JP5898224B2 - トリクロロシランの製造のための方法及び反応器システム - Google Patents

Description

本発明は、トリクロロシランを製造するシステムおよび方法に関し、具体的には、蒸発技術を利用して、エネルギー消費を減らしてトリクロロシラン反応系の利用可能性を改善することができるシステムおよび方法に関する。

Colemanは、米国特許第４，３４０，５７４号において、分離カラムの再利用による超高純度シランの製造方法を開示している。
Brenemanは、米国特許第４，６７６，９６７号において、高純度のシランおよびケイ素の製造方法を開示している。

Burgie等は、米国特許第５，１１８，４８６号において、粒子状のケイ素およびシランに副産物ストリームを噴霧することによる分離法を開示している。
Odaは、米国特許第６，０６０，０２１号において、（密封ガスとして）水素ガス下でのトリクロロシランおよび四塩化ケイ素の貯蔵方法を開示している。

Klein等は、米国特許第６，８４３，９７２号（Ｂ２）において、固形の塩基と接触させることによるトリクロロシランの精製方法を開示している。
Block等は、米国特許第６，８５２，３０１号（Ｂ２）において、シランの製造方法を開示しており、この方法は、金属ケイ素を四塩化ケイ素、ＳｉＣｌ_４および水素と反応させ、トリクロロシラン、ＳｉＨＣｌ_３および四塩化ケイ素の未精製ガスストリームを形成すること；未精製ガスストリームを濃縮したクロロシランで洗浄することにより、それらから不純物を除去すること；このようにして精製された未精製ガスストリームを濃縮して、蒸留することにより分離すること；四塩化ケイ素ストリームの一部を戻して、金属ケイ素と四塩化ケイ素および水素との反応に再利用すること；このストリームの一部を不均化反応させて、四塩化ケイ素とシランを形成すること；および、不均化反応によって形成されたシランを戻して、金属グレードのケイ素と四塩化ケイ素および水素との反応に再利用することによってなされる。

Block等は、米国特許第６，９０５，５７６号（Ｂ１）において、触媒床でトリクロロシランを触媒により不均化反応させることによりシランを製造するための方法およびシステムを開示している。

Bulan等は、米国特許第７，０５６，４８４号（Ｂ２）において、ケイ素を粉砕して触媒と混合した状態で、ケイ素と水素、四塩化ケイ素とを反応させることによるトリクロロシランの製造方法を開示している。

Kajimoto等は、米国公開特許公報第２００７／０２３１２３６号（Ａ１）において、ハロシランの製造方法および固体分画の精製方法を開示している。
Andersen等は、国際公開公報第２００７／０３５１０８号（Ａ１）において、トリクロロシランの製造方法、および、トリクロロシラン製造で使用するためのケイ素の製造方法を開示している。

本発明の一つまたはそれより多くの実施態様は、トリクロロシランの製造方法を目的としており、本方法は、水素を含む第一ストリームと四塩化ケイ素を含む第二ストリームとを接触させて四塩化ケイ素で飽和した水素を含むガス状反応物のストリームを製造すること、ガス状反応物のストリームを反応器に導入すること、および、反応器からトリクロロシラン、四塩化ケイ素および水素を含む生成物ストリームを回収することを含んでいてもよい。本発明のトリクロロシランの製造方法はさらに、第一ストリームの少なくとも一部を加熱することを含んでいてもよい。本発明のいくつかの実施態様において、第一ストリームの少なくとも一部を加熱することは、約５ｂａｒ〜約１５ｂａｒの範囲の圧力を有する飽和蒸気で加熱することを含んでいてもよい。本発明のトリクロロシランの製造方法はさらに、ガス状反応物のストリームを反応器に導入する前に、反応物ストリームの少なくとも一部を約１７５℃〜約５５０℃の範囲の温度に加熱することを含んでいてもよい。本発明のいくつかの実施態様において、第一ストリームと第二ストリームとを接触させることは、第一ストリームと第二ストリームのうち少なくともどちらか一方の少なくとも一部を加熱することを含んでいてもよい。本発明のトリクロロシランの製造方法はさらに、生成物ストリームから水素の少なくとも一部を回収すること、および、回収した水素の少なくとも一部を利用して第一ストリームを製造することを含んでいてもよい。

本発明の一つまたはそれより多くの実施態様は、反応物混合物を提供する方法を目的とすることができる。本方法は、ガス状の第一反応物を提供すること、液状反応物を提供すること、液状反応物の少なくとも一部に蒸発熱の少なくとも一部を提供することによって液状反応物を蒸発させ、ガス状の第二反応物を製造すること、ガス状の第二反応物で飽和したガス状の第一反応物を含む反応物混合物を回収すること、および、反応器に反応物混合物の少なくとも一部を導入すること、を含んでいてもよい。このような反応物混合物を提供する方法は、反応物ストリームを約１７５℃〜約５５０℃の範囲の温度に加熱することをさらに含んでいてもよい。このような反応物混合物を提供する方法は、飽和蒸気を用いてガス状の第一反応物の潜熱を増加させることをさらに含んでいてもよい。本発明のいくつかの実施態様において、第一反応物は、水素を含む、実質的に水素からなる、または、水素からなるのいずれかであり得る。第二反応物は、四塩化ケイ素を含む、実質的に四塩化ケイ素からなる、または、四塩化ケイ素からなるのいずれかであり得る。液状反応物を蒸発させることは、ガス状の第一反応物の潜熱を減少させながら行うことができる。

本発明の形態の一つまたはそれより多くは、反応器システムを対象にしたものであり得る。本反応器システムは、ガス状の第一反応物のソースに流動するように連結された第一反応物の注入口、液状の第二反応物のソースに流動するように連結された第二の注入口、反応物混合物の流出口、および、蒸発領域を有する接触器；および、反応物混合物の流出口から下流に流動するように連結された反応器の注入口、および、反応器の生成物の流出口を有する反応器、を含んでいてもよい。本反応器システムはさらに、反応物混合物の流出口および反応器の注入口と流動するように連結された第一の熱的部分（thermal side）、および、反応器の生成物の流出口から下流に流動するように連結された第二の熱的部分を有する熱交換器を含んでいてもよい。本反応器システムはさらに、反応物混合物の流出口および反応器の注入口と流動するように連結された加熱装置を含んでいてもよい。本反応器システムはさらに、反応器の反応物の注入口に導入しようとする反応物混合物の温度を約５００℃〜約６００℃の範囲に調節できるように設計された制御システムを含んでいてもよい。

添付の図面は、原寸に比例して描かれていない。これらの図面において、様々な図面で示された同一なまたはほぼ同一な構成要素はそれぞれ類似の数字で表示した。わかりやすくするために、図面ごとに一々すべての構成要素を標識していない場合がある。

図１は、本発明の一つまたはそれより多くの実施態様に係る反応器システムの概略図である。 図２は、本発明の一つまたはそれより多くの実施態様が実施される可能性がある反応器システムの一部の概略図である。 図３は、本発明の一つまたはそれより多くの実施態様に従って本反応器システムで使用される可能性がある接触システムの一部の概略図である。

ハイドロクロリネーション反応器は通常、約２０ｂａｒ〜約４０ｂａｒの高圧および約５５０℃〜約５８０℃の高温で稼働する。本発明の形態の一つまたはそれより多くは、反応器にフィードストリームまたは反応物ストリームをほぼ反応条件で提供することを容易にする。従って、例えば、本発明の反応器システムは、１つまたはそれより多くの反応物を受け取り、１つまたはそれより多くの反応物をハイドロクロリネーションを促進する状態にするように配置された少なくとも１つの前処理または調整システムを含んでいてもよい。

本発明の形態のいくつかにおいて、適切な反応条件を有するフィードストリームを提供することによって、ハイドロクロリネーションが容易になるか、または、促進される。本発明のさらなる形態は、経済的に好ましいハイドロクロリネーションシステムを提供することに関する。本発明の具体的な実施態様の一つまたはそれより多くは、信頼性が高くエネルギー効率のよい反応物ストリームを調整するシステムおよび構成要素を含むハイドロクロリネーションシステムおよび技術に関する。本発明のさらなる形態において、従来の前処理システムよりも腐食性が低いハイドロクロリネーション反応物ストリームを提供することも可能であり、このような反応物ストリームは、そこでの耐食性が高い材料の使用を減らしたり回避したりすることができきるために、資本と運転費用を効果的に低減させることができる。さらにその上、本発明の形態において、安全上の危険を低減させたハイドロクロリネーションシステムおよび技術を提供することができる。

本発明の構成のいくつかにおいて、反応器は、ハイドロクロリネーションを促進する反応器の動作条件になるように加圧され加熱された流動床反応器（ＦＢＲ）である。
本発明の形態のいくつかは、四塩化ケイ素など（ただしこれらに限定されない）の液状反応物を経済的かつ効率的に蒸発させるシステムおよび技術に関するものであってもよい。本発明のさらなる形態において、化学プラントに一般的に存在する飽和蒸気システムを用いて高沸点の液体を蒸発させるシステムおよび技術を提供することができる。本発明の非限定的な実施態様は、約２０ｂａｒ未満の圧力の飽和蒸気、場合によっては約１５ｂａｒ未満の圧力の飽和蒸気；その他のケースにおいては約５ｂａｒ〜約１５ｂａｒの範囲の圧力の飽和蒸気を用いて液状反応物の少なくとも一部を蒸発させることを含んでいてもよい。従って本発明の形態のいくつかにおいて、臨界的な圧力および温度である２３３℃および３５．８ｂａｒを回避することにより、高圧条件下での四塩化ケイ素の利用に伴う制限または障害が生じないようになる。

本発明の形態のいくつかは、１またはそれより多くの反応器からの１またはそれより多くの生成物ストリームからの熱を、少なくとも部分的に反応器に入ってくる１つまたはそれより多くの反応物ストリームを加熱するのに利用すること、を含む。本発明のさらにその他の形態は、１またはそれより多くの反応器からの１またはそれより多くの生成物ストリームからの熱を、１またはそれより多くの反応器のフィードストリームを蒸発させること、場合によってはそれらを過熱させることに利用すること、を含んでいてもよい。例えば、本発明の一つまたはそれより多くの実施態様は、反応器からの１またはそれより多くの生成物ストリームを冷却することによって１つまたはそれより多くの反応物ストリームの温度を高める熱交換工程を含んでいてもよい。本発明のさらにその他の形態は、反応器からの１またはそれより多くの生成物ストリームからの熱のほんの一部を、反応器への１つまたはそれより多くの反応物ストリームを加熱するのに利用することを含んでいてもよい。本発明の形態のいくつかは、１またはそれより多くの生成物ストリームのあらゆる成分の濃縮または堆積を起こすことなく、１またはそれより多くの生成物ストリームと、１つまたはそれより多くの反応物ストリームとの間で熱伝達させることを含んでいてもよい。本発明のいくつかの実施態様は、１つまたはそれより多くの反応物ストリームの温度を金属塩の堆積または凝結を起こすことなく高め、同時に１またはそれより多くの排出された生成物ストリームを冷却することを含んでいてもよい。

本発明の形態の一つまたはそれより多くは、複数の加熱段階で、反応器への１つまたはそれより多くの反応物ストリームを加熱することを含んでいてもよい。本発明の具体的な実施態様は、第一反応物、第二反応物（例えば第二反応物ストリーム）またはその両方の温度を高めるための、第一の加熱段階を含んでいてもよい。本発明のさらなる具体的な実施態様において、第一反応物ストリームの潜熱は、第二反応物ストリームの温度を高めること、または、第二反応物ストリームの少なくとも一部の相変化をもたらすことに利用することができる。本発明のさらにその他の具体的な実施態様は、任意に、第一の加熱段階で第一反応物、第二反応物またはその両方のいずれか１つまたはそれより多くを加熱した後に、それらのいずれか１つまたはそれより多くの温度を高めるための、第二の加熱段階を含んでいてもよい。本発明のさらなる具体的な実施態様は、第三段階または最終段階で、１またはそれより多くの反応器に導入しようとするいずれかの反応物ストリームを加熱して反応に適した状態にすることを含んでいてもよい。本発明のさらなる形態は、いずれかの加熱段階の間に、１つまたはそれより多くの反応物ストリームを、１またはそれより多くのその他の反応物ストリームで飽和させることを含んでいてもよい。
本発明のさらにその他の形態は、全熱エネルギーの一部を、飽和蒸気を利用することによって反応器に導入しようとする反応物混合物に提供すること、および、全熱エネルギーのその他の部分を、反応器の生成物ストリームからの熱エネルギーと共に提供すること、を含む。さらにその他の本発明の形態は、反応器の生成物ストリームからの熱を利用する熱交換器と、反応器の反応物混合物の注入口との間で加熱装置を利用しないシステムおよび技術を含んでいてもよい。

第一段階の加熱は、１つまたはそれより多くの反応物の蒸発熱の少なくとも一部を直接的または間接的に提供することを含んでいてもよい。ガス状の第一反応物ストリームは、１またはそれより多くの熱源によって加熱されてもよく、続いて加熱された第一のガスストリームは、熱を液状の第二反応物ストリームに移行させることができる。液状の第二反応物ストリームは、任意に１またはそれより多くの熱源によって直接加熱されてもよい。このようにして加熱されたガス反応物ストリームは、液状の第二反応物ストリームと接触するかまたは混合されるかして、そこに蒸発熱を提供して第二反応物の少なくとも一部を蒸発させることができる。本発明の一つまたはそれより多くの実施態様のさらなる改変型は、第二反応物と接触するかまたは混合された第一反応物を加熱することを含んでいてもよい。第一段階の加熱は、反応物ストリームのいずれかまたはそれらの混合物を飽和蒸気を用いて加熱することを含んでいてもよい。第一段階の加熱の実施態様のさらなる改変型は、１またはそれより多くの他の反応物で飽和された第一反応物を含むガス状反応物混合物のストリームを製造するために、１またはそれより多くの他の反応物と接触した状態を保ちながらガス状の第一反応物ストリームを加熱することを含んでいてもよい。第一段階の加熱用の熱（例えば、これらに限定されないが、液状反応物の蒸発熱）は、従来利用されてきた加熱用の流体によって提供することができる。例えば飽和蒸気を利用することによって、ガス状の第一反応物を液状の第二反応物で飽和させるのに十分な蒸発熱を提供することができる。飽和蒸気は、約２０ｂａｒ未満であってもよく、場合によっては約１５ｂａｒ未満であり、他のケースにおいては約５ｂａｒ〜約２０ｂａｒの範囲であり、さらにその他のケースにおいては約５ｂａｒ〜約１５ｂａｒの範囲である。

任意の第二段階の加熱は、１つまたはそれより多くの反応物ストリームの温度を中間の目標温度に高めるために、１またはそれより多くの加熱システムを利用することによって、ガス状反応物のストリームの温度を少なくとも中間の目標温度に高めることを含んでいてもよい。例えば、このような反応物ストリームは、電気的な熱源を利用することによって加熱されてもよい。他のケースにおいて、このような反応物ストリームの温度を中間の目標温度に高めるために、第二段階の加熱は、飽和蒸気および過熱蒸気のいずれかを利用してもよい。その代わりに、油を利用した加熱システムを用いて、１またはそれより多くの予熱された反応物ストリームの温度を中間の目標温度に高めることもできる。

一つまたはそれより多くの形態によれば、本発明の有利な実施態様は、飽和した反応物ストリームまたはフィードガスの温度を、下流の加熱ストリームに含まれる成分が堆積する可能性を低くするような温度に高めることを目的にしたものであってもよい。最終的な加熱段階における加熱直前の反応物ストリームの目標温度は、反応器からの１またはそれより多くの生成物ストリームのいずれかの成分の堆積または濃縮条件（例えば温度および圧力）よりも高い温度であってもよい。ハイドロクロリネーション反応系において、例えば、目標温度は中間の目標温度とみなすことができ、この温度は、生成物ストリーム中に堆積する可能性がある金属塩が存在するかどうかによるが、少なくとも約１７５℃であってもよく、場合によっては約１７５℃〜約５００℃の範囲であってもよく、約１７５℃〜約４００℃の範囲であってもよく、約１７５℃〜約３５０℃の範囲であってもよく、または、約２００℃〜約３７５℃の範囲であってもよい。

１またはそれより多くの反応器のいずれかに導入しようとするフィードガスの最終的な加熱は、システム（例えば１またはそれより多くの反応器のいずれか）の１またはそれより多くの単位操作から生じた１またはそれより多くの放出ストリームと熱交換することにより実行することができ、それにより、１つまたはそれより多くの反応生成物にとって好ましい状態を提供することができる。

従って本発明の様々な形態は、１またはそれより多くの目標とする特性を有する反応物ストリームを調整したりまたは提供したりするための段階を含む、稼動面で費用効率が高いシステムおよび技術を提供することができる。本発明のさらなる形態は、１つまたはそれより多くの反応物を蒸発させるために、高温の油を利用したシステムまたは電気加熱システムを使用することを回避することができるシステムおよび技術を提供する。さらにその他の本発明の形態は、例えば高温のストリームなどの単位操作からの熱を利用して、冷却ストリームなどの他のシステムの処理ストリームの温度を高めて、高温のストリーム中に含まれるあらゆる成分の堆積または濃縮を引き起こさない状態、または少なくともそれが起こる可能性を低減させた状態にすることができる、システムおよび技術を提供する。

典型例として、トリクロロシランを製造するための反応系１００の一部を図解した図１で示されているように、本発明のシステムおよび技術は、少なくとも１つの反応器を含んでいてもよく、例えば、第一反応物のソース１０３および第二反応物のソース１０４からトリクロロシランが製造される反応条件で稼働する流動床反応器１０２を含んでいてもよい。説明のために言えば、本システムおよび技術は、トリクロロシラン反応系について説明されているが、そのようなものに限定されない。また反応系１００は、少なくとも１つの反応物を接触させる単位操作、および、１またはそれより多くの熱交換または加熱の単位操作を含んでいてもよい。図１の非限定的な実施態様で説明されているように、接触単位操作は、少なくとも１つのガス状反応物の注入口１１１を有するサーモサイホンリボイラー１１０であってもよく、ここで注入口１１１は、典型的には、ガス状反応物のソース（例えば水素を含む、実質的に水素からなる、または、水素からなる第一反応物のソース１０３）から下流に流動するように連結されている。また接触単位操作は、少なくとも１つの液状反応物の注入口１１２を有していてもよく、ここで注入口１１２は、典型的には、液状反応物のソース（例えば四塩化ケイ素を含む、実質的に四塩化ケイ素からなる、または、四塩化ケイ素からなる第二反応物のソース１０４）から下流に流動するように連結されている。典型的には、接触単位操作は、少なくとも１つの飽和または液状のガスを蒸発させるゾーン、または、ガス状の成分と液化した成分との平衡状態を促進するセクション１１３を有する。蒸発セクション１１３は、物質移動を促進する充填材を含んでいてもよく、好ましくは液状の成分でのガスの飽和を促進する充填材を含んでいてもよい。例えば、セクション１１３において、第二反応物ストリームの四塩化ケイ素を水素ストリームに蒸発させて飽和状態にすることができる。接触単位操作はさらに、反応物のいずれかの加熱を容易にする加熱セクションを含んでいてもよい。典型例として示されているように、約５ｂａｒ〜約１５ｂａｒの範囲の圧力の飽和蒸気を提供することができる水蒸気ソース１１６からの飽和蒸気を利用してもよい。飽和蒸気からの濃縮物はいずれも、排水設備Ｄに放出させてもよいし、または、飽和蒸気に再利用したり、再使用したり、変換したりしてもよい。望ましくないあらゆる堆積成分を定期的に除去するために、接触単位操作はさらにブローダウン１１８を含んでいてもよい。

稼働中、例えば閉ループのレベル制御システムＬＣを利用することによって、リボイラー１１０における液体のレベルを望ましい液体レベルに制御することができ、ここでこのような閉ループのレベル制御システムは、少なくとも１つのレベルセンサーまたは表示器を含み、このようなレベルセンサーまたは表示器は、作動可能なように流量調節装置（例えば、通常四塩化ケイ素を含む第二反応物ソース１０４と液体注入口１１２との間に配置されたバルブ１１５）に連結される。望ましい液体レベルは、リボイラー１１０および反応器１０２のいずれかの操作上および設計上の１またはそれより多くの考察に応じて決定される可能性がある。このような考察としては、これらに限定されないが、例えば、反応器１０２への反応物の流速の増加または減少に対するリボイラー１１０の動的応答、飽和蒸気ソース１１６の加熱能力、セクション１１４の熱伝達効率、および、セクション１１３の接触効率が挙げられる。例えば閉ループの温度制御システム１１７を利用することによって、流出口１１６で提供される飽和した反応物ストリームの温度を望ましい飽和温度に調節することができ、ここでこのような温度制御システムは、少なくとも１つの温度センサーを含み、例えばセンサーＴ１およびＴ２を含む。模式的に示されているように、センサーＴ１は、流体の温度を測定できるように配置されており、センサーＴ２は、リボイラー１１０中の蒸気の温度を測定できるように配置されている。望ましい液体レベルと同様に、望ましい飽和温度は、例えば、これらに限定されないが、反応器１０２への反応物ストリームの要求されるまたは望ましい質量流量、および、反応器１０２の変換効率または能力などの、リボイラー１１０および反応器１０２のいずれかの操作上および設計上の１またはそれより多くの考察に応じて決定される可能性がある。目標の飽和温度または望ましい飽和温度は、典型的には約５００℃未満であり、約１２５℃〜約３５０℃の範囲であってもよく、典型的には約１３５℃〜約１５５℃の範囲である。

上述したように、本発明の形態のいくつかは、望ましい反応に適した状態になるように反応物ストリームを加熱する構成要素および技術を含む。例えば、システム１００は、生成物ストリームおよび反応器１０２に導入しようとする注入口の反応物ストリームからの熱伝達を容易にする熱交換器１２０をさらに含んでいてもよい。上述したように、熱交換器１２０は、典型的には第一の熱的部分と第二の熱的部分とを有し、ここで第一の熱的部分は、反応物ストリームの注入口１２１と、リボイラー１１０の流出口１１６とを流動するように連結しており、第二の熱的部分は、第一の熱的部分と熱伝達する状態にあり、反応器１０２の生成物の流出口１２２と１またはそれより多くの下流の単位操作（例えば生成物の分離または精製装置１３０）とを流動するように連結する。

システム１００は、必要に応じて、追加の加熱段階１４０または第二の加熱段階１４０をさらに含み、これらの加熱段階は、リボイラー１１０からの飽和した反応物ストリームの温度を中間の目標温度に高めるための少なくとも１つの加熱単位操作を有する。第二段階の熱エネルギーは、直接的または間接的な加熱操作を利用することによって提供することができる。例えば、加熱段階１４０は、高温の油の熱からの熱エネルギーを提供する第一の加熱装置１４２と、電気的に生じた熱エネルギーを提供する第二の加熱装置１４４のどちらか一方または両方を含んでいてもよく、これらの加熱装置により反応物ストリームが提供されると、反応物ストリームはさらに熱交換器１２０で中間の目標温度で加熱されることとなる。典型的なシステムにおいて、中間の目標温度は、反応器１０２からの生成物ストリームに含まれる堆積し得るいずれかの塩が堆積する温度よりも高い温度であってもよい。例えば、中間の目標温度は、約１７５℃〜約３５０℃の範囲であってもよい。有利であれば、第二段階の加熱は、過熱蒸気のような水蒸気を利用することによって実行してもよい。

図２は、本発明の一つまたはそれより多くの実施態様のその他の改変型の典型例を示す。この改変型において、１またはそれより多くの飽和セクション２１３および蒸発セクション２１４を有する接触カラム２１０を利用することによって、ソース１０３からのガス状反応物のストリームの飽和を促進することができる。セクション２１３と２１４はそれぞれ、典型的には、液体／ガスの移動を容易にする充填材成分を含む。システム１００はさらに、１またはそれより多くの加熱装置２１５を含んでいてもよく、このような加熱装置は、約５ｂａｒ〜約１５ｂａｒの飽和蒸気を提供する熱源１１６に流動するように連結された第一の熱的部分を有する。１またはそれより多くの加熱装置２１５はそれぞれ、典型的には、第二の熱的部分を有しており、この第二の熱的部分は、第一の熱的部分と熱伝達する状態にあり、底部の循環ポンプ２３０を介してカラム２１０の液体流出口２１６に流動するように連結され、カラム２１０の加熱された液体注入口２１７を含む。この加熱された液体は、典型的には第二反応物（例えば四塩化ケイ素）を含んでおり、これがセクション２１４に導入されると、第二反応物の少なくとも一部が気相に気化され、この気相がセクション２１３に導入される。セクション２１３において、気相は気化した第一反応物で飽和した状態になり、その後、飽和した反応物の流出口２１８を介して排出される。

第一の改変型と同様に、バルブ２４２を利用して、蓄積した汚染物質を定期的に排出またはブローダウン１１８に排出することができる。
同様に、任意の第二の加熱段階２４０は、高温の油による装置、水蒸気による装置、および、電気的に生成した熱による装置のどれを利用してもよく、このような加熱段階２４０を利用して、カラム２１０からの飽和した反応物ストリームの温度を高めることができる。

飽和した反応物ストリームの温度は、加熱装置２１５に導入される所定量の水蒸気の加熱を始動させるための１またはそれより多くの温度センサーＴ１を有する温度制御システムを利用することによって制御することができる。加熱装置２１５からの水蒸気の濃縮物は、排水設備Ｄに排出することができる。カラム２１０の排水受けまたは底部セクションにおける液体レベルは、液体制御システムＬＣによって目標レベルに制御することができ、この液体制御システムＬＣは、１またはそれより多くのセンサーによって測定された液体レベルに基づき第二反応物ストリームの流速を調節するバルブを作動させるものである。第二反応物ストリームの流速も同様に制御できる。第一反応物ストリームのカラム２１０への流速は、流量制御システムＦＣによって目標の流速に制御することができ、この流量制御システムＦＣは、１またはそれより多くの流量センサーによって測定された流速に基づき第二反応物ストリームの流速を調節するバルブを作動させるものである。

図３は、本発明の一つまたはそれより多くの実施態様のその他の改変型を示す。模式的に示されているように、このシステムは、ソース１０３からの第一反応物とソース１０４からの第二反応物とを接触しやすくして、飽和した反応物ストリームを製造するための釜型リボイラー３１０を含んでいてもよく、このようにして製造された飽和した反応物ストリームはさらに、熱交換器１２０において反応器１０２からの生成物ストリームによって加熱することができる。

リボイラー３１０において、ソース１１６からの飽和蒸気を利用して、水素、四塩化ケイ素のいずれかまたはそれら両方を加熱することができる。飽和蒸気からのあらゆる濃縮物を加熱コイルから排水設備Ｄに移動させることもできるし、または、再加熱して飽和蒸気にすることもできる。

典型的には、リボイラー３１０内の液状の第二反応物のプール中でソース１０３からのガス状の第一反応物を泡立てることによって、ソース１０３からのガス状の第一反応物は、第一反応物と接触する。泡立ては、液状の第二反応物より下に沈められた複数の穴を有するマニホールドを利用することによって実行することができる。ガス状の第一反応物が液状の第二反応物を通って上昇すると、第二反応物の一部が蒸発して、ガス状の第二反応物の気泡になる。従って液体レベルの上の空間は、第二反応物で飽和したガス状の第一反応物を含んでおり、続いてこれを熱交換器１２０で反応器１０２からの生成物ストリームにより加熱することができる。

第二の加熱段階１４０が利用される場合、この加熱段階１４０で、飽和した反応物ストリームの温度を中間の目標温度に高めることができる。
装置１３０は、１またはそれより多くの分離単位操作を含んでいてもよく、この操作により、反応器１０２からの生成物ストリームの成分が分別される。例えば、装置１０２は、１またはそれより多くの蒸留塔を含んでいてもよく、この蒸留塔により、生成物ストリーム中の未使用の反応物（例えばガス状の水素および四塩化ケイ素）から、１種またはそれより多くの望ましい生成物（例えばトリクロロシラン）が分離される。望ましい生成物は、保存してもよいし、他のシステムに送ったりまたは他のシステムで利用したりしてもよい。水素や四塩化ケイ素などの回収された反応物は、反応物のソース１０３および１０４のいずれかで利用してもよいし、または、これらのソースに追加補充してもよい。

また本発明はさらに、１またはそれより多くの制御システムを利用することを含んでいてもよく、それによりシステムのあらゆる単位操作に関する１またはそれより多くのパラメーターの操作をモニターおよび調節することができる。例えば、制御システムを利用して、システム１００のあらゆる単位操作の動作条件をそれぞれの目標値が達成されるようにモニターおよび調節することができる。いくつかの場合において、本システムのあらゆる単位操作における動作条件をモニターおよび調節するために、同じ制御システムを利用してもよいし、または、異なる制御システムを利用してもよい。例えば、接触するガスストリームの流速をモニターおよび制御して、１またはそれより多くの予め決められた目標値または設定値を提供することもできるし、または、１またはそれより多くの他の単位操作の他の動作条件に応じて調節することもできる。その他のモニターまたは制御されるパラメーターとしては、あらゆるストリームの温度、圧力および流速が挙げられる。

制御器は、１またはそれより多くのコンピューターシステムを用いて提供することもでき、このようなコンピューターシステムは、例えば汎用のコンピューターであってもよいし、または、特殊化したコンピューターシステムであってもよい。本発明のシステムまたは下位システムの１またはそれより多くの工程を達成するのに利用または提供することができる制御システムの例としては、これらに限定されないが、分布制御システム、例えばエマソン・エレクトリック社（Emerson Electric Co.）製のデルタＶ（DELTA V）デジタルオートメーションシステム、および、ブログラム可能論理制御装置、例えばウィスコンシン州ミルウォーキーのアレン・ブラドリー（Allen-Bradley）またはロックウェル・オートメーション（Rockwell Automation）より入手可能な制御装置が挙げられる。

本発明の形態のいくつかは、本発明の特徴のいずれかが有利に包含されるように既存のシステムを改造または改良することを含む。本発明の具体的な形態のいくつかのは、既存のトリクロロシラン反応系を改変して、第一反応物を含み第二反応物で飽和されたガス状反応物混合物を製造するために、ガス状反応物と液状反応物とを接触させることを目的とした技術を取り入れることを対象にしたものであってもよい。同様に、本発明の形態のいくつかは、既存の反応系を改良して、飽和蒸気を利用しつつ、システムにおけるその他のストリームの成分の不要な堆積が起こる可能性を低減させるために、１つまたはそれより多くの反応物ストリームの加熱負荷を再配分することに関するものであってもよい。例えば、本発明の形態の一つまたはそれより多くは、トリクロロシラン反応系の改良方法を対象にしたものであり得る。本方法は、水素を含む、実質的に水素からなる、または、水素からなる少なくとも１種のガス状反応物の１またはそれより多くのソースを、液体と蒸気との接触器に連結すること；四塩化ケイ素を含む、実質的に四塩化ケイ素からなる、または、四塩化ケイ素からなる少なくとも１つの第二反応物の１またはそれより多くのソースを連結すること；接触器の反応物混合物の流出口を、熱交換器の第一の熱的部分の第一の注入口に連結すること；熱交換器の第一の熱的部分の第一の流出口を、トリクロロシラン反応器の注入口に連結すること、を含んでいてもよい。熱交換器は、典型的には、第二の熱的部分を有しており、ここで第二の熱的部分は、第一の熱的部分と熱伝達する状態にあり、トリクロロシラン反応器の流出口から下流に流動するように連結される第二の注入口を有する。本方法はさらに、接触器の反応物混合物の流出口と熱交換器の第一の注入口との間に電気的な加熱装置を連結することを含んでいてもよい。

いくつかの例示的な本発明の実施態様を説明したが、当業者であれば当然のことながら、前述したことは単に説明のためであり、限定を目的とはせず、単なる一例として示したに過ぎない。多数の改変およびその他の実施態様が当業者の想定範囲内であり、本発明の範囲内に含まれるものとして考慮される。具体的に言えば、本明細書で示された実施例の多くが方法の動作またはシステムの要素の特定の組み合わせに関するものであるが、当然のことながら、このような動作や要素をそれとは異なって組み合わせることによっても、同じ目的を達成することが可能である。

当業者であれば当然のことながら、本明細書において説明されたパラメーターや配置は典型例であって、実際のパラメーターおよび／または配置は、本発明のシステムおよび技術が用いられる具体的な用途によって決定されると予想される。さらに当業者であれば、慣例的な試験を行うだけで、本発明の具体的な実施態様と等価なものを認識したり確認したりすることが可能であると予想される。従って当然のことながら、本明細書において説明された実施態様は単なる一例として示されたものであって、さらに本発明は、添付の請求項およびそれらに等価なものの範囲内で、具体的に説明された方法以外の方法で実施が可能である。

さらに当然のことながら、本発明は、本明細書において説明される特徴、システム、下位システムまたは技術のいずれか、ならびに本明細書において説明される２種またはそれより多くの特徴、システム、下位システムまたは技術のあらゆる組み合わせに向けられたものであり、２種またはそれより多くの特徴、システム、下位システムおよび／または方法のあらゆる組み合わせが、このような特徴、システム、下位システムおよび技術が互いに矛盾しない限り、請求項で具体的に述べられたのと同様に本発明の範囲内であるとみなされる。さらに、実施態様の一つに関してのみ考察された動作、要素および特徴も、その他の実施態様における類似の役割に含まれるものとする。

本明細書で用いられる用語の「複数形」は、２またはそれより多くの事柄または構成要素を意味する。用語「〜を含む（comprising）」、「〜を含む（including）」、「〜を有する（carrying）」、「〜を有する（having）」、「〜を含む（containing）」および「〜を含む（involving）」は、それが詳細な説明または請求項のどこに記載されているかにかかわらず、非限定的な用語であり、すなわち、「これらに限定されないが、〜が挙げられる」ということを意味することとする。従って、このような用語の使用は、その後に列挙される事柄およびそれらと等価なもの、加えて追加の事柄を包含することを意味する。請求項に関して、「〜からなる」および「実質的に〜からなる」という移行句のみ、それぞれ限定的または一部限定的な移行句である。請求項において、請求項に記載の要素を修飾するために使用される「第一」、「第二」、「第三」などの序数は、それ自身、請求項に記載のある要素の他の要素に対する何らかの優先順位、序列または順番、または、方法の動作が行われる時間的な順番を意味するものではないが、単に、請求項に記載の所定の名称を有するある要素を同じ名称を有する（ただし序数の使用に関して）その他の要素と区別して、請求項に記載の要素を区別するための標識として用いられる。

１００ 反応系、システム
１０２ 流動床反応器
１０３ 第一反応物のソース
１０４ 第二反応物のソース
１１０ サーモサイホンリボイラー
１１１ ガス状反応物の注入口
１１２ 液状反応物の注入口
１１３ 蒸発セクション
１１４ セクション
１１５ バルブ
１１６ 水蒸気ソース、流出口、熱源
１１８ ブローダウン
１１７ 温度制御システム
Ｔ１、Ｔ２ センサー
１２０ 熱交換器
１２１ 反応物ストリームの注入口
１２２ 生成物の流出口
１３０ 精製装置
１４０ 加熱段階
１４２ 第一の加熱装置
１４４ 第二の加熱装置
２１０ 接触カラム
２１３ 飽和セクション
２１４ 蒸発セクション
２１５ 加熱装置
２１６ 液体流出口
２１７ 液体注入口
２１８ 飽和した反応物の流出口
２３０ 循環ポンプ
２４０ 加熱段階
２４２ バルブ
３１０ 釜型リボイラー
Ｄ 排水設備

Claims (13)

1. トリクロロシランの製造方法であって、該方法は：
   水素を含む第一ストリームの少なくとも一部を、５ｂａｒ〜１５ｂａｒの範囲の圧力を有する飽和蒸気で加熱すること； 第一ストリームと四塩化ケイ素を含む第二ストリームとを接触させて四塩化ケイ素で飽和した、水素を含むガス状反応物のストリームを製造すること；
   ガス状反応物のストリームを反応器に導入すること；
   および、
   反応器からトリクロロシラン、四塩化ケイ素および水素を含む生成物ストリームを回収すること、
   を含む、上記方法。
2. 前記ガス状反応物のストリームを反応器に導入する前に、反応物ストリームの少なくとも一部を１７５℃〜５５０℃の範囲の温度に加熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 第一ストリームと第二ストリームとを接触させることが、第一ストリームと第二ストリームのうち少なくともどちらか一方の少なくとも一部を加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記生成物ストリームから水素の少なくとも一部を回収すること、および、回収した水素の少なくとも一部を利用して第一ストリームを製造することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 反応物混合物を提供する方法であって、該方法は：
   ５ｂａｒ〜１５ｂａｒの範囲の圧力を有する飽和蒸気で加熱された、水素を含むガス状の第一反応物を提供すること；
   四塩化ケイ素を含む液状反応物を提供すること；
   液状反応物の少なくとも一部に蒸発熱の少なくとも一部を提供することによって液状反応物を蒸発させ、ガス状の第二反応物を製造すること；
   ガス状の第二反応物で飽和したガス状の第一反応物を含む反応物混合物を回収すること；
   および、
   反応器に反応物混合物の少なくとも一部を導入すること、
   を含む、上記方法。
6. 前記反応物混合物を１７５℃〜５５０℃の範囲の温度に加熱することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 第一反応物が水素からなり、第二反応物が四塩化ケイ素を含む、請求項６に記載の方法。
8. トリクロロシランを製造するための反応器システムであって、該システムは：
   ガス状の第一反応物のソースに流動するように連結された第一反応物の注入口、液状の第二反応物のソースに流動するように連結された第二の注入口、反応物混合物の流出口、および、蒸発領域を有する接触器、
   接触器に流動するように連結した飽和蒸気のソース、ならびに、
   反応物混合物の流出口から下流に流動するように連結された反応器の注入口、および、トリクロロシランの流出口を有する反応器、
   を含む、上記システム。
9. 反応物混合物の流出口および反応器の注入口と流動するように連結された第一の熱的部分と、トリクロロシランの流出口から下流に流動するように連結された第二の熱的部分とを有する熱交換器をさらに含む、請求項８に記載の反応器システム。
10. 反応物混合物の流出口および反応器の注入口と流動するように連結された加熱装置をさらに含む、請求項８に記載の反応器システム。
11. 反応器の反応物の注入口に導入しようとする反応物混合物の温度を５００℃〜６００℃の範囲に調節できるように設計された制御システムをさらに含む、請求項１０に記載の反応器システム。
12. 四塩化ケイ素のソースとリボイラーへの液体ストリームの注入口との間に配置された流量調節装置に作動可能なように連結されたレベルセンサーを有する閉ループのレベル制御システムによって、リボイラー内の望まれる液体レベルを制御することをさらに含む、請求項１記載の方法であって、
    第一ストリームがリボイラーの加熱セクション内で加熱され、そして第二ストリームがリボイラーに導入されてリボイラーにおける望ましい液体レベルを与える、方法。
13. 少なくとも１つの温度センサーを含む閉ループの制御システムによって、リボイラーの蒸発ゾーンの流出口で第一ストリームの温度を調節することをさらに含む請求項1に記載の方法であって、
    第一ストリームを第二ストリームと接触させることが、リボイラーの蒸発ゾーン内で、加熱した第一ストリームで第二ストリームを蒸発させることを含む、方法。

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