KR101816339B1 - 연속식 관형반응기를 이용한 클로로실란가스 제조방법 - Google Patents

연속식 관형반응기를 이용한 클로로실란가스 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테트라클로로실란으로부터 트리클로로실란을 효율적으로 제조할 수 있는 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 장치는, 액상의 테트라클로로실란에 분산된 금속실리콘 분말을 포함하는 반응원료 유입구; 기상의 반응원료 공급구; 트리클로로실란을 포함하는 반응생성물 유출구; 상기 유입구로 유입된 반응원료가 이송되면서 반응하는 관형 반응기; 및 상기 관형반응기는 반응원료들이 이송되는 과정에서 유체 충돌을 야기하기 위한 유체흐름방해 수단을 구비한다.

Description

연속식 관형반응기를 이용한 클로로실란가스 제조방법{PROCESS FOR PRODUCING CHLOROSILANE GAS USING CONTINUOUS TUBULAR REACTOR}
본 발명은 클로로실란 가스 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 테트라클로로실란으로부터 트리클로로실란을 보다 효율적으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
트리클로로실란(SiHCl3: TCS)은 고순도의 다결정실리콘(일명 폴리실리콘) 제조원료로서 유용한 화합물이며, 1000℃이상의 고온에서 수소와 반응하여 고순도의 폴리실리콘을 석출하는데 이용된다. 이 반응은 주로 하기 반응식 (1) 및 (2)로 나타내어진다.
4SiHCl3 → Si + 3SiCl4 + 2H2 (1)
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl (2)
상기와 같은 폴리실리콘 석출반응에 이용되는 트리클로로실란은 일반적으로 금속실리콘과 염화수소의 반응에 의해 제조된다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 유동층식 반응장치를 이용하여 금속실리콘과 염화수소를 철 및 알루미늄 함유 촉매의 존재하에서 반응시켜 하기 반응식 (3)의 반응에 의해 트리클로로실란을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 (3)
금속실리콘과 염화수소의 반응에 의해 생성된 가스를 -10℃ 이하로 냉각하여 트리클로로실란을 응축분리하는데, 이 응축액에는 트리클로로실란 이외에 부생된 다른 클로로실란이 포함되어있다. 이들 클로로실란을 포함하는 응축액으로부터 트리클로로실란을 증류에 의해 분리회수하여 폴리실리콘 제조용 원료로서 사용된다. 또한, 증류에 의해 분리된 테트라클로로실란(SiCl4:STC)은 주로 하기 식 (4) 의 반응에 의한 트리클로로실란(TCS)으로 전환되어 폴리실리콘의 제조에 재이용된다.
3SiCl4 + 2H2 + Si → 4SiHCl3 (4)
한편, 특허문헌 2에는 금속실리콘입자가 충전된 유동층 반응기 내에 100 내지 300㎛정도 크기의 금속실리콘입자, 염화수소, 테트라클로로실란 및 수소를 공급하고, 이 반응용기 내에서 금속실리콘과 염화수소에 의한 트리클로로실란의 생성반응(식 (3)의 반응)과, 금속실리콘, 테트라클로로실란 및 수소와의 반응에 의한 트리클로로실란의 생성반응(식 (4)의반응)을 동시에 진행시키는 트리클로로실란의 제조방법이 제안되어 있다(도 1 참조). 상기의 방법에서는 반응이 진행될수록 금속실리콘입자의 크기가 점차 감소하기 때문에 금속실리콘입자의 보충이 필요하다. 그런데, 원료의 온도변화를 보고 보충시기를 결정하기 때문에 반응온도가 일정하지 않고 변동하게 되어 반응시간에 따라 생성물의 품질이 불균일하다는 문제가 있다.
일본특허제3324922호공보 일본특허공개소56-73617호공보
따라서, 트리클로로실란과 염화수소의 반응에 의한 폴리실리콘 제조 공정의 배기가스 중 클로로실란류, 특히 테트라클로로실란을 보다 효율적으로 트리클로로실란으로 전환시켜 재이용할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,
액상의 테트라클로로실란에 분산된 금속실리콘 분말을 포함하는 반응원료 유입구;
기상의 반응원료 공급구;
트리클로로실란을 포함하는 반응생성물 유출구;
상기 유입구로 유입된 반응원료가 이송되면서 반응하는 관형 반응기; 및
상기 관형반응기는 반응원료들이 이송되는 과정에서 유체 충돌을 야기하기 위한 유체흐름방해 수단을 구비하는, 트리클로로실란 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 유체흐름방해 수단은 관형 반응기 내벽으로부터 반응공간으로 돌출된 구조물일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 유체 흐름방해 수단은 관형반응기의 유로가 구부러져 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 기상의 반응원료는 염화수소, 수소 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 반응은 액상 반응일 수 있고, 300 내지 1000℃에서 실시 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 금속실리콘 분말은 평균입경이 10 미크론 이하일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 금속실리콘과 테트라클로로실란의 중량비는 1: 20~200 일 수 있다.
상기 테트라클로로실란은 트리클로로실란과 수소의 반응에 의해 폴리실리콘을 석출하는 공정에서 부생된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 폴리실리콘 석출공정에서 부생된 테트라클로로실란을 냉각하여 액화하는 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반응후 생성된 트리클로로실란과 반응후잔류하는 금속 실리콘을 분리하는 수단을 더 포함할 수도 있으나, 바람직하게는 상기 금속실리콘 분말은 반응에 소진되어 반응 후 잔류하지 않도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 제조장치는 트리클로로실란을 연속적으로 제조하는 공정에 효율적으로 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면 금속실리콘 입자가 분산된 반응물을 수평관형 반응기를 통해 통과시키면서 염화수소와 반응시켜 트리클로로실란을 제조함에 있어서, 반응기 내벽에 유체의 흐름을 방해하는 구조체를 설치함으로써 반응유체가 상기 구조체와 반응혼합물이 균일하게 혼합되어 접촉 효율이 좋아지므로 트리클로로실란의 생산성을 높일 수 있다.
또한 금속실리콘입자의 크기를 10 미크론이하의 크기로 조절함으로써 테트라클로로실란과 실리콘입자의 접촉면적이 증가하여 반응사이트가 증대되므로 반응속도가 증가하여 트리클로로실란의 생산성을 높일 수 있고. 금속실리콘입자의 크기가 점차 감소하므로 일정반응시간이 경과한 후 실리콘입자는 완전히 소진될 수 있다.
도 1 은 종래기술에 따른 유동층공정의 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 다른 장치를 이용하여 트리클로로실란을 제조하는 공정의 개략적인 흐름도이다.
도 3 은 본 발명의 일 구현예에 따른 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 다양한 구현예에 따른 장치의 좌측면도이다.
도 6 는 본 발명의 다른 구현예에 따른 장치의 개략적인 단면도이다.
도 7 는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 장치의 개략적인 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 장치의 개략적인 사시도이다.
본 발명에 따른 트리클로로실란 제조장치는 액상의 테트라클로로실란과 염화수소에 금속실리콘 분말을 분산시켜 반응시킴으로써 테트라클로로실란과 실리콘의 접촉면적을 증대시키고 균일한 접촉을 유도하여 반응효율을 극대화하고, 가장 바람직하게는 금속실리콘입자가 완전히 반응하여 소진될 수 있도록 충분한 접촉시간과 면적을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 제조장치를 이용한 트리클로로실란 제조방법은 전술한 반응식 (3)에 의한 금속실리콘 및 염화수소의 반응 및 반응식 (4)에 의한 테트라클로로실란과 금속실리콘 및 수소의 반응이 동시에 진행되어 트리클로로실란이 생성되도록 하되 액상반응을 실시하는 것이므로 하기 반응식 (5)와 같이 표현할 수 있다.
3SiCl4(ℓ) + HCl(g) + 3H2(g) + Si(s)-> 4SiHCl3(ℓ) + HCl(g) + H2(g) (5)
상기 반응식에서 염화수소는 기상으로 공급되지만 테트라클로로실란에 용해되므로 액상반응이 가능하고, 반응결과물들은 반응직후 반응기 내부압력으로 인해 액상으로 존재할 수 있다.
본 발명에 따른 공정에서는 반응물인 테트라클로로실란(STC), 염화수소, 수소, 금속실리콘 분말이 함께 고온 고압의 관형 반응기에 함께 주입되어 반응관을 통과하면서 금속 실리콘이 STC, 염화수소 등과 반응하여 트리클로로실란(TCS)으로 전환된다. 따라서 관형 반응기의 출구에서는 금속실리콘분말이 반응에 완전히 소진되어 없는 것이 가장 바람직하다.
금속실리콘 분말이 반응에 완전히 소진되기 위해서는 관형 반응기의 길이가 충분이 길거나 금속 실리콘 분말의 다른 반응물의 반응효율이 높아야 할 것이다. 관형 반응기의 길이는 기본적인 길이는 충족되어야 하지만 무한정 확장하기에는 물리적 비용적 한계가 있다. 따라서 금속실리콘분말과 다른 반응물들의 반응효율을 향상시킬 수 있는 관형 반응기 구조를 고안하게 되었다.
기본적인 구조의 관형 반응기(일자형 튜브 반응기)의 경우 액상의 반응물과 금속실리콘 입자를 포함하는 반응물을 공급하면 액상 반응물과 금속실리콘 입자의 밀도차에 의해 금속 실리콘입자가 반응관 내에 침전하여 불균일하게 퇴적될 우려가 있다.
본 발명에서는 이러한 현상을 개선하기 위하여, 반응관 내에 유체 흐름을 방해할 수 있는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
유체흐름 방해수단에 의해 반응물이 이송되는 과정에서 충돌, 재배열되는 과정에서 금속실리콘 입자와 용매분자의 접촉횟수가 많아지고, 접촉시간이 길어지며, 접촉면적이 넓어짐으로써 반응효율이 향상될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 반응은 고온고압반응이므로 압력에 의한 영향이 크다, 반응기 전체적으로는 균일한 압력이 유지된다 하더라도, 관형 반응기 내부에서 유체 흐름 방해수단에 의한 유체 충돌에 의해 와류가 형성되면서 국부적, 미소규모의 반응계에서는 압력 차이가 존재하게 되고 이러한 압력차이는 반응효율을 향상시키는 구동력이 된다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 방법에 따른 일실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기상의 테트라클로로실란(1)은 냉각기(10)를 통과하여 액상의 테트라클로로실란(2)으로 전환된다. 액상의 테트라클로로실란(2)은 염화수소(4)와 함께 배합되고, 여기에 금속실리콘 입자(6)가 투입되어 배합된다. 금속실리콘입자와 배합되기 전에 필요에 따라 펌프(20)에 의해 가압될 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
수소 가스는 전술한 단계 중 임의의 단계에 첨가될 수 있다. 예를 들면, 액상의 테트라클로로실란(2)을 염화수소(4)와 배합하기 전 또는 후, 또는 금속실리콘 입자 분산 전 또는 후에 첨가할 수 있다.
금속실리콘 입자가 분산된 액상의 테트라클로로실란/염화수소배합물(7)은 관형반응기(30)에 주입되어 반응이 진행된다. 반응기(30)에는 최적의 반응온도를 제공하기 위한 가열수단(도시하지 않음)이 구비되며, 충분한 체류시간과 접촉면적을 제공할 수 있도록 설계될 수 있다.
금속실리콘 입자는 반응에 모두 소진되도록 하는 것이 바람직하며, 이 경우 반응 후 잔류하는 금속실리콘 입자를 분리하기 위한 공정(예를 들면 필터링 공정)이 생략될 수 있다.
반응기(30)로부터의 배출물(8)은 반응기 내부의 압력으로 액상으로 존재하며, 액상반응물 중의 트리클로로실란과 염화수소/수소를 분리하기 위하여 가압 또는 감압증류장치를 이용하는 것도 가능하지만, 상온에서 트리클로로실란은 액체이고 염화수소와 수소는 기체인 성질을 이용하여, 반응직후 액체 상태로 존재하는 트리클로로실란, 염화수소, 수소는 압력이 해제된 상태에서 보관함으로써 액상의 트리클로로실란을 용이하게 얻을 수 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 관형 반응기 구조를 개략적으로 도시한다.
먼저 도 3은 관형 반응기의 단면도로서 반응관(32) 내벽에 유체흐름방해수단으로서 구조물들(40,42)이 설치되어 있는 모습을 나타낸다. 구조물들(40,42)은 배플과 같이 반응관 벽면으로부터 돌출되어 있어서 반응관 내부를 유동하는 반응물들의 흐름이 충돌하여 와류를 발생하도록 함으로써 반응물의 접촉효율을 증대시킨다. 구조물의 형상은 유체 유동에 와류를 발생시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는 구조물 상에 금속 실리콘 입자가 퇴적되는 것을 방지할 수 있는 것이 좋다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 관형 반응기 단면이 사각인 경우와 원형인 경우 반응기 입구 쪽에서 바라본 측면도이다. 유체흐름방해구조물은(40,42)는 유체가 반응기 내부를 직선 통과하는 것을 막을 수 있도록 상하로 대향하는 구조물들이 반응관 중심으로 어느 정도 길이로 연장되는 것이 바람직하다. 따라서 도 4 및 도 5 의 측면도에서 보는 바와 같이 반응기 출구는 구조물들(40,42)에 의해 가려져 보이지 않는다.
도 6 및 도 7은 유체 흐름 방해수단인 구조물들(40,42)의 다양한 단면 구조를 도시하나 앞서 설명한 바와 같이, 구조물의 형상은 유체 유동에 와류를 발생시킬 수 있으면서 금속 실리콘 입자가 퇴적되는 것을 최소화할 수 있으면 되며 특별히 한정되지 않는다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 것으로서, 반응관 내벽에 구조물을 설치하는 대신 반응관 자체의 유로를 구부러지게 함으로써 유체의 흐름을 방해하는 것이다. 도 8에서 유체 입구 유동과 평행한 반응관(32,36)은 동일 평면에 위치하거나 다른 평면에 위치할 수 있다. 즉 유체 입구 유동 방형과 평행한 반응관(32,36)이 동일 평면에 위치하는 경우는 유체 유동과 수직인 반응관(34)도 동일 평면에 위치하는 경우로서 넓은 판에 새겨진 음각형 반응기의 형태가 될 수 있다. 유체 입구 유동 방향과 평행한 반응관(32,36)이 다른 평면에 있는 경우는 유체 유동과 수직인 반응관(34)이 지면에 대해 수직일 수 있다.
본 발명에 따른 반응관은 특히 수평관형 반응기를 이용하는 것이 바람직하다. 수평관형 반응기의 설계는 금속실리콘 분말이 완전히 소진될 수 있을 정도로 체류하도록 하는 것이 바람직하다.
반응온도는, 제조장치의 재질이나 능력 등을 감안하여 적절하게 결정하면 되지만, 반응온도가 필요 이상으로 높으면, 트리클로로실란의 선택률이 저하하고 테트라클로로실란이나 디클로로실란 등의 트리클로로실란 이외의 클로로실란 부생물의 양이 많아진다. 또한, 이 반응은 발열반응이다. 동일한 반응기내에서 테트라클로로실란이 수소와 반응하여 트리클로로실란이 발생하는 반응은 흡열반응이다. 따라서 이 두 반응의 조건을 감안하여 반응온도는 다양하게 설정될 수 있으며, 일반적으로 300 내지 1000℃의 범위로 설정된다. 가장 바람직하게는 250 내지 400℃의 범위로 설정될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 반응기의 압력이 증가할수록 트리클로로실란의 선택률이 증가하며 테트라클로로실란의 반응성도 증가하기 때문에 압력에 대한 적절한 조절이 필요하다. 일반적으로 5 bar 내지 100 bar의 범위로 설정된다.
이하에서는 각 반응물에 대해 살펴본다.
테트라클로로실란
이 반응에 이용하는 테트라클로로실란으로서는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 폴리실리콘 등의 제조과정에서 부생되는 테트라클로로실란의 유효이용을 도모하기 위해 트리클로로실란으로부터 폴리실리콘의 제조과정에서 부생되는 테트라클로로실란이 사용될 수 있다.
금속실리콘 분말
상기 반응에 이용하는 금속실리콘은 야금제 금속실리콘이나 규소철, 또는 폴리실리콘 등의 금속상태의 규소원소를 포함하는 고체입자물질이다. 또한, 금속규소에 포함되는 철화합물 등의 불순물에 대해서도, 그 성분이나 함유량에 있어서 특별히 제한은 없다. 다만, 금속실리콘 분말의 평균입경은 10 미크론 이하, 바람직하게는 0.5 내지 5 미크론 정도의 미립자 형태로 사용된다.
본 발명에서는 실리콘 금속입자가 액상의 테트라클로로실란에 균일하게 분산되도록하여 응집 및 침전을 방지하고, 실리콘금속입자와 테트라클로로실란의 접촉면적을 증대시키기 위하여 바람직하게는 10 미크론 이하 크기의 금속실리콘 입자를 사용한다.
금속실리콘 입자와 테트라클로로실란의 혼합비율은 질량비로 바람직하게는 1: 20~200, 더욱 바람직하게는 1: 50 ~ 150 일 수 있다.
금속실리콘입자의 투입량은 테트라클로로실란에 분산된 금속실리콘 입자간 거리가 10 내지 1000nm, 더욱 바람직하게는 50 내지 500nm 가 되도록하는 범위에서 적절히 선택할 수 있다.
바람직하게는, 나노크기의 금속실리콘이 반응에 모두 이용되어 잔류하지 않도록함으로써 반응에 이용되고 남은 미분의 금속실리콘을 반응결과물로부터 분리하는 공정을 생략할 수 있다.
염화수소
금속실리콘과의 반응에 사용되는 염화수소는 수소 등이 혼입되어 있어도 아무런 제한없이 사용된다. 그러나, 일반적으로 트리클로로실란, 테트라클로로실란, 디클로로실란 등의 클로로실란은 가수분해성이 높기 때문에 수분과 반응하게 된다. 이로 인해, 염화수소에 수분이 포함되어 있으면, 생성된 트리클로로실란의 수율을 낮출 우려가 있다. 따라서, 이 염화수소는 건조상태에 있는 것이 바람직하다. 염화수소는 분자단위로 분산되므로 액상반응물에 분산된 금속실리콘 입자주변에 충분하게 분포될 수 있어 반응효율이 증대된다.
테트라클로로실란 및 염화수소의 비는 테트라클로로실란 1몰에 대하여 염화수소 0.1 내지 1몰이 일반적이지만, 테트라클로로실란 1몰에 대하여 염화수소 0.2 내지 0.5몰의 비율이 보다 바람직하다. 또한, 그 공급속도는 이용하는 반응장치의 종류나 크기에 따라 적절한 범위로 설정할 수 있다.
수소
본 발명에 따른 반응에서 수소는 테트라클로로실란과 반응하여 트리클로로실란을 형성하는데 도움을 준다. 수소원으로는 공업적으로 입수할 수 있는 여러 가지 수소를 사용할 수 있고, 폴리실리콘의 제조과정에서 배출되는 수소 등을 적절하게 정제하여 사용할 수도 있다.
테트라클로로실란 및 수소의 비는 테트라클로로실란 1몰에 대하여 수소 1 내지 5몰이 일반적이지만, 테트라클로로실란 1몰에 대하여 수소 1 내지 3몰의 비율이 보다 바람직하다. 또한, 그 공급속도는 이용하는 반응장치의 종류나 크기에 따라 적절한 범위로 설정할 수 있다.
반응촉매
본 발명에 따른 방법에서 반응효율을 향상시키기 위하여 촉매를 이용할 수도 있지만 반드시 사용해야 하는 것은 아니다.
촉매로는 금속실리콘과 염화수소의 반응에서의 촉매성분으로서 공지된 것을 제한없이 이용할 수 있다. 이러한 촉매성분으로서 구체적으로는 철, 코발트, 니켈, 팔라듐, 백금 등의 제VIII족 원소의 금속이나 그의 염화물 등, 알루미늄, 구리, 티탄 등의 금속이나 염화물을 들 수 있다. 이들 촉매는 단독으로 이용하는 것도, 또는 복수의 촉매를 조합하여 이용하는 것도 가능하다. 상기 촉매성분의 사용량은 트리클로로실란을 제조효율을 향상시키는 양이면 특별히 제한되지 않으며, 제조장치의 능력 등을 감안하여 적절하게 결정하면 된다.
또한, 상기의 촉매성분은 반응계 내에 첨가함으로써 존재시킬 수도 있지만, 사용하는 금속실리콘에 불순물로서 철화합물 등의 촉매성분이 포함되어있는 경우에는, 이 불순물을 촉매성분으로서 유효하게 이용할 수 있다. 물론, 촉매성분을 불순물로서 함유하는 금속실리콘을 사용하는 경우에도, 금속실리콘과 염화수소의 반응성을 높이기 위하여 촉매성분을 반응계 내에 더 첨가하여도 전혀 문제는 없다.
본 발명에 따른 방법은 액상의 테트라클로로실란을 이용하여 액상반응으로 관형반응기를 이용하여 진행하며, 또한 금속실리콘 분말을 반응시키므로 반응물이 균일하게 혼합될 수 있고 반응표면적이 증대되며 반응온도제어가 용이하여 생산효율이 극대화될 수 있다.
10. 냉각기
20. 펌프
30. 관형반응기
40.42. 유체흐름방해 구조물

Claims (11)

  1. 액상의 테트라클로로실란에 분산된 금속실리콘 분말을 포함하는 반응원료 유입구;
    기상의 반응원료 공급구;
    트리클로로실란을 포함하는 반응생성물 유출구;
    상기 유입구로 유입된 반응원료가 이송되면서 반응하는 수평 관형 반응기; 및
    상기 수평 관형 반응기는 반응원료들이 이송되는 과정에서 유체 충돌을 야기하기 위한 유체흐름방해 수단을 구비하는,
    트리클로로실란 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체흐름방해 수단은 수평 관형 반응기 내벽으로부터 반응공간으로 돌출된 구조물인 것인, 트리클로로실란 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유체 흐름방해 수단은 수평 관형 반응기의 유로가 구부러져 형성된 것인, 트리클로로실란 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기상의 반응원료는 염화수소, 수소 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것인 트리클로로실란 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수평 관형 반응기 내의 반응은 액상 반응인, 트리클로로실란 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응은 300 내지 1000℃에서 실시되는, 트리클로로실란 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 실리콘 분말은 평균입경이 10 미크론 이하인, 트리클로로실란 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속실리콘 분말과 테트라클로로실란의 중량비는 1: 20~200 인, 트리클로로실란 제조장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 테트라클로로실란은 트리클로로실란과 수소의 반응에 의해 폴리실리콘을 석출하는 공정에서 부생된 것인, 트리클로로실란의 제조장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속실리콘 분말은 반응에 소진되어 반응 후 잔류하지 않는, 트리클로로실란 제조장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 장치를 이용하여 트리클로로실란을 연속 제조하는 방법.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111569816A (zh) * 2020-06-30 2020-08-25 江苏京控装备有限公司 一种固液均质混合泵配套多管式反应器
CN112958017B (zh) * 2021-03-15 2022-11-01 金华永和氟化工有限公司 一种连续生产六氟环氧丙烷三聚体的设备及方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5291282B2 (ja) * 2003-08-13 2013-09-18 株式会社トクヤマ 管型反応容器および該反応容器を用いたシリコンの製造方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3119704A (en) * 1961-12-04 1964-01-28 Dow Chemical Co Preparation of aerated cementitious products
JPS5673617A (en) 1979-11-17 1981-06-18 Osaka Titanium Seizo Kk Manufacture of trichlorosilane
US4422773A (en) * 1980-08-04 1983-12-27 Technicon Instruments Corporation Apparatus and method for the non-invasive mixing of a flowing fluid stream
CA1276776C (en) * 1986-04-03 1990-11-27 Jack Edward Binning Method and reaction apparatus for effecting controlled chemicalreactions
US4721575A (en) * 1986-04-03 1988-01-26 Vertech Treatment Systems, Inc. Method and apparatus for controlled chemical reactions
US5758967A (en) * 1993-04-19 1998-06-02 Komax Systems, Inc. Non-clogging motionless mixing apparatus
DE102005005044A1 (de) * 2005-02-03 2006-08-10 Consortium für elektrochemische Industrie GmbH Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan mittels thermischer Hydrierung von Siliciumtetrachlorid
GB0614810D0 (en) 2006-07-25 2006-09-06 Nitech Solutions Ltd Improved apparatus and method for maintaining consistently mixed materials
JP5316291B2 (ja) * 2008-08-05 2013-10-16 三菱マテリアル株式会社 トリクロロシラン製造装置及び製造方法
CN201517074U (zh) 2009-04-16 2010-06-30 金川集团有限公司 一种合成甲酸钠的管式反应器
RU2414421C2 (ru) 2009-05-07 2011-03-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (ФГУП ГНИИХТЭОС) Способ непрерывного получения моносилана
KR101309600B1 (ko) 2010-08-04 2013-09-23 주식회사 엘지화학 트리클로로실란 제조방법
KR101392944B1 (ko) 2012-03-16 2014-05-09 한국화학연구원 사염화실란으로부터 삼염화실란을 제조하는 방법 및 이에 사용되는 트리클 베드 반응기

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5291282B2 (ja) * 2003-08-13 2013-09-18 株式会社トクヤマ 管型反応容器および該反応容器を用いたシリコンの製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
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