DE10017168A1

DE10017168A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Silan

Info

Publication number: DE10017168A1
Application number: DE10017168A
Authority: DE
Inventors: Dirk Mueller; Georg Ronge; Johannes-Peter Schaefer; Hans-Joachim Leimkkuehler; Ulrike Straus; Hans-Dieter Block
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: SolarWorld AG
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-10-11
Also published as: ATE285377T1; UA72597C2; JP2003530290A; EP1268343A1; AU2001263809A1; DE50104884D1; EP1268343B1; US20040091412A1; US6942844B2; WO2001077017A1

Abstract

Silan wird in einem kontinuierlichen Verfahren durch Disproportionierung von Trichlorsilan in mindestens 2 reaktiv/destillativen Reaktionsbereichen, die im Gegenstrom von Dampf und Flüssigkeit durchströmt werden an katalytisch wirkenden Feststoff unter einem Druck im Bereich von 500 mbar bis 50 bar hergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Silan SiH₄ durch katalytisches Disproportionieren von Trichlorsilan SiHCl₃ zu SiH₄ und Siliciumtetrachlorid SiCl₄. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

SiH₄ ist ein hervorragend geeignetes Ausgangsmaterial, aus dem, gegebenenfalls nach weiterer Reinigung, durch thermische Zersetzung sehr reines Silicium in Halb leiterqualität abgeschieden werden kann. Der Bedarf an Reinst-Silicium wächst stark und damit der Bedarf an reinem Silan, dessen hervorragende Eignung zur Reinst- Silicium-Erzeugung immer mehr erkannt und genutzt wird.

Unter den in der Literatur beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Silan ist die Erzeugung aus Trichlorsilan durch Disproportionierung wirtschaftlich vorteilhaft. Bekannt ist es, dass Amine, speziell tertiäre Amine und ihre Hydrochloride und quartäre Ammoniumchloride, sowohl in flüssiger (DE 35 00 318 A1) als auch in fester Form, z. B. an feste Träger gebunden, als Katalysatoren die Disproportionie rung des Trichlorsilans in wirtschaftlich vorteilhafter Weise beschleunigen. An feste Träger gebundene Amine (US-A-4 701 430, US-A-5 026 533, DE 35 00 318 A1, DE 33 11 650 C2, DE-OS-25 07 864) werden vorzugsweise deshalb eingesetzt, weil damit der Eintrag von verunreinigenden Aminen in die reagierende gasförmig-flüs sige Silan-Chlorsilan-Phase vermieden werden kann.

Die in einigen beschriebenen Verfahren gewählten flüssigen Katalysatoren haben den Nachteil, dass sie über die Zeit langsam aus dem Reaktionsteil ausgetragen werden, da sie niemals vollständig von den Reaktionsprodukten abgetrennt werden können. Die mitgeschleppten Katalysatormengen führen in nachfolgenden Verfahrens schritten oder in einem Kreislaufsystem auch in vorgeschalteten Verfahrensschritten zu Problemen, weil sie sich an bestimmten Stellen des Systems sammeln können und dort z. B. unerwünschte Reaktionen katalysieren können. Auch gelingt es mit einem flüssigen Katalysator nicht, diesen möglichst gleichmäßig in der Kolonne zu verteilen, sondern er wird sich aufgrund seines spezifischen Dampfdrucks lokal auf konzentrieren. Dieses Problem wird durch die in DE 35 00 318 A1 vorgeschlagene Verwendung zweier Katalysatoren mit unterschiedlichen Siedepunkten keinesfalls behoben, sondern allenfalls gemindert.

In der Regel wird die Disproportionierung von Trichlorsilan in mehreren Schritten, beispielsweise in zwei Schritten durchgeführt. Es ist jedoch bereits versucht worden, die Disproportionierung in einem Schritt nach dem Prinzip der Reaktivdestillation ablaufen zu lassen. Die Reaktivdestillation ist durch Kombination von Reaktion und destillativer Trennung in einem Apparat, insbesondere einer Kolonne gekennzeich net. Durch die fortlaufende destillative Entfernung der jeweils leichtest siedenden Komponente in jedem Raumelement wird stets ein optimales Gefälle zwischen Gleichgewichtszustand und tatsächlichem Gehalt an leichter siedenden Komponenten bzw. leichtest siedender Komponente aufrecht erhalten, so dass eine maximale Reak tionsgeschwindigkeit resultiert (JP 01 317 114).

Aus der DE-OS-25 07 864 ist ein Verfahren zur Herstellung von Silan bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man in ein Bett eines im Reaktionsmedium unlös lichen Anionenaustauscherharzes, enthaltend tertiäre Amino- oder quaternäre Ammo niumgruppen an einem Kohlenstoffatom, Trichlorsilan einführt und die Temperatur des Harzbettes so hält, dass Trichlorsilan disproportioniert wird einerseits zu Pro dukten, die im Bett aufsteigen, und andererseits zu Siliciumtetrachlorid, das konden siert und zum Kolonnensumpf fließt, und dass man die Temperatur am oberen Teil des Bettes über dem Siedepunkt von Silan und unter dem Siedepunkt von Mono chlorsilan hält und das von Chlorsilanen praktisch freie Silan aus dem Bett gewinnt.

Dieses Verfahren zeichnet sich den anderen bekannten Verfahren gegenüber dadurch aus, dass es

1. apparativ einstufig ist, also Silan und Siliciumtetrachlorid als gewünschte, an gereicherte Produkte von verschiedenen Stellen des gleichen Apparates zu entnehmen gestattet, dass es also mit vergleichsweise geringem apparativen Aufwand und reduziertem Energieeinsatz auskommt, dass es
2. die Produkte Silan (in Konzentrationen zwischen 96 bis 98% SiH₄) und Siliciumtetrachlorid (in Konzentrationen z. B. zwischen 70 bis 80% SiCl₄) in vergleichsweise hoher Konzentration zu erzeugen gestattet, ohne weitere Hilfsaggregate zu benötigen, dass es
3. dank des festen unlöslichen Katalysators (im Weiteren katalytisch wirksamer Feststoff genannt) nur minimalen Eintrag von Verunreinigungen aus dem Katalysator in die Reaktionsmischung aufweist und im Vergleich zu den flüssigen löslichen Katalysatoren einen deutlich geringeren Trennaufwand für die Abtrennung der Katalysatoren erfordert und auch die Ansammlung von flüchtigen, flüssigen Katalysatoren an bestimmten Kolonnenteilen strikt ver meidet und dass es
4. durch das Prinzip der Reaktivrektifikation den Energieaufwand für die Trennung der in den einzelnen Gleichgewichtsstufen der Disproportionierung entstehenden Silane oder Chlorsilane verringert.

Allerdings besteht ein schwerwiegender Nachteil dieses in der DE-OS-25 07 864 be schriebenen Verfahrens darin, dass der für die Trennung der Silane oder Chlorsilane aufgewendete Energiebetrag vollständig auf einem den Kondensationstemperaturen entsprechenden sehr niedrigen Temperaturniveau abgeführt werden muß. Am Kopf der Kolonne muß nach DE-OS-25 07 864 nämlich eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur von Monochlorsilan SiH₃Cl eingestellt werden und im Bereich des Einlaufs von Trichlorsilan SiHCl₃ eine Temperatur, die die Ver dampfung des Trichlorsilans ermöglicht. Somit wird die zur Verdampfung der ver schiedenen Chlorsilane und des Silans in den einzelnen Abschnitten der Kolonne erforderliche Energie letztlich bei einer Temperatur unterhalb der Kondensations temperatur des Monochlorsilans abgeführt, also abhängig vom Druck unterhalb von -50°C bis -120°C. Nun ist die Wärmeabfuhr auf niedrigem Temperaturniveau be kanntermaßen aufwendig und mit zusätzlichem Energieverbrauch verbunden und zwar zunehmend, je niedriger die Temperatur des Kühlmediums einzustellen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein kontinuierliches Verfahren sowie eine Anlage zur Herstellung von Silan durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan zu Silan und Siliciumtetrachlorid anzugeben, bei dem die Disproportionierung reak tiv/destillativ an katalytisch wirkenden Feststoffen abläuft und Silan und Silicium tetrachlorid in vergleichsweise hoher Konzentration gewonnen werden, wobei der für die Trennung der disproportionierten Produkte und deren Kondensation erforderliche Aufwand minimiert ist. Die Wärmeabfuhr soll im wesentlichen bei einem Tempe raturniveau erfolgen, bei dem Kühlmittel mit einer Temperatur, die ohne hohen Auf wand erreichbar ist, einsetzbar sind, um den apparativen und energetischen Aufwand zur Kälteerzeugung für die Wärmeabfuhr zur Kondensation der Produkte zu redu zieren.

Erfindungsgemäß wurde ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von SiH₄ durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan SiHCl₃ zu Silan SiH₄ und Siliciumtetrachlorid SiCl₄ entwickelt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Disproportionierung in mindestens 2 katalytisch wirkenden Feststoff enthaltenden reaktiv/destillativen Reaktionsbereichen unter einem Druck im Bereich zwischen 500 mbar bis 50 bar durchgeführt wird, wobei das in einem ersten Reaktionsbereich erzeugte leichter siedende SiH₄-haltige Produktgemisch im Temperaturbereich von -40°C bis 50°C zwischenkondensiert wird und das dabei nicht kondensierte SiH₄- haltige Produktgemisch in mindestens einen weiteren reaktiv/destillativen Reaktions bereich geführt wird.

Vorteilhaft wird das erzeugte leichter siedende SiH₄-haltige Produktgemisch im Kopfkondensator teilweise oder vollständig kondensiert.

Vorzugsweise wird die Disproportionierung in 2 bis 10, besonders bevorzugt in 2 bis 5 und insbesondere bevorzugt in 2 reaktiv/destillativen Reaktionsbereichen durchge führt.

Geeignete katalytisch wirksame Feststoffe sind bekannt und beispielsweise in der DE-OS-25 07 864 beschrieben. Es sind beispielsweise solche Feststoffe geeignet, die an einem Gerüst aus Polystyrol, vernetzt mit Divinylbenzol, Amino- oder Alkylen amino-Gruppen tragen. Als Amino- oder Alkylenamino-Gruppen seien beispiels weise genannt: Dimethylamino-, Diethylamino-, Ethylmethylamino-, Di-n-propyl amino-, Di-iso-propylamino-, Di-2-chlorethylamino-, Di-2-Chlorpropylamino- Gruppen und deren Hydrochloride oder aber die durch Methylierung, Ethylierung, Propylierung, Butylierung, Hydroxyethylierung oder Benzylierung daraus gebildeten Trialkylammonium-Gruppen mit Chlorid als Gegenion. Selbstverständlich können im Fall quartärer Ammoniumsalze oder protonierter Ammoniumsalze auch kataly tisch wirksame Feststoffe mit anderen Anionen, z. B. Hydroxid, Sulfat, Hydrogen sulfat, Bicarbonat u. a. in das erfindungsgemäße Verfahren eingeführt werden, eine Umwandlung in die Chloridform ist unter den Reaktionsbedingungen mit der Zeit aber unvermeidbar, was auch für organische Hydroxygruppen gilt. Bevorzugt sind demnach solche Ammoniumsalze, die Chlorid als Gegenion enthalten.

Als katalytisch wirksame Feststoffe sind beispielsweise auch Feststoffe geeignet, die aus einem Polyacrylsäure-Gerüst, speziell einem Polyacrylamid-Gerüst bestehen, das z. B. über eine Alkylgruppe Trialkylbenzylammonium gebunden hat.

Eine andere für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Gruppe katalytisch wirk samer Feststoffe sind beispielsweise solche, die an einem Polystyrol-Gerüst, vernetzt mit Divinylbenzol, Sulfonat-Gruppen angebunden haben, denen als Kationen tertiäre oder quartäre Ammoniumgruppen gegenüberstehen.

Im Regelfall sind makroporöse oder mesoporöse Austauscherharze besser als Gel harze geeignet. Weitere geeignete katalytisch wirksame Feststoffe sind beispiels weise solche, die auf einem festen anorganischen Gerüst wie Kieselsäure oder Zeo lith angebundene organische Aminogruppen der obengenannten Art, z. B. solche mit einer 3-Siloxypropyldimethylamino-Gruppe, tragen (US-A-4 701 430). Die geeig neten, katalytisch wirksamen Feststoffe werden üblicherweise in Perlform eingesetzt.

Eine Reihe geeigneter katalytisch aktiver Feststoffe sind kommerziell erhältlich.

Verschiedene geeignete Aktivierungs- und Vorbehandlungsmethoden für diese Kata lysatoren sind dem Fachmann bekannt.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das SiH₄- haltige Produktgemisch zur Konzentrationserhöhung des SiH₄ noch vor Kondensa tion des SiH₄-Endprodukts von im Gemisch enthaltenen schwerer siedenden Chlor silanen getrennt. Die Trennung erfolgt entweder bei gleich gehaltenem Druck oder bevorzugt bei einem gegenüber der Zwischenkondensation erhöhtem Druck, so dass die Konzentration des SiH₄ bei höherem Temperaturniveau zu erreichen ist und somit bei höherer SiH₄-Konzentration eine geringere Produktmenge zu kondensieren ist. Beim Trennen erhaltenes Chlorsilan wird zweckmäßig in einen der reaktiv/destil lativen Reaktionsbereiche zurückgeführt.

Verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeich nungen und entsprechenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 Anlage zur Gewinnung von Silan mit zwei reaktiv/destillativen Reaktionsbereichen, mit Zwischenkondensator und integriertem Ver stärkerteil und einem dem Verstärkerteil nachgeschaltetem externen Kopfkondensator zur Kondensation von Silan;

Fig. 2 Anlage zur Gewinnung von Silan mit zwei reaktiv/destillativen Reaktionsbereichen, mit Zwischenkondensator, integriertem Verstär kerteil und integriertem Kopfkondensator zur Kondensation von Silan;

Fig. 3 Anlage zur Gewinnung von Silan mit zwei reaktiv/destillativen Reak tionsbereichen, mit zwei Zwischenkondensatoren und integriertem Verstärkerteil und einem dem Verstärkerteil nachgeschaltetem exter nen Kopfkondensator zur Kondensation von Silan;

Fig. 4 Anlage zur Gewinnung von Silan mit zwei reaktiv/destillativen Reak tionsbereichen, mit Zwischenkondensator und integriertem Verstärker teil, einem dem Verstärkerteil nachgeschalteten externen Kondensator, diesem nachgeschalteter Trennkolonne und an der Trennkolonne ange schlossenem Kopfkondensator zur Kondensation von Silan.

Fig. 5 Ausführung mit extern angeordneten Reaktoren.

In Fig. 1 ist ein Fließschema einer Anlage zur kontinuierlichen Gewinnung von Silan SiH₄ dargestellt, die eine Reaktionskolonne 1 mit reaktiv/destillativen Reak tionsbereichen 2 und 7 zur katalytischen Disproportionierung von Trichlorsilan SiHCl₃ aufweist. Die Disproportionierung in den Reaktionsbereichen 2 und 7 erfolgt in Katalysatorbetten, die jeweils aus einer für die Disproportionierungsprodukte durchströmbaren Schüttgutschicht aus Festkörpern aus katalytisch wirksamen Feststoffen bestehen. Statt einer Schüttgutschicht können im Reaktionsbereich auch gepackte Katalysatorkörper vorgesehen sein.

Das SiHCl₃ wird der Reaktionskolonne 1 über einen Zulauf 3 zugeführt, der in die Kolonne an geeigneter Stelle mündet. Beispielsweise kann der Zulauf in den Ab triebsteil 4, zwischen den reaktiv/destillativen Reaktionsbereich 2 und den Abtriebs teil 4, in die reaktiv-destillative Reaktionszone 2, in den Zwischenkondensator 6 und/oder in den reaktiv/destillativen Reaktionsbereich 7 münden. In den Reaktions bereichen 2 und 7 wird durch Disproportionierung von SiHCl₃ ein SiH₄-haltiges, im Reaktionsbereich aufsteigendes dampfförmiges Produktgemisch, und ein SiCl₄ ent haltendes, im Reaktionsbereich abströmendes Flüssigkeitsgemisch gebildet.

Die aus dem Reaktionsbereich austretende SiCl₄ enthaltende Flüssigkeit wird in der Reaktionskolonne 1 in einen unterhalb der reaktiv/destillativen Reaktionsbereiche 2 und 7 angeordneten destillativen Abtriebsteil 4 eingeführt, unter dem sich ein Sumpf verdampfer 5 befindet, aus dem als Sumpfprodukt Siliciumtetrachlorid SiCl₄ über einen Abfluß 14 abfließt. Über den Wärmetauscher 5 erfolgt der erforderliche Wärmeeintrag in die Reaktionskolonne zur Disproportionierung von SiHCl₃.

Für das im Reaktionsbereich 2 aufsteigende SiH₄-haltige Produktgemisch ist ober halb der Reaktionsbereiche 2 und 7 ein Zwischenkondensator 6 vorgesehen, in dem durch Teilkondensation von schwerer siedenden Komponenten bei einer Temperatur zwischen -40°C und 50°C, bevorzugt zwischen -5°C und 40°C, die Konzentration von SiH₄, SiH₃Cl und SiH₂Cl₂ im Produktgemisch erhöht wird. Die Konden sationswärme wird von einem den Zwischenkondensator 6 durchströmenden Kühl medium abgeführt. Die im Zwischenkondensator 6 nicht kondensierten, leichter siedenden Produktanteile werden zur weiteren Konzentrationserhöhung einem dem Zwischenkondensator in Strömungsrichtung der aufsteigenden Produktanteile nach geschalteten zweiten reaktiv/destillativen Reaktionsbereich 7 und anschließend einem Verstärkerteil 8 zugeführt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Ver stärkerteil 8 oberhalb des reaktiv/destillativen Reaktionsbereiches 7 eingesetzt und in die Reaktionskolonne 1 integriert. Der Verstärkerteil kann aber auch außerhalb der Reaktionskolonne angeordnet sein. Das aus dem Verstärkerteil 8 abziehende Produktgemisch wird schließlich vom Kopf der Reaktionskolonne über einen Abzug 9 in einen Kopfkondensator 10 geleitet, dort niedergeschlagen und als erhaltenes SiH₄-Endprodukt über eine SiH₄-Produktleitung 11 flüssig abgeführt. Ein Teil des gewonnenen SiH₄ wird über eine Zweigleitung 12 zum Kopf der Reaktionskolonne 1 zurückgeführt. Die Zweigleitung 12 mündet in die Kolonne oberhalb des Verstärker teils 8.

Die, bei der Kondensation des SiH₄ im Kopfkondensator 10 als Rest anfallenden, inerten Gasanteile werden vom Kopfkondensator über eine Inertgasleitung 13 ab gezogen.

Erfindungsgemäß wird in der Ausführungsform nach Fig. 1 nach Kondensation des am Kopf der Reaktionskolonne 1 abgezogenen Produkts im Kopfkondensator 10 Silan in einer Konzentration von <70%, bevorzugt <90%, besonders bevorzugt <98% gewonnen. Dabei erfolgt nach Disproportionierung von SiHCl₃ im reaktiv/destil lativen Reaktionsbereich 2 erfindungsgemäß eine Zwischenkondensation des vom Reaktionsbereich zum Kopf der Reaktionskolonne 1 hin strebenden leichter siedenden SiH₄-haltigen Produktes. Der Zwischenkondensator 6 arbeitet bei Tempe raturen, bei denen die Abführung der Kondensationswärme mit einem Kühlmedium noch zwischen -40°C und 50°C möglich ist, bevorzugt zwischen -5°C und 40°C, so dass nur ein anteiliger wesentlich kleinerer, nicht kondensierter Teil des SiH₄-, SiH₃Cl- und SiH₂Cl₂-haltigen Produktgemisches dem erfindungsgemäßen zweiten reaktiv/destillativen Reaktionsbereich 7 und dem mit normalen Einbauten für die Destillation, wie beispielsweise Böden und Packungen ausgestatteten Verstärkerteil 8 zugeführt wird. Nur der aus dem Verstärkerteil strömende Gasstrom ist schließlich im Kopfkondensator 10 bei sehr tiefen Temperaturen zu kondensieren.

Der Verstärkerteil 8 samt zugehörigem Kopfkondensator 10 kann auch außerhalb der Reaktionskolonne 1 extern angeordnet sein.

Bei den üblicherweise angewendeten Drücken von 500 mbar bis 50 bar, bevorzugt 1 bis 10 bar, und den gewünschten Reinheiten des Silanprodukts ist der Kopfkon densator 10 unterhalb der Kondensationstemperaturen von < -40°C, meist sogar unter < -60°C zu betreiben. Durch die Installation rein destillativer Trennabschnitte vor Kondensation des Silan-Endprodukts und das Anordnen eines destillativen Abtriebsteils 4 oberhalb des Sumpfverdampfers 5 wird die eingetragene Energie mehrfach genutzt, und zwar (1) zur Reinigung und Konzentrierung des Silans im Verstärkerteil 8, (2) zur ständigen destillativen Entfernung der bezogen auf die jeweiligen lokalen apparativen Verhältnisse leichter siedenden Zwischenprodukte bzw. Produkte und damit zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit in den reaktiv/destillativen Reaktionsbereichen 2 und 7, und (3) zur Reinigung des SiCl₄ im unteren Teil der Reaktionskolonne. Durch den destillativen Abtriebsteil 4 und die dadurch mögliche Reinigung des am Sumpf entnommenen SiCl₄ entsteht ein weiterer Vorteil gegenüber dem aus DE-OS-25 07 864 bekannten Verfahren, weil eine nachfolgende Kolonne zur Reinigung des SiCl₄ entfallen kann und somit auch die für diesen Verfahrensschritt erforderliche Energie eingespart wird.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Die Reaktionskolonne 1 entspricht im Aufbau im Wesentlichen der Ausführung nach Fig. 1. Alle Apparateteile, die analog den Teilen nach Fig. 1 gestaltet sind, werden mit dem gleichen Bezugszeichen angegeben. Abweichend zur bisher betrachteten Ausführung ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 der Kopfkondensator 10 nicht extern, außerhalb der Kolonne, angebracht, sondern vielmehr in die Reaktionskolonne 1 integriert. Die Integration des Kopfkondensators 10 in die Reaktionskolonne 1 ist zum einen platzsparend und bietet zum anderen darüber hinaus sicherheitstechnische Vorteile, da der silanhaltige Holdup in der Anlage reduziert wird.

In Fig. 3 ist als weiteres Beispiel eine dritte Ausführungsform gezeigt. Auch diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführung nach Fig. 1. Alle Apparateteile, die analog den Teilen nach Fig. 1 gestaltet sind, werden mit dem gleichen Bezugszeichen angegeben. Die Reaktionskolonne 1 ist in der Ausführungs form gemäß Fig. 3 nicht mit einem einzigen, sondern mit zwei Zwischenkonden satoren 6 und 6' ausgestattet. Die Verwendung von zwei oder mehreren Zwischen kondensatoren bietet die Möglichkeit, die Zwischenkondensationswärme auf ver schiedenen Temperaturniveaus mit geringen treibenden Temperaturdifferenzen exer getisch vorteilhaft abzuführen.

Vorteilhaft werden erfindungsgemäß 1 bis 5 Zwischenkondensatoren eingesetzt, vorzugsweise 1 bis 3, besonders bevorzugt 1 bis 2.

Ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Dieses Beispiel zeigt die Verwendung einer an die Reaktionskolonne 1 des Ausführungs beispiels 1 nachgeschaltete Trennkolonne 15 zur weiteren Aufkonzentrierung bzw. Reinigung des silanhaltigen Produktgemischs. Alle Apparateteile, die analog den Teilen nach Fig. 1 gestaltet sind, werden mit dem gleichen Bezugszeichen angegeben. Die Trennkolonne 15 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 dem Kondensator 10 nachgeschaltet, der zwischen Verstärkerteil 8 und Trennkolonne 15 angeordnet ist. Im Kondensator 10 wird das aus dem Verstärkerteil 8 über den Abzug 9 abströmende, nicht kondensierte SiH₄-haltige Produktgemisch vor Eintritt in die Trennkolonne 15 zumindest zu einem Teil kondensiert, so dass in die Trennkolonne 15 ein an SiH₄ höher aufkonzentriertes Produktgemisch eingeführt wird. Beispiels weise werden mindestens 30% des aus dem Verstärkerteil 8 über den Abzug 9 abströmenden, nicht kondensierten SiH₄-haltigen Produktgemischs kondensiert. Vom im Kondensator 10 erzeugten Kondensat wird ein Teil über eine Zweigleitung 12 in die Reaktionskolonne 1 oberhalb ihres Verstärkerteils 8 als Rücklauf zurück geführt. Der übrige Teil des Kondensats wird von einer Flüssigkeitspumpe 16 komprimiert und in einer Druckleitung 17 zur Trennkolonne 15 geführt. Wird im Kondensator 10 nur ein Teil des vom Verstärkerteil 8 abziehenden Produktgemisches kondensiert, wird der Rest über einen Abzug 13 mittels eines Kompressors 18 abgesaugt und komprimiert über eine Druckleitung 17' in die Trennkolonne 15 eingeleitet. Alternativ kann der Strom 13 auch einer Aufarbeitung zugeführt werden.

Vom Kopf der Trennkolonne 15 führt ein Abzug 19 zu einem Kopfkondensator 20, aus dem das gewonnene kondensierte und aufkonzentrierte bzw. gereinigte Silan in einer SiH₄-Produktleitung 21 abgeführt wird. Ein Teil des flüssigen Silans wird in einer Zweigleitung 22 zurück in die Trennkolonne 15 geleitet. Im Kopfkondensator als Rest anfallende inerte Gasanteile strömen über eine Inertgasleitung 23 ab.

Vom Sumpf 24 der Trennkolonne 15 wird das Sumpfprodukt der Trennkolonne über einen Sumpfabzug 25 abgeführt. Ein Teil des Sumpfprodukts kann, falls gewünscht, über die Zweigleitung 26 in die Reaktionskolonne 1 zurückfließen, ein weiterer Teil wird über eine Rückführung 27 nach Verdampfung im Wärmetauscher 28 in den Sumpfbereich der Trennkolonne 15 zurückgeführt, ein weiterer Teil kann zur Aus schleusung von Verunreinigungen ganz aus der Anlage entnommen werden (29).

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird zur Erhöhung der Kondensationstempe ratur im Kondensator 10 und zur weiteren Absenkung der bei sehr niedriger Tempe ratur abzuführenden Kondensationsenergie durch Minderung der Rücklaufmenge gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und vollständiges oder teilweises Kondensieren im Kondensator 10 ein flüssiges oder gasförmiges Kopfprodukt mit geringerer Silanreinheit zwischen 25% bis 90% erzeugt. Dieses Kopfprodukt wird dann zur weiteren Reinigung in der nachgeschalteten Trennkolonne 15 getrennt, wobei ein gleicher oder vorzugsweise höherer Druck als in der Reaktionskolonne 1, vorzugsweise 15 bar bis 100 bar, eingestellt ist, so dass die Trennkolonne 15 folglich bei höheren Temperaturen, bezogen auf gleiche Zusammensetzung, arbeitet als die Reaktionskolonne 1. Auch bei dieser Variante kann das Sumpfprodukt der getrennt stehenden Trennkolonne 15 abhängig von den gewählten Betriebsbedingungen Anteile Trichlorsilan, Dichlorsilan und Monochlorsilan enthalten. Das Sumpfprodukt wird über die am Abzug 25 angeschlossene Zweigleitung 26 ganz oder teilweise in die Reaktionskolonne 1 zurückgeführt.

Die Zulaufmenge oder die Zulaufmengen in die Reaktionskolonne über die Zuleitun gen 3 und gegebenenfalls 26, werden gemeinsam oder getrennt, gegebenenfalls nach Vorreaktion in einem Vorreaktor, in Abhängigkeit von der jeweiligen Zusammen setzung in den Abtriebsteil 4, zwischen den reaktiv/destillativen Reaktionsbereich 2 und Abtriebsteil 4, in die reaktiv-destillative Reaktionszone 2, in den Zwischen kondensator 6 und/oder in den reaktiv/destillativen Reaktionsbereich 7 geführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Drücken zwischen 500 mbar und 50 bar, vorzugsweise zwischen 1 bar und 10 bar, besonders bevorzugt zwischen 2 bar und 5 bar, im reaktiv/destillativen Reaktionsbereich mit katalytisch wirksamen Fest stoffen betrieben. Mit den Drücken werden die Temperaturen im System beeinflußt. Die Temperaturen in den Abschnitten der reaktiv/destillativen Reaktionsbereiche, in denen die Disproportionierung stattfindet, liegen zwischen -10°C und 180°C, vor zugsweise zwischen 20°C und 110°C. Die jeweils einzustellende Temperatur richtet sich nach dem Stabilitätsbereich der eingesetzten katalytisch wirksamen Feststoffe.

Nachteil der früher beschriebenen Verfahren zur destillativen Abtrennung von reinem Silan bei überlagerter Reaktion ist die große Wärmemenge, die bei der Kondensationstemperatur des Silans bei gegebenem Druck, also z. B. bei -50°C bis -120°C abgeführt werden muß. Die Kondensation bei diesen Temperaturen ist, wie bereits erläutert, wirtschaftlich sehr ungünstig. Die bei Betrieb ohne Zwischenkon densator abzuführende Wärmemenge liegt in der gleichen Größenordnung wie die am Sumpf der Reaktionskolonne zugeführte Wärmemenge und die für die Wärme abfuhr aufzubringenden Kosten dürften somit die Kosten für den Wärmeeintrag im allgemeinen deutlich übersteigen. Dies wird durch die erfindungsgemäße Zwischen kondensation größtenteils vermieden. Beispielsweise läßt sich schon bei Verwen dung eines 25°C warmen Kühlmediums für die Zwischenkondensation zur Ab kühlung des oberhalb des Zwischenkondensators bzw. oberhalb der Zwischenkon densatoren austretenden Gasstromes auf 40°C in Abhängigkeit vom Systemdruck 60% bis 97% der abzuführenden Kondensationswärme bei der Zwischenkonden sation abführen, so dass nur noch 3% bis 40% der Kondensationswärme bei Kondensationstemperatur des Silans abgeführt werden müssen. Dennoch gelingt bereits oberhalb des Zwischenkondensators in einer auf den oberen Reaktionsbereich 7 aufgesetzten und/oder in einer getrennten aufgestellten Trennkolonne eine Reinigung des Silans auf vorzugsweise mehr als 90% SiH₄, besonders bevorzugt mehr als 98% SiH₄, wobei der zur Kondensation des Silans geeignete Kondensator am Kopf der Trennkolonne mit einer Kühlmitteltemperatur unterhalb der Konden sationstemperatur des Silans betrieben wird.

Die erfindungsgemäßen Anlagen enthalten in den Reaktionskolonnen vorzugsweise Einbauten, die einen intensiven Stoffaustausch zwischen Gas- und Flüssigphase gewährleisten und gleichzeitig einen intensiven Kontakt zum festen Katalysator erlauben. Aufgrund der Kombination von Stoffübergang und Reaktion wird in den reaktiv/destillativen Reaktionsbereichen durch die schnelle Abtrennung entstehender Produkte ein ausreichender Abstand vom jeweiligen chemischen Reaktionsgleich gewicht gewährleistet, so dass die Reaktion stets mit hoher Reaktionsgeschwin digkeit verläuft. Beispiele für solche Einbauten sind Böden, Packungen oder Füll körper zum Einbringen heterogener Katalysatoren, wie sie z. B. in folgenden Druck schriften beschrieben sind: EP 670 178 A2, EP 461 855 A2, US-A-5 026 459, US-A-4 536 373, WO 94/08681 A1, WO 94/08682 A1, WO 94/08679 A1, EP 470 655 A1, WO 97/26971 A1, US-A-5 308 451, EP 755 706 A1, EP 781 829 A1, EP 428 265 A1, EP 448 884 A1, EP 640 385 A1, EP 631 813 A1, WO 90/02603 A1, WO 97/24174 A1, EP 665 041 A1, EP 458 472 A1, EP 476 938 A1 und deutsches Gebrauchsmuster 298 07 007.3. Es ist aber auch möglich, den katalytisch wirksamen Feststoff als solchen oder in einer agglomerierten Form auf Destillationsböden auszubreiten. Im Verfahren werden die Verweilzeit, das Volumen des katalytisch wirksamen Feststoffs und die destillative Trennwirkung im Reaktionsbereich auf die Reaktionskinetik und die Stoffübergangskinetik abgestimmt, wobei das Optimum der Parameter stark von den Randbedingungen wie z. B. vom gewählten katalytisch aktiven Feststoff, dem Stoffsystem und den gewählten Druck- und Temperatur bedingungen abhängt.

Alternativ kann der katalytisch aktive Feststoff in externe, gegebenenfalls tempe rierte Reaktoren eingebracht werden, wobei wechselweise die Flüssigphase von der Reaktionskolonne in den Reaktor und von dort zur Stofftrennung wieder zurück in die Reaktionskolonne geführt wird. Zur Entkopplung unterschiedlicher Temperaturen innerhalb der Reaktionskolonne und in externen Reaktoren ist eine Temperierung der Stoffströme zwischen Reaktionskolonne und den Reaktoren möglich.

In Fig. 5 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt, in der die reaktiv/destillativen Reaktionsbereiche 2 und 7 aus den Fig. 1 bis 4 durch extern angeordnete Reaktoren ersetzt sind. Das aus einem destillativen Teil 30 ablaufende flüssige Gemisch gelangt, gegebenenfalls über Wärmerückgewinnung 31 und Temperierung 32 in einen von oben nach unten oder von unten nach oben durch strömten Reaktor 33 und daraus auf den nächsten destillativen Abschnitt. Die Sequenz "destillativer Abschnitt-Temperierung-Reaktor" läßt sich beliebig oft über einander anordnen.

Die in den Reaktionsbereichen der Reaktionskolonnen ablaufende Disproportionie rung wird gemäß der Erfindung durch eine rein destillative Abtrennung und Reinigung der an Kopf und Sumpf der Reaktionskolonnen auszuschleusenden Silan bzw. Siliciumtetrachlorid enthaltenden Produkte ergänzt. Die destillative Trennung wird mittels der üblichen Einbauten für die reine Destillation wie Böden, Packungen und Füllkörpern durchgeführt. Für die ablaufende schwerer siedende SiCl₄-Kom ponente ist es günstig, durch rein destillative Abtrennung unterhalb des reaktiv/destil lativen Reaktionsbereiches im unteren Bereich der Reaktionskolonne ein weitgehend aufkonzentriertes Siliciumtetrachlorid mit mehr als 70% SiCl₄, vorzugs weise mehr 95% SiCl₄, besonders bevorzugt mehr als 99% SiCl₄ als Sumpfprodukt zu erzeugen und dieses dem Sumpf der Reaktionskolonne zu entnehmen.

Bezugszeichenliste

1

Reaktionskolonne

2

reaktiv/destillativer Reaktionsbereich

3

SiHCl₃

-Zuleitung

4

destillativer Abtriebsteil

5

Sumpfverdampfer

6

,

6

' Zwischenkondensator

7

reaktiv/destillativer Reaktionsbereich

8

destillative Trennzone

9

Dampfabzug

10

Kopfkondensator

11

SiH₄

-Produktleitung

12

Zweigleitung

13

Dampfabzugsleitung

14

SiCl₄

-Abfluß

15

Trennkolonne

16

Flüssigkeitspumpe

17

Druckleitung

18

Kompressor

19

Dampfabzug

20

Kopfkondensator

21

SiH₄

-Produktleitung

22

Zweigleitung

23

Dampfabzugsleitung

24

Sumpf

25

Sumpfabzug

26

Zweigleitung

27

Rückführung

28

Verdampfer

29

Ausschleusung

30

Destillationsteil

31

Wärmerückgewinnung

32

Temperierung/Wärmetauscher

33

Reaktor

Claims

1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Silan SiH₄ durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan SiHCl₃ zu Silan SiH₄ und Silicium tetrachlorid SiCl₄, dadurch gekennzeichnet, dass die Disproportionierung in mindestens 2, katalytisch wirkenden Feststoff enthaltenden reaktiv/destil lativen Reaktionsbereichen unter einem Druck im Bereich zwischen 500 mbar bis 50 bar durchgeführt wird, wobei das in einem ersten reaktiv/destillativen Reaktionsbereich erzeugte, leichter siedende SiH₄-haltige Produktgemisch im Temperaturbereich von -40°C bis 50°C zwischenkondensiert wird und das dabei nicht kondensierte SiH₄-haltige Produktgemisch in mindestens einen weiteren reaktiv/destillativen Reaktionsbereich geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte leichter siedende SiH₄-haltige Produktgemisch im Kopfkondensator teilweise oder vollständig kondensiert wird.

3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen den Reaktionsbereichen insgesamt mehrere Zwischenkondensationen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus im Bereich von -40°C bis 50°C vorgenommen werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der Druck in den Reaktionsbereichen 1 bis 10 bar beträgt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die Zwischenkondensationen bei Temperaturen im Tempe raturbereich zwischen -10°C und 50°C erfolgen.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass das im Kopfkondensator anfallende Produktgemisch in einer nachfolgenden Aufarbeitung bei einem gegenüber der Disproportionierung erhöhtem Druck getrennt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Chlorsilane aus der Aufarbeitung des im Kopfkondensator anfallenden Produktgemisches zumindest zu einem Teil in den reaktiv/destillativen Reaktionsbereich zurückgeführt werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass das in den Reaktionsbereichen erzeugte leichter siedende Pro dukt in einer destillativen Trennzone auf einen Silangehalt <50 Gewichts-% aufkonzentriert wird, und das aufkonzentrierte Produktgemisch dem Kopfkondensator zugeführt wird.

9. Anlage zur Herstellung von Silan SiH₄ in kontinuierlicher Weise durch Dis proportionierung von Trichlorsilan SiHCl₃ zu Silan SiH₄ und Silicium tetrachlorid SiCl₄ in einer Reaktionskolonne mit einem Zulauf für SiHCl₃, sowie mit einem Kopfkondensator, der entweder an die Reaktionskolonne angeschlossen oder in die Reaktionskolonne integriert ist, zur Kondensation von erzeugtem SiH₄-haltigen Produkt und einem Abzug für kondensiertes SiH₄ am Kopfkondensator, und mit einem Abfluß an der Reaktionskolonne für als Sumpfprodukt anfallendes SiCl₄, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskolonne mindestens 2 übereinander angeordnete reaktiv/destillative Reaktionsbereiche aufweist, die Festkörper aus katalytisch wirkendem Fest stoff enthaltende, von den Disproportionierungsprodukten und Trichlorsilan durchströmbare Katalysatorbetten aufweisen, und dass zwischen dem unteren der reaktiv/destillativen Reaktionsbereiche und dem Kopfkondensator zu mindest ein Zwischenkondensator angeordnet ist, der bei einer Temperatur im Temperaturbereich von -40°C bis 50°C betrieben wird.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischen kondensator zwischen 2 übereinanderliegenden reaktiv/destillativen Reak tionsbereichen angeordnet ist.

11. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, dass im Zwischenkondensator eine Temperatur im Temperatur bereich von -5°C bis 40°C eingestellt ist.

12. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen dem untersten der reaktiv/destillativen Reaktions bereiche und dem Kopfkondensator mehrere Zwischenkondensatoren ange ordnet sind.

13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen kondensatoren jeweils oberhalb reaktiv/destillativer Reaktionsbereiche ange ordnet sind.

14. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, dass dem obersten Zwischenkondensator in Strömungsrichtung des vom Zwischenkondensator abströmenden leichter siedenden Produktge misches ein reaktiv/destillativer Reaktionsbereich und ein Verstärkerteil zur Erhöhung der SiH₄-Konzentration im Produktgemisch nachgeschaltet ist.

15. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem obersten Zwischenkondensator in Strö mungsrichtung des vom Zwischenkondensator abströmenden leichter siedenden Produktgemischs eine Trennkolonne zur Trennung SiH₄-haltiger Produktanteile von schwerer siedenden Chlorsilan-Komponenten nachgeschaltet ist.

16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkolonne einem Verstärkerteil gemäß Anspruch 14 nachgeschaltet ist.

17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ver stärkerteil und Trennkolonne ein Kondensator angeordnet ist.

18. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekenn zeichnet, dass die Trennkolonne bei einem gegenüber dem Zwischenkonden sator erhöhtem Druck arbeitet und das zur Trennkolonne geführte Produkt komprimiert wird.

19. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, dass am Sumpfabzug der Trennkolonne eine Zweigleitung an geschlossen ist, die in einen reaktiv/destillativen Reaktionsbereich der Reak tionskolonne mündet.