专利名称：用于合成三氯硅烷的流化床方法和三氯硅烷合成器的制作方法
用于合成三氯硅烷的流化床方法和三氯硅烷合成器本申请要求2009年5月12日递交的临时专利申请第61/177556号的优先权，其公开通过引用结合到本文中。本发明涉及用于合成三氯硅烷的流化床方法和三氯硅烷合成器。
背景技术：
光伏电池在太阳能产业中、电子工业中以及他处具有多种用途。例如光伏电池可用于太阳能板将太阳能转化为电力。为了良好的能量转换效率，光伏电池通常自高纯度的多晶硅，也称作“多晶硅(polysilicon)”制作。因此，随着对太阳能兴趣的增大，日益需要光伏电池和用来制作光伏电池的多晶硅。用于生产多晶硅的一种有用的工业化方法采用三氯硅烷作为起始原料。Ingle等的美国专利第4526769号描述了用于生产三氯硅烷的方法和用于实践所述方法的设备。如所描述的那样，所述方法为两级方法，其组合了四氯化硅和氢气与硅的反应以及氯化氢与硅的反应。可提供两级反应器，其中第一级被加热至约500°C -700°C的温度，第二级被保持在约300°C _350°C的温度。反应器第一和第二级中的每一个都填充硅颗粒。根据该专利，将包含氢气和四氯化硅的混合物流过被加热第一级中的硅颗粒，引起四氯化硅的部分氢化。来自第一级的流出物被描述为包括三氯硅烷和未反应的氢气与四氯化硅。向该流出物中加入氯化氢，并使气体混合物通过所述反应器第二级中的硅颗粒。依据对太阳能级光伏电池和高纯度多晶硅日益增长的需要，需要改进的方法和系统用于生产适用于制造多晶硅的三氯硅烷。上述背景技术的描述可包括洞察、发现、理解或公开或者公开的相互结合，其对本发明之前的相关领域为未知但是由本发明提供。本发明的一些这样的贡献可能已经被本文具体指明，而本发明其它这样的贡献从其上下文将是显而易见的。仅因为文件可能在这里已经引用，不承认该文件的领域类似于本发明的领域(一或多个)，其可能完全不同于本发明的领域。发明概述在一个方面，本发明提供用于合成三氯硅烷的多级流化床方法，其中所述方法包含将硅颗粒流在进料位置供给加热的反应器中的第一个流化区。反应釜可包含多个彼此横向邻接配置的互通的流化区。所述方法也可包含供给流化气体向上通过各流化区，以在各流化区使硅颗粒流化并在各流化区形成颗粒流化床。一种合适的流化气体包含可在流化床中与硅颗粒反应形成
三氯硅烷的氯化氢。另外，所述方法可包含引导流化颗粒流从进料位置横向依序流过流化区，从反应釜输出包含三氯硅烷的气态产物。任选地，如果要求的话，所述方法可包含，从与横向序列中的最后流化区连通的排出位置通过排出口排出硅颗粒流的贫硅残渣。通过将流化气体供给多个横向移置的流化区，流化气体可单独供给每一个流化区。而且，流化气体可以与供给另一个流化区的气体速率无关的速率，或以不同组成，或者伴随不同组成和不同供给速率两者，供给每一个流化区。
通过这样的措施，方法参数可随着固体硅颗粒前进通过三氯硅烷合成器且减小尺寸而调节，以适合于不同的工艺要求。如果要求，所述方法可包括过滤气态产物以自气流除去所携带的硅颗粒，和将所过滤的硅颗粒返回到反应釜中。本发明包括通过本发明方法产生的三氯硅烷产物。在另一个方面，本发明提供用于合成三氯硅烷的流化床方法，其中所述方法包含将硅颗粒流供给包含至少一个流化区的加热的反应器中和供给流化气体向上通过至少一个流化区以使硅颗粒在流化区流化并形成流化床。所述流化气体可包含氯化氢并可与流化床中的硅颗粒反应形成三氯硅烷。在这方面，所述方法包含自反应釜输出包含三氯硅烷的气态产物，过滤气态产物以自气流除去所携带的颗粒和将所过滤的颗粒返回到反应釜中。经过滤除去的所携带颗粒可包含未反应的硅或副产物物料或者未反应的硅与副产物物料两者。任选地，所述方法可包含自加热的反应器排出硅颗粒流的贫硅残渣，其残渣可包括副产物或由副产物组成。在另一个方面，本发明提供用于合成三氯硅烷的三氯硅烷合成器，其包含流化床反应器、用于将含有或不含杂质比如副产物的硅颗粒流引入到反应器中的固体入口，该固体入口可与硅颗粒的供给连通，和流化床反应器中的多个流化区。每一个流化区可横向邻接于至少另一个流化区。气体分配器可在各流化区下面延伸并可与各相应的流化区连通，以容许流化气体向上至流化区。流化气体可包含氯化氢并可与流化区中的硅颗粒接触和反应，产生气态产物。三氯硅烷合成器也可包含与流化床反应器热连通以控制反应器温度的温度控制系统，和位于流化区上面用于自反应器输出气态产物的至少一个气体出口。另外，如果要求，三氯硅烷合成器可包含用于自反应器排出硅颗粒贫硅残渣的固体出口，所述固体出口位于流化区的下游。流化床反应器可确定硅颗粒的流程，其中流程从固体入口通过每一个流化区至固体出口横向延伸。在本发明的再一个方面提供用于合成三氯硅烷的三氯硅烷合成器，其包含流化床反应器、用于向反应器引入硅颗粒的固体入口和位于反应器中的流化区。在本发明这方面的三氯硅烷合成器进一步包含气体分配器，其在流化区下面延伸并与流化区连通，以容许流化气体向上至流化区以与流化区中的硅颗粒接触和反应。所述流化气体可包含氯化氢。三氯硅烷合成器也包含控制反应器温度的温度控制系统；用于自反应器输出在流化气体与硅颗粒之间的反应的气态产物的气体出口，所述气态产物包含三氯硅烷；和用于自反应器排出硅颗粒流的贫硅残渣的固体出口。另外在本发明这方面的三氯硅烷合成器包含与气体出口流体连通的过滤设备，以自从气体出口接收的气流除去所携带颗粒并使所过滤的颗粒返回到反应釜中。绘图的若干视图的简短描述本发明及本发明的制造和使用的一些实施方案以及实施本发明所预期的最佳方式，在本文通过实施例、参照附图得到详细描述，其中遍及几个视图同样的参考符号指明同样的元件，并且其中
图1为适合用作三氯硅烷合成器的本发明流化床反应器第一个实施方案的示意性纵剖面视图；图2为在图1的线2-2上的横断面视图；图3为与图2相似的视图，显示在图1-2中图解说明的流化床反应器可能的改进；图4为本发明流化床反应器第二个实施方案的示意性纵剖面视图，其也适合用作三氯硅烷合成器，并且包括冷却系统；图5为图1的线5-5上的横断面视图；图6为与图5相似的视图，显示在图4-5中图解说明的流化床反应器可能的改进；图7为放大比例的与图5相似的视图，显示在图4-5中图解说明的流化床反应器另一可能的改进以提供另外的冷却；和图8为放大比例的与图4相似的视图的一部分，显示在图7中图解说明的改进的流化床反应器的另外的细节。发明详述太阳能为传统碳基能源比如煤、油和气的重要替代品。因此，对于可用于制造用于将太阳能转化为电力的光伏电池的高纯度太阳级多晶硅材料存在显著需要。为了良好的能源效率，高纯度的多晶硅材料是合乎需要的。用于生产良好纯度多晶硅材料的可用于实践本发明一些方面的一种方法，包含使冶金级硅(例如约98. 5%纯度的硅)与无水氯化氢(HCl)在升高的温度和压力下反应形成三氯硅烷(HSiCl3)气加上氢气(H2)。尽管本发明不打算受到任何具体理论的束缚，认为合成通过在以下方程式(1)中显示的反应进行Si+3HC1 — HSiCl3+H2(1)该反应动力学通常使各种副产物也可形成。例如，可通过在以下方程式O)中显示的反应形成四氯化硅(SiCl4)和氢气HSiCl3+HCl — SiCl4+H2(2)也可通常在较小程度上进行以下两个反应(3)和⑷Si+4HC1 — SiCl4+2H2(3)禾口HSiCl3+HCl — SiCl4+H2(4)依照在许多生产条件下看来为主反应，即在方程式(1)和(2)中显示的反应，离开反应釜的气相可包含三氯硅烷、氢气和四氯化硅。除了四氯化硅，也可形成其它副产物，例如二氯甲硅烷和微量具有Si-Si和Si-O-Si键的硅烷化合物。在一些用于制造三氯硅烷的工业化过程中，离开反应器的气体可通过蒸馏和吸收进一步加工处理，得到纯的三氯硅烷产物，其然后可转化为适用于太阳能产业或其它目的的纯级多晶硅。依照本发明的另一个方面，离开反应釜的气体可被任选地过滤以除去所携带的颗粒，并且过滤的颗粒可返回到反应釜。经过滤除去的携带的颗粒可包含未反应的硅或副产物物料，或者未反应的硅与副产物物料两者。副产物可例如来自冶金级硅中的杂质，比如可形成氯化铝或氯化铁颗粒的铝和/或铁形成。方程式(1)和O)的动力学研究提示，在典型工艺条件下，两个反应主要依序而不是同时进行，反应(1)为优先反应，首先进行，并且产生不需要的副产物四氯化硅的反应 (2)通常其次进行。在一些已知的方法中，由方程式(1)显示的反应可在含有硅颗粒的垂直连续流化床反应器中商业实施，其中硅颗粒被连续供给反应器中以构成流化床，且无水氯化氢被供给反应器作为流化气体。如所述的，本发明不打算受到任何具体理论的束缚。然而，认为当流化气体垂直上升通过硅石流化床时，可如下进行反应反应(1)可在垂直床的下部，反应(2)可在硅流化床的上部。硅与流化气体反应形成在反应条件下为气态的产物，并且气态产物作为废气自反应器顶部离开。方程式(1)为显著的放热反应而方程式(2)为需要一些加热的吸热反应。这些热力学理由可导致在控制流化床中反应温度方面的困难问题。温度不均勻可导致分配板附近硅床下部过热，分配板通常用于在流化床不均勻温度下将流化气体引入上部。这样的温度条件有时可增大形成副产物和减少三氯硅烷产率。本发明的一个有用方面提供包含近似水平流化床的三氯硅烷合成器，或可处理相对浅的颗粒硅床的流化床反应器。这样的流化床反应器可包含并排排列的多个互通的流化床。硅颗粒可通过流化固体可呈现的水力样行为驱动，自流化床反应器的进料端前进至排出端。当它们横向流过合成器时，硅颗粒连续转化为气态产物，并且很少硅可在排出端出现，如果有的话。氯化氢流化气体可通过从进料端到排出端分布在反应器底部的口供给在近似水平反应器底部的充气室。所述近似水平反应器可配备内部隔板，当流化颗粒流过反应器时隔板控制流化颗粒的停留时间分布，以获得颗粒在反应器中所要求值的更均勻停留时间。在这样的水平反应器中使用浅床可有助于方程式(1)的反应超过方程式O)，增大三氯硅烷的产率，提供更有效的反应器，使得所要求的每单位产出容量能够采用更小的反应器。在这样的流化床反应器的一些实施方案中，也可有效地处理温度控制问题，如在本文别处进一步描述的那样。因为硅颗粒通过转化为三氯硅烷体积减小，近似水平的多级反应器可允许在一个或更多个下游步骤减少流化气体流量。垂直三氯硅烷合成器可缺乏通过体积分离硅颗粒的能力，并且细颗粒可过度携带于流化气体中。附解说明适合于用作三氯硅烷合成器的流化床反应器的几个实施方案。为了合成三氯硅烷，硅固体颗粒可与含有氯化氢的气体在一个或更多个流化床中反应(流化床容纳在可在升高的温度和压力下操作的流化床反应器中)，得到含有三氯硅烷的气态产物。 通过所述方法产生的残余固体颗粒可能具有相对低的硅含量和相对高的杂质含量，并且如果要求的话可再循环或送至废弃。因为在这样的方法中许多硅被转化为三氯硅烷气体，输出颗粒的体积可能明显小于固体颗粒的输入体积。如果要求，图解说明的流化床反应器可用于其中颗粒固体与气态原料反应产生有用气态产物的其它方法，特别是(但是不排他地)用于其在升高的温度和压力下操作并具有相对小的或没有固体输出(其可具有极少或没有商业价值)的方法。例如，所排出的残余物可为小至原料的5% (重量)或者甚至更少。参照图1，所显示的三氯硅烷合成器包含流化床反应器10，其包括反应釜12、固体入口 14、固体出口 16、多个流化气体供给18、许多过滤单元20和许多气体出口 22。流化床反应器10意在以流体样流输送固体硅颗粒流通过反应釜12，并当颗粒前进通过反应釜12 时将其转化为三氯硅烷。固体入口 14可与硅颗粒源(未显示)连通或相通，并可将硅颗粒流引入到流化床反应器10中。固体出口 16合乎需要地在固体入口 14的下游，并自固体入口 14横向移置。 例如，当流化床反应器10具有如在图1中显示的纵向结构，固体入口 14可位于流化床反应器10的一端，固体出口 16可位于流化床反应器10的另一端。固体出口或排出口 16可起溢流口作用。而且，如果要求，固体出口 16可为可调节的，使得可选择或调节固体出口 16 的垂直位置，以帮助确定或保持反应釜12中的流化床高度。便利的是，在每一种情况下流化气体供给18、过滤单元20和气体出口 22的数目是相同的，例如在图1中显示各为5个。然而，这些数目的变化是可能的，如同本文将要进一步描述的那样，或者自本公开将为或变为显而易见。每一个流化气体供给18可通过控制阀比如控制阀M控制。如果要求，通过单独以阀门调节的分支进料比如辅助进料28，由再循环气体管线沈输送的再循环气体或另一种合适的气体可与各气体供给18混合。再循环气体可自下游加工或自另一合适来源提供。当流化床反应器10用于三氯硅烷生产和通过气体出口 22的气态产物输出包含三氯硅烷时，如果要求，气体出口 22可配置与下游三氯硅烷处理系统(未显示)或三氯硅烷储存系统(未显示)经共同输出管线30连通或相通。如果采用，下游三氯硅烷处理系统可包含任何合适的设备(例如三氯硅烷纯化器)并可使来自气体出口 22的气态产物输出受到任何要求的加工处理，例如在冷凝之后蒸馏气态产物和/或吸收纯化。流化床反应器10进一步包含多个在反应釜12中以并排关系沿着反应釜12的长度排列的流化区32，使每一个流化区32横向邻接于至少一个其它的流化区32。例如流化区32可沿着线排列，该线从固体入口 14横向延伸通过每一个流化区32继而至固体出口 16。以该种或另一种合适的方式，流化区32可在横向意义上逐个移置，至少一个移置的分量(component)在水平方向。流化区32的其它可能的并排排列对本领域普通技术人员将是显而易见的，或者将来随着技术发展将变为显而易见。例如，如果要求，流化区32可沿着从上面看为L形或曲线的路径排列。有用地，流化床反应器10可限定硅颗粒流的流程，硅颗粒流可沿着它引起如所要求的连续或间断流动。合乎需要地，流程可被设计阻止其中一些颗粒采取比其它颗粒更短的路径通过流化床反应器10的旁路。例如，流程可具有蛇形、波状、Z字形或旋绕形式。在许多情况中，对于固体颗粒合乎需要的是在反应器10中具有相似的停留时间，为了其目的控制旁路可以是有帮助的。另外，流化床反应器10可包含在每一个流化区32下面延伸的气体分配板34。合乎需要地，气体分配板34可与各气体供给18和各流化区32连通，以允许自一个或更多个气体供给18接收的流化气体向上至各流化区32。气体分配板34在本文别处得到进一步描述。为了自硅生产三氯硅烷，各流化气体供给18可包含含有氯化氢的流化气体，并可将气体连通至气体分配板34。如果要求，气体供给18可包含许多不同气体，其具有不同组成或许多不同气体流速或者许多不同气体组成和许多不同气体流速两者。例如一个或更多个气体供给18也可包含氢气，以防止三氯硅烷转化为四氯化硅。流化气体可从气体供给18 以合适的压力供至流化区32，以在各流化区32产生固体颗粒的流化床35。流化床反应器10用于生产三氯硅烷的用途在以下得到更充分描述。如果流化床反应器10要用于除三氯硅烷合成以外的另一种方法，合适时，气体供给18可供给不同于氯化氢的气体(一或多种)。可将气体出口 22与流化区32 —对一地连通，使得在本发明图解说明的实施方案中，每一个流化区32由特定的过滤单元20服务。在本发明一个备选实施方案(未图解说明)中，单一过滤单元可服务所有的气体出口 22。在本发明的另一个实施方案(也未图解说明)中，流化区32可与气态产物流互通，并且，如果要求，提供共同气体出口 22，由此可连接过滤单元比如过滤单元20。应该理解，过滤单元20，无论采用一个还是多于一个，为过滤设备的示例，其可任选地用作流化床反应器10的组件。过滤设备可用于自气态产物除去细粉或其它固体，从而提高气态产物的质量。如果要求，在气态产物中携带的固体颗粒可经过滤设备捕获，并返回到反应釜12中用于进一步加工处理。如果要求，可根据相应流化区32预期递送的处理负荷，按照来自流化区32的气体输出中的气流体积和固体含量改变过滤单元20容量。为此，过滤单元20可根据所预期的处理负荷更大或者更小。例如，自于图1中图解说明的5区流化床反应器10中，两个上游过滤单元20可相对大，两个下游过滤单元20可相对小，并且中央过滤单元20可具有中间尺寸。用于实践本发明的过滤设备在本文别处得到进一步描述。如所显示的反应釜12具有延长的结构，类似于具有封闭端的管，并且合乎需要地近似水平配置。例如，流化床反应器10可包含在固体入口 14和固体出口 16之间横向延伸的大体为圆柱形的反应器10容器。流化床反应器10可容纳流化区32，并可在横截面中具有任何合适的横截面形状，例如曲线状、圆形、卵形或椭圆形或者近似多边形例如三角形、 矩形或六边形，任选地具有圆形顶点。图2图解说明具有圆形横截截面形状的反应釜12的实施方案。图3图解说明具有椭圆形横截截面形状的反应釜12的实施方案。在每一个实施方案中，气体分配板34可如以上描述的那样基本水平地在横向延伸。另外，气体分配板34可围绕横向凹形向上弯曲， 以与气体分配板34的横截截面形状一致，如在图2和3中显示的那样。在图2和3各自中均没有显示温度控制系统或过滤单元20。如所述的，反应釜12可近似水平配置。例如反应釜12可具有水平或基本上水平的配置，使各流化区32具有在相同水平层面的底板，底板任选地通过气体分配板34限定。 各流化区32可具有顶板比如顶板36，由反应釜12内表面提供，其中各顶板36在相同的水平层面。例如，流化区可垂直对齐和水平移置。在本发明的其它实施方案中，如果要求，反应器12可从固体入口 14到固体出口 16 在纵向流动方向倾斜低于水平。流化区32可横向分别移置，使来自一个流化区的气态产物不上升进入另一个流化区。如果要求，可采用反应釜12或可能的气体分配板34自水平的任何合适的倾斜。例如，如果有的话，流化区32的倾斜可少于约20度，或少于约10度，或少于约5度，在每一种情况中在流动方向低于水平。因此，在一些情况中，水平配置的反应釜12可以至约10或约 15度的少许度数的角度，从进料至排出倾斜向下，以建立一种状态，其中每一个下游区域或其它隔室处于比邻近的上游区域或隔室更低的水平。有可能，一个流化区的倾斜可能不同于另一个流化区32的倾斜。与反应釜12中固体颗粒所预期的流体样行为一致，反应釜12或流化区32的向下倾斜、行进方向低于水平预计加速固体颗粒流的前进和减小颗粒在反应釜12中的平均停留时间。依打算实施的方法而定，流化床反应器10可具有与图1-3中所显示明显不同的比例。通常，流化床反应器10的结构可根据反应器预计实施的具体方法变化。例如，流化床反应器10可被有效地构建以经受用于合成三氯硅烷或其它目的的明显升高的温度和压力。流化床反应器10可包括温度控制系统，以控制流化床反应器10或者流化床反应器10的一个或更多个区域的温度。如在图1中显示的那样，温度控制系统可包括可延伸环绕和包围流化床反应器10下部延伸的加热套37。依具体方法的要求而定，其它温度控制系统例如冷却系统可用作加热套37的替代或补充，其中一些在本文中得到描述。因此，温度控制系统可包含加热系统和冷却系统用于在具体方法的不同阶段加热或冷却反应器。加热和冷却系统中的任一或两者可为可选择性操作的，以独立于其它流化区32地加热或冷却一个流化区32。例如，加热套37可具有个别的加热区，对每一个流化区 32用一个，并且可对每一个流化区32提供单独的温度传感器和温度控制器。或者，可提供多个加热套。用于个别加热流化区32的其它合适加热元件或系统对本领域普通技术人员将为显而易见或者在将来随着技术发展将变为显而易见。对于三氯硅烷合成，加热套37可用于升高流化区32内的温度(一或多个)至足以引发自硅和无水氯化氢合成三氯硅烷。有用地，随着反应放热进行，温度控制系统可有效地控制流化区32内的温度(一或多个)以保持三氯硅烷合成反应在稳定的方式。例如，可操作温度控制系统以对于给定的固体进料速率保持系统的热量平衡，需要时采用冷却，以提供稳态、有效的操作系统。合适的冷却系统和设备在本文别处得到描述。在内部，反应釜12包含至少一个区域分隔物38以将反应釜12分隔为邻接和接触的流化区32。各区域分隔物38可与其中排列流化区32的横向相横贯地延伸。如图解说明的那样，各区域分隔物38延伸反应釜12的全高度，使很少或没有热的上升气态产物有可能从一个流化区跨至另一个流化区。而且，各区域分隔物38可在分隔物下部包含至少一个区域开口 40，以允许硅颗粒流以横向从一个流化区32流向邻接的流化区32。如果要求，区域开口 40的开口面积可从一个区域分隔物38到下一个发生变化，以与相应区域分隔物38下游流化区32中的流化床35相比较，提供相应区域分隔物38上游流化区32中的流化床35水平的要求的增量。对于给定的固体颗粒流速，增大区域开口的开口面积通常减少所述床水平增量，并且反之亦然。各区域分隔物可包含单一的区域开口 40或许多区域开口，并且至少一个区域开口 40可位于相应区域分隔物38的任何部分，其可与相应的那些流化床35连通，用于在流化区32之间通过固体颗粒。例如至少一个区域开口 40可位于以上相应分隔物38的底部附近，或邻接于气体分配板34，或在另一个位置，其中区域开口 40可低于流化床35的顶部并高于气体分配板；34。在流化床反应器10中可提供任何合适数目的流化区32。例如，流化区32的数目可为3、4、5、6、7或在2-约20范围内的整数，或在3-约10范围内的整数，或在3-约40范围内的整数。每一个流化区32可包含至少一个隔板42，以将相应流化区32分隔为多级44。各隔板42可与其中排列流化区32的横向相横贯地延伸。而且，每一个隔板可包含至少一个隔板开口 46，以允许硅颗粒流通过和引导硅颗粒流从一个流化级32流向邻接的流化级32。 至少一个隔板开口 46可位于隔板42的任何合适部分，其允许在流化床35之间通过固体颗粒。例如至少一个隔板开口 46可位于隔板底部气体分配板34附近，或在邻接相应隔板42 的流化床35下部高度以下的任何其它位置。合乎需要地，隔板开口 46和区域开口 40可置于沿着反应釜12轴线的中线交替侧，任选地在反应釜12的侧壁附近，以延长通过反应釜12 的流程。合乎需要地，各隔板42在反应釜12中具有中等高度，以防止大部分或全部固体在隔板42上面从一个级44跨向另一个级44。然而热的上升气体可在隔板42上面于各流化区32内自由混合。可采用任何合适数目的隔板。例如反应釜12可包含1-约10个隔板42，将各流化区32分隔为级。有用地，流化床反应器10可包含足够的隔板42以引起硅颗粒流通过反应釜12的实质上的塞式流动分布。例如可存在足够的隔板以引起高比例的硅颗粒，比如至少 80% (重量)或至少90% (重量)，在反应釜12中具有近乎相似的停留时间，比如在平均停留时间的约20%内或在约10%内。在本发明的一些实施方案中，流化床反应器10可包含至少三个流化区32，每一个流化区32用隔板分隔为至少三个级。如可见的，在附图中通过实例图解说明的流化床反应器10中采用的反应釜12包含用4个区域分隔物38限定的相同体积的5个流化区32。另外，5个流化区32中的每一个用3个隔板42分隔为相同数目的级44，在该实例中为4个级并且每一个级44具有相同体积。其它排列是可能的，其对本领域普通技术人员将为显而易见，或者在将来随着技术发展将变为显而易见。例如如果要求，可采用不同数目的流化区32或级44或者流化区32与级44两者。备选地，或补充地，对于流化区32和级44或者对于流化区32与级44两者可采用不同尺寸。例如如果要求，可在一个或更多个其中固体颗粒更小的下游流化区32采用较少的级或较小的体积。有用地，例如为了帮助避免旁路，隔板开口 46可横贯于横向地交错。区域开口 40 和隔板开口 46可被配置和排列，以限定硅颗粒流从进料位置至排出位置通过反应器10的蛇线轨迹。区域分隔物38可被配置和排列以限定流化区32以任何要求的流动序列存在。如所显示的那样，从一个流化区至下一个的流动序列可以从流化床反应器10 —端的固体入口 14至流化床反应器10另一端的固体出口 16基本上直线延伸。其它排列是可能的。例如，在另一种排列中，反应釜12可提供平行于在图1中显示的5个流化区32的排的一个或更多另外的流化区32的排。所述另外的流化区的排(一或多排)可配置在纸平面的前或后面。如果要求，所述流化区32的排可在末端互接，以提供从一个流化区至另一个通过流化区的蛇形流程，不考虑隔板42的配置，如果采用，以提供给固体颗粒延长的流程和提供给固体颗粒在流化床反应器10中更大的停留时间。或者，所述另外的流化区32 的排可提供具有多个通过反应釜12的平行流程的流化床反应器10。可通过采用在反应釜 12—端的多个固体入口 14或共同固体入口和在反应釜12另一端的多个固体出口 16或共同固体出口，或者以另一种合适的方式，操作该排列。合乎需要地，区域分隔物38和隔板42两者用近似直立的取向配置，例如垂直取向或近垂直取向，或垂直线约5°内，或垂直线约10°内。气体分配板34可带有孔，并可在各流化区32下面跨反应釜12横向延伸。气体分配板；34可用作各流化区32的底板。任选地，流化床反应器10可包括在气体分配板34下面的充气室48，其中充气室 48在压力下从一个或更多个气体供给18接收流化气体，并通过气体分配板34中的孔径作用向流化区32排放流化气体(一或多种)。如果要求，充气室48可包含由气体分离器50 限定的与流化区32相应的独立气体分配区。用该构造，可单独容许所要求的流化气体进入各流化区32，而与被容许进入其它流化区32的流化气体(一或多种)无关。或者，如果要求，气体分配板34可提供至全部流化区32的流化气体共同进料，而不采用气体分离器50。在气体分配板34中的孔径作用可包含多个气体喷嘴52，其在给流化区提供底板的气体分配板34范围之内或多或少均勻地分布。多个气体喷嘴52可向各流化区32的各级44开口。合乎需要地，在气体分配板34提供足够的气体喷嘴，以在各流化区32的整个底板区域内提供给反应釜12中的流化固体颗粒足够的气体压力，帮助避免其中颗粒可变为静止的死点。可采用任何合适的气体喷嘴52。合乎需要地，配置气体喷嘴52以从充气室50通过气体分配板34传输流化气体，并将由气体分配板34提供的流化气体排出至流化区32的级44的底板。任选地，各气体喷嘴52可在多个方向或者作为自各喷嘴52发出的近似圆形压力波向外排出气体。用于气体喷嘴52的一种有用结构(未显示)包含风口，风口具有由纵向气体通路横贯的颈部和由一个或更多个向下倾斜的分配器通路横贯的耐用头部，分配器通路与气体通路连通并且在头部下侧打开。气体喷嘴52的头部合乎需要地具有坚固和耐用结构，以承受住由于移动的流化固体颗粒引起的不断磨耗，而没有不可接受的损害或磨损。作为气体喷嘴52的替代，气体分配板34孔径作用可包含许多在气体分配板34中的小孔、许多气体入口、许多螺帽分配头或其它合适的气体分配元件，比如对本领域普通技术人员将为显而易见或在将来随着技术发展将变为显而易见的。在流化床反应器10的一个替代性简化结构(未显示)中，多个气体供给18可由与充气室48连通的单一气体供给替代，并且充气室48可缺乏气体分离器50，以致具有通过气体分配板34与各流化区32连通的单个容积。然而，采用如本文描述的或如同将为或变为显而易见的多个可独立操作的气体供给18，可在操作流化床反应器10中提供更多的灵活性和选择。如所描述的那样，流化床反应器10可任选地包括过滤设备，并且过滤设备，通过实例，可包含一个或更多个与气体出口 22连通的过滤单元20，以自从各气体出口 22接收的气流除去所携带的硅颗粒，并可任选地使所过滤的硅颗粒返回到反应釜12中。
可采用可自热气体过滤细颗粒(例如具有平均粒度为1微米或更少的颗粒)而没有引起不可接受的压力下降的任何过滤设备。一种合适的过滤设备(未显示)可在商标 MIKR0-DYNE 下得自 Procedyne Corporation (New Brunswick，NJ)。其它合适的过滤设备对本领域普通技术人员将为显而易见或在将来随着技术发展将变为显而易见。过滤单元20的详细结构在图1中未示出，因为该结构可以变化。例如每一个过滤单元20可包含一个或更多个的过滤元件，能够使得气态产物流过并自气态产物流分离所携带的硅颗粒而没有强加给不可接受的压力下降。一种有用的过滤元件包含固定在流化区顶部上方的多孔筒形过滤系统。如果要求，该过滤元件或各过滤元件可包含能够自气态产物流分离少于1微米大小颗粒的亚微米过滤元件。为了用于三氯硅烷合成，过滤元件合乎需要地为耐温性的。例如，过滤元件可包含多孔不锈钢管和任选的一层或更多层细不锈钢丝网，后者可被烧结至或另外固定至不锈钢管。如果经过滤单元20收集的固体材料要返回到反应釜12用于进一步加工处理，流化床反应器10可包括逆流或反向脉冲气体供给，该气体供给可连接于该过滤单元20或各过滤单元20，以从过滤元件除去或“反吹”分离的硅或其它颗粒用于返回到反应釜12。过滤单元可包含过滤元件的组并可排列，使各过滤元件组中的过滤元件的预设部分连续受到气体的逆流或反向脉冲以除去所收集的硅颗粒。如果要求，可时常或以定期周期实施过滤器清洗，以防止通过过滤器的过度压力下降。这样的过滤单元20可有用地用于在图1中图解说明的流化床反应器10的实施方案，其中气体出口 22与各流化区32连通，并且由过滤单元20组成的过滤设备单独和独立地与各气体出口 22连通。用该构造，各过滤元件可连接于逆流气体供给和流化床反应器 10，使经各过滤单元20分离的固体颗粒可返回到提供经过滤单元过滤的相应气态产物流的相应流化区32。因此，所过滤的固体物料可返回到其来源的流化区32用于进一步加工处理。合乎需要地，为了实现三氯硅烷合成，如果采用过滤设备，包括过滤设备的流化床反应器10由耐用材料构成，以在升高的温度例如至少约300°C、至少约400°C或至少约 500°C的温度下为可操作的。过滤设备的一些实施方案被构建为在至少约800°C的温度下为可操作的。不锈钢或其它合适的材料、金属合金、碳纤维、复合材料或其它材料可用于制作流化床反应器10和过滤设备(如果采用的话)。在图4-6中图解说明的改进的流化床反应器显示一种形式的冷却系统，一旦在反应器中实施的放热方法比如三氯硅烷合成已经升高到温度，其用于冷却反应器中固体颗粒流化床35上方的容积。这样的“床上”冷却系统可帮助冷却自流化床35上升的气态产物和控制不需要的副产物的形成。现参照附图的图4-6，在图4中所涉的100显示的流化床反应器的实施方案大体类似于如参照图1-3所描述的流化床反应器10，差别是流化床反应器100包括冷却系统以冷却气态产物或由流化区32中的物料流化床产生的“废气”。当描述图4-8的实施方案时，与在图1-3的描述中所用相同的参考数字用于类似的元件和部件。用于流化床反应器100的冷却系统包含在5个流化区32的每一个中设置一个的一组5个换热器60，其中每一个换热器60配置在每一个流化区32中的流化床35的表面上面。例如，在具有直径为约750mm的圆形截面反应釜12中，换热器可在相应流化床35的表面上面约30mm-约IOOmm0各换热器60可包含一系列在反应釜12的纵向延伸的互连的冷却管62。各换热器 60可经至少一个入口管64和至少一个出口管66供给连续的合适冷却液流。可采用的一种合适的冷或热传导液包含基于硅酮的热稳定的冷却油，例如在商标 DOffTHERM A下由陶氏化学公司(The Dow Chemical Company)供给的热传导液，其由供应商描述为两种稳定化合物联苯和二苯醚的低共熔混合物。其它合适的冷却液对本领域普通技术人员将是显而易见的，或者将来随着技术发展将变为显而易见。通过实例，冷却液可通过在反应釜12的换热器60—侧的两个入口管64供给，并且可通过在反应釜12的换热器60另一侧的两个出口管66除去。另一个实例采用在换热器60的一端单独中央安装的入口管64和在换热器66的另一端单独中央安装的出口管66。 如果要求，入口管64和出口管66可给换热器60提供结构支撑。或者，可采用其它的支撑结构。冷却管62可具有任何合适的横截截面形状，包括圆形。然而，如在图5和6中显示的，具有椭圆的小半径朝上的椭圆形状可帮助避免固体颗粒在换热器60上积聚，该积聚可损害其效率。呈现狭窄面积的朝上表面的其它形状可用于冷却管62，例如三角形、卵形寸。图5显示具有圆形横截截面形状的反应釜12的流化床反应器100。图6显示具有椭圆形横截截面形状的反应釜12的流化床反应器100。在图5和6各自中均没有显示加热套37或过滤单元20。在图7-8中图解说明的改进的流化床反应器显示一种形式的冷却系统，一旦在反应器中实施的放热过程比如三氯硅烷合成已经升高到温度，其用于冷却反应器中固体颗粒流化床35。如果要求，所显示的冷却系统或其它相当的冷却系统可帮助保持反应在稳态。现参照图7和8，所涉200显示的流化床反应器的改进实施方案类似于在图5中显示的实施方案，差别是流化床反应器200包含改善的冷却系统，其通过采用一个或更多个冷却隔板242代替由在图1-3中显示的流化床反应器10采用的一些或全部隔板42而提供。和流化床反应器100 —样，流化床反应器200包含在图7中显示的分别具有入口和出口管64A和66A的一个或更多个换热器60，其与在图5中显示的入口和出口管64A和66相比较通过具有90度弯管而得到改进。各冷却隔板242包含限定内腔70的双壁，内腔70可经冷却液入口 72和冷却液出口 74供给冷却液流。可采用任何合适的冷却液，例如与供给换热器60的相同的液体。为了改善在流化床35与腔70中冷却液之间的热流，隔板242可用肋条76形成，肋条76处隔板M2由流化床35接触。如果要求，可采用增大隔板242外表面积的除肋条76以外的其它配置。还在图8中显示的有被改进用作冷却元件的区域分隔物238。冷却区域分隔物238 可具有可与冷却隔板242相当的结构，并包含限定内腔78的肋状双壁。用于冷却区域分隔物238的冷却液入口和出口(未显示)可类似于冷却隔板242所采用的入口 72和出口 74。可在流化床反应器200中采用任何合适数目的冷却隔板242和冷却区域分隔物 238以提供要求的冷却。例如，流化床反应器200可在每一个流化区32提供有4个冷却隔板M2，以将每一个流化区32分隔为5个级，而不是如在图1中对流化床反应器10图解说明的那样使用3个隔板42提供4个级，从而增大潜在的冷却能力。如果要求，冷却隔板M2 和冷却区域分隔物238可在相同反应器中与“正常的”区域分隔物38和隔板42混合。在流化床反应器200的一个实施方案中，所有的隔板和区域分隔物为冷却隔板或冷却区域分隔物。一种用于合成三氯硅烷的方法现将得到描述，并且理解，本发明的流化床反应器 10或另一种三氯硅烷合成器或流化床反应器可用于实施用于合成三氯硅烷的其它方法或用于生产其它产物的方法。在一个示例性的方法中，合适的流化气体(例如与输入固体颗粒具有反应性的气体)自一个或更多个气体供给18接收，并经气体分配板34分配至流化区32。流化气体含有氯化氢并流化、与流化区的硅或其它颗粒接触并反应。气体反应产物经气体出口 22离开反应釜12。在本发明的一个实施方案中，下游三氯硅烷处理系统将自共同输出管线30接收的气态产物中的三氯硅烷转化为适合用于利用太阳能的高纯度多晶硅。流化床反应器10可用于实施各种方法。可采用流化床反应器10实施的一种方法包含用于合成三氯硅烷的多级或多区域流化床方法。所合成的三氯硅烷可以任何要求的方式采用，例如用于生产高纯度多晶硅。流化床反应器10可用于实施任何合适的方法包括三氯硅烷的合成。用于使用流化床反应器10合成三氯硅烷的一个实例包含将硅颗粒流在进料位置(比如经固体入口 14) 进料至加热的反应釜12中的第一个流化区32中。所要求的流化气体可向上进料通过各流化区32，以使硅颗粒在流化区32流化并在各流化区32形成颗粒的流化床35。流化气体可包含氯化氢，其可为无水并可与硅颗粒在流化床反应形成三氯硅烷。所述方法可进一步包含引导流体颗粒流从固体入口 14横向依序流过流化区32， 从反应釜12输出包含三氯硅烷的气态产物，并通过排出口(比如固体出口 16)从横向序列中的最后流化区32排出硅颗粒流的贫硅残渣。如所描述的那样，所述残渣可包括由硅原料中杂质形成的或以另一种方式形成的副产物或由其组成，或者可包含或包括未反应的杂质和/或未反应的硅。任何合适的含硅材料可用于硅颗粒。例如具有平均粒度为约100-约350微米的工业级或冶金级硅颗粒。一种这样的材料具有硅含量为约97% -约99%，例如98. 5% (重量)，余量包含杂质比如铝和铁并且可能还有微量的钙、锰、铬、钛或其它材料。当流化固体流前进通过反应釜12时，在硅颗粒外表面的硅与氯化氢气体反应形成三氯硅烷，其于在反应釜12内保持的温度下为气态。硅作为三氯硅烷逐渐自硅颗粒除去，随着前进通过反应釜12而减小硅颗粒尺寸。在提供从固体入口 14至固体出口 16移动通过反应釜12中的流化区32的相对均勻固体颗粒停留时间的流化床反应器10和方法中， 固体颗粒群的平均粒度在各流化区32中可减小。由于其通过与氯化氢反应而尺寸减小，自固体出口 16排出的残余颗粒明显小于输入颗粒。而且，残余颗粒可具有与原料比较时明显更低比例的硅和相对更高比例的杂质或副产物或两者。残余颗粒大小可以广泛变化。在一些情况中残余颗粒可能很小并且可大部分由杂质组成，比如通常为冶金级硅主要杂质的铝和铁，加上微量的钙、锰、铬、钛及其它材料。这些杂质可以未反应或已反应的形式存在，例如作为相应的氯化物或其它反应产物。
关于原料颗粒大小的减小，通过实例，采用具有平均粒度为约100-约350微米比如本文描述的固体原料，残余颗粒的平均大小可为小的，例如少于100微米、或55微米或更小，在一些情况中，例如在约20-约30微米的范围内。在本发明的一些实施方案中，很少或没有硅可到达流化床反应器的排出端以溢出流化床反应器。在本发明的其它实施方案中，流化床反应器进行操作可伴随一些硅溢出排出端并外部供料回到流化床反应器的进料端，如果该策略有益于所述方法，例如增大三氯
硅烷产率。如果要求，流化气体可单独供给各流化区32，例如通过采用充气室比如充气室 48，其被分隔为与流化区32相应的气体进料区。每一个流化气体供给18可向充气室48中的一个气体进料区供给气体，并由该处向气体分配板34和一个流化区32供给气体。单独供给流化气体使得流化气体能够以与至另一个流化区32的气体进料速率无关的速率供给每一个流化区32。例如，至各流化区32的气体进料速率可以根据相应流化区32中的平均粒度进行变化或选择，以保持该流化区中的颗粒流化床35在所要求的平衡或最佳条件下。较小颗粒具有较少质量，通常需要较低的流化气体进料速率以保持特别的床条件。气体进料速率太快可不利地影响流化床35的质量，产生更多的湍流、更大的气泡和更多向上喷出颗粒的表面尖峰，这可导致通过在床表面排出的流化气体携带的颗粒增加，所有这些现象通常为不合需要的。有用地，所述方法可包含控制至各流化区32的气体进料速率(一或多种)限制在气态产物中携带硅颗粒。气体进料速率太慢可导致流化不足， 造成热点、过度副产物形成或者未反应或不均勻反应的硅颗粒。合乎需要地，至各流化区32 的气体进料速率(一或多种)也可得到控制以避免或限制这样不合需要的现象。对于较小颗粒，减小气流可通过避免氯化氢过量而帮助控制不合需要的副产物形成。另外，至流化区32采用单独的气体进料使得气体组成能够在流化区32之间变化。 例如，一个或更多个流化区32可采用包含无水氯化氢和氢气的流化气体。如果要求，可采用基于流化气体的体积至高达约40% (体积)的氢气，例如比例在约0-约33% (体积) 的范围内。在一个示例性的程序中，每一个区域接收一些氢气，并且对于下游流化区采用逐渐更少的氢气。流化气体可自一个或更多个气体供给18供给，以在反应釜12中保持要求的压力， 例如选自在约环境压力-约20巴范围内的压力、在约环境压力-约10巴范围内的压力和在约1巴-约5巴范围内的压力的压力。一种有用的操作压力为约3. 5巴的压力。如果要求，所述方法也可包含自各流化区单独除去含有三氯硅烷的气态产物。所述方法可包括在被选择以确定最后流化区中流化床35高度的高度自反应釜12 排出贫硅残渣。如果要求，所述方法可包含选择固体入口 14和固体出口 16或所采用的任何其它排出口的高度，以保持流化床35在所要求的高度。例如，所述方法可被操作，使在另一个流化床35上游的每一个流化床35具有比邻接的下游流化床35的水平递增地更高的床水平。在于图1中显示的流化床反应器10的情况中，4个上游流化区32可各自具有比下一个邻接的下游流化床35的水平递增地更高的流化床水平。在流化床35之间的这样的递增水平可提供水力样动力，以保持流化颗粒从固体入口 14处的进料口到固体出口 16处的排出口自一个流化区32至另一个流化区32通过反应釜12的平稳和连续流动。对于给定的固体颗粒进料速率，在最后下游流化区32上游的床水平可受到所述最后流化床35的水平和流化床35之间开口 40和46大小的影响。通常，在每一级44中的流化床水平应该在区域分隔物38或隔板42的上游侧高于下游侧的水平。该差别水平或递增水平可推动或驱动固体产物通过开口 40或46。在一些情况中，当方法比如三氯硅烷合成在稳态或平衡状态下操作时，根据颗粒数目，硅或其它材料的固体颗粒进入第一个流化区32的进料流速可近似等于通过每一个口(由区域开口 40和隔板开口 46组成)的流速，并且近似等于离开固体出口 16的流速。在其中固体颗粒以恒定进料速率供给反应釜12的方法中，在开口 40或46各侧的差别水平有时可自身调整，以满足固体颗粒根据颗粒数目以与它们进料和排出的相同速率流过所有开口 40和46的需要。流化床35的水平在稳态条件下可为恒定，其中每一个上游级水平高于邻接的下游级水平，提供足够的“水头”以引起合适的颗粒流速通过开口 40或46。较小的开口 40或 46可需要更多的“水头”或床差别水平以达到稳态流速，并且较大的开口可需要较少的差别水平。对于最佳流化，流化气体流速随着颗粒大小减小而减小。过度的流速引起从流化床35进入离开床的废气中颗粒携带增加。当颗粒系统的平均粒度随着反应进行而变化时该特征极其重要。为此流化气体进料速率必须被调整。合乎需要地，所述方法可被操作以保持固体颗粒流从进料口到排出口经流化区32 连续流过反应釜12。在近似水平配置的反应器比如流化床反应器10的较低部分中保持这样的连续流动，同时在反应器的上部(流化床35的上面)提供空间以供气态产物通过流化床35的上部层面垂直排出，可帮助对流化床反应器10中的硅材料保持要求的温度分布和要求的停留时间。其中可保持连续流的一种方式的实例为，通过适当调节固体进料速率以保持从固体出口 16连续溢流或排出，同时提供足够的流化气体流以使固体流化。应避免过量的固体流以防止丧失流化或堵塞。应避免过量的流化气流以防止在输出气态产物中过度的固体携
市ο如以在图1中显示的流化床反应器10图解说明的那样，流化区32相互邻接并用区域分隔物38相互分隔。对于这样的构造，所述方法可包含引导硅颗粒流从一个流化区32 通过相应区域分隔物中的至少一个区域开口 40流向下一个邻接的流化区32，所述至少一个区域开口 40被定位以与相应邻接流化区32中的流化床35连通。如果要求，每一个区域开口 40的开口面积的程度可被选择，以控制下一个上游流化区水平的增量。各流化床35高度，指的是床中流化硅颗粒的高度，可具有任何合适的值，例如选自约5mm-约500mm、约IOmm-约IOOmm和少于30mm的范围内的值。任选地，所述方法可包含将每一个流化区32用至少一个隔板42分隔为多个级44， 并且使硅颗粒流从一个级44通过在分隔级44的相应隔板中的至少一个隔板开口流向下一个级44。如果要求，每一个流化区32用1-10个隔板42分隔为级44。隔板开口可横贯横向地交错，其中流化区32被排列并且所述方法可包含引导硅颗粒流沿着蛇线轨迹从固体入口 14至固体出口 16提供的排出口。固体流可以连续序列流过各区域开口 40和各隔板开口 46。这样的隔板迷宫可对各区域中的固体颗粒群提供更加均勻的停留时间分布。增大流化区32中的级44数目预计可对所述区域中的固体颗粒群提供更加均勻的停留时间。在区域分隔物38中的区域开口 40和隔板42中的隔板开口 46允许硅固体材料连续流依序从每一个级44转到下一个级44，并在所述最后下游级44中的固体出口处溢流出排出口，以可与真正液相流相比的方式。有用地，区域开口 40和隔板开口 46可在反应釜12 的一侧与另一侧交替，以减少一些流动的固体颗粒在从固体入口 14至固体出口 16的路径上采取捷径而减少其停留时间的可能性。所述方法可被操作，使所排出的贫硅残渣颗粒在反应釜12中具有所要求的平均停留时间。例如，平均停留时间可在约10分钟-约30小时范围内或者可具有另外的合适值。所述方法可包含加热多个流化区32，并与其它流化区32的温度无关地控制每一个流化区32的温度。温度控制可以多种方式实现，如对本领域普通技术人员将是显而易见的，或者将来随着技术发展将变为显而易见。流化区32的独立温度控制可帮助在反应釜12 内各处保持所要求的温度水平。流化区温度可得到控制以在各流化区具有任何合适的数值(一或多种)。例如，所述方法可包含在反应釜中加热硅颗粒至约280 0C -约400 °C范围内的温度。用于三氯硅烷合成的一种合适温度在一个或更多个或者全部流化床35中为约350°C的温度。如果要求， 所述方法可包含与其它流化区的温度无关地控制每一个流化区的温度。独立加热可使得流化区温度能够得到控制，使每一个流化区根据每一个流化区的处理目标具有要求的温度。例如，在启动时，可以合乎需要的是在下游区域之前或者比下游区域更快速地加热上游区域。而且对于一个流化区的加热要求可以不同于对另一个的要求，使流化区的个别加热控制可有助于在许多流化床的各处保持均勻温度，如果这样做是合乎需要的。当操作放热过程比如三氯硅烷合成时，可在启动时采用加热套37以达到流化床 35要求的操作温度例如约350°C。一旦达到操作温度，可能期望冷却以保持稳态，或者避免过热和可能的不需要的副产物形成。因此，所述方法可包含冷却一个或更多个流化区，以在相应流化区32 ( 一或多个)已经被加热至要求的操作温度之后，在反应釜12中的流化床35 或流化床35上面容积的任一或两者中保持要求的操作温度。一个至全部的流化床35和/ 或稀相空间(freeboard)反应釜容积可根据情况得到冷却。如果要求，一个或更多个稀相空间反应釜容积的这样的冷却可通过冷却系统(比如在图4-6中图解说明的换热器60)得到实现并可实现控制不需要副产物的形成。用于合成三氯硅烷的本发明方法可包含冷却稀相空间反应釜容积中的一个或更多个至约 300°C -约100°C范围内的温度，或至约200°C -约150°C范围内的温度，例如约175°C。冷却一个或更多个流化床35可通过采用比如在图7-8中图解说明的冷却系统得到实现，冷却系统包含至少一个冷却区域分隔物238或至少一个冷却隔板242或者至少一个冷却区域分隔物238和至少一个冷却隔板M2。另外，在此描述的所述示例性方法可任选地包含过滤气态产物以自气流除去所携带的硅颗粒，和使所过滤的硅颗粒返回到反应釜12中。可采用至少一个过滤元件以捕获携带的硅颗粒，并且所述至少一个过滤元件可定期受到气体的逆流或反向脉冲以释放所捕获的颗粒用于返回到反应釜12中。而且，所述方法可包含单独过滤来自每一个流化区32的气态产物流以自气流除去所携带的硅颗粒，和使所除去的硅颗粒返回到相应气态产物流源自的相应流化区32或另一个要求的流化区32中。在350°C下离开MG-Si流化床的废气产物在每一个区域通过该冷却管线阵列，其中其温度降至175°C。这是非常重要的，因为制造SiCl4副产物的副产物反应在该较低温度下非常迟缓，因此没有多少SiCl4有时间在床表面与冷却管底部之间的几秒钟内形成。如果要求，所述方法可包含使一部分或全部自排出口排出的贫硅残渣颗粒返回到反应釜12中。在一些情况中，所述贫硅残渣颗粒可具有如此低水平的硅剩余，以致于其回收利用是无吸引力的或不合需要的。来自气体出口( 一或多个)22的含有三氯硅烷的气态产物输出可受到任何要求的进一步加工处理，包括用如本文描述的过滤设备或经其它装置过滤。例如，本发明的方法可包括纯化反应釜下游含有三氯硅烷的气态产物以产生纯化的三氯硅烷。纯化可包括冷凝和蒸馏气态产物和任选的吸附纯化。本发明也包括本文描述用于生产三氯硅烷的任何本发明方法的三氯硅烷产物。除了三氯硅烷，并且可能地还有残余比例的原料气体比如氯化氢和氢气，通过气体出口 22的气态产物输出可包含四氯化硅、二氯甲硅烷及有时称为“高沸化合物”的其它副产物，其可包含含有Si-Si和/或Si-O-Si键的各种硅烷化合物。如果要求，所述气态产物可送至一个或更多个分离系统用于回收三氯硅烷、再循环和/或弃置这些副产物，例如如本文描述的纯化系统。当采用本发明气态产物时，本发明包括这样的下游方法和设备。应该理解，可以与所描述的其中合成三氯硅烷的实例相当的方式，在流化床反应器10中实施其它方法。当本文涉及流化床反应器10时，应该理解这样的涉及可备选地指流化床反应器100或流化床反应器200，除非上下文另外指明。本发明实践的一个实施例现将得到描述，其用于例证性目的，并且不打算限制本发明的范围。
实施例该实施例举例说明使用包含流化床反应器比如流化床反应器100的三氯硅烷合成器生产三氯硅烷。如在图4中显示的那样，流化床反应器配备以并排系列水平排列的多个带有隔板的流化区。而且，流化床反应器包含含有换热器比如换热器60的在头顶上或 “床上”的冷却系统，以冷却从流化区的硅颗粒流化床上升的废气。流化床反应器100的其它细节基本上如参照图4和5本文描述的那样，除非上下文指明不同。连续的硅颗粒流通过固体入口 14供给，并且含有无水氯化氢的流化气体被供给气体供给18。所述流化床反应器达到基本上稳态，其中以近似恒定速率和温度条件流动进出反应器的气体和固体相当稳定。来自加热套37的热用于使流化床反应器升高到温度，并在合适时使用加热系统控制以及冷却以保持稳定的温度条件。其为该实施例部分的表1和2阐明可由计算机建模测定的一些近似定量数据，关于流化床反应器100 —个实施方案产生三氯硅烷的操作。这些数据仅意在为合适或者可能数据的例证，其可由本领域普通技术人员在实践所描述的本发明实施方案中确定并且进行改变，而无需过度试验。在实践本发明其它实施方案中遭遇或采用的数据可以显著变化。
表1流化床反应器特性反应器设计区域1-5区域容积0.17m3区域长度0.76m级长度0.15m每区域的级数5每区域的隔板数4容器直径0.76m容器长度3.81m
处理条件区域1-5压力3.5Bar床温度3500C质量速率671Kg/hr平均粒度200微米平均颗粒体积4.2微米3表1定量描述水平配置的流化床反应器，如在表中所指出的那样，其为约3. 81m长并具有约0.76m直径的圆形横截截面形状。流化床反应器被分隔为5个相等区域。每一个区域具有约0. 17m3的容积。每一个区域用每区域4个分隔物分隔为5个相等地带，并且每一个区域具有约0. 76m长度。流化床反应器10在约3. 5巴(bar)的压力和在5个流化区32的每一个中流化床 35为约350°C的温度下操作。具有平均粒度为约200微米和平均体积为约4. 2微米3的硅颗粒以约671kg/小时的速率供给流化床反应器100中。
权利要求
1.用于合成三氯硅烷的多级流化床方法，所述方法包含将硅颗粒流在进料位置供给加热的反应釜中的第一个流化区，反应釜包含多个彼此横向邻接配置的互通的流化区；供给流化气体向上通过各流化区，以在各流化区使硅颗粒流化并在各流化区形成颗粒流化床，其中流化气体包含氯化氢并可在流化床中与硅颗粒反应形成三氯硅烷；引导流化颗粒流从进料位置横向依序通过流化区；从反应釜输出包含三氯硅烷的气态产物；和任选地，从横向序列中的最后流化区通过排出口排出硅颗粒流的贫硅残渣。
2.权利要求1的方法，所述方法包含向每一个所述流化区单独供给流化气体。
3.权利要求2的方法，所述方法包含向每一个流化区以与供给另一个流化区的气体速率无关的速率供给流化气体。
4.权利要求3的方法，所述方法包含调节进料位置和排出口的高度，以保持流化床为要求的高度。
5.权利要求4的方法，所述方法被操作，使在另一个流化床上游的每一个流化床具有比邻接的下游流化床水平递增地更高的水平，并且保持固体颗粒流从进料口经流化区至排出口通过反应釜的连续流。
6.权利要求1的方法，其中流化区相互邻接并用区域分隔物相互分隔，并且其中所述方法包含引导硅颗粒流通过在相应的区域分隔物中的至少一个区域开口从一个流化区流向下一个邻接的流化区，所述至少一个区域开口被定位以与相应邻接的流化区中的流化床连通。
7.权利要求6的方法，其中选择各区域开口的开口面积以控制下一个上游流化区的水平中的增量。
8.权利要求1的方法，所述方法包含控制气体进料速率的一或多种以限制在气态产物中携带的硅颗粒。
9.权利要求1的方法，所述方法包含从每一个流化区单独除去含有三氯硅烷的气态产物。
10.权利要求1的方法，所述方法包含将每一个流化区用至少一个隔板分隔为多个级，并使硅颗粒流通过在分隔级的相应的隔板中的至少一个隔板开口从一个级流向下一个级。
11.权利要求10的方法，其中每一个流化区用1-10个隔板分隔为级。
12.权利要求10的方法，其中隔板开口横贯横向地交错，并且所述方法包含引导硅颗粒流通过区域开口和隔板开口沿着蛇线轨迹从进料位置至排出口。
13.权利要求10的方法，其中隔板开口处于隔板下部。
14.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，其中流化区的数目为选自3、4、5、6、7、3_约10的范围、2-约20的范围和3-约40的范围的整数。
15.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，其中流化区以基本水平线的序列配置。
16.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，其中反应釜包含至少三个以基本水平线配置的流化区，每一个流化区用隔板分隔为至少三个级。
17.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含加热多个流化区并与其它流化区的温度无关地控制每一个流化区的温度。
18.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含控制流化区温度，使每一个流化区根据每一个流化区的处理目标具有所要求的温度。
19.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含冷却一个或更多个流化区，以在相应的一个或更多个流化区已被加热至要求的操作温度之后保持所要求的操作温度。
20.权利要求19的方法，其中冷却包含通过冷却在相应的流化区中的流化床或冷却反应釜中流化床上面的容积或者冷却流化床和冷却流化床上面的容积两者而冷却至少一个流化区。
21.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含保持连续的硅颗粒流通过反应^r ο
22.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含操作所述方法，使排出的贫硅残渣颗粒在反应釜中具有要求的平均停留时间。
23.权利要求22的方法，其中平均停留时间在约10分钟-约30小时范围内。
24.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含过滤气态产物以自气流除去所携带的硅颗粒和使所过滤的硅颗粒返回到反应釜中。
25.权利要求22的方法，所述方法包含采用至少一个过滤元件以捕获硅颗粒，和使所述至少一个过滤元件间歇地受到气体的逆流或脉冲以释放硅颗粒用于返回到反应釜中。
26.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含单独过滤来自各流化区的气态产物流以自气流除去硅颗粒，和使除去的硅颗粒返回到提供相应的气态产物流的相应的流化区或至另一个选择的流化区。
27.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，其中每一个流化床的高度，其指床中流化硅颗粒的高度，在选自约5mm-约2m、约IOmm-约0. 5mm和少于30mm的范围内。
28.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，其中硅颗粒包含具有纯度为约97%-约99%硅(重量)和具有平均粒度在约50微米-约450微米范围内的冶金级硅。
29.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，其中流化气体包含无水氯化氢和氢气。
30.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含在反应釜中加热硅颗粒至在约280 V -约400 °C范围内的温度。
31.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含在反应釜中保持选自约环境压力-约20巴和约1巴-约5巴的压力。
32.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含纯化反应釜下游的气态产物以产生纯化的三氯硅烷。
33.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含在自流化区底部上面约50mm至反应釜内部高度的约90 %的范围内的高度自反应釜排出贫硅残渣。
34.权利要求1、2、6、9、10或12的方法，所述方法包含使部分或全部所排出的贫硅残渣返回到流化区中的一个。
35.通过权利要求1、2、6、9、10或12的方法产生的三氯硅烷产物。
36.用于合成三氯硅烷的流化床方法，所述方法包含将硅颗粒流供给包含至少一个流化区的加热的反应器中；供给流化气体向上通过至少一个流化区以在流化区中使硅颗粒流化并形成流化床，其中流化气体包含氯化氢并可在流化床中与硅颗粒反应形成三氯硅烷；从反应釜输出包含三氯硅烷的气态产物；任选地，从加热的反应器排出硅颗粒流的贫硅残渣；过滤气态产物以自气流除去硅颗粒；和使所过滤的硅颗粒返回到反应釜中。
37.权利要求36的方法，其中过滤包含采用过滤元件以捕获硅颗粒，和使所述过滤元件间歇地受到气体的逆流或反向脉冲以自过滤元件释放硅颗粒用于返回到反应釜中。
38.权利要求36的方法，所述方法包含通过许多过滤元件过滤气态产物以自气态产物分离硅颗粒，使许多过滤元件中的一个或更多个依序受到气体的逆流或反向脉冲以释放硅颗粒用于返回到反应釜中，并同时通过使气态产物流过许多过滤元件中的至少一个其它过滤元件自气态产物过滤硅颗粒。
39.用于合成三氯硅烷的三氯硅烷合成器，所述三氯硅烷合成器包含流化床反应器；用于将硅颗粒流引入到反应器的固体入口，所述固体入口与硅颗粒供给连通；在流化床反应器中的许多流化区，每一个流化区横向邻接于至少一个其它流化区；气体分配器，其在每一个流化区下面延伸并与每一个相应的流化区连通，以容许流化气体向上至流化区以与流化区中的硅颗粒接触和反应，产生气态产物，其中流化气体包含氯化氢；与流化床反应器热连通以控制反应器温度的温度控制系统；位于流化区上面用于自反应器输出气态产物的至少一个气体出口 ；和用于自反应器排出硅颗粒的贫硅残渣的固体出口，所述固体出口位于流化区的下游；其中反应器限定硅颗粒的流程，所述流程从固体入口通过每一个流化区至固体出口横向延伸。
40.权利要求39的三氯硅烷合成器，其中气体分配器包含带有孔的气体分配板，该分配板跨反应器横向延伸并包含与流化区一致的独立气体分配区，用于允许气体与其它流化区无关地进入每一个流化区。
41.权利要求40的三氯硅烷合成器，所述合成器包含多个可独立操作的气体供给，一个气体供给用于每一个流化区。
42.权利要求41的三氯硅烷合成器，其中所述气体供给包含许多不同的气体组成或许多不同的气体流速或者许多不同气体组成与许多不同气体流速两者。
43.权利要求39的三氯硅烷合成器，所述合成器包含与气体分配器可连通的含有氯化氢的流化气体的供给。
44.权利要求39的三氯硅烷合成器，其中气体分配板孔径作用选自许多小孔、许多气体入口、许多螺帽分配头和许多风口。
45.权利要求39的三氯硅烷合成器，其中温度控制系统包含至少一个温度控制器，以与另一个流化区的温度无关地控制每一个流化区温度。
46.权利要求39的三氯硅烷合成器，其中温度控制系统包含用于加热或冷却反应器的加热系统和冷却系统。
47.权利要求39的三氯硅烷合成器，其中每一个流化区与另一个流化区邻接，并且所述合成器包含至少一个区域分隔物将反应釜分隔为邻接接触的区域，并且每一个区域分隔物包含至少一个区域开口以使得硅颗粒流从一个流化区横向流向邻接的流化区。
48.权利要求39的三氯硅烷合成器，其中每一个流化区包含至少一个隔板以将相应流化区分隔为多个级，并且每一个隔板在隔板中包含至少一个隔板开口以使得硅颗粒流从一个级流向邻接的级。
49.权利要求48的三氯硅烷合成器，所述合成器包含1-约10个隔板以将每一个流化区分隔为级。
50.权利要求47或48的三氯硅烷合成器，其中隔板开口横贯横向地交错，并且其中区域开口和隔板开口限定硅颗粒流从进料位置至排出位置通过流化床反应器的蛇线轨迹。
51.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，其中流化区的数目选自3、4、5、6、7、2-20的范围和3-10的范围的整数。
52.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，其中配置区域分隔物以限定流化区进入流动序列，并且流动序列以基本水平线延伸。
53.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，其中所述反应器包含至少三个以基本上水平线配置的流化区，每一个流化区用隔板分隔为至少三个级。
54.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，其中反应器包含大体为圆柱形的反应釜，其在固体入口和固体出口之间横向延伸并具有选自曲线状、圆形、卵形或椭圆形的横截面形状，并且其中反应釜容纳流化区。
55.权利要求M的三氯硅烷合成器，其中气体分配器元件在横向基本上水平延伸，且围绕横向凹形向上弯曲。
56.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，其中所述至少一个气体出口包含许多气体出口，一个气体出口用于每一个流化区。
57.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，所述合成器包含与至少一个气体出口连通的过滤设备，以自从气体出口接收的气流除去硅颗粒和使所过滤的硅颗粒返回到反应釜中。
58.权利要求57的三氯硅烷合成器，其中过滤设备包含能够使得气态产物流过并自气态产物流分离硅颗粒的过滤元件。
59.权利要求58的三氯硅烷合成器，所述合成器包含逆流或反向脉冲气体供给、可与逆流或反向脉冲气体供给连接的过滤元件，以自过滤元件除去所分离的硅颗粒用于返回到反应器中。
60.权利要求59的三氯硅烷合成器，其中所述至少一个气体出口包含许多气体出口，一个气体出口用于每一个流化区，并且所述过滤设备单独和独立地与许多气体出口中的每一个连通并且包含相应的许多过滤元件，每一个过滤元件被配置以使得气态产物从一个气体出口流过并从来自该气体出口的气态产物流分离硅颗粒，并且其中每一个过滤元件连接于逆流或反向脉冲气体供给和反应器，用于使所分离的颗粒返回到提供相应气态产物流的相应流化区。
61.权利要求57的三氯硅烷合成器，其中该过滤元件或各过滤元件包含能够自气态产物流分离大小小于1微米的颗粒的亚微米过滤元件。
62.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，所述合成器包含硅颗粒源，其被配置以将硅颗粒连通至固体入口。
63.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，其中气体出口被配置以与下游三氯硅烷处理系统或三氯硅烷储存系统连通或相通。
64.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，所述合成器包含与气体出口连通的下游三氯硅烷纯化器。
65.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，其中反应器和过滤设备，如果存在过滤设备，在至少约30(TC的温度下可操作。
66.权利要求39、40、41、45、48或50的三氯硅烷合成器，其中硅颗粒流通过固体入口流入到反应器中，并且含有氯化氢的气体通过气体分配器流入到反应器中，并且其中所述合成器输出含有三氯硅烷的气态产物。
67.用于合成三氯硅烷的三氯硅烷合成器，所述三氯硅烷合成器包含流化床反应器；用于将硅颗粒引入到反应器的固体入口 ；位于反应器中的流化区；气体分配器，其在流化区下面延伸并与流化区连通，以容许流化气体向上至流化区以与流化区中的硅颗粒接触和反应，其中流化气体包含氯化氢；控制反应器温度的温度控制系统；用于自反应器输出在流化气体与硅颗粒之间的反应的气态产物的气体出口，所述气态产物包含三氯硅烷；用于自反应器排出硅颗粒流的贫硅残渣的固体出口 ；和与气体出口流体连通的过滤设备，以自从气体出口接收的气流除去硅颗粒并使所过滤的硅颗粒返回到反应釜中。
68.权利要求67的三氯硅烷合成器，其中过滤设备包含能够使得气态产物流过并自气态产物流分离硅颗粒的过滤元件。
69.权利要求67的三氯硅烷合成器，所述合成器包含逆流或反向脉冲气体供给、可与逆流或反向脉冲气体供给连接以自过滤元件除去所分离的硅颗粒用于返回到反应器中的过滤元件。
70.权利要求67、68或69的三氯硅烷合成器，其中所述过滤设备包含许多过滤元件以自气态产物分离硅颗粒，并且所述过滤设备被配置以使许多过滤元件中的一个或更多个依序受到气体的逆流或反向脉冲以释放硅颗粒用于返回到反应釜中，同时通过使气态产物流过许多过滤元件中的至少一个其它过滤元件自气态产物过滤硅颗粒。
71.权利要求67的三氯硅烷合成器，其中该过滤元件或每一个过滤元件包含被设定等级以保留来自气态产物流的规定大小颗粒的颗粒的过滤元件，其中该大小为在约0. 5微米-约5微米范围内的大小。
72.权利要求67的三氯硅烷合成器，其中所述反应器和过滤设备在至少约300°C的温度下可操作。
全文摘要
用于合成三氯硅烷的多级流化床方法和合成器，其中可将硅颗粒供给流化床反应器中的多个互通的流化区中的一个，其中向反应器供给包含氯化氢的流化气体。流化区可彼此横向邻接配置，例如并排或成水平线。有用的实施方案包括将流化气体以不同速率和/或组成供给不同流化区；过滤设备，以过滤气态产物并使硅颗粒返回到反应器中，和冷却系统，用于冷却流化床和流化床上面的气体容积，如果存在的话。
文档编号C01B33/107GK102574091SQ201080032120
公开日2012年7月11日 申请日期2010年5月11日 优先权日2009年5月12日
发明者K·H·斯塔芬, T·R·帕尔 申请人:普罗斯迪尼公司