EP2526052A1 - Verwendung eines druckbetriebenen keramischen wärmetauschers als integraler bestandteil einer anlage zur umsetzung von siliciumtetrachlorid zu trichlorsilan - Google Patents

Verwendung eines druckbetriebenen keramischen wärmetauschers als integraler bestandteil einer anlage zur umsetzung von siliciumtetrachlorid zu trichlorsilan

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EP2526052A1
EP2526052A1 EP10801574A EP10801574A EP2526052A1 EP 2526052 A1 EP2526052 A1 EP 2526052A1 EP 10801574 A EP10801574 A EP 10801574A EP 10801574 A EP10801574 A EP 10801574A EP 2526052 A1 EP2526052 A1 EP 2526052A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchanger
bar
gas
silicon tetrachloride
hydrogen
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10801574A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Guido Stochniol
Yücel ÖNAL
Alfons Bieker
Ingo Pauli
Ingrid Lunt-Rieg
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Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Degussa 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.)
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Publication date
Application filed by Evonik Degussa GmbH filed Critical Evonik Degussa GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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    • C01B33/08—Compounds containing halogen
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    • C01B33/1071—Tetrachloride, trichlorosilane or silicochloroform, dichlorosilane, monochlorosilane or mixtures thereof
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    • C01B33/10715—Tetrachloride, trichlorosilane or silicochloroform, dichlorosilane, monochlorosilane or mixtures thereof prepared by reacting chlorine with silicon or a silicon-containing material
    • C01B33/10731—Tetrachloride, trichlorosilane or silicochloroform, dichlorosilane, monochlorosilane or mixtures thereof prepared by reacting chlorine with silicon or a silicon-containing material with the preferential formation of trichlorosilane
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    • C01B33/08—Compounds containing halogen
    • C01B33/107—Halogenated silanes

Definitions

  • the invention relates to the use of a ceramic heat exchanger as an integral part of a process for the catalytic hydrodehalogenation of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) to trichlorosilane (HS 1 Cl 3) in the presence of hydrogen.
  • SiCI 4 and HS1CI3 are formed together. It is therefore necessary to merge these two products into each other and thus meet the respective demand for one of the products.
  • high-purity HS1CI3 is an important feedstock in the production of solar silicon.
  • Reactor wall which can lead to silicon deposits, as possible to
  • a method described elsewhere provides that the chemical reaction for the production of trichlorosilane from silicon tetrachloride and
  • Hydrogen is carried out in a pressure-operated reactor.
  • a method can be presented in which high space / time yields of TCS are obtained with a high selectivity.
  • the problem here is that it is an equilibrium reaction, which is preferably conducted over a high temperature to the product side, so that in the cool areas outside the reaction zone, a back-reaction is possible.
  • the product mixture or the product stream obtained during the reaction can advantageously be passed over at least one heat exchanger upstream of the reaction in order to pre-heat the starting materials silicon tetrachloride and / or hydrogen while cooling the product stream in an energy-saving manner.
  • Previously used heat exchangers in such processes are operated without pressure, so there is a pressure stage reduction from the reactor to the heat exchanger instead.
  • DE 2005 005044 describes ceramic heat exchangers which operate in a pressureless state. It would be of advantage if such a reduction of the pressure stage were not necessary, so that the cooling of the reaction mixture could be carried out under pressure with simultaneous preheating of the educt gas streams used.
  • the invention is in particular a method in which a
  • silicon tetrachloride-containing educt gas and a hydrogen-containing reactant gas are brought in a Hydrodechlor mecanical a Hydrodechlor mecanical a Hydrodechlor michsreaktor by supplying heat to form a pressurized trichlorosilane-containing and HCI-containing product gas, the product gas cooled by a heat exchanger and passed through the same heat exchanger silicon tetrachloride educt gas and / or the hydrogen-containing Eductor gas is heated, characterized in that the product gas and the silicon tetrachloride-containing educt gas and / or the hydrogen-containing reactant gas as pressurized streams through the
  • Heat exchanger are guided and the heat exchanger comprises heat exchanger elements made of ceramic material. If desired, by-products such as dichlorosilane, monochlorosilane and / or silane may also be present in the product stream. In the product stream are usually unreacted starting materials, ie
  • the equilibrium reaction in the hydrodechlorination reactor is typically at 700 ° C to 1, 000 ° C, preferably 850 ° C to 950 ° C and at a pressure in the range between 1 and 10 bar, preferably between 3 and 8 bar, more preferably between 4 and 6 bar performed.
  • the ceramic material for the heat exchanger elements is preferably selected from Al 2 O 3, AlN, Si 3 N 4 , SiCN or SiC, more preferably selected made of Si-infiltrated SiC, isostatically pressed SiC, hot isostatically pressed SiC or pressure-sintered SiC (SSiC).
  • the silicon tetrachloride-containing educt gas and the hydrogen-containing educt gas can also be conducted as a common stream through the heat exchanger.
  • the pressure differences in the heat exchanger between the different streams should not be more than 10 bar, preferably not more than 5 bar, more preferably not more than 1 bar, particularly preferably not more than 0.2 bar, measured at the inputs and outputs of the product gas. and reactant gas streams.
  • the pressure of the product stream at the inlet of the heat exchanger should not be more than 2 bar below the pressure of the product stream at the outlet of the hydrodechlorination reactor, the pressures of the
  • Hydrodechlorination reactor should be the same.
  • the pressure at the outlet of the hydrodechlorination reactor is typically in the range between 1 and 10 bar, preferably in the range between 4 and 6 bar.
  • the pressures in the heat exchanger should be in the range of 1 to 10 bar, preferably in the range of 3 to 8 bar, more preferably in the range of 4 to 6 bar, measured at the inputs and outputs of the product gas and
  • the heat exchanger is preferably a shell-and-tube heat exchanger.
  • the silicon tetrachloride-containing educt gas passed through the heat exchanger and / or the hydrogen-containing educt gas is / are preferably heated to a temperature in the range of 150 ° C. to 900 ° C., preferably 300 ° C. to 800 ° C., particularly preferably 500 ° C. to 700 ° C. C, preheated.
  • the guided through the heat exchanger product gas is typically on a Temperature in the range of 900 ° C to 150 ° C, preferably 800 ° C to 300 ° C, more preferably 700 ° C to 500 ° C, cooled.
  • the heat exchanger is advantageously operated at a pressure of 1 to 10 bar, preferably 3 to 8 bar, more preferably 4 to 6 bar, the pressure difference in the heat exchanger between the streams usually not exceeding 10 bar , preferably not more than 5 bar, more preferably not more than 1 bar and in particular not more than 0.2 bar, is.
  • the invention also provides the use of a heat exchanger as an integral part of a plant for the conversion of silicon tetrachloride to trichlorosilane, characterized in that a Trichlorsilan restrooms and HCI-containing product gas and a silicon tetrachloride educt gas and / or a hydrogen-containing feed gas as pressurized streams through the
  • Heat exchanger are guided and the heat exchanger comprises heat exchanger elements made of ceramic material.
  • the heat exchanger used in the invention may be such as described above in connection with the method according to the invention, for example with respect to the ceramic material for the heat exchanger elements, the pressures in
  • the heat exchanger used is preferably a plate or a
  • Shell and tube heat exchangers wherein the plates are arranged with channels or capillaries in stacks.
  • the arrangement of the plates is preferably designed so that flows in a part of the capillaries or channels only product gas and in other parts only reactant gas. Mixing of the gas streams must be avoided.
  • the various gas streams can be conducted in countercurrent or also in direct current.
  • the design of the heat exchanger is chosen so that with the cooling of the product gas, the released energy also serves to discharge the educt gases.
  • the capillaries can also be arranged in the form of a shell-and-tube heat exchanger. In this case flows a gas flow through the tubes (capillaries) while the other gas flow flows around the tubes.
  • heat exchangers that meet at least one, preferably more, of the following design features are particularly preferred:
  • the exchange surface to volume ratio is greater than 400 M "1 , the heat transfer coefficient is greater than 300 watts per meter 2 times K.
  • the heat exchanger can be arranged directly on the reactor, but it can also be connected via lines to the reactor.
  • the lines are then preferably thermally insulated.
  • FIG. 1 shows, by way of example and schematically, a hydrodechlorination reactor which, together with the heat exchanger used according to the invention, can be part of a plant for reacting silicon tetrachloride with hydrogen to form trichlorosilane.
  • FIG. 2 schematically shows the passage of two educt streams (to be preheated) through a heat exchanger and the passage of a product stream (to be cooled) coming from a reactor.
  • Figure 3 shows schematically the passage of a (preheated) common reactant stream through a heat exchanger and the passage of a
  • FIG. 4 shows an example and schematically a plant for the production of
  • Heat exchangers can be used.
  • the hydrodechlorination reactor shown in FIG. 1 comprises a plurality of reactor tubes 3a, 3b, 3c arranged in a combustion chamber 15, a common feed gas 1, 2 which is led into the plurality of reactor tubes 3a, 3b, 3c and one of the plurality of reactor tubes 3a, 3b, 3c led out line 4 for a product stream.
  • the reactor shown further comprises a combustion chamber 15 and a conduit for fuel gas 18 and a line for combustion air 19, which lead to the four burners of the combustion chamber 15 shown. Shown finally is still a leading out of the combustion chamber 15 line for flue gas 20th
  • FIG. 2 shows a product stream 4 coming from a reactor 3, which is led into a heat exchanger 5 and led out as (cooled) product stream 6 and two through the same heat exchanger 5
  • Eduktstrome 1 and 2 which are (then preheated) after leaving the heat exchanger 5 are fed into the reactor 3.
  • FIG. 3 shows a product stream 4 coming from a reactor 3, which is led into a heat exchanger 5 and led out as (cooled) product stream 6 and a common feedstock stream 1, 2 which is passed through the same heat exchanger 5 (then preheated) after leaving the furnace
  • Heat exchanger 5 is guided in the reactor 3.
  • the plant shown in FIG. 4 comprises one in a combustion chamber 15
  • Hydrogen line 2 is guided, so that a heat transfer from the Product gas line 4 in the silicon tetrachloride line 1 and in the hydrogen line 2 is possible.
  • the plant further comprises a subunit 7 for separating silicon tetrachloride 8, trichlorosilane 9, hydrogen 10 and HCl 11. The separated silicon tetrachloride is passed through the line 8 in the
  • Silicon tetrachloride line 1 led, fed the separated trichlorosilane through the line 9 a final product removal, the separated hydrogen passed through the line 10 in the hydrogen line 2 and fed the separated HCl through line 11 to a plant 12 for the hydrochlorination of silicon.
  • the system further comprises a capacitor 13 for separating the
  • Hydrochlorination plant 12 is derived, this hydrogen over the
  • Hydrogen line 2 is guided via the heat exchanger 5 in the Hydrodechlon mecanicsreaktor 3. Shown is also a distillation unit 14 for separating silicon tetrachloride 1 and trichlorosilane (TCS) and low-boiling components (LS) and
  • the plant also comprises a recuperator 16, which preheats the combustion air 19 provided for the combustion chamber 15 with the flue gas 20 flowing out of the combustion chamber 15, and a plant 17 for generating steam with the aid of the recuperator 16

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines keramischen Wärmetauschers als integraler Bestandteil eines Verfahrens zur katalytischen Hydrodehalogenierung von Siliciumtetrachlorid zu Trichlorsilan in Gegenwart von Wasserstoff, wobei das Produktgas und die Eduktgase als unter Druck stehende Ströme durch den Wärmetauscher geführt werden und der Wärmetauscher Wärmetauscherelemente aus keramischem Material umfasst.

Description

Verwendung eines druckbetriebenen keramischen Wärmetauschers als integraler Bestandteil einer Anlage zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid zu
Trichlorsilan
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines keramischen Wärmetauschers als integraler Bestandteil eines Verfahrens zur katalytischen Hydrodehalogenierung von Siliciumtetrachlorid (SiCI4) zu Trichlorsilan (HS1CI3) in Gegenwart von Wasserstoff.
Bei vielen technischen Prozessen in der Siliciumchemie entstehen SiCI4 und HS1CI3 gemeinsam. Es ist deswegen notwendig, diese beiden Produkte ineinander zu überführen und damit der jeweiligen Nachfrage nach einem der Produkte gerecht zu werden.
Darüber hinaus ist hochreines HS1CI3 ein wichtiger Einsatzstoff bei der Herstellung von Solarsilicium.
Bei der Hydrodechlorierung von Siliciumtetrachlorid (STC) zu Trichlorsilan (TCS) wird nach technischem Standard ein thermisch kontrolliertes Verfahren eingesetzt, bei dem das STC zusammen mit Wasserstoff in einem mit Graphit ausgekleideten Reaktor, dem sogenannten "Siemensofen", geleitet wird. Die im Reaktor
befindlichen Graphitstäbe werden als Widerstandsheizung betrieben, so dass Temperaturen von 1 .100 °C und höher erreicht werden. Durch die hohe Temperatur und den anteiligen Wasserstoffgehalt wird die Gleichgewichtslage zum Produkt TCS verschoben. Das Produktgemisch wird nach der Reaktion aus dem Reaktor geführt und in aufwendigen Verfahren abgetrennt. Der Reaktor wird kontinuierlich durchströmt, wobei die Innenflächen des Reaktors aus Graphit als korrosionsfestes Material bestehen müssen. Zur Stabilisierung wird eine Außenhülle aus Metall eingesetzt. Die Außenwand des Reaktors muss gekühlt werden, um die bei den hohen Temperaturen auftretenden Zersetzungsreaktionen an der heißen
Reaktorwand, die zu Siliciumabscheidungen führen können, möglichst zu
unterdrücken. Neben der nachteiligen Zersetzung aufgrund der notwendigen und unokonomischen sehr hohen Temperatur, ist auch die regelmäßige Reinigung des Reaktors nachteilig. Aufgrund der eingeschränkten Reaktorgröße muss eine Reihe von unabhängigen Reaktoren betrieben werden, was ökonomisch ebenfalls nachteilig ist. Die gegenwärtige Technologie erlaubt keinen Betrieb unter Druck, um eine höhere Raum-/Zeitausbeute zu erzielen, um somit beispielsweise die Anzahl der Reaktoren zu reduzieren.
Ein weiterer Nachteil ist die Durchführung einer rein thermisch geführten Reaktion, ohne einen Katalysator, der das Verfahren insgesamt sehr ineffizient gestaltet.
Ein an anderer Stelle beschriebenes Verfahren sieht vor, dass die chemische Umsetzung zur Herstellung von Trichlorsilan aus Siliciumtetrachlorid und
Wasserstoff in einem druckbetriebenen Reaktor durchgeführt wird. Dadurch und durch weitere bauliche und verfahrenstechnische Maßnahmen kann ein Verfahren dargestellt werden, bei dem hohe Raum-/Zeitausbeuten an TCS mit einer hohen Selektivität erhalten werden.
Problematisch hierbei ist jedoch, dass es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, die über eine hohe Temperatur bevorzugt zur Produktseite geführt wird, so dass in den kühlen Bereichen außerhalb der Reaktionszone eine Rückreaktion möglich ist.
Das bei der Umsetzung erhaltene Produktgemisch bzw. der Produktstrom kann vor einer Weiter- bzw. Aufarbeitung vorteilhaft über wenigstens einen der Reaktion vorgeschalteten Wärmetauscher geführt werden, um die Edukte Siliciumtetrachlorid und/oder Wasserstoff unter Abkühlen des Produktstromes energiesparend vorzuheizen. Bisher verwendete Wärmetauscher in derartigen Verfahren werden drucklos betrieben, es findet also eine Druckstufenerniedrigung vom Reaktor zum Wärmetauscher statt. So werden etwa in der DE 2005 005044 Wärmetauscher aus Keramik beschrieben, die in einem drucklosen Zustand arbeiten. Es wäre nun von Vorteil, wenn eine solche Druckstufenerniedrigung nicht notwendig wäre, so dass die Abkühlung des Reaktionsgemisches bei gleichzeitigem Vorheizen der eingesetzten Eduktgasströme unter Druck durchgeführt werden könnte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war somit, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Siliciumtetrachlorid zu Trichlorsilan umgesetzt werden kann, wobei eine Druckstufenerniedrigung im Verfahrensablauf vermieden und dennoch die Energie des erhitzten Produktgases zum Vorheizen der Edukte genutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das im Folgenden beschriebene Verfahren.
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere ein Verfahren, bei dem ein
siliciumtetrachloridhaltiges Eduktgas und ein wasserstoffhaltiges Eduktgas in einem Hydrodechlorierungsreaktor durch Zufuhr von Wärme zur Reaktion gebracht werden unter Bildung eines unter Druck stehenden trichlorsilanhaltigen und HCI-haltigen Produktgases, wobei das Produktgas mittels eines Wärmetauschers abgekühlt und das durch denselben Wärmetauscher geführte siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas und/oder das wasserstoffhaltige Eduktgas erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas und das siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas und/oder das wasserstoffhaltige Eduktgas als unter Druck stehende Ströme durch den
Wärmetauscher geführt werden und der Wärmetauscher Wärmetauscherelemente aus keramischem Material umfasst. Im Produktstrom können gegebenenfalls auch Nebenprodukte wie Dichlorsilan, Monochlorsilan und/oder Silan enthalten sein. Im Produktstrom sind in der Regel auch noch nicht umgesetzte Edukte, also
Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff, enthalten.
Die Gleichgewichtsreaktion im Hydrodechlorierungsreaktor wird typischerweise bei 700 °C bis 1 .000 °C, bevorzugt 850 °C bis 950 °C und bei einem Druck im Bereich zwischen 1 und 10 bar, bevorzugt zwischen 3 und 8 bar, besonders bevorzugt zwischen 4 und 6 bar durchgeführt.
Das keramische Material für die Wärmetauscherelemente wird vorzugsweise ausgewählt aus AI2O3, AIN, Si3N4, SiCN oder SiC, besonders bevorzugt ausgewählt aus Si-infiltriertem SiC, isostatisch gepresstem SiC, heiß isostatisch gepresstem SiC oder drucklos gesintertem SiC (SSiC).
In allen beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens können der siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas und der wasserstoffhaltige Eduktgas auch als ein gemeinsamer Strom durch den Wärmetauscher geführt werden.
Die Druckunterschiede im Wärmetauscher zwischen den verschiedenen Strömen sollten nicht mehr als 10 bar, bevorzugt nicht mehr als 5 bar, weiter bevorzugt nicht mehr als 1 bar, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,2 bar betragen, gemessen an den Eingängen und Ausgängen der Produktgas- und Eduktgasströme.
Weiterhin sollte der Druck des Produktstromes am Eingang des Wärmetauschers nicht mehr als 2 bar unter dem Druck des Produktstromes am Ausgang des Hydrodechlorierungsreaktors liegen, wobei bevorzugt die Drücke des
Produktstromes am Eingang des Wärmetauschers und am Ausgang des
Hydrodechlorierungsreaktors gleich sein sollten. Der Druck am Ausgang des Hydrodechlorierungsreaktors liegt typischerweise im Bereich zwischen 1 und 10 bar, bevorzugt im Bereich zwischen 4 und 6 bar.
Die Drücke im Wärmetauscher sollten im Bereich von 1 bis 10 bar, bevorzugt im Bereich von 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 6 bar, liegen gemessen an den Eingängen und Ausgängen der Produktgas- und
Eduktgasströme.
In allen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Wärmetauscher bevorzugt ein Rohrbündelwärmetauscher.
Das durch den Wärmetauscher geführte siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas und/oder das wasserstoffhaltige Eduktgas wird/werden im Wärmetauscher vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 150 °C bis 900 °C, bevorzugt 300 °C bis 800 °C, besonders bevorzugt 500 °C bis 700 °C, vorerwärmt. Dabei wird das durch den Wärmetauscher geführte Produktgas typischerweise auf eine Temperatur im Bereich von 900 °C bis 150 °C, bevorzugt 800 °C bis 300 °C, besonders bevorzugt 700 °C bis 500 °C, abgekühlt.
So wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Wärmetauscher vorteilhaft bei einem Druck von 1 bis 10 bar, bevorzugt bei 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt bei 4 bis 6 bar, betrieben, wobei die Druckdifferenz im Wärmetauscher zwischen den Stoffströmen in der Regel nicht mehr als 10 bar, bevorzugt nicht mehr als 5 bar, weiter bevorzugt nicht mehr als 1 bar und insbesondere nicht mehr als 0,2 bar, beträgt.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines Wärmetauschers als integraler Bestandteil einer Anlage zur Umsetzung von Siliziumtetrachlorid zu Trichlorsilan, dadurch gekennzeichnet, dass ein trichlorsilanhaltiges und HCI- haltiges Produktgas und ein siliciumtetrachloridhaltiges Eduktgas und/oder ein wasserstoffhaltiges Eduktgas als unter Druck stehende Ströme durch den
Wärmetauscher geführt werden und der Wärmetauscher Wärmetauscherelemente aus keramischem Material umfasst. Dabei kann der erfindungsgemäß verwendete Wärmetauscher so beschaffen sein, wie oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, zum Beispiel in Bezug auf das keramische Material für die Wärmetauscherelemente, die Drücke im
Wärmetauscher während des Betriebs sowie.
Der verwendete Wärmetauscher ist bevorzugt ein Platten- oder ein
Rohrbündelwärmetauscher, wobei die Platten mit Kanälen oder Kapillaren in Stapeln angeordnet werden. Die Anordnung der Platten ist dabei vorzugsweise so gestaltet, dass in einem Teil der Kapillaren oder Kanälen nur Produktgas und in anderen Teilen nur Eduktgas fließt. Eine Vermischung der Gasströme muss vermieden werden. Die verschiedenen Gasströme können im Gegenstrom oder auch im Gleichstrom geführt werden. Die Konstruktion des Wärmetauschers wird dabei so gewählt, dass mit der Abkühlung des Produktgases die freiwerdende Energie gleichzeitig zur Ausleitung der Eduktgase dient. Die Kapillaren können auch in Form eines Rohrbündelwärmetauschers angeordnet werden. In diesem Fall fließt ein Gasstrom durch die Rohre (Kapillaren) während der andere Gasstrom um die Rohre fließt.
Unabhängig davon, welche Art Wärmetauscher gewählt wird, sind Wärmetauscher, die zumindest eines, vorzugsweise mehrere der folgenden Konstruktionsmerkmale erfüllen, besonders bevorzugt: Der hydraulische Durchmesser (DH) der Kanäle oder der Kapillaren, definiert als viermal Querschnittfläche durch Umfang, ist kleiner als 5 mm, bevorzugt kleiner als 3 mm. Das Verhältnis Austauschfläche zu Volumen ist größer 400 M"1, der Wärmeübergangskoeffizient ist größer als 300 Watt pro Meter2 mal K.
Der Wärmetauscher kann unmittelbar an dem Reaktor angeordnet sein, er kann aber auch über Leitungen mit dem Reaktor verbunden sein. Die Leitungen sind dann vorzugsweise thermisch isoliert.
Die folgenden Figuren dienen der Veranschaulichung der oben beschriebenen Erfindungsvarianten und Einsatzmöglichkeiten des Wärmetauschers.
Figur 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Hydrodechlorierungsreaktor, der gemeinsam mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Wärmetauscher Teil einer Anlage zur Umsetzung von Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff zu Trichlorsilan sein kann.
Figur 2 zeigt schematisch das Durchleiten zweier (vorzuwärmenden) Eduktströme durch einen Wärmetauscher und das Durchleiten eines (abzukühlenden) aus einem Reaktor kommenden Produktstromes.
Figur 3 zeigt schematisch das Durchleiten eines (vorzuwärmenden) gemeinsamen Eduktstroms durch einen Wärmetauscher und das Durchleiten eines
(abzukühlenden) aus einem Reaktor kommenden Produktstromes. Figur 4 zeigt beispielhaft und schematisch eine Anlage zur Herstellung von
Trichlorsilan aus metallurgischem Silicium in der der erfindungsgemäße
Wärmetauscher verwendet werden kann.
Der in Figur 1 gezeigte Hydrodechlorierungsreaktor umfasst mehrere in einer Brennkammer 15 angeordnete Reaktorrohre 3a, 3b, 3c, einen gemeinsamen Eduktgas 1 ,2, der in die mehreren Reaktorrohre 3a, 3b, 3c geführt wird sowie eine aus den mehreren Reaktorrohren 3a, 3b,3c herausgeführte Leitung 4 für einen Produktstrom. Der gezeigte Reaktor umfasst ferner eine Brennkammer 15 sowie eine Leitung für Brenngas 18 und eine Leitung für Brennluft 19, die zu den vier gezeigten Brennern der Brennkammer 15 führen. Gezeigt ist schließlich noch eine aus der Brennkammer 15 herausführende Leitung für Rauchgas 20.
Die Figur 2 zeigt einen aus einem Reaktor 3 kommenden Produktstrom 4, der in einen Wärmetauschers 5 hineingeführt und als (abgekühlter) Produktstrom 6 herausgeführt wird sowie zwei durch denselben Wärmetauscher 5 geführte
Eduktstrome 1 und 2, die (dann vorgewärmt) nach Verlassen des Wärmetauschers 5 in den Reaktor 3 geführt werden.
Die Figur 3 zeigt einen aus einem Reaktor 3 kommenden Produktstrom 4, der in einen Wärmetauschers 5 hineingeführt und als (abgekühlter) Produktstrom 6 herausgeführt wird sowie einen durch denselben Wärmetauscher 5 geführte gemeinsamen Eduktstrom 1 ,2, der (dann vorgewärmt) nach Verlassen des
Wärmetauschers 5 in den Reaktor 3 geführt wird.
Die in Figur 4 gezeigte Anlage umfasst einen in einer Brennkammer 15
angeordneten Hydrodechlorierungsreaktor 3, eine Leitung 1 für
siliciumtetrachlondhaltiges Gas und eine Leitung 2 für wasserstoffhaltiges Gas, die beide in den Hydrodechlorierungsreaktor 3 führen, eine aus dem
Hydrodechlorierungsreaktor 3 herausgeführte Leitung 4 für ein trichlorsilanhaltiges und HCI-haltiges Produktgas, den erfindungsgemäßen Wärmetauscher 5 durch den die Produktgasleitung 4 sowie die Siliciumtetrachlorid-Leitung 1 und die
Wasserstoff-Leitung 2 geführt wird, so dass ein Wärmeübertrag aus der Produktgasleitung 4 in die Siliciumtetrachlorid-Leitung 1 und in die Wasserstoff- Leitung 2 möglich ist. Die Anlage umfasst ferner eine Teilanlage 7 zum Abtrennen von Siliciumtetrachlorid 8, von Trichlorsilan 9, von Wasserstoff 10 und von HCl 11. Dabei wird das abgetrennte Siliciumtetrachlorid durch die Leitung 8 in die
Siliciumtetrachlorid-Leitung 1 geführt, das abgetrennte Trichlorsilan durch die Leitung 9 einer Endproduktentnahme zugeführt, der abgetrennte Wasserstoff durch die Leitung 10 in die Wasserstoff-Leitung 2 geführt und das abgetrennte HCl durch die Leitung 11 einer Anlage 12 zur Hydrochlorierung von Silicium zugeführt. Die Anlage umfasst ferner einen Kondensator 13 zum Abtrennen des
Kopplungsprodukts Wasserstoff, der aus der Reaktion in der
Hydrochlorierungsanlage 12 stammt, wobei dieser Wasserstoff über die
Wasserstoff-Leitung 2 via den Wärmetauscher 5 in den Hydrodechlonerungsreaktor 3 geführt wird. Gezeigt ist auch eine Destillationsanlage 14 zum Abtrennen von Siliciumtetrachlorid 1 und Trichlorsilan (TCS) sowie Leichtsiedern (LS) und
Hochsiedern (HS) aus dem Produktgemisch, welches via den Kondensator 13 von der Hydrochlorierungsanlage 12 kommt. Die Anlage umfasst schließlich noch einen Rekuperator 16, der die für die Brennkammer 15 vorgesehene Brennluft 19 mit dem aus der Brennkammer 15 ausströmende Rauchgas 20 vorwärmt sowie eine Anlage 17 zur Dampferzeugung mit Hilfe des aus dem aus dem Rekuperator 16
ausströmenden Rauchgases 20.
Bezuqszeichenliste
1 ) siliciumtetrachloridhaltiger Eduktgas
2) wasserstoffhaltiger Eduktgas
1 ,2) gemeinsamer Eduktgas
3) Hydrodechlorierungsreaktor
3a, 3b, 3c) Reaktorrohre
4) Produktstrom
5) Wärmetauscher
6) abgekühlter Produktstrom
7) nachgeschaltete Teilanlage
7a, 7b, 7c) Anordnung mehrerer Teilanlagen
8) in (7) oder (7a, 7b, 7c) abgetrennter Siliciumtetrachloridstrom
9) in (7) oder (7a, 7b, 7c) abgetrennter Endproduktstrom
10 in (7) oder (7a, 7b, 7c) abgetrennter Wasserstroffstrom 1 1 in (7) oder (7a, 7b, 7c) abgetrennter HCI-Strom
12 vorgeschaltetes Hydrochlorierungsverfahren bzw. -anläge 13 Kondensator
14 Destillationsanlage
15 Heizraum oder Brennkammer
16 Rekuperator
17 Anlage zur Dampferzeugung
18 Brenngas
19 Brenn luft
20 Rauchgas

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren, bei dem ein siliciumtetrachloridhaltiges Eduktgas (1 ) und ein
wasserstoffhaltiges Eduktgas (2) in einem Hydrodechlorierungsreaktor (3) durch Zufuhr von Wärme zur Reaktion gebracht werden unter Bildung eines unter Druck stehenden trichlorsilanhaltigen und HCI-haltigen Produktgases
(4) , wobei das Produktgas (4) mittels eines Wärmetauschers (5) abgekühlt und das durch denselben Wärmetauscher (5) geführte
siliciumtetrachlondhaltige Eduktgas (1 ) und/oder das wasserstoffhaltige Eduktgas (2) erwärmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Produktgas (4) und das siliciumtetrachlondhaltige Eduktgas (1 ) und/oder das wasserstoffhaltige Eduktgas (2) als unter Druck stehende Ströme durch den Wärmetauscher (5) geführt werden und der Wärmetauscher
(5) Wärmetauscherelemente aus keramischem Material umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das keramische Material ausgewählt ist aus AI2O3, AIN, Si3N , SiCN oder SiC.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das keramische Material ausgewählt ist aus Si-infiltriertem SiC, isostatisch gepresstem SiC, heiß isostatisch gepresstem SiC oder drucklos gesintertem SiC (SSiC).
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das siliciumtetrachlondhaltige Eduktgas (1 ) und das wasserstoffhaltige Eduktgas (2) in einem gemeinsamen Strom (1 ,2) durch den Wärmetauscher (5) geführt werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckunterschiede im Wärmetauscher (5) zwischen den
verschiedenen Strömen nicht mehr als 10 bar, bevorzugt nicht mehr als 5 bar, weiter bevorzugt nicht mehr als 1 bar, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,2 bar beträgt, gemessen an den Eingängen und Ausgängen der Produktgas- (4) und Eduktgasströme (1 , 2).
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druck des Produktstromes (4) am Eingang des Wärmetauschers (5) nicht mehr als 2 bar unter dem Druck des Produktstromes (4) am Ausgang des Hydrodechlorierungsreaktors (3) liegt, wobei bevorzugt die Drücke des Produktstromes (4) am Eingang des Wärmetauschers (5) und am Ausgang des Hydrodechlorierungsreaktors (3) gleich sind.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drücke im Wärmetauscher (5) im Bereich von 1 bis 10 bar, bevorzugt im Bereich von 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 6 bar, liegen gemessen an den Eingängen und Ausgängen der Produktgas- (4, 6) und Eduktgasströme (1 , 2).
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher (5) ein Rohrbündelwärmetauscher ist.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das durch den Wärmetauscher (5) geführte siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas (1 ) und/oder das wasserstoffhaltige Eduktgas (2) im Wärmetauscher (5) auf eine Temperatur im Bereich von 150 °C bis 900 °C, bevorzugt 300 °C bis 800 °C, besonders bevorzugt 500 °C bis 700 °C, vorerwärmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das durch den Wärmetauscher (5) geführte Produktgas (4) auf eine Temperatur im Bereich von 900 °C bis 150 °C, bevorzugt 800 °C bis 300 °C, besonders bevorzugt 700 °C bis 500 °C, abgekühlt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher (5) bei einem Druck von 1 bis 10 bar, bevorzugt bei 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt bei 4 bis 6 bar, betrieben wird.
12. Verwendung eines Wärmetauschers (5) als integraler Bestandteil einer Anlage zur Umsetzung von Siliziumtetrachlorid zu Trichlorsilan,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein trichlorsilanhaltiges und HCI-haltiges Produktgas (4) und ein siliciumtetrachloridhaltiges Eduktgas (1 ) und/oder ein wasserstoffhaltiges Eduktgas (2) als unter Druck stehende Ströme durch den Wärmetauscher (5) geführt werden und der Wärmetauscher (5) Wärmetauscherelemente aus keramischem Material umfasst.
13. Verwendung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das keramische Material ausgewählt ist aus AI2O3, AIN, Si3N , SiCN oder SiC.
14. Verwendung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das keramische Material ausgewählt ist aus Si-infiltriertem SiC, isostatisch gepresstem SiC, heiß isostatisch gepresstem SiC oder drucklos gesintertem SiC (SSiC).
15. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass das siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas (1 ) und das wasserstoffhaltige Eduktgas (2) in einem gemeinsamen Strom (1 ,2) durch den Wärmetauscher (5) geführt werden.
16. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckunterschiede im Wärmetauscher (5) zwischen den
verschiedenen Strömen nicht mehr als 10 bar, bevorzugt nicht mehr als 5 bar, weiter bevorzugt nicht mehr als 1 bar, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,2 bar beträgt, gemessen an den Eingängen und Ausgängen der Produktgas- (4, 6) und Eduktgasströme (1 , 2).
17. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drücke im Wärmetauscher (5) im Bereich von 1 bis 10 bar, bevorzugt im Bereich von 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 6 bar, liegen gemessen an den Eingängen und Ausgängen der Produktgas- (4, 6) und Eduktgasströme (1 , 2).
18. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher (5) ein Rohrbündelwärmetauscher ist.
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