Reactor ciclónico de combustión autopropagante, comprendiendo:

un recinto (10), un revestimiento (20) dispuesto dentro del recinto y encerrado por el recinto, el revestimiento formando una cámara vacía (21) y teniendo extremidades superiores e inferiores formando una salida de gas (22) y una salida de producto (23) respectivamente; al menos una entrada de reductor (30) formado en una pared circunferencial de la cámara en una manera tangencial y comunicando con una parte superior de la cámara recibiendo un reductor y un gas presurizado para suministrar el reductor en la cámara a lo largo de una línea tangencial de la entrada de reductor en una manera presurizada para así impactar con una superficie interna de la pared circunferencial de la cámara para inducir un primer ciclón; una pluralidad de entradas de oxidante (40)(41)(42)(43)(44)(45) formadas en la pared circunferencial de la cámara en una manera tangencial y comunicando la parte superior de la cámara para respectivamente recibir el oxidante, el oxidante que se suministra en la cámara a lo largo de líneas tangenciales de las entradas de oxidante en una manera presurizada para así impactar con la superficie interna de la pared circunferencial de la cámara para inducir una pluralidad de ciclones, por lo cual, dentro de la cámara, el oxidante colisiona con el reductor alimentado a través de la entrada de reductor para inducir la reacción de combustión autopropagante y así generar el producto primario y el subproducto, el producto primario que se descarga a través de la salida de producto formada en la extremidad inferior de la cámara; caracterizado por el hecho de que el reactor ciclónico además comprende: una barra de accionamiento (50) que se extiende a través de la extremidad inferior del revestimiento en la cámara, la barra de accionamiento que es movible hacia arriba/hacia abajo con respecto a la cámara, la barra de accionamiento siendo un elemento vacío definiendo un canal (51) que se extiende a través, un elemento de regulación cónico (52) estando instalado en una extremidad interna de la barra de accionamiento que está localizada dentro de la cámara que se distancia de la superficie interna de la cámara por un espacio, el espacio siendo ajustable por el movimiento de la barra de accionamiento con respecto a la cámara, la barra de accionamiento teniendo una extremidad externa localizada fuera del recinto y formando una salida de subproducto (511) en comunicación con el canal para descargar el subproducto de la reacción entre el reductor que se suministra a través de la entrada de reductor y el oxidante que se suministra a través de las entradas de oxidante; una primera válvula de control (60) instalada en la barra de accionamiento para controlar el cierre/apertura del canal definido en la barra de accionamiento; una segunda válvula de control (70) instalada en la salida de gas en la extremidad superior de la cámara para controlar el cierre/apertura de la salida de gas; una tercera válvula de control (80) instalada en la salida de producto en la extremidad inferior de la cámara para controlar el cierre/apertura de la salida de producto; y una pluralidad de calentadores (90) dispuestos alrededor de una parte inferior del revestimiento y la salida de producto para facilitar calentamiento al revestimiento y la salida de producto

Reactor ciclónico de combustión autopropagante.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un reactor ciclónico que emplea reacción de combustión autopropagante y en particular al reactor dentro del cual se desarrolla la combustión autopropagante para generar continuamente metales de alta pureza, aleaciones, o semiconductor.

Metales o sustancias de conducción de pureza extremadamente alta son comúnmente usados en producto moderno industrial. Tomando titanio, circonio y hafnio, o aleaciones de los mismos, que son frecuentemente usados en industria aeroespacial y en industria biomédica, como ejemplos, estos metales y sus aleaciones exhiben densidad baja, alta resistencia específica, resistencia a la corrosión excelente, y buena biocompatibilidad. Todos estos factores los vuelven irreemplazables por otras sustancias. No obstante, las propiedades físicas o químicas de estos materiales, especialmente aquellos conteniendo compuesto intermetálico de titanio y aluminio, están muy relacionados con su pureza. El titanio es generalmente generado por el método de Kroll desde 1967 hasta la fecha. El proceso de fabricación no ha cambiado mucho desde sus principios. A saber, un proceso discontinuo en el que se emplea magnesio para reducir tetracloruro de titanio para la generación de esponja de titanio. La esponja de titanio contiene una gran cantidad de impureza de cloruro de magnesio, que debe ser eliminada con destilación al vacío o solución de decapado. Durante este proceso, impureza u óxidos se pueden contener en el producto final de titanio, conduciendo a una pureza pobre de los mismos. Procesos adicionales posteriores se pueden necesitar para un tratamiento posterior para obtener metal de titanio con baja impureza de óxidos. Esto vuelve al titanio de alta pureza muy caro y como resultado limita sus aplicaciones. Así, el desarrollo del proceso de fabricación nuevo para metal de titanio con alta pureza es ahora uno de los desafíos para la industria.

Además tomando polisilicona como un ejemplo para sustancias de semi-conducción, esta sustancia es comúnmente usada en la industria moderna electrónica y fotovoltaica. Debe ser de pureza extremadamente alta (>6N) en estas aplicaciones. Equipamientos conocidos y métodos para fabricar polisilicona de alta pureza, tales como los descritos en "Handbook of Semiconductor Technology", Noyes Publications, Park Ridge, N.J., EEUU, págs 2-16, que es el denominado proceso de Simens, y es habitualmente el proceso primario para fabricar polisilicona, se inicia utilizando negro de carbón en un horno de arco para reducir arena de sílice para obtener silicona de calidad metalúrgica (MG-Si), que es luego puesta en reacción con cloruro de hidrógeno (HCl) para obtener triclorosilano (SiHCl₃). La impureza contenida en el triclorosilano así obtenido se quita por destilación a baja temperatura repetida para obtener triclorosilano purificado. El triclorosilano purificado se calienta y se reduce en un horno de vacío de atmósfera de hidrógeno para depositar como polisilicona de alta pureza. Basado en el requisito para pureza para aplicaciones diferentes, uno o más procesos adicionales de solidificación direccional puede ser además empleado para mejorar adicionalmente la pureza. Aparentemente, el proceso de Simens es un proceso largo y consume gran cantidad de energía y por tanto resulta caro fabricar polisilicona de alta pureza para industrias semiconductoras o fotovoltaicas. Así, el desarrollo de equipamientos y métodos para fabricar polisilicona de alta pureza con costes bajos es ahora uno de los desafíos para la industria.

Resumen de la invención

En vista de lo anterior, la presente invención se dirige a proporcionar un reactor ciclónico que emplea reacción de combustión autopropagante, en la que el oxidante de haluros metálicos y el agente reductor de metales alcalinos y/o metales alcalinotérreos u otros reductores son alimentados, en forma gaseosa o forma líquida, en una manera ciclónica en el reactor para llevar a cabo la reacción de combustión autopropagante. Tales reactores ciclónicos se conocen de la técnica anterior, por ejemplo como se describe en EP 1550 636. La energía térmica liberada por la reacción puede ser además aplicada para mejorar la reacción y es también aplicada para calentar y mantener productos de la reacción a alta temperatura, por lo cual el producto primario de la reacción puede ser eficazmente separado de subproductos mediante la acción ciclónica para así realizar la fabricación continua y controlada de sustancias de alta pureza.

Un primer objetivo de la presente invención es proporcionar un reactor ciclónico de combustión autopropagante, que usa tetracloruro de titanio como oxidante y sodio metálico como reductor para generar continuamente metal de titanio de alta pureza y conteniendo menor cantidad de óxidos y para fundir continuamente lingotes de titanio durante el proceso de reacción.

Un segundo objetivo de la presente invención es proporcionar un reactor ciclónico de combustión autopropagante, que usa tetracloruro de titanio y tricloruro de aluminio como oxidante y sodio metálico como reductor para generar continuamente aleación de titanio y aluminio de pureza alta y conteniendo menor cantidad de óxidos y para fundir continuamente lingotes de titanio y aleación de aluminio durante el proceso de reacción.

Un tercer objetivo de la presente invención es proporcionar un reactor ciclónico de combustión autopropagante, que usa tetracloruro de silicona como oxidante y sodio metálico como reductor para generar continuamente polisilicona de alta pureza y para fundir continuamente lingotes de polisilicona durante el proceso de reacción.

Un cuarto objetivo de la presente invención es proporcionar un reactor ciclónico de combustión autopropagante, que usa tetrafluoruro de silicona como oxidante y sodio metálico como reductor para generar continuamente polisilicona de alta pureza y para fundir continuamente lingotes de polisilicona durante el proceso de reacción.

Un quinto objetivo de la presente invención es proporcionar un reactor ciclónico de combustión autopropagante, que usa tetrafluoruro de silicona como oxidante y sodio metálico como reductor, y al mismo tiempo provisto con fluoruro de sodio y polisilicona de calidad metalúrgica, para generar continuamente silicona de calidad metalúrgica purificada y para fundir continuamente lingotes de polisilicona con la polisilicona purificada durante el proceso de purificación.

Para realizar los objetivos, la presente invención proporciona un reactor ciclónico de combustión autopropagante, comprendiendo una cámara de reacción delimitada por una pared circunferencial en la que al menos una entrada de reductor y una pluralidad de entradas de oxidante se forman de una manera tangencial. Reductor y oxidante son alimentados, junto con gas inerte, a través de las entradas en la cámara de una manera ciclónica para inducir la reacción de combustión autopropagante para generar un producto de metal de alta pureza, tal como titanio, circonio, hafnio, sus aleaciones o silicona u otra sustancia semiconductora. El reactor sirve como un reactor continuo para generación de metal o sustancias semiconductoras de alta pureza.

El efecto del reactor ciclónico de combustión autopropagante de acuerdo con la presente invención es que una combustión ciclónica autopropagante continua es soportada dentro del reactor con reductor y oxidante suministrados en el mismo así como para mejorar la pureza del producto de reacción sin necesidad de destilación repetida ni de procesos de refinamiento y así el proceso de fabricación es simplificado, los costes son reducidos, y los metales altamente purificados, aleaciones, y materiales semiconductores pueden ser obtenidos.

Otro efecto del reactor ciclónico de combustión autopropagante conforme a la presente invención es que la combustión autopropagante es una reacción de combustión continua, que permite la generación continua del producto de reacción, mejor que un proceso de baño, de modo que la eficiencia de fabricación y la calidad de producto de los metales, aleaciones, y materiales semiconductores así fabricados pueden ser mejorados.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención será aparente para los expertos en la técnica leyendo la siguiente descripción de una forma de realización preferida de la misma, con referencia a los dibujos anexos, donde:

1. Reactor ciclónico de combustión autopropagante, comprendiendo:

un recinto (10),

un revestimiento (20) dispuesto dentro del recinto y encerrado por el recinto, el revestimiento formando una cámara vacía (21) y teniendo extremidades superiores e inferiores formando una salida de gas (22) y una salida de producto (23) respectivamente;

al menos una entrada de reductor (30) formado en una pared circunferencial de la cámara en una manera tangencial y comunicando con una parte superior de la cámara recibiendo un reductor y un gas presurizado para suministrar el reductor en la cámara a lo largo de una línea tangencial de la entrada de reductor en una manera presurizada para así impactar con una superficie interna de la pared circunferencial de la cámara para inducir un primer ciclón;

una pluralidad de entradas de oxidante (40)(41)(42)(43)(44)(45) formadas en la pared circunferencial de la cámara en una manera tangencial y comunicando la parte superior de la cámara para respectivamente recibir el oxidante, el oxidante que se suministra en la cámara a lo largo de líneas tangenciales de las entradas de oxidante en una manera presurizada para así impactar con la superficie interna de la pared circunferencial de la cámara para inducir una pluralidad de ciclones, por lo cual, dentro de la cámara, el oxidante colisiona con el reductor alimentado a través de la entrada de reductor para inducir la reacción de combustión autopropagante y así generar el producto primario y el subproducto, el producto primario que se descarga a través de la salida de producto formada en la extremidad inferior de la cámara;

caracterizado por el hecho de que el reactor ciclónico además comprende:

una barra de accionamiento (50) que se extiende a través de la extremidad inferior del revestimiento en la cámara, la barra de accionamiento que es movible hacia arriba/hacia abajo con respecto a la cámara, la barra de accionamiento siendo un elemento vacío definiendo un canal (51) que se extiende a través, un elemento de regulación cónico (52) estando instalado en una extremidad interna de la barra de accionamiento que está localizada dentro de la cámara que se distancia de la superficie interna de la cámara por un espacio, el espacio siendo ajustable por el movimiento de la barra de accionamiento con respecto a la cámara, la barra de accionamiento teniendo una extremidad externa localizada fuera del recinto y formando una salida de subproducto (511) en comunicación con el canal para descargar el subproducto de la reacción entre el reductor que se suministra a través de la entrada de reductor y el oxidante que se suministra a través de las entradas de oxidante;

una primera válvula de control (60) instalada en la barra de accionamiento para controlar el cierre/apertura del canal definido en la barra de accionamiento;

una segunda válvula de control (70) instalada en la salida de gas en la extremidad superior de la cámara para controlar el cierre/apertura de la salida de gas;

una tercera válvula de control (80) instalada en la salida de producto en la extremidad inferior de la cámara para controlar el cierre/apertura de la salida de producto; y

una pluralidad de calentadores (90) dispuestos alrededor de una parte inferior del revestimiento y la salida de producto para facilitar calentamiento al revestimiento y la salida de producto.

2. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde el recinto está hecho de material de aislamiento térmico.

3. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde el revestimiento está hecho de grafito isostático de alta densidad.

4. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde el revestimiento es configurado como un cono invertido con una extremidad superior de diámetro grande y una extremidad inferior de diámetro pequeño.

5. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde la salida de gas de la cámara se extiende fuera del recinto.

6. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde la salida de producto se extiende fuera del recinto.

7. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1 comprendiendo además un calentador (31), una boquilla (32), y una abertura de presurización de gas (33) dispuesta por debajo de la entrada de reductor, donde el calor sirve para calentar y fundir el reductor suministrado a través de la entrada de reductor en una forma líquida, la boquilla sirve para inyectar el reductor que se suministra en una forma líquida o en polvo a través de la entrada de reductor en la cámara del revestimiento, y la abertura de presurización de gas sirve para suministrar un gas inerte para presurización.

8. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde el reductor comprende elementos del grupo 1A y/o 2A de la tabla periódica, y/o sus aleaciones.

9. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde el reductor comprende una sustancia de alta actividad química incluyendo zinc y aluminio.

10. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde las entradas de oxidante son configuradas como un tubo Venturi.

11. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde el oxidante comprende haluro de metal gaseoso.

12. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 11, donde el haluro de metal gaseoso comprende tetracloruro de titanio y/o tricloruro de aluminio.

13. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde el oxidante comprende haluro de silicona.

14. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 13, donde el haluro de silicona comprende tetracloruro de silicona y/o tetrafluoruro de silicona.

15. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde una barra de operación (61) para controlar el cierre/apertura del canal acciona la primera válvula de control formada a través de la barra de accionamiento.

16. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde una barra de operación (61) para controlar el cierre/apertura de la salida de gas acciona la segunda válvula de control.

17. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde una barra de accionamiento (61) para controlar el cierre/apertura de la salida de producto acciona la tercera válvula de control.

18. Reactor ciclónico de combustión autopropagante según la reivindicación 1, donde los calentadores (90) dispuestos alrededor de la parte inferior del revestimiento y la salida de producto comprenden calentadores eléctricos.