JPWO2010116500A1 - Trichlorosilane cooling tower and method for producing trichlorosilane using the same - Google Patents
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Abstract
本発明は、トリクロロシランの回収率を低下することなく冷却後の反応生成ガス中に含まれる高沸点ポリマーの量を低減することができるトリクロロシラン冷却塔に関し、テトラクロロシランと水素とを含有する原料ガスを700〜1400℃の範囲の温度で反応させて得られるトリクロロシランを含有する反応生成ガスに冷却液を噴霧して70〜600℃の温度範囲にまで冷却する噴霧手段と、冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させる噴射手段とを有する。The present invention relates to a trichlorosilane cooling tower capable of reducing the amount of high-boiling point polymer contained in a reaction product gas after cooling without reducing the recovery rate of trichlorosilane, and a raw material containing tetrachlorosilane and hydrogen A spraying means for spraying a cooling liquid to a reaction product gas containing trichlorosilane obtained by reacting a gas at a temperature in the range of 700 to 1400 ° C. to cool it to a temperature range of 70 to 600 ° C., and a reaction after cooling Injection means for bringing hydrogen chloride gas into contact with the product gas.
Description
本発明は、テトラクロロシランおよび水素からトリクロロシランを生産する際に使用されるトリクロロシラン冷却塔並びに当該トリクロロシラン冷却塔を用いたトリクロロシラン製造方法に関する。 The present invention relates to a trichlorosilane cooling tower used when producing trichlorosilane from tetrachlorosilane and hydrogen, and a method for producing trichlorosilane using the trichlorosilane cooling tower.
トリクロロシラン(SiHCl3)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。Trichlorosilane (SiHCl 3 ) 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.
トリクロロシランは、気化させたテトラクロロシラン(SiCl4)と水素(H2)とを反応炉内で接触させ、以下の熱平衡状態を達成することによって生成される。
SiCl4+H2⇔SiHCl3+HCl (1)
この反応は、ガス化したテトラクロロシランと水素とからなる原料ガスを反応炉において700〜1400℃に加熱することによって行われる。Trichlorosilane is produced by bringing vaporized tetrachlorosilane (SiCl 4 ) and hydrogen (H 2 ) into contact in a reaction furnace to achieve the following thermal equilibrium state.
SiCl 4 + H 2 ⇔SiHCl 3 + HCl (1)
This reaction is performed by heating a raw material gas composed of gasified tetrachlorosilane and hydrogen in a reaction furnace to 700 to 1400 ° C.
テトラクロロシランおよび水素からトリクロロシランが生成する反応は吸熱反応であるため、ル・シャトリエの原理に従えば、反応生成ガスの冷却を行うと、冷却による温度低下を相殺する方向、すなわちトリクロロシランと塩化水素からテトラクロロシランを生成する方向に平衡が傾いてしまう。 Since the reaction of trichlorosilane produced from tetrachlorosilane and hydrogen is an endothermic reaction, according to Le Chatelier's principle, cooling the reaction product gas will counteract the temperature drop due to cooling, that is, trichlorosilane and chloride. The equilibrium is tilted in the direction of producing tetrachlorosilane from hydrogen.
そのためトリクロロシランを効率よく回収するためには、特許文献1に示されるように、上記式(1)の熱平衡状態に達した後、一旦生成したトリクロロシランが再びテトラクロロシランへと戻らないよう、反応生成ガスを所定温度にまで可能な限り瞬時に冷却して平衡を凍結させる必要がある。上記平衡状態を瞬時に凍結させるために、特許文献1には、反応生成ガスを1秒未満のうちに300℃以下にまで急冷することが記載されている。 Therefore, in order to efficiently recover trichlorosilane, as shown in Patent Document 1, after reaching the thermal equilibrium state of the above formula (1), the reaction is performed so that once generated trichlorosilane does not return to tetrachlorosilane again. It is necessary to cool the product gas to a predetermined temperature as quickly as possible to freeze the equilibrium. In order to instantly freeze the equilibrium state, Patent Document 1 describes that the reaction product gas is rapidly cooled to 300 ° C. or less in less than 1 second.
しかしながら、反応生成ガスを急冷するとSi2Cl6、Si3Cl8、Si2H2Cl4等の高沸点ポリマーを副生しやすい。これらの高沸点ポリマーは、プラント内の配管の壁に付着して配管を閉塞しプラントの連続運転を阻害するおそれがあるため、その生成を抑制することが好ましい。However, when the reaction product gas is rapidly cooled, high-boiling polymers such as Si 2 Cl 6 , Si 3 Cl 8 , and Si 2 H 2 Cl 4 are liable to be by-produced. Since these high-boiling-point polymers may adhere to the wall of the pipe in the plant and block the pipe and hinder continuous operation of the plant, it is preferable to suppress the generation thereof.
特許文献1記載の方法は、反応生成ガスを高温の反応炉から冷却塔へと導出し、そこで反応生成ガスに冷却液を直接噴霧し、冷却液が気化する際の蒸発潜熱を利用して反応生成ガスから熱を奪う点で冷却効率に優れている。しかしながら、特許文献1には、急冷に伴う高沸点ポリマーの生成を抑制する手段について具体的な開示はない。 In the method described in Patent Document 1, a reaction product gas is led out from a high-temperature reactor to a cooling tower, where a coolant is directly sprayed on the reaction product gas, and reaction is performed using latent heat of vaporization when the coolant is vaporized. It has excellent cooling efficiency in that it takes heat away from the product gas. However, Patent Document 1 does not specifically disclose a means for suppressing the formation of a high-boiling polymer that accompanies rapid cooling.
また、特許文献1に記載の方法では、生成されたトリクロロシランは主に急冷室で凝縮されて、急冷室の下方に設けられた受容器に収集される。そのため、受容器にはトリクロロシランとともに、それよりも沸点の高いSi2Cl6、Si3Cl8、Si2H2Cl4等の高沸点ポリマーも大量に混入してしまい、回収したクロロシラン混合物から目的とするトリクロロシランのみを分溜する作業にかかる負荷が大きくなってしまう。In the method described in Patent Document 1, the produced trichlorosilane is mainly condensed in the quenching chamber and collected in a receiver provided below the quenching chamber. Therefore, a large amount of high boiling point polymers such as Si 2 Cl 6 , Si 3 Cl 8 , and Si 2 H 2 Cl 4 having a higher boiling point are mixed in the acceptor together with trichlorosilane, and from the recovered chlorosilane mixture, The load for the work of fractionating only the target trichlorosilane is increased.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、トリクロロシランの回収率を下げることなく、高沸点ポリマーの副生を抑制することができるトリクロロシラン冷却塔およびそれを用いたトリクロロシラン製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a trichlorosilane cooling tower capable of suppressing by-product formation of a high boiling point polymer without reducing the recovery rate of trichlorosilane and a method for producing trichlorosilane using the same. The purpose is to provide.
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
すなわち、本発明のトリクロロシラン冷却塔は、
テトラクロロシランと水素とを含有する原料ガスを700〜1400℃の範囲の温度で反応させて得られるトリクロロシランを含有する反応生成ガスに冷却液を噴霧して70〜600℃の温度範囲にまで冷却する噴霧手段と、
冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させる噴射手段と、
を有する。The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems.
That is, the trichlorosilane cooling tower of the present invention is
A coolant is sprayed on a reaction product gas containing trichlorosilane obtained by reacting a raw material gas containing tetrachlorosilane and hydrogen at a temperature in the range of 700 to 1400 ° C., and cooled to a temperature range of 70 to 600 ° C. Spraying means to
Injection means for bringing hydrogen chloride gas into contact with the reaction product gas after cooling;
Have
また、本発明のトリクロロシラン製造方法は、
テトラクロロシランと水素とを含有する原料ガスを700〜1400℃の範囲の温度で反応させて得られるトリクロロシランを含有する反応生成ガスに冷却液を噴霧して70〜600℃の温度範囲にまで冷却する工程と、
冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させる工程と、
を有する。In addition, the method for producing trichlorosilane of the present invention includes:
A coolant is sprayed on a reaction product gas containing trichlorosilane obtained by reacting a raw material gas containing tetrachlorosilane and hydrogen at a temperature in the range of 700 to 1400 ° C., and cooled to a temperature range of 70 to 600 ° C. And a process of
A step of bringing hydrogen chloride gas into contact with the reaction product gas after cooling;
Have
<高沸点ポリマーの低減およびトリクロロシラン回収率の改善>
本発明者等は、鋭意研究の結果、反応生成ガスに冷却液を噴霧して平衡を凍結した後、冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させることにより、トリクロロシランの回収率を下げることなく、副生する高沸点ポリマーの量を低減できることを見出した。<Reduction of high boiling point polymer and improvement of trichlorosilane recovery>
As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have reduced the recovery rate of trichlorosilane by spraying a cooling liquid on the reaction product gas and freezing the equilibrium, and then bringing hydrogen chloride gas into contact with the reaction product gas after cooling. The present inventors have found that the amount of high-boiling point polymer produced as a by-product can be reduced.
反応生成ガスに冷却液を直接噴霧することにより、冷却液が気化する際の蒸発潜熱を利用して反応生成ガスから瞬時に効率よく熱を奪うことができる。そのため、平衡を瞬時に効率よく凍結することができ、生成したトリクロロシランがテトラクロロシランに戻ることによるトリクロロシランの損失を低減することができる。 By directly spraying the coolant on the reaction product gas, heat can be efficiently and instantly removed from the reaction product gas using latent heat of vaporization when the coolant is vaporized. Therefore, the equilibrium can be instantly and efficiently frozen, and loss of trichlorosilane due to the generated trichlorosilane returning to tetrachlorosilane can be reduced.
一方、反応生成ガスを急冷することに伴って、高沸点ポリマーも多く副生されることになるが、平衡凍結後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させることにより、以下の反応式(2)〜(4)によって高沸点ポリマーを分解できると同時に、高沸点ポリマーからトリクロロシランを誘導することができる。
Si2Cl6+HCl→SiHCl3+SiCl4 (2)
Si3Cl8+2HCl→2SiHCl3+SiCl4 (3)
Si2H2Cl4+2HCl→2SiHCl3 (4)
上記分解反応は、平衡を凍結させた直後の反応生成ガスの温度範囲であっても十分に実施することができる。しかも、平衡を凍結した後の反応生成ガスに塩化水素ガスを噴射していることから、大量の塩化水素の存在により上記式(1)の平衡がテトラクロロシラン側に傾いてトリクロロシランの損失量が増えるようなこともない。On the other hand, with the rapid cooling of the reaction product gas, a large amount of high boiling point polymer is also produced as a by-product. By bringing hydrogen chloride gas into contact with the reaction product gas after equilibrium freezing, the following reaction formula (2 ) To (4) can decompose the high-boiling point polymer and, at the same time, derive trichlorosilane from the high-boiling point polymer.
Si 2 Cl 6 + HCl → SiHCl 3 + SiCl 4 (2)
Si 3 Cl 8 + 2HCl → 2SiHCl 3 + SiCl 4 (3)
Si 2 H 2 Cl 4 + 2HCl → 2SiHCl 3 (4)
The decomposition reaction can be sufficiently carried out even in the temperature range of the reaction product gas immediately after freezing the equilibrium. Moreover, since hydrogen chloride gas is injected into the reaction product gas after freezing the equilibrium, the balance of the above formula (1) is inclined to the tetrachlorosilane side due to the presence of a large amount of hydrogen chloride, and the loss of trichlorosilane is reduced. There will be no increase.
かくして、本発明に係るトリクロロシラン冷却塔およびそれを用いたトリクロロシラン製造方法によれば、トリクロロシランの回収率を低下することなく、冷却後の反応生成ガス中に含まれる高沸点ポリマーの量を低減することができる。そのため、トリクロロシランの生産性を大幅に改善することができるとともに、プラントの運転効率を高めかつ連続運転を可能にすることができる。 Thus, according to the trichlorosilane cooling tower and the trichlorosilane production method using the same according to the present invention, the amount of the high boiling point polymer contained in the reaction product gas after cooling is reduced without reducing the recovery rate of trichlorosilane. Can be reduced. Therefore, the productivity of trichlorosilane can be greatly improved, the operation efficiency of the plant can be increased, and continuous operation can be performed.
100 トリクロロシラン冷却塔
101 金属製容器
102 一次スプレーノズル
103 二次スプレーノズル
104 一次冷却液供給管
105 二次冷却液供給管
106 急冷管
107 充填部材
108 反応生成ガス導入開口部
109 冷却塔ガス成分抜出管
110 冷却塔液体成分抜出管
111 導入開口部
112 排出開口部
113 塩化水素ガス噴射ノズル
114 塩化水素ガス供給管
200 原料ガス供給管
201 反応炉
202 ヒータ
203 反応炉ガス抜出管
300 凝縮器
301 貯槽
400 循環液タンク
401 調製液供給管
402 ポンプ
403 熱交換器100 Trichlorosilane cooling tower 101
<用語の説明>
本明細書中「一次冷却」とは、反応生成ガスの温度を瞬時に70〜600℃の温度範囲まで低減して上記式(1)の平衡反応を凍結することを目的とする冷却を指す。
また、本明細書中「二次冷却」とは、一次冷却後の反応生成ガスの温度を必要に応じてさらに低減することを目的とする補助的な冷却を指す。
一次冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させることによっても反応生成ガスの温度を低減することができるが、本発明において塩化水素ガスを反応生成ガスに接触させる主目的は高沸点ポリマーの分解にあることから、以下において、塩化水素ガスとの接触により付随的に引き起こされる反応生成ガスの冷却は「二次冷却」の概念に含めていない。<Explanation of terms>
In this specification, “primary cooling” refers to cooling intended to freeze the equilibrium reaction of the above formula (1) by instantaneously reducing the temperature of the reaction product gas to a temperature range of 70 to 600 ° C.
In the present specification, “secondary cooling” refers to auxiliary cooling for the purpose of further reducing the temperature of the reaction product gas after the primary cooling as necessary.
Although the temperature of the reaction product gas can be reduced by bringing the hydrogen chloride gas into contact with the reaction product gas after the primary cooling, the main purpose of bringing the hydrogen chloride gas into contact with the reaction product gas in the present invention is the high boiling point polymer. In the following, because of the decomposition, cooling of the reaction product gas caused by contact with hydrogen chloride gas is not included in the concept of “secondary cooling”.
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。
1.トリクロロシラン冷却塔
図1は、本実施形態のトリクロロシラン冷却塔とそれを用いたトリクロロシラン製造方法を実施するための装置を概略的に示したものである。
本実施形態のトリクロロシラン冷却塔100は、略円筒状の金属製容器101と、金属製容器101内に冷却液を噴霧する手段である一次スプレーノズル102および二次スプレーノズル103と、当該一次スプレーノズル102および二次スプレーノズル103に冷却液をそれぞれ供給する一次冷却液供給管104および二次冷却液供給管105と、金属製容器101内部において一次スプレーノズル102を収容するように設置された急冷管106と、一次スプレーノズル102と二次スプレーノズル103との間に設置された充填部材107と、金属製容器101内に塩化水素ガスを噴射する塩化水素ガス噴射ノズル113と、当該塩化水素ガス噴射ノズル113に塩化水素ガスを供給する塩化水素ガス供給管114とを備える。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1. Trichlorosilane Cooling Tower FIG. 1 schematically shows an apparatus for carrying out a trichlorosilane cooling tower of this embodiment and a method for producing trichlorosilane using the same.
The
<金属製容器>
金属製容器101は反応生成ガスと反応しない材質であれば特に限定されず、典型的にはステンレス等の金属から構成することができる。金属製容器101の側壁には、反応生成ガスを取り込むための反応生成ガス導入開口部108が設けられている。金属製容器101の頂部には、冷却された反応生成ガスのガス成分を取り出すための冷却塔ガス成分抜出管109が接続されており、金属製容器101の底部には、冷却に用いられた冷却液および冷却により生じた凝縮液体成分を抜き取るための冷却塔液体成分抜出管110が接続されている。<Metal container>
The metal container 101 is not particularly limited as long as it is a material that does not react with the reaction product gas, and can typically be made of a metal such as stainless steel. A reaction product gas introduction opening 108 for taking in the reaction product gas is provided on the side wall of the metal container 101. A cooling tower gas
<急冷管>
急冷管106は反応生成ガスと反応しない材質であれば特に限定されず、典型的にはステンレス等の金属から構成することができる。
急冷管106には、前記金属製容器101の反応生成ガス導入開口部108と対応する位置に、反応生成ガスを取り込むための導入開口部111が設けられている。また、急冷管106の底部は全面開放されており、冷却された反応生成ガスを排出するための排出開口部112を形成している。<Quenching tube>
The quenching
The quench
<冷却液噴霧手段>
本実施形態では、金属製容器101内に冷却液を噴霧する手段として、一次スプレーノズル102および二次スプレーノズル103からなる二段階の冷却液噴霧手段を採用している。冷却液噴霧手段を多段的に設けることにより、一次スプレーノズル102による一次冷却では専ら平衡を凍結するのに十分な温度まで瞬時に反応生成ガスを急冷し、二次スプレーノズル103による二次冷却では専ら高沸点ポリマーを凝縮させるべく穏やかに反応生成ガスを冷却するというように、目的に応じた冷却を実現することができる。一次冷却の目的を平衡の凍結とすることにより、高沸点ポリマー以外にトリクロロシランまで凝縮させてしまう程の過度の冷却を回避でき、トリクロロシランが高沸点ポリマーや冷却液と共にトリクロロシラン冷却塔100の底部側へと流下してしまうことを防止することができる。また、平衡凍結後の反応生成ガスを二次冷却することによって、反応生成ガス中の高沸点ポリマーを凝縮させて冷却液と共にトリクロロシラン冷却塔100の底部側へと流下させ、トリクロロシラン冷却塔100の頂部から取り出されるガス成分中に含まれる高沸点ポリマーの量を低減することができる。
もちろん、冷却液噴霧手段によって反応生成ガスの平衡を凍結することができれば、冷却液噴霧手段は一次冷却のみからなるものであってもよい。<Cooling liquid spraying means>
In this embodiment, a two-stage cooling liquid spraying means including a
Of course, as long as the equilibrium of the reaction product gas can be frozen by the coolant spraying means, the coolant spraying means may consist only of primary cooling.
<一次スプレーノズル>
一次スプレーノズル102は、前記急冷管106の天蓋部から急冷管106の内部に向けて設置され、一次冷却液供給管104と接続されている。一次スプレーノズル102は、急冷管106の導入開口部111から導入される反応生成ガスに向けて冷却液を噴霧することにより、急冷管106内の狭い空間の中で冷却液と反応生成ガスとを効率よく接触させ、上記式(1)の平衡が凍結する70〜600℃、より好ましくは500〜600℃まで瞬間的に急冷する。<Primary spray nozzle>
The
一次スプレーノズル102は、種々のタイプのノズルを用いることができるが、噴霧領域全体にわたって均等な流量分布を実現できる充円錐ノズルが好ましい。特に、一次スプレーノズル102から噴霧される冷却液の平均液滴粒子径が2000μm以下の範囲で噴霧できるものが好ましい。平均液滴粒子径はノズルの特性のみならず噴霧条件によっても左右されるが、本実施形態では、噴霧量が0.1〜0.3l/min、噴霧圧力が0.1〜0.2MPa、冷却液として後述する混合比のテトラクロロシランとトリクロロシランとからなる混合液を用いた場合に、2000μm以下の平均液滴粒子径を実現できるものが好ましい。
Although various types of nozzles can be used as the
<平均液滴粒子径>
ここで用いる平均液滴粒子径とは、液浸法又はレーザー法により、ni[個]の粒子径Di[μm]を測定し、次式のザウター平均粒子径により求められる値とする。
平均粒子径=Σni・Di3/Σni・Di2
(niは粒子径Diを有する冷却液の噴霧液滴の個数)<Average droplet particle size>
The average droplet particle diameter used here is a value obtained by measuring the ni [particle] particle diameter Di [μm] by a liquid immersion method or a laser method and calculating the Sauter average particle size of the following equation.
Average particle diameter = Σni · Di 3 / Σni · Di 2
(Ni is the number of spray droplets of coolant having particle diameter Di)
<充填部材>
充填部材107は、前記一次スプレーノズル102の上方に任意に設置される。充填部材107は、急冷管106において一次冷却されて急冷管106の排出開口部112から押し出された反応生成ガスがトリクロロシラン冷却塔100の内部を上昇する際にその直進を乱すようにガス通路を形成するものであればどのような形態をとってもよい。例えばチップ状またはブロック状等の小塊状部材を不規則に詰め込んだ形態や、多数の孔を設けた複数の板状部材を間隔をあけて並べた形態とすることができる。
充填部材107は反応生成ガスと反応しない材質であれば特に限定されず、典型的にはステンレス等の金属から構成することができる。<Filling member>
The filling
The filling
<二次スプレーノズル>
二次スプレーノズル103は、前記一次スプレーノズル102および充填部材107のさらに上方に任意に設置され、二次冷却液供給管105と接続されている。二次スプレーノズル103は、急冷管106の排出開口部112から押し出されトリクロロシラン冷却塔100の内部を上昇し充填部材107をすり抜けてくる反応生成ガスに向けて冷却液を噴霧することにより、高沸点ポリマーを凝縮させつつ、反応生成ガスの温度を30〜60℃の範囲まで穏やかに冷却する。また、二次スプレーノズル103から噴霧される冷却液は、トリクロロシラン冷却塔100内部全体の温度を下げ、冷却液が反応生成ガスと接触する前に気化してしまうことを抑制する働きも有する。<Secondary spray nozzle>
The
二次スプレーノズル103は、特に限定されず、種々のタイプのノズルを用いることができる。特に、噴霧領域全体にわたって均等な流量分布を実現できる充円錐ノズルが好ましい。二次スプレーノズル103から噴霧される冷却液の平均液滴粒子径は特に限定されないが、上記一次スプレーノズル102と同様に2000μm以下の範囲であれば冷却効率に優れるため好ましい。
The
<冷却液>
冷却液は、テトラクロロシランとトリクロロシランとからなる混合液を用いることが好ましく、混合液中のテトラクロロシランの含有量は好ましくは80〜100モル%、より好ましくは85〜95モル%である。かかる特定の組成の冷却液を用いることにより、上記式(1)の平衡が十分に右側に移動した状態を保ったまま反応を凍結でき、高い収率でトリクロロシランを回収することができる。
冷却液は、50℃以下に温度調整されていることが好ましい。冷却液が、50℃以下に温度調整されていれば、短時間で反応生成ガスの温度を急冷することができるため、上記の式(1)で十分に右側に移動した状態が保たれたまま平衡を凍結できる。<Cooling liquid>
As the cooling liquid, a mixed liquid composed of tetrachlorosilane and trichlorosilane is preferably used, and the content of tetrachlorosilane in the mixed liquid is preferably 80 to 100 mol%, more preferably 85 to 95 mol%. By using the cooling liquid having such a specific composition, the reaction can be frozen while the equilibrium of the above formula (1) is sufficiently moved to the right side, and trichlorosilane can be recovered with a high yield.
The temperature of the coolant is preferably adjusted to 50 ° C. or lower. If the temperature of the cooling liquid is adjusted to 50 ° C. or less, the temperature of the reaction product gas can be rapidly cooled in a short time, so that the state of being sufficiently moved to the right side in the above equation (1) is maintained. The equilibrium can be frozen.
<塩化水素ガス噴射ノズル>
塩化水素ガス噴射ノズル113は、前記一次スプレーノズル102および/または二次スプレーノズル103によって冷却された反応生成ガスに向けて塩化水素ガスを噴射することができる任意の位置に設置され、塩化水素ガス供給管114に接続される。上記式(2)〜(4)の高沸点ポリマー分解反応は500〜600℃の雰囲気温度で促進されることから、塩化水素ガス噴射ノズル113は一次スプレーノズル102によって平衡が凍結された直後の反応生成ガスに向けて塩化水素ガスを噴射できる位置に設けることが特に好ましい。このため本実施形態では、塩化水素ガス噴射ノズル113を急冷管106の排出開口部112の近傍に設けることにより、一次冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを効率よく接触させるとともに、噴射された塩化水素ガスがトリクロロシラン冷却塔100内部を上昇して冷却塔ガス成分抜出管109へと抜ける際に二次冷却後の反応生成ガスにも接触できる構成としている。<Hydrogen chloride gas injection nozzle>
The hydrogen chloride
<塩化水素ガス>
塩化水素ガス噴射ノズル113に供給される塩化水素ガスは、一次冷却後の反応生成ガスの温度を上昇させないような温度とする必要がある。また、低温の塩化水素ガスを用いれば、高沸点ポリマーを分解するだけでなく、反応生成ガスを冷却する効果も得られる。
本実施形態では、上記式(1)の反応によって生じた塩化水素を取り出し、これを塩化水素ガス噴射ノズル113に直接供給して、塩化水素ガスとして利用している。すなわち、上記式(1)により生成した反応生成ガスは、生成したトリクロロシランや未反応のテトラクロロシランおよび水素等と共に冷却塔ガス成分抜出管109から、後述する凝縮器300による冷却を経て、比較的沸点の高いクロロシラン類と、沸点の低い塩化水素および水素とに分離される。このときに得られる塩化水素は、凝縮器において少なくとも常温以下にまで冷却されているため、さらなる冷却を要するまでもなく、塩化水素ガス噴射ノズル113に供給することができる。<Hydrogen chloride gas>
The hydrogen chloride gas supplied to the hydrogen chloride
In the present embodiment, hydrogen chloride generated by the reaction of the above formula (1) is taken out and supplied directly to the hydrogen chloride
また、反応生成ガスから塩化水素を取り出して利用する場合、塩化水素ガス中に未反応の水素や副生したモノクロロシラン等の低沸点クロロシラン類が混入することがあるが、式(1)の平衡が既に凍結されているところに塩化水素ガスとして反応生成ガスに接触するため、これらの混入成分がトリクロロシランの回収率に影響を与えることはない。従って、塩化水素を必ずしも単離精製して使用する必要はない。 In addition, when hydrogen chloride is extracted from the reaction product gas and used, unreacted hydrogen or low-boiling chlorosilanes such as monochlorosilane may be mixed in the hydrogen chloride gas, but the equilibrium of formula (1) Is already frozen, it comes into contact with the reaction product gas as hydrogen chloride gas, so these mixed components do not affect the recovery rate of trichlorosilane. Therefore, it is not always necessary to isolate and purify hydrogen chloride.
2.トリクロロシラン製造方法
次に、上記トリクロロシラン冷却塔を用いてトリクロロシランを製造する方法について、図1を用いて説明する。
まず、ガス化したテトラクロロシランと水素とを混合した原料ガスを原料ガス供給管200を通じて反応炉201の底部に供給する。2. Next, a method for producing trichlorosilane using the above-described trichlorosilane cooling tower will be described with reference to FIG.
First, a raw material gas in which gasified tetrachlorosilane and hydrogen are mixed is supplied to the bottom of the
反応炉201は黒鉛製であり、周囲に設けられたヒータ202にて加熱することで、反応炉201の内部を700℃を超え1400℃以下の範囲内の状態に保つことができる。反応温度が700℃以上であれば上記式(1)の平衡が十分に右側に傾くため好ましく、1400℃以下であれば金属シリコンが析出して装置の閉塞に繋がる現象を抑制できるため好ましい。
The
反応炉201内で加熱され、上記式(1)に示す熱平衡状態に達した反応生成ガスは、反応炉201の上方へ移動し、700℃以上の温度を保った状態で反応炉ガス抜出管203を通じてトリクロロシラン冷却塔100に導入される。
The reaction product gas that has been heated in the
反応炉ガス抜出管203はトリクロロシラン冷却塔100の側壁および急冷管106の側壁を貫通して、急冷管106の内部に達している。
次いで急冷管106の内部に導出された反応生成ガスに対し、一次冷却液供給管104に接続された一次スプレーノズル102から冷却液を噴霧して、平衡が凍結する70〜600℃の範囲まで瞬間的に急冷する。このとき、狭い急冷管106内で反応生成ガスと微細液滴状の冷却液とが混合されることにより両者がより確実に接触し、冷却液が気化する際の蒸発潜熱を利用して、反応生成ガスから瞬時に効率よく熱を奪うことができる。こうして反応生成ガス内の物質間平衡状態が凍結される。The reactor
Next, a coolant is sprayed from the
急冷管106内で一次冷却された反応生成ガスは、急冷管106底部の排出開口部112から押し出される。ここで、反応生成ガスに対して、塩化水素ガス供給管114に接続された塩化水素ガス噴射ノズル113から塩化水素ガスが噴射され、反応生成ガス中に含まれる高沸点ポリマーの分解が行われる。
次いで、反応生成ガスは塩化水素ガスと共にトリクロロシラン冷却塔100内部を上昇し、充填部材107をすり抜ける。ここで、二次冷却液供給管105に接続された二次スプレーノズル103から冷却液をさらに噴霧して、反応生成ガス中に残存する高沸点ポリマーを凝縮させつつ、反応生成ガスの温度を30〜60℃の範囲まで穏やかに冷却する。The reaction product gas primarily cooled in the quench
Next, the reaction product gas rises in the
30〜60℃の範囲に冷却してもなお気体状のままであるガス成分は、冷却塔ガス成分抜出管109より抜き出され、凝縮器300で冷却され、ここでガス中のクロロシランの大部分が凝縮されて貯槽301に捕集される。貯槽301に捕集されたクロロシランは、その後さらに蒸留塔(図示せず)に送られ、トリクロロシランと未反応テトラクロロシランとに分離される。
凝縮器300から未凝縮分として取り出された塩化水素は、水素等の他の低沸点物との混合物形態のまま、あるいは単離・精製した後に、塩化水素ガスとして塩化水素ガス供給管114を介して塩化水素ガス噴射ノズル113に供給される。The gas component that is still in a gaseous state even when cooled to the range of 30 to 60 ° C. is extracted from the cooling tower gas
The hydrogen chloride taken out from the
一方、30〜60℃の温度帯域で凝縮してしまう高沸点ポリマー等の凝縮液体成分は、冷却液と共にトリクロロシラン冷却塔100の底部へと流下し、冷却塔液体成分抜出管110から抜き出される。
On the other hand, a condensed liquid component such as a high boiling point polymer that condenses in the temperature range of 30 to 60 ° C. flows down to the bottom of the
冷却に用いられた冷却液および冷却により凝縮した凝縮分は、冷却塔液体成分抜出管110を介して循環液タンク400に捕集される。さらに循環液タンク400には、冷却液のテトラクロロシランの濃度を一定に保つため、テトラクロロシラン及び/またはトリクロロシランからなる調製液が調製液供給管401を通じて供給される。
The cooling liquid used for cooling and the condensed matter condensed by cooling are collected in the circulating
循環液タンク400内で調製された冷却液はポンプ402により抜き取られ、熱交換器403により冷却され、一次冷却液供給管104並びに二次冷却液供給管105を通じて再びトリクロロシラン冷却塔100に供給される。
The cooling liquid prepared in the circulating
なお、本発明の技術範囲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。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施態様では、塩化水素ガスを急冷管の下方から上に向けて噴射する構成としたが、一次冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させることができれば、トリクロロシランの回収率を低下することなく冷却後の反応生成ガス中に含まれる高沸点ポリマーの量を低減することができるため、塩化水素ガスを噴射する位置や向きは適宜変更することができる。また、反応生成ガスと塩化水素ガスとの接触を、トリクロロシラン冷却塔から抜き出した反応生成ガスに対して行う構成としてもよい。 For example, in the above embodiment, the hydrogen chloride gas is jetted upward from the bottom of the quench pipe, but if the hydrogen chloride gas can be brought into contact with the reaction product gas after the primary cooling, the recovery rate of trichlorosilane Since the amount of the high-boiling point polymer contained in the reaction product gas after cooling can be reduced without lowering the temperature, the position and direction of injecting the hydrogen chloride gas can be changed as appropriate. Further, the reaction product gas and hydrogen chloride gas may be brought into contact with the reaction product gas extracted from the trichlorosilane cooling tower.
<実施例1および2>
実施例1および2のいずれも、図1に示す装置を用いた。実施例1および2では、互いに異なる平均液滴粒子径で冷却液を噴霧できる一次スプレーノズル102および二次スプレーノズル103を使用した。
反応炉201は内径50mm、長さ800mmで、ヒータ202により加熱されるようになっており、反応炉201の中心部が1300℃となるように加熱した。金属製容器101は、内径140mm、長さ1300mmで、内側に内径35mm、長さ420mmで底部が開放された急冷管106を設置した。<Examples 1 and 2>
In both Examples 1 and 2, the apparatus shown in FIG. 1 was used. In Examples 1 and 2, the
The
予め600℃に加熱したテトラクロロシランと水素とからなる原料ガスを27モル/時間の流量で原料ガス供給管200を通じて反応炉201に連続的に供給し、さらに反応炉201において反応したガスを反応炉ガス抜出管203を通じて金属製容器101内部に設置された急冷管106に供給した。原料のテトラクロロシランはテトラクロロシランと水素の合計に対して33モル%とした。
A raw material gas composed of tetrachlorosilane and hydrogen previously heated to 600 ° C. is continuously supplied to the
一方、予め循環液タンク400にトリクロロシランとテトラクロロシランの混合物(モル比=85:15)からなる冷却液を13モル充填しておき、熱交換器403を20℃の冷却水で冷却し、ポンプ402を駆動して、循環液タンク400の冷却液を、一次スプレーノズル102および二次スプレーノズル103を介してそれぞれ急冷管106内および金属製容器101内に連続的に噴霧した。
On the other hand, the circulating
実施例1および2のいずれの場合も、一次スプレーノズル102を介して供給される冷却液は、噴霧量が0.1l/min、噴霧圧力が0.15MPaとし、二次スプレーノズル103を介して供給される冷却液は、噴霧量が0.6l/min、噴霧圧力が0.15MPaの噴霧条件とした。
冷却液の温度は、熱交換器403を通過させることにより30℃に保った。金属製容器101の塔底より抜き出される冷却液は循環液タンク400に回収して、連続的に用いた。必要に応じて、冷却液に、調製液供給管401を通じて連続的にテトラクロロシランを補充し、テトラクロロシラン濃度を一定に保った。In both cases of Examples 1 and 2, the coolant supplied through the
The temperature of the cooling liquid was kept at 30 ° C. by passing through the
トリクロロシラン冷却塔100の塔頂部から取り出したガス成分を、凝縮器300においてクロロシラン類を含む凝縮液と、塩化水素および水素を含む未凝縮ガス成分とに分け、未凝縮ガス成分を塩化水素ガス供給管114を介して塩化水素ガス噴射ノズル113に供給し、塩化水素ガスとしてトリクロロシラン冷却塔100内に噴射量が20l/min、噴射圧力が0.1MPaの条件で噴射した。噴射時の塩化水素ガスの温度は20℃であった。
一方、クロロシラン類を含む凝縮液は、一時的に貯槽301に貯蔵した後、蒸留塔(図示せず)に導出し、そこでトリクロロシランを分離して回収した。The gas component taken out from the top of the
On the other hand, the condensate containing chlorosilanes was temporarily stored in the
<比較例1>
比較例1は、トリクロロシラン冷却塔100内に塩化水素ガスを噴射しないこと以外は実施例1と同様の装置を用いた。<Comparative Example 1>
In Comparative Example 1, the same apparatus as in Example 1 was used except that hydrogen chloride gas was not injected into the
<比較例2>
比較例2は、トリクロロシラン冷却塔100内に塩化水素ガスを噴射しないこと以外は実施例2と同様の装置を用いた。<Comparative example 2>
In Comparative Example 2, the same apparatus as in Example 2 was used except that hydrogen chloride gas was not injected into the
<比較例3>
比較例3は、一次スプレーノズル102に代えて塩化水素ガス噴射ノズル113と同様の噴射ノズルを設置し、これに塩化水素ガス供給管114を分岐させて接続したこと以外は実施例1と同様の装置を用いた。これにより比較例3では、急冷管106内における反応生成ガスの一次冷却を塩化水素ガスとの混合によって行った。<Comparative Example 3>
Comparative Example 3 is the same as Example 1 except that an injection nozzle similar to the hydrogen chloride
上記実施例1〜2および比較例1〜3のそれぞれについて、一次冷却直後の反応生成ガス温度(急冷管106の排出開口部112を通過する反応生成ガスの温度)、反応生成ガスの最終温度(トリクロロシラン冷却塔100の塔頂から抜き出された直後の反応生成ガスの温度)、反応生成ガス中の高沸点ポリマー含有量(トリクロロシラン冷却塔100において凝縮された高沸点ポリマーの生成量)、並びに、反応生成ガスから凝縮器300を介して凝縮されたトリクロロシランの回収量を調べた。結果を以下の表1に示す。
For each of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3, the reaction product gas temperature immediately after the primary cooling (the temperature of the reaction product gas passing through the discharge opening 112 of the quench pipe 106), the final temperature of the reaction product gas ( The temperature of the reaction product gas immediately after being extracted from the top of the trichlorosilane cooling tower 100), the high-boiling polymer content in the reaction product gas (the amount of high-boiling polymer condensed in the trichlorosilane cooling tower 100), In addition, the recovered amount of trichlorosilane condensed from the reaction product gas through the
<結果の考察>
実施例1と比較例1との対比から、一次冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを噴射することにより、反応生成ガス中の高沸点ポリマーの含有量を1/90以下に低減できることが確認された。同様に、実施例2と比較例2との対比から、一次冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを噴射することにより、反応生成ガス中の高沸点ポリマーの含有量を約1/6程度に低減できることが確認された。一方、実施例1と比較例3との対比から、反応生成ガスの一次冷却を塩化水素ガスとの接触により行った場合には、トリクロロシラン回収量が20%近く低減してしまうことが確認された。これは、反応生成ガスが平衡状態にあるところに塩化水素が大量に導入されたために、反応系の塩化水素濃度が上昇して平衡がテトラクロロシラン側に押し戻されたためと考えられる。また、実施例1と実施例2との対比から、冷却液の平均液滴粒子径をより小さくすることにより、目的とするトリクロロシランの回収量は向上するものの、高沸点ポリマーの含有量が上昇することが確認された。これは、冷却液の平均液滴粒子径を小さくすることによって冷却効率が上がった結果、平衡をより瞬時に凍結してトリクロロシランの損失量を低減できる一方、高沸点ポリマーの副生量が増加し、かつ、一次冷却後の反応生成ガスが高沸点ポリマーの分解至適温度以下にまで冷却されたことが考えられる。<Consideration of results>
From the comparison between Example 1 and Comparative Example 1, it is confirmed that the content of the high-boiling point polymer in the reaction product gas can be reduced to 1/90 or less by injecting hydrogen chloride gas into the reaction product gas after the primary cooling. It was done. Similarly, from the comparison between Example 2 and Comparative Example 2, the content of the high boiling point polymer in the reaction product gas is reduced to about 1/6 by injecting hydrogen chloride gas into the reaction product gas after the primary cooling. It was confirmed that it can be reduced. On the other hand, from the comparison between Example 1 and Comparative Example 3, it was confirmed that when the primary cooling of the reaction product gas was performed by contact with hydrogen chloride gas, the amount of trichlorosilane recovered was reduced by nearly 20%. It was. This is probably because a large amount of hydrogen chloride was introduced when the reaction product gas was in an equilibrium state, so that the hydrogen chloride concentration in the reaction system increased and the equilibrium was pushed back to the tetrachlorosilane side. Further, from the comparison between Example 1 and Example 2, by reducing the average droplet diameter of the cooling liquid, the recovery amount of the target trichlorosilane is improved, but the content of the high boiling point polymer is increased. Confirmed to do. This is because the cooling efficiency has been improved by reducing the average droplet diameter of the cooling liquid. As a result, the equilibrium can be frozen more instantly and the loss of trichlorosilane can be reduced, while the amount of by-product of high-boiling polymer increases. In addition, it is conceivable that the reaction product gas after the primary cooling was cooled to below the optimum decomposition temperature of the high boiling point polymer.
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.
Claims (7)
冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させる噴射手段と、
を有するトリクロロシラン冷却塔。A coolant is sprayed on a reaction product gas containing trichlorosilane obtained by reacting a raw material gas containing tetrachlorosilane and hydrogen at a temperature in the range of 700 to 1400 ° C., and cooled to a temperature range of 70 to 600 ° C. Spraying means to
Injection means for bringing hydrogen chloride gas into contact with the reaction product gas after cooling;
A trichlorosilane cooling tower.
冷却後の反応生成ガスに塩化水素ガスを接触させる工程と、
を有するトリクロロシラン製造方法。A coolant is sprayed on a reaction product gas containing trichlorosilane obtained by reacting a raw material gas containing tetrachlorosilane and hydrogen at a temperature in the range of 700 to 1400 ° C., and cooled to a temperature range of 70 to 600 ° C. And a process of
A step of bringing hydrogen chloride gas into contact with the reaction product gas after cooling;
A method for producing trichlorosilane.
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- 2010-01-28 TW TW099102352A patent/TW201036915A/en unknown
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