DE3910328A1

DE3910328A1 - Wirbelschicht-reaktor

Info

Publication number: DE3910328A1
Application number: DE3910328A
Authority: DE
Inventors: Arun Acharya; Vier William Edgar Be
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Advanced Silicon Materials LLC
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1989-10-12
Anticipated expiration: 2009-03-31
Also published as: JPH0231833A; JP2689346B2; DE3910328C2; CA1334126C; US4904452A

Description

Die Erfindung betrifft eine wesentliche Verbesserung der Beheizung eines Wirbelschicht-Reaktors und dessen spezielle Anwendung für die Herstellung von polykristallinem Silicium.

Es sind die verschiedensten Methoden zur Aufbringung der nötigen Wärmeenergie für Wirbelschicht-Reaktionen bekannt. Beispiele dafür sind wärmeübertragende fließfähige Medien sowie induktive oder Widerstandsheizung zur Erwärmung von außen. Während Wirbelschichten für verschiedene Zwecke geeignet sind, ist die Wärmezufuhr von außen auf Wirbelschicht-Reaktoren für verschiedene Anwendungsgebiete nicht zufriedenstellend, da die besondere Konfiguration und die ablaufenden Reaktionen große Wärmemengen benötigen. Unerwünschte Nebeneffekte können auftreten durch unwirksame und/oder ungenügende Wärmezufuhr zu der Reaktionszone, in welcher sich die Wirbelschicht befindet, wenn die Wärmezufuhr auf übliche Weise erfolgt.

Bei der Herstellung von polykristallinem Silicium aus silanhaltigen Gasen in einer Wirbelschicht-Reaktionszone finden übliche Beheizungsarten von Wirbelschichten ihre Grenzen. Bei diesem Verfahren sind Siliciumteilchen in einem Trägergasstrom suspendiert, in welchen Silan eingeleitet wird. Unter den Verfahrensbedingungen findet eine heterogene Zersetzung des Silans statt, d. h., das Silan zersetzt sich an den Oberflächen der Trägerteilchen der Wirbelschicht. Diese Teilchen wachsen an infolge der Siliciumabscheidung, bis eine solche Produktgröße erreicht ist, daß die Teilchen in eine Sammelzone unterhalb der Reaktionszone fallen und von dort ausgetragen werden können. Aus der Reaktionszone entweichen über Kopf die Nebenprodukte, Wasserstoff und weitere Gase.

Bei der Herstellung von polykristallinem Silicium führt die Wärmezufuhr auf die Außenwand einer Wirbelschicht-Reaktionszone zu einer unerwünschten Ablagerung von Silicium auf der die Reaktionszone begrenzenden Wand, möglicherweise sogar bevorzugt gegenüber der angestrebten Abscheidung des Siliciums auf den fluidisierten Trägerteilchen. Die Abscheidung von Silicium auf den Reaktorwänden ist teilweise das Ergebnis der hohen Temperatur der Reaktorwand gegenüber der geringeren Temperatur der Siliciumteilchen. Die Siliciumschicht auf den Reaktorwänden setzt den Wärmeübergangskoeffizienten sowie die gesamte Wirksamkeit des Verfahrens in der Reaktionszone herab.

Aus der US-PS 42 92 344 ist die Pyrolyse von silanhaltigem Gas in einer Wirbelschicht-Reaktionszone bekannt, die kapazitiv beheizt wird. Andere Möglichkeiten der Beheizung, wie Induktionsspulen, elektrische Widerstandselemente oder indirekt gasbeheizte Brenner, wurden für die Beheizung der Außenwand von Wirbelschicht-Reaktoren aus den US-PS 30 12 861 und 30 12 862 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist nun eine Verbesserung der Wärmezufuhr in eine Wirbelschicht innerhalb eines Reaktors, bei dem sich eine Reaktionszone zwischen einer Innen- und einer Außenwand befindet und in dieser die zu beheizende Reaktionszone liegt. Für die Beheizung der Außen- bzw. Innenwand benötigt man eine erste bzw. zweite Wärmequelle.

In dem erfindungsgemäßen Reaktor läßt sich mit besonderem Vorteil hoch-reines polykristallines Silicium durch Pyrolyse eines silanhaltigen Gases herstellen. Der erfindungsgemäße Reaktor soll daher im folgenden anhand dieser bevorzugten Anwendung näher erläutert werden. Bei der Pyrolyse von Silan zu Silicium werden Siliciumteilchen für die Wirbelschicht verwendet.

Der erfindungsgemäße Reaktor eignet sich jedoch auch für andere Reaktionen, wie katalytische Reaktionen, Ionenaustauscherreaktionen, Abscheidungs- und Trennvorgänge, Adsorptionen, zur Trocknung und dergleichen.

Der Begriff "heterogene Zersetzung" bezieht sich auf die thermische Reduktion von Silan oder Halogensilan zu Silicium, die in zwei oder mehreren Phasen stattfindet, d. h., wenn die Zersetzung an der Grenzfläche von Gas und Feststoff erfolgt. Die heterogene Zersetzung führt zu einer Abscheidung von Silicium auf den Trägerteilchen der Wirbelschicht oder an den Flächen der Reaktorwand, die mit der Wirbelschicht in Berührung stehen. "Homogene Zersetzung" ist eine Zersetzung in nur einer Phase, wie Gasphase. Man erhält dabei Siliciumpulver mit hoher spezifischer Oberfläche im Mikron- bis Submikronbereich. Im allgemeinen ist diese Zersetzung von Silan und Halogensilanen bei einer gegebenen Temperatur entweder heterogen oder homogen und hängt ab von der Konzentration des Silans in dem Gas. Im allgemeinen werden für heterogene Zersetzung geringe Silan-Konzentrationen gewünscht. Bei sehr geringen Konzentrationen lassen sich jedoch keine hohen Produktionsraten erreichen.

Der Begriff "Siliciumkeime" bezieht sich auf Teilchen der Wirbelschicht mit einer Größe von 50 bis 400 µm. Bei der Reaktion wachsen die Teilchen durch Siliciumabscheidung an und werden dann als Siliciumprodukt gewonnen. "Siliciumprodukt" bezieht sich daher auf Siliciumteilchen, die aus den Siliciumkeimen gebildet worden sind und eine Korngröße von 400 bis etwa 1300 µm besitzen. Das Produkt sammelt sich im unteren Bereich der Reaktionszone, fällt in eine Sammelzone und wird dann in üblicher Weise ausgetragen. Der Begriff "Siliciumteilchen" umfaßt sowohl die Siliciumkeime als auch die Produktteilchen in der Wirbelschicht.

Der Begriff "Siliciumpulver" bezieht sich auf ein Produkt im Mikron- oder Submikronbereich mit hoher spezifischer Oberfläche, wie man es durch homogene Zersetzung von silanhaltigen Gasen erhalten kann.

Der Begriff "silanhaltiges Gas" umfaßt - wenn nicht anders angegeben - sowohl Silan als auch Halogensilane.

Der Begriff "fluidisierendes Gas" umfaßt hier sowohl das silanhaltige Gas als auch eventuell zusätzliche Trägergase, die zur Unterstützung der Fluidisierung der Siliciumteilchen und/oder zur Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit oder des Wärmeübergangs angewandt werden.

Polykristallines Silicium kann hergestellt werden, indem silanhaltiges Gas in eine Wirbelschicht aus Siliciumkeimen innerhalb einer Reaktionszone eingeführt wird. Die Siliciumteilchen sind durch das aufwärtsströmende fluidisierende Gas suspendiert. Die Fluidisierungs-Gasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone wird oberhalb der minimalen Fluidisierungs-Geschwindigkeit der Siliciumteilchen gehalten. Die Temperatur in der Reaktionszone soll zwischen der Zersetzungstemperatur des Silans und dem Schmelzpunkt des Siliciums gehalten werden. Das silanhaltige Gas zersetzt sich und das gebildete Silicium scheidet sich an der Oberfläche der Siliciumteilchen ab. Mit zunehmender Siliciumabscheidung auf den Siliciumteilchen wachsen diese an und sammeln sich im unteren Bereich der Wirbelschicht, fallen in eine Sammelzone und werden von dort ausgetragen, und zwar entweder kontinuierlich oder von Zeit zu Zeit. Die Korngröße des Produkts ist ausreichend, daß es ohne nennenswerter Verunreinigung des hoch-reinen Materials gehandhabt werden kann.

Die Zuführung des silanhaltigen Gases in die Reaktionszone erfolgt in üblicher Weise von unten über beispielsweise eine Gasverteilerplatte. Dies ist auch die Stelle, wo gegebenenfalls die Keimkristalle in die Reaktionszone eingespeist werden. In der Gasverteilungszone wird die Verteileroberfläche auf 200°C bis 400°C mit Hilfe von Wasser, Stickstoff oder dergleichen gekühlt. Die Kühlung ist notwendig, um eine vorzeitige Zersetzung der silanhaltigen Gase zu verhindern. Die silanhaltigen Gase können ohne Verdünnung verwendet werden oder sie können mit Wasserstoff oder einem inerten Trägergas, wie Argon, Helium oder dergleichen, verdünnt werden. Bei der Zersetzung von Silan fällt Wasserstoff als Nebenprodukt an. Dieses kann als Trägergas rückgeleitet werden, und zwar bei kontinuierlicher oder halbkontinuierlicher Betriebsweise des Wirbelschicht-Reaktors.

Man kann jedes beliebige silanhaltige Gas verwenden, welches zu Silicium pyrolisiert oder reduziert werden kann, und zwar in Gasphase. Beispiele dafür sind Silan und die Halogensilane, und zwar die Chloride, Bromide, Fluoride und Jodide. Die Chlorsilane, wie Trichlorsilan, Tetrachlorsilan und Dichlorsilan, sind besonders geeignet, wobei jedoch Silan bevorzugt verwendet wird. Die Pyrolyse von Silan ist schwach exotherm, verläuft vollständig, ist irreversibel und setzt bei niederer Temperatur von 200°C ein, während für die Halogensilane höhere Pyrolysetemperaturen erforderlich sind. Darüber hinaus sind die Zersetzungsprodukte von Silan, nämlich Silicium und Wasserstoff, nicht korrosiv und nicht die Umwelt gefährdend. Hingegen ist die Zersetzung von Chlorsilanen reversibel und unvollständig; es kommt zu Nebenprodukten, die korrosiv sind. Daher bevorzugt man Silan bei der Herstellung von polykristallinem Silicium, obwohl auch andere silanhaltige Gase angewandt werden können.

Für die Herstellung von polykristallinem Silicium in einem Wirbelschicht-Reaktor benötigt man Siliciumkeime, auf denen sich das durch heterogene Zersetzung des silanhaltigen Gases gebildete Silicium abscheiden kann. Als Siliciumkeime kann man einen kleinen Anteil des Siliciumproduktes aufmahlen auf die entsprechende Korngröße und diese Teilchen dann wieder in die Wirbelschicht einführen. Bei der Einführung bekommen diese feinen Keime aktive Stellen, an denen das sich aus der Silanzersetzung bildende Silicium aufwachsen kann. Damit wachsen die Keime auf eine entsprechende Größe und können dann als Siliciumprodukt gewonnen werden.

Die Geschwindigkeit des fluidisierenden Gases durch die Reaktionszone wird im allgemeinen bei 2- bis 8facher Geschwindigkeit gehalten, die für die Fluidisierung von Teilchen des gegebenen mittleren Durchmessers notwendig ist. Der Begriff "mittlerer Durchmesser" ergibt sich aus der Summierung der Quotienten gegebener Gewichtsanteile und der entsprechenden Durchmesser dieser Kornfraktionen. Bevorzugt ist die Gasgeschwindigkeit des fluidisierenden Gases die 4- bis 6fache minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit. Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit läßt sich in üblicher Weise durch folgende Gleichung ermitteln:

₀ = minimale oberflächliche Gasgeschwindigkeit für die Fluidisierung (cm/s)
D _p = mittlerer Teilchendurchmesser in der Wirbelschicht (cm)
ρ = Dichte des Fluidisierungsgases (g/cm³)
ρ _p = Dichte der Teilchen (g/cm³)
Φ _s = Kugelgestalt der Teilchen
ε = freier Raum in der Wirbelschicht bei minimaler Fluidisierung
μ = absolute Viskosität des Fluidisierungsgases (g/cm · s)
g = Erdbeschleunigung (cm/s²).

Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit ist stark abhängig von der Gasviskosität und der Gasdichte sowie dem mittleren Teilchendurchmesser, der Teilchenform und dem freien Raum. Sie kann durch geringe Änderung dieser Faktoren über einen weiten Bereich schwanken.

Bei der Pyrolyse von Silan wird bevorzugt die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit für Bedingungen bestimmt, die in unmittelbarer Nähe des Gasverteilers herrschen. Mit diesen Bedingungen, einschließlich Temperaturen, die normalerweise geringer sind als die der Reaktionszone, ist es möglich, die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit zu ermitteln, um das ganze Bett ausreichend zu fluidisieren. Bei erhöhten Temperaturen der Reaktionszone sind die Variablen Viskosität und Dichte temperaturabhängig und können zu einer minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit führen, die nicht ausreicht, um das Bett bei geringeren Temperaturen in den unteren Bereichen ausreichend zu fluidisieren. Daher ist es bei Berechnung der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit auf der Basis der Bedingungen bei tieferen Temperaturen möglich zu gewährleisten, daß man tatsächlich die tiefste Fluidisierungs- Gasgeschwindigkeit erhält, die für die Fluidisierung des ganzen Bettes erforderlich ist.

Die jeweiligen Bedingungen mit dem erfindungsgemäßen Reaktor sind nicht auf obige Parameter der Teilchen und Gase beschränkt. Es wird jedoch bevorzugt, daß die Fluidisierungsbedingungen der Wirbelschicht nur etwas über den minimalen für eine gegebene Reaktion liegen. Die relativ hohe Teilchendichte der Wirbelschicht zusammen mit minimalen Fluidisierungsbedingungen verbessern die Wirksamkeit des Wärmeüberganges innerhalb der Reaktionszone. Darüber hinaus sind die bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung relativ geringen Bewegungen der Feststoffteilchen vorteilhaft in der Weise, daß die Teilchen in der Wirbelschicht nicht einer schweren mechanischen Belastung ausgesetzt werden, die zu einer Erosion der Teilchen führen könnte.

Der erfindungsgemäße Reaktor ist bevorzugt vertikal oder stehend. Die bevorzugte Reaktionszone befindet sich im wesentlichen in einer ringförmigen Kammer, die zwischen der Außenwand und der Innenwand gebildet wird, die im wesentlichen zueinander konzentrisch sind. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann die Innenwand der Reaktionszone ein kleiner Zylinder innerhalb eines größeren Zylinders als Außenwand der Reaktionszone vorliegen. Der Ringraum zwischen den beiden Zylindern wird dann von der Wirbelschicht eingenommen. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Reaktor auch andere Formen und Konfigurationen für Reaktionsgefäß und Reaktionszone besitzen, solange ein Ringraum gegeben ist.

Die Durchmesser der Innen- und Außenwände der Reaktionszone hängen von Faktoren ab, die in gleicher Weise die Konstruktion üblicher Wirbelschicht-Reaktoren beeinflussen einschließlich Teilchengröße, Betthöhe, gewünschtes Ausmaß der Fluidisierung, Fluidisierungsgeschwindigkeit, Produktgröße, Dichte der Trägerteilchen und dergleichen; siehe hierzu Perry und Chilton, Chemical Engineer's Handbook, Section 20, McGraw Hill, 1973, S. 64-74 und McCabe and Smith, Unit Operations of Chemical Engineering, 3. Auflage, 1976, McGraw Hill, S. 159-168. Die bevorzugten Dimensionen ergeben sich in erster Linie im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit. Die Reaktionszone soll nicht zu eng sein, weil dies zu Schwierigkeiten bei der Austragung führen könnte, jedoch sollte sie auch nicht zu breit sein, weil dies zu steigenden Energiekosten sowie ungenügender Erwärmung und Fluidisierung führen würde.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Pyrolyse von Silan zu Silicium beträgt der Durchmesser der inneren Wand der Reaktionszone 15 bis 117 cm, vorzugsweise 20 bis 30 cm und der Durchmesser der Außenwand der Reaktionszone 20 bis 122 cm, vorzugsweise 38 bis 69 cm. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um konzentrische Zylinder, in deren Ringraum sich die Reaktionszone befindet. Für die Bildung eines solchen Ringraums ist die Höhe des Außenzylinders gleich oder größer als die Höhe des Innenzylinders, wobei der Durchmesser des Innenzylinders 10 bis 95%, vorzugsweise 30 bis 75% des Durchmessers des Außenzylinders haben soll.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung befindet sich die Reaktionszone zwischen Außen- und Innenzylinder und wird von einer Wirbelschicht von Siliciumteilchen eingenommen. Das silanhaltige Gas und weitere eventuell vorhandene Trägergase strömen aufwärts durch die Wirbelschicht. Die Reaktionszone wird bei einer solchen Temperatur gehalten, daß eine heterogene Zersetzung von Silan zu Silicium stattfindet. Das Silicium scheidet sich bevorzugt auf den Siliciumteilchen in der Reaktionszone und nicht auf den Oberflächen der die Reaktionszone begrenzenden Wände ab. Die Temperatur der Teilchen in der Reaktionszone liegt im allgemeinen zwischen der Temperatur, bei der die heterogene Zersetzung des Silans beginnt, d. h. 200°C, und der Temperatur, bei der Silicium schmilzt, d. h. 1400°C. Bevorzugt wird die Temperatur der Teilchen in der Reaktionszone bei 550°C bis 1000°C gehalten. Zur Aufrechterhaltung derartiger Temperaturen in der Reaktionszone muß Wärme zugeführt werden; dies gelingt mit dem erfindungsgemäßen Reaktor.

Ein Faktor, der die Wärmezufuhr in die Wirbelschicht der Reaktionszone beeinflußt, ist die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Heizfläche. Im allgemeinen ist der Wärmeübergang bei gegebener Temperatur umso größer, je größer die verfügbare Heizfläche ist, oder mit anderen Worten ist es für die hohen Temperaturen der Reaktionszone wünschenswert, in dieser eine große Heizfläche zur Verfügung zu haben. Die große Heizfläche ermöglicht eine wirksamere Wärmezufuhr zu der Reaktionszone. Die Erfindung bringt nun einen Reaktor mit großer Heizfläche, weil eine zweite Wärmequelle vorgesehen ist, die die Innenwand der Reaktionszone beheizt. Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor wird also in die Reaktionszone sowohl über die Innen- als auch über die Außenwand Wärme zugeführt.

Bei diesen Wärmequellen für Innen- und Außenwand handelt es sich um übliche Heizaggregate, wie Widerstandsheizung, Induktionsheizung und deren Kombinationen. Beispiele dafür sind Heizwicklungen, Systeme mit flüssigen Heizmedien, Wärmeaustauschersysteme und dergleichen, wie sie üblicherweise für Reaktionsgefäße zur Anwendung gelangen. Die spezielle Art der Wärmequelle ist nicht kritisch, so lange auf Innen- und Außenwand der Reaktionszone entsprechend Wärmeenergie abgegeben wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Reaktors sind die Heizelemente Widerstands-Heizelemente.

Die Erfindung wird an beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt und die

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors.

Die Innenwand der Reaktionszone erhöht die wirksame Heizfläche um 10 bis 95% der Heizleistung der Außenwand, vorzugsweise 30 bis 75%. Die größere Heizfläche gestattet die Einbringung von mehr Wärmeenergie in die Reaktionszone bei gegebener Temperatur für ein gegebenes Volumen der Wirbelschicht gegenüber der Wärmeenergie, welche in die Reaktionszone mit einer kleineren Heizfläche übertragen werden kann.

In den Reaktor 11 wird über Leitung 22 Silan und über Leitung 24 Wasserstoff/Trägergas vorgemischt zugeführt. Das so gebildete Reaktionsgas tritt über Leitung 23 in die Reaktionszone 13 ein, und zwar durch die Gasverteilerplatte 25. Silan zersetzt sich in der Reaktionszone und das gebildete Silicium scheidet sich an der Oberfläche der Siliciumkeime 18 ab. Dadurch wachsen die Siliciumkeime an und die groben Produktteilchen 21 fallen in eine Sammelzone im unteren Bereich der Reaktionszone, von wo sie über die Ableitung 27 ausgetragen werden können. Das anfallende Nebenprodukt und Trägergas verlassen den Reaktor über die Ableitung 10.

Da bei diesem Verfahren die Siliciumkeime zu dem Siliciumprodukt anwachsen und als solches ausgetragen werden ist es notwendig, von Zeit zu Zeit Siliciumkeime über die Zuleitung 26 wieder in die Wirbelschicht einzuspeisen. Als Siliciumkeime läßt sich ein aufgemahlenes Siliciumprodukt verwenden.

Die Reaktionszone 13 stellt den Ringraum zwischen der Innenwand 12 und der Außenwand 15 dar. Die Wirbelschicht wird aus den Siliciumkeinem 18 mit Hilfe des über Zuleitung 23 eintretenden Gasgemisches gebildet.

Die Beheizung der Reaktionszone 13 erfolgt durch ein erstes Heizaggregat 16 an der Außenwand 15 und ein zweites Heizaggregat 17 an der Innenwand 12. Damit sind Innen- und Außenwand als Heizflächen wirksam und damit ist die gesamte, für den Wärmeübergang auf die Wirbelschicht in der Reaktionszone 13 zur Verfügung stehende Heizfläche gegenüber üblichen Reaktoren mit nur Außenbeheizung wesentlich erhöht.

Aus der Fig. 2 entnimmt man die Reaktionszone 13, in der sich die Wirbelschicht aus den Siliciumkeimen 18 zwischen den Wänden 12 und 15 befindet, die ihrerseits mit den Heizaggregaten 16 bzw. 17 ausgestattet sind.

Die Erfindung wird an folgendem Beispiel und einem Vergleichsbeispiel weiter erläutert.

Vergleichsbeispiel

Eine übliche Wirbelschicht hatte einen Durchmesser von 29,5 cm und enthielt Siliciumteilchen mit einer Feinheit von 300 bis 800 µm. Als Trägergas diente ein Gasgemisch von 20 Vol.-% Silan und 80 Vol.-% Wasserstoff. Die Wirbelschicht befand sich in einem Glasrohr mit einer Stärke von 0,5 cm innerhalb eines Mantels aus korrosionsbeständigem Stahl mit einem Durchmesser von 50 cm, umgeben von einer Isolierschicht von 10 cm Stärke. Die Wärmezufuhr in die Wirbelschicht erfolgte über das Quarzrohr von Kanthal-Heizleitern mit einem Innendurchmeser von 40 cm und einer Betriebstemperatur von 1200°C, die sich in dem Mantel aus korrosionsbeständigem Stahl befanden. Die Heizleiter umfaßten eine Wirbelschicht mit einer Höhe 150 cm. Drei Flanschen mit Außendurchmesser 82 cm und einer Stärke von 9 cm dienten zur vertikalen Halterung des Mantels und für die Verbindung des Mantels mit Gasverteiler und den Ableitungen aus dem Reaktor. Der Gasverteiler war im unteren Bereich der Wirbelschicht vorgesehen und diente für die Zuführung von Trägergas und die Austragung von Siliciumprodukt. Der Verteiler hatte einen konischen Teil mit einer Höhe von 5 cm, großer Durchmesser 29,5 cm, kleiner Durchmesser 5 cm. Die Höhe des Mantels und Quarzrohres über die Wirbelschicht betrug 133 cm.

Der Druck im Reaktor wurde bei 2 bar gehalten und die oberflächliche Trägergasgeschwindigkeit am Verteiler bei 70 cm · s. Die Temperatur betrug im oberen Bereich der Wirbelschicht 923 K und im unteren Bereich 823 K, am Gasverteiler 523 K. Der freie Raum in der Wirbelschicht war 0,4. Die thermischen Daten waren die folgenden:

Wärmeübergangs-Koeffizient von Wand auf Wirbelschicht
0,00717 cal/cm² · s · K
Wärmeleitfähigkeit der Wand	0,0116 cal/cm · s · K
Strahlung der Wand	0,60
Wärmeleitfähigkeit der Isolation	3,45 10^-5 cal/cm · s · K
Wärmekapazität des Siliciums	0,168 cal/g · K

Berücksichtigt man das Wärmeangebot und die Wärmeverluste bei

(1) Verteiler,
(2) ausgetragenem Produkt sowie Abgas,
(3) Flanschen,
(4) Abstrahlung oben und unten von der Wirbelschicht,
(5) Isolation,
(6) Reaktion des Silans und
(7) Heizelementen

und nimmt man an, daß

(1) die Temperatur der Wirbelschicht überall konstant ist mit Ausnahme eines geringen Bereiches im unteren Teil der Wirbelschicht;
(2) die Temperatur des Quarzrohres konstant ist;
(3) die Temperatur des Verteilers konstant ist;
(4) Wärmeübergang aus dem Bett und Verteiler nur von deren Temperatur abhängig ist;
(5) Wärmeübergang von den Heizelementen und dem Quarzrohr nur durch Strahlung erfolgt;
(6) die Gase mit Raumtemperatur 300 K eintreten und die Wirbelschicht mit deren Temperatur verlassen und
(7) die Wirbelschicht und die Heizelemente als schwarze Körper angesehen werden können,

so ergibt sich der Wärmeübergang aus den Heizelementen auf die Wirbelschicht mit 0,656 kW/cm Wirbelschicht-Höhe.

Beispiel

An zwei konzentrischen Zylindern wurden Kanthal-Heizelemente vorgesehen; die Wirbelschicht wurde aus Siliciumteilchen mit einer Korngröße von 300 bis 800 µm aufgebaut, Innendurchmesser der Wirbelschicht 22,9 cm und Außendurchmesser 38,1 cm, Querschnitt der Wirbelschicht 730 cm², entsprechend dem Querschnitt der im Vergleichsbeispiel vorliegenden Wirbelschicht. Zu der Wirbelschicht führten 12 konische Gasverteiler unterhalb des ringförmigen Raums zwischen den beiden Zylindern. Als Trägergas diente ein Gasgemisch von 20 Vol.-% Silan und 80 Vol.-% Wasserstoff; gröbere Teilchen setzten sich aus der Wirbelschicht ab.

Die konischen Verteiler waren 1,3 cm hoch und hatten großen Durchmesser 7,6 cm und kleinen Durchmesser 2,5 cm. Die Innenwand in Form eines Quarzrohres hatte eine Stärke von 0,65 cm und befand sich in einem Stahlmantel mit Durchmesser 62,5 cm, umgeben von einer Isolierschicht von 10 cm. Der Innendurchmesser 22,9 cm der Wirbelschicht wird begrenzt von dem Quarzrohr mit einer Stärke von 0,65 cm. Die Heizleiter befanden sich auf der Innenseite des Stahlmantels und dienten zur Erwärmung von außen. Heizleiter aus Kanthal mit einem kleineren Durchmesser als das Quarzrohr dienten zur Erwärmung der Wirbelschicht von innen durch das Quarzrohr. Die im Stahlmantel befindlichen Heizleiter hatten einen Außendurchmesser von 62,5 cm und einen Innendurchmesser von 52,5 cm. Die am Quarzrohr vorgesehenen Heizleiter hatten einen Durchmesser von etwa 10 cm. Die Betriebstemperatur der Heizleiter war 1200°C und umschlossen eine Wirbelschichthöhe von 92,7 cm. Drei Flanschen am Stahlmantel mit einem Außendurchmesser von 94,5 cm und einer Stärke von 9 cm dienten zur Fixierung des Reaktors und der Gasverteiler und Ableitungen aus dem Reaktor. Der Mantel und das Quarzrohr erstreckten sich 170,3 cm über die Wirbelschicht.

Der Reaktor wurde bei einem Druck von 2 bar und einer oberflächlichen Fluidisierungsgeschwindigkeit am Verteiler entsprechend der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit für 800 µm Teilchen gehalten, nämlich bei etwa 70 cm/s. Die Temperaturen lagen bei der Wirbelschicht oben bei 923 K und unten bei 823 K und am Gasverteiler bei 523 K. Der freie Raum der Wirbelschicht im fluidisierten Zustand betrug 0,4 und die kalorischen Daten entsprachen denen, die bei dem Vergleichsbeispiel angegeben worden sind.

Unter Berücksichtigung des gleichen Wärmeangebots und der gleichen Wärmeverluste des Vergleichsbeispiels und unter der gleichen Annahme des Vergleichsbeispiels betrug die Wärmeübertragung von den Heizleitern auf die Wirbelschicht 1,35 kW/cm Wirbelschichthöhe - gegenüber nur 0,656 kW/cm des Vergleichsbeispiels -.

Die Erfindung gestattet die Einbringung von mehr Wärmeenergie in eine Wirbelschicht gegebener Höhe und gegebenen Querschnitts gegenüber üblichen Methoden. Die erhöhte Wärmeübertragung je Einheit der Wirbelschichthöhe gestattet es, die Umsetzungen mit Wirbelschichten geringerer Höhe durchzuführen, ohne daß dies zu einer insgesamt geringeren Wärmeübertragung führen würde. Die weniger hohen Wirbelschichten haben ein besseres hydrodynamisches Verhalten gegenüber höheren Wirbelschichten und gestatten daher die Einbringung des Wärmeflusses in größerer Nähe zu den ersten Reaktionszonen, die üblicherweise die unteren Bereiche des Reaktors einnehmen.

Claims

1. Wirbelschicht-Reaktor, gekennzeichnet durch eine beheizbare Innenwand und eine beheizbare Außenwand, wobei der Raum zwischen den beiden Wänden als Reaktionszone für die Wirbelschicht vorgesehen ist.

2. Wirbelschicht-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Wände in Form von Zylindern konzentrisch ineinander befinden.

3. Wirbelschicht-Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Innenzylinders 10 bis 95% des Durchmessers des Außenzylinders aufweist.

4. Wirbelschicht-Reaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung der Wände durch Induktionsheizung, Widerstandsheizung oder Wärmeleitung erfolgt.

5. Wirbelschicht-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Innenwand zur Verfügung gestellte Heizfläche 10 bis 95% der Heizfläche der Außenwand beträgt.

6. Wirbelschicht-Reaktor nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Innenzylinders 15 bis 117 cm und der Durchmesser des Außenzylinders 20 bis 122 cm beträgt.

7. Wirbelschicht-Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Innenzylinders 20 bis 30 cm und der Durchmesser des Außenzylinders 38 bis 69 cm beträgt.

8. Verfahren zum Betreiben des Wirbelschicht-Reaktors nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wandtemperatur bei 200 bis 1400°C hält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur der Teilchen in der Wirbelschicht bei 550 bis 1000°C hält.

10. Verwendung des Wirbelschicht-Reaktors nach Anspruch 1 bis 7 zur Herstellung von hochreinem polykristallinem Silicium durch Pyrolyse eines silanhaltigen Gases in einer Wirbelschicht aus Siliciumteilchen.