WO2013019082A2 - Continuous production method for silicon tetrafluoride using silica and hydrogen fluoride - Google Patents

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Definitions

  • the flow rate of hydrogen fluoride gas is not particularly limited, but it should be able to satisfy the production amount of silicon tetrafluoride to be produced while increasing the yield of reaction as much as possible according to the reactor size.
  • the feed flow rate of the hydrogen fluoride gas is preferably 0.5 to 40 cm / s, even more preferably 1.0 to 30 cm / s, even more preferably 1.0 to 20 cm / s at a linear velocity. If the input flow rate of the hydrogen fluoride gas is too lower than the above range, local hot spots are generated due to the reaction heat generated by the fixed bed reaction, making it difficult to operate for a long time and lowering the silicon tetrafluoride productivity with a small input amount. On the contrary, excessively high amount is not preferable because the amount of unreacted hydrogen fluoride increases and the entrainment of silica entrains, which makes it difficult to operate efficiently.

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Abstract

The present invention relates to a continuous production method for silicon tetrafluoride (SiF4) using silica (SiO2) and hydrogen fluoride (HF), and, more specifically, relates to a continuous production method for silicon tetrafluoride, wherein silica and hydrogen fluoride (HF) are reacted by filling a bed reactor with crystalline or amorphous silica in the solid state and blowing hydrogen fluoride gas directly therein, such that it is possible to continuously produce silicon tetrafluoride in a high yield, and it is possible to use diverse forms of silica as raw materials and hence it is possible to ensure relatively economic operation.

Description

실리카와 불화수소를 이용한 사불화규소의 연속제조방법Continuous production method of silicon tetrafluoride using silica and hydrogen fluoride
본 발명은 실리카(silica, SiO2)와 불화수소(Hydrogen fluoride, HF)를 이용한 사불화규소(SiF4)의 연속 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고체상의 결정질 또는 비정질 실리카(crystalline or amorphous silica)를 베드 반응기(bed reactor) 내에 채우고 여기에 불화수소(HF) 가스를 직접 불어넣어 실리카와 불화수소를 반응시킴으로써, 사불화규소를 높은 수율로 연속 제조할 수 있고, 다양한 실리카 원료를 사용할 수 있어 보다 경제적으로 운전할 수 있으며, 불화수소(HF) 가스를 출발반응물질로서 직접 사용하기 때문에 불화수소 공급원으로부터 불화수소가스를 발생시킨 후 이를 다음 공정에 활용하는 공정에 비하여 공정 콘트롤이 용이하고 공정을 간소화할 수 있어, 상업적 대량생산에 적합한 사불화규소의 연속 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a continuous method for producing silicon tetrafluoride (SiF 4 ) using silica (Siica, SiO 2 ) and hydrogen fluoride (HF), and more particularly, to a solid crystalline or amorphous silica (crystalline or By filling an amorphous silica into a bed reactor and directly injecting hydrogen fluoride (HF) gas to react silica and hydrogen fluoride, silicon tetrafluoride can be continuously produced in high yield and various silica raw materials are used. It can operate more economically, and because it uses hydrogen fluoride (HF) gas directly as a starting reaction material, it is easier to control and process than the process of generating hydrogen fluoride gas from hydrogen fluoride source and using it for the next process. The present invention relates to a method for continuously manufacturing silicon tetrafluoride suitable for commercial mass production.
사불화규소(SiF4)는 석영(quartz)을 기반으로 한 광섬유의 불소 도핑 시약, 반도체 리소그라피를 위한 포토마스크(photomask) 원료, 반도체 제조를 위한 박막 증착(CVD, chemical vapor deposition) 등으로 반도체 제조산업에 사용되고 있으며, 전자부품의 고집적, 고성능화로 인하여 그 순도가 중요시되고 있다. 근래에 들어서는 태양전지용 폴리실리콘 제조를 위한 기초원료인 모노실란(SiH4, Monosilane)의 전구체 등으로 그 수요가 증대되고 있는 중요한 기초원료이다.Silicon tetrafluoride (SiF 4 ) is a semiconductor manufacturing method using fluorine doping reagent of quartz-based optical fiber, photomask material for semiconductor lithography, and chemical vapor deposition (CVD) for semiconductor manufacturing. It is used in industry, and its purity is becoming important because of high integration and high performance of electronic components. In recent years, as a precursor of monosilane (SiH 4 , Monosilane), which is a basic raw material for manufacturing polysilicon for solar cells, the demand is increasing.
사불화규소를 제조하는 방법에는, 통상적으로 인산 제조시 부산물로 발생되는 규불화수소산(H2SiF6, Hexafluorosilicic acid) 농축액을 황산과의 탈수열분해 반응으로 제조하거나 (국제특허공개공보 WO 2005/030642호), 규불화수소산으로부터 제조한 규불화수소산염, M2SiF6(M = Na, K) 고체를 열분해 반응하여 제조하는 방법(미국특허 2,615,872호) 등 규불화수소산을 출발물질로 사용하는 방법들이 알려져 있다. 그러나 이러한 종래의 방법들은 인산 제조시 부산물로 발생하는 규불화수소산 등을 열분해 하는바, 사불화규소 제조의 증량(scale-up) 을 위해서는 인산 제조공정을 변경하거나 증량시켜야 하는 제약이 있다.In the method for producing silicon tetrafluoride, a hydrofluoric acid (H 2 SiF 6 , Hexafluorosilicic acid) concentrate, which is usually produced as a by-product in the production of phosphoric acid, is prepared by dehydrothermal pyrolysis with sulfuric acid (WO 2005/030642 (H), hydrofluoric acid prepared from hydrofluoric acid, M 2 SiF 6 (M = Na, K) method of using hydrofluoric acid as a starting material, such as a method for producing by thermal decomposition reaction (US Pat. No. 2,615,872) Are known. However, these conventional methods thermally decompose hydrofluoric acid, which is generated as a by-product in the production of phosphoric acid, and there is a restriction to change or increase the phosphoric acid manufacturing process for scale-up of silicon tetrafluoride production.
미국특허 6,770,253호에서는 원소 규소(Metallurgical Silicon, Si)와 불화수소(HF)를 반응시켜 불화규소를 제조하는 방법을 제안하고 있으나, 고가인 원소 규소(Metallurgical Silicon, Si) 를 사용하므로 제조원가가 높다는 단점이 있고, 불화규소 제조 시 반응 부산물로 생성되는 SiHF3를 제거하기 위해 반응생성물 내 HF 농도를 조절하거나 고온에서 메탈과 반응시키는 별도의 설비가 필요하다. 또한 반응물로 생성된 수소를 사불화규소와 분리하기 위해서는 제조 후 증류타워를 거쳐야 하므로 공정이 복잡하다.U.S. Patent No. 6,770,253 proposes a method for producing silicon fluoride by reacting elemental silicon (Si) with hydrogen fluoride (HF), but the manufacturing cost is high because it uses expensive elemental silicon (Si). In order to remove SiHF 3 produced as a reaction byproduct during the production of silicon fluoride, a separate facility for controlling the HF concentration in the reaction product or reacting with the metal at a high temperature is required. In addition, in order to separate the hydrogen produced as a reactant with silicon tetrafluoride, the process is complicated because it has to go through a distillation tower after manufacture.
미국특허 4,382,071호에서는 황산 하에서 결정질 또는 비정질 규사와 불화수소를 반응시켜 사불화규소를 제조하는 방법을 제안하고 있으나, 황산 하에서 반응이 진행되므로 공정이 매우 복잡하며, 특히 결정질 규사의 경우 황산 하에서 불화수소 가스와의 반응성이 떨어지게 되어 규사 사용에 제한이 있는 단점이 있다.U.S. Patent No. 4,382,071 proposes a method for producing silicon tetrafluoride by reacting crystalline or amorphous silica with hydrogen fluoride under sulfuric acid, but the process is very complicated because the reaction proceeds under sulfuric acid, especially in the case of crystalline silica sand hydrogen fluoride under sulfuric acid Reactivity with the gas is reduced, there is a disadvantage that there is a limit to the use of silica.
[선행기술문헌][Preceding technical literature]
<특허문헌><Patent Documents>
(특허문헌 1) 국제특허공개공보 WO 2005/030642호(Patent Document 1) International Patent Publication WO 2005/030642
(특허문헌 2) 미국특허 2,615,872호(Patent Document 2) US Patent 2,615,872
(특허문헌 3) 미국특허 6,770,253호(Patent Document 3) US Patent 6,770,253
(특허문헌 4) 미국특허 4,382,071호(Patent Document 4) U.S. Patent 4,382,071
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점들을 해결하고자 한 것으로서, 사불화규소를 높은 수율로 연속 제조할 수 있고, 다양한 실리카 원료를 사용할 수 있어 보다 경제적으로 운전할 수 있으며, 불화수소(HF) 가스를 출발반응물질로서 직접 사용하기 때문에 불화수소 공급원으로부터 불화수소가스를 발생시킨 후 이를 다음 공정에 활용하는 공정에 비하여 공정 콘트롤이 용이하고 공정을 간소화할 수 있고, 인산 제조공정과 무관하게 사불화규소 제조의 증량이 가능하여 상업적 대량생산에 적합한 사불화규소의 연속 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, it is possible to continuously manufacture silicon tetrafluoride in high yield, and to use a variety of silica raw material can be operated more economically, starting hydrogen fluoride (HF) gas Because it is used directly as a reactant, hydrogen fluoride gas is generated from the hydrogen fluoride source, and it is easier to control the process than the process used for the next process, and the process can be simplified. It is a technical task to provide a continuous production method of silicon tetrafluoride suitable for commercial mass production by increasing the capacity.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 고체 상태의 실리카(silica, SiO2) 공급원 물질이 담겨진 고온의 베드 반응기에 가스 상태의 불화수소(HF)를 불어넣어 실리카와 불화수소를 반응시키는 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention is characterized by reacting silica and hydrogen fluoride by blowing gaseous hydrogen fluoride (HF) into a high-temperature bed reactor containing a solid silica (SiO 2 , SiO 2 ) source material. It provides a method for the continuous production of silicon tetrafluoride.
본 발명의 바람직한 일 구체예에 따르면, 상기 실리카와 불화수소의 반응에 의해 생성된, 사불화규소와 물을 함유하는 가스상 혼합물을 황산 스크러버(H2SO4 scrubber)에 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법이 제공된다.According to a preferred embodiment of the present invention, further comprising passing a gaseous mixture containing silicon tetrafluoride and water, produced by the reaction of the silica and hydrogen fluoride through a sulfuric acid scrubber (H 2 SO 4 scrubber) Provided is a continuous method for producing silicon tetrafluoride, characterized in that.
본 발명에 따라 베드 반응기를 이용하여 사불화규소를 연속식으로 제조하면, 불화수소와 실리카를 효율적으로 반응시켜 사불화규소로 전환되는 양을 최대화할 수 있고, 우수한 반응효율로 인해 미반응 불산의 양을 최소화하며, 황산 스크러버를 통해 반응 생성물로부터 사불화규소를 제외한 물과 미반응 불화수소(HF)가 효율적으로 제거되기 때문에 별도의 증류설비를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 SiF4와 물의 부반응물인 H2SiF6 및 실리카겔의 생성이 방지되어 공정상 배관 막힘의 문제 및 SiF4의 수율 저하가 발생하지 않고 장치 부식으로부터 안전하게 운전할 수 있다. 또한, 실리카 흄, 파유리, 규조토, 고령토, 흄드실리카, 플라이 애쉬, 슬래그, 활성토, 실리카 겔, 석영, 규사 등과 같은 다양한 실리카 원료를 사용할 수 있어 보다 경제적으로 운전할 수 있다.According to the present invention, when silicon tetrafluoride is continuously produced using a bed reactor, hydrogen tetrafluoride and silica can be efficiently reacted to maximize the amount converted to silicon tetrafluoride. minimizing the amount of, and a separate, not only does not require SiF 4 and the water part reaction distillation equipment since sulfuric acid through the scrubber, except for four silicon fluoride from the reaction product of water and unreacted hydrogen fluoride (HF) that is efficiently removed The formation of H 2 SiF 6 and silica gel is prevented, so that the process can be safely operated from device corrosion without the problem of pipe blockage and yield reduction of SiF 4 . In addition, various silica raw materials such as silica fume, cullet, diatomaceous earth, kaolin, fumed silica, fly ash, slag, activated earth, silica gel, quartz, silica sand and the like can be used to operate more economically.
도 1은 본 발명에 따른 연속식 사불화규소 제조방법을 연속식으로 수행하기 위한 반응 설비 구성의 일 구체예에 대한 개략도이다.1 is a schematic view of one embodiment of the configuration of a reaction facility for continuously performing a continuous silicon tetrafluoride production method according to the present invention.
이하에서, 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 사불화규소 제조방법에서는 하기 식1)의 불화수소와 규사의 반응을 통해 사불화규소를 연속적으로 제조한다. In the silicon tetrafluoride production method of the present invention, silicon tetrafluoride is continuously produced through the reaction of hydrogen fluoride and silica sand of the following formula 1).
식1) SiO2 + 4HF(g) → SiF4(g) + 2H2O(g)Formula 1) SiO2+ 4HF (g) → SiF4(g) + 2H2O (g)
본 발명에서는 실리카 공급원 물질로서 결정질 및 비정질 형태가 모두 사용 가능하다. 실리카 공급원 물질로는 규석 광산에서 채취한 규사(Silica sand), 석영(quartz), 규소철과 실리콘메탈의 생산과정에서 생성되는 가스를 수집 여과하여 포집되는 마이크로실리카 입자인 실리카 흄(Silica Fume), 유리제조 공정에서 발생 또는 통상적으로 깨지거나 폐기되는 파유리(Cullet), 규조의 유해(遺骸)로 만들어진 연질의 암석과 토양인 규조토(Diatomaceous earth), 고령석(Kaolinite)과 할로이사이트 (Halloysite)가 주성분으로 장석류가 탄산, 물에 의한 화학적 풍화작용을 거쳐 생성된 고령토(Kaolin), 사염화규소(Silicon Tetrachloride)의 열분해(pyrolysis) 시 발생하는 흄드실리카(Fumed silica), 미분탄을 연소하는 보일러의 연도 가스로부터 집진기로 채취한 석탄재인 플라이 애쉬(Fly ash), 광석으로부터 금속을 빼내고 남은 찌꺼기인 슬래그(Slag), 다공성 물질로 흡착제로도 사용하는 활성토(Activated clay), 실리카 겔(Silica gel) 등을 들 수 있다.In the present invention, both crystalline and amorphous forms may be used as the silica source material. The silica source materials include silica fume, which is a microsilica particle collected by filtration through the production of silica sand, quartz, silicon iron and silicon metal from silica, Cullet, soft rock and soil made of harmful diatomaceous earth, diatomaceous earth, kaolinite and halosite are produced or broken in the glass manufacturing process. Flue fume produced from pyrolysis of Kaolin, Silicon Tetrachloride, and feldspar produced by chemical weathering with carbonic acid and water as main components. Fly ash, a coal ash collected from the gas dust collector, slag, the residue left after removing metal from the ore, and used as an adsorbent as a porous material. There may be mentioned active soil (clay Activated), silica gel (Silica gel) and the like.
본 발명의 사불화규소 제조방법에 있어서 실리카 공급원 물질의 입도는 구체적인 물질에 따라 달라질 수 있으며, 통상 10~5,000 ㎛, 바람직하게는 100~1,000 ㎛, 보다 바람직하게는 100~600 ㎛, 보다 더 바람직하게는 100~450 ㎛, 더욱 더 바람직하게는 100~300 ㎛인 것을 사용할 수 있다. 실리카 공급원 물질의 입도가 상기 범위보다 지나치게 작으면 불화수소(HF) 가스투입 시 반응기내 규사의 상당량이 비말동반하여 효율적인 운전이 어려울 뿐만 아니라 배관 막힘 등 공정문제를 일으킬 우려가 있고, 반대로 지나치게 크면 단위부피당 규사 반응면적인 작아져 STF 전환율 및 생산성이 저하되는 문제점이 있어 바람직하지 않다.In the method for producing silicon tetrafluoride of the present invention, the particle size of the silica source material may vary depending on the specific material, and is usually 10 to 5,000 μm, preferably 100 to 1,000 μm, more preferably 100 to 600 μm, even more preferred. Preferably it is 100-450 micrometers, More preferably, it is 100-300 micrometers. If the particle size of the silica source material is too smaller than the above range, a significant amount of silica in the reactor is entrained when hydrogen fluoride (HF) gas is introduced, which makes it difficult to operate efficiently and may cause process problems such as clogging of the pipe. It is not preferable because there is a problem that the silica sand reaction area per volume decreases and the STF conversion and productivity decrease.
본 발명의 사불화규소 제조방법은 실리카 공급원 물질이 채워진 베드 반응기(bed reactor)에 불화수소 가스를 투입하여 연속적으로 이루어진다. 이때 반응 형태는 고정층 베드 반응(fixed bed reaction), 유동층 베드 반응(fluidized bed reaction) 또는 양자의 혼합 형태 모두 가능하지만 사불화규소 생성반응이 발열반응이므로 고정층 보다는 효율적인 열 교환이 가능한 유동층 반응의 형태가 되도록 운전하는 것이 바람직하다. 또한 투입하는 불화수소 가스의 유속 등 공정조건을 조절함으로써 반응을 제어할 수 있다. 미국특허 3,273,963의 경우 규사와 불화수소의 반응열을 조절하기 위해 반응기 내부로 물 또는 규불화수소산 수용액을 분무시켜 반응열을 흡수하는 방법을 제안하고 있으나 실제 반응기 내부로 용액을 분무 시 완전히 기화되지 못한 수분이 사불화규소와 반응하여 (하기 식 3) 실리카겔을 형성할 우려가 있다. 불화수소의 끓는점(boiling point)은 20℃ 이기 때문에 반응기로 연결되는 불화수소 투입라인(line) 및 유닛(unit) 은 20℃ 이상에서 운전한다.The method for producing silicon tetrafluoride of the present invention is carried out continuously by introducing hydrogen fluoride gas into a bed reactor filled with a silica source material. At this time, the reaction type may be a fixed bed reaction, a fluidized bed reaction, or a mixture of both, but since the formation of silicon tetrafluoride is an exothermic reaction, a fluidized bed reaction capable of more efficient heat exchange than a fixed bed may be employed. It is desirable to drive as much as possible. In addition, the reaction can be controlled by adjusting the process conditions such as the flow rate of the hydrogen fluoride gas to be introduced. U.S. Patent No. 3,273,963 proposes a method of absorbing heat of reaction by spraying water or hydrofluoric acid aqueous solution into the reactor to control the heat of reaction between silica sand and hydrogen fluoride, but when the solution is sprayed into the reactor, water that is not completely vaporized There is a fear of forming silica gel by reacting with silicon tetrafluoride (Equation 3 below). Since the boiling point of hydrogen fluoride is 20 ° C., the hydrogen fluoride input line and the unit connected to the reactor operate at 20 ° C. or higher.
반응기 내부의 반응 온도는 바람직하게는 100~1,000℃, 보다 더 바람직하게는 300~700℃, 더욱 더 바람직하게는 400~600℃이다. 반응 온도가 100℃ 미만이면 반응생성물인 물과 사불화규소의 반응으로 실록산(siloxane) 생성 등 문제점이 발생할 우려가 있고, 반응 온도가 지나치게 높으면 목적하는 반응이 아닌 그 역반응이 활발해져 생성된 사불화규소가 수증기와 다시 반응해 규사와 불화수소로 되돌아옴으로써 반응 전환율이 낮아지는 문제점이 있어 바람직하지 않다. 미국특허 3,273,963에서는 베드 반응기 내 불화수소와 규사의 바람직한 반응온도를 450℉(232℃)로 제한하고 있다. 이는 규불화수소산을 열분해하여 얻어진 반응 생성물 내 불화수소를 사불화규소로 전환하기 위한 목적에는 적합할 수 있으나 불화수소만을 직접 규사와 반응시켜 사불화규소를 연속적으로 대량생산할 경우에는 바람직하지 않다. The reaction temperature inside the reactor is preferably 100 to 1,000 ° C, even more preferably 300 to 700 ° C, even more preferably 400 to 600 ° C. If the reaction temperature is less than 100 ℃, there may be a problem such as the generation of siloxane due to the reaction of the reaction product of water and silicon tetrafluoride, and if the reaction temperature is too high, the reverse reaction rather than the desired reaction is active and the silicon tetrafluoride produced Reaction with steam again returns to the silica sand and hydrogen fluoride, which is not preferred because the reaction conversion rate is lowered. U.S. Patent 3,273,963 limits the preferred reaction temperature of hydrogen fluoride and silica sand in a bed reactor to 450 [deg.] F. (232 [deg.] C.). This may be suitable for the purpose of converting hydrogen fluoride in the reaction product obtained by pyrolyzing hydrofluoric acid to silicon tetrafluoride, but is not preferable when only hydrogen fluoride is directly reacted with silica sand to continuously produce large amounts of silicon tetrafluoride.
반응압력에는 특별한 제한이 없으며 상압 또는 그 이상, 그리고 음압 조건에서도 반응이 수행될 수 있다. 일 구체예에 따르면, 반응기 내부의 반응 압력은 바람직하게는 상압(0 barG) 내지 30 barG, 보다 더 바람직하게는 상압 내지 10 barG, 더욱 더 바람직하게는 상압 내지 5 barG이다. 다른 구체예에 따르면, 반응기 내부의 반응 압력은 바람직하게는 -3,000 mmH2Og 내지 상압까지의 음압 조건일 수 있다. There is no particular restriction on the reaction pressure, and the reaction may be carried out at normal pressure or higher and negative pressure conditions. According to one embodiment, the reaction pressure inside the reactor is preferably at atmospheric pressure (0 barG) to 30 barG, even more preferably at atmospheric pressure to 10 barG, even more preferably at atmospheric pressure to 5 barG. According to another embodiment, the reaction pressure inside the reactor may be negative pressure conditions, preferably from -3,000 mmH 2 Og up to atmospheric pressure.
불화수소가스의 유속에는 특별히 제한은 없으나 반응기 사이즈에 맞게 최대한 반응 수율을 높이면서 제조하고자 하는 사불화규소의 생산량을 충족시킬 수 있어야 한다. 불화수소 가스의 투입유속은 선속도로 바람직하게는 0.5 내지 40 cm/s, 보다 더 바람직하게는 1.0 내지 30 cm/s, 더욱 더 바람직하게는 1.0 내지 20 cm/s이다. 불화수소 가스의 투입유속이 상기 범위보다 지나치게 낮으면 고정층 반응으로 생성되는 반응열로 인해 국부적인 열점(hot spot)이 생성되어 장시간 운전을 어렵게 할 뿐만 아니라 적은 투입양으로 사불화규소 생산성을 저하시킨다. 반대로 지나치게 높으면 미반응 불화수소의 양이 많아지고 규사의 비말동반 현상이 심화되어 효율적인 운전이 어려워지므로 바람직하지 않다.The flow rate of hydrogen fluoride gas is not particularly limited, but it should be able to satisfy the production amount of silicon tetrafluoride to be produced while increasing the yield of reaction as much as possible according to the reactor size. The feed flow rate of the hydrogen fluoride gas is preferably 0.5 to 40 cm / s, even more preferably 1.0 to 30 cm / s, even more preferably 1.0 to 20 cm / s at a linear velocity. If the input flow rate of the hydrogen fluoride gas is too lower than the above range, local hot spots are generated due to the reaction heat generated by the fixed bed reaction, making it difficult to operate for a long time and lowering the silicon tetrafluoride productivity with a small input amount. On the contrary, excessively high amount is not preferable because the amount of unreacted hydrogen fluoride increases and the entrainment of silica entrains, which makes it difficult to operate efficiently.
상기 사불화규소 제조방법에서 반응 생성물은 사불화규소 및 물이며, 그 외에 미반응 불화수소가 반응 결과 생성된 가스 내에 존재한다. 이 생성된 가스는 사이클론(cyclone)을 거친 후 황산 스크러버를 거쳐 저장 탱크로 이송된다. 스크러버의 역할은 사이클론으로 미처 제거되지 않은 분진(dust)을 제거하면서 반응 생성물 가스 내에 포함된 물과 미반응 불화수소를 제거하여 사불화규소만을 선택적으로 저장탱크로 이동, 저장하게 하는 것이다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 황산 스크러버의 운전 온도는 바람직하게는 10℃ 내지 250℃ 사이, 보다 바람직하게는 10℃ 내지 100℃ 사이, 보다 더 바람직하게는 10℃ 내지 60℃ 사이의 온도조건으로 운전된다. 또한 황산의 농도는 60% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상의 농도 조건으로 운전된다. 황산 스크러버의 운전 온도가 너무 높을 경우 불화수소 및 물 제거 효율이 낮아지고 너무 낮을 경우 황산이 액체가 아닌 고체로 얼게 되어 운전이 불가능해진다. 황산의 농도는 가능한 높게 유지되어야 하며 너무 낮을 경우 사불화규소 일부가 황산 내 물과 반응하여 황산 스크러버 통과 시 생산된 사불화규소의 회수율을 떨어뜨리게 된다. 반응기에서 나온 고온의 SiF4, 수증기(H2O) 그리고 소량의 HF 혼합가스는 반응기에서 황산 스크러버까지 이슬점(Dew Point) 이상의 온도(바람직하게는 100℃ 이상, 예컨대 100℃~200℃)를 유지한 채 이송되는 것이 바람직한데, 이는 이송 시 온도가 이슬점 이하로 될 경우, 수증기의 응결로 수분이 발생할 수 있고, 이 수분이 SiF4와 반응하여 H2SiF6이나 실리카겔(Silica Gel)을 발생시켜 배관 막힘의 원인 및 사불화규소의 손실에 의한 수율 저하를 초래할 수 있기 때문이다 (각각 하기 식 2 및 3).In the silicon tetrafluoride production method, the reaction products are silicon tetrafluoride and water, and other unreacted hydrogen fluoride is present in the gas produced as a result of the reaction. The generated gas is then cyclone and transported through a sulfuric acid scrubber to a storage tank. The role of the scrubber is to remove water and unreacted hydrogen fluoride contained in the reaction product gas and selectively move only silicon tetrafluoride to the storage tank while removing dust not removed by the cyclone. According to one embodiment of the invention, the operating temperature of the sulfuric acid scrubber is preferably between 10 ° C and 250 ° C, more preferably between 10 ° C and 100 ° C, even more preferably between 10 ° C and 60 ° C Is driven. In addition, the concentration of sulfuric acid is operated at a concentration condition of 60% or more, more preferably 80% or more. If the operation temperature of the sulfuric acid scrubber is too high, the hydrogen fluoride and water removal efficiency is lowered. If the sulfuric acid scrubber is too low, the sulfuric acid freezes as a solid rather than a liquid, making operation impossible. The concentration of sulfuric acid should be kept as high as possible and if it is too low, some of the silicon tetrafluoride will react with the water in the sulfuric acid, reducing the recovery of silicon tetrafluoride produced when passing through the sulfuric acid scrubber. The high temperature SiF 4 , water vapor (H 2 O) and a small amount of HF mixed gas from the reactor maintain a temperature above the dew point (preferably 100 ° C. or higher, eg 100 ° C. to 200 ° C.) from the reactor to sulfuric acid scrubbers. It is preferable to transfer the liquid, which may cause moisture to condense on the water vapor when the temperature is lower than the dew point. The water may react with SiF 4 to generate H 2 SiF 6 or silica gel. This is because the cause of pipe blockage and loss of silicon tetrafluoride can be caused (Equations 2 and 3, respectively).
식2) 2HF(aq) + SiF4(g) → H2SiF6(aq) 2HF (aq) + SiF 4 (g) → H 2 SiF 6 (aq)
식3) SiF4(g) + 2H2O(l) → SiO2(s, 실리카 겔) + 4HF(g)3) SiF 4 (g) + 2H 2 O (l) → SiO 2 (s, silica gel) + 4HF (g)
본 발명의 일 구체예에 따르면, 연속적으로 사불화규소 가스를 제조하기 위한 반응 설비로 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같은 구성을 갖는 베드 반응기(Bed Reactor)(D) 타입 반응 설비를 사용한다. 도 1을 참고하면, 주 원료인 불화수소(HF)는 저장탱크(A)에서 기화기를 통과하여 기화된 후 메스 플로우 컨트롤러(MFC, mass flow controller)(B)를 이용하여 반응기에 투입되고(1), 실리카 공급원 물질은 원료투입장치(C)에서 초기에 일정량을 투입한 후 반응이 진행되면서 손실되는 양만큼을 별도의 장치를 이용하여 반응기에 투입한다(2). 반응기에 초기에 투입되는 실리카 공급원 물질의 양은 정해진 바는 없으나 반응효율을 고려하여 투입되는 불화수소 대비 과량이 바람직하다. 또한 반응기 하단의 불화수소 가스 투입구에는 분산판(distributor)을 두어 반응기 내 기체와 고체를 균일, 원활하게 반응하여 반응 효율을 증가시킬 수 있다. 반응시 발생할 수 있는 분진(dust)은 도 1에 나타낸 바와 같이 사이클론 (Cyclone)(E)을 거치며 제거하고, 반응 생성물 내 물과 미반응 불화수소는 황산 스크러버(F)를 거치면서 완전히 제거되고, 사불화규소만 선택적으로 저장 탱크(G)로 이송된다. 물과 불화수소가 황산 스크러버를 통과하며 제거됨으로써 사불화규소가 규불화수소 및 실리카겔 등으로 변화하는 것이 방지되기 때문에 사불화규소의 손실을 없애주는 장점이 있다. 이는 황산의 농도와 밀접한 관련이 있으므로 황산 농축 유닛(H)을 두어 운전 중 황산 스크러버(F) 내 황산의 농도를 일정 수준 이상으로 유지시키면서 재사용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a bed reactor (D) type reaction facility having a configuration as schematically shown in FIG. 1 is used as a reaction facility for continuously producing silicon tetrafluoride gas. Referring to FIG. 1, hydrogen fluoride (HF), which is a main raw material, is vaporized through a vaporizer in a storage tank A, and then introduced into a reactor using a mass flow controller (MFC) (1). ), The silica source material is initially added in a predetermined amount in the raw material input device (C), and then the amount that is lost as the reaction proceeds is introduced into the reactor using a separate device (2). The amount of the silica source material initially added to the reactor is not defined, but an excess of hydrogen fluoride added in consideration of the reaction efficiency is preferable. In addition, a hydrogen fluoride gas inlet at the bottom of the reactor may be provided with a distributor to uniformly and smoothly react the gas and the solid in the reactor to increase the reaction efficiency. Dust generated during the reaction is removed through a cyclone (E) as shown in Figure 1, water and unreacted hydrogen fluoride in the reaction product is completely removed through a sulfuric acid scrubber (F), Only silicon tetrafluoride is optionally transferred to the storage tank (G). Since water and hydrogen fluoride are removed through the sulfuric acid scrubber, silicon tetrafluoride is prevented from being changed to hydrogen silicate and silica gel, thereby eliminating silicon tetrafluoride. Since it is closely related to the concentration of sulfuric acid, the sulfuric acid concentration unit (H) can be placed and reused while maintaining the concentration of sulfuric acid in the sulfuric acid scrubber (F) above a certain level during operation.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited by these examples.
[실시예 1~2] [Examples 1 and 2]
도 1 에 나타낸 바와 같은 반응공정을 통해 사불화규소를 연속 제조하였다. 베드 반응기(D)는 저항가열방식을 사용하여 온도를 승온하였으며, 고체상 실리카 공급원 물질은 반응기 상단으로 투입하였다. 초기에 일정량의 실리카 공급원 물질을 먼저 투입한 후, 반응이 진행하면서 소비되는 양만큼을 보충하였다. 불화수소는 반응기 하단으로 투입되는데 불화수소의 끓는점(boiling point)는 20℃이기 때문에 불화수소 공급라인 및 메스플로우콘트롤러(Mass Flow Controller, MFC)는 불화수소의 끓는점 이상의 온도를 유지하며 운전하였다.Silicon tetrafluoride was continuously produced through a reaction process as shown in FIG. 1. The bed reactor (D) was heated to temperature using a resistive heating method, and the solid silica source material was fed to the top of the reactor. Initially a certain amount of silica source material was added first and then supplemented by the amount consumed as the reaction proceeds. Hydrogen fluoride is introduced into the bottom of the reactor, since the boiling point of hydrogen fluoride is 20 ° C, the hydrogen fluoride supply line and the mass flow controller (MFC) were operated while maintaining the temperature above the boiling point of hydrogen fluoride.
실시예 1에서는 반응 전 규사(silica sand)를 반응기 내부에 약 40 cm 높이로 채운 후 반응기 내부 온도를 400℃로 승온하였다. 불화수소가스는 반응기를 기준으로 약 3.5 cm/s 유속(선속도)으로 배관(1)과 분산판을 거쳐 투입되었다. 불화수소의 투입 즉시 사불화규소 가스가 발생하기 시작하였으며, 배관(3)을 통해 배출되는 가스는 황산 스크러버를 통과시킨 후 포집하였다. 황산 스크러버를 통과한 반응 가스는 GC-MS, FT-IR 분석을 통해 사불화규소를 포함하고 있음을 확인하였고, SiF4 반응수율은, 생성된 사불화규소를 트랩핑 시약(trapping agent)과 반응시킨 후 적정을 통해 정량 분석하여, 불화수소 투입양 대비 사불화규소 생성양으로 계산되었다.In Example 1, the silica sand was filled to a height of about 40 cm inside the reactor, and then the temperature inside the reactor was raised to 400 ° C. Hydrogen fluoride gas was introduced through the pipe 1 and the dispersion plate at a flow rate of about 3.5 cm / s based on the reactor. As soon as hydrogen fluoride was added, silicon tetrafluoride gas began to be generated, and the gas discharged through the pipe 3 was collected after passing through a sulfuric acid scrubber. The reaction gas passed through the sulfuric acid scrubber was confirmed to contain silicon tetrafluoride through GC-MS, FT-IR analysis, and the SiF4 reaction yield was obtained by reacting the produced silicon tetrafluoride with a trapping agent. After quantitative analysis by titration, it was calculated as the amount of silicon tetrafluoride compared to the amount of hydrogen fluoride input.
실시예 2에서는 하기 표 1에 나타낸 대로 반응 온도조건을 변경하였다. 반응온도를 제외한 나머지 조건은 실시예 1과 동일한 장치와 동일 방식으로 실험을 진행하였다. 발생한 가스는 실시예 1과 동일한 방법으로 확인하였다.In Example 2, the reaction temperature conditions were changed as shown in Table 1 below. Except for the reaction temperature, the experiment was conducted in the same manner as in Example 1. The generated gas was confirmed by the same method as in Example 1.
400℃ 이상의 온도에서 높은 수율로 사불화규소를 제조할 수 있음이 확인되었다.It was confirmed that silicon tetrafluoride can be produced in high yield at a temperature of 400 ° C. or higher.
표 1
Figure PCTKR2012006174-appb-T000001
Table 1
Figure PCTKR2012006174-appb-T000001
[실시예 3~9] EXAMPLES 3-9
실시예 1, 2 의 규사 대신에 실리카 흄(Silica Fume), 규조토(Diatomaceous earth), 고령토(Kaolin), 흄드 실리카(Fumed silica), 플라이 애쉬(Fly ash), 실리카 겔(Silica gel) 그리고 석영(Quartz)을 적용하였다. 원료 외에 반응온도는 400℃로 진행하였고 기타 조건은 실시예 1 과 동일하게 진행하였다. 발생한 가스는 실시예 1과 동일하게 12시간 반응 후 동일한 방법으로 확인하였다. 그 결과, 본 발명의 조건에서 불화수소와 다양한 종류의 실리카 공급원 물질이 원활하게 반응함을 확인할 수 있었다.Instead of silica sand of Examples 1 and 2, silica fume, diatomaceous earth, kaolin, fumed silica, fly ash, silica gel and silica (silica gel) and quartz ( Quartz) is applied. In addition to the raw material, the reaction temperature was performed at 400 ° C., and other conditions were performed in the same manner as in Example 1. The generated gas was confirmed in the same manner as in Example 1 after 12 hours of reaction. As a result, it was confirmed that hydrogen fluoride and various kinds of silica source materials reacted smoothly under the conditions of the present invention.
표 2
Figure PCTKR2012006174-appb-T000002
TABLE 2
Figure PCTKR2012006174-appb-T000002
[실시예 10] Example 10
실시예 10에서는 실시예 1과 동일한 조건에서 반응기에 채워진 규사 높이를 20cm 로 변경하고 불화수소가스는 반응기 기준으로 10.3cm/s 유속으로 배관 (1)과 분산판을 거쳐 투입되었다. 불화수소가스의 투입유속을 증가함으로써 규사 입자의 유동화가 더 원활해져 반응기 내 온도가 보다 안정적으로 유지되었다.In Example 10, the silica sand filled in the reactor was changed to 20 cm under the same conditions as in Example 1, and hydrogen fluoride gas was introduced through the pipe 1 and the dispersion plate at a flow rate of 10.3 cm / s based on the reactor. Increasing the flow rate of hydrogen fluoride gas facilitated the fluidization of the silica sand particles, thereby maintaining a more stable temperature in the reactor.
표 3
Figure PCTKR2012006174-appb-T000003
TABLE 3
Figure PCTKR2012006174-appb-T000003
[실시예 11] Example 11
실시예 11은 실시예 1과 동일한 조건에서 반응기 내부압력을 0 barG 에서 2 barG 로 증가시켜 수행되었다. 그 결과, 수율을 적정 수준으로 유지하면서, 압력 증가 효과로 인한 실제 불화수소투입량 증가로 생산성이 향상되었다.Example 11 was performed by increasing the reactor internal pressure from 0 barG to 2 barG under the same conditions as in Example 1. As a result, productivity was improved by increasing the actual hydrogen fluoride input amount due to the pressure increase effect, while maintaining the yield at an appropriate level.
표 4
Figure PCTKR2012006174-appb-T000004
Table 4
Figure PCTKR2012006174-appb-T000004
[실시예 12~13][Examples 12-13]
실시예 12,13은 실시예 1과 동일한 조건에서 규사의 크기를 변화하여 실험한 결과로, 규사의 크기가 작아짐에 따라 불화수소와의 접촉시간이 증가하고 이에 수율이 증가함을 확인하였다.In Examples 12 and 13, the size of the silica sand was tested under the same conditions as in Example 1, and as the size of the silica sand decreased, the contact time with hydrogen fluoride increased and thus the yield increased.
표 5
Figure PCTKR2012006174-appb-T000005
Table 5
Figure PCTKR2012006174-appb-T000005
[부호의 설명][Description of the code]
A: 불화수소 저장탱크A: hydrogen fluoride storage tank
B: 불화수소 투입 조절장치 (MFC)B: Hydrogen Fluoride Input Control (MFC)
C: 고체상 실리카 공급원 물질 투입장치C: solid silica source material input device
D: 베드 반응기D: bed reactor
E: 사이클론E: cyclone
F: 황산 스크러버F: sulfuric acid scrubber
G: 사불화규소 저장탱크G: Silicon tetrafluoride storage tank
H: 황산 농축 유닛H: sulfuric acid concentration unit
1: 불화수소 투입 배관1: hydrogen fluoride input pipe
2: 실리카 투입 배관 2: silica injection piping
3: 사불화규소, 물 및 불화수소 혼합가스 배출 배관3: Silicon tetrafluoride, water and hydrogen fluoride mixed gas discharge piping
4: 분진이 제거된 사불화규소, 물 및 불화수소 혼합가스 배출 배관 4: Dust-free silicon tetrafluoride, water and hydrogen fluoride mixed gas discharge pipe
5: 사불화규소 배출 배관5: silicon tetrafluoride discharge piping
6: 불화수소 및 물을 포함한 희황산 배출 배관6: dilute sulfuric acid drainage pipe including hydrogen fluoride and water

Claims (11)

  1. 고체 상태의 실리카(silica, SiO2) 공급원 물질이 담겨진 고온의 베드 반응기에 가스 상태의 불화수소(HF)를 불어넣어 실리카와 불화수소를 반응시키는 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.A method for the continuous production of silicon tetrafluoride, comprising reacting silica and hydrogen fluoride by blowing gaseous hydrogen fluoride (HF) into a high temperature bed reactor containing a solid silica (SiO 2 ) source material.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실리카와 불화수소의 반응에 의해 생성된, 불화규소와 물을 함유하는 가스상 혼합물을 황산 스크러버(H2SO4 scrubber)에 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.The method of claim 1, further comprising passing a gaseous mixture containing silicon fluoride and water through a H 2 SO 4 scrubber produced by the reaction of the silica with hydrogen fluoride. Process for Continuous Production of Silicon Fluoride.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실리카와 불화수소의 반응 형태는 고정층 반응(fixed bed reaction), 유동층 반응(fluidized bed reaction) 또는 양자의 혼합 형태인 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.The method of claim 1, wherein the reaction form of silica and hydrogen fluoride is a fixed bed reaction, a fluidized bed reaction, or a mixture of both.
  4. 제1항에 있어서, 실리카 공급원 물질은 규사(silica sand), 실리카 흄(Silica Fume), 파유리(Cullet), 규조토(Diatomaceous earth), 고령토(Kaolin), 흄드실리카(Fumed silica), 플라이 애쉬(Fly ash), 슬래그(Slag), 활성토(Activated clay), 실리카 겔(Silica gel), 석영(Quartz) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.The method of claim 1, wherein the silica source material is silica sand, silica fume, cullet, diatomaceous earth, kaolin, fumed silica, fly ash (Fly ash, slag, slag, activated clay, silica gel, silica (Quartz) and a method for the continuous production of silicon tetrafluoride, characterized in that selected from the group consisting of.
  5. 제1항에 있어서, 상기 실리카와 불화수소의 반응 온도는 100~1,000℃ 인 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.The method of claim 1, wherein the reaction temperature of the silica and hydrogen fluoride is 100 ~ 1,000 ℃ method of producing silicon tetrafluoride.
  6. 제1항에 있어서, 상기 실리카와 불화수소의 반응 압력은 상압~30 barG 인 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.The method of claim 1, wherein the reaction pressure between the silica and hydrogen fluoride is from normal pressure to 30 barG.
  7. 제1항에 있어서, 상기 실리카와 불화수소의 반응 압력은 -3,000 mmH2Og 부터 상압까지의 음압인 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.The method of claim 1, wherein the reaction pressure of the silica and hydrogen fluoride is a negative pressure from -3,000 mmH 2 Og to normal pressure.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고체 상태 실리카 공급원 물질의 입자크기는 10~5,000㎛인 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.The method of claim 1 wherein the particle size of the solid silica source material is 10-5,000 μm.
  9. 제1항에 있어서, 상기 불화수소 가스의 반응기내 투입유속은 선속도로 0.5 내지 30 cm/s인 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.The method of claim 1, wherein the flow rate of the hydrogen fluoride gas in the reactor is a linear velocity of 0.5 to 30 cm / s.
  10. 제2항에 있어서, 상기 황산 스크러버의 운전온도는 10~250℃인 것을 특징으로 하는 사불화규소의 제조 방법.The method for producing silicon tetrafluoride according to claim 2, wherein an operating temperature of the sulfuric acid scrubber is 10 to 250 ° C.
  11. 제2항에 있어서, 상기 불화규소와 물을 함유하는 가스상 혼합물이 반응기에서 황산 스크러버까지 이슬점 이상의 온도를 유지한 채 이송되는 것을 특징으로 하는 사불화규소의 연속 제조방법.3. The process for producing silicon tetrafluoride according to claim 2, wherein the gaseous mixture containing silicon fluoride and water is transferred from the reactor to the sulfuric acid scrubber at a temperature above the dew point.
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