DE102010034469A1 - Plant for the production of monosilane - Google Patents

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Dr. Petrik Adolf
Christian Schmid
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Abstract

Beschrieben wird eine Anlage zur Herstellung von Monosilan (SiH4) durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan (SiHCl3) mit einer säulenförmigen Reaktionskolonne (101) mit einem Zulauf (102) für Trichlorsilan, einem Ablauf (103) für anfallendes Siliziumtetrachlorid (SiCl4) und einem Heizbereich (104), vorzugsweise am unteren Kolonnenende, sowie einem Kondensator (105), über den hergestelltes Monosilan aus der Kolonne (101) abgeführt werden kann, wobei die Kolonne (101) ein Segment (106; 107; 108) umfasst, in dem ein katalytisch wirkender Feststoff enthalten ist und wobei das Kolonnensegment (106; 107; 108) ein Rohr oder ein Rohrbündel aus zwei oder mehr Rohren (109; 110; 111) umfasst, das oder die mit dem katalytisch wirkenden Feststoff befüllt sind.A plant is described for the production of monosilane (SiH4) by catalytic disproportionation of trichlorosilane (SiHCl3) with a columnar reaction column (101) with an inlet (102) for trichlorosilane, an outlet (103) for silicon tetrachloride (SiCl4) and a heating area ( 104), preferably at the lower end of the column, and a condenser (105) via which the monosilane produced can be discharged from the column (101), the column (101) comprising a segment (106; 107; 108) in which a catalytically active solid is contained and wherein the column segment (106; 107; 108) comprises a tube or a tube bundle of two or more tubes (109; 110; 111) which is or are filled with the catalytically active solid.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Monosilan (SiH4) durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan (SiHCl3) mit einer säulenförmigen Reaktionskolonne mit einem Zulauf für Trichlorsilan, einem Ablauf für anfallendes Siliziumtetrachlorid (SiCl4) und einem Heizbereich, vorzugsweise am unteren Kolonnenende, sowie einem Kondensator, über den hergestelltes Monosilan aus der Kolonne abgeführt werden kann.The present invention relates to a plant for the preparation of monosilane (SiH 4 ) by catalytic disproportionation of trichlorosilane (SiHCl 3 ) with a columnar reaction column with a feed for trichlorosilane, a sequence for accumulating silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and a heating region, preferably at the lower end of the column , And a condenser can be removed via the monosilane produced from the column.

Hochreines Silizium wird in der Regel in einem mehrstufigen Prozess ausgehend von metallurgischem Silizium, das einen relativ hohen Anteil an Verunreinigungen aufweisen kann, hergestellt. Zur Aufreinigung des metallurgischen Siliziums kann dieses beispielsweise in ein Trihalogensilan wie Trichlorsilan (SiHCl3) überführt werden, das anschließend thermisch zu hochreinem Silizium zersetzt wird. Eine derartige Vorgehensweise ist beispielsweise aus der DE 29 19 086 bekannt. Alternativ dazu kann man hochreines Silizium auch durch thermische Zersetzung von Monosilan gewinnen, wie es z. B. in der DE 33 11 650 beschrieben ist.High purity silicon is typically produced in a multi-stage process starting from metallurgical silicon, which may have a relatively high level of impurities. For purification of metallurgical silicon, it can be converted, for example in a trihalosilane such as trichlorosilane (SiHCl 3), which is then thermally decomposed to high purity silicon. Such an approach is for example from the DE 29 19 086 known. Alternatively, one can also win high-purity silicon by thermal decomposition of monosilane, as z. B. in the DE 33 11 650 is described.

Monosilan lässt sich insbesondere durch Disproportionierung von Trichlorsilan erhalten. Letzteres ist wiederum beispielsweise durch Umsetzung von metallurgischem Silizium mit Siliziumtetrachlorid und Wasserstoff herstellbar.Monosilane can be obtained in particular by disproportionation of trichlorosilane. The latter can in turn be produced, for example, by reacting metallurgical silicon with silicon tetrachloride and hydrogen.

Um die Disproportionierung zu beschleunigen, können Katalysatoren eingesetzt werden. Besonders bewährt haben sich basische Katalysatoren wie z. B. die aus der DE 25 07 864 bekannten Aminverbindungen und Derivate. Diese werden bevorzugt in gebundener Form eingesetzt, wie es z. B. in der DE 33 11 650 beschrieben ist. An feste Träger gebundene Katalysatoren sind auf einfache Weise aus flüssigen oder gasförmigen Reaktionsgemischen abtrennbar. Im Fall von Aminverbindungen kann so ein Eintrag von verunreinigenden Aminen in das Silan/Chlorsilan-Gemisch vermieden werden. Aufgrund des damit verbundenen Vorteils werden heute bei der technischen Disproportionierung von Trichlorsilan praktisch nur noch entweder an Träger fixierte oder in vernetzte Polymere inkorporierte Aminkatalysatoren verwendet.In order to accelerate the disproportionation, catalysts can be used. Have proven particularly useful basic catalysts such. B. from the DE 25 07 864 known amine compounds and derivatives. These are preferably used in bonded form, as z. B. in the DE 33 11 650 is described. Catalysts bound to solid supports can be easily separated off from liquid or gaseous reaction mixtures. In the case of amine compounds, an entry of contaminating amines into the silane / chlorosilane mixture can thus be avoided. Because of the associated advantage, today, in the industrial disproportionation of trichlorosilane, only amine-incorporated or crosslinked polymers are used in practice.

Unter anderem aus der DE 198 60 146 ist es bekannt, die Disproportionierung von Trichlorsilan nach dem Prinzip der Reaktivdestillation ablaufen zu lassen. Die Reaktivdestillation ist durch eine Kombination von Reaktion und destillativer Trennung in einer Kolonne gekennzeichnet. In dieser Kolonne wird die jeweils leichtest siedende Komponente fortlaufend destillativ entfernt, wobei man versucht, in jedem Raumelement der Kolonne stets ein optimales Gefälle zwischen Gleichgewichtszustand und tatsächlichem Gehalt an leichter siedenden Komponenten bzw. leichtest siedender Komponente aufrecht zu erhalten. Die Vorteile der Reaktivdestillation lassen sich mit den Vorteilen der katalysierten Umsetzung von Trichlorsilan kombinieren. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Disproportionierung z. B. von Trichlorsilan zu Siliziumtetrachlorid und Monosilan in einer Kolonne ausgeführt wird, die einen katalytisch wirkenden Feststoff als Füllkörper enthält.Among other things from the DE 198 60 146 It is known to run the disproportionation of trichlorosilane on the principle of reactive distillation. The reactive distillation is characterized by a combination of reaction and distillative separation in a column. In this column, the lightest boiling component is continuously removed by distillation, trying to maintain in each space element of the column always an optimal gap between the equilibrium state and actual content of low-boiling components or leichtest boiling component upright. The advantages of reactive distillation can be combined with the advantages of the catalyzed reaction of trichlorosilane. This can be achieved that the disproportionation z. B. from trichlorosilane to silicon tetrachloride and monosilane is carried out in a column containing a catalytically active solid as a packing.

Der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zur Disproportionierung von Trichlorsilan weiterzuentwickeln und zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf die Geschwindigkeit der Umsetzung von Trichlorsilan.It was an object of the invention described in the present application to further develop and improve the known processes for the disproportionation of trichlorosilane, in particular with regard to the rate of conversion of trichlorosilane.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.This object is achieved by the system with the features of claim 1. Preferred embodiments of the system according to the invention are specified in the dependent claims 2 to 7. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of this specification.

Eine erfindungsgemäße Anlage dient in Übereinstimmung mit der o. g. Aufgabe der Herstellung von Monosilan durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan. Sie umfasst wie zahlreiche gattungsgemäße Anlagen eine säulenförmige Reaktionskolonne mit einem Zulauf für Trichlorsilan und einem Ablauf für anfallendes Siliziumtetrachlorid. Ferner umfasst die Anlage einen Heizbereich sowie einen Hauptkondensator, über den hergestelltes Monosilan aus der Kolonne abgeführt werden kann.A plant according to the invention serves in accordance with the o. G. Purpose of the production of monosilane by catalytic disproportionation of trichlorosilane. Like many generic systems, it comprises a columnar reaction column with an inlet for trichlorosilane and a discharge of silicon tetrachloride. Furthermore, the plant comprises a heating area and a main condenser, can be removed from the column via the produced monosilane.

Besonders bevorzugt weist die Reaktionskolonne dabei mindestens ein Segment auf, das einen katalytisch wirkenden Feststoff enthält. Das mindestens eine Segment umfasst dabei bevorzugt ein Rohr oder ein Rohrbündel aus zwei oder mehr Rohren, das bzw. die mit dem katalytisch wirkenden Feststoff befüllt sind.Particularly preferably, the reaction column has at least one segment which contains a catalytically active solid. The at least one segment preferably comprises a tube or a tube bundle of two or more tubes, which are filled with the catalytically active solid.

Dieses Rohr oder diese Rohre mit dem katalytisch wirkenden Feststoff bilden innerhalb der Kolonne katalytische Zellen, in denen die Disproportionierungsreaktion stattfindet. Das Prinzip der Reaktivdestillation wurde eingangs bereits erwähnt. Auch in der Reaktionskolonne einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von Monosilan kommt dieses Prinzip zum Einsatz. So erfolgt in dem oder den Rohren eine Umsetzung unter fortwährender Abführung der Leichtsieder. Diese können dann in einen nachgeschalteten reaktiv/destillativen Reaktionsbereich (z. B. einer weiteren katalytischen Zelle) überführt werden.This tube or tubes with the catalytically active solid form within the column catalytic cells in which the disproportionation takes place. The principle of reactive distillation has already been mentioned at the beginning. Also in the reaction column of a plant according to the invention for the production of monosilane this principle is used. Thus, a reaction takes place in the one or more tubes with continuous discharge of the low boilers. These can then be transferred into a downstream reactive / distillative reaction zone (eg, another catalytic cell).

Die Reaktionskolonne einer erfindungsgemäßen Anlage ist in der Regel senkrecht ausgerichtet. Gleiches gilt für das Rohr oder das Rohrbündel aus den mindestens zwei Rohren in dem Kolonnensegment. Das Rohr oder die Rohre des Bündels sind innerhalb des Kolonnensegments bevorzugt vertikal sowie insbesondere parallel zueinander angeordnet. Im Betrieb finden in allen Rohren parallel zueinander katalysierte Umsetzungen von Chlorsilanen statt. Bevorzugt weisen das Rohr oder die Rohre eine im Wesentlichen zylindrische Geometrie auf. Grundsätzlich können sie aber auch einen polygonalen Querschnitt, beispielsweise einen hexagonalen Querschnitt, aufweisen.The reaction column of a system according to the invention is usually oriented vertically. The same applies to the tube or the tube bundle from the at least two tubes in the column segment. The tube or tubes of the bundle are preferably arranged vertically and in particular parallel to one another within the column segment. In operation, catalysis of chlorosilanes takes place in parallel in all tubes. Preferably, the tube or tubes have a substantially cylindrical geometry. In principle, however, they can also have a polygonal cross section, for example a hexagonal cross section.

Das Rohrbündel umfasst bevorzugt zwischen 2 und 100 Rohre, insbesondere zwischen 5 und 50 Rohre, welche jeweils mit dem katalytisch wirkenden Feststoff befüllt sind.The tube bundle preferably comprises between 2 and 100 tubes, in particular between 5 and 50 tubes, which are each filled with the catalytically active solid.

Der Heizbereich kann in die säulenförmige Reaktionskolonne integriert sein, insbesondere am unteren Kolonnenende. Alternativ kann die erfindungsgemäße Anlage aber auch einen externen Sumpfheizer aufweisen.The heating region can be integrated into the columnar reaction column, in particular at the lower end of the column. Alternatively, however, the system according to the invention can also have an external sump heater.

In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage umfasst das Kolonnensegment einen Wärmetauschraum, durch den das Rohr oder die Rohre des Rohrbündels geführt sind. So kann in dem mindestens einen Segment der Reaktionskolonne mit dem katalytisch wirkenden Feststoff beispielsweise ein Hohlraum ausgebildet sein, der von einem Wärmetauschmedium durchflossen wird. Zu diesem Zweck kann das Segment einen Zu- und einen Ablauf für das Wärmetauschmedium aufweisen. Das Rohr oder das Rohrbündel kann so gezielt temperiert werden, um den katalytisch wirkenden Feststoff im Inneren im Betrieb auf bestimmten, für die katalytische Disproportionierung geeigneten Temperaturen zu halten.In preferred embodiments of the system according to the invention, the column segment comprises a heat exchange space through which the tube or the tubes of the tube bundle are guided. Thus, in the at least one segment of the reaction column with the catalytically active solid, for example, a cavity may be formed, through which a heat exchange medium flows. For this purpose, the segment may have an inlet and an outlet for the heat exchange medium. The tube or tube bundle can be tempered so targeted to keep the catalytic solid inside in operation at certain suitable for the catalytic disproportionation temperatures.

Die Reaktionskolonne einer erfindungsgemäßen Anlage weist bevorzugt mehrere Kolonnensegmente auf, die den erwähnten katalytisch wirkenden Feststoff enthalten. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Anlage mehrere Kolonnensegmente mit dem erwähnten Rohr oder dem Rohrbündel aus den zwei oder mehr Rohren auf. Diese Segmente sind innerhalb der Kolonne besonders bevorzugt übereinander angeordnet.The reaction column of a plant according to the invention preferably has a plurality of column segments which contain the mentioned catalytically active solid. The system according to the invention preferably has a plurality of column segments with the mentioned tube or the tube bundle from the two or more tubes. These segments are particularly preferably arranged one above the other within the column.

Solche übereinander angeordnete Segmente der Reaktionskolonne entsprechen gewissermaßen katalytischen Reaktoren, die funktionell in Reihe geschaltet sind. In jedem dieser Segmente kann die Disproportionierung von Trichlorsilan (bzw. von Dichlor- und/oder Monochlorsilan) nach dem Prinzip der Reaktivdestillation erfolgen. Sowohl die Segmente als auch die darin angeordneten Rohrbündel und Rohre weisen in bevorzugten Ausführungsformen jeweils identische Dimensionen und einen identischen Aufbau auf.Such superimposed segments of the reaction column correspond to a certain extent catalytic reactors, which are functionally connected in series. In each of these segments, the disproportionation of trichlorosilane (or of dichloro- and / or monochlorosilane) can take place according to the principle of the reactive distillation. Both the segments and the tube bundles and tubes arranged therein each have identical dimensions and an identical construction in preferred embodiments.

Das Rohr oder die Rohrbündel sind innerhalb der Reaktionskolonne bzw. innerhalb der Segmente bevorzugt derart angeordnet, dass jedem Rohr in einem höhergelegenen Segment ein Rohr in einem benachbarten tiefergelegenen Segment zugeordnet ist, in das Kondensat aus dem höhergelegenen Rohr abtropfen oder abfließen kann.The tube or tube bundles are preferably arranged within the reaction column or within the segments such that each tube in a higher-level segment is assigned a tube in an adjacent, lower-lying segment into which condensate can drip or drain out of the higher-lying tube.

Innerhalb der Reaktionskolonne sinkt die Temperatur vorzugsweise von unten nach oben ab, so dass ein höher angeordnetes Kolonnensegmente in der Regel bei einer niedrigeren Temperatur betrieben wird als ein tiefer angeordnetes. Der tiefstgelegene Segment in der Reaktionskolonne weist entsprechend üblicherweise die höchste Betriebstemperatur auf.Within the reaction column, the temperature preferably drops from bottom to top, so that a higher column segments is usually operated at a lower temperature than a lower arranged. The lowest-lying segment in the reaction column accordingly usually has the highest operating temperature.

Gegebenenfalls kann zwischen den übereinander angeordneten Kolonnensegmenten ein Zwischenkondensator angeordnet sein. Dieser dient der Abtrennung/Zurückhaltung von schwerflüchtigen Chlorsilanen und entlastet gegebenenfalls nachgeschaltete Kondensatoren, insbesondere den Hauptkondensator.Optionally, an intermediate capacitor may be arranged between the stacked column segments. This serves for the separation / restraint of low-volatility chlorosilanes and optionally relieves downstream condensers, in particular the main capacitor.

Bevorzugt ist der nachgeschaltete Hauptkondensator in dem Kopf der Reaktionskolonne integriert.Preferably, the downstream main condenser is integrated in the top of the reaction column.

Bei den Segmenten sowie den erwähnten Kondensatoreinheiten kann es sich sowohl um fest miteinander verbundene Einheiten handeln als auch um modulare Einheiten, die durch lösbare Verbindungen miteinander verbunden sind.The segments as well as the mentioned capacitor units can be units which are firmly connected to one another or else modular units which are connected to one another by detachable connections.

Besonders bevorzugt zeichnet sich eine erfindungsgemäße Anlage dadurch aus, dass das Rohr oder die Rohre in den Segmenten an ihrem unteren Ende jeweils mit einem Gitter und/oder einem Netz verschlossen sind. Die Maschenweite des Gitters und/oder des Netzes wird dabei zweckmäßigerweise so gewählt, dass der in den Rohren enthaltene katalytisch wirksame Feststoff, der bevorzugt in Form von Partikeln vorliegt, nicht unkontrolliert aus den Rohren austreten kann.Particularly preferably, a system according to the invention is characterized in that the tube or tubes in the segments are each closed at their lower end with a grid and / or a net. The mesh size of the grid and / or the network is expediently chosen so that the catalytically active solid contained in the tubes, which is preferably in the form of particles, can not escape uncontrollably from the tubes.

Besonders bevorzugt bilden die Gitter und/oder die Netze einen konischen unteren Rohrabschluss aus mit einer nach unten gerichteten Konusspitze und einem Konuswinkel < 90°C, vorzugsweise zwischen 30°C und 60°. Dies dient insbesondere der Fokussierung von Kondensat aus dem Rohr oder den Rohren, das über die Konusspitze in ein tiefer liegendes Kolonnensegment abtropfen oder abfließen kann, insbesondere in ein dort angeordnetes korrespondierendes Rohr.Particularly preferably, the grids and / or the nets form a conical lower tube termination with a conical tip pointing downwards and a cone angle <90 ° C, preferably between 30 ° C and 60 °. This serves, in particular, for focusing condensate from the tube or tubes, which can drip off or flow away via the cone tip into a deeper-lying column segment, in particular into a corresponding tube arranged there.

Die oberen Enden des Rohrs oder der Rohre sind bevorzugt offen. In der Regel münden das Rohr oder die Rohre nach oben hin in bevorzugt zylindrischen Hohlräumen, die zu den Seiten hin durch die Innenwände der säulenförmigen Reaktionskolonne begrenzt werden. Die Wände der Reaktionskolonne können in diesem Bereich durch verschließbare Wartungsöffnungen durchbrochen sein, über die das Rohr oder die zwei oder mehr Rohre des Rohrbündels mit Katalysator befüllt werden können. The upper ends of the tube or tubes are preferably open. In general, the tube or tubes open at the top in preferably cylindrical cavities, which are bounded to the sides by the inner walls of the columnar reaction column. The walls of the reaction column can be pierced in this area by closable maintenance openings, via which the tube or the two or more tubes of the tube bundle can be filled with catalyst.

Besonders bevorzugt wird in der Reaktionskolonne einer erfindungsgemäßen Anlage ein katalytisch wirkender Feststoff auf Basis von Vinylpyridin oder einem Vinylpyridin-Derivat eingesetzt. Ein geeignetes katalytisch wirksames Vinylpyridin-Divinylbenzol-Copolymer ist beispielsweise in der US 4,613,489 beschrieben.Particular preference is given to using a catalytically active solid based on vinylpyridine or a vinylpyridine derivative in the reaction column of a plant according to the invention. A suitable catalytically active vinylpyridine-divinylbenzene copolymer is described, for example, in US Pat US 4,613,489 described.

Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass mindestens eines der Segmente der Reaktionskolonne einer erfindungsgemäßen Anlage einen katalytisch wirkenden Feststoff auf Basis von Styrol oder einem Styrolderivat, insbesondere auf Basis eines Styrol-Divinylbenzol-Copolymers enthält. Geeignete Ciopolymere lassen sich nach verschiedenen Verfahren erhalten, die jeweils zu formelmäßig identischen Produkten führen (siehe Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 13, Weinheim 1997, Seite 301–303 ).Furthermore, it may be preferred that at least one of the segments of the reaction column of a plant according to the invention contains a catalytically active solid based on styrene or a styrene derivative, in particular based on a styrene-divinylbenzene copolymer. Suitable ciopolymers can be obtained by various processes, each leading to formulas identical products (see Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 4th Edition, Volume 13, Weinheim 1997, pages 301-303 ).

Eine erfindungsgemäße Anlage weist in Übereinstimmung mit den obigen Ausführungen in besonders bevorzugten Ausführungsformen eine Reaktionskolonne auf,

  • • die mindestens ein Segment aufweist, das mit einem katalytisch wirkenden Feststoff auf Basis von Vinylpyridin oder einem Vinylpyridin-Derivat, insbesondere mit einem Vinylpyridin-Divinylbenzol-Copolymer, mindestens teilweise befüllt ist und
  • • mindestens ein Segment, das mit einem katalytisch wirkenden Feststoff auf Basis von Styrol oder einem Styrolderivat, insbesondere auf Basis eines Styrol-Divinylbenzol-Copolymers, befüllt ist.
A plant according to the invention has a reaction column in accordance with the above statements in particularly preferred embodiments,
  • Having at least one segment which is at least partially filled with a catalytically active solid based on vinylpyridine or a vinylpyridine derivative, in particular with a vinylpyridine-divinylbenzene copolymer, and
  • At least one segment which is filled with a catalytically active solid based on styrene or a styrene derivative, in particular based on a styrene-divinylbenzene copolymer.

Dabei ist das Segment mit dem katalytisch wirkenden Feststoff auf Basis von Vinylpyridin oder dem Vinylpyridin-Derivat bevorzugt unterhalb des Segments mit dem katalytisch wirkenden Feststoff auf Basis von Styrol oder dem Styrolderivat angeordnet.In this case, the segment containing the catalytically active solid based on vinylpyridine or the vinylpyridine derivative is preferably arranged below the segment with the catalytically active solid based on styrene or the styrene derivative.

Wie oben erwähnt, findet in jedem der mit dem katalytisch wirkenden Feststoff befüllten Segmente (bzw. in den Rohren innerhalb dieser Segmente) sowohl eine Reaktion als auch eine kontinuierliche destillative Abtrennung von Leichtsiedern (also insbesondere der monosilanhaltigen Fraktion) statt. Die Leichtsieder können dann in nachgeschaltete Segmente überführt werden, so dass in aller Regel die Konzentration an Monosilan in einer Kolonne nach oben hin zunimmt. Aus dem letzten bzw. dem oberen mit dem katalytisch wirkenden Feststoff befüllten Segment in einer Kolonne wird das silanhaltige Produktgemisch dann einem Kondensator, dem erwähnten Hauptkondensator, zugeführt, der in der Regel so betrieben wird, dass entweder nur Monosilan oder eine monosilanhaltige Fraktion mit möglichst geringen Anteilen an weiteren leichtflüchtigen Komponenten passieren kann. Chlorhaltige Silane sollen nach Möglichkeit durch den Hauptkondensator in der Reaktionskolonne zurückgehalten werden. Aus diesem Grund ist der Hauptkondensator in bevorzugten Ausführungsformen in den Kopf der Reaktionskolonne integriert. Es ist grundsätzlich aber auch möglich, einen separaten, der Kolonne nachgeschalteten Kondensator zu verwenden. Die in einem solchen Kondensator abgetrennten Chlorsilane können über eine Rückführungsleitung wieder der Reaktionskolonne zugeführt werden.As mentioned above, in each of the segments filled with the catalytically active solid (or in the tubes within these segments) both a reaction and a continuous distillative separation of low-boiling components (ie, in particular the monosilane-containing fraction) take place. The low-boiling components can then be converted into downstream segments, so that as a rule the concentration of monosilane in a column increases in the upward direction. From the last or the upper segment filled with the catalytically active solid in a column, the silane-containing product mixture is then fed to a condenser, the main condenser mentioned, which is usually operated so that either only monosilane or a monosilane-containing fraction with the lowest possible Shares in other volatile components can happen. Chlorine-containing silanes should, if possible, be retained by the main condenser in the reaction column. For this reason, in preferred embodiments, the main condenser is integrated in the top of the reaction column. In principle, however, it is also possible to use a separate condenser connected downstream of the column. The chlorosilanes separated in such a condenser can be returned to the reaction column via a recycle line.

Die Betriebstemperatur des Hauptkondensator liegt vorzugsweise im Bereich zwischen –20°C und –100°C.The operating temperature of the main capacitor is preferably in the range between -20 ° C and -100 ° C.

Besonders bevorzugt zeichnet sich eine erfindungsgemäße Anlage dadurch aus, dass der Durchmesser des Rohrs oder sämtlicher Rohre des Rohrbündels um den Faktor 50 bis 300 größer ist als der mitllere Korngröße des Katalysators (Bevorzugt gewonnen aus der Siebanalyse, sie entspricht dem bei einem Siebdurchgang von 50% zugehörigen Korndurchmesser). Letztere bewegt sich bevorzugt im Bereich zwischen 1 mm und 6 mm.Particularly preferred is a plant according to the invention characterized in that the diameter of the tube or all tubes of the tube bundle by a factor of 50 to 300 is greater than the mitllere grain size of the catalyst (preferably obtained from the sieve analysis, it corresponds to the at a 50% throughput associated grain diameter). The latter preferably moves in the range between 1 mm and 6 mm.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Länge des oder der in den in Segmenten enthaltenen Rohre seinen bzw. ihren Durchmesser um den Faktor 10 bis 20 übersteigt.Furthermore, it is preferred that the length of the tube (s) in the tubes contained in segments exceeds its diameter by a factor of 10 to 20.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können einzelne Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.Further features of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the inventive system in conjunction with the subclaims. In this case, individual features can be implemented individually or in combination with one another in one embodiment of the invention. The described preferred embodiments are merely illustrative and for a better understanding of the invention and are in no way limiting.

Figurenbeschreibungfigure description

1 zeigt schematisch den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage (Darstellung im Längsschnitt). 1 schematically shows the structure of a preferred embodiment of a system according to the invention (longitudinal view).

Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Reaktionskolonne 101 mit dem Zulauf 102 für Trichlorsilan, dem Ablauf 103 für anfallendes Siliziumtetrachlorid und dem Heizbereich 104, in dem das Trichlorsilan verdampft werden kann. Über dem Heizbereich 104 sind drei Segmente 106, 107 und 108 angeordnet, die jeweils ein Rohrbündel aus mehreren Rohren (dargestellt sind die jeweils identisch ausgebildeten Rohre 109, 110 und 111) aufweist. Letztere sind mit einem katalytisch wirkenden Feststoff befüllt. Jedes der Kolonnensegmente umfasst einen Wärmetauschraum 112 (schraffiert dargestellt), durch den die Rohre 109, 110 und 111 geführt sind. Durch die Zu- und Abläufe 113 und 114 können in diese Wärmetauschräume 112 Wärmetauschmedien geleitet werden, so dass es möglich ist, die Temperatur, bei der die katalysierten Umsetzungen in den einzelnen Segmenten 106, 107 und 108 erfolgen sollen, genau festzulegen.The illustrated preferred embodiment of a system according to the invention comprises the reaction column 101 with the feed 102 for trichlorosilane, the process 103 for accumulating silicon tetrachloride and the heating area 104 in which the trichlorosilane can be evaporated. Above the heating area 104 are three segments 106 . 107 and 108 arranged, each a tube bundle of several tubes (shown are each identically formed tubes 109 . 110 and 111 ) having. The latter are filled with a catalytically active solid. Each of the column segments includes a heat exchange space 112 (hatched) through which the pipes pass 109 . 110 and 111 are guided. Through the inflows and outflows 113 and 114 can in these heat exchange rooms 112 Heat transfer media are routed so that it is possible to control the temperature at which the catalyzed reactions take place in the individual segments 106 . 107 and 108 to be specified.

An ihrem unteren Ende sind die Rohre des Rohrbündels jeweils mit einem Netz verschlossen. Die Netze laufen nach unten spitz zu und bilden konische untere Rohrabschlüsse aus. Im Falle der Rohre 109, 110 und 111 sind dies die dargestellten konischen unteren Rohrabschlüsse 115, 116 und 117. Alle weisen eine nach unten gerichtete Konusspitze auf. Der Konuswinkel beträgt jeweils weniger als 90°.At its lower end, the tubes of the tube bundle are each closed with a net. The nets taper downwards and form conical bottom tube ends. In the case of the pipes 109 . 110 and 111 These are the illustrated conical bottom pipe connections 115 . 116 and 117 , All have a downward cone tip. The cone angle is less than 90 °.

Befällt werden können die Rohre 109, 110 und 111 über Zufuhröffnungen 118 in der Reaktorwand. Am Kopfende der Reaktionskolonne 101 befindet sich der Hauptkondensator 105, der als modulares Segment in die Reaktionskolonne 101 integriert ist. Über die Zu- und Abläufe 119 und 120 kann dem Kondensator Kühlmittel zugeführt werden. In der Reaktionskolonne 101 hergestelltes Monosilan kann über den Auslass 121 entweichen.The pipes can be affected 109 . 110 and 111 via feed openings 118 in the reactor wall. At the head of the reaction column 101 is the main capacitor 105 which is a modular segment in the reaction column 101 is integrated. About the inflows and outflows 119 and 120 can be supplied to the condenser coolant. In the reaction column 101 manufactured monosilane can through the outlet 121 escape.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (7)

Anlage zur Herstellung von Monosilan (SiH4) durch katalytische Disproportionierung von Trichlorsilan (SiHCl3) mit einer säulenförmigen Reaktionskolonne (101) mit einem Zulauf (102) für Trichlorsilan, einem Ablauf (103) für anfallendes Siliziumtetrachlorid (SiCl4) und einem Heizbereich (104), vorzugsweise am unteren Kolonnenende, sowie einem Kondensator (105), über den hergestelltes Monosilan aus der Kolonne (101) abgeführt werden kann, wobei die Kolonne (101) ein Segment (106; 107; 108) umfasst, in dem ein katalytisch wirkender Feststoff enthalten ist und wobei das Kolonnensegment (106; 107; 108) ein Rohr oder ein Rohrbündel aus zwei oder mehr Rohren (109; 110; 111) umfasst, das oder die mit dem katalytisch wirkenden Feststoff befüllt sind.Plant for the preparation of monosilane (SiH 4 ) by catalytic disproportionation of trichlorosilane (SiHCl 3 ) with a columnar reaction column ( 101 ) with a feed ( 102 ) for trichlorosilane, a procedure ( 103 ) for accumulating silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and a heating area ( 104 ), preferably at the lower end of the column, and a condenser ( 105 ), via the prepared monosilane from the column ( 101 ) can be removed, the column ( 101 ) a segment ( 106 ; 107 ; 108 ), in which a catalytically active solid is contained, and wherein the column segment ( 106 ; 107 ; 108 ) a tube or a tube bundle of two or more tubes ( 109 ; 110 ; 111 ), which are filled with the catalytically active solid. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolonnensegment (106; 107; 108) einen Wärmetauschraum (112) umfasst, durch den die Rohre (109; 110; 111) des Rohrbündels geführt sind.Plant according to claim 1, characterized in that the column segment ( 106 ; 107 ; 108 ) a heat exchange space ( 112 ), through which the tubes ( 109 ; 110 ; 111 ) of the tube bundle are guided. Anlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskolonne (101) mehrere der Kolonnensegmente (106; 107; 108) mit dem katalytisch wirkenden Feststoff aufweist, wobei diese innerhalb der Kolonne (101) bevorzugt übereinander angeordnet sind.Plant according to claim 1 or claim 2, characterized in that the reaction column ( 101 ) several of the column segments ( 106 ; 107 ; 108 ) with the catalytically active solid, wherein these within the column ( 101 ) are preferably arranged one above the other. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (109; 110; 111) an ihrem unteren Ende jeweils mit einem Gitter und/oder Netz verschlossen sind.Installation according to one of claims 1 to 3, characterized in that the tubes ( 109 ; 110 ; 111 ) are each closed at its lower end with a grid and / or network. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter und/oder die Netze einen konischen unteren Rohrabschluss (115; 116; 117) ausbilden mit einer nach unten gerichteten Konusspitze und einem Konuswinkel < 90°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°.Plant according to claim 4, characterized in that the grids and / or the nets form a conical lower tube termination ( 115 ; 116 ; 117 ) form with a downward cone tip and a cone angle <90 °, preferably between 30 ° and 60 °. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser sämtlicher Rohre (109; 110; 111) des Rohrbündels um den Faktor 50 bis 300 größer ist als die mittlere Korngröße des Katalysators.Installation according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of all tubes ( 109 ; 110 ; 111 ) of the tube bundle is larger by a factor of 50 to 300 than the mean grain size of the catalyst. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Rohre (109; 110; 111) ihren Durchmesser um den Faktor 5 bis 20, bevorzugt 6 bis 12, übersteigt.Installation according to one of the preceding claims, characterized in that the length of the tubes ( 109 ; 110 ; 111 ) exceeds its diameter by a factor of 5 to 20, preferably 6 to 12.
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