JP2014234335A - Silane compound production apparatus and production method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シラン化合物の製造装置および製造方法に関し、具体的には、例えば工業用シリコン材料として有用なシラン化合物、特に、高純度のジシランの作製に好適な製造装置および製造方法に関するものである。 The present invention relates to a production apparatus and a production method for a silane compound, and specifically relates to a production apparatus and a production method suitable for producing, for example, a silane compound useful as an industrial silicon material, in particular, high-purity disilane. .
シラン化合物、特にモノシランやジシラン等は、シリコンウエハーの原料として使用され、特に半導体や太陽電池等の製造プロセスを含めた各種プロセスにおいて大きな需要があり、液化ガスとして大量に製造され、供給されている。ジシラン等の高次シランは、モノシラン等の低次シランを原料として、高圧・高温の反応器を用いて製造され、いくつかの製造技術が提案され、実用されている。 Silane compounds, especially monosilane and disilane, are used as raw materials for silicon wafers, and there is a great demand especially in various processes including manufacturing processes for semiconductors and solar cells, and they are produced and supplied in large quantities as liquefied gas. . Higher order silanes such as disilane are produced using a lower order silane such as monosilane as a raw material using a high pressure / high temperature reactor, and several production techniques have been proposed and put into practical use.
例えば、図4に示すような高次シランを製造するためのシステムを挙げることができる(例えば特許文献1参照)。具体的には、当該高次シランを製造するためのシステムにおいて、例えばモノシランからジシラン、ジシランからトリシラン、トリシランからテトラシランなどの、低次シランから高次シランを製造する。第1低次シラン含有流体120を、予熱器100に導入する。予熱器100は、低次シラン含有流体120を第1反応温度範囲内の温度に加熱する。・・予熱器100が第1低次シラン含有流体120を加熱して加熱低次シラン含有流体122を生成させ、これを第1反応容器または第1反応ゾーン102に導入する。・・第1ガス混合物124は、第1反応ゾーン102から出る。ガス混合物124は、主成分の低次シラン、少量の高次シラン、およびより少量のより高次の高次シランを含有する。ガス混合物124はまた、水素およびより低次の低次シランも含有する。ガス混合物124は、蒸留塔104に導入される。液体窒素を用いて、ガス混合物124を濃縮し、比較的高濃度の水素および/またはより低次の低次シランを含有する塔頂流体130、比較的高濃度の高次シランを含有する高次シラン含有流体132、および予熱器100に再循環される第2低次シラン含有流体126に分離する濃縮器112を、蒸留塔104は有する。塔頂流体130は、系内から出る。高次シラン含有流体132を蒸留塔104のポット108中に集め、それを反応工程が停止した後に蒸留によりさらに精製して、望ましくないより高次の高次シランを除去することができる(段落0013〜0019)。
For example, a system for producing a higher order silane as shown in FIG. 4 can be cited (see, for example, Patent Document 1). Specifically, in the system for producing the higher order silane, for example, higher order silane is produced from lower order silane such as monosilane to disilane, disilane to trisilane, and trisilane to tetrasilane. A first lower silane-containing
しかし、上記のような高次シランの製造システムや製造法では、以下のような種々の課題が生じることがあった。
(i)反応器(上記製造システムによれば第1反応ゾーン102)における高温条件でのシラン化合物の作製反応の後に、所定の温度まで反応生成物を冷却し、その一部を還流して未反応成分を再反応させ、高い反応効率および反応生成物の安定性を確保する。第1反応ゾーン102から供出された第一ガス混合物124は330〜350℃の高温であり、こうした高温の反応生成物から各シラン化合物を分離して取り出すには、何段階かの冷却処理を必要とするとともに、高い分離効率を得るために蒸留塔(精留塔)は不可欠である。しかしながら、上記構成例において、蒸留塔104に導入された場合、塔頂部において、高次シランを液化させることができる程度の低温にまで冷却するためには、非常に大きな熱交換面積つまり塔高さが必要となるという問題があった。具体的な量については、後述する。
(ii)また、冷却処理について、塔頂部において、低次シランを液化させるために濃縮器112において使用する冷媒についても、液体窒素を非常に大量に用いる必要があるという問題があった。特に、ジシランやトリシランの分圧が非常に低いことから、通常用いられるブラインのような−30℃程度の冷媒では機能せず、液体窒素の様な極低温の冷媒が、大量にコールドトラップのために必要となるという問題があった。具体的な量については、後述する。
(iii)特に、実際の使用現場においては、その設置場所や付帯設備の制限から、こうした製造システムに対する小型化および極低温の冷媒の低減の要請は、非常に強く、保守等の汎用性とともに大きな課題となっていた。
However, in the production system and production method of higher silane as described above, the following various problems may occur.
(I) After the preparation reaction of the silane compound under high temperature conditions in the reactor (
(Ii) Further, the cooling treatment has a problem that it is necessary to use a very large amount of liquid nitrogen for the refrigerant used in the
(Iii) Especially in actual use sites, the demand for downsizing and reduction of cryogenic refrigerants for such production systems is very strong due to the limitations of installation locations and incidental facilities, and there is a great demand for versatility such as maintenance. It was an issue.
本発明の目的は、シラン化合物の製造プロセスにおいて、大掛かりな蒸留塔(精留塔)を必要とせず、エネルギー効率が高く、極低温の冷媒の使用量が少なく、かつ複数のシラン化合物を連続的に安定した分離・精製が可能なシラン化合物の製造装置および製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is that a large-scale distillation tower (rectification tower) is not required in the production process of the silane compound, the energy efficiency is high, the amount of the cryogenic refrigerant used is small, and a plurality of silane compounds are continuously used. An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for producing a silane compound that can be separated and purified with high stability.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示すシラン化合物の製造装置および製造方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the above object can be achieved by the following silane compound production apparatus and production method, and have completed the present invention.
本発明に係るシラン化合物の製造装置は、少なくとも、給送された複数のシラン化合物を含む原料が導入される第1精留塔と、該第1精留塔の塔頂部から導出された低次シランを含む第1気相成分が導入され、冷却されて気液分離される第1コールドトラップと、前記第1精留塔の塔底部から導出された高次シランを主成分とする第1液相成分が導入される第2精留塔と、該第2精留塔の塔頂部から導出された第2気相成分が導入され、冷却されて気液分離される第2コールドトラップと、を備え、前記第1コールドトラップが、少なくとも第1分離槽および第2分離槽を有し、設定温度が順次低温化された複数段の分離槽から構成され、前記第1分離槽および第2分離槽から導出された第1凝縮液および第2凝縮液が前記第1精留塔の上段へ導入されるとともに、前記第1コールドトラップから導出される第3気相成分に含まれるモノシランを取り出し、前記第2コールドトラップから導出される第4気相成分に含まれるジシランを取り出し、前記第2精留塔の塔底部から導出される第2液相成分に含まれるトリシランを取り出すことを特徴とする。 The apparatus for producing a silane compound according to the present invention includes at least a first rectifying column into which a raw material containing a plurality of fed silane compounds is introduced, and a lower order derived from the top of the first rectifying column. A first liquid mainly composed of a first cold trap into which a first gas phase component containing silane is introduced, cooled and gas-liquid separated, and a high-order silane derived from the bottom of the first rectifying column. A second rectifying column into which a phase component is introduced, and a second cold trap into which a second gas phase component derived from the top of the second rectifying column is introduced, cooled and gas-liquid separated. The first cold trap has at least a first separation tank and a second separation tank, and is composed of a plurality of stages of separation tanks whose set temperatures are successively reduced, and the first separation tank and the second separation tank The first condensate and the second condensate derived from the upper stage of the first fractionator And introducing monosilane contained in the third gas phase component derived from the first cold trap, taking out disilane contained in the fourth gas phase component derived from the second cold trap, and Trisilane contained in the second liquid phase component derived from the bottom of the rectification column is taken out.
シラン化合物の製造システムにおいては、得られた反応生成物(本発明における原料)は、上記のように、蒸留塔における効果的な処理を確保するために、所定の冷却処理に必要な塔高さおよび適切な冷媒が必要となる。一方、リボイラで加温された精留塔下部と高次シランが冷却され液化する精留塔塔頂部までの温度勾配は、精留塔の塔径によって異なるものの、塔径に拡大による精留塔の小型化は難しい。また、温度勾配が異なる多段の精留塔による小型化も難しく、精留塔の構造自体での改善には限界があった。本発明者は、シラン化合物の製造プロセスの検証過程において、下記のような、いくつかの知見から、こうした構成によって、大掛かりな蒸留塔(精留塔)を必要とせず、エネルギー効率が高く、極低温の冷媒の使用量が少なく、かつ複数のシラン化合物を連続的に安定した分離・精製が可能なシラン化合物の製造装置を提供することが可能となった。
(i)例えば、図4に例示するような、塔底部約0℃、塔頂部約−120℃の精留塔においては、モノシラン(bp約−112℃)とジシラン(bp約−14℃)は沸点に大きな差があるため、ジシランとモノシランの分離は、約−30℃でほぼ完了する。このため精留塔内の−30℃付近から塔頂−120℃までの範囲は、気体−液体間の熱交換であるが、両者間の伝熱速度は非常に小さいため、十分な熱交換を行うには、大きな接触面積が必要であるため、結果的に精留塔が高くなる傾向があった。つまり、効率的な精留塔としての機能は、約−30℃であり、それよりも低温での分離処理は、別途の手段、例えば外部からの強制的な冷却等の手段を用いることが、効率的であるとの知見を得た。
(ii)種々の高さの精留塔から取り出した生成物の組成およびこれをさらに冷却処理(コールドトラップ)を行い、その技術的効果を確認したところ、(i)の例において、ジシランを主成分とした還流液を得ることができる約−30℃の凝縮器を含む、設定温度が順次低温化された複数段の分離槽からなるコールドトラップを用いることによって、塔高さが小さい精留塔においても、その精留機能を損なうことなく、各シラン化合物に対する高い分離効率を得ることができるとの知見を得た。
(iii)このとき、複数段の分離槽の上流段においては、極低温の冷媒を用いる必要がなく、通常使用されるブラインを冷媒で十分であるとの知見を得た。
(iv)以上から、従来の塔高さの数分の1の高さの精留塔からの生成物を、少なくとも2つの分離槽を含む、設定温度が順次低温化された複数段の分離槽から構成されるコールドトラップに導入し、順次高次シランと低次シランとの冷却・気液分離を段階的に行うとともに、各分離槽からの凝縮液を、その源流となる精留塔に還流することによって、精留塔の小型化を図ることができるとの知見を得た。また、上流段の冷却は、通常現場においで常用されるブラインを用いることができることから、極低温の冷媒の使用量を大幅に減量することが可能となるとの知見を得た。
なお、ここでいう「低次シラン」,「高次シラン」および「シラン化合物」については、後述する。
In the silane compound production system, the obtained reaction product (raw material in the present invention) has a tower height necessary for a predetermined cooling treatment in order to ensure an effective treatment in the distillation tower as described above. And an appropriate refrigerant is required. On the other hand, although the temperature gradient from the bottom of the rectifying tower heated by the reboiler and the top of the rectifying tower where the higher silane is cooled and liquefied varies depending on the tower diameter of the rectifying tower, the rectifying tower is expanded by increasing the tower diameter. It is difficult to downsize. In addition, it is difficult to reduce the size of the rectification column with different temperature gradients, and there is a limit to the improvement of the rectification column structure itself. In the process of verifying the production process of the silane compound, the present inventor does not need a large distillation column (rectification column) with such a configuration from the following knowledge, and has high energy efficiency. It has become possible to provide an apparatus for producing a silane compound in which the amount of low-temperature refrigerant used is small and a plurality of silane compounds can be continuously and stably separated and purified.
(I) For example, in a rectification tower having a tower bottom of about 0 ° C. and a tower top of about −120 ° C. as exemplified in FIG. 4, monosilane (bp about −112 ° C.) and disilane (bp about −14 ° C.) are Due to the large difference in boiling points, the separation of disilane and monosilane is almost complete at about −30 ° C. For this reason, the range from about −30 ° C. to the top of the column in the rectification column to 120 ° C. is gas-liquid heat exchange, but the heat transfer rate between the two is very small, so sufficient heat exchange is possible. This requires a large contact area, and as a result, the rectification column tends to be high. That is, the function as an efficient rectification column is about −30 ° C., and the separation treatment at a temperature lower than that can be performed by using a separate means such as forced cooling from the outside. The knowledge that it is efficient was obtained.
(Ii) The composition of the products taken out from the rectification towers of various heights and this were further subjected to cooling treatment (cold trap), and their technical effects were confirmed. In the example of (i), disilane was mainly used. A rectification column having a small column height by using a cold trap comprising a plurality of separation tanks whose set temperatures are successively reduced, including a condenser of about -30 ° C. capable of obtaining a reflux liquid as a component. In the present invention, it was found that high separation efficiency for each silane compound can be obtained without impairing the rectifying function.
(Iii) At this time, it was not necessary to use a cryogenic refrigerant in the upstream stage of the plurality of separation tanks, and it was found that the normally used brine is sufficient.
(Iv) From the above, the multistage separation tank in which the product from the rectification tower having a height that is a fraction of the height of the conventional tower includes at least two separation tanks, and the set temperatures are sequentially reduced. Introduced into a cold trap composed of the above, the higher silane and lower silane are cooled and gas-liquid separated in stages, and the condensate from each separation tank is returned to the rectification column as the source stream. As a result, it was found that the rectification tower can be miniaturized. In addition, the upstream stage cooling can use brine which is usually used in the field, so that the amount of the cryogenic refrigerant used can be greatly reduced.
The “low-order silane”, “high-order silane” and “silane compound” mentioned here will be described later.
本発明は、上記シラン化合物の製造装置であって、前記第2分離槽から導出された第2凝縮液の前記第1精留塔への導入部を、前記第1分離槽から導出された第1凝縮液の前記第1精留塔への導入部よりも上段に配設することを特徴とする。
上記シラン化合物の製造装置の第1コールドトラップにおいて、第1分離槽では、気相として濃縮された低次シランと高次シランの混合物が導出されるとともに、低次シランを一部含む高次シランを主成分とする第1凝縮液が導出される。一方、第2分離槽では、低次シランを主成分とする第3気相成分が導出されるとともに、低次シラン(第1凝縮液よりも高濃度)を一部含む高次シランを主成分とする第2凝縮液が導出される。このとき、第2凝縮液の第1精留塔への導入部を、第1凝縮液の前記第1精留塔への導入部よりも上段に配設することが好ましい。つまり、凝縮液を精留塔の還流する場合に、精留塔の精留機能を活かすためには、塔内の温度勾配に対応した位置に凝縮液を導入することが好ましく、第2凝縮液は第1凝縮液に比較して低沸点であることから、そうした凝縮液の特性にあった還流を行うことによって、よりエネルギー効率が高く、複数のシラン化合物を連続的に安定した分離・精製を行うことが可能となった。
The present invention is the above-described apparatus for producing a silane compound, wherein an introduction portion of the second condensate derived from the second separation tank into the first rectification column is derived from the first separation tank. It arrange | positions in the upper stage rather than the introduction part to the said 1st rectification tower of 1 condensate, It is characterized by the above-mentioned.
In the first cold trap of the apparatus for producing a silane compound, in the first separation tank, a mixture of low-order silane and high-order silane concentrated as a gas phase is led out and high-order silane partially containing low-order silane A first condensate containing as a main component is derived. On the other hand, in the second separation tank, a third gas phase component mainly composed of low-order silane is derived, and high-order silane partially containing low-order silane (higher concentration than the first condensate) is mainly used. The second condensate is derived. At this time, it is preferable to arrange | position the introduction part to the 1st rectification column of a 2nd condensate in the upper stage rather than the introduction part to the said 1st rectification column of a 1st condensate. That is, when the condensate is refluxed in the rectification column, in order to utilize the rectification function of the rectification column, it is preferable to introduce the condensate at a position corresponding to the temperature gradient in the column. Has a lower boiling point than the first condensate, and by performing refluxing that matches the characteristics of the condensate, it is more energy efficient and enables continuous and stable separation and purification of multiple silane compounds. It became possible to do.
本発明は、上記シラン化合物の製造装置であって、原料が前記第1精留塔に導入される流路に前置コールドトラップを設けるとともに、該前置コールドトラップ,前記第1分離槽および第2コールドトラップに供給される冷媒としてブラインを用い、前記第2分離槽に供給される冷媒として液体窒素またはメタノール/ドライアイス等の極低温の冷媒が用いられることを特徴とする。
上記のように、本発明に係るシラン化合物の製造装置において、モノシラン等シラン化合物を分離・精製するために多段の冷却処理が行われるとともに、各所に適切な温度設定が行われる。例えば、精留塔に導入される原料温度は、低温であることが好ましい反面、精留塔中段に導入される場合には、精留塔内の温度勾配に対応した温度と同等あるいは少し低い方が好ましく、第1分離槽の設定温度は、高次シランを主成分とする第1凝縮液が生成する温度以下が好ましい。一方、第2分離槽の設定温度は、高次シランが殆ど混入しない第3気相成分が生成する温度以下が好ましい。このとき、前者については、通常現場においで常用されるブラインを用い、後者についてのみ極低温の冷媒を用いることができることから、装置全体における極低温の冷媒の使用量を大幅に減量することが可能となった。
The present invention provides an apparatus for producing the above silane compound, wherein a pre-cold trap is provided in a flow path through which a raw material is introduced into the first rectification column, and the pre-cold trap, the first separation tank, and the first Brine is used as the refrigerant supplied to the two cold trap, and cryogenic refrigerant such as liquid nitrogen or methanol / dry ice is used as the refrigerant supplied to the second separation tank.
As described above, in the apparatus for producing a silane compound according to the present invention, a multi-stage cooling process is performed in order to separate and purify a silane compound such as monosilane, and an appropriate temperature setting is performed in various places. For example, the temperature of the raw material introduced into the rectifying column is preferably low, but when it is introduced into the middle of the rectifying column, it is equal to or slightly lower than the temperature corresponding to the temperature gradient in the rectifying column. The set temperature of the first separation tank is preferably equal to or lower than the temperature at which the first condensate containing high-order silane as a main component is generated. On the other hand, the set temperature of the second separation tank is preferably equal to or lower than the temperature at which the third gas phase component in which high-order silane is hardly mixed is generated. At this time, for the former, it is possible to use a brine that is usually used in the field, and to use a cryogenic refrigerant only for the latter, so it is possible to greatly reduce the amount of cryogenic refrigerant used in the entire apparatus. It became.
本発明は、上記シラン化合物の製造装置であって、前記第2分離槽の槽底部と前記第1分離槽の槽頂部を接続する帰還流路と、該帰還流路に給送ポンプおよび調整弁を設け、ことを特徴とする。
上記のように、第2分離槽では、低次シランを一部含む高次シランを主成分とする第2凝縮液が導出される。このとき、この第2凝縮液を第1精留塔に還流することによって、低次シランあるいは高次シランのうちの例えばジシランの収率を上げることができる一方、第1精留塔においては、その負荷が増加することとなる。また、第2凝縮液は、極低温の冷媒によって冷却されて生成することから、大きな冷熱を有する。本発明は、こうした第2凝縮液を第1分離槽に還流することによって、その冷熱を生かし、よりエネルギー効率が高く、複数のシラン化合物を分離・精製を行うことができるとともに、第1分離槽において再度分離処理されることによって、第1精留塔における負荷を低減しながら、低次シランおよび高次シランの収率を上げることができる。
The present invention is an apparatus for producing the silane compound, comprising a return flow path connecting a tank bottom of the second separation tank and a tank top of the first separation tank, a feed pump and a regulating valve in the return flow path Is provided.
As described above, in the second separation tank, the second condensate containing mainly the higher order silane containing a part of the lower order silane is derived. At this time, by refluxing the second condensate to the first rectifying column, the yield of, for example, disilane out of the low-order silane or the high-order silane can be increased, while in the first rectifying column, That load will increase. Moreover, since the 2nd condensate is cooled and produced | generated by a cryogenic refrigerant | coolant, it has big cold heat. According to the present invention, by refluxing the second condensate to the first separation tank, the cold energy can be utilized, the energy efficiency is higher, a plurality of silane compounds can be separated and purified, and the first separation tank By performing the separation treatment again in, the yield of the low-order silane and the high-order silane can be increased while reducing the load on the first rectification column.
また、本発明は、上記いずれかに記載のシラン化合物の製造装置を用いたシラン化合物の製造方法であって、少なくとも、下記の工程を有することを特徴とする。
(1)給送された複数のシラン化合物を含む原料が第1精留塔に導入され、
(2)第1精留塔において精留され、該第1精留塔の塔頂部から低次シランを含む第1気相成分が導出され、塔底部から高次シランを主成分とする第1液相成分が導出され、
(3)前記第1気相成分が、少なくとも第1分離槽および第2分離槽を有し、設定温度が順次低温化された複数段の分離槽から構成された第1コールドトラップに導入され、
(3−1)該第1コールドトラップにおいて冷却されて気液分離され、第3気相成分が導出され、
(3−2)前記第1分離槽および第2分離槽から導出された第1凝縮液および第2凝縮液が導出され、
(3−3)該第1凝縮液および第2凝縮液が前記第1精留塔の上段へ導入され、
(4)前記第1液相成分が、第2精留塔に導入され、
(5)該第2精留塔において精留され、該第2精留塔の塔頂部から第2気相成分が導出され、塔底部から第2液相成分が導出され、
(6)前記第2気相成分が、第2コールドトラップに導入され、
(7)該第2コールドトラップにおいて冷却されて気液分離され、第4気相成分が導出され、
(8)前記第3気相成分に含まれるモノシランを取り出し、前記第4気相成分に含まれるジシランを取り出し、前記第2液相成分に含まれるトリシランを取り出す。
こうした構成によって、大掛かりな蒸留塔(精留塔)を必要とせず、エネルギー効率が高く、極低温の冷媒の使用量が少なく、かつ複数のシラン化合物を連続的に安定した分離・精製が可能なシラン化合物の製造方法を形成することが可能となった。
In addition, the present invention is a method for producing a silane compound using any one of the above-described apparatus for producing a silane compound, and includes at least the following steps.
(1) The fed raw material containing a plurality of silane compounds is introduced into the first fractionator,
(2) First rectification is carried out in the first rectification column, a first gas phase component containing low-order silane is led out from the top of the first rectification column, and the first main component containing high-order silane from the bottom of the column. The liquid phase component is derived,
(3) The first gas phase component is introduced into a first cold trap that includes at least a first separation tank and a second separation tank, and is composed of a plurality of stages of separation tanks whose set temperatures are successively reduced,
(3-1) Cooled and gas-liquid separated in the first cold trap, the third gas phase component is derived,
(3-2) The first condensate and the second condensate derived from the first separation tank and the second separation tank are derived,
(3-3) The first condensate and the second condensate are introduced into the upper stage of the first rectifying column,
(4) The first liquid phase component is introduced into the second rectification column,
(5) rectification is performed in the second rectification column, the second gas phase component is derived from the top of the second rectification column, and the second liquid phase component is derived from the bottom of the column,
(6) The second gas phase component is introduced into the second cold trap,
(7) Cooled and gas-liquid separated in the second cold trap, the fourth gas phase component is derived,
(8) Monosilane contained in the third gas phase component is taken out, disilane contained in the fourth gas phase component is taken out, and trisilane contained in the second liquid phase component is taken out.
Such a configuration does not require a large-scale distillation column (rectification column), has high energy efficiency, uses a very low temperature refrigerant, and enables continuous and stable separation and purification of multiple silane compounds. It has become possible to form a method for producing a silane compound.
本発明は、上記シラン化合物の製造方法であって、前記第2凝縮液の一部または全量を、前記第1分離槽に帰還・導入し、該帰還流量を、前記モノシラン,ジシラン,トリシランのいずれかまたはそのいくつかの取出量を指標として、流量制御を行うことを特徴とする。
こうした構成によって、第2凝縮液の冷熱を生かし、よりエネルギー効率が高く、複数のシラン化合物を分離・精製を行うことができるとともに、第1分離槽において再度分離処理されることによって、第1精留塔における負荷を低減しながら、低次シランおよび高次シランの収率を上げることを可能にした。
The present invention is a method for producing the above silane compound, wherein a part or all of the second condensate is returned and introduced into the first separation tank, and the return flow rate is any of the monosilane, disilane, and trisilane. Alternatively, flow rate control is performed using some of the extracted amounts as an index.
With such a configuration, it is possible to separate and purify a plurality of silane compounds by making use of the cold heat of the second condensate, and to separate and purify a plurality of silane compounds. It was possible to increase the yield of low-order silane and high-order silane while reducing the load on the distillation column.
本発明に係るシラン化合物の製造装置(以下「本装置」という)は、少なくとも、給送された複数のシラン化合物を含む原料が導入される第1精留塔と、第1精留塔の塔頂部から導出された低次シランを含む第1気相成分が導入され、冷却されて気液分離される第1コールドトラップと、前記第1精留塔の塔底部から導出された高次シランを主成分とする第1液相成分が導入される第2精留塔と、該第2精留塔の塔頂部から導出された第2気相成分が導入され、冷却されて気液分離される第2コールドトラップと、を備え、第1コールドトラップが、少なくとも第1分離槽および第2分離槽を有し、設定温度が順次低温化された複数段の分離槽から構成され、第1分離槽および第2分離槽から導出された第1凝縮液および第2凝縮液が第1精留塔の上段へ導入されるとともに、前記第1コールドトラップから導出される第3気相成分に含まれるモノシランを取り出し、前記第2コールドトラップから導出される第4気相成分に含まれるジシランを取り出し、前記第2精留塔の塔底部から導出される第2液相成分に含まれるトリシランを取り出すことを特徴とする。大掛かりな蒸留塔(精留塔)を必要とせず、エネルギー効率が高く、極低温の冷媒の使用量が少なく、かつ複数のシラン化合物を連続的に安定した分離・精製が可能なシラン化合物の製造装置。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 An apparatus for producing a silane compound according to the present invention (hereinafter referred to as “this apparatus”) includes at least a first rectifying column into which a raw material containing a plurality of fed silane compounds is introduced, and a tower of the first rectifying column A first cold trap introduced with a first gas phase component containing a low-order silane derived from the top, cooled and gas-liquid separated, and a high-order silane derived from the bottom of the first fractionator A second rectifying column into which the first liquid phase component as a main component is introduced, and a second gas phase component derived from the top of the second rectifying column are introduced, cooled, and gas-liquid separated. A second cold trap, and the first cold trap includes at least a first separation tank and a second separation tank, and includes a plurality of stages of separation tanks whose set temperatures are sequentially reduced, and the first separation tank And the first condensate and the second condensate derived from the second separation tank While being introduced into the upper stage of the tower, monosilane contained in the third gas phase component derived from the first cold trap is taken out, and disilane contained in the fourth gas phase component derived from the second cold trap is taken out. The trisilane contained in the second liquid phase component derived from the bottom of the second rectification column is taken out. Manufacture of silane compounds that do not require a large distillation column (rectification column), have high energy efficiency, use a very low temperature refrigerant, and can continuously separate and purify multiple silane compounds. apparatus. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
ここで、「低次シラン」とは、モノシランあるいはモノシランを主成分とするシラン化合物(例えば、モノシランとジシランの混合物)をいうが、必ずしも混合物中のモノシランが50%以上のものだけではなく、沸点がモノシランに近い(例えば±20%以内等)物質を含む。また「高次シラン」とは、ジシランやトリシラン等のポリシランあるいはポリシランを主成分とするシラン化合物をいうが、必ずしも混合物中のポリシランが50%以上のものだけではなく、沸点がジシランを超える物質を含む。さらに「シラン化合物」とは、これらに加え、さらに高次のシランを含む化合物を総称してシラン化合物という。以下、原料を特定し、後述する検証対象物と同様、低次シランであるモノシランを主成分とし、高次シランであるジシランおよび少量のトリシランを含むシラン化合物、さらに少量の水素を含む場合を例として挙げて説明することがある。むろん原料組成が、これに限定されず、同様の沸点を有する化合物を含む場合やトリシランよりも高沸点のテトラシラン(bp約107℃)やその他の化合物が含まれる場合にも、本発明が適用可能であることはいうまでもない。 Here, “low-order silane” refers to monosilane or a silane compound containing monosilane as a main component (for example, a mixture of monosilane and disilane). Contains a substance close to monosilane (for example, within ± 20%). “Higher order silane” means polysilane such as disilane or trisilane or a silane compound containing polysilane as a main component. However, not only the polysilane in the mixture is 50% or more but also a substance having a boiling point exceeding disilane. Including. Furthermore, in addition to these, “silane compound” is a generic term for compounds containing higher order silanes. In the following, the raw materials are specified, and as in the verification target described later, a monosilane that is a low-order silane as a main component, a disilane that is a high-order silane, a silane compound containing a small amount of trisilane, and a small amount of hydrogen are examples May be described as follows. Of course, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to the case where a compound having a similar boiling point is included, or when tetrasilane (bp about 107 ° C.) having a higher boiling point than trisilane and other compounds are included. Needless to say.
<本装置の基本構成例>
本装置の基本構成例の概要を、図1に示す(第1構成例)。本装置は、給送された複数のシラン化合物を含む原料が導入される第1精留塔1と、第1精留塔1の塔頂部1aから導出された低次シランを含む第1気相成分が導入され、冷却されて気液分離される第1コールドトラップ2と、第1精留塔1の塔底部1bから導出された高次シランを主成分とする第1液相成分が導入される第2精留塔3と、第2精留塔3の塔頂部3aから導出された第2気相成分が導入され、冷却されて気液分離される第2コールドトラップ4と、を備える。第1コールドトラップ2は、設定温度が順次低温化された第1分離槽2aおよび第2分離槽2bから構成され、第1分離槽2aおよび第2分離槽2bから導出された第1凝縮液および第2凝縮液が第1精留塔1の上段の導入部1c,1dへ導入される。原料が第1精留塔1に導入され、第1コールドトラップ2から導出される第3気相成分に含まれるモノシランが取り出され、第2コールドトラップ4から導出される第4気相成分に含まれるジシランが取り出され、第2精留塔3の塔底部3bから導出される第2液相成分に含まれるトリシランが取り出される。
<Basic configuration example of this device>
An outline of a basic configuration example of the present apparatus is shown in FIG. 1 (first configuration example). The apparatus includes a
第1精留塔1には、モノシランを主成分とし、ジシラン,少量のトリシランおよび少量の水素を含む原料が導入される。このとき、原料導入流路L1に、冷却器5を設け、予め原料を約0〜10℃に冷却し、液化された状態で、第1精留塔1の中段(中位1e)に導入されることが好ましい。反応器(図示せず)等から給送された原料(反応生成物の場合約200〜300℃となることがある)を、事前に第1精留塔1の最適操作条件に冷却することによって、第1精留塔1の負荷を軽減し、効率よく高純度のシラン化合物を取り出すことができる。冷却器5に供給された冷却水等冷媒によって回収された温熱が、本装置あるいは付帯装置等の熱源に利用される。
Into the
第1精留塔1に導入された原料中には、低沸点の低次シランであるモノシランと、これに比較して高次シランの高沸点のジシランやトリシラン(bp約53℃)等のシラン化合物が混在する。原料が製造されるプロセスによって、さらに低沸点の水素(bp約−253℃)や、高沸点のテトラシラン(bp約107℃)等が微量混在することがある。このように分離すべき低次シランと高次シランの沸点の差が大きいことから、例えば所望のジシランを取り出す場合、原料を第1精留塔1の中位1eに導入されることによって、第1精留塔1内の温度勾配を有効に利用し効率よく精留することができる。また、本装置の第1精留塔1においては、後述する第1コールドトラップ2との組合せによって、多孔板やトレイ等を用いずに、上下方向に所定の長さ(例えば約3m程度)を有する中空体において上下の温度差を大きく設けた構造によって、十分な分離機能を確保することができるとの知見を得るとともに、後述するように実証することができた。具体的には、上記のように、例えばジシランからのモノシラン分離は約−30℃でほぼ完了することから、約0℃のリボイラ1rを用いることによって、内径約100mm〜数100mmを有し、長さ約2m〜数mを有することによって、塔頂温度約−30℃の第1精留塔1を構成することができる。このとき、約1〜2bar(A)の低圧条件において、第1精留塔1の塔頂部1aから温度約−50〜−20℃のモノシラン(低次シラン)を含む第1気相成分が導出され、塔底部1bから温度約−10〜10℃のジシラン(高次シラン)を主成分とする第1液相成分が導出される。
Among the raw materials introduced into the
第1精留塔1の塔頂部1aから導出された低次シランを含む第1気相成分は、流路L3を介して第1コールドトラップ2に導入される。第1コールドトラップ2は、設定温度が順次低温化された第1分離槽2aおよび第2分離槽2bから構成される。第1分離槽2aの設定温度は、高次シランを主成分とする第1凝縮液が生成する温度以下が好ましく、また低圧条件が好ましい。例えば温度約−30〜−20℃,圧力約1〜2bar(A)に設定される。導入された第1気相成分が、冷却・凝縮後、気液分離され、濃縮された低次シランと高次シランの混合物が気相で導出されるとともに、低次シランを一部含む高次シランを主成分とする第1凝縮液が導出される。第2分離槽2bの設定温度は、高次シランが殆ど混入しない気相成分が生成する温度以下が好ましく、また低圧条件が好ましい。例えば温度約−125〜−115℃,圧力約1〜2bar(A)に設定される。気相の上記混合物が、流路L4を介して導入され、さらに冷却・凝縮後、気液分離され、低次シランを主成分とする第3気相成分が導出されるとともに、濃縮された低次シランを一部含む高次シランを主成分とする第1凝縮液が導出される。第2分離槽2bの冷却は、ジシランを主成分とする原料の場合、ジシランの融点が約−130℃であることから、それ以上の温度で、かつモノシランのbp約−112℃以下であることが好ましく、極低温の冷媒を用いることが好ましい。極低温の冷媒としては、液体窒素またはメタノール/ドライアイス等を挙げることができる。一方、第1分離槽2aの冷却には、通常現場においで常用されるブラインを用いることによって、その機能を確保することができることから、極低温の冷媒の使用量を大幅に減量することができる。第1凝縮液は、流路L5を介して第1精留塔1の上段の導入部1cへ導入され、第2凝縮液は、流路L7を介して第1精留塔1の上段の導入部1dへ導入される。このとき、第1凝縮液の流量≫第2凝縮液の流量とすることによって、極低温の冷媒の使用量を減量することができるとともに、第1精留塔1における温度勾配を安定化による精留機能の安定化を図ることができる。
The first gas phase component containing low-order silane derived from the
ここで、第2分離槽2bから導出された第2凝縮液の第1精留塔1への導入部1dを、第1分離槽2aから導出された第1凝縮液の第1精留塔1への導入部1cよりも上段に配設することが好ましい。第2凝縮液は、第1凝縮液に比較して低沸点であることから、2つの凝縮液のそうした特性の差異を活かし、第1精留塔1内の温度勾配に対応した位置に凝縮液を還流することによって、よりエネルギー効率が高い精留が可能となり、複数のシラン化合物を連続的に安定した分離・精製を行うことができる。
Here, the
さらに、設定温度が順次低温化された第1分離槽2aおよび第2分離槽2bから構成された第1コールドトラップ2において、各分離槽ごとの固有の機能を利用することによって、短縮された第1精留塔1の塔高さで従前以上の精留機能を有することができる。つまり、第1分離槽2aは、第1精留塔1のコンデンサとしての機能を有するとともに、ここから導出され、第1精留塔1に還流される第1凝縮液を多くすることによって、第1精留塔1の塔高さの低減機能を有することができる。具体的には、流量の調整および設定温度を下げる(冷媒の選択および流量の増大)ことによって第1凝縮液を多くすることができる。特に塔高さが低いほど塔頂部での蒸気圧は高く、第1気相成分の導入量および第1凝縮液を多くすることができることから、より第1分離槽2aの機能を活かすことができる。また、第1凝縮液を多く設定する(設定温度を低くする)ことによって、後段の第2分離槽2bの負荷を軽減し、極低温の冷媒の使用量を減量することができる。特に、第1気相成分中に含まれる高次シランが多い場合には、第1分離槽2bにおいて凝縮・分離を多くすることによって、さらに極低温の冷媒の使用量を減量することができる。
Further, in the first
一方、第2分離槽2bは、高次シランの凝縮・分離ができる冷却温度以下であれば、冷却温度(極低温冷媒の供給量)に対する制限は殆どない。従って最低限の極低温冷媒の供給量を確保することによって第2分離槽2b機能を確保することができる。また冷却温度をそれ以下に調整することによって、低次シランの蒸気圧を制御することができ、その取り出し量を調整することができる。このとき、例えば原料中のモノシランの含有量が多く、高次シラン特にジシランの要求量が多い場合には、第1分離槽2bから第2分離槽2bへ導入されるモノシランの量を増加する。しかし、モノシランの蒸発熱は、約2.63kcal/mol(−111℃)であり、一方、ジシランの蒸発熱は、約5.11kcal/mol(−14.3℃)であることから、気相のモノシランの増加に伴う液化に必要な冷熱の増加は少ない。つまり、第2分離槽2bは、蒸発熱の小さなモノシランを分離するために好適な機能を有する。
On the other hand, as long as the
第1精留塔1の塔底部1bから導出された高次シランを主成分とする第1液相成分は、流路L2を介して第2精留塔3に導入される。第2精留塔3に導入された第1液相成分には、高次シランのジシランやトリシラン等のシラン化合物が混在し、bp約0℃を形成している。ジシラン(bp約−14℃)とトリシラン(bp約53℃)あるいはテトラシラン(bp約107℃)との沸点の差を利用して、第2精留塔3の中段(中位3e)に導入されることによって、第2精留塔3内の温度勾配を有効に利用し効率よく精留することができる。具体的には、例えば塔底部3bに設けられたリボイラ3rによって約60〜80℃に加熱してジシランやトリシランを気化させる。トリシランからのジシランの分離は、約−5℃でほぼ完了することから、塔頂部3aにおける設定温度を約−10〜0℃に設定することによって、トリシランの凝縮・分離および気相状態のジシランを確実に行うことができる。約1〜2bar(A)の低圧条件において、第2精留塔3の塔頂部3aから温度約−10〜0℃のジシランを主成分とする第4気相成分が導出され、塔底部3bから温度約60〜80℃のトリシランを主成分とする第2液相成分が導出される。このとき、トリシランからのジシランの分離は、その沸点の差が、ジシランとモノシランの沸点の差に比較して小さなことから、第2精留塔3の塔高さは、同一構造で比較しても大きなものとはならない。従って、本装置は、大掛かりな蒸留塔(精留塔)を必要とせず、エネルギー効率が高く、極低温の冷媒の使用量が少なく、かつ複数のシラン化合物を連続的に安定した分離・精製を行うことができる。
The first liquid phase component mainly composed of higher order silane derived from the
第2精留塔3の塔頂部3aから導出された第4気相成分は、流路L9を介して第2コールドトラップ4に導入される。第2コールドトラップ4の設定温度は、トリシランを含む第3凝縮液が生成する温度以下が好ましく、また低圧条件が好ましい。例えば温度約−10〜0℃,圧力約1〜2bar(A)に設定される。第2コールドトラップ4における冷却には、ブラインを冷媒として用いることによって、その機能を確保することができる。導入された第4気相成分が、冷却・凝縮後、気液分離され、流路L10を介して純度の高いジシランが気相で導出されるとともに、トリシランを一部含む高次シランを主成分とする第3凝縮液が導出される。第3凝縮液は、流路L11を介して第2精留塔3の上段の導入部3cへ導入される。
The fourth gas phase component derived from the
以上のように、本装置において、第1コールドトラップ2からモノシラン(一部水素等低沸点物が含まれることがある)、第2コールドトラップ4から高純度のジシラン、第2精留塔3の塔底部3bからトリシラン(一部テトラシラン等高沸点物が含まれることがある)を取り出すことができる。
As described above, in this apparatus, from the first
〔本装置を用いたシラン化合物の製造方法〕
以上の本装置を用い、以下の手順に操作することによって、エネルギー効率が高く、極低温の冷媒の使用量が少なく、かつ複数のシラン化合物を連続的に安定した分離・精製が可能なシラン化合物の製造方法(以下「本方法」という)を形成することができる。
(1)給送された複数のシラン化合物を含む原料が第1精留塔1に導入され、
(2)第1精留塔1において精留され、第1精留塔1の塔頂部1aから低次シランが導出され、塔底部1bから高次シランが導出され、
(3)第1精留塔1の塔頂部1aから導出された低次シランが、少なくとも第1分離槽2aおよび第2分離槽2bを有し、設定温度が順次低温化された複数段の分離槽から構成された第1コールドトラップ2に導入され、
(3−1)第1コールドトラップ2において冷却されて気液分離され、気相成分が導出され、
(3−2)第1分離槽2aおよび第2分離槽2bから導出された第1凝縮液および第2凝縮液が導出され、
(3−3)該第1凝縮液および第2凝縮液が第1精留塔1の上段1c,1dへ導入され、
(4)第1精留塔1の塔底部1bから導出された高次シランが、第2精留塔3に導入され、
(5)第2精留塔3において精留され、第2精留塔3の塔頂部3aから気相成分が導出され、塔底部3bから液相成分が導出され、
(6)第2精留塔3の塔頂部3aから導出された気相成分が第2コールドトラップ4に導入され、
(7)第2コールドトラップ4において冷却されて気液分離され、気相成分が導出され、
(8)第1コールドトラップ2から導出される気相成分に含まれるモノシランを取り出し、第2コールドトラップ4から導出される気相成分に含まれるジシランを取り出し、第2精留塔3の塔底部3bから導出される液相成分に含まれるトリシランを取り出す。
[Method for producing silane compound using this apparatus]
By using the above apparatus and operating the following procedure, the energy efficiency is high, the amount of the cryogenic refrigerant used is small, and a plurality of silane compounds can be separated and purified continuously and stably. Can be formed (hereinafter referred to as “the present method”).
(1) The fed raw material containing a plurality of silane compounds is introduced into the
(2) The rectification is performed in the
(3) A multi-stage separation in which the low-order silane derived from the top 1a of the
(3-1) Cooled in the first
(3-2) The first condensate and the second condensate derived from the
(3-3) The first condensate and the second condensate are introduced into the
(4) Higher order silane derived from the bottom 1b of the
(5) The rectification is performed in the
(6) The gas phase component derived from the top 3a of the
(7) Cooled and gas-liquid separated in the second cold trap 4 to derive a gas phase component;
(8) The monosilane contained in the gas phase component derived from the first
また、本方法において、第2凝縮液の一部または全量を、第1分離槽1に帰還・導入し、該帰還流量を、モノシラン,ジシラン,トリシランのいずれかまたはそのいくつかの取出量を指標として、流量制御を行うことが好ましい。第2凝縮液の冷熱を生かし、よりエネルギー効率が高く、複数のシラン化合物を分離・精製を行うことができるとともに、第1分離槽において再度分離処理されることによって、第1精留塔における負荷を低減しながら、低次シランおよび高次シランの収率を上げることができる。
Further, in this method, a part or all of the second condensate is returned to and introduced into the
<本装置の他の構成例>
本装置の他の構成例として、第2コールドトラップ4が複数の分離槽から構成された装置の概要を、図2に示す(第2構成例)。上記第1構成例において、第2コールドトラップ4が、設定温度が順次低温化された第3分離槽4aおよび第4分離槽4bから構成され、第3分離槽4aおよび第4分離槽4bから導出された第3凝縮液および第4凝縮液が、第2精留塔3の上段の導入部3c,3dへ導入される。第3分離槽4aおよび第4分離槽4bにおいて、冷媒としてブラインを使用することができる。第2精留塔3の塔頂部3aから導出された高次シランを、第3分離槽4aおよび第4分離槽4bに導入することによって、高次シラン中のジシラン成分を、微量残留するトリシラン等のさらに高次のポリシランと分離することができる。また、第2精留塔3の塔頂の第2コールドトラップ4として、第1構成例における第1精留塔1の塔頂に設けられた第1コールドトラップ2と同様の構成を形成することによって、よりエネルギー効率の向上と第2精留塔3の塔高さの短縮を図ることができる。
<Other configuration examples of the apparatus>
As another configuration example of the present apparatus, an outline of an apparatus in which the second cold trap 4 includes a plurality of separation tanks is shown in FIG. 2 (second configuration example). In the first configuration example, the second cold trap 4 includes the
具体的には、例えば塔底部3bにおいて約60〜80℃に加熱された第2精留塔3の塔頂部3aから、温度約20〜40℃のジシランを主成分とする高沸点成分に富んだ第2気相成分が導出され、流路L9を介して約0〜10℃に設定された第3分離槽4aに導入され、さらに流路L10を介して約−10〜0℃に設定された第4分離槽4bに導入され、さらに分離される。分離された気体ジシラン(第4気相成分)は、第4分離槽4bの上部から流路12を介して取り出される。第3分離槽4aから導出された第3凝縮液が、流路L11を介して第2精留塔3の上段の導入部3cへ導入されるとともに、第4分離槽4bから導出された第4凝縮液が、流路L13を介して第2精留塔3の上段の導入部3dへ導入される。原料が第1精留塔1に導入され、第1コールドトラップ2から導出される第3気相成分に含まれるモノシランが取り出され、第2コールドトラップ4から導出される第4気相成分に含まれるジシランが取り出され、第2精留塔3の塔底部3bから導出される第2液相成分に含まれるトリシランを取り出すことができる。操作性や安定性がよく、半導体プロセス等において有用される高純度ジシランを、効率よく取り出すことができる。また、こうした構成によって、例えば塔底部において約60〜80℃とし、塔底部において約−10〜0℃とする同一構造の精留塔に比較して、約1/2程度の塔高さに短縮することができる。
Specifically, for example, from the
なお、上記第2構成例においては、高純度のジシランを第4気相成分として取り出す態様について説明したが、高純度のジシランを液相成分として取り出す態様に適用することも可能である(図示せず)。例えば、第3分離槽4aを約−10〜0℃に設定し、第2精留塔3と第3分離槽4aにおいてトリシラン等との分離を完結し、第4分離槽4bを約−30〜−20℃に設定することによって、高純度のジシランを液相成分(第4凝縮液)として取り出すことができる。また、流路L13を介して第2精留塔3の上段の導入部3dへ導入される第4凝縮液の一部を高純度のジシランとして取り出すことができる。
In the second configuration example, the mode in which high-purity disilane is extracted as the fourth gas phase component has been described. However, the present invention can be applied to a mode in which high-purity disilane is extracted as the liquid phase component (not shown). ) For example, the
〔本装置の第3構成例〕
本装置の他の構成例として、上記構成例において、第1コールドトラップ2として、第2分離槽2bの槽底部と第1分離槽2aの槽頂部を接続する帰還流路L7と、帰還流路L7に給送ポンプ2cおよび調整弁2dを設けた構成を用いた装置を、図3に示す(第3構成例)。第2分離槽2bから導出される第2凝縮液を第1分離槽2aに還流することによって、第2凝縮液が有する大きな冷熱を生かし、よりエネルギー効率が高く、複数のシラン化合物を分離・精製を行うことができるとともに、第1分離槽2aにおいて再度分離処理されることによって、第1精留塔1における負荷を低減しながら、低次シランおよび高次シランの収率を上げることができる。
[Third configuration example of the apparatus]
As another configuration example of the present apparatus, in the above configuration example, as the first
具体的には、第2分離槽2bから導出される第2凝縮液を、帰還流路L7を介して第1分離槽2aに還流し、その帰還流量が、帰還流路L7に設けた給送ポンプ2cおよび調整弁2dによって調整される。帰還流量をモノシラン,ジシラン,トリシランのいずれかまたはそのいくつかの取出量を指標として、流量制御が行われる。原料中のシラン化合物の組成あるいはその変動に応じて、低次シランの取り出し量を調整し、第1分離槽2aにおける分離機能を調整することによって、所望の低次シランおよび高次シランの収率を上げることができる。
Specifically, the second condensate derived from the
<本装置の機能の検証>
本装置,本方法における優れた機能を検証するために、同一原料を用い、同一シラン化合物を得るための本装置と従来技術に係る装置(以下「従来装置」という)における、構造,各部の条件および必要となる冷媒の種類と量の比較・検証を行った。
<Verification of the functions of this device>
In order to verify the superior functions of this device and this method, the structure and conditions of each part in this device and the device according to the prior art (hereinafter referred to as “conventional device”) for obtaining the same silane compound using the same raw material We also compared and verified the type and amount of refrigerant required.
〔検証条件〕
原料として、モノシランを主成分とするシラン化合物A(水素H212wt%,モノシランSiH457wt%,ジシランSi2H622wt%,トリシランSi3H89wt%)およびジシランを主成分とするシラン化合物B(H21wt%,SiH42wt%,Si2H694wt%,Si3H83wt%)を準備し、ジシランを製品ガス,トリシランを製品液体として精製分離処理を行った。両装置における各部(図1の各流路)の温度,圧力および組成を測定した。第1コールドトラップ2に用いる冷媒として、従来装置では液体窒素のみ、本装置では第2分離槽のみ液体窒素を用い、そのときの消費量および冷却機能に関連する電力等を測定した。また、
[Verification conditions]
Silane compound A (hydrogen H 2 12 wt%, monosilane SiH 4 57 wt%, disilane Si 2 H 6 22 wt%, trisilane Si 3 H 8 9 wt%) and disilane as a main component as raw materials B (
〔検証結果〕
(i)精留塔の構造の比較
第1精留塔内の温度勾配を設定し、塔底温度0度条件下において、塔頂温度−30℃の本装置および塔頂温度−120℃の従来装置について、塔径を指標として必要な塔高さを比較した結果を、表1に示す。本装置が、従来装置の約1/4の高さで、同一機能を得ることができるとの結果を得た。
〔inspection result〕
(I) Comparison of the structure of the rectifying column A temperature gradient in the first rectifying column is set, and the apparatus at the column top temperature of -30 ° C and the conventional system at the column top temperature of -120 ° C under the condition of the column bottom temperature of 0 ° C. Table 1 shows the results of comparing the required tower heights using the tower diameter as an index for the apparatus. The result that this apparatus can obtain the same function at about 1/4 height of the conventional apparatus was obtained.
(ii)装置各部の態様の比較
塔径200mmの塔高さ3mの本装置および塔高さ12mの従来装置を用い、シラン化合物AおよびBを原料としたときの、両装置の第1精留塔における各流路の温度,圧力および組成を、表2および3に示す。いずれも流路L5を介して第1精留塔に還流される凝縮液の組成において、本装置の方が、モノシランの濃度が非常に低く、効果的に分離されている結果を得た。また、水素が原料に含まれる場合には、従来装置において、還流される凝縮液中に未だ分離されない水素が含まれている結果を得た。いずれについても、本装置の方が、第1精留塔の負荷を軽減することができる。塔高さのみならず、精留・分離処理においても優れた機能を有することを示す結果であった。
(Ii) Comparison of modes of each part of the apparatus The first rectification of both apparatuses using the present apparatus having a tower height of 3 mm and a conventional apparatus having a tower height of 12 m and silane compounds A and B as raw materials. Tables 2 and 3 show the temperature, pressure and composition of each flow path in the tower. In either case, in the composition of the condensate refluxed to the first rectification column via the flow path L5, the present apparatus obtained a result that the monosilane concentration was much lower and was effectively separated. Moreover, when hydrogen was contained in the raw material, in the conventional apparatus, the result that the hydrogen which is not yet isolate | separated was contained in the recirculated condensate was obtained. In any case, the present apparatus can reduce the load on the first rectification column. This result shows that it has an excellent function not only in the tower height but also in the rectification / separation treatment.
〔表2〕シラン化合物Aを原料とした場合
〔表3〕シラン化合物Bを原料とした場合
(iii)液体窒素を含む冷却機能に係る電力の比較
上記(ii)の条件下において、液体窒素の消費量および冷却機能に係る電力等について、本装置と従来装置の比較を行った。その結果を表4に示す。本装置が、非常にエネルギー効率が高く、液体窒素(極低温の冷媒)の使用量が少ないという優れた機能を有することを示す結果であった。
(iii−1)従来装置は、液化窒素によって約6.622kWの冷却能力を供給する必要があった。液化窒素1Nm3/h当たり回収できる冷却能力は、約0.0970kWであり、液化窒素を約68.3Nm3/h消費した。一方、本装置では、液化窒素により供給が必要な冷却能力は、約3.998kWであった。液化窒素を約41.2Nm3/h消費した。以上から、本装置は、従来装置に比較して約27.1Nm3/hの液化窒素の消費量を削減することができるとの結果を得た。
(iii−2)また、本装置では、第1分離槽において−30℃まで冷却するために、冷凍機により約2.624kWの冷却能力(ブライン)が必要となる。そこで、液化窒素の消費量だけではなく、両装置の冷却処理において必要となるエネルギーを電力換算し、比較する。つまり、液化窒素の消費量および分離槽(冷却器)による冷却能力を得るために必要な電力を比較する。
窒素ガスを液化窒素にするために必要な液化原単位は、約0.526kWh/Nm3必要である。これに対し、冷凍機によって1kWの冷却能力を得るためには、約0.956kWの電力が必要である。
(iii−3)以上から、従来装置において必要な冷却能力を得るためには、
68.3[Nm3/h]×0.526[kWh/Nm3]=35.9[kW]
が必要となる。
一方、本装置において必要な冷却能力を得るためには、
41.2[Nm3/h]×0.526[kWh/Nm3] (=21.7)
+2.624[kW]×0.956[kW/kW] (=2.51)
=24.2[kW]
が必要となる。
よって、削減される電力は、総量で約11.7kW(従来装置基準で−33%)となる。
(Iii) Comparison of Electric Power Related to Cooling Function Containing Liquid Nitrogen Under this condition (ii), the present apparatus was compared with the conventional apparatus with respect to liquid nitrogen consumption, electric power related to the cooling function, and the like. The results are shown in Table 4. The results show that this apparatus has an excellent function of being very energy efficient and using a small amount of liquid nitrogen (a cryogenic refrigerant).
(Iii-1) The conventional apparatus needs to supply a cooling capacity of about 6.622 kW by liquefied nitrogen. The cooling capacity that can be collected per 1 Nm 3 / h of liquefied nitrogen was about 0.0970 kW, and about 68.3 Nm 3 / h of liquefied nitrogen was consumed. On the other hand, in this apparatus, the cooling capacity that needs to be supplied by liquefied nitrogen was about 3.998 kW. About 41.2 Nm 3 / h of liquefied nitrogen was consumed. From the above, it was obtained that this apparatus can reduce the consumption of liquefied nitrogen of about 27.1 Nm 3 / h compared to the conventional apparatus.
(Iii-2) Moreover, in this apparatus, in order to cool to -30 degreeC in a 1st separation tank, about 2.624 kW cooling capacity (brine) is needed with a refrigerator. Therefore, not only the consumption of liquefied nitrogen but also the energy required for the cooling process of both devices is converted into electric power and compared. That is, the amount of liquefied nitrogen consumed and the power required to obtain the cooling capacity of the separation tank (cooler) are compared.
About 0.526 kWh / Nm 3 is required for the liquefaction basic unit necessary for converting nitrogen gas into liquefied nitrogen. On the other hand, in order to obtain a cooling capacity of 1 kW by the refrigerator, about 0.956 kW of electric power is required.
(Iii-3) From the above, in order to obtain the cooling capacity required in the conventional apparatus,
68.3 [Nm 3 /h]×0.526[kWh/Nm 3] = 35.9 [kW]
Is required.
On the other hand, in order to obtain the required cooling capacity in this device,
41.2 [Nm 3 /h]×0.526[kWh/Nm 3] ( = 21.7)
+2.624 [kW] × 0.956 [kW / kW] (= 2.51)
= 24.2 [kW]
Is required.
Therefore, the total amount of power to be reduced is about 11.7 kW (−33% based on the conventional apparatus).
1 第1精製塔
1a,3a 塔頂部
1b,3b 塔底部
1c,1d,3c 導入部
1e,3e 中位
1r,3r リボイラ
2 第1コールドトラップ
2a 第1分離槽
2b 第2分離槽
3 第2精留塔
4 第2コールドトラップ
5 冷却器
L1〜L11 流路
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1コールドトラップが、少なくとも第1分離槽および第2分離槽を有し、設定温度が順次低温化された複数段の分離槽から構成され、前記第1分離槽および第2分離槽から導出された第1凝縮液および第2凝縮液が前記第1精留塔の上段へ導入されるとともに、
前記第1コールドトラップから導出される第3気相成分に含まれるモノシランを取り出し、前記第2コールドトラップから導出される第4気相成分に含まれるジシランを取り出し、前記第2精留塔の塔底部から導出される第2液相成分に含まれるトリシランを取り出すことを特徴とするシラン化合物の製造装置。 At least a first rectifying column into which a raw material containing a plurality of fed silane compounds is introduced, and a first gas phase component containing a low-order silane derived from the top of the first rectifying column are introduced. A first cold trap which is cooled and gas-liquid separated, and a second rectifying column into which a first liquid phase component mainly composed of higher order silane derived from the bottom of the first rectifying column is introduced. And a second cold trap into which the second gas phase component derived from the top of the second rectification column is introduced, cooled and gas-liquid separated, and
The first cold trap has at least a first separation tank and a second separation tank, and is composed of a plurality of stages of separation tanks whose set temperatures are successively reduced, and is derived from the first separation tank and the second separation tank. And the introduced first condensate and second condensate are introduced into the upper stage of the first rectifying column,
Monosilane contained in the third gas phase component derived from the first cold trap is taken out, disilane contained in the fourth gas phase component derived from the second cold trap is taken out, and the tower of the second rectification column An apparatus for producing a silane compound, wherein trisilane contained in the second liquid phase component derived from the bottom is taken out.
(1)給送された複数のシラン化合物を含む原料が第1精留塔に導入され、
(2)第1精留塔において精留され、該第1精留塔の塔頂部から低次シランを含む第1気相成分が導出され、塔底部から高次シランを主成分とする第1液相成分が導出され、
(3)前記第1気相成分が、少なくとも第1分離槽および第2分離槽を有し、設定温度が順次低温化された複数段の分離槽から構成された第1コールドトラップに導入され、
(3−1)該第1コールドトラップにおいて冷却されて気液分離され、第3気相成分が導出され、
(3−2)前記第1分離槽および第2分離槽から導出された第1凝縮液および第2凝縮液が導出され、
(3−3)該第1凝縮液および第2凝縮液が前記第1精留塔の上段へ導入され、
(4)前記第1液相成分が、第2精留塔に導入され、
(5)該第2精留塔において精留され、該第2精留塔の塔頂部から第2気相成分が導出され、塔底部から第2液相成分が導出され、
(6)前記第2気相成分が、第2コールドトラップに導入され、
(7)該第2コールドトラップにおいて冷却されて気液分離され、第4気相成分が導出され、
(8)前記第3気相成分に含まれるモノシランを取り出し、前記第4気相成分に含まれるジシランを取り出し、前記第2液相成分に含まれるトリシランを取り出す。 A method for producing a silane compound, comprising at least the following steps using the apparatus for producing a silane compound according to claim 1.
(1) The fed raw material containing a plurality of silane compounds is introduced into the first fractionator,
(2) First rectification is carried out in the first rectification column, a first gas phase component containing low-order silane is led out from the top of the first rectification column, and the first main component containing high-order silane from the bottom of the column. The liquid phase component is derived,
(3) The first gas phase component is introduced into a first cold trap that includes at least a first separation tank and a second separation tank, and is composed of a plurality of stages of separation tanks whose set temperatures are successively reduced,
(3-1) Cooled and gas-liquid separated in the first cold trap, the third gas phase component is derived,
(3-2) The first condensate and the second condensate derived from the first separation tank and the second separation tank are derived,
(3-3) The first condensate and the second condensate are introduced into the upper stage of the first rectifying column,
(4) The first liquid phase component is introduced into the second rectification column,
(5) rectification is performed in the second rectification column, the second gas phase component is derived from the top of the second rectification column, and the second liquid phase component is derived from the bottom of the column,
(6) The second gas phase component is introduced into the second cold trap,
(7) Cooled and gas-liquid separated in the second cold trap, the fourth gas phase component is derived,
(8) Monosilane contained in the third gas phase component is taken out, disilane contained in the fourth gas phase component is taken out, and trisilane contained in the second liquid phase component is taken out.
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