DE112014002803T5

DE112014002803T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Silan und Hydro-Halogensilanen

Info

Publication number: DE112014002803T5
Application number: DE112014002803.7T
Authority: DE
Inventors: William C. Breneman
Original assignee: Rec Silicon Inc
Current assignee: Rec Silicon Inc
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2016-04-14
Also published as: WO2014200612A1; SA515370222B1; KR20160020444A; TWI630174B; CN104854026A; KR102143986B1; US9352971B2; MY185212A; TW201446650A; CN104854026B; JP2016521674A; US20140369918A1

Abstract

Silane und Hydro-Halogensilane der allgemeinen Formel HySiX4-y (y = 1, 2 oder 3) werden durch eine reaktive Destillation hergestellt, und zwar in einem System, das einen katalytischen Redistributionsreaktor mit einem Festbett beinhaltet, das während des Betriebs rückgespült werden kann.

Description

QUERVERWEIS ZU EINER VERWANDTEN ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Anmeldung Nr. 13/918,609, angemeldet am 14. Juni 2013, deren Inhalt in Gänze aufgenommen ist.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Ausführungsformen eines Systems und eines Verfahrens zur Herstellung von Silan und Hydrosilanen der allgemeinen Formel H_ySiX_4-y (y = 1, 2 oder 3), bei denen ein katalytischer Festbettredistributionsreaktor vorhanden ist.
HINTERGRUND
Mono-Silan (SiH₄), Chlorsilan (H₃SiCl) und Dichlorsilan (H₂SiCl₂) sind nützliche Chemikalien für die Herstellung elektronischer Vorrichtungen beruhend auf hochreinem kristallinem Silicium. Diese siliciumhaltigen Gase werden thermisch zersetzt, um das hochreine Siliciummaterial zu bilden. Die Herstellung eines Silans von hoher Reinheit wird derzeit in gewerbsmäßigem Maßstab mit einem Verfahren durchgeführt, das allgemein in der 1 gezeigt und in der US 4,676,967 allgemein beschrieben ist, wobei, in Zone 1, Silicium 101 mit metallurgischer Güte durch die Reaktion von Wasserstoff und Siliciumtetrachlorid vergast wird, um eine Mischung 102 zu erhalten, die flüchtiges Trichlorsilan enthält: 2H₂ + 3SiCl₄ + Si → 4HSiCl₃ (1)
Verunreinigungen 103 werden verworfen.
Anschließend wird, in Zone 2, Trichlorsilan zu dem Silanprodukt 201 mit hoher Reinheit in einer Reihe von Destillationstrennungen und katalytischen Redistributionsreaktionen umgesetzt, wobei auch Siliciumtetrachlorid 202 als ein Nebenprodukt gebildet wird. Verunreinigungen 203 werden verworfen. Das Siliciumtetrachlorid 202 wird der Zone 1 zurückgeführt. 4HSiCl₃ → 3SiCl₄ + SiH₄ (2)
Das Silan 201 wird dann in Zone 3 mit einer von mehreren Möglichkeiten pyrolisiert, um ultrareines Silicium 301 zu bilden, und, sofern das Verfahren kurzgeschlossen ist, das Nebenprodukt Wasserstoff 302 der Zone 1 zurückgeführt wird.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
Hierin werden Ausführungen eines Systems und eines Verfahrens beschrieben, die eine Trennung von Hydro-Halogensilanen durch fraktionelle Destillation und eine katalytische Redistribution von Hydro-Halogensilanen in einer neuen Konfiguration kombinieren, die das Rückspülen eines katalytischen Redistributionsreaktors während des Systembetriebes erleichtern. Falls ein katalytischer Redistributionsreaktor einen Festbettkatalysator beinhaltet, der Partikel mit unterschiedlichen Größen aufweist, wie beispielsweise ein kommerzielles Ionenaustauschharz, so wandern über die Zeit die kleineren Partikel in dem Katalysatorbett nach unten und schaffen einen größeren Druckabfall über den katalytischen Redistributionsreaktor. Als Ergebnis davon wird der katalytische Redistributionsreaktor gelegentlich rückgespült, um das Katalysatorbett zu rekonfigurieren und einen adäquaten Stromfluss wieder herzustellen.
Ausführungen des Systems beinhalten eine Säule für eine fraktionierte Mehrzonendestillation, einen ersten katalytischen Redistributionsreaktor, eine zweiten katalytischen Redistributionsreaktor und eine Pumpe. Die Säule für eine fraktionierte Mehrzonendestillation beinhaltet ein Gefäß, das eine Vielzahl an Destillationszonen definiert, einen Reaktantenstromeinlass, der in einem unteren Abschnitt der Säule angeordnet ist, sowie einen Destillationsstromauslass, der in einem oberen Abschnitt der Säule angeordnet ist, und einen Produktstromeinlass, der in einem unteren Abschnitt der Säule angeordnet ist. Sowohl der erste als auch der zweite katalytische Redistributionsreaktor beinhalten ein Gefäß, das eine Kammer umgrenzt, eine erste Öffnung, die in einem unteren Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist und eine zweite Öffnung, die in einem oberen Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist, einen Festbettkatalysator (d.h. ein Ionenaustauschharz), der in dem Gefäß angeordnet ist, und eine Vielzahl an Ventilen, typischerweise vier Ventile. Die Ventile können so konfiguriert sein, dass (i) die erste (untere) Öffnung in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass steht und die zweite (obere) Öffnung in strömungstechnischer Verbindung mit dem Destillatstromauslass steht, oder (ii) die erste Öffnung in strömungstechnischer Verbindung mit dem Destillatstromauslass steht und die zweite Öffnung in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass steht, wodurch ermöglicht ist, ein Fluidstrom in einer gewünschten Richtung durch den katalytischen Redistributionsreaktor strömen zu lassen. Die Pumpe ist stromabwärts des Destillatstromauslasses und stromaufwärts des ersten katalytischen Redistributionsreaktors und des zweiten katalytischen Redistributionsreaktors angeordnet. Das System enthält optional eine Kühlvorrichtung, die stromabwärts des Destillatstromauslasses angeordnet ist.
Ein Reaktantenstrom, der eines oder mehre Hydro-Halogensilane der Formel H_ySiX_4-y umfasst, wobei X ein Halogen ist und y 1, 2 oder 3 ist, wird durch den Reaktantenstromeinlass in die Säule für eine fraktionierte Mehrzonendestillation eingebracht. Das Destillat wird von der Säule für eine fraktionierte Mehrzonendestillation über den Destillatstromauslass, der in einem oberen Abschnitt der Säule angeordnet ist, durch den ersten und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor gepumpt. Das Destillat kann abgekühlt werden, bevor es in die Pumpe eintritt. Bei manchen Ausführungen sind die Ventile des ersten katalytischen Redistributionsreaktors derart konfiguriert, dass sie einen ersten Teil des Destillats in den ersten Reaktor führen, und zwar über die erste obere Öffnung des Reaktors und einen Produktstrom aus dem ersten Reaktor heraus führen, und zwar über dessen unteren Auslass (d.h. der "normale Strömungsmodus"). Die Ventile des zweiten katalytischen Redistributionsreaktors sind so konfiguriert, dass sie einen zweiten Teil des Destillates in den zweiten Reaktor führen, und zwar über die zweite untere Öffnung des Reaktors und einen Produktstrom aus dem zweiten Reaktor heraus führen, und zwar über dessen oberen Auslass (d.h. "Rückstrommodus"), wobei der zweite Reaktor rückgespült wird. Der Produktstrom aus beiden Reaktoren strömt in die Säule für die fraktionierte Mehrzonendestillation über den Produktstromeinlass, der in einem unteren Abschnitt der Säule angeordnet ist.
Vorteilhafterweise sind die Ventile derart konfiguriert, dass sie eine größere Strömungsrate des Destillates schaffen, falls sich der katalytische Redistributionsreaktor im normalen Strömungsmodus befindet, als wenn er sich im Rückstrommodus befindet. In anderen Worten ausgedrückt ist die Strömungsrate in den katalytischen Redistributionsreaktor über dessen obere Öffnung im normalen Strömungsmodus größer als eine Strömungsrate in den katalytischen Redistributionsreaktor über dessen untere Öffnung im Rückflussmodus. Beispielsweise kann die Strömungsrate im normalen Strömungsmodus zumindest 9-fach größer als die Strömungsrate im Rückflussmodus sein.
Bei manchen Ausführungen beinhaltet das Verfahren ferner Überwachen eines Druckabfalles im ersten katalytischen Redistributionsreaktor, Bestimmen, ob der Druckabfall einen Schwellwert überschreitet, und Umkehren einer Strömungsrichtung durch den ersten Redistributionsreaktor und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor, falls der Druckabfall den Schwellwert überschreitet. Das Umdrehen des Stromes wird durch Öffnen und Schließen der geeigneten Ventile erreicht, um den Destillatstrom und den Produktstrom durch den ersten und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor rückzuführen, so dass der erste Reaktor im Rückstrommodus arbeitet und der zweite Reaktor im normalen Strömungsmodus arbeitet.
Der Druckabfall im zweiten katalytischen Redistributionsreaktor wird dann überwacht, um zu bestimmen, ob er einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Ist dieser Schwellwert überschritten, wird die Strömungsrichtung erneut umgedreht, und zwar durch Öffnen und Schließen der geeigneten Ventile, so dass der zweite katalytische Redistributionsreaktor im Rückstrommodus arbeitet und der erste katalytische Redistributionsreaktor wieder im normalen Strömungsmodus arbeitet.
Die zuvor genannten und weiteren Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung weiter ersichtlich, die im Zusammenhang mit den beiliegenden Figuren erfolgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines gegenwärtig praktizierten Verfahrens zur Herstellung eines Silanes und daran anschließend reinem Silicium in einem kommerziellen Maßstab.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Systems, das zur Herstellung von Silan geeignet ist.
3 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integrierten Destillationssystems und eines katalytischen Redistributionssystems zur Herstellung von Silan erläutert, wobei eine beispielhafte Anordnung für ein Rückspülen eines katalytischen Redistributionsreaktors eingeschlossen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung betrifft jenen Teil des Gesamtverfahren für die Herstellung von Silan aus Silicium metallurgischer Reinheit und Wasserstoff, wobei eine Mischung von Hydro-Halogensilanen der Formel H_ySiX_4-y, wobei X ein Halogen ist und y 1, 2, oder 3 ist, zu Silan und Siliciumtetrahalogenid umgesetzt wird. Beispielsweise können Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid, die durch ein Vergasungsverfahren, Reaktion 1, erhalten werden, zu Silan und Siliciumtetrachlorid, Reaktion 2 umgesetzt werden. Zwischenprodukte, einschließlich von Dihalogensilan (H₂SiX₂) und Halogensilan (H₃SiX) können ebenso an verschiedenen Punkten in dem Verfahren isoliert werden.
Bei der Herstellung von Hydro-Halogensilanen kann eine integrierte destillative Trennung der Bestandteile Hydro-Halogensilane mit der katalytischen Redistribution der Verbindungen kombiniert werden, wobei ein fester gehaltener Katalysator verwendet wird. Jedoch beinhalten Feststoffkatalysatoren, die für die katalytische Redistribution (d.h. Ionenaustauschharze) geeignet sind, typischerweise Partikel mit unterschiedlichen Größen auf. Strömt ein Fluid durch das Katalysatorbett, wandern kleine Katalysatorpartikel graduell nach unten durch das Katalysatorbett und sammeln sich im unteren Abschnitt des Bettes an, und der Druckabfall über das Katalysatorbett nimmt über die Zeit graduell zu. Als Ergebnis davon werden Systeme, die auf der Gravitation beruhen, um Fluidströme durch das Katalysatorbett zu treiben, alsbald nicht mehr arbeiten.
Das Anordnen des Katalysatorbettes innerhalb der Destillationssäule schafft zusätzliche Herausforderungen. Es besteht nicht nur die Herausforderung, die durch die enormen unterschiedlichen kinetischen Raten der Dampf-Flüssiggewichte und der chemischen Umwandlung herstammen, sondern es besteht auch die Herausforderung, wie man für einen Fluidstrom durch ein Bett an festen Katalysatorpartikeln sorgt, und zwar im Hinblick auf die begrenzten Druckunterschiede, die in einer Destillationskolonne möglich sind. Die letztere Herausforderung kann teilweise dadurch gelöst werden, dass das Katalysatorbett außerhalb der Destillationssäule angeordnet wird und so an Ort und Stelle gebracht wird, dass es dem zur Verfügung stehenden Flüssigkeitskopfteil ermöglicht, einen Speisestrom vom oberen Abschnitt der Säule abzuziehen und diesen der Säule an einer wesentlich nieder liegenden Stelle zurückzuführen, was die notwendige Treibkraft schafft, um das Fluid durch das Katalysatorbett strömen zu lassen, wenngleich der Druck an der Stelle, an der der Strom in die Destillationssäule zurückgeführt wird, höher ist als der Druck an der oberen Abziehstelle ist.
Daher kann eine Anordnung von Säulen für eine fraktionierte Mehrzonendestillation kombiniert mit katalytischen Festbettredistributionsreaktoren eingesetzt werden. Durch Auswählen des Arbeitsdruckes des Systems und demzufolge des Temperaturprofils der Fraktioniersäule können die kombinierte Destillation und Reaktionsvorgänge in einer stabilen und vorhersehbaren Art und Weise durchgeführt werden, wobei Umgebungsluft verwendet wird, oder üblicherweise zur Verfügung stehendes Kühlwasser für die Kondensorzwecke eingesetzt werden können.
Nichtsdestotrotz weisen kommerziell zur Verfügung stehende Ionenaustauschharze eine breite Partikelgrößenverteilung auf. Die Wanderung von kleineren Partikeln führt, über die Zeit gesehen, zu einem erhöhten Druckabfall über das Katalysatorbett im Redistributionsreaktor. Das Katalysatorbett agiert auch als großer Filter, um Spuren an Feststoffpartikeln einzufangen, einschließlich Siliciumdioxid, das sich aus Spuren an Sauerstoff bilden kann oder aus Feuchtmengen, die in industriellen Prozessen vorhanden sind. Eingefangene Siliciumdioxidpartikel ziehen Bor oder andere Metallteile durch chemische Adsorption an (siehe z.B. US-Patent Nr. 4,713,230 ). Die katalytische Redistributionsreaktion, kombiniert mit der chemischen Adsorption und physikalischer Filterwirkung des Katalysatorbettes verhindert, dass elektronisch aktive Verunreinigungen in das Reinigungssystem des Silanes übertreten. Jedoch tragen diese zurückgehaltenen kleinen Partikel auch zu dem Druckabfall bei. An machen Stellen wird der Druckabfall übermäßig groß und das Katalysatorbett muss, um einen adäquaten Fluss wieder herzustellen, rekonfiguriert werden. Dies kann dadurch erzielt werden, dass der Fluidstrom umgekehrt wird, um die Betten zu fluidisieren und die Betten so wieder anzuordnen, dass es möglich ist, die ausgängliche Performance wieder herzustellen. Zusätzlich spült der Rückspülvorgang die zurückgehaltenen schmalen Partikel aus, die über Spurenmittel in das Verfahren eingetreten sind. Die zurückgehaltenen Partikel kehren in die Destillationssäule zurück und können nachfolgend entfernt werden, beispielsweise durch einen Bodenauslass der Destillationssäule.
Bei manchen Ausführungen wird ein hochwertiges Silan durch ein Verfahren und ein System, wie es in 2 dargestellt wird, erzeugt, das geeignet ist, um Silicium für Solarzwecke zu erzeugen. Eine reaktive Destillationszone wird durch eine Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation geschaffen. Die erste Säule 1 für die fraktionierte Mehrzonendestillation beinhaltet ein Gefäß, das eine Vielzahl an Destillationszonen definiert, einschließlich einer ersten Destillationszone Z1 und einer zweiten Destillationszone Z2, sowie einen Reaktantenstromeinlass 15, einen ersten Destillatstromauslass 14, einen ersten Produktstromeinlass 3, einen Bodenauslass 31 und einen Dampfauslass 32. Die Säule 1 beinhaltet ferner einen Gesamtkondensor 28. Bei manchen Anordnungen weist die Säule 1 zwei Kondensoren 28 und 29 in Serie auf, wie das in 2 dargestellt ist, wobei Wasserstoff und/oder Stickstoff an einem Auslass 33 entlüftet werden. Der Kondensor 29 entfernt verbleibende Spurenmengen an Halogensilanen, bevor der Wasserstoff/Stickstoff entlüftet wird. Ein Sammeltank/Kondensatauffang 30 ist strömungstechnisch mit dem Kondensor 28 und/oder mit dem Kondensor 29 verbunden. Der Kondensatauffang 30 sammelt Spurenmengen an kondensierten Halogensilanen, die nicht in anderen Flüssigkeits-/Dampfströmen entfernt wurden.
Ein Reaktantenstrom A umfasst eines oder mehrere Hydro-Halogensilane der Formel H_ySiX_4-y, wobei X ein Halogen ist und y 1, 2, oder 3 ist, (d.h. aus Zone 1 (1)), sei es erzeugt durch die Hydrogenierung von SiX₄, oder durch die Hydrohalogenierungsreaktion und tritt in die erste Säule 1 für die fraktionierte Mehrzonendestillation an einem Reaktantenstromeinlass 15 ein. Der Reaktantenstrom A beinhaltet bei einigen Ausführungsformen eine Mischung von HSiX₃ und SiX₄. Der Reaktantenstrom A beinhaltet bei manchen Ausführungen eine Mischung von HSiCl₃ und SiCl₄. Der Reaktantenstrom A kann ein Molverhältnis von Halogen zu Silicium größer als 2,8, wie beispielsweise 2,8 bis 3,9, 3,1 bis 3,9, 3,5 bis 3,8 oder 3,6 bis 3,8 umfassen. Der Reaktantenstrom A kann eine Flüssigkeit, Dampf oder eine Kombination davon sein. Der Reaktantenstromeinlass 15 ist in einer Höhe positioniert, die der ersten Destillationszone Z1 entspricht. Der Reaktantenstrom A kann in die Destillationssäule 1 mit einer Rate von 4 bis 22,2 kg – mol/h relativ zu Molen an pro Stunde erzeugtem Silan eingeleitet werden, wie beispielsweise einer Rate von 11 bis 22 kg – mol/h oder 11 bis 16 kg – mol/h.
Der Druck in dem Gefäß reicht in einigen Ausführungsformen von 450 kPa bis 1750 kPa. Der Druck in dem Gefäß reicht bei einigen Ausführungsformen von 450 kPa bis 650 kPa. Die erste Destillationszone Z1 wird bei einer Temperatur T₁ gehalten, die nahe dem Siedepunkt des Reaktantenstromes bei einem bestimmten Druck in dem Gefäß liegt. Bei einigen Ausführungsformen ist T₁ 82 °C bis 100 °C. Die zweite Destillationszone Z2 wird bei einer Temperatur T₂ gehalten, bei der die Flüssigkeit und/oder der Dampf in der zweiten Destillationszone Z2 ein Molverhältnis von Halogen zu Silicium (X:Si) zwischen 2,8 und 3,2, wie beispielsweise 2,8 bis 3,1 oder 2,9 bis 3,1 aufweist. Bei einigen Ausführungsformen beträgt das Verhältnis 3. Die Temperatur T₂ wird in Abhängigkeit von dem Druck in dem Gefäß eingestellt. Bei einigen Ausführungsformen reicht T₂ von 60 °C bis 150 °C, wie beispielsweise 60 °C bis 100 °C, 80 °C bis 150 °C oder 80 °C bis 100 °C.
Es wird ein erster Destillatstromauslass 14 bereitgestellt, und es wird eine Pumpe 4 verwendet, um einen ersten Destillatstrom B durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 zu transferieren. Optional kann ein Seitenstromkühler 5 zwischen dem ersten Destillatstromauslass 14 und der Pumpe 4 an Ort und Stelle gebracht werden, um den Destillatstrom B geringfügig unter dessen Kochpunkttemperatur abzukühlen, bevor dieser in die Pumpe 4 eintritt. Der erste katalytische Redistributionsreaktor 6 umfasst ein Gefäß, das eine Kammer definiert, eine erste oder untere Öffnung 8, eine zweite oder obere Öffnung 9, die von der ersten Öffnung 8 beabstandet ist, und es ist ein Festbettkatalysator 7 zwischen der ersten Öffnung 8 und der zweiten Öffnung 9 in der Kammer angeordnet. Die erste Öffnung 8 steht in Kommunikation mit dem ersten Produktstromeinlass 3 der Säule 1. Der erste katalytische Redistributionsreaktor 6 umfasst keinen Druckausgleichauslass oder Dampfrückauslass. Die Pumpe 4 stellt ein robustes Verfahren bereit, das nicht auf der Gravitation zur Bewältigung des Strömungswiderstandes in dem Reaktor 6 beruht. Der Redistributionsreaktor 6 kann bei einem Druck von 450 kPa bis 650 kPa und einer Temperatur von 60 °C bis 100 °C betrieben werden.
Das Reaktorprodukt C, das eine Mischung von Hydro-Halogensilanen mit dem gleichen X:Si-Verhältnis wie der Strom B, allerdings mit weniger Trihalogensilan als der Strom B umfasst und der im Wesentlichen frei an Silan, SiH₄ ist, wird zur Säule 1 für die fraktionierte Mehrzonendestillation an einem ersten Produktstromeinlass 3 zurückgeleitet, der zwischen dem Reaktantenstromeinlass 15 und dem ersten Destillationsauslass 14 angeordnet ist. Die Lage des ersten Produktstromeinlasses 3 ist bei einigen Anordnungen so ausgewählt, um die Quantität des ersten Destillatstromes B, der durch den ersten Destillatstromauslass 14 fließt, zu minimieren. Das Reaktorprodukt C weist in einigen Ausführungsformen zumindest 5% weniger Trihalogensilan als Strom B auf, mindestens 10% weniger Trihalogen als Strom B oder mindestens 20% weniger Trihalogensilan als Strom B.
Der Dampfstrom E wird vom oberen Abschnitt der Säule 1 zum Gesamtkondensor 28 geführt, um ein Kondensat auszubilden, das H_zSiX_4-z aufweist, wobei z = y + 1 ist. Ein Kondensat F, das eine Mischung aus Hydrohalogensilanen im Wesentlichen ohne Silan und ohne Siliciumtetrahalogenid enthält, wird als eine kondensierte Flüssigkeit von dem Gesamtkondensor 28 entnommen und durch eine Pumpe 22 einem nachfolgenden katalytischen Festbettredistributionsreaktor 23 zugeführt. Das Kondensat F umfasst H_zSiX_4-z, wobei z = y + 1 ist. Falls der Reaktantenstrom A beispielsweise HSiX₃ enthält, so enthält das Kondensat F H₂SiX₂. Das Kondensat F weist in einigen Ausführungsformen ein Molverhältnis von Halogen zu Silicium von weniger als 2,0 auf, beispielsweise 1,5 bis 2,0.
Der nachfolgende katalytische Redistributionsreaktor 23 weist keinen Druckausgleichauslass oder einen Dampfrückflussauslass auf. Der Redistributionsreaktor 23 kann bei einem Druck von 200 kPa bis 3500 kPa und einer Temperatur von 30 °C bis 60 °C betrieben werden. Der zweite Produktstrom G, der eine Mischung an Hydrohalogensilanen mit demselben X:Si-Verhältnis wie die Hydro-Halogensilane des Stromes F, jedoch mit einer beachtlichen Menge an Silan, SiH₄, enthält und der von dem zweiten Redistributionsreaktor 23 kommt, tritt in eine zweite Säule 16 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation an einem Einlass 24 ein. Beispielsweise kann der zweite Produktfluss G 5 bis 20% Silan, wie beispielsweise 5 bis 15% Silan oder 8 bis 15% Silan enthalten. Die zweite Säule 16 für die fraktionierte Mehrzonendestillation beinhaltet ein Gefäß, das mehrere Destillationszonen definiert, einen Einlass 24, der mit dem nachfolgenden katalytischen Redistributionsreaktor 23 wirksam verbunden ist, einen Auslass 19, der über dem Einlass 24 angeordnet ist, einen Teilkondensor 17, der über dem Auslass 19 angeordnet ist, einen Spülflussauslass 18, der über dem Teilkondensor 17 und einen Bodenauslass 20. Der Einlass 24 ist an einer Höhe positioniert, die einer ersten Destillationszone Z3 entspricht, die in der Säule 16 lokalisiert ist, wobei die Destillationszone Z3 eine Temperatur aufweist, die einem Siedepunkt des zweiten Produktflusses G bei einem bestimmten Druck in diesem Bereich entspricht. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Temperatur in einem Bereich von 0 °C bis 50 °C, wie von 5 °C bis 35 °C bei einem Betriebsdruck von 2000 kPa bis 2500 kPa. Ultrareines Silan H wird als ein Dampf- oder als ein kondensiertes Flüssigkeitsprodukt an dem Auslass 19 bereitgestellt, der zwischen dem Einlass 24 und dem Teilkondensor 17 angeordnet ist. "Ultrarein" bedeutet eine Reinheit von mindestens 99,9995%, wie beispielsweise eine Reinheit von 99,995–99,9999%. Ein geringfügiger Spülstrom I, der nicht kondensierbare Gase (Wasserstoff, Stickstoff, Methan) enthält und bei einer geringeren Temperatur als Silan zusammen mit einer geringen Menge an Silan siedet, kann aus einem Spülstromauslass 18 über den Teilkondensor 17 entnommen werden. Der Strom I beträgt weniger als 10% des Stromes H und wird verwendet, um Gase mit niedrigem Siedepunkt aus dem System zu spülen. Obgleich der Strom I für die anspruchsvollsten elektronischen Qualitätsanwendungen ungeeignet sein kann, ist er ausreichend rein, um für die Erzeugung von Silicium für Solarzellen oder für andere Anwendungen geeignet zu sein, die das Silan höchster Reinheit nicht erfordern.
Der bodenseitige Strom D, der eine Mischung aus Hydro-Halogensilanen (d.h. 10–20% Monohalogensilan, 40–50% Dihalogensilan und 30–40% Trihalogensilan) enthält und der im Wesentlichen frei von Silan ist, strömt durch die Druckkontrollvorrichtung 21 zu der ersten Säule 1 für die fraktionierte Mehrzonendestillation und tritt in einem Einlass 25 ein, der über dem ersten Destillatstromauslass 14 positioniert ist. Siliciumtetrahalogenid K wird als bodenseitiges Produkt von der Säule 1 geliefert, um für die Hydrogenierungszone wieder eingesetzt zu werden oder für den Verkauf zur Verfügung zu stehen. Der Auslass 31 der Säule 1 stellt einen Auslass zum Entleeren der Säule und/oder Entfernen von nicht flüchtigen Komponenten bereit.
Der Beschickungspunkt oder Einlass 15 des Reaktantenstromes A in die Destillationssäule wird durch die erwartete Zusammensetzung der Beschickungsmischung und dem Trennprofil der Säule 1 bestimmt. Je höher die Konzentration an HSiX₃ ist, desto höher in der Säule würde der Beschickungspunkt vorliegen. Der beste Beschickungspunkt würde, wie vorstehend beschrieben, an der Stelle sein, an der die Säulentemperatur nahe dem Siedepunkt des Reaktantenstromes A bei der Betriebstemperatur der Säule ist. Der Beschickungspunkt ist bei einigen Ausführungsbeispielen an einer Stelle, bei der die Säulentemperatur innerhalb von 50 °C des Siedepunkts des Beschickungsreaktantenstromes liegt, wie beispielsweise innerhalb 40 °C, innerhalb 30 °C oder innerhalb 20 °C. Bei praktischen Anwendungen werden für gewöhnlich mehrere Beschickungspunkte bereitgestellt, so dass Einstellungen ohne Weiteres in Abhängigkeit von der Effizienz des flussaufwärts gelegenen Verfahrens durchgeführt werden können. Die Stelle des ersten Destillationsstromauslasses 14 kann ebenso von einem von mehreren Punkten entlang der Säule 1 geändert werden.
Vorteilhafterweise ist der erste Destillatstromauslass 14 so positioniert, dass der Destillatstrom zumindest etwas Dihalogensilan enthält. Der Destillatstrom B kann bei einigen Anordnungen eine Dihalogensilanmolfraktion von 0,01 bis 0,15 aufweisen. Die Auslassstelle befindet sich an einem Punkt, an dem die Säulenzusammensetzung an Hydro-Halogensilanen ein X:Si-Molverhältnis von zwischen 2,8 und 3,2 aufweist, wie beispielsweise zwischen 2,8 und 3,1. Das Molverhältnis von X:SI ist bei einigen Ausführungsformen 3. Bei diesem Molverhältnis stellt die katalytische Redistributionsreaktion H₂SiX₂ her, wobei sehr wenig Silan erzeugt wird. Dies ermöglicht wiederum einem Gesamtkondensor 28, bei gewöhnlich kühlen Temperaturen (Umgebungsluft oder gewöhnliches Kühlwasser) effizient betrieben zu werden.
Der rückgeführte Strom D aus der zweiten Destillationssäule 16 enthält beachtliche Mengen an Halogensilan (H₃SiX) und Dihalogensilan (H₂SiX₂), ist jedoch im Wesentlichen frei von Silan, SiH₄. Der Strom D tritt über dem Auslass 14 für den ersten Destillatstrom B in die Säule ein und verhindert somit, dass das X:Si-Molverhältnis im ersten Destillatstrom B unter den angezielten Bereich von 2,8–3,2 fällt.
Durch Auswahl des Betriebsdruckes der ersten Säule 1 für die fraktionierte Mehrzonendestillation zwischen 450 bis 1750 kPa, wie beispielsweise von 450 bis 650 kPa, kann die Temperatur am ersten Destillatstromauslass 14 zwischen 60 und 150 °C gesteuert werden, wie beispielsweise zwischen 60 und 90 °C. Dieser Bereich ist ausreichend hoch für schnelle Reaktionskinetiken und gering genug, um eine lange Betriebslebensdauer des schwach basischen, makroretikularen Ionenaustauschharzes bereitzustellen, das für gewöhnlich als der Katalysator verwendet wird. Mit einem thermisch stabileren Katalysator könnte ein höherer Betriebsdruck und damit eine höhere Seitenabzugstemperatur eingesetzt werden. Das X:Si-Verhältnis sollte jedoch in dem Bereich von 2,8 bis 3,2 bleiben, um zu verhindern, dass wesentliche Mengen an Silan in diesem ersten Reaktor erzeugt werden.
Wie zuvor beschrieben wird ein Rückspülverfahren periodisch durchgeführt, sofern ein Druckabfall in dem katalytischen Redistributionsreaktor einen gewünschten Schwellwert überschreitet. Eine beispielsweise Anordnung zum Durchführen eines Rückspülens/Fluidisierungsprozesses während des Systembetriebes ist in 3 dargestellt.
Eine Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation definiert eine Vielzahl an Destillationszonen, sei es durch Füllkörper oder durch Trennböden. Bei manchen Ausführungen ist die Säule 1 mit einem Kaminboden 2 ausgestattet, der das flüssige Destillat an einer Stelle sammelt, die in Richtung des oberen Abschnittes der Säule 1 liegt. Ein Reaktantenstrom A weist eines oder mehrere Hydro-Halogensilane der Formel H_ySiX_4-y auf, wobei X ein Halogen ist und Y 1, 2 oder 3 ist, und zwar aus der Zone 1 (1), sei es durch eine Hydrogenierung von SiX₄ oder durch die Hydrohalogenierungsreaktion erzeugt, und tritt in die erste Säule 1 für eine Mehrzonendestillation an einem Reaktantenstromeinlass 15 ein. Ein Dampfstrom E wird von einem oberen Abschnitt der Säule 1 einem (hier nicht dargestellten) Kondensor zugeführt, um ein Kondensat zu bilden, das H_zSiX_4-z enthält, wobei z = y + 1 ist. Der Auslass 31 der Säule 1 schafft einen Auslass, um die Säule abzulassen und/oder nicht volatile Bestandteile zu entfernen.
Der flüssige erste Destillatstrom B wird durch den Destillatstromauslass 14 abgezogen und strömt optional nach unten durch eine Kühlvorrichtung 5, wie beispielsweise einen Seitenstromkühler, wobei der Strom geringfügig unter dessen Siedepunkt abgekühlt wird, bevor er in die Zirkulationspumpe 4 eintritt. Ist ein Kaminboden 2 vorhanden, so steht der Destillatstromauslass 14 strömungstechnisch mit dem Kaminboden 2 in Verbindung. Die Zirkulationspumpe 4 schafft einen ausreichenden Druckkopf, um den Druckabfall in dem Redistributionsreaktor 6, 6a und der zugehörigen Ventile 10–13, 10a–13a zu überwinden und in den Rohrleitungen plus dem angehobenen Druck, an der der Produktstrom C die Destillationssäule an einer Stelle (d.h. dem Produktstromeinlass 3) an einer tieferen Stelle in der Säule wieder eintritt, was bei einem höheren Druck der Fall ist als an der Abzugsstelle (d.h. dem Destillatstromauslass 14).
Die Kühlvorrichtung 5 reduziert, falls sie vorhanden ist, vorteilhafterweise den Dampfdruck des Stromes B und schafft somit einen höheren nettopositiven Saugkopf zur Zirkulationspumpe 4. Die Zirkulationspumpe 4 ist ausgewählt entweder aus einem spaltrohrartigen Typ oder einem magnetisch betriebenen Typ, wobei keiner von beiden rotierende Dichtungen aufweist und daher hermetisch abgedichtet ist. Diese Pumpentypen werden üblicherweise bei der Beförderung von Hydrochlorsilanen eingesetzt, wobei sie einen leckfreien Service unter einer breiten Variation von Servicebedingungen schaffen. Eines der am wichtigsten Kriterien für eine über lange Zeit erfolgreiche Arbeitsweise dieser Pumpen besteht darin, dass diese einen nettopositiven Saugkopf aufweisen und/oder eine Flüssigkeitsunterkühlung aufweisen, um ein Verdampfen des gepumpten Gutes in der Pumpe zu verhindern, was zu einer schlechten Schmierung der inneren Lager führen würde. Die Kühlvorrichtung 5 wird nicht dazu benötigt, die Temperatur des Fluids B, das zum Reaktor 6, 6a strömt, zu steuern, da der Betriebsdruck der Säule 1 und die Abzugsstelle 2 der Flüssigkeit eine sehr stabile Betriebsstelle schaffen, die zum Zeitpunkt der Konstruktion gewählt werden kann. Bei manchen Ausführungen kann durch Auswahl des Betriebsdruckes der Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation im Bereich von 450 bis 1750 kPa, vorzugsweise von 450 bis 650 kPa es ermöglicht werden, die Temperatur des Stromes B am Destillatstromauslass 14 zwischen 60 und 150 °C, vorteilhaft zwischen 60 und 90 °C zu steuern. Dieser Bereich ist hoch genug, um schnelle Reaktionskinetiken zu ermöglichen und niedrig genug, um eine lange Betriebsdauer des schwach basischen makrovernetzten Ionenaustauscherharzes, das als Katalysator eingesetzt wird, zu schaffen.
Der katalytische Redistributionsreaktor 6, 6a kann auf unterschiedliche Art und Weisen ausgestaltet sein, die Folgendes einschließen, jedoch nicht darauf beschränkt sind, nämlich solche mit zahlreichen Röhren, die den Katalysator enthalten, ein großes Bett, oder zahlreiche Betten in parallelen Reaktoren. Der Produktstrom C, der den katalytischen Redistributionsreaktor 6, 6a verlässt, enthält eine Mischung an Hydrohalogensilanen mit demselben X:Si-Molverhältnis wie der flüssige Strom B, jedoch mit weniger Trihalogensilan als der flüssige Strom C und ist im Wesentlichen frei von Silan, SiH₄. Wenn beispielsweise der Reaktantenstrom A Trihalogensilane enthält, weist der Produktstrom C, der den katalytischen Redistributionsreaktor 6, 6a verlässt, zumindest 5% weniger Trihalogensilan auf als der flüssige Strom B. Bei manchen Ausführungen ist der Destillatauslass 14 so positioniert, dass der flüssige Strom B ein X:Si-Molverhältnis zwischen 2,8 und 3,2, wie beispielsweise 2,8 und 3,1 aufweist. Bei manchen Ausführungen ist das X:Si-Molverhältnis 3. Bei diesem Molverhältnis erzeugt der katalytische Redistributionsreaktor wesentlich effizienter H₂SiX₂ und es wird nur wenig Silan produziert.
Vorteilhafterweise wird das Rückspülen des katalytischen Redistributionsreaktors während des Systembetriebes durchgeführt und verwendet nur das Quellmaterial, d.h. den flüssigen Strom B. Das Rückspülverfahren beeinflusst daher nicht wesentlich den Betrieb der Destillationssäule 1 und unterbricht nicht den eigentlichen Prozess. Die beispielhafte Anordnung der katalytischen Redistributionsreaktoren 6, 6a, wie sie in 3 dargestellt ist, erlaubt simultan einen normalen Strom durch einen Reaktor 6, wohingegen der andere Reaktor 6a rückgespült wird. Der Reaktor 6 weist ein Katalysatorbett 7, eine erste oder untere Öffnung 8, eine zweite oder obere Öffnung 9 auf, die über der ersten Öffnung 18 angeordnet ist, ferner eine erste Vielzahl an Ventilen 10, 12 und eine zweite Vielzahl an Ventilen 11, 13. Ein erstes (unteres) Öffnungsauslassventil 10 ist zwischen der ersten Öffnung 8 und dem Produktstromeinlass 3 angeordnet; ein erstes Öffnungseinlassventil 11 ist zwischen der Pumpe 4 und der ersten Öffnung 8 angeordnet; ein zweites (oberes) Öffnungseinlassventil 12 ist zwischen der Pumpe 4 und der zweiten Öffnung 9 angeordnet; ein zweites Öffnungsauslassventil 13 ist zwischen der zweiten Öffnung 9 und dem Produktstromeinlass 3 angeordnet. Der Reaktor 6a weist ein erstes Katalysatorbett 7a, eine erste oder untere Öffnung 8a, eine zweite oder obere Öffnung 9a auf, die über der ersten Öffnung 8a angeordnet ist, eine dritte Vielzahl an Ventilen 10a, 12a und eine vierte Vielzahl an Ventilen 11a, 13a auf. Ein erstes (unteres) Öffnungsauslassventil 10a ist zwischen der ersten Öffnung 8a und dem Produktstromeinlass 3 angeordnet; ein erstes Öffnungseinlassventil 11a ist zwischen der Pumpe 4 und der ersten Öffnung 8a angeordnet, ein zweites (oberes) Öffnungseinlassventil 12a ist zwischen der Pumpe 4 und der zweiten Öffnung 9a angeordnet; ein zweites Öffnungauslassventil 13a ist zwischen der zweiten Öffnung 9a und dem Produktstromeinlass 3 angeordnet. In einem ersten Zustand sind die Ventile 10, 12, 11a und 13a offen und die Ventile 11, 13, 10a und 12a sind geschlossen. Vorteilhafterweise sind die offenen Ventile so ausgebildet, dass ein überwiegender Anteil des Stromes B durch das Ventil 12 in den Reaktor 6 an der oberen Öffnung 9 gepumpt wird; der Produktstrom C verlässt den Reaktor 6 an der unteren Öffnung 3, strömt durch das Ventil 10 und kehrt durch den Einlass 3 in die Destillationssäule 1 zurück. Ein geringer Anteil des Stromes B wird durch das Ventil 11a und in den Reaktor 6a durch dessen untere Öffnung 8a gepumpt, wodurch der Reaktor 6a rückgespült wird. Der Produktstrom C verlässt den Reaktor 6a durch die obere Öffnung 9a, strömt dann durch das Ventil 13a und kehrt zu der Destillationssäule 1 durch den Einlass 3 zurück. Der Destillatstrom B wird zwischen dem Reaktor 6 und dem Reaktor 6a aufgeteilt. Bei manchen Ausführungen strömt zumindest 90% des flüssigen Stromes B in den Reaktor, der im normalen Strömungsmodus arbeitet (Reaktor 6 in 3), wobei nicht mehr als 10% des flüssigen Stromes B in den Reaktor strömt, der im Rückstrommodus betrieben wird (Reaktor 6a in 3). Bei manchen Ausführungen strömt zumindest 90%, vorteilhafterweise 90–96% des flüssigen Stromes B durch den Reaktor im normalen Strömungsmodus, wobei der verbleibende Anteil des Stromes in den Rückspülreaktor strömt.
Der Druckabfall in den Reaktoren 6, 6a wird überwacht. Falls der Druckabfall in dem Reaktor, der im normalen Strömungsmodus arbeitet (d.h. Reaktor 6 in 3), einen bestimmten Schwellwert überschreitet, werden die Strömungsmuster umgekehrt. Bei manchen Ausführungen ist der Schwellwert ein Wert ausgewählt im Bereich von 0,5 bar bis 3,5 bar (50 kPa bis 350 kPa). So können beispielsweise die Strömungsmuster umgekehrt werden, wenn der Druckabfall in dem Reaktor, der sich im Normalstrommodus befindet, 3 bar überschreitet. Das obere Ende des Schwellwertbereiches kann teilweise durch die mechanischen Grenzen der Hardware des Systems, einschließlich der Pumpenstärke bestimmt sein. Die untere Grenze des Bereiches kann auf Faktoren beruhen, wie beispielsweise ökonomische Betrachtungen und Produktionslogistiken. Die Ventile 11, 13, 10a und 12a werden geöffnet und die Ventile 10, 12, 11a und 13a werden geschlossen, um das Strömungsmuster durch die katalytischen Redistributionsreaktoren umzukehren. Der Reaktor 6a arbeitet dann in dem normalen Strömungsmodus, wobei ein überwiegender Anteil des Stromes B durch die Öffnung 9a eintritt und durch die Öffnung 8a austritt, wohingegen der Reaktor 6 mit einem geringen Anteil des Stromes B rückgespült wird, der durch die Öffnung 8 eintritt und durch die Öffnung 9 austritt. Das System arbeitet in diesem Zustand weiter, bis der Druckabfall in dem Reaktor 6a den bestimmten Schwellwert überschreitet, wobei zu diesem Zeitpunkt das Strömungsmuster erneut umgekehrt wird.
Bei einer Ausführungsform arbeiten beide katalytischen Redistributionsreaktoren 6, 6a im normalen Modus, bis der Druckabfall in einem der Reaktoren den Schwellwert überschreitet, d.h. die Ventile 10, 12, 10a und 12a sind offen und die Ventile 11, 13, 11a und 13a sind geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Fluss zum betreffenden Reaktor umgedreht, um diesen Reaktor rückzuspülen. Nachdem der Reaktor mit 2–4 Bettvolumina des umgekehrten Stromes rückgespült worden ist, wird der Strom erneut in den normalen Strom umgedreht.
In einer weiteren Ausführung arbeitet ein katalytischer Redistributionsreaktor 6 im normalen Modus und der andere katalytische Redistributionsreaktor 6a wird in Reserve gehalten, bis er benötigt wird. In anderen Worten ausgedrückt sind die Ventile 10a, 11a, 12a und 13a solange geschlossen, bis der Druckabfall im Reaktor 6 den Schwellwert überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird der Fluss zum Reaktor 6 umgedreht und es findet ein normaler Strom durch den Reaktor 6a statt, der dadurch initiiert wird, dass die Ventile 10a und 12a geöffnet werden. Nachdem der Reaktor 6 mit 2–5 Bettvolumina des umgedrehten Stromes rückgespült worden ist, werden die Ventile 10, 11, 12 und 13 geschlossen und der Reaktor 6 wird in Reserve gehalten, bis der Druckabfall im Reaktor 6a den Schwellwert überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird der normale Strom zum Reaktor 6 initiiert und der Reaktor 6a wird rückgespült.
Ein Fachmann versteht im Zusammenhang mit 2, dass ein zweiter hier nicht dargestellter Redistributionsreaktor parallel zu dem katalytischen Redistributionsreaktor 23 installiert werden kann, um das Rückspülen des Reaktors 23, falls es notwendig ist, zu erleichtern.
Beispiel
Ein Verfahren zum Herstellen von Silan aus einer Zuführquelle, die Trichlorsilan enthält, wird in einem System (3) durchgeführt, das eine Destillationssäule 1 und zwei mit Füllkörpern versehene Redistributionsreaktoren 6 und 6a, die mit DOWEX M-43 gefüllt sind, einem makrovernetzten schwach basischen Ionenaustauschharz, aufweist. Am Trennboden Nr. 34, gezählt vom Boden nach oben, ist der Kaminboden vorgesehen. Flüssigkeit, die von dem Kaminboden 2 entnommen wird, strömt nach unten durch einen Kühler 5, der den Strom auf 10 °C unter die Temperatur am Trennboden Nr. 34 abkühlt. Die Flüssigkeit tritt in eine dichtungslose Pumpe 4 ein, die den Druck um 2,5 bar erhöht. Der von der Pumpe kommende Strom wird durch Steuerventile 10–13 und 10a–13a aufgetrennt, so dass 96% des Stromes dem Reaktor 6 und 4% dem Reaktor 6a im Normalarbeitsmodus zugeführt werden. Falls der Druckabfall im Reaktor 6 0,5 bar überschreitet, wird der überwiegende Teil des Stromes zum Reaktor 6a bewegt und die niedrigere Strömungsrate wird durch den Reaktor 6 geführt, wobei die Strömungsrichtung in jedem Reaktor umgekehrt wird. Jeder Reaktor ist von einer solchen Größe, dass im Normalstrommodus eine flüssige Strömungsrate entsprechend 20 m³/h Oberflächengeschwindigkeit und mit einer Verweildauer von 6 Minuten geschaffen wird. Auf diese Art und Weise wird der Gesamtfluss von und zu der Destillationssäule konstant gehalten und die Reaktorbetten werden mit dem umgekehrten Strom versehen, um die Katalysatorbetten rückzuverteilen und um jegliche sehr kleine Teile auszuspülen, die die Strömungsraten behindern würden.
Zusätzliche Offenbarungen betreffend solche Systeme und reaktive Destillationsmethoden zum Herstellen von Silanen und Hydro-Halogensilanen können in der US-Anmeldung Nr. 13/328,820, angemeldet am 16. Dezember 2011 und in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US2012/069758, angemeldet am 14. Dezember 2012 gefunden werden, die beide in ihrer Gänze in die Offenbarung mit einbezogen werden.
Übersicht über repräsentative Ausführungen
Ein System zur Herstellung von Silanen und Hydrohalogensilanen weist Folgendes auf, nämlich (a) eine Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation, die Folgendes aufweist, nämlich ein Gefäß, das eine Vielzahl an Destillationszonen definiert, das einen Reaktantenstromeinlass 15, der in einem unteren Abschnitt der Säule angeordnet ist, sowie einen Destillatstromauslass 14 aufweist, der in einem oberen Abschnitt der Säule angeordnet ist und das ferner einen Produktstromeinlass 3 aufweist, der in einem unteren Abschnitt der Säule angeordnet ist; (b) einen ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6, der Folgendes aufweist, nämlich ein Gefäß, das eine Kammer umgrenzt, wobei das Gefäß eine erste untere Reaktoröffnung 8, die in einem unteren Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist, und eine erste obere Reaktoröffnung 9 aufweist, die in einem oberen Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist, einen Festbettkatalysator, der in der Kammer zwischen der ersten unteren Reaktoröffnung 8 und der ersten oberen Reaktoröffnung 9 angeordnet ist, und eine Vielzahl an Ventilen 10, 11, 12, 13, wobei, falls die Ventile 10 und 12 offen sind, und die Ventile 11 und 13 geschlossen sind, die erste untere Reaktoröffnung 8 in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass 3 steht, und die erste obere Reaktoröffnung 9 in strömungstechnischer Verbindung mit dem Destillatstromauslass 14 steht, und wobei, falls die Ventile 11 und 13 offen sind und die Ventile 10 und 12 geschlossen sind, die erste untere Reaktoröffnung 8 dann mit dem Destillatstromauslass 14 in strömungstechnischer Verbindung steht und die erste untere Reaktoröffnung 9 in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass 3 steht; (c) einen zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a, der Folgendes aufweist, nämlich ein Gefäß, das eine Kammer umgrenzt, wobei das Gefäß eine zweite untere Reaktoröffnung 8a, die in einem unteren Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist und eine zweite obere Reaktoröffnung 9a aufweist, die in einem oberen Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist; einen Festbettkatalysator, der in der Kammer zwischen der zweiten unteren Reaktoröffnung 8a und der zweiten oberen Reaktoröffnung 9a angeordnet ist, und eine Vielzahl an Ventilen 10a, 11a, 12a, 13a, wobei, falls die Ventile 10a und 12a offen und die Ventile 11a und 13a geschlossen sind, die zweite untere Reaktoröffnung 8a in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass 3 steht und die zweite obere Reaktoröffnung 9a in strömungstechnischer Verbindung mit dem Destillatstromauslass 14 steht, und (d) eine Pumpe (4), die stromabwärts des Destillatstromauslasses 14 und stromaufwärts des ersten katalytischen Redistributionsreaktors 6 und des zweiten katalytischen Redistributionsreaktors 6a angeordnet ist. Das System kann ferner eine Kühlvorrichtung 5 aufweisen, die stromabwärts des Destillatstromauslasses angeordnet ist.
Bei einigen oder allen der zuvor genannten Ausführungen können die Ventile 10, 12, 10a und 12a so konfiguriert sein, dass sie eine größere Strömungsrate des Destillates B schaffen als die Ventile 11, 13, 11a und 13a. Bei manchen Ausführungen sind die Ventile 10, 12, 10a und 12a derart konfiguriert, dass diese eine Strömungsrate des Destillates B schaffen, die zumindest 9-fach größer ist als die Strömungsrate durch die Ventile 11, 13, 11a und 13a.
Bei einigen oder allen der zuvor genannten Ausführungen kann der Festbettkatalysator in dem ersten Redistributionsreaktor 6 und in dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a ein Ionenaustauschharz sein. Bei manchen Ausführungen weist das Ionenaustauschharz eine Vielzahl an Partikeln unterschiedlicher Größe auf.
Ein Verfahren zur Herstellung von Silanen und Hydro-Halogensilanen weist folgende Schritte auf, nämlich (i) Einbringen eines Reakantenstromes A, der ein oder mehrere Hydro-Halogensilane der Formel H_ySiX_4-y enthält, in der X ein Halogen ist und y 1, 2 oder 3 ist, in eine Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation, die Folgendes aufweist, nämlich ein Gefäß, das eine Vielzahl an Destillationszonen definiert, wobei der Reaktantenstrom A in die Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation durch einen Reaktantenstromeinlass 15 eingebracht wird, der in einem unteren Abschnitt der Säule 1 angeordnet ist; (ii) Pumpen eines Destillates B aus der Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation über einen Destillatstromauslass 14, der in einem oberen Bereich der Säule 1 angeordnet ist durch (i) einen ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6, der ein Gefäß aufweist, das eine Kammer umgrenzt, wobei ein Festbettkatalysator in der Kammer angeordnet ist, eine erste untere Reaktoröffnung 8 aufweist, die in einem unteren Abschnitt des ersten Reaktors 6 angeordnet ist und eine erste obere Reaktoröffnung 9, die in einem oberen Abschnitt des ersten Reaktors angeordnet ist, und (ii) durch einen zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a, der ein Gefäß aufweist, das eine Kammer umgrenzt, wobei ein Festbettkatalysator in der in der Kammer angeordnet ist, eine zweite untere Reaktoröffnung 8a, die in einem unteren Abschnitt des zweiten Reaktors 6a angeordnet ist und eine zweite obere Reaktoröffnung 9a, die in einem oberen Abschnitt des zweiten Reaktors 6a angeordnet ist, wobei ein erster Teil des Destillates B in den ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 über die erste obere Reaktoröffnung 9 geführt wird und ein erster Teil eines Produktstromes C aus dem ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 über die erste untere Reaktoröffnung 18 geführt wird, und ferner Führen eines zweiten Teiles des Destillates B in den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a über die zweite untere Reaktoröffnung 8a und Führen eines zweiten Teiles des Produktstromes C aus dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a über die zweite untere Reaktoröffnung 9a, wodurch der zweite katalytische Redistributionsreaktor 6a rückgespült wird; und (iii) Strömenlassen des Produktstromes C in eine Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation über einen Produktstromeinlass 3, der in einem unteren Abschnitt der Säule 1 für eine fraktionierte Mehrzonendestillation angeordnet ist. Bei manchen Ausführungen weist das Pumpen des Destillates Folgendes auf, nämlich Pumpen des Destillates zu einem ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 über die erste obere Reaktoröffnung 9 mit einer größeren Strömungsrate als einer Strömungsrate zu dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a über die zweite untere Reaktoröffnung 8a. Bei machen Ausführungen ist die Strömungsrate zum ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 zumindest 9-fach größer als die Strömungsrate zum zweiten katalytischen Redistrubtionsreaktor 6a.
Bei einigen oder allen der zuvor genannten Ausführungsformen kann das Verfahren ferner Folgendes aufweisen, nämlich Abkühlen des Destillates B, bevor das Destillat B durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a gepumpt wird.
Bei einigen oder allen der zuvor genannten Ausführungen kann das Verfahren Folgendes aufweisen, nämlich Überwachen eines Druckabfalles im ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6, Bestimmen, ob der Druckabfall einen Schwellwert überschreitet, und Umkehren einer Strömungsrichtung durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a, wenn der Druckabfall den Schwellwert überschreitet. Bei manchen Ausführungen beinhaltet das Umkehren der Strömungsrichtung Folgendes, nämlich Führen eines Teiles des Destillates B in den ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 über die erste untere Reaktoröffnung 8 und Führen eines Teiles des Produktstroms C aus dem ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 über die erste untere Reaktoröffnung 9; und Führen eines entsprechenden Teils des Destillates B in den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a über die zweite untere Reaktoröffnung 9a und Führen eines entsprechenden Teiles des Produktstroms C aus dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a über die zweite untere Reaktoröffnung 8a, wodurch die Strömungsrichtung durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a umgekehrt wird. Bei bestimmten Ausführungen beinhaltet das Umkehren der Strömungsrichtung ferner Folgendes, nämlich Pumpen des Destillates zu dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a über die zweite obere Reaktoröffnung 9a mit einer größeren Strömungsrate als einer Strömungsrate zu dem ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 über die erste untere Reaktoröffnung 8.
Bei allen oder einigen der zuvor genannten Ausführungen kann das Verfahren Folgendes aufweisen, nämlich Überwachen eines anschließenden Druckabfalles im zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a, Bestimmen, ob der anschließende Druckabfall einen Schwellwert überschreitet, und Umkehren der Strömungsrichtung durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor 6 und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor 6a, falls der entsprechende Druckabfall den Schwellwert überschreitet.
Im Hinblick auf die zahlreichen möglichen Ausführungsbeispiele, auf die die Prinzipien der offenbarten Erfindung angewendet werden können, sei angemerkt, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele nur bevorzugte Beispiele der Erfindung sind und nicht dazu herangezogen werden, den Rahmen der Erfindung zu beschränken. Der Rahmen der Erfindung wird durch die nachfolgenden Ansprüche umgrenzt. Wir beanspruchen als unsere Erfindung all dasjenige, was sich im Rahmen und im Geist dieser Ansprüche befindet.

Claims

System zur Herstellung von Silanen und Hydro-Halogensilanen, enthaltend (a) eine Säule (1) für eine fraktionierte Mehrzonendestillation, die Folgendes aufweist, nämlich ein Gefäß, das eine Vielzahl an Destillationszonen definiert, das einen Reaktantenstromeinlass (15), der in einem unteren Abschnitt der Säule angeordnet ist, sowie einen Destillatstromauslass (14) aufweist, der in einem oberen Abschnitt der Säule angeordnet ist und das ferner einen Produktstromeinlass (3) aufweist, der in einem unteren Abschnitt der Säule angeordnet ist; (b) einen ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6), der Folgendes aufweist, nämlich ein Gefäß, das eine Kammer umgrenzt, wobei das Gefäß eine erste untere Reaktoröffnung (8), die in einem unteren Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist, und eine erste obere Reaktoröffnung (9) aufweist, die in einem oberen Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist, einen Festbettkatalysator, der in der Kammer zwischen der ersten unteren Reaktoröffnung (8) und der ersten oberen Reaktoröffnung (9) angeordnet ist, und eine Vielzahl an Ventilen (10), (11), (12), (13), wobei, falls die Ventile (10) und (12) offen sind und die Ventile (11) und (13) geschlossen sind, die erste untere Reaktoröffnung (8) in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass (3) steht, und die erste obere Reaktoröffnung (9) in strömungstechnischer Verbindung mit dem Destillatstromauslass (14) steht, und wobei, falls die Ventile (11) und (13) offen sind und die Ventile (10) und (12) geschlossen sind, die erste untere Reaktoröffnung (8) dann mit dem Destillatstromauslass(14) in strömungstechnischer Verbindung steht und die erste untere Reaktoröffnung (9) in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass (3) steht; (c) einen zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a), der Folgendes aufweist, nämlich ein Gefäß, das eine Kammer umgrenzt, wobei das Gefäß eine zweite untere Reaktoröffnung (8a), die in einem unteren Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist und eine zweite obere Reaktoröffnung (9a) aufweist, die in einem oberen Abschnitt des Gefäßes angeordnet ist; einen Festbettkatalysator, der in der Kammer zwischen der zweiten unteren Reaktoröffnung (8a) und der zweiten oberen Reaktoröffnung (9a) angeordnet ist, und eine Vielzahl an Ventilen (10a), (11a), (12a), (13a), wobei, falls die Ventile (10a) und (12a) offen sind und die Ventile (11a) und (13a) geschlossen sind, die zweite untere Reaktoröffnung (8a) in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass (3) steht und die zweite obere Reaktoröffnung (9a) in strömungstechnischer Verbindung mit dem Destillatstromauslass (14) steht, und falls die Ventile (11a) und (13a) offen und die Ventile (10a) und (12a) geschlossen sind, die zweite untere Reaktoröffnung (8a) dann in strömungstechnischer Verbindung mit dem Destillatstrom aus (14) steht und die zweite untere Reaktoröffnung (9a) in strömungstechnischer Verbindung mit dem Produktstromeinlass (3) steht; und (d) eine Pumpe (4), die stromabwärts des Destillatstromauslasses (14) und stromaufwärts des ersten katalytischen Redistributionsreaktors (6) und des zweiten katalytischen Redistributionsreaktors (6a) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, das ferner eine Kühlvorrichtung (5) aufweist, die stromabwärts des Destillatstromauslasses (14) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Ventile (10), (12), (10a) und (12a) derart konfiguriert sind, dass sie eine größere Strömungsrate des Destillates (B) schaffen als die Ventile (11), (13), (11a) und (13a).
System nach Anspruch 3, bei dem die Ventile (10), (12), (10a) und (12a) derart konfiguriert sind, dass sie eine Strömungsrate des Destillates (B) schaffen, die zumindest 9-fach größer ist als die Strömungsrate durch die Ventile (11), (13), (11a) und (13a).
System nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem der Festbettkatalysator in dem ersten Redistributionsreaktor (6) und in dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) ein Ionenaustauschharz ist.
System nach Anspruch 5, bei dem das Ionenaustauschharz eine Vielzahl an Partikeln unterschiedlicher Größe aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Silanen und Hydro-Halogensilanen, das folgende Schritte aufweist, nämlich Einbringen eines Reakantenstromes (A), der ein oder mehrere Hydro-Halogensilane der Formel H_ySiX_4-y enthält, in der X ein Halogen ist und y 1, 2 oder 3 ist, in eine Säule (1) für eine fraktionierte Mehrzonendestillation, die Folgendes aufweist, nämlich ein Gefäß, das eine Vielzahl an Destillationszonen definiert, wobei der Reaktantenstrom (A) in die Säule (1) für eine fraktionierte Mehrzonendestillation durch einen Reaktantenstromeinlass (15) eingebracht wird, der in einem unteren Abschnitt der Säule (1) angeordnet ist; Pumpen eines Destillates (B) aus der Säule (1) für eine fraktionierte Mehrzonendestillation über einen Destillatstromauslass (14), der in einem oberen Bereich der Säule (1) angeordnet ist durch (i) einen ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6), der ein Gefäß aufweist, das eine Kammer umgrenzt, wobei ein Festbettkatalysator in der Kammer angeordnet ist, eine erste untere Reaktoröffnung (8) aufweist, die in einem unteren Abschnitt des ersten Reaktors angeordnet ist und eine erste obere Reaktoröffnung (9), die in einem oberen Abschnitt des ersten Reaktors 6 angeordnet ist, und (ii) durch einen zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a), der ein Gefäß aufweist, das eine Kammer umgrenzt, wobei ein Festbettkatalysator in der in der Kammer angeordnet ist, die eine zweite untere Reaktoröffnung (8a) aufweist, die in einem unteren Abschnitt des zweiten Reaktors (6a) angeordnet ist und die eine zweite obere Reaktoröffnung (9a) aufweist, die in einem oberen Abschnitt des zweiten Reaktors (6a) angeordnet ist, wobei ein erster Teil des Destillates (B) in den ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6) über die erste obere Reaktoröffnung (9) geführt wird und ein erster Teil eines Produktstromes (C) aus dem ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6) über die erste untere Reaktoröffnung (8) geführt wird, und ferner Führen eines zweiten Teiles des Destillates (B) in den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) über die zweite untere Reaktoröffnung (8a) und Führen eines zweiten Teiles des Produktstromes (C) aus dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) über die zweite untere Reaktoröffnung (9a), wodurch der zweite katalytische Redistributionsreaktor (6a) rückgespült wird; und Strömenlassen des Produktstromes (C) in eine Säule (1) für eine fraktionierte Mehrzonendestillation über einen Produktstromeinlass (3), der in einem unteren Abschnitt der Säule (1) für eine fraktionierte Mehrzonendestillation angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Pumpen des Destillates Folgendes enthält, nämlich Pumpen des Destillates zum ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6) über die erste obere Reaktoröffnung (9) mit einer größeren Strömungsrate als einer Strömungsrate zu dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) über die zweite untere Reaktoröffnung (8a).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Strömungsrate zum ersten katalytischen Redistributionsreaktors (6a) zumindest 9-fach größer ist als die Strömungsrate zum zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a).
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner Folgendes aufweist, nämlich Abkühlen des Destillates (B), bevor das Destillat (B) durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6) und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) gepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, das ferner Folgendes aufweist, nämlich Überwachen eines Druckabfalls im ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6); Bestimmen, ob der Druckabfall einen Schwellwert überschreitet; und Umkehren einer Strömungsrichtung durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6) und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a), wenn der Druckabfall den Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Umkehren der Strömungsrichtung Folgendes aufweist, nämlich Führen eines Teiles des Destillates (B) in den ersten Redistributionsreaktor (6) über die erste untere Reaktoröffnung (8) und Führen eines Teils des Produktstromes (C) aus dem ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6) über die erste untere Reaktoröffnung (9); und Führen eines entsprechenden Teiles des Destillates (B) in den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) über die zweite untere Reaktoröffnung (9a) und Führen eines entsprechenden Teiles des Produktstromes (C) aus dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) über die zweite untere Reaktoröffnung (8a), wodurch die Strömungsrichtung durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6) und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) umgekehrt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Umkehren der Strömungsrichtung ferner Folgendes aufweist, nämlich Pumpen des Destillates zu dem zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a) über die zweite obere Reaktoröffnung (9a) mit einer größeren Strömungsrate als eine Strömungsrate zu dem ersten katalytischen Redistributionsreaktors (6) über die erste untere Reaktoröffnung (8).
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner Folgende aufweist, nämlich Überwachen eines anschließenden Druckabfalles im zweiten katalytischen Redistributionsreaktor (6a); Bestimmen, ob der anschließende Druckabfall einen Schwellwert überschreitet; und Umkehren der Strömungsrichtung durch den ersten katalytischen Redistributionsreaktor (6) und den zweiten katalytischen Redistributionsreaktors (6a), falls der entsprechende Druckabfall den Schwellwert überschreitet.