料气入口 8。
[0073] 原料气在气体通道二4内，沿着所述气体通道二4与所述催化剂装载通道3之间 的片材13上的高度方向上离所述原料气入口 8由近及远的压力为由大到小的变化，为了让 原料气体通过第二通气孔6进入到催化剂装载通道3的不同高度处的催化剂11的催化效 率几乎相同，所以设置了离所述原料气入口 8由近及远的所述第二通气孔6的开孔面积由 小到大变化。
[0074] 实施例4
[0075] 如图5所示，本实施例提供一种催化氢化反应系统，包括上述的催化反应器1、换 热器15、原料气供给器16、产品收集器17,所述催化反应器1与所述换热器15连接，所述换 热器15与所述原料气供给器16连接，所述产品收集器17与所述换热器15连接，
[0076] 所述催化反应器1内流出的产品气三氯氢硅和HCl与所述原料气供给器16供给 的原料气四氯化硅和氢气在所述换热器15内换热，经过换热后的原料气流入所述催化反 应器1，经过换热后的产品气流入所述产品收集器17内。通过氢气储罐18将氢气输入到原 料气供给器16中，通过四氯化硅储罐19将四氯化硅输入到原料气供给器16中，这样将氢 气和四氯化硅在原料气供给器16中充分混合均匀。
[0077] 优选的是，在所述催化反应器1和所述换热器15之间还设置有辅助加热器20,所 述辅助加热器20的两端分别与所述换热器15和所述催化反应器1连接，所述辅助加热器 20用于对从所述换热器15流出的原料气进行加热，经过所述辅助加热器20加热后的原料 气再流入所述催化反应器1内。
[0078] 本实施例中具体使用加热控制单元21调节辅助加热器20的电流，从而控制加热 温度。该加热控制单元21的检测器安装在催化反应器1的原料气入口处，根据检测的温度 信号，控制加热控制单元21加热电流的大小。
[0079] 本实施例中的催化氢化反应系统的有益效果：一、能够完全替代现行的高压催化 冷氢化工艺，该工艺不仅提高STC转化率，而且原料气和产品气品质一致；二、由于产生的 产品气和原料气品质一致，不需对产品进行精馏，只需粗馏（直接收集），分出四氯化硅直 接在用于氢化处理。本发明的四氯化硅催化氢化反应器1的操作压力低，后续处理工序简 单，从而大大降低四氯化硅氢化工序的设备投资；三、消除现行高压催化冷氢化工艺带来的 安全隐患；四、市场推广空间巨大。
[0080] 实施例5
[0081] 本实施例提供一种四氯化硅催化氢化反应的方法，将原料气四氯化硅和氢气通过 上述的催化反应器进行催化氢化反应得到三氯氢硅，所述催化反应器内的催化剂装载通道 内装载有四氯化硅（STC)催化氢化反应的催化剂。
[0082] 下面介绍下四氯化硅加氢脱卤反应（STC+H2 - TCS+HC1)的热力学过程和催化机 理：
[0083] 四氯化硅和氢气进入反应器中，在500°C形成自由基· SiCl2，并伴有HCl产生，如 反应⑴：
[0084] STC+H2 - · SiCl2+HCl (I)
[0085] 反应⑴为吸热反应，活化能较高，在一定程度上很慢，是非催化过程的反应速率控 制一步，氢气含量越高，该过程产生的自由基· SiCl2量越大。
[0086] 当自由基· SiCl2和HCl形成后，其中部分HCl与自由基· SiCl2结合生成TCSJn 反应⑵：
[0087] · SiCl2+HCl - TCS (2)
[0088] 反应⑴+⑵即为我们常见的STC+H2 - TCS+HC1反应。
[0089] 反应过程中少量的H2与自由基· SiCl2化合生成DCS，如反应⑶：
[0090] · SiCl2+H2 - DCS (3)
[0091] 在热氢化反应器中，反应⑴相对较慢，导致反应⑵所形成的TCS与反应气中的HCl 化合形成STC，如反应⑷：
[0092] TCS+HC1 - STC+H2 (4)
[0093] 这一步反应⑷要比反应⑵慢得多。
[0094] 在STC热氢化反应器中，由于没有催化剂存在，较慢的反应⑴控制着⑴、⑵、⑶和 ⑷整个反应进程。在热平衡条件下，当温度很低时（500°C )，TCS的生成量很少，如图1所 示（图中画出了凡与STC的摩尔比为2:1，氏与STC的摩尔比为3:1，氏与STC的摩尔比 为4:1时，STC的转化率与温度的关系，STC催化氢化转化率与温度的关系图是根据热力学 Gibbi s自由能最小化模型计算得出），所以STC热氢化反应要在高温下（1100~1200°C ) 进行以便产生更多的TCS，但在这种高温条件下，由于反应⑷进程也得到强化，导致目前各 多晶硅生产厂STC的转化效率仅仅维持在20 %左右。
[0095] 现有技术中，低温STC催化氢化是通过在反应系统中引入催化剂，使反应⑴的速 度大大超过反应⑷，从而使STC的转化率提高。
[0096] 另外，通过从图7中STC-H2氢化体系中STC催化氢化进程与反应物流的滞留时 间的动力学关系可以看出：反应物流的滞留时间对STC的转化进程有很大影响，也就是说： STC-H2氢化体系中，STC的最大转化率受两个因素控制：温度和原料气在反应器内的滞留时 间τ。若滞留时间τ增加，则STC向TCS的转化向反应的E区域移动，STC转化率降低；当 滞留时间为^时，体系中的STC转化率最大。如果能有效控制原料气在催化反应器中的 滞留时间为τ c秒，则出催化反应器得到的产品气中TCS含量最高。
[0097] 通过发明人的长期研究发现：影响STC催化氢化转化率至关重要的两个因素：其 一是四氯化硅在富金属硅化物硅化铜（Cu xSiy，它是氯化亚铜与颗粒硅反应形成，并沉积在 硅颗粒载体表面，起催化作用）】表面吸附和通过电子转移反应形成中间体，如反应(5)和(6)。
[0098] n (CuxSiy)+SiCl4- [(CuxSiy)nSiCl2] Cl2 (5)
[0099] [ (CuxSiy) nSiCl2] Cl2+H2 - (CuxSiy) nSiCl2+2HCl (6)
[0100] 其二是中间体与氯化氢进行氧化加成被还原和还原剂再生，如反应(7)
[0101] (CuxSiy) nSiCl2+2HCl - n (CuxSiy)+HSiCl3 (7)
[0102] 该反应是整个脱氯加氢的速控步，也就是说氯化氢和硅烯中间体（必须达到一定 量）的加成氧化反应是速控步，随后TCS产生，零电荷硅化物出现，再进行随后的循环反应。
[0103] 更为关键一点就是，在STC到TCS的非催化脱氯加氢反应中，STC氢化转化率随空 间流速增加而降低，而在STC到TCS的催化脱氯加氢反应中，STC的氢化转化率不依赖于空 间流速和滞留时间（0. 5或0. 025s)。
[0104] 目前国内多晶硅厂家所采用的STC冷氢化工艺是在流化床反应器中进行。选用 氯化亚铜催化剂，绝对干燥的氯化亚铜为白色粉末，它具有很强的吸湿性，储存过程中吸收 水分变成淡绿色羟基氯化铜[Cu (OH)Cl],加热后变成氯氧化铜[Cu2 (OH) Cl2]，即使在高温 300~500°C，"气化"的氯化亚铜也以聚集状态[Σ i .P(Cu1Cl1)J = 1~5]存在，相平 衡分压I. 05Pa，由于它的这种特性对进入反应器后的反应起延迟作用。加入流化床反应器 中的氯化亚铜作为无载体催化剂，经硅和/或氢还原的铜在硅颗粒表面沉积，再经铜偏聚 和硅化物的相形成，而且，硅化铜相形成的诱导期较长，也就是说，硅颗粒表面的硅化物逐 渐形成。问题在于，由于该反应具有强烈的热效应（整个过程放热95. 6KJ/mole)，很高的反 应热会导致催化剂粒子间的烧结，聚集的催化剂颗粒导致活性降低，且难以调节转化率。此 外，过细小催化剂颗粒从产物混合物中分离也会花费相当可观的费用而被遗弃作为废物处 理，造成很大浪费。
[0105] 另外，由于催化颗粒间的微观粘结作用，导致的活性点减少，只有通过加大系统压 力和通过不断添加氯化亚铜和硅粉产生新的催化活性点来实现，而且催化剂的再生未得到 体现。
[0106] 本实施例中选用填料塔催化反应器，在填料塔催化反应器内预先装载催化剂，优 选的是，所述催化剂为铜硅合金，并控制STC-H 2氢化反应体系在最佳转化参数（温度、压 力、流量、滞留时间）运行，以实现STC转化率的最大化。
[0107] 优选的是，所述铜娃合金中包括：25wt%的铜，73wt%的石圭。
[0108] 优选的是，所述催化剂的粒径为1~5mm。
[0109] 优选的是，所述氢气与所述四氯化硅的摩尔比为1. 5:1。
[0110] 优选的是，所述原料气四氯化硅和氢气的混合气体在所述催化反应器内的流速为 0· lm/s〇
[0111] 优选的是，所述催化反应器内的温度为400°c，所述催化反应器内的压强为 〇.5Mpa，所述催化氢化反应时所述原料气四氯化硅和氢气的混合气体在所述催化剂装载通 道内的催化剂上的滞留时间为8秒。
[0112] 本实施例中的STC的转化率为23~25% mole，在催化反应器内的STC的催化氢 化反应实现了高效催化，节能降耗的目的。解决了因添加催化剂和硅粉导致产品气的污染 问题；解决了因催化剂活性低而人为提高冷氢化系统压力的问题；解决了因催化剂和硅粉 结块而导致系统流化态不稳定、连续操作受阻和产品气流出管道堵塞的问题；解决了因压 力高而造成的不必要安全隐患问题。
[0113] 实施例6
[0114] 本实施例提供一种四氯化硅催化氢化反应的方法，将原料气四氯化硅和氢气通过 上述的催化反应器进行催化氢化反应得到三氯