DE112005003497T5 - Process for the preparation of hydrochlorosilanes - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Hydrochlorsilane, umfassend das Umsetzen von Wasserstoff, einer Chlorquelle und Siliciumteilchen, auf die ein Hydrochlorierungsbeschleunigermetall durch chemisches Aufdampfen abgelagert wurde, umfassend das Entfernen von Sauerstoff von der Oberfläche der Siliciumteilchen, das Reduzieren einer reduzierbaren Substanz, die das Hydrochlorierungsbeschleunigermetall umfasst, und das Ablagern des Hydrochlorierungsbeschleunigermaterials auf die sauerstoffbefreiten Siliciumteilchen.method for producing one or more hydrochlorosilanes, comprising the conversion of hydrogen, a chlorine source and silicon particles, a hydrochloride accelerator metal by chemical Depositing was deposited, comprising the removal of oxygen from the surface the silicon particles, reducing a reducible substance, which includes the hydrochlorination accelerator metal, and the deposition of the hydrochlorination accelerator material to the oxygen Silicon particles.
Description
Hintergrund und ZusammenfassungBackground and abstract
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff-enthaltenden Chlorsilanen, insbesondere Trichlorsilan und Dichlorsilan, aus Silicium.These The invention relates to a process for the preparation of hydrogen-containing Chlorosilanes, in particular trichlorosilane and dichlorosilane, of silicon.
Es
ist bekannt, Trichlorsilan durch Umsetzen von Siliciumtetrachlorid
mit Wasserstoff und Silicium ohne Verwendung eines Katalysators
oder Beschleunigers zu erzeugen (Ingle,
Es
ist auch bekannt, daß Trichlorsilan
durch Umsetzen von Chlorwasserstoff und Silicium ohne einen Katalysator
hergestellt werden kann, dargestellt durch:
Es
ist auch bekannt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit und die Reaktionsselektivität erhöht werden
können,
wenn bestimmte Metalle, wie Kupfer, verwendet werden (Breneman,
Wagner
(
In
all diesen Verfahren des Standes der Technik werden beträchtliche
Bemühungen
unternommen im Hinblick auf die Herstellung einer sehr fein verteilten
Form von Kupfer und einem nachfolgenden, sorgfältig gesteuerten Verfahren
des engen und wirkungsvollen Zusammenbringens dieser feinen Form
von Kupfer mit einem Siliciummaterial. Das Durchführen des
Kupferbeschichtens in einer bezüglich
der Hydrierungsreaktionszone außerhalb
angeordneten Zone, z.B. Downing (
Alle Verfahren des Standes der Technik erkennen die Wirkung von natürlichem Oberflächenoxid auf Silicium bei Berücksichtigung der Rolle des Beschleunigers oder Katalysators nicht. Ein natürliches Oxid auf dem Siliciummetall verhindert das wirksame Binden von Kupfer an die Siliciumoberfläche, was wiederum das wirksame Einlagern des Katalysators vermindert oder den Nutzen des Katalysators hinauszögert, bis das natürliche Oxid durch einen anderen chemischen Vorgang innerhalb des Verfahrens entfernt werden kann. Das natürliche Oxid kann ein wenig durch extremes Mahlen entfernt werden. Aber wenn das Oxid einmal entfernt ist, muss das Silicium in einem sauerstofffreien Zustand gehalten werden, ein schwieriges und kostspieliges Verfahren in praktischen kommerziellen Unterfangen.All Prior art methods recognize the effect of natural surface oxide considering silicon the role of the accelerator or catalyst not. A natural one Oxide on the silicon metal prevents the effective binding of copper to the silicon surface, what in turn reduces the effective incorporation of the catalyst or the benefit of the catalyst is delayed until the natural oxide removed by another chemical process within the process can be. The natural Oxide can be removed a bit by extreme grinding. But if Once the oxide is removed, the silicon must be in an oxygen-free state State, a difficult and expensive procedure in practical commercial ventures.
Es wäre daher nützlich, ein vereinfachtes Verfahren zum Bilden einer aktiven Katalysatorspezies zu haben, um die Herstellung von Hydrochlorsilanen zu verbessern. Mit einem wirksamen und aktiven Katalysator können Hydrochlorsilane aus der Reaktion von Silicium und Wasserstoff mit einer Chlorquelle erzeugt werden. Die Chlorquelle kann Chlorwasserstoff, Siliciumtetrachlorid oder eine Kombination dieser zwei sein. In Abhängigkeit des Zwecks kann ferner das Verhältnis von Dichlorsilan und Trichlorsilan verändert werden, indem das Wasserstoff:Chlorid-Verhältnis, die Gasverweildauer, und die Reaktionstemperatur und -druck verändert werden, wenn der wirksame Katalysator verwendet wird.It would therefore be useful to have a simplified process for forming an active catalyst species to improve the production of hydrochlorosilanes. With an active and active catalyst, hydrochlorosilanes can be generated from the reaction of silicon and hydrogen with a chlorine source. The source of chlorine may be hydrogen chloride, silicon tetrachloride or a combination of these two. Further, depending on the purpose, the ratio of dichlorosilane and trichlorosilane can be changed by the hydrogen: Chlo Rid ratio, the gas residence time, and the reaction temperature and pressure are changed when the effective catalyst is used.
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Um
einen wirksamen Katalysator unter Verwendung Silicium herzustellen,
können
die Schwierigkeiten, die durch ein natürliches Oxid auf der Oberfläche des
Siliciums vorliegen, durch Einsatz eines Reaktionstyps überwunden
werden, bei dem das Silicium zunächst
einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt
wird, um das Oberflächenoxid
zu entfernen. Wasserstoffgas bei einer erhöhten Temperatur kann dies durch
die Reaktion:
Die resultierende Siliciumoberfläche ist dann im Wesentlichen frei von Oxid, falls diese in einer sauerstofffreien Umgebung gehalten wird.The resulting silicon surface is then substantially free of oxide, if these are in an oxygen-free state Environment is maintained.
Kupfer(I)-chlorid
ist eine reduzierbare Substanz, die durch Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen
schnell reduziert wird:
Die Reduktion der Reaktion (5) erfolgt in einer Wasserstoffatmosphäre autogen bei Temperaturen oberhalb etwa 275°C.The Reduction of the reaction (5) is autogenous in a hydrogen atmosphere at temperatures above about 275 ° C.
Kommerziell erhältliches Silicium für metallurgische Zwecke oder reines Silicium wird als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Trichlorsilan mittels der Reaktion (1) oder (2) verwendet. Ein solches Silicium weist inhärent ein natürliches Oxid auf, das auf der Siliciumoberfläche vorliegt. Nach der üblichen kommerziellen Praxis wird das Silicium gemahlen und gesiebt, um eine Teilchengröße bereitzustellen, die sich für die bestimmten Anforderungen der gewählten Verfahrensplanung eignet. Eine Teilchengröße von etwa 200 Mikrometer ist für viele Verfahren geeignet, die Größe ist jedoch ohne Belang, solange die Teilchen klein genug sind, um in einer mischenden Umgebung, wie in einem Fließbettreaktor oder einem gerührten Bettreaktor, zu funktionieren, wobei Gase leicht in Kontakt mit den Siliciumteilchen gebracht werden können.Commercially available Silicon for metallurgical purposes or pure silicon is used as starting material for the Preparation of Trichlorosilane by the Reaction (1) or (2) used. Such silicon inherently has a natural one Oxide, which is present on the silicon surface. After the usual In commercial practice, the silicon is ground and sieved to to provide a particle size for themselves the specific requirements of the chosen process planning is suitable. A particle size of about 200 microns is for Many methods are suitable, but the size is irrelevant, as long as the particles are small enough to be in one mixing environment, such as in a fluid bed reactor or a stirred bed reactor, to work, with gases easily brought into contact with the silicon particles can be.
Durch das Legieren der wirksamen Menge von Kupfer auf die oxidfreie Siliciumoberfläche ist die Verwertung des Kupfers ziemlich gut und die Menge an Kupfer, die zur Vorteilserreichung benötigt wird, ist sehr gering. Dieser Vorteil wird erreicht, indem zusätzliche Mengen an Kupfer und Silicium, je nach Bedarf, zugeführt werden, während die Herstellung von Hydrochlorsilanen bei normaler Temperatur und Druck fortschreitet.By is the alloying of the effective amount of copper on the oxide-free silicon surface the utilization of copper is pretty good and the amount of copper, needed to achieve the advantage is, is very low. This advantage is achieved by adding additional Amounts of copper and silicon, as needed, are fed while the production of hydrochlorosilanes at normal temperature and pressure progresses.
Um
die Hydrochlorsilane allgemein gemäß den Reaktionen (1, 2 oder
3) herzustellen, wird Silicium in ein Gefäß, wie einen Fließbettreaktor
oder einen mechanisch gerührten
Bettreaktor, gegeben und der Reaktor auf die üblichen Betriebsbedingungen von
275°C-550°C mit einer
Zufuhr von gasförmigem Wasserstoff
und einer Chlorquelle gebracht. Die Chlorquelle kann Chlorwasserstoff,
Siliciumtetrachlorid oder eine Kombination davon sein. In Abwesenheit
von Chlorwasserstoff findet die nicht-katalysierte Reaktion:
Gleichzeitig
wird die Oberfläche
des Siliciums durch den Wasserstoff angegriffen, um Oberflächenoxide
und adsorbierte Feuchtigkeit zu entfernen:
Die Reaktionen (6) und (7) werden mit einer Überschußmenge von H2 betrieben. Die Reaktionen (6) und (7) zusammengenommen entfernen alle Oxide oder den Feuchtigkeitsgehalt von wenigstens einem Teil der Oberfläche des Siliciums. Die resultierende im Wesentlichen oxidfreie Siliciumoberfläche ist dann in der Lage, wirksam ein aktives Kupfermetall aufzunehmen und dieses zu binden.The reactions (6) and (7) are operated with an excess amount of H 2 . Reactions (6) and (7) taken together remove all oxides or the moisture content of at least part of the surface of the silicon. The resulting substantially oxide-free silicon surface is then able to effectively take up and bind an active copper metal.
Kupfer, am wirkungsvollsten in Form von Kupfer(I)-chlorid (CuCl), wird dann zu dem Reaktor gegeben, und die Reduktion mit überschüssigem Wasserstoff bei 275°C bis 550°C erfolgt durch die Reaktion (5), um ein Kupfermetall und zusätzliches HCl zu bilden. Das Kupfer, das auf Atombasis erzeugt wird, wird auf wenigstens einem Teil der im Wesentlichen oxidfreien Oberfläche des Siliciums durch chemisches Aufdampfen abgelagert, um eine Kupfer-Silicium-Legierung zu bilden. Insbesondere werden Teilchen von CuCl in situ in nächster Nähe zu dem oxidfreien Silicium reduziert, um den wirksamen Legierungskatalysator zu bilden. Die Kupferablagerung kann aus statistisch angeordneten „Inseln" von Kupfer auf der Oberfläche des Siliciums bestehen. Die Kupfer-Silicium-Oberflächenlegierung ist ein sehr wirksamer Katalysator für die Reaktionen (1), (2) und (3). Sehr erfolgreiche Resultate werden bei Kupfermengen von weniger als 1,0% erhalten. Eine besonders effiziente Funktionsweise wird erreicht, wenn Kupfer 0,01% bis 0,5% der Masse des Kupfer-legierten Siliciums beträgt. Im Hinblick auf ökologischen Erwägungen ist zu bedenken, dass es umso besser ist, je geringer die Kupferverwendung ist, um die benötigte Ausbeute von Hydrochlorsilanen zu erreichen, und die geringen, hierin identifizierten Mengen sind eine Größenordnung geringer als diejenigen, die früher erforderlich waren.Copper, most effectively in the form of copper (I) chloride (CuCl), is then added to the reactor and reduction with excess hydrogen at 275 ° C to 550 ° C is accomplished by reaction (5) to form a copper metal and to form additional HCl. The atomic-based copper is deposited on at least a portion of the substantially oxide-free surface of the silicon by chemical vapor deposition to form a copper-silicon alloy. In particular, particles of CuCl are reduced in situ in close proximity to the oxide-free silicon to form the effective alloy catalyst. The copper deposit may consist of randomly arranged "islands" of copper on the surface of the silicon. The copper-silicon surface alloy is a very effective catalyst for the reactions (1), (2) and (3). Very successful results are obtained with copper levels of less than 1.0%. A particularly efficient mode of operation is achieved when copper amounts to 0.01% to 0.5% of the mass of the copper-alloyed silicon. From an environmental point of view, it is considered that the lower the copper usage is to achieve the required yield of hydrochlorosilanes, and the small amounts identified herein are an order of magnitude lower than those previously required.
Andere reduzierbare Kupferverbindungen können zusätzlich oder als Ersatz für das Kupferchlorid eingesetzt werden. Es können Kupferoxid oder Mischungen von Kupferoxid und Kupfermetall verwendet werden. Wenn diese allerdings verwendet werden, führt der zusätzliche Feuchtigkeitsgehalt, die durch die Wasserstoffreduktion des Kupferoxids gebildet wird, zu einem Verlust von Chlorsilan durch Hydrolyse der Chlorsilane zu Siloxanen, hochsiedenden Verunreinigungen, die ein schwerwiegende Problem bei der Beseitigung aufwerfen. Ein anderes geeignetes reduzierbares Material ist Chlorplatin(IV)-säure. Wenn Siliciumtetrachlorid die Chlorquelle ist, sollte das Beschleunigermetall so gewählt werden, dass dieses die Hydrochlorierungsreaktion in Gegenwart von Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff fördern kann. Wenn die Chlorquelle Chlorwasserstoff ist, sollte das Beschleunigermetall ein Metall sein, das die Hydrochlorierung von Silicium in Gegenwart von Chlorwasserstoff und Wasserstoff fördern kann.Other reducible copper compounds may additionally or as a substitute for the copper chloride be used. It can Copper oxide or mixtures of copper oxide and copper metal used become. However, if these are used, the additional Moisture content resulting from the hydrogen reduction of copper oxide is formed, leading to a loss of chlorosilane by hydrolysis of the Chlorosilanes to siloxanes, high-boiling impurities, the one pose serious problem in the elimination. Another suitable reducible material is chloroplatinic acid. If Silicon tetrachloride is the source of chlorine should be the accelerator metal so chosen be that this the hydrochlorination reaction in the presence of Silicon tetrachloride and hydrogen can promote. When the chlorine source Hydrogen chloride is, the accelerator metal should be a metal that is the hydrochlorination of silicon in the presence of hydrogen chloride and promote hydrogen can.
Wenn ein Material, wie ein Beschleunigermetall, nicht mit der Siliciumoberfläche verbunden ist, ist es bei der Katalysierung der Reaktion (1) wirkungslos. Wenn beispielsweise ein Beschleunigermetall auf einer ansonsten nicht-reaktiven Oberfläche, wie Siliciumdioxid oder Kohle, vorliegt, wird kein fördernder Effekt beobachtet. Das Beschleunigermetall muß auf der Oberfläche des Siliciums vorliegen. Der schnelle Verbrauch von Silicium tritt nur in dem Bereich auf, der unmittelbar an die Stelle des Beschleunigermetalls auf der oxidfreien Siliciumoberfläche angrenzt.If a material such as an accelerator metal is not bonded to the silicon surface is, it is in the catalyzing of the reaction (1) ineffective. For example, if an accelerator metal on one otherwise non-reactive surface, like silica or carbon, does not become a promoter Effect observed. The accelerator metal must be on the surface of the Silicon are present. The rapid consumption of silicon only occurs in the area immediately adjacent to the place of the accelerator metal adjacent to the oxide-free silicon surface.
Die Beschleunigermetall-Silicium-Legierung muß nicht einheitlich auf der Oberfläche des Siliciums verteilt sein. Es muß lediglich in einer ausreichenden Menge vorhanden sein. Und die Entfernung des natürlichen Oxids auf dem Silicium muß nicht vollständig oder einheitlich sein, nur ausreichend, um die Menge des abzulagernden Beschleunigermetalls aufzunehmen.The Accelerator metal-silicon alloy need not be uniform on the surface of silicon. It only has to be sufficient Quantity will be available. And the removal of the natural oxide on the silicon does not have to be complete or be uniform, only sufficient to the amount of the deposited Accelerator metal record.
Eine erhöhte Temperatur wird aufrechterhalten, um die Herstellung der einen oder mehreren erwünschten Hydrochlorsilane zu erreichen. Um die Herstellung von Trichlorsilan aus Siliciumtetrachlorid gemäß der Reaktion (1) zu begünstigen, wird die Temperatur im Inneren des Reaktors am besten bei 400°C bis 500°C gehalten. Um die Produktion von Trichlorsilan und Dichlorsilan aus HCl gemäß den Reaktionen (2) und (3) zu begünstigen, wird die Temperatur im Inneren des Reaktors am besten bei 275°C bis 350°C gehalten.A increased Temperature is maintained to make the one or the other several desired ones To reach Hydrochlorosilane. To the production of trichlorosilane of silicon tetrachloride according to the reaction (1) to favor, For example, the temperature inside the reactor is best kept at 400 ° C to 500 ° C. To the production of trichlorosilane and dichlorosilane from HCl according to the reactions (2) and (3) to favor, the temperature inside the reactor is best kept at 275 ° C to 350 ° C.
Der Reaktor sollte von einem Typ sein, der das Mischen des entoxidierten Siliciums mit der reduzierbaren Substanz, die das Beschleunigermetall umfasst, erleichtert, so dass die zerfallende reduzierbare Substanz auf die Oberfläche des Siliciums befördert wird, auf welcher das Beschleunigermetall abzulagern ist. Besonders geeignete Reaktoren umfassen Fließbettreaktoren, worin die Mischkraft durch sich bewegendes Gas bereitstellt wird, mechanisch bewegte Bettreaktoren, wie einen Reaktionsdrehofen und gerührte Bettreaktoren, und Turmreaktoren, worin die Silicium- und Kupferchloridteilchen durch die Gravitationskraft gegen einen aufsteigenden Strom von wasserstoffreichem Gas fallen können. Die Hydrierungsreaktion kann auch in einer verdünnten Phase (weniger feste Teilchen im Verhältnis zum Reaktorvolumen) durchgeführt werden.Of the Reactor should be of a type that deoxidizes the mixing Silicon containing the reducible substance comprising the promoter metal, relieved, so that the decomposing reducible substance on the surface of silicon on which the accelerator metal is to be deposited. Especially suitable reactors include fluidized bed reactors, wherein the mixing power is provided by moving gas, mechanically moved Bed reactors, such as a reaction rotary kiln and stirred bed reactors, and tower reactors, wherein the silicon and copper chloride particles by the gravitational force against an ascending stream of hydrogen-rich gas can fall. The hydrogenation reaction can also be carried out in a dilute phase (less solid Particles in proportion to the reactor volume) become.
In der praktischen Durchführung dieses Verfahrens wird frisches Silicium für die Zugabe zu dem Hydrochlorierungsreaktor benötigt, um einen im Wesentlichen konstanten Materialbestand aufrechtzuerhalten, da das Silicium durch die Reaktion (1), (2) oder (3) verbraucht wird und Hydrochlorsilane aus dem Reaktor entfernt werden. Das gekörnte Silicium kann entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich in kleinen Inkrementen zugeführt werden. Bei der gleichzeitigen Zufuhr von Kupfer(I)-chloridpulver mit dem gekörnten Silicium kann ein einzelnes, vereinfachtes System verwendet werden. Das Kupfer(I)-chlorid wird demzufolge vorzugsweise direkt zu der Reaktionszone gegeben, wo es zu Kupfer zerfällt und sich auf der im Wesentlichen oxidfreien Oberfläche des bereits in der Reaktionszone vorhandenen Siliciums ablagert. Das zusammen mit dem Kupfer(I)-chlorid zugeführte, frische Silicium erfreut sich einer kurzen Behandlungszeitdauer in der Reaktionszone, um sein natürliches Oxid zu verlieren und wird so für die Reaktion mit dem Kupfer(I)-chlorid vorbereitet, das bei der nächsten Gelegenheit zugegeben wird. Bei diesem Verfahren müssen keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, um entweder das Silicium oder die Kupfer-enthaltende Substanz vorzubehandeln, und das Gesamtergebnis ist eine vorteilhaft hohe Geschwindigkeit der Herstellung von Hydrochlorsilanen bei normaler Temperatur und normalem Druck.In the practical implementation This process will produce fresh silicon for addition to the hydrochlorination reactor needed to maintain a substantially constant stock of material, since the silicon is consumed by the reaction (1), (2) or (3) and hydrochlorosilanes are removed from the reactor. The granular silicon can either continuously or discontinuously in small increments supplied become. In the simultaneous supply of copper (I) chloride powder with the grained Silicon can be used as a single, simplified system. The copper (I) chloride is therefore preferably directly to the Given reaction zone, where it breaks down into copper and on the substantially oxide-free surface of the silicon already present in the reaction zone. The fresh silicon fed together with the cuprous chloride will delight a short treatment period in the reaction zone to his natural Losing oxide and being so for the reaction with the copper (I) chloride prepared at the next Opportunity is added. With this procedure must be no special precautions are taken to either the silicon or to pretreat the copper-containing substance, and the overall result is an advantageously high rate of production of hydrochlorosilanes at normal temperature and pressure.
Andere Materialien, die der Förderung der Hydrochlorierung oder der Bildung von anteilsmäßig höheren Ausbeuten von stärker hydrierten Chlorsilanen dienen können, können auf ähnliche Art und Weise zugegeben werden. Bei der Wahl der Form des Beschleunigermaterials werden die besten Ergebnisse mit denjenigen Formen erzielt, die entweder bei den Reaktionsbedingungen verdampft werden können oder durch Wasserstoff bei der in der Reaktionszone vorhandenen, erhöhten Temperatur reduziert werden können, um ein Beschleunigermetall abzulagern. Solche Materialien umfassen die Oxide, Carbonate und Chloride von Zink und Zinn und die Chloride und Carbonate von Ruthenium, Rhenium, Platin, Silber, Osmium und Nickel.Other materials that promote the hydrochlorination or the formation of proportionally higher yields of more hydrogenated chlorosilila can be added in a similar way. In choosing the shape of the accelerator material, the best results are achieved with those forms that can either be vaporized at the reaction conditions or reduced by hydrogen at the elevated temperature present in the reaction zone to deposit an accelerator metal. Such materials include the oxides, carbonates and chlorides of zinc and tin and the chlorides and carbonates of ruthenium, rhenium, platinum, silver, osmium and nickel.
Die folgenden, nicht-einschränkenden Beispiele veranschaulichen die Durchführung dieses Verfahrens:The following, non-limiting Examples illustrate the implementation of this method:
BEISPIEL 1EXAMPLE 1
Ein Fließbettreaktor mit 122 cm Durchmesser wurde mit 13000 kg auf einen mittleren Teilchendurchmesser von 200 Mikrometer gemahlenem Silicium für metallurgische Zwecke beladen. Der Reaktor wurde gestartet durch Hindurchströmenlassen von 3350 m3/h Wasserstoff bei einer Temperatur von 500°C und einem Druck von 3 MPa. Nachdem der Reaktor die Betriebstemperatur erreicht hatte, wurde mit Siliciumtetrachloriddampf mit einem Durchfluss von 3350 m3/h bei einer Temperatur von 500°C und einem Druck von 3 MPa begonnen. Es wurde ein Reaktorprodukt erhalten, das 20 Mol-% Trichlorsilan, bezogen auf eine wasserstofffreie Basis, enthielt. Wenn sich die Reaktormenge aufgrund des Verbrauchs von Silicium durch die Reaktion (1) um 150 kg verringert hatte, wurde mit der periodischen Zugabe von Silicium für metallurgische Zwecke begonnen und das Verfahren in dieser Art für mehrere Tage fortgesetzt. Nach drei Betriebstagen war das Äquivalent von 72% der ursprünglichen beladenen Siliciummasse verbraucht und mit einer gleichen Menge an frischem Silicium für metallurgische Zwecke ersetzt worden. An diesem Punkt wurde eine Mischung aus Silicium für metallurgische Zwecke und Kupfer(I)-chlorid hergestellt, indem 4,5 kg Kupfer(I)-chlorid zu einem Massesack, der 1363 kg Silicium enthielt, gegeben wurden. Unter Verwendung eines pneumatischen Förderbands zum Transportieren der Kupfer/Silicium-Mischung zu einem Schleusen-Trichter am oberen Ende des Fließbettreaktors wurde die normale Reaktorbeschickung aus Silicium für metallurgische Zwecke durch die Kupfer/Silicium-Mischung ersetzt. Kurz nach der Zugabe der Kupfer(I)-chlorid/Silicium-Mischung wurde festgestellt, dass sich der Wasserstoffverbrauch signifikant erhöht hatte. Das Reaktorprodukt, bezogen auf eine wasserstofffreie Basis, erhöhte sich auf 25 Mol-% Trichlorsilan. Solange das Kupfer(I)-chlorid/Silicium weiter zugegeben wurde, um das verbrauchte Silicium aufzustocken, blieb die Ausbeute von Trichlorsilan auf dem höheren Niveau. Wenn die Zugabe von Kupferchlorid beendet wurde, begann die Ausbeute von Trichlorsilan zurückzugehen und kehrte letztendlich zu dem ursprünglichen Niveau vor Beginn der Zufuhr von Kupfer(I)-chlorid zurück. Die Geschwindigkeit des Rückgangs wies darauf hin, dass das Kupfer sich mit dem Silicium verbunden hatte, so dass dieses nur dann aus dem Reaktor ausgewaschen wurde, wenn das verbundene Siliciumteilchen chemisch auf eine Größe geätzt wurde, die geringer als die Mitreißgröße (~15 Mikrometer) war. Eine Analyse der Reaktionsmasse, nachdem die Trichlorsilanumwandlung auf ihr Vorkatalysatorniveau zurückgegangen war, zeigt, dass sich kein Kupfer akkumulierte, während die Kupfermenge in dem aus dem Reaktor ausgewaschenen, feinen Silicium in direktem Verhältnis zu der verringerten Ausbeute von Trichlorsilan abfiel.A fluid bed reactor 122 cm in diameter was loaded with 13,000 kg of metallurgical grade silicon ground to a mean particle diameter of 200 microns. The reactor was started by flowing 3350 m 3 / h of hydrogen at a temperature of 500 ° C and a pressure of 3 MPa. After the reactor had reached operating temperature, silicon tetrachloride vapor was started at a flow rate of 3350 m 3 / h at a temperature of 500 ° C and a pressure of 3 MPa. A reactor product containing 20 mole percent trichlorosilane based on a hydrogen-free base was obtained. When the reactor amount decreased by 150 kg due to the consumption of silicon by the reaction (1), the periodic addition of metallurgical grade silicon was started and the process continued in this manner for several days. After three days of operation, the equivalent of 72% of the original loaded silicon mass had been consumed and replaced with an equal amount of fresh metallurgical silicon. At this point, a mixture of metallurgical grade silicon and cuprous chloride was prepared by adding 4.5 kg of cuprous chloride to a bulk bag containing 1363 kg of silicon. Using a pneumatic conveyor belt to transport the copper / silicon mixture to a sluice hopper at the top of the fluid bed reactor, the normal metallurgical reactor feed of metallurgical silicon was replaced by the copper / silicon mixture. Shortly after the addition of the copper (I) chloride / silicon mixture, it was found that the hydrogen consumption had increased significantly. The reactor product, based on a hydrogen-free base, increased to 25 mole percent trichlorosilane. As long as the copper (I) chloride / silicon was further added to increase the consumed silicon, the yield of trichlorosilane remained at the higher level. When the addition of copper chloride was stopped, the yield of trichlorosilane began to decrease and eventually returned to the original level before the start of the supply of copper (I) chloride. The rate of decrease indicated that the copper had attached to the silicon so that it was washed out of the reactor only when the bonded silicon particle was chemically etched to a size less than the entrainment size (~ 15 microns). was. Analysis of the reaction mass after the trichlorosilane conversion had returned to its precatalyst level indicates that no copper accumulated while the amount of copper in the reactor leached fine silicon dropped in direct proportion to the reduced yield of trichlorosilane.
Dieses Beispiel zeigt, dass die Zugabe einer reduzierbaren Substanz, welche ein Beschleunigermetall enthält, direkt zu der Reaktionszone, in der bereits oxidfreies Silicium vorhanden ist, zu einer höheren Umwandlung in Trichlorsilan führt. Es zeigt auch, dass das Kupferchlorid sich eng mit dem Silicium verband und dass die Ausbeute von Trichlorsilan direkt mit der Konzentration an Kupfer in der Reaktionsmasse in Zusammenhang stand.This Example shows that the addition of a reducible substance, which contains an accelerator metal, directly to the reaction zone, in the already oxide-free silicon is present, to a higher Conversion into trichlorosilane leads. It also shows that the copper chloride is tight with the silicon linked and that the yield of trichlorosilane directly with the concentration related to copper in the reaction mass.
BEISPIEL 2EXAMPLE 2
50 g gemahlenes Silicium für metallurgische Zwecke (mittlere Teilchengröße = 200 Mikrometer) wurden in ein Testrohr mit 25 mm Durchmesser gegeben, in einem kleinen Ofen gehalten und mit einem Fluß von Wasserstoff auf eine Temperatur von 525°C erwärmt. Siliciumtetrachlorid wurde in ein bei 25°C gehaltenes, thermostatisiertes Reservoir gegeben. Die Bereitstellung erfolgte durch Hindurchperlen von Wasserstoff durch das Reservoir, um diesen mit Siliciumtetrachlorid zu sättigen und nachfolgendes Durchströmenlassen des gesättigten Wasserstoffs, zusammen mit zusätzlichem Wasserstoff, um ein Molverhältnis von H2:SiCl4 von 2,0 zu erhalten, in den Boden des Silicium-enthaltenden Testrohrs. Der gesamte Wasserstoffdurchfluß betrug 12 cm3/min. Beim Ausfluss des Reaktionsrohres war eine Membran installiert, die das Sammeln einer kleinen Gasprobe für eine Analyse mittels Gaschromatographie ermöglichte. Bei einer Reaktortemperatur von 525°C betrug die Ausbeute von Trichlorsilan 4,6%.Fifty grams of ground metallurgical grade silicon (average particle size = 200 microns) were placed in a 25 mm diameter test tube, held in a small oven and heated to a temperature of 525 ° C with a flow of hydrogen. Silicon tetrachloride was placed in a thermostated reservoir maintained at 25 ° C. The provision was made by bubbling hydrogen through the reservoir to saturate it with silicon tetrachloride and then flowing the saturated hydrogen, along with additional hydrogen to obtain a H 2 : SiCl 4 molar ratio of 2.0, into the bottom of the silicon containing test tube. The total hydrogen flow was 12 cm 3 / min. At the effluent of the reaction tube, a membrane was installed which allowed the collection of a small gas sample for analysis by gas chromatography. At a reactor temperature of 525 ° C, the yield of trichlorosilane was 4.6%.
BEISPIEL 3EXAMPLE 3
Unter Verwendung der gleichen Apparatur wie in Beispiel 2 wurden 49 g Silicium für metallurgische Zwecke in das Reaktionsrohr gegeben und auf 525°C in einer Wasserstoffatmosphäre erwärmt. Nachdem das Silicium dem heißen Wasserstoff ausgesetzt worden war, wurden zu dem Reaktor 0,39 g Kupfer(I)-chlorid gegeben, während der Wasserstoff weiterhin durchströmte. Dann wurde der Wasserstofffluß durch das thermostatisierte Reservoir von Siliciumtetrachlorid geleitet und der Ausfluß geprüft. Die Konzentration von Trichlorsilan, bezogen auf eine wasserstofffreie Basis, betrug 6,14%.Using the same apparatus as in Example 2, 49 g of metallurgical grade silicon was placed in the reaction tube and heated to 525 ° C in a hydrogen atmosphere. After the silicon was exposed to the hot hydrogen, 0.39 g of copper (I) chloride was added to the reactor while hydrogen continued to flow through. Then the water became flow through the thermostated reservoir of silicon tetrachloride passed and tested the outflow. The concentration of trichlorosilane based on a hydrogen-free base was 6.14%.
BEISPIEL 4EXAMPLE 4
Unter Verwendung der gleichen Apparatur wie in Beispiel 2 wurde der Reaktor mit 50 g Silicium beladen, auf welches vorher 1% Platin abgelagert wurde. Die Trichlorsilankonzentration betrug beim Umsetzen bei 525°C mit dem Standarddurchfluß von Wasserstoff und Siliciumtetrachlorid 6,05%, bezogen auf eine wasserstofffreie Basis.Under Using the same apparatus as in Example 2, the reactor loaded with 50 g of silicon, on which previously 1% platinum was deposited. The trichlorosilane concentration when reacted at 525 ° C with the Standard flow of hydrogen and silicon tetrachloride 6.05%, based on a hydrogen-free Base.
BEISPIEL 5EXAMPLE 5
Unter Verwendung der gleichen Apparatur wie in Beispiel 2 wurde der Reaktor mit einer Mischung aus 49,9 g Silicium für metallurgische Zwecke und 0,1 g 5% Platin auf Kieselgel beladen. Das Ergebnis war eine Trichlorsilankonzentration, bezogen auf eine wasserstofffreie Basis, von 4,28%.Under Using the same apparatus as in Example 2, the reactor with a mixture of 49.9 g of silicon for metallurgical purposes and 0.1 g of 5% platinum loaded on silica gel. The result was a trichlorosilane concentration, based on a hydrogen-free base, of 4.28%.
BEISPIEL 6EXAMPLE 6
Unter Verwendung der gleichen Apparatur wie in Beispiel 2 wurde das Reaktionsrohr mit 49 g weißem Quarz und 0,1 g 5% Platin auf Aktivkohle gefüllt. Unter den gleichen Standardbedingungen wie den in Beispiel 2 verwendeten betrug die Trichlorsilankonzentration in dem Ausfluß < 0,1%.Under Using the same apparatus as in Example 2, the reaction tube with 49 g white Quartz and 0.1 g of 5% platinum on activated carbon filled. Under the same standard conditions like that used in Example 2 was the trichlorosilane concentration in the effluent <0.1%.
In diesen erläuternden Beispielen ist gezeigt, dass man sowohl ein aktives Beschleunigermetall als auch eine Quelle eines metallischen Siliciums haben muß, um die Hydrierungsreaktion zu fördern. Die Abwesenheit des Beschleunigermetalls führt zu verringerten Ausbeuten (Beispiel 2), und zwar in Abwesenheit von Silicium, aber mit einem aktiven Hydrierungskatalysator, findet keine Umwandlung statt (Beispiel 6). Um die bessere Umwandlung bereitzustellen, muß das aktive Beschleunigermetall eng mit dem Silicium verbunden sein (Beispiele 2 und 4 im Vergleich zu Beispiel 5).In this explanatory Examples show that one is both an active accelerator metal as well as a source of metallic silicon must have to the Promote hydrogenation reaction. The absence of the accelerator metal leads to reduced yields (Example 2), in the absence of silicon, but with one active hydrogenation catalyst, no conversion takes place (example 6). To provide the better conversion, the active one must Accelerator metal be closely connected to the silicon (examples 2 and 4 compared to Example 5).
BEISPIEL 7EXAMPLE 7
Unter Verwendung der gleichen Apparatur wie der in Beispiel 2 beschriebenen kann der Reaktor mit 50 g Silicium für metallurgische Zwecke beladen werden und auf 300°C unter einem Strom von 12 cm3/min Wasserstoff und 6 cm3/min Chlorwasserstoff erwärmt werden. Nachdem das Silicium für mehrere Stunden der Mischung aus heißem Wasserstoff und Chlorwasserstoff ausgesetzt worden ist, werden zu dem Reaktor 0,4 g Kupfer(I)-chlorid gegeben, während der Wasserstoff/Chlorwasserstoff-Durchfluß weitergeführt wird. Bei einer Prüfung wie in Beispiel 2 enthält der Ausfluß Trichlorsilan und mehrere Prozente Dichlorsilan. Ohne den Kupfer-Silicium-Legierungskatalysator würde die Dichlorsilanmenge nur Spuren darstellen.Using the same apparatus as that of the reactor with 50 g of silicon can be described in Example 2 are loaded for metallurgical purposes, and / are heated min hydrogen chloride at 300 ° C under a flow of 12 cm 3 / min of hydrogen and 6 cm 3. After the silicon has been exposed to the mixture of hot hydrogen and hydrogen chloride for several hours, 0.4 g of copper (I) chloride is added to the reactor while the hydrogen / hydrogen chloride flow is continued. In a test as in Example 2, the effluent contains trichlorosilane and several percent of dichlorosilane. Without the copper-silicon alloy catalyst, the amount of dichlorosilane would only be traces.
In der vorliegenden Beschreibung wurden Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff-enthaltenden Chlorsilanen unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Andere Ausführungsformen ergeben sich einem Fachmann unter Berücksichtigung dieser Beschreibung oder der Ausführung der hierin offenbarten Verfahren. Die Beschreibung und die Beispiele sollten nur als beispielhaft betrachtet werden, während der tatsächliche Umfang der Erfindung und der Erfindungsgedanke durch die folgenden Ansprüche angegeben werden.In In the present specification, methods for the production of Hydrogen-containing chlorosilanes with reference to preferred embodiments described. Other embodiments will be apparent to one skilled in the art in light of this description or the execution the method disclosed herein. The description and the examples should be considered as exemplary only during the actual scope the invention and the inventive idea by the following claims become.
ZusammenfassungSummary
Verfahren zur Herstellung von HydrochlorsilanenProcess for the preparation of hydrochlorosilanes
Wasserstoff-enthaltende Chlorsilane werden hergestellt durch Umsetzen von Wasserstoff mit Siliciumtetrachlorid und/oder Chlorwasserstoff und Silicium, wobei die Oberfläche des Siliciums durch chemisches Aufdampfen eines oder mehrerer katalytischer Materialien, wie Kupfer, modifiziert wurde.Hydrogen-containing Chlorosilanes are prepared by reacting with hydrogen Silicon tetrachloride and / or hydrogen chloride and silicon, wherein the surface of silicon by chemical vapor deposition of one or more catalytic Materials, such as copper, has been modified.
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