JP6090018B2

JP6090018B2 - クロロシラン類製造装置及びクロロシラン類製造方法

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Publication number: JP6090018B2
Application number: JP2013144931A
Authority: JP
Inventors: 成人大野; 隆昌安川; 明宏小松; 駒井　栄治; 栄治駒井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: JP2015017011A

Description

本発明は、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとを反応させてクロロシラン類を製造するクロロシラン類製造装置及びクロロシラン類製造方法に関する。

半導体材料等に用いられる多結晶シリコンは、例えば、トリクロロシラン（三塩化珪素：ＳｉＨＣｌ₃：ＴＣＳ）と水素を原料とし、この混合ガスを赤熱したシリコン棒に接触させ、高温下のトリクロロシランの水素還元や熱分解によって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）によって主に製造されている。また、上記トリクロロシランは、例えば、金属シリコン粉末と塩化水素ガスとを流動式の反応炉に導入して反応させ、シリコンを塩素化してトリクロロシランを含むクロロシラン類を生成させ、これを蒸留精製して高純度のトリクロロシランにしたものが用いられている。

このクロロシラン類を製造するための装置として、例えば特許文献１や特許文献２に示されるものがある。これらの流動式反応炉では、反応炉の底部に金属シリコン粉末と塩化水素ガスとを導入し、反応炉内の金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させ、生成した粗トリクロロシランを反応炉の上部から取り出すようになっている。この金属シリコン粉末と塩化水素ガスとの反応は発熱を伴うため、反応炉内には、上下方向に沿って熱媒体を流通させる伝熱管が備えられ、反応中は反応炉内の熱を吸収して外部に排出するようにしている。

特開平８−５９２２１号公報特開２０１０−１８９２５６号公報

ところで、上記の流動式反応炉では、伝熱管内を流通した熱媒体は冷却器等によって温度調整されることで循環使用されるが、例えば熱媒体の熱を吸収して高温になった冷却媒体はクーリングタワー等に送られ、その熱は通常は放散され、他に利用されることはなかった。
また、クロロシラン類生成反応炉では、炉の立ち上げから稼働・停止に至る過程で数百度の温度差が生じるため、熱媒体の系内での圧力上昇により、熱媒体のバルブ類からの漏れなどが発生した場合、危険が伴うばかりでなくその後処理にも手間がかかり、反応炉の操業も低下することになるため、連続して安定した熱を熱媒体から回収する場合、熱媒体の圧力変動を低減することが必要となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反応炉内で発生した熱を効率よく回収し、クロロシラン類製造のために有効活用して熱エネルギーのロスを低減することを目的とする。また、本発明では、反応炉の立ち上げ、停止に伴う熱媒体の膨張・収縮による堆積変化を吸収することを目的とする。

本発明のクロロシラン類製造装置は、金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させる複数の反応炉と、この反応により生成されたトリクロロシランを含むクロロシラン類を蒸留する蒸留塔とを有し、前記反応炉に、該反応炉内を経由して熱媒体が循環流通する熱媒流通管がそれぞれ設けられ、これら熱媒流通管に、前記反応炉内の熱を吸収して高温になった熱媒体により水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生器が接続され、該蒸気発生器に、前記蒸気を前記蒸留塔の熱源として利用する蒸気輸送管が接続され、前記熱媒流通管に、前記反応炉のうちのいずれか１台又は複数台を選択して前記蒸気発生器に接続状態とすることにより、各反応炉と前記蒸気発生器との間の熱媒体の流通を制御する流路制御手段が設けられ、前記反応炉のうちの少なくとも２台の反応炉における前記熱媒流通管の間に、いずれかの熱媒流通管内の圧力変動を緩和する膨張タンクが設けられていることを特徴とする。

反応炉内で発生した熱を蒸留塔の熱源として利用するものであり、クロロシラン類製造装置全体としての熱エネルギーロスを低減することができる。蒸留塔としては、塔底を蒸気で直接加熱する方式、リボイラを蒸気により加熱する方式のいずれにも適用でき、その蒸気を蒸気発生器から供給する。
この場合、複数の反応炉が蒸気発生器に接続されており、これら反応炉の運転を切り替える場合でも、新たに運転を開始する反応炉から一定の温度を有する熱媒体を蒸気発生器に供給して蒸気を発生することができ、その切り替えの際に生じるおそれのある熱媒体の圧力変動を膨張タンクにより緩和することができる。したがって、反応炉からの熱回収を連続的に且つ効率的に行うことができる。

本発明のクロロシラン類製造装置において、前記蒸気発生器に、内部の圧力を検出して該圧力に応じて前記蒸気輸送管への蒸気の導出を制御する蒸気制御手段が設けられているとよい。

蒸気発生器で発生した蒸気の圧力を検出してその圧力に応じて蒸気の導出を制御することにより、蒸留塔に送られる蒸気の品質（圧力及び温度）をほぼ一定に維持することができる。

また、本発明は、金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させる複数の反応炉と、この反応により生成されたトリクロロシランを含むクロロシラン類を蒸留する蒸留塔とによりクロロシラン類を製造する方法であって、前記反応炉に、該反応炉内を経由して熱媒体が循環流通する熱媒流通管をそれぞれ設けるとともに、これら熱媒流通管に、前記反応炉内の熱を吸収して高温になった熱媒体により水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生器を接続しておき、前記反応炉のうちのいずれか１台又は複数台を選択して前記蒸気発生器に接続状態とすることにより、各反応炉と前記蒸気発生器との間の熱媒体の流通を制御するとともに、前記反応炉のうちの少なくとも２台の反応炉における前記熱媒流通管の間に設けた膨張タンクにより、いずれかの熱媒流通管内の圧力変動を吸収した状態とし、前記蒸気発生器で発生した蒸気を前記蒸留塔の熱源として利用することを特徴とする。

本発明によれば、反応炉でクロロシラン類を製造しながら、その反応熱を熱媒体により回収し、回収した熱媒体により蒸気を発生させ、その蒸気をクロロシラン類の蒸留の熱源として利用しており、熱エネルギーロスを低減して効率的にクロロシラン類を製造することができる。さらに、その際に複数の反応炉の切り替え時等に生じる熱媒体の圧力変動を膨張タンクにより緩和して、反応炉からの熱回収を連続的に且つ効率的に行うことができる。

本発明に係るクロロシラン類製造装置の一実施形態における蒸気発生器と複数台の反応炉とを接続する配管系の部分を示す構成図である。図１の配管系の部分を省略したクロロシラン類製造装置の全体構成図である。

以下、本発明に係るクロロシラン類製造装置及び製造方法の実施形態を図面を参照しながら説明する。
尚、以下の実施形態では、一例として反応炉で生成されるクロロシラン類中のトリクロロシランの製造について説明する。
一実施形態のクロロシラン類製造装置１は、図２に示すように、金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとを供給して、金属シリコン粉末Ｓｉを塩化水素ガスＨＣｌによって流動させながら反応させる複数の反応炉２Ａ〜２Ｄと、この反応により生成されたクロロシラン類中のトリクロロシランを蒸留する蒸留塔３とが備えられている。なお、蒸留塔３で得られた高純度のトリクロロシランは、気化器４で気化された後、水素と混合され、水素との混合ガスとして多結晶シリコンの原料とされ、多結晶シリコン析出炉５に供給されることにより、赤熱したシリコン棒Ｓの表面に多結晶シリコンＰを析出する。

この実施形態では、反応炉は４台（２Ａ〜２Ｄ）設けられており、各反応炉２Ａ〜２Ｄは、金属シリコン粉末Ｓｉがキャリアガス（塩化水素ガス）により気力輸送されて供給され、底部に供給された塩化水素ガスＨＣｌが所定のノズル（図示略）を通して上方に向けて噴出することにより、金属シリコン粉末Ｓｉが流動しながら塩化水素ガスＨＣｌと反応してトリクロロシランを含むクロロシラン類が生成される構成である。

また、この反応炉２Ａ〜２Ｄには、その内部を経由して熱媒体が循環流通する熱媒流通管６が接続されている。この熱媒流通管６は、複数本が並列に分岐して反応炉２Ａ〜２Ｄの内部に設けられるとともに、反応炉２Ａ〜２Ｄの外部では、図１に示すように、二つに分岐され、ヒータ７と、蒸気発生器８及び冷却器９とに接続されている。蒸気発生器８及び冷却器９は直列に接続されているが、それぞれにバイパス管１０，１１が並列に接続されている。ヒータ７は、反応炉２Ａ〜２Ｄの運転初期等において反応炉２Ａ〜２Ｄ内部を必要な温度まで上昇させるために熱媒体を加熱するものであり、冷却器９は、反応開始後、反応炉２Ａ〜２Ｄ内の温度を所定の範囲に調整するための熱媒体を冷却して温度を低下させるためのものであり、蒸気発生器８は、熱媒体により水を加熱して蒸気を発生するためのものである。

各反応炉２Ａ〜２Ｄに、ヒータ７及び冷却器９は１基ずつ配置しているが、蒸気発生器８は、４台の反応炉２Ａ〜２Ｄに対して１台のみ設置されている。したがって、この１台の蒸気発生器８に４台の反応炉２Ａ〜２Ｄの熱媒流通管６が接続されている。前述したように、各反応炉２Ａ〜２Ｄに対して、冷却器９と蒸気発生器８とは直列に接続される。この場合、図１に示したように蒸気発生器８に対する各反応炉２Ａ〜２Ｄとの間の流入管３５及び流出管３６は、反応炉２Ａ，２Ｂ及び反応炉２Ｃ，２Ｄの２台ずつで共有しており、蒸気発生器８に対しては共有化された流入管３５と流出管３６とが二組接続されている。各流入管３５には温度計３３と流量計３４とが設けられ、各流出管３６には温度計３７が設けられている。この蒸気発生器８に対して反応炉２Ａを含む配管系をＡ、反応炉２Ｂを含む配管系をＢ、反応炉２Ｃを含む配管系をＣ、反応炉２Ｄを含む配管系をＤとする。

そして、各組の配管系Ａ〜Ｄにおいて、流出管３６の共有部分よりも下流位置に膨張タンク３８がそれぞれ弁３９を介して接続されている。図１では、配管系Ａと配管系Ｂとで１個の膨張タンク３８を共有し、配管系Ｃと配管系Ｄとで別の１個の膨張タンク３８を共有している。また、膨張タンク３８の一方の入口側（配管系Ａの入口及び配管系Ｄ側の入口）と、各配管系Ａ〜Ｄにおける反応炉２Ａ〜２Ｄの出口側との間が配管４０によって接続状態とされている。また、各組においては、流入管３５どうしが流入側接続管４１により接続状態とされるとともに、流出管３６どうしも流出側接続管４２により接続状態とされている。これら接続管４１，４２が設けられていることにより、各組の流入管３５及び流出管３６とも、すべての反応炉２Ａ〜２Ｄと接続可能な状態となるが、各流入管３５及び流出管３６の１本ずつは、少なくとも１台の反応炉に流通する分の熱媒体を流通することができるようになっている。

バイパス管１０，１１は、蒸気発生器８及び冷却器９のそれぞれに設けられており、バイパス管１０，１１のそれぞれに弁１２，１３が設けられている。また、蒸気発生器８の共有化された流入管３５の上流側で各反応炉２Ａ〜２Ｄにおけるバイパス管１０の接続部との間に弁３１が設けられるとともに、蒸気発生器８の共有化された流出管３６の下流側で各反応炉２Ａ〜２Ｄにおけるバイパス管１０の接続部との間に弁２９が設けられている。そして、流入管３５の上流側の弁３１を開放状態とすることにより、その弁３１が所属する配管系Ａ〜Ｄの熱媒体が蒸気発生器８に流通可能な状態となり、弁３１を閉じることにより、その弁３１が所属する配管系Ａ〜Ｄの熱媒体の蒸気発生器８への流通が遮断される。そして、この弁３１が開状態のときに、弁２９とバイパス管１０の弁１２とによる熱媒体の流量の制御により、蒸気発生器８での蒸気量を制御できる。この場合、弁１２と弁２９は、反応炉２からの熱媒体の流量を１００としたときに、一方の弁が例えば７０で他方の弁が３０というように振り分け、一方の弁の開度を小さくすると、それに応じて他方の弁の開度が大きくなり、合計で１００となるように連動して制御される。
また、ヒータ７にも、熱媒体の流通量を制御する弁１４が設けられ、さらに冷却器９の下流側にも弁３０が設けられている。そして、この弁３０と弁１３，１４による熱媒体の流通量の制御により、反応炉２に送られる熱媒体の温度を制御することができる。

図１の符号１５，１６は熱媒流通管６内を流通する熱媒体の温度を計測する温度計を示しており、その計測結果により以下の通り弁の開度が制御される。蒸気発生器８の出口部（蒸気発生器８と冷却器９との間）に設けられている温度計１５は、その計測結果によりバイパス管１０の弁１２、および弁２９の開度が制御され、蒸気発生器８に流通する熱媒体の流通量を制御する。また、温度計１６の計測結果により、バイパス管１１の弁１３および弁３０の開度が制御される。

また、冷却器９の上流位置には圧力センサ３２が設けられており、この圧力センサ３２により熱媒流通管６内を流通する熱媒体の圧力も測定し、温度と圧力を同時に制御することも可能である。例えば、弁１２を圧力のコントロールで動作するような制御とし、一方、弁２９を温度のコントロールで動作するような制御にすることも可能である。
この様に制御することにより、冷却器９前圧力と、温度をそれぞれ別々に制御できるようになるため、圧力のボトルネックが解消できるため、蒸気量を有効に使用することができる。
なお、符号１７は熱媒体を圧送するポンプである。

蒸気発生器８は、内部に水Ｗが貯留され、その水Ｗの中に浸漬状態に熱媒流通管６が設けられている。内部に貯留される水Ｗは、例えば、工業用水が水供給管２１によって供給される。この工業用水には、蒸気発生器内の腐食防止のための薬液として酸化防止剤等が混合される。蒸気発生器８内には水Ｗの水位を検出するために液面計２２が設けられるとともに、水供給管２１に弁２３が設けられており、液面計２２によって検出される蒸気発生器８内の水Ｗの水位に応じて弁２３の開閉が制御されることにより、蒸気発生器８内の水Ｗの水位が所定の範囲に維持されるようにレベル制御される。本実施形態では、これら弁２３及び液面計２２により水位レベル制御手段が構成される。符号２４は水供給管２１に設けられたポンプであり、符号２５は蒸気発生器８からの排水管である。

蒸気発生器８には内部の圧力を検出する圧力センサ４５と、この圧力センサ４５の検出結果に基づき蒸気輸送管２６の流路を開閉する弁４６とが設けられており、これら圧力センサ４５と弁４６とにより、蒸気輸送管２６への蒸気の導出を制御する蒸気制御手段が設けられている。そして、蒸気発生器８おいて発生した蒸気は、所定の温度で、所定の圧力（例えば１２０〜１４５℃で０．１〜０．３ＭＰａＧ）になると蒸気輸送管２６に導出され、圧力調整弁２７によって所定圧力に調整された後に蒸留塔３に送られる。
図２に記載の蒸留塔３は、図示例では塔底にリボイラ２８が接続されており、蒸気輸送管２６はこのリボイラ２８内を経由するように設置され、リボイラ２８内で塔底液を加熱するようになっている。

なお、本実施形態では、蒸気輸送管２６が途中で枝管２６Ａ，２６Ｂの二本に分岐され、その分岐した一方の枝管２６Ａが前述の蒸留塔３のリボイラ２８に接続され、他方の枝管２６Ｂは多結晶シリコン析出炉５の排ガスからトリクロロシランを回収するための回収用蒸留塔５１のリボイラ５２に接続されており、蒸気発生器８で発生した蒸気を回収用蒸留塔５１の熱源としても利用できるようになっている。符号５３は、多結晶シリコン析出炉５からの排ガスを凝縮して、クロロシラン類を分離する凝縮器を示しており、液化分離されたクロロシラン類が回収用蒸留塔５１により蒸留され、得られたトリクロロシランが気化器４に導かれ、原料ガス成分として再利用され、一方、凝縮器５３で分離されたガス分は水素回収系（図示略）に導出されて、水素ガスが精製された後に気化器４に導かれ、同様に原料ガス分として再利用される。
なお、図１中、符号６１，６２は弁である。
この実施形態では、各反応炉と蒸気発生器との間の熱媒体の流通を制御する流路制御手段は、反応炉２Ａ〜２Ｄを蒸気発生器８に接続する弁３１、各バイパス管１０，１１、弁１２〜１４，２９，３０及び温度計１５，１６，３３，３７、圧力センサ３２、弁６１，６２によって構成される。

このように構成されたクロロシラン類製造装置１において、多結晶シリコン析出炉５に供給するトリクロロシランを製造する場合、いずれか１台又は２台の反応炉２（以下では、２Ａ〜２Ｄの反応炉を特定しない場合、単に符号２として説明する）内に金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとを供給して、これらを流動させながら反応させ、トリクロロシランを含むクロロシラン類を生成し（クロロシラン類生成工程）、得られたクロロシラン類より蒸留塔３において蒸留操作にて、高純度のトリクロロシラン類を製造する（蒸留工程）。
以下、これらの工程を詳細に説明する。

クロロシラン類生成工程において、複数ある反応炉２のうちの１台又は２台の反応炉２を稼働して熱媒体を循環させておき、ヒータ７で熱媒体を昇温させる。温度計１５で熱媒体の温度を確認しながら、徐々に反応炉２の温度を上昇させる。
反応炉２の運転初期は、弁１４及び弁６１が開かれるとともに、弁６２を閉じておき、熱媒流通管６はヒータ７への流路が接続される。そして、ヒータ７で加熱された高温の熱媒体が流通することにより、反応炉２内部を金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとの反応に必要な温度（例えば３００℃）まで加熱する。これら金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとの反応が開始すると、徐々に発熱を伴うので、ヒータ７に通じる弁６１が閉じられるとともに、弁６２を開放し、他の弁１２，１３，２９，３０の開閉が段階的に制御される。

まず、反応炉２内の温度が一定範囲内に達すると、反応が開始されるため、炉内温度が上昇するようになり、それとともに熱媒体の温度も上昇する傾向になるため、温度計１６で熱媒体の温度推移を確認し、弁１２及び弁３０を開放して冷却器９に熱媒体を通し、熱媒体の温度を安定化させるとともに、反応炉２内の温度が所定の温度範囲内に入るように温度計１６の計測値に基づき、弁１３，３０の開度を調整することで、熱媒体の温度を調整し、安定化させる。冷却器９で冷却された熱媒体は、反応炉２の冷媒として使用するため、反応炉２に導かれる。

この場合、熱媒体の温度は熱媒流通管６に設けられた温度計１５，１６により検知されており、反応炉２内の温度を３００℃前後（例えば２９０〜３１０℃）に維持するように制御される。反応炉２内の温度は、供給される原料、特に塩化水素ガスＨＣｌの量によって変動する。このため熱媒体の温度も変動するが、その温度が下がり過ぎていない場合は、熱媒体は蒸気発生器８に導かれる。
このとき、温度計１５，１６の温度を確認しながら、弁２９を徐々に開放し、温度の急激な変化がないように、開度を調整する。この際、反応炉２に入る熱媒体の温度が所定の温度範囲内になっていることを確認しながら開度を調整する。この場合、弁２９を開放した分だけ弁１２は閉じられる。
ここで、温度計１６は反応器２（塩化炉）に入る手前に設置されているが、ヒータ７の前にも設置することも可能である。

蒸気発生器８には、水供給管２１から供給される水Ｗが貯留されており、水中に浸漬されている熱媒流通管（流入管３５と流出管３６との間の点線部分）６により水が加熱され、蒸気が発生する。前述したように、この蒸気発生器８内で発生する蒸気の圧力は、圧力センサ４５により検知されており、所定の温度で、所定の圧力になると蒸気輸送管２６に蒸気が導出され、蒸留塔３及び／又は回収用蒸留塔５１に送られる。
温度計１５，１６での計測温度が安定してきたら（温度計１６の計測温度が温度計１５の計測温度に近づいてきたら）、温度計１６での設定値を設け、両温度計１５，１６の計測温度の温度差が一定以下（例えば、５℃以下）になるように、弁３０、弁１３または弁２９、弁１２の開度を調整して安定した熱媒体の流通を行う。

熱媒流通管６内を流通する熱媒体が高温になり過ぎる場合は、蒸気発生器８及び冷却器９のバイパス管１０，１１に設けられている弁１２，１３の開度が小さくなるように調整され、蒸気発生器８と冷却器９の出口側の弁（弁２９，３０）の開度が大きくなるように調整され、熱媒体は蒸気発生器８及び冷却器９に送られ冷却される。熱媒体の温度が下がると、冷却器９のバイパス管１１に設けられている弁１３の開度が大きくなるように、弁３０の開度が小さくなるようにそれぞれ調整される。また、蒸気発生器８のバイパス管１０に設けられている弁１２、弁２９の開度も適宜調整される。蒸気発生器８と冷却器９との熱媒体の流通比率は、蒸気発生器８の出口部の温度計１５及び冷却器９出口以降の温度計１６の検出結果に基づいて制御されるが、蒸気発生器8での蒸気量をできるだけ確保するために、冷却器9に流れる熱媒体の流通割合を小さくする制御が望ましい。
また、冷却器9の温度調整やそれに伴う温度変動などで熱媒体の温度が設定温度より下がり過ぎるような場合は、バイパス管１１の弁１３の開度を大きくするなどの調整を断続的に行い、反応炉内温度を所定温度範囲内に維持するように熱媒体の流量を制御する。

このようにして、蒸気発生器８、冷却器９、バイパス管１０，１１への熱媒体の流通を制御しながら、反応炉２内の温度を所定温度範囲に維持して金属シリコン粉末Ｓｉと塩化水素ガスＨＣｌとを安定的に反応させ、トリクロロシランを含むクロロシラン類を製造し、一方、その際の熱を利用して蒸気発生器８において蒸気を発生する。この場合、蒸気発生器８への熱媒体の流通量が変動するので、蒸気発生器８の液面を液面計２２によって監視しながら、水供給管２１からの供給水量を調整することにより、蒸気量を調節することができる。
そして、クロロシラン類は蒸留塔３において蒸留され（蒸留工程）、その際の熱源として蒸気発生器８で発生した蒸気が用いられ、蒸留されて純度が高められたトリクロロシランは、多結晶シリコン析出炉５に供給されて多結晶シリコンＰの製造に供される。

次に、反応炉２の運転を切り替える場合について説明する。
反応炉２Ａの運転を停止し、反応炉２Ｃの運転を開始する場合であると、反応炉２Ａの弁３１を閉じるとともに、反応炉２Ａへの原料の供給を停止する。このとき、弁３１を閉じた後は、熱媒は冷却器９により冷却される。この反応炉２Ａの運転を停止する際に、冷却器９の入り口側で熱媒の圧力に変動が生じる場合があるが、その圧力変動は膨張タンク３８により吸収される。この反応炉２Ａの運転停止時に熱媒流通管６内の圧力変動が膨張タンク３８によって抑制されるので、反応炉２Ａは安定して停止させることができる。
一方、反応炉２Ｃについて、前述したように運転を開始して、弁３１を開放する。そして、弁１２と弁２９との開度を制御しながら、蒸気発生器８に熱媒体を流通する。

この実施形態では、蒸気発生器８に対して流入管３５と流出管３６とが二組設けられているので、例えば、反応炉２Ａ及び反応炉２Ｃを運転状態とし、反応炉２Ｂ及び反応炉２Ｄの停止状態とするというように、各組の一方に反応炉２Ａ〜２Ｄのいずれかを接続状態とし、他方に反応炉２Ａ〜２Ｄのいずれかを接続状態とすることにより、２台の反応炉の熱媒体を蒸気発生器８に流通させることができる。そして、これら反応炉の切り替えの際には、運転停止される反応炉の熱媒流通管６内の圧力変動を膨張タンク３８によって吸収することができ、反応炉を安定して停止させることができる。

この場合、各組の流入管３５及び流出管３６に２台ずつ反応炉２Ａ〜２Ｄが接続されているので、反応炉２Ａ，２Ｂ又は反応炉２Ｃ，２Ｄのうちの各組の中の一方の反応炉（例えば２Ａ，２Ｃ）を運転状態とし、他方の反応炉（例えば２Ｂ，２Ｄ）を停止状態とするが、各組の流入管３５及び流出管３６が、相互に接続管４１，４２によって接続状態とされているので、反応炉２Ａ，２Ｂの組又は反応炉２Ｃ，２Ｄの組のいずれかの組の２台を稼働し、他の組の２台の運転を停止した状態とすることもできる。その場合には、２台分の熱媒が１本の流入管３５において流入側接続管４１を介して分岐し、２本の流入管３５から蒸気発生器８に案内される。また、蒸気発生器８を経由した後の熱媒は２本の流出管３６から流出し、流出側接続管４２を介して１本の流出管３６に集められた後、各反応炉に分けて送られる。

以上説明したように、このクロロシラン類製造装置１は、反応炉２でトリクロロシランを含むクロロシラン類を製造しながら、反応炉２内で発生する熱を回収し、その熱を利用して蒸気を発生させ、その蒸気を後工程の蒸留塔３において利用することにより、クロロシラン類を蒸留して純度を高め、高純度のトリクロロシランを製造するものであり、反応炉２で生じた熱を後工程において有効に活用し、熱エネルギーロスを低減して効率的にトリクロロシランを製造することができる。

この場合、実施形態では４系統の反応炉２Ａ〜２Ｄが蒸気発生器８に接続され、これら反応炉２Ａ〜２Ｄの運転状態に対応して蒸気発生器８に一系統又は二系統ずつ熱媒体を流通させるが、この系統の切り替えの際に生じるおそれのある圧力変動を膨張タンク３８により緩和することができる。したがって、反応炉からの熱回収を連続的に且つ安定して行うことができる。そして、これら反応炉２で発生した熱を効率よく回収し、トリクロロシラン製造のために有効活用して、熱エネルギーのロスを低減することができる。

本発明の効果確認のために、反応炉２からの熱回収を開始して、蒸気の導出が安定した後の反応炉２からのトリクロロシランを含むクロロシラン類の分析をガスクロマトグラフにより測定を行った。その結果、トリクロロシランの割合は８９〜９１％で、反応炉２からの熱回収を行う前と比べてほぼ同等の割合であった。
また、蒸気発生器８からの蒸気導出に伴う蒸気流量については、反応炉２台を接続して熱回収を行った場合、数日間の連続した状態でおよそ１．５ｔｏｎ／ｈ以上の蒸気流量の導出がほぼ安定して得られた。
また、これらの蒸気発生時の蒸気発生器内８の水位レベルは、０〜＋２５mmの範囲で管理が行われた。
なお、これらの蒸気を蒸留塔に導入し、蒸留塔でのトリクロロシランの蒸留を行った結果、安定した留出量が得られた（尚、蒸気の蒸留塔への送り圧力は、平均０．１７〜０．１８ＭＰａで維持された）。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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。
例えば、上記実施形態では、リボイラを備える蒸留塔を示したが、蒸気により蒸留塔の釜底を直接加熱するようにしてもよい。

また、蒸気発生器８と冷却器９との熱媒流量比率は、蒸気発生器８の出口部の温度計１５及び冷却器９の出口以降の温度計１６の検出結果に基づいて制御されるとしたが、温度計１５と１６の予め設定された温度または、温度範囲によって制御させるようにしてもよい。
また、蒸留塔、リボイラー、蒸気発生器でのドレンを蒸気の水源として用いてもよい。
また、蒸気発生器８においては、弁１２，１３，２９，３０にて熱媒体の流通量を制御することで蒸気発生器８内での蒸気発生量も変動するが、蒸気発生器８の水位レベルの単位時間当たりの変化量を液面計２２で監視し、その結果を熱媒体の流通量の制御に反映させる方法を用いてもよい。

更に、本発明は、反応炉２から生じる熱を回収し、蒸留塔３や蒸留塔５１の熱源を蒸気として利用するものであるが、各蒸留塔で蒸留する対象物はトリクロロシランに限定されず、例えば、反応炉２から生成されるトリクロロシランを含むクロロシラン類中の四塩化ケイ素などのクロロシラン類、または、多結晶シリコン析出炉５から排出される排出ガス中に含まれるクロロシラン類（四塩化ケイ素、ジクロロシランなど）の蒸留を行う蒸留塔の熱源としての蒸気の利用としてもよい。

１クロロシラン類製造装置
２Ａ〜２Ｄ反応炉
３蒸留塔
４気化器
５多結晶シリコン析出炉
６熱媒流通管
７ヒータ
８蒸気発生器
９冷却器
１０，１１バイパス管
１２〜１４弁
１５，１６温度計
１７ポンプ
２１水供給管
２２液面計
２３弁
２４ポンプ
２５排水管
２６蒸気輸送管
２７圧力調整弁
２８リボイラ
２９，３０，３１弁
３２圧力センサ
３５流入管
３６流出管
３８膨張タンク
３９弁
４１流入側接続管
４２流出側接続管
４５圧力センサ
４６弁

Claims

金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させる複数の反応炉と、この反応により生成されたトリクロロシランを含むクロロシラン類を蒸留する蒸留塔とを有し、前記反応炉に、該反応炉内を経由して熱媒体が循環流通する熱媒流通管がそれぞれ設けられ、これら熱媒流通管に、前記反応炉内の熱を吸収して高温になった熱媒体により水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生器が接続され、該蒸気発生器に、前記蒸気を前記蒸留塔の熱源として利用する蒸気輸送管が接続され、前記熱媒流通管に、前記反応炉のうちのいずれか１台又は複数台を選択して前記蒸気発生器に接続状態とすることにより、各反応炉と前記蒸気発生器との間の熱媒体の流通を制御する流路制御手段が設けられ、前記反応炉のうちの少なくとも２台の反応炉における前記熱媒流通管の間に、いずれかの熱媒流通管内の圧力変動を緩和する膨張タンクが設けられていることを特徴とするクロロシラン類製造装置。
前記蒸気発生器に、内部の圧力を検出して該圧力に応じて前記蒸気輸送管への蒸気の導出を制御する蒸気制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載のクロロシラン類製造装置。
金属シリコン粉末を塩化水素ガスによって流動させながら反応させる複数の反応炉と、この反応により生成されたトリクロロシランを主体とするクロロシラン類を蒸留する蒸留塔とによりクロロシラン類を製造する方法であって、
前記反応炉に、該反応炉内を経由して熱媒体が循環流通する熱媒流通管をそれぞれ設けるとともに、これら熱媒流通管に、前記反応炉内の熱を吸収して高温になった熱媒体により水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生器を接続しておき、
前記反応炉のうちのいずれか１台又は複数台を選択して前記蒸気発生器に接続状態とすることにより、各反応炉と前記蒸気発生器との間の熱媒体の流通を制御するとともに、前記反応炉のうちの少なくとも２台の反応炉における前記熱媒流通管の間に設けた膨張タンクにより、いずれかの熱媒流通管内の圧力変動を吸収した状態とし、
前記蒸気発生器で発生した蒸気を前記蒸留塔の熱源として利用することを特徴とするクロロシラン類製造方法。