BR112013019902B1

BR112013019902B1 - aparelho de reator e método para reagir um ou mais compostos em um gás

Info

Publication number: BR112013019902B1
Application number: BR112013019902-4A
Authority: BR
Inventors: Gianluca Pazzaglia; Matteo Fumagalli; Rodolfo Bovo
Original assignee: Globalwafers Co., Ltd.
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2020-10-27
Also published as: KR101962178B1; CN103339458A; US20120199323A1; US20130327506A1; CN103339458B; US9644902B2; WO2012104777A1; US20120199324A1; TWI576560B; KR20140018257A; EP2671036B1; US9222733B2; US20130224099A1; EP2671036A1; BR112013019902A2; TW201245654A

Abstract

TROCADORES DE CALOR DE CARCAÇA E TUBOS E MÉTODOS DE USAR TAIS TROCADORES DE CALOR Trata-se de trocadores de calor de carcaça e tubos que incluam uma disposição de abafador que aperfeiçoa o perfil de temperatura e o padrão de vazão ao longo do trocador e/ou que sejam integrais a um recipiente de reação. Trata-se, também, de métodos que serve para usar os trocadores, incluindo os métodos que envolvem o uso do trocador e de um recipiente de reação para produzir um gás de produto de reação contendo triclorossilano.

Description

Referência remissiva aos pedidos de depósito correlatas

[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório U.S. No. 61/439.199, depositado em 3 de fevereiro de 2011, e dos Pedidos de Patente Não-Provisórios U.S. Nos. 13/355.303 e 13/355.309, ambos depositados em 20 de janeiro de 2012, estando aqui incorporados a título de referência.

Campo da revelação

[002] O campo desta revelação refere-se a trocadores de calor e, particular- mente, a trocadores de calor de carcaça e tubos abafados. O campo da revelação também se refere a métodos para usar os trocadores, incluindo métodos que envol-vam o uso do trocador e de um recipiente de reação para produzir um gás de produto de reação.

Fundamentos

[003] Vários sistemas de processo (por exemplo, sistemas de reator) envolvem o uso de fluxos de processo de temperatura relativamente alta e/ou de temperatura relativamente baixa. O resfriamento e/ou aquecimento de tais fluxos podem envolver custos de energia significativos. Para reduzir esses custos, os fluxos de processo podem ser termicamente colocados em contato para trocar calor e reduzir os custos de energia. No entanto, tal contato térmico pode ser difícil ou até mesmo proibido quando tais gases de processo contiverem uma quantidade de gases corrosivos. Geralmente, a presença de gases corrosivos requer, de modo convencional, que o gás de processo seja rapidamente aquecido ou resfriado até uma temperatura na qual os gases são menos corrosivos antes que uma troca de calor com outros gases de processo possa ocorrer, o que aumenta as exigências energéticas do sistema.

[004] Um exemplo de tal sistema em que os gases corrosivos são produzidos limitando, assim, a troca de calor com outros gases de processo consiste em um sistema de reação em que tetracloreto de silício é reagido com hidrogênio para pro- duzir triclorossilano. Esta reação produz cloreto de hidrogênio como um subproduto. Visto que a reação de equilíbrio voltada ao triclorossilano é favorável em altas tem-peraturas, o cloreto de hidrogênio se encontra tipicamente em uma alta temperatura que, de modo convencional, exigiu que este fosse rapidamente arrefecido brusca- mente. Convencionalmente, isto limitou a quantidade de calor que pode ser transfe-rida a partir do gás de produto para outros fluxos de processo.

[005] De modo correspondente, há uma necessidade contínua por um reator e sistemas de troca de calor que permitam que gases de processo (por exemplo, gases contendo um gás corrosivo) sejam aquecidos ou relativamente resfriados logo após a produção do gás de produto. Também existe uma necessidade contínua por trocadores de calor que aperfeiçoem os perfis de temperatura e vazão dos fluxos de processo de entrada. Também existe uma necessidade continua por métodos que envolvam o uso de tais trocadores de calor e/ou recipientes de reator.

Sumário

[006] Um aspecto da presente revelação refere-se a um trocador de calor de carcaça e tubos que serve para transferir calor entre dois fluxos de processo. O tro-cador contém uma carcaça, um feixe de tubos dentro da carcaça, um abafador anular e um abafador central. O feixe contém uma pluralidade de tubos centrais e uma pluralidade de tubos periféricos. O abafador anular tem uma borda externa, uma borda interna, e uma pluralidade de aberturas periféricas formadas entre a borda externa e a borda interna. Os tubos periféricos passam através das aberturas perifé-ricas do abafador anular. O abafador central tem uma pluralidade de aberturas cen-trais e os tubos centrais passam através das aberturas centrais.

[007] Outro aspecto da presente revelação se refere a um aparelho de reator que serve para reagir um ou mais compostos em um gás de alimentação de reator e trocar calor entre o gás de alimentação de reator e um gás de produto de reator. O aparelho inclui um recipiente de reação e um trocador de calor de carcaça e tubos para transferir calor entre o gás de alimentação de reator e o gás de produto. O reci-piente de reação tem uma parede e contém uma câmara de reação na qual ocorre a reação. O trocador de calor de carcaça e tubos contém uma carcaça que se encontra em comunicação fluídica com a câmara de reação e um feixe de tubos dentro da carcaça. O feixe de tubos se estende através da parede no recipiente de reação. O feixe inclui uma pluralidade de tubos centrais e uma pluralidade de tubos periféricos entre os tubos centrais e a carcaça. Os tubos se encontram em comunicação fluídica com a câmara de reação.

[008] Ainda outro aspecto da presente revelação se refere a um método para transferir calor entre dois fluxos de processo pelo uso de um trocador de calor de carcaça e tubos. O trocador de calor de carcaça e tubos contém uma carcaça, um feixe de tubos dentro da carcaça e uma câmara formada entre o feixe de tubos e a carcaça. O feixe contém uma pluralidade de tubos centrais e uma pluralidade de tu-bos periféricos entre os tubos centrais e a carcaça. O trocador inclui um abafador anular tendo uma borda externa, uma borda interna e uma pluralidade de aberturas periféricas formadas dentro da borda externa e da borda interna. Os tubos periféricos passam através das aberturas periféricas. O trocador inclui um abafador central tendo uma pluralidade de aberturas centrais e uma borda externa. Os tubos periféricos passam entre a borda externa do abafador central e a carcaça e os tubos centrais passam através das aberturas centrais. Um primeiro gás de processo é introduzido na câmara formada entre o feixe de tubos e a carcaça. O primeiro gás de processo passa através das aberturas centrais dos abafadores anulares e entre a borda externa dos abafadores centrais e a carcaça. Um segundo gás de processo é introduzido nos tubos periféricos e nos tubos centrais.

[009] Um aspecto adicional da presente revelação se refere a um método para reagir um ou mais compostos em um gás de alimentação de reator e trocar calor entre o gás de alimentação de reator e um gás de produto de reator. A reação e a troca de calor ocorrem em um aparelho de reator com um recipiente de reação tendo uma parede e uma câmara de reação onde ocorre a reação. O aparelho também inclui um trocador de calor de carcaça e tubos para transferir calor entre o gás de alimentação de reator e o gás de produto de reator. O trocador de calor de carcaça e tubos contém uma carcaça que se encontra em comunicação fluídica com a câmara de reação e um feixe de tubos dentro da carcaça e uma câmara formada entre o feixe de tubos e a carcaça. O feixe de tubos se estende através parede no recipiente de reação. O feixe tem uma pluralidade de tubos centrais e uma pluralidade de tubos periféricos entre os tubos centrais e a carcaça. Os tubos se encontram em comunicação fluídica com a câmara de reação. O gás de alimentação de reator é introduzido nos tubos periféricos e nos tubos centrais do trocador de calor de carcaça e tubos. O gás de alimentação de reator é descarregado no recipiente de reação para fazer com que um ou mais compostos do gás de alimentação de reator reajam e formem o gás de produto de reator. O gás de produto de reator é introduzido na câmara formada entre o feixe de tubos e a carcaça. O gás de produto de reator é descarregado a partir da carcaça.

[010] Existem vários refinamentos dos recursos notados em relação aos as-pectos supramencionados da presente revelação. Recursos adicionais também po-dem ser incorporados nos aspectos supramencionados da presente revelação. Estes refinamentos e recursos adicionais podem estar presentes individualmente ou em qualquer combinação. Por exemplo, vários recursos discutidos abaixo em relação a qualquer uma das modalidades ilustradas da presente revelação podem ser incorporados em qualquer um dos aspectos descritos anteriormente da presente re-velação, sozinhos ou em qualquer combinação.

[011] Breve descrição dos desenhos A Figura 1 é uma vista frontal de um trocador de calor de carcaça e tubos de acordo com uma primeira modalidade da presente revelação; A Figura 2 é uma vista em perspectiva do trocador de calor com a carcaça removida por motivos de clareza; A Figura 3 é uma vista em perspectiva explodida das porções do trocador de calor e com a carcaça e tubos removidos por motivos de clareza; A Figura 4 é uma vista de topo de um abafador central; A Figura 5 é uma vista de topo de um abafador anular; A Figura 6 é uma vista de topo do trocador de calor com a saída lateral de tubo e o segundo flange de terminal removidos por motivos de clareza; A Figura 7 é uma vista em corte transversal do trocador de calor tomada ao longo da linha 7-7 da Figura 2 com a placa de distribuição sendo mostrada; A Figura 8 é uma vista frontal do trocador de calor mostrando uma se-gunda carcaça usada para circular um fluido de aquecimento ou resfriamento adicio-nal dentro do trocador de calor; A Figura 9 é uma vista em corte transversal de um aparelho de reator que inclui um recipiente de reação e um trocador de calor de carcaça e tubos; A Figura 10 é uma vista frontal do aparelho de reator da Figura 9 com o recipiente removido por motivos de clareza; e A Figura 11 é uma vista em perspectiva do aparelho da Figura 9 com o recipiente, a carcaça e os tubos removidos por motivos de clareza.

[012] Caracteres de referência correspondentes indicam partes corresponden-tes ao longo dos desenhos.

Descrição detalhada

[013] Referindo-se agora à Figura 1, um trocador de calor de carcaça e tubos 9 para trocar calor entre dois fluxos de processo de acordo com a presente revelação é mostrado. O trocador de calor de carcaça e tubos 9 incorpora dois tipos diferentes de abafadores (isto é, abafadores centrais e anulares que são mostrados na Figura 3) que são dispostos no trocador de modo que aperfeiçoe a troca de calor e os perfis de temperatura resultantes para um primeiro fluido e um segundo fluido introduzidos no trocador.

[014] Em geral, um primeiro fluido (por exemplo, um primeiro gás de processo) é introduzido no lado de carcaça do trocador (isto é, a câmara formada entre os tubos e a carcaça) e um segundo fluido (por exemplo, segundo gás de processo) é introduzido no lado do tubo (isto é, nos tubos do trocador). O primeiro fluido é forçado na porção central do trocador à medida que ele passa através dos abafadores anulares e é forçado nas porções periféricas do trocador à medida que ele passa em torno do abafador central. Em geral, os abafadores anulares e centrais se alternam no trocador que faz com que o primeiro gás de processo seja forçado à periferia do trocador e às porções centrais do trocador em um padrão alternado e, desse modo, aperfeiçoa a transferência de calor entre o primeiro e o segundo fluxos de processo. Conforme mostrado na Figura 1, o primeiro fluido geralmente entra no trocador de calor 9 no topo do reator em uma entrada do lado da carcaça 6 e sai na saída do lado da carcaça 10 e o segundo fluido entra no trocador de calor 9 e os tubos no fundo do reator em uma entrada do lado do tubo 8 e sai na saída do lado do tubo 16. Deve-se compreender que outras disposições podem ser usadas sem limitações.

[015] O trocador de calor de carcaça e tubos 9 pode ser feito parcialmente ou completamente integral com um aparelho de reator (Figura 9), que permite um gás de alimentação de reator entre no reator após trocar calor com um gás de produto de reator. Conforme descrito no presente documento, o gás de alimentação de reator é introduzido nos tubos do reator e sai na câmara de reação onde ele reage para formar o gás de produto. O gás de produto é, então, introduzido no lado da carcaça do reator (isto é, no espaço formado entre os tubos e a carcaça do reator) para trocar calor com o gás de alimentação antes de sair no fundo do trocador. Outras dis-posições podem ser usadas sem limitações.

[016] Opcionalmente, o aparelho de reator da Figura 9 pode ser usado em um processo par produzir triclorossilano a partir de tetracloreto de silício. Tetracloreto de silício e hidrogênio podem ser introduzidos no lado do tubo no trocador de calor 9’. Tetracloreto de silício e hidrogênio continuam subindo no trocador 9’ até que os ga-ses saiam do trocador e entrem na câmara de reação 5. Tetracloreto de silício e hi-drogênio são aquecidos na câmara 5 (por exemplo, por aquecedores a resistência) para produzir um gás de produto de reação que compreenda triclorossilano e cloreto de hidrogênio. Este gás de produto de reação é forçado para fora da câmara 5 e en-trada no lado da carcaça do trocador 9’. À medida que o gás de produto se desloca no lado da carcaça através do trocador 9’, ele aquece o gás de alimentação de en-trada. Opcionalmente, o trocador 9’ é encamisado à água para permitir que o gás de produto de reação do lado da carcaça seja rapidamente resfriado, o que favorece a conversão em triclorossilano (por exemplo, evita que ocorra uma reação retrógrada) e evita a corrosão dos componentes de reação (por exemplo, evita a formação de cloretos metálicos voláteis resfriando-se rapidamente abaixo, por exemplo, em cerca de 400°C).

Trocador de calor de carcaça e tubos

[017] Referindo-se novamente à Figura 1, um trocador de calor de carcaça e tubos 9 para trocar calor entre dois fluxos de processo é mostrado. O trocador 9 inclui uma carcaça 25 e um feixe de tubos (não mostrado) disposto dentro da carcaça 25. O trocador 9 inclui uma entrada do lado da carcaça 6 na qual um primeiro gás de processo 81 é introduzido e uma entrada do lado do tubo 8 na qual um segundo gás de processo 96 é introduzido. O primeiro gás de processo 81 flui dentro da câmara formada entre os tubos do feixe de tubos e a carcaça, incluindo o espaço entre os próprios tubos, e o segundo gás de processo 96 flui dentro dos tubos do feixe de tubos. O primeiro gás e o segundo gás 81, 96 geralmente fluem em uma disposição de contracorrente à medida que passam através do trocador de calor de carcaça e tubos 9; no entanto, deve-se compreender que outros padrões de vazão (fluxos con-correntes e/ou sistemas de múltiplas passagens) podem ser usados sem limitações. Após um contato térmico no trocador 9, o primeiro gás de processo 81 é descarregado na saída do lado da carcaça 10 e o segundo gás de processo 96 é descarregado a partir da saída lateral de tubo 16. Neste sentido, deve-se compreender que outras disposições de entrada e saída podem ser usadas, incluindo, por exemplo, a disposição de entrada e saída do trocador 3’ (Figura 9) descrita abaixo.

[018] Referindo-se agora à Figura 2 (na qual a carcaça não é mostrada por motivos de clareza) e à Figura 6, o feixe de tubos 21 inclui uma série de tubos gene-ricamente dispostos em círculos concêntricos em torno do centro C. Os tubos se es-tendem genericamente a partir de um primeiro flange de terminal 29 até um segundo flange de terminal 27. Uma série de abafadores 30, 35 ajuda a prender os tubos dentro do fixe 21 e influencia a vazão do primeiro gás de processo dentro do troca- dor e os perfis de temperatura de primeiro e segundo gás resultantes. A Figura 3 mostra a disposição dos abafadores 30, 35 com o feixe de tubos 21 não mostrado por motivos de clareza e com a entrada do lado da carcaça 6 e a saída 10 e a entrada do lado do tubo 8 e a saída 16 mostrados para ilustrar a posição relativa dos abafadores 30, 35. O trocador 9 inclui uma pluralidade de abafadores centrais 30 que prendem uma série de tubos centrais (não mostrados) e uma pluralidade de abafadores anulares 35 que prendem uma série de tubos periféricos (não mostrados). Conforme mostrado na Figura 3, os abafadores centrais 30 e os abafadores anulares 35 se alternam em suas posições relativas no trocador; no entanto, deve-se compreender que outras disposições de abafadores centrais 30 e abafadores anulares 35 podem ser usados sem limitações. O padrão de vazão do primeiro gás de processo 81 é mostrado na Figura 3. Conforme se pode observar a partir do padrão de vazão, o primeiro gás de processo 81 é forçado para fora dos abafadores centrais 30 e para dentro através dos abafadores anulares 35, criando, assim, um fluxo transversal que promove a troca de calor entre o primeiro e o segundo gases de processo.

[019] Um abafador central 30 é mostrado na Figura 4. O abafador central 30 inclui uma pluralidade de aberturas centrais 2 através das quais os tubos centrais passam. O abafador central tem uma borda externa 37. Os tubos periféricos (não mostrados) passam entre a borda externa 37 do abafador central 30 e a carcaça 25 (Figura 1). O abafador central 30 inclui uma série de porções de alargamento 9 na qual se forma uma abertura de barra de direção 4. As barras de direção (não mos-tradas) passam através das aberturas de barra de direção 4 e proporcionam estabi-lidade aos abafadores 30, 35. As barras de direção podem ser fixadas aos abafadores 30, 35 em qualquer maneira adequada, incluindo, por exemplo, através do uso de espaçadores (não mostrados).

[020] Um abafador anular 35 é mostrado na Figura 5. O abafador anular 35 tem um centro C, uma borda externa anular 11, uma borda interna anular 17 e uma pluralidade de aberturas periféricas 12 formadas dentro da borda externa anular 11 e a borda interna anular 17. Uma abertura central 3 se estende a partir da borda interna 17 até o centro C do abafador anular 35. Os tubos periféricos (não mostrados) passam através das aberturas periféricas 12 e os tubos centrais (não mostrado) passam através da abertura central 3. O abafador anular 35 inclui aberturas de barra de direção 14 através das quais as barras de direção passam para estabilizar o aba-fador 35.

[021] A Figura 6 mostra uma vista de topo do trocador 9 com um abafador central 30 mostrado e um abafador anular 35 parcialmente mostrado. Conforme se pode observar a partir da Figura 6, os tubos centrais 48 passam através das aberturas centrais 2 e os tubos periféricos 49 passam através das aberturas periféricas 12. O raio R da parede interna 34 da carcaça 25 é substancialmente igual ao raio da borda externa anular 11 do abafador anular 35 e o abafador anular 35 geralmente entra em contato com a carcaça 25. De modo similar, as porções de alargamento 9 do abafador central 30 entram em contato com a parede interna 34 da carcaça.

[022] O abafador anular 35 (Figura 5) deve ter uma largura W suficiente para forçar o primeiro gás de processo em direção ao centro do trocador de calor. Em uma ou mais modalidades da presente revelação, a razão entre a largura do abafador anular 35 e o raio R da borda externa anular 11 (W:R) deve ser pelo menos cerca de 1:5, pelo menos cerca de 1:3 ou pelo menos cerca de 1:2 (por exemplo, de cerca de 1:5 a cerca de 4:1 ou de cerca de 1:5 a cerca de 1:1). Nestes e em outras modalidades, o abafador anular 35 pode definir uma área em corte transversal ao longo de sua largura que bloqueia a trajetória do primeiro gás de processo. A razão entre a área em corte transversal definida pelo abafador anular 35 (que pode ser pi*R2 - pi*(R-W)2 para os abafadores anulares) e a área em corte transversal da carcaça do trocador (que pode ser pi*R2 para trocadores cilíndricos de carcaça e tubos) pode ser pelo menos cerca de 1:10, pelo menos cerca de 1:5 ou pelo menos cerca de 1:3 (por exemplo, de cerca de 1:10 a cerca de 3:1 ou de cerca de 1:5 a cerca de 1:1).

[023] Neste sentido, o abafador central 30 (Figura 4) pode ser adequadamente dimensionado para forçar o primeiro gás de processo à periferia do trocador de carcaça e tubos. Em uma ou mais modalidades, a área em corte transversal definida pelo abafador central se aproxima ou pode exceder a área em corte transversal da abertura central 3 (Figura 5) do abafador anular 35. Em uma ou mais modalidades, a razão entre a área em corte transversal do abafador central (Figura 4) e a área em corte transversal da abertura central 3 do abafador anular (que pode ser cerca de pi*(R-W)2) é pelo menos cerca de 1:5, pelo menos cerca de 1:3 ou até mesmo pelo menos cerca de 2:3 (por exemplo, de cerca de 1:5 a cerca de 3:1 ou de cerca de 1:3 a cerca de 1:1). A espessura do abafador anular 35 e do abafador central 30 devem ser suficientes para proporcionar uma integridade estrutural aos abafadores à medida que o primeiro gás passa através do trocador. As bordas dos abafadores 30, 35 podem ser chanfradas para reduzir a queda de pressão ao longo dos abafadores.

[024] Em geral, o trocador 9 inclui uma pluralidade de abafadores anulares 35 e/ou uma pluralidade de abafadores centrais 30. Por exemplo, o trocador 9 pode in-cluir pelo menos cerca de dois abafadores anulares, ou pelo menos cerca de três, pelo menos cerca de quatro, pelo menos cerca de cinco ou até mesmo cerca de seis ou mais abafadores anulares. De modo similar, o trocador 9 pode incluir pelo menos cerca de dois abafadores centrais, pelo menos cerca de três, pelo menos cerca de quatro, pelo menos cerca de cinco ou cerca de seis ou more abafadores centrais. A quantidade total de abafadores anulares e abafadores centrais pode ser pelo menos cerca de três, pelo menos cerca de cinco, pelo menos cerca de sete ou até mesmo cerca de dez ou mais.

[025] Conforme mostrado nas Figuras 3 e 11, em geral, os abafadores anula-res 35 e os abafadores centrais 30 se alternam para permitir que o primeiro gás de processo flua alternadamente para o centro feixe de tubos à região periférica do feixe de tubos. Em algumas modalidades, não mais que dois abafadores anulares são adjacentes entre si (isto é, são posicionados no feixe de tubos de modo que nenhum abafador central seja posicionado entre eles) ou até mesmo nenhum abafador anular é adjacente entre si. Adicional ou alternativamente, em algumas modalidades, não mais de dois abafadores centrais são adjacentes entre si ou até mesmo nenhum abafador central é adjacente a outro abafador central.

[026] Descobriu-se que a dinâmica de transferência de calor do trocador de calor e, em particular, dos trocadores de calor usados dentro de um sistema de rea-ção para produzir triclorossilano a partir de tetracloreto de silício, pode ser aperfei-çoada limitando-se a distância média D1 entre os abafadores 30, 35. De modo cor-respondente, e em várias modalidades da presente revelação, a razão entre a dis-tância axial média entre os abafadores D1 e o diâmetro D2 da parede interna 34 da carcaça e/ou dos abafadores (isto é, 2*R conforme mostrado nas Figuras 5 e 6) é de cerca de 3:1 a cerca de 1:3, de cerca de 2:1 a cerca de 1:2 ou de cerca de 2:1 a cerca de 1:1. Neste sentido, a distância axial média D1 entre os abafadores pode ser determinada dividindo-se o comprimento L do feixe de tubos pelo número N de aba-fadores usados para suportar o feixe de tubos.

[027] Referindo-se agora à Figura 7, o trocador inclui uma placa de distribui-ção 40 com um plenum 41 formado nela para distribuir o segundo gás 96 no troca-dor. O plenum 41 se encontra em comunicação fluídica com os tubos periféricos e os tubos centrais para introduzir um fluido nos tubos periféricos e tubos centrais.

[028] Em algumas modalidades e conforme mostrado na Figura 8, o trocador de calor 9 inclui uma segunda carcaça 43 que seja concêntrica à primeira carcaça (não mostrada) e tem um raio maior que o raio da primeira carcaça para formar uma câmara anular entre a primeira carcaça e a segunda carcaça. Um fluido (por exem-plo, água) pode ser introduzido e extraído a partir da câmara anular para aquecer ou resfriar o gás do lado da carcaça. O fluido pode ser introduzido e extraído a partir da camisa em qualquer número de posições.

[029] Neste sentido, deve-se compreender que embora o trocador de calor de carcaça e tubos 9 e várias partes correspondentes sejam genericamente mostrados como sendo cilíndricos, outras disposições podem ser usadas e a disposição cilín-drica não deve ser considerada de modo limitante. Ademais, deve-se compreender que embora os fluidos do lado da carcaça e os fluidos do lado do tubo tenham sido genericamente descritos no presente documento como sendo gases, os fluidos tam-bém podem ser líquidos sem limitação. Além disso, o fluido do lado da carcaça po-dem transferir calor ao fluido do lado do tubo ou o fluido do lado do tubo pode trans-ferir calor ao fluido do lado da carcaça sem limitações.

Aparelho de Reação incluindo um Trocador de Calor de Carcaça e Tubos e uma Câmara de Reação Integrados

[030] O trocador de calor de carcaça e tubos 9 descrito anteriormente pode ser incorporado em um aparelho de reator para reagir um ou mais compostos em um gás de alimentação de reator e trocar calor entre o gás de alimentação de reator e um gás de produto de reator. Referindo-se agora à Figura 9, o aparelho de reator 3 para reagir um ou mais compostos em um gás de alimentação de reator e trocar calor entre o gás de alimentação de reator e um gás de produto de reator é mostrado. O aparelho 3 inclui um trocador de calor de carcaça e tubos 9’ ao qual um gás de alimentação de reator 94 e introduzido e um recipiente de reação 5 no qual ocorre a maioria das reações relevantes. O gás de produto de reator 81 formado no recipiente de reação 5 é introduzido no trocador 9’, permitindo, assim, que o gás de produto 81 e o gás de alimentação 94 se comuniquem termicamente e trocam calor conforme descrito de modo mais completo abaixo.

[031] Referindo-se agora à Figura 10 na qual a segunda carcaça e o recipien-te de reação não são mostrados por motivos de clareza, o trocador 9’ inclui uma car-caça 25’ e um feixe de tubos 2T parcialmente dispostos dentro da carcaça 25’. Dife-rentemente do trocador de calor de carcaça e tubos 9 mostrado nas Figuras 1 a 8, o feixe de tubos 2T inclui uma porção superior 26 que se estende a partir da carcaça 25’ no recipiente de reação 5 (Figura 9) e uma porção inferior 22 (não mostrada) que é disposta dentro da carcaça 25’. Diferentemente do trocador de carcaça e tubos 9 mostrado nas Figuras 1 a 8, a entrada do lado da carcaça e a saída do lado do tubo do trocador 9’ são posicionada dentro do recipiente de reação 5. O trocador de car-caça e tubos 9’ inclui um flange de terminal 27 no qual os tubos são presos em sua extremidade superior.

[032] A disposição dos abafadores 30, 35 no trocador 9’ é mostrada na Figura 11. A disposição correspondente genericamente à disposição descrita anteriormente em relação ao trocador 9 (incluindo as razões entre a distância média entre os aba-fadores e o diâmetro do abafador) e conforme mostrado na Figura 3; no entanto, o trocador 9’ inclui dois abafadores anulares adicionais 35 que proporcionam suporte à porção superior 26 (Figura 10) do feixe de tubos 2T. Estes dois abafadores adicionais 35 são opcionais e em algumas modalidades, o trocador 9’ inclui somente um abafador adicional 35 que suporta a porção superior 26 (Figura 10) do feixe de tubos 2T ou, como em outras modalidades, não se utilizam abafadores adicionais. Con-forme se pode observar a partir da Figura 11 e de acordo com algumas modalidades da presente revelação, não mais que dois abafadores anulares são adjacentes entre si e nenhum abafador central é adjacente a outro abafador central. O padrão de va-zão do gás de produto 81 é mostrado na Figura 11 por motivos de clareza. Neste sentido, o gás de produto 81 pode entrar no reator entrando-se no espaço formado dentro de qualquer parte da porção 26 (Figura 10) do feixe de tubos 2T que se es-tende no recipiente de reação 5 (Figura 9). Em algumas modalidades, uma carcaça (não mostrada) cobre parcialmente a porção 26 (Figura 10) do feixe de tubos 21’ que se estende no recipiente de reação de modo que o gás de produto entre no trocador 9’ acima da carcaça (por exemplo, a carcaça pode cobrir os dois abafadores mais periféricos 35 e o gás de produto entra entre o flange de terminal 27 e o abafador mais periférico 35). Nota-se que outras disposições de abafador são contempladas dentro do escopo desta revelação.

[033] Referindo-se novamente à Figura 9, as paredes do recipiente de reação 5 incluem uma parede cilíndrica terminada 52 e uma placa de base 55 que define uma câmara de reação 60 na qual ocorrem reações relevantes. O recipiente 5 pode incluir uma série de elementos de aquecimento (por exemplo, aquecedores à resis-tência) na câmara 60 para aquecer os gases de entrada e também pode incluir um ou mais protetores contra calor dentro do recipiente para evitar o escape de gases corrosivos e isolar o recipiente 5. Em algumas modalidades, o recipiente de reator 5 inclui um protetor interno contra calor e um protetor externo contra calor. 0 protetor interno contra calor pode evitar o escape de gases (por exemplo, hidrogênio, te-tracloreto de silício) e pode ser construído, por exemplo, por grafite extrudado, grafite isostático, carbeto de silício, quartzo e nitreto de silício. O protetor externo pode ser usado para evitar que calor seja perdido a partir do aparelho de reator 3 e pode ser composto, por exemplo, pro fibras de carbono, feltro macio, feltro rígido, materiais compósitos de carbono, folhas de grafite natural e quartzo. Os materiais de cons-trução para o recipiente de reação 5 e o trocador de calor 9’ (e também para o tro-cador 9 mostrado nas Figuras 1 a 8) podem ser selecionados modo sendo resistentes à corrosão em um ambiente que inclua exposição a vários fluidos transferidos e/ou reagidos no mesmo. Os materiais de construção adequados são convencionais e bem conhecidos no campo da revelação e incluem, por exemplo, carbeto de silício, aço inoxidável, ligas INCONEL e ligas HASTELLOY. Em algumas modalidades, o feixe de tubos 21 é construído por um carbeto de silício (por exemplo, um carbeto de silício sinterizado).

[034] O aparelho de reator 3 pode ser operado de acordo com qualquer um dos métodos conhecidos para reagir os vários reagentes e os gases de produto es-colhidos para uso. Em geral, o gás de alimentação de reator (ou gases de alimenta-ção nas modalidades onde dois ou mais gases de alimentação de reator diferentes são usados) é introduzido nos tubos periféricos e/ou tubos centrais do trocador de calor de carcaça e tubos 9’. O gás de alimentação de reator é descarregado no reci-piente de reação para fazer com que um ou mais compostos do gás de alimentação de reator reajam e formem o gás de produto de reator. Após a reação, o gás de pro-duto de reator é introduzido de volta ao trocador 9’ na câmara formada entre o feixe de tubos e a carcaça.

[035] Neste sentido, é genericamente vantajoso descarregar os gases de rea-tor na câmara 60 em um ponto acima onde o gás de produto é retroalimentado no trocador 9’ conforme mostrado na Figura 9 para evitar que os gases de reator sejam retroalimentados no trocador 9’ e sejam descarregados a partir do aparelho de reator 3 antes que a reação possa ocorrer. Os tubos periféricos e centrais podem terminar em um bocal (isto é, qualquer abertura de descarga menor que os próprios tubos) para proporcionar uma força motivadora e permitir eu os gases alcancem as porções superiores da câmara antes que sejam extraídos de volta ao ponto onde o gás de produto é extraído de volta ao trocador 9’. Neste sentido, deve-se compreender que o gás de alimentação de reator pode reagir parcialmente nos próprios tubos durante o aquecimento ou o resfriamento do gás de reação.

Produção de Triclorossilano a partir de Tetracloreto de Silício

[036] Em uma ou mais modalidades particulares da presente revelação, o aparelho de reator 3 é usado para produzir triclorossilano a partir de tetracloreto de silício e hidrogênio. O tetracloreto de silício geralmente reage com hidrogênio para produzir triclorossilano de acordo com a reação a seguir, SiCl4 + H2^SiHCl3 + HCI (1).

[037] Uma pequena quantidade de triclorossilano pode reagir, ainda, com hi-drogênio para formar diclorossilano de acordo com a reação a seguir: SiHCIs + H2 —> SiH2CI2 + HCI (2).

[038] Tetracloreto de silício e hidrogênio podem ser incluídos no gás de ali-mentação de reator que é introduzido nos tubos do trocador de carcaça e tubos 9’. O tetracloreto de silício e o hidrogênio são adicionalmente aquecidos no recipiente de reação (por exemplo, pelo uso de elementos resistivos) para formar um gás de pro-duto que compreende triclorossilano, cloreto de hidrogênio, tetracloreto de silício e hidrogênio não reagidos. O gás de produto resultante é introduzido no trocador 9’ para aquecer o gás de alimentação de reação de entrada. Conforme descrito anteri-ormente em relação à Figura 8, o trocador 9’ inclui uma segunda carcaça 43 que forma uma câmara anular entre a primeira carcaça e a segunda carcaça na qual um fluido de resfriamento pode ser circulado. Isto permite que os gases de produto do lado da carcaça sejam rapidamente arrefecidos bruscamente para reduzir a corrosi- vidade destes antes do processamento a jusante (por exemplo, purificação, produção de policristalino) e aumentar a conversão de reação (isto é, evitar que o triclo- rossilano se reverta de volta à tetracloreto de silício ou a outros compostos).

[039] Neste sentido, qualquer recipiente 5 adequado para a reação de hidro- genação, conforme avaliado pelos indivíduos versados na técnica, pode ser usado sem limitações. O recipiente 5 pode incluir uma série de elementos de aquecimento para aquecer os gases de entrada até uma temperatura que favoreça a conversão em triclorossilano. Os conteúdos do recipiente de reação 5 podem ser aquecidos até uma temperatura de pelo menos cerca de 800°C para converter tetracloreto de silício em triclorossilano. Em algumas modalidades, tetracloreto de silício e hidrogênio são aquecidos até uma temperatura de pelo menos cerca de 900°C, pelo menos cerca de 1000°C ou até mesmo pelo menos cerca de 1100°C (por exemplo, de cerca de 800°C a cerca de 1200°C ou de cerca de 1000°C a cerca de 1200°C). O recipiente de reação 5 também pode ser pressurizado para promover a formação de triclorossilano. Por exemplo, o recipiente de reação 5 pode ser operado em uma pressão de pelo menos cerca de 2 bar e, em outras modalidades, pelo menos cerca de 5 bar, pelo menos cerca de 10 bar ou até mesmo pelo menos cerca de 15 bar (por exemplo, de cerca de 2 bar a cerca de 20 bar ou de cerca de 8 bar a cerca de 15 bar). A razão entre o hidrogênio e o tetracloreto de silício introduzidos no aparelho de reação 3 pode variar dependendo das condições de reação. O uso de um excesso es- tequiométrico de hidrogênio tipicamente resulta em uma conversão aumentada em triclorossilano. Em várias modalidades, a razão molar entre hidrogênio e tetracloreto de silício é pelo menos cerca de 1:1, pelo menos cerca de 2:1 ou até mesmo pelo menos cerca de 3:1 (por exemplo, de cerca de 1:1 a cerca de 5:1 ou de cerca de 1:1 a cerca de 3:1). Neste sentido, deve-se compreender que o tetracloreto de silício e o hidrogênio tipicamente são o mesmo gás de alimentação, no entanto, em determinadas modalidades, tetracloreto de silício e hidrogênio podem ser introduzidos no aparelho de reação de modo que os gases se desloquem em tubos separados e não se misturem até a entrada na câmara de reação 5.

[040] Em geral, pelo menos cerca de 20% de tetracloreto de silício são con-vertidos em triclorossilano no reator com conversões de pelo menos cerca de 30% ou até mesmo pelo menos cerca de 40% sendo possíveis (por exemplo, de cerca de 20% a cerca de 40% de conversão). O gás hidrogenado resultante contém triclorossilano, uma pequena quantidade de subproduto de diclorossilano, tetracloreto de silício não-reagido, hidrogênio não-reagido e cloreto de hidrogênio. Dependendo da quantidade de hidrogênio em excesso adicionada ao aparelho de reação 3, a quantidade de triclorossilano no gás de produto pode ser pelo menos cerca de 5%, em volume, e, em outras modalidades, pelo menos cerca de 15%, em volume, ou pelo menos cerca de 25%, em volume, (por exemplo, de cerca de 5%, em volume, a cerca de 40%, em volume, de cerca de 5%, em volume, a cerca de 20%, em volume, ou de cerca de 5%, em volume, a cerca de 10%, em volume). De modo semelhante, a quantidade de cloreto de hidrogênio no gás hidrogenado pode ser pelo menos cerca de 5%, em volume, e, em outras modalidades, pelo menos cerca de 15%, em volume, ou pelo menos cerca de 25%, em volume, (por exemplo, de cerca de 5%, em volume, a cerca de 40%, em volume, de cerca de 5%, em volume, a cerca de 20%, em volume, ou de cerca de 5%, em volume, a cerca de 10%, em volume). A quantidade de tetracloreto de silício não-reagido pode ser pelo menos cerca de 10%, em volume, pelo menos cerca de 20%, em volume, pelo menos cerca de 30%, em volume, ou pelo menos cerca de 40%, em volume, do fluxo de gás de produto (por exemplo, de cerca de 10%, em volume, a cerca de 40%, em volume, de cerca de 10%, em volume, a cerca de 30%, em volume, ou de cerca de 15%, em volume, a cerca de 25%, em volume). A quantidade de subproduto de diclorossilano pode ser pelo menos cerca de 0,2%, em volume, pelo menos cerca de 0,4%, em volume, pelo menos cerca de 0,8%, em volume, ou pelo menos cerca de 1,0%, em volume. O restante do gás de produto é tipicamente hidrogênio. Por exemplo, o gás de produto de reator pode incluir pelo menos cerca de 40%, em volume, de hidrogênio ou, conforme em outras modalidades, pelo menos cerca de 50%, em volume, pelo menos cerca de 60%, em volume, pelo menos cerca de 70%, em volume, ou até mesmo pelo menos cerca de 80%, em volume, hidrogênio (por exemplo, de cerca de 40%, em volume, a cerca de 90%, em volume, de cerca de 50%, em volume, a cerca de 80%, em volume, ou de cerca de 60%, em volume, a cerca de 80%, em volume).

[041] Neste sentido descobriu-se que um aparelho de reator 3 que inclui um trocador 9’ com uma disposição de abafador conforme mostrado na Figura 11 pode produzir perfis de temperatura favoráveis do lado da carcaça e do lado do tubo na produção de triclorossilano. De modo específico, descobriu-se que os gases de ali-mentação de reator do lado do tubo podem ser aquecidos até pelo menos cerca de 600°C, pelo menos cerca de 650°C ou até mesmo pelo menos cerca de 700°C (por exemplo, de cerca de 600 °C a cerca de 850°C, de cerca de 600°C a cerca de 800°C) antes da introdução no reator. Ademais, o gás de produto do lado da carcaça é rapidamente resfriado o que é cineticamente vantajoso e ajuda a evitar pontos quentes corrosivos no trocador 9’ (por exemplo, no ponto em que a carcaça 25 é fixada ao recipiente de reação 5). O gás de produto de reator contendo triclorossilano pode ser resfriado até menos que cerca de 550°C ou até mesmo menos que cerca de 450°C antes de sair do trocador de calor de carcaça e tubos 9’.

[042] Os métodos descritos anteriormente referentes à produção de tricloros-silano a partir de tetracloreto de silício podem ser incorporados em um sistema maior para produzir silício policristalino. Por exemplo, o triclorossilano a partir do gás de produto de reator pode ser introduzido em um segundo recipiente de reação para produzir silício policristalino. O segundo recipiente de reação pode ser um leito fluidi-zado em que triclorossilano é colocado em contato com partículas de silício fluidiza- das para depositar silício sobre as partículas para permitir que as partículas cresçam continuamente em tamanho até que saiam do reator como um produto de silício po-licristalino (isto é, silício policristalino "granular") ou pode ser um reator tipo Siemens no qual silício se deposita sobre barras de silício aquecidas.

[043] O gás de produto de reator pode ser introduzido em um sistema de puri-ficação (por exemplo, uma ou mais colunas de destilação) para produzir um fluxo de triclorossilano purificado antes da introdução no segundo recipiente de reação para produzir silício policristalino (isto é, cloreto de hidrogênio e/ou tetracloreto de silício podem ser removidos do gás de produto de reator). Adicionalmente, o sistema de separação pode separar o tetracloreto de silício não-reagido para reciclagem de te-tracloreto de silício ao aparelho de reator 3. O fluxo de produto de reator pode ser purificado para conter menos que cerca de 10%, em volume, de compostos diferen-tes de triclorossilano (por exemplo, tetracloreto de silício) e podem conter até mesmo menos impurezas, tal como menos que cerca de 5%, em volume, menos que cerca de 1%, em volume, menos que cerca de 0,1%, em volume, ou até mesmo menos que cerca de 0,001%, em volume, de compostos diferentes de triclorossilano.

[044] O gás de produto de reator purificado é introduzido no reator de leito flu-idizado (ou reator Siemens em modalidades onde reatores tipo Siemens são usados) em que se fluidiza desenvolvendo partículas de semente de silício para produzir silício policristalino que pode ser extraído do reator como produto de silício policrista- lino. O silício policristalino é produzido a partir de triclorossilano com a formação de subproduto de tetracloreto de silício de acordo com as reações a seguir, SiHCIs + H2 —► Si + 3HCI (3), SiHCIs + HCI —► SiCI4 + H2 (4).

[045] Além de triclorossilano, introduz-se hidrogênio no reator de leito fluidiza-do como um gás carreador e aperfeiçoar a conversão geral em silício policristalino. O reator de leito fluidizado pode ser operado de acordo com o Pedido U.S. No. 12/910.465, depositado em 22 de outubro de 2010, intitulado “Production of Polycrystalline Silicon by the Thermal Decomposition of Trichlorosilane in a Fluidized Bed Reactor,” que se encontra aqui incorporado a título de referência para todos os propósitos relevantes e consistentes. Por exemplo, triclorossilano pode ser direcionado à região de núcleo do reator e a concentração geral de triclorossilano introduzida no reator pode ser pelo menos cerca de 20%, em volume (por exemplo, de cerca de 20% a cerca de 50%, em volume). Os gases de alimentação de entrada podem estar em uma temperatura menor que cerca de 350°C. o reator pode ser ope-rado em menos que cerca de 90% de equilíbrio e com um tempo de permanência menor que cerca de 10 segundos. O reator pode ser operado em uma pressão de cerca de 3 bar a cerca de 8 bar e os gases de reação podem ser aquecidos até uma temperatura de pelo menos cerca de 700°C (por exemplo, de cerca de 700°C a cerca de 1300°C). A velocidade do gás através do reator de leito fluidizado pode ser genericamente mantida em uma velocidade de cerca de 1 a cerca de 8 vezes a ve-locidade mínima de fluidização necessária para fluidizar as partículas dentro do leito fluidizado. O diâmetro médio do silício policristalino particulado que é extraído a partir do reator pode ser de cerca de 800 pm a cerca de 1200 pm. Os arrefecidos brus-camente podem ser introduzidos no reator (por exemplo, em uma região de bordo livre do reator) para reduzir a temperatura do gás efluente antes de ser descarregado a partir do reator para suprimir a formação de poeira de silício. O reator de leito fluidizado pode incluir uma carcaça externa onde um gás inerte é mantido em uma pressão acima da pressão dos gases de processo (por exemplo, uma pressão dentro da faixa de cerca de 0,005 bar a cerca de 0,2 bar) para garantir que gases de processo não fluam através de rachaduras e furos dentro da câmara de reação.

[046] Em algumas modalidades da presente revelação, a conversão de triclo-rossilano no reator de leito fluidizado pode ser pelo menos cerca de 40%, pelo menos cerca de 55%, pelo menos cerca de 70% ou até mesmo pelo menos cerca de 80% (por exemplo, de cerca de 40% a cerca de 90% ou de cerca de 55% a cerca de 90%). A seletividade em relação ao silício depositado pode ser pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25% ou até mesmo pelo menos cerca de 30% (por exemplo, de cerca de 15% a cerca de 40% ou de cerca de 20% a cerca de 30%).

[047] O gás efluente que sai do reator de leito fluidizado inclui tetracloreto de silício, triclorossilano não-reagido e hidrogênio. O gás efluente também pode conter quantidades menores de outros gases (por exemplo, cloreto de hidrogênio) e poeira de silício. Em algumas modalidades da presente revelação, o gás efluente pode con-ter pelo menos cerca de 10%, em volume, de tetracloreto de silício, pelo menos cerca de 15%, em volume, pelo menos cerca de 20%, em volume, ou pelo menos cerca de 30%, em volume, de tetracloreto de silício (por exemplo, de cerca de 10%, em volume, a cerca de 40%, em volume, ou de cerca de 10%, em volume, a cerca de 20%, em volume, de tetracloreto de silício). O gás efluente pode incluir pelo menos cerca de 10%, em volume, de triclorossilano não-reagido, pelo menos cerca de 15%, em volume, pelo menos cerca de 20%, em volume, ou pelo menos cerca de 30%, em volume, de triclorossilano não-reagido (por exemplo, de cerca de 10%, em volume, a cerca de 40%, em volume, ou de cerca de 10%, em volume, a cerca de 20%, em volume, triclorossilano não-reagido). O volume do restante do gás efluente é tipi-camente hidrogênio. Por exemplo, o gás efluente que sai do reator de leito fluidizado pode incluir pelo menos cerca de 40%, em volume, de hidrogênio, pelo menos cerca de 50%, em volume, pelo menos cerca de 60%, em volume, pelo menos cerca de 70%, em volume, pelo menos cerca de 80%, em volume, ou até mesmo pelo menos cerca de 90%, em volume, de hidrogênio (por exemplo, de cerca de 40%, em volume, a cerca de 90%, em volume, ou de cerca de 60%, em volume, a cerca de 80%, em volume). A quantidade de cloreto de hidrogênio no gás efluente pode ser menos que cerca de 5%, em volume, e é tipicamente menor que cerca de 1%, em volume, (por exemplo, de cerca de 0,1%, em volume, a cerca de 5%, em volume). A quantidade de poeira de silício no gás efluente pode ser de cerca de 0,1%, em peso, a cerca de 5%, em peso. Neste sentido, deve-se compreender que a inclusão de porcentagem referida anteriormente para os componentes citados é exemplificadora e outras quantidades relativas de componentes podem ser usadas sem divergir do escopo da presente revelação.

[048] Em modalidades onde os reatores de leito fluidizado são usados, o gás efluente produzido a partir do reator de leito fluidizado pode passar através de um separador de particulado para remover a poeira de silício produzida como um sub-produto da decomposição térmica de triclorossilano. Os separadores de particulado adequados incluem, por exemplo, filtros de metal sinterizados, filtros de bolsa, sepa-rados ciclônicos e purificadores líquidos. O subproduto de tetracloreto de silício se-parado e/ou triclorossilano podem ser reciclados ao primeiro aparelho de reator 9’ (Figura 9) após as etapas de purificação opcionais (por exemplo, após a remoção de cloreto de hidrogênio e/ou tetracloreto de silício) introduzindo-se o subproduto de tetracloreto de silício nos tubos periféricos e centrais do trocador de calor de carcaça e tubos.

[049] Neste sentido, deve-se compreender que o aparelho de reator descrito anteriormente pode ser usado em um sistema de loop substancialmente fechado para produzir silício policristalino, tais como os processos e sistemas descritos no Pedido de Patente U.S. No. 12/910.553, depositado em 22 de outubro de 2010, inti-tulado “Production of Polycrystalline Silicon in Substantially Closed-Loop Systems,” que se encontra aqui incorporado a título de referência para todos os propósitos re-levantes e consistentes.

[050] Deve-se notar que, exceto onde declarado em contrário, as várias con-centrações, faixas de concentração, inclusões percentuais, razões, parâmetros ope-racionais (por exemplo, temperaturas, pressões, conversão) e similares, aqui citados, são proporcionadas por propósitos ilustrativos somente e, portanto, não devem ser vistos em um sentido limitante. Deve-se notar, ainda, que todos as várias combi-nações e permutações de composições, concentrações, razões de inclusões percen-tuais, componentes, parâmetros operacionais, e similares, são destinados a estarem dentro do escopo e suportados pela presente revelação.

[051] Embora os elementos introdutórios da presente revelação ou da(s) mo-dalidade^) desta, os artigos "um", "uma", "o", “a”, “dito” e "dita" são destinados a significar que existem um ou mais elementos. Os termos "que compreende", "que inclui" e "tendo" são destinados a serem inclusivos e significam que existem elemen-tos adicionais diferentes daqueles elementos listados.

[052] Visto que várias alterações podem ser feitas no aparelho e métodos an-teriores sem divergir do escopo da revelação, pretende-se que toda matéria contida na descrição anterior e mostrada nas figuras em anexo deve ser interpretada como ilustrativa e não em um sentido limitante.

Claims

1. Aparelho de reator para reagir um ou mais compostos em um gás de ali-mentação de reator e trocar calor entre o gás de alimentação de reator e um gás de produto de reator, o aparelho CARACTERIZADO por compreender: um recipiente de reação tendo uma parede e compreendendo uma câmara de reação na qual ocorre a reação; e um trocador de calor de carcaça e tubos para transferir calor entre o gás de alimentação de reator e o gás de produto, o trocador de calor de carcaça e tubos compreendendo: uma carcaça que se encontra em comunicação fluídica com a câmara de re-ação; e um feixe de tubos dentro da carcaça, o feixe de tubos se estende através da parede na câmara de reação, o feixe compreendendo uma pluralidade de tubos centrais e uma pluralidade de tubos periféricos entre os tubos centrais e a carcaça, os tubos estando em comunicação fluídica com a câmara de reação; um (1) flange de terminal ou (2) abafador dentro da câmara de reação para prender a porção de tubos que se estendem na câmara de reação; e uma descarga de gás de reator e uma entrada de gás de produto, a descarga de gás de reator sendo acima da entrada de gás de produto.

2. Aparelho de reator, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o trocador de calor de carcaça e tubos compreende: um abafador anular tendo uma borda externa, uma borda interna e uma plu-ralidade de aberturas periféricas formadas dentro da borda externa e da borda inter-na, em que os tubos periféricos passam através das aberturas periféricas; e um abafador central tendo uma pluralidade de aberturas centrais, em que os tubos centrais passam através das aberturas centrais.

3. Aparelho de reator, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o abafador central tem uma borda externa e, em que os tubos peri-féricos passam entre a borda externa do abafador central e a carcaça.

4. Aparelho de reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO por compreender ainda uma primeira carcaça e uma segunda carcaça, a primeira carcaça sendo a carcaça do trocador de calor que está em co-municação fluídica com a câmara de reação, a segunda carcaça sendo concêntrica à primeira carcaça e tendo um raio maior que o raio da primeira carcaça, a primeira carcaça e a segunda carcaça formam uma câmara anular entre a primeira carcaça e a segunda carcaça.

5. Método para reagir um ou mais compostos em um gás de alimentação de reator e trocar calor entre o gás de alimentação de reator e um gás de produto de reator, a reação e a troca de calor ocorrem em um aparelho de reator que compre-ende um recipiente de reação tendo uma parede e uma câmara de reação na qual ocorre a reação, o aparelho compreende, ainda, um trocador de calor de carcaça e tubos para transferir calor entre o gás de alimentação de reator e o gás de produto de reator, o trocador de calor de carcaça e tubos compreende uma carcaça que está em comunicação fluídica com a câmara de reação e um feixe de tubos dentro da carcaça com uma câmara sendo formada entre o feixe de tubos e a carcaça, o feixe de tubos se estende através da parede no recipiente de reação, o feixe compreendendo uma pluralidade de tubos centrais e uma pluralidade de tubos periféricos entre os tubos centrais e a carcaça, os tubos estando em comunicação fluídica com a câmara de reação, o método CARACTERIZADO por compreender: introduzir o gás de alimentação de reator nos tubos periféricos e tubos cen-trais do trocador de calor de carcaça e tubos; descarregar o gás de alimentação de reator no recipiente de reação para fa-zer com que um ou mais compostos do gás de alimentação de reator reajam e for-mem o gás de produto de reator; introduzir o gás de produto de reator na câmara formada entre o feixe de tu-bos e a carcaça; e descarregar o gás de produto de reator a partir da carcaça; em que o gás de alimentação de reator compreende tetracloreto de silício e hidrogênio, o tetracloreto de silício reage com hidrogênio para produzir o gás de produto de reator que compreende triclorossilano e cloreto de hidrogênio no recipiente de reação.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por com-preender: introduzir o triclorossilano descarregado a partir do trocador de calor de car-caça e tubos em um segundo recipiente de reação para produzir silício policristalino e subproduto de tetracloreto de silício; e introduzir o subproduto de tetracloreto de silício nos tubos periféricos e cen-trais do trocador de calor de carcaça e tubos.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o triclorossilano é purificado antes da introdução no segundo recipiente de rea-ção.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de alimentação de reator é aquecido até pelo menos cerca de 600°C antes de ser descarregado a partir do trocador de calor de carcaça e tubos.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o gás de produto de reator é resfriado até menos que cerca de 550°C antes de ser descarregado a partir do trocador de calor de carcaça e tubos.