高纯石英砂高温气固反应装置及其反应方法
【专利摘要】高纯石英砂高温气固反应装置及其反应方法，属于高纯石英砂制备【技术领域】。其特征在于包括碳化硅反应器和高温加热器，所述碳化硅反应器由多孔分隔板及其分隔开的气固反应室、气体预热室构成，上部气固反应室上端设置进料管，下部气体预热室设置进气管；石英砂在反应装置内、在1200～1400°C下与混合气体发生气固反应60～180min，所述混合气体由HCl、Cl2、N2与Ar气体组成。上述高纯石英砂高温气固反应装置及其反应方法，同时去除流体杂质和金属元素杂质的效果佳，并极大提高了气固反应效率及反应效果。
【专利说明】高纯石英砂高温气固反应装置及其反应方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高纯石英砂制备【技术领域】，具体为高纯石英砂高温气固反应装置及其反应方法。
【背景技术】
[0002]气态原料与固态原料之间的反应不管是在实验室还是在工业生产中都是一种比较常见的化学反应，气固反应的效率(或速度)及其效果除与原料性质、反应物的配比等内因相关外，还与反应温度、反应时间以及原料的混合或接触程度等外因密切相关。
[0003]高纯石英砂是目前生产高品质石英玻璃的唯一原料，石英玻璃以其独特的高温热稳定性(如1200° C直接水冷玻璃不爆裂)、优异的光学性能及超强的机械和化学性能，而广泛应用于电子工业、半导体、太阳能、激光及航空航天等高新【技术领域】。随着高科技领域对高品质石英玻璃需求的不断增加，对高纯石英砂的产量和品质提出了越来越高的要求，世界各国一直在对高纯石英砂的生产技术及设备进行不懈的研发，以满足本国高新【技术领域】发展对高纯石英砂的需求。
[0004]高温气固反应是高纯石英砂生产过程中最关键的工艺，气固反应效果直接影响高纯石英砂的品质。对石英砂进行高温气固反应，目的是为了去除石英在结晶生长过程中晶体内部包裹的流体杂质(即流体包裹体)以及晶格内部的金属元素杂质；用于去除石英中流体包裹体的方法一般为高温爆裂法，加热温度和加热时间直接影响流体杂质的去除程度；用于去除石英晶格中金属元素杂质的方法一般为高温下使石英与高活性气体发生反应(气固反应)，加热温度、活性气体的种类和配比、气流量、气体与石英(砂)的接触程度、反应时间等因素都影响金属元素杂质的去除程度；对石英砂不进行高温气固反应，肯定是不可能获得稳定的闻纯石英砂广品。为了获得合格的、品质稳定的闻纯石英砂广品，科研人员一直在对石英砂高温气固反应的最佳方法及装置进行不懈的研究，并对获得的研发成果申请专利保护。
[0005]赫罗伊斯石英玻璃有限公司(德国，共同 申请人:信越石英株式会社)申请的CN1146429A连续精制石英粉的方法专利，是在高温条件下，使石英粉在卧式转筒石英玻璃管的反应腔中与含氯气体接触而精制，该方法最大进行速度为20kg/h，建议速度为IOkg/h0
[0006]南京大学申请的CN200910262856.5生产高纯石英砂的方法与装置专利，是利用石英玻璃立式气化反应釜、在1000-1200° C下将石英砂与混合气体反应30-120min，同时去除石英砂中的流体杂质和元素杂质，混合气体由HCl与Cl2气体组成。
[0007]陈士斌申请的CN200620169077.2石英砂高温煅烧气化提纯装置专利，是利用立式反应釜在高温下将石英砂与反应气体发生气化反应，去除石英砂中的流体杂质和元素杂质。
[0008]上述发明专利或实用新型专利，虽然都是针对高纯石英砂进行的高温气化反应的方法与装置，但所有专利中所使用的反应釜或反应器皿均是采用石英玻璃材质(陈士斌申请的CN200620169077.2专利中，虽然没有明确反应釜为石英玻璃材质，但专利中在反应釜顶部设有包在出气管和进料管外的水箱，这种复杂结构只有能通过焊接加工的玻璃制品才可能完成)，石英玻璃制品的最大缺陷是不能长时间经历1150° C以上的高温，在长期的高温状态下，石英玻璃不但很容易发生析晶或失透现象，还可能引起石英玻璃制品产生蠕变，从而造成石英玻璃反应釜或反应器皿的损坏。
【发明内容】
[0009]针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种高纯石英砂高温气固反应装置及其反应方法的技术方案，能在高温条件下长期稳定、安全工作，去除石英砂中的流体杂质和金属元素杂质效果佳。
[0010]所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于包括碳化硅反应器和高温加热器，所述碳化硅反应器由多孔分隔板及其分隔开的气固反应室、气体预热室构成，上部气固反应室上端设置进料管，下部气体预热室设置进气管；所述的高温加热器包括由保温材料制成的长方体炉膛，长方体炉膛上下左右四面的炉膛壁内均设置一组发热体，长方体炉膛设置炉门、后壁设置小孔A、小孔B，碳化硅反应器经高温加热器的炉门放置到炉膛内，碳化硅反应器的进料管穿过小孔A延伸出高温加热器，碳化硅反应器的进气管穿过小孔B延伸出高温加热器。
[0011]所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于多孔分隔板下配合设置多孔分隔板托架，多孔分隔板托架为一中空的碳化硅管，多孔分隔板托架一端固定于气体预热室内设置的圆形凹槽内，多孔分隔板托架另一端通过将外壁加厚、使其卡架于进气管内，在多孔分隔板托架上设有用于固定多孔分隔板的托盘，多孔分隔板卡架在托盘内，托盘底部设置孔洞，孔洞与多孔分隔板的通孔连通，中间部分的孔洞与多孔分隔板托架中空管连通，其它部分的孔洞与气体预热室连通。
[0012]所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于气固反应室下部为锥形结构。
[0013]所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于所述的发热体为硅碳棒或硅钥棒。
[0014]所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于多孔分隔板的直径大于气固反应室与气体预热室之间的圆孔，多孔分隔板厚度为5-20mm。
[0015]所述的高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，其特征在于包括以下步骤:
1)首先将石英砂经碳化硅反应器的进料管加入到气固反应室中，石英砂受到多孔分隔板的阻挡而置于多孔分隔板之上；
2)启动高温加热器，设定气固反应温度1200-1400°C，当炉膛温度达到所设反应温度后，打开混合气体供气装置，将混合气体经进气管通入碳化硅反应器的气体预热室，所述混合气体为500-5000ml/min流量、压力为0.05-0.8MPa的!1(:1、(:12、队和Ar混合气体流，HC1、Cl2, N2, Ar 的体积比为 20-1:1-20:2:2 ；
3)所述的混合气体透过多孔分隔板渗透到气固反应室，并通过扩散作用沿气固反应室的锥形面向上运移、贯穿石英砂层，使混合气体与石英砂充分接触反应，石英砂在1200-1400° C下与混合气体发生气固反应60-180min ;反应后的废气经进料管排出碳化硅反应器； 4)反应结束后关闭高温加热器、关闭混合气体供气装置，待温度降低到室温后，将碳化硅反应器经炉门从炉膛取出，从进料管倒出气固反应后的石英砂，完成整个气固反应流程。
[0016]所述的高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，其特征在于包括以下步骤:
1)首先将多孔分隔板卡置于多孔分隔板托架的托盘内，将多孔分隔板托架经碳化硅反应器的进气管安置于气体预热室内，使多孔分隔板置于气固反应室与气体预热室之间起分隔作用，再将石英砂经碳化硅反应器的进料管加入到气固反应室中，石英砂受到多孔分隔板的阻挡而置于多孔分隔板之上；然后将碳化硅反应器经高温加热器的炉门放置到炉膛内，碳化硅反应器的进料管穿过小孔A延伸出高温加热器，碳化硅反应器的进气管穿过小孔B延伸出高温加热器；
2)启动高温加热器，设定气固反应温度1200-1400°C，当炉膛温度达到所设反应温度后，打开混合气体供气装置，将混合气体经进气管、多孔分隔板托架通入气体预热室和多孔分隔板托架内，经预热后的混合气体在气流压力和热能的双重作用下，经多孔分隔板托架上托盘底部的孔洞、透过多孔分隔板渗透到气固反应室，所述混合气体为500-5000ml/min流量、压力为0.05-0.8MPa的HCl、Cl2, N2和Ar混合气体流，HCl、Cl2, N2' Ar的体积比为20-1:1-20:2:2；
3)所述的混合气体通过扩散作用沿气固反应室的锥形面向上运移、贯穿石英砂层，使混合气体与石英砂充分接触反应，石英砂在1200-1400° C下与混合气体发生气固反应60-180min ;反应后的废气经进料管排出碳化娃反应器；
4)反应结束后关闭高温加热器、关闭混合气体供气装置，待温度降低到室温后，将碳化硅反应器经炉门从炉膛取出，从进料管倒出气固反应后的石英砂，完成整个气固反应流程。
[0017]所述的高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，其特征在于包括以下步骤2)中:所述混合气体流量为1000-4000ml/min，优选2000-3000ml/min、更优选2500_3000ml/min ;混合气体压力为 0.08-0.7Mpa，优选 0.1-0.5Mpa，更优选 0.2-0.3Mpa ； HClXl2,N2,Ar的体积比为 15-1:1-15:2:2，优选 10-1:1-10:2:2。
[0018]所述的高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，其特征在于包括以下步骤
3)中:气固反应温度1250-1350° C，优选1300-1320 ° C ;反应时间为80_150min，优选100-140min，更优选 120_130min。
[0019]上述高纯石英砂高温气固反应装置及其反应方法，可以将高纯石英砂气固反应温度提高到1400° C，去除流体杂质和金属元素杂质的效果更佳，另外因气态物料贯穿固态物料层而充分接触，从而极大地提高了气固反应效率及其反应效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明气固反应装置的结构示意图；
图2是气体预热室横切面示意图；
图3是多孔分隔板剖面示意图；
图4是多孔分隔板平面不意图；
图5是多孔分隔板的托架剖面示意图；
图6是多孔分隔板的托架俯视示意图；
图7为红外光谱仪对石英砂流体杂质测试结果对比图，图中原料A为石英砂原料A ; 图8为红外光谱仪对石英砂流体杂质测试结果对比图，图中原料B为石英砂原料B ；图中:1_气固反应室、2-气体预热室，3-多孔分隔板，4-多孔分隔板托架、5-进料管、6-进气管、7-支架、8-炉膛，9-发热体、10-保温材料、11-炉门、12-小孔A、12a-小孔B。
【具体实施方式】
[0021]本发明主要涉及气态物料与固态物料(石英砂)的化学反应，气固反应的效率和效果，除与反应原料本身性质及原料配比(内因)相关外，还受制于反应温度、反应时间以及物料的混合或接触程度(外因)，为了获得最佳气固反应效果，必须同时考虑各种可能的影响因素；上述影响因素中，除获得所需产品的主要原料外，其余因素都可以通过选择不同的反应方法来影响气固反应效果，而物料的混合或接触程度除与反应方法有关外，还与反应装置的结构有关； 申请人:在考虑了高纯石英砂气固反应的各种影响因素后，发明了高纯石英砂高温气固反应装置及其反应方法。以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
[0022]如图所示，该高纯石英砂高温气固反应装置，包括碳化硅反应器和高温加热器，所述碳化硅反应器由多孔分隔板3及其分隔开的气固反应室1、气体预热室2构成，上部气固反应室I上端设置进料管5，下部气体预热室2设置进气管6 ;所述的高温加热器包括由保温材料10制成的长方体炉膛8，长方体炉膛8上下左右四面的炉膛壁内均设置一组发热体9，长方体炉膛8设置炉门11、后壁设置小孔A12、小孔B12a，碳化硅反应器经高温加热器的炉门11、通过支架7放置到炉膛8内，碳化硅反应器的进料管5穿过小孔A12延伸出高温加热器，碳化硅反应器的进气管6穿过小孔B12a延伸出高温加热器。进料管5同时兼固态物料出料管和废气排放管。小孔A12、小孔B12a配置配套的保温材料，在不进行气固反应实验、生产时，利用保温材料封堵上小孔，使加热器可作为普通高温电炉使用。固态粉体物料(石英砂)放置于多孔分隔板之上，气态物料通过进气管进入气体预热室，预热后的气态物料在流体压力作用下，经多孔分隔板的细微孔洞向上部的气固反应室渗透，并贯穿多孔分隔板之上的固态粉体物料(石英砂)层，反应后的废气从反应室上端的废气排放管(进料管)排出反应器，从而实现气态物料与固态物料的充分接触，同时，由于热的扩散、对流作用，在热能作用下，气态物料也会向上运移、迫使气态物料穿越位于多孔分隔板3之上的固态物料(石英砂)层，可见热能也成了使气、固物料充分接触的动力，即本发明的气固反应器结构使流体压力和热能成为气态物料与固态物料充分接触的双重保证。在选择碳化硅作为气固反应器材质时，遇到的最大问题就是不能进行后期加工或二次加工，这就导致很多复杂的结构由于受加工工艺的影响，不能像石英玻璃制品那样通过后期焊接加工制作，在本发明中表现为多孔分隔板3不能直接加工在气固反应室I与气体预热室2之间，即多孔分隔板3不能与气固反应室I及气体预热室2连接成一个整体；为了便于安置、固定多孔分隔板3，本发明将气固反应室I下部设计成锥形，以减小多孔分隔板3的尺寸，多孔分隔板3的直径大于气固反应室I与气体预热室2之间的圆孔，厚度5-20_，孔径以使固态粉体物料不能通过而气态物料可以顺畅流动为宜，一般是略小于固态粉体物料的粒径。多孔分隔板3下配合设置多孔分隔板托架4，多孔分隔板托架4为一中空的碳化硅管，多孔分隔板托架4 一端固定于气体预热室2内设置的圆形凹槽2a内，多孔分隔板托架4另一端通过将外壁加厚、使其卡架于进气管6内，在多孔分隔板托架4上设有用于固定多孔分隔板3的托盘4a，多孔分隔板3卡架于中空的多孔分隔板托架4的托盘4a上，并将托架4从进气管6安置、固定到反应室I与气体预热室2之间的圆孔处起分隔作用。托盘4a底部设置孔洞4a_l，孔洞4a-l与多孔分隔板3的通孔连通，中间部分的孔洞4a-l与多孔分隔板托架4中空管连通，其它部分的孔洞4a_l与气体预热室2连通。气态物料就主要通过中空的多孔分隔板托架4进入气体预热室2，并经托盘4a底部与碳化硅管连通的部分孔洞4a_l、透过多孔分隔板3渗透到气固反应室1，并通过扩散作用沿锥形面向上运移、贯穿固态粉体物料(石英砂)层，使所有固态物料都能与气态物料充分接触；由于多孔分隔板托架4与进气管6间没有密封，少量气态物料会通过多孔分隔板托架4与进气管6间的缝隙进入气体预热室2，这部分气态物料就可通过多孔分隔板托架4上托盘4a底部未与多孔分隔板托架4碳化硅管连通的部分孔洞4a-l、透过多孔分隔板3渗透到气固反应室I。
[0023]为了使高纯石英砂高温气固反应在所需反应温度下顺利进行，本发明选择碳化硅作为高纯石英砂气固反应器的材质，碳化硅材质的制品可以耐受1400° C以上的高温。在高温下，碳化硅制品首先在表面氧化形成一层石英玻璃，石英玻璃具有很高的热稳定性和化学稳定性，从而对碳化硅制品起到很好的保护作用；相对于直接使用石英玻璃制作气固反应器，碳化硅材质具有更好的耐温性，因为石英玻璃制品长时间在1200° C下工作，就会发生一定的软化现象，这样在玻璃自重及固态物料挤压下，就会发生蠕变，影响气固反应器的使用；同时石英玻璃制品长期在1200° C下使用，很容易产生析晶或失透现象，破坏玻璃的结构，影响石英玻璃的热稳定性和机械强度；而碳化硅制品表面的石英玻璃层，由于受到内层碳化硅的支撑，即使在1400° C的高温下也不会变形，同样，即使表层石英玻璃有一点析晶，也不会影响整体碳化硅制品的耐温性和机械性能。本发明采用高温加热器来获得高纯石英砂气固反应所需高温；所述的发热体9为硅碳棒或硅钥棒，主要根据需加热的温度范围进行选择，作为优选方案，本发明采用硅碳棒作为发热体。
[0024]采用上述高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，包括以下步骤:
1)首先将多孔分隔板3卡置于多孔分隔板托架4的托盘4a内，将多孔分隔板托架4经碳化硅反应器的进气管6安置于气体预热室2内，使多孔分隔板3置于气固反应室I与气体预热室2之间起分隔作用，再将石英砂经碳化硅反应器的进料管5加入到气固反应室I中，石英砂受到多孔分隔板3的阻挡而置于多孔分隔板3之上；然后将碳化硅反应器经高温加热器的炉门11、通过支架7放置到炉膛8内，碳化硅反应器的进料管5穿过小孔A12延伸出高温加热器，碳化硅反应器的进气管6穿过小孔B12a延伸出高温加热器；
2)启动高温加热器，设定气固反应温度1200-1400°C，当炉膛8温度达到所设反应温度后，打开混合气体供气装置，将混合气体经进气管6、多孔分隔板托架4通入气体预热室2和多孔分隔板托架4内，经预热后的混合气体在气流压力和热能的双重作用下，经多孔分隔板托架4上托盘4a底部的孔洞4a-l、透过多孔分隔板3渗透到气固反应室1，所述混合气体为500-5000ml/min流量、压力为0.05-0.8MPa的HC1、Cl2, N2和Ar混合气体流，HC1、Cl2, N2, Ar 的体积比为 20-1:1-20:2:2 ；
3)所有混合气体经预热后均是在流体压力和热能的双重作用下沿气固反应室I的锥形面向上运移、贯穿石英砂层，使混合气体与石英砂充分接触反应，石英砂在1200-1400° C下与混合气体发生气固反应60-180min ;反应后的废气经进料管5排出碳化娃反应器；
4)反应结束后关闭高温加热器、关闭混合气体供气装置，待温度降低到室温后，将碳化硅反应器经炉门11从炉膛8取出，从进料管5倒出气固反应后的石英砂，完成整个气固反应流程。
[0025]所述混合气体流量为1000-4000ml/min，优选2000-3000ml/min、更优选2500-3000ml/min ;混合气体压力为 0.08-0.7Mpa,优选 0.1-0.5Mpa,更优选 0.2-0.3Mpa ；HCl、Cl2、N2、Ar 的体积比为 20-1:1-20:2: 2，优选 15-1:1-15:2:2，更优选 10-1:1-10:2: 2。气固反应温度 1250-1350° C，优选 1300-1320° C ;反应时间为 80_150min，优选 100_140min，更优选 120-130min。
[0026]石英矿物在自然界结晶、生长过程中，会将周围介质包裹到晶体内部形成包裹体，选择高纯石英砂生产原料时，只可能选择包裹体是以流体包裹体为主的矿石，流体成分以液体(水)和气体(C02)为主，其中会溶解有少量杂质金属元素；而结晶过程中介质中极少量的A13+元素会替代Si4+元素进入石英晶格，同时Na+、K+、Li+元素会以平衡电价的方式进入晶格，从而形成石英晶体中的金属元素杂质。对石英砂进行高温气固反应，就是通过高温作用将石英颗粒(晶体)内的流体包裹体爆裂，使流体均以气态方式逸出颗粒,被通入的反应气体带出反应装置，而反应气体会将流体包裹体内溶解的、爆裂后残留在包裹体腔壁上的少量金属元素气溶到反应气体内，并带出反应装置；同时，用以平衡电价的Na+、K+、Li+碱金属元素，在高温作用下很容易被通入的高活性反应气体从石英颗粒表面活化、转移到气相中，被气体带走而去除，颗粒内部的碱金属元素因高温作用活性增强，会快速扩散到颗粒表面以达到浓度平衡，扩散到表面的碱金属元素又被后续通入的高活性反应气体活化、转移、去除，这样的气固反应一直持续到气固反应时间结束。从理论上讲，高纯石英砂气固反应温度越高越好，反应时间越长越好，通入的高活性反应气体流量越大越好，但在实际生产中，必须考虑生产成本以及反应装置的承受能力，这就有必要制定合理的反应方法来获得最佳反应效果。
[0027] 申请人:对石英中流体包裹体的研究表明，气液包裹体在1200° C下120min大约95%的会发生爆裂，延长加温时间已经影响不大；而在1300° C下30min，会有97%以上的气液包裹体爆裂；随着加热温度的不断提高，还会有细小的气液包裹体爆裂，但爆裂效果越来越不显著。而对石英砂高温气化反应的实验研究表明，石英砂在1200° C与高活性混合气体反应120min，碱金属元素的去除率能达到80%左右；而在1300° C下反应60_180min，碱金属元素的去除率能到85%左右，有的样品甚至能到95% ;随着反应温度的提高，碱金属元素的去除率还会不断提高，但考虑到反应装置的承受能力等因素， 申请人:选择石英砂气固反应温度在1200-1400° C，反应时间60-180min，就可达到理想的去除流体杂质和金属元素杂质的效果。
[0028]所述混合气体为500-5000ml/min流量、压力为0.05-0.8MPa的混合气体流，HC1、Cl2、N2与Ar的混合体积比为20-1:1-20:2:2。高活性混合气体的主要作用:在高温下，将流体包裹体爆裂后的气态杂质带出反应装置、将残留在流体包裹体腔壁上的杂质金属元素气溶到混合气体后带出反应装置、将石英颗粒表面的碱金属元素活化转移到气相(高活性混合气体)中并带出反应装置。混合气体在反应装置中必须不断更新，但其流量也不能太大，因为反应装置中混合气体的流入与流出均需消耗热能、引起反应温度的波动，同时考虑到所使用的高活性气体(HCl和Cl2)为高危险性气体，流量大对废气处理会形成压力；而每种元素在一定温度下、在某一种气体内的溶解度(或分压)是一定的，在单位体积内，气体种类越多、所溶解的元素量就越大；因此， 申请人:选择通过增加混合气体的种类来达到提高高纯石英砂高温气固反应效果的目的，在高活性气体HCl和Cl2中增加惰性气体N2与Ar，并在实验研究基础上，获得混合气体HCl、C12、N2与Ar的混合体积配比为20-1:1-20:2:2。
[0029]实施例1
高纯石英砂高温气固反应为高纯石英砂生产过程中的关键工艺，目前是使用石英玻璃反应器来进行高温气固反应的，其使用温度最高为1200° C，长期使用温度不超过1150° C，使用的气态物料为HCl和Cl2的混合气体，混合体积比为19:1-3:2 ;实施例将对高温气固反应的温度和混合气体进行对比，展示本发明的气固反应效果，但并不由此而限定本发明。
[0030]首先将多孔分隔板3卡置于多孔分隔板托架4的托盘4a内，将多孔分隔板托架4经碳化硅反应器的气态物料进气管6安置于气体预热室2内，使多孔分隔板3置于气固反应室I与气体预热室2之间起分隔作用；然后将粒径为0.1-0.25mm的IOOg石英砂原料A经碳化硅气固反应器的进料管5加入到气固反应室I中，石英砂受到多孔分隔板3的阻挡而置于分隔板3之上的气固反应室I内，将气固反应器经加热器炉门11、通过支架7放置到炉膛8内，进料管5和进气管6分别经炉膛8后壁上的小孔A12和小孔B12a延伸出加热器；选择HCl和Cl2的混合气体做反应气体，HCl和Cl2的混合体积比为10:1，将混合气体供气装置与碳化硅反应器上的进气管6连接，废气收集、处理装置与碳化硅反应器上的进料管5兼出料管5和废气排放管5连接；启动高温加热器，设定气固反应温度1200° C，当炉膛温度达到所设反应温度后，打开混合气体供气装置，设定混合气体的压力0.2MPa、流量IlOOml/min,对碳化硅反应器输送混合气体；混合气体经进气管6加入气固反应器的气体预热室2，预热后的混合气体在气流压力和热能的双重作用下，经多孔分隔板托架4上托盘4a底部的孔洞4a-l、透过多孔分隔板3渗透到气固反应室1，并通过扩散作用沿气固反应室I的锥形面向上运移、贯穿石英砂层，使石英砂在1200° C下与混合气体充分接触、反应；反应后的废气，继续上升、到达气固反应室I上部，经固态物料进料管5兼废气排放管5排出反应器，并经中和处理；设定在1200° C高温下，石英砂与混合气体反应120min，达到反应时间后，关闭高温加热器、关闭混合气体供气装置，待温度降低到室温后，从碳化硅反应器上取下混合气体供气装置以及废气收集、处理装置，打开炉门11，将反应器经炉门11从炉膛8取出，从固态物料进料料管5兼出料管5和废气排放管5倒出气固反应后的石英砂(成品)，完成整个气固反应流程。取经气固反应后的成品石英砂，利用ICP-MS和红外光谱仪进行高纯石英砂主要技术指标——金属元素杂质和流体杂质含量的测试，以检验石英砂高温气固反应的除杂效果，ICP-MS对石英砂金属元素杂质测试结果见表1，红外光谱仪对石英砂流体杂质测试结果见图7 ;图7中流体杂质(水，包括羟基)测试峰位:2800-3800cm-l，峰谷越深流体杂质越多。
[0031]实施例2
选择与实施例1相同的石英砂原料A和气固反应温度，除将混合气体调整为HC1、Cl2,N2和Ar混合，混合气体的混合体积比为10:1:2:2 (混合气体压力和流量不变)外，采用与实施例1完全相同的方法和装置进行气固反应，其中气固反应温度为1200° C。取反应后的成品石英砂，进行金属元素杂质和流体杂质含量的测试，以检验石英砂高温气固反应的除杂效果，ICP-MS对石英砂金属元素杂质测试结果见表1，红外光谱仪对石英砂流体杂质测试结果见图7。
[0032]实施例3
选择与实施例2相同的石英砂原料A和混合气体特征，除将气固反应温度设置为1300° C外，采用与实施例2完全相同的方法和装置进行气固反应，其中混合气体HCl、Cl2、NjPAr的混合体积比为10:1:2:2，混合气体的压力0.2MPa、流量1100ml/min。取反应后的成品石英砂，进行金属元素杂质和流体杂质含量的测试，以检验石英砂高温气固反应的除杂效果，ICP-MS对石英砂金属元素杂质测试结果见表1，红外光谱仪对石英砂流体杂质测试结果见图7。
[0033]实施例4
选择粒径为0.1-0.25mm的100g石英砂原料B，其金属元素杂质含量明显高于石英砂原料A (见表1)，调整混合气体此1、(:12、队和Ar的混合体积比为1:10:2:2，设置混合气体的压力为0.3MPa、流量3000ml/min ;采用与实施例3完全相同的方法和装置进行气固反应，其中气固反应温度为1300° C。取反应后的成品石英砂，进行金属元素杂质和流体杂质含量的测试，以检验石英砂高温气固反应的除杂效果，ICP-MS对石英砂金属元素杂质测试结果见表1，红外光谱仪对石英砂流体杂质测试结果见图8。
[0034]实施例5
选择与实施例4相同的石英砂原料B和混合气体特征，除将气固反应温度调整为1350° C外，采用与实施例4完全相同的方法和装置进行气固反应，其中混合气体HCl、Cl2、N2和Ar的混合体积比为1:10:2:2，压力为0.3MPa、流量3000ml/min。取反应后的成品石英砂，进行金属元素杂质和流体杂质含量的测试，以检验石英砂高温气固反应的除杂效果，ICP-MS对石英砂金属元素杂质测试结果见表1，红外光谱仪对石英砂流体杂质测试结果见图8。
[0035]表1石英砂金属元素杂质测试结果(单位:ppm)
【权利要求】
1.高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于包括碳化硅反应器和高温加热器，所述碳化硅反应器由多孔分隔板(3)及其分隔开的气固反应室(I)、气体预热室(2)构成，上部气固反应室(I)上端设置进料管(5)，下部气体预热室(2)设置进气管(6);所述的高温加热器包括由保温材料(10)制成的长方体炉膛(8)，长方体炉膛(8)上下左右四面的炉膛壁内均设置一组发热体(9)，长方体炉膛(8)设置炉门(11)、后壁设置小孔A(12)、小孔B (12a)，碳化硅反应器经高温加热器的炉门(11)放置到炉膛(8)内，碳化硅反应器的进料管(5)穿过小孔A (12)延伸出高温加热器，碳化硅反应器的进气管(6)穿过小孔B (12a)延伸出高温加热器。
2.如权利要求1所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于多孔分隔板(3)下配合设置多孔分隔板托架(4)，多孔分隔板托架(4)为一中空的碳化硅管，多孔分隔板托架(4)一端固定于气体预热室(2)内设置的圆形凹槽(2a)内，多孔分隔板托架(4)另一端通过将外壁加厚、使其卡架于进气管(6)内，在多孔分隔板托架(4)上设有用于固定多孔分隔板(3)的托盘(4a)，多孔分隔板(3)卡架在托盘(4a)内，托盘(4a)底部设置孔洞(4a_l)，孔洞(4a-l)与多孔分隔板(3)的通孔连通，中间部分的孔洞(4a-l)与多孔分隔板托架(4)中空管连通，其它部分的孔洞(4a-l)与气体预热室(2)连通。
3.如权利要求1所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于气固反应室(I)下部为锥形结构。
4.如权利要求1 所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于所述的发热体(9)为娃碳棒或娃钥棒。
5.如权利要求1所述的高纯石英砂高温气固反应装置，其特征在于多孔分隔板(3)的直径大于气固反应室(I)与气体预热室(2)之间的圆孔，多孔分隔板(3)厚度为5-20mm。
6.采用权利要求1所述的高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，其特征在于包括以下步骤: O首先将石英砂经碳化硅反应器的进料管(5)加入到气固反应室(I)中，石英砂受到多孔分隔板(3)的阻挡而置于多孔分隔板(3)之上； 2)启动高温加热器，设定气固反应温度1200-1400°C，当炉膛(8)温度达到所设反应温度后，打开混合气体供气装置，将混合气体经进气管(6)通入碳化硅反应器的气体预热室(2)，所述混合气体为500-5000ml/min流量、压力为0.05-0.8MPa的HC1、C12、N2和Ar混合气体流，HCl, Cl2, N2, Ar 的体积比为 20-1:1-20:2:2 ； 3)所述的混合气体透过多孔分隔板(3)渗透到气固反应室(1)，并通过扩散作用沿气固反应室(I)的锥形面向上运移、贯穿石英砂层，使混合气体与石英砂充分接触反应，石英砂在1200-1400° C下与混合气体发生气固反应60-180min ;反应后的废气经进料管(5)排出碳化硅反应器； 4)反应结束后关闭高温加热器、关闭混合气体供气装置，待温度降低到室温后，将碳化硅反应器经炉门(11)从炉膛(8 )取出，从进料管(5 )倒出气固反应后的石英砂，完成整个气固反应流程。
7.采用权利要求6所述的高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，其特征在于包括以下步骤: I)首先将多孔分隔板(3)卡置于多孔分隔板托架(4)的托盘(4a)内，将多孔分隔板托架(4)经碳化硅反应器的进气管(6)安置于气体预热室(2)内，使多孔分隔板(3)置于气固反应室(I)与气体预热室(2)之间起分隔作用，再将石英砂经碳化硅反应器的进料管(5)加入到气固反应室(I)中，石英砂受到多孔分隔板(3)的阻挡而置于多孔分隔板(3)之上；然后将碳化硅反应器经高温加热器的炉门(11)放置到炉膛(8)内，碳化硅反应器的进料管(5)穿过小孔A (12)延伸出高温加热器，碳化硅反应器的进气管(6)穿过小孔B (12a)延伸出高温加热器； 2)启动高温加热器，设定气固反应温度1200-1400°C，当炉膛(8)温度达到所设反应温度后，打开混合气体供气装置，将混合气体经进气管(6)、多孔分隔板托架(4)通入气体预热室(2)和多孔分隔板托架(4)内，经预热后的混合气体在气流压力和热能的双重作用下，经多孔分隔板托架(4)上托盘(4a)底部的孔洞(4a_l)、透过多孔分隔板(3)渗透到气固反应室(I)，所述混合气体为500-5000ml/min流量、压力为0.05-0.8MPa的HCl、Cl2, N2和Ar混合气体流，HCl, Cl2, N2, Ar的体积比为20-1:1-20:2:2 ； 3)所述的混合气体通过扩散作用沿气固反应室(I)的锥形面向上运移、贯穿石英砂层，使混合气体与石英砂充分接触反应，石英砂在1200-1400° C下与混合气体发生气固反应60-180min ;反应后的废气经进料管(5)排出碳化娃反应器； 4)反应结束后关闭高温加热器、关闭混合气体供气装置，待温度降低到室温后，将碳化硅反应器经炉门(11)从炉膛(8 )取出，从进料管(5 )倒出气固反应后的石英砂，完成整个气固反应流程。
8.如权利要求6所述的高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，其特征在于包括以下步骤2)中:所述混合气体流量为1000-4000ml/min，优选2000-3000ml/min、更优选2500-3000ml/min ;混合气体压力为 0.08-0.7Mpa,优选 0.1-0.5Mpa,更优选 0.2-0.3Mpa ；HCl, Cl2, N2, Ar 的体积比为 15-1:1-15:2: 2，优选 10-1:1-10:2:2。
9.如权利要求6所述的高纯石英砂高温气固反应装置的反应方法，其特征在于包括以下步骤3)中:气固反应温度1250-1350° C，优选1300-1320° C ;反应时间为80_150min，优选 100-140min，更优选 120_130min。
【文档编号】C01B33/12GK103706306SQ201310736775
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】谢建勇, 陈小明 申请人:浙江永强石英科技发展股份有限公司