KR101133658B1 - A Manufacturing Method and A Manufacturing Apparatus of TrichlorosilaneSiHCl3 using the Metal Catalyst - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 촉매를 사용하여 금속규소 및 사염화규소(STC)를 주원료로 사용하고 수소를 첨가하여 삼염화실란을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 사염화규소의 재순환시키고 촉매를 사용함으로써 공정조건을 완화시키고 자원의 재활용과 제조의 효율을 향상시키는데 그 목적 및 효과가 있다. The present invention relates to a method and apparatus for producing trichlorosilane by using metal silicon and silicon tetrachloride (STC) as a main raw material and adding hydrogen using a solid catalyst. The process conditions are relieved by recycling silicon tetrachloride and using a catalyst. And the purpose and effect of improving the recycling of resources and the efficiency of manufacturing.

본 발명은 단결정실리콘, 다결정 실리콘 및 실란가스 생산에 필요한 삼염화실란(TCS, SiHCl3)의 제조 시에 발생되는 부산물인 사염화규소(STC, silicone tetra chlorine)를 원료로 재활용함으로써 폐기물발생을 최소화하여 효율적으로 삼염화실란을 제조하되, 보다 구체적으로, 원료로 사용되는 금속규소 입자의 크기는 50-400mesh이고, 순도는 92% 이상이며, 사염화규소의 순도는 75% 이상이며, 수소의 순도는 70% 이상의 것을 사용하며, 사염화규소탱크에 수소를 주입하여 사염화규소와 함께 기화시켜서 반응기로 주입하고, 반응기의 온도는 150℃~800℃로 유지하며, 반응기를 거쳐서 나온 반응가스를 증류탑을 통과시켜 비등점의 차이를 이용하여 삼염화실란과 사염화규소로 분리하며, 분리된 삼염화실란은 저장탱크로 이송하고, 회수된 사염화규소는 사염화규소 탱크로 보내어 재활용하도록 구성되어 있다.The present invention minimizes waste generation by minimizing waste generation by recycling silicon tetrachlorine (STC), which is a by-product generated during the production of silane trichloride (TCS, SiHCl 3 ) required for monocrystalline silicon, polycrystalline silicon and silane gas production. To prepare a trichlorosilane, more specifically, the size of the metal silicon particles used as a raw material is 50-400mesh, purity is 92% or more, silicon tetrachloride purity of 75% or more, hydrogen purity of 70% or more Inject hydrogen into the silicon tetrachloride tank, vaporize it with silicon tetrachloride and inject it into the reactor, maintain the temperature of the reactor at 150 ℃ ~ 800 ℃, and pass the reaction gas from the reactor through the distillation column to make the difference in boiling point. Separating into trichlorosilane and silicon tetrachloride by using, the separated trichlorosilane is transferred to the storage tank, and the recovered silicon tetrachloride is silicon tetrachloride tank It is configured to send for recycling.

사염화규소, 삼염화실란, Pd촉매, Pb촉매, 수소, 메탈규소  Silicon tetrachloride, silane trichloride, Pd catalyst, Pb catalyst, hydrogen, metal silicon

Description

금속촉매를 이용한 삼염화실란의 제조방법 및 장치{A Manufacturing Method and A Manufacturing Apparatus of Trichlorosilane(SiHCl3) using the Metal Catalyst}A manufacturing method and a manufacturing apparatus of trichlorosilane (SiHCl3) using the metal catalyst}

본 발명은 가스정제 및 고순도 실리콘을 제조할 때 많이 사용되는 삼염화실란(Trichlorosilane, SiHCl3)을 효율적으로 제조하기 위하여 메탈등급의 규소입자의 크기가 50-400mesh이고 순도는 90%이상이며, 수소의 순도는 70%이상이고, 사염화규소(STC)의 순도는 75%이상인 공업용을 사용하며, 수소유량을 MFC를 사용하여 70sccm 정도로 제어 공급하고, 50℃ 정도로 가열 유지되는 사염화규소(STC, SiCl4)가 담겨있는 탱크 내부에 수소를 주입하여 사염화규소가 기화하여 버블링되면서 사염화규소와 수소가 반응기로 공급되며, 반응기에는 금속규소와 금속촉매(Pd, Pb)가 탑재되고, 상기 반응기로 주입된 사염화규소와 수소가 금속규소와 반응하여 삼염화실란이 제조되며, 상기 반응기의 온도를 150℃내지 800℃사이에서 유지하기 위하여 히터장치를 사용하여 가열하고, 반응기 상부로 배출되는 유체에 포함된 미세 분말금속규소는 사이클론에 의하여 분리 회수되며, 증류탑에서는 반응 생성물인 삼염화실란과 사염화규소를 비등점 차이를 이용하여 분리하고, 하부의 리보일러에 모인 사염화규소는 원료로 재활용하기 위하여 사염화규소탱크로 피드백시키며, 상부에 위치한 컨덴서를 통과한 기체에는 TCS, STC, HCl 및 H2가 포함되어 있으나, 삼염화실란의 순도는 95%이상으로 액체저장탱크에 저장되도록 설계 제작된 금속촉매를 이용한 삼염화실란의 제조방법 및 장치에 관한 것이다. In the present invention, in order to efficiently produce trichlorosilane (SiHCl 3 ), which is widely used in gas purification and high purity silicon, the size of the metal grade silicon particles is 50-400mesh and the purity is 90% or more. The purity is more than 70%, the silicon tetrachloride (STC) is used for industrial purposes of 75% or more, the hydrogen flow is controlled by supplying about 70sccm by using MFC, silicon tetrachloride (STC, SiCl 4 ) maintained at 50 ℃ heating Silicon tetrachloride and hydrogen are supplied to the reactor by bubbling hydrogen tetrachloride into the tank containing hydrogen, and silicon tetrachloride and hydrogen are loaded into the reactor, and the silicon silicon and metal catalysts (Pd and Pb) are mounted in the reactor, and tetrachloride injected into the reactor. Silicon and hydrogen react with metal silicon to produce trichlorosilane, which is heated using a heater to maintain the temperature of the reactor between 150 ° C and 800 ° C, and the reaction The fine powder metal silicon contained in the fluid discharged to the upper part is separated and recovered by a cyclone, and the distillation column separates the reaction product of trichlorosilane and silicon tetrachloride using the difference in boiling point, and the silicon tetrachloride collected in the lower reboiler is used as a raw material. It is fed back to the silicon tetrachloride tank for recycling, and the gas passing through the upper condenser contains TCS, STC, HCl and H 2 , but the purity of trichlorosilane is more than 95% and designed to be stored in the liquid storage tank. The present invention relates to a method and apparatus for producing trichlorosilane using a metal catalyst.

종래의 삼염화실란을 제조하는 장치 및 방법으로는 금속등급의 규소를 유동층 반응기, 교반층반응기 및 고정층 반응기 중에서 하나를 선택 사용하여 염화수소를 주입하여 제조하는 방법이 주로 사용되어 왔다.As a conventional apparatus and method for producing trichlorosilane, a method of producing silicon-grade silicon by injecting hydrogen chloride using one of a fluidized bed reactor, a stirred bed reactor, and a fixed bed reactor has been mainly used.

한편, 실란가스 및 실리콘을 제조할 경우에는 사염화규소(STC)가 부산물로 생성되고, 생성된 사염화규소는 공기 혹은 물과 접촉하면 산화규소와 염화수소 가스를 발생하기 때문에 환경오염에 따른 폐기물 처리가 사업의 중요한 제약으로 작용하게 되는 문제점이 있으므로 사염화규소에 수소를 첨가하여 삼염화실란을 제조하는 장치에 관한 구체적 연구 개발이 필요하게 되었다.In the case of producing silane gas and silicon, silicon tetrachloride (STC) is produced as a by-product, and the generated silicon tetrachloride generates silicon oxide and hydrogen chloride gas when it comes into contact with air or water. Since there is a problem that acts as an important constraint of the need for specific research and development of the apparatus for producing trichlorosilane by the addition of hydrogen to silicon tetrachloride.

이때 촉매를 사용하지 않을 경우에는 300℃내지 500℃사이의 구간에서 반응이 일어나지 않으며, 반응온도를 낮추기 위하여 유럽공개특허공보,(0,658,359, A2)에서는 니켈, 구리, 철 등으로 구성된 촉매를 사용하는 방법이 제시되었고, 일반적으로 알려진 Cu촉매를 사용할 경우 300℃부근에서 20%내외의 삼염화실란의 전환율을 얻을 수 있는 기술적 내용이 개시되었으나 삼염화실란의 전환율이 비교적 낮고 사염화규소의 재활용에 대한 기술적 구성이 개시되어 있지 않아서 자원의 재활용에 따른 비용절감에 대한 기술적 구성이 개시되어 있지 않고, 폐기물처리를 별도로 수행하여야 하는 문제점이 있다.In this case, when the catalyst is not used, the reaction does not occur in a section between 300 ° C. and 500 ° C., and in order to lower the reaction temperature, the European Patent Publication (0,658,359, A2) uses a catalyst composed of nickel, copper, and iron. The method has been proposed, and the technical content of the conversion of trichlorosilane of about 20% is disclosed in the vicinity of 300 ° C using a commonly known Cu catalyst. However, the conversion of trichlorosilane is relatively low and the technical configuration of recycling of silicon tetrachloride is Since it is not disclosed, the technical configuration for cost reduction due to the recycling of resources is not disclosed, and there is a problem that waste treatment must be performed separately.

촉매를 사용하지 않고 수소와 사염화규소를 주입하는 방법은 공개된 PCT자료(WO 2006/081980)에서는 700℃내지 1500℃온도에서 삼염화실란 혼합물을 생성하는 기술적 내용이 개시되어 있으나, 삼염화실란의 전환율이 10%내지 20%로써 비교적 낮고 반응시 발생하는 미세한 분말금속규소 및 사염화규소의 재활용에 대한 기술적 구성이 개시되어 있지 않아서 자원의 재활용에 따른 비용절감은 물론이고, 폐기물처리를 별도로 수행하여야 하는 문제점과 촉매로 사용되는 Cu가 CuCl2로 휘발되어 제품을 오염시키는 또 다른 문제점이 있다.The method of injecting hydrogen and silicon tetrachloride without using a catalyst is disclosed in the published PCT data (WO 2006/081980) to produce a trichlorosilane mixture at a temperature of 700 ° C to 1500 ° C. 10% to 20% is relatively low and the technical composition for recycling the fine powder metal silicon and silicon tetrachloride generated during the reaction is not disclosed, as well as the cost reduction and the waste treatment separately, Another problem is that Cu used as a catalyst volatilizes into CuCl 2 to contaminate the product.

본 발명이 해결하고자하는 과제는 금속규소와 사염화규소를 원료로 사용하여 금속촉매(Pd 혹은 Pb)하에서 수소를 첨가하여 삼염화실란을 연속적으로 제조할 수 있는 고전환율을 구비한 삼염화실란 제조장치 및 방법을 제안하는데 있다. The problem to be solved by the present invention is a trichlorosilane production apparatus and method having a high conversion rate capable of continuously producing trichlorosilane by adding hydrogen under a metal catalyst (Pd or Pb) using metal silicon and silicon tetrachloride as a raw material To propose.

본 발명이 해결하고자하는 또 다른 과제는 금속촉매를 반응기에 탑재하여 사용함으로써 삼염화실란의 전환율을 높이고, 낮은 반응온도와 낮은 반응압력 하에서 제조가 가능하도록 하여 장치의 설치비용을 줄이고, 생산원가 및 유지비용을 절감하는데 있다.Another problem to be solved by the present invention is to increase the conversion rate of trichlorosilane by using a metal catalyst mounted in the reactor, to be manufactured under a low reaction temperature and low reaction pressure to reduce the installation cost of the device, production cost and maintenance To reduce costs.

본 발명이 해결하고자하는 또 다른 과제는 삼염화실란 제조장치 및 공정 중에 사이클론을 채용하여 미세한 분말금속규소를 회수하여 재활용하고, 증류탑에서 비등점 차이를 이용한 사염화규소와 삼염화실란을 분리 회수하여 사염화규소를 재활용하도록 설계 제작하므로 생산비용, 원료비 및 폐기물처리 비용을 크게 절감하는데 있다. Another problem to be solved by the present invention is to recover and recycle the fine powder metal silicon by using a cyclone during the production apparatus and process of trichlorosilane, and to separate the silicon tetrachloride and trichlorosilane using the boiling point difference in the distillation column to recycle silicon tetrachloride It is designed and manufactured to reduce the production cost, raw material cost and waste disposal cost significantly.

본 발명의 과제 해결 수단은 가스정제 및 고순도 실리콘을 제조할 때 많이 사용되는 삼염화실란을 효율적으로 제조하기 위하여 매탈등급의 규소입자의 크기가 50-400mesh이고, 순도는 90%이상이며, 수소의 순도는 70%이상이고, 사염화규소의 순도는 75%이상인 공업용을 사용하며, 수소유량을 MFC를 사용하여 70sccm 정도로 제어 공급하고, 히터장치에 의하여 50℃정도로 가열 유지되는 사염화규소(STC)가 담겨있는 탱크 내부에 수소를 주입하여 사염화규소가 수소와 함께 기화하여 버블링되면서 반응기로 공급되며, 반응기에는 금속규소와 금속촉매(Pd, Pb)가 탑재되며, 상기 반응기로 주입된 사염화규소와 수소가 금속규소와 반응하여 삼염화실란을 생성하며, 상기 반응기의 온도를 150℃내지 800℃사이에서 일정온도로 유지하기 위하여 히팅장치를 사용하여 가열하고, 반응기 상부로 배출되는 금속규소는 사이클론에서 미립자를 분리 회수되어 반응기로 재순환되며, 증류탑에서는 반응 생성물인 삼염화실란과 사염화규소를 비등점의 차이를 이용하여 분리하고, 하부의 리보일러에 회수된 사염화규소는 원료로 재활용하기 위하여 사염화규소탱크로 피드백되며, 상부에 위치한 컨덴서를 통과한 기체에는 TCS, STC, HCl 및 H2가 포함되어 있으나, 삼염화실란의 순도가 95%이상으로 액체저장탱크에 저장되도록 설계 제작된 촉매를 이용한 삼염화실란의 제조방법 및 장치를 제공하는데 있다. The problem solving means of the present invention is the size of silicon particles of the metal grade is 50-400mesh, purity is more than 90%, purity of hydrogen in order to efficiently produce trichlorosilane which is widely used in the preparation of gas purification and high purity silicon Is more than 70%, silicon tetrachloride purity is more than 75% is used for industrial purposes, the hydrogen flow is controlled to 70sccm using MFC, and silicon tetrachloride (STC) that is heated and maintained at about 50 ℃ by a heater device Hydrogen is injected into the tank and silicon tetrachloride is vaporized together with hydrogen and bubbled to the reactor, and the silicon silicon and metal catalysts (Pd and Pb) are mounted in the reactor, and silicon tetrachloride and hydrogen injected into the reactor are metal. Reaction with silicon produces trichlorosilane, which is heated using a heating apparatus to maintain the temperature of the reactor at a constant temperature between 150 ° C and 800 ° C. The metal silicon discharged to the upper part of the reactor separates and recovers the fine particles from the cyclone and is recycled to the reactor.In the distillation column, the reaction product is separated from the trichlorosilane and silicon tetrachloride using the difference in boiling point and the tetrachloride recovered in the lower reboiler. Silicon is fed back to the silicon tetrachloride tank for recycling as a raw material, and the gas passing through the condenser located above contains TCS, STC, HCl and H 2 , but the trichlorosilane is stored in a liquid storage tank with 95% purity. It is to provide a method and apparatus for producing trichlorosilane using a catalyst designed to be manufactured.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 반응기를 통과하여 배출되는 미세 분말금속규소와 사염화규소 등의 폐기물 처리비용 및 생산비용을 절감하기 위하여 미세 분말금속규소는 사이클론으로 회수하여 반응기로 재순환시켜 원료로 사용하고, 증류탑에서 비등점의 차이를 이용하여 분리시킨 사염화규소는 증류탑 탱크에 회수되도록 하여 사염화규소 탱크로 피드백시켜 재활용하도록 설계 제작된 삼염화실란의 제조방법 및 장치를 제공하는데 있다. Another solution of the present invention is to recover the fine powder metal silicon and silicon tetrachloride discharged through the reactor and to reduce the cost and production cost of the fine powder metal silicon is recovered as a cyclone and recycled to the reactor used as raw materials In addition, the silicon tetrachloride separated by using the difference in boiling point in the distillation column is to provide a method and apparatus for producing trichlorosilane designed to be recovered in the distillation column tank and fed back to the silicon tetrachloride tank for recycling.

본 발명은 삼염화실란의 제조장치 및 방법으로, 금속규소와 사염화규소를 원 료로 사용하여 금속촉매(Pd 혹은 Pb)하에서 수소를 첨가하여 삼염화실란을 연속적으로 제조하도록 구성하므로 고전환율을 얻을 수 있는 작용효과가 있다. The present invention is an apparatus and method for producing trichlorosilane, which is configured to continuously produce trichlorosilane by adding hydrogen under a metal catalyst (Pd or Pb) using metal silicon and silicon tetrachloride as raw materials to obtain a high conversion rate. It works.

본 발명의 또 다른 효과는 금속촉매를 반응기에 탑재하여 사용함으로써 삼염화실란의 전환율을 높이고 낮은 반응온도와 낮은 반응압력 하에서 제조가 가능하도록 하여 설치비용, 생산원가 및 유지비용을 절감하는데 있다.Another effect of the present invention is to reduce the installation cost, production cost and maintenance cost by increasing the conversion rate of trichlorosilane and enabling the production under low reaction temperature and low reaction pressure by mounting a metal catalyst in the reactor.

본 발명의 또 다른 효과는 반응기를 통과하여 배출되는 기체 중에 포함된 미세 분말금속규소는 사이클론으로 분리 회수하여 반응기로 재순환시켜 원료로 사용하고, 증류탑에서 비등점의 차이를 이용하여 분리 회수한 사염화규소는 사염화규소 탱크로 피드백시켜 재활용하므로 폐기물 처리비용, 원료비 및 생산비용을 절감하는데 있다. Another effect of the present invention is that the fine powder metal silicon contained in the gas discharged through the reactor is recovered by the cyclone and recycled to the reactor as a raw material, and the silicon tetrachloride separated and recovered using the difference in boiling point in the distillation column It is fed back to the silicon tetrachloride tank and recycled to reduce waste disposal cost, raw material cost and production cost.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다. 본 발명은 원료로써 사염화규소, 금속규소, 수소를 사용하며, 반응촉매로서 Pd계 촉매 및 Pb계 촉매를 사용하며, Cu계 촉매도 사용할 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the present invention, silicon tetrachloride, metal silicon, and hydrogen are used as raw materials, Pd-based catalysts and Pb-based catalysts are used as reaction catalysts, and Cu-based catalysts may also be used.

본 발명에 따른 금속촉매를 이용한 삼염화실란의 제조장치는 연속형 충진 반응기로 원료가 계속적으로 투입되도록 구성되고, 반응기 상부에는 미세한 분말규소를 분리 회수하여 재활용하기 위한 사이클론이 설치되어 있다.The apparatus for producing trichlorosilane using a metal catalyst according to the present invention is configured to continuously feed raw materials into a continuous filling reactor, and a cyclone is installed at the top of the reactor to separate and recover fine powder silicon.

상기 사이클론을 통과하여 나온 반응 생성물에 포함된 삼염화실란과 사염화규소를 비등점의 차이를 이용하여 분리하기 위한 증류탑이 사이클론 다음 단에 설치되어 있다.A distillation column for separating the trichlorosilane and silicon tetrachloride contained in the reaction product passed through the cyclone using the difference in boiling point is installed at the stage next to the cyclone.

원통형반응기를 거쳐서 금속규소와 반응한 유체(기체)는 상기 사이클론에서 미세한 분말금속규소가 분리 회수되어 반응기로 피드백되어 재순환되도록 구성되어 있다. 상기 사이클론을 통과하여 나온 유체(기체)는 다음 단에 설치된 증류탑을 통과하며, 증류탑의 하부온도는 50℃내지 58℃사이이고, 상부온도는 30℃내지 35℃사이에서 일정온도로 유지되며, 상기 증류탑을 통과하면서 비등점의 차이로 유체 중에 포함된 사염화규소(비등점 : 57.6℃)와 삼염화실란(비등점 : 32℃)이 분리된다. 증류탑에서 분리된 사염화규소는 증류탑 하부에 위치한 증류탑 탱크로 회수되고, 회수된 사염화규소는 사염화규소 탱크로 재순환시켜 원료로 사용되며, 증류탑 상부에는 순도가 95% 이상인 삼염화실란이 생성되어 삼염화실란 저장탱크에 액화시켜 저장된다.The fluid (gas) reacted with the metal silicon via the cylindrical reactor is configured to separate and recover the fine powder metal silicon from the cyclone and to feed back to the reactor for recycling. The fluid (gas) that has passed through the cyclone passes through a distillation column installed in the next stage, and the lower temperature of the distillation column is between 50 ° C and 58 ° C, and the upper temperature is maintained at a constant temperature between 30 ° C and 35 ° C. As it passes through the distillation column, silicon tetrachloride (boiling point: 57.6 ° C) and trichlorosilane (boiling point: 32 ° C) contained in the fluid are separated by the difference in boiling point. The silicon tetrachloride separated from the distillation column is recovered to a distillation column tank located at the bottom of the distillation column, and the recovered silicon tetrachloride is recycled to the silicon tetrachloride tank and used as a raw material.The trichlorosilane having a purity of 95% or more is formed at the top of the distillation column, so that the trichlorosilane storage tank is Liquefied in

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나 이상의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성, 조성물의 혼합비 및 작용이 제한되지는 않는다.Hereinafter, the configuration and operation of the embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the present invention shown and described in the drawings will be described by at least one embodiment, whereby the present invention described above The technical spirit and its core composition, the mixing ratio and action of the composition is not limited.

본 발명의 이해를 용이하게 하는 도면을 살펴본다. 도1은 본 발명에 따라 설계된 금속촉매를 이용한 삼염화실란의 제조를 위한 장치도이며, 도2는 본 발명에 따라 설계 제작된 삼염화실란 제조장치 중에서 증류탑을 확대 도시한 것이다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 살펴본다.Look at the drawings to facilitate understanding of the present invention. 1 is an apparatus diagram for the production of trichlorosilane using a metal catalyst designed according to the present invention, Figure 2 is an enlarged view of the distillation column of the trichlorosilane production apparatus designed and manufactured according to the present invention. A specific embodiment according to the present invention will be described.

[실시 예] EXAMPLES

본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도1은 본 발 명에 따라 설계 제작된 금속촉매를 이용한 삼염화실란의 제조를 위한 장치도이다. 본 발명은 금속촉매를 이용하여 반응물을 반응시켜 종래의 삼염화실란 제조방법보다 낮은 온도와 낮은 압력에서 높은 전환율로 삼염화실란을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이고, 삼염화실란을 제조하는 과정에서 발생하는 미세한 분말금속규소는 사이클론으로 분리 회수하여 반응기로 재순환시키고, 증류탑에서 분리 회수된 사염화규소는 사염화규소 탱크로 재순환시켜 사용하므로 폐기물 처리비용을 절감하고, 원료비를 절감하여 생산비용을 줄일 수 있는 삼염화실란의 제조장치 및 방법을 제공하는데 있다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment of the present invention will now be described with reference to the drawings. 1 is a device diagram for the production of trichlorosilane using a metal catalyst designed according to the present invention. The present invention relates to an apparatus and method for producing trichlorosilane with high conversion rate at a lower temperature and lower pressure than a conventional trichlorosilane production method by reacting a reactant using a metal catalyst. Powdered metal silicon is recovered by cyclone and recycled to the reactor, and silicon tetrachloride separated and recovered from the distillation column is recycled to the silicon tetrachloride tank, thereby reducing waste disposal costs and raw material costs, thereby reducing production costs. It is to provide a manufacturing apparatus and method.

보다 구체적으로, 도1과 도2에 기초하여 삼염화실란의 제조장치에 대하여 살펴본다. 본 발명에 따른 삼염화실란을 생성하기 위한 반응기(9) 형태는 원통형이 바람직하며, 원통형반응기(9)의 하단부에는 Pd 촉매 혹은 Pb 촉매 등의 금속촉매가 장입된 촉매 층(4)이 위치하며, 원통형 반응기(9) 상부에는 금속규소 층(5)이 위치한다. 상기 금속규소 층(5)은 금속규소가 상기 금속촉매와 대비하여 일정 비율로 스크류에 의해 연속적으로 투입되도록 설계 제작된 금속규소 공급장치(1)에 의하여 공급된다.More specifically, with reference to Figures 1 and 2 looks at with respect to the apparatus for producing trichlorosilane. The form of the reactor 9 for producing trichlorosilane according to the present invention is preferably cylindrical, and at the lower end of the cylindrical reactor 9, a catalyst layer 4 loaded with a metal catalyst such as Pd catalyst or Pb catalyst is located, Above the cylindrical reactor 9 is a metal silicon layer 5. The metal silicon layer 5 is supplied by a metal silicon feeder 1 designed and manufactured such that the metal silicon is continuously fed by a screw at a predetermined ratio as compared to the metal catalyst.

원통형반응기(9)의 외부에는 반응온도를 150℃내지 800℃사이의 일정온도로 유지하여 반응물을 반응시키기 위한 반응기 히팅장치(2)가 설치되어 있다.Outside the cylindrical reactor 9, a reactor heating device 2 is installed for reacting the reactants by maintaining the reaction temperature at a constant temperature between 150 ° C and 800 ° C.

상기 원통형반응기(9)의 전단에는 히터장치(16)에 의하여 40℃내지 100℃사이의 온도를 유지하고 있는 사염화규소탱크(8)와 배관으로 연결 설치되고, 사염화규소탱크(8)로 주입되는 수소는 수소공급원(7)으로부터 수소공급라인 일측에 설치 된 플로메터(7)를 이용하여 일정량으로 연속적으로 투입되도록 구성하여 사염화규소와 함께 기화 버블링시켜 반응기(9)로 공급되도록 구성되어 있다. 이때 반응기에서 일어나는 반응은 반응식(1)과 같다.The front end of the cylindrical reactor (9) is connected to the silicon tetrachloride tank (8), which is maintained at a temperature between 40 ° C and 100 ° C by pipes, by a heater device (16), and injected into the silicon tetrachloride tank (8). Hydrogen is configured to be continuously introduced in a predetermined amount by using a flow meter (7) installed on one side of the hydrogen supply line from the hydrogen supply source (7) is configured to be supplied to the reactor (9) by evaporating and bubbling with silicon tetrachloride. In this case, the reaction occurring in the reactor is shown in Scheme (1).

SiCl4 + H2<-> SiHCl3 + HCl (1)SiCl 4 + H 2 <-> SiHCl 3 + HCl (1)

상기 사염화규소탱크(8)의 내부 일측에는 사염화규소탱크(8)에 주입된 사염화규소의 레벨을 측정하기 위한 사염화규소 레벨게이지(19), 탱크의 내부온도를 측정하기 위한 온도센서(17) 및 탱크의 내부의 압력을 측정하기 위한 압력게이지(23)가 설치되어 있다. 상기 사염화규소탱크(8)의 외부에는 사염화규소탱크(8)의 내부온도를 40℃내지 100℃사이의 일정 온도에서 유지하도록 가열하기 위한 사염화규소탱크 히팅장치(16)가 설치되어 있다. One side of the silicon tetrachloride tank 8 has a silicon tetrachloride level gauge 19 for measuring the level of silicon tetrachloride injected into the silicon tetrachloride tank 8, a temperature sensor 17 for measuring the internal temperature of the tank, and A pressure gauge 23 for measuring the pressure inside the tank is provided. Outside the silicon tetrachloride tank 8, a silicon tetrachloride tank heating device 16 is provided for heating the internal temperature of the silicon tetrachloride tank 8 at a constant temperature between 40 ° C and 100 ° C.

상기 수소공급원(7)과 수소공급라인 일측에 설치된 플로메터(7, MFC)사이에는 수소공급제어밸브(29)가 설치되어 있고, 사염화규소탱크(8)와 원통형반응기(9)사이에는 사염화규소와 수소가 반응하여 생성된 유체의 흐름을 제어하기 위한 제어밸브(30)가 설치되어 있다. A hydrogen supply control valve 29 is installed between the hydrogen supply source 7 and the flowmeters 7 and MFC installed on one side of the hydrogen supply line, and silicon tetrachloride between the silicon tetrachloride tank 8 and the cylindrical reactor 9. A control valve 30 is installed to control the flow of the fluid generated by the reaction of hydrogen with hydrogen.

상기 사염화규소탱크(8)에 원료로 주입되는 사염화규소는 순도가 75% 이상이며, 매탈등급의 규소입자의 크기는 50?400mesh사이이고, 순도는 90%이상이며, 수소의 순도는 70 %이상인 것으로 사용하는 것이 바람직하다.The silicon tetrachloride injected as a raw material into the silicon tetrachloride tank 8 has a purity of 75% or more, the size of the metal grade silicon particles is between 50-400 mesh, the purity is 90% or more, and the hydrogen purity is 70% or more. It is preferable to use it.

상기 원통형반응기(9)의 내부온도는 원통형반응기(9)외측에 설치된 히팅장치(2)로 150℃내지 800℃사이의 일정온도로 유지하여 반응시키며, 더욱 바람직한 것은 300℃내지 350℃사이에서 반응이 이루어지도록 하는 것이다. 상기 원통형반응기(9)의 내부압력은 1기압내지 10기압사이에서 이루어진다.The internal temperature of the cylindrical reactor 9 is maintained at a constant temperature between 150 ° C. and 800 ° C. with a heating device 2 installed outside the cylindrical reactor 9, and more preferably, a reaction between 300 ° C. and 350 ° C. To make this happen. The internal pressure of the cylindrical reactor 9 is between 1 atm and 10 atm.

본 발명에 따른 삼염화실란의 생성은 흡열반응으로 이루어지기 때문에 흡열에 필요한 열을 공급하기 위하여 원통형 반응기의 오측에 전기에 의한 히팅장치(2)를 설치하여 150℃내지 800℃사이에서 일정 온도를 유지할 수 있도록 구성되어 있다.Since trichlorosilane is produced by an endothermic reaction, an electric heating device 2 is installed on the right side of the cylindrical reactor in order to supply the heat required for the endotherm, and thus the temperature is maintained at a temperature between 150 ° C and 800 ° C. It is configured to be.

반응기 내부의 반응은 반응식(2)과 반응식(3)으로 이루어진다.The reaction inside the reactor consists of reaction formula (2) and reaction scheme (3).

Si + 3HCl <-> SiHCl3 + H2 (2)Si + 3HCl <-> SiHCl3 + H2 (2)

Si + 2H2 + 3SiCl4 <-> 4SiHCl3 (3)Si + 2H2 + 3SiCl4 <-> 4SiHCl3 (3)

상기 원통형반응기(9)를 통과하여 나온 유체는 원통형반응기(9) 상부에 설치된 사이클론(48)을 통과하면서 유체 속에 포함된 미세한 분말금속규소를 분리 회수하여 피드백시켜 원통형반응기(9)의 내부로 재순환되도록 구성되고, 재순환된 금속규소를 원료로 재활용함으로 비용을 절감할 수 있도록 설계 제작되어 있다.The fluid that has passed through the cylindrical reactor 9 passes through a cyclone 48 installed on the cylindrical reactor 9, and collects and feeds back fine powder metal silicon contained in the fluid to be recycled back into the cylindrical reactor 9. It is designed and manufactured to reduce the cost by recycling the recycled metal silicon as a raw material.

원통형반응기(9) 상부에는 반응기 내부의 압력을 측정하기 위하여 반응기 상부에 압력게이지(24)가 설치되며, 사이클론(48)의 하부 일측에 설치된 금속규소의 재순환 라인 상에는 회수된 금속규소의 재순환을 제어하기 위한 제어밸브(31)를 설치할 수 있다. In the upper part of the cylindrical reactor 9, a pressure gauge 24 is installed at the upper part of the reactor to measure the pressure in the reactor, and the recycling of the recovered metal silicon is controlled on the recycling line of the metal silicon installed at the lower side of the cyclone 48. To control valve 31 can be provided.

상기 사이클론(48)을 통과하면서 미세한 분말금속규소가 분리 제거된 기체에는 사염화규소(STC)와 삼염화실란(TCS)이 동시에 존재하며, 이를 비등점 차이를 이 용하여 분리 회수하기 위한 증류탑(10)은 하부온도를 50℃내지 58℃사이의 일정온도로 유지할 수 있도록 가열하기 위한 증류탑 히팅장치(11)가 증류탑하부 일측에 설치되고, 상부온도를 30℃내지 35℃사이의 일정온도로 유지할 수 있도록 냉각용 열교환기(13)가 설치되어 있다. 증류탑(10)에서 비등점 차이를 이용하여 분리 회수된 사염화규소는 사염화규소저장탱크(12)로 이송 저장되어 사염화규소탱크(12)로 재순환시켜 재활용하도록 구성되며, 삼염화실란(TCS)는 삼염화실란 저장탱크(15)에 응축 액화시켜 저장하며, 이때 삼염화실란의 순도는 95%이상이다. Silicon tetrachloride (STC) and trichlorosilane (TCS) are present at the same time in the gas from which fine powder metal silicon is separated and removed while passing through the cyclone 48, and the distillation column 10 for separating and recovering them using the boiling point difference is located at the bottom. Distillation column heating device 11 for heating to maintain a constant temperature between 50 ℃ to 58 ℃ is installed on one side of the bottom of the distillation column, for cooling to maintain a constant temperature between 30 ℃ to 35 ℃ The heat exchanger 13 is provided. Silicon tetrachloride separated and recovered using the boiling point difference in the distillation column (10) is transferred to the silicon tetrachloride storage tank (12), and is recycled and recycled to the silicon tetrachloride tank (12), and trichlorosilane (TCS) stores trichlorosilane. Condensation liquefaction and storage in the tank 15, wherein the purity of trichlorosilane is more than 95%.

상기 증류탑(11)의 내부기압은 1기압에서 5기압사이에서 이루어지고, 증류탑의 내부온도는 10℃내지 100℃사이에서 이루어진다. 상기 증류탑 히팅장치(11)가 설치된 증류탑 탱크의 내부 일측에는 증류탑 탱크에 회수된 사염화규소의 레벨을 측정하기 위한 증류탑 탱크레벨게이지(20)와, 증류탑 탱크의 내부온도를 측정하기 위한 증류탑내부 온도센서(18) 및 증류탑 탱크의 내부압력을 측정하기 위한 증류탑내부 압력게이지(26)가 설치되어 있다.The internal pressure of the distillation column 11 is made between 1 atm and 5 atm, and the internal temperature of the distillation column is made between 10 ° C and 100 ° C. Distillation tower tank level gauge 20 for measuring the level of silicon tetrachloride recovered in the distillation tower tank, and a distillation tower internal temperature sensor for measuring the internal temperature of the distillation tank 18 and an internal pressure gauge 26 for distillation column for measuring the internal pressure of the distillation column tank are provided.

상기 사이클론(48)을 거쳐서 나온 기체는 배관을 따라서 증류탑 하부로 주입되고, 사이클론(48)과 증류탑(11)사이에 설치된 배관 일측에는 가스의 흐름을 제어하기 위한 제어밸브(32)가 설치되어 있으며, 증류탑 상부에는 증류탑 내부의 압력을 측정하기 위한 압력게이지(25)가 설치되어 있다.The gas emitted through the cyclone 48 is injected into the lower portion of the distillation column along the pipe, and a control valve 32 for controlling the flow of gas is installed at one side of the pipe installed between the cyclone 48 and the distillation tower 11. In the upper part of the distillation column, a pressure gauge 25 for measuring the pressure inside the distillation column is installed.

증류탑 탱크에는 도1에서와 같이 비등점의 차이에 의하여 비등점이 높은 사염화규소가 하부에 모이게 되고, 회수된 사염화규소는 배관을 통해서 사염화규소저장탱크(12)로 배관 상에 설치된 공급펌프(47)를 이용하여 이송되며, 공급펌프(47) 가 설치된 배관 좌우측에는 유체의 흐름을 제어하기 위한 제어밸브(43, 44)가 설치되어 있다. 증류탑 탱크 내부에는 히팅장치(11)의 부하를 감소시키기 위한 베플(Baffle)이 설치되어 있다.In the distillation column tank, silicon tetrachloride having a high boiling point is collected at a lower portion due to the difference in boiling point as shown in FIG. 1, and the recovered silicon tetrachloride is supplied to the silicon tetrachloride storage tank 12 through a pipe to supply the pump 47. The control valves 43 and 44 for controlling the flow of a fluid are provided in the left and right sides of the pipe in which the feed pump 47 is installed. A baffle is installed in the distillation column tank to reduce the load of the heating device 11.

사염화규소저장탱크(12) 내부에는 증류탑에서 이송된 사염화규소의 레벨을 측정하기 위한 레벨게이지(21)와, 압력을 측정하기 위한 압력게이지(27)가 설치되어 있고, 사염화규소저장탱크(12) 내부에는 공급펌프(47)로 사염화규소를 사염화규소탱크(8)에 안정적으로 공급하기 위한 베플(Baffle)이 설치되어 있다. Inside the silicon tetrachloride storage tank 12, a level gauge 21 for measuring the level of silicon tetrachloride transferred from the distillation column and a pressure gauge 27 for measuring the pressure are provided, and the silicon tetrachloride storage tank 12 is provided. A baffle for stably supplying silicon tetrachloride to the silicon tetrachloride tank 8 by a supply pump 47 is installed inside.

사염화규소저장탱크(12)와 사염화규소탱크(8)사이에는 배관이 연결 설치되고, 배관 상에는 공급펌프(47)가 설치되며, 공급펌프(47)의 앞뒤에는 유체의 흐름을 제어하기 위한 제어밸브(36, 37)가 설치되어 있고, 사염화규소저장탱크(12) 하부 일측에는 필요시에 사염화규소를 배출할 수 있는 제어밸브(45)를 설치할 수 있다. A pipe is connected and installed between the silicon tetrachloride storage tank 12 and the silicon tetrachloride tank 8, and a supply pump 47 is installed on the pipe, and a control valve for controlling the flow of fluid in front and behind the supply pump 47. 36 and 37 are provided, and a control valve 45 capable of discharging silicon tetrachloride, if necessary, can be provided on one side of the silicon tetrachloride storage tank 12.

상기 증류탑(10) 상부에는 증류탑을 거쳐서 나온 기체를 30℃내지 35℃정도로 냉각시키기 위한 냉각용 열교환기(13)가 설치되어 있으며, 열교환기(13)의 일측에는 열교환기로 냉매를 주입하거나 차단하기 위한 제어밸브(38, 39)가 설치되어 있다. 증류탑(10) 상부의 배관 상에는 증류탑 상부로 이동하는 기체의 흐름을 제어하기 위한 제어밸브(33)가 설치되어 있다.A cooling heat exchanger 13 is installed on the distillation column 10 to cool the gas from the distillation column to about 30 ° C. to 35 ° C., and one side of the heat exchanger 13 injects or blocks a refrigerant to the heat exchanger. Control valves 38 and 39 are provided. On the pipe of the upper part of the distillation column 10, a control valve 33 for controlling the flow of gas moving to the upper part of the distillation column is provided.

상기 증류탑(10) 상부에 설치된 냉각용 열교환기(13)를 통과하여 나온 기체는 컨덴서를 거쳐서 삼염화실란을 저장하는 삼염화실란 저장탱크(15)로 배관을 통해서 이송 저장되며, 삼염화실란 저장탱크(15)의 전단에는 삼염화실란을 액화 저장 하기 위하여 냉각시키기 위한 냉각용 열교환기(14)가 설치되어 있고, 열교환기(14)의 일측에는 열교환기로 냉매를 주입하거나 차단하기 위한 제어밸브(40, 41)가 설치되어 있다. The gas that has passed through the cooling heat exchanger 13 installed above the distillation column 10 is transferred and stored through a pipe to a trichlorosilane storage tank 15 for storing trichlorosilane through a condenser, and the trichlorosilane storage tank 15 At the front of the heat exchanger, a cooling heat exchanger 14 for cooling the trichlorosilane is liquefied and stored. A control valve 40 or 41 for injecting or blocking a refrigerant into the heat exchanger is provided at one side of the heat exchanger 14. Is installed.

상기 냉각 응축용 열교환기(14)를 통과한 유체를 제어하기 위하여 열교환기(14) 전단 및 후단에는 각각 제어밸브(34, 35)가 설치되어 있다.In order to control the fluid that has passed through the cooling condensation heat exchanger 14, control valves 34 and 35 are provided at the front and rear ends of the heat exchanger 14, respectively.

삼염화실란 저장탱크(15) 내부에는 액화 저장된 삼염화실란의 레벨을 측정하기 위한 레벨게이지(22)와 삼염화실란 저장탱크(15)의 내부압력을 측정하기 위한 압력게이지(28)가 설치되어 있다. 삼염화실란 저장탱크(15) 하부 일측에는 삼염화실란을 배출할 수 있는 제어밸브(42)를 설치할 수 있다. In the trichlorosilane storage tank 15, a level gauge 22 for measuring the level of liquefied trichlorosilane and a pressure gauge 28 for measuring the internal pressure of the trichlorosilane storage tank 15 are provided. The lower side of the trichlorosilane storage tank 15 may be provided with a control valve 42 for discharging trichlorosilane.

상기 원통형반응기(9)는 도1에서와 같이 촉매 층(4)과 금속규소 층(5)을 분리하여 제작한 고정층반응기와, 촉매와 금속규소를 혼합 장입시켜 제작된 혼합형반응기 및 촉매와 금속규소가 반응기 내부에서 이동하도록 제작하여 반응시간을 증대시켜 전환율을 높이기 위한 유동층반응기 중에서 하나를 선택하여 설계 제작할 수 있다.The cylindrical reactor (9) is a fixed bed reactor prepared by separating the catalyst layer (4) and the metal silicon layer (5) as shown in FIG. 1, a mixed reactor prepared by mixing and charging the catalyst and the metal silicon, and the catalyst and the metal silicon. It can be designed and manufactured by selecting one of the fluidized bed reactor to increase the conversion rate by increasing the reaction time by making to move inside the reactor.

도2는 본 발명에 따른 증류탑(10)을 확대하여 도시한 도면으로, 도2의 증류탑(10)은 히터장치(11)가 탑재된 리보일러, 증류칼럼 및 컨덴서(응축기)로 구성되어 있으며, 리보일러에서는 히팅장치로 50℃내지 58℃로 가열하고, 증류칼럼에서는 유체의 접촉시간을 증대시켜 삼염화실란의 순도를 증가시키며, 컨덴서에서는 통과하는 기체를 응축시켜 액체는 도2에서와 같이 피드백시키고 기체는 삼염화실란 저장탱크(15)로 이송하도록 구성되어 있다. FIG. 2 is an enlarged view of the distillation column 10 according to the present invention. The distillation column 10 of FIG. 2 includes a reboiler, a distillation column, and a condenser (condenser) on which the heater device 11 is mounted. In the reboiler, the heating device is heated to 50 ° C to 58 ° C. In the distillation column, the contact time of the fluid is increased to increase the purity of the trichlorosilane, and the condenser condenses the gas passing through the liquid to feed back as shown in The gas is configured to transfer to the trichlorosilane storage tank 15.

상기 기술한 다양한 제어밸브와 센서들은 설계 제작 시에 필요에 따라 더 부가 설치하거나 제거할 수 있으며, 상기 다수의 제어밸브, 공급펌프, 히팅장치 및 센서들을 서로 연동시켜 자동 또는 수동으로 삼염화실란을 제조할 수 있도록 마이크로프로세서를 이용한 제어부를 설치할 수 있다. The various control valves and sensors described above can be additionally installed or removed as needed during design and manufacture, and the trichlorosilane is automatically or manually manufactured by interworking the plurality of control valves, supply pumps, heating devices and sensors with each other. The control unit using a microprocessor can be installed.

원통형 반응기에 탑재되는 Pd 촉매는 일정 농도의 팔라듐 염(PdNO3, PdCl2) 용액에 알루미나, 제올라이트, 산화규소, 활성탄 및 규조토 중 하나의 담채를 선택하여 함침시켜 건조시킨 후 Na2CO3, K2CO3 등의 용액으로 중화시켜 건조하고, 400℃에서 소성한 후 수소로 300℃에서 5시간동안 환원하여 사용하였다. Pb 촉매는 촉매성분이 Pb, Ti, Sr, 등으로 구성되어 있으며, PbNO3, TiCl4 및 SrNO3 등을 일정비율의 용액으로 제조하여 알루미나, 제올라이트, 산화규소, 활성탄 및 규조토 중 하나의 담채를 선택하여 함침시키고 중화제로 중화시킨 후, 100℃ 정도에서 건조하고 500℃에서 소성한 다음 300℃에서 5시간 수소로 환원하여 촉매로 사용하였으며, Cu 촉매는 일정농도의 CuCl2 용액에 알루미나, 제올라이트, 산화규소, 활성탄 및 규조토 중 하나의 담채를 선택하여 일정시간 동안 함침시켜 건조한 후 중화제로 중화시켜 건조시키고, 소성한 다음에 수소로 환원하여 촉매로 사용한다.Pd catalysts include palladium salt of a concentration which is mounted in a cylindrical reactor (PdNO 3, PdCl 2) alumina in solution, the zeolite, after selecting a tint of a silicon oxide, activated carbon and diatomaceous earth and dried impregnated with Na 2 CO 3, K It was neutralized with a solution such as 2 CO 3 , dried, calcined at 400 ° C., and reduced with hydrogen at 300 ° C. for 5 hours. Pb catalyst is composed of Pb, Ti, Sr, etc., and PbNO 3 , TiCl 4, SrNO 3 and the like in a proportion of the solution to select one of alumina, zeolite, silicon oxide, activated carbon and diatomaceous earth Impregnated, neutralized with a neutralizing agent, dried at about 100 ° C., calcined at 500 ° C., and reduced to hydrogen at 300 ° C. for 5 hours to be used as a catalyst. Cu catalyst was alumina, zeolite, and oxidation in a constant concentration of CuCl 2 solution. One of silicon, activated carbon, and diatomaceous earth is selected, impregnated for a predetermined time, dried, neutralized with a neutralizing agent, dried, calcined, and reduced with hydrogen to use as a catalyst.

삼염화실란을 제조하는 제조방법에 대하여 살펴본다. 본 발명에 따른 삼염화실란의 제조방법은 수소공급원으로부터 사염화규소탱크로 배관을 통해서 수소를 공급하는 공정을 거쳐서, 상기 수소공급원으로부터 배관을 통해서 수소를 공급받아서 수소와 사염화규소를 사염화규소탱크에서 버블링시켜 배관을 통해서 원통형반응기로 주입하는 공정을 거치며,
사염화규소탱크에서 배관을 통해서 주입된 수소와 사염화규소를 금속촉매와 금속규소가 장입된 원통형반응기에서 히팅장치로 가열 반응시켜 삼염화실란을 생성하는 공정을 거치고, 하부에 히팅장치가 설치된 증류탑에서 상기 원통형반응기를 거쳐서 나온 기체 중에 포함된 사염화규소와 삼염화실란을 비등점의 차이를 이용하여 분리하여 삼염화실란을 획득하는 공정으로 이루어진다.
It looks at the manufacturing method for producing trichlorosilane. In the method for producing trichlorosilane according to the present invention, hydrogen is supplied through a pipe from a hydrogen supply source to a silicon tetrachloride tank, and hydrogen and silicon tetrachloride are bubbling from a silicon tetrachloride tank by supplying hydrogen through the pipe. Through the pipe and into the cylindrical reactor,
Hydrogen and silicon tetrachloride injected through the pipe from the silicon tetrachloride tank are heated and reacted with a heating device in a cylindrical reactor loaded with a metal catalyst and a metal silicon to generate trichlorosilane, and the cylindrical column is installed in the distillation column Silicon tetrachloride and trichlorosilane contained in the gas from the reactor is separated by using a difference in boiling point to obtain a trichlorosilane.

상기 삼염화실란의 제조공정에는 앞서 기술한 제조장치에 의하여 발생하는 다수의 공정을 더 부가할 수 있다.The manufacturing process of the trichlorosilane may further add a plurality of processes generated by the above-described manufacturing apparatus.

[실시 예1] Example 1

본 발명에 따른 촉매를 이용한 삼염화실란의 제조 장치에서 원통형 반응기의 크기는 직경이 10㎝이며, 높이는 2m이고, 상부에는 직경 30㎝인 사이클론이 설치되어 있으며, 상기 사이클론의 다음 단에는 직경 10㎝이고, 높이 2m인 증류탑이 설치되고, 증류탑 상부에 컨덴서가 부착 설치되어 있으며, 증류탑 하부는 히팅장치로 가열하여 58℃가 유지되도록 구성하였다.In the apparatus for producing trichlorosilane using the catalyst according to the present invention, the cylindrical reactor has a diameter of 10 cm, a height of 2 m, and a cyclone having a diameter of 30 cm at the top thereof, and a diameter of 10 cm at the next stage of the cyclone. , 2m high distillation column is installed, the condenser is attached to the top of the distillation column, the lower part of the distillation column was configured to maintain 58 ℃ by heating with a heating device.

직경이 10㎝인 원통형반응기의 하단부에 앞서 설명한 제조방법으로 제조된 Pd촉매를 0.5L을 장입하고, 상부에서 3L의 금속규소를 장입하였다.At the lower end of the cylindrical reactor 10 cm in diameter, 0.5 L of the Pd catalyst prepared by the method described above was loaded, and 3 L of metal silicon was loaded at the top.

2L용기의 사염화규소탱크를 전기히터로 50℃로 가열하고, 수소를 70sccm으로 주입하여 버블링하였다.A silicon tetrachloride tank of 2 L vessel was heated to 50 ° C. with an electric heater, and hydrogen was injected at 70 sccm to bubble.

이때 원통형반응기 외벽에 설치된 전기히팅장치로 가열하여 반응기의 내부온도를 320℃가 유지되도록 하였으며, 비교분석을 위하여 사이클론을 통과한 부위에 1/8" 튜브(tube)로 가스크로마토그라프로 연결 설치하여 기체 상태를 분석하였다.The internal temperature of the reactor was maintained at 320 ° C by heating with an electric heating device installed on the outer wall of the cylindrical reactor.The gas chromatograph was connected to the 1/8 "tube through the cyclone for comparative analysis. The gas state was analyzed.

이와 같이 구성하여 얻은 삼염화실란(TCS)의 전환율은 약32%를 보였고, 이 기체를 직경이 10㎝이고, 높이가 2m로 제작된 증류탑으로 분리한 다음 회수 가스를 분석한 결과, 삼염화실란(TCS)의 순도는 98%를 나타내었다.The conversion rate of the trichlorosilane (TCS) thus obtained was about 32%, and this gas was separated into a distillation column having a diameter of 10 cm and a height of 2 m, and the recovered gas was analyzed. The trichlorosilane (TCS) was analyzed. Purity) is 98%.

[실시 예2] Example 2

실시 예1의 조건에서 원통형반응기의 반응온도를 유지하기 위한 전기히팅장치를 이용하여 반응기의 내부온도를 200℃로 유지하였으며, 이 때 삼염화실란(TCS)의 전환율은 15%를 나타냈다.The internal temperature of the reactor was maintained at 200 ° C. using an electric heating apparatus for maintaining the reaction temperature of the cylindrical reactor under the conditions of Example 1, wherein the trichlorosilane (TCS) conversion rate was 15%.

[실시 예3] Example 3

실시 예1의 조건에서 원통형반응기의 반응온도를 유지하기 위한 전기히팅장치를 이용하여 반응기의 내부온도를 500℃로 유지하였으며, 이 때 삼염화실란(TCS)의 전환율은 45%를 나타내었다.In the condition of Example 1, the internal temperature of the reactor was maintained at 500 ° C. using an electric heating device for maintaining the reaction temperature of the cylindrical reactor, and the conversion rate of trichlorosilane (TCS) was 45%.

[비교 예4] Comparative Example 4

실시 예1의 조건에서 반응기의 내부온도를 320℃로 유지하고, 촉매를 사용하지 않았을 경우에는 삼염화실란(TCS)의 전환율은 0을 나타냈다.When the internal temperature of the reactor was maintained at 320 ° C. under the conditions of Example 1, and the catalyst was not used, the conversion rate of trichlorosilane (TCS) was 0.

[실시 예4] Example 4

실시 예1과 동일하며 앞서 기술한 금속촉매 제조방법으로 제조한 Pb계 촉매를 사용하였을 경우에는 삼염화실란(TCS)의 전환율은 25%를 나타냈다.When the Pb-based catalyst prepared in the same manner as in Example 1 and prepared by the method of preparing a metal catalyst was used, the conversion rate of trichlorosilane (TCS) was 25%.

[실시 예5] Example 5

실시예 4의 경우와 동일한 조건에서 반응기의 내부온도 200℃로 유지하였을 경우에는 삼염화실란(TCS)의 전환율은 10%를 나타냈다.When the temperature was maintained at 200 ° C. in the reactor under the same conditions as in Example 4, the conversion rate of trichlorosilane (TCS) was 10%.

[실시 예6] Example 6

실시예 4의 경우와 동일한 조건에서 반응기의 내부온도 500℃로 유지하였을 경우에는 삼염화실란(TCS)의 전환율은 35%를 나타냈다.When the temperature was maintained at 500 ° C. in the reactor under the same conditions as in Example 4, the conversion rate of trichlorosilane (TCS) was 35%.

앞서 살펴본 바와 같이 실시 예1내지 실시 예6과 비교 예4를 통해서 알 수 있듯이 팔라듐을 이용한 촉매를 사용할 경우에 납(Pb 계)계의 촉매를 이용할 경우보다 전환율이 우수함을 알 수 있으며, 촉매를 사용할 경우에 사용하지 않을 경우보다 전환율이 우수함을 알 수 있다.As described above, as can be seen from Examples 1 to 6 and Comparative Example 4, when the catalyst using palladium is used, the conversion rate is superior to that of the lead (Pb-based) catalyst. It can be seen that the conversion rate is better when used than when not used.

본 발명은 금속촉매를 사용하여 금속원소 및 사염화규소(silicone tetra chlorine)를 주원료로 사용하고 수소를 첨가하여 삼염화실란을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로써 사염화규소(STC)의 재순환시키고 촉매를 사용함으로써 공정조건의 완화시키고 자원의 재활용과 삼염화실란의 제조효율을 향상시킬 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다. The present invention relates to a method and apparatus for producing trichlorosilane by using metal element and silicon tetrachloride as a main material and adding hydrogen using a metal catalyst, and recycling silicon tetrachloride (STC) and using a catalyst. The industrial availability is very high because it can alleviate process conditions and improve the recycling of resources and manufacturing efficiency of trichlorosilane.

도1 : 본 발명에 따라 설계된 삼염화실란의 제조를 위한 장치도1 is a device diagram for the production of trichlorosilane designed according to the present invention

도2 : 본 발명에 따라 설계된 삼염화실란 제조장치 중에서 증류탑을 확대 도시한 도면2 is an enlarged view showing a distillation column in a trichlorosilane production apparatus designed according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1; 금속규소 공급장치 2; 반응기 히팅장치One; Metal silicon feeder 2; Reactor heating device

3; 반응기 지지대 4; 촉매 층3; Reactor support 4; Catalyst bed

5; 금속규소 층 6; 플로메터(FMC)5; Metal silicon layer 6; Flow meter (FMC)

7; 수소 공급원 8; 사염화규소 탱크7; Hydrogen source 8; Silicon Tetrachloride Tank

9; 원통형반응기 10; 증류탑9; Cylindrical reactor 10; Distillation tower

11; 증류탑 히팅장치 12; 사염화규소 저장탱크11; Distillation column heating apparatus 12; Silicon Tetrachloride Storage Tank

13; 증류탑 냉각용 열교환기 14; 삼염화실란 냉각용 열교환기13; Heat exchanger 14 for distillation column cooling; Heat exchanger for trichlorosilane cooling

15; 사염화규소 저장탱크 16; 사염화규소탱크 히팅장치15; Silicon tetrachloride storage tank 16; Silicon tetrachloride tank heating device

17; 사염화규소탱크 내부온도센서 18; 증류탑 탱크 내부온도센서17; Internal temperature sensor 18 of silicon tetrachloride tank; Temperature sensor inside the distillation column tank

19; 사염화규소탱크 레벨게이지 20; 증류탑탱크 레벨게이지19; Silicon tetrachloride tank level gauge 20; Distillation Column Tank Level Gauge

21; 사염화규소 저장탱크 레벨게이지 22; 삼염화실란 저장탱크 레벨게이지21; Silicon tetrachloride storage tank level gauge 22; Trichlorosilane Storage Tank Level Gauge

23; 사염화실란탱크 압력게이지 24; 반응기 내부 압력게이지23; Silane tetrachloride tank pressure gauge 24; Pressure gauge inside reactor

25; 증류탑 내부 압력게이지 26; 증류탑 탱크 압력게이지25; Distillation column internal pressure gauge 26; Distillation Column Tank Pressure Gauge

27; 사염화규소 저장탱크 압력게이지 28; 삼염화실란 저장탱크 압력게이지27; Silicon tetrachloride storage tank pressure gauge 28; Trichlorosilane Storage Tank Pressure Gauge

29; 수소공급 제어밸브 30; 제어밸브29; Hydrogen supply control valve 30; Control valve

31; 제어밸브(회수된 금속규소) 32; 제어밸브(반응기와 증류탑사이)31; Control valve (recovered metal silicon) 32; Control valve (between reactor and distillation column)

33; 증류탑 상부 제어밸브 33; Distillation column upper control valve

34; 삼염화실란 저장탱크 열교환기 상부제어밸브34; Trichlorosilane Storage Tank Heat Exchanger Upper Control Valve

35; 삼염화실란 저장탱크 열교환기 하부제어밸브35; Trichlorosilane Storage Tank Heat Exchanger Bottom Control Valve

36; 사염화규소 저장탱크 공급펌프 제어밸브(전단) 36; Silicon tetrachloride storage tank supply pump control valve (shear)

37; 사염화규소 저장탱크 공급펌프 제어밸브(후단)37; Silicon tetrachloride storage tank supply pump control valve (rear)

38; 증류탑 냉각용 열교환기 제어밸브(주입)38; Heat exchanger control valve (injection) for distillation column cooling

39; 증류탑 냉각용 열교환기 제어밸브(배출)39; Heat exchanger control valve for distillation column cooling

40; 삼염화실란 저장탱크 열교환기 제어밸브(주입)40; Trichlorosilane Storage Tank Heat Exchanger Control Valve (Injection)

41; 삼염화실란 저장탱크 열교환기 제어밸브(배출)41; Trichlorosilane Storage Tank Heat Exchanger Control Valve (Exhaust)

42; 삼염화실란 저장탱크 하부 제어밸브43; 사염화규소 공급 제어밸브(전단) 42; Trichlorosilane storage tank lower control valve 43; Silicon tetrachloride supply control valve (shear)

44; 사염화규소 공급 제어밸브(후단)45; 사염화규소 저장탱크 하부 제어밸브44; Silicon tetrachloride supply control valve (rear) 45; Silicon tetrachloride storage tank lower control valve

46; 공급펌프(사염화규소 저장탱크 측으로)46; Supply pump (to silicon tetrachloride storage tank)

47; 공급펌프(사염화규소탱크 측으로)47; Supply pump (to silicon tetrachloride tank side)

48; 사이클론48; Cyclone

Claims (9)

삼염화실란을 제조하는 제조장치에 있어서,In the manufacturing apparatus for manufacturing trichlorosilane, 사염화규소탱크로 수소를 공급하기 위한 수소 공급원;A hydrogen source for supplying hydrogen to the silicon tetrachloride tank; 상기 수소 공급원으로부터 배관을 통해서 수소를 공급받아서 버블링시켜 원통형 반응기로 주입하기 위한 사염화규소탱크;A silicon tetrachloride tank for receiving hydrogen from the hydrogen source through a pipe and bubbling it to be injected into a cylindrical reactor; 상기 사염화규소탱크에서 배관을 통해서 주입 버블링된 유체와 반응하여 삼염화실란을 생성하기 위하여 Pd계 또는 Pb계 촉매와 금속규소가 장입된 원통형반응기; A cylindrical reactor loaded with a Pd-based or Pb-based catalyst and metal silicon to react with the injected bubbling fluid through a pipe in the silicon tetrachloride tank to generate trichlorosilane; 상기 원통형반응기 외부에 설치되어 원통형반응기를 가열하기 위한 히팅장치; 및A heating device installed outside the cylindrical reactor for heating the cylindrical reactor; And 상기 원통형반응기를 거쳐서 나온 사염화규소와 삼염화실란을 비등점의 차이를 이용하여 분리하기 위하여 하부에 히팅장치를 구비한 증류탑으로 이루어진 Pd계 또는 Pb계 촉매를 이용한 삼염화실란 제조장치. The trichlorosilane production apparatus using a Pd-based or Pb-based catalyst consisting of a distillation column having a heating device at the bottom to separate the silicon tetrachloride and trichloride silane from the cylindrical reactor using a difference in boiling point. 삭제delete 청구항1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 Pd계 또는 Pb계 촉매의 담채는 알루미나, 제올라이트, 산화규소, 활성탄 및 규조토 중에서 하나를 선택하여 함침시켜 제조하여 원통형 반응기에 장입함을 특징으로 하는 Pd계 또는 Pb계 촉매를 이용한 삼염화실란 제조장치. The tin chloride of the Pd-based or Pb-based catalyst is prepared by impregnating one of alumina, zeolite, silicon oxide, activated carbon, and diatomaceous earth, and charged into a cylindrical reactor. . 청구항1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 원통형반응기의 상부에는 원통형반응기를 통과하여 나온 기체 중에서 미세한 분말금속규소를 분리 회수하기 위한 사이클론이 설치되고,The cyclone for separating and recovering fine powder metal silicon from the gas passed through the cylindrical reactor is installed at the upper portion of the cylindrical reactor, 분리 회수된 분말금속규소는 원통형반응기에 장입된 금속규소가 위치한 곳으로 재순환되며, The separated and recovered powdered metal silicon is recycled to the place where the metal silicon charged in the cylindrical reactor is located. 상기 증류탑에서 비등점의 차이를 이용하여 분리 회수한 사염화규소는 사염화규소탱크로 재순환되도록 설계 제작된 Pd계 또는 Pb계 촉매를 이용한 삼염화실란 제조장치.Silicon tetrachloride separated and recovered using the difference in boiling point in the distillation column is a trichlorosilane production apparatus using a Pd-based or Pb-based catalyst designed to be recycled to the silicon tetrachloride tank. 청구항1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 원통형반응기는 Pd계 또는 Pb계 촉매 층과 금속규소 층을 분리하여 제작한 고정층반응기,The cylindrical reactor is a fixed bed reactor prepared by separating the Pd-based or Pb-based catalyst layer and the metal silicon layer, Pd계 또는 Pb계 촉매와 금속규소를 혼합 장입시켜 제작된 혼합형반응기, 및A mixed reactor produced by mixing and charging a Pd-based or Pb-based catalyst with a metal silicon, and Pd계 또는 Pb계 촉매 및 금속규소가 원통형반응기 내부에서 이동하도록 구성하여 반응시간을 증대시켜 전환율을 높일 수 있도록 제작된 유동층반응기 중에서 하나를 선택하여 제작한 Pd계 또는 Pb계 촉매를 이용한 삼염화실란 제조장치.Preparation of trichloride silane using Pd-based or Pb-based catalyst prepared by selecting one of the fluidized bed reactors designed to increase the conversion time by increasing the reaction time by configuring the Pd-based or Pb-based catalyst and the metal silicon to move inside the cylindrical reactor Device. 청구항1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 원통형반응기의 반응온도는 150℃내지 500℃사이에서 이루어지며, 반응기의 내부압력은 1기압내지 10기압사이에서 이루어지고, 증류탑의 내부기압은 1기압에서 5기압사이에서 이루어지며, 증류탑의 내부온도는 10℃내지 100℃사이에서 이루어짐을 특징으로 하는 Pd계 또는 Pb계 촉매를 이용한 삼염화실란 제조장치.The reaction temperature of the cylindrical reactor is made between 150 ℃ to 500 ℃, the internal pressure of the reactor is made between 1 atm and 10 atm, the internal air pressure of the distillation column is made between 1 atm and 5 atm, the inside of the distillation column Apparatus for producing trichlorosilane using a Pd-based or Pb-based catalyst, characterized in that the temperature is made between 10 ℃ to 100 ℃. 청구항1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 증류탑은 히터장치로 50℃내지 58℃사이에서 가열 유지하는 리보일러, 삼염화실란의 순도를 증가시키기 위하여 유체의 접촉시간을 증대시키기 위한 증류칼럼 및 유체를 응축시키기 위한 컨덴서로 구성됨을 특징으로 하는 Pd계 또는 Pb계 촉매를 이용한 삼염화실란 제조장치.The distillation column comprises a reboiler for maintaining heating between 50 ℃ to 58 ℃ as a heater device, a distillation column for increasing the contact time of the fluid in order to increase the purity of trichlorosilane and a condenser for condensing the fluid. Trichloride silane production apparatus using a Pd-based or Pb-based catalyst. 삼염화실란을 제조하는 제조방법에 있어서,In the production method for producing trichlorosilane, 수소공급원으로부터 사염화규소탱크로 배관을 통해서 수소를 공급하는 공정;Supplying hydrogen through a pipe from a hydrogen supply source to a silicon tetrachloride tank; 상기 수소공급원으로부터 배관을 통해서 수소를 공급받아서 수소와 사염화규소를 사염화규소탱크에서 버블링시켜 배관을 통해서 원통형반응기로 주입하는 공정;Receiving hydrogen through a pipe from the hydrogen supply source and bubbling hydrogen and silicon tetrachloride in a silicon tetrachloride tank and injecting the hydrogen into a cylindrical reactor through the pipe; 사염화규소탱크에서 배관을 통해서 주입된 수소와 사염화규소를 Pd계 또는 Pb계 촉매와 금속규소가 장입된 원통형반응기에서 히팅장치로 가열 반응시켜 삼염화실란을 생성하는 공정; 및 Generating hydrogen trichloride by heat-reacting hydrogen and silicon tetrachloride injected through a pipe in a silicon tetrachloride tank with a heating apparatus in a cylindrical reactor loaded with a Pd-based or Pb-based catalyst and metal silicon; And 하부에 히팅장치가 설치된 증류탑에서 상기 원통형반응기를 거쳐서 나온 기체 중에 포함된 사염화규소와 삼염화실란을 비등점의 차이를 이용하여 분리하여 삼염화실란을 획득하는 공정으로 이루어진 Pd계 또는 Pb계 촉매를 이용한 삼염화실란 제조방법. Trichloride silane using a Pd-based or Pb-based catalyst consisting of a process for obtaining trichlorosilane by separating silicon tetrachloride and trichlorosilane contained in the gas from the cylindrical reactor from the bottom of the distillation column equipped with a heating device at the bottom using a difference in boiling point. Manufacturing method. 청구항8에 있어서, The method according to claim 8, 상기 원통형반응기의 상부에 원통형반응기를 통과하여 나온 기체 중에서 미세한 분말금속규소를 분리 회수하기 위한 사이클론이 설치되고, 사이클론에서 분리 회수된 분말금속규소를 원통형반응기에 장입된 금속규소가 위치한 곳으로 재순환하는 공정; 및 Cyclone for separating and recovering fine powdered metal silicon is installed on the upper portion of the cylindrical reactor through the cylindrical reactor, and recycling the powdered metal silicon separated and recovered from the cyclone to the place where the metal silicon charged in the cylindrical reactor. fair; And 상기 증류탑에서 비등점의 차이를 이용하여 분리 회수한 사염화규소를 사염화규소탱크로 재순환하는 공정을 더 포함한 Pd계 또는 Pb계 촉매를 이용한 삼염화실란 제조방법. Method for producing trichlorosilane using a Pd-based or Pb-based catalyst further comprising the step of recycling the silicon tetrachloride separated and recovered using the difference in boiling point in the distillation column to the silicon tetrachloride tank.
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