熱套(15)而使用加熱空間(15)的情況下: -任選地一個預(yù)熱器(16)，用于預(yù)熱為加熱空間(15)提供的含有從加熱空間(15)中流出的煙氣(20)的燃燒空氣(19);和 -任選地一個設(shè)備(17)，用于從由所述預(yù)熱器(16)中流出的可燃?xì)怏w(20)中產(chǎn)生蒸 汽。
全文摘要
本發(fā)明涉及四氯化硅和氫氣在改進(jìn)的加氫脫氯反應(yīng)器中反應(yīng)生成三氯硅烷的方法。本發(fā)明進(jìn)一步涉及這種改進(jìn)的加氫脫氯反應(yīng)器作為設(shè)備的組成部分在用于從冶金硅制備三氯硅烷中的應(yīng)用。
文檔編號C01B33/107GK103153857SQ201180049460
公開日2013年6月12日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者G.拉托欣斯基, Y.奧納爾, J.紹爾, G.施托赫尼奧爾, I.波利 申請人:贏創(chuàng)德固賽有限公司