DE112015000485T5

DE112015000485T5 - Reinigungsverfahren und Reinigungsvorrichtung für Abgas

Info

Publication number: DE112015000485T5
Application number: DE112015000485.8T
Authority: DE
Inventors: Jea Sung Park; Sang ah KIM; Won Ik Lee; Gil Ho Kim; Bo Kyung Kim; Gui Ryong Ahn
Original assignee: Hanwha Chemical Corp
Current assignee: Hanwha Chemical Corp
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2017-02-23
Also published as: US20170007962A1; JP2017507880A; CN106061585A; CN106061585B; US10016724B2; MY177612A; JP6297160B2; US20180280874A1; MY195545A; WO2015111886A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reinigungsverfahren und eine Reinigungsvorrichtung für Abgas. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Reinigungsverfahren und eine Reinigungsvorrichtung für Abgas, die in der Lage sind, die Konzentration von Chlorwasserstoff zu senken und hochreinen Wasserstoff aus dem Abgas zu trennen, das nach Durchführen eines Polysiliciumabscheidungsprozesses durch eine chemische Gasphasenabscheidungs(CVD)-Reaktion abgeleitet wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(a) Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Reinigungsverfahren und einer Reinigungsvorrichtung für Abgas. Im Besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Reinigungsverfahren und eine Reinigungsvorrichtung für Abgas, das bzw. die in der Lage ist, die Chlorwasserstoffkonzentration zu senken und hochreinen Wasserstoff aus dem Abgas, das nach der Durchführung eines Polysiliciumabscheidungsprozesses mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion freigesetzt wird, zu trennen.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2014-0009101 und der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2014-0009102 , die beide jeweils am 24. Januar 2014 beim Korean Intellectual Property Office (KIPO) eingereicht wurden, sowie der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2014-0051668 , die am 29. April 2014 beim KIPO eingereicht wurde. Der Inhalt dieser Dokumente wird insgesamt durch Bezugnahme im Vorliegenden aufgenommen.
(b) Beschreibung der verwandten Technik
Zu den bekannten Herstellungsverfahren von Polysilicium für Solarzellen gehört ein Prozess, der auf der Laminierung von Polysilicium in einem Reaktor für die chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) beruht und der auch als Siemens-Verfahren bekannt ist.
Siliciumfilamente, die in der Regel beim Siemens-Verfahren zum Einsatz kommen, werden bei einer hohen Temperatur von mehr als 1000°C Trichlorsilan mit einem Trägergas ausgesetzt.
Das Trichlorsilangas zerfällt und scheidet Silicium auf einer erhitzten Siliciumfilamentphase ab, wodurch das erhitzte Siliciumfilament wächst, wie in der Reaktionsgleichung 1 weiter unten dargestellt.
[Reaktionsgleichung 1]

2HSiCl₃ → Si + 2HCl + SiCl₄

Nach der Durchführung des Polysiliciumabscheidungsprozesses mittels der chemischen Gasphasenabscheidung, wie weiter oben beschrieben, werden chlorsilanbasierte Verbindungen, wie etwa Dichlorsilan, Trichlorsilan oder Siliciumtetrachlorid, oder Wasserstoff und Chlorwasserstoff als Reaktionsnebenprodukte freigesetzt.
Abgas (Off-gas, OGR), das diese chlorsilanbasierten Verbindungen, Wasserstoff und Chlorwasserstoff enthält, wird im Allgemeinen in vier Stufen zurückgewonnen und wieder aufbereitet. Mittels: 1) Kondensierung und Komprimierung, 2) Absorption und Destillation von Chlorwasserstoff (HCl), 3) Adsorption von Wasserstoff (H₂), 4) Abtrennung der chlorsilanbasierten Verbindungen.
Im Besonderen bedeutet dies, dass das vom Polysiliciumabscheidungsreaktor abgeleitete Gas einem Kondensierungs- und Komprimierungsprozess zugeführt und gekühlt wird, wonach es in einen Abscheider geleitet wird. Es erfolgt eine temperaturbedingte Trennung, ein kondensierter Phasenstrom chlorsilanbasierter Verbindungen wird zu einer Destillationskolonne für Chlorwasserstoff (HCl) und ein nicht kondensierter Phasenstrom wird zu einem unteren Teil der Chlorwasserstoff-Absorptionskolonne transferiert. Zu der Zeit liegt die Wasserstoffkomposition (H₂) im nicht kondensierten Phasenstrom bei etwa 90 Mol% oder mehr.
Der kondensierten Phasenstrom, bei dem die Chlorwasserstoffkomponente von der Chlorwasserstoff-Destillationskolonne entfernt wird, wird gemischt und dabei auf die Oberseite einer Absorptionskolonne gesprüht, und die chlorsilanbasierte Verbindungskomponente und der Chlorwasserstoff in den nicht kondensierten Phasenströmen werden absorbiert und entfernt.
Ein Gasstrom, bei dem die chlorsilanbasierte Verbindungskomponente und der Chlorwasserstoff weitestgehend entfernt wurden, wird in eine mit Aktivkohle gefüllte Kolonne geleitet. Die restliche chlorsilanbasierte Verbindungskomponente und Chlorwasserstoff werden absorbiert, wodurch ein hochreiner Wasserstoff zurückgewonnen wird.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Wasserstoffreinigung ist ein Druckwechseladsorptionsprozess (pressure swing adsorption, PSA), der für die Abtrennung und Reinigung von Polysiliciumabgas adaptiert ist.
1 illustriert eine Abgasreinigungsvorrichtung nach dem Stand der Technik.
Mit Bezug auf 1, die Reinigungsvorrichtung 300 für Abgas nach dem Stand der Technik weist einen Abscheider 315, eine Absorptionskolonne 325, eine erste Destillationskolonne 345, eine Adsorptionskolonne 355 und eine zweite Destillationskolonne 360 auf.
Das von einem Reaktor für die Polysiliciumabscheidung 305 abgeleitete Abgas 301 wird in einem ersten Kühler 310 gekühlt, dann in einen Abscheider 315 geleitet und in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom 302, der einen Wasserstoffüberschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom 303, der einen Überschuss einer chlorsilanbasierten Verbindung enthält, geteilt. Zu der Zeit ist der im Abgas 301 enthaltene Chlorwasserstoff weitestgehend im nicht kondensierten Phasenstrom 302 verteilt.
Der nicht kondensierte an der Oberseite des Abscheiders 315 abgeleitete Gasphasenstrom 302 wird zusätzlich in einem zweiten Kühler 320 gekühlt, mit Druck beaufschlagt und dann in eine Absorptionskolonne 325 gespritzt. Zu der Zeit werden die Chlorwasserstoff- und Chlorsilankomponente, die jeweils im nicht kondensierten Phasenstrom 302 enthalten sind, weitestgehend mittels eines chlorsilanbasierten Stroms 307, der in eine erste Destillationskolonne 345 gesprüht wird, entfernt, wie nachstehend beschrieben. Andererseits wird der an der Oberseite der Absorptionskolonne 325 abgeleitete Wasserstoffstrom 304 schließlich in der Adsorptionskolonne 355 gereinigt und wieder in den Kreislauf zurückgeführt.
Der an der Unterseite des Abscheiders 315 abgeleitete Flüssigphasenstrom 303 wird mittels einer Pumpe 350 mit einem von der Absorptionskolonne 325 abgeleiteten Strom 306 gemischt und danach in eine erste Destillationskolonne 345 gespritzt. Ein gasförmiger Chlorwasserstoff wird abgetrennt und an der Oberseite der ersten Destillationskolonne 345 abgeleitet, und ein chlorsilanbasierter Strom 307, aus dem der Chlorwasserstoff entfernt wurde, wird an der Unterseite abgeleitet. Zu der Zeit verbraucht der Prozess an der ersten Destillationskolonne 345 mehr als etwa 40% der Energie des Reinigungsverfahrens insgesamt und wird mittels eines Hochenergieprozesses betrieben, bei dem die meiste Energie verbraucht wird. Die meisten chlorsilanbasierten Ströme 307 werden wieder über einer Pumpe 335 und einen Kühler 330 zur Absorptionskolonne 325 transferiert und für die Absorption von Chlorwasserstoff und Chlorsilan in den nicht kondensierten Phasenstrom 302 verwendet. Der Rest wird zu einer zweiten Destillationskolonne 360 transferiert, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid aufgetrennt und danach wieder in den Kreislauf zurückgeführt.
Beim herkömmlichen Reinigungsverfahren nach der vorangehenden Beschreibung wird, um Chlorwasserstoff aus dem nicht kondensierten Strom 302 zu entfernen, der kondensierte Phasenstrom 307, aus dem die Chlorwasserstoffkomponente von der ersten Destillationskolonne 345 entfernt wurde, auf die Absorptionskolonne 325 gesprüht und dieser zugeführt. Für diesen Prozess ist es notwendig, an der Absorptionskolonne 325 zu kühlen und an der ersten Destillationskolonne 345 zu erhitzen. Es entsteht also das Problem eines ineffizienten Energieverbrauchs. Hinzu kommt, dass der kondensierte Strom zur Sicherstellung der Reinheit der nicht kondensierten Phase, von der Oberseite der Absorptionskolonne 325 übermäßig oft zurückgeführt wird und damit ein Hauptgrund für den Anstieg der Energiekosten beim Abgasreinigungsprozess ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zur Behebung der vorgenannten Probleme des Stands der Technik ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Reinigungsverfahren und eine Reinigungsvorrichtung für Abgas bereitzustellen, das bzw. die in der Lage ist, Chlorwasserstoffgas wirksam und mit hoher Energieeffizienz aus dem Abgas zu entfernen, das beim Polysiliciumabscheidungsprozess, der mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion (chemical vapor deposition, CVD) durchgeführt wird, erzeugt wird.
Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung ein Abgasreinigungsverfahren bereit, das die folgenden Schritte umfasst:
Leiten des nach dem Polysiliciumabscheidungsprozess, der mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) durchführt wird, freigesetzten Abgases durch einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, um die Chlorwasserstoffkonzentration zu senken; und
Leiten des Abgases durch den katalytischen Reaktor gefolgt von der Trennung von Wasserstoff und der chlorsilanbasierten Verbindungen, die in dem weitergeleiteten Abgas enthalten sind.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Abgasreinigungsvorrichtung bereit, die Folgendes umfasst:
Einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält und die Chlorwasserstoffkonzentration senkt, indem das nach dem Polysiliciumabscheidungsprozess, der mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) durchgeführt wird, freigesetzte Abgas, weitergeleitet wird; und
eine Trennungsvorrichtung, die den Wasserstoff und die chlorsilanbasierten Verbindungen von dem durch den katalytischen Reaktor weitergeleiteten Abgas trennt.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Abgasreinigungsverfahren bereit, das diese Schritte umfasst:
Trennen des nach dem Polysiliciumabscheidungsprozess, der mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) durchgeführt wird, freigesetzten Abgases in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Phasenstrom; und
Leiten des kondensierten Phasenstroms durch einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, um die Chlorwasserstoffkonzentration zu senken.
Ferner bietet die vorliegende Erfindung eine Abgasreinigungsvorrichtung, die Folgendes umfasst, eine:
Trennungsvorrichtung, die das nach dem Polysiliciumabscheidungsprozess, der mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) durchführt wird, freigesetzte Abgas in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Phasenstrom trennt; und einen
Katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustauch-Harzkatalysator enthält und die Chlorwasserstoffkonzentration vom kondensierten Phasenstrom senkt.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Abgasreinigungsverfahren bereit, das diese Schritte umfasst:
Trennen des nach dem Polysiliciumabscheidungsprozess, der mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) durchführt wird, freigesetzten Abgases in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Phasenstrom; das
Leiten des nicht kondensierten Phasenstroms durch einen ersten katalytischen Reaktor, um die Chlorwasserstoffkonzentration zu senken; und das
Trennen der chlorsilanbasierten Verbindungen des kondensierten Phasenstroms nach dem Siedepunkt.
Nach dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren und der Reinigungsvorrichtung für Abgas ist vorgesehen, dass Chlorwasserstoff unter Verwendung eines katalytischen Reaktors durch Umwandlung in chlorsilanbasierte Verbindungen entfernt wird, anstelle der Durchführung des Kondensierungs- und Komprimierungsprozesses und der Durchführung der Trennung mittels Siedepunktunterschieden, um den Chlorwasserstoff aus dem vom Polysiliciumabscheidungsreaktor freigesetzten Abgas zu entfernen. Damit können einige der aufgrund von Chlorwasserstoff verursachten Probleme reduziert werden, wie beispielsweise Korrosion, Chlorwasserstoff-Leckagen, der Zerfall der Trennmembran, das Phänomen der Elution von Unreinheiten, die in der aktivierten Kohle enthalten sind, und dergleichen; es ist möglich, hochreinen Wasserstoff, aus dem der Chlorwasserstoff entfernt wurde, herzustellen und wiederaufzubereiten.
Ferner sind das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren und die Reinigungsvorrichtung für Abgas relativ einfach und können mithilfe von Niederenergiegeräten realisiert werden, wodurch die Betriebskosten für Gerät und Prozess herabgesetzt werden.
Hinzu kommt, dass beim erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren für Abgas keine Absorptionskolonne notwendig ist, um Chlorwasserstoff zu entfernen, wodurch es im Vergleich zu den herkömmlichen Druckbereichen betrieblich möglich ist, den Druck beim Komprimierungsschritt der nicht kondensierten Phase, die nach dem ersten Kondensierungs- und Trennungsschritt abgeleitet wird, zu senken, wodurch die Energieeffekte bei der Herabsetzung des Energieverbrauchs noch weiter verbessert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 illustriert eine Reinigungsvorrichtung für Abgas nach dem Stand der Technik.
2 illustriert eine Reinigungsvorrichtung für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
3 illustriert eine Reinigungsvorrichtung für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
4 illustriert eine Reinigungsvorrichtung für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
5 illustriert eine Reinigungsvorrichtung für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
6 illustriert eine Reinigungsvorrichtung für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
7 illustriert ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
8 illustriert ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
9 illustriert ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
10 illustriert ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
11 illustriert ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
12 illustriert ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
13 illustriert ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
14 illustriert ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der vorliegenden Offenbarung werden Begriffe wie „der/die/das Erste“, „der/die/das Zweite“ usw. zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet; sie sollen allein dem Zweck der Unterscheidung von einem Element zum anderen dienen.
Die in dieser Offenbarung verwendeten Begriffe beschreiben nur beispielhafte Ausführungsformen und sollen den Geltungsrahmen der vorliegenden Erfindung nicht beschränken. Ausdrucksweisen im Singular sollen die Pluralbedeutung einschließen, es sei denn, es ergibt sich eine klare anderweitige Auslegung aus dem Kontext. Die Begriffe „umfassen“, „aufweisen“ oder „haben“ in der Art, wie sie in dieser Offenbarung verwendet werden, sollen das Vorliegen von Merkmalen, ganzer Zahlen, Schritten, konstituierenden Elementen oder Kombinationen davon definieren; es versteht sich, dass das Vorliegen und die zusätzlichen Möglichkeiten eines oder mehrerer weiterer Merkmale, von ganzen Zahlen, Schritten oder konstituierenden Elementen oder Kombinationen davon hierdurch nicht ausgeschlossen wird.
Ferner, wenn darauf Bezug genommen wird, dass jede Schicht oder jedes Element „auf“ oder „auf der Oberseite“ der jeweiligen Schichten oder Elemente gebildet ist, so bedeutet dies, dass jede Schicht oder jedes Element auf der Oberseite der jeweiligen Schichten oder Elemente ausgebildet ist oder dass die andere Schicht oder das andere Element zusätzlich zwischen den jeweiligen Schichten oder auf dem Objekt oder Substrat ausgebildet sein kann.
Während sich die vorliegende Erfindung zur Implementierung verschiedener Modifizierungen und Alternativformen anbietet, werden nachstehend spezifische Ausführungsformen im Einzelnen illustriert und beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass die Beschreibung die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte hier offenbarte Ausführungsformen beschränken soll und dass stattdessen beabsichtigt wird, dass alle Modifizierungen, Äquivalenz- und Ersatzformen im engeren und weiteren Sinn in den Geltungsrahmen der Erfindung fallen.
Es folgt nun die Beschreibung des erfindungsgemäßen Reinigungsverfahrens und der Reinigungsvorrichtung für Gas in weiteren Einzelheiten.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Reinigungsverfahren für Abgas bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: Das Leiten des nach dem Polysiliciumabscheidungsprozess, der mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) durchgeführt wird, freigesetzten Abgases durch einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustauch-Harzkatalysator zur Herabsetzung der Chlorwasserstoffkonzentration enthält; das Leiten des Abgases durch den katalytischen Reaktor; dann das Abtrennen des in dem weitergeleiteten Abgas enthaltenen Wasserstoffs und der chlorsilanbasierten Verbindungen.
Erstens, der Betriff „Abgas“ bezieht sich in der vorliegenden Offenbarung ausnahmslos auf ein Gas, das nach der Durchführung eines Polysiliciumabscheidungsprozesses freigesetzt wird, insbesondere ist dies ein Polysiliciumabscheidungsprozess mittels chemischer Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) und kann eine Vielfalt von Verbindungen einschließen, kann jedoch ein Gas sein, das Chlorwasserstoff (HCl), Wasserstoff (H₂) und chlorsilanbasierte Verbindungen enthält.
Zusätzlich schließt das Abgas insgesamt einen nicht kondensierten Gaszustand, einen kondensierten Flüssigzustand oder einen Mischzustand davon ein; es kann ferner nicht nur ein Gas einschließen, das unmittelbar nach der Durchführung eines Polysiliciumabscheidungsprozesses freigesetzt wurde, sondern auch ein Gas mit einer anderen Zusammensetzung als ein Gas, das unmittelbar nach der Durchführung eines Polysiliciumabscheidungsprozesses freigesetzt wurde, aus einem anderen Prozess.
Weiter bezieht sich der Begriff „kondensierter Phasenstrom“ in der gesamten Offenbarung auf einen Strom, bei dem Abgas im flüssigen Zustand Prozesse durchläuft, wie etwa eine Kühlung, Druckbeaufschlagung, Trennung und Reinigung, und schließt sowohl einen in einem Schritt gebildeten Strom ein, als auch einen Strom, der durch Mehrschrittprozesse von zwei oder mehr Schritten gebildet wird, oder einen daraus gemischten Strom. Zudem ist die Begriffsverwendung eines kondensierten Phasenstroms mit dem eines flüssigen Phasenstroms austauschbar. Auf der anderen Seite kann sich der kondensierte Phasenstrom beim Mischen mit einem aus einem oder mehreren Prozessen abgeleiteten Strom in einem Zustand befinden, in dem ein Teil des Gases (beispielsweise etwa 10% nach Gewicht oder weniger) gemischt ist. Der Fall, in dem ein Teil des Gases, wie vorstehend beschrieben, gemischt ist, ist im erfindungsgemäßen kondensierten Phasenstrom eingeschlossen.
Ferner bezieht sich der Begriff „nicht kondensierter Phasenstrom“ in der gesamten Offenbarung auf einen Strom, bei dem Abgas im gasförmigen Zustand die Erwärmung, Drucklosmachung, Trennung, Reinigung und dergleichen durchläuft und schließt sowohl einen in einem Schritt gebildeten Strom ein, als auch einen Strom, der durch Mehrschrittprozesse von zwei oder mehr Schritten gebildet wird, oder einen daraus gemischten Strom. Zudem ist die Begriffsverwendung eines nicht kondensierten Phasenstroms mit dem eines Gasphasenstroms austauschbar. Andererseits kann der nicht kondensierte Phasenstrom mit einem aus einem oder mehreren Prozessen abgeleiteten Strom gemischt sein und sich in einem Zustand befinden, in dem ein Teil der Flüssigkeit (beispielsweise etwa 15% nach Gewicht oder weniger) durch Kondensation mittels Wärmeaustausch gemischt ist. Ferner gilt, der Fall, in dem ein Teil des Gases, wie vorstehend beschrieben, gemischt ist, wird es im kondensierten erfindungsgemäßen Phasenstrom eingeschlossen.
Als eines der bekannten Verfahren in der Polysiliciumherstellung bezieht sich die chemische Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) auf ein Verfahren zur Abscheidung von Silicium auf einem Siliciumfilament mittels Erhitzen des Siliciumfilaments, Einspritzen einer gasförmigen Silicium-Vorläuferverbindung, wie etwa Trichlorsilan, gefolgt von der Durchführung einer thermischen Zersetzung.
Als Nebenprodukt des Polysiliciumabscheidungsprozesses, der mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion durchgeführt wird, entsteht ein Abgas, das chlorsilanbasierte Verbindungen, wie etwa Dichlorsilan (SiH₂Cl₂), Trichlorsilan (SiHCl₃) und Siliciumtetrachlorid (SiCl₄) sowie Chlorwasserstoff (HCl), Wasserstoff (H₂) und dergleichen aufweist.
Wasserstoff- und Chlorsilan-basierte Verbindungen können von verschiedenen, in solchem Abgas enthaltenen Bestandteilen getrennt werden und in die chemische Gasphasenabscheidung zurückgeführt werden. Unter den im Abgas enthaltenen Bestandteilen ist Chlorwasserstoff jedoch schwer zurückzuführen und kann Korrosion am Gerät verursachen; es ist deshalb wünschenswert, Chlorwasserstoff nach dem Verfahren zu entfernen. Die Entfernung von Chlorwasserstoff ist jedoch aufgrund des niedrigen Siedepunkts und Molekulargewichts nicht einfach.
Im konventionellen Abgasreinigungsverfahren wird das aus dem Reaktor zur Abscheidung von Polysilicium abgeleitete Abgas dem Verdichtungs- und Kondensierungsverfahren zugeführt und einem thermischen Trennungsverfahren unterworfen. Dementsprechend wird der kondensierte und Chlorsilan-basierte Verbindungen enthaltende Phasenstrom einer Destillationskolonne zugeführt, um Chlorwasserstoff an der Oberseite abzutrennen, und der nicht kondensierte Phasenstrom wird der Unterseite der Absorptionskolonne zugeführt.
Die kondensierten Phasenströme, von denen der Chlorwasserstoff-Bestandteil (HCl) von der Destillationskolonne entfernt wurde, werden durch Sprühen oben in der Absorptionskolonne gemischt, um den Chlorsilan-basierten Bestandteil und Chlorwasserstoff (HCl) im nicht kondensierten Phasenstrom zu absorbieren und zu entfernen.
Nachfolgend werden Wasserstoffströme, von denen der Großteil der Chlorsilan- und Chlorwasserstoff-Bestandteile entfernt wurde, in eine mit Aktivkohle gefüllte Kolonne geführt und übriger Chlorwasserstoff und Chlorsilanbasierte Verbindungen von der Aktivkohle absorbiert und dabei hochreiner Wasserstoff zurückgewonnen.
Im oben beschriebenen konventionellen Abgasreinigungsverfahren wird zur Entfernung des im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltenen Chlorwasserstoffs der kondensierte Phasenstrom, von dem der Chlorwasserstoffbestandteil von der Destillationskolonne entfernt wurde, gesprüht und der Absorptionskolonne zugeführt. Bei diesem Verfahren ist es notwendig, an der Absorptionskolonne zu kühlen und an der Destillationskolonne zu erwärmen. Das Problem hierbei ist jedoch ein unwirtschaftlicher Energieverbrauch. Außerdem wird zur Sicherstellung der Reinheit der nicht kondensierten Phase der kondensierte Strom übermäßig oft an die Absorptionskolonne zurückgeführt und ist damit eine Hauptursache für die erhöhten Energiekosten für das Abgasreinigungsverfahren.
Das Reinigungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist dagegen relativ einfach im Vergleich zur konventionellen Methode und kann mit Vorrichtungen mit geringem Energieverbrauch ausgeführt werden und reduziert somit die Betriebskosten der Geräte und des Verfahrens.
Im Abgasreinigungsverfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Chlorwasserstoff in Trichlorsilan und/oder Siliciumtetrachlorid umgewandelt werden, indem das Abgas durch einen katalytischen Reaktor geführt wird, anstatt Chlorwasserstoff durch die Siedepunktdifferenz in der Destillationskolonne in eine Gasphase zu trennen, und dabei die Abführung von Chlorwasserstoff reduziert werden.
Das bedeutet, dass gemäß dem Reinigungsverfahren laut einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein katalytischer Reaktor, der einen Ionenaustauschharzkatalysator enthält, vorbereitet wird, und das Abgas, das nach der Durchführung eines Polysiliciumabscheidungsprozesses durch eine chemische Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) abgeleitet wird, durch den katalytischen Reaktor geführt wird, um die Konzentration des im Abgas enthaltenen Chlorwasserstoffs zu senken.
Für den oben beschriebenen Ionenaustauschharzkatalysator kann eine zyklische Aminverbindung, ein Styrol-basiertes Polymer mit Amingruppe, ein Styrol-Divinylbenzol-basiertes Polymer mit Amingruppe, ein Acrylpolymer mit Amingruppe, oder Gemische dieser verwendet werden. Beispiele der zyklischen Aminverbindung können Vinylpyridin, Pyridazin, Pyrimidin, Pyrazin, Piperidin, Pyrrolidin und ähnliches umfassen, die Erfindung ist allerdings nicht auf diese beschränkt.
Die Amingruppen sind nicht speziell beschränkt, tertiäre oder quartäre Amingruppen werden jedoch möglicherweise hinsichtlich der Wirksamkeit des Ionenaustauschharzes bevorzugt. Außerdem können Styrol- oder Styrol-Divinylbenzol-basierte Polymere mit herkömmlichen Verfahren vorbereitet werden, sind jedoch nicht speziell auf diese begrenzt. So kann zum Beispiel als beispielhaftes Verfahren zur Vorbereitung des Katalysators das Phthalimid-Verfahren verwendet werden. In diesem Fall wird ein mit Divinylbenzol vernetztes Polystyrolharz mit Phthalimid oder Phthalimid-Derivaten umgesetzt. Das so erhaltene Hydrolyseprodukt des primären Polyvinylbenzylamin wird mit Formaldehyd und Ameisensäure umgesetzt. Dadurch kann ein Polystyrolharz mit einer tertiären Aminogruppe gewonnen werden.
Außerdem ist der Ionenaustauschharzkatalysator überall im Handel erhältlich; die Variante der Acrylpolymere kann Produktnamen wie Amberlite IRA-958, Amberlite IRA-67 oder ähnliche und die Variante der Styrol- oder der Styrol-Divinylbenzol-basierten Polymere Produktnamen wie Amberlyst^® A-21, Dowex M-43, LEWATIT^® MP 62 WS oder ähnliche umfassen. Die zyklische Aminverbindung kann Produktnamen wie Reillex^® HP, Reillex^® 425 oder ähnliche umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der katalytische Reaktor eine Amin-basierte Verbindung enthalten. Beispiele der Amin-basierten Verbindung können ein Amin, ein Ammoniumsalz, ein Aminosilan, ein Aminosiloxan, ein Aminoalkoxysilan oder ähnliches enthalten, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
Gemäß dem Reinigungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird der im Abgas enthaltene Chlorwasserstoff beim Durchlauf durch den Ionenaustauschharzkatalysator gemäß der nachfolgenden Reaktionsformeln 1 und/oder 2 in Trichlorsilan (SiHCl3) und/oder Siliciumtetrachlorid (SiCl₄) umgewandelt. Ferner können durch den Einsatz des oben beschriebenen Ionenaustauschharzkatalysator die Effekte der Entfernung der im Abgas enthaltenen Fremdstoffe erreicht werden.
[Reaktionsformel 1]

SiH₂Cl₂ + HCl → SiHCl₃ + H₂

[Reaktionsformel 2]

SiHCl₃ + HCl → SiCl₄ + H₂

Wie oben beschrieben, kann während das Abgas, welches Chlorwasserstoff, Wasserstoff und Chlorsilan-basierte Verbindungen enthält, durch den Ionenaustauschharzkatalysator geführt wird, Chlorwasserstoff gemäß den Reaktionsformeln 1 und/oder 2 in Trichlorsilan und/oder Siliciumtetrachlorid umgewandelt werden.
Insbesondere kann die oben beschriebene Reaktion durch den folgenden Vorgang ausgeführt werden. Zunächst bildet das Chlorwasserstoffmodul durch die Amin-Funktionsgruppen des Ionenaustauschharzkatalysators ein Amin-Hydrochlorid oder ein Amin-Chlorsilan-Salz. Ferner können Cl-Ionen des Amin-Hydrochlorids durch eine säurekatalytische Reaktion die Silicium-Atome des Trichlorsilans angreifen und dabei ein Wasserstoffatom abgeben und Siliciumtetrachlorid bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Kompositionsverhältnis der im Abgas enthaltenen Komponenten nicht speziell begrenzt. Im Fall des Abgases, das nach einem Polysiliciumabscheidungsprozess durch eine chemische Gasphasenabscheidungsreaktion abgeleitet wird, macht der Wasserstoffgehalt mehr als 50 mol% des gesamten Abgases aus; der Rest können Chlorwasserstoff und Chlorsilan-basierte Verbindungen sein. Darüber hinaus kann das Molverhältnis von Wasserstoff (H2) und Chlorwasserstoff (HCl) ca. 99:1 sein. Auf der anderen Seite kann für eine effektivere Entfernung von Chlorwasserstoff die Molzahl des Trichlorsilans in eine Molzahl von 1 oder mehr relativ zu 1 Mol Chlorwasserstoff einbezogen werden.
Der im Gesamtabgas enthaltene Bestandteil von Chlorwasserstoff kann beispielsweise auf ca. 80 mol% oder mehr reduziert werden, zum Beispiel auf ca. 80 bis ca. 100 mol%, vorzugsweise auf ca. 90 bis 99.9 mol% in Bezug auf den Gehalt vor der Durchleitung durch den katalytischen Reaktor.
Der Arbeitsschritt der Leitung des Abgases durch den katalytischen Reaktor, der den Ionenaustauschharzkatalysator enthält, kann in einem Temperaturbereich von ca. –40 bis ca. 200°C ausgeführt werden, vorzugsweise jedoch bei ca. –20 bis ca. 150°C und noch bevorzugter bei ca. 0 bis ca. 100°C bei einem Druck von ca. 1 bis ca. 30 bar, vorzugsweise ca. 1 bis ca. 20 bar und noch bevorzugter ca. 1 bis ca. 10 bar, ist jedoch nicht auf diese Werte beschränkt. Innerhalb des Aktivierungsbereichs des Ionenaustauschharzkatalysators können die Bedingungen entsprechend verändert werden.
Nach der Leitung des Abgases durch den den Ionenaustauschharzkatalysator enthaltenden katalytischen Reaktor, erfolgt ein Trennungsverfahren zur Abscheidung des im durchgeleiteten Abgas enthaltenden Wasserstoffs und der Chlorsilan-basierten Verbindungen.
Dieses Trennungsverfahren kann ohne spezielle Beschränkung eingesetzt werden, sofern es sich um eine Methode zur Trennung von Verbindungen mit hohem Siedepunkt und Verbindungen mit niedrigem Siedepunkt vom Gemisch handelt, und kann beispielsweise durch ein Destillationsverfahren, ein Trennmembranverfahren, ein Gas-Flüssigkeits-Trennverfahren oder eine Kombination dieser erfolgen.
Insbesondere wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zunächst das durch den katalytischen Reaktor geführte Abgas der Destillationskolonne zugeführt. Wasserstoff wird an der Oberseite der ersten Destillationskolonne abgeführt und die Chlorsilan-basierte Verbindung an deren Unterseite. Die an der Unterseite abgeführte Chlorsilan-basierte Verbindung wird der zweiten Destillationskolonne zugeführt. Dichlorsilan und Trichlorsilan können an der Oberseite der zweiten Destillationskolonne abgeführt und Siliciumtetrachlorid an der Unterseite der zweiten Destillationskolonne abgeschieden werden. Alle der abgetrennten Bestandteile mit Ausnahme des Siliciumtetrachlorids können an die Einspeisung zur Durchführung des Polysiliciumabscheidungsprozesses zurückgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das durch den katalytischen Reaktor geleitete Abgas einer ersten Kühlung unterzogen und in einen Abscheider geführt und dann in eine kondensierte Phase und eine nicht kondensierte Phase getrennt. Unter den vom Abscheider abgetrennten Bestandteilen wird die übermäßig Wasserstoff enthaltende nicht kondensierte Phase durch die Trennmembran gereinigt und der gereinigte Wasserstoff kann für den Polysiliciumabscheidungsprozess zurückgeführt werden. Der kondensierte Phasenstrom, der die Chlorosilan-basierten Verbindungen enthält, die die Trennmembran nicht passiert haben, kann in die Destillationskolonne geführt und in gasphasiges Dichlorsilan und Trichlorsilan und flüssigphasiges Siliciumtetrachlorid getrennt werden. Unter den abgetrennten Bestandteilen können alle mit Ausnahme des Siliciumtetrachlorids an die Einspeisung zur Durchführung des Polysiliciumabscheidungsprozess geleitet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Reinigungsvorrichtung für Abgas vorgesehen, umfassend: einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustauschharzkatalysator enthält und durch Vorbeileiten des Abgases, das nach der Ausführung eines Polysiliciumabscheidungsprozesses durch eine Reaktion der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) freigesetzt wird, die Konzentration von Chlorwasserstoff senkt; und eine Trennvorrichtung, welche das Wasserstoff und eine chlorsilanbasierte Verbindung von dem durch den katalytischen Reaktor geleiteten Abgas abtrennt.
In diesem Zusammenhang ist die Beschreibung des katalytischen Reaktors, der einen Ionenaustauschharzkatalysator enthält, und des Abgases die gleiche, wie die im oben beschriebenen Reinigungsverfahren.
Die Trennungsvorrichtung kann ohne besondere Einschränkung verwendet werden, wenn es sich um eine übliche Vorrichtung handelt, welche hoch- und niedrigsiedende Verbindungen von dem Gemisch abtrennen kann. So kann die Vorrichtung beispielsweise eine Destillationsvorrichtung, eine Trennmembranvorrichtung, einen Abscheider, eine Gas-Flüssigkeits-Trennvorrichtung oder dergleichen enthalten. Zusätzlich kann die Trennvorrichtung am hinteren Ende des katalytischen Reaktors eingebaut werden und mit verschiedenen Vorrichtungen oder unter verschiedenen Betriebsbedingungen betrieben werden, in Abhängigkeit vom abzutrennenden Objekt.
Nachstehend wird die Reinigungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
2 veranschaulicht eine Reinigungsvorrichtung für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Bezug auf 2, beinhaltet die Reinigungsvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen katalytischen Reaktor 3 und eine Destillationskolonne 6.
Im katalytischen Reaktor 3 wird das Abgas, welches aus dem Reaktor zur Abscheidung von Polysilicium 1 abgegeben wird, zur Trennung und Reinigung übergeleitet. Zu diesem Zeitpunkt kann das Abgas 2 mehr als 50 Mol-% Wasserstoff enthalten, etwa 0,01 bis ungefähr 5 Mol-% Chlorwasserstoff, etwa 0,01 bis ungefähr 10 Mol-% Dichlorsilan, etwa 0,01 bis ungefähr 25 Mol-% Trichlorsilan und etwa 0,01 bis ungefähr 10 Mol-% Siliciumtetrachlorid, ohne darauf beschränkt zu sein.
Ein katalytischen Reaktor 3 wird mit einem Ionenaustauschharzkatalysator 4 gefüllt.
Das Abgas 2 wird durch einen katalytischen Reaktor 3, der mit einem Ionenaustauschharzkatalysator 4 gefüllt ist, geleitet und im katalytischen Reaktor 3 kann gemäß der oben beschriebenen Reaktionsformeln 1 und/oder 2 Chlorwasserstoff in Trichlorsilan und/oder Siliciumtetrachlorid umgewandelt werden. Der katalytische Reaktor 3 kann unter Temperaturbedingungen von etwa –40 bis ungefähr 200°C betrieben werden, vorzugsweise von etwa –20 bis ungefähr 150°C und besser noch von etwa 0 bis ungefähr 100°C, ohne darauf beschränkt zu sein, und kann innerhalb eines Bereiches verändert werden, der den Ionenaustauschharzkatalysator 4 nicht deaktiviert.
Zusätzlich liegt der Betriebsdruck im Bereich von etwa 1 bis ungefähr 30 bar, vorzugsweise etwa 1 bis ungefähr 20 bar und besser noch etwa 1 bis ungefähr 10 bar, kann aber innerhalb eines Bereiches verändert werden, der nicht die Aktivität des Ionenaustauschharzkatalysators 4 und den Betrieb des katalytischen Reaktors 3 beeinträchtigt.
Das durch den katalytischen Reaktor 3 geleitete Mischgas 5 wird zur Trennung und Reinigung zur Destillationskolonne 6 weitergeleitet, die mit dem hinteren Ende des katalytischen Reaktors 3 verbunden ist. Dabei kann das durch den katalytischen Reaktor 3 geleitete Mischgas mehr als 50 Mol-% Wasserstoff enthalten, etwa 0,01 bis ungefähr 5 Mol-% Dichlorsilan, etwa 0,01 bis ungefähr 25 Mol-% Trichlorsilan und etwa 0,01 bis ungefähr 30 Mol-% Siliciumtetrachlorid.
In der Destillationskolonne 6 kann das Mischgas 5 in Wasserstoff, Dichlorsilan- und Trichlorsilan-Mischgas und flüssiges Siliciumtetrachlorid getrennt und zur Wiederverwertung in den Reaktor zur Abscheidung von Polysilicium 1 zurückgeführt werden.
3 veranschaulicht eine Reinigungsvorrichtung für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Bezug auf 3, beinhaltet die Reinigungsvorrichtung 100 für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen katalytischen Reaktor 130, eine erste Destillationskolonne 160 und eine zweite Destillationskolonne 190.
Im katalytischen Reaktor 130 wird das Abgas, welches aus dem Reaktor zur Abscheidung von Polysilicium 110 abgegeben wird, zur Trennung und Reinigung übergeleitet. Zu diesem Zeitpunkt kann das Abgas 120 mehr als 50 Mol-% Wasserstoff enthalten, etwa 0,01 bis ungefähr 5 Mol-% Chlorwasserstoff, etwa 0,01 bis ungefähr 10 Mol-% Dichlorsilan, etwa 0,01 bis ungefähr 25 Mol-% Trichlorsilan und etwa 0,01 bis ungefähr 10 Mol-% Siliciumtetrachlorid, ohne darauf beschränkt zu sein.
Der katalytische Reaktor 130 wird mit einem Ionenaustauschharzkatalysator 140 gefüllt.
Das Abgas 120 wird durch den katalytischen Reaktor 130 geleitet, der mit einem Ionenaustauschharzkatalysator 140 gefüllt ist, und im katalytischen Reaktor 130 kann gemäß der oben beschriebenen Reaktionsformeln 1 und/oder 2 Chlorwasserstoff in Trichlorsilan und/oder Siliciumtetrachlorid umgewandelt werden. Der katalytische Reaktor 130 kann unter Temperaturbedingungen von etwa –40 bis ungefähr 200°C betrieben werden, vorzugsweise von etwa –20 bis ungefähr 150°C und besser noch von etwa 0 bis ungefähr 100°C, ohne darauf beschränkt zu sein, und kann innerhalb eines Bereiches verändert werden, der den Ionenaustauschharzkatalysator 140 nicht deaktiviert.
Zusätzlich liegt der Betriebsdruck im Bereich von etwa 1 bis ungefähr 30 bar, vorzugsweise etwa 1 bis ungefähr 20 bar und besser noch etwa 1 bis ungefähr 10 bar, kann aber innerhalb eines Bereiches verändert werden, der nicht die Aktivität des Ionenaustauschharzkatalysators 140 und den Betrieb des katalytischen Reaktors 130 beeinträchtigt.
Das durch den katalytischen Reaktor 130 geleitete Mischgas 150 wird in die erste Destillationskolonne 160 eingeströmt. Wasserstoff 111 wird oben in der ersten Destillationskolonne 160 abgetrennt und die chlorsilanbasierte Verbindung 170 wird unten abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt kann die erste Destillationskolonne 160 mit einer niedrigen Temperatur unter dem Siedepunkt des Dichlorsilans betrieben werden, um Wasserstoff 111 und die chlorsilanbasierte Verbindung 170 abzutrennen. Zusätzlich wird zur Erhöhung der Trennwirkung ferner ein Kühler vor der ersten Destillationskolonne 160 eingebaut, um die Temperatur des Mischgases 150 zu senken. Die vom Fuß der ersten Destillationskolonne 160 abgegebene chlorsilanbasierte Verbindung 170 kann etwa 5 bis ungefähr 15 Mol-% Dichlorsilan, etwa 40 bis ungefähr 60 Mol-% Trichlorsilan und etwa 30 bis ungefähr 50 Mol-% Siliciumtetrachlorid enthalten.
Die chlorsilanbasierte Verbindung 170 wird zu einem Speichertank 180 übergeleitet. Die vom Speichertank 180 abgeleitete chlorsilanbasierte Verbindung wird über eine Pumpe 114 zur zweiten Destillationskolonne 190 übergeleitet. Dichlorsilan und Trichlorsilan werden im Gaszustand oben in der zweiten Destillationskolonne 190 abgeleitet und Siliciumtetrachlorid wird in einem Flüssigzustand unten abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt kann die zweite Destillationskolonne 190 zwischen dem Taupunkt von Siliciumtetrachlorid und dem Siedepunkt von Trichlorsilan betrieben werden. Der Betriebsdruck der ersten Destillationskolonne 160 und der zweiten Destillationskolonne 190 kann etwa 0 bis ungefähr 10 bar betragen und der Siedepunkt und Taupunkt der jeweiligen Komponenten wird durch den Dampfdruck und Betriebsdruck bestimmt.
Auf der anderen Seite kann zur Erhöhung der Reinheit des Wasserstoffs, der aus der ersten Destillationskolonne 160 abgeleitet wird, eine Trennmembran 112 installiert werden und der fließende Wasserstoffstrom 111 kann im Ganzen oder in Teilen sein. Ferner werden durch die Trennmembran 112 abgetrennte Unreinheiten 113 in einen Speichertank 180 eingeströmt, mit der aus der ersten Destillationskolonne 160 abgegebenen chlorsilanbasierte Verbindung 170 gemischt und dann von der zweiten Destillationskolonne 190 übergeleitet.
4 veranschaulicht eine Reinigungsvorrichtung für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Bezug auf 4, beinhaltet die Reinigungsvorrichtung 200 für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen katalytischen Reaktor 203, einen Abscheider 216, eine Trennmembran 220 und eine Destillationskolonne 229.
Im katalytischen Reaktor 203 wird das Abgas 202, welches aus dem Reaktor zur Abscheidung von Polysilicium 201 abgegeben wird, zur Trennung und Reinigung übergeleitet. Zu diesem Zeitpunkt kann das Abgas 202 mehr als 50 Mol-% Wasserstoff enthalten, etwa 0,01 bis ungefähr 5 Mol-% Chlorwasserstoff, etwa 0,01 bis ungefähr 10 Mol-% Dichlorsilan, etwa 0,01 bis ungefähr 25 Mol-% Trichlorsilan und etwa 0,01 bis ungefähr 10 Mol-% Siliciumtetrachlorid, ohne darauf beschränkt zu sein.
Der katalytische Reaktor 203 wird mit einem Ionenaustauschharzkatalysator 204 gefüllt.
Das Abgas 202 wird durch den katalytischen Reaktor 203 geleitet, der mit einem Ionenaustauschharzkatalysator 204 gefüllt ist, und innerhalb des katalytischen Reaktors 203 kann gemäß der oben beschriebenen Reaktionsformeln 1 und/oder 2 Chlorwasserstoff in Trichlorsilan und/oder Siliciumtetrachlorid umgewandelt werden. Der katalytische Reaktor 203 kann unter Temperaturbedingungen von etwa –40 bis ungefähr 200°C, vorzugsweise bei etwa –20 bis ungefähr 150°C und besser noch bei etwa 0 bis ungefähr 100°C betrieben werden, ohne darauf beschränkt zu sein; diese können innerhalb eines Bereiches verändert werden, der den Ionenaustauschharzkatalysator 204 nicht deaktiviert.
Zusätzlich liegt der Betriebsdruck im Bereich von etwa 1 bis ungefähr 30 bar, vorzugsweise etwa 1 bis ungefähr 20 bar und besser noch etwa 1 bis ungefähr 10 bar, kann aber innerhalb eines Bereiches verändert werden, der nicht die Aktivität des Ionenaustauschharzkatalysator 204 und den Betrieb des katalytischen Reaktors 203 beeinträchtigt.
Das durch den katalytischen Reaktor 203 geleitete Mischgas 205 wird mittels des Kühlers 215 auf unter –5°C abgekühlt und dann in einen Abscheider 216 weitergeleitet. Zu dieser Zeit wird zur Erleichterung des Transports des Mischgases 205 an der Hinterseite des Kühlers 215 eine Pumpe installiert, oder der Abscheider 216 wird an der Unterseite des katalytischen Reaktors 203 positioniert, wodurch ein durch die Schwerkraft getriebener Fluss ermöglicht wird.
Der Mischgasstrom aus dem Abscheider 216 wird in einen nicht kondensierten Phasenstrom 217, der einen Wasserstoffüberschuss enthält, und einen kondensierten Phasenstrom 225, der einen Überschuss chlorsilanbasierter Verbindungen enthält, nach Dampfdruck der jeweiligen Komponentenaufgetrennt. Der nicht kondensierte Phasenstrom 217 kann mehr als etwa 80 Mol% Wasserstoff aufweisen, und die Zusammensetzung der chlorsilanbasierten Verbindung innerhalb des nicht kondensierten Phasenstroms 217 kann nach der Temperatur und dem Druck des Abscheiders 216 bestimmt werden. Der nicht kondensierte Phasenstrom 217 wird unter Verwendung eines Kompressors 218 verdichtet, um die Trennmembran 220 zu passieren und kann beispielsweise mit bis zu etwa 3 bis zu etwa 6 bar oder mehr Druck beaufschlagt werden. Der druckbeaufschlagte kondensierte Phasenstrom 219 wird in hochreinen Wasserstoff, der die Trennmembran 220 passiert hat, und Verunreinigungen 221, die nicht durch die Trennmembran 220 getreten sind, getrennt. Nicht permeable Verunreinigungen 221, die von der Trennmembran 220 abgegeben werden, werden durch einen Flüssigseparator 222 geleitet und wieder in einen Wasserstoffstrom 223 und einen chlorsilanbasierten kondensierten Phasenstrom 224 aufgetrennt, wobei der Wasserstoffstrom 223 mit dem nicht kondensierten Phasenstrom 217, der an der Oberseite des Abscheiders 216 abgeleitet wird, gemischt und durch den Kompressor 218 geleitet wird.
Der an der Unterseite des Abscheiders 216 abgeleitete kondensierte Phasenstrom 225 wird mit dem chlorsilanbasierten kondensierten Phasenstrom 224, der vom Flüssigseparator 222 freigesetzt wird, gemischt, um einen chlorsilanbasierten Strom 226 zu bilden. Der chlorsilanbasierte Strom 226 wird mittels einer Pumpe 227 zu einer Destillationskolonne 229 transferiert. Zu der Zeit ist es möglich, um die Trennungseffizienz zu verbessern, vor der Einführung in die Destillationskolonne 229 ferner ein Heizgerät 228 vorzusehen. Der chlorsilanbasierte Strom 226 kann von einem Heizgerät 228 auf etwa 30 bis etwa 70°C erhitzt werden.
Der in die Destillationskolonne 229 geleitete chlorsilanbasierte Strom 226 wird in Dichlorsilan und Trichlorsilan in der Gasphase und Siliciumtetrachlorid in der flüssigen Phase aufgetrennt und danach abgeleitet. Zu der Zeit kann die Destillationskolonne 229 innerhalb eines Druckbereichs von etwa 3 bis etwa 7 bar und zwischen dem Taupunkt von Siliciumtetrachlorid und dem Siedepunkt von Trichlorsilan betrieben werden. Der Taupunkt von Siliciumtetrachlorid und der Siedepunkt von Trichlorsilan werden durch den Betriebsdruck und den Dampfdruck der jeweiligen Komponenten bestimmt.
Nach dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren und der Reinigungsvorrichtung für Abgas, wie oben beschrieben, ist vorgesehen, dass Chlorwasserstoff unter Verwendung eines katalytischen Reaktors durch Umwandlung in eine chlorsilanbasierte Verbindung entfernt wird, anstelle der Durchführung des Kondensierungs- und Komprimierungsprozesses und der Implementierung der Trennung mittels des Siedepunktunterschieds, um den Chlorwasserstoff aus dem vom Polysiliciumabscheidungsreaktor freigesetzten Abgas zu entfernen. Damit kann der Energieverbrauch durch die Verwendung der Absorptionskolonne im Vergleich zu einem herkömmlichen Abgasreinigungsprozess auf 40% oder mehr reduziert werden.
Deshalb wird kein Chlorwasserstoff an die Umwelt abgegeben, und es ist möglich, gegen eine Anzahl der durch Chlorwasserstoff verursachten Probleme vorzubeugen. Um Chlorwasserstoff, das einen niedrigen Siedepunkt hat, zu entfernen, wird der nicht kondensierte Phasenstrom, der den Chlorwasserstoff enthält, gekühlt und komprimiert, sodann wieder versprüht und der Absorptionskolonne zugeführt, wie dies beim herkömmlichen Verfahren der Fall ist. Damit können die Ineffizienzen beim Energieverbrauch vermieden werden, und es ist möglich, Chlorwasserstoff effektiv mittels eines Niederenergieprozesses zu entfernen.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Abgasreinigungsverfahren bereitgestellt, das diese Schritte umfasst, das: Auftrennen des Abgases, das nach dem mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) vorgenommenen Polysiliciumabscheidungsprozess freigesetzt wird, in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Strom; das Leiten des kondensierten Phasenstroms durch einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, um die Chlorwasserstoffkonzentration zu senken.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird zunächst das nach der Durchführung eines Polysiliciumabscheidungsprozesses freigesetzte Abgas in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom und einen kondensierten Flüssigphasenstrom getrennt.
Im Besonderen wird erfindungsgemäß nach einer Ausführungsform das von einem chemischen Abscheidungsreaktor abgeleitete Abgas gekühlt, dann in einen Abscheider geleitet und in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der einen Überschuss an Wasserstoff enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der einen Überschuss chlorsilanbasierter Verbindungen enthält, getrennt.
Der von der Oberseite des Abscheiders abgetrennte nicht kondensierte Gasphasenstrom wird nach weiterem Kühlen und weiterer Druckbeaufschlagung in die Absorptionskolonne gespritzt. Der im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Wasserstoff kann an der Oberseite der Absorptionskolonne freigesetzt und schließlich in der Absorptionskolonne gereinigt und wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden. Zusätzlich wird im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltener Chlorwasserstoff zum unteren Ende der Absorptionskolonne freigesetzt und mittels eines katalytischen Reaktors, der nachstehend beschrieben wird, endgültig entfernt.
Der kondensierte Flüssigphasenstrom, der von der Unterseite des Abscheiders getrennt ist, wird in den katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, gespritzt. Alternativ kann der kondensierte Phasenstrom, der an der Unterseite des Abscheiders abgetrennt ist, in den katalytischen Reaktor, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, gespritzt werden, indem der nicht kondensierte Phasenstrom, der an der Oberseite des Abscheiders abgetrennt ist, durch die Absorptionskolonne geleitet und dann mit dem Flüssigphasenstrom, der von der Absorptionskolonne abgeleitet wird, gemischt wird.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wird das von einem chemischen Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitete Abgas nach der ersten Kühlung in einen Abscheider geleitet und dann in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der einen Wasserstoffüberschuss enthält, und eine kondensierte Flüssigphase, die einen Überschuss chlorsilanbasierter Verbindungen enthält, getrennt.
Der nicht kondensierte von der Oberseite des Abscheiders abgeleitete Gasphasenstrom wird in einen Kondensator geleitet und einer zweiten Kühlung bei einer niedrigen Temperatur unterzogen. Aufgrund der zweiten Niedertemperaturkühlung wird eine zusätzliche Kondensierung von Chlorwasserstoff und Chlorsilan, die jeweils in dem nicht kondensierten Gasphasenstrom enthalten sind, erzeugt, und der kondensierte Strom wird zum Abscheider zurückgeführt. Der nicht kondensierte Strom wird dann in die Absorptionskolonne gespritzt und der im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Wasserstoff kann an der Oberseite der Absorptionskolonne abgeleitet und schließlich in der Absorptionskolonne gereinigt und wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden. Zusätzlich wird im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltener Chlorwasserstoff zum unteren Ende der Absorptionskolonne abgeleitet und mittels eines katalytischen Reaktors, der nachstehend beschrieben wird, endgültig entfernt.
Der flüssig-kondensierte von der Unterseite des Abscheiders abgeleitete Phasenstrom wird in den katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, gespritzt. Alternativ kann er mit einem von der Absorptionskolonne abgeleiteten Flüssigphasenstrom gemischt und in einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, gespritzt werden.
Indem der Flüssigphasenstrom durch den katalytischen Reaktor, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, geleitet wird, wird der Chlorwasserstoff, der im flüssig-kondensierten Phasenstrom enthalten ist, entfernt.
Zur Verwendung als Ionenaustausch-Harzkatalysatoren eignen sich eine cyclische Aminverbindung, ein styrolbasiertes eine Amingruppe enthaltendes Polymer, ein eine Amingruppe enthaltendes Polymer auf der Basis von Styrol-Divinylbenzol, ein eine Amingruppe enthaltendes Acrylpolymer oder Gemische davon. Beispielhafte mögliche cyclische Aminverbindungen sind unter anderem Vinylpridin, Pyridazin, Pyrimidin, Pyrazin, Piperidin, Pyrrolidin und dergleichen, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt.
Eine detailliertere Beschreibung des Ionenaustausch-Harzkatalysators und spezifische Typen, der Mechanismus und die Effekte davon sind dieselben wie vorstehend beschrieben.
Das Kompositionsverhältnis der jeweiligen im kondensierten Phasenstrom enthaltenen Komponenten unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform jedoch kann der kondensierte Phasenstrom, der in den katalytischen Reaktor gespritzt wird, etwa 0,01 bis etwa 5 Mol% Chlorwasserstoff, etwa 0,01 bis etwa 1 Mol% Wasserstoff und eine Restmenge der chlorsilanbasierten Verbindung enthalten. Andererseits kann zum Zweck einer effektiveren Chlorwasserstoffentfernung die Molzahl für Trichlorsilan in einer Zahl von mehr als 1 Mol basierend auf 1 Mol Chlorwasserstoff (HCl) inbegriffen sein.
Der relative Gehalt des im gesamten kondensierten Phasenstrom belegten Chlorwasserstoffs kann auf etwa 80 Mol% oder mehr reduziert werden, beispielsweise etwa 80 bis 100 Mol%, bevorzugt etwa 90 bis 99.9 Mol%, im Hinblick auf den Gehalt vor der Passage durch den katalytischen Reaktor.
Der Schritt des Leitens des kondensierten Phasenstroms durch den katalytischen Reaktor, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, kann bei einer Temperatur von etwa –40 bis etwa 200°C erfolgen, bevorzugt bei etwa –20 bis etwa 150°C, noch bevorzugter bei etwa 0 bis etwa 100°C bei einem Druck von etwa 1 bis etwa 30 bar, etwa 1 bis etwa 20 bar und noch bevorzugter etwa 1 bis etwa 10 bar, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Innerhalb des Aktivierungsbereichs des Ionenaustausch-Harzkatalysators ist es möglich, die Bedingungen in angemessener Weise zu ändern.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann nach der Passage des kondensierten Phasenstroms durch den katalytischen Reaktor, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, ein Trennungsprozess zur Abtrennung der chlorsilanbasierten Verbindungen, die im durchgeleiteten Phasenstrom enthalten sind, durchgeführt werden.
Die Verwendung des Trennungsprozesses unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, sofern der Prozess ein Verfahren zur Trennung von Verbindungen mit einem hohen Siedepunkt und Verbindungen mit einem niedrigen Siedepunkt aus dem Gemisch ist. Beispielsweise kann dies mithilfe eines Destillationsprozesses, eines Membrantrennprozesses, eines Gas-Flüssigkeiten-Trennprozesses oder einer Kombination davon erfolgen.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Reinigungsvorrichtung für Abgas bereitgestellt, die Folgendes umfasst: Eine Trennungsvorrichtung, die das Abgase, das nach dem mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsreaktion (CVD) vorgenommenen Polysiliciumabscheidungsprozess freigesetzt wird, in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Strom auftrennt; einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält und die Chlorwasserstoffkonzentration im kondensierten Phasenstrom senkt.
In dieser Hinsicht sind die Beschreibung des katalytischen Reaktors, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, und des Abgases gleich wie in der Beschreibung des Reinigungsverfahrens weiter oben.
Die Verwendung der Trennungsvorrichtung unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, sofern es eine übliche Vorrichtung zur Trennung von Verbindungen mit einem hohen Siedepunkt und von Verbindungen mit einem niedrigen Siedepunkt aus dem Gemisch ist. Beispielsweise kann die Trennungsvorrichtung unter anderem ein Abscheider, eine Destillationsvorrichtung, eine Trennmembranvorrichtung, eine Gas-Flüssig-Trennungsvorrichtung und dergleichen aufweisen. Zusätzlich kann die Trennungsvorrichtung am vorderen Ende des katalytischen Reaktors installiert sein und je nach dem zu trennenden Gegenstand im Zusammenhang mit unterschiedlichen Vorrichtungen und Betriebsbedingungen betrieben werden.
Im Besonderen wird erfindungsgemäß nach einer Ausführungsform das vom chemischen Gasphasenabscheidungsreaktor freigesetzte Abgas nach dem Kühlen in einen Abscheider geleitet und in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der einen Wasserstoffüberschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der einen Überschuss chlorsilanbasierter Verbindungen enthält, getrennt.
Der von der Oberseite des Abscheiders abgeleitete nicht kondensierte Gasphasenstrom wird nach weiterem Kühlen und einer weiteren Druckbeaufschlagung in die Absorptionskolonne gespritzt. Der im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Wasserstoff wird an der Oberseite der Absorptionskolonne abgeleitet und schließlich in der Absorptionskolonne gereinigt und wieder in den Kreislauf zurückgeführt. Zusätzlich wird im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltener Chlorwasserstoff zum unteren Ende der Absorptionskolonne freigesetzt und mittels eines katalytischen Reaktors, wie weiter unten beschrieben, endgültig entfernt,.
Der von der unteren Seite des Abscheiders freigesetzte Flüssigphasenstrom wird mit dem Flüssigphasenstrom, der von der Absorptionskolonne freigesetzt wird, gemischt und danach in den katalytischen Reaktor, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, gespritzt. Im katalytischen Reaktor, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, wird Chlorwasserstoff mithilfe der Umsetzung, die in den Reaktionsformeln 1 und/oder 2 dargestellt ist, zur Senkung der Chlorwasserstoffkonzentration zu Trichlorsilan (SiHCl₃) und/oder Siliciumtetrachlorid (SiCl₄) umgesetzt. Damit wird ein chlorsilanbasierter Strom mit einer gesenkten Chlorwasserstoffkonzentration freigesetzt.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das von einem chemischen Gasphasenabscheidungsreaktor freigesetzte Abgas nach dem Kühlen in einen Abscheider geleitet und in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der einen Wasserstoffüberschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der einen Überschuss chlorsilanbasierter Verbindungen enthält, getrennt.
Der nicht kondensierte von der Oberseite des Abscheiders freigesetzte Gasphasenstrom wird in einen Kondensator geleitet und bei einer niedrigen Temperatur gekühlt. Aufgrund der Niedertemperaturkühlung wird eine zusätzliche Kondensation von Chlorwasserstoff und Chlorsilan, die in dem nicht kondensierten Gasphasenstrom enthalten sind, erzeugt, und der kondensierte Strom wird zum Abscheider zurückgeführt. Der nicht kondensierte Phasenstrom wird dann in die Absorptionskolonne gespritzt und der im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Wasserstoff kann von der Oberseite der Absorptionskolonne freigesetzt und schließlich in der Absorptionskolonne gereinigt und wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden. Zusätzlich wird im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltener Chlorwasserstoff zum unteren Ende der Absorptionskolonne freigesetzt und mittels des katalytischen Reaktors endgültig entfernt.
Der von der Unterseite des Abscheiders freigesetzte Flüssigphasenstrom wird mit dem Flüssigphasenstrom, der von der Absorptionskolonne freigesetzt wird, gemischt und danach in den katalytischen Reaktor, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, gespritzt. In dem katalytischen Reaktor, der den Ionenaustausch-Harzkatalysator enthält, wird die Chlorwasserstoffkonzentration mithilfe der Umsetzung, die in den Reaktionsformeln 1 und/oder 2 dargestellt ist, gesenkt und damit ein chlorsilanbasierter Strom mit einer reduzierten Chlorwasserstoffkonzentration freigesetzt. Zu der Zeit wird aufgrund der Niedertemperaturkühlung des von der Oberseite des Abscheiders freigesetzten Stroms die Menge von Chlorwasserstoff und Chlorsilan im nicht kondensierten Phasenstrom herabgesetzt. Damit kann der Recycling-Strom des in die Absorptionskolonne zu leitenden Flüssigphasen-Chlorsilans, erheblich reduziert und operiert werden. Der Rest wird in eine zweite Destillationskolonne transferiert, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid aufgetrennt und danach wieder in den Kreislauf zurückgeführt.
Es wird nun eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen in weiteren Einzelheiten beschrieben.
5 illustriert eine Reinigungsvorrichtung für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Mit Bezug auf 5, die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung 500 für Abgas weist nach einer Ausführungsform einen katalytischen Reaktor 550, einen Abscheider 515, eine Absorptionskolonne 525, eine Adsorptionskolonne 560 und eine Destillationskolonne 565 auf.
Das vom Polysiliciumabscheidungsreaktor 505 freigesetzte Abgas 501 wird in einem ersten Kühler 510 gekühlt, dann in den Abscheider 515 geleitet und in einen nicht kondensierten Phasenstrom 502, der einen Wasserstoffüberschuss enthält, und einen kondensierten Phasenstrom 503, der einen Überschuss chlorsilanbasierter Verbindungen enthält, getrennt. Der nicht kondensierte Phasenstrom 502 kann mehr als etwa 80 Mol% Wasserstoff aufweisen, und die Zusammensetzung der chlorsilanbasierten Verbindungen innerhalb des nicht kondensierten Phasenstroms 502 kann abhängig von der Temperatur und dem Druck des Abscheiders 515 bestimmt werden.
Der von der Oberseite des Abscheiders 515 freigesetzte nicht kondensierte Gasphasenstrom 502 wird nach weiterem Kühlen und einer weiteren Druckbeaufschlagung in eine Absorptionskolonne 525 gespritzt. Der im nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Wasserstoff 502 wird zu dieser Zeit an der Oberseite der Absorptionskolonne 525 freigesetzt und schließlich in der Absorptionskolonne 560 gereinigt und wieder in den Kreislauf zurückgeführt. Zusätzlich wird Chlorwasserstoff, der im nicht kondensierten Phasenstrom 502 enthalten ist, zum unteren Ende der Absorptionskolonne 525 freigesetzt und mithilfe des katalytischen Reaktors 550 endgültig entfernt, wie unten beschrieben.
Der an der Unterseite des Abscheiders 515 freigesetzte kondensierte Phasenstrom 503 wird mittels einer Pumpe 570 mit einem von der Unterseite der Absorptionskolonne 525 freigesetzten Flüssigphasenstrom 506 gemischt und in einen katalytischen Reaktor 550 gespritzt. Zu dieser Zeit kann ein Mischstrom des kondensierten Phasenstroms 503 und des Flüssigphasenstroms 506 etwa 0,01 bis 1 Mol% Wasserstoff, etwa 0,01 bis etwa 5 Mol% Chlorwasserstoff, etwa 0,01 bis etwa 10 Mol% Dichlorsilan und etwa 0,01 bis etwa 80 Mol% Trichlorsilan und etwa 0,01 bis etwa 50 Mol% Siliciumtetrachlorid aufweisen, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Der Mischstrom des kondensierten Phasenstroms 503 und der Flüssigphasenstrom 506 wird durch den katalytischen Reaktor 550, der mit dem Ionenaustausch-Harzkatalysator 555 gefüllt ist, geleitet, und es ist möglich, Chlorwasserstoff nach den vorstehend beschriebenen Formeln 1 und 2 im katalytischen Reaktor 550 zu Trichlorsilan bzw. Siliciumtetrachlorid umzusetzen. Der katalytische Reaktor 550 kann bei Temperaturbedingungen von etwa –40 bis etwa 200°C, bevorzugt bei etwa –20 bis etwa 150°C und noch bevorzugter bei 0 bis etwa 100°C betrieben werden, ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann innerhalb des Bereichs, in dem der Ionenaustausch-Harzkatalysator 555 nicht deaktiviert ist, geändert werden.
Ferner liegt der Betriebsdruck im Bereich von etwa 1 bis etwa 30 bar, bevorzugt etwa 1 bis etwa 20 bar und noch bevorzugter etwa 1 bis etwa 10 bar, kann jedoch innerhalb des Bereiches, der keine Auswirkungen auf die Aktivität des Ionenaustausch-Harzkatalysators 555 und den Betrieb des katalytischen Reaktors 550 hat, verändert werden.
Anders als bei einem herkömmlichen Reinigungsprozess, der eine Destillationskolonne anstatt eines katalytischen Reaktors 550 beinhaltet, wird mit dem vorstehenden Schritt Chlorwasserstoff in chlorsilanbasierte Verbindungen umgesetzt, und es wird damit kein gasförmiger Chlorwasserstoff freigesetzt.
Ein Teil des chlorsilanbasierten Flüssigphasenstroms 507, der von der Unterseite des katalytischen Reaktors 550 freigesetzt wird, wird über einen Kühler 530 zu einer Absorptionskolonne 525 transferiert und verwendet, um Chlorwasserstoff und chlorsilanbasierte Verbindungen in dem nicht kondensierten Phasenstrom 502 zu absorbieren, und der Rest wird zu einer Destillationskolonne 565 transferiert. Der in die Destillationskolonne 565 geleitete chlorsilanbasierte Strom 507 wird in Dichlorsilan und Trichlorsilan in der Gasphase und Siliciumtetrachlorid in der Flüssigphase aufgetrennt und danach freigesetzt. Zu der Zeit kann die Destillationskolonne 556 innerhalb eines Druckbereichs von etwa 3 bis etwa 7 bar und zwischen dem Taupunkt von Siliciumtetrachlorid und dem Siedepunkt von Trichlorsilan betrieben werden. Der Taupunkt von Siliciumtetrachlorid und der Siedepunkt von Trichlorsilan werden durch den Betriebsdruck und den Dampfdruck der jeweiligen Komponenten bestimmt.
6 illustriert eine Reinigungsvorrichtung für Abgas nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 6, die Reinigungsvorrichtung 600 für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen katalytischen Reaktor 650, einen Abscheider 615, eine Absorptionskolonne 625, eine Adsorptionskolonne 660 und eine Destillationskolonne 665.
Das aus dem Reaktor zur Abscheidung von Polysilicium abgeleitete Abgas 601 wird in einem ersten Kühler 610 abgekühlt und dann einem Abscheider 615 zugeführt und in einen nicht kondensierten Phasenstrom 602, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Phasenstrom 603, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt. Der nicht kondensierte Phasenstrom 602 kann mehr als etwa 80 mol% Wasserstoff enthalten, und die Zusammensetzung der chlorsilanbasierten Verbindungen in dem nicht kondensierten Phasenstrom 602 kann anhand der Temperatur und des Drucks des Abscheiders 615 bestimmt werden.
Der nicht kondensierte Phasenstrom 602, der von der Oberseite des Abscheiders 615 abgeleitet wird, wird in einen zweiten Kühler 620 geführt und auf eine niedrige Temperatur abgekühlt. Der Kühler kann zu diesem Zeitpunkt mit einer Temperatur von etwa –30 bis etwa –70°C betrieben werden, vorzugsweise mit etwa –40 bis etwa –60°C. Aufgrund der Abkühlung auf eine niedrige Temperatur kommt es zu einer weiteren Kondensation des Chlorwasserstoffs und des Chlorsilans in dem nicht kondensierten Phasenstrom 602 und der kondensierte Flüssigstrom wird zu dem Abscheider 615 zurückgeführt. Anschließend wird der in dem nicht kondensierten, von der Absorptionskolonne 625 eingespritzten Phasenstrom 602 enthaltene Chlorwasserstoff zum Boden der Absorptionskolonne 625 abgeleitet und schließlich über die Absorptionskolonne 650 entfernt, die weiter unten noch beschrieben wird. Der Wasserstoffstrom 604, der von der Oberseite der Absorptionskolonne 625 abgeleitet wird, wird schließlich in der Absorptionskolonne 660 gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt.
Der kondensierte Phasenstrom 603, der am Boden des Abscheiders 615 abgeleitet wird, wird vermischt mit einem Flüssigphasenstrom 606, der am Boden der Absorptionskolonne 625 mittels einer Pumpe 670 abgeleitet wird, und in einen katalytischen Reaktor 650 eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Mischstrom aus dem kondensierten Phasenstrom 603 und dem Flüssigstrom 606 etwa 0,01 bis 1 mol% Wasserstoff, etwa 0,01 bis etwa 5 mol% Chlorwasserstoff, etwa 0,01 bis etwa 10 mol% Dichlorsilan, etwa 0,01 bis etwa 80 mol% Trichlorsilan, und etwa 0,01 bis etwa 50 mol% Siliciumtetrachlorid enthalten, ohne auf diese Mengen beschränkt zu sein.
Der Mischstrom aus dem kondensierten Phasenstrom 603 und dem Flüssigphasenstrom 606 fließt durch den katalytischen Reaktor 650, der mit dem Ionenaustauschharzkatalysator 655 gefüllt ist, und in dem katalytischen Reaktor 650 kann Chlorwasserstoff entsprechend den weiter oben beschriebenen Reaktionsformeln 1 und/oder 2 zu Trichlorsilan und/oder Siliciumtetrachlorid umgewandelt werden. Der katalytische Reaktor 650 kann unter Temperaturbedingungen von etwa –40 bis etwa 200°C betrieben werden, vorzugsweise bei etwa –20 bis etwa 150°C und noch besser bei etwa 0 bis etwa 100°C, ist jedoch nicht auf diese Temperaturen beschränkt, sondern die Temperaturen können innerhalb eines Bereichs verändert werden, in dem der Ionenaustauschharzkatalysator 655 nicht deaktiviert wird.
Außerdem liegt der Betriebsdruck im Bereich von etwa 1 bis etwa 30 bar, vorzugsweise bei etwa 1 bis etwa 20 bar und noch besser bei etwa 1 bis etwa 10 bar, kann aber innerhalb eines Bereichs verändert werden, der die Aktivität des Ionenaustauschharzkatalysators 655 und den Betrieb des katalytischen Reaktors 650 nicht beeinträchtigt.
Anders als bei einem herkömmlichen Reinigungsverfahren, das anstelle eines katalytischen Reaktors 650 eine Destillationskolonne umfasst, wird in dem oben beschriebenen Schritt Chlorwasserstoff in eine chlorsilanbasierte Verbindung umgewandelt, so dass kein gasförmiger Chlorwasserstoff freigesetzt wird.
Ein Teil des chlorsilanbasierten Flüssigphasenstroms 607, der am Boden des katalytischen Reaktors 650 abgeleitet wird, wird an eine Absorptionskolonne 625 übergeleitet und zur Absorption von Chlorwasserstoff und chlorsilanbasierten Verbindungen in dem nicht kondensierten Phasenstrom genutzt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der nicht kondensierte Phasenstrom 602, der von der Oberseite des Abscheiders 615 abgeleitet wird, in einem Zustand, in dem die Menge des Chlorwasserstoffs und der chlorsilanbasierten Verbindungen durch zusätzliche Abkühlung auf niedrige Temperatur mit einem zweiten Kühler 620 erheblich reduziert ist. Der in den Kreislauf zurückgeführte chlorsilanbasierte Flüssigphasenstrom, der zur Absorptionskolonne 625 transportiert werden soll, kann daher eingesetzt werden, um auf einen Bereich von etwa 30 bis 90 %, und vorzugsweise auf einen Bereich von etwa 50 bis 80 % zu reduzieren.
Der Reststrom wird zu der Destillationskolonne 665 übergeleitet. Der in die Destillationskolonne 665 geführte chlorsilanbasierte Strom 607 wird in gasförmiges Dichlorsilan und Trichlorsilan sowie flüssiges Siliciumtetrachlorid getrennt und anschließend abgeleitet. Zu diesem Zeitpunkt kann die Destillationskolonne 665 innerhalb des Druckbereichs von etwa 3 bis etwa 7 bar und zwischen dem Taupunkt von Siliciumtetrachlorid und dem Siedepunkt von Trichlorsilan betrieben werden. Der Taupunkt von Siliciumtetrachlorid und der Siedepunkt von Trichlorsilan werden bestimmt vom Betriebsdruck und dem Dampfdruck der jeweiligen Komponenten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Reinigungsverfahren für Abgas bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst:
Trennen des Abgases, das nach Durchführung eines Polysiliciumabscheideverfahrens durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) abgeleitet wird, in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Phasenstrom;
Leiten des nicht kondensierten Phasenstroms durch einen ersten katalytischen Reaktor zur Senkung der Chlorwasserstoffkonzentration; und
Abtrennen einer chlorsilanbasierten Verbindung des kondensierten Phasenstroms entsprechend dem Siedepunkt.
In dem Reinigungsverfahren nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst das Abgas, das nach Durchführung eines Polysiliciumabscheideverfahrens abgeleitet wird, kondensiert, um sich in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom und einen kondensierten Flüssigphasenstrom zu trennen (erste Kondensations- und Trennstufe). Zu diesem Zeitpunkt kann der nicht kondensierte Phasenstrom Wasserstoff im Überschuss enthalten und der kondensierte Phasenstrom kann eine chlorsilanbasierte Verbindung im Überschuss enthalten. Chlorwasserstoff kann außerdem in dem nicht kondensierten Phasenstrom relativ mehr verteilt sein, als in dem kondensierten Phasenstrom.
Die erste Kondensation kann durchgeführt werden bei einer Temperatur von über etwa –30°C und unter etwa 10°C, vorzugsweise über etwa –20°C und unter etwa 5°C, und noch besser über etwa –10°C und unter etwa 0°C. Wenn die Kondensation innerhalb des oben genannten Temperaturbereichs durchgeführt wird, kann eine wirksame Trennung in einen Strom, der Wasserstoff im Überschuss und einen Strom, der eine chlorsilanbasierte Verbindung im Überschuss enthält, erfolgen. Wird die Kondensation bei einer Temperatur von –30°C oder weniger durchgeführt, ist der Gehalt an Dichlorsilan und Trichlorsilan relativ gering und eine effektive Entfernung des Chlorwasserstoffs wird damit schwierig. Wird die Kondensation bei einer Temperatur von mehr als 10°C durchgeführt, nimmt der Gehalt der chlorsilanbasierten Verbindung in dem nicht kondensierten Phasenstrom zu und die Prozesskosten steigen dadurch an, was unerwünscht ist.
Der nicht kondensierte Gasphasenstrom wird in einen ersten katalytischen Reaktor eingespritzt, und in dem ersten katalytischen Reaktor kann Chlorwasserstoff in eine chlorsilanbasierte Verbindung umgewandelt werden (katalytische Reaktionsstufe).
Der nicht kondensierte Gasphasenstrom kann vor der Einspritzung in den ersten katalytischen Reaktor eine Druckbeaufschlagungsstufe durchlaufen, um den in der ersten Kondensationsstufe reduzierten Druck vor Eintritt in den ersten katalytischen Reaktor auf eine geeignete Höhe zu bringen (Verdichtungsstufe). Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der nicht kondensierte Gasphasenstrom auf einen bestimmten Druck gebracht werden, der zwischen etwa 1 bis etwa 50 bar liegen sollte, vorzugsweise bei etwa 1 bis 40 bar, und noch besser bei etwa 1 bis etwa 30 bar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste katalytische Reaktor einen Ionenaustauschharzkatalysator umfassen.
Als Ionenaustauschharzkatalysator können zyklische Aminverbindungen, Polymere auf Styrolbasis, die eine Amingruppe enthalten, Polymere auf Styrol-Divinylbenzolbasis, die eine Amingruppe enthalten, Acrylpolymere, die eine Amingruppe enthalten, oder Mischungen aus diesen verwendet werden. Beispiele für zyklische Aminverbindungen sind Vinylpyridin, Pyridazin, Pyrimidin, Pyrazin, Piperidin, Pyrrolidin und ähnliche Verbindungen, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt.
Eine ausführlichere Beschreibung des Ionenaustauschharzkatalysators, der spezifischen Typen, Mechanismen und Wirkungen desselben finden sich in der Beschreibung weiter oben.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste katalytische Reaktor eine aminbasierte Verbindung umfassen. Beispiele für aminbasierte Verbindungen sind Amin, Ammoniumsalz, Aminosilan, Aminosiloxan, Aminoalkoxysilan oder ähnliche Verbindungen, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt.
Gemäß einem anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste katalytische Reaktor einen Übergangsmetallkatalysator umfassen. Beispiele für Übergangsmetallkatalysatoren sind Platin, Palladium, Ruthenium, Nickel, Iridium, Rhodium oder ähnliche Metalle sowie Metalloxide, Metallhydride, organometallische Verbindungen, komplexe Metalloxide, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beschränkt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Übergangsmetallkatalysator vorzugsweise aus Palladium (Pd) oder Platin (Pt) bestehen.
Die aminbasierte Verbindung oder der Übergangsmetallkatalysator können weiter vorzugsweise mit einem Träger verbunden oder auf diesem abgestützt sein. Für den Träger gibt es keine besonderen Einschränkungen, außer dass er generell als Träger für eine aminbasierte Verbindung oder ein Übergangsmetall geeignet sein muss. Vorzugsweise kann der Träger aus Kohlenstoff, beispielsweise Aktivkohle, einer Kohlenstoff-Nanoröhre, einem Kohlenstoff-Nanoband, einem Kohlenstoff-Nanodraht, porösem Kohlenstoff, Kohlenstoffpulver oder Ruß und einem anorganischen Träger wie z.B. Siliciumdioxid (SiO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste katalytische Reaktor einen Aktivkohlekatalysator umfassen.
In dem nicht kondensierten Phasenstrom, der durch den ersten katalytischen Reaktor geleitet wird, wird Chlorwasserstoff in eine chlorsilanbasierte Verbindung umgewandelt, und somit kann die Konzentration des Chlorwasserstoffs um etwa 80 mol% oder mehr, beispielsweise etwa 80 bis etwa 100 mol%, erheblich reduziert werden, vorzugsweise um etwa 90 bis etwa 99,9 mol%, im Vergleich zu der Konzentration vor dem Durchfluss durch den ersten katalytischen Reaktor.
Der nicht kondensierte Phasenstrom mit einer niedrigeren Chlorwasserstoffkonzentration wird dann einer zweiten Kondensation unterzogen und in einen Wasserstoffstrom und einen chlorsilanbasierten Strom getrennt (zweite Kondensations- und Trennstufe). Der bei der zweiten Kondensation abgetrennte Wasserstoffstrom kann in das Adsorptionsverfahren weitergeleitet und schließlich gereinigt und wieder in den Kreislauf zurück geführt werden (Adsorptionsstufe). Der chlorsilanbasierte Strom, der nach der zweiten Kondensation abgetrennt wurde, kann erneut in die erste Kondensations- und Trennstufe eingespritzt und wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Andererseits kann der kondensierte Phasenstrom aus der ersten Kondensations- und Trennstufe an die Destillationsstufe übergeleitet, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und in den Kreislauf zurückgeführt werden (Destillationsstufe).
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vor der Destillationsstufe außerdem ein Schritt zur Destillation des Chlorwasserstoffs durchgeführt werden, um eine kleine Menge Chlorwasserstoff, die in dem kondensierten Phasenstrom enthalten ist, zu entfernen. Es kann aber auch getrennt davon der Strom durch den katalytischen Reaktor geleitet werden.
Weiter kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der chlorsilanbasierte Strom, der nach der zweiten Kondensation abgetrennt wurde, mit dem kondensierten Phasenstrom, der in der ersten Kondensations- und Trennstufe abgeleitet wurde, zusammengeführt oder einzeln in die Destillationsstufe eingespritzt werden.
Wie weiter oben beschrieben wird vor Trennung des kondensierten Phasenstroms, der von der ersten Kondensations- und Trennstufe abgeleitet wird, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid ein Destillationsschritt oder ein zweiter katalytischer Reaktionsschritt durchgeführt, wodurch der Chlorwasserstoffgehalt im gesamten umlaufenden Strom weiter gesenkt wird.
Der zweite katalytische Reaktor, der zur Entfernung von Chlorwasserstoff aus dem kondensierten Phasenstrom eingesetzt wird, kann einen Katalysator enthalten, beispielsweise ein Ionenaustauschharz, eine aminbasierte Verbindung oder ein Übergangsmetall, welcher dem des ersten katalytischen Reaktors entspricht oder sich von diesem unterscheiden kann. Der erste und der zweite katalytische Reaktor können unter individuellen Bedingungen betrieben werden.
Das Reinigungsverfahren für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
7 und 8 zeigen ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die 7 und 8, das Reinigungsverfahren für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine erste Kondensations- und Trennstufe (S10), eine Verdichtungsstufe (S20), eine katalytische Reaktionsstufe (S30), eine zweite Kondensations- und Trennstufe (S40), eine Adsorptionsstufe (S50), und eine Destillationsstufe (S60).
Unter Bezugnahme auf 7, das Abgas, das aus dem Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitet wird, wird in der ersten Kondensations- und Trennstufe (S10) in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt.
Der nicht kondensierte Gasphasenstrom, der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S10) abgeleitet wird, wird nach einer Verdichtungsstufe (S20) in eine katalytische Reaktionsstufe (S30) eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der katalytischen Reaktionsstufe (S30) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Der nicht kondensierte Phasenstrom, der durch die katalytische Reaktionsstufe (S30) geleitet wird, wird an die zweite Kondensations- und Trennstufe (S40) weitergeleitet. Der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S40) abgeleitete Wasserstoff kann schließlich in der Adsorptionsstufe (S50) gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden. Außerdem kann der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S40) abgeleitet wird, mit dem kondensierten Phasenstrom zusammengeführt werden, der aus der ersten Destillationsstufe (S10) abgeleitet wird, und in die Destillationsstufe (S60) eingespritzt werden.
Der an die Destillationsstufe (S60) weitergeleitete Strom kann in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und dann in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 8, wird, ähnlich wie bei 7, das aus dem Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitete Abgas in der ersten Kondensations- und Trennstufe (S10) in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt.
Der nicht kondensierte Gasphasenstrom, der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S10) abgeleitet wird, wird nach einer Verdichtungsstufe (S20) in eine katalytische Reaktionsstufe (S30) eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der katalytischen Reaktionsstufe (S30) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Der nicht kondensierte Phasenstrom, der durch die katalytische Reaktionsstufe (S30) geleitet wurde, wird an die zweite Kondensations- und Trennstufe (S40) weitergeleitet. Der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S40) abgeleitete Wasserstoff kann schließlich in der Adsorptionsstufe (S50) gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden. Außerdem kann der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S40) abgeleitet wird, an die erste Destillationsstufe (S10) weitergeleitet und in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Davon getrennt kann der kondensierte Phasenstrom, der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S10) abgeleitet wird, an die Destillationsstufe (S60) weitergeleitet, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und in den Kreislauf zurückgeführt werden.
9 und 11 zeigen ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die 9 und 11, das Reinigungsverfahren für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine erste Kondensations- und Trennstufe (S110), eine Verdichtungsstufe (S120), eine katalytische Reaktionsstufe (S130), eine zweite Kondensations- und Trennstufe (S140), eine Adsorptionsstufe (S150), eine erste Destillationsstufe (S160) und eine zweite Destillationsstufe (S170).
Unter Bezugnahme auf 9, das aus dem Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitete Abgas wird in der ersten Kondensations- und Trennstufe (S10) in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt.
Der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) abgeleitete nicht kondensierte Gasphasenstrom wird nach der Verdichtungsstufe (S120) in eine katalytische Reaktionsstufe (S130) eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der katalytischen Reaktionsstufe (S130) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Der nicht kondensierte Phasenstrom, der durch die katalytische Reaktionsstufe (S130) geleitet wurde, wird an die zweite Kondensations- und Trennstufe (S140) weitergeleitet. Der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S140) abgeleitete Wasserstoff kann schließlich in der Adsorptionsstufe (S150) gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden. Zusätzlich kann separat Chlorwasserstoff, der in dem nicht kondensierten Gasphasenstrom enthalten ist, der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) abgeleitet wird, in der ersten Destillationsstufe (S160) getrennt und wieder in die erste Kondensations- und Trennstufe (S110) zurückgeleitet werden.
Der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S140) abgeleitet wird, kann mit dem kondensierten Phasenstrom, der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) abgeleitet wird, zusammengeführt und dann in die erste Destillationsstufe (S160) eingespritzt werden. In der ersten Destillationsstufe (S160) werden ein Chlorwasserstoff-Gasphasenstrom und ein chlorsilanbasierter Flüssigphasenstrom abgetrennt.
Der chlorsilanbasierte Strom, der aus der ersten Destillationsstufe (S160) abgeleitet wird, kann an die zweite Destillationsstufe (S170) weitergeleitet, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 10 wird, ähnlich wie bei 9, das aus dem Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitete Abgas in der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt.
Der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) abgeleitete nicht kondensierte Gasphasenstrom wird nach der Verdichtungsstufe (S120) in eine katalytische Reaktionsstufe (S130) eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der katalytischen Reaktionsstufe (S130) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Der nicht kondensierte Phasenstrom, der durch die katalytische Reaktionsstufe (S130) geleitet wurde, wird an die zweite Kondensations- und Trennstufe (S140) weitergeleitet. Der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S140) abgeleitete Wasserstoff kann schließlich in der Adsorptionsstufe (S150) gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Zusätzlich kann separat Chlorwasserstoff, der in dem nicht kondensierten Gasphasenstrom enthalten ist, welcher aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) abgeleitet wird, in der ersten Destillationsstufe (S160) von den chlorsilanbasierten Strömen getrennt und wieder in die erste Kondensations- und Trennstufe (S110) zurückgeführt werden.
Der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S140) abgeleitet wird, kann mit dem kondensierten Phasenstrom, der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S160) abgeleitet wird, zusammengeführt und dann in die erste Destillationsstufe (S170) eingespritzt werden. In der ersten Destillationsstufe (S160) werden ein Chlorwasserstoff-Gasphasenstrom und ein chlorsilanbasierter Flüssigphasenstrom getrennt.
Der zur Destillationsstufe (S170) weitergeleitete zweite Strom kann in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und dann in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 11 wird, ähnlich wie bei 9, das aus dem Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitete Abgas in der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt.
Der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) abgeleitete nicht kondensierte Gasphasenstrom wird nach der Verdichtungsstufe (S120) in eine katalytische Reaktionsstufe (S130) eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der katalytischen Reaktionsstufe (S130) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt. Der nicht kondensierte Phasenstrom, der durch die katalytische Reaktionsstufe (S130) geleitet wurde, wird an die zweite Kondensations- und Trennstufe (S140) weitergeleitet. Der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S140) abgeleitete Wasserstoff kann schließlich in der Adsorptionsstufe (S150) gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden. Zusätzlich kann separat Chlorwasserstoff, der in dem kondensierten Gasphasenstrom enthalten ist, welcher aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) abgeleitet wird, in der ersten Destillationsstufe (S160) von den chlorsilanbasierten Strömen getrennt und wieder in die erste Kondensations- und Trennstufe (S110) zurückgeführt werden.
Andererseits kann der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S40) abgeleitet wird, auch in die erste Kondensations- und Trennstufe (S110) eingespritzt und in Umlauf gebracht werden.
Der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S110) abgeleitet wird, kann an die erste Destillationsstufe (S160) weitergeleitet und in Chlorwasserstoff- und chlorsilanbasierte Ströme getrennt werden. Der aus der ersten Destillationsstufe (S160) abgeleitete chlorsilanbasierte Strom wird an die zweite Destillationsstufe (S170) weitergeleitet, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und anschließend in den Kreislauf zurückgeführt.
12 und 14 zeigen ein Flussdiagramm eines Reinigungsverfahrens für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die 12 und 14, das Reinigungsverfahren für Abgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine erste Kondensations- und Trennstufe (S210), eine Verdichtungsstufe (S220), eine erste katalytische Reaktionsstufe (S230), eine zweite Kondensations- und Trennstufe (S240), eine Adsorptionsstufe (S250), eine zweite katalytische Reaktionsstufe, (S260) und eine Destillationsstufe (S270).
Unter Bezugnahme auf 12, zuerst wird das aus dem Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitete Abgas in der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt.
Der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) abgeleitete nicht kondensierte Gasphasenstrom wird nach der Verdichtungsstufe (S220) in eine katalytische Reaktionsstufe (S230) eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der ersten katalytischen Reaktionsstufe (S230) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Der nicht kondensierte Phasenstrom, der durch die katalytische Reaktionsstufe (S230) geleitet wurde, wird an die zweite Kondensations- und Trennstufe (S240) weitergeleitet. Der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S240) abgeleitete Wasserstoff kann schließlich in der Adsorptionsstufe (S250) gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Zusätzlich kann separat Chlorwasserstoff, der in dem kondensierten Phasenstrom enthalten ist, welcher aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) abgeleitet wird, in der ersten Destillationsstufe (S260) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt werden, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S240) abgeleitet wird, kann mit dem kondensierten Phasenstrom zusammengeführt werden, der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) abgeleitet wird, und dann in die zweite katalytische Reaktionsstufe (S260) eingespritzt werden. In der zweiten katalytischen Reaktionsstufe (S260) wird Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wie weiter oben beschrieben, und davon wird ein chlorsilanbasierter Strom abgetrennt.
Der aus der zweiten katalytischen Reaktionsstufe (S260) abgeleitete chlorsilanbasierte Strom kann an die Destillationsstufe (S270) weitergeleitet, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 13 wird, ähnlich wie bei 12, zuerst das aus dem Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitete Abgas in der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt.
Der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) abgeleitete nicht kondensierte Gasphasenstrom wird nach der Verdichtungsstufe (S220) in die erste katalytische Reaktionsstufe (S230) eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der katalytischen Reaktionsstufe (S230) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Der durch die erste katalytische Reaktionsstufe (S230) geleitete nicht kondensierte Phasenstrom wird an die zweite Kondensations- und Trennstufe (S240) weitergeleitet. Der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S240) abgeleitete Wasserstoff kann schließlich in der Adsorptionsstufe (S250) gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Zusätzlich kann separat Chlorwasserstoff, der in dem nicht kondensierten Gasphasenstrom enthalten ist, welcher aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) abgeleitet wird, in der zweiten katalytischen Reaktionsstufe (S260) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt werden, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Andererseits kann der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S240) abgeleitet wird, mit dem kondensierten Phasenstrom, der aus der zweiten katalytischen Reaktionsstufe (S260) abgeleitet wird, zusammengeführt und dann in die Destillationsstufe (S270) eingespritzt werden.
Der zur Destillationsstufe (S270) weitergeleitete Strom kann in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und dann in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 14, ähnlich wie bei 12, das aus dem Gasphasenabscheidungsreaktor abgeleitete Abgas in der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) in einen nicht kondensierten Gasphasenstrom, der Wasserstoff im Überschuss enthält, und einen kondensierten Flüssigphasenstrom, der chlorsilanbasierte Verbindungen im Überschuss enthält, getrennt.
Der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) abgeleitete nicht kondensierte Gasphasenstrom wird nach der Verdichtungsstufe (S220) in die erste katalytische Reaktionsstufe (S230) eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem nicht kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der ersten katalytischen Reaktionsstufe (S230) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt.
Der nicht kondensierte Phasenstrom, der durch die katalytische Reaktionsstufe (S230) geleitet wurde, wird an die zweite Kondensations- und Trennstufe (S240) weitergeleitet. Der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S240) abgeleitete Wasserstoff kann schließlich in der Adsorptionsstufe (S250) gereinigt und in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Andererseits kann der kondensierte Flüssigphasenstrom, der eine geringere Chlorwasserstoffkonzentration aufweist und der aus der zweiten Kondensations- und Trennstufe (S240) abgeleitet wird, erneut in die erste Kondensations- und Trennstufe (S210) eingespritzt und dann in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Außerdem wird der kondensierte Phasenstrom, der aus der ersten Kondensations- und Trennstufe (S210) abgeleitet wird, separat an die zweite katalytische Reaktionsstufe (S260) weitergeleitet. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem kondensierten Phasenstrom enthaltene Chlorwasserstoff in der zweiten katalytischen Reaktionsstufe (S260) zu Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt, wodurch die Chlorwasserstoffkonzentration abnimmt. Der chlorsilanbasierte Strom, der eine niedrigere Chlorwasserstoffkonzentration hat und der aus der zweiten katalytischen Reaktionsstufe (S260) abgeleitet wird, kann an die Destillationsstufe (S270) weitergeleitet, in Di-/Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid getrennt und dann in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Das Mischungsverhältnis der in dem kondensierten oder nicht kondensierten Phasenstrom jeweils enthaltenen Komponenten unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, aber gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darf der nicht kondensierte Phasenstrom, der in die erste katalytische Reaktionsstufe eingespritzt werden soll, etwa 0,01 bis etwa 5 mol% Chlorwasserstoff, etwa 80 bis etwa 99 mol% Wasserstoff und die verbleibende Menge der chlorsilanbasierten Verbindung enthalten. Andererseits kann für eine effektivere Entfernung des Chlorwasserstoffs die Molzahl der chlorsilanbasierten Verbindung mehr als 1 Mol betragen, bezogen auf 1 Mol Chlorwasserstoff (HCl).
Der Schritt des Durchleitens der nicht kondensierten Phase in der ersten katalytischen Reaktionsstufe kann bei einer Temperatur von etwa –40 bis etwa 400°C durchgeführt werden, vorzugsweise bei etwa –20 bis etwa 300°C, noch besser bei etwa 0 bis etwa 200°C, bei einem Druck von etwa 1 bis etwa 50 bar, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 40 bar, noch besser bei etwa 1 bis etwa 30 bar, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein. Die Bedingungen können in geeigneter Weise verändert werden, solange sie in dem Bereich liegen, in dem der in der ersten katalytischen Reaktionsstufe verwendete Katalysator aktiviert wird. Andererseits kann, entsprechend dem Reinigungsverfahren für Abgas der vorliegenden Erfindung, der erste katalytische Reaktionsschritt unter Temperatur- und Druckverhältnissen durchgeführt werden, die einen wesentlich geringeren Energieverbrauch als die herkömmlichen Absorptionskolonnenverfahren zur Entfernung von Chlorwasserstoff haben, wodurch der Energieverbrauch erheblich gesenkt werden kann. Gleichwohl ist die Effizienz bei der Entfernung von Chlorwasserstoff mit der des Absorptionskolonnenverfahrens gleichzusetzen oder ist besser als diese, verbessert dadurch die Produktivität und senkt die Gesamtkosten des Abgasreinigungsverfahrens.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der kondensierte Phasenstrom, der in der zweiten katalytischen Reaktionsstufe eingespritzt werden soll, etwa 0,01 bis etwa 5 mol% Chlorwasserstoff, etwa 0,01 bis etwa 1 mol% Wasserstoff sowie eine Ausgleichsmenge einer chlorsilanbasierten Verbindung enthalten. Andererseits kann für eine effektivere Entfernung des Chlorwasserstoffs die Molzahl der chlorsilanbasierten Verbindung mehr als 1 Mol betragen, bezogen auf 1 Mol Chlorwasserstoff (HCl).
Der Schritt des Durchleitens des kondensierten Phasenstroms durch die zweite katalytische Reaktionsstufe kann bei einer Temperatur von etwa –40 bis etwa 400°C durchgeführt werden, vorzugsweise bei etwa –20 bis etwa 300°C, noch besser bei etwa 0 bis etwa 200°C, bei einem Druck von etwa 1 bis etwa 50 bar, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 40 bar, noch besser bei etwa 1 bis etwa 30 bar, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein. Die Bedingungen können in geeigneter Weise verändert werden, solange sie in dem Bereich liegen, in dem der in der zweiten katalytischen Reaktionsstufe verwendete Katalysator aktiviert wird.
Der relative Gehalt an Chlorwasserstoff in den gesamten kondensierten oder nicht kondensierten Phasenströmen kann auf etwa 50 mol% oder mehr reduziert werden, beispielsweise auf etwa 50 bis etwa 99,9 mol%, vorzugsweise etwa 80 bis 99,9 mol%, noch besser etwa 90 bis 100 mol%, bezogen auf den Gehalt vor Durchleiten durch die erste und zweite katalytische Reaktionsstufe.
Nachfolgend sollen die Funktionsweise und Wirkung der vorliegenden Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele der Erfindung beschrieben werden. Diese Beispiele dienen jedoch nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränken.
<BEISPIEL>
Vorbereitung und Leistungsbewertung eines katalytischen Reaktors
Vorbereitungsbeispiel 1
Ein mit einem Ionenaustauscherharzkatalysator befüllter katalytischer Reaktor wurde vorbereitet und die Leistung des katalytischen Reaktors gaschromatographisch bewertet.
Ein Ionenaustauscherharzkatalysator mit aminisiertem Polystyrol-Divinylbenzol als Matrix von Durchmesser 490 bis 690 µm (Produktname: Amberlyst^® A-21) wurde in den Röhrenreaktor aus Edelstahl mit 12,7 mm (1/2 inch) Außendurchmesser befüllt. Über eine getrennt verbundene Leitung wurde der Katalysator mit Äthanol in dreifacher Volumenmenge des Katalysatorbetts für 1 Stunde durchgespült und dann wieder mit Toluol in dreifacher Volumenmenge des Katalysatorbetts für 1 Stunde durchgespült, um aus dem Katalysator jegliche Verunreinigungen und Feuchtigkeit zu entfernen. Dann schließlich wurde der Katalysator mit Siliciumtetrachlorid in dreifacher Volumenmenge des Katalysatorbetts durchgespült, um jegliches Restlösungsmittel zu entfernen.
In eine Trichlorsilanlösung, die durch Auflösen von Chlorwasserstoff in den wie zuvor erwähnt vorbereiteten katalytischen Reaktor erhalten wurde, wurde Wasserstoff bei 100 ml pro Minute in den Reaktor zugeführt und die Trichlorsilanlösung damit begast, sodass ein Gaszustand im Reaktor entstand. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Temperatur bei 100°C und der Druck bei 2 bar aufrechterhalten, damit das Trichlorsilan nicht kondensierte. Danach betrug die Reaktionsverweildauer unter den oben beschriebenen Bedingungen etwa 10 Sekunden. Die Zusammensetzung des durch Wasserstoff freigesetzten Trichlorsilangases wurde gaschromatographisch über eine Bypass-Leitung vor der katalytischen Reaktion analysiert und es wurde bestätigt, dass etwa 5 Mol% Chlorwasserstoff im Verhältnis zum Trichlorsilan vorhanden ist.
Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 2
Trichlorsilanlösung, die mittels Auflösung von Chlorwasserstoff in den katalytischen Reaktor aus Vorbereitungsbeispiel 1 erhalten wurde, wurde in den Reaktor bei 10 ml pro Minute zugeführt. Die Temperatur wurde bei 50°C und der Druck bei 10 bar durch Druckbeaufschlagung mit Wasserstoff aufrechterhalten. Das Leervolumen des Katalysatorbetts war 65 % und die Reaktionsverweildauer unter der Reaktionsbedingung war 13,5 Sekunden. Die Zusammensetzung der Trichlorsilanlösung in dem der Chlorwasserstoff gelöst wurde, wurde gaschromatographisch über eine Bypass-Leitung vor der katalytischen Reaktion analysiert und bestätigt, dass etwa 2 Mol% Chlorwasserstoff im Verhältnis zum Trichlorsilan vorhanden ist.
Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 3
Die Abgasreinigungswirkung des katalytischen Reaktors, der einen Aktivkkohlenstoff-gestützten Platin(Pt)-Katalysator enthält, wurde bestätigt.
Der katalytische Reaktor wurde unter Verwendung eines Edelstahlrohrs von 50 cm Länge und einem Außendurchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) vorbereitet. Dieser Reaktor wurde mit 1,65 g aktivkohlebasiertem 0,5 Gew.-% Platin-Katalysator befüllt und dann bei 200°C für 1 Stunde unter einem Stickstoffstrom aktiviert. Es wurde ein körniger Katalysator verwendet (Alfa Aesar).
Als das Reaktionsgas eingespritzt wurde, wurde ein Verfahren verwendet zur Einspritzung von Wasserstoff in einen Behälter mit Trichlorsilan im flüssigen Zustand, um eine Verdampfung zu bewirken, und wasserfreies Chlorwasserstoff wurde kurz vor der Einströmung in den Reaktor hinzugefügt und gemischt. Wasserstoff wurde bei etwa 100 ml/min eingespritzt, und Chlorwasserstoff wurde bei etwa 30 ml/min eingespritzt. Das Molverhältnis von Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan lag bei etwa 1:1,4.
Die Reaktortemperatur wurde auf 150°C und der Druck auf 1 bar eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 4
Die Abgasreinigungswirkung des katalytischen Reaktors, der Aktivkohle enthält, wurde bestätigt.
Der katalytische Reaktor wurde unter Verwendung eines Edelstahlrohrs von 50 cm Länge und einem Außendurchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) vorbereitet. Dieser Reaktor wurde mit 1,65 g einer körnigen Aktivkohle (Größe 2 mm oder weniger, Alfa Aesar) befüllt. Die Aktivierung erfolgte in der gleichen Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 3 beschrieben.
Die Reaktionsbedingung wurde wie im Vorbereitungsbeispiel 3 festgelegt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind nachfolgend in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 5
Die Abgasreinigungswirkung des katalytischen Reaktors, der einen Aktivkkohlenstoff-gestützten Platin(Pt)-Katalysator enthält, wurde bestätigt.
Der katalytische Reaktor wurde unter Verwendung eines Edelstahlrohrs von 50 cm Länge und einem Außendurchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) vorbereitet. Dieser Reaktor wurde mit 1,6 g körnigem aktivkohlebasiertem 0,5 Gew.-% Platin-Katalysator befüllt (Alfa Aesar). Die Aktivierung erfolgte in der gleichen Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 3 beschrieben.
Die Reaktionsbedingung wurde wie im Vorbereitungsbeispiel 3 festgelegt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 6
Die Abgasreinigungswirkung des katalytischen Reaktors, der einen Aktivkkohlenstoff-gestützten Platin(Pt)-Katalysator enthält, wurde bestätigt.
Der katalytische Reaktor wurde unter Verwendung eines Edelstahlrohrs von 50 cm Länge und einem Außendurchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) vorbereitet. Dieser Reaktor wurde mit 1,6 g aktivkohlebasiertem 0,5 Gew.-% Platin(Pt)-Katalysator befüllt. Die Aktivierung erfolgte in der gleichen Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 3 beschrieben.
Die Reaktionsbedingung wurde bei 80°C festgelegt und die Einspritzung des verbleibenden Reaktionsgases und andere Reaktionsbedingungen waren in gleicher Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 3 eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 7
Die Reaktion wurde in gleicher Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 6 durchgeführt, außer dass dieser Reaktor mit 1,6 g körnigem aktivkohlebasiertem 0,5 Gew.-% Palladium(Pd)-Katalysator befüllt und verwendet wurde.
Vorbereitungsbeispiel 8
Der katalytischer Reaktor und die Aktivierung wurden in gleicher Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 6 beschrieben vorbereitet.
Als das Reaktionsgas eingespritzt wurde, wurde ein Verfahren verwendet zur Einspritzung von Wasserstoff in einen Behälter mit Trichlorsilan im flüssigen Zustand, um eine Verdampfung zu bewirken, und wasserfreies Chlorwasserstoff wurde kurz vor der Einströmung in den Reaktor hinzugefügt und gemischt. Wasserstoff wurde bei etwa 200 ml/min eingespritzt, und Chlorwasserstoff wurde bei etwa 15 ml/min eingespritzt. Das Molverhältnis von Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan lag bei etwa 1:2,4.
Die Reaktortemperatur wurde auf 80°C und der Druck auf 1 bar eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 9
Der katalytischer Reaktor und die Aktivierung wurden in gleicher Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 7 beschrieben vorbereitet.
Als das Reaktionsgas eingespritzt wurde, wurde ein Verfahren verwendet zur Einspritzung von Wasserstoff in einen Behälter mit Trichlorsilan im flüssigen Zustand, um eine Verdampfung zu bewirken, und wasserfreies Chlorwasserstoff wurde kurz vor der Einströmung in den Reaktor hinzugefügt und gemischt. Wasserstoff wurde bei etwa 200 ml/min eingespritzt, und Chlorwasserstoff wurde bei etwa 15 ml/min eingespritzt. Das Molverhältnis von Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan lag bei etwa 1:2,4.
Die Reaktortemperatur wurde auf 80°C und der Druck auf 1 bar eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 10
Der katalytischer Reaktor und die Aktivierung wurden in gleicher Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 7 beschrieben vorbereitet.
Als das Reaktionsgas eingespritzt wurde, wurde ein Verfahren verwendet zur Einspritzung von Wasserstoff in einen Behälter mit Trichlorsilan im flüssigen Zustand, um eine Verdampfung zu bewirken, und wasserfreies Chlorwasserstoff wurde kurz vor der Einströmung in den Reaktor hinzugefügt und gemischt. Wasserstoff wurde bei etwa 200 ml/min eingespritzt, und Chlorwasserstoff wurde bei etwa 15 ml/min eingespritzt. Das Molverhältnis von Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan lag bei etwa 1:2,4.
Die Reaktortemperatur wurde auf 80°C und der Druck auf 1 bar eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 11
Die Abgasreinigungswirkung des katalytischen Reaktors, der einen Aktivkkohlenstoff-gestützten Platin(Pt)-Katalysator enthält, wurde bestätigt.
Der katalytische Reaktor wurde unter Verwendung eines Edelstahlrohrs von 50 cm Länge und einem Außendurchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) vorbereitet. Dieser Reaktor wurde mit 1,6 g körnigem aktivkohlebasiertem 2,0 Gew.-% Platin(Pt)-Katalysator befüllt. Die Aktivierung erfolgte in der gleichen Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 3 beschrieben.
Als das Reaktionsgas eingespritzt wurde, wurde ein Verfahren verwendet zur Einspritzung von Wasserstoff in einen Behälter mit Trichlorsilan im flüssigen Zustand, um eine Verdampfung zu bewirken, und wasserfreies Chlorwasserstoff wurde kurz vor der Einströmung in den Reaktor hinzugefügt und gemischt. Wasserstoff wurde bei etwa 200 ml/min eingespritzt, und Chlorwasserstoff wurde bei etwa 15 ml/min eingespritzt. Das Molverhältnis von Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan lag bei etwa 1:2,4.
Die Reaktortemperatur wurde auf 80°C und der Druck auf 1 bar eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 12
Der mit einem Ionenaustauscherharzkatalysator befüllte katalytische Reaktor wurde vorbereitet und die Abgasreinigungswirkung bestätigt.
Der katalytische Reaktor wurde unter Verwendung eines Edelstahlrohrs von 50 cm Länge und einem Außendurchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) vorbereitet. Als Katalysator wurde in diesem Reaktor als Ionenaustauscherharz 1,3 g Amberlyst^® A-21 (Dow chemical) verwendet. Vor dem Befüllen in den Reaktor, wurde der Katalysator mit Äthanol getränkt, mit Methylchlorid gewaschen und dann getrocknet und für 20 Stunden unter einblasendem Stickstoff vorbehandelt.
Als das Reaktionsgas eingespritzt wurde, wurde ein Verfahren verwendet zur Einspritzung von Wasserstoff in einen Behälter mit Trichlorsilan im flüssigen Zustand, um eine Verdampfung zu bewirken, und wasserfreies Chlorwasserstoff wurde kurz vor der Einströmung in den Reaktor hinzugefügt und gemischt. Wasserstoff wurde bei etwa 100 ml/min eingespritzt, und Chlorwasserstoff wurde bei etwa 30 ml/min eingespritzt. Das Molverhältnis von Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan lag bei etwa 1:1,4.
Die Reaktortemperatur wurde auf 80°C und der Druck auf 1 bar eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 13
Der katalytischer Reaktor und die Aktivierung wurden in gleicher Weise wie im Vorbereitungsbeispiel 12 beschrieben vorbereitet.
Als das Reaktionsgas eingespritzt wurde, wurde ein Verfahren verwendet zur Einspritzung von Wasserstoff in einen Behälter mit Trichlorsilan im flüssigen Zustand, um eine Verdampfung zu bewirken, und wasserfreies Chlorwasserstoff wurde kurz vor der Einströmung in den Reaktor hinzugefügt und gemischt. Wasserstoff wurde bei etwa 200 ml/min eingespritzt, und Chlorwasserstoff wurde bei etwa 15 ml/min eingespritzt. Das Molverhältnis von Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan lag bei etwa 1:2,4.
Die Reaktortemperatur wurde auf 80°C und der Druck auf 1 bar eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt.
Vorbereitungsbeispiel 14
Der mit einem Ionenaustauscherharzkatalysator befüllte katalytische Reaktor wurde vorbereitet und die Abgasreinigungswirkung bestätigt.
Der katalytische Reaktor wurde unter Verwendung eines Edelstahlrohrs von 50 cm Länge und einem Außendurchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) vorbereitet. Als Katalysator wurde in diesem Reaktor der Ionenaustauscherharz 1,7 g Reillex^® HP (Vertellus Specialties) befüllt und verwendet. Vor dem Befüllen in den Reaktor, wurde der Katalysator mit Äthanol getränkt, mit Methylchlorid gewaschen und dann getrocknet und für 20 Stunden unter einblasendem Stickstoff vorbehandelt.
Als das Reaktionsgas eingespritzt wurde, wurde ein Verfahren verwendet zur Einspritzung von Wasserstoff in einen Behälter mit Trichlorsilan im flüssigen Zustand, um eine Verdampfung zu bewirken, und wasserfreies Chlorwasserstoff wurde kurz vor der Einströmung in den Reaktor hinzugefügt und gemischt. Wasserstoff wurde bei etwa 200 ml/min eingespritzt, und Chlorwasserstoff wurde bei etwa 15 ml/min eingespritzt. Das Molverhältnis von Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan lag bei etwa 1:2,4.

Die Reaktortemperatur wurde auf 80°C und der Druck auf 1 bar eingestellt. Die Ergebnisse der Analyse der Gaszusammensetzung nach der Reaktion unter der oben beschriebenen Bedingung sind unten in Tabelle 1 dargestellt. [Tabelle 1]

Vorbereitungsbeispiel 1	Katalysator	Temperatur	Molares Verhältnis der Reaktions partner TCS/HCl	Zusammensetzungsverhältnis des abgeführten Gases (Einheit: Mol%)
Vorbereitungsbeispiel 1	Katalysator	Temperatur	Molares Verhältnis der Reaktions partner TCS/HCl	HCl	DCS	TCS	STC	HCl Abnahmer ate
1	Amberlyst^® A-21	100°C	20,0	0,1	-	94,7	5,2	98,1 %
2	Amberlyst^® A-21	50°C	50,0	-	2	94	4	100 %
3	Pt(0,5 Gew.-%)/C	150°C	1,4	0,7	-	28,2	71,1	99,0 %
4	AC	150°C	1,4	11,8	0,2	36,9	51,1	81,3 %
5	Pt(0,5 Gew.-%)/C	150°C	1,4	0,6	-	29,0	70,5	99,2 %
6	Pt(0,5 Gew.-%)/C	80°C	1,4	5,1	-	32,2	62,6	92,4 %
7	Pd(0,5 Gew.-%)/C	80°C	1,4	4,3	-	31,6	64,0	93,7 %
8	Pt(0,5 Gew.-%)/C	80°C	2,4	2,4	-	59,3	38,2	94,0 %
9	Pd(0,5 Gew.-%)/C	80°C	2,4	2,2	-	59,3	38,5	94,6 %
10	AC	80°C	2,4	12,6	0,2	63,5	23,7	65,2 %
11	Pd(0,5 Gew.-%)/C	80°C	2,4	0,2	-	58,4	41,4	99,6%
12	Amberlyst^® A-21	80°C	1,4	14,1	0,4	38,5	47,0	76,9 %
13	Amberlyst^® A-21	80°C	2,4	7,2	0,5	61,1	31,2	81,2%
14	Reillex^® HP	80°C	2,4	7,1	0,3	61,1	31,5	81,6 %

Beispiele für den Abgasreinigungsprozess
BEISPIEL 1
Das Abgas wurde mit der Reinigungsvorrichtung wie in 2 dargestellt gereinigt.
Ein mit Ionenaustauscherharzkatalysator 4 befüllter katalytischer Reaktor 3 wurde entsprechend Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Reaktortemperatur des katalytischen Reaktors 3 wurde auf 100°C und der Druck auf 5 bar eingestellt. Das in den katalytischen Reaktor 3 strömende Abgas bestand aus 1 Mol% Chlorwasserstoff, 2 Mol% Dichlorsilan, 10 Mol% Trichlorsilan, 7 Mol% Siliciumtetrachlorid und 80 Mol% Wasserstoff.
Es wurde bestätigt, dass das Mischgas 5, das durch den katalytischen Reaktor 3 durchgeleitet wurde, zusammengesetzt war aus 1 Mol% Dichlorsilan, 11 Mol% Trichlorsilan, 7 Mol% Siliciumtetrachlorid und 81 Mol% Wasserstoff, die sämtlich durch die Reaktion von Chlorwasserstoff mit Dichlorsilan unter den vorgegebenen Bedingungen entfernt wurden und zu einem höheren Chlorsilan umgewandelt wurden.
BEISPIEL 2
Das Abgas wurde mit der Reinigungsvorrichtung wie in 3 dargestellt gereinigt.
Ein mit Ionenaustauscherharzkatalysator 140 befüllter katalytischer Reaktor 130 wurde entsprechend Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Reaktortemperatur des katalytischen Reaktors 130 wurde auf 100°C und der Druck auf 5 bar eingestellt. Das in den katalytischen Reaktor 130 strömende Abgas bestand aus 1 Mol% Chlorwasserstoff, 2 Mol% Dichlorsilan, 10 Mol% Trichlorsilan, 7 Mol% Siliciumtetrachlorid, 7 Mol% Siliciumtetrachlorid und 80 Mol% Wasserstoff.
Das durch den katalytischen Reaktor 130 geleitete Mischgas 150 bestand aus 1 Mol% Dichlorsilan, 11 Mol% Trichlorsilan, 7 Mol% Siliciumtetrachlorid und 81 Mol% Wasserstoff.
In der ersten Destillationskolonne 160 wurde eine Reinigungstemperaturverteilung von –5 bis –60°C und der Druck auf 23 bar eingestellt.
Im Ergebnis bestanden die oben aus der ersten Destillationskolonne 160 austretenden Ströme aus 0,01 Mol% Dichlorsilan, 0,03 Mol% Trichlorsilan, 0,001 Mol% Siliciumtetrachlorid und 99,96 Mol% Wasserstoff und es wurde bestätigt, dass Ströme bestehend aus hochreinem Wasserstoff ausgestoßen wurden.
BEISPIEL 3
Das Abgas wurde mit der Reinigungsvorrichtung wie in 4 dargestellt gereinigt.
Ein mit Ionenaustauscherharzkatalysator 204 befüllter katalytischer Reaktor 203 wurde entsprechend Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Reaktortemperatur des katalytischen Reaktors 203 wurde auf 100°C und der Druck auf 5 bar eingestellt. Das in den katalytischen Reaktor 203 strömende Abgas bestand aus 1 Mol% Chlorwasserstoff, 2 Mol% Dichlorsilan, 10 Mol% Trichlorsilan, 7 Mol% Siliciumtetrachlorid und 80 Mol% Wasserstoff.
Das Mischgas 219, das durch den katalytischen Reaktor 203 geleitet und dann in die Trennmembran 220 strömte, bestand aus 1 Mol% Dichlorsilan, 11 Mol% Trichlorsilan, 7 Mol% Siliciumtetrachlorid und 81 Mol% Wasserstoff.
Die Temperatur im Abscheider 216 wurde auf –5°C und der Druck auf 3 bar eingestellt.
Im Ergebnis bestanden der aus der Trennmembran 220 austretende Strom aus 0,01 Mol% Dichlorsilan, 0,03 Mol% Trichlorsilan, 0,001 Mol% Siliciumtetrachlorid und 99,96 Mol% Wasserstoff und es wurde bestätigt, dass Ströme bestehend aus hochreinem Wasserstoff ausgestoßen wurden.
BEISPIEL 4
Das Abgas wurde mit der Reinigungsvorrichtung wie in 5 dargestellt gereinigt.
Ein mit Ionenaustauscherharzkatalysator 555 befüllter katalytischer Reaktor 550 wurde entsprechend Vorbereitungsbeispiel 2 vorbereitet.
Die Temperatur im Abscheider 515 wurde auf –5°C und der Druck auf 3 bar eingestellt. Die Temperatur des katalytischen Reaktors 550 wurde auf 50°C und der Druck auf 11 bar eingestellt.
Der Strom der kondensierten Phase, der durch den Abscheider 515 geleitet und dann in den Reaktor 550 strömte, bestand aus 2 Mol% Chlorwasserstoff, 9 Mol% Dichlorsilan, 54 Mol% Trichlorsilan, 34 Mol% Siliciumtetrachlorid und 1 Mol% Wasserstoff.
Im Ergebnis bestand der aus dem Reaktor 550 austretende Strom aus 2 Mol% Dichlorsilan, 67 Mol% Trichlorsilan, 29 Mol% Siliciumtetrachlorid und 2 Mol% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand mit sämtlich entferntem Chlorwasserstoff ausgestoßen wurden.
BEISPIEL 5
Das Abgas wurde mit der Reinigungsvorrichtung wie in 6 dargestellt gereinigt.
Ein mit Ionenaustauscherharzkatalysator 655 befüllter katalytischer Reaktor 250 wurde entsprechend Vorbereitungsbeispiel 2 vorbereitet.
Die Temperatur im Abscheider 615 wurde auf –5°C und der Druck auf 3 bar eingestellt. Die Reaktortemperatur des katalytischen Reaktors 650 wurde auf 50°C und der Druck auf 11 bar eingestellt. Der Strom der nicht-kondensierten Phase, der oben aus dem Abscheider 615 austrat, strömte in einen zweiten Kühler 620 und wurde dann erneut durch Niedertemperaturkühlung gekühlt. Der kondensierte Strom wurde zurück in den Abscheider 615 geführt. Die Kühlbedingung für die Niedertemperaturkühlung in einem zweiten Kühler 620 wurde auf –40°C und der Druck auf 23 bar eingestellt.
Der Strom der nicht-kondensierten Phase, der durch den Abscheider 615 und den zweiten Kühler 620 durchgeleitet und dann in die Absorptionskolonne 625 strömte, ergab, dass 66 Mol% Chlorwasserstoff, 88 Mol% Dichlorsilan, 99 Mol% Trichlorsilan, 97 Mol% Siliciumtetrachlorid gesenkt wurden im Vergleich zur Nichtverwendung eines zweiten Kühlers 620. Es bestätigte sich, dass der Strom, der unten aus dem katalytischen Reaktor 250 austrat und in die Absorptionskolonne 625 zurückgeführt wurde, um 56 % reduziert war und eine Energieersparnis von etwa 10,3 % realisiert wurde.
Der Strom der kondensierten Phase, der durch den Abscheider 615 geleitet und dann in den Reaktor 650 strömte, bestand aus 2 Mol% Chlorwasserstoff, 9 Mol% Dichlorsilan, 54 Mol% Trichlorsilan, 34 Mol% Siliciumtetrachlorid und 1 Mol% Wasserstoff.
Im Ergebnis bestand der aus dem Reaktor 650 austretende Strom aus 2 Mol% Dichlorsilan, 67 Mol% Trichlorsilan, 29 Mol% Siliciumtetrachlorid und 2 Mol% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand mit sämtlich entferntem Chlorwasserstoff ausgestoßen wurden.
BEISPIEL 6
Das Abgas wurde entsprechend dem Prozessablauf-Diagramm in 7 gereinigt.
Die Temperatur im Abscheider, der im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendet wurde, wurde auf –5°C und der Druck auf 3,4 bar eingestellt. Die Temperatur des katalytischen Reaktors, der im katalytischen Reaktionsschritt verwendet wurde, wurde auf 100°C und der Druck auf 23,85 bar eingestellt. Bei diesem Mal wurde der katalytische Reaktor entsprechend Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Der Strom der nicht-kondensierten Phase. der durch den Abscheider geleitet und dann in den katalytischen Reaktor strömte, bestand aus 1,1 Mol% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol% Dichlorsilan, 2,9 Mol% Trichlorsilan, 0,7 Mol% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol% Wasserstoff. Der aus dem katalytischen Reaktor austretende Strom bestand aus 0,2 Mol% Dichlorsilan, 3,6 Mol% Trichlorsilan, 0,9 Mol% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand mit sämtlich entferntem Chlorwasserstoff ausgestoßen wurden.
Die Ströme mit vermindertem Chlorwasserstoffgehalt wurden im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bei –35°C kondensiert. Bei diesem Mal bestand die nicht-kondensierte Phase aus 0,2 Mol% Trichlorsilan und 99,8 Mol% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass hochreiner Wasserstoff über eine untene Adsorptionskolonne wiedergewonnen werden konnte.
Außerdem wurde der durch den zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte Strom der kondensierten Phase mit dem durch den ersten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte Strom der kondensierten Phase zusammengeführt und in den Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung eingespritzt. Bei diesem Mal bestanden die zusammengeführten Ströme, die in den Destillationsschritt eingespritzt wurden, aus 0,2 Mol% Chlorwasserstoff, 6,1 Mol% Dichlorsilan, 58,7 Mol% Trichlorsilan und 35,0 Mol% Siliciumtetrachlorid.
Mit der Durchführung der Abgasreinigung wie oben beschrieben, konnte bestätigt werden, dass eine Ersparnis im Energieverbrauch von etwa 40 % im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren realisiert wurde.
BEISPIEL 7
Das Abgas wurde gemäß dem in 9 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im katalytischen Reaktionsschritt verwendeten katalytischen Reaktors wurde auf 100°C eingestellt und der Druck wurde auf 23,85 bar eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wurde der katalytische Reaktor gemäß Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung der aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Ströme war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Die Ströme mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurden im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch einen nachfolgenden Adsorptionsschritt zurückgewonnen werden.
Darüber hinaus wurde der vom zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom mit dem vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt getrennten kondensierten Phasenstrom vereinigt und in den ersten Destillationsschritt zur Trennung von Chlorwasserstoff injiziert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung des vereinigten Stroms, der in den Destillationsschritt injiziert wurde, 0,2 Mol-% Chlorwasserstoff, 6,1 Mol-% Dichlorsilan, 58,7 Mol-% Trichlorsilan und 35,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid. Die Temperatur in der im ersten Destillationsschritt verwendeten Destillationskolonne wurde auf eine Verteilung von –35 bis 150°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,3 bar eingestellt. Die Ströme der im ersten Destillationsschritt getrennten chlorsilanbasierten Verbindung wurden in den zweiten Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 38 % verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
BEISPIEL 8
Das Abgas wurde gemäß dem in 12 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im ersten katalytischen Reaktionsschritt verwendeten ersten katalytischen Reaktors wurde auf 100°C eingestellt und der Druck wurde auf 23,85 bar eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wurde der erste katalytische Reaktor gemäß Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Die Ströme mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurden im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch einen nachfolgenden Adsorptionsschritt zurückgewonnen werden.
Darüber hinaus wurde das Gemisch des vom zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennten kondensierten Phasenstroms mit dem vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt abgeleiteten kondensierten Phasenstrom vereinigt und in den zweiten katalytischen Reaktor injiziert, um den zweiten katalytischen Reaktionsschritt zur Eliminierung von Chlorwasserstoff durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der Ströme, die in den zweiten katalytischen Reaktor geleitet wurde, 0,2 Mol-% Chlorwasserstoff, 6,1 Mol-% Dichlorsilan, 58,7 Mol-% Trichlorsilan und 35,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid.
Die Reaktionstemperatur im zweiten katalytischen Reaktor wurde auf 50°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,3 bar eingestellt. Der zweite katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 2 vorbereitet.
Die Zusammensetzung der aus dem zweiten katalytischen Reaktor abgeleiteten Ströme war 5,7 Mol-% Dichlorsilan, 58,3 Mol-% Trichlorsilan und 36,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist. Der Strom der vom zweiten katalytischen Reaktor abgeleiteten chlorsilanbasierten Verbindung wurde in den Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 40 % verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
BEISPIEL 9
Das Abgas wurde gemäß dem in 7 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im katalytischen Reaktionsschritt verwendeten katalytischen Reaktors wurde auf 150°C eingestellt und der Druck wurde auf 23,85 bar eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wurde der erste katalytische Reaktor gemäß Vorbereitungsbeispiel 3 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Der Strom mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurde im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch eine nachfolgende Adsorptionskolonne zurückgewonnen werden.
Darüber hinaus wurde der vom zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom mit dem vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt getrennten kondensierten Phasenstrom vereinigt und in den Destillationsschritt zur Trennung einer silanbasierten Verbindung injiziert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung des Stroms, der in den Destillationsschritt geleitet wurde, 0,2 Mol-% Chlorwasserstoff, 6,1 Mol-% Dichlorsilan, 58,7 Mol-% Trichlorsilan und 35,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 30 % verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
BEISPIEL 10
Das Abgas wurde gemäß dem in 8 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im katalytischen Reaktionsschritt verwendeten katalytischen Reaktors wurde auf 100°C eingestellt und der Druck wurde auf 23,85 bar eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wurde der katalytische Reaktor gemäß Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Der Strom mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurde im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch eine nachfolgende Adsorptionskolonne zurückgewonnen werden. Der vom zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte chlorsilanbasierte Strom enthielt 3,2 Mol-% Dichlorsilan, 76,4 Mol-% Trichlorsilan und 20,4 Mol-% Siliciumtetrachlorid, und diese Ströme wurden zu dem Abscheider im ersten Kondensations- und Trennungsschritt wiederverwertet.
Auf der anderen Seite wurde der vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom in den Destillationsschritt zur Trennung einer silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 35 % verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
Beispiel 11
Das Abgas wurde gemäß dem in 9 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im katalytischen Reaktionsschritt verwendeten katalytischen Reaktors wurde auf 150°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,0 bar eingestellt. Der katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 3 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des Stroms, der aus dem katalytischen Reaktor abgeleitet wurde, war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Der Strom mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurde im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch einen nachfolgenden Adsorptionsschritt zurückgewonnen werden.
Darüber hinaus wurde der vom zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom mit dem vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt getrennten kondensierten Phasenstrom vereinigt und in den ersten Destillationsschritt zur Trennung von Chlorwasserstoff injiziert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung des Stroms, der in den ersten Destillationsschritt geleitet wurde, 0,2 Mol-% Chlorwasserstoff, 6,1 Mol-% Dichlorsilan, 58,7 Mol-% Trichlorsilan und 35,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid.
Die Temperatur in der im ersten Destillationsschritt verwendeten Destillationskolonne wurde auf eine Verteilung von –35 bis 150°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,3 bar eingestellt. Der Strom der im ersten Destillationsschritt getrennten chlorsilanbasierten Verbindung wurde in den zweiten Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 45% verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
BEISPIEL 12
Das Abgas wurde gemäß dem in 10 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im katalytischen Reaktionsschritt verwendeten katalytischen Reaktors wurde auf 100°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,0 bar eingestellt. Der katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Der Strom mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurde im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch einen nachfolgenden Adsorptionsschritt zurückgewonnen werden.
Darüber hinaus wurde der vom zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom mit dem vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt unten getrennten Strom der chlorsilanbasierten Verbindung vereinigt und dann zu dem zweiten Destillationsschritt zur Trennung der chlorsilanbasierten Verbindung übergeleitet. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung des Stroms, der in den zweiten Destillationsschritt geleitet wurde, 5,7 Mol-% Dichlorsilan, 58,3 Mol-% Trichlorsilan und 36,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid.
Auf der anderen Seite wurde der vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom zu dem ersten Destillationsschritt übergeleitet. Die Temperatur in der im ersten Destillationsschritt verwendeten Destillationskolonne wurde auf eine Verteilung von –35 bis 150°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,3 bar eingestellt. Der Strom der im ersten Destillationsschritt getrennten chlorsilanbasierten Verbindung wurde in den zweiten Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 50% verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
BEISPIEL 13
Das Abgas wurde gemäß dem in 11 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im katalytischen Reaktionsschritt verwendeten katalytischen Reaktors wurde auf 80°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,0 bar eingestellt. Der katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Der Strom mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurde im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch einen nachfolgenden Adsorptionsschritt zurückgewonnen werden.
Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der kondensierten Phase 3,2 Mol-% Dichlorsilan, 76,4 Mol-% Trichlorsilan und 20,4 Mol-% Siliciumtetrachlorid. Diese Ströme wurden zu dem Abscheider des ersten Kondensations- und Trennungsschritts wiederverwertet.
Auf der anderen Seite wurde der vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom zu dem ersten Destillationsschritt übergeleitet. Die Temperatur in der im ersten Destillationsschritt verwendeten Destillationskolonne wurde auf eine Verteilung von –35 bis 150°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,3 bar eingestellt. Der Strom der im ersten Destillationsschritt getrennten chlorsilanbasierten Verbindung wurde in den zweiten Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 53% verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
BEISPIEL 14
Das Abgas wurde gemäß dem in 12 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im katalytischen Reaktionsschritt verwendeten katalytischen Reaktors wurde auf 150°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,0 bar eingestellt. Der katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 3 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Der Strom mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurde im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch einen nachfolgenden Adsorptionsschritt zurückgewonnen werden.
Darüber hinaus wurde der vom zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom mit dem vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt abgeleiteten kondensierten Phasenstrom vereinigt und in den zweiten katalytischen Reaktor injiziert, um den zweiten katalytischen Reaktionsschritt zur Eliminierung von Chlorwasserstoff durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung des Stroms, der in den zweiten katalytischen Reaktor geleitet wurde, 0,2 Mol-% Chlorwasserstoff, 6,1 Mol-% Dichlorsilan, 58,7 Mol-% Trichlorsilan und 35,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid.
Die Reaktionstemperatur im zweiten katalytischen Reaktor wurde auf 50°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,3 bar eingestellt. Der katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 2 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des aus dem zweiten katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 5,7 Mol-% Dichlorsilan, 58,3 Mol-% Trichlorsilan und 36,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist. Der Strom der im zweiten Destillationsschritt getrennten chlorsilanbasierten Verbindung wurde in den Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 47 % verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
BEISPIEL 15
Das Abgas wurde gemäß dem in 13 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im ersten katalytischen Reaktionsschritt verwendeten ersten katalytischen Reaktors wurde auf 100°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,0 bar eingestellt. Der erste katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den ersten katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Der Strom mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurde im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch einen nachfolgenden Adsorptionsschritt zurückgewonnen werden.
Darüber hinaus wurde der vom zweiten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom mit dem vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt abgeleiteten kondensierten Phasenstrom vereinigt und in den Destillationsschritt zur Trennung einer silanbasierten Verbindung übergeleitet.
Auf der anderen Seite wurde der vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt getrennte kondensierte Phasenstrom in den zweiten katalytischen Reaktor injiziert, um den zweiten katalytischen Reaktionsschritt zur Eliminierung von Chlorwasserstoff durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung des Stroms, der in den zweiten katalytischen Reaktor geleitet wurde, 0,2 Mol-% Chlorwasserstoff, 6,1 Mol-% Dichlorsilan, 56,9 Mol-% Trichlorsilan und 33,1 Mol-% Siliciumtetrachlorid.
Die Reaktionstemperatur im zweiten katalytischen Reaktor wurde auf 50°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,3 bar eingestellt. Der katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 2 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des aus dem zweiten katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 5,7 Mol-% Dichlorsilan, 58,3 Mol-% Trichlorsilan und 36,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist. Der Strom der im zweiten Destillationsschritt getrennten chlorsilanbasierten Verbindung wurde in den Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 52% verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
BEISPIEL 16
Das Abgas wurde gemäß dem in 14 gezeigten Prozessflussdiagramm gereinigt.
Die Temperatur in dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wurde auf –5°C eingestellt und der Druck wurde auf 3,4 bar eingestellt. Die Reaktionstemperatur des im ersten katalytischen Reaktionsschritt verwendeten ersten katalytischen Reaktors wurde auf 80°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,0 bar eingestellt. Der erste katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 1 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des nicht kondensierten Phasenstroms, der durch den Abscheider geleitet wurde und dann in den ersten katalytischen Reaktor floss, war 1,1 Mol-% Chlorwasserstoff, 1,1 Mol-% Dichlorsilan, 2,9 Mol-% Trichlorsilan, 0,7 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 94,2 Mol-% Wasserstoff. Die Zusammensetzung des aus dem katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 0,2 Mol-% Dichlorsilan, 3,6 Mol-% Trichlorsilan, 0,9 Mol-% Siliciumtetrachlorid und 95,3 Mol-% Wasserstoff, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist.
Der Strom mit abgesenkter Konzentration von Chlorwasserstoff wurde im zweiten Kondensations- und Trennungsschritt bis –35°C kondensiert. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung der nicht kondensierten Phase 0,2 Mol-% Trichlorsilan und 99,8 Mol-% Wasserstoff, und hochreiner Wasserstoff konnte durch einen nachfolgenden Adsorptionsschritt zurückgewonnen werden.
Zusätzlich war die Zusammensetzung der kondensierten Phase 3,2 Mol-% Dichlorsilan, 76,4 Mol-% Trichlorsilan und 20,4 Mol-% Siliciumtetrachlorid, und dieser Strom wurde zu dem im ersten Kondensations- und Trennungsschritt verwendeten Abscheider wiederverwertet.
Auf der anderen Seite wurde der vom ersten Kondensations- und Trennungsschritt abgeleitete kondensierte Phasenstrom in den zweiten katalytischen Reaktor injiziert, um den zweiten katalytischen Reaktionsschritt zur Eliminierung von Chlorwasserstoff durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt war die Zusammensetzung des Stroms, der in den zweiten katalytischen Reaktor geleitet wurde, 0,2 Mol-% Chlorwasserstoff, 6,1 Mol-% Dichlorsilan, 56,9 Mol-% Trichlorsilan und 33,1 Mol-% Siliciumtetrachlorid.
Die Reaktionstemperatur im zweiten katalytischen Reaktor wurde auf 50°C eingestellt und der Druck wurde auf 12,3 bar eingestellt. Der katalytische Reaktor wurde gemäß Vorbereitungsbeispiel 2 vorbereitet.
Die Zusammensetzung des aus dem zweiten katalytischen Reaktor abgeleiteten Stroms war 5,7 Mol-% Dichlorsilan, 58,3 Mol-% Trichlorsilan und 36,0 Mol-% Siliciumtetrachlorid, und es wurde bestätigt, dass Ströme in einem Zustand abgeleitet wurden, in dem der gesamte Chlorwasserstoff eliminiert worden ist. Der Strom der im zweiten Destillationsschritt getrennten chlorsilanbasierten Verbindung wurde in den Destillationsschritt zur Trennung der silanbasierten Verbindung injiziert.
Bei der Durchführung der oben beschriebenen Abgasreinigung konnte bestätigt werden, dass die Effekte der Senkung des Energieverbrauchs um rund 55 % verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren realisiert wurden.
Bezugszeichenliste

10, 100, 200, 300: Reinigungsvorrichtung für Abgas
3, 130, 203, 550, 650: katalytischer Reaktor
6, 229: Destillationskolonne
160, 345: Erste Destillationskolonne
190, 360: Zweite Destillationskolonne
216, 315, 515, 615: Abscheider
S10, S110, S210: Erster Kondensations- und Trennungsschritt
S20, S120, S220: Verdichtungsschritt
S30, S130: Schritt der katalytischen Reaktion
S40, S140, S240: Zweiter Kondensations- und Trennungsschritt
S50, S150, S250: Adsorptionsschritt
S60, S270: Destillationsschritt
S160: Erster Destillationsschritt
S170: Zweiter Destillationsschritt
S230: Erster Schritt der katalytischen Reaktion
S260: Zweiter Schritt der katalytischen Reaktion

Claims

Reinigungsverfahren für Abgas, das die folgenden Schritte umfasst: Leiten des Abgases, das nach Durchführen eines Polysiliciumabscheidungsprozesses durch eine chemische Gasphasenabscheidungs(CVD)-Reaktion abgeleitet wird, durch einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustauschharzkatalysator zur Senkung der Konzentration von Chlorwasserstoff enthält; und Leiten des Abgases durch den katalytischen Reaktor und dann Trennen von in dem geleiteten Abgas enthaltenen wasserstoff- und chlorsilanbasierten Verbindungen.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 1, wobei der Ionenaustauscherharzkatalysator eine zyklische Aminverbindung, ein styrolbasierendes Polymer mit einer Amingruppe, ein Styrol-Divinylbenzol-basiertes Polymer mit einer Amingruppe, ein Acrylpolymer mit einer Amingruppe oder Mischungen davon enthält.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 1, wobei das Abgas Chlorwasserstoff (HCl), Wasserstoff (H₂) und chlorsilanbasierte Verbindungen enthält.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 1, wobei der Gehalt des Chlorwasserstoffs, der im Abgas enthalten ist, das durch den katalytischen Reaktor geleitet wurde, bis etwa 80 Mol-% oder mehr bezüglich des Gehalts vor dem Leiten durch den katalytischen Reaktor verringert ist.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 1, wobei das Abgas in Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt wird, indem es durch den katalytischen Reaktor geleitet wird.
Reinigungsvorrichtung für Abgas, die Folgendes umfasst: einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustauschharzkatalysator enthält und die Konzentration von Chlorwasserstoff durch Leiten des Abgases senkt, das nach Durchführen eines Polysiliciumabscheidungsprozesses durch eine chemische Gasphasenabscheidungs(CVD)-Reaktion abgeleitet wird; und eine Trennvorrichtung, die Wasserstoff und eine chlorsilanbasierte Verbindung von dem durch den katalytischen Reaktor geleiteten Abgas trennt.
Reinigungsvorrichtung für Abgas nach Anspruch 6, wobei der Ionenaustauscherharzkatalysator eine zyklische Aminverbindung, ein styrolbasierendes Polymer mit einer Amingruppe, ein Styrol-Divinylbenzol-basiertes Polymer mit einer Amingruppe, ein Acrylpolymer mit einer Amingruppe oder Mischungen davon enthält.
Reinigungsvorrichtung für Abgas nach Anspruch 6, wobei die Trennvorrichtung ein oder mehrere Elemente beinhaltet, die aus der Gruppe bestehend aus einem Abscheider, einer Destillationsvorrichtung, einer Trennmembranvorrichtung und einer Gas-Flüssigkeits-Trennvorrichtung ausgewählt werden.
Reinigungsverfahren für Abgas, das die folgenden Schritte umfasst: Trennen des Abgases, das nach Durchführen eines Polysiliciumabscheidungsprozesses durch eine chemische Gasphasenabscheidungs(CVD)-Reaktion abgeleitet wird, in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Phasenstrom; und Leiten des kondensierten Phasenstroms durch einen katalytischen Reaktor einschließlich eines Ionenaustauschharzkatalysators zur Senkung der Konzentration von Chlorwasserstoff.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 9, wobei der Ionenaustauscherharzkatalysator eine zyklische Aminverbindung, ein styrolbasierendes Polymer mit einer Amingruppe, ein Styrol-Divinylbenzol-basiertes Polymer mit einer Amingruppe, ein Acrylpolymer mit einer Amingruppe oder Mischungen davon enthält.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 9, wobei das Abgas Chlorwasserstoff (HCl), Wasserstoff (H₂) und chlorsilanbasierte Verbindungen enthält.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 9, wobei der Gehalt des Chlorwasserstoffs, der im kondensierten Phasenstrom enthalten ist, der durch den katalytischen Reaktor geleitet wurde, auf etwa 80 Mol-% oder mehr bezüglich des Gehalts vor dem Leiten durch den katalytischen Reaktor verringert ist.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 9, wobei der kondensierte Phasenstrom in Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt wird, indem er durch den katalytischen Reaktor geleitet wird.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 9, wobei nach dem Leiten des kondensierten Phasenstroms durch den katalytischen Reaktor ferner ein Schritt des Trennens der chlorsilanbasierten Verbindung, die in dem geleiteten kondensierten Phasenstrom enthalten ist, eingeschlossen ist.
Reinigungsvorrichtung für Abgas, die Folgendes umfasst: eine Trennvorrichtung, die das Abgas, das nach Durchführen eines Polysiliciumabscheidungsprozesses durch eine chemische Gasphasenabscheidungs-(CVD)-Reaktion abgeleitet wird, in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Phasenstrom trennt; und einen katalytischen Reaktor, der einen Ionenaustauschharzkatalysator enthält und die Konzentration von Chlorwasserstoff vom kondensierten Phasenstrom senkt.
Reinigungsvorrichtung für Abgas nach Anspruch 15, wobei der Ionenaustauscherharzkatalysator eine zyklische Aminverbindung, ein styrolbasierendes Polymer mit einer Amingruppe, ein Styrol-Divinylbenzol-basiertes Polymer mit einer Amingruppe, ein Acrylpolymer mit einer Amingruppe oder Mischungen davon enthält.
Reinigungsvorrichtung für Abgas nach Anspruch 15, wobei die Trennvorrichtung ein oder mehrere Elemente beinhaltet, die aus der Gruppe bestehend aus einem Abscheider, einer Destillationsvorrichtung, einer Trennmembranvorrichtung, einer Gas-Flüssigkeits-Trennvorrichtung, einer Absorptionskolonne und einer Adsorptionskolonne ausgewählt werden.
Reinigungsvorrichtung für Abgas nach Anspruch 15, ferner umfassend einen ersten Kühler, der am vorderen Ende der Trennvorrichtung angeordnet ist und das Abgas kühlt.
Reinigungsverfahren für Abgas, das die folgenden Schritte umfasst: Trennen des Abgases, das nach Durchführen eines Polysiliciumabscheidungsprozesses durch eine chemische Gasphasenabscheidungs-(CVD)-Reaktion abgeleitet wird, in einen nicht kondensierten Phasenstrom und einen kondensierten Phasenstrom; Leiten des nicht kondensierten Phasenstroms durch einen ersten katalytischen Reaktor zur Senkung der Konzentration von Chlorwasserstoff; und Trennen der chlorsilanbasierten Verbindung des kondensierten Phasenstroms gemäß dem Siedepunkt.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 19, wobei der im ersten katalytischen Reaktor verwendete Katalysator ein oder mehrere Elemente beinhaltet, die aus der Gruppe bestehend aus einem Ionenaustauschharz und einem Übergangsmetall ausgewählt werden.
Reinigungsvorrichtung für Abgas nach Anspruch 20, wobei der Ionenaustauscherharzkatalysator eine zyklische Aminverbindung, ein styrolbasierendes Polymer mit einer Amingruppe, ein Styrol-Divinylbenzol-basiertes Polymer mit einer Amingruppe, ein Acrylpolymer mit einer Amingruppe oder Mischungen davon enthält.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 19, wobei das Abgas Chlorwasserstoff (HCl), Wasserstoff (H₂) und chlorsilanbasierte Verbindungen enthält.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 19, wobei das Abgas zur Trennung in den nicht kondensierten Phasenstrom und den kondensierten Phasenstrom bei mehr als –30°C und weniger als 10°C kondensiert wird.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 19, wobei der Gehalt des Chlorwasserstoffs, der im nicht kondensierten Phasenstrom enthalten ist, der durch den katalytischen Reaktor geleitet wurde, bis etwa 80 Mol-% oder mehr bezüglich des Gehalts vor dem Leiten durch den katalytischen Reaktor verringert ist.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 19, wobei der nicht kondensierte Phasenstrom in Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid umgewandelt wird, indem er durch den katalytischen Reaktor geleitet wird.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 19, ferner umfassend einen Schritt des Trennens des durch den ersten katalytischen Reaktor geleiteten nicht kondensierten Phasenstroms in einen Wasserstoffstrom und einen chlorsilanbasierten Strom.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 26, wobei der getrennte chlorsilanbasierte Strom mit dem kondensierten Phasenstrom vereinigt wird und zu einem Schritt des Trennens der chlorsilanbasierten Verbindung des kondensierten Phasenstroms gemäß dem Siedepunkt übergeleitet wird.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 19, wobei vor dem Durchführen eines Schritts des Trennens der chlorsilanbasierten Verbindung des kondensierten Phasenstroms gemäß dem Siedepunkt ferner ein Schritt des Senkens der im kondensierten Phasenstrom enthaltenen Konzentration von Chlorwasserstoff beinhaltet ist.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Senkens der im kondensierten Phasenstrom enthaltenen Konzentration von Chlorwasserstoff durch Destillieren des kondensierten Phasenstroms oder durch Einfügen durch den zweiten katalytischen Reaktor durchgeführt wird.
Reinigungsverfahren für Abgas nach Anspruch 29, wobei der im ersten katalytischen Reaktor verwendete Katalysator ein oder mehrere Elemente beinhaltet, die aus der Gruppe bestehend aus einem Ionenaustauschharz und einem Übergangsmetall ausgewählt werden.