TWI620906B - 加熱器及其相關方法 - Google Patents

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Abstract

本發明大體而言係關於加熱器及使用該等加熱器之方法。在某些實施例中，一加熱器包含：具有一圓柱形加熱腔之一壓力殼體；安置在該圓柱形加熱腔內之一環形隔熱屏；及安置在該環形隔熱屏之一內部體積內之至少一個加熱元件。在另一實施例中，一種製備三氯矽烷之方法包含：將包括四氯化矽之一反應物流引入至一加熱器中；使電流通過一加熱元件以加熱該反應物流；及將該經加熱反應物流引入至一反應器中。

Description

加熱器及其相關方法
本發明係關於加熱器、系統及加熱方法，且特定而言，係關於氫氯化或氫化加熱器及在用於產生三氯矽烷之系統及製程中加熱流之方法。
本專利申請案主張皆於2010年9月27日提出申請之美國臨時專利申請案第61/386,853號及美國臨時專利申請案第61/386,858號之權益，該等申請案之揭示內容藉此以其全文引用方式併入本文中。
三氯矽烷可藉由根據以下反應方案使四氯化矽氫化來產生：
Si+2H2+3SiCl4→4HSiCl3　(1)
反應方案(1)通常係在約250磅/平方英吋表壓與500磅/平方英吋表壓之間的高壓力下且在自約500℃至約550℃之一範圍中之一反應溫度下執行。
三氯矽烷亦可藉由根據以下反應方案使矽氫氯化來產生：
3HCl+Si→HSiCl3+H2　(2)
反應方案(2)通常係在約50磅/平方英吋表壓之較低壓力下且在自約300℃至約350℃之一範圍中之一反應溫度下執行。
本發明可涉及加熱一或多個反應物流以產生(例如)三氯矽烷之加熱器、系統及方法。
本發明之一或多個態樣可係針對一加熱器，其包括具有一圓柱形加熱腔之一壓力殼體、安置在該圓柱形加熱腔內之一環形隔熱屏及安置在該環形隔熱屏之一內部體積內之至少一個加熱元件。在與本發明之一或多個態樣相關之某些組態中，該至少一個加熱元件可包括一環形加熱結構。該加熱器可進一步包括安置在該環形加熱結構之一內部區域內之一圓柱形間隔件。該環形加熱結構可經組態以具有一蜿蜒結構。在與本發明之一或多個其他態樣相關之又其他組態中，該至少一個加熱元件包括碳/碳複合物。在其他態樣中，該至少一個加熱元件可經組態以具有一棒形結構。本發明之一或多個其他態樣可涉及其中該至少一個加熱元件包括石墨之組態。因此，本發明之一或多個態樣可涉及其中該至少一個加熱元件包括碳/碳複合物、石墨及鎳鉻合金中之一者之組態。該至少一個加熱元件可進一步包括一碳化矽塗層。本發明之一或多個又其他態樣可涉及以下組態：該環形隔熱屏經安置而自該加熱腔之一內部表面偏移，藉此至少部分地界定毗鄰該內部表面之一環形冷卻區。該加熱器可進一步包括將該圓柱形加熱腔流體連接至一反應物源之一進口及將該圓柱形加熱腔流體連接至一反應器之一出口。在某些情況下，該反應器係一流化床反應器。根據本發明之某些組態，該反應物源包括四氯化矽及氫中之至少一者。
本發明之一或多個態樣可係針對一種製備三氯矽烷之方法。該方法可包括：將包括四氯化矽之一反應物流引入至一加熱器中，該加熱器具有封圍一加熱室之一壓力殼體、安置在該加熱室內之一隔熱屏及安置在該隔熱屏之一內部體積內之一加熱元件；使電流通過該加熱元件以將該反應物流加熱至一目標反應物流溫度；及將該經加熱反應物流引入至具有將該四氯化矽之至少一部分轉換成三氯矽烷之反應條件之一反應器中。該目標反應物流溫度通常係在自約500℃至約625℃之一範圍中。該方法可進一步包括將矽引入至該反應器中。在與本發明之一或多個態樣相關之某些例項中，該加熱元件之一表面由該反應物流潤濕。將該反應物流引入至該加熱器中可涉及以下步驟中之一或多者：引導該反應物流之一第一部分穿過一環形加熱區，該環形加熱區至少部分地由該隔熱屏之一中央體積界定，及引導該反應物流之一第二部分穿過一環形冷卻區，該環形冷卻區至少部分地界定於該隔熱屏之一表面與該加熱室之一表面之間。根據本發明之一或多個態樣，該方法可進一步包括監視該經加熱反應物流之一溫度；及調整通過該加熱元件之該電流之一電壓及一電流中之至少一者。
本發明之一或多個態樣可係針對一種促成三氯矽烷產生之方法。該方法可包括：將一加熱器之一反應物進口連接至一四氯化矽源及一氫源中之至少一者，該加熱器具有封圍一加熱室之一壓力殼體、安置在該加熱室內之一隔熱屏及安置在該隔熱屏之一內部體積內之至少一個加熱元件；及將該加熱器之一反應物出口連接至一氫氯化或氫化反應器之一進口。該方法可進一步包括將該至少一個加熱元件連接至至少一個電源。根據本發明之某些組態，該方法可進一步執行以下步驟中之一或多者：將四氯化矽及氫中之至少一者引入至該加熱器中及建立穿過該至少一個加熱元件之一電路。
附圖未按比例繪製。在該等圖式中，圖解說明於各種圖中之每一相同或幾乎相同之組件皆由一相同編號表示。為清晰起見，並非所有組件皆可標示於所有圖式中。
本發明之一或多個態樣可係關於加熱系統或加熱裝置或加熱器及使用方法以及促成用於化學過程之加熱操作之方法。本發明之其他態樣可係關於具有由欲加熱之製程流體潤濕之至少一個加熱元件之加熱器。本發明之又其他態樣可係關於具有經加壓加熱室之加熱器，包含具有由欲加熱之製程流體潤濕之若干表面之組態。本發明之其他態樣可係關於具有抗腐蝕潤濕表面之加熱器。本發明之又其他態樣可係關於具有封圍於加熱器之一壓力包殼內之加熱元件或組件之加熱器。根據本發明之一或多個特定態樣，加熱器可包括具有封圍欲由一或多個加熱區或區域且較佳地一或多個阻隔、緩衝或冷卻區或區域加熱之製程流體或反應物流之一壓力膜或殼體之一容器。
本發明之一或多個實施例可係針對一容器，例如具有可充當一壓力膜或壓力容器之一殼體之一加熱器。在該殼體中可界定一或多個加熱腔。該加熱器通常進一步包括至少一個加熱元件，其通常安置在該等加熱腔中之一或多者中。根據本發明之其他態樣之加熱器之進一步值得注意之組態可涉及利用一或多個隔熱屏。根據本發明之一或多個態樣之又其他組態可涉及具有安置於一或多個加熱腔內之加熱元件之一內部區域內之一或多個圓柱形間隔件結構之加熱器。該加熱器通常流體連接或可連接至一或多個反應器且連接至一或多個反應物源。
如圖1及圖2中所呈現之非限制性組態中所圖解說明，加熱器100可包括一殼體110，殼體100封圍由殼體100界定之一加熱腔115。如所圖解說明及所述，加熱腔115具有一圓形組態；然而，在本發明之一或多個實施例之變化型式中可利用其他幾何結構組態。加熱器100可進一步包括安置於腔115內之至少一個隔熱屏120。如較佳組態中所圖解說明，隔熱屏120具有環形、圓柱體組態且基本上同心地安置在腔115內。隔熱屏120因此包括或至少部分地界定一內部體積125。
加熱器100通常進一步包括一或多個加熱元件130，其安置在屏120之內部體積135內。此外如所圖解說明，加熱元件被組態為具有一內部區域135之一環形結構。
加熱器100可進一步包括安置在環形加熱元件130之內部區域135內之一或多個間隔件140。此外，加熱器100包括一或多個進口150及一或多個出口160。加熱器100通常進一步包括一或多個電連接器埠170。根據一特定使用，加熱器100之一或多個進口150可流體連接或可連接至一或多個上游單元操作，例如一或多個反應物源(未展示)且一或多個出口160可流體連接或可連接至一或多個下游單元操作(亦未展示)。下游單元操作之非限制性實例包含蒸餾塔、熱交換器及例如流化床反應器之反應器。
加熱器100之組件之其他組態可涉及利用安置於腔115內之一或多個棒形經成形加熱元件。舉例而言，複數個平行棒(未展示)可縱向地安置在腔115內。
圖3及圖4以例示方式圖解說明根據本發明之一或多個態樣可利用之加熱元件130之一實施例。如所圖解說明，加熱元件130可經組態為一環形之蜿蜒或波紋形結構，該結構具有透過位於其各別端處之第二段138連接之複數個第一段136。第一段136中之每一者及第二段138中之每一者構成一線性組件，其中線性段136中之每一者之每一端連接至一線性段138之一端。亦如所繪示實施例中所圖解說明，線性段136中之每一者彼此平行且線性段138中之每一者彼此平行。預期加熱元件130之該等段中之任一者之其他組態。舉例而言，加熱元件130可包括界定一圓環形結構之曲線段。可利用之其他有利特徵包含一或多個加固或加強支柱139，其每一者可沿環形加熱元件130縱向安置且藉由一或多個銷緊固至該環形加熱元件130以防止或至少抑制環形加熱元件130之延伸、壓縮、扭曲或彎折。一或多個其他加固或加強支柱可沿環形加熱元件130之一內圍或外圍徑向安置，且藉由一或多個銷緊固以提供具有扭轉剛性之環形加熱元件。
該加熱器通常包括複數個卡盤，其提供至少一個加熱元件與一或多個電源供應器之間的電連接性。舉例而言，如圖5中所示，卡盤180可藉助一或多個螺栓連接至加熱元件130之一端子部分，且亦連接至安置於電連接器埠170內之一導體185且連接至一或多個電源供應器，電源供應器經組態以提供穿過加熱元件130之電流。卡盤180因此藉助該連接器提供電源供應器與加熱元件之間的介接。在本發明之某些實施例中，一或多個電源供應器可經組態以提供具有可控制以達成一特定目標值之電位或電壓或電流或其兩者之一電流。舉例而言，通過加熱元件之電能之電位或電流或其兩者可經調節以達成由該加熱元件產生之一目標熱能。在其他情況下，電源可經調節以達成由該加熱器加熱之一流體之一目標溫度。可根據習用技術來實現對電能之調節。
在針對(舉例而言)三氯矽烷生產之一實例性使用中，加熱器100可流體連接至一或多個反應物源。此一組態之變化型式可涉及利用一或多個平行加熱器，其每一者可在其各別進口處流體連接至四氯化矽、氫或其混合物之一或多個源。可透過進口150將一或多個反應物作為一進口流引入至加熱器中。在加熱器100內，進口流可在加熱室115內具有複數個流動路徑。根據本發明之一或多個態樣，進口流可包括經引導以在一第一區域內流動之一第一或欲加熱之流，該第一區包含加熱元件130之加熱表面之至少一部分或通常全部。如圖2中以例示方式所圖解說明，該第一或加熱區域可為一環形體積H，該環形體積H至少部分地由隔熱屏120及(在利用時)間隔件140界定且通常在該隔熱屏120及間隔件140內。因此，在某些情況下，加熱區域可為係內部體積125之一部分之環形體積H。進口流可進一步包括一或多個第二或阻隔流，此類第二或阻隔流中之任一者或多者通常經引導以在一阻隔區域中流動，所述阻隔區域係至少部分地界定於殼體110之一內部表面與屏120之間的一環形體積C。根據本發明之一或多個有利態樣，第一流或欲由加熱元件130加熱之流可潤濕或接觸加熱元件130之表面。在其中給腔115內之流體加壓之實施例中，加熱元件130之經潤濕表面曝露於一經加壓第一流。根據本發明之又其他實施例，第一流及第二流可接著組合在一起以形成欲透過出口160遞送至下游單元操作之一出口或經加熱流。在本發明之一或多個實施例中，通常將經加熱第一流加熱至一初級目標溫度，該初級目標溫度具有充分內能以在與第二流混合之後提供具有一目標經加熱流溫度之一出口流。據信，初級目標溫度大於目標流溫度，乃因預期第二流具有一較低溫度。在針對促成三氯矽烷之實施例中，舉例而言，第一流經加熱以達成一初級目標流溫度以使得一出口流具有在自約500℃至約625℃之一範圍中之一目標反應物流溫度，但也可在自約500℃至約600℃之一範圍中、自約525℃至約575℃之一範圍中、自約500℃至約550℃之一範圍中，此取決於若干因素，舉例而言，其包含：反應物流之組合物、反應物流之反應物組分之相對量及(若存在)欲與來自加熱器100之流混合之其他反應物流之溫度。
在本發明之某些特定有利特徵當中的係加熱器具有裝入壓力殼體110內之內部組件，此允許在經加壓流體流未自壓力包殼逃逸之情形下此等組件中之任一者失效。在本發明之其他有利態樣中，與先前技術浸漬型加熱器相對比，本發明之加熱器可利用由欲加熱之流體潤濕的電流從中通過之加熱元件。在本發明之又其他有利態樣中，加熱器可利用自一已通電加熱元件之一經潤濕表面至欲加熱之流體之對流熱傳遞。在本發明之又其他態樣中，熱能主要以對流方式自一加熱元件之一表面傳遞至欲加熱之流體。在本發明之又其他態樣中，熱並非以傳導方式自已通電加熱元件之表面傳遞。
可用來促成一目標反應物溫度之控制器系統可涉及利用採用反饋或前饋或其兩者之演算法中之任一者之一或多個控制器。舉例而言，控制系統可具有一微處理器，該微處理器自一或多個感測器接收一或多個輸入信號且產生調整一操作參數(例如，穿過加熱元件之電能之電位或電流或此兩者)之一或多個輸出信號。舉例而言，該一或多個感測器可係溫度感測器及流量感測器，其任一者可安置在進口150之上游或出口160之下游。
加熱器之各種組件之構造材料可為金屬性的，例如在加熱器之操作條件下可抵抗流體之腐蝕之鋼。舉例而言，壓力殼體110、屏120及間隔件140可由不銹鋼、高鎳鋼(例如，INCOLOY及INCONEL鋼中之任一者之等級中之任一者)組成。
現已闡述本發明之某些說明性組態及實施例之後，熟悉此項技術者應明瞭，前述組態及實施例僅係說明性且並不具限制性，而是僅以舉例方式呈現而已。諸多修改及其他實施例在熟悉此項技術者之範疇內且將其預期為歸屬於本發明之範疇內。特定而言，儘管本文中所呈現之實例中之眾多實例涉及方法動作或系統元件之特定組合，但應瞭解彼等動作及彼等元件可以其他方式組合以達成相同目標。
熟悉此項技術者應瞭解本文中所述之參數及組態係實例性且實際參數及/或組態將取決於其中使用本發明之系統及技術之特定應用。熟悉此項技術者亦應僅使用常規實驗即可識別或能夠確定本發明特定實施例之等效物。因此，應理解本文中所述實施例僅係以舉例方式呈現且在歸屬於隨附申請專利範圍及其等效物之範疇內之條件下，可以與所特定闡述之方式不同之方式實踐本發明。
此外，亦應瞭解本發明係針對本文中所述之每一特徵、系統、子系統或技術，且認為兩個或兩個以上本文中所述之特徵、系統、子系統或技術之任一組合及兩個或兩個以上特徵、系統、子系統及/或方法(若此等特徵、系統、子系統及技術不相互矛盾)之任一組合在如申請專利範圍中所體現之本發明之範疇內。此外，僅結合一個實施例論述之動作、元件及特徵並不意欲排除在其他實施例中之一類似角色之外。
如本文中所使用，術語「複數」係指兩個或兩個以上物項或組件。術語「包括(comprising)」、「包含(including)」、「攜帶(carrying)」、「具有(having)」、「含有(containing)」及「涉及(involving)」不論是在書面說明還是申請專利範圍等中皆係開放式術語，亦即，意指「包含，但並不限於」。因此，此等術語之使用意指囊括後文列出之物項及其等效物以及額外物項。關於申請專利範圍，僅過渡片語「由...組成」及「基本上由...組成」分別係封閉式或半封閉式過渡片語。在申請專利範圍中使用序數術語(例如，「第一」、「第二」、「第三」等)來修飾一主張元件自身並非隱含著任一優先級、優先權或一個主張元件對另一主張元件之次序或執行一方法之動作之時間次序，而僅用作區分具有某一名稱之一個主張元件與具有一相同名稱(要不是使用序數術語)之另一元件以區分該等主張元件之標誌。
100．．．加熱器
110．．．殼體
115．．．加熱腔
120．．．隔熱屏
125．．．內部體積
130．．．加熱元件
135．．．內部體積
136．．．第一段
138．．．第二段
139．．．加固或加強支柱
140．．．間隔件
150．．．進口
160．．．出口
170．．．電連接器埠
180．．．卡盤
185．．．導體
C．．．環形體積
H．．．環形體積
圖1係展示其中可實踐本發明之一或多個方法的本發明之一加熱器之一側視圖之一示意性圖解說明；
圖2係展示沿本發明之一或多個實施例可實踐於其上的圖1之加熱器之線2-2之一剖視圖之一示意性圖解說明；
圖3係展示根據本發明之一個或多個態樣可利用的具有一蜿蜒結構之一加熱元件之一透視圖之一示意性圖解說明；
圖4係根據本發明之一或多個實施例可利用的由碳/碳複合物組成之一蜿蜒加熱元件之一照片之一複本；及
圖5係展示根據本發明之一或多個實施例之透過一電連接器埠之一加熱器之一剖視圖之一示意性圖解說明。

Claims (21)

  1. 一種加熱器，其包括：一壓力殼體，其具有一圓柱形加熱腔；一環形隔熱屏，其安置在該圓柱形加熱腔內；及至少一個加熱元件，其安置在該環形隔熱屏之一內部體積內，且經構形以與一反應物流相接觸以利用自該至少一個加熱元件至該反應物流之對流熱傳遞。
  2. 如請求項1之加熱器，其進一步包括：一進口，其將該圓柱形加熱腔流體連接至一反應物源；及一出口，其將該圓柱形加熱腔流體連接至一反應器。
  3. 如請求項2之加熱器，其中該反應器係一流化床反應器。
  4. 如請求項3之加熱器，其中該反應物源包括四氯化矽及氫中之至少一者。
  5. 如請求項1之加熱器，其中該至少一個加熱元件包括一環形加熱結構，且其中該加熱器進一步包括安置在該環形加熱結構之一內部區域內之一圓柱形間隔件。
  6. 如請求項1之加熱器，其中該至少一個加熱元件具有一蜿蜒結構。
  7. 如請求項6之加熱器，其中該至少一個加熱元件包括碳/碳複合物。
  8. 如請求項1之加熱器，其中該至少一個加熱元件具有一棒形結構。
  9. 如請求項8之加熱器，其中該至少一個加熱元件包括石墨。
  10. 如請求項1之加熱器，其中該至少一個加熱元件包括碳/碳複合物、石墨及鎳鉻合金中之一者。
  11. 如請求項1之加熱器，其中該環形隔熱屏經安置而自該壓力殼體之一內部表面偏移，藉此至少部分地界定毗鄰該內部表面之一環形冷卻區。
  12. 如請求項1之加熱器，其中該至少一個加熱元件包括碳化矽塗層。
  13. 一種製備三氯矽烷之方法，其包括：將包括四氯化矽之一反應物流引入至一加熱器中，該加熱器具有一壓力殼體，其封圍一加熱室，一隔熱屏，其安置在該加熱室內，及一加熱元件，其安置在隔熱屏之一內部體積內；使電流通過該加熱元件以將該反應物流加熱至一目標反應物流溫度，其中該加熱元件係與該反應物流相接觸以利用自該加熱元件至該反應物流之對流熱傳遞；及將該經加熱反應物流引入至具有將該四氯化矽之至少一部分轉換成三氯矽烷之反應條件之一反應器中。
  14. 如請求項13之方法，其中該目標反應物流溫度係在自約500℃至約625℃之一範圍中。
  15. 如請求項13之方法，其進一步包括將矽引入至該反應器中。
  16. 如請求項13之方法，其中藉由該反應物流潤濕該加熱元件之一表面。
  17. 如請求項13之方法，其中將該反應物流引入至該加熱器中包括：引導該反應物流之一第一部分穿過一環形加熱區，該環形加熱區至少部分地由該隔熱屏之一中央體積界定；及引導該反應物流之一第二部分穿過一環形冷卻區，該環形冷卻區至少部分地界定於該隔熱屏之一表面與該加熱室之一表面之間。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包括：監視該經加熱反應物流之一溫度；及調整通過該加熱元件之該電流之一電壓及一電流中之至少一者。
  19. 一種促成三氯矽烷產生之方法，其包括：將一加熱器之一反應物進口連接至一四氯化矽源及一氫源中之至少一者，該加熱器具有封圍一加熱室之一壓力殼體、安置在該加熱室內之一隔熱屏及安置在該隔熱屏之一內部體積內之至少一個加熱元件，其中該至少一個加熱元件係與一反應物流相接觸以利用自該至少一個加熱元件至該反應物流之對流熱傳遞；及將該加熱器之一反應物出口連接至一氫氯化反應器及一氫化反應器中之任一者之一進口。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包括將該至少一個加熱元件連接至至少一個電源。
  21. 如請求項19之方法，其進一步包括：將四氯化矽及氫中之至少一者引入至該加熱器中；及建立穿過該至少一個加熱元件之一電路。
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