专利名称：加热装置及与其相关的方法
技术领域：
本发明涉及加热装置(heater)、系统及加热方法，特别是，涉及氢氯化反应(hydrochlorination)或氢化(hydrogenation)加热装置，且涉及加热系统中的流体(stream)及产生三氯娃烧(trichlorosilane)的过程。
背景技术：
三氯娃烧能通过根据下列反应方程式氢化四氯化娃(silicon tetrachloride)而
产生:Si+2H2+3SiCl4 — 4HSiCl3 (I)反应方程式(I)通常于高压下完成，介于约250磅每平方吋表压(psig)至500磅每平方吋表压(psig)，且反应温度介于约500°C至约550°C的范围中。三氯硅烷也能通过根据下列反应方程式氢化硅而产生:3Hi+Si — HSiCl3+H2 (2) 反应方程式(2)通常于低压下完成，约50磅每平方吋表压(psig)，且反应温度介于约300°C至约350°C的范围中。
发明内容
本案能包括加热装置、系统、及加热一或多个反应物流(reactant stream)以产生例如二氣娃烧。本案一方面或多方面能指代为一加热装置，包括具有一中空圆柱形加热腔(cylindrical heating cavity)的一压力壳(pressure shell),配置于该中空圆柱形加热腔中的一环状遮热板(annular heat shield),及至少一配置于该环状遮热板的内部容积(interior volume)中的加热组件(heating element)。于有关于本案一个或多个方面的一些结构中，该至少一加热组件能具备一环形加热结构(annular heatingstructure)。该加热装置进一步能包括配置于该环形加热结构的一内部区域的一圆筒状间隔件。该环形加热结构可配置为具有一蛇形线结构(serpentine structure)。于其它切合于本案的一或多个其它方面的配置中，该至少一加热组件包括一碳/碳复合材料(carbon/carbon composite)。于其它配置中，该至少一加热组件能配置为具有一棒状结构(rod-shaped structure)。本案的一个或多个其它方面的配置中，该至少一加热组件能包括石墨(graphite)。因此，本案的一个或多个方面能包括令该至少一加热组件具备一碳/碳复合材料、一石墨、及一镍铬铁合金(nichrome)的一者。该至少一加热组件还能包括一碳化娃涂膜(silicon carbide coating)。本案的一个或多个其它方面的配置中，该环状遮热板设置为由该加热腔的内表面偏移(offset)，至少部分地定义出相邻于该内表面的一环形冷却区域(annular cooling zone)。该加热装置又能包括一入口(inlet),流体连接该中空圆柱形加热腔至一反应物源(reactant source),且包括一出口(outlet),流体连接该中空圆柱形加热腔至一反应器(reactor)。于某些实施例中，该反应器为一流化床反应器(fluidized bed reactor)。该反应物源,依据本案的相关配置,包括四氯化娃(silicontetrachloride)及甲烧(hydrogen)的至少一者。本案一方面或多方面可为制备三氯硅烷的方法。该方法能包括导入一包括四氯化娃的反应物流至一加热装置，该加热装置具有一围绕住一加热腔(heating chamber)的一压力壳(pressure shell)、一设置于该加热腔中的遮热板(heat shield)、及一设置在该遮热板的一内部容积(interior volume)的加热组件(heating element);令电流通过该加热组件以加热该反应物流至一目标反应物流温度(target reactant streamtemperature);以及引入该加热的反应物流至一反应器，该反应器具有将该四氯化硅的至少一部分转换为三氯娃烧的反应条件(reaction condition)。该目标反应物流温度通常介于约500°C至约625°C的范围中。该方法进一步能包括导入硅至该反应器。于本案一方面或多方面的相关实例中，该加热组件的一表面被该反应物流湿润。引入该反应物流至该加热装置，能包括引导该反应物流的第一部分穿过一 至少部分通过该遮热板的一中心容积(central volume)定义的环形加热区域(annular heating zone),及引导该反应物流的第二部分穿过一至少部分定义于该遮热板的一表面及该加热腔的一表面间的环形冷却区域(annular cooling zone)中的一者或多者。该方法,根据本案的一方面或多方面,还能包括监测该加热的反应物流的一温度；及调整通过该加热组件的该电流的一电压量或电流量的至少一者。本案一方面或多方面能为促进三氯娃烧的产量的方法。该方法包括连结一加热装置的一反应物入口(reactant inlet)至一四氯化娃源及一甲烧源的至少一者,该加热装置具有一围绕住一加热腔的一压力壳、一设置于该加热腔中的遮热板，及至少一设置在该遮热板的一内部容积中的加热组件；以及连结该加热装置的一反应物出口(reactantoutlet)至一氢氯化反应(hydrochlorination)或氢化(hydrogenation)反应器的一入口(inlet)。该方法更能包括连结该至少一加热组件到至少一电力源。该方法，根据本案的某些配置，还能包括引导四氯化硅及甲烷的至少一者至该加热装置，及建立一电流通过该至少一加热组件中的一者或多者。
附图并未等比例绘示。于图式中，每一个相同或近似的组件绘示为具有类似的标号。为了清晰，并非每一个组件皆被标示于每一个图式中。于图式中:图1为本案的一加热装置的一侧视图的一示意图，其中，本案的一或多个方法能予以实施；图2为沿着图1的加热装置的切线2-2所视的剖面示意图，于其上，本案的一或多个实施例能予以实施；图3为具有一蛇形线结构的一加热组件的一透视图的一示意图，其能根据本案的一或多方面予以实行；图4为一蛇形线加热组件(serpentine heating element)的照片的复印，该蛇形线加热组件能根据本案的一或多个实施例由碳/碳复合材料予以制成；以及图5为根据本案的一或多个实施例的一加热装置沿着一电性连接端口所视的剖面示意图。
具体实施例方式本案一方面或多方面能关于加热系统(heating system)或加热设备(heatingapparatus)或加热装置(heater)及使用方法以及促进加热运转(heating operation)用于化学程序。本案的其它方面能关于加热装置，具有至少一加热组件，该加热组件被该程序润湿，而该程序流动地被加热。本案的其它方面更有关于具有加压的加热腔(heatingchamber)的加热装置，包括表面被该流动地被加热的程序湿润的构造。本案的其它方面进一步能关于具有抗腐性(corrosion resistant)的湿润表面的加热装置。本案的其它方面更能关于加热装置，具有加热组件或围绕在该加热装置的一压力外壳(pressureenvelope)中的组件。根据本案的一方面或多方面，该加热装置能包括具备压力膜(pressure membranee)或压力壳(pressure shell)的槽(vessel),该压力膜或压力壳围绕住压力流体(pressure fluid)或反应物流,该压力流体或反应物流通过一个或多个加热区域(heating zone)或加热区带(heating region)所加热,加热装置较佳地进一步包括一个或多个阻隔层(barrier)、缓冲器(buffer)、或冷却区域(cooling zone)或冷却区带(cooling region)。本案的一个或多个实施例能指代`为一槽，例如具有一能作为压力膜或压力槽的壳的一加热装置。该壳能具有一个或多个加热腔(heating cavity)定义于其中。该加热装置通常进一步包括至少一加热组件，其通常设置在该一个或多个加热腔中。根据本案的其它方面，该加热装置更显著的结构能包括利用一个或多个遮热板。根据本案一个或多个方面的其它结构，还能包括该加热装置具有一个或多个圆筒状的间隔件(spacer)结构，内置于该加热组件的一内部区域，并具有一个或多个加热腔。该加热装置通常流体连结或得连结至一个或多个反应器及一个或多个反应物(reactant)的源。如绘示于图1及图2的未限定结构，加热装置100能包括一壳110，围绕一加热腔115，该加热腔115通过该壳110予以定义。如所绘示及描述，加热腔115具有一圆柱状(circular cylindrical)结构；然而,其它几何结构可利用于本案的一个或多个变形的实施例中。加热装置100进一步能包括至少一设置在加热腔115的遮热板120。于较佳的结构所绘示，遮热板120具有环形的、圆柱形的结构，且基本上同心设置于加热腔115。遮热板120因此包括或至少部分定义一内部容积(interior volume) 125。加热装置100通常进一步包括一或多个加热组件130，设置于遮热板120的内部容积(interior volume) 135中。亦绘示的是,加热组件配置为一环形结构并具有一内部容积135。加热装置100更能包括一个或多个间隔件140，设置于环状的加热组件130的内部容积135中。其次，加热装置100包括一个或多个入口端口 150及一个或多个出口端口160。加热装置100通常进一步包括一个或多个电性连接端口 170。根据一通常用法，该加热装置100的一个或多个入口端口 150能流体连结或得连结至一个或多个上游单元操作(upstream unit operation),如一个或多个反应物的源(未图标)，且一个或多个出口端口160能流体连结或得连结至一个或多个下游单元操作(downstream unit operation)(同样未图标)。下游单元操作的未限定的实施例的包括蒸懼柱(distillation column)、换热器(heat exchanger)、及例如为流化床反应器(fluidized bed reactor)的反应器。加热装置100的组件的其它配置能包括应用一个或多个设置于加热腔115中的棒状的加热组件。举例言之，多条平行的棒状结构(未图标)能纵向地设置于加热腔115中。图3及图4范例地绘示加热组件130的一实施例，该加热组件130可根据本案的一方面或多方面予以实施。如图所示，加热组件130可配置为环状蛇纹(annularserpentine)或波纹状结构(corrugated structure),并具有多个第一片段(firstsegment) 136,第一片段136各自连结于第二片段(second segment) 138的端部。每一个第一片段136及每一个第二片段138构成线性构件(linear component),其中，每一个线性的第一片段136的每一个端部连结于一线性的第二片段138的一端部。如所示的范例所绘示，每一个线性的第一片段136间彼此平行，且每一个线性的第二片段138间彼此平行。加热组件130的任何片段的其它结构如下所拟定。举例言之，加热组件130能包括曲线片段，该曲线片段定义一环形结构。其它能被实施的有利的特点，包括一个或多个加强支架(reinforcing or stiffening brace) 139,每一个加强支架沿着环形的加热组件130纵向地设置，且通过一个或多个销(pin)固定于其上，以防止或至少抑制环形的加热组件130的外延(extension)、受压(compression)、扭曲(buckling)或弯折(bending)。一个或多个其它的加强支架能沿着环形的加热组件130的内圆周或外圆周放射地设置，且通过一个或多个销予以固定以提供环形的加热组件130扭转刚性(torsional rigidity)。该加热装置通常包括多个夹头(chuck)，其提供电连接性于该至少一加热组件及一或多个电源供应器(electrical power supply)间。举例言之,如图5所示,夹头180能通过一个或多个螺栓(bolt)连接加热组件130的一终端部分(terminal portion),且亦连接至一导体(conductor) 185，该导体185设置于电性连接端口 170中且连接至一个或多个电源供应器，并配置为用以提供电流通过加热组件130。夹头180因此通过接头(connector)提供一介于该电源供应器及该加热组件间的接口。于本案的某些实施例中，该一个或多个电源供应器可配置为通过电位、电压或电流的一者或多者以提供一电流，其通过达成一特定目标值予以控制。举例言之，通过该加热组件的电能的电位或电流，或两者，能予以调节，以通过加热组件达成一目标热能。于其它实施例中，电能能被调节以达成一流体的一目标温度，该流体被该加热装置加热。电能的调节能通过现今的技术予以实现。于一示范使用方式所指代，举例言之，三氯硅烷产量，加热装置100能流动地连接至一个或多个反应物源。此一配置的变形能包括应用一个或多个平行的加热装置，其中每一个皆能个别地流动连接至其上的入口端口以连接至一个或多个四氯化硅源、甲烷源或同质混合物源。该一个或多个反应物源能通过入口 150被导入至该加热装置以作为入口流体(inlet stream)。于加热装置100中，入 口流体能具有多个于加热腔115中的流路(flowpath)。根据本案一方面或多方面的实施例,该入口流体能包括一第一区域,或一被加热以导流的第一区域，其包括该加热组件130的加热表面的至少一部分，通常是全部。如图2所示，该第一或加热区域能为一环孔容积(annular volume) H,其至少部分通过该遮热板120予以定义，且通常位于该遮热板120中，并利用间隔件140。因此于某些实施例中，该加热区域能为环孔容积H，其为内部容积125的一部分。该入口流体更能包括一个或多个第二或阻隔流(barrier stream),任一或多个阻隔流通常导流于一阻隔区域(barrier region)中，该阻隔区域为一环孔容积C，该环孔容积C至少部分定义于该壳110的内表面及该遮热板120间。根据本案的一个或多个较佳方面，该第一流体或被该加热组件130加热的流体能变湿润或者与加热组件130的表面接触。于该加热腔115中的流体被加压的实施例中，该加热组件130的湿润表面外露在一加压的第一流体(first stream)下。根据本案的其它实施例，该第一流体及该第二流体(second stream)能被结合以形成一出口流体或加热流体，通过出口端口 160传导至下游单元操作。于本案的一个或多个实施例中，于和该第二流体混合后，该被加热的第一流体通常通过足够的内能加热至一初步目标温度(preliminarytarget temperature)以提供一具有目标加热流温度的第二流体。由于该第二流体欲具有一较低的温度，故认为该初步目标温度较目标加热流温度大。于关于促进三氯硅烷的实施例，例如，该第一流体被加热以达成一初步目标流温度以致于一出口流体(outlet stream)具有一介于约500°C至约625°C的范围中的目标反应物流温度，但能被界定在约500°C至约600°C的范围中、约525°C至约575°C的范围中、约500°C至约550°C的范围中，此依据多个因素，例如包括，该反应物流的构成、该反应物流的反应单元(reactant component)的相对量、及若有任何其它的反应物流被混合于来自加热装置100的流体时该其它的反应物流的温度。于某些本案通常的优异特色中，具有内部组件的该加热装置被压力壳110围绕，此容许任何组件的失误，亦即避免由压力外壳加压流动的流体溢出。于本案进一步的优异方面，对照现有技艺的浸入式(immersion-type)的加热装置,本案的加热装置能利用加热组件，该加热组件具有电流通过，且被待加热的流体湿润。于本案的其它优异方面，该加热装置能利用由通电的加热组件的一湿润表面转换的对流传热(convective heat)至待加热的流体。于本案的其它方面，热能显著地对流由一加热组件的一表面转换至待加热的流体。于本案的其它方面，热能未由通电的加热组件的表面对流转换。能被使用以促 进一目标反应物温度的控制器系统能包括使用一个或多个控制器，该控制器能使用任何反馈(feedback)或前馈(feedforward)或依运算法使用两者。举例言之，该控制器系统能具有一微处理器，其由一个或多个传感器接收一个或多个输入信号，且产生一个或多个输出信号以调整一操作参数，例如调整通过加热组件的电能的电位或电流，或两者。该一个或多个传感器能例如为温度传感器及流量传感器，其中的任一者能设置于入口 150的上游侧或出口 160的下游侧。该加热装置的各个构件的结构的材质能为金属(metallic)，例如能于加热装置的操作条件下抵抗流体的腐蚀的钢(steel)。举例言之，压力壳110、遮热板120、及间隔件140包括不镑钢(stainless steel)、高镇钢(high nickel steel),该高镇钢(high nickelsteel)，例如为任何纯度的英高合金(INC0L0Y)或英高镍(INC0NEL)钢。依据本案至此所述的某些绘示配置及实施例，所述的现有技艺明显地仅以绘示且未限定，不过以实施例予以表达而已。众多变更及其它实施例皆于本技术领域的通常知识者的范畴，且皆被考虑为属于本案的范畴。尤其是，仅管此处所述的众多实施例包括方法作动或系统组件的特定组合，仍应该被了解为该些作动及组件能被其它方法结合以完成相同的目的。本领域技术人员应知悉的是，于本案揭露的参数及配置仅为示范，而实际的参数及/或配置依据使用本案的系统及技术的特定的应用予以调整。本领域技术人员亦应了解或能查明的是，使用未超过常规实验，相当于本案的特定实施例。此能了解的是，此处所描述的实施例仅为示意，且为申请的权利要求的范围及等效中；本案能实施而非作为特别的描述。更甚者，此处应该明白的是，本案指代为每一个特征、系统、子系统、或此处所描述的技术，及特色、系统、子系统、或此处所描述的技术的两个或多个的任意组合，及特色、系统、子系统、及/或方法的两个或多个的任意组合，若特征、系统、子系统、或技术未相互不一致，视为本案的范畴中以作为权利要求的实施例。再者，仅关于一个实施例所讨论的作动、组件、及特征，未被其它实施例的一相似的任务所排除。于此处，用词“多个”代表两个或更多个组件。用词“包括” “包含” “伴随” “具有” “具备”及“涵盖”，无论是写在实施方式或是权利要求或是其它类似者，为开放式用语，例如，用以代表“包括但未限定于”。因此，该些用词的使用是为了涵盖及相当于表列于此处的用词，以及附加项目。仅关于权利要求的过渡性用语“由…所组成”及“本质上由…所组成”，分别为封闭式或半封闭式的过渡性用语。用以修饰一要求的组件的序数用语的使用，例如于权利要求的“第一”、“第二”、“第三”或类似者，其本身未代表任何优先、位次、或一要求的组件的顺序先于其它者，或实施的方法的作动的时间顺序，仅仅作为区别一具有一特定名称的要求的组件 和其它具有一相同的名称的组件的标示。
权利要求
1.一种加热装置，其包括: 具有一中空圆柱形加热腔的一压力壳； 设置于该中空圆柱形加热腔中的一环状遮热板；以及 至少一设置于该环状遮热板的内部容积中的加热组件。
2.根据权利要求1所述的加热装置，进一步包括: 流体连结该中空圆柱形加热腔至一反应物源的入口 ；以及 流体连结该中空圆柱形加热腔至一反应器的一出口。
3.根据权利要求2所述的加热装置，其中，该反应器为一流化床反应器。
4.根据权利要求3所述的加热装置，其中，该反应物源包括四氯化硅及甲烷的至少一者。
5.根据权利要求1所述的加热装置，其中，该至少一加热组件具备一环形加热结构，且其中，该加热装置进一步具备设置于该环形加热结构的一内部区域中的一圆筒状间隔件。
6.根据权利要求1所述的加热装置，其中，该至少一加热组件具备一蛇形线结构。
7.根据权利要求6所述的加热装置，其中，该至少一加热组件具备一碳/碳复合材料。
8.根据权利要求1所述的加热装置，其中，该至少一加热组件具有一棒状结构。
9.根据权利要求8所述的加热装置，其中，该至少一加热组件具有石墨。
10.根据权利要求1所述的加热装置，其中，该至少一加热组件具有碳/碳复合材料、石墨、及镍铬铁合金的一者。
11.根据权利要求1所述的加热装置，其中，该环状遮热板设置为由该压力壳的一内表面偏移，以至少部分地定义出相邻于该内表面的一环形冷却区域。
12.根据权利要求1所述的加热装置，其中，该至少一加热组件具备一碳化硅涂膜。
13.一种制备三氯硅烷的方法，包括以下步骤: 引导一具备四氯化硅的一反应物流至具有围绕一加热腔的一压力壳、设置于该加热腔中的一遮热板、及设置于该遮热板的内部容积中的一加热组件的一加热装置中； 令电流通过该加热组件以加热该反应物流至一目标反应物流温度；以及引导加热的该反应物流至具有反应条件为将至少一部分的该四氯化硅转换为三氯硅烧的一反应器中。
14.根据权利要求13所述的制备三氯硅烷的方法，其中，该目标反应物流温度介于约500°C至约625°C的范围中。
15.根据权利要求13所述的制备三氯硅烷的方法，进一步包括引导硅至该反应器中的步骤。
16.根据权利要求13所述的制备三氯硅烷的方法，其中，该加热组件的一表面被该反应物流湿润。
17.根据权利要求13所述的制备三氯硅烷的方法，其中，引导该反应物流至该加热装置的步骤包括: 导引该反应物流的一第一部分通过一环形加热区域，该环形加热区域至少部分通过该遮热板的中心容积予以定义；以及 导引该反应物流的一第二部分通过一环形冷却区域，该环形冷却区域至少部分定义于该遮热板的一表面及该加热腔的一表面间。
18.根据权利要求17所述的制备三氯硅烷的方法，进一步包括: 监测加热的该反应物流的一温度；以及 调整通过该加热组件的电流的一电压量及电流量的至少一者。
19.一种促进三氯硅烷的产量的方法，包括以下步骤: 连结一加热装置的一反应物入口至一四氯化硅源及一甲烷源的至少一者，该加热装置具有一围绕一加热腔的一压力壳、一设置于该加热腔中的遮热板，及至少一设置在该遮热板的一内部容积中的加热组件；以及 连结该加热装置的一反应物出口至一氢氯化反应反应器或氢化反应器的任一者的入□。
20.根据权利要求19所述的促进三氯硅烷的产量的方法，进一步包括连结该至少一加热组件到至少一电力源的步骤。
21.根据权利要求19所述的促进三氯硅烷的产量的方法，进一步包括: 引导四氯化硅及甲烷的至少一者至该加热装置；以及 建立一电流通过该至少 一加热组件。
全文摘要
本发明一般涉及加热装置及使用该加热装置的方法。在一些实施例中，加热装置包含具有中空圆柱形加热腔的压力壳、设置于该中空圆柱形加热腔中的环状遮热板、及至少一设置于该环状遮热板的内部容积中的加热组件。在另一实施例中，一种制备三氯硅烷的方法，包括以下步骤引导具备四氯化硅的反应物流至加热装置中、令电流通过加热组件以加热该反应物流、及引导加热的该反应物流至反应器中。
文档编号B01J19/00GK103228351SQ201180056910
公开日2013年7月31日 申请日期2011年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者S·法伦布鲁克, B·黑兹尔坦 申请人:Gtat公司