CN103708474B - 高纯石英砂连续高温气固反应装置及其反应方法 - Google Patents

Abstract

高纯石英砂连续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。高温加热器内设置碳化硅反应器，碳化硅反应器腔体为气固反应室，碳化硅反应器顶部中心设置进料管、顶边部设置排气管，排气管与真空泵配合连接，碳化硅反应器底部设置出料管，碳化硅反应器下部侧壁设置进气管，气体配分器经进气管设置在气固反应室内底板上；石英砂连续流经碳化硅反应器，在1200～1400°C下与混合气体发生气固反应60～180min。本发明可以进行连续的高温气固反应，同时去除石英砂中的流体杂质和金属元素杂质效果佳，而气态物料与固态物料逆向流动使反应物料充分接触，极大地提高了气固反应效率及其反应效果。

Description

高纯石英砂连续高温气固反应装置及其反应方法

技术领域

本发明属于高纯石英砂制备技术领域，具体为高纯石英砂连续高温气固反应装置及其反应方法。

背景技术

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。

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。

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高纯石英砂产品。为了获得合格的、品质稳定的高纯石英砂产品，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。

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10kg/h。

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。

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。

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

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连续高温气固反应装置及其反应方法的技术方案，可以进行连续的高温气固反应，并将气固反应温度提高到1300°C以上，同时去除石英砂中的流体杂质和金属元素杂质，而气态物料与固态物料逆向流动使反应物料充分接触，极大地提高了气固反应效率及其反应效果。

所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于包括高温加热器，高温加热器内设置碳化硅反应器，碳化硅反应器腔体为气固反应室，碳化硅反应器顶部中心设置进料管、顶边部设置排气管，排气管与真空泵配合连接，碳化硅反应器底部设置出料管，碳化硅反应器下部侧壁设置进气管，气体配分器经进气管设置在气固反应室内底板上，气体配分器在气固反应室内的一端封闭，气体配分器下方沿延长方向设置1-5排出气小孔，出气小孔与气固反应室底部连通。

所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于所述的高温加热器为管状结构，所述的碳化硅反应器为圆柱形结构，高温加热器管状的炉膛用于放置碳化硅反应器；所述的高温加热器包括由保温材料制成的管状炉膛，炉膛壁内设置发热体，所述的发热体为硅碳棒或硅钼棒。

所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于碳化硅反应器下部侧壁环形均布设置两个、三个、四个或五个进气管。

所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于进料管上部配合设置进样器，进料管下部伸进气固反应室中，所述进样器为石英玻璃漏斗，漏斗出口设置磨砂接口，进样器通过磨砂接口与进料管上部密封紧配连接。

所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于排气管上部连接石英玻璃连接管，石英玻璃连接管设置磨砂接口，石英玻璃连接管通过磨砂接口与排气管上部密封紧配连接，石英玻璃连接管另一端通过聚四氟乙烯软管与真空泵配合连接。

所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于进气管外端连接石英玻璃管进气管，石英玻璃管进气管设置磨砂接口，石英玻璃管进气管通过磨砂接口与进气管密封紧配连接。

所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于出料管下部配合设置成品室，成品室由石英玻璃制成，成品室顶部设置磨砂接口的进料口，进料口通过磨砂接口与出料管下部密封紧配连接，进料口底部伸进成品室腔体中，成品室底部设置出料口，出料口孔径小于进料口。

所述的高纯石英砂连续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）将石英砂连续不断地通过进样器经碳化硅反应器的进料管加入到气固反应室内，待气固反应室内充满石英砂后，启动高温加热器，设定气固反应温度1200-1400°C，当炉膛温度达到反应温度后，启动真空泵抽吸废气；

2）然后启动气态物料输送装置通过石英玻璃管进气管、进气管及气体配分器为气固反应室提供高活性混合气体，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）所述的混合气体均匀地从气固反应室底部向上运移、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，经过一段时间后，就可连续获得品质稳定的高纯石英砂。

所述的高纯石英砂连续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。

所述的高纯石英砂连续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。

上述高纯石英砂连续高温气固反应装置及其反应方法，可以进行连续的高温气固反应，并将气固反应温度提高到1300°C以上，同时去除石英砂中的流体杂质和金属元素杂质，而气态物料与固态物料逆向流动使反应物料充分接触，极大地提高了气固反应效率及其反应效果。

附图说明

图1为本发明连续高温气固反应装置的结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图2中B-B切面结构示意图；

图4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5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-碳化硅反应器、2-气固反应室，3-高温加热器，4-出料管，5-成品室、5a-进料口、5b-出料口，6-气体配分器、6a-出气小孔，7-石英玻璃管进气管，8-进气管，9-真空泵、10-聚四氟乙烯软管、11-石英玻璃连接管，12-排气管，13-进样器，14-进料管。

具体实施方式

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。

如图所示，该高纯石英砂连续高温气固反应装置，包括高温加热器3，高温加热器3内设置碳化硅反应器1，碳化硅反应器1腔体为气固反应室2，碳化硅反应器1顶部中心设置进料管14、顶边部设置排气管12，排气管12与真空泵9配合连接，碳化硅反应器1底部设置出料管4，碳化硅反应器1下部侧壁设置进气管8，气体配分器6经进气管8设置在气固反应室2内底板上，气体配分器6在气固反应室2内的一端封闭，气体配分器6下方沿延长方向设置1-5排出气小孔6a，出气小孔6a与气固反应室2底部连通。所述的高温加热器3为管状结构，所述的碳化硅反应器1为圆柱形结构，高温加热器3管状的炉膛用于放置碳化硅反应器1；所述的高温加热器3包括由保温材料制成的管状炉膛，炉膛壁内设置发热体，所述的发热体为硅碳棒或硅钼棒。碳化硅反应器1下部侧壁环形均布设置两个、三个、四个或五个进气管8。进料管14上部配合设置进样器13，进料管14下部伸进气固反应室2中，所述进样器13为石英玻璃漏斗，漏斗出口设置磨砂接口，进样器13通过磨砂接口与进料管14上部密封紧配连接。排气管12上部连接石英玻璃连接管11，石英玻璃连接管11设置磨砂接口，石英玻璃连接管11通过磨砂接口与排气管12上部密封紧配连接，石英玻璃连接管11另一端通过聚四氟乙烯软管10与真空泵9配合连接。进气管8外端连接石英玻璃管进气管7，石英玻璃管进气管7设置磨砂接口，石英玻璃管进气管7通过磨砂接口与进气管8密封紧配连接。出料管4下部配合设置成品室5，成品室5由石英玻璃制成，成品室5顶部设置磨砂接口的进料口5a，进料口5a通过磨砂接口与出料管4下部密封紧配连接，进料口5a底部伸进成品室5腔体中，成品室5底部设置出料口5b，出料口5b孔径小于进料口5a。

虽然气态物料在热能作用下会向上运移，但由于进气管8距离出料管4很近，且固态物料是向下运移的，因此气态物料很容易受固态物料运移动力的影响，大部分都从出料管4溢出气固反应室2，为了不让气态物料从出料管4溢出、并向上运移，发明人通过气固反应室2顶部的排气管12设置废气抽吸系统，利用真空泵9将气固反应室2底部的气态物料在抽吸力作用下向上运移，从而获得固态物料与气态物料逆向运移的碳化硅反应器1。由于高温下废气排气管12温度较高、且抽吸的气体具有腐蚀性，因此配套管路与废气排气管连接端必须选择耐高温、耐腐蚀的管材，作为优选方案，本发明石英玻璃连接管11通过磨砂接口与排气管12密封紧配连接，以使碳化硅反应器与废气抽吸系统间密封，防止腐蚀性的反应气体外泄，聚四氟乙烯软管10既具有很好的耐腐蚀性，又能经受一定的温度。

另外，为了使气态物料均匀地从气固反应室2底部向上运移，设计了气体配分器。在选择碳化硅作为反应器材质时，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，在本发明中碳化硅反应器1的气态物料进气管8只能设计成气固反应室2外的一段碳化硅管，气态物料从该进气管8进入气固反应室2后，在抽吸作用下要经过一段时间和一定距离后才能使气态物料到达进气管8的对侧、并向上运移，即气固反应室2下部有一定空间气态物料是流不到的；为了改变这种状况，发明人将气态物料进气管8由一个改设为二个、三个、四个或五个，优选四个，并设计了气体配分器6，气体配分器6的出气小孔6a设置在碳化硅管下方主要是防止固态物料通过小孔进入气体配分器6，气态物料主要经四个方向的气体配分器6上的出气小孔6a流入气固反应室2、并均匀散布到气固反应室2底部，此时在抽吸作用下气态物料迅速充满整个气固反应室2底部、并向上运移，从而获得理想的气态物料与固态物料的接触效果。考虑到高温下碳化硅反应器1的进气管8具有较高的温度，为了方便与外接进气管路连接，石英玻璃管进气管7通过磨砂接口与进气管8密封紧配连接，以使气态物料进气管路与碳化硅反应器1密封，防止腐蚀性气态物料外泄。

由于碳化硅反应器1的固态物料进料管14靠近废气排气管12，在废气抽吸系统通过废气排气管12对气固反应室2实施废气抽吸时，势必会造成空气经进料管14进入气固反应室2、并被抽吸到抽吸系统中，从而影响设置抽吸系统的目的和效果，为此发明人设置了石英玻璃漏斗作为进样器13，进样器13通过磨砂接口与进料管14上部密封紧配连接，而漏斗中的固态物料对进料管14起到封堵效果，减少了通过进料管14涌入气固反应室2的空气量；另外，固态物料进料管14有一段伸进气固反应室2，使气固反应室2顶部不能被固态物料充填，在气固反应室2顶部就有一个空置的空间，这样的设计可以有效地防止气固反应室2内的气态物料通过进料管14外泄，因为一方面固态物料从进料管14流入气固反应室2时的动力会夹带少量空气进入气固反应室2，流入的空气压力可以对上升的气态物料起一定的阻滞作用，另一方面抽吸系统更易于将空置空间内的气体抽吸走，造成该空间相对低压，从而使气态物料更趋于向这个相对低压、低阻力的空置空间聚集，气态物料得以全部被抽吸系统抽出反应器而不会从进料管14渗漏。

考虑到反应后的固态物料在从碳化硅反应器1的出料管4流出时可能会夹带或化学吸附少量的气态物料，设计了成品室5，进料口5a底部伸进成品室5腔体中；出料口5b孔径小于进料口5a，使反应后的成品在流入成品室5后有一定停留时间，便于气态物料与成品（反应后的固态物料）分离，由于进料口5a有一段伸进了成品室5，使成品室5上部有一点空间没有被成品充填，这样分离后的气态物料就在高温成品的热能作用下向成品室5顶部聚集，废气抽吸系统会通过碳化硅反应器1的出料管4将这部分气态物料抽吸、排出；而且成品室5内停滞的成品会对成品室5的出料口5b、以及碳化硅反应器1的出料管4形成一定的封堵，通过调整抽吸系统的抽吸力就可避免大量空气在抽吸作用下进入气固反应室2。

所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置的反应方法，包括以下步骤：

1）将石英砂连续不断地通过进样器13经碳化硅反应器1的进料管14加入到气固反应室2内，待气固反应室2内充满石英砂后，启动高温加热器3，设定气固反应温度1200-1400°C，当炉膛温度达到反应温度后，启动真空泵9抽吸废气；

2）然后启动气态物料输送装置通过石英玻璃管进气管7、进气管8及气体配分器6为气固反应室2提供高活性混合气体，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）所述的混合气体均匀地从气固反应室2底部向上运移、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，经过一段时间后，就可连续获得品质稳定的高纯石英砂。

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。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。

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（CO₂）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Al₃+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。

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1200-400°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。

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，HCl、Cl₂、N₂与Ar的混合体积比为1:20:2:2-20:1:2:2。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、Cl₂、N₂与Ar的混合体积配比为1:20:2:2-20:1:2:2。

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。

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。

首先进行设备制作：其中设计碳化硅反应器1的气固反应室2尺寸为直径300mm、高950mm，固态物料进料管14直径为60mm、出料管4直径为60mm，气态物料进气管8内径为40mm、废气排气管12直径15mm；制作的气体配分器6外径39.5mm、在水平中心线下方沿延伸方向设置3排1.5mm小孔；成品室5的高度500mm、直径300mm，进料口5a内径60mm、出料口5b内径10mm。

然后进行设备安装：将碳化硅反应器1安置于高温加热器3内，进样器13通过磨砂接口与碳化硅反应器1的固态物料进料管14连接，成品室5通过带磨砂接口的进料口5a与碳化硅反应器1的固态物料出料管4连接；将废气抽吸系统的石英玻璃连接管11与碳化硅反应器1的废气排气管12连接，再用聚四氟乙烯软管10连接石英玻璃连接管11和真空泵9完成废气抽吸系统连接；将气体配分器6经碳化硅反应器1的进气管8安置于碳化硅反应器1气固反应室2的内底板，将连接气态物料输送管路的石英玻璃管进气管7与碳化硅反应器1的进气管8连接，从而完成整套高纯石英砂连续高温气固反应装置的安装连接。

最后进行气固反应：将需进行高温气固反应的、粒径0.1-0.25mm石英砂原料A连续不断地通过进样器13经碳化硅反应器1进料管14加入到气固反应室2内，由于成品室5的出料口5b小于进料口5a，一段时间后气固反应室2内就一直被石英砂充填，启动高温加热器3，设定气固反应温度为1200°C（石英玻璃反应器连续使用的最高温度），当炉膛温度达到1200°C后，开启真空泵9启动废气抽吸系统，启动气态物料输送装置通过石英玻璃管进气管7、经碳化硅反应器1的进气管8及气体配分器6、为气固反应室2提供反应气体，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，设定混合气体的压力0.2MPa、流量1100ml/min；气固反应的时间主要受控于气固反应室2的容量以及成品室5的出料口5b口径，本实施例中石英砂从进样器13进入气固反应室2，大约经历80min左右的高温气固反应后，经气固反应室2的出料管4流入成品室5，石英砂在成品室5大约停留40min进行气固分离，最后成品石英砂（高纯石英砂）就经成品室5的出料口5b流出反应装置，完成高纯石英砂高温气固反应流程，连续获得品质稳定的高纯石英砂。

取经冷却后的成品石英砂，利用ICP-MS和红外光谱仪分别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4。

实施例2

选择与实施例1相同的石英砂原料A，除将混合气体调整为HCl、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、反应时间为80min左右。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4。

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、N₂和Ar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4。

实施例4

选择粒径为0.1-0.25mm的石英砂原料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HCl、Cl₂、N₂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、反应时间为80min左右。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5。

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5。

表1  石英砂金属元素杂质测试结果（单位：ppm）

样号	Al	Ti	Fe	Mn	Mg	Ca	Na	K	Li
										原料A	20.66	3.67	1.76	0.60	0.66	1.15	4.54	1.91	1.07
实施例1	19.14	2.30	0.38	0.21	0.47	0.65	1.04	0.83	0.92
										实施例2	18.37	2.11	0.32	0.24	0.49	0.60	0.81	0.65	0.74
实施例3	17.56	1.83	0.11	0.02	0.10	0.47	0.44	0.39	0.48
										原料B	20.97	2.42	2.63	0.72	0.98	1.90	12.15	5.18	1.64
实施例4	16.92	1.47	0.15	0.06	0.19	0.43	0.51	0.40	0.66
										实施例5	16.22	1.15	0.08	0.03	0.07	0.31	0.24	0.32	0.39

Claims (10)

1.高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于包括高温加热器（3），高温加热器（3）内设置碳化硅反应器（1），碳化硅反应器（1）腔体为气固反应室（2），碳化硅反应器（1）顶部中心设置进料管（14）、顶边部设置排气管（12），排气管（12）与真空泵（9）配合连接，碳化硅反应器（1）底部设置出料管（4），碳化硅反应器（1）下部侧壁设置进气管（8），气体配分器（6）经进气管（8）设置在气固反应室（2）内底板上，气体配分器（6）在气固反应室（2）内的一端封闭，气体配分器（6）下方沿延长方向设置1-5排出气小孔（6a），出气小孔（6a）与气固反应室（2）底部连通。

2.如权利要求1所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于所述的高温加热器（3）为管状结构，所述的碳化硅反应器（1）为圆柱形结构，高温加热器（3）管状的炉膛用于放置碳化硅反应器（1）；所述的高温加热器（3）包括由保温材料制成的管状炉膛，炉膛壁内设置发热体，所述的发热体为硅碳棒或硅钼棒。

3.如权利要求1所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于碳化硅反应器（1）下部侧壁环形均布设置两个、三个、四个或五个进气管（8）。

4.如权利要求1所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于进料管（14）上部配合设置进样器（13），进料管（14）下部伸进气固反应室（2）中，所述进样器（13）为石英玻璃漏斗，漏斗出口设置磨砂接口，进样器（13）通过磨砂接口与进料管（14）上部密封紧配连接。

5.如权利要求1所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于排气管（12）上部连接石英玻璃连接管（11），石英玻璃连接管（11）设置磨砂接口，石英玻璃连接管（11）通过磨砂接口与排气管（12）上部密封紧配连接，石英玻璃连接管（11）另一端通过聚四氟乙烯软管（10）与真空泵（9）配合连接。

6.如权利要求1所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于进气管（8）外端连接石英玻璃管进气管（7），石英玻璃管进气管（7）设置磨砂接口，石英玻璃管进气管（7）通过磨砂接口与进气管（8）密封紧配连接。

7.如权利要求1所述的高纯石英砂连续高温气固反应装置，其特征在于出料管（4）下部配合设置成品室（5），成品室（5）由石英玻璃制成，成品室（5）顶部设置磨砂接口的进料口（5a），进料口（5a）通过磨砂接口与出料管（4）下部密封紧配连接，进料口（5a）底部伸进成品室（5）腔体中，成品室（5）底部设置出料口（5b），出料口（5b）孔径小于进料口（5a）。

8.采用权利要求1所述的高纯石英砂连续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）将石英砂连续不断地通过进样器（13）经碳化硅反应器（1）的进料管（14）加入到气固反应室（2）内，待气固反应室（2）内充满石英砂后，启动高温加热器（3），设定气固反应温度1200-1400°C，当炉膛温度达到反应温度后，启动真空泵（9）抽吸废气；

2）然后启动气态物料输送装置通过石英玻璃管进气管（7）、进气管（8）及气体配分器（6）为气固反应室（2）提供高活性混合气体，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）所述的混合气体均匀地从气固反应室（2）底部向上运移、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，经过一段时间后，就可连续获得品质稳定的高纯石英砂。

9.如权利要求8所述的高纯石英砂连续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，混合气体压力为0.08-0.7Mpa， HCl、Cl₂、N₂、Ar的体积比为15-1:1-15:2:2。

10.如权利要求8所述的高纯石英砂连续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，反应时间为80-150min。