JP6698762B2 - Hydrogen gas recovery system and method for separating and recovering hydrogen gas - Google Patents

Hydrogen gas recovery system and method for separating and recovering hydrogen gas Download PDF

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Description

本発明は水素ガス回収システムおよび水素ガスの分離回収方法に関し、より詳細には、
トリクロロシランを原料とする多結晶シリコン製造装置の反応排ガスから水素を分離して
回収し、高純度に精製された水素ガスの循環利用を可能とする技術に関する。
The present invention relates to a hydrogen gas recovery system and a method for separating and recovering hydrogen gas, and more specifically,
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique that separates and recovers hydrogen from a reaction exhaust gas of a polycrystalline silicon manufacturing apparatus using trichlorosilane as a raw material, and makes it possible to circulate and use highly purified hydrogen gas.

トリクロロシラン(HSiCl3)を原料とする多結晶シリコンの製造工程では、主と
して下式で表される反応が進行し、式1により多結晶シリコンが生成する。
HSiCl3 + H2 → Si + 3HCl ・・・(式1)
HSiCl3 + HCl → SiCl4 + H2 ・・・(式2)
In the manufacturing process of polycrystalline silicon using trichlorosilane (HSiCl 3 ) as a raw material, the reaction represented by the following formula mainly progresses, and polycrystalline silicon is generated according to formula 1.
HSiCl 3 + H 2 → Si + 3HCl (Equation 1)
HSiCl 3 + HCl → SiCl 4 + H 2 (Equation 2)

シーメンス法で多結晶シリコンを製造する際、原料ガスであるトリクロロシランと水素
を、反応器内で加熱した鳥居型(逆U字型)のシリコン芯線に接触させ、該シリコン芯線
表面に多結晶シリコンをCVD(Chemical Vapor Deposition)法により気相成長させる。
When producing polycrystalline silicon by the Siemens method, the raw material gases trichlorosilane and hydrogen are brought into contact with a Torii type (inverted U-shaped) silicon core wire heated in the reactor, and the surface of the silicon core wire is polycrystalline silicon. Is vapor-deposited by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

シリコン芯線の加熱は通電加熱によるため、反応器内の部材には、導電性と耐熱性が高
く金属汚染の少ないカーボンが用いられる。このようなカーボン部材には、例えば、シリ
コン芯線に通電するための芯線ホルダや高純度の高抵抗シリコン芯線に通電させるために
初期加熱するためのヒータなどがある。
Since heating of the silicon core wire is performed by electric heating, carbon having high conductivity and heat resistance and less metal contamination is used for the member in the reactor. Such carbon members include, for example, a core wire holder for energizing a silicon core wire and a heater for initial heating for energizing a high-purity, high-resistance silicon core wire.

非特許文献1(「新・炭素工業」石川敏功、長沖通著)によると、カーボンは900℃
以上の温度で水素と反応するとされる。多結晶シリコン析出時の反応器内のカーボン部材
は、通電加熱しているシリコン芯線からの熱伝導又は輻射熱を受けて900℃以上の高温
となるから、供給ガスの水素とカーボンが反応して、下式3に従い、微量のメタンが生成
する。
C + 2H2 → CH4 ・・・(式3)
According to Non-Patent Document 1 ("New Carbon Industry" by Toshikazu Ishikawa and Tsuru Nagaoki), carbon is 900C
It is said to react with hydrogen at the above temperature. The carbon member in the reactor at the time of deposition of polycrystalline silicon becomes high temperature of 900° C. or higher by receiving heat conduction or radiant heat from the silicon core wire that is being electrically heated, so that hydrogen of the supply gas reacts with carbon, A small amount of methane is produced according to the following formula 3.
C + 2H 2 → CH 4 (Equation 3)

この反応に加え、原料ガスであるトリクロロシランには沸点の近いメチルジクロロシラ
ンが微量含まれているため、多結晶シリコンの析出反応条件下では、これらはメタンに分
解される(特許文献1(特許第3727470号明細書)を参照)。
In addition to this reaction, trichlorosilane, which is a raw material gas, contains a small amount of methyldichlorosilane having a close boiling point, and therefore, these are decomposed into methane under the reaction conditions for depositing polycrystalline silicon (Patent Document 1 (Patent Document 1 No. 3727470)).

従って、多結晶シリコン製造装置からの反応排ガスには、上記式1及び式2に示されて
いるテトラクロロシラン、水素、微量の塩化水素(HCl)、及び未反応のトリクロロシ
ラン以外に、微量のメタンが含まれることとなる。
Therefore, in the reaction exhaust gas from the polycrystalline silicon manufacturing apparatus, in addition to tetrachlorosilane, hydrogen, a trace amount of hydrogen chloride (HCl) and unreacted trichlorosilane shown in the above formulas 1 and 2, a trace amount of methane is included. Will be included.

これらに加え、上記反応排ガスには、その他の副生ガスとして、微量のモノクロロシラ
ン(SiH3Cl)、ジクロロシラン(SiH2Cl2)も含まれる。
In addition to these, the reaction exhaust gas also contains trace amounts of monochlorosilane (SiH 3 Cl) and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) as other by-product gases.

なお、以下では、テトラクロロシラン、トリクロロシラン、ジクロロシランを総称して
クロロシラン類と称し、その液体をクロロシラン液と称することとする。
In the following, tetrachlorosilane, trichlorosilane, and dichlorosilane are collectively referred to as chlorosilanes, and the liquid thereof is referred to as a chlorosilane liquid.

ところで、シーメンス法でトリクロロシランをシリコンに転換する場合、その転換率は
数〜10%前後と低いため、反応器に供給する原料ガス量は、析出シリコン1kg当たり
15〜50Nm3と大量とならざるを得ない。反応器に供給した原料ガスの多くは反応排
ガスとして反応器から排出されることとなるから、製造コストを抑えるためには、原料ガ
スのロスを抑えることが必要となる。つまり、反応排ガスを回収し、トリクロロシランと
水素を高純度化したうえで、再び、多結晶シリコン製造装置へ原料ガスとして供給する技
術が必要不可欠である。
By the way, when converting trichlorosilane to silicon by the Siemens method, the conversion rate is as low as several to 10%, so the amount of raw material gas supplied to the reactor is as large as 15 to 50 Nm 3 per kg of deposited silicon. I don't get. Most of the raw material gas supplied to the reactor is discharged from the reactor as a reaction exhaust gas, so that it is necessary to suppress the loss of the raw material gas in order to suppress the manufacturing cost. In other words, it is essential to collect the reaction exhaust gas, purify trichlorosilane and hydrogen to high purity, and supply the raw material gas to the polycrystalline silicon manufacturing apparatus again.

このような水素ガス回収システムでは、一般に、多結晶シリコン製造装置からの反応排
ガスが先ず、多結晶シリコン製造装置に直結する水素回収循環装置により水素とそれ以外
の成分に分離され、この分離水素を回収して、再び多結晶シリコン製造装置へと導入され
る。このようなシステムの例は、例えば、非特許文献2(「昭和55〜62年度新エネル
ギー総合開発機構委託業務成果報告書 太陽光発電システム実用化技術開発 低コストシ
リコン実験精製検証(クロルシランの水素還元工程の技術開発) 総括版」)、特許文献
2(特開2008−143775号公報)、特許文献3(特開2011−84422号公
報)などに開示され、公知となっている。
In such a hydrogen gas recovery system, generally, the reaction exhaust gas from the polycrystalline silicon manufacturing apparatus is first separated into hydrogen and other components by a hydrogen recovery circulation device directly connected to the polycrystalline silicon manufacturing apparatus, and this separated hydrogen is separated. It is recovered and again introduced into the polycrystalline silicon manufacturing apparatus. An example of such a system is, for example, Non-Patent Document 2 (“Showa 55-62 New Energy Comprehensive Development Agency Commissioned Business Results Report Solar Power Generation System Practical Technology Development Low Cost Silicon Experimental Purification Verification (Hydrogen Reduction of Chlorsilane Technological Development of Processes) General Edition"), Patent Document 2 (JP 2008-143775 A), Patent Document 3 (JP 2011-84422 A), etc. and are publicly known.

このような従来の水素ガス回収システムでは、先ず、クロロシラン類を凝縮分離し、そ
の後、低温のクロロシラン液により塩化水素ガスの吸収分離を行い、最後に、微量に残っ
たクロロシラン類や塩化水素を活性炭で吸着分離するという方法が採用されているが、排
ガス中に含まれているメタンを積極的に除去することを目的として構成されてはいない。
In such a conventional hydrogen gas recovery system, first, chlorosilanes are condensed and separated, and then hydrogen chloride gas is absorbed and separated by a low-temperature chlorosilane solution, and finally, a small amount of residual chlorosilanes and hydrogen chloride are activated carbon. However, it is not configured for the purpose of actively removing methane contained in the exhaust gas.

クロロシラン類や塩化水素を活性炭で吸着分離する際に、メタンも、この活性炭で僅か
には吸着除去されるが、大量の水素中のメタン濃度は数百ppb〜数ppmと極めて希薄
であるため、活性炭による吸着量は極僅かで、事実上、ほとんど除去されることなく再び
多結晶シリコン製造装置へと供給されてしまう。その結果、水素の回収率を高くすれば、
それにつれて回収水素中のメタン濃度も上昇してしまう。
When chlorosilanes and hydrogen chloride are adsorbed and separated by activated carbon, methane is also slightly adsorbed and removed by this activated carbon, but the concentration of methane in a large amount of hydrogen is extremely low at several hundred ppb to several ppm. The amount adsorbed by the activated carbon is extremely small, and in fact, it is supplied to the polycrystalline silicon manufacturing apparatus again with almost no removal. As a result, if the hydrogen recovery rate is increased,
Along with that, the methane concentration in the recovered hydrogen also rises.

このような回収水素が多結晶シリコン製造装置へと再供給されると、メタンの構成元素
である炭素が、析出する多結晶シリコン中へ取り込まれ易くなり(例えば、特許文献1を
参照)、高純度の多結晶シリコンを製造する際の大きな障害となる。従って、回収水素中
のメタン濃度制御は、高純度多結晶シリコンを製造する上での重要な課題となる。
When such recovered hydrogen is re-supplied to the polycrystalline silicon manufacturing apparatus, carbon, which is a constituent element of methane, is easily taken into the precipitated polycrystalline silicon (for example, see Patent Document 1), and This is a major obstacle to the production of pure polycrystalline silicon. Therefore, controlling the methane concentration in the recovered hydrogen is an important issue in producing high-purity polycrystalline silicon.

このような観点から、メタン発生対策として、反応器内のカーボン部材と水素との反応
による生成量を抑えるべく、カーボン部材の表面処理などが提案されている(例えば、特
許文献4(特開平5−213697号公報)や特許文献5(特開2009−62252号
公報)を参照)。しかし、消耗材であるカーボン部材の表面処理は非常に高価であるため
、ランニングコストの大幅アップとなることに加え、例えカーボン部材に表面処理を施し
ても微量のメタンは発生するし、原料であるトリクロロシラン中に含まれる微量炭化水素
化合物の熱分解によりメタンが発生することから、結局のところ、反応排ガス中のメタン
除去が必要となる。
From such a point of view, as a measure against methane generation, surface treatment of the carbon member has been proposed in order to suppress the amount produced by the reaction between the carbon member and hydrogen in the reactor (see, for example, Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. H05-18753). -213697) and Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-62252)). However, since the surface treatment of the carbon member, which is a consumable material, is very expensive, the running cost is greatly increased, and even if the carbon member is subjected to the surface treatment, a slight amount of methane is generated, which is a raw material. Since methane is generated by thermal decomposition of a trace hydrocarbon compound contained in a certain trichlorosilane, it is necessary to remove methane from the reaction exhaust gas after all.

また、トリクロロシランに含まれるメチルジクロロシラン等の炭化水素含有不純物の分
解によるメタン発生への対処として、特許文献1(特許第3727470号明細書)に、
活性炭吸着層を通過するメタン濃度の管理及び活性炭の平均細孔半径等についての報告が
ある。しかし、回収水素中のメタン濃度は数百ppb〜数ppmと希薄であることに加え
、メタンは活性炭に吸着し難い性質をもつことから、大量の回収水素中のメタン濃度を1
ppm以下に抑えるためには、工業的スケールにおいて極めて大きな活性炭充填槽が必要
となり、設備コストが増大するという問題がある。
In addition, as measures against methane generation due to decomposition of hydrocarbon-containing impurities such as methyldichlorosilane contained in trichlorosilane, Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3727470) describes:
There are reports on the control of the concentration of methane passing through the activated carbon adsorption layer and the average pore radius of activated carbon. However, the concentration of methane in the recovered hydrogen is as low as several hundreds of ppb to several ppm, and since methane has a property of being difficult to be adsorbed by activated carbon, the methane concentration in a large amount of recovered hydrogen is 1
In order to suppress the content to below ppm, an extremely large activated carbon filling tank is required on an industrial scale, which causes a problem of increasing equipment cost.

その他にも、特許文献6(特開2010−184831号公報)には、反応排ガスの凝
縮器における滞留時間を長くし、凝縮液であるクロロシラン類へのメタンの溶解を促進し
、回収水素中のメタン濃度を低減する方法が提案されている。しかし、この方法では、メ
タンを吸収したクロロシラン類を反応装置に再供給すると、溶解しているメタンも再び反
応装置に供給されてしまうことになる。
In addition, in Patent Document 6 (JP 2010-184831A), the residence time of the reaction exhaust gas in the condenser is lengthened, the dissolution of methane in chlorosilanes, which is a condensate, is promoted, and Methods for reducing methane concentration have been proposed. However, in this method, when the chlorosilanes that have absorbed methane are re-supplied to the reactor, the dissolved methane is also re-supplied to the reactor.

特許第3727470号明細書Patent No. 3727470 特開2008−143775号公報JP, 2008-143775, A 特開2011−84422号公報JP, 2011-84422, A 特開平5−213697号公報JP-A-5-213697 特開2009−62252号公報JP, 2009-62252, A 特開2010−184831号公報JP, 2010-184831, A

「新・炭素工業」石川敏功、長沖通著"New Carbon Industry" by Toshikazu Ishikawa and Michiru Nagaoki 「昭和55〜62年度新エネルギー総合開発機構委託業務成果報告書 太陽光発電システム実用化技術開発 低コストシリコン実験精製検証(クロルシランの水素還元工程の技術開発) 総括版」((独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 昭和63年11月)"Fiscal 55-62 New Energy Development Agency Commissioned Business Results Report Solar Power Generation System Practical Technology Development Low-cost Silicon Experimental Refining Verification (Technology Development of Hydrogen Reduction Process for Chlorsilane) Summary Version" (Germany New Energy AIST (November 1988)

このように、回収水素中のメタン濃度制御は、高純度多結晶シリコンを製造する上での
重要な課題であるにもかかわらず、従来の手法はそれぞれに難点があり、かかる難点のな
い新たな技術の提供が望まれる。
As described above, although the control of the methane concentration in the recovered hydrogen is an important issue in producing high-purity polycrystalline silicon, each of the conventional methods has its own drawbacks. Providing technology is desired.

本発明は、斯かる課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、多結晶シリ
コン製造工程からの反応排ガス中のメタンを、複雑なシステム構成とすることなく、効率
的に除去し、回収水素の高純度化を図り、これを再び多結晶シリコン製造工程へと供給す
ることにより、炭素不純物の少ない高純度多結晶シリコンを得ることを可能とする技術を
提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to efficiently remove methane in a reaction exhaust gas from a polycrystalline silicon manufacturing process without a complicated system configuration. It is an object of the present invention to provide a technique that makes it possible to obtain highly pure polycrystalline silicon with few carbon impurities by purifying recovered hydrogen to a high degree of purity and supplying it to the polycrystalline silicon manufacturing process again.

上記課題を解決するために、本発明に係る水素ガス回収システムは、トリクロロシラン
を原料として多結晶シリコンを製造する装置からの反応排ガスから水素ガスを分離回収す
るための水素ガス回収システムであって、A:多結晶シリコン製造工程からの、水素を含
む反応排ガスからクロロシラン類を凝縮分離する凝縮分離装置と、B:前記凝縮分離装置
を経た、水素を含む反応排ガスを圧縮する圧縮装置と、C:前記圧縮装置を経た、水素を
含む反応排ガスを吸収液と接触させて塩化水素を吸収分離する吸収装置と、D:前記吸収
装置を経た、水素を含む反応排ガスに含まれる、メタン、塩化水素、およびクロロシラン
類の一部を吸着除去するための活性炭を充填した吸着塔からなる第1の吸着装置と、E:
前記第1の吸着装置を経た、水素を含む反応排ガスに含まれるメタンを吸着除去する合成
ゼオライトを充填した吸着塔からなる第2の吸着装置と、F:前記第2の吸着装置から排
出されたメタン濃度を低減させた精製水素ガスを回収するガスライン、を備えていること
を特徴とする。
In order to solve the above problems, a hydrogen gas recovery system according to the present invention is a hydrogen gas recovery system for separating and recovering hydrogen gas from a reaction exhaust gas from an apparatus for producing polycrystalline silicon using trichlorosilane as a raw material. , A: a condensing separator for condensing and separating chlorosilanes from the reaction exhaust gas containing hydrogen from the polycrystalline silicon manufacturing process; B: a compressor for compressing the reaction exhaust gas containing hydrogen, which has passed through the condensing separator. : Absorption device that passes through the compression device the reaction exhaust gas containing hydrogen with an absorbing liquid to absorb and separate hydrogen chloride; D: Methane and hydrogen chloride contained in the reaction exhaust gas containing hydrogen passed through the absorption device , And a first adsorption device comprising an adsorption tower filled with activated carbon for adsorbing and removing a part of chlorosilanes, and E:
A second adsorption device comprising an adsorption tower filled with synthetic zeolite that adsorbs and removes methane contained in the reaction exhaust gas containing hydrogen, which has passed through the first adsorption device, and F: is discharged from the second adsorption device. A gas line for recovering the purified hydrogen gas having a reduced methane concentration is provided.

好ましくは、前記第2の吸着装置に充填される合成ゼオライトは、主成分であるシリカ
(SiO2)とアルミナ(Al23)の分子比(SiO2/Al23)が2以上で30以下
である。
Preferably, the synthetic zeolite packed in the second adsorption device has a molecular ratio (SiO 2 /Al 2 O 3 ) of silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) as main components of 2 or more. It is 30 or less.

また、好ましくは、前記合成ゼオライトは、陽イオンとして、ナトリウム、カリウム、
カルシウム、マグネシウム、バリウム、リチウムの何れかの陽イオンを含む。
Further, preferably, the synthetic zeolite, as a cation, sodium, potassium,
It contains a cation of any of calcium, magnesium, barium, and lithium.

ある態様では、前記第1の吸着装置は、前記活性炭を充填した吸着塔を複数備えている
In one aspect, the first adsorption device includes a plurality of adsorption towers filled with the activated carbon.

また、ある態様では、前記第2の吸着装置は、前記合成ゼオライトを充填した吸着塔を
複数備えている。
Moreover, in one aspect, the second adsorption device includes a plurality of adsorption columns filled with the synthetic zeolite.

また、ある態様では、前記第2の吸着装置で精製した水素ガスを、前記第1の吸着装置
および前記第2の吸着装置の少なくとも一方が備える吸着塔の再生時のキャリアガスとし
て利用するガスラインを備えている。
Further, in one aspect, a gas line that uses the hydrogen gas purified by the second adsorption device as a carrier gas at the time of regeneration of an adsorption tower provided in at least one of the first adsorption device and the second adsorption device. Is equipped with.

さらに、ある態様では、前記第2の吸着装置で精製した水素ガスを、前記第2の吸着装
置が備える吸着塔の再生時のキャリアガスとして利用し、該吸着塔の再生時排ガスを、前
記第1の吸着装置が備える吸着塔の再生時のキャリアガスとして利用するガスラインを備
えている。
Further, in an aspect, the hydrogen gas purified by the second adsorption device is used as a carrier gas at the time of regeneration of an adsorption tower provided in the second adsorption device, and the exhaust gas at the time of regeneration of the adsorption tower is A gas line used as a carrier gas at the time of regeneration of the adsorption tower included in the first adsorption device is provided.

本発明に係る水素ガスの分離回収方法は、トリクロロシランを原料として多結晶シリコ
ンを製造する装置からの反応排ガスから水素ガスを分離回収する方法であって、上述の水
素ガス回収システムを用い、前記第2の吸着装置により、前記水素ガス中のメタン濃度を
1ppm以下に精製して回収する。
The method for separating and recovering hydrogen gas according to the present invention is a method for separating and recovering hydrogen gas from a reaction exhaust gas from a device for producing polycrystalline silicon from trichlorosilane as a raw material, using the above-mentioned hydrogen gas recovery system, The methane concentration in the hydrogen gas is refined to 1 ppm or less and recovered by the second adsorption device.

好ましくは、前記第1の吸着装置により、前記水素ガス中の塩化水素濃度を100pp
mv以下、且つ、クロロシラン類濃度を100ppmv以下に精製する。
Preferably, the concentration of hydrogen chloride in the hydrogen gas is set to 100 pp by the first adsorption device.
mv or less and chlorosilane concentration is purified to 100 ppmv or less.

また、好ましくは、前記第2の吸着装置が備える吸着塔の再生時の塔内圧力を0.3M
PaA以下で行う。
Further, it is preferable that the pressure inside the adsorption tower provided in the second adsorption device is 0.3 M when regenerating.
Perform at PaA or less.

本発明によれば、多結晶シリコン製造工程からの反応排ガス中のメタンを、複雑なシス
テム構成とすることなく、効率的に除去し、回収水素の高純度化を図り、これを再び多結
晶シリコン製造工程へと供給することにより、炭素不純物の少ない高純度多結晶シリコン
を得ることを可能とする技術が提供される。
According to the present invention, methane in the reaction exhaust gas from the polycrystalline silicon manufacturing process is efficiently removed without a complicated system configuration and the recovered hydrogen is highly purified. By supplying it to the manufacturing process, a technique is provided that enables to obtain high-purity polycrystalline silicon with few carbon impurities.

本発明の水素ガス回収システムの構成例を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for explaining an example of composition of a hydrogen gas recovery system of the present invention. 本発明の水素ガス回収システムの他の構成例を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for explaining other examples of composition of a hydrogen gas recovery system of the present invention. 本発明の水素ガス回収システムの他の構成例を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for explaining other examples of composition of a hydrogen gas recovery system of the present invention.

以下に、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の水素ガス回収システムの構成例を説明するためのブロック図である。
この図で示した例では、多結晶シリコン製造工程からの、水素を含む反応排ガスからクロ
ロシラン類を凝縮分離する凝縮分離装置(A)と、凝縮分離装置(A)を経た、水素を含
む反応排ガスを圧縮する圧縮装置(B)と、圧縮装置(B)を経た、水素を含む反応排ガ
スを吸収液と接触させて塩化水素を吸収分離する吸収装置(C)と、吸収装置(C)を経
た、水素を含む反応排ガスに含まれる、メタン、塩化水素、およびクロロシラン類の一部
を吸着除去するための活性炭を充填した吸着塔からなる第1の吸着装置(D)と、第1の
吸着装置(D)を経た、水素を含む反応排ガスに含まれるメタンを吸着除去する合成ゼオ
ライトを充填した吸着塔からなる第2の吸着装置(E)と、第2の吸着装置(E)から排
出されたメタン濃度を低減させた精製水素ガスを回収するガスライン(F)により、水素
ガス回収システムが構成されている。
FIG. 1 is a block diagram for explaining a configuration example of a hydrogen gas recovery system of the present invention.
In the example shown in this figure, a condensation separation device (A) for condensing and separating chlorosilanes from a reaction exhaust gas containing hydrogen from a polycrystalline silicon manufacturing process, and a reaction exhaust gas containing hydrogen that has passed through the condensation separation device (A). Via a compressor (B) for compressing hydrogen chloride, a absorber (C) for contacting the reaction exhaust gas containing hydrogen with the absorber through the compressor (B) to absorb and separate hydrogen chloride, and an absorber (C). Adsorption device (D) comprising an adsorption tower filled with activated carbon for adsorbing and removing a part of methane, hydrogen chloride, and chlorosilanes contained in the reaction exhaust gas containing hydrogen, and a first adsorption device The gas was discharged from the second adsorption device (E), which comprises an adsorption tower filled with a synthetic zeolite that adsorbs and removes methane contained in the reaction exhaust gas containing hydrogen, which has passed through (D), and the second adsorption device (E). A hydrogen gas recovery system is constituted by the gas line (F) for recovering the purified hydrogen gas having a reduced methane concentration.

このシステムでは、先ず、多結晶シリコン製造装置(不図示)からの反応排ガスが凝縮
分離装置(A)に供給され、クロロシラン類の凝縮分離が行われる(S101)。この凝
縮分離工程は、次工程の圧縮装置(B)の内部でガスが液化して機器を損傷しないように
するためのみならず、次々工程における第1の吸着装置(D)を用いた吸着除去工程にお
ける熱負荷を軽減するために設けられており、この凝縮分離工程により、反応排ガス中の
水素に含まれるクロロシラン類の一部が除去されて系外に回収される。
In this system, first, a reaction exhaust gas from a polycrystalline silicon manufacturing apparatus (not shown) is supplied to a condensation separation device (A), and chlorosilanes are condensed and separated (S101). This condensation separation step is not only for preventing gas from liquefying inside the compression device (B) in the next step so as not to damage the equipment, but also for adsorption removal using the first adsorption device (D) in the next step. It is provided to reduce the heat load in the process, and by this condensation and separation process, a part of chlorosilanes contained in hydrogen in the reaction exhaust gas is removed and recovered outside the system.

具体的には、多結晶シリコン製造装置からの反応排ガスを冷却し、クロロシラン類の一
部を反応排ガスから除外する。冷却温度は、圧縮装置(B)を用いての圧縮工程における
圧縮後圧力下において、クロロシラン類が凝縮しない温度以下であれば良い。従って、冷
却温度は−10℃以下であればよく、好ましくは−20℃以下である。
Specifically, the reaction exhaust gas from the polycrystalline silicon manufacturing apparatus is cooled and a part of chlorosilanes is excluded from the reaction exhaust gas. The cooling temperature may be equal to or lower than the temperature at which chlorosilanes do not condense under the pressure after compression in the compression step using the compression device (B). Therefore, the cooling temperature may be -10°C or lower, preferably -20°C or lower.

凝縮分離工程(S101)に続く、圧縮装置(B)を用いての圧縮工程(S102)で
は、凝縮後の排ガスを後工程に送気・循環するために必要な圧力まで昇圧する。ここで圧
縮した反応排ガスは、水素の他に未分離のクロロシラン類、モノシラン、塩化水素、窒素
とメタンに加え、微量の一酸化炭素や二酸化炭素も含まれる。
In the compression step (S102) using the compression device (B) following the condensation/separation step (S101), the pressure of the exhaust gas after condensation is increased to the pressure necessary for sending/circulating the exhaust gas to the subsequent step. The reaction exhaust gas compressed here contains not only hydrogen but also unseparated chlorosilanes, monosilane, hydrogen chloride, nitrogen and methane, and also a trace amount of carbon monoxide and carbon dioxide.

圧縮工程(S102)に続く、吸収装置(C)を用いての塩化水素の吸収分離工程では
、反応排ガス中に含まれているクロロシラン類及び塩化水素を吸収液に吸収させる工程(
S103)と塩化水素の蒸留工程(S104)を適宜繰返し、塩化水素を反応排ガスから
除外して系外に回収する。
In the step of absorbing and separating hydrogen chloride using the absorber (C) subsequent to the compression step (S102), a step of absorbing chlorosilanes and hydrogen chloride contained in the reaction exhaust gas into the absorbing liquid (
S103) and the step of distilling hydrogen chloride (S104) are appropriately repeated to remove hydrogen chloride from the reaction exhaust gas and recover it outside the system.

吸収装置(C)は、ステップS103を実行する塩化水素吸収部とステップS104を
実行する塩化水素蒸留部を備えており、塩化水素蒸留部から液体のクロロシラン類を主体
とする吸収液が塩化水素吸収部に供給され、反応排ガスがこの吸収液と気液接触すること
により、反応排ガス中のクロロシラン類及び塩化水素が吸収液に吸収される。
The absorption device (C) includes a hydrogen chloride absorption unit that executes step S103 and a hydrogen chloride distillation unit that executes step S104, and the absorption liquid mainly composed of liquid chlorosilanes from the hydrogen chloride distillation unit absorbs hydrogen chloride. When the reaction exhaust gas is supplied to the section and comes into gas-liquid contact with the absorption liquid, chlorosilanes and hydrogen chloride in the reaction exhaust gas are absorbed by the absorption liquid.

図示はしないが、塩化水素吸収部は、効率良く気液接触できるような充填物やトレイを
備えている。また、効率的な吸収のためには、低温・高圧下で気液接触を行うことが好ま
しい。具体的には、温度は−30℃〜−60℃、圧力は0.4MPa〜2MPaで行うこ
とが好ましい。
Although not shown in the figure, the hydrogen chloride absorbing section is provided with a packing or a tray that allows efficient gas-liquid contact. Further, for efficient absorption, it is preferable to perform gas-liquid contact at low temperature and high pressure. Specifically, it is preferable that the temperature is −30° C. to −60° C. and the pressure is 0.4 MPa to 2 MPa.

吸収装置(C)でクロロシラン類及び塩化水素が除去された水素を主成分とする反応排
ガスは、活性炭を充填した吸着塔からなる第1の吸着装置(D)に導入される。ここでは
、活性炭の充填層を通過させることで、未分離のクロロシラン類、モノシラン、塩化水素
が吸着除去され、系外に回収乃至廃棄とされる(S105)。これに対し、メタンは、活
性炭には吸着し難い性質をもつため、極一部は吸着により除去されるものの大部分は吸着
されずに吸着装置(D)から排出されることになる。窒素や一酸化炭素、二酸化炭素も、
メタンと同様である。
The reaction exhaust gas containing hydrogen as a main component, from which chlorosilanes and hydrogen chloride have been removed in the absorption device (C), is introduced into the first adsorption device (D) including an adsorption tower filled with activated carbon. Here, unseparated chlorosilanes, monosilane, and hydrogen chloride are adsorbed and removed by passing through a packed bed of activated carbon, and then recovered or discarded outside the system (S105). On the other hand, since methane has a property that it is difficult to be adsorbed by activated carbon, most of it is removed by adsorption, but most of it is not adsorbed and is discharged from the adsorption device (D). Nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide,
Similar to methane.

第1の吸着装置(D)は、活性炭を充填した吸着塔を複数備えていることが好ましい。
吸着塔を複数備えていると、ある吸着塔を再生させている間に、他の吸着塔に排ガスを供
給し、活性炭吸着工程(S105)を中断することなく、連続して実行することができる
。なお、吸着剤としての活性炭は、例えばヤシ殻や石油ピッチ系の成型品で、平均細孔半
径は、例えば5μm〜20μmのものを使用することができる。また、効率的な吸着のた
めには、低温・高圧下で行うことが好ましい。具体的には、温度は−30℃〜+100℃
、好ましくは−10℃〜+50℃であり、圧力は0.4MPa〜2MPaで行うことが好
ましい。
It is preferable that the first adsorption device (D) includes a plurality of adsorption towers filled with activated carbon.
When a plurality of adsorption towers are provided, while regenerating one adsorption tower, exhaust gas is supplied to another adsorption tower, and the activated carbon adsorption step (S105) can be continuously executed without interruption. .. The activated carbon as the adsorbent is, for example, a coconut shell or petroleum pitch-based molded product, and can have an average pore radius of, for example, 5 μm to 20 μm. Further, for efficient adsorption, it is preferable to carry out at low temperature and high pressure. Specifically, the temperature is -30°C to +100°C.
It is preferably -10°C to +50°C, and the pressure is preferably 0.4 MPa to 2 MPa.

活性炭の再生(脱着)は、高温・低圧が効率的なため、先ず、圧力を−0.1MPa〜
+0.2MPa以下に迄降圧し、その後加熱して温度を80℃〜300℃、好ましくは1
40℃〜200℃とする。再生中はキャリアガスとして水素を通気し、吸着しているクロ
ロシラン類、モノシラン、塩化水素、メタン、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素を脱着させ
る。脱着ガスは、他のプロセスで使用してもよいし、前工程で使用する吸収装置(C)に
戻すなどして回収するか、或いは廃棄しても良い。
Regeneration (desorption) of activated carbon is efficient at high temperatures and low pressures, so the pressure should first be -0.1 MPa
The pressure is reduced to +0.2 MPa or less and then heated to a temperature of 80°C to 300°C, preferably 1
The temperature is 40°C to 200°C. During the regeneration, hydrogen is aerated as a carrier gas to desorb adsorbed chlorosilanes, monosilane, hydrogen chloride, methane, nitrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide. The desorbed gas may be used in another process, or may be recovered by returning it to the absorber (C) used in the previous step or discarded.

第1の吸着装置(D)でクロロシラン類、モノシラン、塩化水素を除去した水素を主成
分とする反応排ガスは、合成ゼオライトを充填した吸着塔からなる第2の吸着装置(E)
に導入される。この吸着装置(E)では、反応排ガスを合成ゼオライトの充填層を通過さ
せることで、前工程の活性炭で除去しきれなかったメタン、窒素、一酸化炭素、二酸化炭
素が吸着除去される(S106)。
The reaction exhaust gas containing hydrogen as a main component, which is obtained by removing chlorosilanes, monosilane, and hydrogen chloride in the first adsorption device (D), is a second adsorption device (E) composed of an adsorption tower filled with synthetic zeolite.
Will be introduced to. In this adsorption device (E), the reaction exhaust gas is passed through the packed bed of synthetic zeolite to adsorb and remove methane, nitrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide that could not be removed by the activated carbon in the previous step (S106). .

第2の吸着装置(E)もまた、合成ゼオライトを充填した吸着塔を複数備えていること
が好ましい。吸着塔を複数備えていると、ある吸着塔を再生させている間に、他の吸着塔
に排ガスを供給し、合成ゼオライト吸着工程(S106)を中断することなく、連続して
実行することができる。また、効率的な吸着のためには、低温・高圧下で行うことが好ま
しい。具体的には、温度は−30℃〜+100℃、好ましくは−10℃〜+50℃であり
、圧力は0.4MPa〜2MPaで行うことが好ましい。
The second adsorption device (E) also preferably includes a plurality of adsorption columns filled with synthetic zeolite. When a plurality of adsorption towers are provided, while regenerating one adsorption tower, exhaust gas is supplied to another adsorption tower, and the synthetic zeolite adsorption step (S106) can be continuously executed without interruption. it can. Further, for efficient adsorption, it is preferable to carry out at low temperature and high pressure. Specifically, the temperature is −30° C. to +100° C., preferably −10° C. to +50° C., and the pressure is preferably 0.4 MPa to 2 MPa.

吸着剤として使用する合成ゼオライトは、希薄濃度のメタン吸着能力が高いものを選定
する。好ましくは、主成分であるシリカ(SiO2)とアルミナ(Al23)の分子比(
SiO2/Al23)が2以上で30以下である合成ゼオライトを用いる。また、このよ
うな合成ゼオライトは、陽イオンとして、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシ
ウム、バリウム、リチウムの何れかの陽イオンを含むことが好ましい。
The synthetic zeolite used as the adsorbent is selected to have a high dilute methane adsorption capacity. Preferably, the molecular ratio of silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) which are the main components (
A synthetic zeolite having a SiO 2 /Al 2 O 3 content of 2 or more and 30 or less is used. Further, such a synthetic zeolite preferably contains, as a cation, any cation of sodium, potassium, calcium, magnesium, barium, and lithium.

本発明で用いるに好適な合成ゼオライトの具体例としては、シリカ(SiO2)とアル
ミナ(Al23)の分子比(SiO2/Al23)が2〜4で、主な陽イオンがCaであ
り、X型の結晶構造をもつゼオラム(登録商標)SA−600A(東ソー(株))や、分子比
(SiO2/Al23)が15〜20で、陽イオンにK、Mg、Baを含み、フェリエラ
イト型の結晶構造をもつゼオライトなどがある。これらはメタン分圧5〜10ppmの水
素ガスにおいて、メタン吸着量が非常に大きく、具体的には特許文献1に記載されている
活性炭(平均細孔半径8Å)に比較して数十倍と非常に大きいため、メタン吸着装置(E
)の小型化を図ることができる。
Specific examples of the synthetic zeolite suitable for use in the present invention include silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) having a molecular ratio (SiO 2 /Al 2 O 3 ) of 2 to 4 and a main cation. Is Ca, Zeolum (registered trademark) SA-600A (Tosoh Corp.) having an X-type crystal structure, and a molecular ratio (SiO 2 /Al 2 O 3 ) of 15 to 20 and K as a cation. Examples of the zeolite include Mg and Ba and have a ferrierite-type crystal structure. In hydrogen gas with a methane partial pressure of 5 to 10 ppm, the amount of adsorbed methane is very large, and specifically, it is several tens of times that of activated carbon (average pore radius 8Å) described in Patent Document 1. Since it is very large, the methane adsorption device (E
) Can be miniaturized.

合成ゼオライトの再生(脱着)は、活性炭と同様、高温・低圧が効率的であり、吸着塔
の再生時の塔内圧力については、0.3MPaA以下とすることが好ましい。例えば、先
ず、圧力を−0.1MPa〜+0.2MPa以下迄降圧し、その後加熱して温度を30℃
〜200℃としながらキャリアガスとして水素を流す上述の2段階手順によるか、或いは
、加熱せずに圧力を−0.1MPa〜+0.2MPa以下迄降圧した後に、加熱なしにキ
ャリアガスを流すだけでも容易に脱着することができる。
The regeneration (desorption) of the synthetic zeolite is efficient at high temperature and low pressure as in the case of activated carbon, and the pressure inside the adsorption column during regeneration is preferably 0.3 MPaA or less. For example, first, the pressure is reduced to −0.1 MPa to +0.2 MPa or less, and then heated to 30° C.
According to the above-mentioned two-step procedure of flowing hydrogen as a carrier gas while maintaining the temperature at ˜200° C., or by simply reducing the pressure to −0.1 MPa to +0.2 MPa or less without heating and then flowing the carrier gas without heating. Can be easily removed.

脱着ガスは、他のプロセスで使用するか、または前述の活性炭吸着装置(D)の脱着用
キャリアガスとして使用するか、或いは廃棄しても良い。
The desorption gas may be used in another process, or as a desorption carrier gas for the activated carbon adsorber (D) described above, or it may be discarded.

図2および図3に、本発明の水素ガス回収システムの他の構成例を説明するためのブロ
ック図を示した。
2 and 3 are block diagrams for explaining another configuration example of the hydrogen gas recovery system of the present invention.

図2に示した態様のものは、第2の吸着装置(E)で精製した水素ガスを、第1の吸着
装置(D)および第2の吸着装置(E)の少なくとも一方が備える吸着塔の再生時のキャ
リアガスとして利用するガスライン(G1、G2)を備えている。
In the embodiment shown in FIG. 2, the hydrogen gas purified by the second adsorption device (E) is used in at least one of the first adsorption device (D) and the second adsorption device (E). A gas line (G1, G2) used as a carrier gas during regeneration is provided.

また、図3に示した態様のものは、第2の吸着装置(E)で精製した水素ガスを、第2
の吸着装置(E)が備える吸着塔の再生時のキャリアガスとして利用し、該吸着塔の再生
時排ガスを、第1の吸着装置(D)が備える吸着塔の再生時のキャリアガスとして利用す
るガスライン(G1、G2)を備えている。
In the embodiment shown in FIG. 3, hydrogen gas purified by the second adsorption device (E)
Used as a carrier gas during regeneration of the adsorption tower included in the adsorption device (E), and the exhaust gas during regeneration of the adsorption tower used as a carrier gas during regeneration of the adsorption tower included in the first adsorption device (D). The gas line (G1, G2) is provided.

図1〜3に例示した何れの態様の水素ガス回収システムにおいても、第2の吸着装置(
E)により、水素ガス中のメタン濃度が1ppm以下に精製され、回収される。
In any of the hydrogen gas recovery systems illustrated in FIGS. 1 to 3, the second adsorption device (
According to E), the methane concentration in hydrogen gas is refined to 1 ppm or less and recovered.

合成ゼオライトは、無極性で分子径の小さなメタン、ひいては数百ppb〜数ppmの
希薄濃度域のメタンに対しても吸着能力が高い一方で、極性の強い塩化水素やクロロシラ
ン類の脱着が困難である。従って、一度塩化水素やクロロシラン類を吸着すると、以後は
メタンの吸着能力が低下する。このため、合成ゼオライト吸着装置(E)に導入するガス
中の塩化水素やクロロシラン類の濃度を管理する必要がある。
Synthetic zeolite has a high adsorption capacity for non-polar methane having a small molecular diameter, and further for methane in a dilute concentration range of several hundreds of ppb to several ppm, but desorption of highly polar hydrogen chloride and chlorosilanes is difficult. is there. Therefore, once hydrogen chloride or chlorosilanes are adsorbed, the adsorbability of methane decreases thereafter. Therefore, it is necessary to control the concentrations of hydrogen chloride and chlorosilanes in the gas introduced into the synthetic zeolite adsorption device (E).

具体的には、塩化水素濃度及びクロロシラン類の濃度を、何れも100ppmv以下と
することが好ましい。より好ましくは10ppm以下とし、更に好ましくは0.1ppm
以下とする。
Specifically, it is preferable that both the hydrogen chloride concentration and the chlorosilane concentration be 100 ppmv or less. It is more preferably 10 ppm or less, further preferably 0.1 ppm
Below.

基本的には、前工程の活性炭吸着装置(D)で、塩化水素やクロロシラン類が上述の濃
度以下となるように設計乃至運転するが、念の為、合成ゼオライト吸着装置(E)に導入
されるガス中の塩化水素やクロロシラン類の濃度を監視することが望ましい。
Basically, the activated carbon adsorbing device (D) in the previous step is designed or operated so that the hydrogen chloride and chlorosilanes are not more than the above concentration, but just in case, it is introduced into the synthetic zeolite adsorbing device (E). It is desirable to monitor the concentration of hydrogen chloride and chlorosilanes in the gas.

濃度監視の方法は、インラインの赤外吸収分析装置や、ガスの一部を水に吸収させ、そ
のイオン濃度や導電率などを連続で監視する方法、またはガスをフェノールフタレイン液
に吸収させ色彩の変化を確認するといった簡易的な方法であっても良い。そして塩化水素
やクロロシラン類の濃度が規定以上の場合は、活性炭吸着塔を切り替えるなどの措置をす
る。
Concentration monitoring methods include an in-line infrared absorption analyzer, a method in which part of the gas is absorbed in water and the ion concentration, conductivity, etc. are continuously monitored, or the gas is absorbed in a phenolphthalein liquid and the color is monitored. A simple method of confirming the change of If the concentration of hydrogen chloride or chlorosilanes exceeds the specified level, take measures such as switching the activated carbon adsorption tower.

また、合成ゼオライトを充填塔に初期充填する際は、外気の水分吸着にも配慮する必要
がある。水もまた極性が強く容易に脱着できないため、露点−10℃以下、好ましくは−
60℃以下で管理された容器内に、露点管理されたガスを通気しながら充填するなどの注
意が必要である。
Also, when initially packing the synthetic zeolite in the packed column, it is necessary to consider the adsorption of water in the outside air. Since water also has a strong polarity and cannot be easily desorbed, dew point is -10°C or lower, preferably-
It is necessary to be careful to fill the container controlled at 60°C or lower with a gas whose dew point is controlled while ventilating.

合成ゼオライト吸着装置(E)のガス出口には、ゼオライトの微粉末を捕集するための
フィルタを設ける。初期充填や使用中の圧力変動により成形ゼオライトが崩れ、発生する
微粉末が後工程に流出することを防ぐために目開き10μm以下のフィルタを設ける。
A filter for collecting fine zeolite powder is provided at the gas outlet of the synthetic zeolite adsorption device (E). A filter having an opening of 10 μm or less is provided in order to prevent the formed fine powder from collapsing due to the initial filling and the pressure fluctuation during use and the generated fine powder from flowing out to the subsequent step.

[実施例1]
多結晶シリコン製造装置の反応排ガスからクロロシラン類、モノシラン、及び塩化水素
を分離し、メタンを0.5ppm含む回収水素を合成ゼオライト充填層に導入し、メタン
の吸着除去と脱着を行った。
[Example 1]
Chlorosilanes, monosilane, and hydrogen chloride were separated from the reaction exhaust gas of the polycrystalline silicon manufacturing apparatus, and recovered hydrogen containing 0.5 ppm of methane was introduced into the synthetic zeolite packed bed to adsorb and remove methane.

メタン吸着剤として、シリカとアルミナの分子比(SiO2/Al23)が17、陽イ
オンとしてK、Mg、Baを含むフェリエライト型結晶のφ1.5mmペレット成形ゼオ
ライトを使用した。充填槽のサイズは内径φが22mmで高さHが1,500mmである
。合成ゼオライト充填槽のガス入口とガス出口でのガス中メタン濃度は、ガスクロマトグ
ラフィ(検出器FID、定量下限0.01ppm)で分析した。破過は、導入したメタン
濃度の1/10を出口で検出した時点とした。飽和吸着量は導入したメタンの98%以上
の濃度を出口で検出した時点とした。
As the methane adsorbent, a φ1.5 mm pellet-shaped zeolite of ferrierite type crystal containing silica and alumina having a molecular ratio of 17 (SiO 2 /Al 2 O 3 ) and cations of K, Mg and Ba was used. The size of the filling tank is 22 mm in inner diameter φ and 1,500 mm in height H. The methane concentration in the gas at the gas inlet and the gas outlet of the synthetic zeolite filling tank was analyzed by gas chromatography (detector FID, lower limit of quantification 0.01 ppm). The breakthrough was the time when 1/10 of the introduced methane concentration was detected at the outlet. The saturated adsorption amount was the time when the concentration of 98% or more of the introduced methane was detected at the outlet.

脱着は飽和吸着した合成ゼオライトに、キャリアガスとして水素を流した。脱着終了は
充填層出口のメタン濃度が0.01ppm以下を確認した時点とした。
For desorption, hydrogen was flowed as a carrier gas to the saturated and adsorbed synthetic zeolite. Desorption was completed when the methane concentration at the packed bed outlet was confirmed to be 0.01 ppm or less.

結果を、実験条件とともに、表1A(吸着)および表1B(脱着)に示す。吸着と脱着
を繰り返し行い、10回目の吸着におけるメタンの飽和吸着量は1,620μg、再生に
要したキャリア水素量は900NLであった。尚、1回目の吸着と10回目の吸着結果に
差はなく、脱着が問題無く施されていることを確認した。
The results are shown in Table 1A (adsorption) and Table 1B (desorption) together with the experimental conditions. Adsorption and desorption were repeated, and the saturated adsorption amount of methane in the 10th adsorption was 1,620 μg, and the amount of carrier hydrogen required for regeneration was 900 NL. There was no difference between the results of the first adsorption and the tenth adsorption, and it was confirmed that desorption was performed without any problem.

メタンを吸着精製した回収水素を原料に、シーメンス法で多結晶シリコンを製造した。
その多結晶シリコン中のカーボン濃度は0.04ppma以下であった。カーボン濃度分
析は、SEMI MF1391−0704に記載されている80Kにおける607.5c
-1赤外吸収スペクトルの吸収係数から算出した。尚、メタン除去を行わなかった回収水
素(メタン濃度0.5ppm)を原料として製造した多結晶シリコン中のカーボンは0.
15ppmaであった。
Polycrystalline silicon was produced by the Siemens method using recovered hydrogen obtained by adsorbing and refining methane.
The carbon concentration in the polycrystalline silicon was 0.04 ppma or less. Carbon concentration analysis is 607.5c at 80K as described in SEMI MF1391-0704.
It was calculated from the absorption coefficient of the m −1 infrared absorption spectrum. The carbon in the polycrystalline silicon produced from recovered hydrogen (methane concentration 0.5 ppm), which was not subjected to methane removal, was 0.
It was 15 ppma.

[比較例1]
実施例1と同じ条件で、吸着剤を活性炭(特許文献1に記載されている平均細孔半径1
2Å以下の、詳細には平均細孔径8Å、比表面積550〜600m2/g、ヤシ殻、ペレ
ット成形)として、メタンの吸着除去と脱着を行った。
[Comparative Example 1]
Under the same conditions as in Example 1, the adsorbent was activated carbon (average pore radius 1 described in Patent Document 1
Adsorption removal and desorption of methane were carried out with a particle size of 2 Å or less, specifically, an average pore size of 8 Å, a specific surface area of 550 to 600 m 2 /g, coconut shell, and pellet molding.

その結果を、実験条件とともに、表2A(吸着)および表2B(脱着)に示す。メタン
の飽和吸着量は68μg、再生に要したキャリア水素量は48NLであった。
The results are shown in Table 2A (adsorption) and Table 2B (desorption) together with the experimental conditions. The saturated adsorption amount of methane was 68 μg, and the amount of carrier hydrogen required for regeneration was 48 NL.

活性炭のメタン吸着量は実施例1に示す合成ゼオライトの1/20にも至らない。また
、脱着に要する水素原単位(表中の[キャリア総量]/[処理ガス総量])も、活性炭は
合成ゼオライトの1.5倍を要すことから経済的に劣る。メタンを吸着精製した回収水素
を原料に、シーメンス法で多結晶シリコンを製造した。その結晶中のカーボン濃度は、実
施例1と同様、0.04ppma以下であった。
The amount of methane adsorbed on the activated carbon does not reach 1/20 of that of the synthetic zeolite shown in Example 1. Also, the hydrogen unit required for desorption (total carrier amount/total treated gas amount in the table) is economically inferior because activated carbon requires 1.5 times that of synthetic zeolite. Polycrystalline silicon was produced by the Siemens method using recovered hydrogen obtained by adsorption purification of methane as a raw material. The carbon concentration in the crystal was 0.04 ppma or less, as in Example 1.

本発明は、多結晶シリコン製造工程からの反応排ガス中のメタンを、複雑なシステム構
成とすることなく効率的に除去し、回収水素の高純度化を図ることを可能とする技術を提
供する。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a technology capable of efficiently removing methane in a reaction exhaust gas from a polycrystalline silicon manufacturing process without using a complicated system configuration and achieving highly purified recovered hydrogen.

A 凝縮分離装置
B 圧縮装置
C 吸収装置
D 第1の吸着装置
E 第2の吸着装置
F、G1、G2 ガスライン
A Condensation/separation device B Compressor C Absorption device D First adsorption device E Second adsorption device F, G1, G2 gas line

Claims (8)

トリクロロシランを原料として多結晶シリコンを製造する装置からの反応排ガスから水素ガスを分離回収するための水素ガス回収システムであって、
A:多結晶シリコン製造工程からの、水素を含む反応排ガスからクロロシラン類を凝縮分離する凝縮分離装置と、
B:前記凝縮分離装置を経た、水素を含む反応排ガスを圧縮する圧縮装置と、
C:前記圧縮装置を経た、水素を含む反応排ガスを吸収液と接触させて塩化水素を吸収分離する吸収装置と、
D:前記吸収装置を経た、水素を含む反応排ガスに含まれる、メタン、塩化水素、およびクロロシラン類の一部を吸着除去するための活性炭を充填した吸着塔からなる第1の吸着装置と、
E:前記第1の吸着装置を経た、水素を含む反応排ガスに含まれるメタンを吸着除去する合成ゼオライトを充填した吸着塔からなる第2の吸着装置と、
F:前記第2の吸着装置から排出されたメタン濃度を低減させた精製水素ガスを回収するガスラインと、を備え、
前記第2の吸着装置に充填される合成ゼオライトは、主成分であるシリカ(SiO )とアルミナ(Al )の分子比(SiO /Al )が2〜4で、陽イオンがCaであり、X型の結晶構造をもつゼオライト、または、分子比(SiO /Al )が15〜20で、陽イオンにK、Mg、Baを含み、フェリエライト型の結晶構造をもつゼオライトである、
ことを特徴とする水素ガス回収システム。
A hydrogen gas recovery system for separating and recovering hydrogen gas from a reaction exhaust gas from an apparatus for producing polycrystalline silicon using trichlorosilane as a raw material,
A: a condensing separator for condensing and separating chlorosilanes from the reaction exhaust gas containing hydrogen from the polycrystalline silicon manufacturing process,
B: a compression device that compresses the reaction exhaust gas containing hydrogen, which has passed through the condensation separation device,
C: an absorption device that makes the reaction exhaust gas containing hydrogen that has passed through the compression device contact with an absorption liquid to absorb and separate hydrogen chloride;
D: a first adsorption device comprising an adsorption tower filled with activated carbon for adsorbing and removing a part of methane, hydrogen chloride, and chlorosilanes contained in the reaction exhaust gas containing hydrogen that has passed through the absorption device,
E: a second adsorption device comprising an adsorption tower filled with synthetic zeolite that adsorbs and removes methane contained in the reaction exhaust gas containing hydrogen, which has passed through the first adsorption device,
F: a gas line for collecting the purified hydrogen gas with a reduced methane concentration discharged from the second adsorption device ,
The synthetic zeolite packed in the second adsorption device has a molecular ratio (SiO 2 /Al 2 O 3 ) of silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) as main components of 2 to 4, and is positive. Zeolite having an X-type crystal structure whose ion is Ca, or a ferrierite-type crystal having a molecular ratio (SiO 2 /Al 2 O 3 ) of 15 to 20 and containing cations K, Mg, and Ba Is a zeolite with a structure,
A hydrogen gas recovery system characterized in that
前記第1の吸着装置は、前記活性炭を充填した吸着塔を複数備えている、請求項1に記載の水素ガス回収システム。   The hydrogen gas recovery system according to claim 1, wherein the first adsorption device includes a plurality of adsorption towers filled with the activated carbon. 前記第2の吸着装置は、前記合成ゼオライトを充填した吸着塔を複数備えている、請求項1に記載の水素ガス回収システム。   The hydrogen gas recovery system according to claim 1, wherein the second adsorption device includes a plurality of adsorption towers filled with the synthetic zeolite. 前記第2の吸着装置で精製した水素ガスを、前記第1の吸着装置および前記第2の吸着装置の少なくとも一方が備える吸着塔の再生時のキャリアガスとして利用するガスラインを備えている、請求項1に記載の水素ガス回収システム。   A gas line is provided, which uses the hydrogen gas purified by the second adsorption device as a carrier gas at the time of regeneration of an adsorption tower provided in at least one of the first adsorption device and the second adsorption device. Item 2. The hydrogen gas recovery system according to Item 1. 前記第2の吸着装置で精製した水素ガスを、前記第2の吸着装置が備える吸着塔の再生時のキャリアガスとして利用し、該吸着塔の再生時排ガスを、前記第1の吸着装置が備える吸着塔の再生時のキャリアガスとして利用するガスラインを備えている、請求項1に記載の水素ガス回収システム。   The hydrogen gas purified by the second adsorption device is used as a carrier gas during regeneration of the adsorption tower included in the second adsorption device, and the exhaust gas during regeneration of the adsorption column is included in the first adsorption device. The hydrogen gas recovery system according to claim 1, further comprising a gas line used as a carrier gas when the adsorption tower is regenerated. トリクロロシランを原料として多結晶シリコンを製造する装置からの反応排ガスから水素ガスを分離回収する方法であって、
請求項1〜の何れか1項に記載の水素ガス回収システムを用い、
前記第2の吸着装置により、前記水素ガス中のメタン濃度を1ppm以下に精製して回収する、水素ガスの分離回収方法。
A method for separating and recovering hydrogen gas from a reaction exhaust gas from a device for producing polycrystalline silicon using trichlorosilane as a raw material,
Using the hydrogen gas recovery system according to any one of claims 1 to 5 ,
A method for separating and recovering hydrogen gas, wherein the methane concentration in the hydrogen gas is purified to 1 ppm or less and recovered by the second adsorption device.
前記第1の吸着装置により、前記水素ガス中の塩化水素濃度を100ppmv以下、且つ、クロロシラン類濃度を100ppmv以下に精製する、請求項6に記載の水素ガスの分離回収方法。 The method for separating and recovering hydrogen gas according to claim 6 , wherein the first adsorption device purifies the hydrogen chloride concentration in the hydrogen gas to 100 ppmv or less and the chlorosilane concentration to 100 ppmv or less. 前記第2の吸着装置が備える吸着塔の再生時の塔内圧力を0.3MPaA以下で行う、請求項6に記載の水素ガスの分離回収方法。
The method for separating and recovering hydrogen gas according to claim 6 , wherein the pressure in the tower during regeneration of the adsorption tower provided in the second adsorption device is 0.3 MPaA or less.
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