JPS6325211A - トリクロロシランの製造方法 - Google Patents

トリクロロシランの製造方法

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JPS6325211A
JPS6325211A JP16089286A JP16089286A JPS6325211A JP S6325211 A JPS6325211 A JP S6325211A JP 16089286 A JP16089286 A JP 16089286A JP 16089286 A JP16089286 A JP 16089286A JP S6325211 A JPS6325211 A JP S6325211A
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tetrachlorosilane
trichlorosilane
reaction
hydrogen
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Noriyuki Yoneda
則行 米田
Ryoko Endo
遠藤 良子
Hidehiko Kudo
英彦 工藤
Shunichi Azuma
俊一 東
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Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
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Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野) 本発明は、テトラクロロシランの脱塩素水素化反応によ
るトリクロロシランの製造方法に関する。 半導体工業においては高純度ケイ素が大量に用いられて
おり、それを製造するためには、一般に粗シリコンを塩
化水素と反応させてトリクロロシランを作り、これを蒸
溜精夷し高純度トリクロロシランとした後、1000−
1300℃の高温下で水素還元分解して半導体用高純度
シリコンを製造している。前記の粗シリコンを塩化水素
と反応させる際にはかなりの量のテトラクロロシランが
副生する。このテトラクロロシランを水素還元しても高
純度シリコンを製造することはできるが1反応速度が遅
く、シかも反応率が低いことから、この方法は工業的に
はほとんど採用さねていない。さらに、トリクロロシラ
ンはシリコーン樹脂工業における原料物質として広く使
用されているので。 テトラクロロシランよりもトリクロロシランの形の方が
有用である。以上の背景から、テトラクロロシランより
トリクロロシランを製造する方法が各種試みられている
。 (従来技術とその問題点) 先行するテトラクロロシランよりトリクロロシランを製
造する技術としては、銅またに塩化銅を触媒として、水
素存在下でテトラクロロシランをトリクロロシランに水
素化する技術(特開昭58−161915、特開昭56
−73617、特開昭59−45919など)がある、
また、白金族金属を含む触媒を用いて、水素気流中、4
50℃〜1100℃の温度範囲において、水素とのモル
比1〜1/40の範囲でテトラクロロシランを前記触媒
との接触時間1〜300秒の範囲で通過させてトリクロ
ロシランを製造する技術(特公昭55−10532 )
がある。 しかしながら、塩化鋼を触媒
【用いた場合はもちろん、
銅を触媒に用いた場合においても反応過程で塩化銅が生
成し、これらの塩化銅が反応条件下で揮発性であるため
にトリクロロシランに混入して製品純度を下げ、しかも
触媒を消耗することになるので、銅またFi塩化銅の触
媒を使用する反応では長期の操業を行うことができない
。一方、白金族金属を含む触媒を使用する技術において
は、その触媒が白金族金属を活性炭、アルミナ、シリカ
に担持したものとして使用されているが、そこで使用さ
れている担体は多孔質である活性炭を使用し、またアル
ミナとしてr−アルミナを使用していて、シリカも通常
用いられる多孔質のシリカゲルなどを使用するものとみ
られる。ところで。 この触媒の場合、触媒成分の白金族金属は銅などのよう
には消耗しないが、担体が消耗し、活性が低下するので
、長期の操業を行うことができない。 (問題点を解決するための手段) 工業生産の場合、連続的にしかも長期間一定品質の製品
を取得することは極めて重要なポイントである。本発明
者らは白金族金属を触媒とするトリクロロシランの製造
技術の優秀性に着目し、工業化の観点から長期使用に耐
える触媒と七名を使用する反応の条件についての研究開
発を永年に亘って進めてきたが、非多孔質のシリカ担体
に白金族金属および白金族金属ケイ化物からなる群より
選ばれた少くとも一つを担持し次触媒を用いて。 リクロロシランを製造する方法を発明するに至った。 (作 用) 反応に使用する触媒においては、表面積が大きいもの種
触媒活性が大きいという関係にあるため、担体にも表面
積の大きいものを使用するのが技術常識であるところ1
本発明はこの常識に反する手段を取るものであるが、こ
れはテトラクロロシランの脱ハロゲン水素化反応におい
ては担体に高表面積のシリカを用いた場合シリカが反応
性に富み侵され易く、著しく消耗して触媒成分の担持作
用が十分でなくなり、短時間に触媒の活性を失うことを
見い出したことによるものである。例えば。 表面M250m2/lのパラジウム相持シリカゲルをお
よび水素と反応して消失してしまい、触媒活性が失われ
る。この理由は、シリカ表面においてパラジウムは微細
な粒子状で均一に分散担持されているので、その触媒に
よる七0壮曇る≠ネ脱ノ・ロゲン水素化のさいに活性化
された多量のシリカ表面が短時間で反応するためであっ
て、そのような欠点をなくシ、長寿命の触媒をつくるた
めには担体であるシリカの表面積を減少させることが必
要である。例えば、シリカ担体として表面積が1〜10
 m2/、li’のシリカレンガを用いた場合には反応
後100時間では触媒活性の低下はほとんどないが。 レンガのノ2インダーとして用いられるシリカが反応消
失する為強度が低下し、ついには粉化するので使用に耐
えない。それに対し1本発明のごとく非多孔質のシリカ
担体を用いて反応を行う場合には、触媒活性の低下はほ
とんどなく、またシリカの反応消失も実質上無視しえる
量になるから、担体強度の低下も実質上はとんどないの
で、長期間の操業を行うことができる。 本発明に使用する触媒の担体に用いられる非多孔質シリ
カは、担体のバルク構造に細孔構造がないものであって
、この「非多孔質」とは、BET表面表面定装置によっ
て測定したBET表面積(N2)が1.0m/N以下の
ものをいう。非多孔質のシリカの具体例は、ガラス状の
溶融シリカ固化体であるが、前記した表面積の条件下で
あっても、その範囲内でも活性を増しておくという意味
で。 また触媒成分の担持を容易にするという意味で許容され
る範囲で表面積を大きくしておく方がよく。 そのために好ましくはガラス状の溶融シリカ固化体をフ
ッ化水素酸で少くとも0.1μ以上エツチングしたシリ
カ担体、ガラス状の溶融シリカ固化体表面をシリコンカ
ーバイドなどの研摩材を用いて少くとも0.1μ以上研
摩したシリカ担体、又はガラス状の溶融シリカ固化体表
面を高温の水素とクロロシラン類とを接触させ処理した
シリカ担体が用いられる。また1表面積が150〜30
0 m /11 。 好ましくは180〜250m/IIのシリカゲルを高温
下で結晶化させたシリカ担体を用いてよい。 フッ化水素酸による処理の方法は、エツチングをすれば
よく、かならずしも0.1μ以上エツチングしなくても
よいが、0.1μ以上にすることが好ましく、0.1μ
以上の程度については何ら限定するものではなく、例え
ばガラス状の溶融シリカ固化体のシリカ担体1重量部を
、50%HFの水溶液0.5重量部〜5重量部に常温で
1〜10時間浸漬することにより行うことができる。こ
のときシリカ担体の重量は5〜35wt%減少し1表面
に凹凸を生じ色が白くなる。 また、研摩による処理の方法は、研摩をすればよく、か
ならずしも0.1μ以上研摩しなくてもよいが、0.1
μ以上にすることが好ましく、o、iμ以上の程度につ
いては何ら限定するものではなく。 例えば通常のくもりガラスの製造に用いら引るようなカ
ーボランダムなどの研摩剤を常温で空気で吹きつけるこ
とにより行える。この際表面は微細な凹凸が生じ白くな
る。 更に、高温の水素とクロロシラン類とを用いる場合は1
例えば600〜800℃で水素及びテトラクロロシラン
の混合ガスをシリカ担体に少くとも100時間以上接触
させることで表面に微細な凹凸を生じさせることができ
る。また、クロロシラン類の水素化反応を行うさいに反
応器に触媒とともに熱媒体として溶融シリカ固化体を充
填する場合は、操業の1サイクルが終了したときに溶融
シリカ固化体を取り出して使用すれば、この固化体は前
記の反応中に前述の表面処理が行われているので、シリ
カ担体として効率的である。 触媒成分としては白金族金属および白金族金属の少くと
も一種が用いらねる。即ち白金、パラジウム、ルテニウ
ム、ロジウム、イリジウム、オス5ウムおよびそれらの
ケイ化物が用いられるが、触媒活性が高く、触媒価格が
安いという点で好ましくはパラジウム、ルテニウムおよ
び七わらのケイ化物からなる群より選ばれる少くとも1
つ、より好ましくはパラジウムおよびパラジウムシリサ
イドからなる群より選ばれる少くとも1つが用いられる
。ここで、パラジウムシリサイドとしてはPd251の
結晶構造をもつものが好ましく用いられる。又こハらの
触媒成分は、二種以上の組合せで用いてもよい。例えば
パラジウムとルテニウムの組合せである。 触媒成分としてパラジウムを用いる場合、その担持量は
触媒全重量に対して約0.01〜5.Q wt%。 好ましくは約0.1〜1.5wt%であることが必要で
ある。パラジウム担持量が約0.01wt%以下の場合
は触媒活性が十分発揮されず大きな接触時間が必要とな
るので好ましくなく、担持量が約5.Qwt%を越える
とコストが高くなるのみでなく、パラジウムのシリカ担
体との結合力が弱くなるので1反応中に触媒成分の剥離
を生ずる場合があり、好ましくない。更に、パラジウム
の好ましい担持量は前述したように約0.1〜0.5W
t4であるが、この量をシリカ担体に担持するときには
パラジウム粒子の大きさ1分散の程度が適度であり、触
媒活性が十分発揮さネ、シかもパラジウムとシリカ面の
結合が強固となり、安定な触媒が得られる。角虫媒成分
としてパラジウム以外のものを使用した場合。 その担持量はその成分により多少異なるが、大体パラジ
ウムと同程度の量を使用すればよい。又、二以上の触媒
成分を用いる場合には、全触媒成分として上記担持量を
満足すればよい。その組合せ及び担持薙比は反応条件等
に応じ適宜選択すねげよい。 本発明で使用する触媒を製造するさいには、シリカ担体
に触媒成分を均一に担持させるために以下の方法による
ことが好ましい。即ち、所定濃度の白金族金属の塩化物
あるいは硝酸塩、またはそれらのアンモニア錯塩などの
水溶液をシリカ担体に含浸した後、担体表面上に保持さ
れなかった水溶液を除去してその′1′1乾燥し、その
後還元する方法によらなければならない。余分の水溶液
の除去は傾斜により除いてもよいが、より好ましくは減
圧濾過や遠心濾過などの方法が用いられる。 この方法を用いないで、過剰な溶液を表面に存在させた
まま触媒をドライアップすると担持金属などがむらにな
って担持され、しかも金属などの担体への結合力が弱い
部分ができるので1反応中にその部分が剥離し、好まし
くない。触媒成分担持量は以上のような理由から、担持
に用いる金属塩の水溶液濃度によって決り、所望する担
持量によって水溶液の金属塩濃度を選択使用する。触媒
成分担持量が約5 wt%を越えた場合反応中の触媒成
分の剥離の原因になり、好ましくない。白金族金属のり
°イ化物を担持した触媒は白金族金属が担持された触媒
を四塩化ケイ素などのハロゲン化ケイ素と水素に400
℃〜800℃で接触させることにより製造することがで
きる。 本発明の方法を実施する反応方式は、触媒形状などを適
当に選択することにより、固定床などの通常の流通式反
応方式で行うことが可能である。 触媒粒子の形状は特に限定さハることはないが。 例えば3〜3oflの溶融シリカ、石英破砕体を用いる
のが経済的である。 本発明の反応条件に関しては1反応源度500〜110
0℃、好ましくは700〜900℃、水素圧l〜2Qa
tm、好ましくは1〜10 atm 、接触時間0.0
1〜20秒、好ましくは0.1〜3秒であり、1秒以下
で行うこともできる。また水素/テト2りロロシランの
モル比は0.5〜40、好ましくは2.0〜10を用い
るとよい。 反応温度500℃以下ではトリクロロシランの生成収率
が非常に低く非効率的であり、一方1100℃以上にす
るとトリクロロシラン及びテトラクロロシランが水素化
分解してシリコンが析出し目的を達成できない。水素圧
全土げることによりトリクロロシラン生成収率は大きく
向上しないので高圧下での反応は不利である。ただし、
加圧することにより反応器をコンパクトにまとめること
ができるので1〜20atmとするのが好ましい。 m触EI間は、 0.01秒以下ではトリクロロシラン
への反応率は不十分であるが1反応は20秒以内にほと
んど完結するので20秒以上の接触時間をとると工業的
に不利になる。更に有利な接触時間は0.1〜3秒であ
り、より好ましくは0.2〜1秒である。水素とテトラ
クロロシランとのモル比は0.5以上あることが反応収
率向上のために必要であるが、これが40以上になると
テトラクロロシラン及び生成するトリクロロシランの濃
度が希薄になり過ぎ、反応器当りの収量が低くなるはか
りでなく、冷却による水素とテトラクロロシラン、トリ
クロロシランの分離効率が低下して非効率的である。 以上述べたように、本発明はテトラクロロシランよりト
リクロロシラン全長期間収率よく工業的に得ることがで
きる。本発明では反応途甲で触媒が消耗しないので反応
を長期間に亘って継続することができ、″また適切な反
応条件の選定によって反応を効率よく行うことができる
。 (実施例) 次に1本発明の内容をより明瞭に理解しうるよう実施例
に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例によっ
て限定されるものではない。 なお、下記の実施例及び比較例において、表面積は柴田
科学器械工業(株)製[迅速表面測定装置S A −1
00Jで測定した。実施例1〜5及び実施例9で用いた
担体の表面積は、いずれも上記装置で測定して測定限界
以下を示した。この測定限界以下とは0.2 m2/I
I以下であることを意味する。 実施例1 組成及び#呑櫂が表1に示される溶融シリカ破砕体をJ
IS目開き4.76〜9.52m1cメツシユの範囲と
なるようふるい分けた。塩化パラジウムを塩酸酸性下で
加熱溶解して塩化パラジウム濃度100171  の水
溶液の含浸液を調製した。この含浸液を上記のふるい分
けたシリカ担体に含浸させ、シリカ表面に保持されない
余分の含浸液はこう配をつけて除去し、乾燥後常温の水
素を通じ還元した。 この時パラジウムの担持量全分析で求めると0.31w
t%であった。 このようにして作られた触媒Aを石英反応管に充填し、
固定床流通式反応装置を構成して試験した。テトラクロ
ロシランと水素とのモル比l:3の混合ガスを反応温度
800℃、接触時間0.3秒で通じ、反応ガスをオンラ
インガスクロマトグラフィにより分析した6反応開始初
期におけるガス分析値はテトラクロロシラン23.0%
、 トリクロロシラン2.0係、塩化水素2.0チ(こ
のチは容量チであって、以下同じ)で、テトラクロロシ
ランよりトリクロロシランへの転化率は8%であった。 時間の経過に伴ってトリクロロシランの収率は徐々に上
昇し、100時間後テトラクロロシラン21.87チ、
トリクロロシラン3.13チ、塩化水素3.131の分
析値が得られ、転化率は12.51となった。その後転
化率はほとんど一定であり、 4000時間連続的に反
応を続けたが、触媒活性は低下せず、−定の転化率が得
られた。また、使用済の触媒を抜き出したが、触媒強岐
の低下は実質的にみられなかった。 表  1 実施例2 組成が表1に示される溶融シリカ破砕体をJ工S目開f
i 4.76〜9.52朋メツシユの範囲となるようふ
るい分けた。このふるい分けた溶融シリカ破砕体1重量
部を常温で50憾フッ化水素酸水溶液2重量部に4時間
浸漬してエツチング全行った。この際エツチングによる
重量減1d23チであった。エツチング終了後シリカ担
体は多量の水で洗浄の後。 乾燥した。次に塩化ノソラジウムを塩酸酸性下で加熱溶
解して塩化パラジウム1001//lの水溶液の含浸液
を調製した。この含浸液を上記のシリカ担体に含浸させ
、シリカ表面に保持されない余分の含浸液はこう配をつ
けて除去し、乾燥後常温の水素を通じ還元した。この時
パラジウムの担持量を分析で求めると、0.42W14
であった。 このようにして作られた触媒Bを石英反応管に充填し、
固定床流通式反応装置を用いて試験した。 テトラクロルシランと水素とのモル比l:3の混合ガス
を反応温度800℃、接触時間0.45秒で通じ、反応
ガスをオンラインガスクロマトグラフィーにより分析し
た。反応開始初期におけるガス分析値は、テトラクロロ
シラン22.5%、 )リクロロシラン2.5%、塩化
水fi2.5%でテトラクロロシランよりトリクロロシ
ランへの転化率は10%であった。 時間経過に伴ってトリクロロシラン収率は徐々に上昇し
、100時間後にはテトラクロロシラン21.2チ、ト
リクロロシラン3.8%、塩化水素3.8%の分析値が
得られ、転化率は15チとなった。その後転化率はほと
んど一定であり、 4000時間連続的に反応を続けた
が、触媒活性は低下せず一定の転化率を示した。また、
使用済の触媒を抜き出したが、触媒強度の低下は実質的
にみられなかった。 また、上記のシリカ担体1001を用い、塩化パラジウ
ム濃度100g/lの含浸液の120cct含浸し、加
熱ト1ライアップすることにより6チパラジウムが担持
されている触媒を!JI4製した。この触媒を用いて上
と同じ条件で反応チットを行った。テトラクロロシラン
のトリクロロシランへの転化率は15係であったが、使
用後の触媒を抜き出してみると。 触媒に担持したパラジウムの90チは剥離したので。 この加熱ドライアップの手段は触媒の製造VCはあまり
適しない。 実施例3 実施例2と全く同一の触媒Bを用いて反応試験を行った
。ただし、反応に先立ってトリクロロシランと水素との
混合ガスを700℃で通じて、f@媒に担持さhている
パラジウムを予めパラジウムシリサイドに転換した後、
実施例2と全く同一条件で反応を行ったところ反応開始
初期よりテトラクロロシランのトリクロロシランへの転
化率は15%であり、4000時間反応は一定の転化率
を示した。 使用済触媒はX線回析により分析したところ、Pd25
1の結晶構造をもつパラジウムシリサイドに相当するピ
ークが得られた。 実施例4 4.76〜9.52 mmの溶融シリカ破砕体をカーボ
ランダムを空気で吹きつけることによシ研摩してシリカ
担体を調製した。次に含浸液として塩化パラジウム濃度
6511/lの塩酸酸性水溶液を調製した。 この含浸液を上記のシリカ担体に含浸させ、シリカ表面
に保持されない余分の含浸液を容器を傾けることによっ
て除去し、乾燥後常温の水素を通じ還元した。この時ノ
ミラジウムの担持量を分析で求めると0.33 wt%
であった。 このようにして得た触媒Cを実施例2と同一反応装置を
用いてテストした。テトラクロロシランと水素のモル比
】:5の混合ガスを反応温度70.0℃、接触時間0.
2秒で通じた。定常活性となった後の反応ガスはテトラ
クロロシラン14.7%、)す□ クロロシラン2.31塩化水素2.3%であり、転化率
は13.8%であり、4000時間まで活性低下するこ
となく連続運転が可能であった。 実施例5 4.76〜9.52 Mの溶融シリカ破砕体に800℃
でテトラクロロシラン及び水素の混合ガスを連続的に3
00時間通じて表面処理して、シリカ担体を調製した。 塩化パラジウム濃度100F/Ilの塩酸酸性含浸溶液
をこのシリカ担体に含浸し、表面に保持さねない余剰液
を除去し、乾燥後常温の水素を通じ還元し、触媒Dfj
r調裂した。パラジウム担持量は1.Owt4であった
。この触媒りを実施例2と同じ反応装置を用いてテスト
した。テトラクロロシランと水素とのモル比1ニア、反
応温度600℃。 接触時間0.5秒で反応を行ったところ、定常活性とな
った後の反応ガスの組成はテトラクロロシラン11.1
%、トリクロロシラン1.4%、HCA!1.4%であ
り、転化率は11.2%であった。触媒りを使用した場
合も活性低下することなく 4000時間の連続運転が
行えた。 比較例1 表2に示す物性をもつ石英レンガの4.76〜9.52
nの破砕体を担体に用いて塩化パラジウム濃度沁11/
lの含浸液を用いて、I%パラジウム担持石英レンガ触
媒(触媒E)を調製した。実施例2と同じ条件で反応テ
ストを行った。テトラクロロシランのトリクロロシラン
への転化率は、初期には15チであったが、反応経過に
従って徐々に低下し、50時間後に13チ、  100
時間後には12%まで低下した。100時間経過後の触
媒強度は完全に失われており、触媒をとり出そうとする
際に粉化してしまった。 表2 比較例2 表3に示すシリカゲルにパラジウムを1%N持した触媒
Fを用いて実施例2と同じ条件で反応テストを行った。 テトラクロロシランのトリクロロランへの転化率は初期
には15%であったが、反応経過に従って低下し、30
時間後には8%、50時間後には6.5%、 100時
間後には4チまで低下した。100時間後触媒をとり出
したところ、触媒は形状をとどめずほとんど粉化してお
り、また触媒重量の93.8Wt係が減少消失していた
。 表3 実施例6 表4に示すシリカゲルを950℃で3時間加熱処理した
ところ表5に示す結晶化シリカゲルが得られた。X線回
折法で分析すると、アモルファスのシリカがクリスバラ
イトとトリジマイトの混合物になったことが確認された
。この結晶化シリカゲルにパラジウムを1チ担持した触
媒Gを用いてテトラクロロシランの脱塩素水素化テスト
を実施例2と同じ装置を用いて行った。H2/テトラク
ロロシランのモル比=7.0、反応温度800℃、接触
時間0.5秒で行ったところ、テトラクロロシランのト
リクロロシランへの転化率は20悌であり、 1000
時間連続テストを行ったが転化率の低下は全く見られな
かった。 表4 表5 比較例3 表6に示すシリカゲルを用いて950℃で3時間熱処理
したところ結晶化は起らなかった。表7に示すシリカゲ
ルを用いて950℃で3時間熱処理したところ結晶化は
起らなかった。 表6 表7 実施例7 実施例2と同様にフッ化水素酸処理をしたシリカ担体を
用いて0.4%ルテニウムを担持した触媒Hを調製した
。触媒Hを実施例2と全く同一条件でテストしたところ
テトラクロロシランのトリクロロシランへの転化率は1
0チであり、 1000時間連続テストを行ったが、転
化率の低下は見られなかった。 実施例8 実施例2と同様にフッ化水素酸処理をしたシリカ担体を
用いて0.4%白金を担持した触媒工を調製した。触媒
工を実施例2と全く同一条件でテストしたところ、テト
ラクロロシランのトリクロロシランへの転化率は4%で
あり、1000時間連続テストを行ったが、転化率の低
下は見られなかった。 実施例9 4.76〜9.52闘の溶融シリカ破砕体に塩化・ぞラ
ジウム100171及び塩化ルテニウム100.9//
のl:1混合金浸液を用いて含浸し、シリカ表面に保持
されない余分の含浸液を除去したのち乾燥し。 水素還元することにより0.3 wt%ノラジウムーQ
、3wt%ルテニウムの担持触媒Jを調製した。この触
媒を用いてテトラクロロシランと水素とのモル比1:5
の混合ガスを反応温度750℃、接触時間0.25秒で
通じた。定常活性となった後の反応ガスはテトラクロロ
シラン14.1%、 )リクロロシラン2.6%、塩化
水素2.6%となり、転化=115.6チであり、  
1000時間連続テストを行ったが、活性の低下は見ら
れなかった。 (ほか3名)″ ゛′

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)テトラクロロシラン及び水素を含むガスから接触
    水素化によりトリクロロシランを製造する方法において
    、 a)非多孔質シリカに白金族金属および白金族金属のケ
    イ化物からなる群より選ばれた 少くとも1つを担持した触媒の存在下、 b)反応温度500〜1100℃ c)水素/テトラクロロシランのモル比 0.5〜40 で反応を行うことを特徴とするトリクロロシランの製造
    方法。
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