DE3230590C2 - Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid aus Silicium und Chlorwasserstoff - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid aus Silicium und Chlorwasserstoff

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Abstract

Es wird ein Rührbettverfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid aus metallischem Silicium und metallisches Silicum enthaltenden Feststoffen und Chlorwasserstoff beschrieben. Dieses neue Rührbettverfahren wird in einem Turmreaktor durchgeführt. Die Fehler und Nachteile der herkömmlichen Festbett- und Wirbelschichtverfahren werden durch das neue Verfahren ausgeschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid durch Reaktion von metallischem Silicium oder metallisches Silicium enthaltenden Stoffen mit Chlorwasserstoff bei einer Temperatur nicht unter 260° C.
Es ist bekannt, daß die Reaktion von Silicium und Chlorwasserstoff schnell und unter starker Hitzeentwicklung verläuft Je höher die Reaktionstemperatur ist, desto niedriger ist die Trichlorsilankonzent. ation in der gewonnenen Mischung aus Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid. Die Trichlorsilankonzentration beträgt bei 260°C etwa 95 Gew.-%, bei 4000C etwa 70 Gew.-%, bei 6000C etwa 40 Gew.-% und bei 800°C etwa 20 Gew.-°/o bei Reaktionsgleichgewicht. Sowohl Trichlorsilan als auch Siliciumtetrachiorid, die durch diese Reaktion gewonnen werden, stellen industriell nützliche Materialien dar. Beispielsweise ist Trichlorsilan ein nützlicher Ausgangsstoff für die Siliciumherstellung der Halbleiterklasse, und Siliciumtetrachlorid ist besonders wichtig als Ausgangsstoff im Dampfphasenverfahren für die Herstellung von Siliciumoxid.
Üblicherweise wird dar Wirbelschichtverfahren, bei dem die Wärmeübertragung sehr leicht ist, angewendet, wenn Trichlorsilan das Hauptpro jkt der Reaktion sein soll, während das Festbettreaktorverfahren, bei dem die Wärmeübertragung sehr gering und die Produktionskosten niedrig sind, angewendet wird, wenn das Hauptprodukt Siliciumtetrachlorid sein soil. Diese Verfahren sind allgemein bekannt
Das Wirbelschichtverfahren weist jedoch einige nachfolgend erläuterte Nachteile auf:
1. Das Verfahren besitzt eine untere Grenze in der Zufuhrgeschwindigkeit von Chlorwasserstoff.
Wird lediglich Chlorwasserstoff als Wirbelgas verwendet, entspricht die Untergrenze tier Zuiurirgeschwindigkeit von Chlorwasserstoff dem Minimum der Wirbelgeschwindigkeit. Bei einer darunterliegenden Geschwindigkeit tritt kein Wirbeleffekt auf und die Temperatur steigt lokal an, was ein Zusammenbacken der Teilchen zur Folge haben kann. Wird die Zufuhrgeschwindigkeit «ies Chlorwasserstoffs erhöht, um die genannten Schwierigkeiten zu umgehen, wird Chlorwasserstoff im Überschuß zugeführt. Um das zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, Siliciumtetrachloriddampf und/oder Trichlorsilandampf in Verbindung mit Chlorwasserstoff zu verwenden (DE-AS 26 30 542/JA-AS 6297/78) oder den Chlorwasserstoff mit einem inerten Gas zu verdünnen. Es ist jedoch offensichtlich, daß bei diesem bekannten Verfahren zusätzliche Energie erforderlich ist, um die flüssigen Stoffe zu verdampfen und Siliciumtetrachlorid und/oder Trichlorsilan aus dem wasserstoffhaltigen Reaktionsprodukt herauszukondensieren. Das letztere erfordert zusätzliche Energie, um Trichloroilan und Siliciumtetrachlorid aus dem wasserstoffhaltigen Gemisch des Reaktionsprodukts und des inerten Gases herauszukondensieren, so daß beide Verfahren offensichtlich einen erhöhten Energieverbrauch aufweisen. Wenn das Wirbelschichtverfahren unter einer bestimmten Bedingung im Durchschnitt auf eine vorgegebene Zeitdauer kontinuierlich durchgeführt wird, ist das Verfahren nicht durchführbar, wenn die Zufuhrgeschwindigkeit von Chlorwasserstoff unter der der minimalen Wirbelgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit liegt. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wird eine periodische Durchführung des Verfahrens erwogen, doch ist eine solche periodische Durchführung offensichtlich wirtschaftlich unvorteilhaft.
2. Der anwendbare Teilchengrößenbereich der Feststoffe ist begrenzt.
Es ist bekannt, daß metallisches Silicium oder metallisches Silicium enthaltende Feststoffe normalerweise in Klumpenform erhältlich sind. Um sie im Wirbelschichtverfahren zu verwenden, müssen sie pulverisiert und die Teilchen der Größe von etwa 20 bis 500 μπι herausgesondert werden. Es ist offensichtlich, daß das feine Pulverisieren und das Sortieren der klumpenförmigen Stoffe eine hohe Energie erfordert und deshalb wirtschaftlich unvorteilhaft ist. Im übrigen verläuft die Reaktion des metallischen Siliciums oder der metallisches Silicium enthaltenden Feststoffe mit dem Chlorwasserstoff sehr rasch, weshalb es nicht nötig ist, die Feststoffe zu pulverisieren, um die Kontaktfiäche zwischen den gasförmigen und den festen Teilen zu erhöhen und so die Reaktion zu beschleunigen. Ein Pulverisieren der Feststoffe ist lediglich dann zum Wirbein der Stoffe erforderlieh, wenn ein Wirbelschichtverfahren angewendet wird, bei dem die Wärmeübertragung leicht verläuft.
3. Die Wärmehaltung in der Wirbelschicht ist begrenzt.
Die Temperatur, bei der die fragliche Reaktion verläuft, liegt nicht unter 2600C. In der Wirbelschicht ist die Menge pro Volumeneinheit der darin gehaltenen Feststoffe gering und dementsprechend gering ist auch die
£ Wärmehaltung. Deshalb verursachen Schwankungen in der Chlorwasserstoffzufuhr beträchtliche Temperatur-
ψ. Schwankungen der Wirbelschicht Insbesondere bei einer Verringerung der Chlorwasserstoffzufuhr oder bei
ff einem zeitweisen Unterbrechen fällt die Temperatur so stark ab, daß die Reaktion nicht weitergeführt werden
\i kann. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, ist beim Wirbelschichtverfahren eine kostspielige Vorrichtung zur ;:' Temperaturregelung erforderlich. Im Gegensatz dazu weist das Festbettverfahren folgende Nachteile auf:
' t. Die Temperatur im Festbett kann unverhältnismäßig ansteigen.
■; Die Wärmeübertr agung im Festbett Ist schwierig, und es ist auch schwierig. Chlorwasserstoff gleichmäßig im
;. Festbett zu verteilen. Deshalb steigt die Temperatur im Bett lokal an und verursacht ein Zusammenbacken der
festen Stoffe. Diese Erscheinung ist bei größeren Reaktoren ganz bemerkenswert. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wurde vorgeschlagen. Chlorwasserstoff in Verbindung mit Siliciumtetrachlorid- und/oder Trichlorsij landampf (DE-OS 21 61 641 = JA-PS 38 518/77) oder mit einem inerten Gas zuzuführen. Beide Verfahren sind
L - jedocb unvorteilhaft, da sie einen höheren Energieverbrauch verursachen.
: -. Z Feste Oberflächen verlieren mit fortschreitender Reaktion ihre Reaktionsfähigkeit.
'v; Mit fortschreitender Reaktion werden die Oberflächen der Feststoffe durch Chloride von Verunreinigungen
y wie Eisen, wie sie in metallischem Silicium oder in metallisches Silicium enthaltenden Stoffen vorkommen,
t- verschmutzt und verlieren Hire Reaktionsfähigkeit Dies verursacht eine Verminderung der Reaktionsgeschwindigkeit des Chlorwasserstoffs. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, muß ein tieferes Bett verwendet werden, [■■·": um die Reduzierung der Reaktionsgeschwindigkeit des Chlorwasserstoffs auszugleichen.
!-; Bis heute wurde das Festbettverfahren zur Herstellung von Trichlorsilan als ungeeignet angesehen, während
[;.■ das Wirbelschichtverfahren ausschließlich davon abhängig ist und seine Verbesserung versucht wird. In der ; US-PS 24 49 821 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Wirbelschichtbetrieb beschirt-ben. Gemäß
V dieser Patentschrift ist bei dem Wirbelschichtverfahren, bei dem Alkylhalogenide und Siliciumpulver verwendet
^; werden, ein Rührwerk mit einem um eine senkrechte Welle in einem Abstand davon angebrachten Wendelband
in einem zylindrischen Reaktionsturm vorgesehen, das mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 600 U/min gedreht ';■■■ wird, um die Wirbelschicht zu stabilisieren.
;·; Im »Bulletin of the Research Institute of Mineral Dressing and Nietallurgy, Tohoku University«, 23 I 45—54
(1967) wird ein Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid beschrieben, bei dem diese in der genannten US-PS beschriebene Vorrichtung und Siliciumpulver mit einem Teilchendurchmesser von weniger als 2 mm verwendet werden, wobei der Wendelbandrührer mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 300 U/min rotiert
Auch in »Chemical Engineering«, Dezember 1957. Seite 228, wird ein Verfahren zur Herstellung von Siüciumorganohalogenid-Verbindungen beschrieben, bei dem fein zerteiltes metallisches Siliciumpulver mit Kupferoder Kupferoxidpuiver vermischt wird und durch ein Rührwerk in einen vertikalen Reaktor mit Beschickungssystem eingebracht und Methylchlorid von unten in den Reaktor zugeführt wird.
Aufgabe der Erfindung war es, die Nachteile der oben beschriebenen Wirbelschicht- und Festbettverfahren auszuschalten und zu versuchen, ein verbessertes Verfahren zur Trichlorsilan- und Siliciumtetrachloridherstellung aus Silicium und Chlorwasserstoff zu entwickeln, d. h. die Technologie in Richtung einer besseren industriellen Verwertbarkeit des Verfahrens zu steuern. Diese Aufgabe wurde, wie aus den vorstehenden Ansprüchen ersichtlich, gelöst.
Es wurde gefunden, daß ein langsames Rühren bzw. Bewegen sowohl technisch als auch wirtschaftlich am vorteilhaftesten ist. Es war denkbar, daß ein Rührbettverfahren für eine exotherme Reaktion zwischen der gasförmigen und der festen Phase angewendet werden kann, doch war die Tatsache, daß dieses Verfahren in einem Turmreaktor durchgeführt wird, nicht bekannt.
Es gibt auch kein Beispiel dafür, daß ein Rührbettverfahren bei der industriellen Herstellung von Trichtorsilan und Siliciumtetrachlorid durch Reaktion von metallischem Silicium oder metallisches Silicium enthaltenden Stoffen, z. 8. Siliciumeisen, in Klunyenform mit Chlorwasserstoff erfolgreich angewendet worden wäre. Als Gründe hierfür kann angenommen werden, daß (1) der Rührer und die Reaktorwand stark abgenutzt werden, da metallisches Silicium oder metallisches Silicium enthaltende Stoffe sehr hart sind und (2) nicht bekannt war, welche Form des Reaktors und welche Ausführung des Rührers am geeignetsten sind, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über das gesamte Bett zu erreichen und das Problem der raschen und äußerst exothermen Reaktion zu lösen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren bedeutet der Ausdruck »metallisches Silicium enthaltende Stoffe« verunreinigte siliciumhaltige Stoffe, z. B. Siliciumeisen, die vorzugsweise mindestens 50% Silicium enthalten.
Der Ausdruck »Klumpenform« bedeutet nicht, daß Pulver !.usgesehlossen ist. Er schließt das bei klumpenförmigen Stoffen unvermeidlich anfallende Pulver ein. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann klumpenförmiges Material mit einem Durchmesser von bis zu etwa 100 mm verwendet werden, sofern ein Reaktor der entsprechenden Abmessungen verwendet wird. Wie erwähnt, kann auch Pulver verwendet werden, doch kann der Vorteil vorliegender Erfindung nicht durch Verwendung von Pulver dargestellt werden. Deshalb ist es erwünscht, daß Stoffe mit größten Teilchen mit einem Durchmesser von 10 mm und mehr verwendet werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Tatsache, daß der Grad des Kontaktes der «> gasförmigen und der festen Phase frei angepaßt werden kann, indem die Rotation der Förderschnecke gesteuert wird. Bei einer niedrigen Zuflußgeschwindigkeit des Chlorwasserstoffs wird die Umdrehungsgeschwindigkeit so weit vermindert, daß nur noch eine horizontale Verschiebung des Materials erfolgt. Auf diese Weise wird der Wärmeübergang im Reaktor vermindert und eine Verminderung der Reaktortemperatur wird verhindert. Wird die Zufuhrgeschwindigkeit des Chlorwasserstoffs erhöht, erhöht sich auch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rührers und damit die Vertikalbewegung des Materials, so daß die gewünschte Temperatur im Bett erhalten werden kann.
Der Rührer rotiert mit niedriger Geschwindigkeit, vorzugsweise nicht mehr als 30 U/min, obwohl sich diese
Geschwindigkeit entsprechend dem Gewindeabstand der Schnecke verändert. Eine Erhöhung der Rotationsgeschvvindigkeit über 30 U/min steigert die Wirkung nicht, lediglich die Abnützung der Schnecke wird beschleunigt. Wird die Rotationsgeschwindigkeit in diesem Bereich und die Reaktionstemperatur im Bereich zwischen 260 und 5000C gehalten, kann die Schnecke aus Schmiedeeisen sein. Bei einer Reaktionstemperatur zwischen SOO und 8000C muß ein Material verwendet werden, das einmal hitzebeständig und zum anderen beständig gegenüber Chlorwasserstoff ist. Vorzugsweise können die Außenkanten der Schnecke, falls erforderlich, durch eine Schweißnaht aus einer Hartlegierung wie Wolframcarbid verstärkt werden. Mit einer solchen Verstärkung ist ein langer Dauerbetrieb der Schnecke möglich.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Material im Reaktor während einer Art Kreisbewegung bewegt ίο bzw. gerührt. Deshalb muß der Durchmesser der Förderschnecke mindestens etwa um die Hälfte (1/2) des Innendurchmessers des zylindrischen Reaktors betragen. Ist die Förderschnecke kleiner, reicht die Rührwirkung nicht aus und die Förderschnecke muß bei einer außergewöhnlich hohen Geschwindigkeit rotieren.
Der Grund für die Festsetzung des Abstandes zwischen dem Rand der Förderschnecke und der Innenwand des Reaktors auf einen Abstand, der drei- bis sechsmal so groß ist, wie Durchmesser der größfn Klumpen, ist folgender: Ist der Abstand weniger als dreimal so groß wie der Durchmesser der größten Klumpen, ist die Abnützung der Reaktorwand hoch, die Lebensdauer der Vorrichtung wird verkürzt und die maximale Zufuhrgeschwindigkeit von Chlorwasserstoff muß niedrig gehalten werden. Ist der Abstand mehr als sechsmal so hoch u/jp Ηργ Durchmesser der größten Klumpen, ist der Grad des Wärmeübergangs niedrig, was einen lokalen Anstieg der Temperatur verursacht und eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Reaktor erschwert. Innerhalb dieses Bereichs hält ein Reaktor aus Schmiedeeisen einen langen Dauerbetrieb aus.
Chlorwasserstoff wird vorzugsweise vom Reaktorboden nahe der Reaktorwand aus zugeführt. Der Grund dafür ist folgender: Wenn Chlorwasserstoff nahe der Reaktorwand zugeführt wird, tritt er nahe der Reaktorwand in die Reaktionszone ein, was eine Kühlungsoberfläche bildet, und durchdringt das Innere des Bettes, in dem es im Reaktor aufsteigt. Deshalb findet die Reaktion hauptsächlich nahe der Reaktorwand statt (Kühlzone). so daß die Wärme rasch übertragen wird und die Temperatur des Bettes leicht gesteuert werden kann. Die Chlorwasserstoffzufuhr kann jedoch auch von der Mitte des, Bodens oder von der Spitze des Bettes vorgesehen werden, d. h. die Zufuhrstelle ist bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Verfahrens nicht begrenzt. Die Chlorwasserstoffzufuhr kann einen üblichen Aufbau haben und muß keine besondere Art aufweisen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann die Größe der Klumpen des metallischen Siliciums oder der metallisches Silicium enthaltenden Feststoffe im obengenannten Bereich zwischen etwa 10 mm und etwa 100 mm frei gewählt werden. Entsprechend der gewählten Materialgröße kann auch eine passende Reaktionsvorrichtung entworfen werden, die dem oben beschriebenen Verhältnis der Abmessungen entspricht. Es muß dabei nicht erwähnt werden, daß der Gewindeabstand der Schnecke größer sein sollte als der Durchmesser der größten Klumpen. Die Mindestgröße der Klumpen oder ihre Größenklassifikation muß nicht besonders dargestellt werden. Es ist ausreichend, wenn große Klumpen des im Handel erhältlichen metallischen Siliciums oder der metallisches Silicium enthaltenden Stoffe mit einem gewöhnlichen Brecher, z. B. einem Backenbrecher, zerkleinert werden, wobei die Backenfronten des Brechers in passender Weise unter Berücksichtigung der Größe der größten zu erhaltenden Klumpen eingestellt werden. Das erhaltene gebrochene Material hängt von den Brecheigenschaften des verwendeten Brechers ab. Ungleichmäßige Klumpengrößen des gebrochenen Materials bedeutet keine Erschwerung des erfindungsgemäßen Rührbettbetriebes.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann die Kühlung des Rührbettes in zufriedenstellender Weise nur durch die Reaktorwand erfolgen. Es ist keine besondere Wärmeaustauschvorrichtung erforderlich wie für das Innere einer Wirbelschicht, wie sie in der DE-AS 27 04 975.8 (JA-AS 127 396/78) beschrieben ist. Erfindungsgemäß wird ein sehr einfaches Kühlverfahren angewendet, z. B. Luftkühlung oder die Bildung eines Wasservorhangs an der Außenseite der Reaktorwand. Das Kühlverfahren richtet sich nach der Zufuhrgeschwindigkeit von Chlorwasserstoff und der gewünschten Reaktionstemperatur. Die Bildung eines Wasservorhangs ist besonders vorteilhaft, da sie jede beliebige Reaktionstemperatur des Bettes in einem Bereich von 260 bis 8000C zuläßt Die Reaktionstemperatur kann durch eine Verschiebung des oberen Randes des Wasservorhangs leicht gewählt werden. Dies ermöglicht auch eine Änderung des Gewichtsverhältnisses zwischen dem gebildeten Trichlorsilan so und dem gebüßten Siliciumtetrachlorid (SiCU/SiHCb) innerhalb eines Bereichs von 80/20 bis 4/96 Gewichtsprozent Diese Eigenschaft der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Vorrichtung ist sehr vorteilhaft, da das Verhältnis und die Menge des hergestellten Trichlorsilans und Siliciumtetrachlorids frei variiert werden kann. Das erfindungsgemäß eingesetzte Rührbett weist eine hohe Temperaturkonstanz im Vergleich zur üblichen Wirbelschicht auf. Aus diesem Grunde gibt es im Inneren des Bettes keinen übermäßigen Temperaturwechsel. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß für den Reaktor keine kostspielige, schnell reagierende Temperaturkontrollvorrichtung zur Temperaturkontrolle im Inneren des Bettes erforderlich ist, wie es beim Wirbelschichtverfahren der Fall ist Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
1. Die Reaktionsgeschwindigkeit mit Chlorwasserstoff nimmt nicht ab, da durch den durch das Rühren verursachten Abrieb stets frische Oberflächen des metallischen Siliciums oder der metallisches Silicium enthaltenden Stoffe gebildet werden.
2. Es wurde herausgefunden, daß feine Teilchen von Reaktionsrückständen (z. B. Eisen) durch die langsame Drehung der Förderschnecke sich bei der Reaktion von Stoffen, die metallisches Silicium enthalten (z. B. Siliciumeisen) am Boden des Reaktors absetzen. Reaktionsrückstände und unreagiertes Material können leicht abgetrennt werden. Die feinen Teilchen von Reaktionsrückständen können mittels einer gewöhnlichen Siebplatte leicht aus dem Reaktor entfernt werden, was eine Anhäufung im Reaktor verhindert
Wie vorstehend beschrieben, können fast alle Nachteile eines herkömmlichen Wirbelschichtverfahrens und eines herkömmlichen Festbettverfahrens zur Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid durch das
erfindungsgemäßc Verfahren ausgeschaltet werden und es ist deshalb offensichtlich, daß das erfindiingsgemäße Rührbettverfahren unter Rühren bei niedriger Geschwindigkeit von Vorteil ist.
Höhe und Durchmesser des Reaktionsbettes des erfindungsgemäßen Rührbettverfahrens unter Rühren bei niedriger Geschwindigkeit werden durch die maximale Zufuhrgeschwindigkeit des Chlorwasserstoffes bestimmt Es ist jedoch wirtschaftlich, die maximale Höhe des Bettes auf 3 m pro Reaktor und den maximalen Durchmesser auf 1 m zu beschränken.
Der Zusatz von Raschigringen oder Stäben aus einem inerten Metall im Reaktionsbett bewirkt eine gleichmäßige i'cmperaturverteilung im Reaktionsbett.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung stellt einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührbettes unter Rühren bei niedriger Geschwindigkeit dar.
Der Reaktor (100) in der Zeichnung stellt ein geschlossenes Gefäß aus Schmiedeeisen mit einem Durchmesser von 400 mm und einer Höhe von 1600 mm dar. Eine Eisenschnecke (2) mit einem Durchmesser von 220 mm und einem Gewindeabstand von 200 mm ist in der Mitte des Reaktors vorgesehen. Die Länge der Schnecke beträgt 1000 mm. Die Schnecke ist durch eine Welle (3). Riemenscheiben (4) und (4') und einen Riemen (15) mit der Rotationsdrossel eines Motors (5) verbunden. Die Rotation ist im Bereich zwischen 0 und 60 U/min einstellbar. Innerhalb der Reaktorwand (I) wird von der Siebplatte (6) aus bis in eine Höhe von 1000 mm ein Bett (7) aus Siliciumeisenklumpen und -teilchen mit einer Größe von 1 bis 30 mm und einem Siliciumgehali von 90% gebildet. Am oberen Ende des Reaktors ist ein Abzug (8) für die hergestellten Gase, eine Zuiüii-Leiiung (9) Für Siliciumeisen und eine luftdichte Versiegelung (10) für die Welle angebracht. Im unteren konischen Teil (11) ist eine Zufuhrleitung (12) für Chlorwasserstoff und ein Behälter (13) für die Reaktionsrückstände vorgesehen. Zwischen dem Reaktor und diesem Behälter ist ein Ventil angebracht, so daß der Behälter leicht entfernt werden kann. In der Hohlwelle der Förderschnecke sind im Abstand von 300 mm vier Thermoelemente zur Messung der Temperatur im Inneren des Bettes eingebaut, wovon sich das unterste 300 mm über der Siebplatte befindet. Zur Kühlung des Bettes sind im Abstand von 300 mm drei ringförmige Wassersprührohre (14) um den Reaktor angebracht, wovon sich das niedrigste 300 mm über der Siebplatte befindet.
Chlorwasserstoff wurde bei einer Zufuhrgeschwindigkeit des Chlorwasserstoffes von 120 NmVh und einer maximalen Temperatur im Kern des Reaktors, die auf 300°C eingestellt war, eingeleitet, wobei die Umsetzung des Chlorwasserstoffs 95% und mehr betrug. Der Gehalt an Trichlorsilan in der erhaltenen Trichlorsilan-Siliciumietrachlorid-Mischung betrug zu diesem Zeitpunkt 95 Gew.-%. Bei einer Zuführgeschwindigkeit von 140 NmVh und einer auf 500" C festgesetzten Temperatur im Reaktorkern wurde etwa ebensoviel Chlorwasserstoff wie oben angegeben umgesetzt, der Gehalt an Trichlorsilan in der erhaltenen Mischung betrug jedoch 50 Gew.-%. Die maximale Temperatur im Reaktorkern konnte durch wahlweise Anwendung von Luft- und Wasserkühlung je nach Wunsch zwischen 260 und 500° C eingestellt werden. Die Rotationsgeschwindigkeit der Förderschnecke betrug für die oben angegebene maximale Zufuhr von Chlorwasserstoff 20 U/min.
Dieser Reaktor wurde 10 Tage lang ununterbrochen betrieben. Die feinen, festen Rückstände fielen durch die Siebplatte (6) und -wurden in dem Schalter (J3) aufgefangen. Eine Abnahme in der Chlorwasserstoffumsetzung aufgrund der Anhäufung von feinen, festen Rückständen im Bett wurde nicht einmal festgestellt, nachdem die Verteilung der Teilchengrößen im Bett das Gleichgewicht erreichten.
Die Ergebnisse von Verfahrensgängen unter Verwendung dergleichen Vorrichtung und des gleichen Siliciummaterials unter geänderten Bedingungen der Chlorwasserstoffzufuhr, mit einer geänderten Rotationsgeschwindigkeit der Förderschnecke und einer geänderten Kühlung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Tabelle
Zufuhr Rotations Maximale Kühlungsarl Umsetzung von Anteil an
geschwindigkeit geschwindigkeit Temperatur im Chlorwasserstoff Trichlorsilan
von der Förder Reaktor im Produkt
Chlorwasserstoff schnecke
(NmVh) (U/min) CQ (%) (Gew.-%)
10 10 300 Luft 100 95
10 5 340 Luft 100 90
50 20 340 Luft+ Wasser') 100 90
50 20 300 Wasser 100 95
120 20 300 Wasser 95 95
140 20 500 Luft+ Wasser") 95 50
·) Der Ausdruck »Luft+Wasser« bedeutet Luftkühlung in der oberen Hälfte und Wasserkühlung in der unteren Hälfte.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid durch Reaktion von metallischem Silicium oder metallisches Silicium enthaltenden Stoffen mit Chlorwasserstoff bei einer Temperatur nicht unter 260°C, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsstoffe metallisches Silicium oder metallisches Silicium enthaltende Stoffe in Klumpenform einschließlich Pulverform verwendet und daß man die Reaktion in einem senkrecht stehenden, mit einer Förderschnecke versehenen Reaktor durchführt, die so rotiert, daß die Klumpen und das Pulver aufwärts befördert werden, deren Rotationsgeschwindigkei» entsprechend der Wärmeentwicklung im Reaktionssystem gesteuert wird und deren Durchmesser mindestens
ίο die Hälfte des Innendurchmessers des Reaktors beträgt, wobei der Abstand zwischen dem Rand der Förderschnecke und der Innenseite des Reaktors drei- bis sechsmal größer ist als der Durchmesser der größten Klumpen des verwendeten metallischen Siliciums oder der metallisches Silicium enthaltenden Stoffe.
2. Venahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren in einem Reaktor durchführt, wobei der Durchmesser der Förderschnecke 3/5 bis 3/4 des Innendurchmessers des Reaktors beträgt
is und der Abstand zwischen dem Rand und der Förderschnecke und der Innenseite des Reaktors drei- bis viermal größer ist als der Durchmesser der größten Klumpen des verwendeten metallischen Siliciums oder der verwendeten, metallisches Silicium enthaltenden Stoffe.
DE3230590A 1981-08-17 1982-08-17 Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid aus Silicium und Chlorwasserstoff Expired DE3230590C2 (de)

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