JP7165673B2 - 流動床方式反応装置及びトリクロロシランの製造方法 - Google Patents

流動床方式反応装置及びトリクロロシランの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は流動床方式反応装置及びトリクロロシランの製造方法に関する。
従来、塩化水素と金属シリコン粉体とを反応させることによりトリクロロシランを製造する装置が知られている。例えば、特許文献１及び２に開示されている技術では、塩化水素ガスによって金属シリコン粉体が流動することにより形成される流動層を囲む側壁の一部がテーパー形状になっている。
中国実用新案第２０１８８２９１９号明細書（２０１１年６月２９日公開） 中国実用新案第２０３９２２７３９号明細書（２０１４年１１月５日公開）
しかしながら、特許文献１及び２に開示されている技術では、流動層を囲む側壁のうち、テーパー形状になっている部分が占める割合が小さく、流動層を囲む側壁の長さの５０％にも満たない。このため、反応容器内でエロージョンが生じ易いという問題、及び噴流による反応容器外への金属シリコン粉体の飛散が発生するという問題がある。また、上記流動床方式反応装置では、反応容器内において局所的に温度が上昇するという問題がある。
本発明の一態様は、エロージョンのリスクを低減するとともに、噴流による反応容器外への金属シリコン粉体の飛散を低減し、流動層内における局所的な温度上昇を防ぐことを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る流動床方式反応装置は、金属シリコン粉体と塩化水素ガスとを反応させてトリクロロシランを生成する流動床方式反応装置であって、前記金属シリコン粉体及び前記塩化水素ガスを収容する反応容器を備え、前記反応容器は、前記塩化水素ガスによって前記金属シリコン粉体が流動して形成される流動層を囲む側壁を有し、前記反応容器下部には、前記塩化水素ガスが供給されるガス供給口が設けられており、前記ガス供給口から前記流動層の上面までの高さの少なくとも８０％以上の範囲で、前記側壁は、前記反応容器の高さ方向に直交する切断面の断面積が、上方に向かって大きくなるようなテーパー形状である。
本発明の一態様によれば、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、噴流による反応容器外への金属シリコン粉体の飛散を低減し、流動層内における局所的な温度上昇を防ぐことができる。
本発明の実施形態１に係る流動床方式反応装置の構成を示す断面図である。（ａ）はフリーボード部の長さがＬ１である場合を示す図であり、（ｂ）はフリーボード部の長さがＬ４である場合を示す図である。 金属シリコン粉体の粒径と質量％濃度との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る流動床方式反応装置の構成を示す断面図である。 従来の流動床方式反応装置の構成を示す断面図である。
〔実施形態１〕
（トリクロロシランの製造方法）
図４は、従来の流動床方式反応装置１の構成を示す断面図である。トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）は、金属シリコン粉体（Ｓｉ）と塩化水素ガス（ＨＣｌ）とを反応させることで製造される。また、トリクロロシランは、流動床方式反応装置１を用いて製造される。
流動床方式反応装置１は、反応容器１０、分散板２０、及び熱媒管３０を備えている。流動床方式反応装置１では、反応容器１０の内部に金属シリコン粉体が供給され、反応容器１０の底部に形成されたガス導入口１０１から、金属シリコン粉体と反応する塩化水素ガスが、反応容器１０の内部に供給される。分散板２０は、反応容器１０のガス導入口１０１の上に設けられており、反応容器１０の内部に供給された塩化水素ガスを分散させる。
流動床方式反応装置１は、反応容器１０の内部の金属シリコン粉体を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、金属シリコン粉体と塩化水素ガスとの反応により生成したトリクロロシランを反応容器１０の排出口１０２から取り出す。また、反応容器１０の内部には、熱媒体を流通させる熱媒管３０が上下方向に沿って設けられている。熱媒管３０に熱媒体を流通させることにより、金属シリコン粉体と塩化水素ガスとの反応による反応熱を除去する。
なお、流動床方式反応装置１に至るまでの金属シリコン粉体及び塩化水素ガスの流れについては、例えば、特開２０１１－１８４２４２号公報に記載されているため、記載を省略する。また、流動床方式反応装置１からトリクロロシランが取り出された後のトリクロロシランの流れについては、例えば、特開２０１５－０８９８５９号公報に記載されているため、記載を省略する。
（流動床方式反応装置１Ａの構成）
図１は、本発明の実施形態１に係る流動床方式反応装置１Ａ・１Ｂの構成を示す断面図である。図１の（ａ）はフリーボード部５０の長さがＬ１である場合を示す図であり、図１の（ｂ）はフリーボード部５０の長さがＬ４（フリーボード部の高さ方向に沿う長さＬ）である場合を示す図である。流動床方式反応装置１Ａは、金属シリコン粉体と塩化水素ガスとを反応させてトリクロロシランを生成し（金属シリコン粉体と塩化水素ガスとを反応させる工程）、金属シリコン粉体を消費する。
トリクロロシランは、反応容器１０Ａの上部から取り出される。流動床方式反応装置１Ａは、流動床方式反応装置１と同様の方法によりトリクロロシランを生成している。流動床方式反応装置１Ａは、図１の（ａ）に示すように、反応容器１０Ａ、分散板２０、熱媒管３０、及び粒子供給管６０を備えている。なお、流動床方式反応装置１Ａにおいて、排出口１０２側を上方、ガス導入口１０１側を下方と称する。
反応容器１０Ａは、ガス導入口１０１、排出口１０２、側壁ｗ１・ｗ２、及びフリーボード部５０を有し、金属シリコン粉体及び塩化水素ガスを収容する。ガス導入口１０１は、反応容器１０Ａの外部から塩化水素ガスを反応容器１０Ａの内部に供給するためのものである。また、ガス導入口１０１は、分散板２０よりも下に位置する反応容器１０Ａの底部に形成されている。排出口１０２は、反応容器１０Ａの上部に設けられ、金属シリコン粉体と塩化水素ガスとの反応による生成物を反応容器１０Ａの外部に排出するためのものである。
また、図には示されていないが、反応の進行により不純物濃度が高くなり、密度が上昇することにより流動性が低下して反応容器の底に溜まった金属シリコン粉体（底抜き粉）を適宜排出する目的で、反応容器の底より金属シリコン粉体を外部に排出するための底抜き粉排出口を反応容器の底部に設けるのが一般的である。
（側壁ｗのテーパー形状の構成）
側壁ｗは、塩化水素ガスによって金属シリコン粉体が流動することにより形成される流動層４０を囲んでいる。側壁ｗ１は、側壁ｗのうちテーパー形状になっている部分である。具体的には、側壁ｗ１は、反応容器１０Ａの下部から反応容器１０Ａの上部に向かう高さ方向ｐ１に直交する反応容器１０Ａの切断面の断面積が、上方に向かって大きくなるようなテーパー形状である。換言すると、側壁ｗ１は、高さ方向ｐ１に直交する反応容器１０Ａの切断面の直径が、上方に向かって大きくなるようなテーパー形状である。
テーパー形状とは、その断面が直線に限定されるものではなく、高さ方向ｐ１に直交する反応容器１０Ａの切断面の断面積が、連続的に下から上に大きくなるような形状である。高さ方向ｐ１は、分散板２０の上面と直交する。側壁ｗのテーパー形状のテーパー角ａ１は、３．０°以上７．０°以下であることが好ましい。側壁ｗのテーパー形状のテーパー角ａ１とは、高さ方向ｐ１と側壁ｗのテーパー形状の部分（側壁ｗ１）との成す角度である。
側壁ｗ２は、側壁ｗのうちテーパー形状になっておらず、高さ方向ｐ１と平行になっている部分である。長さＬ２は、側壁ｗの高さ方向ｐ１に沿う長さである。長さＬ３は、側壁ｗ１の高さ方向ｐ１に沿う長さである。長さＬ３は、長さＬ２の少なくとも８０％以上の長さである。なお、側壁ｗは、上部分（フリーボード部５０側の部分）がテーパー形状になっていてもよく、下部分（分散板２０側の部分）がテーパー形状になっていてもよい。
つまり、後述するガス供給口２１から流動層４０の上面までの高さの少なくとも８０％以上の範囲で、側壁ｗは、反応容器１０Ａの高さ方向ｐ１に直交する切断面の断面積が上方に向かって大きくなるようなテーパー形状である。これにより、図１の（ａ）の流動層４０内の矢印に示すように、高さ方向ｐ１とは逆方向に流れる塩化水素ガスが、流動層４０に流入する塩化水素ガスを避けるように流れる。図１の（ａ）の流動層４０内の矢印は、流動層４０内の金属シリコン粉体及び塩化水素ガスの流れを示している。
よって、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、噴流による反応容器１０Ａ外への金属シリコン粉体の飛散を低減し、流動層４０内における局所的な温度上昇を防ぐことができる。また、流動層４０内で偏流が生じることを防止でき、これにより、流動層４０内の温度分布を均一な状態として、流動層４０内における金属シリコン粉体と塩化水素ガスとの安定的な反応状態を維持することができる。
さらに、流動層４０内においてスラッキングを抑制することができる。また、反応容器１０Ａの内部に、上下方向に沿って熱媒管３０を設ける場合、側壁ｗをテーパー形状にすることにより、熱媒管３０の摩耗を低減することができる。
また、側壁ｗは、流動層４０と後述する分散板２０との境界位置からテーパー形状になっていることが好ましい。これにより、流動層４０と分散板２０との境界位置から、流動層４０の流れを穏やかにすることができるので、流動層４０の分散板２０付近の流れも穏やかにすることができる。よって、特にエロージョンが発生し易い流動層４０の分散板２０付近においても、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、局所的な温度上昇を防ぐことができる。
さらに、側壁ｗのテーパー形状のテーパー角ａ１が３．０°以上であることにより、高さ方向ｐ１とは逆方向に流れる塩化水素ガスが、流動層４０に流入する塩化水素ガスを避けるように流れる。これにより、流動層４０内の流動が穏やかになり、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、流動層４０内における局所的な温度上昇を防ぐことができる。また、側壁ｗのテーパー形状のテーパー角ａ１が７．０°以下であることにより、高さ方向ｐ１に流れる塩化水素ガスが、高さ方向ｐ１に直交する方向に広がりすぎることを防ぐことができる。さらに、反応容器１０Ａの上部でも流動層４０内の線速度を適正に保つことができるため、流動層４０内の流動を円滑にすることができる。
分散板２０は、反応容器１０Ａの下部に設けられ、ガス供給口２１を有する。分散板２０は、ガス供給口２１から塩化水素ガスを分散させる。ガス供給口２１は、例えば、塩化水素ガスを分散させる複数のノズルであってもよい。塩化水素ガスは、ガス導入口１０１、ガス供給口２１の順に通過し、反応容器１０Ａの内部に供給される。
また、粒子供給管６０は、反応容器１０Ａの内部に金属シリコン粉体を供給するためのものである。つまり、反応容器１０Ａの外部から粒子供給管６０を介して反応容器１０Ａの内部に金属シリコン粉体が供給される。反応容器１０Ａの内部に金属シリコン粉体及び塩化水素ガスが供給され、塩化水素ガスによって金属シリコン粉体が流動することにより、流動層４０が形成される。流動床方式反応装置１Ａでは、反応容器１０Ａの内部に間欠的に金属シリコン粉体が供給される。これにより、流動床方式反応装置１Ａは、ガス供給口２１から流動層４０の上面までの高さが一定に保たれるように運転される。
反応容器１０Ａの内部には、熱媒体を流通させる熱媒管３０が上下方向に沿って設けられている。熱媒管３０に熱媒体を流通させることにより、金属シリコン粉体と塩化水素ガスとの反応による反応熱を除去する。
（フリーボード部５０の構成）
フリーボード部５０は、側壁ｗ（側壁ｗ２）から高さ方向ｐ１に沿って延在する外壁５１により形成され、流動層４０から上昇する生成物を排出口１０２まで導く。この生成物とは、金属シリコン粉体と塩化水素ガスとの反応による生成物である。長さＬ１は、フリーボード部５０の高さ方向ｐ１に沿う長さである。また、直径Ｄ１（フリーボード部の高さ方向に直交する切断面の直径Ｄ）は、フリーボード部５０の高さ方向ｐ１に直交する切断面の直径である。
（流動床方式反応装置１Ａの材料）
流動床方式反応装置１Ａの各部材の材料には、公知の材料が特に制限なく採用され、一般的にはステンレス鋼が使用される。流動床方式反応装置１Ａの各部材のうち、特に反応容器１０Ａは、熱の影響により反応容器１０Ａの溶接部において応力腐食割れが発生し易い環境にある。このため、反応容器１０Ａの溶接部には、粒界に析出したクロム炭化物をマトリックス中に再固溶させるための固溶化熱処理及び／または溶融処理を施すことが好ましい。
また、応力腐食割れを防止するため、反応容器１０Ａの残留応力を改善する方法として、金属球を高速度で反応容器１０Ａの内部の壁面に衝突させるショットピーニング処理を行うことも好ましい。固溶化熱処理、溶融処理、及びショットピーニング処理は、それぞれ単独で行われてもよく、２つ以上が組み合わされて行われてもよい。上記処理を組み合わせて行う場合は、固溶化熱処理及び／または溶融処理を行った後、ショットピーニング処理を行うことが好ましい。
また、分散板２０、熱媒管３０、フリーボード部５０、及び粒子供給管６０などに対しても、応力腐食割れを防止するために、上記固溶体化処理、溶融処理、及び／またはショットピーニング処理を施すことが好ましい。
また、応力腐食割れを防止するため、タングステンカーバイトなどからなる合金粉末を溶融後に、流動床方式反応装置１Ａの各部材に吹き付けることによって皮膜を形成させる溶射処理を行うことも好ましい。
さらに、熱媒管３０は、耐食性材料、例えば、インコネルまたはハステロイなどにより構成されることが好ましい。
（変形例１）
流動床方式反応装置１Ｂは、図１の（ｂ）に示すように、流動床方式反応装置１Ａと比べて、フリーボード部５０がフリーボード部５０Ａに変更されている点が異なる。長さＬ４は、フリーボード部５０Ａの高さ方向ｐ１に沿う長さである。長さＬ４は、長さＬ１より大きい。
図２は、金属シリコン粉体の粒径と質量％濃度との関係を示すグラフである。図２において、Ａ１の線は、流動床方式反応装置１Ａを用いて金属シリコン粉体と塩化水素ガスとを反応させた場合の結果を示しており、Ａ２の線は、流動床方式反応装置１Ｂを用いて金属シリコン粉体と塩化水素ガスとを反応させた場合の結果を示している。また、ここでは、例えば、長さＬ１＝１６００ｍｍ、長さＬ４＝３９００ｍｍであるものとする。
図２及び以下の表１に示すように、流動床方式反応装置１Ａを用いた場合（フリーボード部５０の長さＬ１＝１６００ｍｍの場合）、飛散粉の平均粒子径（μｍ）は１８．２（μｍ）であった。この場合、飛散粉について、全体の粒子に対する、粒径が３２μｍ以上の粒子の質量％濃度（ｗｔ％）は２１．２（ｗｔ％）であった。なお、飛散粉とは、排出口１０２から反応容器の外部に排出される金属シリコン粉体である。
Figure 0007165673000001
 また、流動床方式反応装置１Ａを用いた場合、底抜き粉の量が１週間に１６０ｋｇになった。具体的には、１週間に１回、反応容器１０Ａの底（分散板２０の上面）に溜まった金属シリコン粉体を、反応容器１０Ａの底から反応容器１０Ａの外部に排出する必要がある。１回につき１６０ｋｇの金属シリコン粉体が、反応容器１０Ａの底から反応容器１０Ａの外部に排出される。底抜き粉の平均粒子径（μｍ）は１５０（μｍ）であった。
一方、流動床方式反応装置１Ｂを用いた場合（フリーボード部５０の長さＬ４＝３９００ｍｍの場合）、飛散粉の平均粒子径は１１．８（μｍ）であった。また、この場合、飛散粉について、全体の粒子に対する、粒径が３２μｍ以上の粒子の質量％濃度は３．０（ｗｔ％）であった。
また、流動床方式反応装置１Ｂを用いた場合、底抜き粉の量が１週間に３２０ｋｇになった。具体的には、１週間に２回、反応容器１０Ｂの底（分散板２０の上面）に溜まった金属シリコン粉体を、反応容器１０Ｂの底から反応容器１０Ｂの外部に排出する必要がある。１回につき１６０ｋｇの金属シリコン粉体が、反応容器１０Ｂの底から反応容器１０Ｂの外部に排出される。底抜き粉の平均粒子径（μｍ）は１５３（μｍ）であった。
よって、流動床方式反応装置１Ａを用いたときよりも、流動床方式反応装置１Ｂを用いたときの方が、全体の粒子に対する、粒径が３２μｍ以上の粒子の質量％濃度が小さくなっている。また、流動床方式反応装置１Ａを用いたときよりも、流動床方式反応装置１Ｂを用いたときの方が、飛散粉の平均粒子径も小さくなっている。
表１に示すように、流動床方式反応装置１Ａを用いたときよりも、流動床方式反応装置１Ｂを用いたときの方が、底抜き粉の量が多くなっている。しかしながら、流動床方式反応装置１Ａを用いたときよりも、流動床方式反応装置１Ｂを用いたときの方が、金属シリコン粉体の損失量を７７％程度も削減することができた。なお、金属シリコン粉体の損失量とは、反応容器の外部から反応容器の内部に供給された金属シリコン粉体の総量から、塩化水素ガスと反応した金属シリコン粉体の総量を差し引いた量である。換言すると、金属シリコン粉体の損失量とは、塩化水素ガスと反応せずに反応容器内に残った金属シリコン粉体の量と、塩化水素ガスと反応せずに排出口１０２から反応容器の外部に排出された金属シリコン粉体の量と、を合わせた合算値である。
すなわち、底抜き粉の量について、流動床方式反応装置１Ａより流動床方式反応装置１Ｂの方が多くなっている点のみを考慮すると、流動床方式反応装置１Ａより流動床方式反応装置１Ｂの方がトリクロロシランの製造効率が低下したようにも考えられるかもしれない。しかしながら、排出口から排出されるガスに同伴する金属シリコン粉体の量を削減することができるため、トリクロロシランの製造工程をトータル的に捉えると、上述の通り、金属シリコン粉体の損失量を７７％程度も削減することができている。よって、流動床方式反応装置１Ａより流動床方式反応装置１Ｂの方がトリクロロシランの製造効率が高くなる。
このように、金属シリコン粉体の損失量を７７％程度削減することができた理由は、フリーボード部の高さ方向ｐ１に沿う長さの、フリーボード部の高さ方向ｐ１に直交する切断面の直径に対する比率を大きくすることにより、反応容器の上部にまで飛散する金属シリコン粉体の量が減少するからである。
つまり、フリーボード部の高さ方向ｐ１に沿う長さの、フリーボード部の高さ方向ｐ１に直交する切断面の直径に対する比率を大きくすることにより、飛散粉の質量％濃度が小さくなっている。また、飛散粉の平均粒子径が小さくなり、反応容器の上部にまで飛散する金属シリコン粉体の量が減少する。これにより、金属シリコン粉体の損失量を削減することができる。また、フリーボード部の高さ方向ｐ１に沿う長さの、フリーボード部の高さ方向ｐ１に直交する切断面の直径に対する比率を大きくすることにより、流動床方式反応装置１Ｂの除熱効率を向上させることができる。
なお、長さＬ４の直径Ｄ１に対する比率Ｌ４／Ｄ１は、１．５以上であることが好ましい。これにより、反応容器１０Ｂにサイクロンを設けることなく、金属シリコン粉体を消費することができる。また、飛散している金属シリコン粉体の平均粒子径を小さくすることができ、金属シリコン粉体の損失量を削減することができる。さらに、流動床方式反応装置１Ｂの除熱効率を向上させることができる。
長さＬ４の直径Ｄ１に対する比率Ｌ４／Ｄ１は、１．５以上であることにより、反応容器１０Ｂの上部にまで飛散する金属シリコン粉体の量を低減することができる。長さＬ４の直径Ｄ１に対する比率Ｌ４／Ｄ１を決定することにより、反応容器１０Ｂの上部から反応容器１０Ｂの外部に排出させる金属シリコン粉体のおおよその粒径を決定することができる。
〔実施形態２〕
図３は、本発明の実施形態２に係る流動床方式反応装置１Ｃの構成を示す断面図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
流動床方式反応装置１Ｃは、図３に示すように、流動床方式反応装置１Ａと比べて、反応容器１０Ａが反応容器１０Ｃに変更されている点が異なる。反応容器１０Ｃの側壁ｗ３は、流動層４０を囲んでいる。また、側壁ｗ３は、ガス供給口２１から流動層４０の上面までの高さの全体に亘ってテーパー形状になっている。これにより、流動層４０全体の流れを穏やかにすることができるので、流動層４０全体において、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、局所的な温度上昇を防ぐことができる。
なお、流動床方式反応装置の反応容器の側壁の断面は、図１に示すような直線が一般的であるが、これに限定されず、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において、曲線であってもよいし、直線と曲線との組み合わせであってもよい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
（まとめ）
本発明の一態様に係る流動床方式反応装置は、金属シリコン粉体と塩化水素ガスとを反応させてトリクロロシランを生成する流動床方式反応装置であって、前記金属シリコン粉体及び前記塩化水素ガスを収容する反応容器を備え、前記反応容器は、前記塩化水素ガスによって前記金属シリコン粉体が流動して形成される流動層を囲む側壁を有し、前記反応容器下部には、前記塩化水素ガスが供給されるガス供給口が設けられており、前記ガス供給口から前記流動層の上面までの高さの少なくとも８０％以上の範囲で、前記側壁は、前記反応容器の高さ方向に直交する切断面の断面積が、上方に向かって大きくなるようなテーパー形状である。
上記構成によれば、ガス供給口から流動層の上面までの高さの少なくとも８０％以上の範囲で、側壁は、反応容器の高さ方向に直交する切断面の断面積が、上方に向かって大きくなるようなテーパー形状である。これにより、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、噴流による反応容器外への金属シリコン粉体の飛散を低減し、流動層内における局所的な温度上昇を防ぐことができる。
本発明の一態様に係る流動床方式反応装置では、前記ガス供給口を有し、前記ガス供給口から前記塩化水素ガスを分散させる分散板をさらに備え、前記分散板は、前記反応容器下部に設けられ、前記側壁は、前記流動層と前記分散板との境界位置から前記テーパー形状になっていることが好ましい。
上記構成によれば、側壁は、流動層と分散板との境界位置からテーパー形状になっている。これにより、流動層と分散板との境界位置から、流動層の流れを穏やかにすることができるので、流動層の分散板付近の流れも穏やかにすることができる。よって、特にエロージョンが発生し易い流動層の分散板付近においても、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、局所的な温度上昇を防ぐことができる。
本発明の一態様に係る流動床方式反応装置では、前記側壁は、前記ガス供給口から前記流動層の上面までの高さの全体に亘って前記テーパー形状になっていることが好ましい。
上記構成によれば、側壁は、ガス供給口から流動層の上面までの高さの全体に亘ってテーパー形状になっている。これにより、流動層全体の流れを穏やかにすることができるので、流動層全体において、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、局所的な温度上昇を防ぐことができる。
本発明の一態様に係る流動床方式反応装置では、前記テーパー形状のテーパー角は、前記高さ方向と前記側壁の前記テーパー形状の部分との成す角度であり、３．０°以上７．０°以下であることが好ましい。
上記構成によれば、テーパー形状のテーパー角は、３．０°以上７．０°以下である。テーパー形状のテーパー角が３．０°以上であることにより、高さ方向とは逆方向に流れる塩化水素ガスが、流動層に流入する塩化水素ガスを避けるように流れる。これにより、流動層内の流動が穏やかになり、エロージョンのリスクを低減することができるとともに、流動層内における局所的な温度上昇を防ぐことができる。
また、テーパー形状のテーパー角が７．０°以下であることにより、高さ方向とは逆方向に流れる塩化水素ガスが、高さ方向に直交する方向に広がりすぎることを防ぎ、流動層内の流動を円滑にすることができる。
本発明の一態様に係る流動床方式反応装置では、前記反応容器は、前記側壁から前記高さ方向に沿って延在する外壁により形成されるフリーボード部をさらに有し、前記反応容器上部には、前記金属シリコン粉体と前記塩化水素ガスとの反応による生成物を排出する排出口が設けられており、前記フリーボード部は、前記流動層から上昇する前記生成物を前記排出口まで導き、前記フリーボード部の前記高さ方向に沿う長さＬの、前記フリーボード部の前記高さ方向に直交する切断面の直径Ｄに対する比率Ｌ／Ｄが１．５以上であることが好ましい。
上記構成によれば、フリーボード部の高さ方向に沿う長さＬの、フリーボード部の高さ方向に直交する切断面の直径Ｄに対する比率Ｌ／Ｄが１．５以上である。これにより、反応容器にサイクロンを設けることなく、反応容器から排出されるガスに同伴する金属シリコン粉体の量を低減することができる。
本発明の一態様に係るトリクロロシランの製造方法では、前記流動床方式反応装置を用いて、前記金属シリコン粉体と前記塩化水素ガスとを反応させる工程を含むことが好ましい。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 流動床方式反応装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 反応容器
２０ 分散板
２１ ガス供給口
３０ 熱媒管
４０ 流動層
５０、５０Ａ フリーボード部
６０ 粒子供給管
１０１ ガス導入口
１０２ 出口
Ｄ１ 直径
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 長さ
ｐ１ 高さ方向
ｗ、ｗ１、ｗ２、ｗ３ 側壁

Claims (6)

  1. 金属シリコン粉体と塩化水素ガスとを反応させてトリクロロシランを生成する流動床方式反応装置であって、
    前記金属シリコン粉体及び前記塩化水素ガスを収容する反応容器を備え、
    前記反応容器は、前記塩化水素ガスによって前記金属シリコン粉体が流動して形成される流動層を囲む側壁を有し、
    前記反応容器下部には、前記塩化水素ガスが供給されるガス供給口が設けられており、
    前記ガス供給口から前記流動層の上面までの高さの少なくとも８０％以上の範囲で、前記側壁は、前記反応容器の高さ方向に直交する切断面の断面積が、上方に向かって大きくなるようなテーパー形状であり、
    前記テーパー形状のテーパー角は、前記高さ方向と前記側壁の前記テーパー形状の部分との成す角度であり、３．０°以上７．０°以下であることを特徴とする流動床方式反応装置。
  2. 前記反応容器は、前記側壁から前記高さ方向に沿って延在する外壁により形成されるフリーボード部をさらに有し、
    前記反応容器上部には、前記金属シリコン粉体と前記塩化水素ガスとの反応による生成物を排出する排出口が設けられており、
    前記フリーボード部は、前記流動層から上昇する前記生成物を前記排出口まで導き、
    前記フリーボード部の前記高さ方向に沿う長さＬの、前記フリーボード部の前記高さ方向に直交する切断面の直径Ｄに対する比率Ｌ／Ｄが１．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の流動床方式反応装置。
  3. 金属シリコン粉体と塩化水素ガスとを反応させてトリクロロシランを生成する流動床方式反応装置であって、
    前記金属シリコン粉体及び前記塩化水素ガスを収容する反応容器を備え、
    前記反応容器は、前記塩化水素ガスによって前記金属シリコン粉体が流動して形成される流動層を囲む側壁を有し、
    前記反応容器下部には、前記塩化水素ガスが供給されるガス供給口が設けられており、
    前記ガス供給口から前記流動層の上面までの高さの少なくとも８０％以上の範囲で、前記側壁は、前記反応容器の高さ方向に直交する切断面の断面積が、上方に向かって大きくなるようなテーパー形状であり、
    前記反応容器は、前記側壁から前記高さ方向に沿って延在する外壁により形成されるフリーボード部をさらに有し、
    前記反応容器上部には、前記金属シリコン粉体と前記塩化水素ガスとの反応による生成物を排出する排出口が設けられており、
    前記フリーボード部は、前記流動層から上昇する前記生成物を前記排出口まで導き、
    前記フリーボード部の前記高さ方向に沿う長さＬの、前記フリーボード部の前記高さ方向に直交する切断面の直径Ｄに対する比率Ｌ／Ｄが１．５以上であることを特徴とする流動床方式反応装置。
  4. 前記ガス供給口を有し、前記ガス供給口から前記塩化水素ガスを分散させる分散板をさらに備え、
    前記分散板は、前記反応容器下部に設けられ、
    前記側壁は、前記流動層と前記分散板との境界位置から前記テーパー形状になっていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の流動床方式反応装置。
  5. 前記側壁は、前記ガス供給口から前記流動層の上面までの高さの全体に亘って前記テーパー形状になっていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の流動床方式反応装置。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の流動床方式反応装置を用いて、前記金属シリコン粉体と前記塩化水素ガスとを反応させる工程を含むことを特徴とするトリクロロシランの製造方法。
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