JP5321314B2 - Method and apparatus for decomposing chlorosilane polymer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多結晶シリコン製造時に発生するクロロシラン重合物をトリクロロシラン(SiHCl3(TCS))や四塩化珪素(SiCl4(STC))等のモノマーに転換するための、クロロシラン重合物の分解方法および分解装置に関する。 The present invention relates to a method for decomposing a chlorosilane polymer for converting a chlorosilane polymer generated during the production of polycrystalline silicon into a monomer such as trichlorosilane (SiHCl 3 (TCS)) or silicon tetrachloride (SiCl 4 (STC)). And a decomposition apparatus.
半導体材料に用いられる高純度多結晶シリコンは、たとえば、トリクロロシランおよび水素を原料とし、この混合ガスを還元炉に導入して、この還元炉内に設置されたシリコン棒表面にシリコンを析出させる方法(シーメンス法)によって製造されている。また、上記還元炉に導入する高純度のトリクロロシランは、たとえば、金属シリコンと塩化水素を塩化炉に導入して反応させ、シリコンを塩素化するか、四塩化珪素と水素を転化炉に導入して反応させることなどで製造されている。 High-purity polycrystalline silicon used for semiconductor materials is, for example, a method in which trichlorosilane and hydrogen are used as raw materials, and this mixed gas is introduced into a reduction furnace to deposit silicon on the surface of a silicon rod installed in the reduction furnace. (Siemens method). The high-purity trichlorosilane introduced into the reduction furnace may be, for example, introducing metal silicon and hydrogen chloride into the chlorination furnace and reacting them to chlorinate silicon or introducing silicon tetrachloride and hydrogen into the conversion furnace. It is manufactured by reacting.
これら多結晶シリコンやトリクロロシランの製造において、還元炉や塩化炉、転化炉の排出ガスには、有用なトリクロロシラン、四塩化珪素、水素および塩化水素とともに、ペンタクロロジシラン(Si2HCl5)やヘキサクロロジシラン(Si2Cl6)、オクタクロロトリシラン(Si3Cl8)など、シリコン原子を2以上含む高沸点のクロロシラン重合物(ポリマー)が含まれている。 In the production of these polycrystalline silicon and trichlorosilane, pentachlorodisilane (Si 2 HCl 5 ), as well as useful trichlorosilane, silicon tetrachloride, hydrogen and hydrogen chloride are used as the exhaust gas of the reduction furnace, chlorination furnace, and conversion furnace. High-boiling chlorosilane polymers (polymers) containing two or more silicon atoms, such as hexachlorodisilane (Si 2 Cl 6 ) and octachlorotrisilane (Si 3 Cl 8 ), are included.
従来、還元炉や塩化炉、転化炉の排ガスから分離されるポリマーは、加水分解処理してシリカに転換し、廃棄されていた。 Conventionally, polymers separated from the exhaust gas of a reduction furnace, a chlorination furnace, or a conversion furnace have been subjected to hydrolysis treatment to be converted to silica and discarded.
これに対し、ポリマーを有用なトリクロロシランや四塩化珪素に変換することを目的として、塩化水素および水素の存在下で活性炭、アルミナ、白金、パラジウムなどの触媒にポリマーを接触させることにより、ポリマーのクロロシランモノマーへの接触転化を行い、ポリマーを分解させる方法が知られている(特許文献1)。 On the other hand, for the purpose of converting the polymer into useful trichlorosilane or silicon tetrachloride, the polymer is brought into contact with a catalyst such as activated carbon, alumina, platinum, palladium in the presence of hydrogen chloride and hydrogen. A method of decomposing a polymer by performing catalytic conversion to a chlorosilane monomer is known (Patent Document 1).
しかしながら、ポリマーを塩化水素および水素の存在下により分解する反応は発熱反応であり、ポリマーの分解を進めると反応温度が上昇する。特に触媒を用いた反応では、早い反応速度により発熱が急激に起こり得るため、反応温度が急激に上昇してしまい、触媒が高温で劣化して失活したり、触媒を充填した分解炉の温度が設計値以上に上昇してしまうなどの不具合があった。特に分解炉の温度上昇は、原料である塩化水素による壁材料の腐食につながるおそれがある。そのため、反応温度の上昇を抑制するために、過剰な水素や塩化水素などを供給してポリマーを希釈して反応させる必要があり、分解炉が大型になるなど、効率の面で不経済であった。 However, the reaction in which the polymer is decomposed in the presence of hydrogen chloride and hydrogen is an exothermic reaction, and the reaction temperature increases as the polymer decomposition proceeds. In particular, in the reaction using a catalyst, heat generation may occur rapidly due to a high reaction rate, so that the reaction temperature rises rapidly, the catalyst deteriorates at a high temperature and deactivates, or the temperature of the cracking furnace filled with the catalyst. There was a problem such as the value rose above the design value. In particular, the temperature rise in the cracking furnace may lead to corrosion of the wall material by hydrogen chloride as a raw material. Therefore, in order to suppress the increase in reaction temperature, it is necessary to dilute and react the polymer by supplying excess hydrogen or hydrogen chloride, which is uneconomical in terms of efficiency, such as a large cracking furnace. It was.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反応温度を十分にコントロールすることで分解装置の壁温度を設計値以下に抑え、分解炉の壁を腐食させることなくクロロシラン重合物を効率よく分解することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and by sufficiently controlling the reaction temperature, the wall temperature of the decomposition apparatus is suppressed to a design value or less, and the chlorosilane polymer can be obtained without corroding the wall of the decomposition furnace. The purpose is to decompose efficiently.
本発明は、クロロシラン重合物およびHClを混合してなる原料ガスを予熱温度Ti[℃]に予熱する予熱工程と、
予熱された前記原料ガスを分解炉内に滞留させる分解工程とを有し、
前記分解工程での前記原料ガスの前記分解炉内における平均滞留時間t[秒]とすると、前記予熱温度Tiを
400≦Ti≦550
かつ T1≦Ti≦T2
T1=600×t(−0.057)−150
T2=190×t(−0.9)+470
ただし t≦10
を満たすように設定するクロロシラン重合物の分解方法である。
The present invention includes a preheating step of preheating a raw material gas formed by mixing a chlorosilane polymer and HCl to a preheating temperature Ti [° C.]
A decomposition step of retaining the preheated raw material gas in a decomposition furnace,
When the average residence time t [second] in the decomposition furnace of the source gas in the decomposition step is set, the preheating temperature Ti is set to 400 ≦ Ti ≦ 550.
And T1 ≦ Ti ≦ T2
T1 = 600 × t (−0.057) −150
T2 = 190 × t (−0.9) +470
Where t ≦ 10
This is a decomposition method of a chlorosilane polymer set so as to satisfy the above.
分解炉に投入される原料ガスをポリマー分解反応が開始する400℃以上550℃以下に予熱することにより、分解炉内で原料ガスの分解反応が進行し、その分解反応熱により原料ガスの温度がさらに上昇して分解反応がさらに進行する。また、400℃以上550℃以下の予熱温度であれば、予熱工程で用いる予熱器にステンレス鋼などの金属製部品を使用してもHClによる腐食や応力腐食割れを防止することができる。ところが、分解炉内における平均滞留時間tが短い場合には原料ガスの予熱温度が400℃では低すぎ、ポリマーの分解率が低下するため、平均滞留時間tから求めたT1(≧400℃)を予熱温度の下限に設定する。一方、平均滞留時間tが長い場合には原料ガスの予熱温度が550℃では高すぎ、ポリマーの分解率が高くなる反面、反応温度が上昇しすぎてSiHCl3の収率が低下してしまうとともに、予熱器の金属製部品の腐食が生じやすくなるため、平均滞留時間tから求めたT2(≦550℃)を予熱温度の上限に設定する。 By preheating the raw material gas introduced into the cracking furnace to 400 ° C. or more and 550 ° C. or less at which the polymer decomposition reaction starts, the decomposition reaction of the raw material gas proceeds in the decomposition furnace, and the temperature of the raw material gas is reduced by the heat of the decomposition reaction It further rises and the decomposition reaction further proceeds. Further, if the preheating temperature is 400 ° C. or more and 550 ° C. or less, corrosion or stress corrosion cracking due to HCl can be prevented even if a metal part such as stainless steel is used for the preheater used in the preheating process. However, when the average residence time t in the cracking furnace is short, the preheating temperature of the raw material gas is too low at 400 ° C. and the decomposition rate of the polymer decreases, so T1 (≧ 400 ° C.) determined from the average residence time t is Set to the lower limit of the preheating temperature. On the other hand, when the average residence time t is long, the preheating temperature of the raw material gas is too high at 550 ° C., and the decomposition rate of the polymer becomes high. On the other hand, the reaction temperature rises too much and the yield of SiHCl 3 decreases. Since the metal parts of the preheater are likely to be corroded, T2 (≦ 550 ° C.) obtained from the average residence time t is set as the upper limit of the preheat temperature.
したがって、この分解方法によれば、平均滞留時間tに応じて適切な予熱温度を設定でき、分解炉内における分解反応を効率よく行うことができるとともに、分解炉での過剰な温度上昇を抑え、予熱器や配管等の金属部品の腐食や応力腐食割れを防止できる。 Therefore, according to this decomposition method, an appropriate preheating temperature can be set according to the average residence time t, the decomposition reaction in the decomposition furnace can be performed efficiently, and an excessive temperature rise in the decomposition furnace is suppressed, Corrosion and stress corrosion cracking of metal parts such as preheaters and piping can be prevented.
この分解方法において、前記予熱温度Tiは、さらに
Ti≦Tb2
Tb2=190×t(−0.59)+400
を満たすことが好ましい。この場合、予熱温度の上限をT2よりも低いTb2に抑えることにより、反応温度の上昇をより確実に抑え、SiHCl3の収率低下をより確実に防止できる。
In this decomposition method, the preheating temperature Ti is further set to Ti ≦ Tb2
Tb2 = 190 × t (−0.59) +400
It is preferable to satisfy. In this case, by suppressing the upper limit of the preheating temperature to Tb2 lower than T2, it is possible to more reliably suppress an increase in reaction temperature and more reliably prevent a decrease in yield of SiHCl 3 .
また本発明は、クロロシラン重合物およびHClを混合してなる原料ガスを供給される分解炉と、前記分解炉の内壁を覆うように備えられた断熱層と、前記原料ガスを所定の予熱温度Ti[℃]に加熱して前記分解炉に供給する原料ガス供給部と、前記分解炉内における前記原料ガスの平均滞留時間t[秒]に応じて、前記予熱温度Tiを制御する制御部とを備えるクロロシラン重合物の分解装置であって、前記制御部は、前記予熱温度Ti[℃]を
400≦Ti≦550
かつ T1≦Ti≦T2
T1=600×t(−0.057)−150
T2=190×t(−0.9)+470
ただし t≦10
を満たすように制御する。
The present invention also provides a cracking furnace supplied with a raw material gas obtained by mixing a chlorosilane polymer and HCl, a heat insulating layer provided so as to cover an inner wall of the cracking furnace, and the raw material gas at a predetermined preheating temperature Ti. A raw material gas supply section that is heated to [° C.] and is supplied to the cracking furnace, and a control section that controls the preheating temperature Ti according to an average residence time t [second] of the raw material gas in the cracking furnace A chlorosilane polymer decomposition apparatus comprising the control unit, wherein the preheating temperature Ti [° C.] is set to 400 ≦ Ti ≦ 550.
And T1 ≦ Ti ≦ T2
T1 = 600 × t (−0.057) −150
T2 = 190 × t (−0.9) +470
Where t ≦ 10
Control to meet.
この分解装置によれば、適切に制御された予熱温度の原料ガスが、断熱層を内側に備える分解炉に投入される。分解炉に断熱層が備えられているので、ポリマーの分解反応熱によって原料ガスの反応温度が維持され、分解炉の温度上昇が抑制される。つまり、断熱層を備えることにより、反応温度が高くなっても、分解炉を比較的低温に維持することができる。したがって、分解炉等の金属部品の腐食を抑えながら、十分なポリマー分解率を得ることができる。 According to this decomposition apparatus, a raw material gas having an appropriately controlled preheating temperature is put into a decomposition furnace having a heat insulating layer on the inside. Since the thermal decomposition layer is provided in the decomposition furnace, the reaction temperature of the raw material gas is maintained by the heat of decomposition reaction of the polymer, and the temperature increase of the decomposition furnace is suppressed. That is, by providing the heat insulating layer, the cracking furnace can be maintained at a relatively low temperature even when the reaction temperature increases. Therefore, a sufficient polymer decomposition rate can be obtained while suppressing corrosion of metal parts such as a decomposition furnace.
この分解装置において、前記予熱温度Tiは、さらに
Ti≦Tb2
Tb2=190×t(−0.59)+400
を満たすことが好ましい。この場合、原料ガスの予熱温度をより適切な範囲に設定できる。
In this decomposition apparatus, the preheating temperature Ti is further set to Ti ≦ Tb2
Tb2 = 190 × t (−0.59) +400
It is preferable to satisfy. In this case, the preheating temperature of the source gas can be set in a more appropriate range.
この分解装置において、前記分解炉は、前記断熱層の内側に設けられた内容器と、前記断熱層の外側に設けられた外容器とを備え、これら内容器と外容器との間が不活性ガスによってパージされていることが好ましい。この場合、内容器からガスが漏れても、このガスが外容器の内側で滞留することを防止でき、外容器とHClとの接触を避け、外容器の腐食を効果的に防止できる。 In this decomposition apparatus, the decomposition furnace includes an inner container provided inside the heat insulating layer and an outer container provided outside the heat insulating layer, and the space between the inner container and the outer container is inactive. It is preferably purged with gas. In this case, even if gas leaks from the inner container, it is possible to prevent the gas from staying inside the outer container, avoiding contact between the outer container and HCl, and effectively preventing corrosion of the outer container.
この分解装置において、前記断熱層の内側にヒータが備えられていることが好ましい。この場合、断熱層による熱損失をヒータで補完し、高温でのポリマー分解反応が可能であるとともに、分解炉にガスが直接接触するのを防止しながら、分解炉の温度上昇を断熱層により抑制できる。 In this decomposition apparatus, it is preferable that a heater is provided inside the heat insulating layer. In this case, the heat loss due to the heat insulation layer is supplemented by a heater, polymer decomposition reaction at a high temperature is possible, and the heat insulation layer suppresses the temperature rise of the cracking furnace while preventing direct gas contact with the cracking furnace. it can.
この分解装置において、前記原料ガス供給部は、前記HClを加熱するHCl予熱器と、このHCl予熱器で加熱されたHClを供給されながら前記クロロシラン重合物を蒸発させるポリマー蒸発器とを備えることが好ましい。この場合、加熱されたポリマーが熱分解して固体のシリコンが生成するのを、高温のHClにより防止できる。 In this decomposition apparatus, the source gas supply unit includes an HCl preheater that heats the HCl, and a polymer evaporator that evaporates the chlorosilane polymer while being supplied with HCl heated by the HCl preheater. preferable. In this case, it is possible to prevent the heated polymer from being thermally decomposed to produce solid silicon by high-temperature HCl.
本発明のクロロシラン重合物の分解方法および分解装置によれば、反応温度を適切な範囲に調節でき、予熱器や分解炉等の金属部品の温度上昇を抑えて腐食を防止しながら、効率よくポリマーを分解することができる。 According to the method and apparatus for decomposing chlorosilane polymer of the present invention, the reaction temperature can be adjusted to an appropriate range, and the polymer can be efficiently produced while preventing the corrosion by suppressing the temperature rise of metal parts such as preheaters and decomposition furnaces. Can be disassembled.
以下、本発明に係るクロロシラン重合物(ポリマー)の分解方法および分解装置の実施形態について説明する。
なお、ポリマーとは、Si2Cl6,Si3Cl8など、SinHaClb(n≧2,0≦a≦2n+2,b=2n+2−a)で表されるクロロシランの重合物であり、以下のように分解される。
SinHaClb+cHCl→dSiHCl3+eSiCl4+fH2 …(1)
さらに、SiHCl3は、HClとの反応によりSiCl4に変化する。
SiHCl3+HCl→SiCl4+H2 …(2)
クロロシラン重合物の分解の際には、TCS(SiHCl3)を効率よく生成することが求められる。
Hereinafter, embodiments of a decomposition method and a decomposition apparatus for a chlorosilane polymer (polymer) according to the present invention will be described.
The polymer is a polymer of chlorosilane represented by Si n H a Cl b (n ≧ 2, 0 ≦ a ≦ 2n + 2, b = 2n + 2-a) such as Si 2 Cl 6 and Si 3 Cl 8 . It is decomposed as follows.
Si n H a Cl b + cHCl →
Furthermore, SiHCl 3 changes to SiCl 4 by reaction with HCl.
SiHCl 3 + HCl → SiCl 4 + H 2 (2)
When the chlorosilane polymer is decomposed, it is required to efficiently generate TCS (SiHCl 3 ).
本発明の分解装置10は、クロロシラン重合物(ポリマー)およびHClを混合してなる原料ガスG1を供給される分解炉20と、分解炉20の内壁を覆うように備えられた断熱層30と、原料ガスG1を所定の予熱温度Ti[℃]に加熱して分解炉20に供給する原料ガス供給部40と、分解炉20内における原料ガスG1の平均滞留時間t[秒]に応じて、予熱温度Tiを制御する制御部50とを備える。
The
分解炉20は、上下端が閉塞された直径40cmの略筒状のステンレス製容器であり、断熱層30の内部に形成された反応室21を備えている。断熱層30は、HClと反応しにくい厚さ15cmのカーボンフェルトからなり、分解炉20の内壁を覆い、直径約10cmの略筒状の反応室21を形成している。この反応室21の下端には原料ガスG1の供給管22が開口しており、上端には生成ガスG2の排出管23が開口している。また、反応室21の内部には、カーボン等の耐食材からなり原料ガスG1の流路を形成するバッフル板24が備えられている。したがって、原料ガス供給部40から供給管22を通じて反応室21の下部に供給された原料ガスG1は、バッフル板24によって蛇行しながら反応室21内を進み、排出管23を通じて反応室21の上部から生成ガスG2として排出される。
The cracking
原料ガス供給部40は、ポリマーとHClとをそれぞれ加熱して混合した原料ガスG1を、任意の温度および任意の供給量で分解炉20に供給する。この原料ガス供給部40において、ポリマーおよびHClの各温度および供給量は、制御部50によって制御されている。
The raw material
原料ガス供給部40において、まず、ポリマー供給部41は、液状ポリマーをポリマー蒸発器42に供給する。この液状ポリマーの供給量は、制御部50によって制御されている。一方、HCl供給部44は、HClをHCl予熱器45に供給する。このHClの供給量は、制御部50によって制御されている。HClを供給されたHCl予熱器45は、制御部50によって制御されてHClを任意の温度(120℃以上300℃以下)に加熱し、ポリマー蒸発器42に供給する。
In the raw material
ポリマー蒸発器42は、液状ポリマーを加熱して蒸発させる。このとき、ポリマー蒸発器42に高温のHClが供給されていることにより、加熱されたポリマーが熱分解して固体のシリコンが生成するのが防止されている。このポリマー蒸発器42で蒸発したポリマーはHClと混合されて原料ガス予熱器43へ送られる。
The
原料ガス予熱器43は、ポリマー蒸発器42で混合されたポリマーとHClとをさらに加熱し、任意の予熱温度Tiの原料ガスG1を分解炉20へ送る。この予熱温度Tiは、分解炉20内における原料ガスG1の平均滞留時間tに応じて、制御部50によって制御されている。
The raw
ここで、予熱温度Ti[℃]は、制御部50によって
400≦Ti≦550
かつ T1≦Ti≦T2
T1=600×t(−0.057)−150
T2=190×t(−0.9)+470
ただし t≦10
を満たすように制御される。T1は予熱温度Tiの下限温度、T2は上限温度である。
Here, the preheating temperature Ti [° C.] is set to 400 ≦ Ti ≦ 550 by the
And T1 ≦ Ti ≦ T2
T1 = 600 × t (−0.057) −150
T2 = 190 × t (−0.9) +470
Where t ≦ 10
It is controlled to satisfy. T1 is a lower limit temperature of the preheating temperature Ti, and T2 is an upper limit temperature.
なお、平均滞留時間t[秒]は、以下のように算出され、制御部50が原料供給量を制御することによって制御されている。
平均滞留時間t=V÷F …(3)
ただし
V:反応室21の容積[m3]
F:流量[m3/秒]
流量F=N×R×Ti÷P …(4)
ただし
N:原料供給量[mol/秒]
R:ガス定数(8.314[J/mol/K])
Ti:原料ガスGの予熱温度[K](すなわち分解炉20の入口ガス温度)
P:圧力[Pa(A)](絶対圧基準)
The average residence time t [seconds] is calculated as follows, and is controlled by the
Average residence time t = V ÷ F (3)
V: volume of reaction chamber 21 [m 3 ]
F: Flow rate [m 3 / sec]
Flow rate F = N × R × Ti ÷ P (4)
N: Raw material supply amount [mol / sec]
R: Gas constant (8.314 [J / mol / K])
Ti: Preheating temperature [K] of the raw material gas G (that is, the inlet gas temperature of the cracking furnace 20)
P: Pressure [Pa (A)] (absolute pressure standard)
つまり、この分解装置10において制御部50は、分解炉20に導入する原料ガスG1の予熱温度Tiを制御するとともに、原料ガスG1の供給量を制御することにより平均滞留時間tを制御する。
That is, in the cracking
分解炉20に供給された原料ガスG1は、分解反応が開始する400℃以上550℃以下に予熱されているため、反応室21内で上記式(1)のように分解しはじめる。この分解反応は発熱反応であり、反応室21は断熱層30で覆われていることから、原料ガスG1の温度はさらに上昇し、分解反応がさらに進行する。そして、反応後の生成ガスG2は、排気管23を通じて分解炉20から排出されて、分解反応を終了させるべく速やかに冷却される。この生成ガスG2からTCSが回収される。
Since the raw material gas G1 supplied to the cracking
この分解反応において、分解炉20の内壁を覆う断熱層30が備えられていることにより、反応室21からの放熱が妨げられる。したがって、反応熱を用いて原料ガスG1の温度を上昇させることができるので、原料ガスG1の予熱温度Tiを比較的低温に抑えても、反応室21内において十分な分解反応を生じさせることができる。このため、分解炉20、ポリマー蒸発器42、原料ガス予熱器43、供給管22および排出管23等、原料ガスG1または生成ガスG2に接触する金属部品の温度上昇が抑えられるので、HClによる腐食を抑制することができる。
In this decomposition reaction, since the
ここで、原料ガスG1の予熱温度Tiと分解反応時間、ガス温度、ポリマー(Si2Cl6)の量およびTCSの量との関係について、図2を参照して説明する。図2は、原料ガスG1の温度を380℃、480℃、540℃としたときの分解反応によるガス温度(a)、ポリマーの量(b)、TCSの量(c)の各変化を、断熱層30が完全に断熱するものと仮定して、シミュレーションした結果をグラフに示したものである。
Here, the relationship between the preheating temperature Ti of the raw material gas G1, the decomposition reaction time, the gas temperature, the amount of polymer (Si 2 Cl 6 ), and the amount of TCS will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows the changes in gas temperature (a), polymer amount (b), and TCS amount (c) due to the decomposition reaction when the temperature of the raw material gas G1 is 380 ° C., 480 ° C., and 540 ° C. Assuming that the
予熱温度Tiが540℃である場合、反応開始から約0.1秒の間にポリマーは分解されてほぼ0となるが、一旦は生成されたTCSがガス中のHClと反応して減少してしまう。ポリマーの分解およびTCSの反応はいずれも発熱反応であり、これによりガス温度が約900℃まで上昇して定常状態となる。したがって、予熱温度Tiが540℃である場合には、原料ガスG1を0.1秒〜0.2秒程度の間分解炉20内に滞留させた後に反応を終了させることにより、効率よくTCSを生産できる。
When the preheating temperature Ti is 540 ° C., the polymer is decomposed and becomes almost zero within about 0.1 second from the start of the reaction, but once the TCS produced is reacted with HCl in the gas and decreased. End up. The polymer decomposition and the TCS reaction are both exothermic reactions, which raise the gas temperature to about 900 ° C. and reach a steady state. Therefore, when the preheating temperature Ti is 540 ° C., the TCS is efficiently obtained by terminating the reaction after the source gas G1 is retained in the cracking
予熱温度Tiが480℃である場合、反応開始から約1秒後にポリマーは分解されてほぼ0となり、ほぼ同時にTCS量が最大となる。その後、これら反応の発熱によってTCSは減少する。したがって、予熱温度Tiが480℃である場合には、原料ガスG1を約1秒の間分解炉20内に滞留させた後に反応を終了させることにより、効率よくTCSを生産できる。
When the preheating temperature Ti is 480 ° C., about 1 second from the start of the reaction, the polymer is decomposed to become almost zero, and at the same time, the amount of TCS becomes maximum. Thereafter, the TCS decreases due to the exotherm of these reactions. Therefore, when the preheating temperature Ti is 480 ° C., TCS can be efficiently produced by terminating the reaction after the source gas G1 is retained in the cracking
予熱温度Tiが380℃である場合、ガス温度はほとんど変化がなく、ポリマーおよびTCSの量もあまり変化がない。つまり、予熱温度Tiが低いとポリマーの分解反応が行われない。 When the preheating temperature Ti is 380 ° C., the gas temperature hardly changes, and the amount of polymer and TCS does not change so much. That is, when the preheating temperature Ti is low, the polymer decomposition reaction is not performed.
これらのことから、予熱温度Tiと、反応の継続時間すなわち分解炉20内における滞留時間との関係を適切に設定することにより、効率よくTCSを生産できることがわかる。
From these, it can be seen that TCS can be efficiently produced by appropriately setting the relationship between the preheating temperature Ti and the duration of the reaction, that is, the residence time in the cracking
〈実施例および比較例〉
以上説明した分解装置10を用いて、予熱温度Tiおよび平均滞留時間t(すなわちポリマー供給量)を調整し、ポリマー分解処理を行った。各実施例および比較例に共通の条件を以下に示す。
反応室21の容積:5.0[L]
断熱層30の厚さ:0.15m
圧力:0.05[MPa(G)](大気圧基準)
また、分解炉20に導入した原料ガスG1の組成(モル比)は表1の通りである。
<Examples and Comparative Examples>
Using the
Volume of reaction chamber 21: 5.0 [L]
Pressure: 0.05 [MPa (G)] (atmospheric pressure standard)
The composition (molar ratio) of the raw material gas G1 introduced into the cracking
各実施例および比較例について、ポリマー分解率、TCS生産率、生成ガスG2の温度、および分解炉20の温度を測定した結果を表2および図3に示す。この試験結果において、ポリマー分解率およびTCS生産率が高いほど好ましい。また、金属部品の腐食を抑えるために、ガス温度が低く、分解炉20の温度は低いことが好ましい。ここでは、ポリマー分解率が90%以上かつTCS生産率がプラスであればOKとした。
Table 2 and FIG. 3 show the results of measuring the polymer decomposition rate, the TCS production rate, the temperature of the product gas G2, and the temperature of the
ポリマー分解率は、下記式のように算出され、原料よりもポリマーが増量した場合にマイナスとなる。
ポリマー分解率[%]=100−反応後のポリマー量[mol]/原料中のポリマー量[mol]×100 …(5)
ここでは、ポリマー全体の9割以上を占めるSi2HCl5とSi2Cl6とについて、分解率を測定した。
The polymer degradation rate is calculated as in the following formula, and becomes negative when the amount of polymer is increased from the raw material.
Polymer degradation rate [%] = 100-polymer amount after reaction [mol] / polymer amount in raw material [mol] × 100 (5)
Here, the decomposition rate was measured for Si 2 HCl 5 and Si 2 Cl 6 occupying 90% or more of the entire polymer.
TCS生産率は下記式のように算出され、TCSが原料ガスG1よりも減量した場合にマイナスとなる。
TCS生産率[%]=100×(生成ガスG2中のTCS量[mol]−原料ガスG1中のTCS量[mol])/(原料ガスG1中のTCSおよびポリマーに含まれるシリコン量[mol]) …(6)
The TCS production rate is calculated by the following equation, and becomes negative when the TCS is reduced from the raw material gas G1.
TCS production rate [%] = 100 × (TCS amount [mol] in product gas G2−TCS amount [mol] in source gas G1) / (Amount of silicon contained in TCS and polymer in source gas G1 [mol]) (6)
〈予熱温度Tiが545℃である場合〉
図3に点aで示す実施例1および点bで示す実施例2は、原料ガスG1の予熱温度Tiが545℃に設定されている。これらの場合、予熱温度Tiが比較的高温であり、平均滞留時間tの短い実施例1のTCS生産率がより高かったが、いずれもポリマー分解率は90%以上であった。
一方、図3に点kで示す比較例1は、予熱温度Tiが同じ実施例1,2よりも平均滞留時間tが長い3.4秒に設定されており、この平均滞留時間tにおけるT2よりも予熱温度Tiが高くなっている。この場合、ポリマー分解率は100%と高いが、TCS生産率が低かった。これは、ガスの温度に対して反応時間が長すぎたため、換言すると反応時間に対してガスの温度が高すぎたため、生成されたTCSが上記式(2)に示す反応によりSiCl4に変化したためと考えられる。
<When preheating temperature Ti is 545 ° C.>
In Example 1 indicated by point a in FIG. 3 and Example 2 indicated by point b, the preheating temperature Ti of the source gas G1 is set to 545 ° C. In these cases, although the preheating temperature Ti was relatively high and the TCS production rate of Example 1 having a short average residence time t was higher, the polymer degradation rate was 90% or more in all cases.
On the other hand, in Comparative Example 1 indicated by a point k in FIG. 3, the average residence time t is set to 3.4 seconds, which is longer than those of Examples 1 and 2 where the preheating temperature Ti is the same. From T2 in this average residence time t However, the preheating temperature Ti is high. In this case, the polymer degradation rate was as high as 100%, but the TCS production rate was low. This is because the reaction time was too long for the gas temperature, in other words, the gas temperature was too high for the reaction time, and the generated TCS was changed to SiCl 4 by the reaction shown in the above formula (2). it is conceivable that.
〈予熱温度Tiが480℃である場合〉
図3に点cで示す実施例3、点dで示す実施例4、および点eで示す実施例5は、原料ガスG1の予熱温度Tiが480℃に設定されている。これらの場合、ポリマー分解率もTCS生産率も高かった。
一方、図3に点lで示す比較例2は、予熱温度Tiが同じ実施例3〜5よりも平均滞留時間tが短く設定されており、ポリマー分解率が低かった。これは、ガスの温度に対して反応時間が短く、ポリマーが十分に分解されなかったものと考えられる。
また、図3に点mで示す比較例3は、予熱温度Tiが同じ実施例3〜5よりも平均滞留時間tが長い11秒に設定されており、ポリマー分解率は高かったがTCS生産率が低かった。これは、ガスの温度に対して反応時間が長すぎ、生成されたTCSが上記式(2)に示す反応によりSiCl4に変化したためと考えられる。
<When preheating temperature Ti is 480 ° C.>
In Example 3 indicated by point c in FIG. 3, Example 4 indicated by point d, and Example 5 indicated by point e, the preheating temperature Ti of the source gas G1 is set to 480 ° C. In these cases, both the polymer degradation rate and the TCS production rate were high.
On the other hand, in Comparative Example 2 indicated by a point l in FIG. 3, the average residence time t was set shorter than in Examples 3 to 5 having the same preheating temperature Ti, and the polymer decomposition rate was low. This is probably because the reaction time was short with respect to the gas temperature, and the polymer was not sufficiently decomposed.
Further, in Comparative Example 3 indicated by a point m in FIG. 3, the average residence time t is set to 11 seconds, which is longer than that of Examples 3 to 5 where the preheating temperature Ti is the same, and the TCS production rate is high although the polymer decomposition rate is high. Was low. This is presumably because the reaction time was too long for the gas temperature, and the generated TCS was changed to SiCl 4 by the reaction shown in the above formula (2).
〈予熱温度Tiが450℃である場合〉
図3に点fで示す実施例6、点gで示す実施例7、および点hで示す実施例8は、原料ガスG1の予熱温度Tiが450℃に設定されている。これらの場合、ポリマー分解率もTCS生産率も高かった。
<When preheating temperature Ti is 450 ° C.>
In Example 6 indicated by a point f in FIG. 3, Example 7 indicated by a point g, and Example 8 indicated by a point h, the preheating temperature Ti of the source gas G1 is set to 450 ° C. In these cases, both the polymer degradation rate and the TCS production rate were high.
〈予熱温度Tiが405℃である場合〉
図3に点iで示す実施例9、および点jで示す実施例10は、原料ガスG1の予熱温度Tiが405℃に設定されている。これらの場合、予熱温度Tiが比較的低温であり、平均滞留時間tの短い実施例9ではポリマー分解率が少し低くなったが、高いTCS生産率が得られた一方、平均滞留時間tの長い実施例10ではポリマー分解率が100%であったが、TCS生産率は実施例9よりも低かった。
一方、図3に点nで示す比較例4は、予熱温度Tiが同じ実施例9,10よりも平均滞留時間tが短い2.2秒設定されており、この平均滞留時間tにおけるT1よりも予熱温度Tiが低くなっている。この比較例4においてポリマー分解率が低かったのは、ガスの温度に対して反応時間が短いため、換言すると反応時間に対してガスの温度が低いため、ポリマーが十分に分解されなかったためと考えられる。
また、図3に点oで示す比較例5は、熱温度Tiが同じ実施例9,10よりも平均滞留時間tが長い11秒に設定されており、ポリマー分解率は高かったがTCS生産率が低かった。これは、ガスの温度に対して反応時間が長すぎ、生成されたTCSが上記式(2)に示す反応によりSiCl4に変化したためと考えられる。
<When preheating temperature Ti is 405 ° C.>
In Example 9 indicated by point i in FIG. 3 and Example 10 indicated by point j, the preheating temperature Ti of the source gas G1 is set to 405 ° C. In these cases, although the preheating temperature Ti is relatively low and the average residence time t is short in Example 9, the polymer decomposition rate was slightly low, but a high TCS production rate was obtained, while the average residence time t was long. In Example 10, the polymer degradation rate was 100%, but the TCS production rate was lower than Example 9.
On the other hand, in Comparative Example 4 indicated by a point n in FIG. 3, the average residence time t is set to 2.2 seconds, which is shorter than those of Examples 9 and 10 having the same preheating temperature Ti, and is longer than T1 at this average residence time t. The preheating temperature Ti is low. In Comparative Example 4, the polymer degradation rate was low because the reaction time was short with respect to the gas temperature, in other words, the gas temperature was low with respect to the reaction time, and thus the polymer was not sufficiently decomposed. It is done.
Further, in Comparative Example 5 indicated by a point o in FIG. 3, the average residence time t is set to 11 seconds, which is longer than that of Examples 9 and 10 where the thermal temperature Ti is the same, and the TCS production rate is high although the polymer decomposition rate is high. Was low. This is presumably because the reaction time was too long for the gas temperature, and the generated TCS was changed to SiCl 4 by the reaction shown in the above formula (2).
〈予熱温度Tiが低すぎる場合〉
また、図3に点pで示す比較例6は、原料ガスG1の予熱温度Tiが380℃、平均滞留時間tが11秒に設定されている。この場合、ポリマー分解率、TCS生産率ともに低かった。生成ガスG2の温度が予熱温度Tiと比較してあまり上昇していないことを鑑みると、この比較例6では、予熱温度Tiが低すぎるためにポリマーの分解反応が開始されず、平均滞留時間tが長くても十分な分解反応が行われなかったと考えられる。このことから、予熱温度Tiを400℃以上に設定することが好ましいと確認された。
<When preheating temperature Ti is too low>
Further, in Comparative Example 6 indicated by a point p in FIG. 3, the preheating temperature Ti of the source gas G1 is set to 380 ° C., and the average residence time t is set to 11 seconds. In this case, both the polymer degradation rate and the TCS production rate were low. In view of the fact that the temperature of the product gas G2 is not so high as compared with the preheating temperature Ti, in this Comparative Example 6, the preheating temperature Ti is too low, so the polymer decomposition reaction is not started, and the average residence time t It is considered that sufficient decomposition reaction was not performed even if the length was long. From this, it was confirmed that the preheating temperature Ti is preferably set to 400 ° C. or higher.
〈平均滞留時間tが長すぎる場合〉
比較例3,5および6は、平均滞留時間tが11秒に設定されている。これらの比較例のうち、予熱温度Tiが低い比較例6(図3の点p)では分解反応が不十分であり、予熱温度Tiが高い比較例3,5(図3の点m,o)ではTCS生成の逆反応(式(2))が進行してしまう。したがって、平均滞留時間tは、予熱温度Tiに関わらず、10秒以内に設定することが好ましいと確認された。
<When average residence time t is too long>
In Comparative Examples 3, 5 and 6, the average residence time t is set to 11 seconds. Among these comparative examples, in Comparative Example 6 (point p in FIG. 3) where the preheating temperature Ti is low, the decomposition reaction is insufficient, and Comparative Examples 3 and 5 (points m and o in FIG. 3) where the preheating temperature Ti is high. Then, the reverse reaction of TCS generation (formula (2)) proceeds. Therefore, it was confirmed that the average residence time t is preferably set within 10 seconds regardless of the preheating temperature Ti.
〈断熱層30による効果〉
これら実施例1〜10および比較例1〜6では、断熱層30が備えられていることにより、分解炉20の温度が500℃以下に抑えられた。これにより、本発明の分解装置10では、高温の水素による分解炉20等の金属部品の腐食を抑えながらポリマーの分解反応を進行できることが確認された。
<Effects of
In these Examples 1-10 and Comparative Examples 1-6, since the
以上説明したように、本発明に係る分解装置10を用いて、本発明に係る分解方法に従い、分解炉20等の金属部品の腐食を抑えるとともに、過度の反応を抑制し、クロロシラン重合物を効率よく分解でき、高効率でのポリマー分解処理が可能である。また、換言すると、ある容積を有する分解炉20において、ポリマー供給量にあわせて予熱温度Tiを適切に設定すればよいので、ポリマー処理量を変更することができる。さらに、反応温度を安定してコントロールできるので、安定した操業が可能となる。
As explained above, according to the decomposition method according to the present invention, the
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
たとえば、原料ガスG1の予熱温度Tiは、さらに
Ti≦Tb2
Tb2=190×t(−0.59)+400
を満たすように設定することがより好ましい。この場合、予熱温度Tiの上限温度をT2よりも低いTb2に設定することにより、反応熱による反応室21内のガスの最高温度が抑えられるので、TCSがSiCl4に変換されるのをより効果的に抑制できるとともに、分解炉20の腐食をより確実に抑制できる。
In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, the preheating temperature Ti of the raw material gas G1 is further Ti ≦ Tb2
Tb2 = 190 × t (−0.59) +400
It is more preferable to set so as to satisfy. In this case, by setting the upper limit temperature of the preheating temperature Ti to Tb2 lower than T2, the maximum temperature of the gas in the
また、分解装置10の分解炉20には、以下のように種々の構成を採用できる。なお、以下の分解装置10における原料ガス供給部40について、上述した第1実施形態の分解装置10に備えられる原料ガス供給部40と同様の構成であるものは、ここでは図示および説明を省略する。
Moreover, various configurations can be adopted for the
図4に、分解装置10の第2実施形態を示す。この実施形態における分解炉20Aは、断熱層30の内側にヒータ31が備えられている。このヒータ31は、HClによる腐食のないカーボンヒータ、セラミックスヒータ等である。この分解炉20Aでは、断熱層30による断熱効果が十分に得られないなど、分解炉20Aからの放熱量が大きく、反応熱による原料ガスG1の温度上昇が不十分である場合に、反応室21内のガスを補助的に加熱することができる。また、反応室21内のガスの少なくとも一部を高温にすることで、反応を促進し、さらに安定したポリマー分解率を得ることができる。
FIG. 4 shows a second embodiment of the disassembling
図5に、分解装置10の第3実施形態を示す。この実施形態における分解炉20Bは、断熱層30の内側に設けられて反応室21を形成する内容器25と、断熱層30の外側に設けられた外容器26とを備える。内容器25は、HClによる腐食のないカーボン製容器であり、分解反応はこの内容器25の内部で行われる。原料ガスG1の供給管22および生成ガスG2の排出管23は、この内容器25に開口している。この内容器25および断熱層30を覆う外容器26は、密閉性に優れるステンレス製容器であり、パージガスを供給されることにより、内部がパージされている。
FIG. 5 shows a third embodiment of the disassembling
パージガスは、H2,N2,Arガス等の不活性ガスの少なくとも1種からなり、パージガス供給管27を通じて外容器26の内部に供給されている。そして、外容器26から排出された気体は、パージガス排出管28を通じて生成ガスG2の排出管23へ導出され、生成ガスG2に混入される。このように、この分解炉20Bでは、外容器26の内部気体がパージされることにより、内容器25から漏れた原料ガスG1の外容器26の内部での滞留が防止され、外容器26とHClとの接触を避けることができる。これにより、原料ガスG1のHClによるステンレス製の外容器26の腐食が効果的に防止される。すなわち、この実施形態では、HClに対する耐食性を有する反面、密閉性の低いカーボン製の内容器25を、HClに対する耐食性が低い反面、密閉性の高いステンレス製の外容器26で覆い、これら内容器25と外容器26との間に断熱層30を介在させることにより、高温でのポリマーの分解反応とステンレス製容器の腐食防止とを両立させている。
The purge gas is composed of at least one kind of inert gas such as H 2 , N 2 , Ar gas, etc., and is supplied to the inside of the
図6に、分解装置10の第4実施形態を示す。この実施形態における分解炉20Cは、反応室21を形成する内容器25の外側にヒータ31を備え、これら内容器25、ヒータ31および断熱層30を外容器26内に収容する構造となっている。これにより、この分解炉20Cでは、反応室21における断熱層30による熱損失をヒータ31で補完し、高温でのポリマー分解反応を可能にするとともに、ステンレス製の外容器26に直接原料ガスG1が接触するのを防止しながら、断熱層30により外容器26の温度上昇を抑制している。
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the disassembling
図7に、分解装置10の第5実施形態を示す。この実施形態における原料ガス供給部40Aは、HCl供給部44からポリマー蒸発器42に原料HClを供給するHCl供給ライン46の途中に、生成ガスG2と原料HClとの熱交換器47が設けられている。この熱交換器47により、ポリマー蒸発器42に供給される原料HClが加熱されるとともに、分解炉20から排出される生成ガスG2が冷却されるので、ポリマー分解の反応熱を利用した効率のよい処理が可能となる。
FIG. 7 shows a fifth embodiment of the disassembling
10 分解装置
20,20A,20B,20C 分解炉
21 反応室
22 供給管
23 排出管
24 バッフル板
25 内容器
26 外容器
27 パージガス供給管
28 パージガス排出管
30 断熱層
40 原料ガス供給部
41 ポリマー供給部
42 ポリマー蒸発器
43 原料ガス予熱器
44 HCl供給部
45 HCl予熱器
46 HCl供給ライン
47 熱交換器
50 制御部50
G1 原料ガス
G2 生成ガス
Ti 予熱温度
T1 下限温度
T2 上限温度
t 平均滞留時間
DESCRIPTION OF
G1 Source gas G2 Product gas Ti Preheating temperature T1 Lower limit temperature T2 Upper limit temperature t Average residence time
Claims (7)
予熱された前記原料ガスを分解炉内に滞留させる分解工程とを有し、
前記分解工程での前記原料ガスの前記分解炉内における平均滞留時間t[秒]とすると、前記予熱温度Tiを
400≦Ti≦550
かつ T1≦Ti≦T2
T1=600×t(−0.057)−150
T2=190×t(−0.9)+470
ただし t≦10
を満たすように設定することを特徴とするクロロシラン重合物の分解方法。 A preheating step of preheating a raw material gas obtained by mixing a chlorosilane polymer and HCl to a preheating temperature Ti [° C.];
A decomposition step of retaining the preheated raw material gas in a decomposition furnace,
When the average residence time t [second] in the decomposition furnace of the source gas in the decomposition step is set, the preheating temperature Ti is set to 400 ≦ Ti ≦ 550.
And T1 ≦ Ti ≦ T2
T1 = 600 × t (−0.057) −150
T2 = 190 × t (−0.9) +470
Where t ≦ 10
A method for decomposing a chlorosilane polymer, wherein the chlorosilane polymer is set so as to satisfy
Ti≦Tb2
Tb2=190×t(−0.59)+400
を満たすことを特徴とする請求項1に記載のクロロシラン重合物の分解方法。 The preheating temperature Ti is further equal to Ti ≦ Tb2.
Tb2 = 190 × t (−0.59) +400
The method for decomposing a chlorosilane polymer according to claim 1, wherein:
前記分解炉の内壁を覆うように備えられた断熱層と、
前記原料ガスを所定の予熱温度Ti[℃]に加熱して前記分解炉に供給する原料ガス供給部と、
前記分解炉内における前記原料ガスの平均滞留時間t[秒]に応じて、前記予熱温度Tiを制御する制御部と
を備えるクロロシラン重合物の分解装置であって、
前記制御部は、前記予熱温度Tiを
400≦Ti≦550
かつ T1≦Ti≦T2
T1=600×t(−0.057)−150
T2=190×t(−0.9)+470
ただし t≦10
を満たすように制御することを特徴とするクロロシラン重合物の分解装置。 A cracking furnace supplied with a raw material gas formed by mixing a chlorosilane polymer and HCl;
A heat insulating layer provided to cover the inner wall of the cracking furnace;
A source gas supply unit for heating the source gas to a predetermined preheating temperature Ti [° C.] and supplying the source gas to the cracking furnace;
A chlorosilane polymer decomposition apparatus comprising a control unit that controls the preheating temperature Ti according to an average residence time t [second] of the source gas in the decomposition furnace,
The control unit sets the preheating temperature Ti to 400 ≦ Ti ≦ 550.
And T1 ≦ Ti ≦ T2
T1 = 600 × t (−0.057) −150
T2 = 190 × t (−0.9) +470
Where t ≦ 10
An apparatus for decomposing a chlorosilane polymer, wherein the apparatus is controlled to satisfy the above.
Ti≦Tb2
Tb2=190×t(−0.59)+400
を満たすことを特徴とする請求項3に記載のクロロシラン重合物の分解装置。 The preheating temperature Ti is further equal to Ti ≦ Tb2.
Tb2 = 190 × t (−0.59) +400
The apparatus for decomposing a chlorosilane polymer according to claim 3, wherein:
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