KR101962178B1 - 쉘 앤드 튜브 열교환기 및 그러한 열교환기 사용 방법 - Google Patents

Abstract

교환기 전체에 걸쳐 온도 프로필과 유동 패턴을 향상시키는 배플 배열을 포함하고/하거나 반응 용기와 일체화되는 쉘 앤드 튜브 열교환기가 개시된다. 트리클로로실란을 함유하는 반응 생성 가스를 생성하기 위해 교환기와 반응 용기의 사용을 수반하는 방법을 포함하는 교환기의 사용 방법도 개시된다.

Description

쉘 앤드 튜브 열교환기 및 그러한 열교환기 사용 방법{SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGERS AND METHODS OF USING SUCH HEAT EXCHANGERS}

본 출원은 그 전체 개시 내용이 본 명세서에 원용되는 것으로 2011년 2월 3일 출원된 미국 가특허 출원 제61/439,199호와, 2012년 1월 20일 출원된 미국 비가특허 출원 제13/355,303호 및 제13/355,309호의 이익을 주장한다.

본 개시의 분야는 열교환기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 배플 장착 쉘 앤드 튜브 열교환기에 관한 것이다. 본 개시의 분야는 또한 반응 생성 가스를 생성하기 위한 열교환기와 반응 용기의 사용을 수반하는 방법을 포함하는 열교환기의 사용 방법에 관한 것이다.

다양한 공정 시스템(예컨대 반응기 시스템)은 비교적 높은 온도 및/또는 비교적 낮은 온도의 공정 스트림의 사용을 수반한다. 이런 스트림의 냉각 및/또는 가열은 상당한 에너지 비용을 수반할 수 있다. 이런 비용을 저감하기 위해 공정 스트림은 열을 교환하여 에너지 비용을 저감하도록 열적으로 접촉할 수 있다. 그러나 공정 가스가 일정량의 부식성 가스를 함유하는 경우에는 이런 열 접촉이 곤란하거나 심지어는 금지된다. 부식성 가스가 존재하는 경우 대개 종래에는 다른 공정 가스와의 열 교환이 일어날 수 있기 전에 가스의 부식성이 낮아지는 온도까지 공정 가스가 신속히 가열되거나 냉각되어야할 필요가 있어서 시스템의 에너지 요건이 증가하였다.

부식성 가스의 생성으로 인해 다른 공정 가스와의 열 교환이 제한되는 이런 시스템의 예로는 실리콘 테트라클로라이드가 수소와 반응하여 트리클로로실란을 생성하는 반응 시스템이 있다. 이 반응은 부산물로서 염화수소를 생성한다. 트리클로로실란에 대한 평형 반응은 고온에서 유리하기 때문에 염화수소는 통상 고온이어서 종래에는 급랭될 필요가 있었다. 이로 인해 종래에는 생성 가스로부터 다른 공정 스트림으로 전달될 수 있는 열의 양이 제한되었다.

따라서, 공정 가스(예컨대 부식성 가스를 함유하는 가스)가 생성 가스의 생성 후에 비교적 신속하게 가열되거나 냉각될 수 있도록 하는 반응기와 열교환 시스템에 대한 지속적인 요구가 존재한다. 또한, 유입(incoming) 공정 스트림의 온도 및 유동 프로필을 향상시키는 열교환기에 대한 지속적인 요구가 존재한다. 또한, 이런 열교환기 및/또는 반응기 용기의 사용을 수반하는 방법에 대한 지속적인 요구가 존재한다.

본 개시의 일 양태는 두 공정 스트림 간에 열을 전달하는 쉘 앤드 튜브 열교환기에 관한 것이다. 열교환기는 쉘과, 쉘 내부의 튜브 다발과, 환형 배플과, 중앙 배플을 포함한다. 다발은 복수의 중앙 튜브와 복수의 주변 튜브를 포함한다. 환형 배플은 외측 에지, 내측 에지 및 외측 에지와 내측 에지 사이에 형성되는 복수의 주변 개구를 가진다. 주변 튜브는 환형 배플의 주변 개구를 통과한다. 중앙 배플은 복수의 중앙 개구를 가지며 중앙 튜브는 중앙 개구를 통과한다.

본 개시의 다른 양태는 반응기 공급 가스 내의 하나 이상의 화합물을 반응시키고 반응기 공급 가스와 반응기 생성 가스 간에 열을 교환하는 반응기 장치에 관한 것이다. 본 장치는 반응기 공급 가스와 반응기 생성 가스 간에 열을 전달하는 쉘 앤드 튜브 열교환기와 반응 용기를 포함한다. 반응 용기는 반응이 일어나는 반응 챔버를 포함하고 벽을 가진다. 쉘 앤드 튜브 열교환기는 반응 챔버와 유체 연통하는 쉘과, 쉘 내부의 튜브 다발을 포함한다. 튜브 다발은 벽을 통해 반응 용기 내로 연장된다. 다발은 복수의 중앙 튜브와, 중앙 튜브와 쉘 사이의 복수의 주변 튜브를 포함한다. 튜브는 반응 챔버와 유체 연통한다.

본 개시의 또 다른 양태는 쉘 앤드 튜브 열교환기를 사용하여 두 공정 스트림 간에 열을 전달하는 방법에 관한 것이다. 쉘 앤드 튜브 열교환기는 쉘, 쉘 내부의 튜브 다발 및 튜브 다발과 쉘 사이에 형성되는 챔버를 포함한다. 다발은 복수의 중앙 튜브, 그리고 중앙 튜브와 쉘 사이의 복수의 주변 튜브를 포함한다. 교환기는 외측 에지, 내측 에지 및 외측 에지와 내측 에지 사이에 형성되는 복수의 주변 개구를 가지는 환형 배플을 포함한다. 주변 튜브는 주변 개구를 통과한다. 교환기는 복수의 중앙 개구와 외측 에지를 가지는 중앙 배플을 포함한다. 주변 튜브는 중앙 배플의 외측 에지와 쉘 사이를 통과하고 중앙 튜브는 중앙 개구를 통과한다. 제1 공정 가스는 튜브 다발과 쉘 사이에 형성되는 챔버에 도입된다. 제1 공정 가스는 환형 배플의 중앙 개구를 통과하고 중앙 배플의 외측 에지와 쉘 사이를 통과한다. 제2 공정 가스는 주변 튜브와 중앙 튜브에 도입된다.

본 개시의 추가적인 양태는 반응기 공급 가스 내의 하나 이상의 화합물을 반응시키고 반응기 공급 가스와 반응기 생성 가스 간에 열을 교환하는 방법에 관한 것이다. 반응과 열교환은 반응이 일어나는 반응 챔버와 벽을 가지는 반응 용기를 구비한 반응기 장치 내에서 일어난다. 본 장치는 또한 반응기 공급 가스와 반응기 생성 가스 간에 열을 전달하는 쉘 앤드 튜브 열교환기를 포함한다. 쉘 앤드 튜브 열교환기는 반응 챔버와 유체 연통하는 쉘과, 쉘 내부의 튜브 다발, 그리고 튜브 다발과 쉘 사이에 형성되는 챔버를 포함한다. 튜브 다발은 벽을 통해 반응 용기 내로 연장된다. 다발은 복수의 중앙 튜브, 그리고 중앙 튜브와 쉘 사이에 배치되는 복수의 주변 튜브를 가진다. 튜브는 반응 챔버와 유체 연통한다. 반응기 공급 가스는 쉘 앤드 튜브 열교환기의 주변 튜브와 중앙 튜브에 도입된다. 반응기 공급 가스가 반응 용기 내로 배출됨으로써 반응기 공급 가스의 하나 이상의 화합물이 반응하여 반응기 생성 가스를 형성하게 된다. 반응기 생성 가스는 튜브 다발과 쉘 사이에 형성되는 챔버에 도입된다. 반응기 생성 가스는 쉘로부터 배출된다.

본 개시의 상기 양태와 관련하여 언급된 특징을 갖춘 다양한 개선이 존재한다. 추가적인 특징이 본 개시의 상기 양태에 합체될 수도 있다. 이들 개선과 추가적인 특징은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예컨대 본 개시의 예시적인 실시예 중 어느 하나와 관련하여 후술되는 다양한 특징이 단독으로 또는 임의의 조합으로 본 개시의 상기 양태 중 임의의 것과 합체될 수 있다.

도 1은 본 개시의 제1 실시예에 따른 쉘 앤드 튜브 열교환기의 정면도이다.
도 2는 명료성을 위해 쉘이 제거된 열교환기의 사시도이다.
도 3은 명료성을 위해 쉘과 튜브가 제거된 열교환기의 부분의 분해 사시도이다.
도 4는 중앙 배플의 상면도이다.
도 5는 환형 배플의 상면도이다.
도 6은 명료성을 위해 튜브측 유출구와 제2 말단 플랜지가 제거된 열교환기의 상면도이다.
도 7은 분배판이 도시되어 있는 것으로, 도 2의 7-7 선을 따라 취한 열교환기의 단면도이다.
도 8은 열교환기 내부에 추가적인 가열 또는 냉각 유체를 순환시키기 위해 사용되는 제2 쉘을 도시하는 열교환기의 정면도이다.
도 9는 반응 용기와 쉘 앤드 튜브 열교환기를 포함하는 반응 장치의 단면도이다.
도 10은 명료성을 위해 용기가 제거된 도 9의 반응기 장치의 정면도이다.
도 11은 명료성을 위해 용기, 쉘 및 튜브가 제거된 도 9의 장치의 사시도이다.
도면 전체에 걸쳐 대응하는 참조번호는 대응하는 부품을 가리킨다.

이제 도 1을 참조하면, 본 개시에 따른 것으로 두 공정 스트림 간에 열을 교환하는 쉘 앤드 튜브 열교환기(9)가 도시되어 있다. 쉘 앤드 튜브 열교환기(9)는 교환기 내로 도입되는 제1 유체와 제2 유체의 열교환을 향상시키고 이에 따라 온도 프로필을 향상시키는 방식으로 교환기에 배열되는 상이한 두 유형의 배플(즉, 도 3에 도시된 중앙 배플과 환형 배플)을 포함한다.

일반적으로 제1 유체(예컨대 제1 공정 가스)는 교환기의 쉘측(shell-side)(즉, 튜브와 쉘 사이에 형성되는 챔버)에 도입되고 제2 유체(예컨대 제2 공정 가스)는 튜브측(tube-side)(즉, 교환기의 튜브)에 도입된다. 제1 유체는 환형 배플을 통과할 때는 교환기의 중앙부로 유동하도록 강제되고 중앙 배플의 주위를 통과할 때는 교환기의 주변부로 유동하도록 강제된다. 일반적으로 환형 배플과 중앙 배플은 교환기 내에 교번적으로 배치되는데, 이로 인해 제1 공정 가스는 교환기의 주변부와 교환기의 중앙부로 교번적 패턴으로 유동하도록 강제되어 제1 공정 스트림과 제2 공정 스트림 간의 열 전달을 향상시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 유체는 일반적으로 반응기 상부의 쉘측 유입구(6)에서 열교환기(9) 내로 진입하여 쉘측 유출구(10)에서 배출되며, 제2 유체는 반응기 저부의 튜브측 유입구(8)에서 열교환기(9)와 튜브 내로 진입하여 튜브측 유출구(16)에서 배출된다. 물론 다른 배열도 제한 없이 사용될 수 있다.

쉘 앤드 튜브 열교환기(9)는 반응기 장치(도 9)와 부분적 또는 전체적으로 일체화될 수 있으며, 이를 통해 반응기 공급 가스가 반응기 생성 가스와의 열 교환 후에 반응기 내로 진입할 수 있도록 한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 반응기 공급 가스는 반응기의 튜브에 도입되고 반응 챔버로 배출되며 반응을 통해 생성 가스를 형성한다. 이어서 생성 가스는 반응기의 쉘측(즉, 반응기의 튜브와 쉘 사이에 형성되는 공간)에 도입되어 공급 가스와 열을 교환한 후 교환기의 저부에서 배출된다. 다른 배열도 제한 없이 사용될 수 있다.

선택적으로, 도 9의 반응기 장치는 실리콘 테트라클로라이드로부터 트리클로로실란을 생성하는 공정에 사용될 수 있다. 실리콘 테트라클로라이드와 수소는 튜브측에서 열교환기(9')에 도입될 수 있다. 실리콘 테트라클로라이드와 수소는 가스가 교환기에서 배출되어 반응 챔버(5) 내로 진입할 때까지 교환기(9') 내에서 계속 상향으로 유동한다. 실리콘 테트라클로라이드와 수소는 (예컨대 저항 가열기에 의해) 챔버(5)에서 가열되어 트리클로로실란과 염화수소를 포함하는 반응 생성 가스를 생성한다. 이 반응 생성 가스는 챔버(5) 외부로 유동하도록 강제되어 교환기(9')의 쉘측으로 진입한다. 생성 가스가 교환기(9')를 통해 쉘측을 이동할 때, 생성 가스는 유입 공급 가스를 가열한다. 선택적으로 교환기(9')는 쉘측의 반응 생성 가스가 급속 냉각되도록 워커 재킷을 장착할 수 있는데, 이는 트리클로로실란으로의 전환에 유리하고(예컨대 역반응이 일어나는 것을 방지한다) 반응 성분의 부식을 방지한다(예컨대 약 400℃ 미만으로 급속 냉각함으로써 휘발성 금속 클로라이드의 형성을 방지한다).

쉘 앤드 튜브 열교환기

다시 도 1을 참조하면, 두 공정 스트림 간에 열을 교환하는 쉘 앤드 튜브 열교환기(9)가 도시되어 있다. 교환기(9)는 쉘(25)과, 쉘(25) 내부에 배치되는 튜브 다발(미도시)을 포함한다. 교환기(9)는 제1 공정 가스(81)가 도입되는 쉘측 유입구(6)와 제2 공정 가스(96)가 도입되는 튜브측 유입구(8)를 포함한다. 제1 공정 가스(81)는 튜브 자체 사이의 공간을 포함하여 튜브 다발의 튜브와 쉘 사이에 형성되는 챔버 내부에서 유동하며, 제2 공정 가스(96)는 튜브 다발의 튜브 내부에서 유동한다. 제1 가스(81)와 제2 가스(96)는 일반적으로 쉘 앤드 튜브 열교환기(9)를 통과할 때 대향류(countercurrent) 방식으로 유동하지만, 다른 유동 패턴(병류(concurrent flow) 및/또는 멀티패스(multi-pass) 시스템)도 제한 없이 사용될 수 있음은 물론이다. 열교환기(9) 내에서의 열 접촉 후, 제1 공정 가스(81)는 쉘측 유출구(10)에서 배출되고 제2 공정 가스(96)는 튜브측 유출구(16)에서 배출된다. 이와 관련하여, 예컨대 후술되는 교환기(9')(도 9)의 유입구 및 유출구 배열과 같은 다른 유입구 및 유출구 배열이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

이제 도 2(명료성을 위해 쉘은 도시 안 됨)와 도 6을 참조하면, 튜브 다발(21)은 일반적으로 중심(C)를 중심으로 동심원으로 배열되는 다수의 튜브를 포함한다. 튜브는 일반적으로 제1 말단 플랜지(29)로부터 제2 말단 플랜지(27)까지 연장된다. 다수의 배플(30, 35)은 다발(21) 내부에 튜브를 고정하는 것을 돕고, 제1 공정 가스의 교환기 내부에서의 유동에 영향을 미치며, 그 결과 제1 가스 및 제2 가스의 온도 프로필에 영향을 미친다. 도 3은 배플(30, 35)의 배열을 도시하는데, 튜브 다발(21)은 명료성을 위해 도시되지 않았고 쉘측 유입구(6) 및 유출구(10)와 튜브측 유입구(8) 및 유출구(16)가 배플(30, 35)의 상대 위치를 예시하기 위해 도시되어 있다. 교환기(9)는 다수의 중앙 튜브(미도시)를 고정하는 복수의 중앙 배플(30)과 다수의 주변 튜브(미도시)를 고정하는 복수의 환형 배플(35)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙 배플(30)과 환형 배플(35)은 교환기 내에서의 상대 위치가 교번적이지만, 중앙 배플(30)과 환형 배플(35)의 다른 배열도 제한 없이 사용될 수 있음은 물론이다. 제1 공정 가스(81)의 유동 패턴이 도 3에 도시되어 있다. 유동 패턴에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 공정 가스(81)는 중앙 배플(30)의 외부로 유동하고 환형 배플(35)의 안쪽을 통해 유동하도록 강제됨으로써 제1 공정 가스와 제2 공정 가스 간의 열교환을 촉진하는 교차류(cross-flow)를 생성한다.

도 4에는 중앙 배플(30)이 도시되어 있다. 중앙 배플(30)은 중앙 튜브들이 통과하는 복수의 중앙 개구(2)를 포함한다. 중앙 배플은 외측 에지(37)를 갖는다. 주변 튜브(미도시)는 중앙 배플(30)의 외측 에지(37)와 쉘(25)(도 1) 사이를 통과한다. 중앙 배플(30)은 타이로드(tie-rod) 개구(4)가 형성되는 다수의 외향 전개부(flare-out portion)(9)를 포함한다. 타이로드(미도시)는 타이로드 개구(4)를 통과하며 배플(30, 35)에 안정성을 제공한다. 타이로드는 임의의 적절한 방식으로 배플(30, 35)에 부착될 수 있는데, 예컨대 스페이서(미도시)를 사용하는 방식이 있다.

도 5에는 환형 배플(35)이 도시되어 있다. 환형 배플(35)은 중심(C), 환형 외측 에지(11) 및 환형 내측 에지(17), 그리고 환형 외측 에지(11)와 환형 내측 에지(17) 사이에 형성되는 복수의 주변 개구(12)를 가진다. 중앙 개구(3)는 환형 배플(35)의 내측 에지(17)로부터 중심(C)까지 연장된다. 주변 튜브들(미도시)은 주변 개구들(12)을 통과하고 중앙 튜브들(미도시)은 중앙 개구(3)를 통과한다. 환형 배플(35)은 배플(35)을 안정시키기 위해 타이로드가 통과하는 타이로드 개구(14)를 포함한다.

도 6은 중앙 배플(30)이 도시되고 환형 배플(35)이 부분적으로 도시된 교환기(9)의 상면도를 도시한다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 중앙 튜브(48)는 중앙 개구(2)를 통과하고 주변 튜브(49)는 주변 개구(12)를 통과한다. 쉘(25)의 내벽(34)의 반경(R)은 환형 배플(35)의 환형 외측 에지(11)의 반경과 실질적으로 동일하며 환형 배플(35)은 일반적으로 쉘(25)과 접촉한다. 마찬가지로, 중앙 배플(30)의 외향 전개부(9)도 쉘의 내벽(34)과 접촉한다.

환형 배플(35)(도 5)은 제1 공정 가스가 열교환기의 중앙을 향해 유동하도록 강제하기에 충분한 폭(W)을 가져야 한다. 본 개시의 하나 이상의 실시예에서, 환형 배플(35)의 폭과 환형 외측 에지(11)의 반경(R)의 비(W:R)는 적어도 약 1:5, 적어도 약 1:3 또는 적어도 약 1:2(예컨대 약 1:5 내지 약 4:1 또는 약 1:5 내지 약 1:1)가 되어야 한다. 이들 실시예 및 다른 실시예에서, 환형 배플(35)은 제1 공정 가스의 경로를 차단하는 폭에 걸친 단면적을 한정할 수 있다. 환형 배플(35)에 의해 한정되는 단면적(환형 배플의 경우에는

일 수 있음)과 교환기의 쉘의 단면적(원통형 쉘 앤드 튜브의 교환기의 경우에는

일 수 있음)의 비는 적어도 약 1:10, 적어도 약 1:5 또는 적어도 약 1:3(예컨대 약 1:10 내지 약 3:1 또는 약 1:5 내지 약 1:1)일 수 있다.

이와 관련하여, 중앙 배플(30)(도 4)은 제1 공정 가스가 쉘 앤드 튜브 교환기의 주변부로 유동하도록 강제하기에 적절한 크기로 설정될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 중앙 배플에 의해 한정되는 단면적은 환형 배플(35)의 중앙 개구(3)(도 5)의 단면적에 근접하거나 이를 초과할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 중앙 배플(도 4)의 단면적과 환형 배플의 중앙 개구(3)의 단면적(약

일 수 있음)의 비는 적어도 약 1:5, 적어도 약 1:3 또는 적어도 약 2:3(예컨대 약 1:5 내지 약 3:1 또는 약 1:3 내지 약 1:1)이다. 환형 배플(35)과 중앙 배플(30)의 두께는 제1 가스가 교환기를 통과할 때 배플에 구조적 무결성을 제공하기에 충분해야 한다. 배플(30, 35)의 에지는 배플 전체에 걸쳐 압력 강하를 저감하도록 경사면(beveled)이 형성될 수 있다.

일반적으로 교환기(9)는 복수의 환형 배플(35) 및/또는 복수의 중앙 배플(30)을 포함한다. 예컨대 교환기(9)는 적어도 약 두 개, 적어도 약 세 개, 적어도 약 네 개, 적어도 약 다섯 개 또는 약 여섯 개 이상의 환형 배플을 포함할 수 있다. 마찬가지로 교환기(9)는 적어도 약 두 개, 적어도 약 세 개, 적어도 약 네 개, 적어도 약 다섯 개 또는 약 여섯 개 이상의 중앙 배플을 포함할 수 있다. 환형 배플과 중앙 배플의 총합계는 적어도 약 세 개, 적어도 약 다섯 개, 적어도 약 일곱 개 또는 약 열 개 이상일 수 있다.

도 3과 도 11에 도시된 바와 같이, 일반적으로 환형 배플(35)과 중앙 배플(30)은 제1 공정 가스가 튜브 다발의 중앙과 튜브 다발의 주변부 영역으로 번갈아가며 유동할 수 있도록 교번적으로 배치된다. 몇몇 실시예에서는, 두 개 이하의 환형 배플이 서로 인접하거나(즉, 중앙 배플이 사이에 배치되지 않도록 튜브 다발에 배치되거나) 환형 배플이 서로 인접하지 않는다. 추가 또는 대안으로서 몇몇 실시예에서는, 두 개 이하의 중앙 배플이 서로 인접하거나 중앙 배플이 다른 중앙 배플과 인접하지 않는다.

열교환기, 및 특히 실리콘 테트라클로라이드로부터 트리클로로실란을 생성하기 위한 반응 시스템 내에 사용되는 열교환기의 열전달 역학이 배플(30, 35) 간의 평균 거리(D₁)를 제한함으로써 향상될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 따라서 본 개시의 여러 실시예에서는, 배플 간의 평균 축거리(D₁)와 쉘 및/또는 배플의 내벽(34)의 직경(D₂)(즉, 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이

)의 비가 약 3:1 내지 약 1:3, 약 2:1 내지 약 1:2 또는 약 2:1 내지 약 1:1이다. 이와 관련하여, 배플 간의 평균 축거리(D₁)는 튜브 다발을 지지하기 위해 사용되는 배플의 개수(N)로 튜브 다발의 길이(L)를 나눔으로써 결정될 수 있다.

이제 도 7을 참조하면, 교환기는 제2 가스(96)를 교환기 내로 분배하기 위해 플레넘(41)이 내부에 형성된 분배판(40)을 포함한다. 플레넘(41)은 주변 튜브 및 중앙 튜브 내로 유체를 도입하기 위해 주변 튜브 및 중앙 튜브와 유체 연통한다.

몇몇 실시예에서 그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 열교환기(9)는 제1 쉘(미도시)과 동심이고 제1 쉘의 반경보다 큰 반경을 가지는 제2 쉘(43)을 포함하여 제1 쉘과 제2 쉘 사이에 환형 챔버를 형성한다. 유체(예컨대 물)는 쉘측 가스를 가열하거나 냉각하기 위해 환형 챔버 내외로 입출될 수 있다. 유체는 임의의 개수의 위치에서 재킷 내외로 입출될 수 있다.

이와 관련하여, 쉘 및 튜브 열교환기(9)와 다양한 대응 부품이 일반적으로 원통형으로 도시되어 있긴 하지만, 다른 배열도 사용될 수 있으며 원통형 배열은 제한적인 방식으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에서는 쉘측 유체와 튜브측 유체가 일반적으로 가스인 것으로 설명되긴 했지만 해당 유체는 제한 없이 액체일 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 제한 없이, 쉘측 유체가 튜브측 유체에 열을 전달할 수도 있고 튜브측 유체가 쉘측 유체에 열을 전달할 수도 있다.

일체형 쉘 앤드 튜브 열교환기 및 반응 챔버를 포함하는 반응 장치

전술한 쉘 앤드 튜브 열교환기(9)는 반응기 공급 가스 내의 하나 이상의 화합물을 반응시키고 반응기 공급 가스와 반응기 생성 가스 간에 열을 교환하는 반응기 장치에 합체될 수 있다. 이제 도 9를 참조하면, 반응기 공급 가스 내의 하나 이상의 화합물을 반응시키고 반응기 공급 가스와 반응기 생성 가스 간에 열을 교환하기 위한 반응기 장치(3)가 도시되어 있다. 장치(3)는 반응기 공급 가스(94)가 도입되는 쉘 앤드 튜브 열교환기(9')와, 관련 반응의 상당 부분이 일어나는 반응 용기(5)를 포함한다. 반응 용기(5)에서 형성되는 반응기 생성 가스(81)는 교환기(9')에 도입되며, 이로써 보다 충분히 후술하는 바와 같이 생성 가스(81)와 공급 가스(94)가 열적으로 소통하고 열을 교환할 수 있게 된다.

이제 명료성을 위해 제2 쉘과 반응 용기가 도시되지 않은 도 10을 참조하면, 교환기(9')는 쉘(25')과, 쉘(25') 내부에 부분적으로 배치되는 튜브 다발(21')을 포함한다. 도 1 내지 도 8에 도시된 쉘 앤드 튜브 열교환기(9)와는 달리, 튜브 다발(21')은 쉘(25')로부터 반응 용기(5)(도 9) 내로 연장되는 상부(26)와, 쉘(25') 내부에 배치되는 하부(22)(미도시)를 포함한다. 도 1 내지 도 8에 도시된 쉘 앤드 튜브 열교환기(9)와는 달리, 교환기(9')의 쉘측 유입구와 튜브측 유출구는 반응 용기(5) 내부에 배치된다. 쉘 앤드 튜브 교환기(9')는 튜브의 상단부가 고정되는 말단 플랜지(27)를 포함한다.

교환기(9') 내의 배플(30, 35)의 배열은 도 11에 도시되어 있다. 본 배열은 (배플 간의 평균 거리와 배플 직경의 비를 포함하여) 일반적으로 도 3에 도시된 바와 같은 교환기(9)와 관련하여 전술한 배열에 대응하지만, 교환기(9')는 튜브 다발(21')의 상부(26)(도 10)에 대한 지지를 제공하는 두 개의 추가 환형 배플(35)을 포함한다. 이 두 개의 추가 배플(35)은 선택적인 것으로, 몇몇 실시예에서는 교환기(9')가 튜브 다발(21')의 상부(26)(도 10)를 지지하는 하나의 추가 배플(35)만을 포함하거나, 아니면 다른 실시예에서와 같이 추가 배플이 사용되지 않는다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 본 개시의 몇몇 실시예에 따르면, 두 개 이하의 환형 배플이 서로 인접하며 중앙 배플은 다른 중앙 배플에 인접하지 않는다. 명료성을 위해 생성 가스(81)의 유동 패턴이 도 11에 도시되어 있다. 이와 관련하여, 생성 가스(81)는 반응 용기(5)(도 9) 내로 연장되는 튜브 다발(21')의 부분(26)(도 10)의 임의의 부분 내부에 형성된 공간으로 진입함으로써 반응기 내로 진입할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 생성 가스가 쉘 상부에서 교환기(9') 내로 진입하도록 쉘(미도시)은 반응 용기 내로 연장되는 튜브 다발(21')의 부분(26)(도 10)을 부분적으로 덮는다(예컨대 쉘은 두 개의 최상측 주변 배플(35)을 덮을 수 있으며, 생성 가스는 말단 플랜지(27)와 최상측 주변 배플(35) 사이에서 진입한다). 물론 다른 배플 배열도 본 개시의 범위 내에서 고려된다.

다시 도 9를 참조하면, 반응 용기(5)의 벽은 관련 반응이 일어나는 반응 챔버(60)를 한정하는 기저판(55)과 마개가 씌워진(capped) 원통형 벽(52)을 포함한다. 용기(5)는 유입 가스를 가열하기 위해 챔버(60) 내에 다수의 가열 소자(예컨대 저항 가열기)를 포함할 수 있으며 부식성 가스의 탈출을 방지하고 용기(5)를 단열하기 위해 용기 내에 하나 이상의 열 차폐물(heat shield)을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 반응기 용기(5)는 내측 열 차폐물과 외측 열 차폐물을 포함한다. 내측 열 차폐물은 가스(예컨대 수소, 실리콘 테트라클로라이드)의 탈출을 방지할 수 있으며 예컨대 압출성형 흑연, 등방성 흑연, 실리콘 카바이드, 석영 및 실리콘 질화물로 구성될 수 있다. 외측 열 차폐물은 반응기 장치(3)의 열 손실을 방지하기 위해 사용될 수 있으며 예컨대 탄소 섬유, 연질 펠트, 경질 펠트, 탄소복합재, 천연 흑연 시트 및 석영으로 구성될 수 있다. 반응 용기(5)와 열교환기(9')(그리고 도 1 내지 도 8에 도시된 열교환기(9))의 구성 재료는 그 내부로 전달되고/되거나 반응하는 다양한 유체에 대한 노출 등이 이루어지는 환경에서 내부식성을 갖도록 선택될 수 있다. 적절한 구성 재료는 본 개시의 분야에 널리 공지되어 있으며 그 예로는 실리콘 카바이드, 스테인레스강, INCONEL 합금 및 HASTELLOY 합금이 있다. 몇몇 실시예에서 튜브 다발(21)은 실리콘 카바이드(예컨대 소결 실리콘 카바이드)로 구성된다.

반응기 장치(3)는 사용을 위해 선택된 다양한 반응제와 생성 가스를 반응시키는 공지된 방법 중 임의의 방법에 따라 작동할 수 있다. 일반적으로 반응기 공급 가스(또는 서로 다른 두 개 이상의 반응기 공급 가스가 사용되는 실시예의 공급 가스)는 쉘 앤드 튜브 열교환기(9')의 주변 튜브 및/또는 중앙 튜브에 도입된다. 반응기 공급 가스는 반응기 공급 가스의 하나 이상의 화합물이 반응하여 반응기 생성 가스를 형성하도록 반응 용기 내로 배출된다. 반응 후에 반응기 생성 가스는 튜브 다발과 쉘 사이에 형성되는 챔버 내로 교환기(9')에 다시 도입된다.

이와 관련하여, 반응기 가스가 반응이 일어날 수 있기 전에 교환기(9')에 다시 공급되어 반응기 장치(3)로부터 배출되는 것을 방지하기 위해 도 9에 도시된 바와 같이 생성 가스가 교환기(9')에 도로 공급되는 위치보다 위의 지점에서 반응기 가스를 챔버(60) 내로 배출하는 것이 일반적으로 유리하다. 추동력(motive force)을 제공하여, 생성 가스가 교환기(9') 내로 후퇴하는 지점까지 가스가 후퇴하기 전에 가스가 챔버의 상부에 도달할 수 있도록 주변 튜브와 중앙 튜브는 노즐(즉, 튜브 자체보다 작은 임의의 배출 개구)에서 종단될 수 있다. 이와 관련하여, 반응기 공급 가스는 반응 가스의 가열 또는 냉각 중에 튜브 자체 내에서 부분적으로 반응할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

실리콘 테트라클로라이드로부터 트리클로로실란의 생성

본 개시의 하나 이상의 특정 실시예에서, 반응기 장치(3)는 실리콘 테트라클로라이드와 수소로부터 트리클로로실란을 생성하기 위해 사용된다. 실리콘 테트라클로라이드는 일반적으로 하기 반응식에 따라 수소와 반응하여 트리클로로실란을 생성한다.

SiCl₄ + H₂ → SiHCl₃ + HCl (1)

소량의 트리클로로실란이 하기 반응식에 따라 추가로 수소와 반응하여 디클로로실란을 형성할 수 있다.

SiHCl₃ + H₂ → SiH₂Cl₂ + HCl (2)

실리콘 테트라클로라이드와 수소는 쉘 앤드 튜브 교환기(9')의 튜브에 도입되는 반응기 공급 가스에 포함될 수 있다. 실리콘 테트라클로라이드와 수소는 (예컨대 저항 소자를 사용하여) 반응 용기에서 추가로 가열되어 트리클로로실란, 염화수소, 미반응 실리콘 테트라클로라이드 및 수소를 포함하는 생성 가스를 형성한다. 이로써 얻은 생성 가스는 교환기(9')에 도입되어 유입 반응 공급 가스를 가열한다. 도 8과 관련하여 전술한 바와 같이, 교환기(9')는 제2 쉘(43)을 포함하는데, 제1 쉘과 제2 쉘 사이에 사이에는 냉각 유체가 순환될 수 있는 환형 챔버가 형성된다. 이로 인해 쉘측 생성 가스가 급랭되어 후속(down stream) 가공(예컨대 정제, 다결정 생성) 전에 생성 가스의 부식이 저감되고 반응 전환율이 증가한다(즉, 트리클로로실란이 실리콘 테트라클로라이드나 다른 화합물로 도로 복귀하는 것을 방지한다).

이와 관련하여 추가로 언급하자면, 기술분야의 기술자가 알고 있는 수소화 반응에 적절한 임의의 용기(5)가 제한 없이 사용될 수 있다. 용기(5)는 트리클로로실란으로의 전환에 유리한 온도까지 유입 가스를 가열하기 위해 다수의 가열 소자를 포함할 수 있다. 실리콘 테트라클로라이드를 트리클로로실란으로 전환하기 위해 반응 용기(5)의 내용물은 적어도 약 800℃의 온도까지 가열될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 실리콘 테트라클로라이드와 수소는 적어도 약 900℃, 적어도 약 1000℃ 또는 적어도 약 1100℃(예컨대 약 800℃ 내지 약 1200℃ 또는 약 1000℃ 내지 약 1200℃)의 온도까지 가열된다. 반응 용기(5)는 트리클로로실란의 형성을 촉진하도록 가압될 수도 있다. 예컨대 반응 용기(5)는 적어도 약 2 bar의 압력에서 작동할 수 있으며, 다른 실시예에서는 적어도 약 5 bar, 적어도 약 10 bar 또는 적어도 약 15 bar(예컨대 약 2 bar 내지 약 20 bar 또는 약 8 bar 내지 약 15 bar)의 압력에서 작동할 수 있다. 반응 장치(3)에 도입되는 수소와 실리콘 테트라클로라이드의 비는 반응 조건에 따라 변경될 수 있다. 화학양론적 과량의 수소를 사용하면 통상적으로 트리클로로실란으로의 전환율이 증가한다. 다양한 실시예에서, 수소와 실리콘 테트라클로라이드의 몰 비(molar ratio)는 적어도 약 1:1, 적어도 약 2:1 또는 적어도 약 3:1(예컨대 약 1:1 내지 약 5:1 또는 약 1:1 내지 약 3:1)이다. 이와 관련하여, 실리콘 테트라클로라이드와 수소는 통상적으로 동일한 공급 가스 내에 존재하지만, 특정 실시예에서는 실리콘 테트라클로라이드와 수소는 해당 가스들이 분리된 튜브들 내에서 이동하여 반응 챔버(5) 내로 진입할 때까지 서로 혼합되지 않도록 반응 장치에 도입될 수 있다.

일반적으로 실리콘 테트라클로라이드 중 적어도 약 20%는 적어도 약 30% 또는 경우에 따라서는 적어도 약 40%의 전환율(예컨대 약 20% 내지 약 40%의 전환율)로 반응기에서 트리클로로실란으로 전환된다. 이로써 얻은 수소화 가스는 트리클로로실란, 소량의 부산물(by-product) 디클로로실란, 미반응 실리콘 테트라클로라이드, 미반응 수소 및 염화수소를 함유한다. 반응 장치(3)에 첨가되는 초과 수소의 양에 따라, 생성 가스 내의 트리클로로실란의 양은 적어도 약 5 vol%일 수 있으며, 다른 실시예에서는 적어도 약 15 vol% 또는 적어도 약 25 vol%(예컨대 약 5 vol% 내지 약 40 vol%, 약 5 vol% 내지 약 20 vol% 또는 약 5 vol% 내지 약 10 vol%)일 수 있다. 마찬가지로, 수소화 가스 내의 염화 수소의 양은 적어도 약 5 vol%일 수 있으며, 다른 실시예에서는 적어도 약 15 vol% 또는 적어도 약 25 vol%(예컨대 약 5 vol% 내지 약 40 vol%, 약 5 vol% 내지 약 20 vol%, 또는 약 5 vol% 내지 약 10 vol%)일 수 있다. 미반응 실리콘 테트라클로라이드의 양은 생성 가스 스트림의 적어도 약 10 vol%, 적어도 약 20 vol%, 적어도 약 30 vol% 또는 적어도 약 40 vol%(예컨대 약 10 vol% 내지 약 40 vol%, 약 10 vol% 내지 약 30 vol% 또는 약 15 vol% 내지 약 25 vol%)일 수 있다. 부산물 디클로로실란의 양은 적어도 약 0.2 vol%, 적어도 약 0.4 vol%, 적어도 약 0.8 vol% 또는 적어도 약 1.0 vol%일 수 있다. 생성 가스의 나머지는 통상적으로 수소이다. 예컨대 반응기 생성 가스는 적어도 약 40 vol%의 수소를 포함할 수 있거나, 다른 실시예에서는 적어도 약 50 vol%, 적어도 약 60 vol%, 적어도 약 70 vol% 또는 적어도 약 80 vol%(예컨대 약 40 vol% 내지 약 90 vol%, 약 50 vol% 내지 약 80 vol% 또는 약 60 vol% 내지 약 80 vol%)의 수소를 포함할 수 있다.

이와 관련하여, 도 11에 도시된 바와 같은 배플 배열을 갖는 교환기(9')를 포함하는 반응기 장치(3)가 트리클로로실란의 생성시 유리한 쉘측 및 튜브측 온도 프로필을 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 특히 튜브측 반응기 공급 가스가 반응기에 도입되기 전에 적어도 약 600℃, 적어도 약 650℃ 또는 적어도 약 700℃(예컨대 약 600℃ 내지 약 850℃, 약 600℃ 내지 약 800℃)까지 가열될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 쉘측 생성 가스는 신속하게 냉각되는데, 이는 역학적으로 유리하며 (예컨대 쉘(25)이 반응 용기(5)에 부착되는 지점에서) 교환기(9')에 부식성 열점(hotspot)이 발생하는 것을 방지하는 데 도움을 준다. 트리클로로실란 함유 반응기 생성 가스는 쉘 앤드 튜브 열교환기(9')에서 배출되기 전에 약 550℃ 미만 또는 약 450℃ 미만까지 냉각될 수 있다.

실리콘 테트라클로라이드로부터의 트리클로로실란 생성과 관련하여 전술한 방법은 다결정 실리콘을 생성하는 대형 시스템에 합체될 수 있다. 예컨대 반응기 생성 가스로부터 얻은 트리클로로실란은 다결정 실리콘을 생성하기 위해 제2 반응 용기에 도입될 수 있다. 제2 반응 용기는 트리클로로실란이 유동상(fluidized) 실리콘 입자와 접촉하여 입자에 실리콘을 증착함으로써 입자가 다결정 실리콘 생성물(즉, "과립형(granular)" 다결정 실리콘)로서 반응기에서 배출될 때까지 계속해서 크기가 성장할 수 있도록 하는 유동화 베드일 수 있거나, 아니면 실리콘이 가열된 실리콘 로드 상에 증착되는 지멘스형(Siemens-type) 반응기일 수 있다.

반응기 생성 가스는 다결정 실리콘을 생성하기 위해 제2 반응 용기에 도입되기 전에 정제된 트리클로로실란 스트림을 생성하기 위해 정제 시스템(예컨대 하나 이상의 증류탑)에 도입될 수 있다(즉, 염화수소 및/또는 실리콘 테트라클로라이드가 반응기 생성 가스로부터 제거될 수 있다). 또한, 분리 시스템은 반응기 장치(3)로 실리콘 테트라클로라이드를 재순환시키기 위해 미반응 실리콘 테트라클로라이드를 분리할 수 있다. 반응기 생성 스트림은 약 10 vol% 미만의 트리클로로실란 이외의 화합물(예컨대 실리콘 테트라클로라이드)을 함유하도록 정제될 수 있으며 불순물을 덜 함유할 수 있는데, 예컨대 트리클로로실란 이외의 화합물은 약 5 vol% 미만, 약 1 vol% 미만, 약 0.1 vol% 미만 또는 약 0.001 vol% 미만일 수 있다.

정제된 반응기 생성 가스는 다결정 실리콘 생성물로서 반응기로부터 회수될 수 있는 다결정 실리콘을 생성하기 위해 성장 실리콘 종자(seed) 입자를 유동화하는 유동화 베드 반응기(또는 지멘스형 반응기가 사용되는 실시예에서는 지멘스 반응기)에 도입된다. 다결정 실리콘은 하기 반응에 따라 실리콘 테트라클로라이드 부산물의 형성과 함께 트리클로로실란으로부터 생성된다.

SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl (3)

SiHCl₃ + HCl → SiCl₄ + H₂ (4)

트리클로로실란 이외에도, 수소가 캐리어 가스로서 유동화 베드 반응기에 도입되어 다결정 실리콘으로의 전체 전환율을 향상시킨다. 유동화 베드 반응기는 그 전체 개시 내용이 본 명세서에 원용되는 것으로 "유동화 베드 반응기에서 트리클로로실란의 열분해에 의한 다결정 실리콘의 생성(Production of Polycrystalline Silicon by the Thermal Decomposition of Trichlorosilane in a Fluidized Bed Reactor)"을 발명의 명칭으로 하여 2010년 10월 22일 출원된 미국특허출원 제12/190,465호에 따라 작동할 수 있다. 예컨대 트리클로로실란은 반응기의 코어 영역으로 보내질 수 있으며, 반응기에 도입되는 트리클로로실란의 전체 농도는 적어도 약 20 vol%(예컨대 약 20 vol% 내지 약 50 vol%)일 수 있다. 유입되는 공급 가스는 약 350℃ 미만의 온도일 수 있다. 반응기는 약 90% 미만의 평형률 및 약 10초 미만의 체류 시간에서 작동할 수 있다. 반응기는 약 3 bar 내지 약 8 bar의 압력에서 작동할 수 있으며 반응 가스는 적어도 약 700℃(예컨대 약 700℃ 내지 약 1300℃)의 온도까지 가열될 수 있다. 유동화 베드 반응기를 통과하는 가스의 속도는 일반적으로 유동화 베드 내부의 입자를 유동화하기 위해 필요한 최소 유동화 속도의 약 1배 내지 약 8배의 속도로 유지될 수 있다. 반응기로부터 회수되는 입상 다결정 실리콘의 평균 직경은 약 800 ㎛ 내지 약 1200 ㎛일 수 있다. 반응기에서 배출되기 전에 배출 가스의 온도를 저감하여 실리콘 분진의 형성을 억제하기 위해 급랭 가스가 (예컨대 반응기의 프리보드(freeboard) 영역에서) 반응기에 도입될 수 있다. 공정 가스가 반응 챔버 내부의 크랙과 구멍을 통해 유동하지 않도록 보장하기 위해, 유동화 베드 반응기는 불활성 가스가 공정 가스의 압력보다 높은 압력(예컨대 약 0.005 bar 내지 약 0.2 bar 범위 내의 압력)에서 유지되는 외부 쉘을 포함할 수 있다.

본 개시의 몇몇 실시예에서, 유동화 베드 반응기 내에서의 트리클로로실란의 전환율은 적어도 약 40%, 적어도 약 55%, 적어도 약 70% 또는 적어도 약 80%(예컨대 약 40% 내지 약 90% 또는 약 55% 내지 약 90%)일 수 있다. 증착 실리콘에 대한 선택도는 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 적어도 약 25% 또는 적어도 약 30%(예컨대 약 15% 내지 약 40% 또는 약 20% 내지 약 30%)일 수 있다.

유동화 베드 반응기에서 배출되는 배출 가스는 실리콘 테트라클로라이드, 미반응 트리클로로실란 및 수소를 포함한다. 배출 가스는 소량의 다른 가스(예컨대 염화수소)와 실리콘 분진을 포함할 수도 있다. 본 개시의 몇몇 실시예에서, 배출 가스는 적어도 약 10 vol%, 적어도 약 15 vol%, 적어도 약 20 vol% 또는 적어도 약 30 vol%의 실리콘 테트라클로라이드(예컨대 약 10 vol% 내지 약 40 vol% 또는 약 10 vol% 내지 약 20 vol%의 실리콘 테트라클로라이드)를 함유할 수 있다. 배출 가스는 적어도 약 10 vol%, 적어도 약 15 vol%, 적어도 약 20 vol% 또는 적어도 약 30 vol%의 미반응 트리클로로실란(예컨대 약 10 vol% 내지 약 40 vol% 또는 약 10 vol% 내지 약 20 vol%의 미반응 트리클로로실란)을 함유할 수 있다. 배출 가스의 나머지의 대부분은 통상적으로 수소이다. 예컨대 유동화 베드 반응기에서 배출되는 배출 가스는 적어도 약 40 vol%, 적어도 약 50 vol%, 적어도 약 60 vol%, 적어도 약 70 vol%, 적어도 약 80 vol% 또는 적어도 약 90 vol%(예컨대 약 40 vol% 내지 약 90 vol% 또는 약 60 vol% 내지 약 80 vol%)의 수소를 포함할 수 있다. 배출 가스 내의 염화수소의 양은 약 5 vol% 미만일 수 있으며 통상적으로는 약 1 vol% 미만(예컨대 약 0.1 vol% 내지 약 5 vol%)이다. 배출 가스 내의 실리콘 분진의 양은 약 0.1 wt% 내지 약 5 wt%일 수 있다. 이와 관련하여, 열거된 성분을 대상으로 위에 언급된 포함 비율은 예시적인 것이며, 이와 다른 성분의 상대량이 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

유동화 베드 반응기가 사용되는 실시예에서, 유동화 베드 반응기로부터 생성되는 배출 가스는 트리클로로실란 열분해의 부산물로서 생성되는 실리콘 분진을 제거하기 위해 입자 분리기를 통과할 수 있다. 적절한 입자 분리기의 예로는 소결 금속 필터, 백 필터(bag filter) , 사이클로닉(cyclonic) 분리기 및 액체 스크러버(scrubber)가 있다. 분리된 실리콘 테트라클로라이드 부산물 및/또는 트리클로로실란은 쉘 앤드 튜브 열교환기의 주변 및 중앙 튜브에 실리콘 테트라클로라이드 부산물을 도입함으로써 선택적 정제 단계를 거친 후(예컨대 염화 수소 및/또는 실리콘 테트라클로라이드의 제거 후) 제1 반응기 장치(3)(도 9)로 재순환될 수 있다.

이와 관련하여, 전술한 반응기 장치는 그 전체 개시 내용이 본 명세서에 원용되는 것으로 "실질적 폐쇄형 루프 시스템에서 다결정 실리콘의 생성(Production of Polycrystalline Silicon in Substantially Closed-Loop Systems)"을 발명의 명칭으로 하여 2010년 10월 22일 출원된 미국특허출원 제12/910,553호에 설명된 공정 및 시스템과 같은 다결정 실리콘 생성용 실질적 폐쇄형 루프 시스템에도 물론 사용될 수 있다.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에 열거된 다양한 농도, 농도 범위, 포함 비율, 비, 작동 파라미터(예컨대 온도, 압력, 전환율) 등은 오직 예시의 목적으로만 제시된 것이며 따라서 제한적인 의미로 간주해서는 안 된다는 것을 주의해야 한다. 또한, 조성, 농도, 포함 비율의 비, 성분, 작동 파라미터 등의 다양한 조합과 치환 일체는 본 개시에 의해 뒷받침되는 범위 내에 속하도록 의도됨을 유념한다.

본 개시 또는 그 실시예(들)의 요소 소개시, "하나의"("a", "an"), "상기"("the", "said")는 하나 이상의 해당 요소가 존재한다는 것을 의미하도록 의도되어 있다. 용어 "포함하는"과 "가지는"은 포괄적인 의미로 사용되는 것으로 열거된 요소 이외의 추가적인 요소가 존재할 수 있다는 것을 의미한다.

상기 장치 및 방법에 대한 다양한 변경이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있기 때문에, 위의 설명에 포함되고 첨부도면에 도시된 모든 사항은 제한적인 의미가 아니라 예시로서 해석되어야 한다.

Claims (47)

1. 반응기 공급 가스의 하나 이상의 화합물을 반응시키고 상기 반응기 공급 가스와 반응기 생성 가스 간에 열을 교환하는 반응기 장치로서,
   반응이 일어나는 반응 챔버를 포함하고 벽을 가지는 반응 용기; 및
   반응기 공급 가스와 생성 가스 간 열교환용 쉘 앤드 튜브 열교환기
   를 포함하고, 상기 쉘 앤드 튜브 열교환기는,
   상기 반응 챔버와 유체 연통하는 쉘;
   상기 쉘 내부의 튜브 다발 - 상기 튜브 다발은 상기 벽을 통해 상기 반응 용기 내로 연장되고, 복수의 중앙 튜브들 및 상기 중앙 튜브들과 상기 쉘 사이의 복수의 주변 튜브들을 포함하며, 상기 튜브들은 상기 반응 챔버와 유체 연통함 - ;
   상기 반응 챔버 내로 연장되는 튜브들의 부분을 고정하기 위해 상기 반응 챔버 내에 있는 (1)말단(terminal) 플랜지 또는 (2)배플; 및
   반응기 가스 배출부(discharge)와 생성 가스 유입구 - 상기 반응기 가스 배출부는 상기 생성 가스 유입구 위에 있고, 상기 반응기 공급 가스는 실리콘 테트라클로라이드를 포함하고, 상기 반응기 생성 가스는 트리클로로실란을 포함하며, 상기 반응기 공급 가스는 상기 튜브 다발의 상기 튜브들 내부에 있고, 상기 반응기 생성 가스는 상기 튜브 다발과 상기 쉘 사이에 형성된 챔버 내부에 있음 -
   를 포함하는 반응기 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 쉘 앤드 튜브 열교환기는,
   외측 에지, 내측 에지 및 상기 외측 에지와 상기 내측 에지 내에 형성된 복수의 주변 개구를 갖는 환형 배플 - 상기 주변 튜브들은 상기 주변 개구들을 통과함 -; 및
   복수의 중앙 개구를 갖는 중앙 배플
   을 포함하고, 상기 중앙 튜브들은 상기 중앙 개구들을 통과하는 반응기 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 중앙 배플은 외측 에지를 가지며, 상기 주변 튜브들은 상기 중앙 배플의 외측 에지와 상기 쉘 사이를 통과하는 반응기 장치.
4. 제2항에 있어서, 적어도 세 개의 환형 배플을 더 포함하는 반응기 장치.
5. 제4항에 있어서, 두 개 이하의 환형 배플이 서로 인접하는 반응기 장치.
6. 제2항에 있어서, 적어도 세 개의 중앙 배플을 더 포함하는 반응기 장치.
7. 제6항에 있어서, 두 개 이하의 중앙 배플이 서로 인접하는 반응기 장치.
8. 제4항에 있어서, 환형 배플들과 중앙 배플들의 합계는 적어도 일곱 개인 반응기 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 쉘은 제1 쉘이고, 상기 반응기 장치는 상기 제1 쉘과 동심원이고 상기 제1 쉘의 반경보다 큰 반경을 가지는 제2 쉘을 더 포함하며, 상기 제1 쉘과 상기 제2 쉘은 상기 제1 쉘과 상기 제2 쉘 사이에 환형 챔버를 형성하는 반응기 장치.
10. 제2항에 있어서, 플레넘이 내부에 형성된 분배판을 더 포함하며, 상기 플레넘은 상기 주변 튜브들 및 상기 중앙 튜브들에 유체를 도입하기 위해 상기 주변 튜브들 및 상기 중앙 튜브들과 유체 연통하는 반응기 장치.
11. 제2항에 있어서, 배플들 간의 평균 축거리(D₁)와 상기 쉘의 직경(D₂)의 비는 3:1 내지 1:3인 반응기 장치.
12. 제2항에 있어서, 상기 중앙 튜브들은 상기 환형 배플의 내측 에지 안쪽으로 상기 환형 배플을 통과하는 반응기 장치.
13. 제2항에 있어서, 상기 반응기 생성 가스는 상기 튜브 다발과 상기 쉘 사이에 형성된 상기 챔버를 통과하고, 상기 중앙 배플은 외측 에지를 가지며 상기 반응기 생성 가스는 상기 중앙 배플의 외측 에지와 상기 쉘 사이를 통과하고 상기 환형 배플의 내측 에지 안쪽으로 통과하는 반응기 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 반응기 공급 가스는 상기 중앙 튜브들과 상기 주변 튜브들을 통과하는 반응기 장치.
15. 제2항에 있어서, 상기 중앙 배플은 외측 에지와, 상기 쉘까지 연장되는 복수의 외향 전개부를 가지는 반응기 장치.
16. 제2항에 있어서, 환형 배플에 의해 한정되는 단면적과 상기 쉘에 의해 한정되는 단면적의 비가 적어도 1:10인 반응기 장치.
17. 제2항에 있어서, 상기 환형 배플은 상기 환형 배플의 내측 에지 안쪽으로 중앙 개구를 가지며, 상기 중앙 배플의 단면적과 상기 환형 배플의 중앙 개구의 단면적의 비가 적어도 1:5인 반응기 장치.
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19. 반응기 공급 가스 내의 하나 이상의 화합물을 반응시키고 상기 반응기 공급 가스와 반응기 생성 가스 간에 열을 교환하는 방법 - 상기 반응 및 열 교환은 상기 반응이 일어나는 반응 챔버와 벽을 가지는 반응 용기를 포함하는 반응기 장치 내에서 일어나며, 상기 장치는 상기 반응기 공급 가스와 상기 반응기 생성 가스 간에 열을 전달하는 쉘 앤드 튜브 열교환기를 더 포함하며, 상기 쉘 앤드 튜브 열교환기는 상기 반응 챔버와 유체 연통되는 쉘과 상기 쉘 내부의 튜브 다발을 포함하고, 상기 튜브 다발과 상기 쉘 사이에 챔버가 형성되고, 상기 튜브 다발은 상기 벽을 통해 상기 반응 용기 내로 연장되고, 상기 다발은 복수의 중앙 튜브들 및 상기 중앙 튜브들과 상기 쉘 사이의 복수의 주변 튜브들을 포함하고, 상기 튜브들은 상기 반응 챔버와 유체 연통하고, 상기 쉘 앤드 튜브 열교환기는 상기 반응 챔버 내로 연장되는 튜브들의 부분을 고정하기 위해 상기 반응 챔버 내에 (1)말단(terminal) 플랜지 또는 (2)배플, 및 반응기 가스 배출부와 생성 가스 유입구를 더 포함함 - 으로서, 상기 방법은,
    상기 쉘 앤드 튜브 열교환기의 상기 주변 튜브들 및 상기 중앙 튜브들에 상기 반응기 공급 가스를 도입하는 단계;
    상기 반응기 공급 가스의 하나 이상의 화합물이 반응하여 상기 반응기 생성 가스를 형성하도록 상기 반응기 가스 배출부에서 상기 반응 용기 내로 상기 반응기 공급 가스를 배출하는 단계;
    상기 생성 가스 유입구에서 상기 튜브 다발과 상기 쉘 사이에 형성된 상기 챔버 내로 상기 반응기 생성 가스를 도입하는 단계 - 상기 반응기 가스 배출부는 상기 생성 가스 유입구 위에 있음 - ; 및
    상기 쉘로부터 상기 반응기 생성 가스를 배출하는 단계 - 상기 반응기 공급 가스는 실리콘 테트라클로라이드를 포함하고, 상기 반응기 생성 가스는 트리클로로실란을 포함하며, 상기 반응기 공급 가스는 상기 튜브 다발의 상기 튜브들 내부에 있고, 상기 반응기 생성 가스는 상기 튜브 다발과 상기 쉘 사이에 형성된 챔버 내부에 있음 -
    를 포함하는 방법.
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21. 제19항에 있어서,
    다결정 실리콘과 실리콘 테트라클로라이드 부산물을 생성하기 위해 상기 쉘 앤드 튜브 열교환기로부터 배출되는 트리클로로실란을 제2 반응 용기에 도입하는 단계; 및
    상기 쉘 앤드 튜브 열교환기의 상기 주변 튜브들 및 상기 중앙 튜브들에 상기 실리콘 테트라클로라이드 부산물을 도입하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 트리클로로실란은 상기 제2 반응 용기에 도입되기 전에 정제되는 방법.
23. 제19항에 있어서, 상기 반응기 공급 가스는 상기 쉘 앤드 튜브 열교환기로부터 배출되기 전에 적어도 600℃까지 가열되는 방법.
24. 제19항에 있어서, 상기 반응기 생성 가스는 상기 쉘 앤드 튜브 열교환기로부터 배출되기 전에 550℃ 미만까지 냉각되는 방법.
    
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