TW201332892A - 製備單矽烷之裝置 - Google Patents

Abstract

本發明闡述一種用於藉由使用一柱狀反應柱(101)之三氯矽烷(SiHCl3)之催化歧化而製備單矽烷(SiH4)之裝置，該柱狀反應柱(101)具有：針對三氯矽烷之一入口(102)；針對所形成之四氯化矽(SiCl4)之一出口(103)；及一加熱區域(104)，其較佳地位於該柱之下部端處；及一冷凝器(105)，經由其已製備之單矽烷可自該柱(101)排出，其中該柱(101)包括其中存在一催化活性固體之一段(106；107；108)，且該柱段(106；107；108)包括裝填有該催化活性固體之一管或者兩個或兩個以上管(109；110；111)之一束。

Description

製備單矽烷之裝置

本發明係關於一種用於藉由使用一柱狀反應柱之三氯矽烷(SiHCl₃)之催化歧化而製備單矽烷(SiH₄)之裝置，該柱狀反應柱具有：針對三氯矽烷之一入口；針對所形成之四氯化矽(SiCl₄)之一出口；及一加熱區域，其較佳地位於該柱之下部端處；及一冷凝器，經由其已製備之單矽烷可自該柱排出。

通常在自可具有一相對高比例之雜質之冶金矽開始之一多級製程中生產高純度矽。為純化冶金矽，(舉例而言)可將其轉換成一個三鹵代矽烷，諸如隨後經熱分解以得到高純度矽之三氯矽烷(SiHCl₃)。舉例而言，自DE 29 19 086已知此一程序。作為一替代方案，亦可藉由單矽烷之熱分解獲得高純度矽，舉例而言，如DE 33 11 650中所闡述。

特定而言，可藉由三氯矽烷之歧化獲得單矽烷。舉例而言，又可藉由使具有四氯化矽之冶金矽與氫反應製備三氯矽烷。

為加速歧化，可能使用催化劑。已發現鹼性催化劑(諸如自DE 25 07 864已知之胺化合物及衍生物)係特別有用的。此等催化劑較佳地以結合形式使用，舉例而言，如DE 33 11 650中所闡述。可以一簡單方式將結合至固體載體之催化劑與液體或氣體反應混合物分離。在胺化合物之情形中，以此方式可避免將污染胺引入至矽烷/氯矽烷混 合物中。由於與其相關聯之優點，現今在三氯矽烷之歧化技術中事實上僅使用固定於載體上或併入至交聯聚合物中之胺催化劑。

除其他外，自DE 198 60 146已知可允許三氯矽烷之歧化根據反應性蒸餾之原理進行。反應性蒸餾由在一柱中反應與藉由蒸餾之分離之一組合表徵。在此柱中，藉由蒸餾不斷地移除最低沸點組份，其目的在於在該柱之每一空間元素中始終維持相對低沸點組份或最低沸點組份之平衡狀態與實際含量之間的一最佳差異。反應性蒸餾之優點可與三氯矽烷之催化反應之優點組合。此可藉由在含有作為填充元素之一催化活性固體之一柱中實施(舉例而言)三氯矽烷至四氯化矽與單矽烷之歧化而達成。

本專利申請案中所闡述之發明之一目標係開發及改良已知三氯矽烷之歧化製程，特定而言係關於三氯矽烷之反應速率。

藉由具有技術方案1之特徵之裝置來達成此目標。附屬技術方案2至7中指示本發明之裝置之較佳實施例。所有技術方案之用語皆以引用的方式併入本說明中。

根據上文所提及目標，採用一種根據本發明之用於藉由三氯矽烷之催化歧化而製備單矽烷之裝置。如眾多所討論類型之裝置，該裝置包括具有針對三氯矽烷之一入口及針對所形成之四氯化矽之一出口之一柱狀反應柱。此外，該裝置包括一加熱區域及經由其所製備之單矽烷可自該柱排 出之一主冷凝器。

該反應柱尤佳地具有含有一催化活性固體之至少一個段。該至少一個段較佳地包括裝填有催化活性固體之一管或者兩個或兩個以上管之一束。

含有催化活性固體之此(或此等)管在該柱內形成催化單元，在該等單元中發生歧化反應。在開篇處已提及反應性蒸餾之原理。在根據本發明之用於製備單矽烷之一裝置之反應柱中，亦採用此原理。因此，在該管或該等管中發生一反應，同時不斷排出低沸物。此等低沸物可然後被輸送至一下游反應性/蒸餾性反應區域(例如，另一催化單元)。

根據本發明之一裝置之反應柱通常係垂直的。相同情形應用於柱段中之管或至少兩個管之束。該管或該束之管較佳地垂直且特定而言係彼此並行地配置於柱段內。在操作中，氯矽烷之催化反應並行地發生於所有管中。該管或該等管較佳地具有一基本上圓柱形幾何形狀。然而，按原理其亦可具有一多邊形剖面，舉例而言，一個六邊形剖面。

該管束較佳地包括各自裝填有催化活性固體的自2至100個管，特定而言自5至50個管。

加熱區域可整合至柱狀反應柱中，特定而言在該柱之下部端處。作為一替代方案，本發明之裝置亦可具有一外部底部加熱器。

在本發明之裝置之較佳實施例中，柱段包括管或管束之管通過其之一熱交換空間。因此，可在含有催化活性固體之反應柱之至少一個段中形成(舉例而言)一熱傳送介質流 動穿過其之一空心空間。出於此目的，該段可具有針對該熱傳送介質之一入口及一出口。管或管束之溫度可經控制以使其內部之催化活性固體在操作期間保持於適合於催化歧化之溫度下。

根據本發明之一裝置之反應柱較佳地具有含有上文所提及催化活性固體之複數個柱段。本發明之裝置較佳地具有帶有上文所提及管或者兩個或兩個以上管之束之複數個柱段。此等段尤佳地彼此向上疊置地配置於該柱內。

反應柱之此等經疊加段在一定程度上對應於功能性地串聯連接之催化反應器。在該等段中之每一者中，三氯矽烷(或二氯矽烷及/或一氯矽烷)之歧化可根據反應性蒸餾之原理進行。在較佳實施例中，在每一情形中，該等段與配置於其中之該等管束及管兩者具有相同尺寸及一相同結構。

該管或該等管束係以使得一較高處段中之每一管對齊來自該較高處管之冷凝液可滴落或流動至其中之一毗鄰較低處段中之一管的此一方式較佳地配置於反應柱內或該等段內。

在反應柱內，溫度較佳地自底部向上降低，以使得通常在低於一個較低處柱段之一溫度下操作一較高處柱段。因此，反應柱中之最低段通常具有最高操作溫度。

視情況，可將一中間冷凝器配置於經疊加柱段之間。此用以分離開/保留相對非揮發性氯矽烷及降低任何下游冷凝器(特定而言主冷凝器)上之負載。

下游主冷凝器較佳地整合成反應柱之頂部。

該等段及上文所提及冷凝器單元可係以一固定方式彼此連接之單元或經由可釋放連接接合之模組化單元。

根據本發明之一裝置尤佳地由各自在其下部端處藉由一柵格及/或一網格閉合之段中之該管或該等管所表徵。有利地選擇該柵格及/或該網格之網開口以使得存在於管中之催化活性固體(其較佳地以顆粒形式存在)不可以一不受控制之方式離開該等管。

該等柵格及/或該等網格尤佳地形成具有錐體之一指向朝下點及小於90°(較佳地介於自30°至60°之範圍內)之一錐角之一圓錐形下部管閉合件。特定而言，此用以集中來自該管或該等管的可經由錐體點滴落或流動至一較低處柱段(特定而言，配置於彼處之一對應管)中之冷凝液。

該管或該等管之上部端較佳地係打開的。一般而言，該管或該等管沿一向上方向通向至在各側上由柱狀反應柱之內部壁定邊界之較佳地圓柱形空心空間中。反應柱之壁可在此區域中具有管或者管束之兩個或兩個以上管可經由其裝填有催化劑之可閉合維修開口。

尤佳地使用基於根據本發明之一裝置之反應柱中之乙烯基吡啶或一個乙烯基吡啶衍生物之一催化活性固體。舉例而言，US 4,613,489中闡述了一適合催化活性乙烯基吡啶-二乙烯苯共聚物。

此外，對根據本發明之一裝置之反應柱之陳述中之至少一者含有基於苯乙烯或一個苯乙烯衍生物之一催化活性固體(特定而言，基於一個苯乙烯-二乙烯苯共聚物之一固體) 可係較佳的。可藉由各自產生具有一相同化學式之產物之各種製程獲得適合共聚物(參見Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie，第四版，第13卷，Weinheim 1997，第301至303頁)。

根據上文已述內容，在尤佳實施例中根據本發明之一裝置具有一反應柱‧其具有至少一個段，該至少一個段至少部分地裝填有基於乙烯基吡啶或一個乙烯基吡啶衍生物之一催化活性固體，特定而言具有一個乙烯基吡啶-二乙烯苯共聚物；及‧至少一個段，該至少一個段裝填有基於苯乙烯或一個苯乙烯衍生物(特定而言，基於一個苯乙烯-二乙烯苯共聚物)之一催化活性固體。

此處，含有基於乙烯基吡啶或乙烯基吡啶衍生物之催化活性固體之段較佳地配置於含有基於苯乙烯或苯乙烯衍生物之催化活性固體之段之下方。

如上文所提及，一反應及藉由蒸餾低沸物(亦即，特定而言含有單矽烷之餾分)之一不斷移除兩者皆發生於裝填有催化活性固體之段中之每一者中(或此等段內之管中)。該等低沸物可然後被輸送至下游段中，以使得一柱中之單矽烷之濃度通常沿一向上方向增加。自一柱中之裝填有催化活性固體之最末或最上部段，含有矽烷之產物混合物然後被引入至上文所提及主冷凝器中，通常操作該主冷凝器以使得僅單矽烷或具有極小比例之其他揮發性組份之一含有單矽烷餾分可通過。在可能之情況下，應藉由該主冷凝 器將含有氯之矽烷保留於反應柱中。出於此原因，在較佳實施例中，將主冷凝器整合成反應柱之頂部。然而，按原理亦可能使用安裝於柱之下游之一分離冷凝器。此一冷凝器中所分離之氯矽烷可經由一返回線回饋至反應柱中。

主冷凝器之操作溫度較佳地介於自-20℃至-100℃之範圍內。

根據本發明之一裝置尤佳地由大於催化劑之平均顆粒大小(較佳地自篩析導出；其對應於50%之顆粒直徑通過篩)自50至300之一倍數的管或管束之所有管之直徑表徵。此顆粒直徑較佳地介於1 mm至6 mm之範圍內。

此外，較佳係在該等段中存在之該管或該等管之長度超過其直徑自10至20之一倍數。

本發明亦提供一種用於藉由三氯矽烷(SiHCl₃)之催化歧化而製備單矽烷(SiH₄)之製程。該製程之特徵在於其係實施於如上文所闡述之一裝置中，特定而言使用所闡述之催化活性固體。

結合附屬技術方案，可自本發明之裝置之一較佳實施例之以下說明導出本發明之其他特徵。此處，在每一情形中，本發明之一實施例中之個別特徵可自身或彼此結合地實現。所闡述之較佳實施例僅服務於圖解說明及對本發明之一較佳理解之目的，且不應理解為構成一限制。

根據本發明之一裝置之所繪示較佳實施例包括反應柱101，其具有針對三氯矽烷之入口102、針對所形成之四氯 化矽之出口103及其中可汽化三氯矽烷之加熱區域104。在加熱區域104上方，存在各自具有複數個管(展示了各自具有一相同結構之管109、110及111)之一束之三個段106、107及108。此等管裝填有一催化活性固體。柱段中之每一者包括管109、110及111通過其之一熱交換空間112(以陰影線展示)。熱傳送介質可係穿過入口113及出口114引入至此等熱交換空間112中，因此使得精確地設定催化反應將在其下發生於個別段106、107及108中之溫度成為可能。

管束之管各自在其下部端處藉由一網格閉合。該等網格沿一向下方向會聚為一點且形成圓錐形下部管閉合件。在管109、110及111之情形中，此等圓錐形下部管閉合件係所繪示之圓錐形下部管閉合件115、116及117。所有圓錐形下部管閉合件具有錐體之一指向朝下點。在每一情形中，錐角係小於90°。

可穿過反應器壁中之進料開口118裝填管109、110及111。在反應柱101之頂端處，存在作為一模組化段合整合至反應柱101中之主冷凝器105。可經由入口119及出口120將冷卻劑供應至該冷凝器。在反應柱101中所製備之單矽烷可經由出口121離開。

101‧‧‧反應柱/柱狀反應柱/柱

102‧‧‧入口

103‧‧‧出口

104‧‧‧加熱區域

105‧‧‧主冷凝器/冷凝器

106‧‧‧柱段/段

107‧‧‧柱段/段

108‧‧‧柱段/段

109‧‧‧管

110‧‧‧管

111‧‧‧管

112‧‧‧熱交換空間

113‧‧‧入口

114‧‧‧出口

115‧‧‧圓錐形下部管閉合件

116‧‧‧圓錐形下部管閉合件

117‧‧‧圓錐形下部管閉合件

118‧‧‧進料開口

119‧‧‧入口

120‧‧‧出口

121‧‧‧出口

圖1示意性地展示根據本發明之一裝置之一較佳實施例之結構(沿縱向剖面繪示)。

101‧‧‧反應柱/柱狀反應柱/柱

102‧‧‧入口

103‧‧‧出口

104‧‧‧加熱區域

105‧‧‧主冷凝器/冷凝器

106‧‧‧柱段/段

107‧‧‧柱段/段

108‧‧‧柱段/段

109‧‧‧管

110‧‧‧管

111‧‧‧管

112‧‧‧熱交換空間

113‧‧‧入口

114‧‧‧出口

115‧‧‧圓錐形下部管閉合件

116‧‧‧圓錐形下部管閉合件

117‧‧‧圓錐形下部管閉合件

118‧‧‧進料開口

119‧‧‧入口

120‧‧‧出口

121‧‧‧出口

Claims (7)

1. 一種用於藉由使用一柱狀反應柱(101)之三氯矽烷(SiHCl₃)之催化歧化而製備單矽烷(SiH₄)之裝置，該柱狀反應柱(101)具有：針對三氯矽烷之一入口(102)；針對所形成之四氯化矽(SiCl₄)之一出口(103)；及一加熱區域(104)，其較佳地位於該柱之下部端處；及一冷凝器(105)，經由其已製備之單矽烷可自該柱(101)排出，其中該柱(101)包括其中存在一催化活性固體之一段(106；107；108)，且該柱段(106；107；108)包括裝填有該催化活性固體之一管或者兩個或兩個以上管(109；110；111)之一束。
2. 如請求項1之裝置，其中該柱段(106；107；108)包括該管束之該等管(109；110；111)通過其之一熱交換空間(112)。
3. 如請求項1或請求項2之裝置，其中該反應柱(101)具有含有該催化活性固體之複數個柱段(106；107；108)，其中此等柱段較佳地彼此向上疊置地配置於該柱(101)內。
4. 如請求項1至3中任一項之裝置，其中該等管(109；110；111)各自在其下部端處藉由一柵格及/或網格閉合。
5. 如請求項4之裝置，其中該等柵格及/或網格形成具有錐體之一指向朝下點及小於90°之一錐角之一圓錐形下部管閉合件(115；116；117)，該錐角較佳地介於自30°至60°之範圍內。
6. 如前述請求項中任一項之裝置，其中該管束之所有管 (109；110；111)之直徑係大於催化劑之平均顆粒大小自50至300之一倍數。
7. 如前述請求項中任一項之裝置，其中該等管(109；110；111)之長度超過其直徑自5至20倍，較佳地自6至12倍。