JP5511667B2 - Method for producing hydrogen gas from hydrogen halide, mixed gas containing hydrogen and silicon halide, method for producing silicon compound using the hydrogen gas, and plant for the method - Google Patents
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Description
本発明は、ハロゲン化水素、水素およびハロゲン化ケイ素を含む混合ガスから水素ガスを生産する方法、その水素ガスを用いたケイ素化合物の生産方法、およびその方法のためのプラントに関する。 The present invention relates to a method for producing hydrogen gas from a mixed gas containing hydrogen halide, hydrogen and silicon halide, a method for producing a silicon compound using the hydrogen gas, and a plant for the method.
シリコンは酸素に次いで地殻中に豊富にある元素で、推定では地殻を構成する元素中の約28%を占めると言われている。金属シリコンは、1960年代から半導体材料として利用されるようになり、エレクトロニクス産業の最重要素材となっている。 Silicon is an element that is abundant in the crust after oxygen, and is estimated to account for about 28% of the elements that make up the crust. Metallic silicon has been used as a semiconductor material since the 1960s and has become the most important material in the electronics industry.
モノシラン(SiH4)、モノクロルシラン(SiH3Cl)、ジクロルシラン(SiH2Cl2)、トリクロルシラン(SiHCl3)は、このような半導体、液晶パネル、太陽電池等の製造に用いられる、特殊材料ガスである。近年、需要は順調に拡大し、エレクトロニクス分野で広く使用されるCVD材料として、今後も伸びが期待されている。Monosilane (SiH 4 ), monochlorosilane (SiH 3 Cl), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), and trichlorosilane (SiHCl 3 ) are special material gases used for manufacturing such semiconductors, liquid crystal panels, solar cells, and the like. It is. In recent years, demand has been steadily expanding, and growth is expected as a CVD material widely used in the electronics field.
これらのモノシラン、モノクロルシラン、ジクロルシラン、トリクロルシランを製造する際の出発原料となるのが、テトラクロルシラン(四塩化ケイ素:SiCl4)である。Tetrachlorosilane (silicon tetrachloride: SiCl 4 ) is a starting material for producing these monosilane, monochlorosilane, dichlorosilane, and trichlorosilane.
テトラクロルシランの従来の製造方法としては、例えば特許文献1に記載されたものがある。この文献には、不活性なガスで3〜10倍(体積比)に希釈し反応器下部から供給する塩素と、金属珪素を半流動状態(スラッギング)で反応温度450℃から800℃で反応させる四塩化ケイ素の製造方法が記載されている。
As a conventional method for producing tetrachlorosilane, for example, there is one described in
トリクロルシランの従来の製造方法としては、例えば特許文献2に記載されたものがある。この文献には、温度1200℃をこえ1400℃以下に加熱した反応器にSiCl4とH2とのモル比が1:1〜1:2の混合ガスを導入して反応させ、熱平衡状態としその平衡状態の混合物であるSiHCl3とHClとのモル比が1:1〜1:4であり、さらにSiCl2とH2等を含有する混合物を1秒以内に600℃以下に急冷して反応を凍結させることによりSiHCl3の収率及び収量を向上させるSiHCl3の製造法が記載されている。As a conventional method for producing trichlorosilane, there is, for example, one described in Patent Document 2. In this document, a gas mixture having a molar ratio of SiCl 4 and H 2 of 1: 1 to 1: 2 is introduced into a reactor heated to 1200 ° C. over 1200 ° C. and reacted to obtain a thermal equilibrium state. The molar ratio of SiHCl 3 and HCl, which is an equilibrium mixture, is 1: 1 to 1: 4, and the mixture containing SiCl 2 and H 2 is rapidly cooled to 600 ° C. or less within 1 second to carry out the reaction. A process for the production of SiHCl 3 is described which improves the yield and yield of SiHCl 3 by freezing.
ジクロルシラン、モノクロルシラン、モノシランの従来の製造方法としては、例えば特許文献3に記載されたものがある。この文献には、原料水素化塩化珪素を反応塔に供給し、その塔内において不均斉化反応させながら蒸留効果により沸点の低いモノシラン、モノクロルシラン又はジクロルシラン等から選ばれた少なくとも1種のシラン化合物を反応塔の塔頂から取得し、一方、塔底から四塩化珪素およびトリクロルシランを含む触媒混合液を抜き取り、次いでその混合溶液からシラン化合物と触媒液とを分離し、さらにその触媒液を反応塔に循環させながらモノシラン、モノクロルシラン又はジクロルシラン等のシラン化合物を連続的に製造する方法が記載されている。 As a conventional method for producing dichlorosilane, monochlorosilane, or monosilane, there is one described in Patent Document 3, for example. In this document, at least one silane compound selected from monosilane, monochlorosilane, dichlorosilane or the like having a low boiling point due to a distillation effect while supplying raw material silicon hydride chloride to a reaction tower and causing a disproportionation reaction in the tower Is obtained from the top of the reaction tower, while the catalyst mixed liquid containing silicon tetrachloride and trichlorosilane is withdrawn from the bottom of the tower, and then the silane compound and the catalyst liquid are separated from the mixed solution, and the catalyst liquid is further reacted. A method for continuously producing a silane compound such as monosilane, monochlorosilane or dichlorosilane while circulating in a column is described.
ここで、半導体デバイスの製造に用いられるシリコン単結晶は、多結晶シリコンから種々の育成法によりつくられているが、このとき出発原料として用いられる多結晶シリコンは、極めて高い純度が要求される。そのため、特許文献1にも同様のプロセスが記載されているが、多結晶シリコンは、通常、純度95%以上の金属シリコンが充填された層(固定層、流動層)に塩化水素(HCl)、または、四塩化珪素(SiCl4)とH2を送気してトリクロルシラン(SiHCl3)を生成させ、これを蒸留法により精製し、得られた高純度トリクロルシラン(SiHCl3)をCVD炉内で高純度水素により還元する方法により製造されている。Here, a silicon single crystal used for manufacturing a semiconductor device is produced from polycrystalline silicon by various growth methods. At this time, polycrystalline silicon used as a starting material is required to have extremely high purity. Therefore, although the same process is described in
上述の高純度トリクロルシラン(SiHCl3)を製造するプロセスでは、先ず、反応炉で、金属シリコンに作用させるガスの違いに応じて、主に下記の化学式(1)および化学式(2)に示すような反応が起こる。In the above-described process for producing high-purity trichlorosilane (SiHCl 3 ), first, as shown in the following chemical formula (1) and chemical formula (2), depending on the difference in the gas acting on the metal silicon in the reaction furnace. Reaction occurs.
Si+3HCl→SiHCl3+H2・・・(1)
Si+3SiCl4+2H2→4SiHCl3・・・(2)Si + 3HCl → SiHCl 3 + H 2 (1)
Si + 3SiCl 4 + 2H 2 → 4SiHCl 3 (2)
上述の反応後のガス中には、生成したトリクロルシランや副生物としての四塩化珪素、水素、未反応ガス等の他、金属シリコンの微粉や、金属シリコンまたは金属シリコンに含まれるシリコン以外の物質(Al、Fe等)が塩素化されて発生する固体状およびガス状の高沸点物質(以下、単に「高沸点物質」ともいう)が含まれている。 In the above-mentioned gas after the reaction, in addition to the generated trichlorosilane, silicon tetrachloride as a by-product, hydrogen, unreacted gas, etc., metal silicon fine powder, metal silicon or substances other than silicon contained in metal silicon Solid and gaseous high-boiling substances (hereinafter also simply referred to as “high-boiling substances”) generated by chlorination of (Al, Fe, etc.) are included.
そのため、微粉や高沸点物質(不純物)を含むクロルシラン類の凝集液からクロルシラン類を回収するに際し、配管等の閉塞を引き起こす原因となる高沸点物質等を除去し、高い収率で高純度のクロルシラン類を回収する技術として、特許文献4に記載されたものがある。この文献には、蒸留塔の底に塔底液として濃縮された微粉や高沸点物質の一定量を抜き出して、別容器で加熱し、有用成分であるトリクロルシランおよび四塩化珪素をガス化分離して蒸留塔に戻し、この別容器(再濃縮装置)の底部に濃縮した(すなわち、蒸留塔の底に濃縮された塔底液が再濃縮した)微粉や高沸点物質を系外へ抜き出す方法が記載されている。この文献によれば、この際に、蒸留塔の底に溜まる塔底液の抜き出し量、再濃縮装置から系外への抜き出し量を適正な範囲に設定すれば、微粉、高沸点物質を効率的に除去し、配管等の詰まりを発生させずに、高い収率で高純度のクロルシラン類を製造できる旨記載されている。 Therefore, when recovering chlorosilanes from the flocculated liquid of chlorosilanes containing fine powder and high-boiling substances (impurities), high-boiling substances that cause blockage of piping and the like are removed, and high-purity chlorosilane is obtained in a high yield. As a technique for recovering the kind, there is one described in Patent Document 4. In this document, a certain amount of fine powder and high-boiling substances concentrated as a bottom liquid at the bottom of the distillation column are extracted and heated in a separate container to gasify and separate the trichlorosilane and silicon tetrachloride, which are useful components. The method of extracting fine powder and high-boiling substances out of the system after returning to the distillation column and concentrating at the bottom of this separate container (reconcentration device) (that is, reconcentrating the bottom liquid concentrated at the bottom of the distillation column). Have been described. According to this document, fine powder and high-boiling substances can be efficiently obtained by setting the amount of the bottom liquid collected at the bottom of the distillation column and the amount of the liquid extracted from the reconcentrator to the outside of the system. It is described that high-purity chlorosilanes can be produced in a high yield without causing clogging of piping and the like.
また、半導体分野においては、従来からエッチングガスあるいはクリーニングガスとして、ハロゲン、ハロゲン化水素等のハロゲン系ガスが多く使用されている。しかし、ハロゲン系ガスは人体及び環境にとって有害であり、これらのガスを含む排ガスは、工場外へ排出するに先立って浄化することが必須となっている。ハロゲン系ガスを含む排ガスを浄化する方法としては、排ガスを固体状の浄化剤が充填された処理筒に導入し、浄化剤と接触させて排ガスからハロゲン系ガスを除去する乾式浄化方法、排ガスを処理装置の上部から噴出するハロゲン系ガス吸収液と接触させて、排ガスからハロゲン系ガスを除去する湿式浄化方法が多く実施されている。 In the semiconductor field, a halogen-based gas such as halogen or hydrogen halide has been conventionally used as an etching gas or a cleaning gas. However, halogen-based gases are harmful to the human body and the environment, and it is indispensable to purify the exhaust gas containing these gases before discharging them outside the factory. As a method for purifying exhaust gas containing a halogen-based gas, a dry purification method in which the exhaust gas is introduced into a processing cylinder filled with a solid purification agent and brought into contact with the purification agent to remove the halogen-based gas from the exhaust gas. Many wet purification methods for removing halogen-based gas from exhaust gas by bringing it into contact with a halogen-based gas absorbing solution ejected from the upper part of the processing apparatus have been practiced.
例えば、半導体製造工程から排出されるハロゲン系ガスを含む排ガスの浄化処理において、頻繁に浄化剤を新しいものと交換することがなく、反応性が高いガスを含む乾燥排ガスを処理する場合であっても火災の危険性がなく、処理後のガス中のハロゲン系ガス濃度を容易に低くできる処理方法及び処理装置として、特許文献5に記載のものがある。この文献には、半導体製造工程から排出されるハロゲン系ガスを含む排ガスを、吸着剤と接触させて、排ガスからハロゲン系ガスを吸着除去するとともに、吸着剤にハロゲン系ガス吸収液を添加して、吸着剤に吸着されたハロゲン系ガスを、ハロゲン系ガス吸収液に吸収させて、吸着剤から脱着させる構成とする排ガスの処理装置が記載されている。この文献によれば、このような構成とすることにより、頻繁に吸着剤(浄化剤)を新しいものと交換する必要がなく、火災の危険性がなく、処理後のガス中のハロゲン系ガス濃度を容易に低くできる旨記載されている。 For example, in the purification treatment of exhaust gas containing halogen-based gas discharged from the semiconductor manufacturing process, it is a case where dry exhaust gas containing highly reactive gas is treated without frequently replacing the purification agent with a new one. However, there is one disclosed in Patent Document 5 as a processing method and a processing apparatus that can reduce the halogen-based gas concentration in the gas after processing without risk of fire. In this document, an exhaust gas containing a halogen-based gas discharged from a semiconductor manufacturing process is brought into contact with an adsorbent to adsorb and remove the halogen-based gas from the exhaust gas, and a halogen-based gas absorption liquid is added to the adsorbent. An exhaust gas treatment apparatus is described in which a halogen-based gas adsorbed by an adsorbent is absorbed in a halogen-based gas absorption liquid and desorbed from the adsorbent. According to this document, by adopting such a configuration, it is not necessary to frequently replace the adsorbent (cleaning agent) with a new one, there is no risk of fire, and the halogen-based gas concentration in the treated gas It is described that can be easily lowered.
しかしながら、特許文献1〜3のテトラクロルシラン、トリクロルシラン、ジクロルシラン、モノクロルシランなどの各種クロルシランあるいはモノシランを製造する際には、目的とする主要な各種クロルシランあるいはモノシランを含むガスとは別に、HClガス、H2ガス、クロルシラン類ガスなどを含む混合ガスが、不要な排ガスとして反応装置の外部に排出されることが多い。However, when producing various chlorosilanes or monosilanes such as tetrachlorosilane, trichlorosilane, dichlorosilane, and monochlorosilane described in
そして、このような不要な排ガスをそのまま各種クロルシランの製造プラントの外部に放出してしまうと、トリクロルシラン、ジクロルシラン、モノクロルシランなどのクロルシラン類ガス、モノシランガスおよびH2ガスが、空気中の酸素と反応して爆発し火災を発生させる危険性がある。また、HClガスおよびクロルシラン類ガスは、人体及び環境にとって有害であり、これらのガスを含む排ガスは、工場外へ排出するに先立って浄化することが必須となっている。And if such unnecessary exhaust gas is released as it is outside the production plant of various chlorosilanes, chlorosilane gases such as trichlorosilane, dichlorosilane and monochlorosilane, monosilane gas and H 2 gas react with oxygen in the air. There is a risk of explosion and fire. In addition, HCl gas and chlorosilane gas are harmful to the human body and the environment, and it is essential to purify the exhaust gas containing these gases before discharging them outside the factory.
さらに、このような不要な排ガス中に含まれるHClガス、H2ガスは、テトラクロルシラン、トリクロルシラン、ジクロルシラン、モノクロルシランなどの各種クロルシランあるいはモノシランを製造する際に、原料として再利用できる可能性がある。そのため、これらのHClガス、H2ガスを、不要な排ガスとして廃棄したり、安全に処理するために化学反応によって別の物質に変化させたりすることは、せっかくの有用な原料であるHClガス、H2ガスを無駄に捨てていることになる。Furthermore, HCl gas and H 2 gas contained in such unnecessary exhaust gas may be reused as raw materials when producing various chlorosilanes or monosilanes such as tetrachlorosilane, trichlorosilane, dichlorosilane, and monochlorosilane. There is. Therefore, discarding these HCl gas and H 2 gas as unnecessary exhaust gas, or changing to another substance by chemical reaction for safe processing, HCl gas, which is a very useful raw material, H 2 gas is wasted.
ここで、特許文献4の技術は、微粉や高沸点物質(不純物)を含むクロルシラン類の凝集液からクロルシラン類を回収するに際し、配管等の閉塞を引き起こす原因となる高沸点物質等を除去し、高い収率で高純度のクロルシラン類を回収することを目的としているため、上記のようなHClガス、H2ガス、クロルシラン類ガスなどを含む不要な排ガスを安全に処理する上では、特に役には立たない。Here, the technique of Patent Document 4 removes high-boiling substances that cause clogging of pipes and the like when recovering chlorosilanes from an aggregate of chlorosilanes containing fine powder and high-boiling substances (impurities), The purpose is to recover high-purity chlorosilanes with high yield, so it is particularly useful for safely treating unnecessary exhaust gas containing HCl gas, H 2 gas, chlorosilanes gas, etc. Can't stand.
また、特許文献5の技術は、ハロゲン系ガス吸収液として、水酸化ナトリウム(濃度2wt%)、水酸化カルシウム(濃度2wt%)、亜硫酸ナトリウム(濃度5wt%)、チオ硫酸ナトリウム(濃度20wt%)、炭酸ナトリウム(濃度5wt%)、炭酸水素ナトリウム(濃度5wt%)を含む水溶液を用いているため、HClガスがアルカリ性水溶液によって中和されてしまい、せっかくの有用な原料であるHClガスを無駄に捨てていることになる。また、ハロゲン系ガス吸収液として、水を用いる場合にも、特にHClガスを回収して再利用することについては触れられていない。 In addition, the technique of Patent Document 5 uses sodium hydroxide (concentration 2 wt%), calcium hydroxide (concentration 2 wt%), sodium sulfite (concentration 5 wt%), sodium thiosulfate (concentration 20 wt%) as a halogen-based gas absorption solution. Since an aqueous solution containing sodium carbonate (concentration 5 wt%) and sodium hydrogen carbonate (concentration 5 wt%) is used, HCl gas is neutralized by the alkaline aqueous solution, and wasteful HCl gas, which is a useful raw material, is wasted. It will be thrown away. Further, even when water is used as the halogen-based gas absorbing solution, there is no mention of particularly recovering and reusing HCl gas.
さらには、仮にHClガス、H2ガス、クロルシラン類ガスなどを含む混合ガスを、この特許文献5の技術で処理した場合には、トリクロルシラン、ジクロルシラン、モノクロルシランなどのクロルシラン類ガスあるいはモノシランガスが、水またはアルカリ性水溶液と反応してSiO2が生成してしまい、SiO2がハロゲン系ガス吸収液の溜り部または排水配管に沈殿または付着して、溜り部からのハロゲン系ガス吸収液の溢出や、排水配管の閉塞等を引き起こす原因となる。Furthermore, if a mixed gas containing HCl gas, H 2 gas, chlorosilane gas, etc. is treated by the technique of this Patent Document 5, chlorosilane gases such as trichlorosilane, dichlorosilane, and monochlorosilane, or monosilane gas, reacts with water or an aqueous alkaline solution will be generated by the SiO 2, and SiO 2 is precipitated or deposited in the sump or drain pipe of halogen gas absorbing liquid, and extravasation of halogen gas absorbing liquid from the reservoir, It may cause clogging of drainage pipes.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ハロゲン化水素、水素およびハロゲン化ケイ素を含む混合ガスから、湿式の処理方法によって、安定的にハロゲン化水素およびハロゲン化ケイ素を除去し、工業的に再利用可能な水素ガスの分離を行う技術を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、上記の湿式の処理方法によって除去されたハロゲン化水素から、工業的に再利用可能なハロゲン化水素ガスの分離を行う技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to stably remove hydrogen halide and silicon halide from a mixed gas containing hydrogen halide, hydrogen and silicon halide by a wet processing method. An object of the present invention is to provide a technique for separating reusable hydrogen gas. Another object of the present invention is to provide a technique for separating industrially reusable hydrogen halide gas from hydrogen halide removed by the wet processing method.
本発明によれば、ハロゲン化水素、水素およびハロゲン化ケイ素を含む混合ガスからハロゲン化ケイ素を除去する方法であって、混合ガスおよび酸性水溶液を接触させることによって、ハロゲン化ケイ素および酸性水溶液を反応させ、混合ガスからハロゲン化ケイ素の少なくとも一部を除去して精製ガスを得る工程を含む、ハロゲン化ケイ素の除去方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for removing silicon halide from a mixed gas containing hydrogen halide, hydrogen and silicon halide, wherein the silicon halide and the acidic aqueous solution are reacted by bringing the mixed gas and the acidic aqueous solution into contact with each other. And removing the at least part of the silicon halide from the mixed gas to obtain a purified gas.
この方法によれば、ハロゲン化水素、水素およびハロゲン化ケイ素を含む混合ガスおよび酸性水溶液を接触させることによって、ハロゲン化ケイ素および酸性水溶液を反応させて二酸化ケイ素を生成させるので、ハロゲン化ケイ素を除去することができる。また、この方法によれば、二酸化ケイ素は酸性水溶液に懸濁しやすいため、二酸化ケイ素の固化を抑制することができる。 According to this method, by contacting a mixed gas containing hydrogen halide, hydrogen and silicon halide and an acidic aqueous solution, the silicon halide and the acidic aqueous solution are reacted to form silicon dioxide, so that the silicon halide is removed. can do. Further, according to this method, since silicon dioxide is easily suspended in an acidic aqueous solution, solidification of silicon dioxide can be suppressed.
そのため、この方法によれば、酸性水溶液の溜り部または排水配管に二酸化ケイ素が沈殿または付着して、溜り部からの酸性水溶液の溢出や、排水配管の閉塞等が発生することを抑制できる。したがって、この方法によれば、設計・運転・保守の容易な湿式の処理方法によって、混合ガス中から安定的にハロゲン化ケイ素の少なくとも一部を除去することができる。 Therefore, according to this method, it is possible to prevent silicon dioxide from precipitating or adhering to the acid aqueous solution reservoir or drainage pipe, and overflowing of the acidic aqueous solution from the reservoir, blocking of the drainage pipe, or the like. Therefore, according to this method, at least a part of silicon halide can be stably removed from the mixed gas by a wet processing method that is easy to design, operate, and maintain.
また、本発明によれば、ハロゲン化水素、水素およびハロゲン化ケイ素を含む混合ガスからハロゲン化ケイ素を除去するプラントであって、混合ガスおよび酸性水溶液を接触させることによって、ハロゲン化ケイ素および酸性水溶液を反応させ、混合ガスからハロゲン化ケイ素の少なくとも一部を除去して精製ガスを得るための酸性水溶液貯槽を備える、ハロゲン化ケイ素の除去プラントが提供される。 According to the present invention, there is also provided a plant for removing silicon halide from a mixed gas containing hydrogen halide, hydrogen and silicon halide, wherein the mixed gas and the acidic aqueous solution are brought into contact with each other, thereby bringing the silicon halide and the acidic aqueous solution into contact with each other. A silicon halide removal plant is provided that includes an acidic aqueous solution storage tank for reacting and removing at least a portion of the silicon halide from the mixed gas to obtain a purified gas.
このプラントによれば、ハロゲン化水素、水素およびハロゲン化ケイ素を含む混合ガスおよび酸性水溶液を接触させることによって、ハロゲン化ケイ素および酸性水溶液を反応させて二酸化ケイ素を生成させるので、ハロゲン化ケイ素を除去することができる。また、このプラントによれば、二酸化ケイ素は酸性水溶液に懸濁しやすいため、二酸化ケイ素の固化を抑制することができる。 According to this plant, hydrogen halide, hydrogen and silicon halide mixed gas and acidic aqueous solution are contacted to react silicon halide and acidic aqueous solution to produce silicon dioxide, so silicon halide is removed can do. Moreover, according to this plant, since silicon dioxide is easy to suspend in acidic aqueous solution, solidification of silicon dioxide can be suppressed.
そのため、このプラントによれば、酸性水溶液の溜り部または排水配管に二酸化ケイ素が沈殿または付着して、溜り部からの酸性水溶液の溢出や、排水配管の閉塞等が発生することを抑制できる。したがって、このプラントによれば、設計・運転・保守の容易な湿式の処理方法によって、混合ガス中から安定的にハロゲン化ケイ素の少なくとも一部を除去することができる。 Therefore, according to this plant, it is possible to prevent silicon dioxide from precipitating or adhering to the acidic aqueous solution reservoir or drainage pipe, and overflowing of the acidic aqueous solution from the reservoir, blocking of the drainage pipe, or the like. Therefore, according to this plant, at least a part of the silicon halide can be stably removed from the mixed gas by a wet processing method that is easy to design, operate, and maintain.
なお、上記の水素ガスの生産方法、ケイ素化合物の生産方法および水素ガスの生産プラントは本発明の一態様であり、本発明の水素ガスの生産方法、ケイ素化合物の生産方法および水素ガスの生産プラントは、以上の構成要素の任意の組合せであってもよい。 The above-described hydrogen gas production method, silicon compound production method, and hydrogen gas production plant are one embodiment of the present invention, and the hydrogen gas production method, silicon compound production method, and hydrogen gas production plant of the present invention. May be any combination of the above components.
また、本発明の排ガスの処理方法、未反応ハロゲン化ケイ素の除去方法、混合ガス中のハロゲン化ケイ素の処理方法、水素ガスの分離方法、水素ガスの精製方法、水素ガスの回収方法、水素ガスの再利用方法、水素ガスの処理方法、ハロゲン化水素ガスの生産方法、ハロゲン化水素ガスの分離方法、ハロゲン化ガスの精製方法、ハロゲン化ガスの回収方法、ハロゲン化ガスの再利用方法、ハロゲン化ガスの処理方法、ケイ素化合物の還元方法、水素ガスの分離プラント、水素ガスの精製プラント、水素ガスの回収プラント、水素ガスの再利用プラント、水素ガスの処理プラント、ハロゲン化水素ガスの生産プラント、ハロゲン化水素ガスの分離プラント、ハロゲン化ガスの精製プラント、ハロゲン化ガスの回収プラント、ハロゲン化ガスの再利用プラント、ハロゲン化ガスの処理プラント、ケイ素化合物の還元プラント、これらのプラントの閉塞防止方法なども、同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。 Further, the exhaust gas treatment method of the present invention, the removal method of unreacted silicon halide, the treatment method of silicon halide in the mixed gas, the separation method of hydrogen gas, the purification method of hydrogen gas, the recovery method of hydrogen gas, the hydrogen gas Recycling method, hydrogen gas processing method, hydrogen halide gas production method, hydrogen halide gas separation method, halogenated gas purification method, halogenated gas recovery method, halogenated gas recycling method, halogen Hydrogen gas treatment method, silicon compound reduction method, hydrogen gas separation plant, hydrogen gas purification plant, hydrogen gas recovery plant, hydrogen gas reuse plant, hydrogen gas treatment plant, hydrogen halide gas production plant , Hydrogen halide gas separation plant, halogenated gas purification plant, halogenated gas recovery plant, halogenated gas recycling Use plants, processing plants halide gas, reducing plant silicon compounds, well as clogging prevention methods of these plants has the same configuration, the same effects.
本発明によれば、設計・運転・保守の容易な湿式の処理方法によって、混合ガス中から安定的にハロゲン化ケイ素の少なくとも一部を除去することができる。 According to the present invention, at least a part of silicon halide can be stably removed from a mixed gas by a wet processing method that is easy to design, operate, and maintain.
1:反応塔
2:リボイラー
3:凝縮器
4:原料供給導管
5:調節弁
6:凝縮器
7:捕集貯槽
8:調節弁
9:蒸発槽
10:ポンプ
11:凝縮器
12:貯槽
13:補給管
21:SiCl4蒸発器
22:ヒーター
23:反応器
24:電気炉
25:取り出し管
26:凝縮器
27:サンプル口
100:プラント
102:塩酸反応塔
104:スラリー貯留槽
106:フィルタープレス
108:塩酸スクラバー
110:放散塔
112:水洗塔
114;除去塔
202:内壁
204:底部
206:ゴムライニング被膜
208:塩化ビニル被膜
210:シリカ粒子
212:導入管
214:スプレー
300:ポッド内管
302:ポッド内管の下側内部
304:ポッド内管の上側内部
306:バブラー管
308:ガス入口
310:ガス出口
312:塩酸水溶液入口
314:排出液出口1: reaction tower 2: reboiler 3: condenser 4: raw material supply conduit 5: control valve 6: condenser 7: collection storage tank 8: control valve 9: evaporation tank 10: pump 11: condenser 12: storage tank 13: replenishment Pipe 21: SiCl 4 evaporator 22: heater 23: reactor 24: electric furnace 25: take-out pipe 26: condenser 27: sample port 100: plant 102: hydrochloric acid reaction tower 104: slurry reservoir 106: filter press 108: hydrochloric acid Scrubber 110: diffusion tower 112:
<用語の説明>
本明細書および請求の範囲において、「最小値〜最大値」という表記は、最小値以上かつ最大値以下の数値範囲を意味するものとする。また、「%」という表記は、特に断りのない限り、体積%(v/v)を意味するものとする。<Explanation of terms>
In the present specification and claims, the notation “minimum value to maximum value” means a numerical range not less than the minimum value and not more than the maximum value. Further, the expression “%” means volume% (v / v) unless otherwise specified.
(1)ハロゲン化ケイ素
本明細書および請求の範囲において、ハロゲン化ケイ素とは、ハロゲン化されたケイ素を意味し、SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Clなどのクロルシラン類の化合物を含む概念である。なお、クロルシラン類の化合物以外にも、SiF4、SiHF3、SiH2F2、SiH3Fや、SiBr4、SiHBr3、SiH2Br2、SiH3Brや、SiI4、SiHI3、SiH2I2、SiH3Iも含む概念である。(1) Silicon Halide In the present specification and claims, the term “halogenated silicon” means halogenated silicon and is a compound of chlorosilanes such as SiCl 4 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2 , and SiH 3 Cl. It is a concept that includes In addition to chlorosilane compounds, SiF 4 , SiHF 3 , SiH 2 F 2 , SiH 3 F, SiBr 4 , SiHBr 3 , SiH 2 Br 2 , SiH 3 Br, SiI 4 , SiHI 3 , SiH 2 It is a concept including I 2 and SiH 3 I.
なお、ハロゲン化ケイ素の一種である、クロルシランには、以下の6種類が含まれる。
物質名 化学式 沸点
テトラクロルシラン(四塩化ケイ素) SiCl4 57℃
トリクロルシラン SiHCl3 32℃
ジクロルシラン SiH2Cl2 8℃
モノクロルシラン SiH3Cl 30℃
ヘキサクロルジシラン Si2Cl6 144℃
ジシロキサン H3SiOSiH3 −14.4℃
メチルジクロルシラン CH4Cl2Si 41℃
ジメチルシラン (CH3)2SiH2 −20℃
トリメチルクロルシラン C3H9ClSi 57.3℃
なお、上記のトリクロルシランは、消防法危険物(第三類)に分類されている。Note that chlorosilane, which is a kind of silicon halide, includes the following six types.
Material name Chemical formula Boiling point Tetrachlorosilane (silicon tetrachloride) SiCl 4 57 ° C
Trichlorosilane SiHCl 3 32 ° C
Dichlorosilane SiH 2 Cl 2 8 ° C
Monochlorosilane SiH 3 Cl 30 ° C
Hexachlorodisilane Si 2 Cl 6 144 ° C.
Disiloxane H 3 SiOSiH 3 -14.4 ° C
Methyldichlorosilane CH 4 Cl 2 Si 41 ° C.
Dimethylsilane (CH 3 ) 2 SiH 2 -20 ° C
Trimethylchlorosilane C 3 H 9 ClSi 57.3 ° C.
In addition, said trichlorosilane is classified into the dangerous goods (class 3) of the Fire Service Act.
(2)モノシラン
モノシラン(SiH4)は、沸点−112℃の化合物であり、特殊高圧ガス(自然発火性)に分類されている。モノシランは、半導体、液晶パネル、太陽電池等の製造に用いられる特殊材料ガスである。近年、需要は順調に拡大し、エレクトロニクス分野で広く使用されるCVD材料として、今後も伸びが期待されている。(2) Monosilane Monosilane (SiH 4 ) is a compound having a boiling point of −112 ° C. and is classified as a special high-pressure gas (pyrophoric). Monosilane is a special material gas used for manufacturing semiconductors, liquid crystal panels, solar cells, and the like. In recent years, demand has been steadily expanding, and growth is expected as a CVD material widely used in the electronics field.
(3)ケイ素化合物
本明細書および請求の範囲において、ケイ素化合物とは、ケイ素および他の元素を含む化合物を意味する。ケイ素化合物には、ハロゲン化ケイ素(テトラクロルシラン、トリクロルシラン、ジクロルシラン、モノクロルシラン)およびモノシランが含まれる。(3) Silicon compound In the present specification and claims, the silicon compound means a compound containing silicon and other elements. Silicon compounds include silicon halides (tetrachlorosilane, trichlorosilane, dichlorosilane, monochlorosilane) and monosilane.
(4)ハロゲン化ケイ素の還元
本明細書および請求の範囲において、ハロゲン化ケイ素を還元するとは、ハロゲン化ケイ素に水素ガスなどのような還元物質を反応させて、より還元度の高い(ハロゲン化度の低い)物質に変換することを意味する。例えば、クロルシラン類の化合物の還元の場合には、下記の順番でハロゲン化ケイ素を還元することを意味する。
SiCl4→SiHCl3→SiH2Cl2→SiH3Cl→SiH4 (4) Reduction of silicon halide In the present specification and claims, reduction of silicon halide means that a reduction substance such as hydrogen gas is reacted with silicon halide to increase the degree of reduction (halogenation). It means that it is converted to a low-grade substance. For example, in the case of reduction of a chlorosilane compound, it means that silicon halide is reduced in the following order.
SiCl 4 → SiHCl 3 → SiH 2 Cl 2 → SiH 3 Cl → SiH 4
(5)ハロゲン化水素
本明細書および請求の範囲において、ハロゲン化水素とは、第17族元素の水素化物を意味する。水素とは1対1で結合する化合物しか知られておらず、ハロゲン化水素一般を表す略号としてHXと書き表されることがある。例えば、フッ化水素(HF、沸点19.5℃)、塩化水素(HCl、沸点−85.1℃)、臭化水素(HBr、沸点−67.1℃)、ヨウ化水素(HI、沸点−35.1℃)が含まれる。フッ化水素酸以外のハロゲン化水素は水中では完全電離するものの、そのもの自体はそれほど強い極性物質ではない。そして塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素の水溶液は完全電離して強酸性を示し、酸の強度はHCl<HBr<HIの順である。これらの中で、最も産業上よく用いられるのは、塩酸(塩化水素、HCl)である。(5) Hydrogen halide In the present specification and claims, hydrogen halide means a hydride of a Group 17 element. Only a compound that is bonded one-to-one with hydrogen is known, and HX may be written as an abbreviation for hydrogen halide in general. For example, hydrogen fluoride (HF, boiling point 19.5 ° C.), hydrogen chloride (HCl, boiling point −85.1 ° C.), hydrogen bromide (HBr, boiling point −67.1 ° C.), hydrogen iodide (HI, boiling point − 35.1 ° C.). Although hydrogen halides other than hydrofluoric acid are completely ionized in water, they themselves are not very strong polar substances. The aqueous solutions of hydrogen chloride, hydrogen bromide, and hydrogen iodide are completely ionized and show strong acidity, and the strength of the acid is in the order of HCl <HBr <HI. Of these, hydrochloric acid (hydrogen chloride, HCl) is most frequently used in the industry.
(6)水素
本明細書および請求の範囲において、水素とは、水素の単体である水素分子(水素ガス)H2を示すものとする。水素分子は常温では無色無臭の気体で、沸点−252.6°Cであり、軽く、非常に燃えやすい。一般に、アンモニアの製造(ハーバー・ボッシュ法)の他、最も安価でクリーンな還元剤として、トリクロルシラン、ジクロルシラン、モノクロルシランおよびモノシランの製造プロセスをはじめ、塩酸の製造、金属鉱石の還元、油脂の改質、脱硫など、多方面に利用されている。(6) Hydrogen In the present specification and claims, hydrogen means hydrogen molecule (hydrogen gas) H 2 which is a simple substance of hydrogen. Hydrogen molecules are colorless and odorless gases at room temperature, have a boiling point of −252.6 ° C., are light, and are very flammable. In general, in addition to the production of ammonia (Harbour-Bosch process), the cheapest and cleanest reducing agents include trichlorosilane, dichlorosilane, monochlorosilane and monosilane production processes, as well as hydrochloric acid production, metal ore reduction, and oil and fat modification. It is used in many fields such as quality and desulfurization.
(7)水性溶媒
本明細書および請求の範囲において、水性溶媒とは、水、水溶液、極性溶媒を含む概念であるとする。なお、本明細書および請求の範囲において、水とは、純度100%のH2Oのみからなるものに限定するわけではなく、多少の不純物等を含む水溶液、水懸濁液であっても、水と記載することとする。また、極性溶媒には、プロトン性極性溶媒と非プロトン性極性溶媒とが含まれる。プロトン性溶媒としては、例えば、水(H2O)、エタノール(CH3CH2OH)、メタノール(CH3OH)、酢酸(CH3C(=O)OH)などが例として挙げられる。(7) Aqueous solvent In the present specification and claims, the aqueous solvent is a concept including water, an aqueous solution, and a polar solvent. In the present specification and claims, water is not limited to only 100% pure H 2 O, and may be an aqueous solution or a water suspension containing some impurities, It shall be described as water. The polar solvent includes a protic polar solvent and an aprotic polar solvent. Examples of the protic solvent include water (H 2 O), ethanol (CH 3 CH 2 OH), methanol (CH 3 OH), acetic acid (CH 3 C (═O) OH), and the like.
(8)懸濁液
本明細書および請求の範囲において、懸濁液(Suspension)とは、少なくとも1マイクロメートル以上の、コロイドより大きい粒子と液体との混合物を意味する。コロイド溶液とは異なり、懸濁液は時間がたつと定常状態に落ち着く。懸濁液の一例は、シリカおよび水(または塩酸水溶液)を含むスラリーである。懸濁する粒子は顕微鏡で見ることができ、静かな場所に置くと時間の経過に連れて沈静化する。(8) Suspension In the present specification and claims, the term “suspension” means a mixture of particles and liquid that are at least 1 micrometer or larger and larger than a colloid. Unlike colloidal solutions, suspensions settle to a steady state over time. An example of a suspension is a slurry containing silica and water (or aqueous hydrochloric acid). Suspended particles can be seen with a microscope, and when placed in a quiet place, they settle down over time.
(9)スクラバー
本明細書および請求の範囲において、スクラバー(洗浄集じん装置)とは、排ガスに含まれる有害物質除去装置の一種であり、水などの液体を洗浄液として、排ガス中の粒子等の不純物を洗浄液の液滴や液膜中に捕集して分離をする装置で、洗浄集じん装置(湿式スクラバー、ウェットスクラバー)を意味するものとする。この種の装置には、液滴によるダストの分離を有効にするため、液滴、液膜等の形成と洗浄方法に種々の工夫がされている。溜水中に排ガスをくぐらせることにより集じんする方法(溜水式)、排ガスの流れに加圧水を噴射する方法(加圧水式)、プラスチック・磁器などの充填物に噴霧した洗浄液の水膜に排ガスを接触させて集じんする方法(充填層式)、洗浄液を回転体で分散させて排ガスを接触させる方法(回転式)などがある。(9) Scrubber In the present specification and claims, a scrubber (cleaning dust collection device) is a kind of harmful substance removal device contained in exhaust gas, and a liquid such as water is used as a cleaning liquid to remove particles, etc. in the exhaust gas. A device that collects and separates impurities in a droplet or a liquid film of a cleaning solution, and means a cleaning dust collection device (wet scrubber or wet scrubber). In order to make the separation of dust by droplets effective in this type of apparatus, various devices have been devised for forming droplets, liquid films, and the like and cleaning methods. A method of collecting dust by passing exhaust gas into the stored water (reservoir type), a method of injecting pressurized water into the flow of exhaust gas (pressurized water type), and a waste water film sprayed on plastic, porcelain and other fillings. There are a method of collecting dust by contact (packed bed type), a method of dispersing cleaning liquid with a rotating body and contacting exhaust gas (rotary type).
(10)フィルタープレス
本明細書および請求の範囲において、フィルタープレス(filter press)とは、加圧濾過を行う代表的な方法であり、金属や樹脂製の凹凸のある中心に穴のあいた濾板に濾布を張ったものを直列に密着させたもので、スラリー(シリカ、汚泥、掘削土、セメントなどが水中にまざったもの)をポンプでろ板中心の穴から加圧圧入する装置を意味する。圧入されたスラリーは、その圧力で、水分のみが2枚の濾板の隙間で濾布の目から外へ排出され、濾板間(実際には濾布と濾布の間)に脱水ケーキが形成される。脱水完了後、濾板を開板し、ケーキを排出する。最近の製品は、ケーキの排出を自動化したものが主流である。(10) Filter press In the present specification and claims, the filter press is a typical method for pressure filtration, and is a filter plate with a hole in the center with metal or resin unevenness. This is a device in which a filter cloth is attached in series, and slurry (silica, sludge, excavated soil, cement, etc.) is pressed and pressed through a hole in the center of the filter plate with a pump. . With the pressure of the slurry that has been injected, only water is discharged from the filter cloth through the gap between the two filter plates, and a dehydrated cake is formed between the filter plates (actually between the filter cloth and the filter cloth). It is formed. After completion of dehydration, the filter plate is opened and the cake is discharged. Most recent products are products that automate the discharge of cake.
(11)乱流
本明細書および請求の範囲において、乱流(turbulent flow)は、流体の流れ場のうちで非定常性を持つものを意味するものとする。一般的に円管内を流れる流体の場合は大体、レイノルズ数が2,000程度以下で層流、2,000〜4,000程度を遷移領域(層流、乱流が変化する領域)、4,000程度以上を乱流とされているため、本明細書および請求の範囲においてもその定義に従う。(11) Turbulent flow In this specification and the claims, turbulent flow means a non-stationary fluid flow field. In general, in the case of a fluid flowing in a circular pipe, the Reynolds number is about 2,000 or less, laminar flow, about 2,000 to 4,000 transition region (region where laminar flow and turbulent flow change), 4, Since about 000 or more are regarded as turbulent flow, the definition is also applied in the present specification and claims.
(12)酸性水溶液
本明細書および請求の範囲において、pH0〜7の水溶液を酸性水溶液と定義する。当然のことながら、塩酸水溶液(塩化水素水溶液)、硫酸水溶液(希硫酸水溶液)、硝酸水溶液などの強酸水溶液、炭酸水溶液(二酸化炭素水溶液)、酢酸水溶液、クエン酸水溶液
などの弱酸水溶液を含む概念である。(12) Acidic aqueous solution In the present specification and claims, an aqueous solution having a pH of 0 to 7 is defined as an acidic aqueous solution. Naturally, the concept includes aqueous solutions of strong acids such as hydrochloric acid aqueous solution (hydrogen chloride aqueous solution), sulfuric acid aqueous solution (dilute sulfuric acid aqueous solution), nitric acid aqueous solution, carbonated aqueous solution (carbon dioxide aqueous solution), acetic acid aqueous solution, citric acid aqueous solution and the like. is there.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
<実施形態1>
図1は、本実施形態に係るハロゲン化ケイ素の除去プラントの設備について説明するための図である。図1に示すハロゲン化ケイ素の除去プラントでは、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスからハロゲン化ケイ素を除去する。<
FIG. 1 is a diagram for explaining equipment of a silicon halide removal plant according to the present embodiment. In the silicon halide removal plant shown in FIG. 1, silicon halide is removed from a mixed gas containing hydrogen chloride, hydrogen and chlorosilane.
図1に示したプラント100は、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスからハロゲン化ケイ素を除去するプラント100である。なお、この混合ガスは、水素およびクロルシランを原料として、クロルシランを還元する際に排出されるガスを回収することによって供給される。すなわち、このプラント100は、クロルシランの還元反応における排ガスを環境負荷および人体への悪影響を及ぼさないように安定的に処理するとともに、貴重な原料として再利用するために水素および塩化水素を分離することを目的とするプラントである。
The
なお、この混合ガス中のハロゲン化ケイ素の濃度は1%以下であることが好ましい。一般的に、クロルシランの還元反応における排ガスに含まれるハロゲン化ケイ素の濃度は1%以下であることにくわえて、この排ガス中のハロゲン化ケイ素の濃度は1%以下であれば、後述するプラント100によって無理なくハロゲン化ケイ素を安定的に除去することができるからである。
In addition, it is preferable that the density | concentration of the silicon halide in this mixed gas is 1% or less. Generally, the concentration of silicon halide contained in the exhaust gas in the reduction reaction of chlorosilane is 1% or less, and if the concentration of silicon halide in the exhaust gas is 1% or less, the
このプラント100では、まず、塩酸反応塔102において、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスおよび酸性水溶液(塩酸水溶液)を接触させることによって、混合ガス中に含まれるクロルシランおよび酸性水溶液(塩酸水溶液)に含まれる水を反応させる。そして、その結果、塩酸反応塔102において、混合ガスからクロルシランの少なくとも一部を除去してなる第一の精製ガス(塩化水素、水素およびわずかな残存クロルシランを含む混合ガス)が得られる。
In this
このとき、塩酸反応塔102は、クロルシランガスを水と反応させて、二酸化ケイ素(SiO2)を生成するための一種の反応装置(酸性水溶液貯槽)としての役割を果たしている。その結果、混合ガス中に含まれるクロルシランガスは、この塩酸反応塔102およびスラリー貯留槽104を循環する塩酸水溶液中に、シリカ粒子(SiO2粒子)としてリスラリー(懸濁)されることになる。ここで、二酸化ケイ素成分(SiO2成分)は、酸性水溶液(塩酸水溶液)に懸濁しやすい特性を有するため、二酸化ケイ素の固化を抑制することができる。すなわち、塩酸水溶液のような酸性水溶液は、水や塩基性水溶液と比較してシリカ(二酸化ケイ素)がリスラリーしやすく、かつ変質しにくいという優れた特性を有するため、二酸化ケイ素の固化を抑制することができる。At this time, the hydrochloric
そのため、このプラント100では、二酸化ケイ素成分(SiO2成分)が生成する塩酸反応塔102でも、塩酸水溶液の溜り部または排水配管に二酸化ケイ素が沈殿または付着して、溜り部からの塩酸水溶液の溢出や、排水配管の閉塞等が発生することを抑制できる。そして、この塩酸水溶液に溶けきれず懸濁しているシリカ粒子(SiO2粒子)の一部は、スラリー貯留槽104の底部に懸濁液として滞留するが、その滞留したシリカ粒子(SiO2粒子)の一部は、スラリー貯留槽104から抜き出してフィルタープレス106に送液されるため除去される。したがって、このプラント100によれば、設計・運転・保守の容易な湿式の処理方法によって、混合ガス中から安定的にハロゲン化ケイ素の少なくとも一部を除去することができる。Therefore, in this
ここで、クロルシランおよび水の反応速度が大きいためにクロルシランの大部分は、この塩酸反応塔102で塩酸水溶液に懸濁する二酸化ケイ素成分(SiO2成分)または塩酸水溶液に懸濁するシリカ粒子(SiO2粒子)になってしまうので、塩酸スクラバー108には移行しない。しかし、この塩酸反応塔102では、混合ガスに含まれる塩化水素の一部が塩酸水溶液に含まれる水に吸収される。しかし、塩化水素の水による吸収速度はそれほど大きくないため、この塩酸反応塔102ではあまり多く吸収されず、塩化水素の多くは次の塩酸スクラバー108まで移行して、塩酸スクラバー108内の塩酸水溶液に吸収されることになる。Here, since the reaction rate of chlorosilane and water is large, most of the chlorosilane is mainly composed of silicon dioxide component (SiO 2 component) suspended in hydrochloric acid aqueous solution or silica particles (SiO 2 ) suspended in hydrochloric acid aqueous solution. 2 particles), it does not move to the
次いで、上記の第一の精製ガス(塩化水素、水素およびわずかな残存クロルシランを含む混合ガス)は、塩酸反応塔102の塔頂出口から塩酸スクラバー108にシリカ粒子(SiO2粒子)を含む飛沫同伴また未反応クロルシランガスとして送られる。この塩酸スクラバー108では、上記の第一の精製ガス(塩化水素、水素およびわずかな残存クロルシランを含む混合ガス)および水性溶媒(塩酸水溶液)を接触させることによって、上記の第一の精製ガスに含まれる塩化水素を水性溶媒(塩酸水溶液)に吸収させる。その結果、上記の第一の精製ガス(塩化水素、水素およびわずかな残存クロルシランを含む混合ガス)から塩化水素の少なくとも一部を除去してなる第二の精製ガス(わずかな残存塩化水素、水素およびわずかな残存クロルシランを含む混合ガス)が得られる。Next, the first purified gas (mixed gas containing hydrogen chloride, hydrogen and a small amount of residual chlorosilane) is entrained with silica particles (SiO 2 particles) from the top outlet of the hydrochloric
このとき、塩酸スクラバー108は、塩酸反応塔102の頭頂出口ガスである第一の精製ガスに含まれる塩化水素および残存する未反応クロルシランガスを塩酸水溶液に含まれる水で吸収する(正確には塩化水素を水で吸収し、未反応クロルシランガスを水と反応させて二酸化ケイ素(SiO2)を生成する)ための吸収装置としての役割を果たしている。At this time, the
なお、この塩酸スクラバー108でも、未反応クロルシランガスおよび水の反応によって、塩酸反応塔102の場合と同様に微量のシリカ粒子(SiO2粒子)が生成するが、図1で示すように、塩酸スクラバー108の塩酸水溶液は、pH7.0以下の酸性水溶液であるため、微量のシリカ粒子(SiO2粒子)であれば容易に懸濁してしまう。また、シリカ粒子(SiO2粒子)を含む飛沫同伴も塩酸反応塔102から混入してくるが、この飛沫同伴に含まれるシリカ粒子(SiO2粒子)も、塩酸スクラバー108の塩酸水溶液中に懸濁してしまう。In this
もちろん、一部のシリカ粒子(SiO2粒子)は懸濁している場合もあるが、その場合にも、塩酸スクラバー108の塩酸水溶液は、塩酸反応塔102との間で循環しているため、塩酸スクラバー108内で生じた微量のシリカ粒子(SiO2粒子)および懸濁している二酸化ケイ素成分(SiO2成分)は、塩酸水溶液と一緒に塩酸反応塔102内に送られた後に、さらにスラリー貯留槽104の底部に懸濁液として滞留するか塩酸水溶液中に懸濁してしまうため、その滞留したシリカ粒子(SiO2粒子)または懸濁した二酸化ケイ素成分(SiO2成分)の一部は、スラリー貯留槽104から抜き出してフィルタープレス106に送液される。Of course, some silica particles (SiO 2 particles) may be suspended, but also in that case, the hydrochloric acid aqueous solution of the
また、このプラント100は、塩酸反応塔102内でクロルシランおよび水の反応によって生成するシリカ粒子(SiO2粒子)を、スラリー貯留槽104の底部懸濁液中から除去するための除去装置(不図示)をさらに備えている。この除去装置(不図示)は、スラリー貯留槽104の底部懸濁液中からシリカ粒子(SiO2粒子)をうまく排出することができればよく、例えばスクリューによって掻き出してもよく、ポンプによって吸い出してもよい。The
また、既に一部説明したが、このプラント100は、このようにして除去されたシリカ粒子(SiO2粒子)を含む懸濁液を固液分離して、懸濁液から塩化水素を含む液体(塩酸)を回収するフィルタープレス106をさらに備える。すなわち、このフィルタープレス106は、シリカ粒子(SiO2粒子)を含む懸濁液を、シリカ粒子(SiO2粒子)を主に含む固体成分と、塩酸水溶液を主に含む液体成分と、に分離する一種の固液分離装置としての役割を果たすことになる。このプラント100では、このようにして、フィルタープレス106でシリカ分を濾過した後、濾過後の液を放散塔110に送る。In addition, as already explained in part, the
このプラント100は、このようにしてフィルタープレス106で回収されたハロゲン化水素を含む液体(塩酸水溶液)を放散するための放散塔110をさらに備える。このように、このプラント100では、放散塔110において塩酸水溶液を放散することによって、塩化水素濃度99%以上の塩化水素ガスと、塩化水素を含む液体(塩酸水溶液)と、に気液分離することができる。すなわち、この放散塔110は、一種の気液分離装置としての役割を果たすことになる。この放散塔110では、フィルタープレス106で回収されたハロゲン化水素を含む液体(塩酸水溶液)が、放散塔110内に放散される際に圧力の減少によって、液体(塩酸水溶液)中の塩化水素の飽和濃度が下がり、さらに気体との接触面積が増大するために、液体(塩酸水溶液)中の塩化水素がガス化して塩化水素濃度99%以上の高純度の塩化水素ガスが得られる。
The
すなわち、この放散塔110では、フィルタープレス106の濾過後の液を放散し、放散塔の塔頂からは塩化水素ガスが得られ、塔底からは約20%の濃度の塩酸水溶液が得られる。この放散塔110の塔底液(約20%の濃度の塩酸水溶液)は、塩酸反応塔102、塩酸スクラバー108および水洗塔112に送られる。このようにして、このプラント100では、塩化水素が無駄に排出・廃棄されることなく、プラント100内で循環しているため、資源効率を向上するととともに、環境に対する悪影響を軽減している。
That is, in the stripping
一方、塩酸スクラバー108で得られる第二の精製ガス(わずかな残存塩化水素、水素およびわずかな残存クロルシランを含む混合ガス)は、さらに水洗塔112に送られる。この水洗塔112では、第二の精製ガス(わずかな残存塩化水素、水素およびわずかな残存クロルシランを含む混合ガス)および水性溶媒(塩酸水溶液)を接触させる。
On the other hand, the second purified gas (mixed gas containing a slight residual hydrogen chloride, hydrogen and a slight residual chlorosilane) obtained by the
そのため、水洗塔112では、第二の精製ガス中に残存するクロルシランおよび塩酸水溶液中の水を反応させて二酸化ケイ素(SiO2)を生成させることになるので、第二の精製ガスにわずかに残存するクロルシランの少なくとも一部が除去される。また、水洗塔112では、第二の精製ガス中に残存する塩化水素を塩酸水溶液に吸収させることになるので、第二の精製ガスにわずかに残存する塩化水素の少なくとも一部が除去される。その結果、水洗塔112の塔頂部からは、第二の精製ガスからわずかに残存するクロルシランおよびわずかに残存する塩化水素の少なくとも一部をさらに除去してなる、第三の精製ガスが得られることになる。この第三の精製ガスは、極わずかな残存塩化水素、水素および極わずかな残存クロルシランを含む混合ガスである。Therefore, in the
すなわち、この水洗塔112は、塩酸スクラバー108の塔頂部出口から送られる第二の精製ガスに含まれる塩化水素を塩酸水溶液に含まれる水で吸収しているということになる。また、この水洗塔112は、第二の精製ガスに含まれるクロルシランを塩酸水溶液に含まれる水に吸収(正確には水と反応させて二酸化ケイ素(SiO2)を生成)しているということになる。言い換えれば、この水洗塔112は、クロルシランを塩酸水溶液に含まれる水と反応させて二酸化ケイ素(SiO2)を生成し、さらに塩化水素を塩酸水溶液に含まれる水で吸収する、一種の反応吸収装置としての役割を果たすことになる。That is, the
そして、水洗塔112で得られる第三の精製ガス(極わずかな残存塩化水素、水素および極わずかな残存クロルシランを含む)は、水洗塔112の頭頂部出口から除去塔114に送られる。この除去塔114では、第三の精製ガス(極わずかな残存塩化水素、水素および極わずかな残存クロルシランを含む)およびアルカリ性の水性溶媒(NaOH水溶液)を接触させることによって、第三の精製ガス中に極わずかに残存する塩化水素およびアルカリ性の水性溶媒(NaOH水溶液)を反応させる。その結果、この除去塔114の頭頂部から、第三の精製ガスから塩化水素の少なくとも一部を除去してなる第四の精製ガス(純度99%以上の高純度の水素ガス)が得られる。すなわち、この除去塔114は、水洗塔112の塔頂部出口から得られる第三の精製ガスに含まれる微量の塩化水素をNaOH水溶液で水洗・中和する酸アルカリ反応装置としての役割を果たしている。
Then, the third purified gas (including very little residual hydrogen chloride, hydrogen, and very little residual chlorosilane) obtained in the
そして、この除去塔114の塔頂部から得られる第四の精製ガス(高純度の水素ガス)は、第四の精製ガス(高純度の水素ガス)から水分を除去して、水分含有率が0.5%以下である第五の精製ガスを得るための水分除去装置(不図示)に送られる。この水分除去装置(不図示)は、第四の精製ガス(高純度の水素ガス)から水分を除去することができれば、特に限定されるものではないが、例えば、水分吸着性の材質を充填した吸着塔、真空水分除去装置、水分除去可能な吸湿材を充填した乾式スクラバーなどを好適に用いることができる。なお、この脱水を行う前に、さらに別のフローから水素ガス(例えば、新たに購入したバージンのH2ガス)を補給してやってもよい。すなわち、この水分除去装置(不図示)は、上記の塩酸回収工程で分離された水素および補給水素の脱水を行う一種の水素精製装置(不図示)としての役割を果たしている。The fourth purified gas (high-purity hydrogen gas) obtained from the top of the
図2は、実施形態1に係るクロルシランの除去プラント100に備わる塩酸反応塔102の構成について説明するための図である。塩酸反応塔102には、クロルシランを、塩酸水溶液中にガス状態で直接供給して接触させるための1本または複数本の導入管212が設けられている。このように、塩酸反応塔102の導入管212を通して、クロルシランを、塩酸水溶液中にガス状態で直接供給して接触させることによって、クロルシランおよび塩酸水溶液の反応による二酸化ケイ素の生成を、塩酸水溶液中でダイレクトに行うことによって、クロルシランからシリカへの生成反応を効率的に行うことが可能になる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the hydrochloric
この導入管212の本数は特に限定されず、クロルシランを塩酸水溶液中にガス状態で直接供給することができればよく、1本、2本、3本、4本、5本、6本、7本、8本、9本、10本のいずれの本数であってもよい。ただし、導入管212の先端開口部は、塩酸水溶液中に浸かる必要があるため、十分な長さがあることが好ましい。
The number of the
図2には、塩酸反応塔102の内部が描かれており、一番奥に底部204が見える。ここで、左側の塩酸反応塔102の内壁202にはゴムライニング被膜206が設けられている。一方、右側の塩酸反応塔102の内壁202には塩化ビニル被膜208が設けられている。本実施形態で用いる塩酸反応塔102は、右左のどちらの構成でもよいが、左側のゴムライニング被膜206が設けられている方が好ましい。
In FIG. 2, the inside of the hydrochloric
さらに、塩酸反応塔102には、図示するように、塩酸反応塔102の内壁202を塩酸水溶液または水による湿潤状態に維持するための噴霧機構としてスプレー214が設けられている。このように、塩酸反応塔102にスプレー214を設けて、塩酸反応塔102の内壁202を塩酸水溶液または水による湿潤状態に維持することによって、内壁202にシリカ粒子が付着しにくくなり、仮にシリカ粒子が内壁202に付着しても、スプレー214から噴霧される塩酸水溶液または水によってシリカ粒子が懸濁されやすくなるため、内壁202に付着したシリカ粒子が容易に除去されることになる。
Further, as shown in the figure, the hydrochloric
一般的に用いられる右側の塩酸反応塔102の内壁202の塩化ビニル被膜208には、付着したシリカ粒子210が多数観察され、塩酸反応塔102の溜り部または排水配管にシリカ粒子210が沈殿または付着して、溜り部からの塩酸水溶液の溢出や、排水配管の閉塞等が発生する可能性が未だわずかではあるが残存している。
A large number of
一方、左側の塩酸反応塔102の内壁202にはゴムライニング被膜206が設けられているため、付着したシリカ粒子210がほとんど観察されず、塩酸反応塔102の溜り部または排水配管にシリカ粒子210が沈殿または付着して、溜り部からの塩酸水溶液の溢出や、排水配管の閉塞等が発生する可能性がほとんど完全に排除されている。このとき、塩酸反応塔102には、内壁202を塩酸水溶液または水による湿潤状態に維持するための噴霧機構としてスプレー214を設けた上で、さらに内壁202にゴムライニング被膜206を施すことが好ましい。このようにすれば、お互いの相乗効果によって、長時間運転をしても、ほとんど内壁202にシリカ粒子が付着しないため、溜り部からの塩酸水溶液の溢出や、排水配管の閉塞等が発生する可能性をほとんど完全に排除できる。
On the other hand, since the
なお、この塩酸反応塔102および付属するスラリー貯留槽104を循環している塩酸水溶液は、塩酸の濃度が10%以上40%以下であることが好ましい。なぜなら、塩酸水溶液の濃度がこの範囲内であれば、クロルシランの吸収を効率よくすることができ、且つ生成したシリカの性状を安定させることができるからである。
The hydrochloric acid aqueous solution circulating in the hydrochloric
図3は、実施形態1に係るクロルシランの除去プラント100に備わる気液接触ポッドを有する塩酸スクラバー108の構成について説明するための図である。図示したように、塩酸スクラバー108の気液接触ポッドには、ポッド内管300が存在し、ポッド内管の下側内部302およびポッド内管300の上側内部304は互いに連通しており、このポッド内管300の内部を塩酸水溶液および精製ガスが互いに向流方向に通過することになる。このバブラー管306周辺でいわゆる乱流が発生して、塩酸水溶液および精製ガスが互いに激しくぶつかりあって、混ざり合い効率のよい気液接触が行われる。
FIG. 3 is a view for explaining the configuration of the
そして、ポッド内管300にはバブリング機構であるバブラー管306が設けられており、このバブラー管306周辺でいわゆる乱流および大量の気泡が発生して、塩酸水溶液および精製ガスが互いに激しくぶつかりあって、気泡が破裂することによって、混ざり合い効率のよい気液接触が行われる。また、この図には、バブラー管306を有するポッド内管300へのガス入口308およびガス出口310が記載されており、塩酸水溶液入口312および排出液出口314も記載されている。これらの配置を見れば、このポッド内管300の内部を塩酸水溶液および精製ガスが互いに向流方向に通過することになることがよく分かる。
The pod
このように、実施形態1に係るクロルシランの除去プラント100は、塩酸スクラバー108の気液接触ポッド内管300において、精製ガスを、別の塩酸水溶液に接触させることによって、このバブラー管306周辺でいわゆる乱流が発生して、塩酸水溶液および精製ガスが互いに激しくぶつかりあって、混ざり合い効率のよい気液接触が行われるため、精製ガス中に残存するクロルシランおよびこの塩酸水溶液が激しく反応して、精製ガスから残存する未反応のクロルシランガスのほとんどを除去してしまうので、ほとんどクロルシランガスを含まない第二の精製ガスを得ることができる。
As described above, the
なお、この塩酸スクラバー108を循環している塩酸水溶液は、塩酸の濃度が10%以上40%以下であることが好ましい。なぜなら、塩酸水溶液の濃度がこの範囲内であれば、クロルシランの吸収を効率よくすることができ、且つ生成したシリカの性状を安定させることができるからである。
The hydrochloric acid aqueous solution circulating in the
以下、本実施形態に係るプラント100の作用効果について説明する。
本実施形態に係るクロルシランの除去プラント100は、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスから水素を分離して、クロルシランを除去するプラント100である。そして、このプラント100は、混合ガスおよび塩酸水溶液を接触させることによって、クロルシランおよび塩酸水溶液に含まれる水を反応させ、混合ガスからクロルシランの少なくとも一部を除去してなる第一の精製ガスを得るための塩酸反応塔102を備える。Hereinafter, the operation and effect of the
The
そのため、このプラント100によれば、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスおよび酸性水溶液である塩酸水溶液を接触させることによって、まずは、クロルシランおよび塩酸水溶液に含まれる水を反応させ、設計・運転・保守の容易な湿式の処理方法によって、混合ガス中から安定的にクロルシランの少なくとも一部を除去することができる。さらに、クロルシランおよび塩酸水溶液の反応によって生じる二酸化ケイ素(SiO2)は、酸性溶液に懸濁しやすいため、シリカ粒子の固着によって塩酸反応塔102が閉塞してしまう問題の発生も抑制することができる。Therefore, according to this
そのため、この方法によれば、設計・運転・保守の容易な湿式の処理方法によって、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスから安定的にクロルシランおよび塩化水素の少なくとも一部を除去することによって、クロルシランの含有量の少ない高純度な精製ガスを分離することができ、その精製ガスから工業的に再利用可能な水素ガスおよび塩化水素ガスの分離を行うことができる。 Therefore, according to this method, at least a part of chlorosilane and hydrogen chloride is stably removed from a mixed gas containing hydrogen chloride, hydrogen and chlorosilane by a wet processing method that is easy to design, operate and maintain. A high-purity purified gas having a low chlorosilane content can be separated, and industrially recyclable hydrogen gas and hydrogen chloride gas can be separated from the purified gas.
また、本実施形態に係るクロルシランの除去プラント100では、酸性水溶液貯槽である塩酸反応塔102には、クロルシランを含む混合ガスを、塩酸水溶液中にガス状態で直接供給して接触させるための1本または複数本の導入管212が設けられている。そのため、混合ガスに含まれるクロルシランおよび塩酸水溶液の反応効率が向上するので、塩酸反応塔102の段階でほとんどのクロルシランを除去することができる。
Further, in the
本実施形態に係るクロルシランの除去プラント100では、酸性水溶液貯槽である塩酸反応塔102には、塩酸反応塔102の内壁を塩酸水溶液または水による湿潤状態に維持するための噴霧機構であるスプレー214が設けられている。このように、塩酸反応塔102にスプレー214を設けて、塩酸反応塔102の内壁202を塩酸水溶液または水による湿潤状態に維持することによって、内壁202にシリカ粒子が付着しにくくなり、仮にシリカ粒子が内壁202に付着しても、スプレー214から噴霧される塩酸水溶液または水によってシリカ粒子が懸濁されやすくなるため、内壁202に付着したシリカ粒子が容易に除去されることになる。
In the
さらに、本実施形態に係るクロルシランの除去プラント100では、酸性水溶液貯槽である塩酸反応塔102には、ゴムライニング被膜206が設けられている。このように、塩酸反応塔102の内壁202にはゴムライニング被膜206が設けられているため、付着したシリカ粒子210がほとんど観察されず、塩酸反応塔102の溜り部または排水配管にシリカ粒子210が沈殿または付着して、溜り部からの塩酸水溶液の溢出や、排水配管の閉塞等が発生する可能性がほとんど完全に排除されている。
Furthermore, in the
また、本実施形態のハロゲン化ケイ素の除去プラント100では、上記のようにして得た精製ガスを、別の塩酸水溶液に乱流状態で気液接触させることによって、この精製ガス中に含まれるクロルシランおよびこの塩酸水溶液を反応させ、この精製ガスからクロルシランの少なくとも一部を除去してなる第二の精製ガスを得るための気液接触装置である塩酸スクラバー108を、さらに備える。
Further, in the silicon
このように、塩酸スクラバー108の気液接触ポッド内管300において、精製ガスを、別の塩酸水溶液に接触させることによって、このバブラー管306周辺でいわゆる乱流が発生して、塩酸水溶液および精製ガスが互いに激しくぶつかりあって、混ざり合い効率のよい気液接触が行われるため、精製ガス中に残存するクロルシランおよびこの塩酸水溶液が激しく反応して、精製ガスから残存する未反応のクロルシランガスのほとんどを除去してしまうので、ほとんどクロルシランガスを含まない第二の精製ガスを得ることができる。
In this way, in the gas-liquid contact pod
なお、気液接触装置である塩酸スクラバー108の気液接触ポッド内管300には、上述のようにして得た精製ガス中に残存する未反応ハロゲン化ケイ素ガスまたはこの精製ガスに飛沫同伴してなる二酸化ケイ素粒子を、この塩酸水溶液中にバブリングさせるバブリング機構であるバブラー管306が設けられている。そして、このバブラー管306周辺でいわゆる乱流および大量の気泡が発生して、塩酸水溶液および精製ガスが互いに激しくぶつかりあって、気泡が破裂することによって、混ざり合い効率のよい気液接触が行われる。その結果、精製ガス中に残存するクロルシランおよびこの塩酸水溶液が激しく反応して、精製ガスから残存する未反応のクロルシランガスのほとんどを除去してしまうので、ほとんどクロルシランガスを含まない第二の精製ガスを得ることができる。
The gas-liquid contact pod
<実施形態2>
実施形態1に係るクロルシラン除去プラント100は、ジクロルシラン、モノクロルシラン、モノシランの製造プロセスから排出される排ガスをプロセスの出発点の混合ガスとして好適に用いることができる。なお、既に実施形態1で説明した内容については、本実施形態では繰り返さない。<Embodiment 2>
The
図4は、実施形態2で用いるジクロルシラン、モノクロルシラン、モノシランの製造プロセスの設備について説明するための図である。トリクロルシランあるいはジクロルシラン等の水素化塩化珪素を原料供給導管4を通じて反応塔1の中上段部に供給する。反応塔1は塔径83mm、高さ200mmで18の段数を有するステンレス鋼製蒸留塔である。反応塔1の上部にはステンレス鋼製の凝縮器3を設けており、ジャケットにメタノールドライアイスを通して冷却できるようになっている。また、反応塔1の下部には最大出力1KWのヒーターを内蔵するリボイラー2が設けられている。
FIG. 4 is a diagram for explaining equipment of a manufacturing process of dichlorosilane, monochlorosilane, and monosilane used in the second embodiment. Silicon hydride chloride such as trichlorosilane or dichlorosilane is supplied to the middle upper stage of the
反応塔1では不均斉化反応と蒸留による分離が同時に起こり不均斉化反応で生じた低沸点成分に富んだガスは上方に移動し凝縮器3で冷却され同伴する高沸点成分を凝縮した後、液体窒素で冷却されたステンレス製凝縮器6で凝縮させ、液体で捕集貯槽7に回収される。
In the
一方、不均斉化反応で生じた、トリクロルシラン、テトラクロルシラン等の高沸点成分は塔底に移行し、触媒と共にリボイラー2よりその液面を調節しつつ蒸発槽9に抜き取られる。蒸発槽9は内容積3Lの攪拌機付ステンレス鋼製容器からなりこれにジャケットが設けられている。それに加熱された熱媒油を循環させ、蒸発槽が加温されるようになっている。この蒸発槽9は不均斉化反応で生じたテトラクロルシランの沸点より高く触媒より低い温度で操作され、リボイラー2より抜き取られたトリクロルシランおよびテトラクロルシランは蒸発し、メタノールドライアイスで冷却された凝縮器11で捕集され、貯槽12に回収される。蒸発槽9に残った触媒はポンプ10により抜き取られ、再び反応塔1の塔頂に循環される。この場合、触媒中の第3級脂肪族炭化水素置換アミンの塩酸塩の濃度が所定濃度になっていないときは、補給管13から塩化水素を必要に応じて補給する。
On the other hand, high-boiling components such as trichlorosilane and tetrachlorosilane generated by the disproportionation reaction move to the bottom of the column and are extracted together with the catalyst from the reboiler 2 to the evaporation tank 9 while adjusting the liquid level. The evaporating tank 9 is made of a stainless steel container with a stirrer having an internal volume of 3 L, and is provided with a jacket. Heated heating medium oil is circulated through the heating tank to heat the evaporation tank. This evaporation tank 9 was operated at a temperature higher than the boiling point of tetrachlorosilane generated by the disproportionation reaction and lower than the catalyst, and trichlorosilane and tetrachlorosilane extracted from the reboiler 2 were evaporated and cooled with methanol dry ice. It is collected by the condenser 11 and collected in the storage tank 12. The catalyst remaining in the evaporation tank 9 is extracted by the pump 10 and is circulated again to the top of the
この場合にも、原料としてのトリクロルシランおよびテトラクロルシランの全てが反応塔1内で消費されてしまうわけではなく、これらの原料の一部は塔底に移行し、触媒と共にリボイラー2よりその液面を調節しつつ蒸発槽9に抜き取られる。この蒸発槽9は不均斉化反応で生じたテトラクロルシランの沸点より高く触媒より低い温度で操作され、リボイラー2より抜き取られたトリクロルシランおよびテトラクロルシランは蒸発し、メタノールドライアイスで冷却された凝縮器11で捕集され、貯槽12に回収される。しかし、トリクロルシランおよびテトラクロルシランの全てを凝縮器11で凝縮して貯槽12に回収できるわけではなく、一部のトリクロルシランおよびテトラクロルシランについては、そのまま外部に排ガスとして排出されてしまう。
Also in this case, not all of the trichlorosilane and tetrachlorosilane as raw materials are consumed in the
また、この排ガス中には微量ながら水素ガスおよび塩化水素ガスも含まれてしまう。なぜなら、補給管13から塩化水素を必要に応じて補給するため、補給された塩化水素ガスの一部が排ガスに含まれる可能性があるためである。また、本来であれば、下記の反応を起こすことが目的であるにもかかわらず、
2SiHCl3⇔SiCl4+SiH2Cl2
2SiH2Cl2⇔SiHCl3+SiH3Cl
2SiH3Cl⇔SiH2Cl2+SiH4
下記のような塩酸の離脱反応が起きて水素ガスが発生する場合があるためである。
SiH4+HCl→SiH3Cl+H2
SiH3Cl+HCl→SiH2Cl2+H2
SiH2Cl2+HCl→SiHCl3+H2
SiHCl3+HCl→SiCl4+H2 In addition, the exhaust gas contains a small amount of hydrogen gas and hydrogen chloride gas. This is because hydrogen chloride is replenished from the replenishment pipe 13 as necessary, and part of the replenished hydrogen chloride gas may be contained in the exhaust gas. In addition, although originally intended to cause the following reactions,
2SiHCl 3 ⇔SiCl 4 + SiH 2 Cl 2
2SiH 2 Cl 2 ⇔SiHCl 3 + SiH 3 Cl
2SiH 3 Cl⇔SiH 2 Cl 2 + SiH 4
This is because hydrogen gas may be generated due to the following hydrochloric acid elimination reaction.
SiH 4 + HCl → SiH 3 Cl + H 2
SiH 3 Cl + HCl → SiH 2 Cl 2 + H 2
SiH 2 Cl 2 + HCl → SiHCl 3 + H 2
SiHCl 3 + HCl → SiCl 4 + H 2
そのため、このジクロルシラン、モノクロルシラン、モノシランの製造プロセスにおいても、トリクロルシランを還元する際に排出される排ガスを貯槽12の頂部から回収することによって、塩化水素、水素およびテトラクロルシランおよびトリクロルシランを含む混合ガスが、図1におけるクロルシランの除去プラント100の塩酸反応塔102に供給される。この混合ガス中のクロルシランの濃度が1%以下であることが好ましい。一般的に、ジクロルシラン、モノクロルシラン、モノシランの製造プロセスにおける排ガスに含まれるクロルシランの濃度が1%以下であることにくわえて、この排ガス中のクロルシランの濃度が1%以下であれば、後述するプラント100によって無理なくクロルシランを安定的に処理することができるからである。
Therefore, also in the manufacturing process of dichlorosilane, monochlorosilane, and monosilane, hydrogen chloride, hydrogen, tetrachlorosilane, and trichlorosilane are contained by recovering exhaust gas discharged when reducing trichlorosilane from the top of the storage tank 12. The mixed gas is supplied to the hydrochloric
このプラント100の塩酸反応塔102に供給された混合ガスは、上述の実施形態1で説明したように、プラント100において処理された結果、除去塔114の塔頂部から高純度水素ガスとして回収され、さらに水分除去装置を通って、水分含有率が0.5%以下に低減される。そして、上記のクロルシランの除去プラント100によって、混合ガスから水素を分離して、水素ガスを生産することができる。こうして生産された水素ガスを、この図4に示すジクロルシラン、モノクロルシラン、モノシランを製造する装置においては再利用が困難であるが、別の何らかの有用な化学プロセスの原料としてこの高純度の水素ガスを用いることが可能であることは言うまでもない。
As described in the first embodiment, the mixed gas supplied to the hydrochloric
一方、このプラント100の放散塔110の塔頂部から回収される純度99.9%以上の塩化水素ガスは、再度、図4に示すジクロルシラン、モノクロルシラン、モノシランを製造する装置の蒸発槽9に供給することができる。このように塩化水素ガスを再利用することによって、再びその高純度の塩化水素ガスを用いて、トリクロルシランを還元してジクロルシラン、モノクロルシラン、モノシランを生産することができる。
On the other hand, the hydrogen chloride gas with a purity of 99.9% or more recovered from the top of the stripping
すなわち、このプラント100によれば、図4の装置における貯槽12の頂部から、テトラクロルシランを還元する際に排出される塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスを回収した上で、上記のクロルシランの除去プラント100によって、混合ガスから水素を分離して、水素ガスを生産することができる。そのため、このプラント100によれば、設計・運転・保守の容易な湿式の処理方法によって、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスから安定的にクロルシランおよび塩化水素の少なくとも一部を除去することができる。
That is, according to this
そのため、この方法によれば、クロルシランおよび塩化水素の含有量の少ない高純度な水素ガスを分離することができ、工業的に再利用可能な水素ガスおよび塩化水素ガスの分離を行うことができる。そして、この方法によれば、このようにして分離された工業的に再利用可能な塩化水素ガスを再度、図4の装置における蒸発槽9に供給するため、危険な排ガスの放出量を削減するとともに資源の効率的な使用を可能にし、トリクロルシランを還元する化学プロセスの生産効率を向上させ、さらに環境問題の解決にも役立てることができる。 Therefore, according to this method, high-purity hydrogen gas having a small content of chlorosilane and hydrogen chloride can be separated, and industrially reusable hydrogen gas and hydrogen chloride gas can be separated. According to this method, the industrially reusable hydrogen chloride gas thus separated is again supplied to the evaporation tank 9 in the apparatus of FIG. 4, thereby reducing the amount of dangerous exhaust gas released. At the same time, it enables efficient use of resources, improves the production efficiency of chemical processes that reduce trichlorosilane, and can also help solve environmental problems.
<実施形態2の変形例>
実施形態1に係るクロルシラン除去プラント100は、トリクロルシランの製造プロセスから排出される排ガスをプロセスの出発点となる混合ガスとして好適に用いることができる。なお、既に実施形態1および2で説明した内容については、本変形例では繰り返さない。<Modification of Embodiment 2>
The
図5は、実施形態2の変形例で用いるトリクロルシランの製造プロセスの設備について説明するための図である。図5の装置の反応器23は内径5cm、長さ80cmのもので、反応器23の灼熱部後半から後出口まで内径2mmの取り出し管25が設けられており、反応ガスが取り出し管25を介して反応器23より取り出され急冷されるようになっている。このような装置を用いて、水素流量400cc/分、四塩化珪素:水素=1:1.33、1250℃で反応させる。反応器出口の温度は400℃(急冷時間0.03秒)とする。もっとも、この図5で説明するトリクロルシランの製造プロセスの設備は、実験室サイズの設備であり、実際に商業プロセスとして稼働させる際には、生産規模に応じて、この実験室サイズの設備をプラントサイズの設備にスケールアップする必要があることは当然である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the equipment for the production process of trichlorosilane used in the modification of the second embodiment. The
このトリクロルシランの製造プロセスにおいても、水素およびテトラクロルシランを原料として、テトラクロルシランを還元する際に排出される排ガスを凝縮器26の頂部から回収することによって、塩化水素、水素およびテトラクロルシランを含む混合ガスが、図1におけるクロルシランの除去プラント100の塩酸反応塔102に供給される。なお、一般に、クロルシランを還元して、そのクロルシランよりもハロゲン化度の低いケイ素化合物を生産する場合には、排ガスとして、塩化水素、水素およびテトラクロルシランを含む混合ガスが得られる。この混合ガス中のクロルシラン濃度は1%以下であることが好ましい。一般的に、トリクロルシランの製造プロセスにおける排ガスに含まれるクロルシラン濃度は1%以下であることにくわえて、この排ガス中のクロルシラン濃度が1%以下であれば、後述するプラント100によって無理なくクロルシランを安定的に処理することができるからである。
Also in this trichlorosilane production process, hydrogen chloride, hydrogen, and tetrachlorosilane are recovered by recovering exhaust gas discharged from the top of the
このプラント100の塩酸反応塔102に供給された混合ガスは、上述の実施形態1で説明したように、プラント100において処理された結果、除去塔114の塔頂部から高純度水素ガスとして回収され、さらに水分除去装置を通って、水分含有率が0.5%以下に低減される。そして、上記のクロルシランの除去プラント100によって、混合ガスから水素を分離して、水素ガスを生産し、生産された水素ガスを、再度、図5に示すクロルシランを還元する装置の反応器23に原料として供給することができる。このように水素ガスを再利用することによって、再びその高純度の水素ガスを原料として、テトラクロルシランを還元してトリクロルシランを生産することができる。
As described in the first embodiment, the mixed gas supplied to the hydrochloric
すなわち、このプラント100によれば、図5の装置における凝縮器26の頂部から、水素およびクロルシランを原料としてクロルシランを還元する際に排出される塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスを回収した上で、上記のクロルシランの除去プラント100によって、混合ガスから水素を分離して、水素ガスを生産することができる。そのため、このプラント100によれば、設計・運転・保守の容易な湿式の処理方法によって、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスから安定的にクロルシランおよび塩化水素の少なくとも一部を除去することができる。
That is, according to this
そのため、この方法によれば、クロルシランおよび塩化水素の含有量の少ない高純度な水素ガスを分離することができ、工業的に再利用可能な水素ガスの分離を行うことができる。そして、この方法によれば、このようにして分離された工業的に再利用可能な水素ガスを再度、図5の装置における反応器23に、クロルシランを還元する工程に原料として供給するため、危険な排ガスの放出量を削減するとともに資源の効率的な使用を可能にし、クロルシランを還元する化学プロセスの生産効率を向上させ、さらに環境問題の解決にも役立てることができる。
Therefore, according to this method, high-purity hydrogen gas having a small content of chlorosilane and hydrogen chloride can be separated, and hydrogen gas that can be industrially reused can be separated. According to this method, the industrially reusable hydrogen gas separated in this way is supplied again to the
この場合、このプラント100の放散塔110の塔頂部から回収される純度99.9%以上の塩化水素ガスは、この図5に示すクロルシランを還元する装置においては再利用が困難であるが、別の何らかの有用な化学プロセスの原料としてこの純度99.9%以上の塩化水素ガスを用いることが可能であることは言うまでもない。
In this case, the hydrogen chloride gas with a purity of 99.9% or more recovered from the top of the stripping
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
例えば、上記の実施形態では、ハロゲン化水素が塩化水素であり、ハロゲン化ケイ素がクロルシランであるとしたが、特に限定する趣旨ではなく、例えばハロゲン化水素が、HBrであり、ハロゲン化ケイ素が、SiBr4、SiHBr3、SiH2Br2、SiH3Brであるとしてもよい。あるいは、例えばハロゲン化水素が、HIであり、ハロゲン化ケイ素が、SiI4、SiHI3、SiH2I2、SiH3Iであるとしてもよい。このようにしても、いずれも同じハロゲン元素に関する化合物であるため、上記の実施形態と同様の作用効果が奏される。For example, in the above embodiment, the hydrogen halide is hydrogen chloride and the silicon halide is chlorosilane. However, the present invention is not particularly limited. For example, the hydrogen halide is HBr, and the silicon halide is SiBr 4 , SiHBr 3 , SiH 2 Br 2 , and SiH 3 Br may be used. Alternatively, for example, the hydrogen halide may be HI and the silicon halide may be SiI 4 , SiHI 3 , SiH 2 I 2 , SiH 3 I. Even if it does in this way, since all are the compounds regarding the same halogen element, the effect similar to said embodiment is show | played.
また、上記の実施形態では、第一の水性溶媒として、塩酸水溶液を用いたが、特に限定する趣旨ではなく、例えば水性溶媒として、水、水溶液、極性溶媒またはそれらのスラリーなどを用いてもよい。この場合にも、水性溶媒であれば、同様の作用効果が奏される。 In the above embodiment, an aqueous hydrochloric acid solution is used as the first aqueous solvent, but there is no particular limitation. For example, water, an aqueous solution, a polar solvent, or a slurry thereof may be used as the aqueous solvent. . Also in this case, the same action and effect can be achieved with an aqueous solvent.
また、上記の実施形態では、第二の水性溶媒として、塩酸水溶液を用いたが、特に限定する趣旨ではなく、例えば水性溶媒として、水、水溶液、極性溶媒またはそれらのスラリーなどを用いてもよい。この場合にも、水性溶媒であれば、同様の作用効果が奏される。 In the above embodiment, an aqueous hydrochloric acid solution is used as the second aqueous solvent. However, there is no particular limitation, and for example, water, an aqueous solution, a polar solvent, or a slurry thereof may be used as the aqueous solvent. . Also in this case, the same action and effect can be achieved with an aqueous solvent.
また、上記の実施形態では、吸収装置として、塩酸スクラバーを用いたが、特に限定する趣旨ではなく、水などの液体を洗浄液として、排ガス中の粒子等の不純物を洗浄液の液滴や液膜中に捕集して分離をする装置であれば任意の吸収装置(溜水中に排ガスをくぐらせることにより集じんする方法(溜水式)、排ガスの流れに加圧水を噴射する方法(加圧水式)、プラスチック・磁器などの充填物に噴霧した洗浄液の水膜に排ガスを接触させて集じんする方法(充填層式)、洗浄液を回転体で分散させて排ガスを接触させる方法(回転式)など)を用いても、同様の作用効果が奏される。 Further, in the above embodiment, the scrubber hydrochloric acid is used as the absorber, but there is no particular limitation, and liquid such as water is used as the cleaning liquid, and impurities such as particles in the exhaust gas are contained in the cleaning liquid droplets or the liquid film. If it is a device that collects and separates it in an arbitrary absorption device (a method of collecting dust by passing exhaust gas in the stored water (reservoir type), a method of injecting pressurized water into the flow of exhaust gas (pressurized water type), A method of collecting exhaust gas in contact with the water film of cleaning liquid sprayed on fillings such as plastic and porcelain (packed bed type), a method of dispersing cleaning liquid with a rotating body and contacting exhaust gas (rotary type)) Even if it uses, the same effect is produced.
また、上記の実施形態では、固液分離装置として、フィルタープレスを用いたが、特に限定する趣旨ではなく、一般的に固体と液体とを好適に分離できる装置であれば任意の装置を用いてもよく、例えば、遠心分離装置、沈降分離装置、濾過分離装置などを用いても、同様の作用効果が奏される。 In the above embodiment, a filter press is used as the solid-liquid separation device. However, the present invention is not particularly limited, and any device can be used as long as it can generally separate solids and liquids suitably. For example, even when a centrifugal separator, a sedimentation separator, a filtration separator, or the like is used, the same effect can be obtained.
また、上記の実施形態では、乱流を発生させる気液接触装置として、バブラーを備える塩酸スクラバーを用いたが、特に限定する趣旨ではなく、一般的に乱流を発生させて気体および液体を好適に激しく接触させる装置であれば任意の装置を用いてもよく、例えば、一般的なサイクロン、攪拌機、円筒形気泡塔、充填塔、螺旋状、ジグザグ状などに屈曲させた多孔性の管路を有する反応装置、超音波霧化装置などを用いても、同様の作用効果が奏される。 In the above embodiment, a hydrochloric acid scrubber equipped with a bubbler is used as a gas-liquid contact device that generates turbulent flow. However, the invention is not particularly limited, and generally gas and liquid are preferably generated by generating turbulent flow. Any device may be used as long as it is a device that makes vigorous contact with, for example, a general cyclone, a stirrer, a cylindrical bubble column, a packed column, a porous tube bent in a spiral shape, a zigzag shape, etc. The same effects can be obtained even if a reaction apparatus, an ultrasonic atomization apparatus, or the like is used.
以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further, this invention is not limited to these.
<実施例1>
塩酸反応塔102(スラリー貯留槽104も付属)および塩酸スクラバー108で酸性水溶液を用いた場合について、本実施例では検討した。<Example 1>
In this example, the case where an acidic aqueous solution was used in the hydrochloric acid reaction tower 102 (including the slurry storage tank 104) and the
実施形態1で説明した図1に示すプラント100を用いて混合ガス(水素84.7%(v/v)、塩化水素15%(v/v)、クロルシラン0.3%(v/v)、水分0%(v/v))を塩酸反応塔102に供給した。このとき、塩酸反応塔102および塩酸スクラバー108内には、いずれも20〜35%(wt/wt)の濃度の塩酸水溶液を循環させた。また、塩酸反応塔102には、ゴムライニング被覆206を設け、スプレー214から塩酸水溶液を噴霧させ、塩酸反応塔102の内壁202は常に湿潤な状態を維持させた。流量10Nm3/h、圧力100kPaという条件で運転を200時間継続した後に、塩酸反応塔102の頂部出口から採取したガスをガスクロマトグラフィーにて分析したところ、水素91.0%(v/v)、塩化水素6.0%(v/v)、クロルシラン100ppm(v/v)、水分3%(v/v)であった。また、運転終了後の塩酸反応塔102および塩酸スクラバー108内の状況は、わずかに底の方にシリカの付着が見られた以外には内壁202にシリカの付着がほとんど見られない状態であった。Using the
<実施例2>
実施例1と同様に、塩酸反応塔102(スラリー貯留槽104も付属)および塩酸スクラバー108で酸性水溶液を用いた場合について、本実施例では検討した。<Example 2>
As in Example 1, the case where an acidic aqueous solution was used in the hydrochloric acid reaction tower 102 (including the slurry storage tank 104) and the
実施形態1で説明した図1に示すプラント100を用いて、実施例1と同様の条件で運転を行い、塩酸スクラバー108の頂部出口から採取したガスをガスクロマトグラフィーにて分析したところ、水素98.5%(v/v)、塩化水素20ppm(v/v)、クロルシラン10ppm(v/v)未満、水分1.5%(v/v)であった。また、運転終了後の塩酸反応塔102内および塩酸スクラバー108内の状況は、わずかにテラレットの周囲にシリカの付着が見られた以外には内壁202にシリカの付着がほとんど見られない状態であった。
The
<実施例3>
実施例1の塩酸反応塔102からゴムライニング被覆206を除いた場合について、本実施例では検討した。<Example 3>
The case where the
実施形態1で説明した図1に示すプラント100の塩酸反応塔102からゴムライニング被覆206を除いて塩化ビニル被覆208を施して、実施例1と同様の条件で運転を行いつつ、塩酸反応塔102の頂部出口から採取したガスをガスクロマトグラフィーにて分析したところ、水素91.0%(v/v)、塩化水素6.0%(v/v)、クロルシラン100ppm(v/v)、水分3%(v/v)であり、特にクロルシランの吸収効率の悪化は生じなかった。しかし、運転を長時間継続したところ、運転開始後から150時間経過後に塩酸反応塔102が閉塞し、運転が不可能になった。運転が不可能になった後に塩酸反応塔102および塩酸スクラバー108内の状況を調査すると、内壁202に5〜15cmの厚みのシリカが堆積しており、ガス及び液の流路径は約1/3以下に縮小していた。
1 except that the
<比較例1>
実施例1で塩酸水溶液の代わりに水を用いた場合について、本比較例では検討した。<Comparative Example 1>
The case where water was used instead of the hydrochloric acid aqueous solution in Example 1 was examined in this comparative example.
実施形態1で説明した図1に示すプラント100を用いて、塩酸水溶液の代わりに水を用いた点を除いては、実施例1と同様の条件で運転を行いつつ、塩酸反応塔102の頂部出口から採取したガスをガスクロマトグラフィーにて分析したところ、水素93.0%(v/v)、塩化水素4.0%(v/v)、クロルシラン100ppm(v/v)、水分3%(v/v)であった。しかし、運転を長時間継続したところ、運転開始後から50時間経過後に塩酸反応塔102が閉塞し、運転が不可能になった。運転が不可能になった後に塩酸反応塔102および塩酸スクラバー108内の状況を調査すると、内壁202に5〜15cmの厚みのシリカが堆積しており、ガス及び液の流路径は約1/3以下に縮小していた。また、内壁202に付着したシリカは、水ガラス状であり、容易に除去、剥離することができなかった。
The
<比較例2>
実施例2の塩酸反応塔102からスプレー214を取り外した場合について、本実施例では検討した。<Comparative example 2>
The case where the
実施形態1で説明した図1に示すプラント100を用いて、塩酸反応塔102からスプレー214を取り外した点を除いては、実施例3と同様の条件で運転を行いつつ、塩酸反応塔102の頂部出口から採取したガスをガスクロマトグラフィーにて分析したところ、水素91.0%(v/v)、塩化水素5.0%(v/v)、クロルシラン1.0%(v/v)、水分3%(v/v)であった。しかし、運転を長時間継続したところ、運転開始後から35時間経過後に塩酸スクラバー108が閉塞し、運転が不可能になった。運転が不可能になった後に塩酸反応塔102および塩酸スクラバー108内の状況を調査すると、内壁202に5〜15cmの厚みのシリカが堆積しており、ガス及び液の流路径は約1/3以下に縮小していた。
The
<考察>
上記の実施例および比較例の実験結果から、実施例1〜3では、クロルシランを酸性溶液で吸収し、かつ塩酸反応塔102の塔内内壁202を湿潤状態とすることで、塩酸反応塔102および塩酸スクラバー108の閉塞を防ぎつつ効率よくクロルシランを吸収できていると言える。<Discussion>
From the experimental results of the above Examples and Comparative Examples, in Examples 1 to 3, the chlorosilane was absorbed with an acidic solution, and the
すなわち、上記の結果を見れば、図1に示すようなプラント100を用いて、塩酸反応塔102および塩酸スクラバー108内に塩酸水溶液を循環させることによって、塩化水素、水素およびクロルシランを含む混合ガスから、クロルシランを効率よく安定的に除去できることが分かる。また、シリカ粒子の固着によるプラントの閉塞も起こりにくいことがわかる。
That is, from the above results, by using a
なお、実施例3では、運転開始後から150時間経過後に塩酸反応塔102が閉塞するという問題は生じたが、特にクロルシランの吸収効率の悪化は生じないことも明らかとなり、内壁202へのシリカ付着とクロルシラン吸収効率悪化との間には何ら関係がないものと想定される。また、比較例1では、内壁202に付着したシリカは、水ガラス状になっていたが、その理由は、クロルシランが水に溶けることによって生じたシリカが硬化したためであると想定される。さらに、比較例2では、運転開始後から35時間経過後に塩酸スクラバー108が閉塞し、運転が不可能になったが、その理由は、スプレー214がないことによって、塩酸反応塔102でのクロルシラン吸収が不完全なものになったためであると想定される。
In Example 3, there was a problem that the hydrochloric
以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It is to be understood by those skilled in the art that this embodiment is merely an example, and that various modifications are possible and that such modifications are within the scope of the present invention.
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