鹵代硅烷加氫用單塊整體熱交換器和設(shè)備及方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本發(fā)明要求于2013年5月7日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/820607,包括圖表和附圖，其 公開(kāi)通過(guò)引用被全部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明是關(guān)于一個(gè)用于鹵代硅烷加氫，由單塊整體材料，如石墨，加工而成的傳熱 設(shè)備及使用方法。更具體而言，本發(fā)明的某些實(shí)施例是關(guān)于將四氯化硅(STC)轉(zhuǎn)化為三氯氫 硅(TCS)的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]在腐蝕和高溫環(huán)境下，由如石墨這類(lèi)單塊整體材料制成的熱交換器是化工行業(yè)的 常用設(shè)備。類(lèi)似的設(shè)計(jì)也可以使用其它陶瓷材料，但出于成本和體積的限制而使用得比較 少。比較小型的熱交換器，可以使用一整塊材料制作出工業(yè)上使用的交叉流孔。較大的熱交 換器通常使用多塊材料組裝而成，其中至少一種流體通過(guò)多次轉(zhuǎn)向與另外一股流體大至成 垂直方向通過(guò)。另外一種流體的管程則可以是一系列的通道，也可以直接流過(guò)熱交換器的 長(zhǎng)軸方向。多數(shù)情形下，多塊拼接設(shè)計(jì)是由于單塊材料的尺寸限制不得以而為之。
[0005]逆流式熱交換設(shè)計(jì)緊湊可以將兩類(lèi)流體流道相鄰排列相向流過(guò)，熱傳導(dǎo)效率最高 而成本最優(yōu)。目前幾乎所有的代表最高商業(yè)化水準(zhǔn)的單片(塊)式熱交換器都使用橫流式設(shè) 計(jì)而不是逆流設(shè)計(jì)。目前主要的橫流式設(shè)計(jì)中，金屬部件制造的外部夾套將流體的通過(guò)多 程流道流向一側(cè)。該項(xiàng)橫流流體不具有腐蝕性的環(huán)境下非常成熟，使用良好(如冷卻水，冷 凍劑或者蒸汽）。當(dāng)熱交換器橫流流管較多且流道兩端溫差較大情況下，橫流設(shè)計(jì)的熱性能 接近使用大量立方塊的逆流式設(shè)計(jì)。
[0006]兩種流體都具有腐蝕性或者高溫導(dǎo)致金屬部件不能暴露在這兩種流體的情況下， 同時(shí)因?yàn)榧庸ず蛪毫Φ脑虮热绺邏罕仨毷褂脠A筒狀結(jié)構(gòu)組合的設(shè)計(jì)而不是大量方塊或 者直角，就必須探討更好的設(shè)計(jì)。
[0007] 化學(xué)氣相沉積(CVD)還原爐被用來(lái)制造多晶娃(polysilicon)，一種生產(chǎn)了絕大多 數(shù)半導(dǎo)體元器件和晶硅太陽(yáng)能硅片和電池的關(guān)鍵原料。50多年來(lái)最常用的制造多晶硅的工 藝是西門(mén)子還原工藝。該工藝中，高溫多晶硅硅棒被置于反應(yīng)器中，三氯氫硅(TCS)氣體流 過(guò)多晶娃棒。反應(yīng)氣體中的娃被還原沉積至娃棒上。當(dāng)娃棒沉積到夠大，就會(huì)收料將娃棒拆 走。產(chǎn)品的最終形狀是硅棒或者塊，用來(lái)制作單晶錠或者多晶錠，然后切片直至制作成如太 陽(yáng)能電池等產(chǎn)品。與此相關(guān)的工藝，三氯氫硅通過(guò)歧化工藝生成硅烷(SiH4)和四氯化硅。硅 烷在很多半導(dǎo)體和其他工藝中得到使用，包括使用前述西門(mén)子還原工藝或者流化床還原工 藝制造多晶硅。流化床產(chǎn)出的多晶硅形狀不規(guī)則，但名義上是最大直徑約2毫米的硅珠。
[0008]將三氯氫硅轉(zhuǎn)換成硅烷以及使用西門(mén)子還原工藝制造多晶硅都生成大量的四氯 化硅副產(chǎn)品。合成每公斤多晶硅或者硅烷大于至多生成20公斤四氯化硅。將四氯化硅在高 溫下加氫制成三氯氫硅是可行的。得到的三氯氫硅可以通過(guò)一系列的硅烷歧化反應(yīng)器和分 離工藝制造硅烷，或者通入還原反應(yīng)器生產(chǎn)更多的多晶硅。如果四氯化硅無(wú)法被循環(huán)利用， 將會(huì)導(dǎo)致大量硅和氯原料的損失和拋棄大量四氯化硅的費(fèi)用。
[0009]為了高效率地將四氯化硅加氫成三氯氫硅，要求很高反應(yīng)氣體溫度（如，高于850 攝氏度）。當(dāng)前商業(yè)化的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅裝置是將西門(mén)子還原爐改造而來(lái)，使用電加 熱的石墨棒來(lái)加熱反應(yīng)氣體。該設(shè)備具有大量的問(wèn)題。由于還原爐的體積同加熱棒表面積 比巨大，反應(yīng)器中的本地速率和熱交換系數(shù)非常低。從而需要非常高的表面溫度(如，高于 1400攝氏度)將反應(yīng)氣體加熱到足夠的溫度。更進(jìn)一步，改造的還原爐具有巨大沉重的底 盤(pán)，成本極高且不利于增加熱交換設(shè)備來(lái)回收熱能。
[0010]此外，還原爐改造的氫化裝置中使用了大量加熱棒，需要很多電氣連接。舉例來(lái) 說(shuō)，24條U型的加熱棒，每對(duì)發(fā)卡結(jié)構(gòu)最多有8個(gè)電氣連接。每個(gè)連接都是個(gè)潛在接地漏電的 源頭。
[0011]此外，還原爐的爐壁上的輻射熱損失巨大，浪費(fèi)了大量能源。西門(mén)子還原爐形態(tài)的 氫化爐可以通過(guò)安裝絕熱材料降低熱損失，但是絕熱材料的使用量很大。有些西門(mén)子西門(mén) 子還原爐形態(tài)的氫化爐使用落后的熱交換設(shè)計(jì)回收熱能。此絕熱材料相當(dāng)昂貴必須在高溫 下不同反應(yīng)氣體發(fā)生反應(yīng)，且可以布置在加熱棒的周?chē)?。使用較差的材料會(huì)同高溫反應(yīng)氣 體發(fā)生反應(yīng)，壽命較短。絕熱材料的溫度可以接近加熱棒的問(wèn)題。使用絕熱材料和較差的換 熱器，一個(gè)西門(mén)子還原爐形態(tài)的氫化爐需要高達(dá)1.5度電來(lái)合成1公斤三氯氫硅。無(wú)換熱器 的情形，一個(gè)西門(mén)子還原爐形態(tài)的氫化爐需要高達(dá)3.5度電來(lái)合成1公斤三氯氫硅，或者熱 損更高的情況下能耗更高。氫化爐內(nèi)的關(guān)鍵部件如加熱棒，電氣連接，隔熱材料和熱交換器 壽命有限，需要在固定的間隔內(nèi)進(jìn)行替換。
[0012] 三菱，瓦克和漢姆洛克半導(dǎo)體都提出過(guò)四氯化硅加氫轉(zhuǎn)化三氯氫硅的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì) (非還原爐改造)的專(zhuān)利，意在實(shí)現(xiàn)比西門(mén)子還原爐改造氫化爐更高的能效，更低的成本(參 見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,906,799和7,998,428;美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公告2011/0215084;國(guó)際專(zhuān)利W0/ 2006/081965和W0/20101116440;以及歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)公告號(hào)碼2 000434A1和2 088 124 A1)。但是這類(lèi)專(zhuān)用氫化爐并未得到廣泛應(yīng)用，甚至未商業(yè)化。美國(guó)專(zhuān)利7,442,824描述了使 用加熱元件和爐壁使用碳化硅涂層的防止污染和元件在高溫下退化的專(zhuān)用四氯化硅三氯 氫硅氫化爐。此氫化爐使用了石墨加熱棒，和還原爐改造氫化爐一樣有著大量電氣連接點(diǎn) 存在潛在的電氣和機(jī)械失效的可能。美國(guó)專(zhuān)利7，964,155的實(shí)現(xiàn)方式顯著不同，大量氣體通 過(guò)由外徑至內(nèi)徑的大量同心圓筒同加熱元件形成熱交換。此設(shè)計(jì)在制造上面臨極大的挑 戰(zhàn)，因?yàn)闅怏w必須由外徑流向內(nèi)徑導(dǎo)致在擴(kuò)容和傳熱效率上都面臨限制。
[0013] 因此，市場(chǎng)需要更高效的四氯化硅和三氯氫硅加氫裝置。
[0014]此次參考或者引用的所有專(zhuān)利，專(zhuān)利申請(qǐng)，臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)和公告都同盡量完整以 保持一致。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明提供一個(gè)使用單片(塊)材料加工的圓筒狀逆流式換熱器，相比現(xiàn)有設(shè)計(jì)具 有大量的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)為完全逆流式換熱器，緊湊，可以放大設(shè)計(jì)至任何工業(yè)上可以獲得的 石墨材料尺寸。除去流體出口和入口，流體在換熱器流道內(nèi)僅接觸換熱器材料本身和密封 圈材料(例:石墨）?？梢砸罁?jù)應(yīng)用的性質(zhì)，挑選合適的密封圈材質(zhì)。本發(fā)明對(duì)設(shè)計(jì)具有上述 發(fā)明背景中提到的情況，特別是對(duì)四氯化硅轉(zhuǎn)換三氯氫硅的反應(yīng)器，具有大量?jī)?yōu)點(diǎn)。
[0016] -方面，本發(fā)明關(guān)系使用單片材料如石墨的逆流式熱傳導(dǎo)（或熱交換)設(shè)備。本熱 交換器設(shè)計(jì)，流體除在每種流體的出入口外，僅接觸石墨和密封圈材料。通過(guò)使用一個(gè)頂部 單片材料塊和底部單片材料塊連接相鄰的逆流式流道來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，本發(fā)明關(guān)系氯代 硅烷的加氫和實(shí)現(xiàn)加氫的設(shè)備，并通過(guò)前述熱交換設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)加氫。此設(shè)備包括(i)一個(gè)利用 逆流式設(shè)計(jì)將反應(yīng)氣體加熱產(chǎn)品氣體的換熱器，反應(yīng)氣體包括氫氣和氯代硅烷；（i i)一個(gè) 圓筒狀的加熱區(qū)用來(lái)接受從熱交換器過(guò)來(lái)的反應(yīng)氣體;和(iii)一個(gè)反應(yīng)腔室，用于將加熱 后的反應(yīng)氣體轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品氣體，反應(yīng)腔室內(nèi)具有圓筒狀的加熱元件，并且加熱元件具 有最少的電氣連接。加熱元件可以是兩個(gè)連接點(diǎn)的直流，或兩相交流，或者三點(diǎn)連接的三相 交流供電。
[0017]或者，此加熱元件可以在一個(gè)基座內(nèi)通過(guò)惰性氣體保護(hù)各類(lèi)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)使得 該(惰性氣體保護(hù))設(shè)計(jì)非常容易實(shí)施。
[0018]另一方面，本發(fā)明關(guān)系到一種氯硅烷加氫方法。此方法包括下述步驟：（i)將預(yù)先 加熱的反應(yīng)氣體通入一個(gè)包含熱交換器，一個(gè)大型的桶裝加熱區(qū)，加熱元件，以及反應(yīng)腔， 反應(yīng)氣體包含氫氣和氯代硅烷；（ii)將反應(yīng)氣體流入熱交換器將反應(yīng)氣體同產(chǎn)品氣體進(jìn)行 熱交換，預(yù)熱反應(yīng)氣體；（iii)將預(yù)熱后的反應(yīng)氣體從熱交換器流入筒狀加熱區(qū)，反應(yīng)氣體 和加熱元件表面直接接觸，此加熱元件的電氣連接數(shù)最少；（iv)將加熱后的反應(yīng)氣體流入 反應(yīng)腔，此反應(yīng)腔在筒狀加熱器的內(nèi)部或者連接至筒狀加熱區(qū)的一端；以及(v)加熱后的反 應(yīng)氣體在反應(yīng)腔與/或加熱區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品氣體
[0019]另一方面，本發(fā)明同氯代硅烷加氫用加熱元件相關(guān)。此加熱元件包含一個(gè)具有刻 出蛇紋電通路的筒狀加熱器，蛇紋間的隔斷應(yīng)當(dāng)足夠隔離電流，而蛇紋加熱器的截面和表 面積足夠在反應(yīng)器設(shè)定經(jīng)濟(jì)性的工業(yè)電流電壓下達(dá)到的足夠表面溫度。
[0020]加氫爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)如下
[0021] SiC14+H2<-->HSiC13+HCl
[0022] 為了實(shí)現(xiàn)設(shè)定的反應(yīng)平衡，有必要將反應(yīng)氣體加熱至800-850°C，乃至高于900°C。 熱動(dòng)力學(xué)表明在此區(qū)間轉(zhuǎn)化率為20%，更高溫度下可以上探之28%。商業(yè)實(shí)踐中，逆反應(yīng)導(dǎo) 致實(shí)際轉(zhuǎn)化率高于20%，從而使得產(chǎn)品氣體的快速冷卻措施從而減少逆反應(yīng)來(lái)提高轉(zhuǎn)化率 變得非常重要。
【附圖說(shuō)明】
[0023]發(fā)明的對(duì)象和特征，和權(quán)利要求可以通過(guò)下列附圖進(jìn)行很好的說(shuō)明。附圖的比例 不是特征，主要用于強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的基本原則。附圖中，數(shù)字用于標(biāo)識(shí)不同視圖中的相同部 件。
[0024]圖1是單片材料換熱器包含熱交換器上部材料塊和下部材料塊的示意圖，是本發(fā) 明的說(shuō)明性實(shí)施例。
[0025]圖2是和圖1類(lèi)似的熱交換器的的示意圖，顯示了不同于圖1的進(jìn)口