JPH0764536B2 - クロルシランの製造方法 - Google Patents

クロルシランの製造方法

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JPH0764536B2
JPH0764536B2 JP269787A JP269787A JPH0764536B2 JP H0764536 B2 JPH0764536 B2 JP H0764536B2 JP 269787 A JP269787 A JP 269787A JP 269787 A JP269787 A JP 269787A JP H0764536 B2 JPH0764536 B2 JP H0764536B2
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trichlorosilane
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悠人 山田
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守 立川
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東燃株式会社
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【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、クロルシランの製造方法に関し、さらに詳し
くはトリクロルシランを高選択率で製造しうるクロルシ
ランの製造方法に関する。
発明の技術的背景ならびにその問題点 近年、クロルシランは半導体の分野および有機シラン化
学の原料としてその需要が増大している。特に、トリク
ロルシラン(SiHCl3)は半導体用高純度シリコンおよび
シラン系カップリング剤の製造原料として、また四塩化
ケイ素(SiCl4)は合成石英製造用原料として使用され
る。
ところで、従来、金属ケイ素と塩化水素とを流動層中で
反応させることによりトリクロルシランおよび四塩化ケ
イ素を製造する方法は知られている。しかしながら、従
来の流動層反応方法においては、反応に際して流動層中
に局所高温域(ホットスポット)が生じやすくなるなど
の問題点があった。
このようなホットスポットの発生を防止するために、従
来、流動層中に不活性ガスを導入する方法が提案されて
いる。しかし、この不活性ガス導入法は、流動層中に気
泡を形勢して反応を不完全にしたり、ケイ礎粉末原料を
流動層から系外へ搬出するなど反応工程において新たな
問題点を惹き起こす原因となるため、今日有効な方法と
は考えられてはいない。
また、特定の金属触媒を用いることにより、反応温度を
最適状態にする試みも各種提案されている(たとえば、
特公昭37−18703号公報、特開昭61−4768号公報等参
照)が、これら従来の方法は、製造工程の簡易化、経済
性、目的生成物の収率の点で必ずしも充分満足のいくも
のではない。
発明の目的 本発明は、上記のような従来技術に伴なう問題点に鑑み
てなされたものであって、比較的簡易な反応制御手段に
より、トリクロルシランを高収率で得るための方法を提
供することを目的としている。
発明の概要 本発明者らは、前述した流動層反応方法のうち、従来、
製造上数々の不利を伴うとされていた不活性ガス導入法
を再度見なおし、種々の研究を重ねた結果、不活性ガス
の混合比ならびに導入反応ガスの線速度を制御すること
によってホットスポットの発生を防止するとともに流動
層内の温度条件、温度分布を最適状態に制御することが
可能であり、これによってトリクロルシランを選択率良
く生成させることができることを見出した。
本発明は上記知見に基いてなされたものであり、より詳
しくは、金属ケイ素粉末と塩化水素ガスとを流動層中で
反応させることによりトリクロルシランと四塩化ケイ素
との混合物を生成させるに際し、導入する塩化水素ガス
に対してモル比0.1〜1.0の非酸化性ガスを混合するとと
もに、該混合ガスを、金属ケイ素粉末の流動化開始速度
の4〜20倍の線速度で流動層に導入し、流動層での反応
温度を250〜350℃に制御することを特徴としている。
発明の具体的説明 以下、本発明に係るクロルシランの製造方法を実施例を
も含めて具体的に説明する。
本発明の方法においては、金属ケイ素粉末を流動層反応
器に充填したのち、塩化水素(HCl)ガスを導入する
が、このとき稀釈ガスとして非酸化性ガスを混合する。
このときに使用する金属ケイ素粉末の平均粒径は80〜15
0μmであり、より好ましくは90〜120μmである。ケイ
素中の付随的不純物はなるべく少ない方が望ましい。
混合する非酸化性ガスは、N2、He、Ar等の不活性ガス、
H2等の還元性ガスが単独または複合的に用いられるが、
この中でも、N2が好ましく用いられる。HClガスに対す
る非酸化性ガスの混合比は、モル比(非酸化性ガス/HC
l)で0.1〜1.0が好ましく、更に好ましくは0.2〜0.8で
ある。混合比が0.1未満では、流動層内の温度分布が均
一とならず、局所高温域(ホットスポット)が発生しや
すくなってトリクロルシランの選択生成率が低下するの
で好ましくない。一方、混合比が1.0を越えると非酸化
性ガスならびに反応で生じたH2ガス中にエントレインす
る生成クロルシランの量が多くなり、非酸化性ガスとク
ロルシラン類との分離ならびに精製に要するエネルギー
がいきおい増大し、工程も繁雑化するので好ましくな
い。
塩化水素ガスと非酸化性ガスとの混合ガスの流動層中で
の線速度は、該混合ガスの導入によって金属ケイ素粉末
の流動化が開始する速度の4〜20倍、更に好ましくは5
〜15倍になるように制御することが肝要である。この金
属ケイ素粉末の流動化開始速度は、一般に以下の様にし
て求めることができる。
計算による方法 Umf:流動化開始速度 [cm/sec] Dp:粒子の直径 [cm] φs:形状係数 [−] ρs:粒子の密度 [g/cm3] ρF:流体の密度 [g/cm3] μF:流体の粘度 [G/cm・sec] g:動力加速度 980[cm/sec2] εmf:最疎充填空隙率 [−] 目視による方法 層に導入するガス空筒速度[cm/sec]に対し、層の圧力
損失[g/cm2]をプロットし、その圧力損失が層内にあ
る固体粒子の全重量と釣合う一定値を示す最小のガス空
筒速度を読みとる。
混合ガス(流動化ガス)の線速度を、金属ケイ素の流動
化開始速度の4倍〜20倍に制限する理由は、この範囲に
おいて良好な流動層が形成され、従って流動層内の温度
分布が最適状態に保持されるからである。線速度が20倍
を越えると、金属ケイ素粉末の反応系外へのエントレン
量が増大するとともにクロルシラン類と非酸化性ガスと
の分離ならびに精製に要するエネルギーが増大し工程の
繁雑化をもたらすので好ましくない。
上記混合ガスの線速度は、絶対値に換算すると、平均粒
径約100μmの金属ケイ素粉末に対して、通常、2〜10c
m/秒であり、更に好ましくは2.5〜7.5cm/秒であり、最
も好ましくは3〜5cm/秒である。
流動層における反応温度は、250〜350℃、更に好ましく
は270〜330℃最も好ましくは300〜330℃に制御すること
が望ましい。反応温度が250℃未満では、ヒドロクロル
化反応を行なうために特定の金属触媒が必須となる。
一方、反応温度が350℃を越えると、より有用なトリク
ロルシランの選択率が低下し、四塩化ケイ素の選択生成
率が増加するため経済的に不利となるので好ましくな
い。
また、流動層における反応圧力は、1〜4atmが好まし
く、更に好ましくは1〜3atmである。
流動層におけるケイ素と混合ガスとの接触時間は、2〜
25秒の範囲で充分であり、更に好ましくは3〜10秒であ
る。
なお、本発明の方法においては、触媒を用いなくとも充
分良好な結果が得られるが、所望により塩化第一銅粉末
等の触媒を用いてもよい。
上記本発明の反応条件によれば、従来法のように特定の
触媒を用いなくとも、高い選択生成率でトリクロルシラ
ンを得ることができる。なお、塩化水素の変換率は、接
触時間3秒以上で95モル%以上となる。
以下、本発明を実施例に基いて更に具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例によって制限されるものでは
ない。
実施例1 第1図は、実施例で用いた反応装置の概略図である。パ
イレックスガラス製の反応部(30mm径、高さ700mm)お
よびガス減速部(50mm径、高さ300mm)を有する反応管
1を用いてヒドロクロル化反応を実施した。ガス分散板
としては、シンタードグラス(G−3)製のものを用
い、反応管の底部より300mmの位置にこれを設置した。
温度制御は、反応管1の外壁に設けたヒーター2a,2bで
行なった。流動層の温度は、温度計3により三ケ所(分
散板の直上、分散板より1cm上、分散板より10cm上)で
計測した。なお、外部冷却は行なってはいない。
一方、導入ガス(HCl,H2,H2)は、夫々、質量流量計
4、ロータメータで流量測定、流量制御を行ない、反応
管へ供給した。流動化ガス(反応ガス)に飛沫同伴した
金属ケイ素はセパレータで分離し、生成物であるトリク
ロルシランと四塩化ケイ素は、水冷後、プロダクトトラ
ップ5にてドライアイス−メタノール温度で回収した。
また、未反応HClガスは、生成物を回収したのち、濃度
既知のNaOH溶液を入れたHClトラップ6に導入し、中和
反応を行なうことによりHClガスの排出量を求め、これ
を金属ケイ素の排出量により反応週率を算出した。
まず、下記の粒度分布、含有組成比の金属ケイ素粉末を
用意した。
25μm以下 :12% 25〜50μm :16% 50〜100μm :20% 100〜150μm :18% 150〜200μm :11% 200〜300μm :12% 300μm以上 :11% Si>98.3% Fe<0.46% Al<0.13% Ca<0.22% 上記金属ケイ素130gを反応管に充填した。
このときの充填高さ(静止層)は、180mmであった。
次に、反応管を予め300℃に加熱し、N2ガスを15.6Nl/時
間、HClガスを22.8Nl/時間の速度で反応管に供給した。
このときのN2ガスのHClガスに対する導入モル比は、0.6
8であり、混合ガス反応管中での線速度は、3.1cm/秒
(反応温度315℃)であった。
混合ガスの導入に伴ない、層は201mmの充填高さに膨脹
し、発熱反応により流動層の温度は上昇するが、このと
き外部温度を制御することにより315±2℃に流動層温
度を制御した。
この温度に維持したまま、6.5時間反応を継続し、毎時4
6.4gの速度で生成物を得た。生成物のガスクロマトグラ
フィー分析により、85モル%のトリクロルシランと15モ
ル%の四塩化ケイ素が得られたことがわかった。また、
反応収率は、導入したHClおよび消費された金属ケイ素
に対して99%であった。
6.5時間後には、流動層の高さは201mmより111mmに減少
した。従ってHCl/N2混合ガスと金属ケイ素の接触時間
は、6.5秒から3.6秒に変化したことになる。
なお、エントレインした金属ケイ素は、5.1g/6.5時間で
あった。
反応条件その他は、下記表1にまとめる。
実施例2および比較例1〜3 実施例1と同様の装置を用い、反応条件を変えた場合の
実施例ならびに比較例について、金属ケイ素のヒドロク
ロル化反応を行なった。結果を下記表1にまとめる。
実施例3 まず実施例1と同じ粒度分布および含有組成比の金属ケ
イ素粉末を用意し、この金属ケイ素粉末130と、市販の
銅粉末(銅含有量99%以上)7.8gとをよく混合して、実
施例1と同様の反応管に充填した。このときの充填高さ
(静止層)は、190mmであった。
次に反応管を予じめ240℃に加熱し、N2ガスを19.2Nl/時
間、HClガスを19.2Nl/時間の速度で反応管に供給した。
N2ガスのHClガスに対する導入モル比は1.0であり、混合
ガスの反応管中での線速度は2.7cm/秒であった。
混合ガスの導入に伴ない、層は212mm充填高さに膨脹
し、発熱反応により流動層温度は上昇するが、外部温度
制御により250±2℃に流動層温度を制御した。
この温度に維持したまま、6.5時間ヒドロクロル化反応
を継続し、毎時35.5g速度で生成物を得た。生成物のガ
スクロマトグラフィー分析により、87モル%のトリクロ
ロシランと13モル%の四塩化ケイ素が得られたことがわ
かった。また反応収率は、導入したHClおよび消毒され
た金属ケイ素に対して97%であった。
6.5時間後には、流動層の高さは212mmより133mmに減少
した。従ってHCl/N2混合ガスと金属ケイ素/銅粉末の接
触時間は7.8秒より4.9秒に変化した。なおエントレイン
した金属ケイ素/銅粉末混合物は、4.8g/6.5時間であっ
た。
なお、上記表において、温度分布の評価は、以下のよう
にして行なった。
分散板より1cm上および分散板より10cm上に取り付けた
温度計においてその温度指示値が5℃以上の差異がある
ものについては温度分布が「悪い」とし、5℃未満のも
のについては温度分布が「良好」とした。
発明の効果 上記実施例、比較例の結果からも理解されるように、本
発明の製造方法によれば、比較的簡易な反応制御手段に
よりトリクロルシランを高収率で得ることができ、工業
上すこぶる有用である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施例で用いた反応装置系の概略図
である。 1……反応管、2a,2b……ヒーター 3……温度計、4……質量流量計 5……プロダクトトラップ、6……HClトラップ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属ケイ素粉末と塩化水素ガスとを流動層
    中で反応させることによりトリクロルシランと四塩化ケ
    イ素との混合物を生成させるに際し、導入する塩化水素
    ガスに対してモル比0.1〜1.0の非酸化性ガスを混合する
    とともに、該混合ガスを金属ケイ素粉末の流動化開始速
    度の4〜20倍の線速度で流動層に導入し、流動層での反
    応温度を250〜350℃に制御することを特徴とする、トリ
    クロルシランの製造方法。
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