利用连续管状反应器制备氯硅烷气体的方法技术

本发明专利技术涉及一种以有效的方式由四氯硅烷制备三氯硅烷的设备。该设备包括：入口，分散在液体四氯硅烷中的包含金属硅粉末的反应原料通过该入口进入；孔，气体反应原料通过该孔供给；出口，包含三氯硅烷的反应产物通过该出口排出；管状反应器，在该管状反应器中，通过所述入口进入的反应原料在流动的过程中彼此反应；以及流体流动阻碍装置，用于在流动的过程中引起流体碰撞。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种制备氯硅烷气体的方法，更具体地涉及一种以更有效的方式利用四氯硅烷制备三氯硅烷的方法。
技术介绍
三氯硅烷(SiHCl3,TCS)是用作高纯多晶硅(也称为多晶硅)的原料的化合物。三氯硅烷与氢在高达至少1000℃的温度下反应以沉积多晶硅。沉积多晶硅的反应通常表示如下：4SiHCl3→Si+3SiCl4+2H2(1)SiHCl3+H2→Si+3HCl(2)在用于沉积多晶硅的反应中使用的三氯硅烷通常通过使金属硅与氯化氢反应来制备。例如，公开了使用流化床反应器制备三氯硅烷的方法，其中，金属硅在含有铁和铝的催化剂存在下与氯化氢反应，如反应3所示：Si+3HCl→SiHCl3+H2(3)作为反应的结果，获得了气体产物。此后，通过冷却将气体产物冷凝至-10℃以下。但是，该冷凝物包括作为副产物的其它氯硅烷以及三氯硅烷。通过蒸馏从冷凝物中分离并收集三氯硅烷，然后将其用作制备多晶硅的原料。四氯硅烷(SiCl4，STC)也通过蒸馏分离。四氯硅烷通常通过反应4转化为三氯硅烷(TCS)：3SiCl4+2H2+Si→4SiHCl3(4)所得三氯硅烷再用于制备多晶硅。提出了另一种制备三氯硅烷的方法(见图1)。根据该方法，将尺寸为大约100μm至大约300μm的金属硅粒子、氯化氢、四氯硅烷和氢供给至填充有金属硅粒子的流化床反应器中，并且金属硅和氯化氢的反应(反应3)，金属硅、四氯硅烷和氢气的反应(反应4)在反应器中同时进行以制备三氯硅烷。随着反应的进行，金属硅粒子的尺寸逐渐减小，需要补充新的金属硅粒子。由于监测原料温度的变化以确定何时补充新的金属硅粒子，反应温度不恒定并且波动，结果，取决于反应时间，产物的质量变得不均匀。
技术实现思路
技术问题因此，需要一种用于更有效地将存在于基于三氯硅烷与氯化氢的反应制备多晶硅的过程中释放的气体中的氯硅烷，特别是四氯硅烷转化为三氯硅烷以再利用的方法。技术方案本专利技术的一个方面提供了一种用于制备三氯硅烷的设备，该设备包括：入口，分散在液体四氯硅烷中的包含金属硅粉末的反应原料通过该入口进入；孔，气体反应原料通过该孔供给；出口，包含三氯硅烷的反应产物通过该出口排出；管状反应器，在该管状反应器中，通过所述入口进入的反应原料在流动的过程中彼此反应；以及流体流动阻碍装置，用于在流动的过程中引起流体碰撞。在本专利技术的一个实施方案中，所述流体流动阻碍装置可以是从管状反应器的内壁向反应空间突出的结构。在本专利技术的另一个实施方案中，所述流体流动阻碍装置可以通过使管状反应器的流动路径弯曲来形成。根据本专利技术，所述气体反应原料可以是氯化氢、氢或它们的混合物。根据本专利技术，所述反应可以在300℃至1000℃下以液相进行。根据本专利技术的一个优选实施方案，所述金属硅粉末的平均粒径可以是10微米以下。根据本专利技术的一个优选实施方案，金属硅与四氯硅烷的重量比可以是1:20～200。所述四氯硅烷可以是通过三氯硅烷与氢的反应沉积多晶硅中的副产物。根据本专利技术的一个优选实施方案，所述设备还可以包括用于使作为沉积多晶硅的副产物的四氯硅烷冷却和液化的装置。根据本专利技术的一个优选实施方案，所述设备还可以包括用于在反应之后将反应产物三氯硅烷与残留的金属硅分离的装置。但是，优选的是金属硅粉末在反应中用完并且不会在反应之后残留。根据本专利技术的设备可以有效地用于连续制备三氯硅烷的工艺中。有益效果根据本专利技术，在其中分散有金属硅粒子的作为反应物的四氯硅烷与氯化氢在水平管状反应器中反应以在流经反应器的过程中制备三氯硅烷。形成在反应器的内壁上用以阻碍流体流动的结构确保反应物的均匀化以实现更好的接触效率，使得三氯硅烷的生产率提高。通过将金属硅粒子的尺寸调节至10微米以下，四氯硅烷与硅粒子之间的接触面积增加，使得反应部位的数目增加。因此，反应速率增加，带来三氯硅烷生产率的增加。金属硅粒子的尺寸变得更小，由此可以在预定反应时间结束后用完。附图说明图1是说明了根据现有技术的流化床工艺的示意图。图2是说明了利用本专利技术的设备制备三氯硅烷的方法的示意流程图。图3是根据本专利技术的一个实施方案的设备的截面图。图4和5是根据本专利技术的不同实施方案的设备的左侧视图。图6是根据本专利技术的另一个实施方案的设备的示意截面图。图7是根据本专利技术的又一个实施方案的设备的示意截面图。图8是根据本专利技术的再一个实施方案的设备的示意透视图。具体实施方式在本专利技术的设备中，金属硅粉末分散在液体四氯硅烷和氯化氢中并与之反应。该分散反应增加了四氯硅烷和硅之间的接触面积并且引起它们之间的均匀接触，实现了反应效率的最大化。最优选地，使用该设备可以确保足够的接触时间和面积，使得金属硅粒子可以在反应中用完。本专利技术还提供了一种利用所述设备制备三氯硅烷的方法。根据本专利技术所述的方法，金属硅与氯化氢的反应(反应3)和四氯硅烷、金属硅与氢的反应(反应4)同时发生以制备三氯硅烷。全部反应以液相进行并且可以表示如下：3SiCl4(l)+HCl(g)+3H2(g)+Si(s)→4SiHCl3(l)+HCl(g)+H2(g)(5)氯化氢由于溶于四氯硅烷，虽然以气相供应，但仍可以参与液相反应。由于反应之后反应器即刻的内部压力，反应产物可以以液相存在。在本专利技术的方法中，在高温高压下将反应物四氯硅烷(STC)、氯化氢、氢和金属硅粉末同时供应至管状反应器中，在流经反应器的反应管的过程中彼此反应以制备三氯硅烷(TCS)。因此，最优选的是金属硅粉末在反应中用完并且在管状反应器的出口处没有残留。为了使金属硅粉末在反应中用完，需要管状反应器足够长或金属硅粉末以高效率与其他反应物反应。管状反应器本质上可以延伸至一定程度，但是由于实际和成本限制，它的长度不能无限增加。鉴于这些限制，本专利技术人设计了在其中金属硅粉末可以以提高的效率与其他反应物反应的管状反应器的结构。当将液体反应物与包含金属硅粒子的反应物供应至具有基本结构(“线形管状反应器”)的管状反应器中时，由于液体反应物与金属硅粒子不同的密度，金属硅粒子可能沉淀于反应器的反应管中。该沉淀增加了不均匀沉积的风险。鉴于该现象，本专利技术的设备包括用于阻碍反应管中的流体流动的装置。所述反应物在流经反应管的过程中彼此碰撞并通过流体流动阻碍装置重新排列。也就是说，流体流动阻碍装置增加了金属硅粒子和溶剂分子之间的接触频率、时间和面积，实现了反应效率的提高。所述反应在高温高压下发生且因此极大地受到压力的影响。尽管反应器的压力整体上保持恒定，但是流体由于管状反应器中的阻碍装置而彼此碰撞产生涡流，引起局部和微尺度反应体系的压力差。该压力差起到提高反应效率的动力的作用。参照图2，将给出根据本专利技术的方法的一个实施方案的更详细的说明。如图2所示，四氯硅烷气体1在通过冷却器10的过程中转化为液体四氯硅烷。液体四氯硅烷2与氯化氢4混合，金属硅粒子6被加入其中。在与金属硅粒子混合之前，液体四氯硅烷和氯化氢可以通过泵20加压。所述泵不是必需的而是可选择的。氢气可以在任意上述步骤中加入，例如，在液体四氯硅烷2与氯化氢4混合之前或之后，或在金属硅粒子分散之前或之后。金属硅粒子在液体四氯硅烷/氯化氢混合物中的分散系7被供应至发生反应的管状反应器30中。反应器30包括用于提供最佳反应温度的加热装置(未示出)，并且设计为可以提供足够的停留时间和接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备三氯硅烷的设备，包括：入口，分散在液体四氯硅烷中的包含金属硅粉末的反应原料通过该入口进入；孔，气体反应原料通过该孔供给；出口，包含三氯硅烷的反应产物通过该出口排出；管状反应器，在该管状反应器中，通过所述入口进入的反应原料在流动的过程中彼此反应；以及流体流动阻碍装置，用于在流动的过程中引起流体碰撞。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.13 KR 10-2014-00570931.一种用于制备三氯硅烷的设备，包括：入口，分散在液体四氯硅烷中的包含金属硅粉末的反应原料通过该入口进入；孔，气体反应原料通过该孔供给；出口，包含三氯硅烷的反应产物通过该出口排出；管状反应器，在该管状反应器中，通过所述入口进入的反应原料在流动的过程中彼此反应；以及流体流动阻碍装置，用于在流动的过程中引起流体碰撞。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流体流动阻碍装置是从所述管状反应器的内壁向反应空间突出的结构。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流体流动阻碍装置通过使所述管状反应器的流动路径弯曲形成。...

【专利技术属性】
技术研发人员：金庾锡，金正奎，柳振炯，李正雨，张银洙，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR