DE112014002332T5

DE112014002332T5 - Monolithischer Wärmetauscher und Apparat und Methoden zur Hydrierung von Halogensilan

Info

Publication number: DE112014002332T5
Application number: DE112014002332.9T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2016-01-21
Also published as: US20140334992A1; CN105473501A; US9308510B2; CN105473501B; KR20160005736A; TW201503954A; WO2014182397A1

Abstract

Ein Gegenstrom Wärmetauscher wird beschrieben, der für Fertigung aus monolithischen Materialien geeignet ist und besonders nützlich in korrosiven und Hochtemperatur-Umgebungen ist. Der Wärmetauscher verwendet mehrere Reihen von Löchern, die axial durch ein monolithisches Material gebohrt sind. Axiale Löcher werden in anliegenden Strömungswegen in eng beieinander liegenden konzentrischen Ringen gebohrt. Im Betrieb erfolgen Gegenstrom und Wärmeübertragung zwischen mehreren axialen Strömungswegen. Das Wärmetauscher-Design ist über ein weites Spektrum skalierbar und besonders nützlich in Reaktoren für die Hydrierung von Halogensilan und benutzt auch zylindrische Heizelemente. Das Design ermöglicht eine geringe Gesamtreaktorgröße einer bestimmten Kapazität.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Vorteile der U.S. vorläufigen Anmeldung Nr. 61/820,607, eingereicht am 7. Mai 2013, deren Inhalt hiermit durch Bezug auf diese im gesamten Umfang einbezogen ist, umfassend alle Figuren, Tabellen und Zeichnungen.
AUSSAGE ÜBER BUND GEFÖRDERTE FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Nicht zutreffend.
QUERVERWEIS AUF SEQUENZ AUFLISTUNG, TABELLE ODER COMPUTERPROGRAMM-AUFLISTUNG COMPACT DISC APPENDIX
Nicht zutreffend.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Wärmeübergangsapparat aus monolithischen Materialien wie zum Beispiel Graphit, und Methoden zur Hydrierung von Halogensilan. In bestimmten Ausführungsformen betrifft die Erfindung vor allem einen Apparat und Verfahren zur Umwandlung von Siliziumtetrachlorid (STC) in Trichlorsilan (TCS).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wärmetauscher, die aus monolithischen Materialien wie zum Beispiel Graphit gefertigt sind, werden routinemäßig in der Chemieindustrie in korrosiven und Hochtemperaturbereichen benutzt. Ähnliche Designs, unter Verwendung von anderen keramischen Materialien, werden auch, aber seltener, auf Grund von Kosten und Größeneinschränkungen, benutzt. In kleinen Wärmetauschern kann die gesamte Einheit ein fester Block sein, mit im Fachleuten bekanntem Querstrom-Muster gebohrten Löchern. Größere Wärmetauscher werden in der Regel aus mehreren Blöcken montiert, wobei mindestens einer der Fluide in mehreren Durchgängen rechtwinklig zu der anderen Strömungsverteilung in einem Zickzackmuster fließt. Die zweite Strömungsverteilung kann durch eine Reihe von Durchgängen, oder gerade durch die Längsachse eines Wärmetauschers verlaufen. In den meisten Fällen sind die Mehrblockdesigns bedingt durch die Größenbeschränkungen der monolithischen Ausgangsmaterialien.
Wärmeübertragung ist am effizientesten und kosteneffizientesten, wenn Gegenstrom in kompakten Designs eingesetzt wird, in der die gegenüberliegenden Strömungskanäle so nahe wie sinnvoll möglich aneinander gehalten werden. Querstrom anstelle von Gegenstrom stellt den aktuellen Stand der Technik in geradezu allen kommerziellen Wärmetauschern aus monolithischen Materialien dar. In den meist vorhandenen Querstrom-Designs wird eine Außeneindämmung aus metallischen Komponenten verwendet, um die Fluide durch mindestens eine Seite des Wärmetauschers durch seine mehreren Durchläufe zu leiten. Diese Designs sind voll entwickelt und funktionieren gut, wenn das Querstromfluid nicht besonders korrosiv (d.h. wie zum Beispiel Kühlwasser, Kühlmittel oder Dampf) ist oder Extremtemperaturen aufweist. In Wärmetauschern mit vielen Querstromkanälen und hohen Temperaturunterschieden zwischen Fluidverteilungen kann das Kreuzstrom-Design der Wärmeleistung des Gegenstrom-Designs sich annähern, wenn solide kubische Blöcke verwendet werden.
In Verfahren, in denen beide Fluide korrosiv sind, oder bei so hohen Temperaturen, dass metallische Komponenten nicht beiden Fluiden ausgesetzt werden können, und wenn es aus herstellungs- oder verfahrenstechnischen Gründen wie beispielsweise Hochdruck wünschenswert ist, Baugruppen aus im Wesentlichen zylindrischen Blöcken als aus rechteckigen Blöcken zu benutzen, herrscht eine seit langem bestehende Nachfrage nach einem besseren Design.
Chemische Gasphasenabscheidung(„chemical vapor deposition“; CVD)-Reaktoren werden verwendet, um polykristallines Silizium (Polysilizium), das Rohmaterial, das in der Herstellung der meisten Halbleitervorrichtungen und Silizium-basierten Solarscheiben und -zellen verwendet wird, herzustellen. Die am weitesten verbreitete Methode zur Herstellung von Polysilizium ist das Siemens-Reaktorverfahren, das schon seit etwa fünfzig Jahren existiert. In diesem Verfahren werden Hochtemperatur-Polysiliziumstäbe in einen Reaktor gesetzt und Trichlorsilan-Gas (TCS) über diese Stäbe geleitet. Das Silizium im Gas wird an den Stäben abgelagert, und wenn die Stäbe groß genug gewachsen sind, werden sie aus dem Reaktor entfernt. Das Endprodukt liegt in Form von Polysiliziumstäben oder -brocken vor, die in Barren weiterverarbeitet werden können, und dann zum Beispiel in Solarscheiben geschnitten werden, um Solarzellen herzustellen. In einem ähnlichen Verfahren wird TCS disproportioniert, um Silan (SiH4) und STC zu bilden. Das hergestellte Silan wird in vielen Halbleiter- und anderen Verfahren verwendet, einschließlich der Herstellung von Polysilizium in einem Siemens-Reaktor oder Wirbelschicht-CVD-Verfahren. Das Wirbelschichtverfahren stellt Silizium in unregelmäßigen, aber nominell sphärischen Wulsten mit Durchmessern in der Regel bis zu etwa 2 mm Durchmesser her.
Das Verfahren zur Umwandlung von TCS in Silan und das CVD-basierte Siemens Verfahren zur Herstellung von Polysilizium erzeugen beide eine große Menge des Nebenprodukts Siliziumtetrachlorid (STC). Zum Beispiel kann ein Maximum von etwa 20 kg STC als Nebenprodukt pro kg Polysilizium oder Silan hergestellt werden. Es ist jedoch möglich, STC durch die Reaktion von STC mit Wasserstoff in der Gasphase bei hoher Temperatur zu hydrieren, um TCS zu bilden. Das Produkt TCS kann dann zu einer Reihe von Silan-Disproportionsreaktoren und Trennstufen zur Herstellung von Silan wiederverwertet werden oder zu einen CVD-Reaktor für die unmittelbare Herstellung von weiterem Polysilizium. Wenn STC nicht recycelt werden kann, ergibt sich ein großer Verlust der Primär-Rohstoffe Silizium und Chlor und es entstehen Kosten für die Entsorgung des Nebenproduktes STC.
Um STC mit Wasserstoff effizient zu reagieren um TCS zu bilden, sind hohe Reaktandgastemperaturen (z.B. größer als 850°C) notwendig. Die derzeitig handelsüblichen Systeme, die zur Umwandlung von STC zu TCS verkauft werden, nutzen nachgerüstete Siemens-CVD-Reaktoren mit elektrisch beheizten Graphitstäben, um die Reaktandgase zu erhitzen. Dieses Verfahren birgt etliche Probleme. Da zum Beispiel CVD-Reaktoren ein hohes Volumen im Verhältnis zum erwärmtem Staboberflächen-Flächenverhältnis haben, sind die dortigen Geschwindigkeits- und Wärmeübergangskoeffizienten im Reaktor niedrig. Deshalb sind sehr hohe Staboberflächentemperaturen (z.B. Temperaturen von mehr als 1400°C) nötig, um das Reaktandgas auf eine ausreichende Temperatur zu erhitzen. Außerdem haben die nachgerüsteten CVD-Reaktoren eine große, schwere Grundplatte, die teuer ist und es umständlich macht, Wärmetauscher-Ausstattung für die Wärmerückgewinnung anzubringen.
Außerdem benötigen die beheizten Graphitstäbe in einem umgerüsteten CVD-Reaktor etliche elektrische Anschlüsse. Beispielsweise erfordert der Reaktor bis zu 24 U-förmige Heizstäbe mit bis zu acht elektrischen Anschlüssen pro Haarnadel. Jeder Anschluss ist eine potentielle Quelle von Stabausfall. Jede Grundplattenpenetration stellt Risiken für elektrische Erdschlüsse dar.
Außerdem haben CVD-Reaktoren einen hohen Strahlungswärmeverlust am Mantel, was große Mengen an Energie verschwendet. Dämmstoffe können in einem Siemens-Typ Hydrierreaktor eingebaut werden. Eine solche Isolierung muss um den äußeren Umfang der Heizstäbe installiert werden und benötigt eine beträchtliche Materialmenge. Die Isolierung selbst wird fast bis auf die Temperatur der Heizstäbe erhitzt, was teure Stoffe erfordert, um eine lange Nutzungsdauer zu erzielen. Kostengünstige Stoffe besitzen, bedingt durch die Reaktion von Reaktandgasen bei den erforderlichen Hochtemperaturen, keine adäquate Lebensdauer. Aufgrund der Größe und Kosten der benötigten Werkstoffe, ist die Isolierung eines Siemens-Hydrierreaktors sehr teuer. Einige Siemens-Hydrierreaktoren verfügen über einen primitiven Wärmeüberträger zur Wärmerückgewinnung. Bei der Verwendung von Isolierung und einem primitiven Wärmetauscher, braucht ein nachgerüsteter CVD-Reaktor mindestens 1.5 Kwhr Energie pro Kilogramm hergestellten TCS, was ziemlich hoch ist. Ohne jeglichen Wärmeüberträger, braucht ein nachgerüsteter CVD-Reaktor bis zu 3.5 Kwhr/pro Kilogramm hergestellten TCS, oder sogar etwas mehr, wenn die Wärmeverluste groß sind. Die wichtigsten Komponenten des Hydrierreaktors haben begrenzte Nutzungsdauern und müssen regelmäßig ersetzt werden – einschließlich der Heizelemente, der elektrischen Anschlüsse, der Isolierung und der Komponenten des Wärmetauschers.
Speziell angefertigte (nicht nachgerüstete) Systeme zur Umwandlung von STC zu TCS sind geplant und Gegenstand von Patenten von Mitsubishi, Wacker, und Hemlock Semiconductor, die energieeffizienter und kostengünstiger zu konstruieren sein sollen als die nachgerüsteten CVD-Reaktoren. Allerdings sind solche spezialisierten Systeme noch nicht weiter verbreitet und noch nicht handelsüblich. US-Patentnummer 7,442,824 beschreibt einen speziell angefertigten STC zu TCS Hydrierreaktor mit Heizelementen und einer Reaktorwand, die mit Siliziumcarbid (SiC) beschichtet sind, um Kontamination und Degradierung dieser Komponenten in Hochtemperatur-Umgebungen zu vermeiden. Der Hydrierreaktor verwendet Graphit-Heizstäbe, die in nachgerüsteten CVD-Reaktoren benutzt werden und zahlreiche Anschlusspunkte für potenziell elektrische und mechanische Fehler erstellen. US-Patent 7,964,155 zeigt einen völlig anderen Ansatz eines STC Hydrierreaktors, wobei Gas vom Außen- zum Innendurchmesser durch eine Reihe von konzentrisch zylinderförmigen Leitblechen, die einen Wärmetauscher mit einem Heizelement, das von dem Wärmetauscher ummantelt ist, durchfließt. Dieses Design scheint schwierig anzufertigen und in Skalierbarkeit und Übergangseffizienz begrenzt zu sein, da das Gas von einem großen auf einen kleinen Durchmesser fließen muss.
Deshalb besteht ein Bedarf für einen effizienteren STC zu TCS Hydrierreaktor, der für den kommerziellen Gebrauch geeignet und verfügbar ist.
Alle Patente, Patentanmeldungen, vorläufige Patentanmeldungen und Veröffentlichungen, die hierbei genannt und zitiert werden, werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit, sofern sie nicht im Widerspruch zu den Lehren der Spezifizierung stehen, integriert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bietet ein Gegenstrom-Design für zylindrische Wärmetauscher aus monolithischen Materialien dar, das erhebliche Vorteile gegenüber den gegenwärtig gebräuchlichen Designs hat. Das Design ist komplett im Gegenstromprinzip, ist kompakt und skalierbar für beliebige Größen von zurzeit handelsüblichem Graphit. Dadurch ist nicht mehr erforderlich, dass beide Fluidverteilungen mit anderen Materialien (z.B. Graphit), aus denen die Blöcke hergestellt sind, und Dichtungsstoffen, außer an einen Fluid Eingangs- und Austrittspunkt, in Kontakt kommen. Geeignete Dichtungsstoffe können für die meisten Anwendungen von Fachleuten bestimmt werden. Diese Konstruktion ist vorteilhaft für jede der oben beschriebenen Bedingungen und besonders für Reaktoren, die konstruiert sind, um STC zur Herstellung von TCS zu hydrieren.
Die Erfindung bezieht sich einerseits auf ein Gerät, das Gegenstrom-Wärmeübertragung mit Wärmeübertragungsausstattung (oder Wärmetauscher) aus monolithischen Materialien wie beispielsweise Graphit ermöglicht. In diesem Wärmetauscher-Design ist es nicht notwendig, dass eines der Fluide, außer an einem Eingangs- und Austrittspunkt jedes Fluides aus dem Wärmetauscher, mit etwas anderem als dem Graphit und einem Dichtungsstoff, in Kontakt kommt. Dies ist durch die Verwendung eines Kopf-Blocks (header block) gewährleistet, der an jeder Seite der Blockmodule aus monolithischen Materialien montiert ist und somit angrenzende Gegenstromflüsse in engen Kanälen innerhalb der handelsüblichen Blöcke jeder Größe ermöglicht. Andererseits bezieht sie sich auf die Hydrierung von Chlorsilan und einen Apparat zur Durchführung dieser Hydrierung, die speziell vom oben genannten Wärmetauscher-Design profitiert. Der Apparat umfasst (i) einen Gegenstrom-Wärmetauscher, der für die Wärmeübertragung zwischen einem Reaktandgas und Produktgas konfiguriert ist, wobei das Reaktandgas Wasserstoff und Chlorsilan enhält; (ii) eine zylindrische Heizzone die konfiguriert ist um das Reaktandgas von dem Wärmetauscher zu empfangen, wobei die Heizzone ein Heizelement ist, das für den direkten Kontakt mit dem Reaktandgas konfiguriert ist, um ein erhitztes Reaktandgas via konvektivem Wärmeübergang zu produzieren; und (iii) eine Reaktionskammer, die die Heizzone, die so konfiguriert ist, um das erhitzte Reaktandgas in das Produktgas umzuwandeln, einschließt, wobei das Heizelement eine zylindrische Anpassung in der Heizkammer hat und wobei das Heizelement so konfiguriert ist, um die Anzahl der elektrischen Anschlüsse zu minimieren. Das Heizelement könnte mit zwei elektrischen Anschlüssen für Gleichstrom (DC) oder Einphasenwechselstrom (AC) oder mit drei elektrischen Anschlüssen für typische 3-Phasen-industrielle AC Elektrowaren konfiguriert werden.
Alternativ kann das Heizelement von dem Prozessgas isoliert werden, indem es in einem Suszeptor liegt, der mit einem inerten Gas gefüllt ist. Aufgrund der Gesamtkonfiguration des Designs ist dies besonders einfach durchzuführen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Hydrierungsverfahren von Chlorsilan. Diese Methode beinhaltet die Schritte: (i) Einführen eines Reaktandgases in einen Reaktor mit einem Wärmetauscher, eine wesentlich zylindrische Heizzone, ein Heizelement und Reaktionskammer, wobei das Reaktandgas Wasserstoff und Chlorsilan enhält; (ii) Leiten des Reaktandgases durch den Wärmetauscher um Wärme zwischen dem Reaktandgas und Produktgas zu übertragen, und dadurch das Reaktandgas vorzuwärmen; (iii) Leiten des vorgewärmten Reaktandgases aus dem Wärmetauscher in die wesentlich zylindrische Heizzone einschließlich des Heizelementes, wobei das vorgeheizte Reaktandgas in direkten Kontakt mit einer Fläche des Heizelementes kommt, und wobei das Heizelement so konfiguriert ist, um die Anzahl der elektrischen Anschlüsse zu minimieren; (iv) Leiten des erhitzten Reaktandgases aus der wesentlich zylindrischen Heizzone in die Reaktionskammer, wobei das Heizelement eine zylindrische Anpassung im Inneren oder am Ende der Reaktionskammer hat; und (v) Umwandeln des erhitzten Reaktandgases in das Produktionsgas in der Reaktionskammer und/oder Heizzone. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Heizelement zur Verwendung in einem Reaktor zur Hydrierung von Chlorsilan. Das Heizelement enthält ein Rohr, dessen Spalten einen serpentinenförmigen elektrischen Pfad definieren, wobei die Spalten einen elektrischen Pfad mit Widerstand, Querschnitt und Oberfläche bilden, die die gewünschte Oberflächentemperatur gewährleisten, sowie auch mit den meistverwendeten betriebswirtschaftlichen elektrischen Spannungen und Strömen in der Industrie, wo dieser Reaktor betreiben wird, funktionieren.
Die Chemie in einer ausgeübten Ausführungsform des Reaktors ist wie folgt: SiCl4 + H2 ← → HSiCl3 + HCl
Um die gewünschte Balance zu erreichen, ist es notwendig die Reaktandgase auf über 800–850°C und vorzugsweise auf über 900°C zu erhitzen. Thermodynamik berechnet etwa 20% Umwandlung bei dieser Temperatur und Umwandlung bis zu 28% bei höheren Temperaturen. In der kommerziellen Anwendung hat die Umkehrreaktion eine wiederherstellbare Umwandlung von über etwa 20% verhindert. Wesentlich ist, dass das Produktgas rasch abgekühlt wird, um die Umkehrreaktion zu minimalisieren und die wiederherstellbare Umwandlung zu maximieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
Die Ziele und Merkmale der Erfindung können besser mit Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen und Ansprüche verstanden werden. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgerecht, wobei stattdessen die Betonung meist auf der Verdeutlichung der Erfindungsprinzipien liegt. In den Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten zu bezeichnen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmetauscherfertigung aus monolithischen Materialien mit Wärmetauscherblöcken in der Mitte und Kopf-Blöcken an jedem Ende, entsprechend der illustrativen Darstellung der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers ähnlich dem der 1, der alternative Positionen für Zu- und Abflüsse hat, entsprechend einer illustrativen Erfindungsausführung.
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Wärmetauscheraufbaus eines Designs ähnlich den 1 und 2, der in einen separaten Schutzbehälter (containment vessel) eingelegt ist, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Oberseite eines Wärmetauscherblocks, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
5 zeigt eine schematische, isometrische Darstellung eines Kopf-Übergangblocks, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
6 zeigt eine schematische Darstellung eins Kopf-Blocks, die das Außenseitenende, abgewandt von dem Wärmetauscherblock, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Kopf-Blockes, wobei das Innenseitenende an den Wärmetauscherblock aneinander stößt, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
8 zeigt eine schematische, isometrische Seitenansichtsdarstellung eines Kopf-Blocks, die die Querstromkanäle zeigt, die die Strömung in eine Strömungsrichtung innerhalb der Wärmetauscherblocks, leitet, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines STC Hydrierreaktors, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
10 zeigt eine schematische, isometrische Darstellung eines Teiles der Heizzone, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung. Sie zeigt das Heizelement innerhalb eines Suszeptors, was es ermöglicht, das Heizelement zu enleeren, um die Reaktivgase zu verdünnen oder auszuschließen.
11 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Heizelement gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung zeigt. Es besteht aus zwei konzentrischen, zylindrischen Heizelementen, mit jeweils einem sich schlängelndem und miteinander verbundenen Ausschnitt für strukturelle Steifigkeit.
12 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Versteifung eines Heizelementes, um Vibrationen durch Biegung aus seinem entspannten Zustand zu vermeiden, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
13A–D zeigt eine schematische Darstellung eines Heizelementes, die ein anderes Verfahren dies zu versteifen, um unerwünschte Vibrationen oder Biegungen zu vermeiden, zeigt, gemäß illustrativer Erfindungsausführungen.
14 zeigt eine schematische Darstellung eines Heizelementes dass gewundene und axiale Einschnitte, um den gewünschten Widerstand zu erreichen, aufweist, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
15 zeigt eine schematische Darstellung eines Heizelements, dass ein Detail der serpentinenartigen Schnitte zeigt, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
16 zeigt eine schematische Darstellung des Heizelementes, die alternativ-gewundene Schnitte zeigt, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
17 zeigt eine schematische Darstellung des Heizelementes, die weitere, alternativ-gewundene Schnitte zeigt, gemäß einer illustrativen Erfindungsausführung.
18 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung, die, entsprechend einer illustrativen Erfindungsausführung, ein Verfahren nutzt, den Wärmetauscheraufbau abgedichtet zu halten, zeigt.
19 zeigt eine schematische Querschnittsendansicht des Suszeptors, Heizelementes und Prallbleches, die Lamellen am Außendurchmesser eines Suszeptors zeigt, die den Bereich, der für konvektive Wärmeübertragung verfügbar ist, vergrößern, und somit die Temperatur der Bestandteile verringern.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der Beschreibung, in der Apparat, Zusammensetzungen, Mischungen und Verbundwerkstoffe als aufweisend, einschließlich, umfassend oder bestehend aus spezifischen Komponenten oder in denen Verfahren und Methoden beschrieben werden, indem sie bestimmte Stufen haben, einschließen oder umfassen, wird erwogen dass es zusätzlich Zusammensetzungen, Mischungen und Verbundwerkstoffe der vorliegenden Erfindung gibt, die grundsätzlich aus den rezitierten Komponenten und aus Methoden der vorliegenden Erfindung die grundsätzlich aus den rezitierten Stufen bestehen.
Es sollte klar sein, dass die Reihenfolge der Stufen bzw. die Reihenfolge der bestimmten Maßnahmen für bestimmte Vorgehen unwesentlich ist, so lange die Erfindung betriebsfähig bleibt. Außerdem können zwei oder mehrere Stufen oder Maβnahmen gleichzeitig durchgeführt werden.
Es wird erwogen dass Methoden, Systeme und Verfahren der geforderten Erfindung Scale-ups, Änderungen und Anpassungen umfassen, die mit Informationen der hierin beschriebenen Ausführungsformen entwickelt wurden. Hier beschriebene Methoden und Prozesse können im halbkontinuierlichen und/oder kontinuierlichen Betrieb durchgeführt werden. Die Reaktoren können einstufig oder mehrstufig sein. Es wird erwogen dass die erfindungsgemäßen Methoden mit Reaktoren, Systemen oder Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, wie zum Beispiel Wirbelschichtreaktor (FBR) Verfahren um TCS aus Chlorwasserstoff (Hcl) und Silizium metallurgischer Güte zu gewinnen, oder mit FBR Verfahren, um TCS aus Wasserstoff, STC und Silizium metallurgischer Güte zu erzeugen, kombiniert oder ergänzt werden. Bekannte, geeignete Verfahren zur Trennung der Reaktionsprodukte, Rückführung von Reaktanten, Isolierung und Reinigung der Reaktionsprodukte, etc. können für Anwendungen verschiedener Ausführungsformen der geforderten Erfindung geeignet sein.
Die etwaige Nennung einer Veröffentlichung, zum Beispiel im Hintergrundabschnitt, ist kein Eingeständnis, dass die Publikation als Stand der Technik, in Bezug auf irgendeinen der hierin dargestellten Ansprüche, dient. Der Hintergrundabschnitt wird im Interesse der Klarheit ausgeführt, und dient nicht der Beschreibung des Stands der Technik in Bezug auf Patentansprüche.
Wie hier verwendet, ist unter “Halogensilan” eine Stoffverbindung mit der allgemeinen Formel R_nSiZ_4-n zu verstehen, wobei die Reste R identisch oder verschiedenartig sind und jeweils Wasserstoff oder einen organischen Rest, wie zum Beispiel die Alkylgruppe C_nH_2n+1, und n is 0, 1, 2 or 3, darstellen. Z ist ein Halogen aus der Gruppe Fluor, Chlor, Brom, Jod. Wenn Z Chlor (Cl) ist, dann ist Halogensilan ein Chlorsilan. Zum Beispiel sind in einer Ausführungsform die Reste R -H, -CH₃, oder eine Kombination daraus. In bestimmten Ausführungsformen ist jedes R -H. In bestimmten Ausführungsformen ist die Ganzzahl n 0, 1 oder 2. In bestimmten Ausführungsformen ist n 0. In vorgezogenen Ausführungsformen ist das Halogensilan Tetrachlorsilan (Siliziumtetrachlorid, STC). In anderen Ausführungsformen ist das Halogensilan ein Bromsilan, Chlorsilan oder Methyltrichlorsilan. Überall wo ein Chlorsilan bezeichnet wird, gelten andere Halogensilane als gleichwertig, d.h. Bromsilane, Fluorsilane oder Iodsilane.
Wie hier verwendet, ist unter einem zylindrischen Heizkörper ein 3-dimensionales Heizelement mit einem ringförmigen, elliptischen oder anderen polygonalen Querschnitt mit endlicher Länge und mit oder ohne einer ringförmigen, elliptischen oder anderen polygonalen Form im Innenumfang des zylindrischen Heizkörpers zu verstehen. Möglicherweise können Formen mit relativ geringen Querschnittsflächen in das Heizelement eingesetzt werden um es zu versteifen. Beispielsweise ist ein rundes Heizelement innerhalb einer runden Kammer, wo eine oder keine runde Form die Fluidströmung überall im Bereich des Inneren der Heizzone, innerhalb des Heizelementes, verhindert oder nicht, ein Rundheizkörper.
Wie hier verwendet, bezieht sich ein offener Heizkörper oder offenes Heizelement auf einen, in dem Prozessgas direkt über das Heizelement fließt. Ein geschlossenes Heizelement oder geschlossenes Heiz-Design bezieht sich auf ein Design unter Verwendung eines Suszeptors, wo das Heizelement nicht dem strömenden Gas ausgesetzt ist.
Wie hier verwendet, ist unter Gegenstrom die Strömung in entgegengesetzte Richtungen zu verstehen, so dass ein heißer Fluid an einem Ende des Wärmetauschers in eine Richtung einfließt, während ein kalter Fluid in das gegenüberliegende Ende des Wärmetauschers, unmittelbar gegenüber der Richtung des heißen Fluides einfließt. Innerhalb der in erster Linie für Wärmeübertragung ausgelegten Zone gibt es keine Umkehrung der Strömungsrichtungen. Die im Wärmetauscher vorhandenen deutlich heißen und kalten Fluide werden als Fluidverteilung bezeichnet. (z.B. Die heiße und kalte Fluidverteilung, oder zusammen als die Fluidverteilungen).
Wie hier verwendet, ist Querstrom so zu verstehen, dass er in einem erheblich anderen Winkel von 180 Grad zueinander fließt. Zum Beispiel sind Ströme bei 90 Grad zueinander in monolithischen Wärmetauschern üblich. Die traditionelle Terminologie für Querstrom-Wärmetauscher mit einem wesentlich quadratischen Querschnitt bezeichnet eine Strömungsrichtung als längslaufend und die andere als querlaufend. Längsströmung läuft typischerweise im Einzeldurchlauf und ist gleichgerichtet durch einen Wärmetauscher, aber könnte auch mehrstufig sein. Querströmung kann einen oder mehrere Durchläufe im Querstrom zum Längsstrom machen und monolithische Blöcke werden routinemäßig direkt aneinander gestapelt um einen größeren Wärmetauscher mit möglichst vielen Querstromdurchgängen und einem Längsdurchgang zu schaffen. Dadurch, dass mehrere Querdurchläufe gemacht werden, werden sich Gegenstromeffekte angenähert. Um mehrere Durchläufe zu machen, müssen Abdeckplatten und Ablenkplatten außerhalb der Blöcke aus monolithischen Materialien angebracht werden, welches viele Dichtungen und zusätzliche Kosten, Aufwand und Bedenken zur Zuverlässigkeit der gefertigten Wärmetauschermontage erfordern.
In Querstrom-Wärmetauschern mit wesentlich runden Querschnitten wird Strömung typischerweise als axial oder radial bezeichnet. In diesem Fall ist Axialströmung vergleichbar mit Längsströmung in einer quadratischen Konstruktion. Radialströmung ist aus einem Kanal am Außendurchmesser zu einem Kanal am Innendurchmesser eines monolithischen Blocks und zurück zu dem Außendurchmesser und seinem Kanal. Eindämmung des Kanals an dem Außendurchmesser des Blocks muss für die Fluide unter strömenden Bedingungen geeignet sein. Prallbleche um den gewünschten Strömungsweg zu erreichen müssen installiert werden, was erneut zu Kosten und Komplexität des Wärmetauschers beiträgt. Dies gilt besonders, wenn das Fluid im Querstrom gegenüber relativ kostengünstigen Komponenten korrosiv ist, oder eine zu hohe Temperatur für Kunststoff, polymere oder elastomere Materialien (z.B. PFTE, natürliche oder künstliche Gummis, VITON^® oder KAL-REZz^®), die als Strukturelemente und/oder zur Beschichtung metallischer Komponenten benutzt werden, hat. Im Falle von runden Wärmetauschern mit radialem und axialem Strom nimmt der Abstand zwischen den radialen Strömungskanälen zu, wenn man sich von dem Innen- zum Außendurchmesser des Wärmetauschers bewegt (sowie der Abstand zwischen den Speichen eines Rades wenn man näher an den Felgen als der Achse ist), was zu einer ineffizienten Nutzung des monolithischen Materials führt. Außerdem erzeugt der an dem Innendurchmesser des runden Blocks geschaffene Kanal einen Verlust von Material und schafft unbenutzbaren Raum, oder bestenfalls, höchst ineffizient für Wärmeübertragung. In dem Fall wo korrosive Flüssigkeiten und/oder Temperaturen so sind, dass nur monolithische Materialien verwendet werden können, um die Strömungskanäle und Prallbleche an dem Außendurchmesser des Wärmetauschers zu bilden, sind die Probleme und Kosten erheblich und wirklich flüssigkeitsdichte Dämpfung wird selten erreicht. Dieses Problem wird verstärkt bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischen dem zentralen Block und dem äußeren Kanal, aus dem sich der Wärmetauscheraufbau zusammensetzt, wo nur rigide Materialien im Umfeld benutzt werden können. Oft entstehen erheblich unerwünschte Flüssigkeitsaustritte oder Umgehung des erwünschten Stromweges. Wobei Innendrücke erheblich, und/oder Durchmesser groß sind, muss die Außenschale so geschaffen werden, dass sie den mechanischen Beanspruchungen widerstehen kann, was zu ziemlich festen Strukturen führt, wenn allgemein übliche Materialien, wie beispielsweise Graphit, benutzt werden. Im besten Fall ist die äußere Kanalformung kostspielig da diese aus denselben monolithischen Materialien wie den Wärmetauscherblöcken gebaut werden müssen. Im schlimmsten Fall leckt sie und beeinträchtigt Leistung und Zuverlässigkeit erheblich.
Wärmetauscher aus runden Querschnitten können auch mit parallel zueinander liegenden Querkanälen und senkrecht zu dem axialen Strömungsweg erfolgen. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung des monolithischen Blocks für Wärmeübertragungsfläche, aber verkürzt auch den Strömungsweg einiger Querwege mehr als andere, was zu einer Fehlverteilung der Fluidströmung und leistungsschwächeren Wärmeübertragung führt. Dieses Design hat ähnliche Probleme wie das axiale/radiale Strömungsweg-Muster mit Bezug auf Prallblechen auf dem externen Kanal.
Wie hier vorgesehen, adressiert ein neu gestalteter Gegenstrom-Wärmetauscher mit monolithischen Materialien Probleme mit üblichen Querstrom-Wärmetauschern, die üblicherweise mit monolithischen Materialien hergestellt werden. Ein Design für einen an jedes Ende des Wärmetauschers installierten Kopf-Blocks ermöglicht Gegenstrom in anliegenden konzentrischen Ringen von Löchern, die axial durch einen monolithischen Wärmetauscher gebohrt sind. Dadurch dass der Wärmetauscher auf Gegenstrom gestimmt wird, ergeben Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Seiten minimierte Oberfläche die für einen gegebenen Anteil der Wärmeübertragung erfordert sind. Die erforderliche Fläche zu minimieren, minimiert auch die Anzahl der verwendeten Materialien und minimiert so Kosten. In dem Wärmetauscher wird eine sehr effiziente Nutzung des Volumens verwendet, so dass keine der Kanäle zur Stromumkehrung oder Fluid-Köpfe (Header) erforderlich sind. Die Probleme der ineffizienten Nutzung vom Volumen mit radialen Strömungswegen werden komplett vermieden. Fehlverteilung der Fluidströmung innerhalb der Wärmetauscherblöcke ist minimiert, da alle Strömungswege substanziell auf die gleiche Weglänge und Widerstand von sowohl Reibungs- und Beschleunigungseffekten abzielen. Die einzigen Dichtungen die zwischen den Stromverteilungen erforderlich sind, sind Fachleuten bekannte O-Ringe, flache Dichtungsringe oder andere Abdichtungsmethoden zwischen den angrenzenden Strömungskanälen, wo Wärmeübertragungsblöcke eng aneindanderliegen, und wo Kopf-Blöcke eng an den Wärmetauscherblöcken liegen. Beim Umgang mit Fluiden hoher Temperatur wo keine metallischen-, Kunststoff-, oder elastomerischen Materialien benutzt werden können und insbesondere bei Prallblechen in der radialen oder querlaufenden Strömung, ist dieses Design besonders anderen Designs überlegen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass sie ermöglicht, einen Wärmetauscher mit monolithischen Materialien ohne einen Stahlmantel oder ähnliche Eindämmung am Außendurchmesser der Vorrichtung herzustellen. Bei vielen Anwendungen sind außer monolithischen Materialien nur Halterringe und Endkappen erforderlich, und dies sind keine sperrigen oder teuren Gegenstände. Wenn sekundäre Eindämmung erwünscht ist, kann dies durch Zusatz eines Metallgefäßes oder einer anderen Fachleuten bekannten Methode durchgeführt werden. Hochdrücke innerhalb des Wärmetauschers sind jederzeit relativ leicht einzudämmen. Eine ausreichende Klemmkraft kann eingesetzt werden um Abdichtung zu erreichen.
Im Falle von Graphit- und keramischen Wärmetauschern ist eine Kapazitätsbeschränkung die Größe der als Ausgangsmaterialien verwendeten Blöcke, die kostengünstig hergestellt werden können. Durch die optimale Nutzung des Materials kann die größte Kapazität innerhalb einer gegebenen Größe der monolithischen Blöcke gewährt werden. In diesem Aspekt für zylindrische Wärmetauscher, ist dieses Design eine wesentliche Verbesserung gegenüber anderen bekannten Designs. Es sind auch plausibel die geringsten Herstellungskosten der Materialien in zylindrischem Design. Maschinelle Verarbeitungsmethoden einen Block dieser Erfindung herzustellen sind bekannt und Routine für Fachleute auf diesem Gebiet.
In allen Wärmetauschern gibt es einen unvermeidlichen Kompromiss zwischen Druckverlust des fließenden Fluids und Wärmübertragungskoeffizient. Die Geschwindigkeit und Richtungsänderung der Strömungsumkehrung und Fluidbeschleunigung oder -verlangsamung die von den gebohrten Löchern in den Strömungskanal und umgekehrt in der Radial- oder Querströmung fließt, erzeugt wesentlich mehr Druckverlust als erforderlich, um einen ähnlichen Wärmeübergangskoeffizienten im axialen oder Längsströmungsweg zu erzeugen. Dieses Wärmetauscher-Design reduziert erheblich den notwendigen Differenzdruck, um einen ähnlichen Wärmeübergangskoeffizienten für die Fluidverteilung zu leisten, die andernfalls im Querstrom wäre, weil es jetzt durch einen kontinuierlichen zylindrischen Strömungsweg fließt (z.B. ein von einem Enden zum anderen durch den Wärmetauscher gebohrtes Loch), außer an einem Stromverteiler und jedem Ende des Wärmetauschers. Alternativ kann derselbe Druckabfall, der in einem Querstrom-Wärmetauscher verwendet wird, verwendet werden, und der Wärmeübergangskoeffizient würde größer sein und einen kleineren und günstigeren Wärmetauscher und weniger Fluidverweilzeit ermöglichen. Im Falle eines Austauschers, wo im Wesentlichen die gleiche Strömung durch den Wärmetauscher in entgegengesetzte Richtungen (Austauscher) fließt, setzt sich der zulässige Druckabfall in einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten und damit in einen kleineren Wärmetauscher bei gleicher Wärmeleistung um. Dieses Wärmetauscher-Design ist in vielen Anwendungen nützlich, und ist besonders vorteilhaft bei der Hochtemperatur-Hydrierung von STC zu TCS. In dieser Anwendung ist es aus mehreren Gründen höchst vorteilhaft:

1) Es beseitigt die Probleme im Zusammenhang mit der Bildung der Hochtemperatur-Prallbleche für den Querstrom-Wärmetauscher. Ein Wärmetauscher, der unerwünschte Fluidlecks eliminiert oder umgeht, ist viel einfacher und zuverlässiger zu Stande zu bringen.
2) Produktgas kann schneller gekühlt werden, während der Druckabfall kleiner gehalten wird, wodurch das Ausmaß der Umkehrreaktion reduziert und die Umwandlung einer bestimmten Reaktionszonentemperatur maximiert wird.
3) Die Menge der in dem Wärmetauscher verwendeten Materialien und seine Oberfläche für gleichwertige thermische Leistung ist reduziert, wodurch Kosten und verfügbare Fläche, das Produkt zu kontaminieren, reduziert werden. Alternativ ermöglicht sie Größenvorteile an dem Hydrierreaktor sowie Kostenvorteile. Da es eine endliche Größenbeschränkung der handelsüblichen Ausgangsmaterialien gibt, ermöglicht ein effizientes Design ein Gerät mit höherer Kapazität.
4) Normalerweise ist es notwendig, die Oberfläche der Graphit-Wärmetauscher mit Siliziumcarbid (SiC) oder ähnlichen Materialien mittels eines CVD-Verfahrens zu beschichten. Dieser Vorgang ist kostspielig, also bedeutet die Verringerung der Oberfläche, die eine Beschichtung erfordert, eine weitere Reduzierung der Kosten. Darüber hinaus sind komplizierte Querstrom-Muster teurer zu beschichten, da es schwierig ist, das CVD Gas durch beide Quer- und Längsströmungswege gleichzeitig in einem SIC CVD Beschichtungsverfahren zu leiten.
5) Runde Wärmetauscher mit axialer/radialer Strömung sind typisch für STC Hydrierungsreaktoren. Wenn dies erfolgt, ist eine separate zylindrische Schale, auch aus Graphit oder Kohlenstoff (CC) Materialien, nötig, um den Kanal und Prallbleche am Außendurchmesser des Wärmetauschers zu bilden. Da diese Schale die den Kanal bildet, immer eine andere Temperatur hat als der Wärmetauscherblock, muss die differentielle Ausdehnung berechnet werden, was das Design der Prallblech-Dichtung besonders anspruchsvoll macht. Mit dem hier beschriebenen Gegenstrom-Design sind keine solche Schalen oder Prallbleche erforderlich. Dies reduziert den Graphitmaterialverbrauch und Fluidauslauf oder -umgehung erheblich.
6) Im typischen axial/radialen Strömungs-, rundem Wärmetauscher, in dem der Außenmantel der den Strömungskanal für die axialen Durchgänge bildet aus Graphit hergestellt sein muss, muss das Graphit am Mantel der maximalen Druckdifferenz die entstehen kann, standhalten. Wenn der Durchmesser des Wärmetauschers groß wird, ist die Wandstärke den Differenzdruck einzudämmen erheblich und/oder der zulässige Druck klein. In dem hier beschriebenen Gegenstrom-Design gibt es keine große nicht unterstützte Spannweite aus Graphit, die eine Umschließung innerhalb der Wärmetauscherblöcke bildet. Die Außenwand des Wärmetauschers kann recht dünn sein, in der Regel weniger als 12 mm, und von anderen Aspekten als dem Innendruck diktiert werden. Das Nettoergebnis ist eine weitere Einsparung von teuren monolithischen Materialien.
7) Da die reversible Reaktion schnell abgekühlt werden muss, ist es aus praktischen Gründen notwendig den Abgasstrom durch den axialen Strömungsweg des Querstrom-Wärmetauschers fließen zu lassen. Dieses Wärmetauscher-Design erleichtert ein Reaktor-Design, in dem die Heizzone in die radiale Mitte des Reaktors und an ein axiales Ende platziert werden kann, während sie mühelos, nachdem der Gasstrom erhitzt wird, die Gasstromumkehr leistet und ihn zurück zum Wärmetauscher leitet. Es ist vorteilhaft, das Heizelement an ein Ende des Reaktors zu platzieren, um Zugriff so einfach wie möglich zu machen.
8) Das kalte Wärmetauscher-Kopf Ende, bei einer Temperatur und mit einer Zusammensetzung, dass es aus preiswerter metallischer Konstruktion gefertigt werden kann, löst etwaige Probleme, die in Verfahren, wo eine hohe Druckdifferenz zwischen Fluidverteilung Stärke-Bedenken hinsichtlich des Kopf-Blocks aus Materialien wie Graphit, Stärke schafft, auftreten können.Schutz

Wie hier vorgesehen, löst ein neu entwickelter STC zu TCS Hydrierreaktor die Problemen des nachgerüsteten Siemens-Stil CVD Reaktors und des in der Patentanmeldung US2012/0328503 A1 beschriebenen Wärmetauschers. Der neue Hydrierreaktor bietet einen hocheffizienten Wärmetauscher mit minimaler Gasverweilzeit auf der Produktgasseite und einer kreisförmigen Heizzone, die in der radialen Mitte und am axialen Ende des Hydrierreaktors enthalten ist. Nachdem das Gas aus der Heizzone austritt, fließt es um die Heizzone und zurück in den Austauscher, wo es das eingespeiste Gas erhitzt. Zusätzlich zu den Vorteilen gegenüber Siemens-Stil Hydrierreaktoren hat dieses Design auch deutliche Einfachheits-, Herstellungs-, Instandhaltungs-, Kapazitäts- und Kostenvorteile gegenüber anderen zuvor in Patenten zitierten Designs.
Das Reaktandgas enthält Wasserstoff und ein Halogensilan (z.B. STC), welches in der zylindrischen Heizzone und/oder Reaktionskammer reagiert um ein Produktgas zu bilden (z.B. TCS).
Im Vergleich zu vorherigen Systemen, die ein offenes Heizelement, wo die Geschwindigkeit über Heizelementen extrem langsam ist (wie in einem umfunktionierten Siemensreaktor-Stil Hydrierreaktor), oder ziemlich hoch wie im veröffentlichten Patentantrag US2012/0328503 A1 ist, sind die Fließgeschwindigkeiten in der Heizzone mit einem offenem Heizelement (z.B. kein Suszeptor) in diesem kreisförmigen Design intermediär. Bei sehr langsamen Geschwindigkeiten wird häufig Siliziumabscheidung beobachtet. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten fallen zusätzliche Kosten an, um das Heizelement zu verhärten und Schaden zu verhindern. Innerhalb der üblichen Gestaltung dieses Hydrierreaktors ist es möglich, in einem weiten Bereich die Ober- und Querschnittsfläche in der Heizzone zu manipulieren, um eine leistungsoptimierende Temperatur beizubehalten. In jedem Fall ist das offene Heizelement für den Betrieb um zwischen 1000°C und 1500°C konstruiert. Die Heizzone ist der heißeste Ort innerhalb eines Hydrierreaktors. Indem man es in die radiale Mitte des Reaktors setzt und das Gas um ihn herum auf seinem Weg zurück zu dem Austauscher leitet, ist die Wärmedämmung zwischen der Heizzone und dem Druckbehälter vor den höchsten Temperaturen geschützt. So wird der Energieverlust verringert und die Verwendung von weniger Wärmedämmung als bei Designs, die die Heizelemente näher am Rand haben und/oder auf die internen Teile, die letztlich der Gefäßwand ausgesetzt sind, ausstrahlen, ermöglicht.
Verweilzeiten sind in diesem Hydrierreaktor erheblich niedriger als in den nachgerüsteten Siemens-CVD Hydrierreaktoren – z.B. 0,3 Sekunden oder weniger im Vergleich zu 4 Sekunden. Somit kann der Reaktor verkleinert werden, während gleichzeitig die gleiche Produktionsrate ermöglicht wird, wodurch die Kapitalkosten für die Ausrüstung und Teilwiederbeschaffung gesenkt werden. Die chemische Kinetik der angewendeten Temperaturen ist so hoch, dass eine minimale Verweilzeit erforderlich ist, um die gewünschte Reaktion zu erzielen. Durch die Verwendung einer zylindrischen Heizzone kann der Gesamtdurchmesser eines Reaktors im Vergleich zu dem ringförmigen Heizungs-Design von US2012/0328503 A1 reduziert werden, wodurch die Anzahl der verwendeten Materialien, und somit Kosten und Energieverluste vermindert werden. Durch Befestigung des Heizelementes an einem axialen Ende des Reaktors wird für einen möglichst einfachen Wartungszugang gesorgt. Inerte Beschichtungen, wie SiC-Beschichtungen, werden vorzugsweise auf den Reaktoroberflächen, die in Kontakt mit heißem Gas kommen, verwendet. Weil diese Beschichtungen teuer sind, führt die reduzierte Oberfläche die diese Beschichtungen erfordert zu erheblichen Kosteneinsparungen.
Verglichen mit einem Siemens-Hydrierreaktor ermöglicht das Design einer zylindrischen Heizzone dieser Erfindung die Nutzung von wesentlich weniger elektrischen Anschlüssen (z.B. nur zwei oder drei Elektroden gegenüber vorangegangenen Siemens-Systemen mit 24–48 Elektronen-Penetrationen), wodurch der Aufbau vereinfacht und die elektrischen Erdschlussprobleme und Probleme mit elektrischen Anschlüssen und nachgerüsteten CVD-Reaktoren und vorherigen spezialgefertigten Hydrierreaktoren stark reduziert werden. Die Kosten für viele Elektroden werden beseitigt. Außerdem gibt es keine schwere, sperrige Grundplatte die in dem neuen Hydrierreaktor verwendet wird, im Gegensatz zu nachgerüsteten CVD-Reaktoren. Im Vergleich zu einem ringförmigen Heizelement ist dieses Heizelement kleiner und leichter zu ersetzen.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Apparat zur Hydrierung von einem Chlorsilan. Das Gerät enthält (i) einen Wärmetauscher der so konfiguriert ist, um Wärme zwischen einem Reaktandgas und einem Produktgas auszutauschen, wobei das Reaktandgas Wasserstoff und Chlorsilan umfasst; (ii) eine zylindrische Heizzone, die so konfiguriert ist, um das Reaktandgas aufzunehmen, wobei die Heizzone ein Heizelement umfasst, das so konfiguriert ist, um in direkten Kontakt mit dem Reaktandgas zu kommen, um ein erhitztes Reaktandgas über konvektive Wärmeübertragung zu erzeugen; und (iii) eine Reaktionskammer, die so konfiguriert ist, um das erhitzte Reaktandgas umzuwandeln. In einer Ausführungsform umfasst das Chlorsilan Siliziumtetrachlorid (STC) und das Produktgas Trichlorsilan (TCS).
In bestimmten Ausführungsformen schließt die Vorrichtung einen Behälter ein, der den Wärmetauscher, die zylindrische Heizzone und die Reaktionskammer enthält. In einer Ausführungsform schließt der Apparat (i) Isolierung zwischen der Reaktionszone und Gefäßwand, und/oder (ii) Isolierung zwischen dem Wärmetauscher und der Gefäßwand ein. Die Reaktionskammer kann möglicherweise ein ringförmiger Bereich sein, der die Heizkammer, und/oder axial verschobene Heizkammer oder beide umfasst.
In einer anderen Ausführung kann die Heizzone innerhalb der Reaktionskammer liegen und ist ununterscheidbar von einer Reaktionskammer. Der Strömungsweg von der Heizzone zu dem Austauscher kann nur so groß sein, wie für den Durchfluss mit akzeptablem Druckabfall erforderlich ist. In diesem Szenario besteht ein bisher nicht erkannter Vorteil für die Nutzung von mehreren konzentrischen Heizelementen. Ein Hydrierreaktor mit erheblicher Kapazität kann ganz klein gemacht werden. Angesichts des relativ hohen Wirtschaftsgrades eines Wärmetauschers der hier beschriebenen Konstruktion, stellen die inkrementellen Energiekosten bei höherer Temperatur, um eine schnellere Reaktion zu bewirken und das Volumen der Hochtemperaturzone zu minimieren eine bislang nicht gekannte Kombination von Vorteilen dar.
In bestimmten Ausführungsformen enthält der Wärmetauscher eine Vielzahl von Wärmetauscherblöcken. Jeder Block kann mit Siliziumcarbid (SiC), Zirkoniumcarbid (ZrC), Hafniumcarbid (HfC), Tantalcarbid (TaC), Titancarbid (TiC), Niobcarbid (NbC), Hafniumoxid (HfO₂), Siliziumoxid (SiO₂), Zirkondioxid (ZrO₂), Tantaloxid (Ta₂O₅), Yttriumoxid (Y₂O₃), Titanoxid (TiO₂), und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) beschichtet werden.
In einer Ausführungsform enthält jeder der Wärmetauscherblöcke eine Vielzahl von gebohrten Durchgängen, die in konzentrischen Kreisen in axialer Richtung, wo Fluide in anliegenden Ringen in entgegengesetzten Richtungen fließen, angeglichen sind.
In einer Ausführungsform werden die Wärmetauscherblöcke in Position gehalten und forcieren ausreichend, um die gedichteten Anschlüsse mit einem gespannten, federbelasteten Niederhaltering zu verschließen. Der Niederhaltering ist an dem Schutzbehälter beim Außendurchmesser und einer Abdeckrosette an einem oberen Wärmetauscherblock beim Innendurchmesser verankert. Die Niederhalterfertigung ist so konfiguriert, dass Metallfedern benutzt werden um die Differenzwärmeausdehnung zwischen dem Druckbehälter auszugleichen, und die monolithischen Materialien im Inneren befinden sich in einer Kühlzone, die die Nutzung von relativ preisgünstigen Federn ermöglicht. In einer anderen Ausführungsform werden die Wärmetauscherblöcke mit einem gefederten Zylinderbalken der von oben auf die Wärmetauscherblöcke drückt, in Position gehalten. Dieser Balken würde auch gefedert und würde gegen den Eindämmungsbehälter drücken, um die Reaktionskraft auszugleichen.
In bestimmten Ausführungsformen hat die Reaktionskammer eine Höhe zwischen etwa 0,35 Meter und etwa 4 Meter. Die Reaktionskammer kann einen Durchmesser zwischen etwa 0,15 Meter und 1,5 Meter und einen ringförmigen Strömungsweg zwischen 30 mm und 500 mm haben. Es gibt möglicherweise keine Reaktionszone die von der Heizzone unterscheidbar ist (d.h. das Gas fließt den direktesten Weg möglich aus der Heizzone in den Wärmetauscher). In einer Ausführungsform beinhalten der Wärmetauscher und/oder das Heizelement jeweils eine Zusammensetzung eines Kohlenstoff/Kohlenstoff Verbundmaterials und Graphit. Das Heizelement kann so konfiguriert werden, dass es abnehmbar sein kann. In einer anderen Ausführungsform enthält das Heizelement nicht mehr als drei Elektroden.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Heizelement eine Vielzahl von Schlitzen (z.B. Ringnuten), die einen sich windenden Weg prägen und kann Versteifungselemente enthalten. Die Versteifungselemente können so funktionieren, indem sie verhindern, dass verschiedene Teile des Heizelements sich im Verhältnis zueinander bewegen und/oder durch gezieltes Ablenken des Heizelementes von seinem entlasteten Zustand, und erfordern somit eine weitere Ablenkung um eine größere Stärke zu erfordern als im entlasteten Zustand verlangt ist. Das Versteifungselement kann Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Quarz, Bornitrid oder Mischungen davon enthalten. Wenn so konfiguriert, dass es elektrisch leitfähig ist, kann das Versteifungselement aus Graphit oder Kohlenstoff/Kohlenstoff Stoffen erstellt sein, das so wie für andere Teile zuvor beschrieben beschichtet ist.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Heizelement das in einem Reaktor zur Hydrierung von einem Chlorsilan verwendet wird. Das Heizelement umfasst ein Rohr mit Schlitzen, die einen serpentinenförmig-elektrischen Weg definieren. Das Rohr kann einen elektrisch nichtgeerdeten Nullleiter enthalten, der einen kontinuierlichen Ring aus Rohrmaterial enthält.
In bestimmten Ausführungsformen ist ein Querschnitt des Rohres wesentlich zylindrisch, polygonal oder elliptisch. In einer Ausführungsform teilt die Vielzahl der axialen Schlitze das Rohr in eine Vielzahl von Winkelschnitten ein. Zum Beispiel kann das Rohr drei axiale Schlitze haben, die das Rohr in drei Winkelschnitte unterteilt.
In einer Ausführungsform enthält das Rohr eine Vielzahl der Umfangsschlitze. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Umfangsschlitze Verbindungsschlitze und unterbrochene Schlitze, wobei (i) jeder der verbundenen Schlitze mit einer Axialnute verbunden ist, und (ii) jeder der getrennten Schlitze nicht mit einem axialen Schlitz verbunden ist. Innerhalb jeden Winkelschnittes können die verbundenen Schlitze paarweise angeordnet werden, wobei die verbundenen Schlitze in jedem Paar sich an einem Mittelteil des Winkelschnittes einander nähern. Die getrennten Schlitze können im Wesentlichen innerhalb des Winkelschnittes zentriert werden, wodurch der serpentinenförmige elektrische Pfad gebildet wird. In bestimmten Ausführungsformen werden die verbundenen Schlitze und getrennten Schlitze in einem alternierenden Muster entlang einer axialen Richtung des Rohres angeordnet. Für jeden Winkelabschnitt zwischen zwei axialen Schlitzen, können zwei oder mehrere Serpentinenpfade so definiert werden, dass jeder Serpentinenpfad sich zwischen einem axialen Schlitz an einer Seite des Winkelabschnittes und dem Mittelteil hin und her windet, während elektrischer Strom von einem axialen Rohrende zu einem gegenüberliegenden axialen Ende verläuft.
1 ist eine schematische Darstellung eines Gegenstrom-Wärmetauschers 100 gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Der Wärmetauscher enthält Wärmetauscherblöcke 101, Kopf-Blöcke 102 und 112, Endkappen 116 und 117, Zuganker 103, Halteringe 104, Druckfedern 105 und Druckmuttern 106. Zuganker 103 und Halteringe 104 halten die Endkappen 116, 117 und Wärmetauscherblöcke 101 zusammen. Federn 105 gleichen die differenzielle thermische Ausdehnung zwischen den Zugankern 103 und den Teilen die sie zusammenhalten aus. Muttern 106 werden verwendet, um die gewünschte Spannung auf die Zuganker 103 anzuwenden.
Im Betrieb fließt der Fluidstrom 107 in die Endkappe 117 am Port 113 und dann in den Kopf 112. Fluidstrom 109 fließt in den Kopf-Block 102 bei Port 111, und dasselbe Fluid, nachdem es erhitzt oder durch den Strom 107 gekühlt wird, fließt aus dem gegenüberliegenden Ende (Ströme 110) am Port 115. Strömung 108 ist der Auslass für Einlaufstrom 107. Die Kopf-Blöcke schleusen die Strömungen 107 und 109 in abwechselnd konzentrischen Ringen in den Wärmetauscherblöcken. Es sollte klar sein, dass verschiedene Kopf-Konfigurationen, die Strömung durch Ersatzports ermöglichen, möglich sind.
2 ist eine schematische Darstellung die eine Ersatzkonfiguration der Kopf-Blöcke 202 und 212 mit den Strömen 109 und 110 die an den Enden anstelle den Seiten der Kopf-Blöcke einfließen. Verschiedene den Fachleuten bekannten Endkappen-Designs sind dann erforderlich und werden hier nicht weiter beschrieben.
3 zeigt eine schematische Darstellung gemäß der illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Der Wärmetauscheraufbau wird in einen Schutzbehälter 310 platziert, der beispielsweise ein metallischer Druckbehälter sein kann. Der Druckbehälter kann mit Polymer oder Glass beschichtet oder auf eine andere Weise, mit den Fachleuten bekannten Methoden behandelt sein, um den wünschenswerten, korrosionsbeständigen Eigenschaften zu entsprechen, die für die Fluide und Nutzbedingungen geeignet sind. In dieser Konfiguration sind die Fließströme 107, 108 und 110 und ihre Weiterleitung analog zu denen in 1 mit dem zusätzlichen Merkmal von Dehnungsfugen 305. Strom 109 kann mit den Ports 111 via Rohrverbindungen und Dehnungsfugen ähnlich wie Strömungen 107, 108 und 110, flüssig verbunden werden, oder kann auch den Hohlraum 306 um den Wärmetauscher füllen. Hohlraum 306 könnte somit trocken sein, von Fluid 109 oder von einem anderen Fluid genetzt werden, das genutzt wird um den Hohlraum 306 von Port 307 unter Druck zu stellen. Endkappe 117 wird mit einem am Kopf-Block abgedichteten Stützring 309 mit Abdichtungen und Dichtungsringen ersetzt. Federn 302 und Trägerfertigungen 301 halten den Stapel von Wärmetauscherblöcken, Köpfe und Endkappen fest zusammen und erlauben differenzierte thermische Ausdehnung zwischen dem Schutzbehälter 310 und dem Wärmetauscher-Stapel.
4 ist eine Endansicht von einem Wärmetauscherblock 101, gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Zahlreiche Löcher sind in axialer Richtung durch den Block 101 von einem zum anderen Ende in konzentrischen Ringen 401 und 402 getrennt von den Prallplatten 403 gebohrt. Dichtungsringe oder ein anderer den Fachleuten bekannter geeigneter adhäsiver Bindestoff wird benutzt um die konzentrischen Ringe 401 von Ringen 402 abzudichten. Eine beliebige Anzahl von konzentrischen Strömungskanälen kann in den Wärmetauscherblöcken verwendet werden, gemäß der wünschenswerten Oberfläche, Länge, Durchmessers, etc. des fertiggestellten Wärmetauschers. Jeder beliebiger Kanal 401, 402 kann eine oder mehrere Lochreihen haben. In dieser Illustration wird eine Lochreihe für den inneren und äußeren Kanal und zwei Reihen für den Zwischenkanal verwendet. Löcher der verschiedenen Kanäle können gleich oder unterschiedlich groß sein. Löcher im gleichen Kanal können aus unterschiedlichen Größen sein.
5 ist eine isometrische, schematische Darstellung eines Kopf-Blocks 500, die die Seite die dem Wärmetauscher gegenüberliegt zeigt, gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Federn 503 paaren sich mit Nuten 403 der Wärmetauscherblöcke 101. Kanäle 401 und 402 fließen jeweils in Kanäle 501 und 502. Kanäle 502 sind fließend mit Seitenports 111 und 115 verbunden. Trennwände 504 sind zur mechanischen Unterstützung in den Kopf-Block eingelegt.
6 ist eine schematische Darstellung eines Kopf-Blocks 500, die die vom Wärmetauscherblock 101 abgewandte Seite zeigt, gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt die Seite des Kanals 501 gegenüber dem aus 5. Das Fluid, das nicht durch den Querstromkanal fließt, fließt in axialer Richtung aus dem Kanal 501.
7 ist eine schematische Darstellung eines Kopf-Blocks 500, gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt die Konfiguration des Querstromkanals 505, der flüssig mit Kanälen 502 und nicht mit Kanälen 501 flüssig verbunden ist. Man beachte, dass Querstromkanal 505 mit Kanälen 501 oder 502 verbunden sein kann, aber nicht mit beiden in demselben Kopf-Block. Kanal 505 kann mit Kanal 501 im Kopf-Block an einem axialen Ende vom Wärmetauscher und Kanal 502 im Kopf-Block an dem anderen axialen Wärmetauscherende verbunden werden. Geeignete Anschlüsse anders als in diesen Illustrationen, und Fachleuten bekannt, können dann an den Ein- und Auslaufströmen hergestellt werden. Querstromkanal 505 kann für den Kanal 501, bei größer als Null bis zu 350° seines Umfangs, wo sich die beiden überkreuzen, zugänglich sein. Normalerweise ist Querstromkanal 505 für den Kanal 501 oder 502 zwischen 50 und 100% des Querstromkanalumfangs zugänglich.
8 zeigt eine isometrische Seitenansicht des Kopf-Blocks 500 gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt Port 111 oder 115, Querstromkanal 505 und die reduzierte Bohrung von Querstromkanal 505 zum Durchmesser 506 in Richtung Mitte des Kopf-Blocks. Ein oder mehrere Durchmesser können für Querstromkanal 505 verwendet werden. Ein oder mehrere Querstromkanäle 505 können verwendet werden.
9 zeigt eine schematische Ansicht eines STC Hydrierreaktors gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Der Reaktor besteht aus einem Wasser ummantelten Schutzbehälter 902, Wärmetauscher-Aufbau 901 des hier beschriebenen Designs, eine Heizzonenprallplate 903, ein Heizelement 904, einen Heizsuszeptor 905, eine Reaktionszone 906 die durch die Grenze außerhalb der Heizzonenprallplatte und innerhalb der Isolierung 907 definiert ist.
19 zeigt eine Querschnittsaufsicht eines Wärmers 904 in einem Suszeptor 905 mit axialen Nuten 942 und Rippen 940 innerhalb Heizzonenprallplatte 903.
9 zeigt auch, dass die Wärmetauschermontage von der Niederhalteplatte 909 die gegen den Rand 911 presst, unter Druck gehalten wird. Platte 909 wird durch Federn 908 und einen Stützring 910 am Innendurchmesser der Wand des Schutzbehälters 912 in Position gehalten. Die Federn 908 befassen sich mit differenzieller thermaler Ausdehnung des Schutzbehälters und der Wärmetauschermontage und sind absichtlich außerhalb der Isolation, wo die Temperatur niedrig genug und die korrosive Umgebung für metallische Komponenten geeignet ist, angebracht. Eine detaillierte Ansicht der Kompressionsringmontage ist in 18 dargestellt. Alle gängigen Teilenummern in 18 und 9 sind der gleiche Teil. Eine Schutzbehälterummantelung 1802 und ein ringförmiger Stromkanal 1804, die nicht an dem Schutzbehälter in 9 sind, sind in 18 dargestellt. Behälter 912 kann mit oder ohne Kühlmantel, mit den Fachleuten bekannten Modifizierungen hergestellt werden.
Im Betrieb hat der Hydrierreaktor 900 ein Halogensilan Speisegas 913, das sich mit dem über dem Mischungstaupunkt eingegebenem Wasserstoff vermischt. Das Speisegas wird erwärmt, während es durch den Wärmetauscher 901 und in eine Heizzone 916 fließt, wo es von einem Suszeptor 905 erwärmt wird. Der Suszeptor wird durch ein oder mehrere Heizelemente 904 erwärmt, das Heizelement vorzugsweise so konstruiert, um die Anzahl der elektrischen Anschlüsse zu minimieren und um Sicherheit zu maximieren. Gas wird mit Prallplatte 903 über den Suszeptor geleitet, kreisförmig im Querschnitt, und wird dann zurück zu dem Wärmetauscher durch Kanal 917 geführt. Das Gas strömt dann in die Austauschermontage 901 wo es durch Speisestrom 913 gekühlt wird und verlässt als Strom 914, vorzugsweise bei Temperaturen von 100–250°C oberhalb der Temperatur des Speisestroms 913. Alternativ kann das Gas aus dem Seitenport auf dem oberen Kopf-Block des Wärmetauschers 901, um die Prallplatte 903 und dann über den Suszeptor 905 fließen, bevor es wieder über die Prallplatte 903 zum Wärmetauscher 901 zurückgeleitet wird. 10 zeigt einen schematischen Querschnitt der Heizzone des Reaktors mit einem Suszeptor gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Der Suszeptor 905 wird an einem Stützring 923 durch die Zugstange 924 und Grundplatte 930 gehalten. Eine thermische Trennung 921 und ein Dichtungsring 922 bieten eine Abdichtung und isolieren den Suszeptor von dem Schutzbehälter 912. Der Innenraum des Suszeptors 904 kann bei einem leichten Überdruck in Bezug auf die Heizzone 916 gereinigt und/oder betreut werden, um die Prozessgase aus dem Inneren des Suszeptors mit einem inerten Gas wie Argon durch Port 931 auszuschneiden. Wie in 19 ersichtlich, kann die Oberfläche der Außenseite des Suszeptors erhöht werden, indem zum Beispiel axiale Rippen 940 und Fugen 942 im seinem Umfang eingeschränkt werden. Durch eine Vergrößerung der externen Oberfläche des Suszeptors 905 wird eine vergrößerte Oberfläche für die konvektive Wärmeübertragung geschaffen, und Temperaturen können im gewünschten Bereich reduziert werden. Elektrischer Strom wird dem Heizelement 904 durch wassergekühlte Metallelektrode 926 und Graphitspannvorrichtung 927 bereitgestellt. Keramische Isolatoren wie Siliziumnitrid, Aluminium, Zirkonoxid oder Quarz werden verwendet um alle elektrischen Komponenten von anderen leitfähigen Flächen zu isolieren, um eine unerwünschte Erdung oder einen Kurzschluss zu verhindern. Wärmedämmung 907 ist vorgesehen, um den Schutzbehälter vor heißen Prozessgasen und Bestrahlung von dem Heizelement oder Suszeptor zu schützen und um Wärmeverlust zu reduzieren.
11 zeigt einen schematischen Querschnitt des Heizelements gemäß einer weiteren illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Der Suszeptor 905 kann entfernt werden und Gas kann direkt über das elektrisch beheizte Element 904 fließen. Heizelement 904 kann aus einem zylindrischen Heizelement mit serpentinenförmigen Schnitten in entweder der axialen oder radialen Ausrichtung oder beiden konfiguriert werden, um den gewünschten elektrischen Widerstand und Energie bei einer gegebenen Versorgungsspannung zu erreichen. Heizelement 904 kann aus einem oder mehreren konzentrischen, zylindrischen Heizelementen bestehen, die geschraubt oder anderweitig befestigt oder an Punkten zusammengebunden werden, wo Spannung gleich ist, um die Heizelemente zu versteifen. (Es kann an Stellen zusammengefügt werden, an denen Spannungen ungleich sind, wenn elektrische isolierende Materialien verwendet werden, um unerwünschten Stromfluss zu verhindern, oder wenn der Stromfluss durch das Gerät, das die Elemente verbindet, keine inakzeptable Wärmeerzeugung erzeugt). Diese konzentrischen Elemente können in einem Stück oder als separate Teile hergestellt und aneinander befestigt werden. Aufgrund der geringen Anzahl von elektrischen Anschlüssen und einem Flansch 929 an dem Schutzbehälter 912 kann das Heizelement 904 einfach von dem Reaktor 900 entfernt und ersetzt werden. In einer weiteren Ausführungsform wird ein kleineres Heizgerät genutzt, um Kosten zu senken und/oder Steifigkeit zu verbessern.
In bestimmten Ausführungsformen beliefert die Stromversorgung das Heizelement 904 mit Spannung oder elektrischem Strom, der gesteuert wird, um einen bestimmten Zielwert zu erreichen. Zum Beispiel kann die Spannung oder der elektrische Strom der dem Heizelement 904 geliefert wird reguliert werden, um eine oder mehrere der gewünschten Wärmeübertragungsrate Q, eine Heizvorrichtung 904 Oberflächentemperatur oder gewünschte Temperatur des Reaktandgases zu erzielen. Ein Steuersystem um den Zielwert zu erreichen, kann Feedback und/oder Vorwärtssteueralgorithmen verwenden. Beispielsweise kann das Steuersystem einen Mikroprozessor haben, der ein Eingangssignal von einem Sensor (z.B. ein Durchflusssensor und/oder ein Temperatursensor) empfängt, und die Spannung oder den elektrischen Strom einstellt, um den Zielwert zu erreichen.
Der Wärmetauscher 101 und Kopf-Blöcke 112, 118 sind aus einem thermisch leitfähigen und stabilen Material hergestellt und enthalten möglichst eine Beschichtung. In einer Ausführungsform werden die Blöcke aus Kohlenstoff (z.B. Graphit) und/oder Kohlenstoff/Kohlenstoff Verbundstoff hergestellt. In einer weiteren Ausführungsweise enthält die Beschichtung z.B. Siliziumcarbid (SiC), Zirconiumcarbid (ZrC), Hafniumcarbid (HfC), Tantalcarbid (TaC), Titancarbid (TiC), Niobcarbid (NbC), Hafniumoxid (HfO₂), Siliziumoxid (SiO₂), Zirkondioxid (ZrO₂), Tantaloxid (Ta₂O₅), Yttriumoxid (Y₂O₃), Titanoxid (TiO₂), und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃). In bestimmten Ausführungsformen ist die Beschichtung SiC. In einer Ausführungsform umfasst die Beschichtung alle Oberflächen von jedem Block, einschließlich Oberflächen die eine Betriebstemperatur von weniger als 700ºC haben. Zum Beispiel können in bestimmten Ausführungsformen alle Löcher 404 in den Wärmetauscherblöcken und allen Oberflächen in den Kopf-Blocks und dem Wärmetauscher beschichtet sein. Die Beschichtung kann einen chemischen Angriff auf die Blöcke und/oder Diffusion oder ein Eindringen von Gasen durch die Blöcke verhindern. Auch bei niedrigen Temperaturen, z.B. unter 700°C, wenn die Wärmetauscherblöcke 101 aus Graphit sind, kann der Gasstrom durch die Teile der Blöcke, die die Grenzen zwischen anliegenden Kanälen bilden, ein Problem sein, und Beschichtung des gesamten Wärmetauscherblocks 101 mit Siliziumcarbid würde voraussichtlich dieses Problem beheben.
Eine Ansatz-Temperatur für den Wärmetauscher 100 ist eine Temperaturdifferenz zwischen dem Produktgas und dem Reaktandgas. Mit Bezug auf 1, wie hierin verwendet, ist die “Ansatz-Temperatur” eine Temperaturdifferenz zwischen dem Produktgas und dem Reaktandgas an den Ports 114 und 111 oder Ports 113 und 113. In bestimmten Ausführungsformen ist die Ansatz-Temperatur weniger als etwa 200ºC, weniger als etwa 150ºC oder weniger als etwa 100ºC. In einer Ausführungsform werden niedrigere Ansatz-Temperaturen durch Vorwärmung des Reaktandgases, erzielt, bevor es in den Wärmetauscher 901, unter Verwendung von beispielsweise eines zusätzlichen Wärmetauschers oder Heizgerätes, einfließt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Ansatz-Temperatur durch Erhöhung oder Verringerung der Anzahl der Wärmetauscherblöcke 101 modifiziert. Die Reaktandgastemperatur an den Reaktoreinlauföffnungen 115 kann zwischen etwa 80ºC (z.B. mit null Vorheizen) und etwa 500ºC (z.B. unter Verwendung eines externen metallischen Wärmetauschers) sein.
Während das dargestellte Heizelement 904 aus einer oder mehreren zylindrischen Platten besteht, können alternative Ausführungsformen andere Formen, wie z.B. Stangen, nutzen. Durch Verwendung von mehr oder weniger Oberfläche und Steuern der Gasdurchflüsse kann eine hohe Flexibilität der tatsächlichen Temperatur des Heizelementes erreicht werden.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Heizelement 904, Leitblech 903, und die Suszeptor Bodenplatte 930 aus Kohlenstoff/Kohlenstoff Verbundmaterial hergestellt und enthält eine Beschichtung. Das Spannfutter 927 und der Suszeptor 905 können aus Kohlenstoff/Kohlenstoff Verbundmaterialien oder Graphit hergestellt werden, einschließlich einer Beschichtung. Die Beschichtung kann z.B. Siliziumcarbid (SiC), Zirconiumcarbid (ZrC), Hafniumcarbid (HfC), Tantalcarbid (TaC), Titancarbid (TiC), Niobcarbid (NbC), Hafniumoxid (HfO₂), Siliziumoxid (SiO₂), Zirkondioxid (ZrO₂), Tantaloxid (Ta₂O₅), Yttriumoxid (Y₂O₃), Titanoxid (TiO₂), und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) beinhalten.
In bestimmten Ausführungsformen mit einem offenen Heizelement ist eine Querschnittsfläche A_f die zur Strömung innerhalb der Heizzone 916 verfügbar ist, durch einen Radius der Prallplatte 903 definiert. In einer Ausführungsform ist der Radius R etwa 150 mm. Die zur Strömung verfügbare Querschnittsfläche A_f ist zirka A_f = πR². Zusätzlich ist, wegen einer geringen radialen Dicke T1 des Heizelementes 904, eine Wärmeübertragungsfläche eines einzelnen Heizelementes 904 (einschließlich innerer und äußerer Oberflächen des Heizelementes) zirka A_h = 4πR₂L₂. In bestimmten Ausführungsformen ist daher ein Verhältnis Y der Wärmeübertragungsfläche A_h zu der Querschnittsfläche, die der Strömung verfügbar ist, etwa Y = 4R₂L₂/R². In bestimmten Ausführungsformen, je nach den für die axiale Länge L₂ und Heizer 904 gewählten Werten, ist das Verhältnis Y von etwa 20 bis etwa 50. Wenn ein konzentrischer Heizkörper mit zwei Elementen benutzt wird, wird das Verhältnis Y etwa 35 bis 90. Drei oder mehr konzentrische Heizelemente können zusammen, falls vorteilhaft, verwendet werden, wie z.B. in Reaktoren mit größerer Kapazität, um Oberflächentemperaturen durch erhöhte Wärmeübertragungsfläche hinunterzufahren, oder um Steifheit zu erhöhen in Kupplung mit Aussteifung zwischen den Elementen.
In bestimmten Ausführungsformen, wenn der Durchmesser der Prallplatte 903 der wesentlich gleiche Durchmesser wie der Wärmetauscherblock 101 ist, beträgt die Durchschnittsgeschwindigkeit des Reaktandgases innerhalb der zylindrischen Heizzone 916 zwischen ca. 3 m/s und ca. 10 m/s. In einer Ausführungsform ist eine durchschnittliche Durchflussmenge des Reaktandgases durch die zur Strömung verfügbare Querschnittsfläche A_f zwischen ca. 20 kg/(m²-s) und etwa 60 kg/(m²-s). In bestimmten Ausführungsformen ist eine Verweilzeit des Reaktandgases in der zylindrischen Heizzone 916 zwischen ca. 0,1 Sekunden und ca. 0,4 Sekunden.
In bestimmten Ausführungsformen ist eine Wärmeübertragungsrate Q zwischen dem Heizelement 904 und dem Reaktandgas zwischen ca. 800KW und ca. 3500 kW. Die Wärmeübertragungsrate Q kann wie folgt ausgedrückt werden, wobei h ein Wärmeübergangskoeffizient ist, A_h der Wärmeübertragungsbereich des Heizelementes 904 (einschließlich der inneren und äußeren Oberflächen des Heizelementes) ist und ΔT eine Differenz zwischen einer Heizelementtemperatur und einer Durchschnittstemperatur des Reaktandgases in der Heizzone 916 ist. In bestimmten Ausführungsformen ist der Wärmeübergangskoeffizient h zwischen ca. 5000W/(m²-K) und ca. 2000 W/(m²-K). In einer Ausführungsform ist die Temperatur des Heizelementes 904 niedriger als ca. 1200ºC. In einer weiteren Ausführungsform liegt die Temperatur des Heizelementes 904 zwischen ca. 950ºC und ca. 1450ºC.
In bestimmten Ausführungsformen steigt eine Temperatur des Reaktandgases innerhalb der Heizzone 916 mehr als ca. 100ºC, mehr als ca. 150ºC oder mehr als ca. 200ºC infolge der Wärmeübertragung innerhalb der Heizzone 916. Wenn das Reaktandgas die Heizzone 916 verlässt, ist eine höhere Temperatur des Reaktandgases als der Temperatur die für eine effiziente Hydrierung benötigt ist (z.B. höher als ca. 900ºC), erforderlich.
11 ist ein schematischer Querschnitt eines Heizelementes, das zwei separate zylindrische Heizelemente umfasst, die mit Abstandhaltern 1102 und Verbindungselementen 1104 und 1106 verbunden wurden. Der bevorzugte Ansatz besteht darin, die Abstandhalter dort zu platzieren, wo das elektrische Potenzial innerhalb der Heizelemente 904 und 904B substantiell dasselbe ist, um potenzielle Hotspots zu vermeiden. Ersatzweise können die Abstandhalter und Verbindungselemente aus nicht-leitfähigen Materialien hergestellt werden.
12 ist eine schematische, isometrische Schnittansicht eines Mehrzylinder-Heizelementes, wo die Abstandhalter 1102 und Verbindungselemente 1104, 1106 verwendet werden, um das Heizelement von seinem entspannten Zustand mechanisch auszulenken, damit größere Energie von dem Stromfluss ausgeübt wird, um die Elemente 904, 904B weiter auszulenken und Schwingungen zu bewirken. In 12 wird der Durchmesser des Elementes oben von Elektroden 926 und 927 geregelt. Der Durchmesser an der Unterseite wird von einem durchgehenden Neutral-Ring 1420 geregelt. Übermäßige Schwingungen könnten die SiC-Beschichtungen beschädigen und vorzeitiges Versagen der Heizelemente verursachen.
13B ist eine schematische Querschnittsansicht eines einzelnen Heizelementes 904, dass mit Mittelreifen 1302A, 1302B oder mit einem Nabe-Speiche-Verbindungselement 1306 als Alternativmethode um eine Auslenkung von der entspannten Position zu erzielen, abgelenkt wurde. In 13C werden Abstandhalter 1308 benutzt um gegen das Heizelement 904 zu pressen, und erzwingen somit einen größeren Durchmesser in der Mitte. Reifen 1302A und/oder 1302B halten die Abstandhalter 1308 in Position. Es sollte verstanden werden, dass ein Analog-Design zu einem reduzierten Durchmesser in der Mitte führen könnte. Der Durchmesser an der Oberseite und Unterseite des Heizgerätes werden wie das in 12 beschrieben wurde reguliert. In dieser Abbildung müssen Abstandhalter 1308 nichtleitfähig und aus einem geeigneten keramischen Material wie Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid hergestellt sein. Ein oder mehrere Naben-Speichen-Montagen 1312 können in einem einzigen Heizelement installiert werden.
14, 15 und 16 sind schematische Ansichten des Heizelementes 904 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie dargestellt, umfasst das Heizelement 904 eine Vielzahl von serpentinenförmigen, elektrischen Pfaden 1412 die durch eine Vielzahl von Umfangsschlitzen 1414 definiert sind. 1420 ist vorzugsweise ein nichtgeerdeter Nullleiter für Dreiphasen-Wechselstrom, oder einfach nur eine Verlängerung des elektrischen Pfades der zwei Elektroden für Einphasen-Wechselstrom oder Gleichstrom verbindet. Alternativ können die serpentinenförmigen Pfade 1412 durch Schlitze, die in der axialen oder anderen Richtungen verlaufen, definiert werden. Als Folge von den Serpentinenpfaden 1412 muss der Strom eine größere Entfernung zurücklegen, wenn er von dem Spannfutter 927 an einem axialen Ende des Heizelements 904 zu dem gegenüberliegenden axialen End-Nullleiterring mit Dreiphasen-Strom genutzt wird, oder zu der gegenüberliegenden Elektrode für Gleichstrom oder Einphasen-Wechselstrom. Der lange Strömungsweg ermöglicht, dass eine hohe Spannung und geringer Strom genutzt wird, was wiederum die Kosten für elektrische Leiter zu den Elektroden senkt.
In der dargestellten Ausführungsform ist das Dreiphasen-Heizelement 904 in drei separate Winkelabschnitte 1416 (d.h. einen Abschnitt pro Phase des Dreiphase-Heizers) durch axiale Schlitze 1418 die entlang einer axialen Richtung des Heizelementes 904 verlaufen, unterteilt. In einer Ausführungsform entstehen die axialen Schlitze 1418 an einem Ende des Heizelementes 904, verlaufen aber nicht vollständig durch das Heizelement 904 bis zum gegenüberliegenden axialen Ende. Stattdessen, wie insbesondere in 14 dargestellt, kann das axiale Ende des Heizelementes 904 (d.h. ohne die axialen Schlitze 1418) als nichtgeerdeter Nullleiter 1420 (z.B. nahe Nullvolt) fungieren. In der dargestellten Ausführungsform befindet sich eine Lücke zwischen den Phasen die von den axialen Schlitzen 1418 und Abstandhaltern wie 1310 oder 1312 geschaffen ist.
Mit Bezug auf 15 können die Umfangsschlitze 1414 verbundene Schlitze 1414A, die mit den axialen Schlitzen 1418 verbunden sind, und getrennte Schlitze 1414B, die nicht mit den axialen Schlitzen 1418 verbunden sind, beinhalten. Innerhalb jedes Winkelabschnittes 1416 sind die verbundenen Schlitze 1414A in Paaren angeordnet, wobei die beiden Schlitze sich einander an dem Mittelteil 1510 des Winkelabschnittes 1416 annähern. Dagegen sind die getrennten Schlitze 1414B innerhalb des Winkelabschnitts 1416 zentriert, überbrücken aber nicht den Abstand zwischen den axialen Schlitzen 1418 auf beiden Seiten des Winkelabschnitts. In der dargestellten Ausführungsform sind die verbundenen Schlitze 1414A und getrennten Schlitze 1414B in einem abwechselnden Muster entlang der axialen Richtung des Heizelementes 904 angeordnet. Durch das Alternieren der Schlitze 1414A, 1414B auf diese Weise, verläuft das Serpentinenmuster 1412 zwischen den Rändern des Winkelabschnitts 1416 (d.h. nahe der axialen Schlitze 1418) und des Mittelteiles 1510 hin und her, wie es von einem axialen Ende des Heizelementes 904 bis zum gegenüberliegenden axialen Ende verläuft.
Unter Bezugnahme auf 16 kann das Heizelement 904 durch Serpentinenschlitze 1610 in Winkelabschnitte 1416 unterteilt werden. Die Serpentinenschlitze 1610 haben axiale Abschnitte 1610, die sich in einer axialen Richtung des Heizelements 904 ausrichten und Umfangsanteile 1630, die sich in einer Umfangsrichtung des Heizelementes 904 ausrichten.
Unter Bezugnahme auf 17 in einer Ausführungsform ist das Serpentinenmuster innerhalb jedes Winkelabschnitts 1712 durch die Umfangsschlitze 1714 und axialen Schlitze 1716, die an jeder Spannfutterverbindung 1740 entspringen, definiert. Das resultierende Serpentinenmuster windet sich zwischen dem axialen Ende, wo das Spannfutter mit 1740 und dem Nullleiterring 1420 verbunden ist, hin und her.
Konstruktive Beispiele.
Fachleuten bekannte Standardtechniken wurden verwendet, um die thermische und hydraulische Leistung des Gegenstrom-Wärmetauschers dieser Erfindung mit einem in einem STC Hydrierreaktor verwendbaren zylindrischen Querstrom-Wärmetauscher zu vergleichen. Wärmeübergangskoeffizienten können als Strömung durch ein Rohr unter Verwendung von Formeln wie der Seider Tate Formel bewertet werden. Hydraulische Leistung kann so bewertet werden, wie sie durch die Serghide-Lösung und die Darcy-Formel dargestellt ist. Wärmeübertragung durch den Feststoffanteil des Wärmetauschers ist als konzentrische runde Ringe mit Fachleuten bekannten Methoden bewertet. Nimmt man einen Querstrom-Wärmetauscher wie den in 2 der Fahrenbruck U.S. Patentanmeldung US 2012/0328503 A1 , der als repräsentativ für die erreichbare Leistung in einem Querstrom-Wärmetauscher angenommen ist, zum Vergleich. Es ist davon auszugehen, dass der Durchmesser des auf den im konstruktiven Beispiel hingewiesenen Wärmetauscherblockes 610 mm und 500 mm lang ist, und dass der Außendurchmesser der äußeren Schale, um das äußere Leitbleck zu formen, 750 mm ist. Eine Gesamtlänge HX von 6,0 Metern wird zum Vergleich verwendet. Vergleichsbeispiele basieren auf einem maximal 1,4 Bar Druckverlust mit 6 Bar Ausgangsdruck. Relativkapazität basiert auf der Strömungsrate, die mit einer Ansatz-Temperatur von 175°C bei einem 1,4 Bar Total-kombinierten Differenzdruck erreichbar ist.
Die oben aufgeführten Annahmen gründen auf der folgenden hypothetischen Basis, die auf 2 der US 2012/0328503 A1 Publikation basiert:

a. 540 axiale Löcher mit 9–11 mm Durchschnitt (Größe geschätzt. Anzahl anhand der Zeichnung gezählt).
b. 360 radiale Löcher pro Durchgang (gezählt) mit geschätztem Durchmesser von 13–15 mm.
c. Unter Voraussetzung von einem minimalen Abstand von 4 mm zwischen Löchern, ist der Durchmesser des Mittelkanals ca. 210 mm und der Außendurchmesser des Blocks ca. 610 mm. Die Länge jedes radialen Loches ist dann ca. 200 mm.
d. Unter Voraussetzung vom Mindestabstand von 3 mm der radialen Löcher und je 40 mm für die obere, untere und mittlere Prallplatte des Wärmetauscherblocks ist die Höhe ca. 500 mm hoch.
e. Wenn 70 mm für den Strömungskanal plus die Dicke der zylindrischen Graphit-Schale die den Wärmetauscherblock umfassen muss, um die radiale Strömung zwischen subsequenten Durchläufen zu leiten, berücksichtigt werden, würde die zylindrische Schale einen ungefähren
Außendurchmesser von 750 mm haben.

Im unten aufgeführten Beispiel des Gegenstrom-Wärmetauschers dieser Erfindung, werden Löcher mit 9,5 mm Durchmesser in den Wärmetauscherblöcken 101 verwendet und werden im Muster der 4 und so nahe aneinander wie praktisch möglich (3 mm Abstand) gebohrt. Druckverlust und Wärmeübergangskoeffizienten können auf einfache Rohrgeometrien für die Strömungswege basieren, mit nur geringsten Fehlern, die die Anschlüsse, wo HX Blöcke aneinanderliegen, ausmachen. Druckverlust war auf 1,4 Bar begrenzt, um konsistent mit der Grundlage für den vergleichenden Querstrom-Wärmetauscher zu bleiben. Bei dieser Bewertung wird Druckverlust durch die Kopf-Blöcke als relativ unbedeutend ignoriert. Die Kapazitätserhöhung pro erforderlicher Graphit-Volumeneinheit kann auf 3 Faktoren zurückgeführt werden:

1. Die Geschwindigkeit der Fluidströmung in den gebohrten Löchern ist größer, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient erhöht wird.
2. Ein wesentlich größerer Anteil des Graphits in dem Block kann für Fluidströmung gebohrt werden.
3. Die Menge des für die Kopf-Blöcke benötigten Graphitmaterials ist viel geringer als die Menge die für die Bildung der radialen Stromkanäle und der äußeren Schale benötigt ist.

Es versteht sich, dass die vorangegangenen Beispiele lediglich zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen. Bestimmte Änderungen der Beiträge und/oder angewandter Methoden können gemacht werden und immer noch den Zweck der Erfindung erreichen. Solche Modifikationen werden im Rahmen der beanspruchten Erfindung in Erwägung gezogen.

Claims

Ein Reaktor zur Hydrierung von Halogensilan umfassend: a. einen Wärmetauscher, umfassend mindestens drei konzentrische Gegenstrom-Fluidstrom-Strömungskanäle, wobei der Wärmetauscher konfiguriert ist um Wärme zwischen einem Reaktandgas und einem Produktgas auszutauschen, und wobei das Produktgas Wasserstoff und Halogensilan beinhaltet; b. ein Heizgerät, das zum Empfangen und Erhitzen des Reaktandgases von dem Wärmetauscher konfiguriert ist; und c. eine Reaktionszone, die zum Umwandeln des Reaktandgases in Produktgas konfiguriert ist.
Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei der genannte Wärmetauscher ferner mindestens einen Kopf-Block umfasst, wobei der Kopf-Block eine Anzahl von konzentrischen Kanälen, die mindestens zwei isolierte Ströme bilden, beinhaltet.
Der Reaktor nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Kopf-Block ferner mindestens einen radialen Kanal beinhaltet, der fließbar mit mindestens einem der isolierten Ströme verbunden ist.
Der Reaktor nach Anspruch 2, wobei die mindestens zwei isolierten Ströme durch mindestens zwei Bögen innerhalb des Kopf-Blocks voneinander isoliert sind.
Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher, der Heizkörper und die Reaktionszone in einem Schutzbehälter angeordnet sind, und wobei der Heizkörper nahe einer radiären Mitte des Schutzbehälters und nahe einem axialen Ende des Schutzbehälters angeordnet ist.
Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei der Heizkörper ein zylindrisches Heizelement beinhaltet.
Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei der Heizkörper mindestens zwei zylindrische Heizelemente enthält, wobei jedes Heizelement serpentinenförmige Einschnitte aufweist, und wobei die mindestens zwei zylindrischen Heizelemente konzentrisch und durch einen ringförmigen Zwischenraum abgetrennt angeordnet sind.
Der Reaktor nach Anspruch 7, wobei mindestens zwei der mindestens zwei zylindrischen Heizelemente mit Klammern über dem ringförmigen Zwischenraum verbunden sind.
Der Reaktor nach Anspruch 7, wobei der Reaktor ferner ein Mittel aufweist um die mindestens zwei zylindrischen Heizelemente an mindestens drei Punkten entlang einer axialen Mittellinie ihrer konzentrischen Anordnung zu biegen.
Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei der Heizkörper in einem Suszeptor, der den Heizkörper von dem Reaktandgas isoliert, angeordnet ist.
Der Reaktor nach Anspruch 10, wobei ein Außendurchmesser des Suszeptors axiale Rillen beinhaltet.
Der Reaktor nach Anspruch 2, wobei der Wärmetauscher, der Heizkörper und die Reaktionszone in einem Schutzbehälter angeordnet sind, und wobei der Wärmetauscher und der mindestens eine Kopf-Block mit einem Ring zusammengehalten wird, wobei die Vorderseite des Ringes mindestens einen des Wärmetauschers und des Kopf-Blocks berührt.
Der Reaktor nach Anspruch 12, wobei eine Seite des Ringes gegen den Außendurchmesser mindestens einem von dem genanntem Wärmetauscher und dem Kopf-Block gestützt ist und eine andere Seite des Ringes gegen die Innenseite des Schutzbehälters gestützt ist.
Der Reaktor nach Anspruch 12, der ferner Federn beinhaltet, die eine andere Seite des genannten Ringes berühren um Wärmeausdehnung zu ermöglichen.
Der Reaktor nach Anspruch 13, wobei die Federn eine Temperaturrate von weniger als etwa 650 Grad haben und in einem Bereich des Schutzbehälters angeordnet sind, der imstande ist die genannten Federn unterzubringen.
Ein Wärmetauscher, umfassend mindestens drei konzentrische Gegenstrom-Fluidstrom Strömungskanäle.
Der Wärmetauscher nach Anspruch 16, der weiterhin mindestens einen Kopf-Block umfasst, wobei der mindestens eine Kopf-Block eine Anzahl konzentrischer Kanäle enthält, die mindestens zwei isolierte Ströme ausbilden.
Der Wärmetauscher nach Anspruch 17, wobei der mindestens eine Kopf-Block weiterhin mindestens einen radialen Kanal umfasst, der fließbar mit einem der genannten isolierten Ströme verbunden ist.
Der Wärmetauscher nach Anspruch 17, wobei die genannten mindestens zwei isolierten Ströme von einander durch mindestens zwei Bögen innerhalb des genannten Kopf-Blocks isoliert sind.
Ein Kopf-Block für einen Gegenstrom-Fluidstrom-Wärmetauscher, wobei der Kopf-Block eine Anzahl von konzentrischen Kanälen umfasst, die mindestens zwei isolierte Ströme bilden.
Der Kopf-Block nach Anspruch 20, weiterhin umfassend mindestens einen radialen Kanal, der fließbar mit einem der genannten isolierten Ströme verbunden ist.
Der Kopf-Block nach Anspruch 20, wobei die mindestens zwei isolierten Ströme von einander durch mindestens zwei Bögen in dem genannten Kopf-Block isoliert sind.