EP2461882A1 - Anlage und verfahren zur herstellung von monosilan - Google Patents

Anlage und verfahren zur herstellung von monosilan

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EP2461882A1
EP2461882A1 EP10737918A EP10737918A EP2461882A1 EP 2461882 A1 EP2461882 A1 EP 2461882A1 EP 10737918 A EP10737918 A EP 10737918A EP 10737918 A EP10737918 A EP 10737918A EP 2461882 A1 EP2461882 A1 EP 2461882A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reaction
column
rectification column
monosilane
plant according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10737918A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Adolf Petrik
Jochem Hahn
Christian Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schmid Silicon Technology GmbH
Original Assignee
Schmid Silicon Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schmid Silicon Technology GmbH filed Critical Schmid Silicon Technology GmbH
Publication of EP2461882A1 publication Critical patent/EP2461882A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/009—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping in combination with chemical reactions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/04—Hydrides of silicon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/04—Hydrides of silicon
    • C01B33/043—Monosilane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a plant for the preparation of monosilane (SiH 4 ) by catalytic disproportionation of trichlorosilane (SiHCb) and a corresponding method which can be carried out in such a plant.
  • High purity silicon is typically produced in a multi-stage process starting from metallurgical silicon, which may have a relatively high level of impurities.
  • this can be converted, for example, into a trihalosilane, such as trichlorosilane (SiHCb), which is subsequently decomposed thermally to give highly pure silicon.
  • a trihalosilane such as trichlorosilane (SiHCb)
  • SiHCb trichlorosilane
  • Such a procedure is known for example from DE 2 919 086.
  • Monosilane can be obtained in particular by disproportionation of trichlorosilane.
  • the latter can in turn be produced, for example, by reacting metallurgical silicon with silicon tetrachloride and hydrogen.
  • a plant according to the invention for the preparation of monosilane has, analogously to the plants described in EP 1 268 343 and in EP 1 144 307, a reaction column with a reactive / distillative reaction range in which trichlorosilane can be disproportionated on a catalyst.
  • the reaction column comprises a derivative for monosilane-containing reaction product formed in the disproportionation. This is then purified in a rectification column, which is also part of the plant according to the invention.
  • the system according to the invention comprises one or more capacitors in which or in which nosilane-containing reaction product is partially condensed before the subsequent purification in the rectification column.
  • a system according to the invention is characterized in that it is in any of the arranged between the reactive / distillative reaction region of the reaction column and the rectification column capacitors to a capacitor having an operating temperature below minus 40 0 C.
  • the operating temperature of the capacitors or the capacitor between the reactive / distillative reaction zone and the rectification column is preferably between minus 20 and minus 40 C 0 0 C. Within this range, values of between minus 20 and minus 30 C 0 0 C are more preferred. Most preferably, the operating temperature is about minus 25 0 C.
  • the one or more condensers between the reaction column and the rectification column are thus preferably with a coolant having a temperature above minus 40 0 C, preferably between minus 20 0 C and minus 40 0 C, in particular between minus 20 0 C and minus 30 0 C, particularly preferably from about minus 25 0 C, filled.
  • a coolant having a temperature above minus 40 0 C, preferably between minus 20 0 C and minus 40 0 C, in particular between minus 20 0 C and minus 30 0 C, particularly preferably from about minus 25 0 C, filled.
  • Suitable coolants for these temperature ranges are known to the person skilled in the art.
  • the one or more capacitors may be integrated, for example, in the top of the reaction column. But it is also possible to switch one or more separate capacitors between the reaction column and the rectification column.
  • the system according to the invention can have more than one reaction column and / or more than one rectification column.
  • the capacitors arranged between the rectification columns and the reaction columns Due to the relatively low temperatures at which the one or more capacitors arranged between the rectification column and the reaction column are operated, these can also be passed by chlorosilanes, in particular monochlorosilane.
  • monosilane-containing product mixture entering the rectification column generally has a significant proportion of chlorosilanes, in particular of monochlorosilane.
  • the rectification column preferably has a heating region in which incoming monosilane-containing or monochlorosilane-containing reaction product from the reaction column can be completely evaporated.
  • This heating range is set in preferred embodiments to a temperature between 0 0 C and 20 0 C. At these temperatures, only silicon tetrachloride or trichlorosilane would not be evaporated. However, these two components usually do not pass through the upstream capacitors or only in very small quantities.
  • the rectification column preferably comprises a cooling region, which connects directly to the heating region of the rectification column. Within this cooling range, the temperature drops gradually, starting from the heating region of the rectification column. It is preferred that the temperature drops to values between -80 0 C and -100 0 C, preferably to about -90 0 C, drops.
  • the pressure in the cooled region of the rectification column is preferably between 1 bar and 5 bar, in particular between 2 and 3 bar. As a rule, all chlorosilanes can be completely separated off at such temperatures, so that essentially pure monosilane emerges from the rectification column. This can then be completely reconciled for further storage. be densified, but optionally also immediately further processed or fed to a further purification.
  • the system can be kept relatively simple in terms of apparatus. It is much less expensive to design a capacitor for operation at minus 25 ° C. than for operation below minus 60 ° C., as known from the prior art. Other, cheaper refrigerants can be used, cryogenic refrigerators are not required and the isolation effort is lower.
  • significant energy advantages especially compared to those systems in which a total condensation of the arriving at the top of the reaction column monosilane-containing product mixture is provided. Since downstream purification in a rectification column can not be avoided even in such cases and the condensed monosilane-containing product had to be evaporated again anyway, it is doubtless more expedient to dispense with a total condensation.
  • the rectification column is connected via a recycle line to the reaction column, so that in the rectification column condensed and separated chlorosilanes can be returned to the reaction column.
  • the reactive / distillative reaction region of a reaction column in a system according to the invention can in preferred embodiments be formed from two or more separate reactive / distillative individual regions. These can be arranged in series and / or parallel to each other. Particularly preferably, two or more reactive / distillative individual regions are arranged one above the other in a reaction column, wherein higher reaction regions are preferably operated at lower temperatures than lower ones.
  • a system according to the invention comprises at least one intermediate capacitor, which is arranged between two such individual regions.
  • Such an intermediate capacitor for example, at temperatures between -20 0 C and + 30 0 C, preferably between 0 0 C and 25 0 C, operated. For example, an operation with cooling water at room temperature is possible.
  • the temperature in the reactive / distillative reaction zone is as a rule to values of between 10 0 C and 200 0 C, in particular between 10 0 C and 150 0 C.
  • the pressure in the reaction column is preferably between 1 bar and 5 bar, in particular between 2 bar and 3 bar.
  • the temperature set in individual reaction areas can quite clearly differ.
  • a process for the preparation of monosilane is also the subject of the present application.
  • the method according to the invention can also be carried out well in a system according to the invention.
  • trichlorosilane is reacted in a reaction column having a reactive / distillative reaction range to form a monosilane-containing reaction product.
  • This is then purified in a rectification column, wherein the monosilane-containing reaction product is partially condensed before transfer into the rectification column in at least one condenser, but this does not happen a capacitor which is operated at a temperature below minus 40 0 C.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a device according to the invention
  • reaction column 100 Plant with a reaction column, a rectification column and a rectification column upstream condenser. Shown is the reaction column 100, in which trichlorosilane can be reacted under disproportionating conditions.
  • the feeding of trichlorosilane can take place via the feed line 101.
  • the reaction column has a heating region 106 in which for evaporation the trichlorosilane required energy is provided.
  • the actual reaction takes place in the reactive / distillative individual regions 104 and 105, which together form the reactive / distillative reaction region of the reaction column 100. Both individual areas contain catalytic solids.
  • trichlorosilane introduced into the column via the feed line 101 is reacted in the individual region 104, forming a monosilane-containing product mixture which can escape into the individual region 105.
  • disproportionation products of higher density and higher boiling point such as tetrachlorosilane, sink to the bottom.
  • the monosilane-containing reaction mixture can be transferred via the discharge line 102 into the rectification column 109, in which a further separation of the reaction mixture can take place.
  • the condenser 103 is arranged, which is integrated in the top of the reaction column 100 and is operated at a temperature of minus 25 0 C. Furthermore, the reaction column to the intermediate capacitor 108, which is arranged between the individual regions 104 and 105 and which is operated at a temperature of about 20 0 C.

Abstract

Beschrieben werden eine Anlage und ein Verfahren zur Herstellung von Monosilan (SiH4) durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan (SiHCI3). Das Trichlorsilan wird in einer Reaktionskolonne (100) an einem Katalysator umgesetzt und anschließend in einer Rektifikationskolonne (109) aufgereinigt. Zwischen einem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich (104; 105) in der Reaktionskolonne (100) und der Rektifikationskolonne (109) sind ein oder mehrere Kondensatoren (103) angeordnet, in denen monosilanhaltiges Reaktionsprodukt aus der Reaktionskolonne (100) teilkondensiert wird. Dabei handelt es sich jedoch ausschließlich um Kondensatoren, die bei einer Temperatur oberhalb von - 40 °C betrieben werden.

Description

Beschreibung Anlage und Verfahren zur Herstellung von Monosilan
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Monosilan (SiH4) durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan (SiHCb) sowie ein entsprechendes Verfahren, das in einer solchen Anlage durchgeführt werden kann.
Hochreines Silizium wird in der Regel in einem mehrstufigen Prozess ausgehend von metallurgischem Silizium, das einen relativ hohen Anteil an Verunreinigungen aufweisen kann, hergestellt. Zur Aufreinigung des metallurgischen Siliziums kann dieses beispielsweise in ein Trihalogen- silan wie Trichlorsilan (SiHCb) überführt werden, das anschließend thermisch zu hochreinem Silizium zersetzt wird. Eine derartige Vorgehensweise ist beispielsweise aus der DE 2 919 086 bekannt. Alternativ dazu kann man hochreines Silizium auch durch thermische Zersetzung von Monosilan gewinnen, wie es z. B. in der DE 33 11 650 beschrieben ist.
Monosilan lässt sich insbesondere durch Disproportionierung von Trichlorsilan erhalten. Letzteres ist wiederum beispielsweise durch Umsetzung von metallurgischem Silizium mit Siliziumtetrachlorid und Wasserstoff herstellbar.
Unter anderem aus der DE 198 60 146 ist es bekannt, die Disproportionierung von Trichlorsilan nach dem Prinzip der Reaktivdestillation ablaufen zu lassen. Die Reaktivdestillation ist durch eine Kombination von Reaktion und destillativer Trennung in einem Apparat, insbesondere in ei- ner Kolonne, gekennzeichnet. In diesem Apparat wird die jeweils leich- test siedende Komponente fortlaufend destillativ entfernt, wobei man versucht, in jedem Raumelement des Apparates stets ein optimales Gefälle zwischen Gleichgewichtszustand und tatsächlichem Gehalt an leichter siedenden Komponenten bzw. leichtest siedender Komponente aufrechtzuerhalten. Besonders bevorzugt führt man die Disproportionie- rung von Trichlorsilan zu Siliziumtetrachlorid und Monosilan in einer Kolonne aus, die reaktiv/destillative Reaktionsbereiche aufweist, die zu- mindest teilweise mit katalytisch wirkenden Feststoffen befüllt sind. Geeignete Feststoffe sind beispielsweise in der DE 33 1 1 650 beschrieben.
Aus der EP 1 268 343 ist es bekannt, die Disproportionierung von Trichlorsilan in mindestens zwei, katalytisch wirkenden Feststoff enthalten- den reaktiv/destillativen Reaktionsbereichen durchzuführen. Dabei wird das in einem ersten reaktiv/destillativen Reaktionsbereich erzeugte mo- nosilanhaltige Produktgemisch in einem Zwischenkondensator bei einer Temperatur zwischen minus 40 0C und 50 0C zwischenkondensiert. Das dabei nicht kondensierte Produktgemisch wird in mindestens einen wei- teren reaktiv/destillativen Reaktionsbereich überführt. Diesem ist dann wiederum ein Kopfkondensator nachgeschaltet, dem wiederum eine Trennkolonne folgen kann. Der Kopfkondensator wird dabei bei Temperaturen unterhalb minus 40 0C, meist sogar unterhalb minus 60 0C, betrieben.
Eine analoge Vorgehensweise ist auch aus der EP 1 144 307 bekannt. Hier ist beschrieben, dass bei der Disproportionierung von Trichlorsilan anfallendes monosilanhaltiges Produktgemisch bei einer Temperatur zwischen minus 25 0C und 50 0C zwischenkondensiert und das dabei nicht kondensierte Produktgemisch anschließend im Kopfkondensator einer Reaktionskolonne vollständig kondensiert wird. Auch in diesem Fall kann dem Kopfkondensator eine weitere separate Trennkolonne nachgeschaltet sein. Bei einer nachgeschalteten Trennkolonne, wie sie in der EP 1 144 307 und in der EP 1 268 343 erwähnt ist, handelt es sich insbesondere um eine Rektifikationskolonne. Der Einsatz einer solchen ist in der Regel dann erforderlich, wenn der Reinheit des zu erzeugenden Monosilans ein besonders hoher Stellenwert zukommt. Um eine nachgeschaltete Rektifikationskolonne nicht zu sehr mit Verunreinigungen wie Chlorsila- nen zu belasten, wurde es in der Vergangenheit immer für erforderlich angesehen, diese über die erwähnten Zwischen- und Kopfkondensato- ren weitestgehend abzutrennen. Apparativ und energetisch war damit allerdings ein recht hoher Aufwand verbunden.
Der vorliegend beschriebenen Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine technische Lösung zur Herstellung von Monosilan höchster Reinheit be- reitzustellen, die apparativ möglichst einfach gehalten ist und dabei eine hohe energetische Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Anlage zur Herstellung von Monosilan mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zur Herstel- lung von Monosilan mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von Monosilan weist analog zu den in der EP 1 268 343 und in der EP 1 144 307 beschriebenen Anlagen eine Reaktionskolonne mit einem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich auf, in dem Trichlorsilan an einem Katalysator dispropor- tioniert werden kann. Die Reaktionskolonne umfasst eine Ableitung für bei der Disproportionierung entstehendes monosilanhaltiges Reaktionsprodukt. Dieses wird anschließend in einer Rektifikationskolonne, die ebenfalls Teil der erfindungsgemäßen Anlage ist, aufgereinigt. Zwischen dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich der Reaktionskolonne und der Rektifikationskolonne umfasst die erfindungsgemäße Anlage einen oder mehrere Kondensatoren, in dem oder in denen das mo- nosilanhaltige Reaktionsprodukt vor der anschließenden Aufreinigung in der Rektifikationskolonne teilkondensiert wird.
Besonders zeichnet sich eine erfindungsgemäße Anlage dadurch aus, dass es sich bei keinem der zwischen dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich der Reaktionskolonne und der Rektifikationskolonne angeordneten Kondensatoren um einen Kondensator handelt, der eine Betriebstemperatur unterhalb von minus 40 0C aufweist. Stattdessen liegt die Betriebstemperatur der Kondensatoren oder des Kondensators zwischen dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich und der Rektifikationskolonne bevorzugt zwischen minus 20 0C und minus 40 0C. Innerhalb dieses Bereiches sind Werte zwischen minus 20 0C und minus 30 0C weiter bevorzugt. Ganz besonders bevorzugt liegt die Betriebstemperatur bei ca. minus 25 0C.
Der oder die Kondensatoren zwischen der Reaktionskolonne und der Rektifikationskolonne sind also bevorzugt mit einem Kühlmittel mit einer Temperatur oberhalb von minus 40 0C, bevorzugt zwischen minus 20 0C und minus 40 0C, insbesondere zwischen minus 20 0C und minus 30 0C, besonders bevorzugt von ca. minus 25 0C, befüllt. Geeignete Kühlmittel für diese Temperaturbereiche sind dem Fachmann bekannt.
Der oder die Kondensatoren können dabei beispielsweise im Kopf der Reaktionskolonne integriert sein. Es ist aber auch möglich, einen oder mehrere separate Kondensatoren zwischen die Reaktionskolonne und die Rektifikationskolonne zu schalten.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass es selbstverständlich auch denkbar ist, dass die erfindungsgemäße Anlage mehr als eine Reaktionskolonne und/oder mehr als eine Rektifikationskolonne aufweisen kann. So ist es z.B. ohne weiteres möglich, mehrere Reaktions- und Rektifikationskolonnen parallel zu schalten, um den Umsatz der erfin- dungsgemäßen Anlage zu erhöhen. Das Gleiche gilt wiederum auch für die zwischen den Rektifikationskolonnen und den Reaktionskolonnen angeordneten Kondensatoren. Bedingt durch die relativ niedrigen Temperaturen, bei denen der oder die zwischen der Rektifikationskolonne und der Reaktionskolonne angeordneten Kondensatoren betrieben werden, können diese auch von Chlorsilanen, insbesondere von Monochlorsilan, passiert werden. In der Folge weist in die Rektifikationskolonne eintretendes monosilanhaltiges Produktgemisch in aller Regel einen signifikanten Anteil an Chlorsilanen, insbesondere an Monochlorsilan, auf.
Die Rektifikationskolonne weist bevorzugt einen Heizbereich auf, in dem eintretendes monosilanhaltiges bzw. monochlorsilanhaltiges Reaktions- produkt aus der Reaktionskolonne vollständig verdampft werden kann. Dieser Heizbereich ist in bevorzugten Ausführungsformen auf eine Temperatur zwischen 0 0C und 20 0C eingestellt. Bei diesen Temperaturen würde lediglich Siliziumtetrachlorid bzw. Trichlorsilan nicht verdampft werden. Diese beiden Komponenten passieren die vorgeschalteten Kon- densatoren jedoch in aller Regel nicht oder nur in sehr geringen Mengen.
Die Rektifikationskolonne umfasst vorzugsweise einen Kühlbereich, der sich unmittelbar an den Heizbereich der Rektifikationskolonne an- schließt. Innerhalb dieses Kühlbereiches fällt die Temperatur, ausgehend vom Heizbereich der Rektifikationskolonne, graduell ab. Es ist dabei bevorzugt, dass die Temperatur bis auf Werte zwischen -80 0C und -100 0C, vorzugsweise auf ca. -90 0C, abfällt. Der Druck im gekühlten Bereich der Rektifikationskolonne liegt dabei bevorzugt zwischen 1 bar und 5 bar, insbesondere zwischen 2 und 3 bar. Bei solchen Temperaturen sind in aller Regel alle Chlorsilane vollständig abtrennbar, so dass aus der Rektifikationskolonne im wesentlichen reines Monosilan austritt. Dieses kann anschließend zwecks weiterer Lagerung vollständig kon- densiert werden, gegebenenfalls aber auch sofort weiterverarbeitet oder einer weiteren Aufreinigung zugeführt werden. Eine solche ist jedoch nur noch dann erforderlich, wenn an die Reinheit des Monosilans allerhöchste Anforderungen gestellt werden. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass es auch nur mit einer Rektifikationskolonne durchaus möglich ist, Monosilan in hoher Reinheit herzustellen, insbesondere bei Einhaltung der vor- und nachgenannten bevorzugten Reaktionsbedingungen für die Reaktions- und die Rektifikationskolonne, selbst wenn auf vorgeschaltete Kondensatoren zur Abtrennung von Chlorsilanen mit Betriebstemperaturen unterhalb von minus 40 0C verzichtet wird.
Aus dem Verzicht auf solche Kondensatoren ergeben sich diverse Vorteile. Zum einen kann die Anlage apparativ vergleichsweise einfach gehalten werden. Es ist wesentlich weniger aufwendig einen Kondensator auf einen Betrieb bei minus 25 0C auszulegen als auf einen Betrieb unterhalb von minus 60 0C, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Andere, billigere Kühlmittel können verwendet werden, Tieftemperaturkältemaschinen sind nicht erforderlich und der Isolierungsaufwand fällt geringer aus. Darüber hinaus ergeben sich im Vergleich zu vielen aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen signifikante energetische Vorteile, insbesondere gegenüber solchen Anlagen, bei denen eine Totalkondensation des am Kolonnenkopf der Reaktionskolonne ankommenden monosilanhaltigen Produktgemischs vorgesehen ist. Da sich auch in solchen Fällen eine nachgeschaltete Aufreinigung in einer Rekti- fikationskolonne nicht vermeiden lässt und das kondensierte monosilan- haltige Produkt dafür ohnehin wieder verdampft werden musste, ist es zweifelsfrei zweckmäßiger, auf eine Totalkondensation zu verzichten.
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage ist die Rektifikationskolonne über eine Rückführungsleitung mit der Reaktionskolonne verbunden, so dass in der Rektifikationskolonne kondensierte und abgetrennte Chlorsilane in die Reaktionskolonne rücküberführt werden können. Der reaktiv/destillative Reaktionsbereich einer Reaktionskolonne in einer erfindungsgemäßen Anlage kann in bevorzugten Ausführungsformen aus zwei oder mehr separat vorliegenden reaktiv/destillativen Einzelbe- reichen gebildet sein. Diese können in Reihe und/oder parallel zueinander angeordnet sein. Besonders bevorzugt sind in einer Reaktionskolonne zwei oder mehr reaktiv/destillative Einzelbereiche übereinander angeordnet, wobei höher angeordnete Reaktionsbereiche vorzugsweise bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden als niedriger angeord- nete.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst eine erfindungsgemäße Anlage mindestens einen Zwischenkondensator, der zwischen zwei solcher Einzelbereiche angeordnet ist. Ein solcher Zwischenkondensator kann beispielsweise bei Temperaturen zwischen -20 0C und +30 0C, vorzugsweise zwischen 0 0C und 25 0C, betrieben werden. Beispielsweise ist ein Betrieb mit Kühlwasser bei Raumtemperatur möglich.
Die Temperatur in dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich ist in aller Regel auf werte zwischen 10 0C und 200 0C, insbesondere zwischen 10 0C und 150 0C eingestellt. Der Druck in der Reaktionskolonne liegt dabei bevorzugt zwischen 1 bar und 5 bar, insbesondere zwischen 2 bar und 3 bar. Dabei kann sich die in einzelnen Reaktionsbereichen eingestellte Temperatur durchaus recht deutlich unterscheiden.
Wie oben bereits erwähnt, ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Monosilan Gegenstand der vorliegenden Anmeldung. Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch in einer erfindungsgemäßen Anlage gut durchführen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Trichlorsilan in einer Reaktionskolonne mit einem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich unter Bildung eines monosilanhaltigen Reaktionsprodukts umgesetzt. Dieses wird anschließend in einer Rektifikationskolonne aufgereinigt, wobei das monosilanhaltige Reaktionsprodukt vor Überführung in die Rektifikationskolonne in mindestens einem Kondensator teilkondensiert wird, dabei jedoch keinen Kondensator passiert, der bei einer Temperatur unter- halb von minus 40 0C betrieben wird.
Auf die Betriebsparameter der Reaktionskolonne, der Rektifikationskolonne und der dazwischengeschalteten Kondensatoren sowie deren wichtigste sonstige Merkmale wurde oben bereits eingegangen, so dass auf die entsprechenden Ausführungen zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen wird.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können einzelne Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Figurenbeschreibung: Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Anlage mit einer Reaktionskolonne, einer Rektifikationskolonne und einem der Rektifikationskolonne vorgeschalteten Kondensator. Dargestellt ist die Reaktionskolonne 100, in der Trichlorsilan unter dis- proportionierenden Bedingungen umgesetzt werden kann. Die Zuführung von Trichlorsilan kann über die Zuleitung 101 erfolgen. Die Reaktionskolonne weist einen Heizbereich 106 auf, in dem zur Verdampfung des Trichlorsilans benötigte Energie bereitgestellt wird. Die eigentliche Umsetzung erfolgt in den reaktiv/destillativen Einzelbereichen 104 und 105, die zusammen den reaktiv/destillativen Reaktionsbereich der Reaktionskolonne 100 bilden. In beiden Einzelbereichen sind jeweils kataly- tisch wirkende Feststoffe enthalten. Über die Zuleitung 101 in die Kolonne eingeführtes Trichlorsilan wird somit in einem ersten Schritt im Einzelbereich 104 umgesetzt, wobei sich ein monosilanhaltiges Produktgemisch bildet, das in den Einzelbereich 105 entweichen kann. Umgekehrt sinken Disproportionierungsprodukte mit größerer Dichte und höherem Siedepunkt wie Tetrachlorsilan nach unten ab. Im Einzelbereich 105 kann eine zweite, weitergehende Disproportionierung erfolgen, wobei sich der Anteil an Monosilan im umgesetzten Reaktionsgemisch weiter erhöht. Schließlich kann das monosilanhaltige Reaktionsgemisch über die Ableitung 102 in die Rektifikationskolonne 109 überführt werden, in der eine weitergehende Auftrennung des Reaktionsgemisches erfolgen kann.
Zwischen der Rektifikationskolonne 109 und dem Einzelbereich 105 bzw. dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich der Reaktionskolonne 100 ist der Kondensator 103 angeordnet, der in den Kopf der Reaktionskolonne 100 integriert ist und bei einer Temperatur von minus 25 0C betrieben wird. Weiterhin weist die Reaktionskolonne den Zwischenkondensator 108 auf, der zwischen den Einzelbereichen 104 und 105 angeordnet ist und der mit einer Temperatur von ca. 20 0C betrieben wird.
In die Rektifikationskolonne 109 eintretendes monosilanhaltiges Produktgemisch kann im Heizbereich 110, der bei einer Temperatur von ca. 0 0C betrieben wird, verdampft werden. Im sich anschließenden Kühlbereich der Rektifikationskolonne erfolgt eine weitergehende Auftrennung. Auskondensierte Chlorsilane können über die Leitung 111 abgeführt werden. Diese ist vorliegend an die Reaktionskolonne 100 angeschlossen, so dass die auskondensierten Chlorsilane in diese rücküberführt werden können. Am Kopf der Rektifikationskolonne ist eine Temperatur von ca. minus 90 0C eingestellt. Hier kann im wesentlichen nur Monosi- lan passieren, das über die Ableitung 112 seiner weiteren Verwendung zugeführt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Anlage zur Herstellung von Monosilan durch katalytische Dispro- portionierung von Trichlorsilan, umfassend
• eine Reaktionskolonne (100) mit einem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich (104; 105), in dem das Trichlorsilan an einem Katalysator umgesetzt wird und einer Ableitung (102) für monosilanhaltiges Reaktionsprodukt,
• eine Rektifikationskolonne (109), in der das monosilanhaltige Reaktionsprodukt aufgereinigt wird und
• zwischen dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich (104;
105) in der Reaktionskolonne (100) und der Rektifikationskolonne (109) einen oder mehrere Kondensatoren (103), in dem oder in denen das monosilanhaltige Reaktionsprodukt vor der anschließenden Aufreinigung in der Rektifikationskolonne (109) teilkondensiert wird,
wobei keiner der zwischen dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich (104; 105) und der Rektifikationskolonne (109) angeordneten Kondensatoren (103) eine Betriebstemperatur unterhalb von minus 40 0C aufweist.
2. Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur der Kondensatoren oder des Kondensators (103) zwischen dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich (104; 105) und der Rektifikationskolonne (109) zwischen minus 20 0C und minus 40 0C, vorzugsweise zwischen minus 20 0C und minus 30 0C, insbesondere bei ca. minus 25 0C, liegt.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kondensatoren (103) in den Kopf der Reaktionskolonne (100) integriert sind.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifikationskolonne (109) einen Heizbereich (110) aufweist, in dem eintretendes monosilanhaltiges Reaktionsprodukt aus der Reaktionskolonne (100) vollständig verdampt werden kann.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbereich (1 10) auf eine Temperatur zwischen 0 0C und 20 0C eingestellt ist.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifikationskolonne (109) einen Kühlbereich aufweist, in dem, ausgehend vom Heizbereich (110) der Rektifikationskolonne (109), die Temperatur graduell abfällt.
7. Anlage nach 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Rektifikationskolonne (109) die Temperatur bis auf zwischen minus 80 0C und minus 100 0C, vorzugsweise auf ca. minus 90 0C, abfällt.
8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifikationskolonne (109) über eine Rückführungsleitung mit der Reaktionskolonne (100) verbunden ist, so dass in der Rektifikationskolonne (109) kondensiertes chlorsilanhaltiges Produkt in die Reaktionskolonne (100) rücküberführt werden kann.
9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der reaktiv/destillative Reaktionsbereich aus zwei oder mehr separaten reaktiv/destillativen Einzelbereichen (104; 105) gebildet ist, die in Reihe und/oder parallel zueinander angeordnet sind.
10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Zwischenkondensator (108) umfasst, der zwischen zwei der Einzelbereiche (104; 105) angeordnet ist.
11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zwischenkondensator (108) bei einer Temperatur zwischen minus 20 0C und 30 0C, vorzugsweise zwischen 0 0C und 25 0C, betrieben wird.
12. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich (104; 105) auf Werte zwischen 50 0C und 200 0C eingestellt ist.
13. Verfahren zur Herstellung von Monosilan (SiH4) durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan (SiHCb), insbesondere in einer Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trichlorsilan in einer Reaktionskolonne (100) mit einem reaktiv/destillativen Reaktionsbereich (104; 105) unter Bildung eines monosilanhaltigen Reaktionsprodukts umgesetzt wird, das anschließend in einer Rektifikationskolonne (109) aufgereinigt wird, wobei das monosilanhaltige Reaktionsprodukt vor Überführung in die Rektifikationskolonne (109) in mindestens einem Kondensator (103) teilkondensiert wird, dabei jedoch keinen Kondensator passiert, der bei einer Temperatur unterhalb von -40 0C betrieben wird.
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