KR101336302B1 - 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일측면으로서, 금속 실리콘 분말과 상기 염화수소 가스가 반응하는 파이프부; 및 상기 파이프부의 상단에 연결되고, 상기 파이프보다 더 큰 입경을 가지며, 내벽에 적어도 하나의 배플(baffle)이 설치된 팽창탱크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치를 제공함으로써, 상기 반응과정에서 발생하는 실리콘 미분의 비산에 의한 장치의 폐색을 저비용 및 고효율로 달성함으로써, 실리콘 제조비용을 저감시키고 실리콘 생산성을 확대할 수 있고, 이에 따라 경제성장 및 전자산업 발전에 기여할 수 있다.

Description

트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치{FLUIDIZED BED REACTOR FOR PRODUCING TRICHLOROSILANE}

본 발명은 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 반응장치의 상부에 위치한 팽창 탱크의 내벽에 적어도 하나 이상의 배플을 설치하여 금속 실리콘 미분의 유출을 방지하는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치에 관한 것이다.

반도체 또는 태양전지의 제조에 있어서 폴리실리콘이 그 원료로 사용되기 때문에, 반도체 또는 태양전지의 원료로 적합한 99.9999999% 내지 99.999999999%의 고순도의 폴리실리콘에 대한 수요가 증가하고 있고, 이는 전자공업의 종합적 발전에 중요한 부분을 차지하고 있다.

상기 폴리실리콘의 제조공정을 개괄적으로 살펴보면, 먼저 규사나 규석(SiO₂)을 원료로 하여 전기로에서 용융시키고 탄소를 이용하여 환원시킴으로써 금속 실리콘을 얻는다. 그러나, 이때 나오는 금속 실리콘의 순도는 98% 정도로, Re, Al, Ca, Cr,Mn, B, Cu 등 여러 불순물이 포함되어 있어 이를 바로 반도체 또는 태양전지의 원료로 사용하기에는 부적합하다.

따라서, 상기 환원과정을 통해 얻어진 금속 실리콘을 염화수소 등의 반응가스와 반응시켜 트리클로로실란 등으로 기체화하고, 이를 증류과정을 통해 정제시킴으로써 상기 불순물을 제거하게 된다. 그리고나서, 일반적으로 지멘스(Siemens) 공법을 이용하여 상기 불순물이 제거된 트리클로로실란로부터 실리콘을 석출하는 과정을 거치게 된다.

본 발명은 상기 공정 중에서도 실리카의 환원을 통해 얻어진 금속 실리콘을 염화수소 등의 반응가스와 반응시켜 트리클로로실란을 제조과정에 관한 것으로, 종래의 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치를 살펴보면, 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 장치 내에 금속 실리콘 분말이 공급되고, 상기 장치 하단에 설치되어 있는 노즐을 통해 염화수소 등의 반응가스가 분출되며, 이에 따라 상기 금속 실리콘 분말과 염화수소가 접촉하여 트리클로로실란이 제조되며, 제조된 트리클로로실란은 반응기 상단을 통해 빠져나가 정제를 위해 다른 장치에 공급되게 된다.

그러나, 이러한 종래의 유동층 반응장치에 따르면, 상기 금속 실리콘 분말에 포함되어 있는 실리콘 미분이나 염화수소와의 반응에 의해 미분화되는 일부의 실리콘 입자가 상기 장치의 하단으로부터 분출되는 염화수소 가스에 의해 비산됨으로써 상기 반응장치 상단을 통해 외부로 유출되는 문제가 있었다. 즉, 실리콘 미분은 입자가 매우 작고 가벼워 반응장치 내에서 염화수소와 반응에 참여하는 것이 아니라 염화수소 가스에 의해 비산되어 밖으로 빠져나가기 때문에, 상기 반응장치에 연결된 다른 장치로 유입되거나 상기 반응장치와 다른 장치의 연결부를 폐색시키는 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 다른 장치들의 운행을 중단시키는 등 심각한 문제를 발생시키게 되었다.

따라서, 이러한 실리콘 미분의 비산에 의한 문제점을 방지하기 위한 방법으로서, 도 2에서 보는 바와 같이 유동층 반응장치의 상부의 입경을 상대적으로 크게 만들어 사용하고 있다. 이와 같이 상부의 입경을 상대적으로 크게 하면 금속 실리콘 분말과 염화수소가 반응하는 나머지 부분의 압력이 낮아지기 때문에 장치 하단으로부터 분출되는 염화수소 가스의 유동 속도를 낮출 수 있고, 이에 따라 실리콘 미분의 비산을 어느 정도 감소시킬 수 있게 된다는 것이다.

그러나, 유동층 반응장치 상부의 입경이 너무 커지면 염화수소의 유동이 매우 느려져 금속 실리콘 분말과의 원활한 접촉이 불가능해지므로, 이는 트리클로로실란의 제조효율에 악영향을 미치게 된다. 따라서, 상기 반응장치 상부의 입경 제어를 통한 실리콘 미분의 비산 억제는 한계가 있을 수밖에 없고, 결국 어느 정도 상기 미분의 비산을 감소시킬 뿐 여전히 다수의 실리콘 미분이 장치 밖으로 빠져나가 다른 장치들을 폐색시키는 문제가 남아있었다.

이에 따라, 상기 장치 밖으로 금속 실리콘 미분이 유출된다는 점을 감안하여, 상기 장치 상단을 통해 사이클론 등의 장치를 설치하는 방법이 사용되기도 하였다. 즉, 유동층 반응장치로부터 유출되는 실리콘 미분을 사이클론에 수집하고, 상기 수집된 실리콘 미분은 필터를 통해 제거하거나 다시 실리콘 분말 공급기로 이송시킴으로써 유동층 반응장치에 다시 재공급하는 방법으로 상기 실리콘 미분을 처리하였다.

그러나, 상기 사이클론 등의 장치만으로 실리콘 미분을 필터링하는 데에는 한계가 있었고, 여전히 많은 실리콘 미분이 다른 장치로 이동하여 그 장치를 폐색시키는 등의 운행 중단 및 효율 저감의 문제를 발생시켰다. 뿐만 아니라, 모든 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치에 사이클론 등의 장치를 설치하고, 이에 수집된 실리콘 미분을 제거하거나 재사용하는 것은 비용적인 측면에서도 상당한 손실을 가져올 수밖에 없었다.

따라서, 상기와 같은 종래의 저효율 및 고비용의 실리콘 미분 처리 방법의 문제를 해결하기 위해, 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치에서 발생하는 실리콘 미분의 비산을 저비용으로 효과적으로 제어할 수 있는 기술에 대한 요구가 매우 필요한 실정이라 할 수 있다.

본 발명은 트리클로로실란 제조반응에서 발생하는 실리콘 미분이 유동층 반응장치 하단으로부터 분출되는 염화수소 등의 가스에 의해 비산되어 반응장치 밖으로 유출됨으로써 다른 장치를 폐색시켜 운행을 중단시키는 등의 문제를 저비용으로 효율적으로 방지할 수 있는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치를 제공한다.

본 발명은 금속 실리콘 분말과 염화수소 가스가 반응하는 파이프부; 및 상기 파이프부의 상단에 연결되고, 상기 파이프부보다 더 큰 입경을 가지며, 내벽에 적어도 하나의 배플(baffle)이 설치된 팽창탱크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치를 제공한다.

이때, 상기 배플이 상기 팽창탱크부 높이의 1/10 ~ 1/3의 간격으로 적어도 둘 이상 설치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 배플과 상기 팽창탱크부의 내벽이 접합되는 부분에 회수구멍이 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 배플은 상기 팽창탱크부의 내벽으로부터 멀어질수록 상방향으로 경사지는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 회수구멍의 상부에 가스 공급관이 설치된 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 일측면에 따르면, 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치에 있어서, 상기 반응과정에서 발생하는 실리콘 미분의 비산에 의한 장치의 폐색을 저비용 및 고효율로 달성함으로써, 실리콘 제조비용을 저감시키고 실리콘 생산성을 확대할 수 있고, 이에 따라 경제성장 및 전자산업 발전에 기여할 수 있다.

도 1은 종래의 팽창탱크부가 없는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래의 배플이 없는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 4는 회수구멍과 가스 공급관의 일례를 나타낸 개략도이다.

본 발명은 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치, 즉 금속 실리콘 분말과 염화수소 가스를 반응시켜 트리클로로실란을 제조하는 장치에 관한 것으로, 이하에서 도 3을 통해 본 발명을 간략히 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 상기 도면에 의해 한정되지는 않는다.

본 발명의 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치는 금속 실리콘 분말과 염화수소 가스가 반응하는 파이프부(2); 상기 파이프보다 더 큰 입경을 가지며, 내벽에 적어도 하나의 배플(9)이 설치된 팽창탱크부(3)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 파이프부(2)와 팽창탱크부(3)는 별도의 장치로서 연결되는 것도 가능하고, 하나의 장치에서 입경만 달리하는 방식으로도 제작될 수 있다. 즉, 하나의 장치에서 이어진 통로에 있어서 상부의 입경을 보다 크게 만들고, 이러한 상부를 팽창탱크부(3)라 하고, 나머지 금속 실리콘 분말과 염화수소가 반응하는 관을 파이프부(2)라 칭할 수 있다.

본 발명의 트리클로로실란의 제조과정을 간략히 살펴보면, 먼저, 파이프부(2) 내부로 금속 실리콘 분말을 공급하는데, 이는 유동층 반응장치의 상부로부터 투입할 수도 있고, 파이프부(2) 중간에 금속 실리콘 분말을 공급할 수 있는 별도의 통로(5)를 설치하여 실리콘 분말의 공급기로부터 상기 통로를 통하여 공급할 수도 있다.

이와 같은 과정을 통해 파이프부(2) 내부에 금속 실리콘 분말이 채워지면 유동층 반응장치의 하단의 반응가스 유입구(7)에 설치되어 있는 노즐을 통해 염화수소 등의 반응가스가 파이프부(2) 내부로 유입되게 된다. 이러한 염화수소의 공급에 의해 파이프부(2)에 충진되어 있던 금속 실리콘 분말이 유동하면서 염화수소와 접촉하게 되고, 이에 따라 트리클로로실란이 생성되는 것이다.

또한, 상기 트리클로로실란 제조반응을 일어나게 하기 위해서는 고온으로 유지하는 것이 필요하므로, 파이프부(2) 주위에 가열판(6)을 설치하여 반응과정 동안 계속 가열해줌으로써, 파이프부(2)의 온도를 높게 유지시킬 수 있다.

다만, 상기 파이프부(2)에서 금속 실리콘 분말과 염화수소의 반응이 일어나는 동안 상기 분말이 미분화되어 금속 실리콘 미분을 발생시키게 되고, 또한 그 외에도 초기의 금속 실리콘 분말에 많은 양의 실리콘 미분이 포함되어 있는데, 이러한 실리콘 미분은 매우 작고 가볍기 때문에, 파이프부(2)에서 트리클로로실란 제조반응에 참여하는 것이 아니라 반응가스 유입구(7)로부터 유입되는 염화수소에 의해 쉽게 비산되게 된다. 이와 같이 실리콘 미분이 비산되면 반응장치 외부로 유출되어 다른 장치들을 폐색시킴으로써 운행을 중단시키는 등의 심각한 문제를 발생시킬 수 있다.

따라서, 이러한 실리콘 미분의 비산을 감소시키기 위해 파이프부(2)의 상단에는 입경이 상대적으로 큰 팽창탱크부(3)를 설치하여, 전체 유동층 반응장치에 있어서 상부의 입경이 더 큰 형태를 나타내게 할 수 있다. 상기 팽창탱크부(3)는 반응장치 내부의 압력을 낮춤으로써 파이프부(2)로 분출되는 반응가스의 유동속도를 느리게 할 수 있고, 이에 따라 실리콘 미분의 비산을 일정 부분 감소시키는 역할을 하게 된다. 다만, 상기 팽창탱크부(3)의 입경을 너무 크게 하면 반응장치 내부의 압력이 너무 낮아져 반응가스의 유동이 잘 되지 않게 되므로, 이에 따라 파이프부(2)의 금속 실리콘 분말과 염화수소의 접촉이 원활히 이루어지지 않아 트리클로로실란의 제조효율이 낮아지는 문제가 발생한다.

따라서, 상기 팽창탱크부(3)의 입경을 크게 함으로써 반응가스의 유동속도를 늦추는 방식으로 실리콘 미분의 비산을 방지하는 것은 한계가 있을 수밖에 없고, 이에 따라 여전히 다수의 실리콘 미분이 비산되어 반응장치 외부로 유출되어 다른 장치들을 폐색시켜 운행을 중단시키는 등의 문제를 해결하는 데에는 역부족이었다.

또한, 이러한 문제를 해결하는 또다른 방법으로서, 유동층 반응장치 상단에 사이클론 등의 장치를 연결하여, 실리콘 미분이 반응장치를 빠져나와 사이클론에 수집되면 이를 필터를 통해 제거하거나 다시 유동층 반응장치로 보내어 재사용하는 기술도 사용되고 있다. 그러나, 이러한 사이클론의 필터링으로 실리콘 미분이 다른 장치로 유출되는 것을 방지하기에는 한계가 있었고, 사이클론의 설치 및 구동 비용에 있어서도 큰 손실이 있는 문제가 있었다.

이에 본 발명자들은 사이클론과 같이 유동층 반응장치에 별도의 장치를 설치하는 것이 아니라 유동층 반응장치 내부에서 실리콘 미분의 비산으로 인한 문제를 초기에 차단하는 것이 효율적, 비용적 측면에서도 모두 유리하다는 점에 착안하여, 도 3과 같이 상기 팽창탱크부(3)의 내벽에 적어도 하나의 배플을 설치함으로써 파이프부(2)에서 발생되어 나온 실리콘 미분이 외부로 유출되는 것을 근본적으로 차단하는 발명을 하기에 이른 것이다.

상기 배플은 유동층 반응장치의 팽창탱크부(3)의 내벽에 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 파이프부(2)에서 발생한 실리콘 미분은 비산되어 팽창탱크부(3)로 빠져나오게 되는데, 상기 팽창탱크부(3)에서 파이프부(2)보다 그 입경이 급격히 커지기 때문에, 팽창탱크부(3)에 도달하면서 상기 실리콘 미분의 유출속도가 상당히 느려질 수 있다. 따라서, 이러한 팽창탱크부(3)의 내벽에 실리콘 미분의 이동을 방해하는 배플을 설치함으로써, 이동속도가 느려진 실리콘 미분의 유출을 더욱 효과적으로 차단할 수 있게 되는 것이다.

상기 팽창탱크부(3)의 배플에 의해 차단된 실리콘 미분은 반응장치 내부의 가스의 대류에 의해 다시 파이프부(2)로 유입되어 염화수소와의 반응함으로써 트리클로로실란의 제조에 참여하게 된다. 이에 따라, 많은 실리콘 미분이 유동층 반응장치 외부로 비산되어 유출되는 것을 억제할 수 있으므로, 별도의 사이클론을 설치하지 않아도 다른 장치들의 폐색으로 인한 운행 중단을 방지할 수 있어 트리클로로실란의 제조비용에 있어서 큰 감소를 가져올 수 있다. 또한, 상기 배플에 의해 유출이 방지된 미분은 다시 파이프부(2)로 유입되어 트리클로로실란의 제조반응에 참여하게 되므로, 트리클로로실란의 생산효율을 높일 수 있다는 점에서 폴리실리콘의 생산성 증가에 기여할 수도 있다.

상기 배플은 적어도 둘 이상 설치되는 것이 실리콘 미분 유출 방지를 위해 보다 바람직한데, 이때 배플은 상기 팽창탱크부 높이의 1/10 ~ 1/3의 간격으로 설치되는 것이 바람직하다. 배플 간의 간격이 상기 팽창탱크부 높이의 1/3을 초과하지 않으면 하나의 배플을 빠져나온 실리콘 미분이 그 위의 또다른 배플들에 의해 차단되기에 유리하고, 상기 간격이 1/10 이상이 되면 배플 간의 간격을 적절히 유지할 수 있어 미분의 유속이 급격히 증가하는 것을 방지하기에 더욱 유리할 수 있다.

또한, 상기 유동층 반응장치는 상기 배플과 상기 팽창탱크부의 내벽이 접합되는 부분에 회수구멍가 형성된 것이 보다 바람직하다. 상기 배플은 많은 양의 실리콘 미분이 비산되어 유출되는 것을 방지할 수 있지만, 일부의 실리콘 분말은 배플 사이의 공간을 통과하여 상기 배플 위에 축적될 수가 있다. 이와 같이 배플 위에 축적된 실리콘 분말이 트리클로로실란의 제조과정에 참여하지 못하게 되면 축적된 양만큼 금속 실리콘 분말의 원료 손실을 가져올 수 있다. 따라서, 상기 축적된 실리콘 미분을 다시 파이프부(2)에 공급하여 염화수소와 반응시키는 것이 필요한데, 이를 위해 배플 중 팽창탱크부의 내벽에 접합되는 부분에 공간을 형성시켜 배플 위에 축적된 실리콘 분말이 상기 공간을 통해 다시 파이프부(2)로 내려가도록 하는 것이고, 상기 형성된 공간을 회수구멍이라 칭한다. 상기 회수구멍의 크기나 형태에는 특별한 제한이 없고, 팽창탱크 또는 배플의 크기나 형태에 맞추어 축적된 실리콘 분말이 용이하게 파이프부(2)로 하강할 수 있는 적절한 크기나 형태면 된다.

이때, 상기 배플이 평평한 상태로 설치되면 상기 팽창탱크부의 내벽과의 접합부분에 위치한 회수구멍으로부터 떨어져 축적된 실리콘 분말은 회수구멍을 통해 다시 파이프부(2)로 공급될 수 없기 때문에, 이러한 금속 실리콘 분말까지 모두 파이프부(2)로 공급하여 트리클로로실란 제조반응의 효율을 높이기 위해서는 상기 배플을 도면 3과 같이 상기 접합부로부터 멀어질수록 상방향으로 경사지는 형상으로 설치하는 것이 바람직하다. 이러한 형상으로 배플이 설치되면 실리콘 분말이 상기 배플의 어떤 부분에 축적되더라도 상기 경사에 따라 상기 팽창탱크부와의 접합부에 위치한 회수구멍으로 흘러내릴 수 있으므로, 금속 실리콘 분말의 원료 손실을 최소화시킬 수 있다.

또한, 회수구멍을 통해 아래로 빠져나가는 분말이 효과적으로 이동할 수 있도록 회수구멍의 상부에 가스 공급관을 설치하여 가스를 투입하여 퍼지(purge)시킬 수 있다. 이와 같이 회수구멍를 통해 분말이 내려가는 방향으로 불활성가스 등을 공급할 경우 상기 분말이 더욱 효율적으로 하강 파이프부(2)까지 도달할 수 있게 되는 것이다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 본 발명의 보다 완전한 설명을 위한 것이고, 하기 개별실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

( 실시예 )

도 3과 같은 반응장치를 구비하여 배플의 개수 및 간격에 따라 투입되는 입자의 차단 정도를 비교하는 실험을 행하였다. 투입된 입자의 지름은 2.11, 3.66, 5.18, 6.86, 8.84, 11.3, 14.6, 19.3, 27.3, 47.5㎛이고, 각 지름별로 동일한 양을 투입하였다. 주입되는 반응가스의 입구 조건은 유속이 0.05875m/s, 온도가 500℃, 압력이 35atm이었다.

먼저, 배플이 없을 때, 상기 투입된 입자의 체류시간을 보면 최소 7.69초이고, 평균 12.87초를 기록해, 입자의 유출 방지 효과가 매우 미미함을 알 수 있었다.

다음으로, 배플이 팽창탱크부 높이의 1/3 간격으로 2개가 설치된 경우의 체류시간을 보면 최소 10.88초, 평균 57.36초를 기록하여, 상기 배플에 의해 입자의 유출이 상당량 차단되었음을 알 수 있었다.

다음으로, 배플이 팽창탱크부 높이의 1/5 간격으로 4개가 설치된 경우의 체류시간을 보면 최소 16.65초, 평균 73,43초를 기록해, 입자 유출 방지 효과가 매우 뛰어났음을 확인할 수 있었다.

다음으로, 배플이 팽창탱크부 높이의 1/7 간격으로 6개가 설치된 경우의 체류시간을 보면 최소 10.38초, 평균 61.36초를 기록해, 역시 입자 유출이 상당량 차단되었음을 알 수 있었다.

즉, 배플을 팽창탱크부에 설치하면 시간상 3~6배 이상으로 입자의 체류시간을 증가시켜, 입자의 유출을 효과적으로 방지할 수 있음을 알 수 있다.

1: 유동층 반응장치
2: 파이프부
3: 팽창탱크부
4: 회수구멍
5: 금속 실리콘 공급통로
6: 가열판
7: 반응가스 유입구
8: 유출구
9: 배플
10: 가스 공급관

Claims (5)

1. 금속 실리콘 분말과 염화수소 가스가 반응하는 파이프부; 및
   상기 파이프부의 상단에 연결되고, 상기 파이프부보다 더 큰 입경을 가지며, 내벽에 적어도 하나의 배플(baffle)이 설치된 팽창탱크부를 포함하며,
   상기 배플과 상기 팽창탱크부의 내벽이 접합되는 부분에 회수구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 배플이 상기 팽창탱크부 높이의 1/10 ~ 1/3의 간격으로 적어도 둘 이상 설치된 것을 특징으로 하는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 배플은 상기 팽창탱크부의 내벽으로부터 멀어질수록 상방향으로 경사지는 것을 특징으로 하는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 회수구멍의 상부에 가스 공급관이 설치된 것을 특징으로 하는 트리클로로실란 제조용 유동층 반응장치.

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