EP2526056A2 - Strömungsrohrreaktor zur umsetzung von siliziumtetrachlorid zu trichlorsilan - Google Patents

Strömungsrohrreaktor zur umsetzung von siliziumtetrachlorid zu trichlorsilan

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EP2526056A2
EP2526056A2 EP10793230A EP10793230A EP2526056A2 EP 2526056 A2 EP2526056 A2 EP 2526056A2 EP 10793230 A EP10793230 A EP 10793230A EP 10793230 A EP10793230 A EP 10793230A EP 2526056 A2 EP2526056 A2 EP 2526056A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
hydrogen
silicon tetrachloride
gas
line
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10793230A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Guido Stochniol
Günter Latoschinski
Yücel ÖNAL
Ingo Pauli
Alfons Bieker
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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.)
Filing date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the invention relates to a process for the conversion of silicon tetrachloride with hydrogen to trichlorosilane in a Hydrodechlor réellesreaktor, wherein the Hydrodechlor mecanicsreaktor is operated under pressure and comprises one or more reactor tubes, which consist of ceramic material.
  • the invention further relates to the use of such a Hydrodechlor réellesreaktors as an integral part of a plant for the production of trichlorosilane from metallurgical silicon.
  • 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.
  • Hydrogen may be passed through a pressure operated tubular reactor, which may be preferably provided on the one hand with a catalytic wall coating and on the other hand may be equipped with a fixed bed catalyst.
  • a pressure operated tubular reactor which may be preferably provided on the one hand with a catalytic wall coating and on the other hand may be equipped with a fixed bed catalyst.
  • the reactor tube material can be provided with a catalytically active inner coating.
  • the reactor tube can be filled with an inert bulk material in order to optimize the flow dynamics.
  • the bulk material can consist of the same material as the reactor material.
  • a bulk material packing such as rings, balls, rods, or other suitable packing can be used.
  • the fillers may additionally be coated with a catalytically active coating. In this case, it may be possible to dispense with the catalytically active inner coating.
  • the dimensioning of the reactor tube and the design of the complete reactor are determined by the availability of the tube geometry, as well as by the specifications regarding the introduction of the heat required for the reaction.
  • both a single reaction tube with the associated periphery can be used as well as a combination of many reactor tubes.
  • the arrangement of many reactor tubes in a heated chamber may be useful in the amount of heat, for example, by natural gas burners is introduced.
  • the burners should not be aimed directly at the tubes. They can, for example, be oriented indirectly from above into the reactor space and distributed over the reactor space, as shown by way of example in FIG.
  • the reactor system can be connected to a heat recovery system.
  • the invention is now a method for the implementation of
  • Hydrodechlorierungsreaktor operated under pressure and comprises one or more reactor tubes, which consist of ceramic material.
  • the process according to the invention is a process in which, in the case of the abovementioned reaction, a silicon tetrachloride-containing educt gas and a
  • Siliziumium tetrachloride-containing educt gas and / or the hydrogen-containing reactant gas are fed as pressurized streams in the pressure-operated Hydrodechlor réellesreaktor and the product gas is led out as a pressurized stream from the Hydrodechlor réellesreaktor.
  • by-products such as dichlorosilane, monochlorosilane and / or silane may also be present in the product stream.
  • the product stream generally also contains unreacted starting materials, ie silicon tetrachloride and hydrogen.
  • 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 silicon tetrachloride-containing educt gas and the hydrogen-containing educt gas can also be conducted as a common stream into the pressure-operated hydrodechlorination reactor.
  • the ceramic material for the one or more reactor tubes is preferably selected from Al 2 O 3, AlN, Si 3 N 4 , SiCN or SiC, more preferably selected from Si-infiltrated SiC, isostatically pressed SiC, hot isostatically pressed SiC or non-pressure sintered SiC (SSiC).
  • the one or more reactor tubes consist of non-pressure-sintered SiC (SSiC).
  • the educt gas containing silicon tetrachloride and / or the hydrogen-containing educt gas preferably with a pressure in
  • 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, and having a temperature in the range of 150 ° C to 900 ° C, preferably in the range of 300 ° C to 800 C., more preferably in the range of 500.degree. C. to 700.degree. C., into the hydrodechlorination reactor.
  • the heat input for the reaction in the Hydrodechlor istsreaktor over a boiler room in which the one or more reactor tubes are arranged takes place.
  • the boiler room by an electric
  • the boiler room can also be a combustion chamber, which is operated with fuel gas and combustion air. According to the invention, it is particularly preferred that the reaction in the
  • Inner coating of one or more reactor tubes is catalyzed.
  • Reaction in the hydrodechlorination reactor can additionally be catalyzed by a coating catalyzing the reaction of a fixed bed arranged in the reactor or in the one or more reactor tubes.
  • catalytically active fixed bed may optionally be dispensed with the catalytically active inner coating.
  • the reactor inner wall is included, since so the catalytically usable
  • the reactor inner wall and / or the optionally used fixed bed can be provided with the catalytically active coating as follows:
  • a suspension hereinafter also referred to as a paint, containing a) at least one active component selected from the metals Ti, Zr, Hf, Ni, Pd, Pt, Mo, W, Nb, Ta, Ba, Sr, Ca , Mg, Ru, Rh, Ir or combinations thereof or their silicide compounds, b) at least one active component selected from the metals Ti, Zr, Hf, Ni, Pd, Pt, Mo, W, Nb, Ta, Ba, Sr, Ca , Mg, Ru, Rh, Ir or combinations thereof or their silicide compounds, b) at least one active component selected from the metals Ti, Zr, Hf, Ni, Pd, Pt, Mo, W, Nb, Ta, Ba, Sr, Ca , Mg, Ru, Rh, Ir or combinations thereof or their silicide compounds, b) at least one active component selected from the metals Ti, Zr, Hf, Ni, Pd, Pt, Mo, W, Nb, Ta, Ba, Sr
  • Suspending agent and optionally c) at least one auxiliary component, in particular for stabilizing the suspension, for improving the storage stability of
  • Suspension on the surface to be coated by applying the suspension to the inner wall of the one or more reactor tubes and, optionally, by applying the suspension to the surface of random packings of the optionally provided fixed bed; by drying the applied suspension; and by tempering the applied and dried suspension at a
  • the tempered fillers may then be in the one or more
  • Reactor tubes are filled.
  • the tempering and optionally also the previous drying can also be done with already filled in packing.
  • thermoplastic polymeric acrylate resins such as those used in the paint and coatings industry. These include, for example, polymethyl acrylate,
  • Polyethylacrylate, polypropylmethacrylate or polybutylacrylate are commercially available systems, for example those available under the brand name Degalan® from Evonik Industries.
  • auxiliaries or auxiliary components are used.
  • auxiliary component c) optional solvent or diluent optional solvent or diluent.
  • organic solvents in particular aromatic solvents or diluents, such as toluene, xylenes, and ketones, aldehydes, esters, alcohols or mixtures of at least two of the aforementioned solvents or diluents are suitable.
  • inorganic or organic rheological additives include, for example, kieselguhr, bentonites, smectites and attapulgites, synthetic
  • organic rheology additives or auxiliary components c) preferably include castor oil and its derivatives, such as polyamide-modified castor oil, polyolefin or polyolefin-modified polyamide, and polyamide and derivatives thereof, such as For example, they are sold under the brand name Luvotix®, as well as mixed systems of inorganic and organic rheology additives.
  • castor oil and its derivatives such as polyamide-modified castor oil, polyolefin or polyolefin-modified polyamide, and polyamide and derivatives thereof, such as For example, they are sold under the brand name Luvotix®, as well as mixed systems of inorganic and organic rheology additives.
  • adhesion promoters from the group of silanes or siloxanes can also be used as auxiliary components c).
  • auxiliary components c for example, but not limited to, dimethyl, diethyl, dipropyl, dibutyl, diphenylpolysiloxane or mixed systems thereof, such as
  • phenylethyl or phenylbutylsiloxanes or other mixing systems, as well as mixtures thereof.
  • the lacquer or the paste according to the invention can be produced in a comparatively simple and economical manner, for example by mixing, stirring or kneading the starting materials, cf. Components a), b) and optionally c), in corresponding, known to those skilled per se, common apparatuses are obtained. Furthermore, reference is made to the present inventive examples.
  • Another object of the invention is the use of a
  • Hydrodechlorination reactor as an integral part of a plant for the production of Tnchlorsilan from metallurgical silicon, characterized in that the Hydrodechlor mecanicsreaktor is operated under pressure and comprises one or more reactor tubes, which consist of ceramic material.
  • hydrodechlorination reactor to be used according to the invention can be of the kind described above.
  • the plant for the production of tochlorosilane in which the hydrodechlorination reactor can preferably be used, comprises:
  • a unit for the reaction of silicon tetrachloride with hydrogen to form Tnchlorsilan comprising:
  • silicon tetrachloride-containing gas and the hydrogen-containing gas is provided;
  • a heat exchanger which is preferably a shell-and-tube heat exchanger, through which the product gas line and at least one silicon tetrachloride line and / or the at least one hydrogen line are guided so that a heat transfer from the product gas line into the at least one
  • Silicon tetrachloride line and / or the at least one hydrogen line is possible, wherein optionally the heat exchanger comprises heat exchanger elements made of ceramic material;
  • Silicon tetrachloride trichlorosilane, hydrogen and HCl
  • Silicon tetrachloride line leads, preferably upstream of
  • conduit which carries separated hydrogen into the hydrogen conduit, preferably upstream of the heat exchanger
  • a substation for reacting metallurgical silicon with HCl to form silicon tetrachloride comprising:
  • Hydrochlorination plant is derived, this hydrogen over the Hydrogen line in the Hydrodechlor mecanicsreaktor or the arrangement of one or more reactor tubes is performed;
  • a distillation plant for separating at least silicon tetrachloride and trichlorosilane from the remaining product mixture, which originates from the reaction in the Hydrochlor mecanicsstrom, wherein the silicon tetrachloride is passed over the silicon tetrachloride line in the Hydrodechlor michsreaktor or the arrangement of one or more reactor tubes;
  • recuperator for preheating the for the combustion chamber
  • FIG. 1 shows, by way of example and schematically, a hydrodechlorination reactor which according to the invention is used in a process for reacting silicon tetrachloride with hydrogen to form trichlorosilane or as an integral part of a plant for
  • Figure 2 shows an example and schematically a plant for the production of
  • Hydrodechlorination reactor 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 stream 1, 2 which is led into the several reactor tubes 3a, 3b, 3c and one of the several 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
  • the plant shown in FIG. 2 comprises one in a combustion chamber 15
  • Hydrodechlorierungsreaktor 3 arranged Hydrodechlor michsreaktor 3, according to the invention a or a plurality of reactor tubes 3a, 3b, 3c (not shown).
  • the system shown comprises a line 1 for silicon tetrachloride-containing gas and a line
  • 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 of 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 hydrochlorination of silicon.
  • the system further comprises a capacitor 13 for separating the
  • Hydrochlorination plant 12 is derived, this hydrogen over the
  • 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
  • the reaction tube used was a tube of SSiC with a length of 1.00 mm and an internal diameter of 5 mm.
  • the reactor tube was placed in an electrically heatable tube furnace.
  • the tube furnace with the respective tube was brought to 900 ° C, with nitrogen at 3 bar was passed through the reaction tube absolute. After two hours, the nitrogen was replaced by hydrogen. After another hour in a stream of hydrogen, also below 3 bar absolute, 36.3 ml / h of silicon tetrachloride were pumped into the reaction tube. The hydrogen flow was adjusted to a molar excess of 4.2 to 1.
  • the reactor effluent was analyzed by online gas chromatography and from this the silicon tetrachloride conversion and the molar selectivity to trichlorosilane were calculated.
  • TCS trichlorosilane

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff zu Trichlorsilan in einem Hydrodechlorierungsreaktor, wobei der Hydrodechlorierungsreaktor unter Druck betrieben wird und ein oder mehrere Reaktorrohre umfasst, die aus keramischem Material bestehen. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines solchen Hydrodechlorierungsreaktors als integraler Bestandteil einer Anlage zur Herstellung von Trichlorsilan aus metallurgischem Silicium.

Description

Strömungsrohrreaktor zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid zu
Trichlorsilan
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff zu Trichlorsilan in einem Hydrodechlorierungsreaktor, wobei der Hydrodechlorierungsreaktor unter Druck betrieben wird und ein oder mehrere Reaktorrohre umfasst, die aus keramischem Material bestehen. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines solchen Hydrodechlorierungsreaktors als integraler Bestandteil einer Anlage zur Herstellung von Trichlorsilan aus metallurgischem Silicium.
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 so genannten "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 unökonomischen 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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nun, ein Verfahren zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff zu Trichlorsilan bereitzustellen, welches effizienter arbeitet und mit dem bei vergleichbarer Reaktorgröße ein höherer Umsatz erzielt werden kann, also die Raum-/Zeitausbeute an TCS erhöht wird. Des Weiteren soll das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Selektivität bezüglich TCS ermöglichen.
Zur Lösung des Problems wurde gefunden, dass ein Gemisch aus STC und
Wasserstoff durch einen druckbetriebenen röhrenartigen Reaktor geführt werden kann, der vorzugsweise einerseits mit einer katalytischen Wandbeschichtung versehen und andererseits mit einem Festbettkatalysator ausgestattet sein kann. Die Kombination aus der Verwendung eines Katalysators zur Verbesserung der Reaktionskinetik und Steigerung der Selektivität sowie eine druckbetriebene
Reaktion sorgen für eine ökonomisch und ökologisch sehr effiziente
Prozessführung. Durch geeignete Einstellung der Reaktionsparameter wie Druck, Verweilzeit, Verhältnis aus Wasserstoff zu STC kann ein Verfahren dargestellt werden, in dem hohe Raum-/Zeitausbeuten an TCS mit einer hohen Selektivität erhalten werden. Die Nutzung eines geeigneten Katalysators in Verbindung mit Druck stellt eine Besonderheit des Verfahrens dar, da so schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von deutlich unter 1 .000 °C, bevorzugt unterhalb 950 °C ausreichend hohe Mengen an TCS erzeugt werden können, ohne dass nennenswerte Verluste durch die thermische Zersetzung in Kauf genommen werden müssten.
Hierbei wurde gefunden, dass für die Reaktionsröhren des Reaktors bestimmte keramischen Materialien verwendet werden können, da sie ausreichend inert sind und auch bei hohen Temperaturen wie z. B. 1 .000 °C die Druckfestigkeit des Reaktors gewährleisten, ohne dass das keramische Material beispielsweise eine Phasenumwandlung durchläuft, die das Gefüge schädigen und somit die
mechanische Belastbarkeit negativ beeinträchtigen würde. Hierbei ist es notwendig, gasdichte Rohre einzusetzen. Die Gasdichtigkeit und Inertheit kann durch hochtemperaturfeste Keramiken erreicht werden, die unten näher spezifiziert werden.
Das Reaktorrohrmaterial kann mit einer katalytisch aktiven Innenbeschichtung versehen werden. Als zusätzliche Maßnahme kann das Reaktorrohr mit einem inerten Schüttgut befüllt werden, um die Strömungsdynamik zu optimieren. Das Schüttgut kann dabei aus dem gleichen Material bestehen wie das Reaktormaterial. Als Schüttgut können Füllkörper, wie Ringe, Kugeln, Stäbchen, oder andere geeignete Füllkörper verwendet werden. Die Füllkörper können in einer besonderen Ausführungsform zusätzlich mit einer katalytisch aktiven Beschichtung belegt sein. In diesem Fall kann gegebenenfalls auf die katalytisch aktive Innenbeschichtung verzichtet werden.
Die Dimensionierung des Reaktorrohres und das Design des kompletten Reaktors werden durch die Verfügbarkeit der Rohrgeometrie bestimmt, sowie durch die Vorgaben bezüglich der Einbringung der für die Reaktionsführung benötigten Wärme. Dabei kann sowohl ein einzelnes Reaktionsrohr mit der dazu gehörigen Peripherie eingesetzt werden als auch eine Kombination von vielen Reaktorrohren. Im letzten Fall kann die Anordnung vieler Reaktorrohre in einer beheizten Kammer sinnvoll sein, bei der die Wärmemenge beispielsweise durch Erdgasbrenner eingebracht wird. Um eine lokale Temperaturspitze an den Reaktorrohren zu vermeiden, sollten die Brenner nicht direkt auf die Rohre gerichtet sein. Sie können beispielsweise indirekt von oben in den Reaktorraum ausgerichtet und über den Reaktorraum verteilt sein, so wie in Figur 1 exemplarisch gezeigt. Zur Steigerung der Energieeffizienz kann das Reaktorsystem an ein Wärmerückgewinnungssystem angebunden werden.
Die erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe wird im Folgenden näher beschrieben einschließlich verschiedener oder bevorzugter
Ausführungsvarianten.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Umsetzung von
Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff zu Trichlorsilan in einem
Hydrodechlorierungsreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass der
Hydrodechlorierungsreaktor unter Druck betrieben wird und ein oder mehrere Reaktorrohre umfasst, die aus keramischem Material bestehen.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren bei dem bei der genannten Umsetzung ein siliciumtetrachloridhaltiges Eduktgas und ein
wasserstoffhaltiges Eduktgas in einem Hydrodechlorierungsreaktor durch Zufuhr von Wärme zur Reaktion gebracht werden unter Bildung eines trichlorsilanhaltigen und HCI-haltigen Produktgases, dadurch gekennzeichnet, dass das
siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas und/oder das wasserstoffhaltige Eduktgas als unter Druck stehende Ströme in den druckbetriebenen Hydrodechlorierungsreaktor geführt werden und das Produktgas als unter Druck stehender Strom aus dem Hydrodechlorierungsreaktor herausgeführt wird. 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 bei 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.
In allen beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens können das siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas und das wasserstoffhaltige Eduktgas auch als ein gemeinsamer Strom in den druckbetriebenen Hydrodechlorierungsreaktor geführt werden.
Das keramische Material für die ein oder mehreren Reaktorrohre 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).
Vor allem Reaktoren mit SiC-haltigen Reaktorrohren werden bevorzugt, da sie über eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit verfügen, die eine gleichmäßige
Wärmeverteilung und einen guten Wärmeeintrag für die Reaktion ermöglichen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die ein oder mehreren Reaktorrohre aus drucklos gesintertem SiC (SSiC) bestehen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas und/oder das wasserstoffhaltige Eduktgas vorzugsweise mit einem Druck im
Bereich von 1 bis 10 bar, bevorzugt im Bereich von 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 6 bar, und mit einer Temperatur im Bereich von 150 °C bis 900 °C, bevorzugt im Bereich von 300 °C bis 800 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 500 °C bis 700 °C, in den Hydrodechlorierungsreaktor geführt wird.
Die Wärmezufuhr für die Reaktion in dem Hydrodechlorierungsreaktor kann über einen Heizraum, in dem die ein oder mehreren Reaktorrohre angeordnet sind, erfolgt. Beispielsweise kann der Heizraum durch eine elektrische
Widerstandsheizung erhitzt werden. Der Heizraum kann auch eine Brennkammer sein, die mit Brenngas und Brennluft betrieben wird. Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die Umsetzung in dem
Hydrodechlorierungsreaktor durch eine die Umsetzung katalysierende
Innenbeschichtung der ein oder mehreren Reaktorrohre katalysiert wird. Die
Umsetzung in dem Hydrodechlorierungsreaktor kann zusätzlich durch eine die Umsetzung katalysierende Beschichtung eines im Reaktor bzw. in den ein oder mehreren Reaktorrohren angeordneten Festbettes katalysiert werden. Bei
Verwendung eines katalytisch aktiven Festbettes kann gegebenenfalls auf die katalytisch aktive Innenbeschichtung verzichtet werden. Bevorzugt ist jedoch, dass die Reaktorinnenwand mit einbezogen wird, da so die katalytisch nutzbare
Oberfläche gegenüber rein geträgerten Katalysatorsystemen (z. B. per Festbett), vergrößert wird.
Die katalytisch aktive(n) Beschichtung(en), also für die Reaktorinnenwand und/oder ein gegebenenfalls verwendetes Festbett, bestehen bevorzugt aus einer
Zusammensetzung, die mindestens eine aktive Komponente enthält ausgewählt aus den Metallen Ti, Zr, Hf, Ni, Pd, Pt, Mo, W, Nb, Ta, Ba, Sr, Ca, Mg, Ru, Rh, Ir oder Kombinationen daraus oder deren Silicidverbindungen, insbesondere Pt, Pt/Pd, Pt/Rh sowie Pt/Ir.
Die Reaktorinnenwand und/oder das gegebenenfalls verwendete Festbett können wie folgt mit der katalytisch aktiven Beschichtung versehen werden:
Durch Bereitstellen einer Suspension, nachfolgend auch als Lack bzw. Paste bezeichnet, enthaltend a) mindestens eine aktive Komponente ausgewählt aus den Metallen Ti, Zr, Hf, Ni, Pd, Pt, Mo, W, Nb, Ta, Ba, Sr, Ca, Mg, Ru, Rh, Ir oder Kombinationen daraus oder deren Silicidverbindungen, b) mindestens ein
Suspensionsmittel, und optional c) mindestens eine Hilfskomponente, insbesondere zur Stabilisierung der Suspension, zur Verbesserung der Lagerstabilität der
Suspension, zur Verbesserung der Haftung der Suspension auf der zu
beschichtenden Oberfläche und/oder zur Verbesserung des Auftragens der
Suspension auf die zu beschichtende Oberfläche; durch Auftragen der Suspension auf die Innenwand des einen oder der mehreren Reaktorrohre und, optional, durch Auftragen der Suspension auf die Oberfläche von Füllkörpern des gegebenenfalls vorgesehenen Festbettes; durch Trocknen der aufgetragenen Suspension; und durch Tempern der aufgetragenen und getrockneten Suspension bei einer
Temperatur im Bereich von 500 °C bis 1 .500 °C unter Inertgas oder Wasserstoff. Die getemperten Füllkörper können dann in das eine oder die mehreren
Reaktorrohre eingefüllt werden. Das Tempern und optional auch das vorherige Trocknen können aber auch bei bereits eingefüllten Füllkörpern erfolgen.
Als Suspensionsmittel gemäß Komponente b) der erfindungsgemäßen Suspension, d. h. Lack bzw. Paste, insbesondere solche Suspensionsmittel mit Bindecharakter (kurz auch als Bindemittel bezeichnet), können vorteilhaft thermoplastische polymere Acrylatharze verwendet werden, wie sie in der Farben- und Lackindustrie eingesetzt werden. Hierzu zählen beispielsweise Polymethylacrylat,
Polyethylacrylat, Polypropylmethacrylat oder Polybutylacrylat. Es handelt sich um marktübliche Systeme, beispielsweise die unter dem Markennamen Degalan® von Evonik Industries erhältlich sind.
Optional können als weitere Komponenten, d. h. im Sinne von Komponente c), vorteilhaft ein oder mehrere Hilfsstoffe bzw. Hilfskomponenten eingesetzt werden.
So kann man als Hilfskomponente c) optional Löse- oder Verdünnungsmittel einsetzen. Vorzugsweise eignen sich organische Lösemittel, insbesondere aromatische Löse- bzw. Verdünnungsmittel, wie Toluol, Xylole, sowie Ketone, Aldehyde, Ester, Alkohole oder Gemische aus mindestens zwei der zuvor genannten Löse- bzw. Verdünnungsmittel.
Eine Stabilisierung der Suspension kann - sofern erforderlich - vorteilhaft durch anorganische oder organische Rheologieadditive erreicht werden. Zu den bevorzugten anorganischen Rheologieadditiven als Komponente c) zählen beispielsweise Kieselgur, Bentonite, Smektite und Attapulgite, synthetische
Schichtsilikate, pyrogene Kieselsäure oder Fällungskieselsäure. Zu den
organischen Rheologieadditiven bzw. Hilfskomponenten c) zählen vorzugsweise Rhizinusöl und dessen Derivate, wie polyamidmodifiziertes Rhizinusöl, Polyolefin oder polyolefin-modifiziertes Polyamid, sowie Polyamid und Derivate hiervon, wie sie beispielsweise unter dem Markennamen Luvotix® vertrieben werden, sowie Mischsysteme aus anorganischen und organischen Rheologieadditiven.
Um eine vorteilhafte Haftung zu erzielen, können als Hilfskomponenten c) auch geeignete Haftvermittler aus der Gruppe der Silane oder Siloxane eingesetzt werden. Hierzu sind beispielsweise - aber nicht ausschließlich - Dimethyl-, Diethyl-, Dipropyl-, Dibutyl-, Diphenylpolysiloxan oder Mischsysteme daraus, wie
beispielsweise Phenylethyl- oder Phenylbutylsiloxane oder andere Mischsysteme, sowie Mixturen hiervon zu nennen.
Der erfindungsgemäße Lack bzw. die Paste können in vergleichsweise einfacher und wirtschaftlicher weise zum Beispiel durch Mischen, Rühren bzw. Kneten der Einsatzstoffe, vgl. Komponenten a), b) und optional c) , in entsprechenden, dem Fachmann an sich bekannten, gängigen Apparaten erhalten werden. Ferner wird auf die vorliegenden, erfindungsgemäßen Beispiele hingewiesen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines
Hydrodechlorierungsreaktors als integraler Bestandteil einer Anlage zur Herstellung von Tnchlorsilan aus metallurgischem Silicium, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrodechlorierungsreaktor unter Druck betrieben wird und ein oder mehrere Reaktorrohre umfasst, die aus keramischem Material bestehen. Der
erfindungsgemäß zu verwendende Hydrodechlorierungsreaktor kann dabei so beschaffen sein, wie dies oben beschrieben wird.
Die Anlage zur Herstellung von Tnchlorsilan, in der der Hydrodechlorierungsreaktor vorzugsweise verwendet werden kann, umfasst:
a) eine Teilanlage zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff unter Bildung von Tnchlorsilan umfassend:
- einen in einem Heizraum oder einer Brennkammer angeordneten
Hydrodechlorierungsreaktor, wobei die Anordnung bevorzugt ein oder mehrerer Reaktorrohre in einer Brennkammer umfasst;
- zumindest eine Leitung für siliciumtetrachloridhaltiges Gas und zumindest eine Leitung für wasserstoffhaltiges Gas, die in den Hydrodechlorierungsreaktor bzw. die Anordnung ein oder mehrerer Reaktorrohre führen, wobei optional anstelle getrennter Leitungen eine gemeinsame Leitung für das
siliciumtetrachloridhaltige Gas und das wasserstoffhaltige Gas vorgesehen ist;
- eine aus dem Hydrodechlorierungsreaktor herausgeführte Leitung für ein trichlorsilanhaltiges und HCI-haltiges Produktgas;
- einen Wärmetauscher, der bevorzugt ein Rohrbündelwärmetauscher ist, durch den die Produktgasleitung sowie zumindest die eine Sil iciumtetrachlorid- Leitung und/oder die zumindest eine Wasserstoff-Leitung so geführt wird, dass ein Wärmeübertrag aus der Produktgasleitung in die zumindest eine
Siliciumtetrachlorid-Leitung und/oder die zumindest eine Wasserstoff-Leitung möglich ist, wobei optional der Wärmetauscher Wärmetauscherelemente aus keramischem Material umfasst;
- optional eine Teilanlage oder eine Anordnung umfassend mehrere Teilanlagen zum Abtrennen jeweils eines oder mehrerer Produkte umfassend
Siliciumtetrachlorid, Trichlorsilan, Wasserstoff und HCl;
- optional eine Leitung, die abgetrenntes Siliciumtetrachlorid in die
Siliciumtetrachlorid-Leitung führt, vorzugsweise stromaufwärts vom
Wärmetauscher;
- optional eine Leitung über die abgetrenntes Trichlorsilan einer
Endproduktentnahme zugeführt wird;
- optional eine Leitung, die abgetrennten Wasserstoff in die Wasserstoff-Leitung führt, vorzugsweise stromaufwärts vom Wärmetauscher; und
- optional eine Leitung über die abgetrenntes HCl einer Anlage zur
Hydrochlorierung von Silicium zugeführt wird; und
eine Teilanlage zur Umsetzung von metallurgischem Silicium mit HCl unter Bildung von Siliciumtetrachlorid umfassend:
- eine der Teilanlage zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff vorgeschaltete Hydrochlorierungsanlage, wobei optional zumindest ein Teil des eingesetzten HCl via den HCI-Strom in die Hydrochlorierungsanlage geführt wird;
- einen Kondensator zum Abtrennen zumindest eines Teils des
Kopplungsprodukts Wasserstoff, der aus der Reaktion in der
Hydrochlorierungsanlage stammt, wobei dieser Wasserstoff über die Wasserstoff-Leitung in den Hydrodechlorierungsreaktor bzw. die Anordnung ein oder mehrerer Reaktorrohre geführt wird;
- eine Destillationsanlage zum Abtrennen von zumindest Siliciumtetrachlorid und Trichlorsilan aus dem übrigen Produktgemisch, welches aus der Reaktion in der Hydrochlorierungsanlage stammt, wobei das Siliciumtetrachlorid über die Siliciumtetrachlorid-Leitung in den Hydrodechlorierungsreaktor bzw. die Anordnung ein oder mehrerer Reaktorrohre geführt wird; und
- optional einen Rekuperator zur Vorwärmung der für die Brennkammer
vorgesehenen Brennluft mit dem aus der Brennkammer ausströmende
Rauchgas; und
- optional eine Anlage zur Dampferzeugung aus dem aus dem Rekuperator ausströmenden Rauchgas.
Figur 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Hydrodechlorierungsreaktor, der erfindungsgemäß in einem Verfahren zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff zu Trichlorsilan oder als integraler Bestandteil einer Anlage zur
Herstellung von Trichlorsilan aus metallurgischem Silicium verwendet werden kann.
Figur 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Anlage zur Herstellung von
Trichlorsilan aus metallurgischem Silicium in der der erfindungsgemäße
Hydrodechlorierungsreaktor verwendet werden kann.
Der in Figur 1 gezeigte Hydrodechlorierungsreaktor umfasst mehrere in einer Brennkammer 15 angeordnete Reaktorrohre 3a, 3b, 3c, einen gemeinsamen Eduktstrom 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 in Figur 2 gezeigte Anlage umfasst einen in einer Brennkammer 15
angeordneten Hydrodechlorierungsreaktor 3, der erfindungsgemäß ein oder mehrere Reaktorrohre 3a, 3b, 3c (nicht gezeigt) umfassen kann. Die gezeigte Anlage umfasst eine Leitung 1 für siliciumtetrachloridhaltiges Gas und eine Leitung
2 für wasserstoffhaltiges Gas, die beide in den Hydrodechlonerungsreaktor 3 führen, eine aus dem Hydrodechlonerungsreaktor 3 herausgeführte Leitung 4 für ein trichlorsilanhaltiges und HCI-haltiges Produktgas, einen 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.
Beispiel
Umsetzung in einem erfindungsgemäßen Reaktor: Als Reaktionsrohr wurde ein Rohr aus SSiC mit einer Länge von 1 .100 mm und einem Innendurchmesser von 5 mm verwendet. Das Reaktorrohr wurde in einen elektrisch beheizbaren Röhrenofen gestellt.
Zunächst wurde der Röhrenofen mit dem jeweiligen Rohr auf 900 °C gebracht, wobei Stickstoff bei 3 bar absolut durch das Reaktionsrohr geleitet wurde. Nach zwei Stunden wurde der Stickstoff durch Wasserstoff ersetzt. Nach einer weiteren Stunde im Wasserstoffstrom, ebenfalls unter 3 bar absolut, wurden 36,3 ml/h Siliciumtetrachlorid in das Reaktionsrohr gepumpt. Der Wasserstoffstrom wurde auf einen molaren Überschuss von 4,2 zu 1 eingestellt. Der Reaktoraustrag wurde per online Gaschromatographie analysiert und daraus der Siliciumtetrachloridumsatz und die molare Selektivität zum Trichlorsilan berechnet.
Als Nebenkomponente wurde nur Dichlorsilan gefunden. Der entstehende
Chlorwasserstoff wurde nicht herausgerechnet und nicht bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1 : Ergebnisse der katalytischen Umsetzung von STC mit Wasserstoff
STC = Siliciumtetrachlorid
TCS = Trichlorsilan
DCS = Dichlorsilan
Bezugszeichenliste
(1 ) siliciumtetrachlohdhaltiger Eduktstrom
(2) wasserstoffhaltiger Eduktstrom
(1 ,2) gemeinsamer Eduktstrom
(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 zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff zu
Trichlorsilan in einem Hydrodechlonerungsreaktor (3),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hydrodechlonerungsreaktor (3) unter Druck betrieben wird und ein oder mehrere Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) umfasst, die aus keramischem Material bestehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei bei der Umsetzung ein
siliciumtetrachloridhaltiges Eduktgas (1 ) und ein wasserstoffhaltiges Eduktgas (2) in einem Hydrodechlonerungsreaktor (3) durch Zufuhr von Wärme zur Reaktion gebracht werden unter Bildung eines
trichlorsilanhaltigen und HCI-haltigen Produktgases,
dadurch gekennzeichnet,
dass das siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas (1 ) und/oder das
wasserstoffhaltige Eduktgas (2) als unter Druck stehende Ströme in den druckbetriebenen Hydrodechlonerungsreaktor (3) geführt werden und das Produktgas als unter Druck stehender Strom (4) aus dem
Hydrodechlonerungsreaktor (3) herausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas (1 ) und das wasserstoffhaltige Eduktgas (2) in einem gemeinsamen Strom (1 ,2) in den druckbetriebenen Hydrodechlonerungsreaktor (3) geführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das keramische Material ausgewählt ist aus AI2O3, AIN, Si3N , SiCN oder SiC.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass das keramische Material ausgewählt ist aus Si-infiltriertem SiC, isostatisch gepresstem SiC, heiß isostatisch gepresstem SiC oder drucklos gesintertem SiC (SSiC).
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ein oder mehreren Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) aus drucklos
gesintertem SiC (SSiC) bestehen.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das siliciumtetrachloridhaltige Eduktgas (1 ) und/oder das
wasserstoffhaltige Eduktgas (2) mit einem Druck im Bereich von 1 bis 10 bar, bevorzugt im Bereich von 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 6 bar, und mit einer Temperatur im Bereich von 150 °C bis 900 °C, bevorzugt im Bereich von 300 °C bis 800 °C, besonders bevorzugt im
Bereich von 500 °C bis 700 °C, in den Hydrodechlorierungsreaktor (3) geführt werden.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmezufuhr für die Reaktion in dem Hydrodechlorierungsreaktor (3) über einen Heizraum (15) in welchem die ein oder mehreren Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) angeordnet sind erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Heizraum (15) durch eine elektrische Widerstandsheizung erhitzt wird oder eine Brennkammer (15) ist, die mit Brenngas (18) und Brennluft (19) betrieben wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Umsetzung in dem Hydrodechlorierungsreaktor (3) durch eine die Umsetzung katalysierende Innenbeschichtung der ein oder mehreren
Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) katalysiert wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Umsetzung in dem Hydrodechlorierungsreaktor (3) durch eine die Umsetzung katalysierende Beschichtung eines im Reaktor (3) bzw. in den ein oder mehreren Reaktorrohren (3a, 3b, 3c) angeordneten Festbettes katalysiert wird.
12. Verwendung eines Hydrodechlonerungsreaktors (3) als integraler Bestandteil einer Anlage zur Herstellung von Trichlorsilan aus metallurgischem Silicium, dadurch gekennzeichnet,
dass der Hydrodechlorierungsreaktor (3) unter Druck betrieben wird und ein oder mehrere Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) umfasst, die aus keramischem Material bestehen.
13. Verwendung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anlage zur Herstellung von Trichlorsilan aus metallurgischem Silicium umfasst:
a) eine Teilanlage zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff unter Bildung von Trichlorsilan umfassend:
- einen in einem Heizraum (15) oder einer Brennkammer (15)
angeordneten Hydrodechlorierungsreaktor (3), wobei die Anordnung bevorzugt ein oder mehrerer Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) in einer Brennkammer (15) umfasst;
- zumindest eine Leitung (1 ) für siliciumtetrachloridhaltiges Gas und zumindest eine Leitung (2) für wasserstoffhaltiges Gas, die in den Hydrodechlorierungsreaktor (3) bzw. die Anordnung ein oder mehrerer Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) führen, wobei optional anstelle getrennter Leitungen (1 ) und (2) eine gemeinsame Leitung (1 ,2) für das siliciumtetrachloridhaltige Gas und das wasserstoffhaltige Gas vorgesehen ist;
eine aus dem Hydrodechlorierungsreaktor (3) herausgeführte Leitung (4) für ein trichlorsilanhaltiges und HCI-haltiges Produktgas; einen Wärmetauscher (5), der bevorzugt ein
Rohrbündelwärmetauscher ist, durch den die Produktgasleitung (4) sowie zumindest die eine Siliciumtetrachlorid-Leitung (1 ) und/oder die zumindest eine Wasserstoff-Leitung (2) so geführt wird, dass ein Wärmeübertrag aus der Produktgasleitung (4) in die zumindest eine Siliciumtetrachlorid-Leitung (1 ) und/oder die zumindest eine
Wasserstoff-Leitung (2) möglich ist, wobei optional der
Wärmetauscher (5) Wärmetauscherelemente aus keramischem Material umfasst;
optional eine Teilanlage (7) oder eine Anordnung umfassend mehrere Teilanlagen (7a, 7b, 7c) zum Abtrennen jeweils eines oder mehrerer Produkte umfassend Siliciumtetrachlond, Trichlorsilan, Wasserstoff und HCl;
optional eine Leitung (8), die abgetrenntes Siliciumtetrachlond in die Siliciumtetrachlorid-Leitung (1 ) führt, vorzugsweise stromaufwärts vom Wärmetauscher (5);
optional eine Leitung (9) über die abgetrenntes Trichlorsilan einer Endproduktentnahme zugeführt wird;
optional eine Leitung (10), die abgetrennten Wasserstoff in die Wasserstoff-Leitung (2) führt, vorzugsweise stromaufwärts vom Wärmetauscher (5); und
optional eine Leitung (1 1 ) über die abgetrenntes HCl einer Anlage zur Hydrochlorierung von Silicium zugeführt wird; und
eine Teilanlage zur Umsetzung von metallurgischem Silicium mit HCl unter Bildung von Siliciumtetrachlond umfassend:
- eine der Teilanlage zur Umsetzung von Siliciumtetrachlond mit Wasserstoff vorgeschaltete Hydrochlorierungsanlage (12), wobei optional zumindest ein Teil des eingesetzten HCl via den HCI-Strom (1 1 ) in die Hydrochloherungsanlage (12) geführt wird;
- einen Kondensator (13) zum Abtrennen zumindest eines Teils des Kopplungsprodukts Wasserstoff, der aus der Reaktion in der Hydrochloherungsanlage (12) stammt, wobei dieser Wasserstoff über die Wasserstoff-Leitung (2) in den Hydrodechlorierungsreaktor (3) bzw. die Anordnung ein oder mehrerer Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) geführt wird;
- eine Destillationsanlage (14) zum Abtrennen von zumindest
Siliciumtetrachlorid und Trichlorsilan aus dem übrigen Produktgemisch, welches aus der Reaktion in der
Hydrochloherungsanlage (12) stammt, wobei das
Siliciumtetrachlorid über die Siliciumtetrachlorid-Leitung (1 ) in den Hydrodechlorierungsreaktor (3) bzw. die Anordnung ein oder mehrerer Reaktorrohre (3a, 3b, 3c) geführt wird; und
- optional einen Rekuperator (16) zur Vorwärmung der für die
Brennkammer (15) vorgesehenen Brennluft (19) mit dem aus der Brennkammer (15) ausströmende Rauchgas (20); und
- optional eine Anlage (17) zur Dampferzeugung aus dem aus dem Rekuperator (16) ausströmenden Rauchgas (20).
14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 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 der Hydrodechlorierungsreaktor (3), die Reaktorrohre (3a, 3b, 3c), der Heizraum (15) oder die Fahrweise des Hydrodechlorierungsreaktors (3) entsprechend den Ansprüchen 1 bis 1 1 spezifiziert ist.
16. Verwendung von keramischem Material ausgewählt aus AI2O3, AIN, Si3N , SiCN oder SiC als Werkstoff für ein Reaktorrohr (3a, 3b, 3c), wobei vorzugsweise das keramische Material ausgewählt ist aus Si-infiltriertem SiC, isostatisch gepresstem SiC, heiß isostatisch gepresstem SiC oder drucklos gesintertem SiC (SSiC).
17. Verwendung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Reaktorrohr (3a,3b,3c) ein Reaktorrohr eines
Hydrodechlorierungsreaktors (3) zur Umsetzung von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff zu Trichlorsilan ist.
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