用于将氯硅烷歧化成单硅烷和四氯硅烷的塔和方法以及用于获取单硅烷的装置制造方法及图纸

描述了一种用于将氯硅烷歧化成单硅烷和四氯硅烷的塔和方法，并且同时精馏分离所得硅烷。还描述了一种具有此种塔的装置。所述塔包括塔顶、塔底和布置在两者间的管形塔壳。在所述塔壳内和沿着塔轴存在呈交替布置的至少两个处于相叠的反应区和至少两个用于精馏分离的分离区。所述反应区各自布置有催化剂床，在所述催化剂床中氯硅烷歧化成低沸点硅烷以及(相比较)高沸点硅烷，所述低沸点硅烷在所述塔内形成上行气体流，所述高沸点硅烷(在冷凝之后)在所述塔内形成指向下的液体流。在此构造所述分离区和所述反应区，使得所述气体流和所述液体流在所述分离区中相遇，而在所述反应区中，将所述液体流引导经过所述催化剂床并且所述气体流以与所述液体流空间上分离的方式通过所述催化剂床。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于将氯硅烷歧化成单硅烷和四氯硅烷的塔和方法以及用于获取单硅烷的装置本专利技术涉及用于将氯硅烷歧化成单硅烷和四氯硅烷的塔和方法，其中同时精馏分离所得硅烷。本专利技术进一步涉及一种利用此种塔获取单硅烷的装置。用于制造半导体元件和太阳能电池的高纯度硅一般在起始自冶金硅的多步骤工艺中制备，冶金硅一般具有相对高份额的杂质。为纯化冶金硅，可将它例如转化成诸如三氯硅烷(SiHCl3)的三卤代硅烷，随后使三卤代硅烷经受热分解成为高纯度硅。这种类型的方法例如从DE2919086A1中已知。这种方法的进一步发展始于公司UnionCarbideCorp.并且描述于DE3311650A1中。根据这种方法三氯硅烷不立即分解。相反，它经受歧化，其中获得单硅烷(SiH4)和四氯硅烷(SiCl4)作为最终产物。然后，不是三氯硅烷而是所得的单硅烷热分解。有利地，在分解时生成的分解产物几乎仅为氢气(H2)和金属硅。相反地，三氯硅烷的分解产生诸如氯化氢(HCl)的高度腐蚀性化合物。为加速诸如三氯硅烷的氯硅烷的歧化，可使用催化剂。已证明为特别有利的碱性催化剂，诸如像从DE2507864A1中已知的胺化合物。这些催化剂优选以结合形式采用，如例如DE3311650A1中所描述的。结合至固体载体的催化剂易于与液态或气态反应混合物分离。因此现今在氯硅烷的工业歧化中实际上专用固定至载体或嵌入交联聚合物中的胺催化剂。尤其从DE19860146A1中已知，根据反应性蒸馏的原理可进行三氯硅烷的歧化。反应性蒸馏的特征在于在一个塔中组合反应和蒸馏尤其是精馏分离。三氯硅烷可在此塔内的合适催化剂之上歧化，而同时通过蒸馏尤其是精馏从塔中去除由歧化产生的低沸点产物。因建立起化学平衡，在封闭反应容器中进行的歧化的反应产率是有限的。相比之下，由于连续去除低沸点产物，在反应性蒸馏中持续发生平衡偏移，从而提高歧化的反应产率和总工艺的效率。由DE10017168A1已知，在一个塔内相叠地布置多个反应的反应/蒸馏区域。在此，布置在所述区域之间的冷凝器将含单硅烷的产物混合物与相比较高沸点氯硅烷分离。这种方法变型在设备上相对复杂，但确保了反应的较高位区域不受高沸点氯硅烷过度负载。由DE102009032833A1已知，一种其中相叠布置有反应的两种反应/蒸馏区域的单硅烷歧化反应塔。反应的两种区域在不同温度下运行并且还包含起不同催化作用的固体，其中针对反应的下区域选择的固体比针对反应的上区域设置的固体具有更高热稳定性。仅经由塔底加热的塔可相应地在相比较高温下运行，因为在反应的下区域中较少必要考虑到催化剂的热稳定性。以这种方式可提高歧化的速度。本专利技术的目的在于改善用于歧化氯硅烷尤其是三氯硅烷的现有技术解决方案。寻找了特征在于高能量效率和高产率以及在具有尽可能简单的设备构造的装置中的可实现性的技术解决方案。该目的通过具有权利要求1所述特征的塔和具有权利要求15所述特征的方法来实现。根据本专利技术的塔的优选实施方案在从属权利要求2至14中给出。根据本专利技术的方法的优选实施方案定义于从属权利要求16中。另外，本专利技术还涵盖具有权利要求14所述特征的装置。所有权利要求的原文特此以引用的方式并入本说明书中。本专利技术的塔根据反应性蒸馏的原理，像从DE19860146A1、DE10017168A1和DE102009032833A1中已知的塔般工作。像此前用于歧化氯硅烷的塔般，它包括塔顶、塔底和布置在两者间的管形塔壳。塔顶通常形成塔的最高点。塔的优选排列是竖直的。所述塔通常以连续方式运行。为此，可以逐份方式或以连续方式用氯硅烷装载所述塔。一般以连续方式实现从塔中导出在歧化的过程中生成的单硅烷。可以连续方式或以有规律的间隔从塔底取出所形成的四氯硅烷。用于歧化的优选起始产物是三氯硅烷，正如开篇所述的方法。三氯硅烷根据以下反应方案歧化：如方案可得出，三氯硅烷转化成单硅烷经由两种中间体，即经由二氯硅烷(SiH2Cl2)和一氯硅烷(SiH3Cl)进行。如开篇提及的，其中形成这些中间体和最终产物单硅烷的产率取决于在塔中占优势的条件下建立的各自的平衡状态。然而，从反应平衡中永久去除产物可用来使这些平衡向所需方向偏移。这正是通过持续精馏分离所得硅烷和/或硅烷混合物而在本专利技术的塔中发生的事。原则上，一氯硅烷和/或二氯硅烷还可用作代替三氯硅烷或与三氯硅烷组合的歧化反应的起始产物。尤其来说，在其中以经典方式通过热分解三氯硅烷获取硅的运行中可大量提供二氯硅烷。在那在分解过程中作为副产物产出。在一些情况下，塔中出现的硅烷的沸点差异极大。在大气压下单硅烷的沸点为-112℃，而四氯硅烷的沸点为57℃。中间产物一氯硅烷和二氯硅烷具有-30℃和8℃的沸点(再次在大气压下)。在大气压下三氯硅烷的沸点为32℃。单硅烷与一氯硅烷之间大的沸点差异在本专利技术的塔中具有特别有利的效应：它允许在塔中有效分离单硅烷。根据本专利技术的塔的塔壳优选构造成空心圆筒。在壳内，根据本专利技术的塔与此前用于反应/蒸馏转化氯硅烷的任何现有技术塔有相当明显的差异。塔在塔壳内和沿着塔轴包括多个(至少两个)处于相叠的反应区以及用于精馏分离的多个(至少两个)分离区，其中反应区和分离区沿着塔轴交替布置。换言之，在相邻反应区之间始终布置有分离区并且在相邻分离区之间始终布置有反应区。反应区各自布置有催化剂床。在其中根据等式I至III进行所述氯硅烷歧化。在此，等式的每一者涉及形成低沸点和相比较高沸点的硅烷，其中术语低沸点和高沸点在此要理解为具有相对的含义。例如，在二氯硅烷的歧化中形成三氯硅烷和一氯硅烷，其中三氯硅烷在此是高沸点组分并且一氯硅烷是低沸点组分。在一氯硅烷的歧化中生成单硅烷和二氯硅烷，在此情况下单硅烷是低沸点组分并且二氯硅烷是高沸点组分。考虑到事实，即在统计学上可见，在塔内一氯硅烷的歧化在二氯硅烷的歧化“上方”发生，明显的是任选在冷凝之后，高沸点硅烷在塔内形成指向下的液体流，而低沸点硅烷在塔内形成上行气体流。作为最轻产物的单硅烷不管怎样向着塔顶的方向和作为最重产物的四氯硅烷向着塔底的方向。特别优选，根据本专利技术的塔的特征在于，如此构造分离区和反应区，以使得气体流和液体流在分离区中相遇，同时在反应区中指向下的液体流引导经过催化剂床，而指向上的气体流以与液体流空间上分离的方式通过催化剂床。换言之，尽管气体流和液体流在分离区中相遇，但它们被彼此分离地引导经过反应区。已证实根据本专利技术的塔的设计优于常规建设方式。特别地，反应区和分离区的交替布置与反应区中气体流和液体流的有针对性的分离的组合赋予塔关于产率和反应速度明显更高的效能。此外，歧化所需的能量低于现有技术已知的歧化。据信，一方面歧化反应在根据本专利技术的塔中更有效进行，因为待转化的氯硅烷与催化剂的接触不受上行气体阻碍。另外，由于分离区和反应区的交替布置，精馏分离似乎更有效进行。在优选实施方案中，根据本专利技术的塔在塔壳内和沿着塔轴包括2与12个之间的反应区，更优选4与7个之间的反应区和尤其是5个反应区。最上面的反应区优选布置在两个分离区之间，两个分离区之一在反应区上方并且另一个在下方。在优选实施方案中，本专利技术的塔在塔壳内和沿着塔轴进一步包括3与13个之间的分离区，更优选4与8个之间的分离区和尤其是6个分离区。优选地，反应区各自包括至少一个气体通道，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将氯硅烷(连续)歧化成单硅烷和四氯硅烷的塔，其中同时精馏分离所得硅烷，所述塔具有以下特征：•所述塔包括塔顶、塔底和布置在两者间的管形塔壳，•所述塔在所述塔壳内和沿着塔轴包括至少两个处于相叠的反应区，在其中各自布置有催化剂床，在所述催化剂床中氯硅烷歧化成低沸点硅烷以及(相比较)高沸点硅烷，所述低沸点硅烷在所述塔内形成上行气体流，所述高沸点硅烷(在冷凝之后)在所述塔内形成指向下的液体流，•所述塔在所述塔壳内和沿着所述塔轴包括用于精馏分离的至少两个分离区，•所述反应区和所述分离区沿着所述塔轴交替布置，•构造所述分离区，使得所述气体流和所述液体流在所述分离区中相遇，和•构造所述反应区，使得所述指向下的液体流引导经过所述催化剂床，而指向上的气体流以与所述液体流空间上分离的方式通过所述催化剂床。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.27 DE 102015203618.91.一种用于将氯硅烷(连续)歧化成单硅烷和四氯硅烷的塔，其中同时精馏分离所得硅烷，所述塔具有以下特征：•所述塔包括塔顶、塔底和布置在两者间的管形塔壳，•所述塔在所述塔壳内和沿着塔轴包括至少两个处于相叠的反应区，在其中各自布置有催化剂床，在所述催化剂床中氯硅烷歧化成低沸点硅烷以及(相比较)高沸点硅烷，所述低沸点硅烷在所述塔内形成上行气体流，所述高沸点硅烷(在冷凝之后)在所述塔内形成指向下的液体流，•所述塔在所述塔壳内和沿着所述塔轴包括用于精馏分离的至少两个分离区，•所述反应区和所述分离区沿着所述塔轴交替布置，•构造所述分离区，使得所述气体流和所述液体流在所述分离区中相遇，和•构造所述反应区，使得所述指向下的液体流引导经过所述催化剂床，而指向上的气体流以与所述液体流空间上分离的方式通过所述催化剂床。2.根据权利要求1所述的塔，其特征在于，所述反应区各自具有至少一个气体通道，优选管形气体通道，所述气体流能够经过所述气体通道(从下向上)未受阻地通过布置在所述反应区中的所述催化剂床。3.根据权利要求2所述的塔，其特征在于，所述气体通道是其轴与所述塔轴叠合的管。4.根据权利要求1至3中任何项所述的塔，其特征在于，所述反应区中的所述催化剂床环形围绕所述塔轴布置，特别地环形围绕所述反应区中的所述管形气体通道布置。5.根据前述权利要求任何项所述的塔，其特征在于，包括构件，可通过所述构件以受控方式将引导经过所述催化剂床的所述液体流拦在所述催化剂床中。6.根据前述权利要求任何项所述的塔，其特征在于，针对布置在分离区上方的每个反应区包括管线，来自此反应区的所述催化剂床的被拦住液体可经由所述管线转移至处于下方的所述分离区中，其中此管线的至少部分节段优选布置在所述塔壳外部。7.根据权利要求6所述的塔，其特征在于，将排水管引入所述催化剂床的托板区域中，与所述排水管连接有所述管线并且经由所述排水管向其供应所述液体。8.根据权利要求6或权利要求7所述的塔，其特征在于，在所述管线绕成呈倒置“U”形状的拱之前，在所述塔顶的方向上上升，并且在处于下方的所述分离区的方向上下行。9.根据前述权利要求任何项所述的塔，其特征在于，针对布置在反应区下方的每个分离区包括用于所述指向下的液体流的分配器(液体分配器)，以使这些分离区可以尽可能大的横截面被流过。10.根据权利要求9所述的塔，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：C施密德，J哈恩，CA富尔曼，
申请(专利权)人：施米德硅晶片科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE