JP5511795B2 - 気相反応装置 - Google Patents

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、
反応容器の内部に流出口に近接して設けられて反応生成ガスの流れを流出口に向ける反射部材と
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。

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、反応容器の内部に流出口に近接して設けられて反応生成ガスの流れを流出口に向け得る反射部材を配設したので、反応容器中のガス流への伝熱効率を高く保つことができ、高い反応収率を達成することができる。よって、反応容器内に反射部材を配設しない場合に比して、出口ガス温度を高く保つことが可能になり、高い反応収率を達成することが可能となる。

一態様では、上記において、反応容器を、上下方向に延びる筒状部と、流入口を備え筒状部の下部に設けられた底部と、筒状部の上部に設けられた天板部とを具備し、筒状部の天板部に近接する位置に流出口が設けられたものとし、加熱手段を、反応容器の外部に配設されて反応容器の筒状部を加熱するヒータとし、反射部材を、流出口より天板部側に天板部の内表面との間に間隙を形成して略水平に配置された板状材からなるものとすることができる。

反応容器をこのような構造にすると、ガス流路を上下方向に往復させる場合に比して、構造が簡単である。また、反射部材を、上記のような位置に配置すると、反射部材と天板部との間の空間がガス流速の低いデッドスペースとなり、その結果、反射部材に当たって流出口へ向けて流れるガスの流速が反射部材を設けていない場合に比して向上し、反射部材からガス流への伝熱効率が向上する。また、ヒータが反応容器の筒状部を加熱する構造であり反応容器の天板部は筒状部ほど加熱されないため、天板部では反応容器外への放熱が生じているが、反応容器内の天板部側に反射部材を設けているため、ガス流が天板部に直接当たることがなく、ガス流の温度低下が防止される。

また他の態様では、上記において、反射部材を、上下方向に間隔をあけて配置した複数枚の板状材からなるものとすることができる。
ここで、板状材の位置は、最下位に位置する板状体が、反応容器の内部に流出口に近接して位置させられて反応生成ガスの流れを流出口に向け得るならば、他の板状体の位置は、最下位の板状体と反応容器の天板部内面までの空間内の何れの位置にあっても構わない。

反射部材をこのような構成とすると、放熱部となる天板部へガスが直接接触すること無く、反応室外へ導出されるため、反応生成ガスの温度低下を防止できる。また、板状体を複数設置することで、最下位の板状体はガス温度より高温となり、ガス温度の向上に寄与する。

また更なる態様では、上記において、反応容器と反射部材は、表面が炭化ケイ素被覆されたカーボン部材製とすることができる。カーボン部材製とするのは、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、トリクロロシラン製造プロセスにおいて長期にわたって使用するためには、表面に炭化ケイ素被膜処理を施すのが好ましい。

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多孔板のような伝熱部材を反応容器内に更に配置することができる。すなわち、反応容器の内部に多孔板のような伝熱部材を配設すると、加熱手段により反応容器が加熱されると、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。

本発明者等は、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た。その結果、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、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ものが好ましい。また多孔板は、多孔板と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ものが好ましく、また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、孔数は開孔率が２５％以下とな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。

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、
反応容器の内部に流出口に近接して設けられて反応生成ガスの流れを流出口に向ける反射部材と、
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。

更に好ましい態様では、本発明に係る気相反応装置は、
上下方向に延びる筒状部と、流入口を備え筒状部の下部に設けられた底部と、筒状部の上部に設けられた天板部とを具備し、流入口から供給される複数種の原料ガスを気相反応させて、筒状部の天板部に近接する位置に設けられた流出口から反応生成ガスとして排出する反応容器と、
反応容器の外部に配設されて反応容器の筒状部を加熱する加熱手段と、
反応容器の内部に、流出口より天板部側に天板部の内表面との間に間隙を形成して設けられて反応生成ガスの流れを流出口に向ける伝熱材からなる反射部材と、
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。

本発明の第１の実施形態に係る気相反応装置の概略縦断面図である。 図１の反応装置の要部を拡大して反射板とガスの流れを模式的に示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る気相反応装置の概略縦断面図である。

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（筒状部）
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 反射板（反射部材）
２６ａ 支持部材
２６ｂ スペーサ部材
２７ 多孔板
２８ 支持部材

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（筒状部）１７とし、円筒体１７の下端部にカーボン製の底板部材（底部）１８を、円筒体１７の上端部にカーボン製の天蓋部材（天板部）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の内部には不活性ガスとしてアルゴンＡｒ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、反応容器の流出口１２ｂに近接して、反応生成ガスの流れを流出口１２ｂに向ける反射板（反射部材）２５が設けられている。反射板２５は、反応容器１２の流出口１２ｂより天蓋部材１９側で、天蓋部材１９の内表面との間に間隔をあけて上下方向に並べて複数枚（図示例では３枚）が配設されており、何れの反射板２５も、反応容器１２の当該反射板２５が設置される部分の内径よりも小なる外径の円板状のカーボン製部材からなる。反射板２５の厚み、反射板２５の枚数、反射板２５と反応容器１２の内壁面との間のクリアランスは、反応容器１２内の伝熱効率が可能な限り高くなるように設定される。また、反射板２５は、図示例のように略水平に配置されてもよいし、流出口１２ｂから離れる方向に下方に傾斜させた状態で配置することも可能である。

ここで、反射板２５の設置方法は、任意であり、図示例の如く、反射板２５の上下位置に応じて反応容器１２の天蓋部材１９の側内面部もしくは円筒体１７の内周面に周方向に離間して複数の支持部材２６ａを取付け（あるいは該当する円筒部材を予め支持部を備えたものとして製作する）、その上に最下位の反射板２５を載置すると共に、該最下位の反射板２５の上面とその上にくる反射板２５の下面の対応する位置にそれぞれ凹所を形成しておき、最下位の反射板２５の上の凹所に棒状スペーサ部材２６ｂを嵌入させ、その上に次の反射板２５を配してその下面の凹所にスペーサ部材２６ｂの上端を嵌入させて二枚目の反射板２５を取付け、同様にして三枚目の反射板２５も取り付けることができる。あるいは、反応容器１２の天蓋部材１９から支持部材を垂下し、これに反射板２５を取り付けてもよい。尚、ここでの支持部材２６ａやスペーサ部材２６ｂ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反射板２５について、本発明者等は、後記する実施例に示すように、その設置効果を検証した。その結果、反射板２５を設けると、反応容器１２における伝熱効率が有意に向上させられることが知見された。本発明者等が得た結果をここでまとめると、反応容器１２と反射板２５の熱膨張に差が生じうるため、反射板２５と反応容器１２の壁面との間には所定のクリアランス（例えば反応容器１２の内壁直径の１/１０程度）を取っておくことが必要であるが、伝熱効率向上の観点からは反応容器１２の内壁との間のクリアランスはできるだけ小さいことが望ましい。
反射板２５の枚数は１枚でもよいが、２枚、３枚と増やすとガス温度の低下が抑制でき、かつ出口ガス温度が上昇する。但し、反応容器１２の構造上、設置数は数枚までである。

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珪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珪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、反応容器１２の円筒体１７の側面外表面が加熱されると、その外表面から内表面に向けて伝導伝熱によって熱が伝わり、円筒体１７の内壁表面が高温になり、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。その結果、反応容器１２内を流れるガス流が加熱され、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となり、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。

ここで、図２も適宜参照しながら、反射板２５に関連する伝熱プロセスを若干詳しく説明すると、ヒータ１３が印加されると、発熱体１３ａが加熱され、発熱体１３ａからの輻射伝熱によりアルゴンＡｒと共に反応容器１２の外面が加熱される。
ヒータ１３の発熱体１３ａは反応容器１２の円筒体１７の外部に周方向に等間隔に配設されているので、反応容器１２の円筒体１７の外表面はその周囲のアルゴンガスＡｒと共に高温に加熱されるが、反応容器１２の天蓋部材１９とその付近のアルゴンガスＡｒは、円筒体１７とその周囲のアルゴンガスＡｒほどは加熱されず、反応容器１２の天蓋部材１９からはむしろ外部への放熱が生じている。

反応容器１２はカーボン製であるため、円筒体１７の外表面が加熱されると、伝導伝熱により、反応容器１２の内表面に熱が伝わり、ついで反応容器１２の内表面からの輻射伝熱により反射板２５が次々と加熱されるが、上述のように、反応容器１２の天蓋部材１９からは外部への放熱が生じているので、反射板２５の中で最下位の反射板２５のみがガス温度以上となり、この最下位の反射板２５の分だけ伝熱面積が増加し、ガス流への伝熱量が高まる。
また反射板２５は、反応容器１２を横断した状態で流出口１２ｂより若干上方部位に最下位のものが配置されているため、下方から上方に流れてきたガス流がこれに衝突し、分岐されて流出口１２ｂへ向けて流れるが、その際、最下位反射板２５の上方部分にはガス流の流速の低いデッドスペースができるので、放熱状態にある天蓋部材１９にガス流が直接吹き付けられることがなく、反応生成ガスの温度低下が効果的に防止され、更に反射板２５付近の流速が上昇し、反射板２５付近の伝熱効率が高まる。その結果、出口ガス温度が上昇する。

このように、本実施形態における気相反応装置１０では、ヒータ１３によって加熱される反応容器１２の内部に反射板２５が設けられ、反応容器１２内における伝熱効率が反射板２５による輻射伝熱と対流伝熱によって向上させられる。よって、反射板２５を設けていない場合に比して、出口ガス温度を高く保つことが可能になり、高い反応収率を達成することが可能となる。
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、流出口１２ｂ付近の反射板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。

図３は本発明の第２実施形態に係る気相反応装置を示す概略断面図であり、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態においては、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２７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２７は、円筒体１７の高さ方向の略全長にわたって基本的には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２７は、基本的には、一の多孔板２７とその上下に位置する多孔板２７との孔部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２７の設置方法は、任意であり、反射板２５と同様な方法で設置できる。図示例では、多孔板２７の上下面に周方向に複数箇所に凹部を形成し、凹部間に棒状の支持部材２８の上下端を嵌入させ、反応容器１２の底部から順次上へと多孔板２７（図示例では反射板２５も）を積み上げて設置している。別法として、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取付け、その上に多孔板２７と反射板２５を載置していくこともできる。

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２７について、本発明者等は、その設置効果を検証した。その結果、多孔板２７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た。また、使用する多孔板２７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。

第２実施形態に係る気相反応装置においても、第１実施形態におけるのと同様にして、テトラクロロシランと水素の混合ガスが反応容器１２を通過する間に高温に加熱されて、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となり、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。
本実施形態においては、反応容器１２内に反射板２５だけでなく多孔板２７も配設したため、反応容器１２における伝熱効率が一層向上させられる。

すなわち、ヒータ１３によって反応容器１２が加熱され、反応容器１２の円筒体１７の側面外表面が加熱されると、その外表面から内表面に向けて伝導伝熱によって熱が伝わり、円筒体１７の内壁表面が高温になる。そして、反応容器１２内を流れるガス流に輻射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２７に向けて輻射伝熱が生じ、多孔板２７が加熱されると共に、多孔板２７からの熱が、多孔板２７にぶつかり又は多孔板２７の孔部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２７の孔部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。このように加熱される多孔板２７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２７の孔部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２７の孔部付近での伝熱効率が高まる。

このように、本実施形態における気相反応装置では、ヒータ１３によって加熱される反応容器１２の内部に反射板２５に加えて多孔板２７も設けたため、反応容器１２内における伝熱効率が更に向上させられる。よって、反射板２５と多孔板２７を設けていない場合に比して、出口ガス温度を高く保つことが可能になり、高い反応収率を達成することができる

以上、本発明の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、第２実施形態においては、反応容器１２内に反射板２５と多孔板２７を設置したが、反射板２５と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。また、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、反射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、反射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、反射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
次の反応装置において反射板の設置効果を検証した。
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厚
反応容器：
天板部：カーボン製、１００ｍｍ厚
内径：７５０ｍｍ

反射板としては、厚み２０ｍｍ、直径６５ｃｍφの円板状のカーボン製板材を３枚準備した。その３枚の反射板を、反応容器内の流出口の若干上方位置に最下位の反射板が位置するように、上下に間隔をあけて、支持部材を用いて水平に配置した。また反応装置のガス入口、ガス出口、天板部、胴部中央部等に熱電対を設置した。
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）の混合ガスを供給し、常圧で反応を行わせてトリクロロシランを生成すると共に、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、ガスへの伝熱量を算定したところ、１６０００ｋｃal/hであった。
一方、比較のために、反射板を３枚共、取り外した状態で、上記と同じ条件で反応を行わせ、上記と同様に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、１５５００ｋｃａｌ/ｈであった。
この検証の結果、反射板を設置することで反応容器中における伝熱量が３％上昇したことが分かる。

Claims (6)

1. 上下方向に延びる筒状部と、流入口を備え筒状部の下部に設けられた底部と、筒状部の上部に設けられた天板部とを具備し、筒状部の天板部に近接する位置に流出口が設けられ、流入口から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、
   反応容器の内部に流出口に近接して設けられ、流出口より天板部側に天板部の内表面との間に間隙を形成して略水平に配置された板状材からなり、反応生成ガスの流れを流出口に向ける反射部材とを具備してなる気相反応装置。
2. 加熱手段が、反応容器の外部に配設されて反応容器の筒状部を加熱するヒータである請求項１に記載の反応装置。
3. 反射部材が、上下方向に間隔をあけて配置された複数枚の反射板からなる請求項２に記載の反応装置。
4. 反応容器と反射部材が、表面が炭化ケイ素被覆されたカーボン部材製である請求項１から３の何れか一項に記載の反応装置。
5. 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４の何れか一項に記載の反応装置。
6. 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５の何れか一項に記載の反応装置。

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