KR20160003696A - 실란을 제조하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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시텍 게엠베하
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Abstract

실란을 제조하기 위한 방법 및 시스템의 TCS 재순환 루프 및/또는 DCS 재순환 루프에 각각 추가의 TCS 및/또는 DCS 재분배 반응기를 포함시킴으로써, 실란의 제조에서의 효율이 실현된다.

Description

실란을 제조하기 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND PROCESS FOR SILANE PRODUCTION}
<관련 출원의 상호 참조>
본 출원은 35 U.S.C. § 119(e) 하에 2013년 5월 4일에 출원된 미국 가특허 출원 61/819,572의 이익을 청구하며, 상기 출원은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 화학적 제조, 보다 구체적으로는 실란 (SiH4)을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본원에서 간단히 실란으로도 언급될 수 있으며 SiH4의 화학식을 갖는 모노실란은, 평면-스크린 텔레비전 스크린, 반도체 칩, 및 태양 전지로의 전환을 위한 폴리실리콘의 제조를 포함하는 다양한 산업적 및 상업적 목적으로 전세계적으로 사용된다. 모노실란은 높은 순도로 인해 폴리실리콘을 제조하기에 바람직한 중간체로서 부각되었지만, 이는 보다 낮은 전체 폴리실리콘 제조 비용으로 인해 여전히 우세한 선택 공급원료로 남아있는 정제된 트리클로로실란과 경쟁한다. 앞으로의 시장 진입 여부는 품질 이점을 유지하면서 모노실란 제조 비용을 절감시키고, 또한 폴리실리콘으로의 전환 비용을 낮추는 것에 따라 결정된다.
전세계 대부분의 모노실란은 1977년에 유니온 카바이드 코포레이션(Union Carbide Corporation)이 특허를 취득한, 소위 유니온 카바이드 공정 ("UCC 공정")을 사용하여 제조된다. UCC 공정에서는, 염화수소화 유닛으로부터의 액체 클로로실란을 모노실란 제조 유닛에 의해 사용하여 순수 실란 가스 (SiH4)를 제조한다. 이는 TCS를 초순수 SiH4 및 공-생성물 STC로 전환시키는 일련의 증류 및 촉매화 재분배 반응을 통해 달성된다. 공-생성물 STC는 염화수소화 유닛으로 복귀시켜 TCS로 다시 전환시킨다.
UCC 공정은 TCS를 SiH4로 전환시키는데 사용되는 2개의 재분배 반응기를 포함한다. 반응기 촉매는 스티렌 기재의 지지체에 화학적으로 그라프트된 디메틸아미노 기로 이루어진다. 지지체는 거대망상형 스티렌-디비닐벤젠 공중합체이다. TCS의 SiH4로의 재분배는 하기에 나타낸 3개의 가역적 평형 반응의 진행을 통해 발생한다.
Figure pct00001
TCS로부터 SiH4로의 변환을 일련의 상기 3개의 개별 반응으로서 고려하는 것이 편리하지만, 실제로 이들 모두는 평형이 달성될 때까지 각각의 반응기에서 동시에 발생한다. 반응 시간이 반응 속도론을 충족시키기에 충분하게 길고 평형이 달성되는 것으로 가정하면, 각각의 반응기 내의 생성물 조성은 일차적으로는 공급물의 조성에 의해 결정되고, 이차적으로는 반응 온도에 의해 결정된다.
제1 반응을 수행하는 재분배 반응기는 순수 TCS 공급원료를 수용하도록 설계되었기 때문에 TCS 반응기로 칭한다. 순수 TCS 공급원료에 의해, 3개의 반응의 평형은 반응 #1만이 이러한 반응기에서 측정가능하게 진행되도록 하는 정도이다. 이러한 조건 하의 반응 정도는 약 20%이고, 여기서 반응기 생성물은 80%의 미반응 TCS 공급물 및 20%의 생성물, 즉 10%의 DCS 및 10%의 STC이다. 이러한 TCS 반응기에서의 TCS의 DCS로의 낮은 일차 통과 전환율로 인해, 증류 칼럼을 사용하여 생성물을 분리하여서, TCS 반응기로의 재순환을 위한 수소화된 클로로실란을 보다 많이 회수한다.
제1 증류 칼럼은 새로운 클로로실란 공급물 스트림 중 TCS로부터 STC를 분리하고, 또한 TCS 반응기로부터의 생성물 중 STC를 분리하기 위해 양쪽 모두에 사용된다. 제2 증류 칼럼은 제1 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 생성물 중 TCS로부터 DCS를 분리하기 위해 사용된다. 이러한 제2 증류 칼럼으로부터의 바닥 생성물은 본질적으로 순수한 TCS이며, TCS 재분배 반응기로의 공급 원료가 된다.
제2 증류 칼럼의 상부에서 배출되는 DCS 풍부, TCS 희박 생성물은 DCS 재분배 반응기 ("DCS 반응기")로 칭하는, 제2 재분배 반응기로의 공급 원료가 된다. 이러한 공급원료 중 높은 DCS 함량으로 인해, 3개의 반응의 평형은 반응 #2 및 #3만이 이러한 반응기에서 측정가능하게 진행되는 정도이다. 이러한 조건 하의 반응 정도는 SiH4, MCS, DCS 및 TCS가 모두 반응기 생성물에 존재하는 정도이다. DCS 반응기 생성물 중 SiH4 조성은 평형에서 단지 12-15 몰%이며, 따라서 제3의 고압 칼럼이 DCS 반응기 생성물에 존재하는 MCS, DCS 및 TCS로부터 SiH4를 분리하고 정제하기 위해 사용된다. MCS, DCS 및 TCS는 이어서 제2 증류 칼럼으로의 제2 공급물로서 다시 재순환하고, 여기서 MCS 및 DCS는 상부 생성물로서, DCS 반응기로 공급된다. TCS는 제1 증류 칼럼으로부터의 공급물 스트림에 존재하는 다른 TCS와 함께 제2 증류 칼럼의 바닥으로 이동하고, 그에 따라 TCS 반응기로의 공급물 중 TCS 양이 증가한다.
요약하면, SiH4 생성물 질량 유량보다 100배 더 큰 질량 유량을 갖는 대용량 TCS 재순환 루프가 TCS 반응기를 통과하여, 새로운 공급원료 중 TCS 및 DCS 반응기에서의 SiH4 제조의 부산물로서 생성된 TCS를 DCS로 전환시켜야 한다. DCS가 형성되고 재순환 TCS로부터 분리되면, 이는 DCS 반응기로의 공급물이 된다. 질량 유량이 SiH4 생성물 질량 유량의 20배인 보다 작은 DCS/MCS 재순환 루프가 DCS 반응기를 통과하여, 제2 증류 칼럼으로부터의 DCS 및 제3 증류 칼럼으로부터의 재순환 DCS 및 MCS를 SiH4로 전환시켜야 한다.
요약하면, UCC 공정에 총 2개의 재분배 반응기가 존재한다. TCS 반응기로 명명될 수 있는 제1 반응기는, 제2 증류 칼럼으로부터의 바닥물질 스트림 상에 위치한다. 이러한 스트림은 거의 전체가 TCS로 구성되며 최소 허용(de minimis) 양의 DCS 및 STC를 함유하고, TCS 재순환 루프의 일부가 된다. DCS 반응기로 명명될 수 있는 제2 재분배 반응기는 제2 증류 칼럼의 상부에서 나오는 오버헤드 스트림 상에 위치한다. 이러한 스트림은 실질적으로 MCS 및 DCS로 구성되고, DCS 재순환 루프의 일부가 된다. 정상적인 운전일 때, TCS 반응기로 들어가는 TCS의 대략 20%가 거의 동일한 양의 DCS 및 STC로 전환되고, DCS 반응기로 들어가는 DCS의 대략 45% 내지 50%가 거의 1:2 몰비의 실란 및 TCS로 전환된다.
붕소 및 인을 포함하는, 조질 공급물 스트림 중 불순물은 필터 요소에 구속된 재분배 촉매에 의해 흡수되거나, 또는 공-생성물 STC와 함께 이탈한다. SiH4 생성물은 월등히 높은 순도를 가지며, 여기서 붕소 및 인 수준은 5-10 pptw 수준이다.
UCC 공정은 그의 상업적 성공에도 불구하고, 주로 TCS 재순환 루프를 통과하는 대용량 질량 유량으로 인해, 또한 그보다 정도는 덜하지만 DCS 재순환 루프를 통과하는 대용량 질량 유량으로 인해, 건설, 유지 및 운전 비용이 많이 든다. 본 개시내용은 본원에 기재된 바와 같이 UCC 공정에서의 개선점 및 관련된 이점을 제공한다.
한 측면에서, 본 개시내용은 도 1에 예시된 바와 같이,
a. i. 제1 TCS 재분배 반응기; 및
ii. 제2 TCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
b. i. 제1 TCS 재분배 반응기;
ii. 제2 TCS 재분배 반응기;
iii. 제1 DCS 재분배 반응기; 및
iv. 제2 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
c. i. 제1 DCS 재분배 반응기; 및
ii. 제2 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템을 제공한다.
관련된 측면에서, 본 개시내용은
a. 스트림 1을 제1 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
b. 제1 증류 칼럼으로부터 스트림 2 및 스트림 3을 회수하며, 여기서 스트림 2는 STC를 포함하고, 스트림 3은 DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
c. 스트림 3을 제2 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
d. 제2 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 4를 회수하며, 여기서 스트림 4는 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
e. 스트림 4 및 스트림 11을 제2 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 11은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
f. 제2 증류 칼럼으로부터 스트림 5 및 스트림 7을 회수하며, 여기서 스트림 5는 TCS 및 STC를 포함하고, 스트림 7은 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 것이고;
g. 스트림 7을 제1 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
h. 제1 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 8을 회수하며, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
i. 스트림 8을 제3 증류 칼럼에 도입하고;
j. 제3 증류 칼럼으로부터 스트림 9 및 스트림 10을 회수하며, 여기서 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 스트림 10은 실란을 포함하는 것이고;
k. 스트림 9를 제2 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
l. 제2 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 11을 회수하고;
m. 스트림 5를 제1 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
n. 제1 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 6을 회수하며, 여기서 스트림 6은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
o. 스트림 6을 제1 증류 칼럼에 도입하는 것
을 포함하는, 도 1에 예시된 시스템을 사용하여 수행될 수 있는 방법을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 도 2에 예시된 바와 같이,
a. i. 제1 TCS 재분배 반응기; 및
ii. 제2 TCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
b. i. 제1 TCS 재분배 반응기;
ii. 제2 TCS 재분배 반응기;
iii. 제3 증류 칼럼; 및
iv. 제1 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
c. i. 제1 DCS 재분배 반응기; 및
ii. 제2 증류 칼럼
과 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템을 제공한다.
관련된 측면에서, 본 개시내용은
a. 스트림 1을 제1 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
b. 제1 증류 칼럼으로부터 스트림 2 및 스트림 3을 회수하며, 여기서 스트림 2는 STC를 포함하고, 스트림 3은 DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
c. 스트림 3을 제2 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
d. 제2 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 4를 회수하며, 여기서 스트림 4는 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
e. 스트림 4 및 스트림 9를 제2 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
f. 제2 증류 칼럼으로부터 스트림 5 및 스트림 7을 회수하며, 여기서 스트림 5는 TCS 및 STC를 포함하고, 스트림 7은 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 것이고;
g. 스트림 7을 제1 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
h. 제1 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 8을 회수하며, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
i. 스트림 8을 제3 증류 칼럼에 도입하고;
j. 제3 증류 칼럼으로부터 스트림 9 및 스트림 10을 회수하며, 여기서 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 스트림 10은 실란을 포함하는 것이고;
k. 스트림 9를 제2 증류 칼럼에 도입하고;
l. 스트림 5를 제1 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
m. 제1 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 6을 회수하며, 여기서 스트림 6은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
n. 스트림 6을 제1 증류 칼럼에 도입하는 것
을 포함하는, 도 2에 예시된 시스템을 사용하여 수행될 수 있는 방법을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 도 3에 예시된 바와 같이,
a. i. 제1 TCS 재분배 반응기; 및
ii. 제2 증류 칼럼
과 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
b. i. 제1 TCS 재분배 반응기;
ii. 제1 증류 칼럼;
iii. 제1 DCS 재분배 반응기; 및
iv. 제2 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
c. i. 제1 DCS 재분배 반응기; 및
ii. 제2 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템을 제공한다.
관련된 측면에서, 본 개시내용은
a. 스트림 1을 제1 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
b. 제1 증류 칼럼으로부터 스트림 2 및 스트림 3을 회수하며, 여기서 스트림 2는 STC를 포함하고, 스트림 3은 DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
c. 스트림 3 및 스트림 11을 제2 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 11은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
d. 제2 증류 칼럼으로부터 스트림 5 및 스트림 7을 회수하며, 여기서 스트림 5는 TCS 및 STC를 포함하고, 스트림 7은 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 것이고;
e. 스트림 7을 제1 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
f. 제1 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 8을 회수하며, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
g. 스트림 8을 제3 증류 칼럼에 도입하고;
h. 제3 증류 칼럼으로부터 스트림 9 및 스트림 10을 회수하며, 여기서 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 스트림 10은 실란을 포함하는 것이고;
i. 스트림 9를 제2 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
j. 제2 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 11을 회수하고;
k. 스트림 5를 제1 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
l. 제1 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 6을 회수하며, 여기서 스트림 6은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
m. 스트림 6을 제1 증류 칼럼에 도입하는 것
을 포함하는, 도 3에 예시된 시스템을 사용하여 수행될 수 있는 방법을 제공한다.
한 실시양태에서, 본원에 기재된 시스템 및 본원에 기재된 방법은 폴리실리콘의 제조와 조합되어 수행가능하다. 예를 들어, 본원에 기재된 시스템은, 예를 들어 UCC 공정, 지멘스(Siemens) 공정 또는 변형된 지멘스 공정에 의한 폴리실리콘을 제조하기 위한 반응기, 예를 들어 CVD 반응기를 포함할 수 있다. 본원에 기재된 방법은, 예를 들어 UCC 공정에 의해 실란으로부터, 또는 예를 들어 지멘스 공정에 의해 트리클로로실란으로부터 폴리실리콘을 제조하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태의 상세한 내용이 하기의 상세한 설명에서 상술된다. 하나의 예시적 실시양태와 관련하여 예시되었거나 기재된 특징은 다른 실시양태의 특징과 조합될 수 있다. 다른 특징, 목적 및 이점이 상세한 설명, 도면 및 청구범위로부터 자명할 것이다. 또한, 본원에 언급된 모든 특허 및 특허 출원의 개시내용은 그 전문이 참조로 포함된다.
본 개시내용의 특징, 그의 특성 및 다양한 이점이 첨부 도면 및 하기의 다양한 실시양태의 상세한 설명으로부터 자명할 것이다.
도 1은 3개의 증류 칼럼, TCS 재순환 루프 상의 2개의 재분배 반응기 및 DCS 재순환 루프 상의 2개의 재분배 반응기를 포함하는, 실란을 제조하기 위한 본 개시내용의 시스템 및 방법의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 2는 3개의 증류 칼럼, TCS 재순환 루프 상의 2개의 재분배 반응기 및 DCS 재순환 루프 상의 1개의 재분배 반응기를 포함하는, 실란을 제조하기 위한 본 개시내용의 시스템 및 방법의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 3은 3개의 증류 칼럼, TCS 재순환 루프 상의 1개의 재분배 반응기 및 DCS 재순환 루프 상의 2개의 재분배 반응기를 포함하는, 실란을 제조하기 위한 본 개시내용의 시스템 및 방법의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 4는 TCS 재순환 루프 상의 1개의 재분배 반응기 및 DCS 재순환 루프 상의 1개의 재분배 반응기를 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템 및 방법의 개략적인 블록 다이어그램이다.
상응하는 참조 부호는 도면 전체에서 상응하는 부재를 나타낸다. 본 개시내용의 상세한 설명은 생성되고 소모되는 다양한 화학적 스트림을 언급한다. 이러한 스트림은 스트림 1, 스트림 2 등으로서 표시된다. 독자의 편의를 위해, 도면에서, 참조부호 S1은 스트림 1을 운반하는 도관 옆에 위치하고, 참조부호 S2는 스트림 2를 운반하는 도관 옆에 위치하는 등의 방식이다. 상응하는 부재에 대하여 도면에서 사용된 참조 부호 및 본원에 사용된 명칭이 하기 표 1에 제공된다.
<표 1>
Figure pct00002
본 개시내용은 실란을 제조하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본원에 사용된 바와 같이, STC는 사염화규소 (SiCl4)를 나타내는데 사용될 것이고; TCS는 트리클로로실란 (HSiCl3)을 나타낼 것이고; DCS는 디클로로실란 (H2SiCl2)을 나타낼 것이고; MCS는 모노클로로실란 (H3SiCl)을 나타낼 것이고; 실란은 SiH4를 나타낼 것이다. 간단히 말해서, 본 개시내용의 시스템은 도 1-3에서 각각 20, 30 및 40으로 표시된 제1, 제2 및 제3 증류 칼럼을 포함한다. 또한, 시스템은 도 1-3에서 50으로 나타낸 하나 이상의 TCS 재분배 반응기, 및 도 1-3에서 60으로 나타낸 하나 이상의 DCS 재분배 반응기를 포함한다. 편의상, TCS 재분배 반응기 (TCS-RR) (50)는 제1 TCS-RR(50)로 명명될 것이고, DCS 재분배 반응기 (DCS-RR) (60)는 제1 DCS-RR(60)로 명명될 것이다. 또한, 시스템은 제2 TCS-RR(70) 및 제2 DCS-RR(80) 중 어느 하나 또는 이들 둘 다를 포함한다. 임의로, 시스템은 폴리실리콘의 제조를 위한 반응기를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 방법 및 시스템의 실시양태가 도 1에 예시되어 있다. 도 1에서, 제1 증류 칼럼(20)은 도관(11)을 통해 공급원(10)으로부터 스트림 1을 수용하고, 이때 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함한다. 공급원(10)은 후에 본원에서 논의될 것이지만, 예를 들어, 정제되지 않은 TCS를 생성하는 수소화 반응기의 오프가스(off-gas)일 수 있다. 제1 증류 칼럼(20)은 STC를 포함하는 상대적으로 고비점의 스트림 2, 및 DCS 및 TCS를 포함하는 상대적으로 저비점의 스트림 3을 형성하고 제공한다. 스트림 2는 도관(21)을 통해 칼럼(20)에서 배출되고, 반면에 스트림 3은 도관(22)을 통해 칼럼(20)에서 배출된다. 스트림 2 중 STC는 후에 본원에서 논의되는 바와 같이, 플랜트의 전위에 있는 수소화 반응기로 재순환할 수 있다.
도 1의 실시양태는 또한 제2 증류 칼럼(30)을 포함한다. 칼럼(30)은 도 1에서 스트림 4 및 스트림 11로 표시되는, 2개의 스트림을 수용한다. 스트림 4는 DCS, TCS 및 STC를 포함하며, 도관(71)을 통해 증류 칼럼(30)에 들어가고, 반면에 스트림 11은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하며, 도관(81)을 통해 칼럼(30)에 들어간다. 또한, 제2 증류 칼럼(30)은 도 1에서 스트림 5 및 스트림 7로 표시되는, 2개의 스트림을 생성한다. 스트림 5는 상대적으로 고비점의 TCS 및 STC를 포함하며, 도관(31)을 통해 칼럼(30)에서 배출된다. 스트림 7은 상대적으로 저비점의 실란, MCS 및 DCS를 포함하며, 도관(32)을 통해 칼럼(30)에서 배출된다.
또한, 도 1의 실시양태는 제3 증류 칼럼(40)을 포함한다. 칼럼(40)은 도관(61)을 통해 스트림 8을 수용하고, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함한다. 칼럼(40)은 2개의 스트림, 즉 스트림 9 및 스트림 10을 생성한다. 스트림 9는 상대적으로 고비점의 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 반면에 스트림 10은 상대적으로 저비점이지만 고순도의 실란을 포함한다. 스트림 9는 도관(41)을 통해 칼럼(40)에서 배출되고, 반면에 스트림 10은 도관(42)을 통해 칼럼(40)에서 배출된다.
3개의 증류 칼럼(20, 30 및 40) 이외에도, 도 1의 실시양태는 4개의 재분배 반응기(50, 60, 70 및 80)를 포함한다. 도 1에서 유닛(20, 30, 50 및 70) 및/또는 스트림 S3, S4, S5 및 S6은 TCS 재순환 루프로 명명되는 것을 포함한다. 유닛(30, 40, 60 및 80) 및/또는 스트림 S7, S8, S9 및 S11은 DCS 재순환 루프로 명명되는 것을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 재분배 반응기는 하나 이상의 공급원료 스트림을 수용하여, 이러한 공급원료(들)를 하기 3개의 평형 반응에 따라 유출 스트림으로 전환시킨다.
Figure pct00003
예를 들어, 단일 조성물이 재분배 반응기로 인도될 수 있고, 여기서 상기 단일 조성물은 디클로로실란과 사염화규소를 둘 다 함유한다. 재분배 반응기는 재분배 조건 하에 운전되어, 디클로로실란과 사염화규소 사이에 재분배 반응이 발생하고, 그에 의해 트리클로로실란이 생성된다. 예를 들어 미국 특허 4,610,858에서 개시된 3급 아민 및 3급 아민 염의 조합과 같은 촉매가 재분배 반응기에 존재할 수 있다. U.S. 4,610,858에서 개시된 바와 같이, 3급 아민 및 3급 아민 염의 조합이, 그에 의해 TCS가 실란 (SiH4) 및 STC로 전환될 수 있는 평형 반응인 불균화 반응을 수행하는데 사용된다. 본 개시내용의 재분배 반응은 U.S. 4,610,858에서 개시된 바와 동일한 촉매 및 온도 및 압력의 운전 조건을 사용할 수 있다. 고정층 또는 유동층 반응기가 재분배 반응기에 사용될 수 있다.
TCS 재순환 루프는 TCS를 수용하는 2개의 재분배 반응기를 포함하고, 이들은 제1 TCS-RR(50) 및 제2 TCS-RR(70)로 명명될 것이다. TCS 재순환 루프에서, 증류 칼럼(20)으로부터의 DCS 및 TCS를 포함하는 스트림 3이 제2 TCS-RR(70)에 도입된다. TCS-RR(70)은 스트림 3 중 TCS의 일부를 DCS 및 STC로 전환시키고, 그에 의해 DCS, TCS, 및 STC를 포함하는 스트림 4가 생성되는데, 여기서 스트림 4 중 DCS 및 STC 함량은 스트림 3을 통해 TCS-RR(70)에 도입되는 것보다 높고 TCS 함량은 스트림 3을 통해 TCS-RR(70)에 도입되는 것보다 낮다. 스트림 4는 도관(71)을 통해 TCS-RR(70)에서 배출된다. 그 후에, 스트림 4는 상기 논의된 바와 같이 증류 칼럼(30)에 도입되고, 스트림 5가 도관(31)을 통해 증류 칼럼(30)에서 배출된다. 일정 함량의 스트림 5가 제1 TCS-RR(50)에 들어간다. TCS-RR(50)에서, 스트림 5의 TCS 및 STC는 평형 반응을 진행하여, 스트림 5에 존재하였던 TCS 및 STC 이외에도 DCS를 포함하는 스트림 6을 생성한다. 스트림 6은 증류 칼럼 20에 도입되고, 여기서 스트림 6은 STC를 포함하는 상대적으로 고비점의 스트림 2 및 DCS 및 TCS를 포함하는 상대적으로 저비점의 스트림 3으로 분리된다.
임의로, 제1 TCS-RR로의 공급원료는 공급원료에 존재하는 클로라이드 및 규소의 상대적 양의 측면에서 특성화될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 제1 TCS-RR로의 공급원료는 4:1 내지 1:1 범위, 또는 3.5:1 내지 2:1 범위, 또는 3.5:1 내지 2.5:1 범위의 클로라이드 대 규소 원자 비를 갖는다. 마찬가지로, 제2 TCS-RR로의 공급원료도 이러한 비율로 특성화될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 제2 TCS-RR로의 공급원료는 4:1 내지 1:1 범위, 또는 3.5:1 내지 2:1 범위, 또는 3.5:1 내지 2.5:1 범위의 클로라이드 대 규소 원자 비를 갖는다. 임의로, 제1 TCS-RR로의 공급원료 중 클로라이드 대 규소 원자 비는 제2 TCS-RR로의 공급원료 중 클로라이드 대 규소 원자 비보다 크다. 예를 들어, 제1 TCS-RR로의 공급원료 중 클로라이드 대 규소 원자 비는 4:1 내지 2.7:1 범위일 수 있고, 반면에 제2 TCS-RR로의 공급원료 중 클로라이드 대 규소 원자 비는 3.5:1 내지 2.5:1 범위일 수 있는 보다 작은 값이다.
DCS 재순환 루프도 마찬가지로 DCS를 수용하는 2개의 재분배 반응기를 포함하고, 이들은 제1 DCS-RR(60) 및 제2 DCS-RR(80)로 명명될 것이다. DCS 재순환 루프에서, 증류 칼럼(20)으로부터의 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 스트림 7은 도관(32)을 통해 제1 DCS-RR(60)에 도입된다. DCS-RR(60)은 스트림 7 중 DCS의 일부를 실란 및 TCS로 전환시키고, 그에 의해 실란, MCS, DCS, 및 TCS를 포함하는 스트림 8이 생성되는데, 여기서 스트림 8 중 실란 및 TCS 함량은 스트림 7을 통해 DCS-RR(60)에 도입되는 것보다 높고 DCS 함량은 스트림 7을 통해 DCS-RR(60)에 도입되는 것보다 낮다. 스트림 8은 도관(61)을 통해 DCS-RR(60)에서 배출된다. 스트림 8은 제3 증류 칼럼(40)에 도입되어, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 스트림 9, 및 고순도의 실란을 포함하는 스트림 10을 생성한다. 스트림 9는 도관(41)을 통해 제2 DCS-RR(80)로 인도되고, 여기서 스트림 9 중 MCS, DCS 및 TCS의 혼합물이 실란, MCS, DCS 및 TCS의 혼합물로 전환되어, 이는 스트림 11로서 도관(81)을 통해 제2 DCS-RR(80)에서 배출된다. 스트림 11은 상기 논의된 바와 같이 제2 증류 칼럼(30)에 도입되어, 스트림 5 및 7을 생성한다.
임의로, 제1 DCS-RR로의 공급원료는 공급원료에 존재하는 클로라이드 및 규소의 상대적 양의 측면에서 특성화될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 제1 DCS-RR로의 공급원료는 4:1 내지 1:1 범위, 또는 3:1 내지 1:1 범위, 또는 2.5:1 내지 1:1 범위의 클로라이드 대 규소 원자 비를 갖는다. 마찬가지로, 제2 DCS-RR로의 공급원료도 이러한 비율에 의해 특성화될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 제2 DCS-RR로의 공급원료는 4:1 내지 1:1 범위, 또는 3.5:1 내지 1:1 범위의 클로라이드 대 규소 원자 비를 갖는다. 임의로, 제2 DCS-RR로의 공급원료 중 클로라이드 대 규소 원자 비는 제1 DCS-RR로의 공급원료 중 클로라이드 대 규소 원자 비보다 크다. 예를 들어, 제1 DCS-RR로의 공급원료 중 클로라이드 대 규소 원자 비는 2:1 내지 1:1 범위일 수 있고, 반면에 제2 DCS-RR로의 공급원료 중 클로라이드 대 규소 원자 비는 3:1 내지 1.5:1 범위일 수 있는 보다 큰 값이다.
도 1에 도시된 시스템에서, 재분배 반응기(50, 60, 70 및 80) 중 어느 하나 이상은 반응기 필터가 혼입될 수 있고, 여기서 반응기 필터는 반응기에 갇히게 된 것으로부터, 예를 들어 5 마이크로미터 이하의 미세 입자를 포획할 것이다. 재분배 반응기에 사용된 이온 교환 수지는 재분배 반응기에 들어가거나 재분배 반응기에서 형성된 미세 입자를 모으는 심층 여과 장치로서 기능한다. 이러한 입자는 예를 들어, 실리케이트, 붕소-실리케이트, 금속 클로라이드 및 이온 교환 수지의 작은 파편일 수 있다. 시간이 경과함에 따라 이러한 입자는 축적되어 반응기 전체에 걸쳐서 큰폭의 압력 강하를 초래한다. 상기 문제를 해결하기 위한 하나의 옵션은 이러한 미세 입자를 방류 세척하기 위해 반응기를 통과하는 유동을 주기적으로 역류시키는 것이다 (원래는 상향식인 유동이 하향식으로 바뀜). 그러나, 이러한 역류 운전 동안에 미세 입자는 하류로 방출되어, 잠재적인 오염 문제를 유발한다. 미세 입자 문제를 줄이기 위한 하나의 옵션은 반응기에, 이러한 미세 입자를 포획할 공급물 또는 배출구 필터, 바람직하게는 배출구 필터를 설치하는 것이다. 상기 접근법은 반응기의 주기적 역세와 관련된 오염 위험을 실질적으로 감소시킬 것이다. 반응기 필터는 주기적으로 교체되거나 세정되어야 하고, 그렇지 않으면 폐색되어 반응기 내의 압력 상승을 초래할 것이다. 마찬가지로, 도 2, 도 3 및 도 4에 예시된 시스템도 반응기 필터를 포함하는 재분배 반응기가 혼입될 수 있다.
도 1에 도시된 본 개시내용의 실시양태는 TCS 재순환 루프 상의 2개의 TCS-RR 및 DCS 재순환 루프 상의 2개의 DCS-RR을 제공한다. 별법의 실시양태에서, 본 개시내용은 도 2에 예시된 바와 같이 TCS 재순환 루프 상에 2개의 TCS-RR을 갖지만, DCS 재순환 루프 상에는 단지 1개의 DCS-RR을 갖는 시스템 및 방법, 및 도 3에 예시된 바와 같이 DCS 재순환 루프 상에 2개의 DCS-RR을 갖지만, TCS 재순환 루프 상에는 단지 1개의 TCS-RR을 갖는 시스템 및 방법을 제공한다. 도 2 및 3에 예시된 실시양태가 이제부터 보다 상세히 기재될 것이다.
본 개시내용의 방법 및 시스템의 실시양태가 도 2에 예시되어 있다. 도 2에 예시된 방법 및 시스템은 3개의 증류 칼럼, TCS 재순환 루프 상의 2개의 재분배 반응기, 그러나 DCS 재순환 루프 상에는 단지 1개의 재분배 반응기를 갖는다. 도 2에서, 제1 증류 칼럼(20)은 도관(11)을 통해 공급원(10)으로부터 스트림 1을 수용하고, 이때 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함한다. 공급원(10)은 후에 본원에서 논의될 것이지만, 예를 들어, 정제되지 않은 TCS를 생성하는 수소화 반응기로부터의 오프가스일 수 있다. 제1 증류 칼럼(20)은 STC를 포함하는 상대적으로 고비점의 스트림 2, 및 DCS 및 TCS를 포함하는 상대적으로 저비점의 스트림 3을 형성하고 제공한다. 스트림 2는 도관(21)을 통해 칼럼(20)에서 배출되고, 반면에 스트림 3은 도관(22)을 통해 칼럼(20)에서 배출된다. 스트림 2 중 STC는 후에 본원에서 논의되는 바와 같이, 플랜트의 전위에 있는 수소화 반응기로 재순환할 수 있다.
도 2의 실시양태는 또한 제2 증류 칼럼(30)을 포함한다. 칼럼(30)은 도 2에서 스트림 4 및 스트림 9로 표시되는, 2개의 스트림을 수용한다. 스트림 4는 DCS, TCS 및 STC를 포함하며, 도관(71)을 통해 증류 칼럼(30)에 들어간다. 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하며, 도관(41)을 통해 칼럼(30)에 들어간다. 또한, 제2 증류 칼럼(30)은 도 2에서 스트림 5 및 스트림 7로 표시되는, 2개의 스트림을 생성한다. 스트림 5는 상대적으로 고비점의 TCS 및 STC를 포함하며, 도관(31)을 통해 칼럼(30)에서 배출된다. 스트림 7은 상대적으로 저비점의 실란, MCS 및 DCS를 포함하며, 도관(32)을 통해 칼럼(30)에서 배출된다.
도 2의 실시양태는 제3 증류 칼럼(40)을 포함한다. 칼럼(40)은 도관(61)을 통해 스트림 8을 수용하고, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함한다. 칼럼(40)은 2개의 스트림, 즉 스트림 9 및 스트림 10을 생성한다. 스트림 9는 상대적으로 고비점의 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 반면에 스트림 10은 상대적으로 저비점의 고순도 실란을 포함한다. 스트림 9는 도관(41)을 통해 칼럼(40)에서 배출되고, 반면에 스트림 10은 도관(42)을 통해 칼럼(40)에서 배출된다.
3개의 증류 칼럼(20, 30 및 40) 이외에도, 도 2의 실시양태는 3개의 재분배 반응기(50, 60 및 70)를 포함한다. 도 2에서 유닛(20, 30, 50 및 70) 및/또는 스트림 S3, S4, S5 및 S6은 TCS 재순환 루프로 명명되는 것을 포함한다. 유닛(30, 40 및 60) 및/또는 스트림 S7, S8 및 S9는 DCS 재순환 루프로 명명되는 것을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 재분배 반응기는 공급원료 스트림을 수용하여, 이러한 공급원료를 하기 3개의 평형 반응에 따라 유출 스트림으로 전환시킨다.
Figure pct00004
도 2에서, TCS 재순환 루프는 TCS를 수용하는 2개의 재분배 반응기를 포함하고, 이들은 제1 TCS-RR(50) 및 제2 TCS-RR(70)로 명명될 것이다. TCS 재순환 루프에서, 증류 칼럼(20)으로부터의 DCS 및 TCS를 포함하는 스트림 3이 제2 TCS-RR(70)에 도입된다. TCS-RR(70)은 스트림 3 중 TCS의 일부를 DCS 및 STC로 전환시키고, 그에 의해 DCS, TCS, 및 STC를 포함하는 스트림 4가 생성되는데, 여기서 스트림 4 중 DCS 및 STC 함량은 스트림 3을 통해 TCS-RR(70)에 도입되는 것보다 높고 TCS 함량은 스트림 3을 통해 TCS-RR(70)에 도입되는 것보다 낮다. 스트림 4는 도관(71)을 통해 TCS-RR(70)에서 배출된다. 그 후에, 스트림 4는 상기 논의된 바와 같이 증류 칼럼(30)에 도입되고, 스트림 5가 도관(31)을 통해 증류 칼럼(30)에서 배출된다. 일정 함량의 스트림 5가 제1 TCS-RR(50)에 들어간다. TCS-RR(50)은 스트림 5 중 TCS의 일부를 DCS 및 STC로 전환시키고, 그에 의해 DCS, TCS, 및 STC를 포함하는 스트림 6이 생성되는데, 여기서 스트림 6 중 DCS 및 STC 함량은 스트림 5를 통해 TCS-RR(50)에 도입된 것보다 높고 TCS 함량은 스트림 5를 통해 TCS-RR(50)에 도입된 것보다 낮다. 스트림 6은 도관(51)을 통해 TCS-RR(70)에서 배출된다. 스트림 6은 증류 칼럼(20)에 도입되고, 여기서 스트림 6은 STC를 포함하는 상대적으로 고비점의 스트림 2 및 DCS 및 TCS를 포함하는 상대적으로 저비점의 스트림 3으로 분리된다.
도 2에 예시된 실시양태의 DCS 재순환 루프는 DCS를 수용하는 단일 재분배 반응기를 함유하고, 여기서 상기 DCS-RR은 제1 DCS-RR(60)로 명명될 것이다. DCS 재순환 루프에서, 증류 칼럼(30)으로부터의 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 스트림 7이 도관(32)을 통해 제1 DCS-RR(60)에 도입된다. DCS-RR(60)은 스트림 7 중 DCS의 일부를 실란 및 TCS로 전환시키고, 그에 의해 실란, MCS, DCS, 및 TCS를 포함하는 스트림 8이 생성되는데, 여기서 스트림 8 중 실란 및 TCS 함량은 스트림 7을 통해 DCS-RR(60)에 도입된 것보다 높고 DCS 함량은 스트림 7을 통해 DCS-RR(60)에 도입된 것보다 낮다. 스트림 8은 도관(61)을 통해 DCS-RR(60)에서 배출된다. 스트림 8은 제3 증류 칼럼(40)에 도입되어, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 스트림 9, 및 고순도의 실란을 포함하는 스트림 10을 생성한다. 스트림 9는 도관(41)을 통해 제2 증류 칼럼(30)으로 인도되어 스트림 5 및 7을 생성한다. 도 1에 예시된 실시양태와 달리, 스트림 9는 제2 DCS-RR에 들어가지 않으며, 사실 도 2의 실시양태는 DCS 재순환 루프 상에 단지 1개의 DCS-RR을 함유한다.
도 2에 의해 대표되는 본 개시내용의 방법 및 시스템에서, 총 3개의 재분배 반응기가 존재한다. 제1 TCS-RR(50)은 제2 증류 칼럼(30)에서 나오는 바닥물질 스트림 5 상에 위치하고, 제1 DCS-RR(60)은 제2 증류 칼럼(30)의 상부에서 나오는 오버헤드 스트림 7 상에 위치한다. 제2 TCS-RR(70)로 명명되는 제3 반응기는 제1 증류 칼럼(20)으로부터 제2 증류 칼럼(30)으로의 공급물 상에 위치한다. 따라서, 도 2에 예시된 본 개시내용의 공정 구성에서, (1) 도관(22)을 통해 칼럼(20)에서 제2 증류 칼럼(30)으로 배출되는 오버헤드 스트림 3 상에, (2) 도관(31)을 통해 칼럼(30)에서 제1 증류 칼럼(20)으로 배출되는 바닥물질 스트림 5 상에, 또한 (3) 도관(32)을 통해 칼럼(30)에서 제3 증류 칼럼(40)으로 배출되는 오버헤드 스트림 7 상에 재분배 반응기가 존재한다. 제2 TCS-RR(70)이 없는 비교용 방법과 비교하여, 도 2의 구성은 TCS 재순환 루프를 통한 통과마다 TCS의 DCS로의 전환을 약 37% 증가시켜, TCS 재순환 루프를 통한 TCS 재순환의 약 25% 감소를 유발한다 (소위, 저압/중압 칼럼 루프).
도 2에 예시된 시스템 및 방법에서, 하기의 임의적인 실시양태가 포함될 수 있다.
ㆍ 임의적인 실시양태로서, 제1 증류 칼럼(20)에서 배출되는 스트림 2는 제2 TSC-RR(70)에 공급되기 전에 냉각될 수 있다. 냉각 매체 (예를 들어, 냉각수)의 필요량 및 제2 증류 칼럼(30) 리보일러(reboiler) 부하에 대한 역효과는, 냉각 부하의 대략 80%가 공정별 교환기로 회수될 수 있기 때문에 최소화된다.
ㆍ 상기 변형의 차이는 새로운 반응기(70)로의 공급물이 가압되고 새로운 반응기(70)로부터 배출되는 생성물이 급송된다.
본 개시내용의 방법 및 시스템의 또 다른 실시양태가 도 3에 예시된되어 있다. 도 3에 예시된 방법 및 시스템은 3개의 증류 칼럼, DCS 재순환 루프 상의 2개의 재분배 반응기, 그러나 TCS 재순환 루프 상에는 단지 1개의 재분배 반응기를 갖는다. 도 3에서, 제1 증류 칼럼(20)은 도관(11)을 통해 공급원(10)으로부터 스트림 1을 수용하고, 이때 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함한다. 공급원(10)은 후에 본원에서 논의될 것이지만, 예를 들어, 정제되지 않은 TCS를 생성하는 수소화 반응기로부터의 오프가스일 수 있다. 제1 증류 칼럼(20)은 STC를 포함하는 상대적으로 고비점의 스트림 2, 및 DCS 및 TCS를 포함하는 상대적으로 저비점의 스트림 3을 형성하고 제공한다. 스트림 2는 도관(21)을 통해 칼럼(20)에서 배출되고, 반면에 스트림 3은 도관(22)을 통해 칼럼(20)에서 배출된다. 스트림 2 중 STC는 후에 본원에서 논의되는 바와 같이, 플랜트의 전위에 있는 수소화 반응기로 재순환할 수 있다.
도 3의 실시양태는 또한 제2 증류 칼럼(30)을 포함한다. 칼럼(30)은 도 3에서 스트림 3 및 스트림 11로 표시되는, 2개의 스트림을 수용한다. 스트림 3은 DCS 및 TCS를 포함하며, 도관(22)을 통해 증류 칼럼(30)에 들어간다. 스트림 11은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하며, 도관(81)을 통해 칼럼(30)에 들어간다. 또한, 제2 증류 칼럼(30)은 도 3에서 스트림 5 및 스트림 7로 표시되는, 2개의 스트림을 생성한다. 스트림 5는 상대적으로 고비점의 TCS 및 STC를 포함하며, 도관(31)을 통해 칼럼(30)에서 배출된다. 스트림 7은 상대적으로 저비점의 실란, MCS 및 DCS를 포함하며, 도관(32)을 통해 칼럼(30)에서 배출된다.
도 3의 실시양태는 제3 증류 칼럼(40)을 포함한다. 칼럼(40)은 도관(61)을 통해 스트림 8을 수용하고, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함한다. 칼럼(40)은 2개의 스트림, 즉 스트림 9 및 스트림 10을 생성한다. 스트림 9는 상대적으로 고비점의 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 반면에 스트림 10은 상대적으로 저비점이지만 고순도의 실란을 포함한다. 스트림 9는 도관(41)을 통해 칼럼(40)에서 배출되고, 반면에 스트림 10은 도관(42)을 통해 칼럼(40)에서 배출된다.
3개의 증류 칼럼(20, 30 및 40) 이외에도, 도 3의 실시양태는 3개의 재분배 반응기(50, 60 및 80)를 포함한다. 도 3에서 유닛(20, 30 및 50) 및/또는 스트림 S3, S5 및 S6은 TCS 재순환 루프로 명명되는 것을 포함한다. 유닛(30, 40, 60 및 80) 및/또는 스트림 S7, S8, S9 및 S11은 DCS 재순환 루프로 명명되는 것을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 재분배 반응기는 공급원료 스트림을 수용하여, 이러한 공급원료를 하기 3개의 평형 반응에 따라 유출 스트림으로 전환시킨다.
Figure pct00005
도 3에 예시된 실시양태의 TCS 재순환 루프는 TCS를 수용하는 단일 재분배 반응기를 포함하고, 이는 제1 TCS-RR(50)로 명명될 것이다. TCS 재순환 루프에서, 증류 칼럼(20)으로부터의 DCS 및 TCS를 포함하는 스트림 3은 재분배 반응기를 통과하지 않고 제2 증류 칼럼(30)에 도입된다. 스트림 5 및 7이 증류 칼럼(30)에 의해 생성되고, 각각 도관(31) 및 도관(32)을 통해 그로부터 배출된다. 일정 함량의 스트림 5가 제1 TCS-RR(50)에 들어간다. TCS-RR(50)은 스트림 5 중 TCS의 일부를 DCS 및 STC로 전환시키고, 그에 의해 DCS, TCS, 및 STC를 포함하는 스트림 6이 생성되는데, 여기서 스트림 6 중 DCS 및 STC 함량은 스트림 5를 통해 TCS-RR(50)에 도입된 것보다 높고 TCS 함량은 스트림 5를 통해 TCS-RR(50)에 도입된 것보다 낮다. 스트림 6은 도관(51)을 통해 TCS-RR(50)에서 배출된다. 스트림 6은 증류 칼럼(20)에 도입되고, 여기서 STC를 포함하는 상대적으로 고비점의 스트림 2 및 DCS 및 TCS를 포함하는 상대적으로 저비점의 스트림 3으로 분리된다.
도 3에서, DCS 재순환 루프는 DCS를 수용하는 2개의 재분배 반응기를 포함하고, 이들은 제1 DCS-RR(60) 및 제2 DCS-RR(80)로 명명될 것이다. DCS 재순환 루프에서, 증류 칼럼(30)으로부터의 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 스트림 7은 도관(32)을 통해 제1 DCS-RR(60)에 도입된다. DCS-RR(60)은 스트림 7 중 DCS의 일부를 실란 및 TCS로 전환시키고, 그에 의해 실란, MCS, DCS, 및 TCS를 포함하는 스트림 8이 생성되는데, 여기서 스트림 8 중 실란 및 TCS 함량은 스트림 7을 통해 DCS-RR(60)에 도입되는 것보다 높고 DCS 함량은 스트림 7을 통해 DCS-RR(60)에 도입되는 것보다 낮다. 스트림 8은 도관(61)을 통해 DCS-RR(60)에서 배출된다. 스트림 8은 제3 증류 칼럼(40)에 도입되어, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 스트림 9, 및 고순도의 실란을 포함하는 스트림 10을 생성한다. 스트림 9는 도관(41)을 통해 제2 DCS-RR(80)로 인도되고, 여기서 스트림 9 중 MCS, DCS 및 TCS의 혼합물이 실란, MCS, DCS 및 TCS의 혼합물로 전환되어, 이는 스트림 11로서 도관(81)을 통해 제2 DCS-RR(80)에서 배출된다. 스트림 11은 상기 논의된 바와 같이 제2 증류 칼럼(30)에 도입되어, 스트림 5 및 7을 생성한다.
본 개시내용은 실란을 제조하기 위한 시스템 및 방법에서 3개 이상의 재분배 반응기를 포함하고, 여기서 상기 재분배 반응기 중 2개 이상은 재순환 루프에서 연속적으로 운전되는 것인 시스템 및 방법을 제공한다. 본 개시내용의 시스템 및 방법은 실란으로부터 폴리실리콘을 제조하는 플랜트에 사용될 수 있다. 이러한 플랜트는 널리 공지되어 있으며 널리 실시되고 있는 UCC 공정을 기반으로 할 수 있고, 여기에 본 개시내용에 따라서 제2 TCS-RR 및/또는 제2 DCS-RR이 본원에서 설명된 바와 같이 각각 TCS 재순환 루프 및/또는 DCS 재순환 루프에 추가된다.
운전시, 제1, 제2 및 제3 증류 칼럼은 동일하거나 또는 상이한 압력에서 운전될 수 있다. 제1 증류 칼럼은 DCS/TCS로부터 STC의 분리를 제공하는 조건 하에 운전되어야 한다. 제2 증류 칼럼은 실란/MCS/DCS로부터 TCS/STC의 분리를 제공하는 조건 하에 운전되어야 한다. 제3 증류 칼럼은 MCS/CDS/TCS로부터 실란의 분리를 제공하는 조건 하에 운전되어야 한다. 각각의 경우에, 분리가 완전한 분리일 필요는 없으나, 적어도 부분적인 분리는 되어야 한다. 예를 들어, 제1 증류 칼럼(20)은 상대적으로 낮은 압력에서 운전될 수 있고, 제2 증류 칼럼(30)은 제1 증류 칼럼(20)의 운전 압력보다 높은 압력에서 운전될 수 있으며, 제3 증류 칼럼(40)은 제2 증류 칼럼(30)의 운전 압력보다 높은 압력에서 운전될 수 있다. 제1 증류 칼럼(20), 제2 증류 칼럼(30) 및 제3 증류 칼럼(40) 사이에서의 운전 압력의 이러한 점증적 증가를 반영하기 위해, 상기 3개의 칼럼은 별법으로 각각 저압, 중압 및 고압 칼럼으로 명명될 수 있다.
도 4는 2가지 사항을 예시하기 위해 제공되어 있다. 첫번째 사항은 본 개시내용의 시스템 및 방법과 비교하기 위한 참조 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 이러한 첫번째 사항은 후에 본원에서 논의될 것이다. 여기서 논의될 두번째 사항은 본 개시내용의 시스템 및 방법에 스트림 1을 제공하고/거나 본 발명의 시스템 및 방법의 스트림 10을 사용하기 위한 예시적 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 도 1-3에 예시된, 본 개시내용의 시스템 및 방법은 DCS, TCS 및 STC의 혼합물을 함유하는 스트림 1을 수용한다. 이러한 혼합물은 폴리실리콘 제조 플랜트에 의해 생성될 수 있고, 이러한 플랜트의 일부가 도 4에 예시된다.
도 4에서, 도관(85)은 폴리실리콘 제조 반응기, 예를 들어 화학적 기상 증착 (CVD) 반응기 또는 유동층 반응기 (FBR)로부터의 오프가스, 또는 그의 분획 또는 정제분을 전달한다. 도관(85)은 혼합 밸브(87)에서 도관(86)과 병합되어, 혼합 밸브(87)로부터 도관(88)을 통해 수소화 반응기(93)로 이동하는 화학적 스트림을 제공한다. 도관(94)을 통해 이동하는, 금속급 규소의 공급원이 또한 수소화 반응기(93)에 들어간다. 증류 유닛(20)으로부터 도관(21), 혼합 밸브(23) 및 후행 도관(95)을 통해 유입될 수 있는 STC는 또한 수소화 반응기(93)에 전달될 수 있다. 도관(96)을 통해 이동하는, 보충 STC 스트림이 또한 혼합 밸브(23)에 들어간다. 수소화 반응기(93)에 의해 생성된 생성물은 도관(92)을 통해 반응기에서 배출된 후, 켄칭 챔버(89)에 들어간다. 켄칭 챔버(89)는 3개의 스트림을 생성한다: 도관(86)을 통해 배출되는 수소를 포함하는 스트림; 도관(90)을 통해 배출되는 수소, DCS, TCS 및 STC를 포함하는 스트림, 및 도관(91)을 통해 폐기물 처리 시설에 전달되는 고비점 물질을 포함하는 스트림. 도관(86)을 통해 배출되는 스트림은 상기 논의된 바와 같이, 혼합 밸브(87)에서 도관(85)의 스트림과 합쳐진다. 도관(90)의 스트림은 경질분 스트립퍼(10)에 도입되고, 이는 본 개시내용의 시스템 및 방법에서 스트림 1의 임의적인 공급원이 된다. 도관(12)은 경질 스트립퍼(10)로부터 저비점 불순물, 예컨대 원치않는 질소, 메탄, 및 수소를 폐기물 처리 시설에 전달한다.
또한, 도 4는 제3 증류 유닛(40)으로부터 도관(42)을 통해 실란을 수용하는 칼럼(97)을 도시한다. 수소를 폐기물 처리로 전달하는 도관(98), 및 실란을 저장 탱크(100)로 전달하는 도관(99)이 칼럼(97)으로부터 나와 있다.
도 4는 제1 증류 칼럼(20), 스트림 S3, 제2 증류 칼럼(30), 스트림 S5, 제1 TCS-RR(50) 및 스트림 S6을 포함하는 참조 TCS 재순환 루프를 도시한다. 제2 TCS-RR(70)을 포함하는, 도 1 및 2에 예시된 TCS 재순환 루프가 도 4의 TCS 재순환 루프를 대체하여, 본 개시내용의 또 다른 실시양태를 제공할 수 있다. 도 4는 또한 제2 증류 칼럼(30), 스트림 S7, 제1 DCS-RR(60), 스트림 8, 제3 증류 칼럼(40), 및 스트림 S9를 포함하는 참조 DCS 재순환 루프를 도시한다. 본 개시내용의 또 다른 실시양태에서, 제2 TCS-RR(70)을 포함하는, 도 1 및 3에 예시된 DCS 재순환 루프가 도 4의 DCS 재순환 루프를 대체할 수 있다. 본 개시내용의 또 다른 실시양태를 제공하기 위해, 도 1 및 2에 예시된 TCS 재순환 루프 및 도 1 및 3에 예시된 DCS 재순환 루프는 각각 도 4의 TCS 재순환 루프 및 DCS 재순환 루프를 각각 대체할 수 있다.
따라서, 한 실시양태에서, 도 4에 예시된 시스템 및 방법의 전위가 스트림 1의 공급원을 제공하는데 사용될 수 있다. 이러한 임의적인 전위 시스템 및 방법은 금속급 규소, 사염화규소 (STC/SiCl4) 및 수소를 TCS로 전환시키는 수소화 반응기 (소위, 염화수소화 반응기)(93); 조질 TCS로부터 수소 재순환물 및 폐기 고 비등물을 분리하는 켄칭 시스템(89); 및 조질 TCS 스트림으로부터 경질 불순물을 분리하는 증류 칼럼(10)을 포함한다. 수소화 반응기(93)는 금속급 규소 (MGSi), DCS, TCS 및 STC 중 하나 이상을 포함하는 클로로실란, 및 수소를 수용한다. 수소화 반응기를 위한 STC의 하나의 공급원은 스트림 S2일 수 있다.
TCS 재순환 루프 및 DCS 재순환 루프 중 어느 하나에 또는 둘 다에 2개의 재분배 반응기가 혼입된 것은 상당한 이점을 제공한다. 이러한 이점은 하기의 논의 및 표에서 TCS 재순환 루프 상의 2개의 TCS-RR 및 DCS 재순환 루프 상의 1개의 DCS-RR을 갖는 도 2의 시스템 및 방법을, TCS 재순환 루프 상의 단일 TCS-RR 및 DCS 재순환 루프 상의 단일 DCS-RR을 갖는 도 4에 도시된 상응하는 시스템과 비교함으로써 예시될 것이다.
TCS 재순환 루프 상에 2개의 TCS-RR이 포함됨으로써, TCS 재순환 루프를 구성하는 스트림의 조성에 유익한 변화가 나타난다. 이러한 변화의 전체적으로 긍정적인 순 효과가 하기 표 2 및 3에 제시되어 있다. 표 2는 도 2의 경우 (TCS-RR(70)이 존재함) 및 도 4의 경우 (TCS-RR(70)이 존재하지 않음)와 같이 제2 TCS-RR(70)이 존재할 때 및 존재하지 않을 때 양쪽 모두의, 제1 TCS-RR(50)로 통하는 스트림 5에서의 변화 및 제1 TCS-RR(50)의 외부로 통하는 스트림 6에서의 변화를 보여준다.
<표 2>
Figure pct00006
표 2는 하기 사항을 제시한다.
ㆍ 공급원료 스트림 5 중 STC 농도는 제2 TCS-RR(70)에서 생성되어 결국 제1 TCS-RR(50)로의 스트림 5가 되는 STC로 인해 1%에서 9%로 증가한다.
ㆍ 공급원료 스트림 5 중 TCS 농도는 제2 TCS-RR(70)에서 DCS로 전환된, 스트림 3 중 TCS로 인해 98%에서 90%로 감소한다.
ㆍ 도 2의 구성에서 제1 TCS-RR(50)로 통하는 스트림 5 중의, 도 4의 구성과 비교하여 증가한 STC 함량 및 감소한 TCS 함량으로 인해, 제1 TCS-RR(50)에서 나오는 스트림 6 중 DCS 농도는 제2 TCS-RR(70)이 공정 구성에 추가되었을 때 (10%에서) 7.4%로 감소하고, 이는 다른 곳에서 논의된 이점을 유발한다.
전후관계를 무시하고 고려하면, TCS-RR(70)의 추가로 인한 이러한 효과는 이것이 TCS-RR(50)에서의 TCS의 DCS로의 전환을 감소시키기 때문에 역효과를 초래하는 것으로 보인다. 그러나, 조합된 시스템으로서 고려해 볼 때, 표 3에 나타나 있는 바와 같이, 제2 TCS-RR(70)의 혼입은 예상외로 매우 유익한 상승 효과를 유발하는 것으로 보인다. 사실, 제2 TCS-RR(70)이 제1 증류 칼럼(20)으로부터 제2 증류 칼럼(30)으로 통하는 오버헤드 스트림에 추가될 때, 모노실란 시스템의 효율은 TCS 재순환 루프를 통한 통과마다 TCS의 DCS로의 상당히 증가한 전환으로 인해 현저히 개선된다.
표 3은 TCS 재순환 루프에 제2 TCS-RR(70)이 혼입 및 혼입되지 않은, 제1 증류 칼럼(20)에서 배출되는 스트림 3의 조성에서의 변화를 보여주고, 또한 제2 TCS-RR(70)이 구성에 포함되지 않은 경우에는 스트림 3이 될 것이고, 제2 TCS-RR(70)이 구성에 포함된 경우에는 스트림 4가 될, 제2 증류 칼럼(30)으로 들어가는 스트림의 조성에서의 변화를 보여준다.
<표 3>
Figure pct00007
표 3은 하기 사항을 제시한다.
ㆍ 제2 증류 칼럼(30)으로의 공급물은 본 개시내용에 따라서 제2 TCS-RR(70)의 혼입으로 인해 10.4% 대신에 14.25%의 DCS를 함유한다.
ㆍ 제2 증류 칼럼(30)으로의 공급물 중 DCS 농도는 도 4와 비교하여 도 2의 구성에서 37% 더 높고, 이는 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 매우 유리하다.
ㆍ 제2 증류 칼럼(30)으로의 공급물 중 TCS 농도는 89%에서 76%로 감소하며, STC 농도는 0.4%에서 8.4%로 증가하고, 이는 본 개시내용의 하기 섹션에서 설명된 바와 같이 유익하다.
도 2에 예시된 시스템 및 방법은 상당한 이점을 제공한다. 예를 들어, 단지 1개의 TCS-RR (예를 들어, 도 4 참조)과 비교하여, TCS 재순환 루프가 2개의 TCS-RR (예를 들어, 도 2 참조)을 함유하는 경우에:
ㆍ 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 보다 작은 설비 규모로 인해 감소한다.
ㆍ TCS 재순환 루프 상에 (1개가 아닌) 2개의 TCS-RR을 사용함으로써, 재순환 루프의 유량이 25% 감소한다. 직접적인 결과로서:
a. 제1 증류 칼럼(20)을 위한 리보일러 및 응축기 시스템의 가열 및 냉각 부하가 약 18% 내지 20% 감소하여, 운전 비용 절감을 유발한다.
b. 제1 증류 칼럼(20)의 단면적 및 그의 리보일러 및 응축기 시스템의 규모가 약 18% 내지 20% 감소하여, 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 감소한다.
c. 제2 증류 칼럼(30)을 위한 리보일러 및 응축기 시스템의 가열 및 냉각 부하가 약 23% 감소하여, 운전 비용 절감을 유발한다.
d. 제2 증류 칼럼(30)의 단면적 및 그의 리보일러 및 응축기 시스템의 규모가 약 23% 감소하여, 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 감소한다.
e. TCS 재순환 펌프의 규모 및 이러한 펌프를 운전하는 전기 비용이 25% 감소한다.
f. 제1 TCS-RR(50)의 규모가 단지 1개의 TCS-RR (예를 들어, 도 4 참조)과 비교하여, TCS 재순환 루프가 2개의 TCS-RR (예를 들어, 도 2 참조)을 함유하는 경우에 25% 감소할 수 있다.
g. 제2 TCS-RR(70)은 그의 규모가 제1 TCS-RR(50)과 유사할 수 있다. 그렇지 않으면 전적으로 제1 TCS-RR(50) 촉매층이 감당하게 되었을 부하를 제2 TCS-RR(70) 촉매층이 공유한다는 것을 고려하면, 금속 클로라이드로부터의 불활성화 (활성화 자리의 차단)를 허용하기 위해 보통 첨가되는 촉매 부피의 과설계가 감소한다. 바꿔 말하면, 과설계가 중복 추가될 필요가 없다.
ㆍ 모노실란을 정제하기 위해 필요한 총 에너지가 약 18.5% 감소한다.
ㆍ 제2 증류 칼럼 (소위, "DCS" 칼럼) 프로파일이 제2 TCS-RR(70)에서 생성된 DCS로 인해 개시 후에 상당히 신속히 정상 상태에 도달할 것이고, 이는 칼럼 프로파일의 확립을 용이하게 한다. 이러한 효과만으로 플랜트 가동 시간이 연간 2 내지 4일 연장되며, 이는 상업적으로 중요한 플랜트 효용성의 1% 내지 2% 증가를 유발한다.
ㆍ 제1 증류 칼럼(20)의 응축 온도는 DCS 함량의 감소로 인해 약 2도만이 상승하고, 칼럼 응축기 또는 환류 펌프 설계 또는 운전에 영향을 미치지 않는다. 다라서, 본 발명의 설계는 기존의 모노실란 플랜트에 용이하게 새로 장착될 수 있고, 에너지 절감의 이점이 수반된다.
도 2에 예시된 시스템 및 방법에서, 하기의 임의적인 실시양태가 포함될 수 있다.
ㆍ 제1 증류 칼럼(20)의 65℃ 내지 75℃의 환류 온도는 제2 TCS-RR(70)로의 공급물 온도로서 허용가능하고, 새로운 반응기 공급물 냉각기가 필요하지 않다. 55℃ 또는 60℃로의 온도 강하를 달성하기 위해, 소형 냉각기가 도 2에 예시된 시스템에서 도관(22) 상에 임의로 추가될 수 있다.
ㆍ 도 2의 설계에서 제2 증류 칼럼(30)의 바닥에 매우 많은 STC가 존재하기 때문에, 본 발명의 교시내용에 따라서 실시될 때 TCS 재순환 루프의 통과마다 전체적 전환을 상당히 손상시키지 않으면서, 칼럼에서 목표로 하는 DCS 회수가 완화되고, 그에 따라 스트림 5 중에 약간 더 많은 DCS를 허용함으로써 훨씬 큰 에너지가 절감될 수 있다.
도 3은 제2 재분배 반응기, 즉 DCS-RR(80)이 DCS 재순환 루프에 존재하고, TCS 재순환 루프에는 제2 재분배 반응기가 포함되지 않은, 본 개시내용의 실시양태를 예시한다. 이러한 실시양태에서, 재분배 반응기 DCS-RR(80)은 제3 증류 칼럼(40)과 제2 증류 칼럼(30)의 사이에서 제3 증류 칼럼(40) 바닥물질 생성물 스트림 9 상에 혼입된다. 도 3에 예시된 이러한 실시양태는 DCS 재순환 루프에 혼입된 단지 1개의 DCS-RR, 즉 DCS-RR(60)을 갖는, 도 4에 예시된 실시양태와 비교하여 유리하다. DCS 재순환 루프 상에 2개의 DCS-RR이 포함됨으로써, DCS 재순환 루프를 구성하는 스트림의 조성에 유익한 변화가 나타난다. 이러한 변화의 효과가 하기 표 4 및 5에서 제시된다.
표 4는 도 3의 경우 (DCS-RR(80)이 존재함) 및 도 4의 경우 (DCS-RR(80)이 존재하지 않음)와 같이 제2 DCS-RR(80)이 존재할 때 및 존재하지 않을 때 양쪽 모두의, 제1 DCS-RR(60)로 통하는 스트림 7에서의 변화 및 제1 DECS-RR(60)의 외부로 통하는 스트림 8에서의 변화를 보여준다.
<표 4>
Figure pct00008
표 4는 하기 사항을 제시한다.
ㆍ 본 개시내용에 따른 제2 DCS-RR(80)의 혼입은 스트림 7을 통해 제2 증류 칼럼(30)에서 나오는 오버헤드 스트림 중 SiH4 농도를 0.33%에서 7.19%로 크게 증가시킨다.
ㆍ 새로운 반응기 DCS-RR(80)이 제자리에 위치함으로써, 제3 증류 칼럼(40)으로의 공급물, 즉 스트림 8 중 SiH4 농도가 13.8%에서 15.68%로 증가한다.
ㆍ 제3 증류 칼럼(40)으로의 공급물 중 SiH4 농도는 도 4와 비교하여 도 3의 구성에서 약 12% 더 높고, 이는 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 매우 유리하다.
표 5는 DCS 재순환 루프에 제2 DCS-RR(80)이 혼입 및 혼입되지 않은, 제3 증류 칼럼(40)에서 배출되는 스트림 9의 조성에서의 변화를 보여주고, 또한 제2 DCS-RR(80)이 구성에 포함되지 않은 경우에는 스트림 9가 될 것이고, 제2 DCS-RR(80)이 구성에 포함된 경우에는 스트림 11이 될, 제2 증류 칼럼(30)으로 들어가는 스트림의 조성에서의 변화를 보여준다.
표 5는 제2 DCS-RR(80)이 DCS 재순환 루프 상에 제자리에 위치함으로써, 새로운 반응기 DCS-RR(80)로부터 제2 증류 칼럼(30) 공급물로의 공급물 스트림, 즉 스트림 11 중 SiH4 조성이 크게 증가한 것을 보여준다 (즉, 제2 증류 칼럼(30)으로의 공급물 중 SiH4 농도는 0.08%에서 8.17%로 상승한다 - 100배 증가).
<표 5>
Figure pct00009
도 3에 예시된 시스템 및 방법은 상당한 이점을 제공한다. 예를 들어, 단지 1개의 DCS-RR (예를 들어, 도 4 참조)과 비교하여, DCS 재순환 루프가 2개의 DCS-RR (예를 들어, 도 3 참조)을 함유하는 경우에:
ㆍ 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 보다 작은 설비 규모로 인해 감소한다.
ㆍ 기존의 플랜트에 용이하게 새로 장착될 수 있다.
ㆍ DCS 재순환 루프 (즉, 제2 증류 칼럼(30) 오버헤드 생성물 → 제1 DCS-RR(60) → 제3 증류 칼럼(40) → 제2 DCS-RR(80) → 제2 증류 칼럼(30)에 의해 한정된 루프) 상에 (1개가 아닌) 2개의 DCS-RR을 사용함으로써, 재순환 루프의 유량이 약 12% 감소한다. 직접적인 결과로서:
h. 제3 증류 칼럼(40)을 위한 리보일러 및 응축기 시스템의 가열 및 냉각 부하가 약 12% 감소하여, 운전 비용 절감을 유발한다.
i. 제3 증류 칼럼(40)의 단면적 및 그의 리보일러 및 응축기 시스템의 규모가 약 12% 감소하여, 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 감소한다.
j. 제2 증류 칼럼(30)을 위한 리보일러 및 응축기 시스템의 가열 및 냉각 부하가 약 5% 감소하여, 운전 비용 절감을 유발한다.
k. 제2 증류 칼럼(30)의 단면적 및 그의 리보일러 및 응축기 시스템의 규모가 약 5% 감소하여, 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 감소한다.
l. 재순환 펌프의 규모 및 이러한 펌프를 운전하는 전기 비용이 약 12% 감소한다.
m. 제1 DCS-RR(60)의 규모가 단지 1개의 DCS-RR (예를 들어, 도 4 참조)과 비교하여, DCS 재순환 루프가 2개의 DCS-RR (예를 들어, 도 3 참조)을 함유하는 경우에 약 12% 감소할 수 있다.
n. 제2 DCS-RR(80)은 그의 규모가 제1 DCS-RR(60)과 유사할 수 있다. 그렇지 않으면 전적으로 제1 DCS-RR(60) 촉매층이 감당하게 되었을 부하를 제2 DCS-RR(80) 촉매층이 공유한다는 것을 고려하면, 금속 클로라이드로부터의 불활성화 (활성화 자리의 차단)를 허용하기 위해 보통 첨가되는 촉매 부피의 과설계가 감소한다. 바꿔 말하면, 과설계가 중복 추가될 필요가 없다.
ㆍ 모노실란을 정제하기 위해 필요한 총 에너지가 약 2.2% 감소한다.
이러한 효과 및 이점은 본 개시내용에 따른 제2 DCS-RR(80)의 혼입으로 인한 것이다.
도 3에 예시된 시스템 및 방법에서, 하기의 임의적인 실시양태가 포함될 수 있다.
ㆍ 임의적인 실시양태로서, 제3 증류 칼럼(40) 바닥물질 스트림 9는 제2 DCS-RR(80)에 공급되기 전에 냉각될 수 있다. 냉각 매체 (예를 들어, 냉각수)의 필요량 및 제2 증류 칼럼(30) 리보일러 부하에 대한 역효과는, 냉각 부하의 대략 80%가 공정별 교환기로 회수될 수 있기 때문에 최소화된다.
ㆍ 상기 변형의 차이는 새로운 반응기(80)로의 공급물이 가압되고 새로운 반응기(80)로부터 배출되는 생성물이 급송된다.
제2 TCS-RR(70) 및 제2 DCS-RR(80)을 추가한 이점은 상가적이다. 즉, 도 1에 따라서 TCS-RR(70)과 DCS-RR(80)을 둘 다 추가한 것은 도 2에 도시되고 본원에 기재된 바와 같은 추가의 TCS-RR(70)의 이점을 획득하고, 또한 도 3에 도시되고 본원에 기재된 바와 같은 DCS-RR(80)의 이점을 획득한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 두 반응기 TCS-RR(70)과 DCS-RR(80)이 모두 추가된 경우에, 하기 이점 중 어느 하나 이상이 달성될 수 있다.
ㆍ 현재의 운전 설계에서 달성되는 것과 비교하여, 대용량 TCS 재순환 루프에서의 TCS의 DCS로의 전환이 통과마다 약 35% 증가하며, 제2의 대용량 DCS 재순환 루프에서의 DCS의 SiH4로의 전환이 약 12% 증가한다.
ㆍ TCS 재순환 루프 유량이 약 25% 감소한다.
ㆍ DCS 재순환 유량이 약 12% 감소한다.
ㆍ 모노실란의 일련의 정제를 운전하기 위해 필요한 총 에너지가 약 20% 감소하며, 이는 단지 1개의 TCS-RR(70) 또는 DCS-RR(80)이 추가된 경우에 가능한 감소폭보다 크다.
ㆍ 제1 증류 칼럼(20)을 위한 리보일러 및 응축기 시스템의 가열 및 냉각 부하가 약 18% 감소하여, 운전 비용 절감을 유발한다.
ㆍ 제1 증류 칼럼(20)의 단면적 및 그의 리보일러 및 응축기 시스템의 규모가 약 18% 감소하여, 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 감소한다.
ㆍ 제2 증류 칼럼(30)을 위한 리보일러 및 응축기 시스템의 가열 및 냉각 부하가 약 28% 감소하여, 운전 비용 절감을 유발하며, 이는 단지 1개의 TCS-RR(70) 또는 DCS-RR(80)이 추가된 경우에 가능한 감소폭보다 크다.
ㆍ 제2 증류 칼럼(30)의 단면적 및 그의 리보일러 및 응축기 시스템의 규모가 약 28% 감소하여, 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 감소하고, 이는 단지 1개의 TCS-RR(70) 또는 DCS-RR(80)이 추가된 경우에 가능한 감소폭보다 크다.
ㆍ 제3 증류 칼럼(40)을 위한 리보일러 및 응축기 시스템의 가열 및 냉각 부하가 약 15% 감소하여, 운전 비용 절감을 유발한다.
ㆍ 제3 증류 칼럼(40)의 단면적 및 그의 리보일러 및 응축기 시스템의 규모가 약 15% 감소하여, 신규한 모노실란 플랜트 설치를 위해 필요한 자본 지출이 감소한다.
ㆍ TCS 재순환 펌프의 규모 및 이러한 펌프를 운전하는 전기 비용이 약 25% 감소한다.
ㆍ DCS 재순환 펌프의 규모 및 이러한 펌프를 운전하는 전기 비용이 약 15% 감소한다.
ㆍ 단지 1개의 TCS-RR (예를 들어, 도 4 참조)과 비교하여, TCS 재순환 루프가 2개의 TCS-RR (예를 들어, 도 2 참조)을 함유하는 경우에 제1 TCS-RR(50)의 규모가 약 25% 감소할 수 있다.
ㆍ 제2 TCS-RR(70)이 그의 규모가 제1 TCS-RR(50)과 유사할 수 있다. 그렇지 않으면 전적으로 제1 TCS-RR(50) 촉매층이 감당하게 되었을 부하를 제2 TCS-RR(70) 촉매층이 공유한다는 것을 고려하면, 금속 클로라이드로부터의 불활성화 (활성화 자리의 차단)를 허용하기 위해 보통 첨가되는 촉매 부피의 과설계가 감소한다. 바꿔 말하면, 과설계가 중복 추가될 필요가 없다.
ㆍ 단지 1개의 DCS-RR (예를 들어, 도 4 참조)과 비교하여, DCS 재순환 루프가 2개의 DCS-RR (예를 들어, 도 3 참조)을 함유하는 경우에 제1 DCS-RR(60)의 규모가 약 15% 감소할 수 있다.
ㆍ 제2 DCS-RR(80)이 그의 규모가 제1 DCS-RR(60)과 유사할 수 있다. 그렇지 않으면 전적으로 제1 DCS-RR(60) 촉매층이 감당하게 되었을 부하를 제2 DCS-RR(80) 촉매층이 공유한다는 것을 고려하면, 금속 클로라이드로부터의 불활성화 (활성화 자리의 차단)를 허용하기 위해 보통 첨가되는 촉매 부피의 과설계가 감소한다. 바꿔 말하면, 과설계가 중복 추가될 필요가 없다.
ㆍ 제2 증류 칼럼 (소위, "DCS" 칼럼) 프로파일이 제2 TCS-RR에서 생성된 DCS로 인해 개시 후에 상당히 신속히 정상 상태에 도달할 것이고, 이는 칼럼 프로파일의 확립을 용이하게 한다. 이러한 효과만으로 플랜트 가동 시간이 연간 2 내지 4일 연장되며, 이는 상업적으로 중요한 플랜트 효용성의 1% 내지 2% 증가를 유발한다.
ㆍ 제1 증류 칼럼(20)의 응축 온도는 DCS 함량의 감소로 인해 약 2도만이 상승하고, 칼럼 응축기 또는 환류 펌프 설계 또는 운전에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 본 발명의 설계는 기존의 모노실란 플랜트에 용이하게 새로 장착될 수 있고, 에너지 절감의 이점이 수반된다.
예를 들어, TCS-RR(70)과 DCS-RR(80)이 둘 다 추가되는 경우에, 주요 재순환 루프 (제1 증류 칼럼 오버헤드 스트림 3 → 제2 증류 칼럼(30) 바닥물질 스트림 5 → 제1 TCS-RR → 스트림 6을 통해 제1 증류 칼럼(20))를 통한 유동은 약 25% 감소한다. 이는 제1 증류 칼럼(20)의 에너지 요구량을 약 18% 감소시킨다. 제2의 대용량 재순환 루프 (오버헤드 스트림 7을 통해 제2 증류 칼럼(30) → 제1 DCS-RR(60) → 제3 증류 칼럼(40) → 제2 DCS-RR(80) → 스트림 11을 통해 제2 증류 칼럼(30))를 통한 유동은 약 15% 감소한다. 2개의 루프의 유동 감소는 제2 증류 칼럼(30)의 에너지 요구량을 약 28% 감소시킨다. 이러한 2개의 칼럼에서의 총 에너지 절감은 모노실란의 일련의 정제 플랜트 전체를 기반으로 하여 약 20%를 초과하거나 또는 6,800 Kw/Hr을 초과할 것이다.
이러한 효과가 표 6에 제시되어 있다. 제1 칼럼 (TCS-RR(50) 및 DCS-RR(60) (도 4))은 도 4에 도시된 바와 같이 운전되고, 단일 TCS-RR(50) 및 단일 DCS-RR(60)을 갖는 플랜트에서 10,000 메트릭 톤/년의 모노실란을 제조하는 시간 당 총 정제 에너지 소모량을 제공한다. 제2 칼럼 (추가된 TCS-RR(70) (도 2))은 제1 TCS-RR(50) 및 제1 DCS-RR(60) 이외에도 제2 TCS-RR(70)을 갖는 것을 제외하고는, 도 4에 도시된 바와 같이 운전되는 유닛을 가지며, 이러한 경우에도 역시 10,000 메트릭 톤/년의 모노실란을 제조하도록 운전되는 모노실란 플랜트의 정제 에너지 소모량을 제공한다. 제3 칼럼 (추가된 DCS-RR(80) (도 3))은 제1 TCS-RR(50) 및 제1 DCS-RR(60) 이외에도 제2 DCS-RR(80)을 갖는 것을 제외하고는, 도 4에 도시된 바와 같이 운전되는 유닛을 가지며, 이러한 경우에도 역시 10,000 메트릭 톤/년의 모노실란을 제조하도록 운전되는 모노실란 플랜트의 정제 에너지 소모량을 제공한다. 제4 칼럼 (추가된 TCS-RR(70) 및 DCS-RR(80) (도 1))은 제1 TCS-RR(50) 및 제1 DCS-RR(60) 이외에도 제2 TCS-RR(70) 및 제2 DCS-RR(80)을 갖는 것을 제외하고는, 도 4에 도시된 바와 같이 운전되는 유닛을 가지며, 이러한 경우에도 역시 10,000 메트릭 톤/년의 모노실란을 제조하도록 운전되는 모노실란 플랜트의 정제 에너지 소모량을 제공한다.
<표 6>
Figure pct00010
* 적어도 도 4에 예시된 운전 유닛을 가지며, 또한 추가된 TCS-RR(70), 또는 추가된 DCS-RR(80), 또는 추가된 TCS-RR(70) 및 DCS-RR(80)을 둘 다 임의로 갖는 플랜트에 대하여 Kw/Hr 단위로 나타낸 총 정제 에너지
총 정제 에너지는 모노실란 플랜트의 모든 증류 칼럼에서 사용된 에너지이다. 이러한 증류 칼럼은 본원에 나타낸 제1, 제2, 및 제3 증류 칼럼을 포함한다.
상기 언급된 바와 같이, 반응기, 예를 들어 반응기(50, 60, 70 또는 80) 중 어느 하나 이상으로의 스트림은 유리하게 냉각될 수 있고, 한 실시양태에서 본 개시내용은 냉각 단계를 포함함으로써, 반응기(50, 60, 70 및 80) 중 어느 하나 이상에 들어가는 공급원료가 냉각된다. 이온 교환 수지의 고형 지지체는 승온에서 연화되고 그의 다공성 구조를 상실할 수 있기 때문에 재분배 반응기 내의 이온 교환 수지가 약 80℃ 초과 또는 약 90℃ 초과 또는 약 100℃ 초과의 온도에서는 안정적이지 않기 때문에 냉각이 바람직하다. 재분배 반응기로의 공급원료의 예비냉각은 재분배 반응기 내의 온도를 재분배 반응기 내의 촉매에 대하여 유해한 온도보다 낮게 바람직하게 유지한다. 따라서, 본 개시내용은 하기와 같이, 냉각 유닛, 예를 들어 냉동 유닛 또는 열 교환기가 임의의 증류 칼럼과 임의의 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치할 수 있고, 재분배 반응기로의 입구에만 임의로 위치하는 시스템을 제공한다.
a. i. 제1 증류 칼럼과 제1 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 TCS 재분배 반응기; 및
ii. 제1 증류 칼럼과 제2 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제2 TCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
b. i. 제2 증류 칼럼과 제1 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 TCS 재분배 반응기;
ii. 제2 증류 칼럼과 제2 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제2 TCS 재분배 반응기;
iii. 제2 증류 칼럼과 제1 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 DCS 재분배 반응기; 및
iv. 제2 증류 칼럼과 제2 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제2 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
c. i. 제3 증류 칼럼과 제1 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 DCS 재분배 반응기; 및
ii. 제3 증류 칼럼과 제2 DCS 재분배 칼럼의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제2 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템.
a. i. 제1 증류 칼럼과 제1 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 TCS 재분배 반응기; 및
ii. 제1 증류 칼럼과 제2 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제2 TCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
b. i. 제2 증류 칼럼과 제1 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 TCS 재분배 반응기;
ii. 제2 증류 칼럼과 제2 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제2 TCS 재분배 반응기;
iii. 제3 증류 칼럼; 및
iv. 제2 증류 칼럼과 제1 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
c. i. 제3 증류 칼럼과 제1 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 DCS 재분배 반응기; 및
ii. 제2 증류 칼럼
과 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템.
a. i. 제1 증류 칼럼과 제1 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 TCS 재분배 반응기; 및
ii. 제2 증류 칼럼
과 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
b. i. 제2 증류 칼럼과 제1 TCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 TCS 재분배 반응기;
ii. 제1 증류 칼럼;
iii. 제2 증류 칼럼과 제1 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 DCS 재분배 반응기; 및
iv. 제2 증류 칼럼과 제2 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제2 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
c. i. 제3 증류 칼럼과 제1 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제1 DCS 재분배 반응기; 및
ii. 제3 증류 칼럼과 제2 DCS 재분배 반응기의 사이에 임의로 위치하는 냉각 유닛을 갖는, 제2 DCS 재분배 반응기
와 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템.
본 개시내용은 개별 실시양태에서 단일 냉각 유닛이 시스템에 포함되는 것을 제공하고, 여기서 상기 냉각 유닛은 상기 실시양태에서 나타낸 임의의 위치에 위치할 수 있다. 다른 개별 실시양태에서, 2개의 냉각 유닛이 시스템에 포함되고, 여기서 상기 2개의 냉각 유닛은 상기 실시양태에서 나타낸 임의의 위치에 위치할 수 있다. 다른 개별 실시양태에서, 3개의 냉각 유닛이 시스템에 포함되고, 여기서 상기 3개의 냉각 유닛은 상기 실시양태에서 나타낸 임의의 위치에 위치할 수 있다. 다른 개별 실시양태에서, 4개의 냉각 유닛이 시스템에 포함되고, 여기서 상기 4개의 냉각 유닛은 상기 실시양태에서 나타낸 임의의 위치에 위치할 수 있다. 냉각 유닛의 바람직한 위치, 및 냉각 단계가 하기에 기재되고, 예를 들면 1개 또는 2개 또는 3개 또는 4개의 재분배 반응기로의 입구에 있을 수 있다.
일반적으로, 공급물 스트림을 냉각시키는 것의 바람직함은 운전 칼럼 압력 및 반응기 공급물 스트림 중 클로로실란 조성에 따라 좌우된다. 냉각은 능동적 냉각, 예를 들어 냉각 유닛, 예를 들어 순환 냉각 유체의 사용에 의한 냉각일 수 있거나, 또는 수동적 냉각, 예를 들어 플랜트의 주위 조건과의 접촉에 의한 냉각일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 증류 칼럼(각각, 20 및 30)의 상부 압력은, 칼럼의 상부에서의 응축 온도가 하계 대기 조건의 공기가 응축 매체로서 사용되도록 하는 충분한 고온이도록 설계될 수 있다. 이는 냉각 매체로서 냉각수 또는 냉동을 사용하는 것과 비교하였을 때 칼럼 운전 비용을 현저히 절감시키고, 이와 같이 냉각된 스트림의 온도는 반응기 공급물(들)의 보조 냉각이 필요하지 않을 정도로 충분히 냉각된다. 또한, 보다 낮은 운전 칼럼 압력을 포함하는 공정 설계가 본 개시내용의 한 실시양태로서 제공되고, 여기서 이러한 실시양태는 증류 생성물이 반응기 공급물(들)의 예비냉각이 필요하지 않을 정도로 충분히 낮은 온도를 갖도록 한다.
제3 증류 칼럼(40)에서의 상부 압력은, 칼럼의 상부에서의 응축 온도가 응축 매체로서 단순 냉동의 사용을 허용하도록 충분히 높게 설계될 수 있다. 칼럼 압력이 낮아지면 바닥 클로로실란 온도가 강하되어서 반응기 공급물(들)의 보조 냉각이 필요하지 않지만, 이는 또한 상부 응축 온도를 강하시켜서 극저온 냉동을 필요로 할 것이다. 이는 응축 매체로서 단순 냉동을 사용하는 것과 비교하였을 때 칼럼 운전 비용을 현저히 상승시킨다. 따라서, 한 실시양태에서 제3 증류 칼럼(40)에서의 상부 압력은 충분히 높아서 극저온 냉동보다는 단순 냉동이 배출 스트림 9를 냉각시키는데 사용가능하고, 또한 반응기(80) 공급물(들)의 보조 냉각이 제공된다.
제1 증류 칼럼(20)에서의 운전 압력의 선택은 TCS-RR(70)로의 공급물 온도에 직접적으로 영향을 미친다. 제2 증류 칼럼(30)에서의 운전 압력의 선택은 TCS-RR(50) 및 DCS-RR(60)로의 공급물 온도에 직접적으로 영향을 미친다. 제3 증류 칼럼(40)에서의 운전 압력의 선택은 DCS-RR(80)로의 공급물 온도에 직접적으로 영향을 미친다. 예시적 실시양태에서, 스트림 5는 승온에서, 예를 들어 100-150℃ 범위, 또는 125-135℃ 범위의 온도에서 제2 증류 칼럼(30)에서 배출되고, TCS-RR(50)에 공급되기 전에, 강하된 온도, 예를 들어 100℃ 미만, 또는 80℃ 미만의 온도, 또는 약 65℃의 온도로 냉각된다. 또 다른 예시적 실시양태에서, 스트림 3은 100℃ 미만, 또는 80℃ 미만, 또는 65-70℃ 범위의 온도에서 제1 증류 칼럼(20)에서 배출되고, 상기 스트림이 제2 TCS-RR(70)에 들어가기 전에 상기 스트림의 냉각은 발생하지 않는다. 또 다른 실시양태에서, 스트림 7은 50℃ 초과, 또는 70℃ 초과, 또는 85-95℃ 범위의 승온에서 제2 증류 칼럼(30)에서 배출되고, 제1 DSC-RR(60)에 공급되기 전에 50℃ 미만의 온도, 예를 들어 40-45℃ 범위의 온도로 냉각된다. 또 다른 실시양태에서, 스트림 9는 승온에서, 예를 들어 100℃ 초과, 또는 약 120℃, 또는 130-140℃ 범위의 온도에서 제3 증류 칼럼(40)에서 배출되고, 반응기(80)에 공급되기 전에 강하된 온도, 예를 들어 80℃ 미만, 또는 60℃ 미만의 온도, 또는 40-45℃ 범위의 온도로 제2 DCS-RR(80)에 들어가기 전에 냉각된다.
일반적으로, 보다 경질이고 보다 휘발성의 클로로실란 종이 생성되기 때문에, 재분배 반응기 내에서의 클로로실란의 기화 가능성이 존재한다. 재분배 반응기 내에서의 속도론은 반응기 내에 기체상이 존재하는 것이 바람직하지 않은 정도인데, 그 이유는 낮고 일관성이 없는 반응 수율이 초래될 수 있기 때문이다. 따라서, 한 실시양태에서, 본 개시내용의 시스템 및 방법은 재분배 반응기가 반응기 내에서의 기체상 형성이 억제되거나 또는 제거되도록 충분히 고압에서 운전되는 것을 제공한다. 반응기 내의 이러한 고압은 정적 또는 동적 압력 제어를 통해 달성될 수 있다. 동적 제어는 배압 조절기를 사용하거나 또는 압력 센서/전송기, 제어 밸브 및 폐쇄 루프 제어 알고리즘으로 구성된 압력 제어 루프를 사용한다. 예를 들어, 고압은 반응기 앞의 공급물 펌프 및 반응기 배출구에서의 배압 제어기를 사용함으로써 달성될 수 있다. 정적 압력 제어는 압력 밸브로 달성될 수 있다. 한 실시양태에서, 본 발명의 방법은 재분배 반응기의 실란 및 클로로실란의 모든 함량이 액체상인 것을 제공한다.
한 실시양태에서, DCS-RR(60) 및/또는 DSC-RR(80)로의 공급물 스트림(들) 온도는 TCS-RR(50) 및/또는 TCS-RR(70)로의 공급물 스트림(들) 온도보다 낮다. 이러한 실시양태에서, DCS-RR(60) 및/또는 DSC-RR(80) 반응기 생성물이 액체상으로 유지되도록 보장하기 위해 사용된, 그렇지 않은 경우보다 낮은 온도(들)로 인해, DCS-RR(60) 및/또는 DSC-RR(80)에서는 강하된 압력이 사용될 수 있다. 공급물 온도가 약 40-45℃의 범위에 있을 때, 바람직한 압력은 약 350-375 psig이다. 60-65℃ 범위의 보다 높은 공급물 온도에서는, 바람직한 압력이 또한 보다 높은데, 예를 들어 약 475-500 psig이다. 따라서, DCS-RR(60 또는 80)에서의 보다 낮은 반응기 운전 온도, 예를 들어 65℃에 비해 45℃가 유익할 수 있고, 반응 평형에 대하여 미약한 영향을 미치며, 따라서 불리하지는 않다.
온도 및 압력 제어의 상기 기재된 바와 같은 실시양태는 본 개시내용의 임의의 시스템 및 방법에 사용될 수 있다.
도 4에 예시된 참조 시스템과 비교하여, 본 개시내용의 시스템 및 방법은 하기를 포함하는 다수의 이점을 제공한다.
ㆍ 일련의 모노실란 제조에서의 주요 재순환 스트림 (TCS 재순환 루프)이 25% 감소함;
ㆍ 일련의 모노실란 제조에서의 제2의 대용량 재순환 스트림 (DCS 재순환 루프)이 15% 감소함;
ㆍ 모노실란을 정제하기 위해 필요한 총 에너지가 약 20% 감소함;
ㆍ 증류 설비의 규모가 상당히 감소함;
ㆍ 신규한 플랜트를 위한 자본 지출이 감소함; 및
ㆍ 기존의 플랜트에 용이하게 새로 장착될 수 있음.
예상외로, 추가의 재분배 반응기 (제2 TCS 재분배 반응기(70))를 공정에 위치시켜, 제1 증류 칼럼(20)의 상부 생성물에 존재하는 TCS가 DCS로 반응하도록 함으로써 기존의 기술이 상당히 개선될 수 있다는 것이 발견되었다. 이는 다수의 이점을 유발하는데, 즉:
1. 현재의 운전 설계에서 달성가능한 것과 비교하여, 대용량 TCS 재순환 루프에서 TCS의 DCS로의 전환을 통과마다 약 35% 증가시킨다.
2. 대용량 재순환 루프의 질량 유량을 약 25% 감소시켜, 펌핑 에너지 비용을 절감시킨다.
3. 제1 증류 칼럼(20)을 위해 필요한 에너지의 약 18% 절감 및 제2 증류 칼럼(30)을 위해 필요한 에너지의 약 22% 내지 23%의 절감을 제공한다.
4. 제1 증류 칼럼(20)의 단면적을 약 18% 감소시키며, 제2 증류 칼럼(30)의 단면적을 약 22% 내지 23% 감소시킨다.
5. 제1 증류 칼럼(20) 리보일러 및 응축기의 규모를 약 18% 감소시키며, 제2 증류 칼럼(30) 리보일러 및 응축기의 규모를 약 28% 감소시킨다.
6. 제1 증류 칼럼(20) 및 제2 증류 칼럼(30) 펌프의 규모를 약 20% 내지 30% 감소시킨다.
7. 제2 증류 칼럼(30)으로부터의 바닥물질 스트림 상에 위치하는, 제1 TCS 재분배 반응기(50)의 규모, 및 그의 요구되는 촉매 부피를 약 25% 감소시킨다.
따라서, 본 발명은, 예를 들어 현재의 운전과 관련된 대용량 TCS 재순환 스트림의 규모를 현저히 감소시킨 것이 기존의 기술과 비교하여 주요 개선점이 된다.
한 실시양태에서, 본 개시내용은 TCS를 DCS로 전환시키기 위해 단지 1개 대신에 2개의 재분배 반응기를 사용하는 것을 제공한다. 대조적으로, 전통적인 설계는 단일 반응기에서 TCS의 DCS로의 전환을 최대화하는 것에 초점을 맞추었고, 이는 순수 TCS 공급원료를 제1 TCS-RR에 공급함으로써 달성되었다. 전통적인 교시내용은, 제1 TCS-RR로의 공급원료 중 STC 함량 증가는 TCS의 DCS로의 전환을 현저히 감소시킨다는 것이다. 본 개시내용에서 교시된 배치에 따른 제2 TCS-RR의 추가는 사실 제1 TCS-RR로의 공급물에 존재하는 STC를 증가시키지만, 예상외로, TCS 재순환 루프의 일부로서, 연속적으로 운전되는 2개의 TCS 재분배 반응기를 갖는 경우에, 각각의 반응기가 개별적으로 가능한 최고 전환으로 운전되지 않더라도, 전체 시스템 전환이 상당히 증가한다는 것이 발견되었다. 구체적으로, 각각 15%의 반응 정도로 연속적으로 운전되는 2개의 재분배 반응기는 총 30%의 전환을 제공할 것이고, 이는 20%의 전환으로 운전되는 단일 반응기보다 1.5배 더 높다. 반응 정도는 제1 TCS-RR에서 20%에서 15%로 떨어지지만, 이는 예상한 대로의 미약한 정도이며 본 발명의 이점을 손상시키지 않는다.
상기 언급된 바와 같이, 상기 기재된 다양한 실시양태는 어느 것이나 조합되어 추가 실시양태를 제공할 수 있다. 실시양태의 측면은 필요에 따라 다양한 특허, 출원 및 공보의 개념을 사용하도록 변형되어, 또 다른 추가 실시양태를 제공할 수 있다. 상기의 상세한 설명을 고려하여 실시양태에 대하여 이러한 변화 및 다른 변화가 있을 수 있다. 일반적으로, 하기 청구범위에서 사용된 용어는 청구범위를 본 명세서 및 청구범위에 기재된 구체적 실시양태로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 이러한 청구범위가 한정한 등가물의 전체 범주와 함께 모든 가능한 청구범위를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 청구범위는 본 개시내용에 의해 제한되지 않는다.

Claims (8)

  1. a) i) 제1 TCS 재분배 반응기; 및
    ii) 제2 TCS 재분배 반응기
    와 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
    b) i) 제1 TCS 재분배 반응기;
    ii) 제2 TCS 재분배 반응기;
    iii) 제1 DCS 재분배 반응기; 및
    iv) 제2 DCS 재분배 반응기
    와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
    c) i) 제1 DCS 재분배 반응기; 및
    ii) 제2 DCS 재분배 반응기
    와 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
    을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템.
  2. a) i) 제1 TCS 재분배 반응기; 및
    ii) 제2 TCS 재분배 반응기
    와 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
    b) i) 제1 TCS 재분배 반응기;
    ii) 제2 TCS 재분배 반응기;
    iii) 제3 증류 칼럼; 및
    iv) 제1 DCS 재분배 반응기
    와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
    c) i) 제1 DCS 재분배 반응기; 및
    ii) 제2 증류 칼럼
    과 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
    을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템.
  3. a) i) 제1 TCS 재분배 반응기; 및
    ii) 제2 증류 칼럼
    과 유체 소통하는 제1 증류 칼럼;
    b) i) 제1 TCS 재분배 반응기;
    ii) 제1 증류 칼럼;
    iii) 제1 DCS 재분배 반응기; 및
    iv) 제2 DCS 재분배 반응기
    와 유체 소통하는 제2 증류 칼럼; 및
    c) i) 제1 DCS 재분배 반응기; 및
    ii) 제2 DCS 재분배 반응기
    와 유체 소통하는 제3 증류 칼럼
    을 포함하는, 실란을 제조하기 위한 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리실리콘의 제조를 위한 반응기를 추가로 포함하는 시스템.
  5. a) 스트림 1을 제1 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
    b) 제1 증류 칼럼으로부터 스트림 2 및 스트림 3을 회수하며, 여기서 스트림 2는 STC를 포함하고, 스트림 3은 DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    c) 스트림 3을 제2 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
    d) 제2 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 4를 회수하며, 여기서 스트림 4는 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
    e) 스트림 4 및 스트림 11을 제2 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 11은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    f) 제2 증류 칼럼으로부터 스트림 5 및 스트림 7을 회수하며, 여기서 스트림 5는 TCS 및 STC를 포함하고, 스트림 7은 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 것이고;
    g) 스트림 7을 제1 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
    h) 제1 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 8을 회수하며, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    i) 스트림 8을 제3 증류 칼럼에 도입하고;
    j) 제3 증류 칼럼으로부터 스트림 9 및 스트림 10을 회수하며, 여기서 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 스트림 10은 실란을 포함하는 것이고;
    k) 스트림 9를 제2 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
    l) 제2 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 11을 회수하고;
    m) 스트림 5를 제1 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
    n) 제1 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 6을 회수하며, 여기서 스트림 6은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
    o) 스트림 6을 제1 증류 칼럼에 도입하는 것
    을 포함하는, 실란을 제조하는 방법.
  6. a) 스트림 1을 제1 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
    b) 제1 증류 칼럼으로부터 스트림 2 및 스트림 3을 회수하며, 여기서 스트림 2는 STC를 포함하고, 스트림 3은 DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    c) 스트림 3을 제2 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
    d) 제2 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 4를 회수하며, 여기서 스트림 4는 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
    e) 스트림 4 및 스트림 9를 제2 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    f) 제2 증류 칼럼으로부터 스트림 5 및 스트림 7을 회수하며, 여기서 스트림 5는 TCS 및 STC를 포함하고, 스트림 7은 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 것이고;
    g) 스트림 7을 제1 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
    h) 제1 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 8을 회수하며, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    i) 스트림 8을 제3 증류 칼럼에 도입하고;
    j) 제3 증류 칼럼으로부터 스트림 9 및 스트림 10을 회수하며, 여기서 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 스트림 10은 실란을 포함하는 것이고;
    k) 스트림 9를 제2 증류 칼럼에 도입하고;
    l) 스트림 5를 제1 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
    m) 제1 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 6을 회수하며, 여기서 스트림 6은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
    n) 스트림 6을 제1 증류 칼럼에 도입하는 것
    을 포함하는, 실란을 제조하는 방법.
  7. a) 스트림 1을 제1 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 1은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
    b) 제1 증류 칼럼으로부터 스트림 2 및 스트림 3을 회수하며, 여기서 스트림 2는 STC를 포함하고, 스트림 3은 DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    c) 스트림 3 및 스트림 11을 제2 증류 칼럼에 도입하며, 여기서 스트림 11은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    d) 제2 증류 칼럼으로부터 스트림 5 및 스트림 7을 회수하며, 여기서 스트림 5는 TCS 및 STC를 포함하고, 스트림 7은 실란, MCS 및 DCS를 포함하는 것이고;
    e) 스트림 7을 제1 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
    f) 제1 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 8을 회수하며, 여기서 스트림 8은 실란, MCS, DCS 및 TCS를 포함하는 것이고;
    g) 스트림 8을 제3 증류 칼럼에 도입하고;
    h) 제3 증류 칼럼으로부터 스트림 9 및 스트림 10을 회수하며, 여기서 스트림 9는 MCS, DCS 및 TCS를 포함하고, 스트림 10은 실란을 포함하는 것이고;
    i) 스트림 9를 제2 DCS 재분배 반응기에 도입하고;
    j) 제2 DCS 재분배 반응기로부터 스트림 11을 회수하고;
    k) 스트림 5를 제1 TCS 재분배 반응기에 도입하고;
    l) 제1 TCS 재분배 반응기로부터 스트림 6을 회수하며, 여기서 스트림 6은 DCS, TCS 및 STC를 포함하는 것이고;
    m) 스트림 6을 제1 증류 칼럼에 도입하는 것
    을 포함하는, 실란을 제조하는 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리실리콘을 제조하는 것을 추가로 포함하는 방법.
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