JP2613262B2 - Method for producing trichlorosilane - Google Patents
Method for producing trichlorosilaneInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は四塩化ケイ素と水素からトリクロロシランを
製造する方法に関する。Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing trichlorosilane from silicon tetrachloride and hydrogen.
従来の技術 近年のエレクトロニクス産業の発展に伴い、多結晶シ
リコン、モノシランガス等の需要は急激に増大してお
り、今後益々その需要は増加の一途を辿ることが見込ま
れている。ここに於てトリクロロシランは上記シリコン
物質の原料として最も大量に利用されているものであ
る。例えば高純度多結晶シリコンはトリクロロシランの
熱分解によって製造されており、現在全世界での高純度
多結晶シリコンの殆どがこの方法で製造されている。又
最近トリクロロシランの不均化反応によってモノシラン
が製造される方法が実用化されつつあり、トリクロロシ
ラン需要は今後その重要性が極めて増大する。然し乍
ら、これらの方法においてはトリクロロシランが消費さ
れると共に大量の四塩化ケイ素が副生する。例えばトリ
クロロシランの熱分解による高純度多結晶シリコンの製
造に於ては、トリクロロシランの約60%が四塩化ケイ素
として副生し、又トリクロロシランの不均化によるモノ
シランの製造においては、実質的にモノシランの3倍モ
ルの四塩化ケイ素が副生する事になる。従ってこの副生
した四塩化ケイ素は例えばアエロジル等の原料として利
用する事で、トリクロロシランの生産価格を低減する方
法等が知られているが、実質上最も優れた四塩化ケイ素
の利用方法は、これを再びトリクロロシランに変換し、
上記方法の原料として再利用する事である。例えば四塩
化ケイ素をトリクロロシランに変換する事によって、ト
リクロロシランの不均化によるモノシランの製造は、実
質的に金属ケイ素と水素によってモノシランを製造する
プロセスに帰着し、このプロセスは最近実用化されつつ
ある。2. Description of the Related Art With the recent development of the electronics industry, demand for polycrystalline silicon, monosilane gas, and the like has been rapidly increasing, and it is expected that the demand will continue to increase in the future. Here, trichlorosilane is the most widely used as a raw material of the silicon substance. For example, high-purity polycrystalline silicon is produced by pyrolysis of trichlorosilane, and most of high-purity polycrystalline silicon worldwide is currently produced by this method. Recently, a method for producing monosilane by the disproportionation reaction of trichlorosilane is being put into practical use, and the importance of trichlorosilane will be greatly increased in the future. However, in these methods, trichlorosilane is consumed and a large amount of silicon tetrachloride is by-produced. For example, in the production of high-purity polycrystalline silicon by thermal decomposition of trichlorosilane, about 60% of trichlorosilane is by-produced as silicon tetrachloride, and in the production of monosilane by disproportionation of trichlorosilane, substantially, In addition, three times the mole of silicon tetrachloride as monosilane is by-produced. Therefore, by using this by-produced silicon tetrachloride as a raw material such as Aerosil, for example, a method of reducing the production price of trichlorosilane is known.However, the most excellent method of using silicon tetrachloride is, This is converted back to trichlorosilane,
It is to reuse as a raw material of the above method. For example, by converting silicon tetrachloride to trichlorosilane, the production of monosilane by disproportionation of trichlorosilane substantially results in a process of producing monosilane from metallic silicon and hydrogen, and this process has recently been put into practical use. is there.
従って四塩化ケイ素をトリクロロシランに変換する技
術は極めて有用であり、特にこれを安価、簡便かつ効率
よく行う事はプロセスの経済上極めて重要である。Therefore, the technique of converting silicon tetrachloride to trichlorosilane is extremely useful, and in particular, it is extremely important to carry out this process inexpensively, simply, and efficiently in terms of the economy of the process.
従来、四塩化ケイ素をトリクロロシランに変換する方
法としては次の方法が知られている。Conventionally, the following method is known as a method for converting silicon tetrachloride into trichlorosilane.
(1)四塩化ケイ素と水素を1000℃又はそれ以上で反応
させトリクロロシランを製造する方法。(1) A method for producing trichlorosilane by reacting silicon tetrachloride with hydrogen at 1000 ° C. or higher.
(2)四塩化ケイ素、水素及び金属ケイ素を500℃付近
で反応させトリクロロシランを製造する方法。(2) A method of producing trichlorosilane by reacting silicon tetrachloride, hydrogen and metal silicon at around 500 ° C.
(3)四塩化ケイ素、水素、金属ケイ素及び塩化水素を
500℃付近で反応させトリクロロシランを製造する方
法。(3) Silicon tetrachloride, hydrogen, metal silicon and hydrogen chloride
A method of producing trichlorosilane by reacting at around 500 ° C.
(1)の方法に関しては、例えば特開昭57−3711号に
於ては1100〜1600℃で水素及び四塩化ケイ素を上記温度
の発熱体に吹き付ける方法で、トリクロロシランが約60
%の収率で得られている。又特開昭57−156318号では、
第一段目で900℃の温度に於て水素と四塩化ケイ素をモ
ル比H2/SiCl4=2で反応させ、25%の収率でトリクロロ
シランを得ている。特開昭59−45920号に於ては、プラ
ズマ中で四塩化ケイ素と水素を反応させてトリクロロシ
ランを得ている。特開昭60−81010号に於ては、1200〜1
400℃の温度範囲で四塩化ケイ素と水素を反応させて、
約30%の収率でトリクロロシランを得ている。Regarding the method (1), for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-3711 discloses a method in which hydrogen and silicon tetrachloride are sprayed at a temperature of 1100 to 1600 ° C. onto a heating element at the above-mentioned temperature.
% Yield. In JP-A-57-156318,
In the first stage, hydrogen and silicon tetrachloride are reacted at a temperature of 900 ° C. at a molar ratio of H 2 / SiCl 4 = 2 to obtain trichlorosilane in a yield of 25%. In JP-A-59-45920, trichlorosilane is obtained by reacting silicon tetrachloride with hydrogen in plasma. In JP-A-60-81010, 1200-1
Reaction of silicon tetrachloride and hydrogen in a temperature range of 400 ° C,
Trichlorosilane is obtained with a yield of about 30%.
(2)の方法は(1)の方法に比較して比較的低温で
反応が進行し熱的に有利な方法であるといえる。又
(2)の方法で更に有効に反応を進行させる為に塩化水
素ガスを使用する(3)の方法も、当然の事乍ら同様な
特徴を有している。(2)及び(3)の方法に関しては
触媒を用いる事が有効であり、銅化合物又は金属銅を触
媒としている。例えば特開昭56−73617号に於ては、銅
粉を触媒として350〜600℃で流動床反応を行いトリクロ
ロシランを得ている。又特開昭58−11042号に於ては、
銅担持又は銅及びニッケルを担持した触媒を用いて反応
を行いトリクロロシランを得ている。It can be said that the method (2) is a thermally advantageous method in which the reaction proceeds at a relatively low temperature as compared with the method (1). The method of (3) using hydrogen chloride gas to promote the reaction more effectively by the method of (2) naturally has the same characteristics. For the methods (2) and (3), it is effective to use a catalyst, and a copper compound or metallic copper is used as the catalyst. For example, in JP-A-56-73617, a fluidized bed reaction is carried out at 350 to 600 ° C. using copper powder as a catalyst to obtain trichlorosilane. Also, in JP-A-58-11042,
The reaction is carried out using a catalyst supporting copper or supporting copper and nickel to obtain trichlorosilane.
これらの方法に於て例えば(1)の方法ではかなり高
い四塩化ケイ素の転化率でトリクロロシランが得られる
が、とりわけ30%以上の収率でトリクロロシランを得る
為には1000℃以上の高温で反応を行う為、これに費やす
熱量は莫大なものである。加えて高温反応である為、塩
化ケイ素による反応器等の腐食が激しく、更に望ましく
ない高分子量の塩化ケイ素類が不可避的に副生する等の
欠点を有しており、未だ実用化には程遠い。In these methods, for example, in the method (1), trichlorosilane can be obtained at a considerably high conversion of silicon tetrachloride. In particular, in order to obtain trichlorosilane in a yield of 30% or more, at a high temperature of 1000 ° C. or more. The amount of heat consumed for performing the reaction is enormous. In addition, since it is a high-temperature reaction, it has severe drawbacks such as severe corrosion of reactors and the like by silicon chloride, and inevitably produces undesirable high-molecular-weight silicon chlorides as by-products. .
これに対し、(2)及び(3)の方法は熱力学的見地
からもトリクロロシランの製造に有用な方法であり、前
記した様にトリクロロシランの不均化によるモノシラン
を製造する方法で副生する四塩化ケイ素からトリクロロ
シランを製造する事は、特に(2)の方法では実質的に
は金属ケイ素と水素からモノシランを製造する事となる
為、非常に有用な方法であるといえる。尚、(3)の方
法に於てはトリクロロシランの収量は多いが、塩化水素
は四塩化ケイ素のトリクロロシランへの変換には関与せ
ず、実質的には金属ケイ素からトリクロロシランを合成
する事となる。従って四塩化ケイ素の再利用という観点
からすれば(2)の方法よりは幾分有用性は劣るが、一
方トリクロロシランの収量が多いという利点も有してお
り、塩化水素を少量使用する事により、その特徴を発揮
させる事が望ましい。On the other hand, the methods (2) and (3) are also useful for producing trichlorosilane from a thermodynamic point of view. As described above, by-products are produced by the method for producing monosilane by disproportionation of trichlorosilane. The production of trichlorosilane from silicon tetrachloride is a very useful method, particularly since the method (2) essentially produces monosilane from metallic silicon and hydrogen. In the method (3), although the yield of trichlorosilane is large, hydrogen chloride does not participate in the conversion of silicon tetrachloride to trichlorosilane, and trichlorosilane is substantially synthesized from metal silicon. Becomes Therefore, from the viewpoint of recycling silicon tetrachloride, although the method is somewhat less useful than the method (2), it also has an advantage that the yield of trichlorosilane is large. It is desirable to exhibit its characteristics.
更に、これら(2)及び(3)の方法を組合せたプロ
セスも知られている(特開昭60−36318号)。以上の方
法に於て四塩化ケイ素の有効再利用という観点からすれ
ば(2)の方法が最も優れており、又トリクロロシラン
の生成という観点からすれば(3)の方法も優れた方法
であり捨て難い。即ち(2)又は(3)の方法は経済性
も高く、特に(2)の方法は現在本命の方法として実用
化されつつある。Furthermore, a process combining these methods (2) and (3) is also known (JP-A-60-36318). Among the above methods, the method (2) is the most excellent from the viewpoint of effective reuse of silicon tetrachloride, and the method (3) is also an excellent method from the viewpoint of formation of trichlorosilane. Hard to throw away. That is, the method (2) or (3) is highly economical, and especially the method (2) is currently being put to practical use as the method of choice.
然し乍ら、(2)の方法に於ては、反応は通常500〜6
00℃で行われており、300℃程度の低温では反応は殆ど
進行せず、実質的にトリクロロシランが生成した例はな
い。又この(2)の方法に於ては従来大量かつ連続的に
トリクロロシランを製造する場合には、気体−固体相流
動床装置が用いられている。然し乍ら、500〜600℃と高
い温度で行う為、原料塩化シランは高温領域では腐食性
が大きく、工業的にトリクロロシランを製造するには装
置の腐食が大きな問題となり、更には、高温である為高
分子量のクロロシラン類の生成によるトリクロロシラン
の選択率の低下、熱量の大量使用といった、工業化の為
には更に解決されるべき多くの欠点を有している。However, in the method (2), the reaction is usually 500 to 6
The reaction is carried out at 00 ° C, and at a low temperature of about 300 ° C, the reaction hardly proceeds, and there is no example in which trichlorosilane is substantially generated. In addition, in the method (2), a gas-solid phase fluidized bed apparatus has conventionally been used for producing trichlorosilane in large quantities and continuously. However, since it is performed at a high temperature of 500 to 600 ° C., the raw material silane chloride is highly corrosive in a high temperature range, and corrosion of equipment becomes a serious problem in industrial production of trichlorosilane. There are many disadvantages to be solved for industrialization, such as a decrease in the selectivity of trichlorosilane due to the production of high-molecular-weight chlorosilanes and the use of a large amount of heat.
発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、四塩化ケイ素と金属ケイ素及び水素
との反応でトリクロロシランを製造するに際し、従来の
触媒に比べて極めて反応活性の高い触媒を見出し、300
℃程度の反応温度領域に於ても極めて有効にトリクロロ
シランを製造する経済的利点のある方法を提供すること
にある。Problems to be Solved by the Invention The object of the present invention is to produce a trichlorosilane by reacting silicon tetrachloride with metallic silicon and hydrogen, and found a catalyst having a very high reaction activity as compared with a conventional catalyst.
It is an object of the present invention to provide an economically advantageous method for producing trichlorosilane very effectively even in a reaction temperature range of about ° C.
課題を解決するための手段 本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意検討し
た結果、特定の触媒の存在下に、トリクロロシランの熱
分解による多結晶シリコンの製造又はトリクロロシラン
の不均化反応によるモノシランの製造に於て副生する四
塩化ケイ素をトリクロロシランに変換し四塩化ケイ素を
有効に利用する極めて経済性の高い方法を見出し、本発
明を完成させるに至った。Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, in the presence of a specific catalyst, production of polycrystalline silicon by thermal decomposition of trichlorosilane or unevenness of trichlorosilane. The present inventors have found an extremely economical method for effectively utilizing silicon tetrachloride by converting silicon tetrachloride by-produced in the production of monosilane by a chlorination reaction, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、 四塩化ケイ素と金属ケイ素を、水素又は水素及び塩化
水素と反応せしめてトリクロロシランを製造する方法に
おいて、該四塩化ケイ素を液体又は気体状態として、該
反応系を気体−液体−固体又は気体−固体の不均一相反
応とすると共に、該不均一反応を、酸化銅と金属酸化物
の存在下に行う事を特徴とするトリクロロシランの製造
方法である。That is, the present invention relates to a method for producing trichlorosilane by reacting silicon tetrachloride and metal silicon with hydrogen or hydrogen and hydrogen chloride, wherein the silicon tetrachloride is in a liquid or gaseous state, and the reaction system is gas-liquid. A method for producing trichlorosilane, comprising: performing a heterogeneous phase reaction of a solid or a gas and a solid, and performing the heterogeneous reaction in the presence of copper oxide and a metal oxide.
以下本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明で行う四塩化ケイ素のトリクロロシランへの変
換は、基本的に次式 3SiCl4+2H2+Si→4HSiCl3 (I) で表わされる。この反応は、平衡反応であり、温度が高
い程、H2/SiCl4モル比が高い程、反応圧力が高い程、右
方向に進行する。又温度に関しては300℃程度より高い
際には、温度を高くした割には平衡組成は顕著にトリク
ロロシランに有利とはならず、寧ろ熱量が過大となる事
の方が経済的に大きく影響する。従って出来るならば40
0℃以下の低温領域で行う事が経済的となる。ここに於
て今迄に400℃前後の低温でトリクロロシランを製造し
た例は知られていなかったが、本発明に於ては、上記反
応を酸化銅と金属酸化物の混合物の存在下に行う事で、
300℃程度の低温でさえもトリクロロシランを製造する
事を可能ならしめたものである。又当然の事であるが、
塩化水素ガスを本発明反応系内に加える事によってトリ
クロロシランの収量を増大させる手段を採用してもよ
い。The conversion of silicon tetrachloride to trichlorosilane in the present invention is basically represented by the following formula: 3SiCl 4 + 2H 2 + Si → 4HSiCl 3 (I) This reaction is an equilibrium reaction, and proceeds to the right as the temperature increases, the H 2 / SiCl 4 molar ratio increases, and the reaction pressure increases. When the temperature is higher than about 300 ° C., the equilibrium composition is not remarkably advantageous to trichlorosilane even if the temperature is increased, and rather, an excessive amount of heat has a greater economic effect. . So if possible 40
It is economical to perform in a low temperature range of 0 ° C. or lower. Here, there is no known example of producing trichlorosilane at a low temperature of around 400 ° C., but in the present invention, the above reaction is carried out in the presence of a mixture of copper oxide and metal oxide. By the thing,
This makes it possible to produce trichlorosilane even at a low temperature of about 300 ° C. And of course,
Means for increasing the yield of trichlorosilane by adding hydrogen chloride gas into the reaction system of the present invention may be employed.
本発明に使用する金属ケイ素の純度は特に限定するも
のではなく、冶金ケイ素の98%程度の低純度品でも高純
度ケイ素であっても構わない。経済的な観点からすれ
ば、前者でも充分好結果が得られる為これを使用する事
が好ましい。又金属ケイ素の形態は問わないが、反応速
度の観点から表面積の大きい粉末状で使用する事が推奨
される。勿論、粒状等他の形態で使用することも可能で
ある。The purity of the metal silicon used in the present invention is not particularly limited, and it may be a low-purity product of about 98% of metallurgical silicon or a high-purity silicon. From an economical point of view, it is preferable to use the former, since a sufficiently good result can be obtained with the former. The form of the metallic silicon is not limited, but it is recommended to use a powder having a large surface area from the viewpoint of the reaction rate. Of course, it is also possible to use it in another form such as a granular form.
又本発明に於て使用する酸化銅と金属酸化物について
述べる。The copper oxide and metal oxide used in the present invention will be described.
酸化銅については、特に純度等は限定する必要はな
く、通常市販のもので充分であり、更に沈殿銅等も使用
することが可能である。又形態に関しても特に限定しな
いが、反応速度等の観点から粉末で使用することが好ま
しい。The purity of the copper oxide need not be particularly limited, and usually a commercially available product is sufficient. Further, precipitated copper and the like can be used. There is no particular limitation on the form, but it is preferable to use a powder from the viewpoint of the reaction rate and the like.
又本発明で使用する金属酸化物は、金属元素記号でC
r、Mo、W、Fe、Co、Ni、Zn、Ag及びAlの完全酸化物又
は部分的に塩素化された酸化物である。本発明に於ては
これらの1種または2種以上の混合物と酸化銅を混合さ
せて使用する。The metal oxide used in the present invention is represented by the metal element symbol C
It is a complete or partially chlorinated oxide of r, Mo, W, Fe, Co, Ni, Zn, Ag and Al. In the present invention, one or a mixture of two or more of these is mixed with copper oxide for use.
更にはこれら酸化銅と金属酸化物の混合物としてアル
カリ共沈法により得られた共沈混合物を用いる事も可能
である。寧ろ均一な混合状態を得るには共沈法を用いる
事が可能な場合には好ましい。Further, a coprecipitated mixture obtained by an alkali coprecipitation method can be used as a mixture of the copper oxide and the metal oxide. Rather, it is preferable to use a coprecipitation method to obtain a uniform mixed state.
次に本発明における銅と他の金属との共沈混合物の調
製法について述べる。Next, a method for preparing a coprecipitated mixture of copper and another metal in the present invention will be described.
共沈法による混合金属酸化物の調製には、一般的に金
属の硝酸塩又は酢酸塩の水溶液を炭酸ナトリウム又はア
ンモニア等でアルカリ処理して得られた共沈水酸化物
を、加熱焼成することによって調製される。従って銅と
他の金属との共沈法による混合金属酸化物の調製に関し
ては、例えば以下の方法が推奨される。The preparation of mixed metal oxides by the coprecipitation method is generally performed by heating and calcining a coprecipitated hydroxide obtained by alkali-treating an aqueous solution of a metal nitrate or acetate with sodium carbonate or ammonia. Is done. Therefore, for preparing a mixed metal oxide by coprecipitation with copper and another metal, for example, the following method is recommended.
既定量の硝酸銅と他の一種又は二種以上の金属の硝酸
塩又は酢酸銅と他の一種又は二種以上の金属の酢酸塩の
混合水溶液を、好ましくは50℃以上、90℃以下に加熱、
攪拌する。次にこの水溶液中に含まれる硝酸根又は酢酸
根の全規定量と同規定量以上、好ましくは1割程度過剰
の炭酸ナトリウムを水溶液として、上記加熱撹拌した水
溶液中にゆっくり添加し、混合金属水酸化物として沈澱
析出させる。炭酸ナトリウム添加終了後更に1時間程度
加熱撹拌を継続した後、室温まで冷却し析出した沈澱を
ろ過し採取する。沈澱を純水で充分洗浄した後脱水乾燥
し、その後電気炉中で150℃以上、好ましくは300〜600
℃で加熱し、銅と他の金属との混合酸化物とする等の方
法で調製することができるが、本発明においては無論の
ことであるが、これらの方法に限定されるものではな
い。A predetermined amount of a mixed aqueous solution of copper nitrate and another one or two or more metals nitrate or copper acetate and another one or two or more metals acetate, preferably heated to 50 ° C or higher and 90 ° C or lower,
Stir. Next, an aqueous solution of sodium carbonate in excess of the same specified amount, preferably about 10%, as the total specified amount of nitrate groups or acetate groups contained in the aqueous solution is slowly added to the heated and stirred aqueous solution. Precipitate as oxide. After the addition of sodium carbonate, heating and stirring are continued for about 1 hour, then cooled to room temperature, and the deposited precipitate is collected by filtration. The precipitate is sufficiently washed with pure water, dehydrated and dried, and then heated to 150 ° C. or more in an electric furnace, preferably 300 to 600 ° C.
It can be prepared by a method such as heating to a mixed oxide of copper and another metal by heating at a temperature of ° C. However, it is needless to say that the present invention is not limited to these methods.
本発明においてはこれら酸化銅と金属酸化物の混合物
を反応に使用する前に、予め水素の存在下に加熱処理を
行う。加熱処理温度は150℃以上、好ましくは300〜500
℃である。この際には金属ケイ素と混合した後にこの処
理を行っても差し支えはない。In the present invention, a heat treatment is performed in advance in the presence of hydrogen before using a mixture of the copper oxide and the metal oxide in the reaction. Heat treatment temperature is 150 ° C or higher, preferably 300 to 500
° C. In this case, this treatment may be performed after mixing with the metal silicon.
次に本発明に於ける四塩化ケイ素のトリクロロシラン
への変換方法について述べる。Next, a method for converting silicon tetrachloride to trichlorosilane in the present invention will be described.
変換方法は基本的には上記(I)式に従って行われる
が、本発明に於ては、反応は気体相−固体相の所謂気−
固相の不均一反応系で行う。又四塩化ケイ素の臨界温度
以下で四塩化ケイ素が液体状態として気体−液体−固体
の不均一反応を行う事も可能である。又反応に使用する
水素は予め反応に不活性な媒体(気体)、例えばアルゴ
ン、ヘリウム及び/又は窒素等で稀釈して用いても構わ
ないが、反応平衡、反応速度及び経済的な観点から水素
単独で使用することが好ましい。又通常水素中に予期さ
れる不純物を含んでいても差し支えなく、更には加圧反
応を行う際には水素を同時に加圧媒体とする事が好まし
い。又反応条件に於いて原料、生成物、及び金属銅、ハ
ロゲン化アルミニウム、アルカリ金属のハロゲン化物等
に対して不活性(反応を起こさない)な溶媒、例えばn
−ヘキサン、n−ヘプタンに代表される脂肪族炭化水
素、シクロヘキサン、シクロオクタンに代表される脂環
式炭化水素及びベンゼン、トルエンに代表される芳香族
炭化水素等を使用する事も可能である。Although the conversion method is basically performed according to the above formula (I), in the present invention, the reaction is performed in a so-called gas-solid phase.
Performed in a solid phase heterogeneous reaction system. It is also possible to carry out a heterogeneous gas-liquid-solid reaction in a liquid state of silicon tetrachloride below the critical temperature of silicon tetrachloride. The hydrogen used for the reaction may be diluted with a medium (gas) inert to the reaction in advance, for example, argon, helium and / or nitrogen, etc., but hydrogen may be used from the viewpoints of reaction equilibrium, reaction rate and economy. It is preferred to use it alone. Normally, hydrogen may contain an expected impurity, and it is preferable to use hydrogen as a pressurized medium at the same time when performing a pressurized reaction. Further, under the reaction conditions, a solvent which is inactive (does not cause a reaction) to the starting materials, products, metal copper, aluminum halide, alkali metal halide, etc., for example, n
It is also possible to use aliphatic hydrocarbons such as -hexane and n-heptane, alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane and cyclooctane, and aromatic hydrocarbons such as benzene and toluene.
又反応温度については敢えて規定はしないが、実質的
に反応を進行させる為には150℃以上、好ましくは200〜
650℃で行う事が反応平衡の観点から更には反応速度上
の観点からも好ましい。尚本反応を行うに際して原料と
して仕込む四塩化ケイ素中に反応平衡量以下のトリクロ
ロシランが混在していても構わなく、この事は反応によ
って生成したトリクロロシランを蒸留等により分離する
際に四塩化ケイ素中にトリクロロシランが残存していて
も使用可能である事を意味するが、好ましくは反応平衡
上トリクロロシラン含有量ができるだけ少ない四塩化ケ
イ素を使用する事が、実質的にトリクロロシランの生成
量が多くなり望ましい。Although the reaction temperature is not specified, the reaction temperature is substantially 150 ° C. or higher, preferably 200 to
Performing at 650 ° C. is preferable from the viewpoint of reaction equilibrium and further from the viewpoint of reaction rate. It is to be noted that trichlorosilane having a reaction equilibrium amount or less may be mixed in the silicon tetrachloride charged as a raw material when performing this reaction.This is because silicon trichloride produced by the reaction is separated by distillation or the like. Meaning that trichlorosilane can be used even if trichlorosilane remains therein, but it is preferable to use silicon tetrachloride having a trichlorosilane content as small as possible on the reaction equilibrium, thereby substantially reducing the amount of trichlorosilane produced. More and more desirable.
次に本発明における原料、酸化銅及び金属酸化物の使
用量について述べる。本発明に於ける金属ケイ素の使用
量は特に限定はしないが、バッチ式で行う場合は四塩化
ケイ素に対して1重量%以上用いて反応を行う事が好ま
しく、この値未満であると、反応と共に金属ケイ素が消
費され、有効に反応が行えなくなる恐れがある。又酸化
銅に関してはその量は特に限定はしないが、仕込金属ケ
イ素に対する金属原子比(g−atms/g−atms)を0.5%
以上として反応を行う事が、又仕込金属ケイ素に対する
金属酸化物は0.5%以上の原子比で反応を行う事が好ま
しい。これ以下の量で反応を行っても特に支障はない
が、反応に添加した効果は顕著に現れ難くなる。Next, the amounts of the raw materials, copper oxide and metal oxide used in the present invention will be described. The amount of the metal silicon used in the present invention is not particularly limited. However, when the reaction is carried out in a batch system, the reaction is preferably carried out using 1% by weight or more based on silicon tetrachloride. At the same time, metal silicon is consumed, and the reaction may not be performed effectively. The amount of copper oxide is not particularly limited, but the metal atom ratio (g-atms / g-atms) to the charged metal silicon is 0.5%.
The reaction is preferably performed as described above, and the reaction is preferably performed at an atomic ratio of 0.5% or more of the metal oxide to the charged metal silicon. Although there is no particular problem even if the reaction is carried out in an amount less than this, the effect added to the reaction is unlikely to appear significantly.
又本発明に於ては酸化銅と金属酸化物の混合物は予め
水素によって加熱還元処理をする事が好ましい。この理
由としては酸化銅は本発明に於ける反応に於て水素によ
って還元され、原料及び反応生成物であるクロロシラン
類を分解する水を生成するので、予め反応を実施する前
に還元処理を行う事が好ましい。然し乍らこれら混合物
を大量に使用しない場合にはそれほどこの操作は必要は
ない。また還元に際しては水素は単独若しくはこれらの
金属に不活性な媒体(気体など)で稀釈して行っても構
わない。更には還元を行う温度は通常反応を行う温度が
好ましい。In the present invention, the mixture of copper oxide and metal oxide is preferably subjected to a heat reduction treatment with hydrogen in advance. The reason for this is that copper oxide is reduced by hydrogen in the reaction of the present invention and produces water which decomposes chlorosilanes as a raw material and a reaction product. Things are preferred. However, if these mixtures are not used in large quantities, this operation is not so necessary. In the reduction, hydrogen may be used alone or diluted with a medium (such as a gas) inert to these metals. Further, the temperature for carrying out the reduction is preferably the temperature at which the reaction is usually carried out.
次に本発明を実施するための具体的な態様について述
べる。前記した様に本発明における反応は150℃以上で
行うことが好ましく、更に加圧(水素加圧が好ましい)
状態で行われることが好ましく、また流通反応法若しく
はバッチ式反応の何れかの方法で行うことも可能であ
る。Next, specific modes for carrying out the present invention will be described. As described above, the reaction in the present invention is preferably performed at 150 ° C. or higher, and further pressurized (preferably hydrogen pressurized).
It is preferable to carry out the reaction in a state, and it is also possible to carry out the reaction by a flow reaction method or a batch reaction.
本発明における実施方法に関しては特に限定はしない
が、実施し易い方法として以下の方法が挙げられる。こ
の場合にはなるべく反応等に悪影響を及ぼさないように
酸化銅と金属酸化物の混合物は、水素により加熱還元処
理を行った後使用する事が好ましい。勿論これらの方法
に本発明は限定されるものではない。Although there is no particular limitation on the method of implementation in the present invention, the following methods are mentioned as methods that are easy to implement. In this case, it is preferable to use the mixture of copper oxide and metal oxide after performing a heat reduction treatment with hydrogen so as not to adversely affect the reaction and the like as much as possible. Of course, the present invention is not limited to these methods.
(1)オートクレーブ中に所定量の四塩化ケイ素、金属
ケイ素、予め混合した酸化銅及び金属酸化物を入れた
後、所定の圧力に水素で加圧しその後加熱撹拌反応を行
う方法。(1) A method in which a predetermined amount of silicon tetrachloride, metal silicon, copper oxide and metal oxide mixed in advance are placed in an autoclave, and then pressurized to a predetermined pressure with hydrogen, and then a heating and stirring reaction is performed.
(2)予め所定温度、及び水素で所定圧に保たれた加圧
反応器中に所定量の四塩化ケイ素、金属ケイ素、予め混
合した酸化銅及び金属酸化物を連続的に導入し反応を行
う方法。(2) A predetermined amount of silicon tetrachloride, metal silicon, premixed copper oxide and metal oxide are continuously introduced into a pressurized reactor previously maintained at a predetermined temperature and a predetermined pressure with hydrogen to perform a reaction. Method.
(3)予め金属ケイ素及び予め混合した酸化銅と金属酸
化物を反応器中に入れ、所定温度に保ち乍ら、水素加圧
で四塩化ケイ素及び水素を連続的に導入し且つ生成ガス
を連続的に抜出し乍ら反応を行い、必要に応じて金属ケ
イ素、酸化銅及び金属酸化物を間歇的もしくは連続的に
導入する方法。(3) Put silicon metal in advance and copper oxide and metal oxide mixed in advance in a reactor, and while maintaining a predetermined temperature, continuously introduce silicon tetrachloride and hydrogen by pressurizing hydrogen and continuously produce gas. A method in which a reaction is carried out while being extracted, and metal silicon, copper oxide and metal oxide are introduced intermittently or continuously as required.
実施例 以下本発明を実施例によって具体的に説明する。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples.
実施例1 触媒の調製 実施例1で用いた触媒は以下のように調製した。Example 1 Preparation of catalyst The catalyst used in Example 1 was prepared as follows.
硝酸第二銅と種々の金属硝酸塩の水溶液(等モル混合
液)を、85℃に加熱撹拌し乍ら、全硝酸根に対して等規
定量の炭酸ナトリウムを、この水溶液に徐々に添加し
た。添加終了後更に約1時間85℃に保ち、撹拌を継続し
た後、室温に冷却した。冷却後析出沈殿をろ過分離し、
ろ別固体を純水でよく洗浄した後、100℃で乾燥した。
この後更に150℃から徐々に加熱し、最終的に400℃で3
時間加熱を行い焼成した。これを触媒として用いた。While an aqueous solution (equimolar mixture) of cupric nitrate and various metal nitrates was heated and stirred at 85 ° C., an equivalent amount of sodium carbonate with respect to all nitrate groups was gradually added to this aqueous solution. After the addition was completed, the temperature was kept at 85 ° C. for about 1 hour, and the stirring was continued. After cooling, the precipitated precipitate is separated by filtration.
The filtered solid was thoroughly washed with pure water and dried at 100 ° C.
After that, heat gradually from 150 ° C and finally at 400 ° C.
It was heated for a time and fired. This was used as a catalyst.
下部にガラスフィルターを取付け固体を保持できるよ
うにした内径11mmのパイレックス製反応管に、ケイ素
(純度98%、約200メッシュ)に酸化銅と種々の金属酸
化物との焼成物焼成混合物を、ケイ素に対して10wt%と
なるように混合し、この反応管に2.1ml充填し、この混
合物をシリカウールで押さえ固定した。反応管内をヘリ
ウムでよく置換した後、反応管を500℃に加熱し乍ら水
素を導入して、触媒成分の還元操作を1時間行った後、
四塩化ケイ素を0℃に保ち、所定流量の水素によってバ
ブリングさせ、水素とともに混合ガスとして反応管に導
入した(四塩化ケイ素の蒸気圧から計算したH2/SiCl4mo
l比は9.3であった。)。反応管を所定温度に保持してト
リクロロシランの生成反応を行った。In a Pyrex reaction tube with an inner diameter of 11 mm attached with a glass filter at the bottom to hold solids, a baked mixture of copper oxide and various metal oxides was added to silicon (98% purity, about 200 mesh). And the reaction tube was filled with 2.1 ml, and the mixture was fixed with silica wool. After sufficiently replacing the inside of the reaction tube with helium, hydrogen was introduced while heating the reaction tube to 500 ° C., and a reduction operation of the catalyst component was performed for 1 hour.
The silicon tetrachloride was kept at 0 ° C., bubbled with hydrogen at a predetermined flow rate, and introduced into the reaction tube together with hydrogen as a mixed gas (H 2 / SiCl 4 mo calculated from the vapor pressure of silicon tetrachloride).
The l ratio was 9.3. ). The reaction tube was maintained at a predetermined temperature to carry out a reaction for producing trichlorosilane.
反応結果は反応管排出ガスのガスクロマトグラフ分析
により求めた。The reaction results were obtained by gas chromatography analysis of the exhaust gas from the reaction tube.
第1表に示したように低温反応に於ても非常に優れた
反応成績が得られた。尚、反応生成ガス組成は反応が定
常になった後の値を掲げている。又原料混合ガスを理想
気体とし、昇温による体積膨張を計算し、混合ガスの所
定温度に於ける流量計算を行い、この流量で固体体積を
割った値を適宜上接触時間とした。As shown in Table 1, very excellent reaction results were obtained even in the low-temperature reaction. In addition, the value of the reaction product gas composition is a value after the reaction becomes steady. Further, the raw material mixed gas was used as an ideal gas, the volume expansion due to the temperature rise was calculated, the flow rate of the mixed gas at a predetermined temperature was calculated, and the value obtained by dividing the solid volume by this flow rate was appropriately used as the upper contact time.
実施例2 銅、クロミウム及び亜鉛の硝酸塩を各々等モル加えた
水溶液から実施例1と同様に三成分で沈殿させて、更に
実施例1と同様に焼成して三成分の等モル混合酸化物を
調製し、これを金属ケイ素に対して10wt%の組成に混合
し、実施例1と同一の反応装置、同一の反応方法によっ
てトリクロロシランの生成反応を行った。 Example 2 A three-component precipitate was prepared from an aqueous solution to which equimolar amounts of nitrates of copper, chromium and zinc were respectively added, in the same manner as in Example 1, and calcined to obtain a three-component equimolar mixed oxide. It was prepared, mixed with a composition of 10 wt% with respect to metal silicon, and trichlorosilane was produced by the same reaction apparatus and the same reaction method as in Example 1.
第2表に示したように三成分混合酸化物を用いてもよ
い反応活性が認められた。As shown in Table 2, a reaction activity in which a ternary mixed oxide may be used was observed.
比較例1 ケイ素に対して各々10wt%となるように酸化銅又は酸
化クロミウム(CuO又はCr2O3)をそれぞれ添加した固体
混合物を、実施例1と同一の反応管に同一容量充填し、
実施例1と同一の反応方法によってトリクロロシランの
生成反応を行いブランクテストを行った。 Comparative Example 1 The same volume of a solid mixture to which copper oxide or chromium oxide (CuO or Cr 2 O 3 ) was added in an amount of 10 wt% with respect to silicon was filled in the same reaction tube as in Example 1,
A blank test was performed by performing a reaction for producing trichlorosilane by the same reaction method as in Example 1.
第3表に掲げたように実施例1及び2の結果に比較し
て極めて低い活性を示し、本発明の触媒成分がこの反応
に有効である事がわかる。但し酸化物は実施例1と同一
の方法によって沈殿焼成したものを用いた。As shown in Table 3, the activity was extremely low as compared with the results of Examples 1 and 2, indicating that the catalyst component of the present invention is effective for this reaction. However, the oxide used was the one that was precipitated and fired in the same manner as in Example 1.
比較例2 ケイ素に対して金属銅又は塩化銅が10wt%となる固体
混合物を、実施例1と同一の反応管に実施例1と同一容
量充填し、実施例1と同一の反応方法でトリクロロシラ
ンの生成反応を行った。 Comparative Example 2 The same volume as in Example 1 was filled in the same reaction tube as in Example 1 with a solid mixture containing 10 wt% of metallic copper or copper chloride with respect to silicon, and trichlorosilane was reacted in the same manner as in Example 1. Was produced.
第4表に示したように本発明の触媒に比較して非常に
活性が低く、本発明の触媒の優れている事がわかる。As shown in Table 4, the activity is very low as compared with the catalyst of the present invention, and it is understood that the catalyst of the present invention is excellent.
実施例3 実施例2と同一の三成分酸化物の添加量を、ケイ素に
対しそれぞれ5及び2wt%とし触媒量を減らし、その他
は全く実施例2と同一の方法でトリクロロシランの生成
反応を行った。 Example 3 The same ternary oxide as in Example 2 was added in amounts of 5 and 2 wt% with respect to silicon, respectively, to reduce the amount of catalyst. Was.
第5表に示したように触媒量を(1/2)にしても反応
成績には全く影響しない、又(1/5)にしても余り大き
く影響しないで本発明が実施される事が判明した。As shown in Table 5, it was found that even if the amount of the catalyst was reduced to (1/2), the reaction results were not affected at all, and even if the amount was reduced to (1/5), the present invention was carried out without much influence. did.
尚、比較の為実施例2の結果も掲げた。 For comparison, the results of Example 2 are also listed.
実施例4 酸化銅(CuO)、酸化亜鉛(ZnO)及び酸化クロミウム
(Cr2O3)のそれぞれ化学用市販試薬を、等モル量乳鉢
でよく混合した後、この混合酸化物をケイ素に対して10
wt%となるようにケイ素粉末と混合したものを、実施例
1〜3と同一の反応管に同一容量充填し、実施例1〜3
と同様に水素還元した後、同様の反応方法によってトリ
クロロシランの生成反応を行った。 Example 4 Commercially available chemical reagents of copper oxide (CuO), zinc oxide (ZnO) and chromium oxide (Cr 2 O 3 ) were mixed in an equimolar amount in a mortar, and the mixed oxide was mixed with silicon. Ten
The same reaction tube as in Examples 1 to 3 was charged with the same volume as that mixed with silicon powder so as to be wt%, and
After hydrogen reduction in the same manner as described above, a production reaction of trichlorosilane was performed by the same reaction method.
第6表に示したように良い成績でトリクロロシランの
生成が認められた。As shown in Table 6, formation of trichlorosilane was recognized with good results.
実施例5 実施例4と同様に酸化銅、酸化アルミニウム(Al
2O3)及び酸化モリブデン(MoO3)を各々金属原子当り
等量となるように乳鉢で充分混合したもの、及び酸化
銅、酸化アルミニウム及び酸化ニッケルを各々金属原子
当り等量となるように混合したものを、それぞれケイ素
に対して10wt%となるように混合した後、それぞれ実施
例1〜4と同一の反応管に同一容量充填し、同一の還元
操作及び同一の反応方法によって各々トリクロロシラン
の生成反応を行った。 Example 5 Copper oxide and aluminum oxide (Al
2 O 3 ) and molybdenum oxide (MoO 3 ) are mixed well in a mortar so as to be equal to each metal atom, and copper oxide, aluminum oxide and nickel oxide are mixed so as to be equal to each metal atom. The resulting mixture was mixed at 10 wt% with respect to silicon, and then filled in the same reaction tube as in Examples 1 to 4 with the same volume, and the same reduction operation and the same reaction method were used to prepare trichlorosilane. A production reaction was performed.
第7表に示したようにそれぞれの触媒でよい反応成績
がえられた。As shown in Table 7, good reaction results were obtained with each catalyst.
実施例6 銅、クロミウム及び亜鉛の硝酸塩を用いて、実施例2
と同様に沈殿焼成して三成分混合酸化物を調製し、これ
を各々ケイ素に対して10wt%なるようにケイ素とそれぞ
れ混合した。触媒組成の異なる混合物を用いて、実施例
2と同様にそれぞれ還元処理を行った後、実施例2と同
一の反応方法によってトリクロロシランの生成反応を行
った。 Example 6 Using copper, chromium and zinc nitrates, Example 2
The mixture was precipitated and calcined in the same manner as described above to prepare a ternary mixed oxide, which was then mixed with silicon so that each of the ternary mixed oxides was 10 wt% with respect to silicon. Each mixture was subjected to a reduction treatment in the same manner as in Example 2 using a mixture having a different catalyst composition, and then trichlorosilane was produced by the same reaction method as in Example 2.
第8表に示すように各組成に関して広い範囲で良い触
媒活性を示した。尚、比較のため実施例2の結果も一部
掲げた。As shown in Table 8, good catalytic activity was exhibited in a wide range for each composition. For comparison, some results of Example 2 are also listed.
実施例7 実施例2と全く同一の方法および同一の三成分からな
る混合酸化物を調製し焼成した後、ケイ素と混合しない
で予め水素で500℃、1時間の還元処理を行った後(還
元処理による重量減少は17.5wt%)、これをケイ素に対
して還元処理前の重量として10wt%となるようにケイ素
と混合した後、実施例2と同一の反応方法でトリクロロ
シランの生成反応を行った。 Example 7 A mixed oxide composed of exactly the same method and the same three components as in Example 2 was prepared and calcined, and after previously subjected to a reduction treatment at 500 ° C. for 1 hour with hydrogen without mixing with silicon (reduction The weight loss due to the treatment was 17.5 wt%), and this was mixed with silicon so that the weight before the reduction treatment was 10 wt% with respect to silicon, and then the reaction for producing trichlorosilane was carried out in the same manner as in Example 2. Was.
第9表に示したように実施例2の結果とほぼ同一の成
績であった。従って触媒還元処理に関しては必ずしもケ
イ素と混合した後に行う必要はない。As shown in Table 9, the results were almost the same as the results of Example 2. Therefore, the catalyst reduction treatment does not always need to be performed after mixing with silicon.
実施例8 200mlのオートクレーブに、実施例7と同一の成分及
び組成および同一の方法で調製還元処理した銅、クロミ
ウム及び亜鉛の混合酸化物を8.2g、98%ケイ素を30.0g
及び四塩化ケイ素を90g入れ、水素で60Kg/cm2Gに加圧し
た後、500rpmの撹拌速度で撹拌しながら220℃に昇温
し、四塩化ケイ素を液体状態のままとして、220℃で2
時間のトリクロロシランの生成反応を行った。反応終了
後オートクレーブを5℃に冷却しながら反応液を取り出
し分析した。 Example 8 In a 200 ml autoclave, 8.2 g of a mixed oxide of copper, chromium and zinc prepared and reduced in the same manner as in Example 7, and 30.0 g of 98% silicon were prepared.
And 90 g of silicon tetrachloride, pressurized to 60 kg / cm 2 G with hydrogen, and then heated to 220 ° C. while stirring at a stirring speed of 500 rpm.
The production reaction of trichlorosilane was performed for a long time. After the completion of the reaction, the reaction solution was taken out while cooling the autoclave to 5 ° C. and analyzed.
TCS/(TCS+STC)=5.2mol%でトリクロロシランの生
成が認められた。When TCS / (TCS + STC) = 5.2 mol%, formation of trichlorosilane was observed.
発明の効果 本発明は、四塩化ケイ素をトリクロロシランへ経済的
に変換する極めて有効な方法であり且つ該変換反応を有
効に遂行させ得る触媒を提供するものである。The present invention is a very effective method for economically converting silicon tetrachloride to trichlorosilane, and provides a catalyst capable of effectively performing the conversion reaction.
従来四塩化ケイ素のトリクロロシランへの変換反応
は、500〜600℃の高温で行うことを余儀なくされていた
が、本発明を遂行することにより、その高い反応活性を
有する触媒を使用するため、かってない300〜400℃程度
の低温領域においても円滑に且つ有効に該変換反応が可
能となった。更に驚くべきことには本発明においては、
該反応を四塩化ケイ素をその臨界温度以下の液体状態と
して行うことも可能である。Conventionally, the conversion reaction of silicon tetrachloride into trichlorosilane had to be performed at a high temperature of 500 to 600 ° C., but by carrying out the present invention, a catalyst having the high reaction activity was used. Even in a low temperature range of about 300 to 400 ° C., the conversion reaction can be performed smoothly and effectively. More surprisingly, in the present invention,
The reaction can be carried out with silicon tetrachloride in a liquid state below its critical temperature.
又当然のことながら、低温での該反応を可能としたこ
とから、反応装置等の腐食も大幅に抑制することが可能
となった。Naturally, since the reaction can be performed at a low temperature, the corrosion of the reaction apparatus and the like can be largely suppressed.
以上のように本発明を実施することにより、その高い
反応活性の観点から反応設備の縮小、小型化、その低温
高活性の観点から従来法に比較して大幅なエネルギーの
低減化、更には低温反応の遂行による腐食の抑制の観点
から材料費の低減化且つ耐用年数の長期化等、経済的に
も更には工業的にも極めて有益に該反応を遂行すること
が可能となる。By carrying out the present invention as described above, the reaction equipment is reduced and downsized from the viewpoint of its high reaction activity, the energy is significantly reduced as compared with the conventional method from the viewpoint of its low temperature and high activity, From the viewpoint of suppressing corrosion due to the execution of the reaction, the reaction can be performed extremely advantageously both economically and industrially, for example, by reducing material costs and extending the service life.
Claims (4)
素及び塩化水素と反応せしめてトリクロロシランを製造
する方法において、該四塩化ケイ素を液体又は気体状態
として、該反応系を気体−液体−固体又は気体−固体の
不均一相反応とすると共に、該不均一反応を、酸化銅と
金属酸化物の存在下に行う事を特徴とするトリクロロシ
ランの製造方法。1. A method for producing trichlorosilane by reacting silicon tetrachloride and metallic silicon with hydrogen or hydrogen and hydrogen chloride, wherein said silicon tetrachloride is in a liquid or gaseous state, and said reaction system is gas-liquid- A process for producing trichlorosilane, comprising a solid or gas-solid heterogeneous phase reaction, and the heterogeneous reaction being carried out in the presence of copper oxide and a metal oxide.
ロミウム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、
銀又は亜鉛の酸化物である請求項1に記載の方法。2. The method according to claim 1, wherein the metal oxide is iron, nickel, cobalt, chromium, molybdenum, tungsten, aluminum,
2. The method according to claim 1, which is an oxide of silver or zinc.
存在下に加熱処理を行ったものである請求項1に記載の
方法。3. The method according to claim 1, wherein the copper oxide and the metal oxide are heat-treated at 300 to 500 ° C. in the presence of hydrogen.
のである請求項1に記載の方法。4. The method according to claim 1, wherein the copper oxide and the metal oxide are coprecipitated with an alkali.
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- 1988-06-10 JP JP63141677A patent/JP2613262B2/en not_active Expired - Lifetime
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