用于非平衡三氯氫硅制備的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】將四氯化硅(STC)轉(zhuǎn)化為三氯氫硅(TCS)的催化方法，該方法在諸如500℃的低溫下使用了諸如金屬硅化物的金屬催化劑，其中使STC與氫氣在催化劑存在下且在非熱平衡的條件下反應(yīng)，以提供包括超過(guò)在熱平衡下所獲得的TCS水平的TCS并且任選包括HCl和未反應(yīng)的STC的產(chǎn)物氣體流。
【專利說(shuō)明】用于非平衡三氯氫硅制備的方法和系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)依據(jù)35U.S.C.§ 119(e)要求2011年11月14日提交的第61/559，657號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)；該臨時(shí)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明基本涉及化學(xué)方法以及更具體地涉及從四氯化硅制備三氯氫硅的化學(xué)方法。
[0004]背景
[0005]現(xiàn)代社會(huì)的生活標(biāo)準(zhǔn)十分依賴于經(jīng)濟(jì)地獲取半導(dǎo)體和集成電路。反過(guò)來(lái)，半導(dǎo)體的生產(chǎn)需要獲得高純硅，因此改進(jìn)的用于生產(chǎn)高純度硅的方法和系統(tǒng)有著巨大價(jià)值。
[0006]半導(dǎo)體級(jí)多晶硅必需非常純否則由其制造的半導(dǎo)體和光伏電池將不能提供最優(yōu)的可操作性。在很多制備超純多晶娃的商業(yè)工廠中使用Siemens方法。在Siemens方法中，在約1150°C下將高純硅棒暴露于三氯氫硅(HSiCl3, TCS)。TCS氣體分解并且使額外的硅沉積在棒上。當(dāng)該方法在最優(yōu)條件下進(jìn)行時(shí)，該方法將制備具有雜質(zhì)水平低于十億分之一的非常純的娃，其也稱多晶娃(polysilicon)或多晶娃(polycrystalline silicon)?？梢酝ㄟ^(guò)以下化學(xué)反應(yīng)描述Siemens方法: [0007]4HSiCl3 = >Si+3SiCl4+2H2
[0008]如上反應(yīng)式所示，四氯化硅(SiCl4、STC)是該Siemens方法的副產(chǎn)物。事實(shí)上，STC是大量生成的副產(chǎn)物，并且它基本是廢料。成功且經(jīng)濟(jì)地將STC轉(zhuǎn)化為有用的材料對(duì)于以經(jīng)濟(jì)環(huán)境友好的方式操作Siemens方法至關(guān)重要。一種選擇是在TCS可以進(jìn)入Siemens方法的情況下將STC轉(zhuǎn)化回TCS。事實(shí)上，已有實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的多種方法的描述。本發(fā)明提供了用于實(shí)現(xiàn)該結(jié)果的改進(jìn)的方法。
[0009]概述
[0010]本公開提供了將STC轉(zhuǎn)化為TCS的系統(tǒng)和方法。更具體地，使用催化劑對(duì)系統(tǒng)和方法進(jìn)行操作，由此使得該方法在相對(duì)低的反應(yīng)溫度下發(fā)生，并且在非平衡模式下操作該方法從而在系統(tǒng)內(nèi)STC向TCS的轉(zhuǎn)化不會(huì)實(shí)現(xiàn)熱平衡。通過(guò)使反應(yīng)不進(jìn)行至熱平衡，相對(duì)于熱平衡條件下操作的常規(guī)轉(zhuǎn)化器中獲得的轉(zhuǎn)化率，STC向TCS的轉(zhuǎn)化率水平可以提高，并且因此將本公開的方法和過(guò)程稱為提供了超平衡水平的STC形成，正如文中更全面地討論和定義的。
[0011]在一個(gè)實(shí)施方案中，本公開提供了用于將STC轉(zhuǎn)化為TCS和一般的其他產(chǎn)物的方法，包括在轉(zhuǎn)化器中非平衡條件下使包含STC和H2的原料氣與催化劑接觸，從而實(shí)現(xiàn)STC的超平衡水平轉(zhuǎn)化。在多種任選的實(shí)施方案中，該方法的特征可以為以下一種或多種條件:催化劑為金屬催化劑，例如該金屬催化劑可以為具有高的總表面積(aggregate surfacearea)的成形的金屬片或細(xì)絲網(wǎng)(fine wire mesh)的形式；金屬催化劑包括金屬娃化物,包括但不限于硅化鉻、硅化鎳和硅化鐵；該金屬催化劑在轉(zhuǎn)化器中(原位)形成；該金屬催化劑在轉(zhuǎn)化器外部(非原位)形成并且隨后置于轉(zhuǎn)化器中；該轉(zhuǎn)化器填充有自撐金屬載體，并且在轉(zhuǎn)化器中該載體的表面至少部分地被轉(zhuǎn)化為金屬催化劑；該轉(zhuǎn)化器填充有金屬載體，并且該金屬載體全部被轉(zhuǎn)化為金屬催化劑，該金屬催化劑具有在轉(zhuǎn)化器的操作過(guò)程中足以保持其形態(tài)的機(jī)械完整性。關(guān)于轉(zhuǎn)化器的溫度，反應(yīng)在低溫下在轉(zhuǎn)化器內(nèi)進(jìn)行，其中低溫可以任選地具體為小于700°C，或?yàn)?00°C至700°C，或?yàn)?00°C至600°C，或者為約500°C。關(guān)于滯留時(shí)間，原料氣在轉(zhuǎn)化器內(nèi)的滯留時(shí)間任選地具體為0.1秒至20秒，或?yàn)镮秒至20秒，或?yàn)?.1秒至30秒，或?yàn)镮秒至30秒，或?yàn)镮秒至5秒，或?yàn)镮秒至10秒，或?yàn)?秒至5秒，或?yàn)榧s3秒。關(guān)于轉(zhuǎn)化器內(nèi)的壓力，該壓力可以任選地具體為0.5絕對(duì)大氣壓至20絕對(duì)大氣壓，或該轉(zhuǎn)化器內(nèi)的壓力為1.0絕對(duì)大氣壓至12絕對(duì)大氣壓，或該轉(zhuǎn)化器內(nèi)的壓力為2.0絕對(duì)大氣壓至10絕對(duì)大氣壓，或該轉(zhuǎn)化器內(nèi)的壓力為約6絕對(duì)大氣壓。在本文公開的任何實(shí)施方案中，該原料氣可以任選地還包含HC1。
[0012]任選地，使進(jìn)入的STC與H2混合并且在熱交換器中將其加熱至催化轉(zhuǎn)化器的出口溫度的幾攝氏度以內(nèi)；隨后在補(bǔ)充加熱器中將預(yù)熱的氣體加熱至高于催化轉(zhuǎn)化器的出口溫度幾度；可以通過(guò)直接燃燒的氣體和電加熱器的方式加熱該補(bǔ)充加熱器；然后將該熱的氣體供給至催化轉(zhuǎn)化器，在所述催化轉(zhuǎn)化器中發(fā)生包含TCS和HCl的氣體產(chǎn)物的反應(yīng)；在熱交換器中將該從催化轉(zhuǎn)化器排出的熱的氣體用于預(yù)熱進(jìn)入的STC和H2蒸汽；隨后將從熱交換器排出的冷卻的產(chǎn)物氣體被分離為組成部分(例如TCS、HCl和STC)以便在多晶硅工廠中重復(fù)使用；并且將從催化轉(zhuǎn)化器廢氣中分離的STC循環(huán)回催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)直至完全轉(zhuǎn)化為TCS。
[0013]在另一個(gè)實(shí)施方案中，本公開提供了方法，該方法包括提供其中含有催化劑的轉(zhuǎn)化器(反應(yīng)器)，在轉(zhuǎn)化器中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)為包含STC和H2的原料組分的反應(yīng)以形成包含TCS和HCl的產(chǎn)物組分，該原料組分進(jìn)入該轉(zhuǎn)化器并且產(chǎn)物組分同時(shí)離開反應(yīng)器，該方法的特征在于該方法是在不向產(chǎn)物組分提供原料組分的平衡轉(zhuǎn)化的溫度和滯留時(shí)間的操作條件下進(jìn)行，并且優(yōu)選地提供原料組分到產(chǎn)物組分的超平衡轉(zhuǎn)化。 [0014]在另一個(gè)實(shí)施方案中，本公開提供了系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括其中具有催化劑的轉(zhuǎn)化器、原料進(jìn)口、產(chǎn)物出口、測(cè)量原料中的STC濃度的監(jiān)測(cè)裝置、測(cè)量產(chǎn)物中的TCS濃度的監(jiān)測(cè)裝置、將該轉(zhuǎn)化器維持在所需的溫度范圍內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)，以及將原料在反應(yīng)器中維持所需的滯留時(shí)間的流速機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)還包括反饋回路，通過(guò)該反饋回路將所測(cè)的STC和TCS用于計(jì)算STC向TCS的實(shí)際轉(zhuǎn)化率，并且將該轉(zhuǎn)化率與在轉(zhuǎn)化器操作溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率相比，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)化率不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)或低于超過(guò)該平衡轉(zhuǎn)化率的預(yù)設(shè)值時(shí)，則所述系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)化器的操作條件以實(shí)現(xiàn)符合超過(guò)該平衡轉(zhuǎn)化率的預(yù)設(shè)值的STC向TCS的轉(zhuǎn)化率。在任選的實(shí)施方案中，自動(dòng)調(diào)整反應(yīng)器內(nèi)的滯留時(shí)間和/或反應(yīng)器的溫度和/或反應(yīng)器的壓力。
[0015]在另一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)調(diào)整例如轉(zhuǎn)化器滯留時(shí)間的一個(gè)或多個(gè)操作參數(shù)，將STC轉(zhuǎn)化率維持在超平衡水平下。因此，本公開提供了用于將STC轉(zhuǎn)化為TCS的方法，該方法包括將包含STC和H2的原料運(yùn)輸至轉(zhuǎn)化器，該轉(zhuǎn)化器包含催化劑并且在400至800°C的轉(zhuǎn)化器溫度下進(jìn)行操作，其中根據(jù)需要選擇和調(diào)整操作參數(shù)，該操作參數(shù)包括轉(zhuǎn)化器溫度、轉(zhuǎn)化器壓力、轉(zhuǎn)化器自由體積和轉(zhuǎn)化器滯留時(shí)間，選擇操作參數(shù)以在產(chǎn)物中提供超平衡濃度的TCS。任選地，可以通過(guò)自動(dòng)控制器來(lái)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)操作參數(shù)，該自動(dòng)控制器接收轉(zhuǎn)化器以及原料和產(chǎn)物組成濃度的信息并且隨后提高或降低例如原料進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的體積速率的反應(yīng)參數(shù)，以提供并且維持產(chǎn)物氣體中超平衡濃度的TCS。[0016]根據(jù)當(dāng)前的教導(dǎo)，在STC轉(zhuǎn)化器中STC向TCS的轉(zhuǎn)化率不可能超過(guò)平衡轉(zhuǎn)化；即熱平衡水平的轉(zhuǎn)化率為可以實(shí)現(xiàn)的STC向TCS的最大轉(zhuǎn)化率。本公開與當(dāng)前教導(dǎo)相反。另外根據(jù)當(dāng)前教導(dǎo)，在轉(zhuǎn)化器進(jìn)料中的HCl抑制了 STC向TCS的熱平衡轉(zhuǎn)換并且因此未達(dá)到預(yù)期效果，從而通過(guò)小心地將HCl從轉(zhuǎn)化器進(jìn)料中移除以避免這種情況。本公開又與當(dāng)前教導(dǎo)相反。本公開提供了認(rèn)識(shí)和體現(xiàn)該相反教導(dǎo)的方法和系統(tǒng)，它們中的任一個(gè)或者兩個(gè)都包括在本公開的方法和系統(tǒng)中。
[0017]以下描述闡釋了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。與一個(gè)示例實(shí)施方案中有關(guān)而進(jìn)行示例或描述的特性可以與其他實(shí)施方案中的特性組合。其他特性、目的和優(yōu)點(diǎn)將在說(shuō)明書、附圖和權(quán)利要求中清楚闡釋。另外，本文所引用的所有專利和專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。
[0018]附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0019]圖1提供了本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方案的流程圖，其包括熱交換器；圖1舉例示范了用于STC向TCS的轉(zhuǎn)化的低溫催化轉(zhuǎn)化器的操作。
[0020]圖2為在三種不同H2: STC原料比(2:1、3:1和4:1)下的STC向TCS百分比平衡轉(zhuǎn)化率(y_軸)作為溫度(X-軸)的函數(shù)的圖表，其使用計(jì)算熱動(dòng)力學(xué)平衡的吉布斯(Gibb’s)自由能最小化模型計(jì)算。
[0021]圖3為繪制％ STC轉(zhuǎn)化率(在y軸上)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的滯留時(shí)間(在x_軸上)的圖。 [0022]圖4舉例示出了本公開的系統(tǒng)的實(shí)施方案，其包括與轉(zhuǎn)化器相連的自動(dòng)反饋回路。
[0023]發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明
[0024]本發(fā)明提供了用于將STC轉(zhuǎn)化為TCS的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。在具體實(shí)施方案中，在非平衡條件下在用于反應(yīng)的催化劑存在下并且具有多種原料的情況下進(jìn)行該方法。作為理解本發(fā)明的輔助，以下提供了本文使用的一些一般原理以及定義和慣例。
[0025]定義、慣例和一般原理
[0026]催化劑是指降低正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)的活化能的材料，由此將STC轉(zhuǎn)化為TCS。如以下描述的，優(yōu)選的催化劑為金屬硅化物。
[0027]轉(zhuǎn)化器(也稱為反應(yīng)器)是指形成反應(yīng)室的裝置，其中實(shí)現(xiàn)了本公開的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)在轉(zhuǎn)化器中存在催化劑時(shí)，該轉(zhuǎn)化器可以稱為催化轉(zhuǎn)化器。
[0028]原料(或進(jìn)料)是指直接進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的一般為氣態(tài)盡管不必需為氣態(tài)的材料(或組分或種類)。該原料可以為由諸如氣體形式的氫氣和STC的混合物的兩種或多種不同原子種類或更常見的分子種類組成的單一氣體流?；蛘?，該原料可以為兩種或多種氣體流，其中任一種可以含有一種或多于一種的原子種類或更常見的分子種類。例如，該原料可以為兩種氣體流:僅包含或主要包含氫氣的氣體流，以及僅包含或主要包含STC的氣體流。如本文中稍后討論的，該原料可以包括除了氫氣和STC以外的其他組分，例如它可以包含氯化氫。
[0029]STC為四氯化硅(SiCl4)的縮寫；TCS為三氯氫硅(HSiCl3)的縮寫；DCS為二氯甲硅烷(H2SiCl2)的縮寫。術(shù)語(yǔ)氫氣和H2可以替換使用。另外，術(shù)語(yǔ)鹽酸和HCl可以替換使用。[0030]對(duì)于任何給定的轉(zhuǎn)化器溫度和原料組成，熱力學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以用已知熱力學(xué)方法(例如吉布斯(Gibbs’s)自由能最小化模型可以用于計(jì)算熱力學(xué)平衡)計(jì)算出STC向TCS的平衡轉(zhuǎn)化率水平?！癝TC轉(zhuǎn)化率水平”是指進(jìn)入轉(zhuǎn)化器并且轉(zhuǎn)化為TCS的STC的量，換句話說(shuō)在給定時(shí)間內(nèi)離開轉(zhuǎn)化器的TCS的摩爾數(shù)除以在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的STC的摩爾數(shù)。當(dāng)STC轉(zhuǎn)化率乘以100時(shí)，STC轉(zhuǎn)化率可以表達(dá)為百分?jǐn)?shù)的形式。在本文中該轉(zhuǎn)化率水平是指在給定溫度下的熱平衡或更簡(jiǎn)單的熱平衡。當(dāng)STC轉(zhuǎn)化至TCS以提供與熱平衡STC轉(zhuǎn)化率不同的STC轉(zhuǎn)化率時(shí)，則該方法被認(rèn)為提供了 STC的非平衡轉(zhuǎn)化。本公開的方法和系統(tǒng)提供了 STC的非平衡轉(zhuǎn)化以形成TCS。更具體地，可以將本公開的方法和系統(tǒng)設(shè)置為提供比熱平衡條件下獲得轉(zhuǎn)化量更大的STC轉(zhuǎn)化為TCS的量，在具體的轉(zhuǎn)化器操作溫度和具體的原料組成下，并且由此本公開的方法和系統(tǒng)被認(rèn)為提供了 STC向TCS的超平衡轉(zhuǎn)化，或更簡(jiǎn)單地超平衡轉(zhuǎn)化。
[0031]為了清楚，本公開區(qū)分了三種不同的轉(zhuǎn)化器類型:1)熱轉(zhuǎn)化器是指不含有催化劑的轉(zhuǎn)化器，其在諸如超過(guò)1000°c的高溫下操作，并且其中STC向TCS的轉(zhuǎn)化率是在熱平衡下或基本接近熱平衡下進(jìn)行；2)催化平衡轉(zhuǎn)化器含有催化劑并且相對(duì)熱轉(zhuǎn)化器而言更低的溫度下操作，并且在例如足以使得STC向TCS轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)或基本接近熱平衡的合適滯留時(shí)間的條件下操作；以及3)催化非平衡轉(zhuǎn)化器，其含有催化劑并且既在相對(duì)于此前所述的熱轉(zhuǎn)化器的更低溫度下又在例如獲得高于熱平衡下所獲得轉(zhuǎn)化率水平的STC轉(zhuǎn)化率水平的合適滯留時(shí)間的條件下操作。
[0032]反應(yīng)過(guò)程
[0033]化學(xué)反應(yīng)
[0034]本公開提供 了用于將包含STC的原料(文中還稱為原料氣)轉(zhuǎn)化以形成TCS和其他產(chǎn)物的改進(jìn)的方法。本公開的一個(gè)方面包括使反應(yīng)物與催化劑接觸。本公開的方法包括以氣體形式提供原料，并且隨后將該原料導(dǎo)入催化轉(zhuǎn)化器。該方法還包括一般以其他形式從催化轉(zhuǎn)化器收集產(chǎn)物。在催化轉(zhuǎn)化器中存在的氣體將被簡(jiǎn)稱為“氣體”或“該氣體”，無(wú)論組合物如何，例如不考慮氣體組合物是否與原料完全相同或大部分相同，或者組合物或其混合物是否與產(chǎn)物完全相同或大部分相同，或是否包括不存在于原料或產(chǎn)物中的中間種類。
[0035]原料至少含有STC和H2。在多種實(shí)施方案中，原料可以含有TCS、DCS和HCl中的任一種或多種。在一個(gè)實(shí)施方案中、原料至少含有stc、h2和TCS，并且任選地僅含有該三種組分。在一個(gè)實(shí)施方案中，原料至少含有STC、H2, TCS和DCS，并且任選地僅含有該四種組分。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，這些原料中的任一種可以另外含有HC1。在一個(gè)實(shí)施方案中，該原料氣含有HCl，并且HCl以實(shí)現(xiàn)形成TCS的濃度而存在。
[0036]在一個(gè)實(shí)施方案中，原料的所有組分在單一氣體流中存在。在該實(shí)施方案中，將原料氣導(dǎo)入催化轉(zhuǎn)化器，于是該氣體在催化轉(zhuǎn)化器中與催化劑接觸。在可選的實(shí)施方案中，原料的組分存在于兩種氣體流中。例如，STC可以存在于第一氣體流中并且H2存在于第二氣體流中。一般通過(guò)混合STC和H2而制備原料。例如，進(jìn)入的STC可以用H2稀釋以形成原料。
[0037]基于原料中組分的摩爾總數(shù)，原料中的STC含量可以為90mol%至低至1mol %?；谠现薪M分的摩爾總數(shù)，原料中的氫氣含量可以為10mol%至90mol%。在一個(gè)實(shí)施方案中，原料含有大量的H2。在一個(gè)實(shí)施方案中，僅基于原料中H2和STC的量，原料分別地含有 65-95mol % 或 70_90mol % 的 H2 以及 5_35mol % 或 10_30mol % 的 STC。在一個(gè)實(shí)施方案中，原料氣含有80mol %的H2和20mol %的STC。在多種實(shí)施方案中，可以表述為原料中氫氣與STC的摩爾比選自≥1、≥2、≥3或≥4。在其他實(shí)施方案中，可以表述為原料中H2 = STC的摩爾比為1:1或?yàn)?:1或?yàn)?:1或?yàn)?:1或?yàn)?:1,或?yàn)?:1至5:1,或?yàn)?:1至4:1,或?yàn)?:1至3:1，其中這些比例值中的每一個(gè)可以有在±15%或±10%或±5%范圍內(nèi)的偏差，例如，當(dāng)偏差為10%時(shí)，1:1的比例可以為1:0.9-1.1至0.9-1.1:1。
[0038]因?yàn)樵谀承┎僮鳁l件下本公開的方法可以制備顯著量的DCS和TCS，并且因?yàn)楫?dāng)過(guò)量的DCS供給至化學(xué)氣相沉積(CVD)或熱轉(zhuǎn)化器時(shí)可以在轉(zhuǎn)化器中形成過(guò)量的不期望的無(wú)定形粉(amorphous dust),本公開的優(yōu)選的任選實(shí)施方案包括從轉(zhuǎn)化器中獲得的TCS中分離DCS。任選地，所分離的DCS可以在轉(zhuǎn)換反應(yīng)(commutat1n react1n)(即由此DCS和STC 一起反應(yīng)生成TCS的反應(yīng)，任選地使用化學(xué)計(jì)量過(guò)量的STC)中被轉(zhuǎn)化為TCS。
[0039]非平 衡轉(zhuǎn)化
[0040]傳統(tǒng)熱轉(zhuǎn)化器(甚至催化轉(zhuǎn)化器)是以熱平衡的方式操作以實(shí)現(xiàn)STC向TCS的轉(zhuǎn)換的。可以通過(guò)已知模型計(jì)算熱平衡時(shí)制備的TCS的量。吉布斯(Gibb’s)自由能最小化模型是這樣的一種模型，通過(guò)不例的方式，在氫氣中STC向TCS的熱轉(zhuǎn)化作為如下表中所不的溫度的函數(shù)而計(jì)算，其中“STC向TCS的轉(zhuǎn)化率百分?jǐn)?shù)”是指進(jìn)入轉(zhuǎn)化器并且轉(zhuǎn)化為TCS的STC的百分?jǐn)?shù)，也就是，在給定時(shí)間內(nèi)離開轉(zhuǎn)化器的TCS的摩爾數(shù)除以在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的STC的摩爾數(shù)，乘以100。
[0041]表
[0042]
【權(quán)利要求】
1.將四氯化硅(STC)轉(zhuǎn)化為三氯氫硅(TCS)的方法，包括在轉(zhuǎn)化器中在非平衡操作條件下使包含STC和H2的原料氣與催化劑接觸以提供超平衡水平的STC向TCS的轉(zhuǎn)化率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述催化劑為金屬催化劑。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述金屬催化劑包括金屬硅化物，所述金屬硅化物包括但不限于娃化鉻、娃化鎳和娃化鐵。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述金屬催化劑是在所述轉(zhuǎn)化器中形成的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中將所述轉(zhuǎn)化器用自撐金屬載體填充，并且將所述載體的表面至少部分地轉(zhuǎn)化為金屬催化劑。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中將所述轉(zhuǎn)化器用金屬載體填充，并且將所述金屬載體的全部轉(zhuǎn)化為金屬催化劑，所述金屬催化劑具有在所述轉(zhuǎn)化器的操作過(guò)程中足以保持其形態(tài)的機(jī)械完整性。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中在低于700°C的溫度下進(jìn)行所述方法。
8.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中在400至600°C的溫度下進(jìn)行所述方法。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述轉(zhuǎn)化器中所述原料氣的滯留時(shí)間為0.1秒至30秒。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述轉(zhuǎn)化器中所述原料氣的滯留時(shí)間為I至5秒。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述轉(zhuǎn)化器中所述壓力為0.5個(gè)絕對(duì)大氣壓至20個(gè)絕對(duì)大氣壓。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述轉(zhuǎn)化器中所述壓力為2個(gè)絕對(duì)大氣壓至10個(gè)絕對(duì)大氣壓。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述原料氣包含摩爾比為1:1至5:1的H2和STC。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述原料氣還包含HCl。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中在其他反應(yīng)條件相同的條件下，所述超平衡水平的STC向TCS的轉(zhuǎn)化率比平衡水平的STC向TCS的轉(zhuǎn)化率高至少5%。
16.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中使進(jìn)入的STC與H2混合并且在熱交換器中將其加熱至所述催化轉(zhuǎn)化器的出口溫度的幾攝氏度以內(nèi)以提供預(yù)熱的氣體；隨后在補(bǔ)充加熱器中將這些預(yù)熱的氣體加熱至高于所述催化轉(zhuǎn)化器的出口溫度幾攝氏度以提供熱的氣體；通過(guò)選自直接燃燒的氣體和電加熱器的方式加熱所述補(bǔ)充加熱器；將所述熱的氣體供給至所述催化轉(zhuǎn)化器，在所述催化轉(zhuǎn)化器中發(fā)生了形成包含TCS和HCl的氣體產(chǎn)物的反應(yīng)；在所述熱交換器中將從所述催化轉(zhuǎn)化器排出的所述熱的氣體用于預(yù)熱進(jìn)入的STC和H2蒸汽；隨后將從所述熱交換器排出的冷卻的產(chǎn)物氣體分離為組成部分(例如TCS、HC1和STC)以便在多晶硅工廠中重復(fù)使用；并且將從所述催化轉(zhuǎn)化器廢氣中分離的STC循環(huán)回催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)直至完全轉(zhuǎn)化為TCS。
17.系統(tǒng)，包括其中具有催化劑的轉(zhuǎn)化器、原料進(jìn)口、產(chǎn)物出口、測(cè)量所述原料中的STC濃度的監(jiān)測(cè)裝置、測(cè)量所述產(chǎn)物中的TCS濃度的監(jiān)測(cè)裝置、將所述轉(zhuǎn)化器維持在所需的溫度范圍內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)，以及將所述原料在所述反應(yīng)器中維持所需的滯留時(shí)間的流速機(jī)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括反饋回路，通過(guò)所述反饋回路將所測(cè)的STC和TCS的濃度用于計(jì)算STC向TCS的實(shí)際轉(zhuǎn)化率，并且將該轉(zhuǎn)化率與在所述轉(zhuǎn)化器的操作溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率相比，當(dāng)所述實(shí)際轉(zhuǎn)化率不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)或低于超過(guò)所述平衡轉(zhuǎn)化率的預(yù)設(shè)值時(shí)，則所述系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整所述轉(zhuǎn)化器的操作條件參數(shù)以實(shí)現(xiàn)符合超過(guò)所述平衡轉(zhuǎn)化率的預(yù)設(shè)值的STC向TC S的轉(zhuǎn)化率。
【文檔編號(hào)】C01B33/107GK104039699SQ201280065610
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月14日
【發(fā)明者】馬克·威廉·達(dá)塞爾 申請(qǐng)人:森特瑟姆光伏美國(guó)有限公司