JP5511794B2

JP5511794B2 - 気相反応装置

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Publication number: JP5511794B2
Application number: JP2011506915A
Authority: JP
Inventors: 一利寺内; 潤中本; 慎一吉澤; 一正松音; 光則河南
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2029-04-01
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Description

本発明は気相反応装置に関する。

トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）は、半導体、液晶パネル、太陽電池等の製造に用いられる特殊材料ガスである。近年、需要は順調に拡大し、エレクトロニクス分野で広く使用されるＣＶＤ材料として、今後も伸びが期待されている。

トリクロロシランは、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）に水素（Ｈ_２）を付加させる以下の反応によって生成される。
ＳｉＣｌ_４＋Ｈ_２→ＳｉＨＣｌ_３＋ＨＣｌ（１）
この反応は、熱平衡気相反応であり、ガス化したテトラクロロシランと水素からなる原料ガスを約７００〜１４００℃の高温に加熱することにより正反応が起こり、トリクロロシランが得られる。

従来、この種の気相反応の反応装置としては、例えば特許文献１に記載されているような装置が知られている。この装置は、周囲を発熱体によって囲まれると共に同心配置の管によって形成された外室と内室からなる反応室と、反応室の上部に設けられて外室と内室を相互に連通させるダイバータと、反応室の下部に設けられて外室に導入される原料ガスと内室から導出される反応生成ガスとの熱交換を行う熱交換器とを具備してなる。原料ガスは熱交換器を通して予熱されて外室に供給され、外室からダイバータを経て内室を流れる間に反応が進行し、反応生成ガスとして熱交換器によって冷却されて排出される。

しかしながら、上記のような反応装置では、反応室がダイバータを介した二重室とされ、ガスが外室と内室の順に上下に往復させられる構造とされているため、
反応室の出口ガス温度が低下してしまう問題があった。
また、反応生成ガスの冷却を急速に行えないため、生成したトリクロロシランがテトラクロロシランに逆反応してしまう虞があり、高い反応収率が得られないという問題もある。

特開平６−２９３５１１号公報

本発明の一目的は、従来技術における不具合を少なくとも部分的に解消した気相反応装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、伝熱効率を高く保つ気相反応装置を提供することにある。
本発明の更なる目的は、逆反応等をできるだけ防止して高い反応収率を達成することができる気相反応装置、特にクロロシランと水素の高温気相反応に適した反応装置を提供することにある。

よって、本発明では、
流入口から所定の流入流速で供給される複数種の原料ガスを気相反応させて流出口から反応生成ガスとして排出する反応容器と、
反応容器に付設されて反応容器の内部を加熱する加熱手段と、
反応容器の内部に配設されてガスの流路を絞ってガス流速を高める伝熱部材とを具備してなる気相反応装置が提供される。

ここで、反応容器は、高温気相反応に適した構造、材料からなるものであれば如何なるものでもよいが、容器の一側に流入口を備え、一側とは遠隔の他側に流出口を備え、流入口と流出口との間に所定の距離がとれる構造のものが好ましく、また加熱手段によって壁面が加熱されて反応容器内部に熱を伝達する材料から構成されるのが好ましい。

加熱手段は、反応容器の内部を加熱できる構造のものであれば、如何なるものでも構わないが、反応容器壁面を加熱して反応容器内部を高温加熱状態にする構造のものが好ましい。一態様では、反応容器を伝熱性に優れた材料で形成し、反応容器壁を直接加熱する構造とすることができる。他の態様では、反応容器を伝熱性に優れた材料で形成し、反応容器の外部にヒータを配して反応容器壁面を加熱する構造とすることができる。何れの場合も反応容器は、全体を収容容器に収容し、周囲とは断熱するのが好ましいが、特に後者の外部ヒータを設置する場合は、反応容器とヒータを配した収容容器内にはアルゴンのような不活性ガス等を充填しておくのが好ましい。

伝熱部材とは、加熱手段が反応容器の内部を加熱する結果、反応容器の内部に配設されている伝熱部材自体も加熱され、反応容器内を流れるガス流にその熱を移動させる部材を意味する。よって、上記の伝熱部材は、かかる熱移動に適した材料からなり、またガスの流路を絞ってガス流速を高めることができる構造を有するものであれば、如何なる材料、構造のものでも構わない。例えば、透孔や凹部を備えた複数の成型充填物を組み合わせてガス流路を形成できるものや、種々の形状の貫通孔を備えた邪魔板などが利用できるが、一又は複数の貫通孔を備えたカーボン製の板状体、特に多孔板が好適に利用できる。また伝熱部材の配置方法は、その構造に応じて様々な態様を取り得、特に限定するものではないが、反応容器のガス流路を横断してガスが伝熱部材の貫通孔等を流通するように配置できる。尚、ここで、ガス流速を高めるとは、ガスが伝熱部材に接触する部位におけるガス流速とガスが伝熱部材に接しながら流れ伝熱部材から離れていく際のガス流速を比較した場合に後者のガス流速が前者よりも高くなっていることを意味する。例えば、多孔板を用いた場合、多孔板の孔部出口でのガス流速は、孔部入口でのガス流速に比して上昇させられる。その上昇割合は、開孔率などに依存するが、数倍、例えば３倍等にすることができる。

かかる気相反応装置では、反応容器の内部に伝熱部材を配設したので、加熱手段により反応容器を加熱すると、反応容器の壁体等からの輻射伝熱等により伝熱部材が加熱され、かかる伝熱部材からガス流への熱移動により反応容器中のガス流を更に加熱することができる上、伝熱部材によってその付近を流れるガス流の流速が高められるので、伝熱部材等からのガス流への伝熱効率が高くなり、また伝熱部材によりガス流が乱れて対流伝熱も生じる。よって、反応容器内に伝熱部材を配設しない場合に比して、反応容器内におけるガス流への伝熱量が増加し、反応容器内において高い伝熱効率を、またひいては高反応収率を達成することができる。

一態様では、上記において、反応容器は、上下方向に延び、下部側の流入口から上部側の流出口に至るガス流路を形成する筒状体から構成し、伝熱部材は、反応容器の内部に、筒状体を略水平方向に横断し上下方向に間隔をあけて配設された複数の多孔板から構成することができる。特に、反応容器は、カーボン製の円筒状反応器が好ましく、一例では、上下方向に延びる円筒状部と、円筒状部の下部に設けられた底部と、円筒状部の上部に設けられた天板部とを具備し、底部に流入口が設けられ、筒状部の天板部に近接する位置に流出口が設けられた構造とできる。

反応容器をこのような筒状体構造にすると、ガス流路を上下方向に往復させる場合に比して、装置の構造が簡単になる。また、伝熱部材を、上記のように配設された複数の多孔板から構成すると、ガス流が孔部を流れるときに流速が高まり、高い伝熱効率を達成することができ、また対流伝熱も効果的に生じさせることができる。

本発明者等は、後記する実施例において説明するように、孔部等を通過するガスの流速、多孔板の開孔率、反応容器内壁と多孔板とのクリアランス、多孔板の厚みなどについて、実験的に最適な範囲を求めるべく、鋭意検討した。その結果、所定のパラメータについて次のような範囲にすれば高い伝熱効率が得られることが知見された。

すなわち、上記において、多孔板は、通過するガスの流速を２ｍ／ｓ以上とする多孔部を有してなるものとするのが好ましく、また２５％以下の開孔率を有する板材を反応容器の内壁との間に所定のクリアランスをあけて配設したものとするのが好ましい。多孔板と反応容器の内壁との間のクリアランスは、周方向にわたって略均一であるのが好ましく、また反応容器の内壁直径の６／１０００〜５０／１０００の範囲にあるように設計するのが好ましい。多孔板の孔部の孔径は、反応容器の内壁直径の２５／１０００以下であり、孔数が開孔率を２５％以下とする数であるのが好ましい。また、多孔板の厚さｔは１０ｍｍ≦ｔ≦６０ｍｍが好ましい。製作加工上問題が無ければこの限りではない。

ここで、多孔板の開孔率とは、多孔板の孔部を含む平面視における総面積に対する孔部横断面積の総計の割合であり、クリアランスとは、多孔板の外縁端面と内壁面との距離である。

また別の態様では、上記において、複数の多孔板が上下方向に間隔をあけて配設され、上下に隣接する各多孔板は、孔部が互いに偏心位置に形成されてなるものとするのが好ましい。多孔板の上下方向の離間間隔は等間隔であっても不等間隔であってもよい。
このような構成とすることによって、ガス流の流れが反応容器の下部の流入口から上部側の流出口に流れていく間に十分に混合されて化学反応が促進され、かつ対流伝熱等による伝熱量が増加する。

また更なる態様では、上記において、反応容器と伝熱部材は、表面が炭化ケイ素被覆されていてもよいカーボン製部材製とすることができる。カーボン製部材とするのは、かかる部材が耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性等に優れるからであるが、後述するように、カーボン製部材は反応容器内に供給される水素や、水素の燃焼により生成する水によって組織の減肉または脆化を受けてしまう。従って、長期にわたる使用に対しては、表面に炭化ケイ素被膜処理を施すのが好ましい。炭化ケイ素被膜処理は、例えばＣＶＤ法により１０〜５００μｍの厚みで行うことができる。

また別の態様によれば、上記において、気相反応装置は、金属製の外筒容器と外筒容器に内張りされた断熱層とを具備し内部に不活性ガスが封入された収容容器に、反応容器と加熱手段が収容されてなるのが好ましい。
かかる構成とすることによって、加熱手段から発生された熱を装置外部に逃がすことを極力防止することができ、また反応容器の加熱を極力均一に行わせることができる。

更に別の態様によれば、本発明に係る気相反応装置は、複数種の原料ガスが、テトラクロロシランと水素を含み、反応生成ガスがトリクロロシランと塩化水素を含む反応系に特に好適に使用される。
ここで、原料ガスには、テトラクロロシランと水素以外の化学種が含まれていてもよく、また他の系からの循環液等も蒸発させて併せて供給されてもよい。また、反応生成ガスには、トリクロロシランと塩化水素以外の化学種、例えば未反応の原料成分やヘキサクロロジシラン等の高沸点物質、ジクロロシラン等の低沸点物質等々が含まれうる。

更に本発明に係る気相反応装置においては、上記の種々の構成の何れか一に加えて、反応容器内の伝熱効率を更に高めるために、反応容器の内部に流出口に近接して、反応生成ガスの流れを流出口に向け得る反射部材を設けることができる。
かかる反射部材は、反応生成ガスの流れが当たるとこれを反射させ、反応生成ガスの流れを流出口に向け得る部材であれば、如何なるものでも構わないが、加熱手段が反応容器の内部を加熱する結果、反応容器の内部に配設されている反射部材自体も加熱され、反応容器内のガス流にその熱を移動させる伝熱部材であるのが好ましい。よって、反射部材は、好ましくは反応生成ガスの流れを受けて反射させ流れを流出口へ向ける板材であって、熱移動に適した材料から構成され、例えばカーボン製の板状体が好適に利用できる。
かかる気相反応装置では、反射部材により反応容器中のガス流への伝熱効率を更に高めることができ、高い反応収率を達成することができる。

更に本発明に係る気相反応装置においては、上記の種々の構成の何れか一に加えて、反応容器から導出される反応生成ガスを急冷する急冷塔を備えるのが好ましい。
このような構成によって、反応生成ガスを可能な限り瞬時に冷却して平衡を凍結し、逆反応が起こるのを極力防止することができる。
すなわち、本発明の一態様では、
流入口から所定の流入流速で供給される複数種の原料ガスを気相反応させて流出口から反応生成ガスとして排出する反応容器と、
反応容器に付設されて反応容器の内部を加熱する加熱手段と、
反応容器の内部に配設されてガスの流路を絞ってガス流速を高める伝熱部材と
反応容器に接続されて反応容器の流出口から導出される反応生成ガスを急冷する急冷装置と
を具備してなる気相反応装置が提供される。

本発明の実施形態に係る反応装置の概略縦断面図である。図１の反応装置におけるヒータからガス流への伝熱プロセスを説明するための模式図で、（ａ）はヒータから反応容器への輻射伝熱を表し、（ｂ）は反応容器壁体中における伝導伝熱を表し、（ｃ）は反応容器内面から多孔板への輻射伝熱を表し、（ｄ）は反応容器内表面と多孔板からガスへの対流伝熱を表す。実施例１の結果を示すグラフである。実施例２の結果を示すグラフである。

１０気相反応装置
１１収容容器
１１ａ胴部
１１ｂ天蓋部
１１ｃ底板部
１１ｄ支持部材
１１ｅ，１１ｆ貫通孔
１２反応容器
１２ａ流入口
１２ｂ流出口
１３ヒータ（加熱手段）
１３ａ発熱体
１３ｂ電極
１４急冷塔（急冷装置）
１５外筒容器
１６ａ，１６ｂ断熱煉瓦層，断熱材層（断熱層）
１７円筒体（筒状体）
１８底板部材(底部)
１９天蓋部材(天板部)
２０流入管
２１抜き出し管
２２塔本体
２３スプレー装置
２４反応生成ガス導入管
２５多孔板（伝熱部材）
２５ａ孔部
２６スペーサ部材

以下、本発明の気相反応装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す実施形態では、気相反応装置１０は、円筒状の収容容器１１と、収容容器１１の内部に収容された反応容器１２と、収容容器１１の内部に収容されると共に反応容器１２に付設されて反応容器１２の内部を加熱するヒータ（加熱手段）１３と、反応容器１２に接続された急冷塔（急冷装置）１４とを具備する。

収容容器１１は、鋼製の外筒容器１５の底部及び周部の各内面に断熱煉瓦層１６ａが、外筒容器１５の上部内面にアルミナ製断熱材等の断熱材層１６ｂがそれぞれ内張りされた断熱容器で、円筒状の胴部１１ａと、胴部１１ａの上端に設けられた天蓋部１１ｂと、胴部１１ａの下端に設けられた底板部１１ｃとからなり、胴部１１ａの外側面に設けられた支持部材１１ｄが基礎上に支持されて軸心を上下に向けて設置されている。底板部１１ｃの中心に貫通孔１１ｅが形成され、胴部１１ａの上縁側の所定位置に貫通孔１１ｆが形成されている。

反応容器１２は、収容容器１１の内部に下部が支持されて軸心を上下に向け収容容器１１の胴部１１ａ内壁と天蓋部１１ｂとの間に空間をあけて収容されたカーボン製の略円筒状の反応容器で、所定高さの複数の略円筒部材を、端部同士を突き合わせて略同軸状に上下に配し、突き合わせ端部を、螺合締結や外嵌合リングによる締結等の締結手段により気密的に締結して円筒体（筒状体）１７とし、円筒体１７の下端部にカーボン製の底板部材１８を、円筒体１７の上端部にカーボン製の天蓋部材１９を、それぞれ円筒部材同士と同様の締結手段で気密的に締結した円筒状容器である。反応容器１２は、その底板部材１８が収容容器１１の底板部１１ｃの貫通孔１１ｅに嵌め込まれて収容容器１１に支持されており、その底板部材１８には、反応容器１２への原料ガスの流入口１２ａとなる貫通孔が形成され、該貫通孔に図示しない蒸発缶に接続された流入管２０が連通されて取り付けられている。天蓋部材１９は閉塞部材からなり、反応容器１２の流出口１２ｂとなる貫通孔は、天蓋部材１９に近接する円筒体１７の円筒部材の側面に形成され、該貫通孔に反応生成ガスの抜き出し管２１が取り付けられている。該抜き出し管２１は、更に収容容器１１の貫通孔１１ｆに挿通されて収容容器１１の外部まで略水平に延び、急冷塔１４に接続されている。

ヒータ１３は、先端側が電気的に互いに接続された二本一組で、収容容器１１の胴部１１ａ内壁と反応容器１２との間の空間に反応容器１２の周方向に間隔をあけて鉛直に配設された長尺棒状のカーボン製の複数組の発熱体１３ａと、発熱体１３ａの各基端側に連結されて発熱体１３ａへの電力の授受を行う複数組の電極１３ｂとを具備してなる。発熱体１３ａの基端側は、収容容器１１の天蓋部１１ｂに断熱材等を介して支持され、発熱体１３ａの先端側は収容容器１１の底板部１１ｃの近くまで垂下させられている。
収容容器１１の内部にはアルゴン等の不活性ガスが充填され、反応容器１２の周りと上部には不活性ガスが存在しており、ヒータ１３が印加されると、発熱体１３ａが加熱され、不活性ガスと共に反応容器１２が外周及び上方から例えば１３００℃程度に加熱される構成とされている。

急冷塔１４は、反応容器１２の抜き出し管２１から抜き出されるトリクロロシランと塩化水素の混合物を主成分とする反応生成ガスを瞬時に冷却するもので、収容容器１１に隣接して配設された鋼製円筒状の塔本体２２と、塔本体２２に付設されて塔本体２２の内部に冷却液を噴霧するノズルを備えたスプレー装置２３と、塔本体２２の内部に溜まった冷却液を取り出してスプレー装置２３に循環させるポンプ（図示略）と、冷却液を冷却する冷却装置（図示略）と、急冷塔１４の頂部から急冷後の反応生成ガスを取り出すための導管（図示略）とを具備する。塔本体２２の側壁には反応容器１２の抜き出し管２１が挿入される反応生成ガス導入管２４が略水平に設けられ、抜き出し管２１の先端は塔本体２２の内部まで延び、スプレー装置２３のノズルからの冷却液が抜き出し管２１から流出する反応生成ガスに対して上から下に向けて噴霧されるように構成されている。

本実施形態に係る気相反応装置１０では、反応容器１２の内部に、所定の開孔率、孔径、孔数を有する円板状のカーボン製の多孔板２５が、複数枚、その円筒体１７の高さ方向に間隔をあけて配設されている。これら多孔板２５は、円筒体１７の高さ方向の略全長にわたって基本的には略等間隔にかつ略水平に配置されるが、反応容器１２の内壁面との間には所定のクリアランスが保たれ、また各多孔板２５は、基本的には、一の多孔板２５の孔部２５ａとその上下に位置する多孔板２５の孔部２５ａが同軸にはならないように製作され又は配置される。

ここで、多孔板２５の設置方法は、任意であり、例えば、図示例では、底板部材１８の上面と最下位の多孔板２５の下面の対応する位置にそれぞれ複数の凹所を形成し、底板部材１８の凹所に、複数の棒状スペーサ部材２６の下端部を嵌入させ、多孔板２５の下面の凹所に該棒状スペーサ部材２６の上端部を嵌入させることによって、多孔板２５を底板部材１８の上方所定位置に配し、これを繰り返して、多孔板２５を所定の間隔をあけて積み上げている。別法としては、反応容器１２の内壁面に周方向に間隔をあけて複数の支持縁を形成し又は取付け、その上に各多孔板２５を載置していくようにしてもよい。尚、ここでのスペーサ部材２６もカーボン製部材とすることは言うまでもない。

上記のようにして反応容器１２の内部に設置された多孔板２５について、本発明者等は、その設置効果に対する多孔板の開孔率、内壁とのクリアランス、多孔板の厚み等の影響を、検証した。その結果、多孔板２５を設けると、反応容器１２における伝熱効率が大幅に向上させられることが知見され、使用する多孔板２５としては次のような特性を具備するものが好ましいことが分かった。
・通過するガスの流速を２ｍ／ｓ以上とする多孔部２５ａを有するもの
・２５％以下の開孔率を有するもの
・反応容器１２の内壁との間のクリアランスが、反応容器１２の内壁直径の６／１０００〜５０／１０００の範囲にあるもの
・孔部の孔径が反応容器１２の内壁直径の２５／１０００以下であり、孔数が開孔率を２５％以下とする数であるもの。
・多孔板の厚さt は１０ｍｍ≦t≦６０ｍｍが好ましく、製作加工上問題が無ければこの限りではない。
ここで、多孔板の開孔率とは、多孔板の孔部を含む平面視における総面積に対する孔部横断面積の総計の割合であり、クリアランスとは、多孔板の外縁端面と反応容器の内壁面との距離である。

上記において、カーボン製部材を構成する材質としては、気密性に優れた黒鉛材が好ましく、特に、微粒子構造のため強度が高く、熱膨張等の特性がどの方向に対しても同一であることから耐熱性および耐食性にも優れている等方性高純度黒鉛を用いることが好ましい。
更に、カーボンは、反応容器内に供給される水素や、水素の燃焼により生成する水によって、以下に示すように、組織の減肉または脆化を受けてしまう。
Ｃ＋２Ｈ_２→ＣＨ_４
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋ＣＯ_２
これを防止するために、上記カーボン製の部材の表面には炭化ケイ素被膜が形成されるのが好ましい。

炭化ケイ素被膜の形成方法は、特に制限はないが、典型的にはＣＶＤ法により蒸着させて形成することができる。ＣＶＤ法により所定部材の表面に炭化ケイ素被膜を形成するには、例えば、テトラクロロシラン又はトリクロロシランのようなハロゲン化ケイ素化合物とメタンやプロパンなどの炭化水素化合物との混合ガスを用いる方法、またはメチルトリクロロシラン、トリフェニルクロロシラン、メチルジクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、トリメチルクロロシランのような炭化水素基を有するハロゲン化ケイ素化合物を水素で熱分解しながら、加熱されたカーボン製部材の表面に炭化ケイ素を堆積させる方法を用いることができる。炭化ケイ素被膜の厚みは、１０〜５００μｍとすることが好ましく、３０〜３００μｍであればさらに好ましい。炭化ケイ素被膜の厚みが１０μｍ以上であれば、反応容器内に存在する水素、水、メタン等によるカーボン製部材の腐食を十分に抑制でき、また、５００μｍ以下であれば、炭化ケイ素被膜のひび割れやカーボン製部材の組織の割れが助長されることもない。

次に、本実施形態に係る気相反応装置１０の作用を、図１に加えて、図２の模式図を適宜参照しながら説明する。
蒸発缶でガス化されたテトラクロロシランと水素の混合ガスは流入口１２ａから所定の導入流速で反応容器１２中に導入される。反応容器１２は、ヒータ１３によって外部から加熱されるが、ヒータ１３は反応容器１２の外部に周方向に等間隔に配設され、収容容器１１内にはアルゴンガス等の不活性ガスが充填されているので、反応容器１２の外周面が比較的均一に加熱される。ヒータ１３から輻射伝熱によって熱が反応容器１２の外面に到達し（図２（ａ）参照）、反応容器１２全体が加熱されると、反応容器１２はカーボン製であるため、反応容器１２の壁体では、その外表面から内表面に向けて伝導伝熱によって効率的に熱が反応容器１２内壁表面へと伝わり、円筒体１７の内壁表面が高温になり（図２（ｂ）参照）、反応容器１２の内部が輻射伝熱等によって約７００〜１４００℃の高温に加熱される。そして、反応容器１２内を流れるガス流に対流伝熱によってその熱が伝わり、ガス流が加熱されると同時に、反応容器１２の円筒体１７の内壁表面から多孔板２５に向けて輻射伝熱が生じ、多孔板２５が加熱される（図２（ｃ）参照）と共に、多孔板２５からの熱が、多孔板２５にぶつかり又は多孔板２５の孔部２５ａを流通するガス流に伝わっていく。また原料ガスと反応生成ガスが入り交じって流れ、多孔板２５の孔部２５ａ周辺では対流伝熱が生じ、これによってもガスが加熱される（図２（ｄ）参照）。このように加熱される多孔板２５が反応容器１２内に配置されているので反応容器１２内における伝熱面積が増加しまた対流伝熱も生じる結果、ガス流への伝熱量が高まり、また多孔板２５の孔部２５ａをガス流が通過する際にガス流の流速が高まるので、多孔板２５の孔部２５ａ付近での伝熱効率が高まる。このようにして、反応容器１２内を流れるガス流が効率よく加熱され、式（１）の熱平衡反応が正方向に進行し、導入された原料ガスがトリクロロシランと塩化水素を主成分とする反応生成ガスに転換され、流出口１２ｂから抜き出し管２１を介して急冷塔１４に導かれる。

このように、本実施形態に係る気相反応装置１０では、ヒータ１３によって加熱される反応容器１２の内部に多孔板２５が設けられているために、ガス流の混合が生じると共に、反応容器１２内における伝熱効率が多孔板２５による輻射伝熱と対流伝熱によって向上させられる。
また、反応容器１２の流出口１２ｂに抜き出し管２１を設け、急冷塔１４に接続したので、多孔板２５の効果も相俟って、反応生成ガスは抜き出し管２１から抜き出される状態では十分に加熱された状態にあり、この状態から急冷塔１４において反応生成ガスを瞬時に冷却するので、平衡反応が凍結され、逆反応が効果的に防止される。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではないことは言うまでもない。例えば、多孔板２５に加えて、反応容器１２の内部に流出口１２ｂに近接して、反応生成ガスの流れが当たるとこれを反射させ、反応生成ガスの流れを流出口に向け得るカーボン等の伝熱性材料からなる反射板を設けてもよい。かかる反射部材により反応容器中のガス流への伝熱効率を更に高めることができ、高い反応収率を達成することができる。また多孔板２５に邪魔板や他の成型充填物を組み合わせた構造としてもよい。更に、反応容器１２は図示例では上下方向に同径の円筒状であるが、流出口１２ｂの付近や流入口１２ａの付近を縮径部としてもよい。

以下、多孔板の設置効果について検証した実施例を記載する。尚、この実施例は、多孔板の典型例について設置効果を確認するためのものであって、多孔板の構成がかかる実施例によって限定されるものではない。

実施例１
＜伝熱量に対する多孔板の厚みの影響＞
次の反応装置において多孔板の設置効果に対する多孔板の厚みの影響を検証した。
収容容器：
外筒容器：ＳＵＳ３０４製、１９ｍｍ厚
断熱材層：アルミナ製断熱材、２９ｍｍ厚
断熱煉瓦層：アルミナ製煉瓦、５００ｍｍ厚
不活性ガス層：アルゴン、１６３ｍｍ層
反応容器：
カーボン製円筒状反応器、１００ｍｍ厚
円筒部内径：７５０ｍｍ

厚みが２０ｍｍ、４０ｍｍ、６０ｍｍの円板状の多孔板（順に多孔板１、基準多孔板、多孔板２）をそれぞれ複数枚製作した。各多孔板は、孔径５ｍｍの多数の孔部が同一パターンで形成され、所定位置に支持棒に固定するための複数の固定孔を備えたカーボン製の直径７４ｃｍのものであった。
先ず４０ｍｍの厚みの基準多孔板を、反応容器内の円筒体内部に上下に間隔をあけて、スペーサ部材を用いて水平に配置していった。また反応装置のガス入口、ガス出口、胴部中央部等に適宜熱電対を設置した。
この状態で、ヒータを印加して反応容器を１３００℃まで加熱した後、反応装置にテトラクロロシランと水素（モル＝１：２）の混合ガスを１５１３ｋｇ／ｈで供給し、０．１ＭＰａＧで反応を行わせてトリクロロシランを生成した。そして、反応過程中におけるガス温度：１１２４．９℃、出口ガス温度等の各温度測定点の温度を測定し、反応容器全体における伝熱量を算定したところ、８７６０ｋｃａｌ／ｈであった。
同様にして、２０ｍｍの厚みの多孔板１及び６０ｍｍの厚みの多孔板２について操作を繰り返して、測定温度から伝熱量を算定した。
この結果、次表に示すような結果が得られた。

この結果を図３にグラフの形でも示す。
これらの結果から分かるように、基準多孔板に対して厚みを１．５倍にした多孔板２では、伝面積が２５％上昇しており、基準多孔板に対して厚みを１／２にした多孔板１では、伝面積当たりの伝熱量が２６％上昇した。これらの結果から、多孔板は薄くし、枚数を増やせば、伝熱量が増加することが期待できることが分かる。

実施例２
＜伝熱量に対する多孔板のクリアランスの影響＞
用いた多孔板を代えた以外は、実施例１に記載したものと同じ反応装置、操作条件を用いて、多孔板の設置効果に対する多孔板と反応容器の内壁との間のクリアランスの影響を検証した。
外径が７４６ｍｍ、７４０ｍｍ、７３６〜７１０ｍｍと様々で、厚みが４０ｍｍの円板状の多孔板（順に多孔板３、基準多孔板、多孔板４〜７）をそれぞれ複数枚製作した。各多孔板は、孔径５ｍｍの多数の孔部が同一パターンで形成され、所定位置にスペーサ部材に固定するための複数の凹所を備えたカーボン製のものであった。
先ず外径が７４０ｍｍの基準多孔板を、反応容器内の円筒体内部に上下に間隔をあけて、配置した。このときの多孔板と反応容器内壁間のクリアランスは５ｍｍであった。この状態で、トリクロロシランの生成反応を行わせ、反応過程中における入口ガス温度、出口ガス温度等の各温度測定点の温度を測定し、反応容器全体における伝熱量を算定したところ、８７６０ｋｃａｌ／ｈであった。
同様にして、外径が７４６ｍｍ、７３６ｍｍ、７３０ｍｍ、７２０ｍｍ、７１０ｍｍ（クリアランスで２、７、１０、１５、２０ｍｍ）の多孔板３〜７をそれぞれ設置し、操作を繰り返して、測定温度から伝熱量を算定した。
この結果、次表に示すような結果が得られた。

この結果を図３に示すグラフにも示す。
これらの結果から分かるように、多孔板のクリアランスの最適値は１０ｍｍであり、このときに伝熱量は最大となる。これにより、伝熱係数、反応容器外表面からの伝熱量の増加により、伝熱量は５％上昇する。

実施例３
＜伝熱量に対する多孔板の孔径・孔数の影響＞
用いた多孔板を代えた以外は、実施例１に記載したものと同じ反応装置、操作条件を用いて、多孔板の設置効果に対する孔径・孔数の影響を検証した。
孔径、孔数、開孔率を変更した３種類の多孔板を製作した。先ず、第１の多孔板は基準多孔板で、孔径１５ｍｍφ、孔数５０４個、開孔率２０．７％、第２の多孔板（多孔板８）は、孔径１５ｍｍφ、孔数１０２４個、開孔率４２．１％のものであり、第３の多孔板（多孔板９）は、孔径１０．５ｍｍφ、孔数１０２４個、開孔率２０．７％のものであった。
各多孔板を、反応容器内の円筒体内部に上下に間隔をあけて配置し、この状態で、トリクロロシランの生成反応を行わせ、反応過程中における入口ガス温度、出口ガス温度等の各温度測定点の温度を測定し、反応容器全体における伝熱量を算定した。
得られた結果を表３に示す。

これらの結果から分かるように、多孔板の孔数を単純に増加させても伝熱量は増加しない。これは流速が低下する結果、伝熱係数が減少してしまうためであると思われる。しかしながら、開孔率を２０．７％とし、孔部を小径化させ、かつ孔数を増加させると伝熱量が増加することが分かる（表の例では、伝熱量は６．９％の上昇）。

Claims

流入口から所定の流入流速で供給される複数種の原料ガスを気相反応させて流出口から反応生成ガスとして排出する反応容器と、
反応容器に付設されて反応容器の内部を加熱する加熱手段と、
反応容器の内部に配設されてガスの流路面積を絞ってガス流速を高める伝熱部材とを具備し、
反応容器が円筒体であり、伝熱部材が反応容器の内壁との間に反応容器の内壁直径の６／１０００〜５０／１０００の範囲のクリアランスをあけて配設された円板状の多孔板である気相反応装置。
反応容器が、上下方向に延び、下部側の流入口から上部側の流出口に至るガス流路を形成する筒状体からなり、
伝熱部材が、反応容器の内部に、筒状体を略水平方向に横断し上下方向に間隔をあけて配設された複数の多孔板からなる請求項１に記載の気相反応装置。
伝熱部材が、２５％以下の開孔率を有する多孔板である請求項１又は２に記載の気相反応装置。
多孔板の孔部の孔径が反応容器の内壁直径の２５／１０００以下である請求項３に記載の気相反応装置。
複数の多孔板が上下方向に間隔をあけて配設され、上下に隣接する各多孔板は、孔部が互いに偏心位置に形成されてなる請求項２から４の何れか一項に記載の気相反応装置。
伝熱部材が、表面が炭化ケイ素被覆されたカーボン製の多孔板である請求項２から５の何れか一項に記載の気相反応装置。
金属製の外筒容器と外筒容器に内張りされた断熱層とを具備し内部に不活性ガスが封入された収容容器に反応容器と加熱手段が収容されてなる請求項１から６の何れか一項に記載の気相反応装置。
複数種の原料ガスが、テトラクロロシランと水素を含み、反応生成ガスがトリクロロシランと塩化水素を含む請求項１から７の何れか一項に記載の気相反応装置。