JP7500378B2 - Method for producing trichlorosilane - Google Patents
Method for producing trichlorosilane Download PDFInfo
- Publication number
- JP7500378B2 JP7500378B2 JP2020164273A JP2020164273A JP7500378B2 JP 7500378 B2 JP7500378 B2 JP 7500378B2 JP 2020164273 A JP2020164273 A JP 2020164273A JP 2020164273 A JP2020164273 A JP 2020164273A JP 7500378 B2 JP7500378 B2 JP 7500378B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- particles
- heat transfer
- transfer medium
- trichlorosilane
- silicon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N trichlorosilane Chemical compound Cl[SiH](Cl)Cl ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 58
- 239000005052 trichlorosilane Substances 0.000 title claims description 58
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 19
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 135
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 64
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 claims description 60
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 58
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 50
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 50
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 claims description 38
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 19
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 11
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 150000002506 iron compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 5
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 28
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 10
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 7
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 6
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 4-[4-(4-methoxyphenyl)piperazin-1-yl]aniline Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N1CCN(C=2C=CC(N)=CC=2)CC1 VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 4
- 238000005660 chlorination reaction Methods 0.000 description 4
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000005049 silicon tetrachloride Substances 0.000 description 4
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 150000001553 barium compounds Chemical class 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N dichlorosilane Chemical compound Cl[SiH2]Cl MROCJMGDEKINLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000005749 Copper compound Substances 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001880 copper compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 238000012812 general test Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Description
本発明は、高純度シリコンの中間原料として用いられるトリクロロシランの製造方法に関する。更に詳しくは、流動層反応器における反応熱を伝導するための伝熱媒体粒子を混合するトリクロロシランの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing trichlorosilane, which is used as an intermediate raw material for high-purity silicon. More specifically, the present invention relates to a method for producing trichlorosilane by mixing heat transfer medium particles for conducting reaction heat in a fluidized bed reactor.
トリクロロシランは金属シリコンと呼ばれる98%前後の純度のシリコン原料と塩化水素ガスとを反応させて得ることができる。その際の塩化反応には大きな発熱を伴うため、炉内温度を制御するため均熱性の高い流動層反応器が用いられている。 Trichlorosilane can be obtained by reacting a silicon raw material with a purity of about 98%, known as metallic silicon, with hydrogen chloride gas. Because the chlorination reaction in this process generates a large amount of heat, a fluidized bed reactor with high thermal uniformity is used to control the temperature inside the furnace.
本来、塩化反応では不可避的に四塩化ケイ素も生成するため、以前から四塩化ケイ素の発生は抑制しつつ、トリクロロシランの選択性を高めるための方法が開示されている(例えば、特許文献1(請求項1~6、段落[0008]、段落[0025]、段落[0026])参照及び特許文献2(請求項1、請求項3、請求項4、段落[0021])参照)。 Since silicon tetrachloride is inevitably produced in the chlorination reaction, methods have been disclosed for increasing the selectivity of trichlorosilane while suppressing the production of silicon tetrachloride (see, for example, Patent Document 1 (claims 1 to 6, paragraphs [0008], [0025], and [0026]) and Patent Document 2 (claims 1, 3, 4, and paragraph [0021])).
特許文献1には、流動床リアクター中の、攪拌床リアクター中の又は固形床リアクター中の、250℃ないし1100℃の温度での、及び0.5ないし30atmの絶対圧力での、ケイ素とHClガスとの反応によるトリクロロシランの製造法が開示されている。この製造法では、リアクターに供給されるケイ素は、40ないし10000質量ppmのバリウム及び所望により40ないし10000質量ppmの銅を含有することを特徴とする。 Patent document 1 discloses a method for producing trichlorosilane by reacting silicon with HCl gas in a fluidized bed reactor, a stirred bed reactor or a solid bed reactor at a temperature of 250°C to 1100°C and at an absolute pressure of 0.5 to 30 atm. In this method, the silicon fed to the reactor is characterized in that it contains 40 to 10,000 ppm by mass of barium and, optionally, 40 to 10,000 ppm by mass of copper.
特許文献1には、この製造法によれば、トリクロロシランの選択性を高めることができる旨が記載され、バリウム及び所望の銅は、ケイ素とともに合金化されているか、或いはバリウム又はバリウム化合物は、ケイ素がリアクターに供給される前に機械的にケイ素と混合されるか、或いは銅又は銅化合物は、ケイ素がリアクターに供給される前に機械的にケイ素と混合される旨が記載され、更にバリウム又はバリウム化合物は、ケイ素とは別々にリアクターに添加される旨が記載されている。その一方、銅のみをケイ素とともに合金化した場合には、トリクロロシランの選択性に効果を与えなかった旨が記載されている。 Patent Document 1 describes that this production method can increase the selectivity of trichlorosilane, and describes that barium and, optionally, copper are alloyed with silicon, or that barium or a barium compound is mechanically mixed with silicon before the silicon is fed to the reactor, or that copper or a copper compound is mechanically mixed with silicon before the silicon is fed to the reactor, and further describes that barium or a barium compound is added to the reactor separately from silicon. On the other hand, it describes that when only copper is alloyed with silicon, it has no effect on the selectivity of trichlorosilane.
また特許文献2には、珪素とHClガスとを、流動床反応器、攪拌床反応器または固定床反応器中で、250℃ないし1100℃の範囲の温度及び0.5-30気圧の絶対圧力の条件下で反応させることによってトリクロルシランを製造する際、反応器に供給される珪素が30ないし10000ppmの範囲のクロムを含有することを特徴とするトリクロルシランの製造法が開示されている。 Patent Document 2 also discloses a method for producing trichlorosilane by reacting silicon with HCl gas in a fluidized bed reactor, stirred bed reactor, or fixed bed reactor at a temperature of 250°C to 1100°C and an absolute pressure of 0.5 to 30 atm, characterized in that the silicon supplied to the reactor contains chromium in the range of 30 to 10,000 ppm.
特許文献2には、クロムの珪素への添加によってトリクロルシランの製造におけるTCSの選択性を改善し得る旨が記載され、クロムが珪素と合金化されているか、又は珪素を反応器に供給する前に、クロムを珪素と機械的に混合する旨が記載されている。 Patent Document 2 describes that the selectivity of TCS in the production of trichlorosilane can be improved by adding chromium to silicon, and describes that chromium is alloyed with silicon or that chromium is mechanically mixed with silicon before the silicon is fed to the reactor.
また、非特許文献1には、金属シリコンに鉄合金を添加し合金化する方法において、合金層の部分が反応活性サイトとなり、反応性の向上により、反応開始温度が低下することで、トリクロロシランの選択性の向上の結果が報告されている一方、非特許文献2には、金属シリコンに添加するリン(P)の影響により、逆にトリクロロシランの選択性が低下する結果も報告されている。 In addition, Non-Patent Document 1 reports that in a method of alloying metal silicon by adding an iron alloy, the alloy layer becomes a reactive active site, and the increased reactivity lowers the reaction initiation temperature, resulting in improved selectivity to trichlorosilane. On the other hand, Non-Patent Document 2 reports that the effect of phosphorus (P) added to metal silicon conversely reduces the selectivity to trichlorosilane.
特許文献1の方法で、バリウム又は銅をケイ素とともに合金化する場合、特許文献2の方法で、クロムをケイ素とともに合金化する場合、或いは非特許文献1に示されるように金属シリコンに鉄合金を添加し合金化する場合には、リアクターに投入する前に、バリウム又は銅を溶解するか、クロムを溶解するか、或いは鉄合金を予め容易しておく必要があり、製造工程が複雑化する課題があった。 When alloying barium or copper with silicon in the method of Patent Document 1, when alloying chromium with silicon in the method of Patent Document 2, or when alloying metal silicon by adding an iron alloy as shown in Non-Patent Document 1, it is necessary to dissolve barium or copper, dissolve chromium, or prepare the iron alloy in advance before putting it into the reactor, which creates a problem of complicating the manufacturing process.
また、非特許文献2の報告と合致して、特許文献1の実施例1(従来技術)に示されるように、銅のみをケイ素に混合してもトリクロロシランの選択性を高めることができない課題があった。 In addition, consistent with the report in Non-Patent Document 2, as shown in Example 1 (prior art) of Patent Document 1, there was an issue that the selectivity to trichlorosilane could not be increased even if only copper was mixed with silicon.
本発明の目的は、上記特許文献1、2及び非特許文献1の技術的思想とは全く別の観点からのアプローチを行って、上記課題を解決したもので、トリクロロシランの収率を向上することができるトリクロロシランの製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above problems by taking an approach from a completely different perspective than the technical ideas of Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1, and to provide a method for producing trichlorosilane that can improve the yield of trichlorosilane.
本発明の第1の観点は、流動層反応器中で金属シリコン粒子と塩化水素ガスを反応させることによりトリクロロシランを製造する方法において、前記金属シリコン粒子の平均粒径より平均粒径が小さく前記金属シリコン粒子より密度が高く前記塩化水素ガスに対して不活性であって非吸湿性である伝熱媒体粒子を前記流動層反応器中で前記金属シリコン粒子に混合し、前記伝熱媒体粒子が、鉄粒子であるか、又は酸素、クロム及びニッケルからなる群より選ばれた1種以上の元素を含む鉄を主成分とする鉄化合物粒子であることを特徴とするトリクロロシランの製造方法である。 A first aspect of the present invention is a method for producing trichlorosilane by reacting metal silicon particles with hydrogen chloride gas in a fluidized bed reactor, characterized in that heat transfer medium particles having an average particle size smaller than that of the metal silicon particles, a density higher than that of the metal silicon particles, and being inactive and non-hygroscopic with respect to the hydrogen chloride gas are mixed with the metal silicon particles in the fluidized bed reactor , and the heat transfer medium particles are iron particles or iron compound particles mainly composed of iron containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen, chromium, and nickel.
本発明の第2の観点は、第1の観点に基づく発明であって、前記金属シリコン粒子の平均粒径が200μm~500μmであって、前記伝熱媒体粒子の平均粒径が前記金属シリコン粒子の平均粒径より小さくかつ10μm以上であるトリクロロシランの製造方法である。 A second aspect of the present invention is a method for producing trichlorosilane based on the first aspect , wherein the average particle size of the metal silicon particles is 200 μm to 500 μm, and the average particle size of the heat transfer medium particles is smaller than the average particle size of the metal silicon particles and is 10 μm or more.
本発明の第3の観点は、第1又は第2の観点に基づく発明であって、前記流動層反応器中の流動層を構成する全粒子を100体積%とするとき、前記伝熱媒体粒子を1体積%~3体積%の割合で前記金属シリコン粒子に混合するトリクロロシランの製造方法である。 A third aspect of the present invention is a method for producing trichlorosilane based on the first or second aspect , wherein the heat transfer medium particles are mixed with the metal silicon particles in a ratio of 1 vol % to 3 vol %, where the total volume of all particles constituting the fluidized bed in the fluidized bed reactor is 100 vol %.
本発明の第1の観点の方法では、流動層反応器中で金属シリコン粒子と塩化水素ガスを反応させるときに、金属シリコン粒子の平均粒径より平均粒径が小さく金属シリコン粒子より密度が大きく塩化水素ガスに対して不活性であって非吸湿性である伝熱媒体粒子を金属シリコン粒子に混合することにより、この伝熱媒体粒子は塩化反応に関与せずに、後述する流動層反応器内の熱伝導にのみ寄与する。このため、流動層反応器内の局所的な温度上昇を抑制し、トリクロロシランの収率を向上することができる。非特許文献1には炉内温度が高いと、トリクロロシランの収率は悪化することが報告されている。 In the method of the first aspect of the present invention, when metal silicon particles are reacted with hydrogen chloride gas in a fluidized bed reactor, heat transfer medium particles that have a smaller average particle size than the metal silicon particles, a larger density than the metal silicon particles, are inactive to hydrogen chloride gas, and are non-hygroscopic are mixed with the metal silicon particles, so that the heat transfer medium particles do not participate in the chlorination reaction and only contribute to heat conduction in the fluidized bed reactor described below. This makes it possible to suppress local temperature increases in the fluidized bed reactor and improve the yield of trichlorosilane. Non-Patent Document 1 reports that if the temperature inside the furnace is high, the yield of trichlorosilane deteriorates.
また、鉄粒子であるか、又は酸素、クロム及びニッケルからなる群より選ばれた1種以上の元素を含む鉄を主成分とする鉄化合物粒子である伝熱媒体粒子を用いるため、伝熱性が高く、流動層反応器内の局所的な温度上昇を抑制することができ、これによりトリクロロシランの収率を向上することができる。 In addition, since the heat transfer medium particles used are iron particles or iron compound particles mainly composed of iron containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen, chromium, and nickel, the heat transfer is high and local temperature increases in the fluidized bed reactor can be suppressed, thereby improving the yield of trichlorosilane.
本発明の第2の観点の方法では、伝熱媒体粒子の平均粒径が、金属シリコン粒子の平均粒径より小さくかつ10μm以上であるため、流動層反応器内で金属シリコン粒子とともに円滑に流動し、流動層反応器内に均一に行きわたるため、より効率良く反応器内の局所的な温度上昇を抑制することができ、これによりトリクロロシランの収率を向上することができる。 In the method of the second aspect of the present invention, the heat transfer medium particles have an average particle size smaller than that of the silicon metal particles and at least 10 μm. Therefore, the heat transfer medium particles flow smoothly together with the silicon metal particles in the fluidized bed reactor and are uniformly distributed throughout the fluidized bed reactor. This makes it possible to more efficiently suppress localized temperature increases in the reactor, thereby improving the yield of trichlorosilane.
本発明の第3の観点の方法では、流動層反応器中の流動層を構成する全粒子を100体積%とするとき、伝熱媒体粒子を1体積%~3体積%の割合で金属シリコン粒子に混合するため、伝熱媒体粒子が過不足なく金属シリコン粒子と混ざり合って、より効率良く反応器内の局所的な温度上昇を抑制することができ、これによりトリクロロシランの収率を向上することができる。 In the method of the third aspect of the present invention, when the total volume of all particles constituting the fluidized bed in the fluidized bed reactor is taken as 100 volume %, the heat transfer medium particles are mixed with the metal silicon particles in a ratio of 1 volume % to 3 volume %, so that the heat transfer medium particles are mixed with the metal silicon particles in just the right amount, making it possible to more efficiently suppress localized temperature increases in the reactor and thereby improve the yield of trichlorosilane.
次に本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。 Next, the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、本実施形態のトリクロロシランを製造するための流動層反応器10は、概略円筒状をなす胴部12と底板部13と天板部14とを有する装置本体11を備えている。装置本体11の胴部12の下部には、金属シリコン粒子を装置本体11内に供給する粒子供給口15が形成されている。この粒子供給口15には、キャリアガスの導入配管30が接続され、このキャリアガス導入配管30にフィードホッパー31から金属シリコン粒子及び伝熱媒体粒子が供給され、この粒子供給口15を経由して装置本体11内に供給されるようになっている。また、装置本体11の天板部14には、反応によって生成したトリクロロシランのガスを外部へと取り出すガス取出口17が設けられ、ガス取出口17はサイクロン33に接続されている。
As shown in FIG. 1, the fluidized
サイクロン33はフィードホッパー31に接続され、フィードホッパー31には、外部から金属シリコン粒子を供給するシリコン粒子供給系40が接続されている。また、この装置本体11の下側には、塩化水素ガスを装置本体11内部に導入するための塩化水素ガス導入手段20が設けられている。塩化水素ガス導入手段20は、塩化水素ガスが貯留されるガス室21と、このガス室21内に塩化水素ガスを供給するガス供給口22とを備えている。ここで、ガス室21は、装置本体11の底板部13によって装置本体11内部と仕切られている。
The
本実施形態の流動層反応器10の特徴ある構成は、シリコン粒子供給系40に伝熱媒体粒子を供給するための伝熱媒体粒子供給系41が接続されたところにある。
The characteristic configuration of the fluidized
次に、このような構成の流動層反応器10によるトリクロロシランの製造方法について説明する。金属シリコン粒子は、シリコン粒子供給系40からフィードホッパー31に供給される。また伝熱媒体粒子は、伝熱媒体粒子供給系41からシリコン粒子供給系40を介してフィードホッパー31に供給される。シリコン粒子と伝熱媒体粒子とは、このフィードホッパー31からバルブ32を介してキャリアガスを導入するためのキャリアガス導入配管30内に導入され、気流移送により粒子供給口15を通じて装置本体11の内部に供給されて、混合される。このとき、塩化水素ガスを気流移送のキャリアガスとして用いている。また、キャリアガスは一定の圧力で導入されている。
Next, a method for producing trichlorosilane using the fluidized
また、塩化水素ガス導入手段20により装置本体11の内部に塩化水素ガスを導入する。塩化水素ガスは、装置本体11の底板部13に複数配置された図示しない塩化水素ガス噴出用部材を介して装置本体11内に向けて噴出され、噴出された塩化水素ガスは金属シリコン粒子と伝熱媒体粒子との混合粒子中に導入される。
Hydrogen chloride gas is introduced into the
このようにして装置本体11内の金属シリコン粒子に塩化水素ガスが噴出されることによって、金属シリコン粒子と伝熱媒体粒子とが装置本体11内を流動することになる。金属シリコン粒子が流動しながら塩化水素ガスと接触することで、金属シリコン粒子と塩化水素ガスとが所定温度で反応し、トリクロロシランのガスが生成される。一方、金属シリコン粒子と一緒に流動している伝熱媒体粒子は、その熱伝導性により金属シリコン粒子と塩化水素ガスとの反応による発熱を吸収し、かつ炉内全体にわたって流動することにより、炉内における局所的な温度上昇を抑制し、均熱性を保つ役割を果たす。
In this way, hydrogen chloride gas is sprayed onto the metal silicon particles inside the
生成したトリクロロシランのガスは、装置本体11の天板部14に設けられたガス取出口17から取り出され、後工程へと供給される。また、装置本体11内部において未反応の金属シリコン粒子は、トリクロロシランのガスとともにガス取出口17から排出され、後工程のサイクロン33で回収されてフィードホッパー31へと供給されてキャリアガス導入配管30内に導入され、再度装置本体11内に供給される。サイクロン33で回収されなかった金属シリコン粒子は、後工程のフィルター34で除去される。
The trichlorosilane gas produced is taken out from the
ここで、本実施形態の特徴ある伝熱媒体粒子について詳しく説明する。伝熱媒体粒子は、金属シリコン粒子の平均粒径より平均粒径が小さく金属シリコン粒子より密度が大きく塩化水素ガスに対して不活性であって非吸湿性である。具体的には、伝熱媒体粒子は、平均粒径が200μm~500μmの金属シリコン粒子よりも、平均粒径が小さくかつ10μm以上であることが好ましい。伝熱媒体粒子が金属シリコン粒子より平均粒径が大きいと、流動層反応器中で流動しにくく、また10μm未満であると、キャリアガスとともに、図1に示すガス取出口17から装置本体11外に排出され易い。いずれの場合も、伝熱媒体粒子による熱伝導が低下し、伝熱媒体としての機能が劣って、炉内の局所的な温度上昇が生じ易くなる。伝熱媒体粒子の平均粒径は、10μm~499μmであることが更に好ましい。ここで、金属シリコン粒子及び伝熱媒体粒子の各平均粒径は、レーザー回折型の粒度分布測定装置(マイクロトラック:MT3300)により測定したものの平均値である。
Here, the characteristic heat transfer medium particles of this embodiment will be described in detail. The heat transfer medium particles have a smaller average particle size than the metal silicon particles, a larger density than the metal silicon particles, are inactive to hydrogen chloride gas, and are non-hygroscopic. Specifically, the heat transfer medium particles preferably have an average particle size smaller than the metal silicon particles having an average particle size of 200 μm to 500 μm and 10 μm or more. If the heat transfer medium particles have an average particle size larger than the metal silicon particles, they are less likely to flow in the fluidized bed reactor, and if they are less than 10 μm, they are more likely to be discharged from the
また伝熱媒体粒子は、20℃における金属シリコンの密度(2.336g/cm3)よりも、密度が大きい。流動層で流動できる粒子の粒径は一定の範囲内の粒子であるため、一般的に、粒径が大き過ぎるものは流動せず、細か過ぎるものは、キャリアガスとともに装置本体外に排出されてしまう。しかし金属シリコンの密度より高い密度の粒子であれば、比較的細かい粒子まで排出されずに流動層に残留することができる。このため、伝熱媒体粒子を金属シリコン粒子に同伴して流動させるのに好ましい伝熱媒体粒子の密度は、3g/cm3~16g/cm3であることが好ましく、5g/cm3~10g/cm3であることが更に好ましい。 The heat transfer medium particles have a higher density than the density of metal silicon at 20°C (2.336 g/ cm3 ). Since the particle size of particles that can flow in the fluidized bed is within a certain range, particles with a particle size that is too large generally do not flow, and particles with a particle size that is too fine are discharged outside the device body together with the carrier gas. However, if the particle has a density higher than that of metal silicon, even relatively fine particles can remain in the fluidized bed without being discharged. For this reason, the density of the heat transfer medium particles that is preferable for flowing the heat transfer medium particles together with the metal silicon particles is preferably 3 g/ cm3 to 16 g/ cm3 , and more preferably 5 g/ cm3 to 10 g/ cm3 .
また伝熱媒体粒子は、流動層反応器中で塩化水素ガスと接触しても反応せずに化合物を生成せず不活性であり、非吸湿性である。伝熱媒体粒子が塩化水素ガスに対して活性であって、塩化水素ガスと反応を引き起こして化合物を生成すると、トリクロロシランの収率が低下するからである。また非吸湿性な伝熱媒体粒子は、流動層反応器中で塩酸中の残留水分や金属シリコン粒子表面の吸着水が伝熱媒体粒子表面に付着しても、ダマにならず、流動を低下させない。 The heat transfer medium particles are inert and non-hygroscopic, meaning that they do not react or form compounds even when they come into contact with hydrogen chloride gas in the fluidized bed reactor. If the heat transfer medium particles were active with hydrogen chloride gas and reacted with the gas to form compounds, the yield of trichlorosilane would decrease. Non-hygroscopic heat transfer medium particles also do not form clumps and do not reduce flow, even if residual moisture in hydrochloric acid or water adsorbed on the surfaces of metal silicon particles adheres to the heat transfer medium particle surface in the fluidized bed reactor.
こうした特性を有する伝熱媒体粒子は、例示すれば、鉄粒子であるか、又は酸素、クロム及びニッケルからなる群より選ばれた1種以上の元素を含む鉄を主成分とする鉄化合物粒子である。これ以外に、伝熱媒体粒子には炭化タングステン粒子、酸化ジルコニウム粒子、炭化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子、ムライト粒子、アルミナ粒子が挙げられる。
上記伝熱媒体粒子のうち、代表的な伝熱媒体粒子の密度、塩化水素ガスに対する活性度及び吸湿度を以下の表1に示す。表1における粒子の塩化水素ガスに対する活性度は、塩化反応終了後に炉内から取り出した伝熱媒体粒子をX線回折法で分析し、化合物が生成したことを示す塩化物のピークが認められなかった場合を『不活性』と判定し、塩化物のピークが認められた場合を『活性』と判定した。また粒子の吸湿度は、粒子を22%相対湿度下、25℃で1日間放置し、日本薬局方、一般試験法、水分測定法(カール・フィッシャー法)に従って水分含量を測定した。水分含量の増加率が0.01%以下の場合を『非吸湿性』と判定し、0.01%を超える場合を『吸湿性』と判定した。
Examples of heat transfer medium particles having such characteristics include iron particles, or iron compound particles mainly composed of iron containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen, chromium, and nickel.Other heat transfer medium particles include tungsten carbide particles, zirconium oxide particles, silicon carbide particles, aluminum nitride particles, mullite particles, and alumina particles.
The density, activity against hydrogen chloride gas, and moisture absorption of representative heat transfer medium particles among the above heat transfer medium particles are shown in Table 1 below. The activity of the particles against hydrogen chloride gas in Table 1 was determined by analyzing the heat transfer medium particles taken out of the furnace after the chlorination reaction was completed by X-ray diffraction. When no chloride peak was observed, which indicates the formation of a compound, it was determined to be "inactive", and when a chloride peak was observed, it was determined to be "active". The moisture absorption of the particles was determined by leaving the particles at 22% relative humidity and 25°C for one day, and measuring the moisture content according to the Japanese Pharmacopoeia, General Test Method, and Moisture Measurement Method (Karl Fischer method). When the increase in moisture content was 0.01% or less, it was determined to be "non-hygroscopic", and when it exceeded 0.01%, it was determined to be "hygroscopic".
図1に示す伝熱媒体粒子供給系41からシリコン粒子供給系40への伝熱媒体粒子の供給は、流動層反応器中の流動層を構成する全粒子を100体積%とするとき、伝熱媒体粒子が1体積%~3体積%の割合になるように、行うことが好ましい。伝熱媒体粒子の密度を考慮して伝熱媒体粒子の含有割合を求めると、流動層反応器中の流動層を構成する全粒子を100質量%とするとき、伝熱媒体粒子が3質量%~10質量%の割合で含まれるように、伝熱媒体粒子を供給することが好ましい。上記範囲の下限値未満では、炉内の局所的な温度上昇を抑制させるための伝熱媒体としての機能を果たしにくい。また上記範囲の上限値を超えると、相対的に金属シリコン粒子の割合が低下し、金属シリコン粒子と塩化水素ガスとの反応効率が悪化して、未反応の塩酸量が増加し易くなる。
The heat transfer medium particles are preferably supplied from the heat transfer medium
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。 Next, we will explain in detail the examples of the present invention along with comparative examples.
<実施例1>
図1に示す胴部12の内径が800mmの流動層反応器10の装置本体11内に、シリコン粒子供給系40、フィードホッパー31及び粒子供給口15を介して、キャリアガスとともに、平均粒径が250μmの金属シリコン粒子を約3000kg供給した。塩化水素ガス導入手段20のガス供給口22から600Nm3/hの割合で塩化水素ガスを導入して、胴部12内で金属シリコン粒子と塩化水素ガスとを反応させた。この反応で生じる平均粒径が10μm以上の粒子は、ガス取出口17からサイクロン33に回収して、フィードホッパー31に戻すようにした。
Example 1
About 3000 kg of metallic silicon particles having an average particle size of 250 μm were supplied together with carrier gas via the silicon
装置本体11内で生成するガスの一部をサンプリングして、ガスクロマトグラフィー(ジェイサイエンス社製、型式GC7000T)でガスに含まれる成分を10分毎に分析した。初日でのトリクロロシランの収率は、84質量%程度であった。これ以降の上記分析は週2回の頻度で行った。
A portion of the gas generated within the
二日目以降、反応で消費される金属シリコン粒子を補給するのに同伴させて、伝熱媒体粒子供給系41から、伝熱媒体粒子として、平均粒径50μmの金属鉄からなる鉄粒子を装置本体11内に供給した。鉄粒子の供給量が約10kgに達した時点からトリクロロシランの収率の上昇が見られた。鉄粒子の供給量は累計で20kgに達した1週目の時点で、更にトリクロロシランの収率が88質量%近くまで上昇した。
From the second day onwards, iron particles made of metallic iron with an average particle size of 50 μm were supplied as heat transfer medium particles from the heat transfer medium
反応で消費される金属シリコン粒子を補給するのに同伴させて、同一の鉄粒子を装置本体11内に供給し続けた。鉄粒子を累計で30kg供給した2週目の時点では、トリクロロシランの収率は90質量%近くまで上昇した。その後、3週目から6週目にかけて、トリクロロシランの収率は90質量%程度で増減し、累計35kgに達する5週目頃からは、未反応塩酸の増加が見られた。このため、鉄粒子は、その供給量の累計が45kgになった時点で、供給を停止し、塩化水素ガスの供給も停止した。装置本体11が60℃まで降温した後に、装置本体11内に残留している金属シリコン粒子を回収し、磁石で金属シリコン粒子中に存在していた鉄粒子を回収した。これらの粒子を計測した結果、この時点での鉄粒子の金属シリコン粒子中の含有割合は約3体積%であった。
図2に、ガス成分に含まれる成分分析を開始した初日から6週目までのトリクロロシラン(TCS)の収率を、四塩化ケイ素(STC)及びジクロロシラン(DCS)の各収率とともに、示す。
The same iron particles were continuously supplied into the
FIG. 2 shows the yield of trichlorosilane (TCS) from the first day of starting the analysis of the components contained in the gas components until the sixth week, together with the yields of silicon tetrachloride (STC) and dichlorosilane (DCS).
<比較例1>
二日目以降、伝熱媒体粒子を装置本体11内に供給しない以外、実施例1と同様に、平均粒径が250μmの金属シリコン粒子を供給し続け、また塩化水素ガスを導入し続けて金属シリコン粒子と塩化水素ガスとを反応させ続けた。供給を始めてから6週目でのトリクロロシランの収率は、84質量%程度であった。
<Comparative Example 1>
From the second day onwards, metal silicon particles having an average particle size of 250 μm were continuously supplied and hydrogen chloride gas was continuously introduced to react with the metal silicon particles and the hydrogen chloride gas in the same manner as in Example 1, except that the heat transfer medium particles were not supplied into the
以下の表2に、実施例1の伝熱媒体粒子を供給したときの特性と比較例1の伝熱媒体粒子を供給しないときの特性と、実施例1及び比較例1におけるトリクロロシランの収率及びその向上率を示す。トリクロロシランの収率の向上率は、伝熱媒体粒子を供給する前のトリクロロシランの収率をX質量%とし、伝熱媒体粒子を供給した後のトリクロロシランの収率をY質量%とするとき,次の式(1)で算出した。
トリクロロシランの収率の向上率(%)= [(Y-X)/X]×100 (1)
Table 2 below shows the characteristics when heat transfer medium particles of Example 1 were supplied and the characteristics when heat transfer medium particles of Comparative Example 1 were not supplied, as well as the trichlorosilane yield and its improvement rate in Example 1 and Comparative Example 1. The improvement rate of trichlorosilane yield was calculated by the following formula (1), where the trichlorosilane yield before the heat transfer medium particles were supplied is X mass % and the trichlorosilane yield after the heat transfer medium particles were supplied is Y mass %.
Trichlorosilane yield improvement rate (%) = [(Y-X)/X] x 100 (1)
表2から明らかなように、比較例1では、伝熱媒体粒子を全く使用しなかったため、金属シリコン粒子と塩化水素ガスの反応を開始した初日におけるトリクロロシランの収率は84質量%程度と低く,また6週目のトリクロロシランの収率も84質量%程度と変わらず、その向上率は0%であった。 As is clear from Table 2, in Comparative Example 1, since no heat transfer medium particles were used at all, the trichlorosilane yield on the first day of starting the reaction between the metal silicon particles and hydrogen chloride gas was low at about 84% by mass, and the trichlorosilane yield after six weeks was also unchanged at about 84% by mass, with an improvement rate of 0%.
これに対して、実施例1では、金属シリコン粒子と混合される粒子が本発明の第1の観点の要件を満たした伝熱媒体粒子であったため、初日におけるトリクロロシランの収率は84質量%であったのに対して、6週目でのトリクロロシランの収率がそれぞれ90質量%であり、その向上率はそれぞれ6.7%であった。実施例1で用いた鉄粒子以外の酸素、クロム及びニッケルからなる群より選ばれた1種以上の元素を含む鉄を主成分とする鉄化合物粒子、又は炭化タングステン粒子、酸化ジルコニウム粒子、炭化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子、ムライト粒子、アルミナ粒子も、炉内において本発明の第1の観点の要件を満たすため、トリクロロシランの収率を向上させる蓋然性が非常に高い。 In contrast, in Example 1, the particles mixed with the metal silicon particles were heat transfer medium particles that satisfied the requirements of the first aspect of the present invention, so the trichlorosilane yield on the first day was 84 mass%, while the trichlorosilane yield on the sixth week was 90 mass%, with the improvement rate being 6.7%. Iron compound particles containing iron as the main component and containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen, chromium, and nickel other than the iron particles used in Example 1, or tungsten carbide particles, zirconium oxide particles, silicon carbide particles, aluminum nitride particles, mullite particles, and alumina particles also satisfy the requirements of the first aspect of the present invention in the furnace, and are therefore highly likely to improve the trichlorosilane yield.
本発明の製造方法は、トリクロロシランの収率を向上させるために利用することができる。 The manufacturing method of the present invention can be used to improve the yield of trichlorosilane.
10 流動層反応器
11 装置本体
12 胴部
13 底板部
14 天板部
20 塩化水素ガス導入手段
30 キャリアガス導入手段
31 フィードホッパー
40 シリコン粒子供給系
41 伝熱媒体粉末供給系
REFERENCE SIGNS
Claims (3)
前記金属シリコン粒子の平均粒径より平均粒径が小さく前記金属シリコン粒子より密度が高く前記塩化水素ガスに対して不活性であって非吸湿性である伝熱媒体粒子を前記流動層反応器中で前記金属シリコン粒子に混合し、
前記伝熱媒体粒子が、鉄粒子であるか、又は酸素、クロム及びニッケルからなる群より選ばれた1種以上の元素を含む鉄を主成分とする鉄化合物粒子であることを特徴とするトリクロロシランの製造方法。 1. A method for producing trichlorosilane by reacting silicon metal particles with hydrogen chloride gas in a fluidized bed reactor, comprising:
heat transfer medium particles having an average particle size smaller than that of the metallurgical silicon particles, a higher density than the metallurgical silicon particles, being inactive to the hydrogen chloride gas, and being non-hygroscopic are mixed with the metallurgical silicon particles in the fluidized bed reactor ;
13. A method for producing trichlorosilane, wherein the heat transfer medium particles are iron particles or iron compound particles mainly composed of iron and containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen, chromium, and nickel .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020164273A JP7500378B2 (en) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | Method for producing trichlorosilane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020164273A JP7500378B2 (en) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | Method for producing trichlorosilane |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022056490A JP2022056490A (en) | 2022-04-11 |
| JP7500378B2 true JP7500378B2 (en) | 2024-06-17 |
Family
ID=81110772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020164273A Active JP7500378B2 (en) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | Method for producing trichlorosilane |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7500378B2 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000178282A (en) | 1998-12-17 | 2000-06-27 | Mitsui Chemicals Inc | Production of alkoxysilane |
| JP2003247701A (en) | 2002-02-26 | 2003-09-05 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | Temperature control method and apparatus in furnace in fluidized bed boiler |
| US20040022713A1 (en) | 2000-09-14 | 2004-02-05 | Andreas Bulan | Method for producing trichlorosilane |
| US20100264362A1 (en) | 2008-07-01 | 2010-10-21 | Yongchae Chee | Method of producing trichlorosilane (TCS) rich Chlorosilane product stably from a fluidized gas phase reactor (FBR) and the structure of the reactor |
| JP2014198663A (en) | 2013-03-11 | 2014-10-23 | 信越化学工業株式会社 | Method for producing hydrogenated chlorosilane and catalyst for producing hydrogenated chlorosilane |
| WO2019098347A1 (en) | 2017-11-20 | 2019-05-23 | 株式会社トクヤマ | Reactor and production method of trichlorosilane |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2365273C3 (en) * | 1973-12-31 | 1980-09-25 | Dynamit Nobel Ag, 5210 Troisdorf | Process for the hydrochlorination of elemental silicon |
| JPS5811042A (en) * | 1981-07-10 | 1983-01-21 | Osaka Titanium Seizo Kk | Catalyst for production of trichlorosilane and production thereof |
-
2020
- 2020-09-30 JP JP2020164273A patent/JP7500378B2/en active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000178282A (en) | 1998-12-17 | 2000-06-27 | Mitsui Chemicals Inc | Production of alkoxysilane |
| US20040022713A1 (en) | 2000-09-14 | 2004-02-05 | Andreas Bulan | Method for producing trichlorosilane |
| JP2003247701A (en) | 2002-02-26 | 2003-09-05 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | Temperature control method and apparatus in furnace in fluidized bed boiler |
| US20100264362A1 (en) | 2008-07-01 | 2010-10-21 | Yongchae Chee | Method of producing trichlorosilane (TCS) rich Chlorosilane product stably from a fluidized gas phase reactor (FBR) and the structure of the reactor |
| JP2014198663A (en) | 2013-03-11 | 2014-10-23 | 信越化学工業株式会社 | Method for producing hydrogenated chlorosilane and catalyst for producing hydrogenated chlorosilane |
| WO2019098347A1 (en) | 2017-11-20 | 2019-05-23 | 株式会社トクヤマ | Reactor and production method of trichlorosilane |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022056490A (en) | 2022-04-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3708648B2 (en) | Method for producing trichlorosilane | |
| JP4030616B2 (en) | Copper-based catalyst, method for producing and using the same, and method for producing alkylhalosilane | |
| JP4813545B2 (en) | Method for producing hydrochlorosilane | |
| KR19980024696A (en) | Method for producing silicon trichloride | |
| JPH09194489A (en) | Method for producing silanes | |
| EP1400490B1 (en) | Deposition of a solid by thermal decomposition of a gaseous substance in a bowl reactor | |
| EP3053882B1 (en) | Method for producing trichlorosilane | |
| JPH02208217A (en) | Manufacture of trichloromonosilane | |
| KR101309600B1 (en) | Method for producing trichlorosilane | |
| EP2792640B1 (en) | Method for producing high-purity chloropolysilane | |
| US11845667B2 (en) | Method for producing chlorosilanes | |
| JP7500378B2 (en) | Method for producing trichlorosilane | |
| CN106536409A (en) | Trichlorosilane preparation method | |
| KR101392944B1 (en) | Manufacturing method for trichlorosilane from silicon tetrachloride and Trickle bed reactor for the method | |
| JP3708649B2 (en) | Method for producing metal silicon particles having copper silicide | |
| CN112390257B (en) | Electronic grade polycrystalline silicon production system and method | |
| KR101850632B1 (en) | Method for producing trichlorosilane | |
| WO2014141667A1 (en) | Method for producing hydrogenated chlorosilane, and catalyst for use in production of hydrogenated chlorosilane | |
| KR20210138711A (en) | Methods of Producing Trichlorosilanes with Structure-Optimized Silicon Particles | |
| JP3676515B2 (en) | Method for producing silicon trichloride | |
| JP4341415B2 (en) | Manufacturing method of high purity sponge iron | |
| TW202043148A (en) | Method for producing chlorosilanes with structure-optimized silicon particles | |
| US20090188348A1 (en) | Continuous process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20230331 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230616 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240215 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20240308 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240319 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240502 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240528 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240605 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7500378 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |