KR101292545B1 - 트리클로로실란의 정제 방법 및 정제 장치 - Google Patents

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    • B01D3/143—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column by two or more of a fractionation, separation or rectification step

Abstract

본 발명은 트리클로로실란의 생성 반응의 반응 생성물로부터 트리클로로실란 및 테트라클로로실란을 주성분으로 하는 클로로실란 혼합물을 분리시키는 전처리 단계; 상기 클로로실란 혼합물을 미량의 불순물 및 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제1상부 스트림과 테트라클로로실란을 주 성분으로 하는 제1하부 스트림으로 분리시키는 제1정제 단계; 상기 제1상부 스트림을 미량의 저비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2상부 스트림과, 미량의 고비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2하부 스트림으로 분리시키는 제2정제 단계; 및 상기 제2하부 스트림을 트리클로로실란을 주성분으로 하는 제3상부 스트림과, 미량의 고비점의 불순물 및 트리클로로실란 혼합물로 이루어진 제3하부 스트림으로 분리시키는 제3정제 단계를 포함하며, 이때, 상기 제3정제 단계는 상기 제2정제 단계보다 높은 압력 조건 하에서 수행되고, 상기 제2하부 스트림과 상기 제3상부 스트림 사이에 열 교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란의 정제 방법을 제공한다.
Figure R1020090131919
트리클로로실란, 폴리실리콘, 정제

Description

트리클로로실란의 정제 방법 및 정제 장치{APPARATUS FOR PURIFYING TRICHLOROSILANE AND METHOD OF PURIFYING TRICHLOROSILANE}
본 발명은 고순도 폴리실리콘의 원료 물질인 클로로실란의 정제 방법 및 정제 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래에 비해 경제적이고, 에너지 소비가 적은 클로로실란의 정제 방법 및 정제 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 또는 태양 전지의 원료로 사용되는 폴리실리콘은 주로 지멘스법이라고 불리는 기상 증착법에 의해 제조되고 있다. 도 1에는 종래의 지멘스 법에 의한 폴리실리콘 제조 공정이 개략적으로 도시되어 있다.
폴리실리콘 제조 공정은 크게 원료 물질인 트리클로로실란을 제조하는 단계, 트리클로로실란을 고순도로 정제하는 단계 및 정제된 트리클로로실란과 수소를 반응시켜 폴리실리콘을 생성하는 단계로 나누어진다.
도 1을 참조하여 폴리실리콘 제조 공정을 보다 구체적으로 설명한다. 먼저, 반응기(101)에 원료물질인 금속 실리콘(21)과 염산 기체(22)를 공급하고, 300 내지 400℃의 반응 온도에서 반응시켜 트리클로로실란을 제조한다. 이때, 상기 금속 실리콘과 염산 기체의 반응 생성물에는 목적 생성물인 트리클로로실란 이외에도 수소 기체, 미반응된 염산 기체, 테트라클로로실란, 디클로로실란 등의 클로로실란류 등이 혼합되어 있다.
따라서, 상기 반응 생성물로부터 목적 생성물인 트리클로로실란을 분리하는 정제 공정을 수행한다. 일반적으로 고순도의 폴리실리콘을 형성하기 위해서는 99.9999999% 내지 99.999999999% 순도의 트리클로로실란이 요구되며, 이러한 고순도의 트리클로로실란을 얻기 위해서, 상기 정제 공정이 복수의 정제탑을 거쳐 이루어지는 것이 일반적이다. 트리클로로실란의 정제 공정을 보다 구체적으로 살펴본다.
먼저, 전처리탑(102)에서, 증류를 통해 반응기(101)에서 유출된 반응 생성물로부터 클로로실란 혼합물을 분리시킨다. 이때 상기 반응 생성물 중 비점이 낮은 수소 기체, 염산 기체, 디클로로실란 등은 전처리탑(102)의 상부 스트림(top stream)(41)를 통해 배출되고, 비점이 높은 트리클로로실란과 테트라클로로실란을 주 성분으로 포함하는 클로로실란 혼합물은 하부 스트림(bottom stream)(42)을 통해 배출된다.
전처리탑(102)의 하부 스트림(42)은 제1정제탑(103)으로 유입되며, 제1정제탑(103)에서의 증류 공정을 통해, 트리클로로실란과 테트라클로로실란으로 분리된다. 상기 클로로실란 혼합물 중에서 상대적으로 비점이 낮은 트리클로로실란은 상부 스트림(43)으로, 상대적으로 비점이 높은 테트라클로로실란은 하부 스트림(44)으로 배출된다. 이때 상기 제1정제탑(103)의 상부 스트림(43)을 통해 배출되는 트리클로로실란은 통상 99% 정도의 순도를 나타낸다. 그러나 상기한 바와 같이, 일반적으로 고순도의 폴리실리콘을 생산하기 위해서는 99.9999999% 내지 99.999999999% 순도의 트리클로로실란이 요구되므로, 원하는 순도를 얻기 위해 상기 제1정제탑(103)의 상부 스트림(43)을 제2정제탑(104)으로 유입시켜 재정제한다.
제2정제탑(104)으로 유입된 트리클로로실란은 다시 저비점 불순물 및 트리클로로실란의 혼합물과, 테트라클로로실란과 같은 고비점 불순물 및 트리클로로실란의 혼합물로 분리된다. 저비점의 불순물 및 트리클로로실란의 혼합물은 상부 스트림(45)으로 배출된 뒤 응축기(201)를 통과하여 액화된 후, 일부는 제2정제탑(104)으로 환류(46)되고, 나머지(47)는 배출된다. 한편, 고비점 불순물과 트리클로로실란의 혼합물은 하부 스트림(48)을 통해 배출된 다음, 제2정제탑에서 리보일러(reboiler)(301)를 통해 재 가열된 다음, 일부는 제2정제탑(104)으로 리사이클링(49)되고, 나머지(50)는 제3정제탑(105)으로 유입되어, 다시 정제된다. 제3정제탑(105)에서, 상기 고비점 불순물과 트리클로로실란의 혼합물은 고순도의 트리클로 로실란과 고비점 불순물을 포함하는 트리클로로실란으로 분리된다. 이때 상기 고순도의 트리클로로실란은 상부 스트림(51)을 통해 배출된 다음, 응축기(202)에서 액화된 후, 일부는 제3정제탑(105)으로 환류(52)되고, 나머지(53)는 트리클로로실란의 저장탱크(1)로 배출된다. 한편, 고비점 불순물을 포함하는 트리클로로실란은 하부 스트림(54)을 통해 배출된 다음, 리보일러(302)를 통해 재가열된 다음 일부는 제3정제탑으로 리사이클링되고, 나머지는 배출(56)된다. 도 1에는 제3정제탑까지만 도시되어 있으나, 필요에 따라 더 많은 정제 단계를 수행할 수도 있다.
상기와 같은 과정을 거쳐 트리클로로실란의 저장 탱크(1)에 저장된 트리클로로실란은 수소 기체(2)와 함께 폴리실리콘이 생성되는 환원로(106)에 원료 물질로 공급되게 된다.
상기한 종래의 폴리실리콘 제조 방법의 경우, 고순도의 트리클로로실란을 얻기 위해 다수의 정제탑을 거쳐야 하고, 각각의 정제탑마다 상부 스트림을 냉각하기 위한 응축기와, 하부 스트림을 재가열하기 위한 리보일러를 구비해야 하기 때문에, 사용되는 유틸리티(utility)의 수가 많아지고, 더불어 제조 공정 상의 에너지 소비량과 생산 비용이 높아진다는 문제점이 있다.
따라서, 환경적인 측면 및 경제적인 측면을 고려할 때, 트리클로로실란의 정제 공정에서 사용되는 에너지 소비량을 감소시키고, 생산 비용을 절감할 수 있는 트리클로로실란의 정제 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 응축기 및 리보일러에 사용되는 유틸리티의 사용을 최소화하고, 에너지 소모량을 감소시켜 경제적이고, 친환경적인 트리클로로실란의 정제 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명은 트리클로로실란의 생성 반응의 반응 생성물로부터 트리클로로실란 및 테트라클로로실란을 주성분으로 하는 클로로실란 혼합물을 분리시키는 전처리 단계; 상기 클로로실란 혼합물을 미량의 불순물 및 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제1상부 스트림과 테트라클로로실란을 주 성분으로 하는 제1하부 스트림으로 분리시키는 제1정제 단계; 상기 제1상부 스트림을 미량의 저비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2상부 스트림과, 미량의 고비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2하부 스트림으로 분리시키는 제2정제 단계; 및 상기 제2하부 스트림을 트리클로로실란을 주성분으로 하는 제3상부 스트림과, 미량의 고비점의 불순물 및 트리클로로실란 혼합물로 이루어진 제3하부 스트림으로 분리시키는 제3정제 단계를 포함하며, 이때, 상기 제3정제 단계는 상기 제2정제 단계보다 높은 압력 조건 하에서 수행되고, 상기 제2하부 스트림과 상기 제3상부 스트림 사이에 열 교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란의 정제 방법을 제공한다.
이때, 상기 제3정제 단계는 상기 제2정제 단계보다 0.5 내지 100atm 정도 높은 압력 조건 하에서 수행되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 제2정제 단계가 1 내지 10atm의 압력 조건 하에서 수행되고, 상기 제3정제 단계는 1.5 내지 100atm의 압력 조건 하에서 수행되는 것이 좋다.
또한, 상기 제2하부 스트림과 상기 제3상부 스트림의 온도 차이는 5 내지 200℃ 정도인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 상기 제2정제 단계의 하부 스트림의 온도는 40 내지 120℃ 정도이고, 상기 제3정제 단계의 상부 스트림의 온도는 60 내지 250℃ 정도인 것이 바람직하다.
다른 측면에서, 본 발명은 전처리탑, 제1정제탑, 제2정제탑 및 제3정제탑을 포함하는 트리클로로실란의 정제 장치에 있어서, 상기 제3정제탑의 내부 압력이 상기 제2정제탑의 내부 압력보다 높게 유지되며, 상기 제3정제탑의 상부 스트림과 상기 제2정제탑의 하부 스트림 사이의 열교환을 수행하기 위한 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란의 정제 장치를 제공한다.
이때, 상기 제3정제탑의 내부 압력은 상기 제2정제탑의 내부 압력에 비해 0.5 내지 100 atm정도 높게 유지하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 제2정제탑의 내부 압력이 1 내지 10atm 정도이고, 제3정제탑의 내부 압력이 1.5 내지 100atm 정도인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제3정제탑의 상부 스트림과 상기 제2정제탑의 하부 스트림의 온도 차이는 5℃ 내지 200℃ 정도인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 제3정제탑의 상부 스트림의 온도는 60℃ 내지 250℃ 정도이고, 상기 제2정제탑의 하부 스트림의 온도는 40℃ 내지 120℃ 정도인 것이 좋다.
본 발명의 트리클로로실란의 정제 방법 및 정제 장치를 사용할 경우, 응축기 및 리보일러와 같은 유틸리티의 사용을 최소화할 수 있고, 에너지 소모량을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 그 결과 트리클로로실란의 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명자들은 에너지 소모량이 적고, 경제적이며, 친환경적인 트리클로로실란의 정제 방법을 개발하기 위한 연구를 거듭한 결과, 트리클로로실란의 정제 공정에 있어서, 특정 정제 단계의 압력을 조절함으로써, 응축기나 리보일러에 사용되는 유틸리티의 사용을 최소화하고, 에너지 소모량을 현저하게 줄일 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.
도 2는 본 발명의 트리클로로실란의 정제 장치 및 정제 방법을 설명하기 위 한 도면이다. 이하에서는, 도 2를 참조하여, 본 발명의 정제 장치 및 정제 방법을 보다 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 트리클로로실란의 정제 장치에 관해 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 정제 장치는 전처리탑(102), 제1정제탑(103), 제2정제탑(104) 및 제3정제탑(105)을 포함하여 이루어지며, 반응기(미도시)에서 생성된 반응 생성물은 이들을 순차적으로 거치면서, 고순도로 정제된다. 상기 전처리탑(102), 제1정제탑(103), 제2정제탑(104) 및 제3정제탑(105)의 작용 및 각각의 정제 탑에서 수행되는 트리클로로실란의 정제 과정은 상기 배경 기술에 기재된 것과 유사하다.
그러나, 종래의 트리클로로실란의 정제 장치의 경우, 상기 정제탑들이 동일한 압력 조건 하에서 작동하는 반면, 본 발명의 정제 장치는, 상기 제3정제탑의 내부 압력이 상기 제2정제탑의 내부 압력보다 높게 유지되는 것을 그 특징으로 한다.
또한, 종래의 정제 장치의 경우, 제2정제탑과 제3정제탑이 각각 응축기와 리보일러를 모두 구비하여야 하는 반면, 본원 발명의 정제 장치는 제2정제탑의 하부 스트림을 가열하기 위한 리보일러와, 제3정제탑의 상부 스트림을 냉각시키기 위한 응축기를 구비하지 않는다. 그 대신, 본 발명의 정제 장치는 상기 제3정제탑의 상부 스트림과 상기 제2정제탑의 하부 스트림 사이의 열교환을 수행하기 위한 열 교 환기(401)를 포함한다.
본 발명에서 제3정제탑의 내부 압력을 제2정제탑의 내부 압력보다 높게 유지시키는 이유는 압력 차이를 통해 제2정제탑의 스트림과 제3정제탑의 스트림에 온도 차이를 발생시키고, 이를 통해 원활한 열 교환이 일어날 수 있도록 하기 위함이다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 다음과 같다.
종래의 트리클로로실란의 정제 장치의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2정제탑(104)과 제3정제탑(105)에 각각 응축기(201, 202)와 리보일러(301, 302)가 구비되어 있다. 상기 응축기(201, 202)는 각 정제탑에서 배출되는 상부 스트림을 냉각, 응축시켜, 일부는 정제탑 내부로 환류(46)시키고, 나머지는 배출(47)하며, 상기 리보일러(301, 302)는 각 정제탑의 하부 스트림을 가열하여, 일부는 정제탑 내부로 리사이클링(49)시키고, 나머지는 배출(50)한다. 이와 같이, 정제탑에서 배출되는 상부 스트림과 하부 스트림을 냉각 또는 재가열하여 그 일부를 정제탑으로 돌려보내는 것은 정제탑 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위해 반드시 필요한 공정이나, 정제탑이 많아질 수록 구비해야할 응축기 및 리보일러 등의 유틸리티의 수가 많아지고, 이러한 유틸리티들에서 소모되는 에너지의 양도 증가하게 되며, 그 결과 생산 비용이 증가하게 된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명자들은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 제2정제탑의 하부 스트림과 제3정제탑의 상부 스트림 사이의 열 교환을 수행할 수 있도록 하는 열 교환기(401)를 구비함으로써, 유틸리티의 사용을 최소화하고, 에너지 소모량을 줄일 수 있도록 하였다.
그러나, 종래의 트리클로로실란의 정제 장치의 경우, 상기 제2정제탑의 하부 스트림과 제3정제탑의 상부 스트림의 온도 차이가 거의 없거나 제3정제탑의 상부 스트림의 온도가 오히려 낮기 때문에 열 교환기를 설치한다고 해도 상기 제2정제탑의 하부 스트림과 상기 제3정제탑의 상부 스트림의 열 교환이 원활하게 일어나지 않는다. 이는 제2정제탑과 제3정제탑 모두에서 정제 대상의 99% 이상이 트리클로로실란이며, 불순물이 1% 정도밖에 혼합되어 있지 않기 때문에, 비점이 크게 차이나지 않기 때문이다.
따라서, 열 교환이 원활하게 일어나기 위해서는 상기 제2정제탑의 하부 스트림과 제3정제탑의 상부 스트림 사이에 온도 차이를 발생시킬 필요가 있다. 이에 따라 본 발명은 열 교환기를 구비함과 동시에, 상기 제3정제탑의 압력을 제2정제탑의 압력보다 높게 유지시킴으로써, 제3정제탑의 트리클로로실란의 비점이 제2정제탑의 트리클로로실란의 비점보다 높아지도록 하였다. 그 결과, 제3정제탑의 상부 스트림의 온도가 제2정제탑의 하부 스트림에 비해 높은 온도를 가지게 되며, 열 교환기에 이와 같이 온도차를 갖는 제3정제탑의 상부 스트림과 제2정제탑의 하부 스트림을 통과시키면 열 교환이 일어나면서 제3정제탑의 상부 스트림은 냉각되고, 제2정제탑의 하부 스트림은 가열되게 된다.
한편, 상기 제3정제탑의 내부 압력은 상기 제2정제탑의 내부 압력에 비해 0.5 내지 100atm 정도, 더 바람직하게는 1 내지 50atm, 가장 바람직하게는 1 내지 20atm 정도 높게 유지하는 것이 좋다.
제2정제탑과 제3정제탑의 압력 차가 0.5atm 미만이면, 제2정제탑의 하부 스트림과 제3정제탑의 상부 스트림 사이의 온도 차이가 작아지게 되고, 그 결과 원활한 열교환이 어렵고, 열 교환 면적이 커져 장치 비용이 상승한다는 문제점이 있으며, 압력 차가 100atm을 초과하는 경우에는 제3정제탑의 압력 상승을 위해 과도한 비용이 소모되고, 정제탑 운전이 어려워진다는 문제점이 있다. 따라서, 비용과 열 교환 효율을 모두 고려할 때, 상기 제3정제탑의 내부 압력과 제2정제탑의 내부 압력의 차이는 0.5 내지 100 atm 정도인 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 제2정제탑의 내부 압력이 1 내지 10atm 정도이고, 제3정제탑의 내부 압력이 1.5 내지 100atm정도인 것이 바람직하다. 제2정제탑의 내부 압력이 1atm 미만인 경우에는 운전 온도가 낮아져 상부 스트림의 응축기에서 저온의 열교환 매체의 사용이 필요하게 되어 비용이 상승되고, 제2정제탑의 압력이 10atm을 초과하는 경우에는 제2정제탑의 운전 온도가 필요 이상으로 상승하게 되며, 제3정제탑의 압력도 더불어 높아져야 하기 때문에 비용이 많이 든다는 문제점이 있다.
또한, 원활한 열 교환을 위해서는 상기 제3정제탑의 상부 스트림과 상기 제2 정제탑의 하부 스트림의 온도 차이가 5 내지 200℃ 정도인 것이 바람직하다. 온도 차이가 5℃ 미만인 경우에는 열 교환이 어렵고, 200℃ 이상인 경우에는 비용이 지나치게 높아지기 때문이다.
보다 구체적으로는, 상기 제3정제탑의 상부 스트림의 온도가 60 내지 250℃ 정도이고, 상기 제2정제탑의 하부 스트림의 온도가 40 내지 120℃ 정도인 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 트리클로로실란의 정제 장치를 사용하면, 응축기나 리보일러의 사용을 최소화할 수 있으며, 별도의 외부 에너지를 도입하지 않고도 제3정제탑의 상부 스트림의 냉각과 제2정제탑의 하부 스트림의 가열을 동시에 수행할 수 있다.
다음으로 본 발명의 트리클로로실란의 정제 방법을 설명한다.
본 발명의 트리클로로실란의 정제 방법은 전처리 단계, 제1정제 단계, 제2정제 단계 및 제3정제 단계를 포함하며, 이때 상기 제3정제 단계는 제2정제 단계에 비해 높은 압력 조건 하에서 수행되며, 상기 제2정제 단계에서 발생하는 하부 스트림과 상기 제3정제 단계에서 발생하는 상부 스트림 사이에 열 교환이 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 정제 방법을 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저, 트리클로로실란을 생성하기 위한 반응에 의해 생성된 반응 생성물로부터 트리클로로실란 및 테트라클로로실란을 주성분으로 하는 클로로실란 혼합물을 분리시키는 전처리 단계를 수행한다. 이와 같은 전처리 단계는 일반적으로 전처리탑(102)에서 수행된다. 상기한 바와 같이, 트리클로로실란을 생성하기 위한 반응에 의해 생성된 반응 생성물에는 수소 기체, 염산 기체, 디클로로실란, 트리클로로실란 및 테트라클로로실란 등이 포함되어 있으며, 이와 같은 반응 생성물을 전처리탑(102)에서 증류시키면, 비점이 낮은 수소 기체, 염산 기체, 디클로로실란 등은 상부 스트림(top stream)(41)를 통해 배출되고, 비점이 높은 트리클로로실란과 테트라클로로실란과 같은 클로로실란 혼합물은 하부 스트림(bottom stream)(42)을 통해 배출된다.
상기 전처리 단계의 하부 스트림(42)으로 배출된 클로로실란 혼합물은, 제1정제 단계를 통해 트리클로로실란을 주 성분으로 하는 제1상부 스트림(43)과 테트라클로로실란을 주 성분으로 하는 제1하부 스트림(44)으로 분리된다. 한편, 전처리 단계의 하부 스트림(42)을 통해 배출되는 상기 클로로실란 혼합물은 트리클로로실란과 테트라클로로실란을 주성분으로 하나, 상기 트리클로로실란 및 테트라클로로실란 이외에도 전처리탑(102)에서 완전히 분리되지 않은 불순물이 미량 혼합되어 있다. 이와 같이 불순물이 혼합되어 있는 클로로실란 혼합물을 증류시키면, 비점이 낮은 불순물과 트리클로로실란은 제1상부 스트림(43)으로 배출되고, 비점이 높은 불순물과 테트라클로로실란은 제1하부 스트림(44)으로 배출된다. 일반적으로, 상기 제1상부 스트림(43)으로 배출되는 트리클로로실란의 순도는 대략 99% 정도이다. 즉, 제1상부 스트림(43)에는 대략 1% 정도의 불순물이 포함되어 있으며, 이 불순물에는 상기한 바와 같이 전처리탑에서 분리되지 않은 불순물과 일부 테트라클로로실란 등이 포함된다.
다음으로, 상기 제1정제 단계에서 배출되는 트리클로로실란과 미량의 불순물의 혼합물을 포함하는 제1상부 스트림이 제2정제 단계를 통해 증류되어, 미량의 저비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2상부 스트림(145)과, 미량의 고비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2하부 스트림(148)으로 분리된다. 이때 상기 제2상부 스트림(145)은 배출된 후 응축기(201)에 의해 응축되어 일부는 정제탑 내부로 환류(146)되고, 나머지는 배출(147)되게 된다. 한편, 상기 제2하부 스트림(148)은 열 교환기(401)를 통과한 후, 일부는 정제탑으로 리사이클링(149)되고, 나머지는 후술할 제3정제 단계로 배출(150)된다.
한편, 상기 제2정제 단계에서 배출되는 미량의 고비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2하부 스트림(148)은, 제3정제 단계를 통해, 트리클로로실란을 주성분으로 하는 제3상부 스트림(151)과, 미량의 고비점의 불순물 및 트리클로로실란 혼합물로 이루어진 제3하부 스트림(154)으로 분리된다. 이때 상기 제3상부 스트림(151)은 열교환기(401)를 통과한 후, 일부는 정제탑 내부로 환 류(152)되고, 나머지는 트리클로로실란의 저장 탱크(1)로 배출(153)된다. 한편, 상기 제3하부 스트림(154)은 리보일러(302)를 통해 가열된 후, 일부는 정제탑 내부로 환류(155)되고, 나머지는 배출(156)된다.
한편, 상기와 같은 본 발명의 트리클로로실란의 정제 방법에 있어서, 상기 제3정제 단계는 제2정제 단계에 비해 높은 압력 조건 하에서 수행되어야 한다. 이는 상기한 바와 같이, 제3정제 단계에서 발생하는 상부 스트림과 제2정제 단계에서 발생하는 하부 스트림 사이에 온도 차이를 유발시켜, 원활한 열 교환이 이루어질 수 있도록 하기 위함으로, 상기 제3정제 단계의 압력은 상기 제2정제 단계의 압력보다 1 내지 100atm 정도, 더 바람직하게는 1 내지 50atm, 가장 바람직하게는 1 내지 20atm 정도 높은 것이 좋다. 보다 구체적으로는 상기 제2정제단계는 1 내지 10 atm 정도의 압력 조건 하에서 수행되고, 상기 제3정제단계는 1.5 내지 100atm 정도의 압력 조건 하에서 수행되는 것이 좋다.
또한, 상기 제2정제 단계의 제2하부 스트림과 상기 제3정제 단계의 제3상부 스트림은 온도 차이가 5 내지 200℃ 정도인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 상기 제2정제 단계의 제2하부 스트림의 온도가 50 내지 120℃ 정도이고, 상기 제3정제 단계의 제3상부 스트림의 온도가 60 내지 250℃ 정도인 것이 바람직하다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
비교예
도 3에 도시된 바와 같은 클로로실란 정제 장치를 통해 클로로실란을 정제하였다. 이때 상기 정제 장치의 운전 조건 및 물질 수지는 하기 [표 1]에 기재된 바와 같다. 이때, 제2정제탑 및 제3정제탑의 운전 압력은 1.9kgf/cm2으로 동일하다.
상기 클로로실란 정제 장치의 제2정제탑의 하부 스트림과 제3정제탑의 상부 스트림의 온도를 측정한 결과, 제2정제탑의 하부 스트림 온도는 54.0℃이고, 제3정제탑의 상부 스트림 온도는 50.6℃로 측정되었다.
[표 1]
Figure 112009080773277-pat00001
* C-TCS: 미정제된 트리클로로실란(Crude TriChloroSilane)
* STC: 사염화규소(Silicon TetraChloride)
* TCS/LB: 트리클로로실란과 저비점 불순물의 혼합물
* TCS/HB: 트리클로로실란과 고비점 불순물의 혼합물
* P-TCS: 정제된 트리클로로실란
* PSC: 폴리실란클로라이드(PolySilaneChloride)
* DCMS: 디클로로메틸실란(DiChloroMethylSilane)
실시예 1
제3정제탑의 운전 압력을 3.7kgf/cm2으로 가압한 점을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 클로로실란을 정제하였다.
실시예 2
제3정제탑의 운전 압력을 50kgf/cm2으로 가압한 점을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 클로로실란을 정제하였다.
상기 비교예, 실시예 1 및 실시예 2 각각의 제3상부 스트림(Purified TCS)와 제3하부 스트림(TCS/HB)의 온도, 압력, 유량 및 몰 분율을 측정하였다. 측정 결과는 하기 [표 2]에 나타내었다.
[표 2]
Figure 112009080773277-pat00002
* Reboiler duty: 리보일러에서 소요되는 에너지
* RR: Ruflux Ratio, condenser에서 제품으로 배출되는 양과 증류탑 내부로 환류되는 양의 비율
상기 [표 2]에 의해, 비교예와 같이 제2정제탑과 제3정제탑의 압력을 동일하게 하여 운전할 경우, 제2하부 스트림의 온도 54.0℃와 비교하여 제3정제탑 상부 스트림 온도는 50.6℃로 오히려 더 낮지만 실시예 1 및 2와 같이, 제3정제탑의 압 력을 가압할 경우, 제3정제탑 상부 스트림의 온도가 각각 약 74℃, 약 223℃로, 제2하부 스트림과 각각 30℃ 및 169℃ 정도의 온도 차이를 보임을 알 수 있다. 이처럼, 실시예 1 및 2의 제3상부 스트림을 제2하부 스트림 가열을 위한 매체로 사용할 경우, 제2스트림 가열을 위한 열원(시뮬레이션에 의하면, 제2스트림을 가열하기 위해서는 약 0.25Gal/hr의 열량이 필요한 것으로 계산되었음)을 전량 회수할 수 있다.
도 1은 종래의 폴리실리콘 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 트리클로로실란의 정제 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 비교예 및 실시예의 클로로실란 정제 장치를 보여주는 도면이다.

Claims (10)

  1. 트리클로로실란의 생성 반응의 반응 생성물로부터 트리클로로실란, 테트라클로로실란 및 미량의 불순물의 혼합물로 이루어진 클로로실란 혼합물을 분리시키는 전처리 단계;
    상기 클로로실란 혼합물을 미량의 저비점의 불순물 및 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제1상부 스트림과 미량의 고비점의 불순물 및 테트라클로로실란의 혼합물로 이루어진 제1하부 스트림으로 분리시키는 제1정제 단계;
    상기 제1상부 스트림을 미량의 저비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2상부 스트림과, 미량의 고비점의 불순물과 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제2하부 스트림으로 분리시키는 제2정제 단계;
    및 상기 제2하부 스트림을 미량의 저비점의 불순물 및 트리클로로실란의 혼합물로 이루어진 제3상부 스트림과, 미량의 고비점의 불순물 및 트리클로로실란 혼합물로 이루어진 제3하부 스트림으로 분리시키는 제3정제 단계를 포함하며,
    이때, 상기 제3정제 단계는 상기 제2정제 단계보다 높은 압력 조건 하에서 수행되고, 상기 제2하부 스트림과 상기 제3상부 스트림 사이에 열 교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란의 정제 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3정제 단계는 상기 제2정제 단계보다 0.5 내지 100atm 높은 압력조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란의 정제 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2정제 단계는 압력이 1 내지 10atm인 조건 하에서 수행되고,
    상기 제3정제 단계는 압력이 1.5 내지 100atm인 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란의 정제 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2하부 스트림과 상기 제3상부 스트림의 온도 차이가 5 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 트리클로로실란의 정제 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2하부 스트림의 온도는 40 내지 120℃이고,
    상기 제3상부 스트림의 온도는 60 내지 250℃인 것을 특징으로 하는 트리클로로실란의 정제 방법.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009003163A1 (de) * 2009-05-15 2010-11-25 Wacker Chemie Ag Silandestillation mit reduziertem Energieeinsatz
US20120082609A1 (en) * 2010-10-01 2012-04-05 Mitsubishi Materials Corporation Method for producing trichlorosilane with reduced boron compound impurities
DE102011003453A1 (de) * 2011-02-01 2012-08-02 Wacker Chemie Ag Verfahren zur destillativen Reinigung von Chlorsilanen
CN102417182A (zh) * 2011-08-30 2012-04-18 沁阳市瑞元物资有限公司 提纯高低沸物中三氯氢硅的分离装置和方法
CN104039701B (zh) * 2011-11-11 2016-06-08 Lg化学株式会社 三卤硅烷精制设备
CN104003400B (zh) * 2014-05-21 2016-04-13 中国恩菲工程技术有限公司 处理多晶硅尾气干法回收料的系统
CN104003399B (zh) * 2014-05-21 2016-04-13 中国恩菲工程技术有限公司 处理多晶硅尾气干法回收料的方法
CN104003402B (zh) * 2014-05-30 2016-08-24 中国恩菲工程技术有限公司 三氯氢硅的提纯方法
CN104003401B (zh) * 2014-05-30 2015-12-23 中国恩菲工程技术有限公司 连续运行式三氯氢硅的提纯系统
KR20210114413A (ko) 2019-01-22 2021-09-23 가부시키가이샤 도쿠야마 정제 클로로실란류의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002234721A (ja) 2000-12-04 2002-08-23 Sumitomo Titanium Corp トリクロロシランの精製方法
JP2004149351A (ja) * 2002-09-04 2004-05-27 Sumitomo Titanium Corp クロロシラン及びその精製方法
KR100442501B1 (ko) * 1998-06-19 2004-07-30 스톤 앤드 웹스터 인코포레이티드 에틸벤젠/스티렌 탑의 캐스케이드식 리보일링
KR20070086356A (ko) * 2004-11-19 2007-08-27 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼스 쏘시에떼 퍼 아찌오니 삼염화실란 및 사염화규소의 정제를 위한 방법 및 설비

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2563557A (en) * 1948-10-20 1951-08-07 Gen Electric Rectification of methylchlorosilanes
AU513320B2 (en) * 1975-11-19 1980-11-27 Usx Engineers And Consultants, Inc. Separating acid gases and ammonia from dilute aqueous solutions thereof
US4217178A (en) * 1978-11-07 1980-08-12 Raphael Katzen Associates International, Inc. Distillation system for motor fuel grade anhydrous alcohol
US4340574A (en) * 1980-08-28 1982-07-20 Union Carbide Corporation Process for the production of ultrahigh purity silane with recycle from separation columns
US4422903A (en) * 1981-02-17 1983-12-27 Raphael Katzen Associates International Inc. Anhydrous ethanol distillation method and apparatus
US4539076A (en) * 1982-09-27 1985-09-03 Swain R L Bibb Vapor compression distillation system
US4743344A (en) * 1986-03-26 1988-05-10 Union Carbide Corporation Treatment of wastes from high purity silicon process
US5035776A (en) * 1990-03-29 1991-07-30 University Of Massachusetts Low energy extractive distillation process for producing anhydrous ethanol
US5232602A (en) * 1992-07-01 1993-08-03 Hemlock Semiconductor Corporation Phosphorous removal from tetrachlorosilane
US6171449B1 (en) 1998-06-19 2001-01-09 Washington Group International, Inc. Cascade reboiling of ethylbenzene/styrene columns
DE19860146A1 (de) * 1998-12-24 2000-06-29 Bayer Ag Verfahren und Anlage zur Herstellung von Silan
DE10057482A1 (de) * 2000-11-20 2002-05-23 Solarworld Ag Verfahren zur Reinigung von Trichlorsilan
CN1330569C (zh) * 2005-06-16 2007-08-08 中国有色工程设计研究总院 三氯氢硅加压提纯方法及其装置
JP4780284B2 (ja) * 2005-06-21 2011-09-28 三菱マテリアル株式会社 三塩化シランの精製方法
ATE463489T1 (de) * 2006-09-28 2010-04-15 Basf Se Verfahren zur kontinuierlichen destillativen auftrennung von gemischen enthaltend morpholin (mo), monoaminodiglykol (adg), ammoniak und wasser
DE102007014107A1 (de) 2007-03-21 2008-09-25 Evonik Degussa Gmbh Aufarbeitung borhaltiger Chlorsilanströme
US20090060819A1 (en) * 2007-08-29 2009-03-05 Bill Jr Jon M Process for producing trichlorosilane
US8197783B2 (en) 2007-11-30 2012-06-12 Mitsubishi Materials Corporation Method for separating and recovering conversion reaction gas

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100442501B1 (ko) * 1998-06-19 2004-07-30 스톤 앤드 웹스터 인코포레이티드 에틸벤젠/스티렌 탑의 캐스케이드식 리보일링
JP2002234721A (ja) 2000-12-04 2002-08-23 Sumitomo Titanium Corp トリクロロシランの精製方法
JP2004149351A (ja) * 2002-09-04 2004-05-27 Sumitomo Titanium Corp クロロシラン及びその精製方法
KR20070086356A (ko) * 2004-11-19 2007-08-27 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼스 쏘시에떼 퍼 아찌오니 삼염화실란 및 사염화규소의 정제를 위한 방법 및 설비

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