[go: up one dir, main page]

WO2014082110A1 - Verfahren zur plasmachemischen herstellung von chlorsilanen - Google Patents

Verfahren zur plasmachemischen herstellung von chlorsilanen Download PDF

Info

Publication number
WO2014082110A1
WO2014082110A1 PCT/AT2013/050228 AT2013050228W WO2014082110A1 WO 2014082110 A1 WO2014082110 A1 WO 2014082110A1 AT 2013050228 W AT2013050228 W AT 2013050228W WO 2014082110 A1 WO2014082110 A1 WO 2014082110A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
reaction
plasma source
reactants
plasma torch
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.)
Ceased
Application number
PCT/AT2013/050228
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Lippold
Rolf MERKER
Johann Harter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ACTIV SOLAR GmbH
Original Assignee
ACTIV SOLAR GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ACTIV SOLAR GmbH filed Critical ACTIV SOLAR GmbH
Publication of WO2014082110A1 publication Critical patent/WO2014082110A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/08—Compounds containing halogen
    • C01B33/107—Halogenated silanes
    • C01B33/1071—Tetrachloride, trichlorosilane or silicochloroform, dichlorosilane, monochlorosilane or mixtures thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/08—Compounds containing halogen
    • C01B33/107—Halogenated silanes

Definitions

  • the present invention relates to a process for the plasma-chemical production of chlorosilanes, in particular of silicon tetrachloride.
  • the chlorosilanes silicon tetrachloride and trichlorosilane are currently produced in a large-scale process consisting of at least two process stages.
  • elemental silicon is first generated from silicon dioxide with excess carbon in an electric arc furnace.
  • This silicon is converted in a second process stage with hydrogen chloride or chlorine to the target product chlorosilane.
  • this two-stage process is to be replaced by a single process step, wherein the energy input takes place in an efficient manner at high temperatures by a thermal plasma.
  • the chlorination of Si0 2 in the presence of carbon is called carbochlorination.
  • Carbochlorination using the chlorine source hydrogen chloride is described for element oxides including SiO 2, for example in DE 102005024104 A1 and WO 2006/53675 A1.
  • the reaction temperatures are generally more than 800 ° C.
  • the main claim is limited to heating by means of an alternating electromagnetic field ("microwave heating"), in which the microwave energy is coupled into a component, namely the carbon content of a reaction mixture present as a bed in a reaction vessel, and first heats these particles and thus Secondary, the mixture and the thus directly in contact reactor vessel walls thermally.
  • microwave heating alternating electromagnetic field
  • WO 2006/053675 A1 does not specify the method of heating for the production of an elemental halide by contact of a charged mixture of a material containing the element and a carbon-containing material by contact with a gas stream containing hydrogen halide.
  • the application DE 102007009709 A1 describes a special embodiment of a carbochlorination process in which submitted reactants are heated by concentrated solar radiation (solar thermal) to the required high reaction temperature.
  • All said processes have the commonality, beds or Wrbel Anlagenbetten of consisting of gaseous and / or solid reactants and in contact with the reactor walls reaction mixture by direct or Indirect thermal heating to the required temperature of at least 800 ° C and to keep until the completion of the implementation at this temperature level.
  • the object of the present invention is to avoid the abovementioned disadvantages and to provide a process with which chlorosilanes can be prepared simply, effectively and inexpensively.
  • This object is achieved in that in a process for the preparation of chlorosilanes, in particular of silicon tetrachloride and / or trichlorosilane, by means of Carbochlorierung from Si0 2 , C, Cl and / or HCl as a reactant, the reaction to form a product mixture in a reaction zone within a takes place from a plasma source originating thermal plasma torch.
  • the process according to the invention for the plasma-chemical preparation of chlorosilanes, in particular for the production of silicon tetrachloride is distinguished from the prior art in that the physical conditions in a thermal plasma torch are used for the particularly efficient reaction of the reactants in the free gas space without high-temperature interaction with reactor walls and the desired composition of the reaction products is fixed by rapid relaxation and cooling of the reaction gases to avoid re-reactions. Several reactions take place in parallel and sequentially in the reactor.
  • the thermal plasma torch is generated by a plasma source of the types arc discharge source, inductively coupled plasma source or microwave plasma source.
  • a thermal atmospheric pressure plasma torch gas temperatures of well above 5000 ° C can be achieved, locally in the center of the plasma torch.
  • the plasma torch is available after its exit from the plasma source as a freely located in the gas space high temperature heat source with very high power density.
  • the plasma torch is generated by plasma excitation of a supporting gas. This gas may either be an additional inert or non-inert component introduced into the reaction mixture or one of the gaseous or vaporous reactants.
  • a specific type of plasma sources is referred to, in which for generating plasma microwave energy is radiated into the excitation space of a plasma source.
  • the result is a dense, thermal plasma that leaves the plasma source as a plasma torch through a nozzle opening.
  • the plasma is generated by electron impact, the energetic electrons receive their energy from the high-frequency electromagnetic field.
  • such a source has still other components, e.g. strong permanent magnets for the appropriate deflection of the electron orbits.
  • the microwave energy is used to generate plasma in the excitation space of a plasma source.
  • the arrangement for the plasma-thermal production of chlorosilanes consists of a reaction chamber (also referred to as a reactor), to which one or more plasma sources are mounted.
  • the reaction chamber is designed so that the hot plasma torches do not come into direct contact with the chamber walls.
  • the reaction chamber may include metering devices proximate to the exit nozzles of the plasma sources that allow injection of powdered solid, liquid or gaseous reactants into the hot center of the plasma torch.
  • One embodiment of the metering devices are annularly arranged gap nozzles.
  • the reaction chamber can also have one or more Have gas discharge openings.
  • cooling devices Downstream of these are one or more cooling devices, which allow by rapid relaxation and / or by injection of a cooling medium, a very rapid cooling of the gaseous product mixture to prevent a reverse reaction of CO with H 2 and subsequent hydrolysis of the chlorosilane product mixture.
  • the cooling medium used may preferably be the product mixture itself or silicon tetrachloride as its main component in liquid or gaseous form.
  • a gas pressure of 0.05 to 0.2 MPa prevails in the interior of the plasma source, particularly preferably 0.09 to 0.15 MPa.
  • Such a low pressure is favorable because at much higher pressures due to the ever shorter free path lengths of the electrons effective plasma ignition is becoming increasingly difficult, which is why pressures to normal pressure or slightly more preferred.
  • the inventive method does not work because no plasma torch can be generated and extracted from the source.
  • the gas pressure should also be as high as possible, because it achieves high gas phase mass throughput and the gas expansion necessary for rapid cooling after the reaction zone is easier to implement in terms of process technology. Generally speaking, pressure is as high as possible, but in the safe functional area of the plasma source. On the downside, pressure is initially limited mainly by productivity considerations and procedural reasons.
  • the temperature in the heating zone in the plasma torch is between 1500 ° C and 10000 ° C, preferably between 2000 ° C and 5000 ° C.
  • the temperature in the reaction zone of the plasma torch is between 1000 ° C and 2000 ° C, preferably between 1400 ° C and 2000 ° C.
  • Another embodiment of the present invention provides that at least one of the reactants is introduced into the plasma torch.
  • the plasma torch is used to heat the reactants quickly and to bring them to react in a homogeneous as possible gas phase.
  • a second function of the plasma torch is to transport the gaseous reaction products rapidly and directionally along the longitudinal axis of the plasma torch from the reaction zone to the following zone for rapid cooling to minimize their undirected diffusion into colder, wall-proximate areas and associated undesirable reverse reactions.
  • further gaseous substances which serve to operate the plasma torch. So can hydrogen individually or be used as a mixture with another, carbon-containing gas or vaporous material as a supporting gas of the plasma torch.
  • the dissociation of the molecular hydrogen due to the plasma excitation leads to an entry of recombination heat in the plasma torch and thus to advantageous conditions for a longer available reaction time of the registered reactants in the high temperature zone.
  • the further gaseous substances are preferably hydrogen or noble gases.
  • reaction mixture contains hydrogen chloride gas.
  • reaction mixture contains one or more members of the group comprising quartz powder, glass powder, fine sands, silicates, silicic acid, kieselguhr and / or mixtures thereof. These are available at low cost, eg. Directly by mining recoverable materials that have a high silicon content and can be easily bring as solids in very fine particle distribution.
  • the reaction mixture contain one or more members of the group comprising carbon in elemental form, carbon powder, carbonaceous suspensions, carbon in bound form as solid, liquid or gaseous carbon compounds and / or mixtures thereof. These are readily available in sufficiently pure accessible and finely distributable high carbon materials.
  • the reactants are fed into the plasma torch in a form which enables their as fast and spatially homogeneous availability as possible for the desired gas phase reactions.
  • the reaction partners are preferably in a solid or gaseous state when introduced into the plasma torch or the excitation space of the plasma source.
  • the reactants containing silicon and carbon are used as powders, in which the particles in each case contain both reactants as a mixture or are used together in the form of coated particles.
  • the silicon oxide-containing reactant in the form of powder of suitable particle size distribution is fed into the plasma torch or already into the discharge space of the plasma source by a gas stream containing the carbon-containing reactants individually or together with an additional support gas.
  • the carbonaceous reactant is fed as gas or vapor of a carbonaceous compound in the plasma torch or already in the excitation space of the plasma source.
  • the hydrogen chloride is as a steam individually or together with another Reactant fed into the plasma torch after its exit from the plasma source.
  • the silicon oxide-containing reactant in the form of a suspension of suitable particle size distribution can be fed into the plasma torch or already into the discharge space of the plasma source by a liquid stream containing the carbon-containing reactant.
  • the hydrogen chloride is fed as a vapor individually or together with another reactant into the plasma torch after its exit from the plasma source. It is also conceivable if both the silicon oxide-containing reactant and the carbonaceous reactant as a powder of suitable particle size distribution by a gas stream containing a support gas individually or in admixture with a chlorine-containing gas or vapor, are fed into the plasma torch or already in the discharge space of the plasma source.
  • the carbonaceous and the silicon oxide-containing reactant is introduced in the form of powder particles which contain the respective reactants either individually or as a mixture or as particles in a binder matrix or as coated particles.
  • the hydrogen chloride is fed as vapor into the plasma torch after it exits the plasma source.
  • Impurities in the reactants may also lead to the formation of metal chlorides which, together with possibly unreacted starting materials and any products of undesired back reactions outside the hot reaction zone, appear as dusty solid particles or liquid droplets. Therefore, it is preferably provided that the product mixture after leaving the reaction zone in a dust separator, preferably a cyclone, is separated from any remaining solids.
  • a dust separator preferably a cyclone

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von Chlorsilanen, insbesondere von Siliziumtetrachlorid und/oder Trichlorsilan, mittels Carbochlorierung aus SiO2, C, Cl und/oder HCl als Reaktionspartner, wobei die Reaktion zur Bildung eines Produktgemisches in einer Reaktionszone innerhalb einer aus einer Plasmaquelle stammenden thermischen Plasmafackel stattfindet.

Description

Verfahren zur plasmachemischen Herstellung von Chlorsilanen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur plasmachemischen Herstellung von Chlorsilanen, insbesondere von Siliziumtetrachlorid. Die Chlorsilane Siliziumtetrachlorid und Trichlorsilan werden derzeit in einem großtechnischen Prozess hergestellt, der aus mindestens zwei Prozessstufen besteht. In einer ersten energieaufwändigen Stufe wird zunächst aus Siliziumdioxid unter Kohlenstoffüberschuss in einem Lichtbogenofen elementares Silizium erzeugt. Dieses Silizium wird in einer zweiten Prozessstufe mit Chlorwasserstoff oder Chlor zum Zielprodukt Chlorsilan umgesetzt. Erfindungsgemäß soll dieser zweistufige Prozess durch einen einzigen Prozessschritt ersetzt werden, wobei der Energieeintrag in effizienter Art und Weise bei hohen Temperaturen durch ein thermisches Plasma erfolgt.
Die Chlorierung von Si02 in Gegenwart von Kohlenstoff wird Carbochlorierung genannt. Die Carbochlorierung unter Verwendung der Chlorquelle Chlorwasserstoff wird für Elementoxide einschließlich Si02 beispielsweise in DE 102005024104 A1 und WO 2006/53675 A1 beschrieben. Die Reaktionstemperaturen liegen im Allgemeinen bei mehr als 800°C.
In DE 102005024104 A1 beschränkt sich der Hauptanspruch auf Erwärmung mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes („Mikrowellenheizung"). Dabei wird die Mikrowellenenergie in eine Komponente, und zwar in den Kohlenstoffanteil eines als Schüttung in einem Reaktionsgefäß vorliegenden Reaktionsgemischs, eingekoppelt und erwärmt zunächst diese Partikel und damit sekundär das Gemisch sowie die damit direkt im Kontakt stehenden Reaktorgefäßwände thermisch.
WO 2006/053675 A1 spezifiziert die Erwärmungsmethode für die Herstellung eines Elementhalogenids durch Kontakt eines vorgelegten Stoffgemisches aus einem das Element enthaltenden Material und einem Kohlenstoff enthaltenden Material durch Kontakt mit einem Halogenwasserstoff enthaltenden Gasstrom nicht näher.
Die Anmeldung DE 102007009709 A1 beschreibt eine spezielle Ausführung von Carbochlorierungsverfahren, bei dem vorgelegte Reaktionspartner durch konzentrierte Sonnenstrahlung (solarthermisch) auf die erforderliche hohe Reaktionstemperatur geheizt werden.
Alle genannten Verfahren haben die Gemeinsamkeit, Schüttungen oder Wrbelschichtbetten des aus gasförmigen und/oder festen Reaktionspartnern bestehenden und im Kontakt mit den Reaktorwänden befindlichen Reaktionsgemischs durch direkte oder indirekte thermische Heizung auf die benötigte Temperatur von mindestens 800°C zu erhitzen und bis zum Abschluss der Umsetzung auf diesem Temperaturniveau zu halten.
Die genannten Verfahren haben darüber hinaus den Nachteil, dass die Wechselwirkung (insbesondere der Chlorquelle) mit den Reaktorwänden bei den erforderlichen hohen Temperaturen extreme materialtechnische Anforderungen stellt. Die Gefahr der Verunreinigung durch Korrosion von Wandmaterialien ist gegeben. Dauerhaft hochtemperaturfeste und Chlor- bzw. Chlorwasserstoff-resistente Wandmaterialien sind kostenintensiv. Durch die Heizung des gesamten Reaktionsvolumens und der Reaktorwände auf hohe Temperaturen droht zudem bei Durchführung der Carbochlorierung nach dem Stand der Technik ein hoher thermischer Energieverbrauch.
Die Reaktionsführung in den Anordnungen und Temperaturbereichen, die in DE 102005024104 A1 , WO 2006/53675A1 und DE 102007009709 A1 beschrieben werden, führt in Reaktionsdauern von Minuten bis Stunden zu einer weitgehenden Umsetzung. Wesentlich höhere Temperaturen, beispielsweise deutlich oberhalb von 1500°C, könnten die Umsetzung wesentlich beschleunigen. Derartige Temperaturen sind jedoch unter den vorbeschriebenen Bedingungen in Kontakt des Reaktionsgemisches mit Reaktorwänden noch schwieriger zu realisieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindungen ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem Chlorsilane einfach, effektiv und kostengünstig hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Verfahren zur Herstellung von Chlorsilanen, insbesondere von Siliziumtetrachlorid und/oder Trichlorsilan, mittels Carbochlorierung aus Si02, C, Cl und/oder HCl als Reaktionspartner die Reaktion zur Bildung eines Produktgemisches in einer Reaktionszone innerhalb einer aus einer Plasmaquelle stammenden thermischen Plasmafackel stattfindet. Das erfindungsgemäße Verfahren zur plasmachemischen Herstellung von Chlorsilanen, insbesondere zur Herstellung von Siliziumtetrachlorid, zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass die physikalischen Bedingungen in einer thermischen Plasmafackel zur besonders effizienten Umsetzung der Reaktionsteilnehmer im freien Gasraum ohne Hochtemperatur- Wechselwirkung mit Reaktorwänden genutzt werden und die gewünschte Zusammensetzung der Reaktionsprodukte durch eine schnelle Entspannung und Abkühlung der Reaktionsgase zur Vermeidung von Rückreaktionen fixiert wird. Im Reaktor laufen mehrere Reaktionen parallel und sequentiell ab. Dazu gehört die Carbochlorierungsreaktion Si02 + 2C + 4 HCl -> SiCU + 2CO + 2 H2, die in den zwei Stufen Si02 + 4 HCl -> SiCI4 + 2 H20; H20 + C -> CO + H2 abläuft. Zu den weiteren, durch plasmathermische Anregung ermöglichten Reaktionen gehört die Hydrierung SiCI4 + H2 -> HSiCI3 + HCl, die die Zusammensetzung des Reaktionsproduktes Chlorsilangemisch verändert. Durch Wasserstoff- Überschuss in der Plasmafackel kann Einfluss auf die Zusammensetzung des Reaktionsproduktes genommen werden. Dies kann eine vorteilhafte Möglichkeit sein, wenn in der Weiterverwendung des Produktes Siliziumtetrachlorid ohnehin eine Hydrierung zum Trichlorsilan beabsichtigt ist. In der heißen Reaktionszone der Plasmafackel kann weiter die Reaktionen SiCI4 + 2 H2 -> Si + 4 HCl und deren Umkehrreaktion ablaufen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die thermische Plasmafackel durch eine Plasmaquelle der Typen Bogenentladungsquelle, induktiv gekoppelte Plasmaquelle oder Mikrowellen-Plasmaquelle erzeugt wird. In einer thermischen Atmosphärendruck-Plasmafackel können Gastemperaturen von deutlich oberhalb 5000°C erreicht werden, und zwar lokal im Zentrum der Plasmafackel. Damit steht die Plasmafackel nach ihrem Austritt aus der Plasmaquelle als frei im Gasraum befindliche Hochtemperatur-Heizquelle mit sehr hoher Leistungsdichte zur Verfügung. Die Plasmafackel wird durch Plasmaanregung eines Stützgases erzeugt. Dieses Gas kann entweder eine zusätzliche, in das Reaktionsgemisch eingebrachte inerte oder nicht inerte Komponente oder einer der gas- bzw. dampfförmigen Reaktionspartner sein. Als Mikrowellen- Plasmaquelle wird eine bestimmte Bauart von Plasmaquellen bezeichnet, bei welchen zur Plasmaerzeugung Mikrowellenenergie in den Anregungsraum einer Plasmaquelle eingestrahlt wird. Das Ergebnis ist ein dichtes, thermisches Plasma, das durch eine Düsenöffnung die Plasmaquelle dann als Plasmafackel verlässt. Die Plasmaerzeugung erfolgt durch Elektronenstoß, wobei die energetischen Elektronen ihre Energie aus dem hochfrequenten elektromagnetischen Feld erhalten. Typischerweise hat so eine Quelle noch weitere Bauelemente, z.B. starke Permanentmagneten zur geeigneten Ablenkung der Elektronenbahnen. Im Unterschied zur DE 102005024104 A1 , worin Mikrowellenenergie wie in jedem Mikrowellenofen dazu benutzt wird, um das kohlenstoffhaltige Eduktgemisch durch dielektrische Erwärmung direkt zu erhitzen, wird erfindungsgemäß die Mikrowellenenergie zur Erzeugung von Plasma im Anregungsraum einer Plasmaquelle verwendet.
Die Anordnung zur plasmathermischen Herstellung von Chlorsilanen besteht aus einer Reaktionskammer (auch als Reaktor bezeichnet), an der eine oder mehrere Plasmaquellen montiert sind. Die Reaktionskammer ist so gestaltet, dass die heißen Plasmafackeln nicht in direkten Kontakt mit den Kammerwänden treten. Die Reaktionskammer kann in der Nähe der Austrittsdüsen der Plasmaquellen Dosiereinrichtungen enthalten, die eine Injektion von pulverförmig-festen, flüssigen oder gasförmigen Reaktionspartnern in das heiße Zentrum der Plasmafackel ermöglichen. Eine Ausführungsform der Dosiereinrichtungen sind ringförmig angeordnete Spaltdüsen. Die Reaktionskammer kann weiters über eine oder mehrere Gasableitungsöffnungen verfügen. Diesen nachgeschaltet sind eine oder mehrere Abkühlvorrichtungen, die durch schnelle Entspannung und/oder durch Injektion eines Kühlmediums eine sehr schnelle Abkühlung des gasförmigen Produktgemisches erlauben, um eine Rückreaktion von CO mit H2 und eine nachfolgende Hydrolyse des Chlorsilan- Produktgemisches zu verhindern. Als Kühlmedium kann vorzugsweise das Produktgemisch selbst oder Siliziumtetrachlorid als dessen Hauptkomponente in flüssiger oder gasförmiger Form eingesetzt werden.
In diesem Zusammenhang ist auch günstig, wenn im Inneren der Plasmaquelle ein Gasdruck von 0,05 bis 0,2 MPa herrscht, besonders bevorzugt 0,09 bis 0, 15 MPa. Ein solch geringer Druck ist günstig, da bei wesentlich höheren Drücken aufgrund der immer kürzeren freien Weglängen der Elektronen eine effektive Plasmazündung immer schwieriger wird, weshalb Drücke um Normaldruck oder leicht darüber bevorzugt werden. Bei wesentlich höheren Drücken funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren nicht, weil keine Plasmafackel erzeugt und aus der Quelle extrahiert werden kann. Andererseits sollte der Gasdruck aber auch so hoch wie möglich sein, weil dadurch hoher Gasphasen-Stoffdurchsatz erreicht wird und die zur schnellen Abkühlung notwendige Gasexpansion nach der Reaktionszone verfahrenstechnisch leichter zu realisieren ist. Allgemein gesprochen gilt also: Druck so hoch wie möglich, aber im sicheren Funktionsbereich der Plasmaquelle. Nach unten ist der Druck zunächst vor allem durch Produktivitätserwägungen und verfahrenstechnische Gründe begrenzt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest einer der Reaktionspartner in den Anregungsraum der Plasmaquelle eingebracht wird. Die Temperatur in der Aufheizzone in der Plasmafackel beträgt zwischen 1500°C und 10000°C, bevorzugt zwischen 2000°C und 5000°C. Die Temperatur in der Reaktionszone der Plasmafackel beträgt zwischen 1000°C und 2000°C, bevorzugt zwischen 1400°C und 2000°C.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zumindest einer der Reaktionspartner in die Plasmafackel eingebracht wird. Die Plasmafackel wird eingesetzt, um die Reaktionspartner schnell zu erhitzen und in einer möglichst homogen zusammengesetzten Gasphase zur Reaktion zu bringen. Eine zweite Funktion der Plasmafackel ist, die gasförmigen Reaktionsprodukte schnell und gerichtet entlang der Längsache der Plasmafackel aus der Reaktionszone in die folgende Zone zur schnellen Abkühlung zu transportieren, um deren ungerichtete Diffusion in kältere, wandnahe Bereiche und damit verbundene, unerwünschte Rückreaktionen zu minimieren.
Günstig ist auch, wenn neben den Reaktionspartnern weitere gasförmige Stoffe zum Einsatz kommen, die zum Betrieb der Plasmafackel dienen. So kann Wasserstoff einzeln oder als Gemisch mit einem weiteren, kohlenstoffhaltigen gas- bzw. dampfförmigen Stoff als Stützgas der Plasmafackel eingesetzt werden. Die Dissoziation des molekularen Wasserstoffs infolge der Plasmaanregung führt zu einem Eintrag von Rekombinationswärme in die Plasmafackel und damit zu vorteilhaften Bedingungen für eine längere verfügbare Reaktionszeit der eingetragenen Reaktionspartner in der Hochtemperaturzone. Erfindungsgemäß handelt es sich bei den weiteren gasförmigen Stoffen vorzugsweise um Wasserstoff oder Edelgase.
Besonders bevorzugt wird auch, wenn das Reaktionsgemisch Chlorwasserstoff-Gas enthält.
Günstig ist auch, wenn das Reaktionsgemisch ein oder mehrere Mitglieder der Gruppe umfassend Quarzpulver, Glaspulver, Feinsande, Silikate, Kieselsäure, Kieselgur und/oder Mischungen hievon enthält. Dabei handelt es sich um kostengünstig verfügbare, z.T. direkt durch Abbau gewinnbare Materialien, die einen hohen Siliciumgehalt aufweisen und sich als Feststoffe leicht in sehr feine Partikelverteilung bringen lassen.
In diesem Zusammenhang wird bevorzugt, dass das Reaktionsgemisch ein oder mehrere Mitglieder der Gruppe umfassend Kohlenstoff in elementarer Form, Kohlepulver, kohlehaltige Suspensionen, Kohlenstoff in gebundener Form als feste, flüssige oder gasförmige Kohlenstoffverbindungen und/oder Mischungen hiervon enthält. Diese sind leicht in ausreichend reiner Form zugängliche und in feine Verteilung bringbare Materialen mit hohem Kohlenstoffgehalt. Die Reaktionspartner werden in einer Form in die Plasmafackel eingespeist, die ihre möglichst schnelle und räumlich homogene Verfügbarkeit für die erwünschten Gasphasenreaktionen ermöglicht. Vorzugsweise sind die Reaktionspartner beim Einbringen in die Plasmafackel bzw. den Anregungsraum der Plasmaquelle in festem oder gasförmigen Zustand.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Silizium und Kohlenstoff enthaltenden Reaktionspartner als Pulver eingesetzt werden, in dem die Partikel jeweils beide Reaktionspartner als Mischung enthalten oder in Form beschichteter Partikel gemeinsam zum Einsatz kommen. In dieser Ausführungsform wird der siliziumoxidhaltige Reaktionspartner in Form von Pulver geeigneter Korngrößenverteilung durch einen Gasstrom, der den kohlenstoffhaltigen Reaktionspartner einzeln oder gemeinsam mit einem zusätzlichen Stützgas enthält, in die Plasmafackel oder bereits in den Entladungsraum der Plasmaquelle eingespeist. Der kohlenstoffhaltige Reaktionspartner wird als Gas oder Dampf einer kohlenstoffhaltigen Verbindung in die Plasmafackel oder bereits in den Anregungsraum der Plasmaquelle eingespeist. Der Chlorwasserstoff wird als Dampf einzeln oder gemeinsam mit einem weiteren Reaktionspartner in die Plasmafackel nach deren Austritt aus der Plasmaquelle eingespeist. Alternativ kann der siliziumoxidhaltige Reaktionspartner in Form einer Suspension geeigneter Korngrößenverteilung durch einen Flüssigkeitsstrom, der den kohlenstoffhaltigen Reaktionspartner enthält, in die Plasmafackel oder bereits in den Entladungsraum der Plasmaquelle eingespeist werden. Der Chlorwasserstoff wird als Dampf einzeln oder gemeinsam mit einem weiteren Reaktionspartner in die Plasmafackel nach deren Austritt aus der Plasmaquelle eingespeist. Denkbar ist auch, wenn sowohl der siliziumoxidhaltige Reaktionspartner als auch der kohlenstoffhaltige Reaktionspartner als Pulver geeigneter Korngrößenverteilung durch einen Gasstrom, der ein Stützgas einzeln oder im Gemisch mit einem chlorhaltigen Gas oder Dampf enthält, in die Plasmafackel oder bereits in den Entladungsraum der Plasmaquelle eingespeist werden. Der kohlenstoffhaltige und der siliziumoxidhaltige Reaktionspartner wird dabei in Form von Pulverpartikeln eingetragen, die den jeweiligen Reaktionspartner entweder einzeln oder als Mischung oder als Partikel in einer Bindemittelmatrix oder als beschichtete Partikel enthalten. Der Chlorwasserstoff wird als Dampf in die Plasmafackel nach deren Austritt aus der Plasmaquelle eingespeist.
Günstig ist auch, wenn das Produktgemisch nach Verlassen der Reaktionszone durch Injektion eines flüssigen oder gasförmigen Stoffes, vorzugsweise von Siliziumtetrachlorid, und/oder durch Entspannung schnell auf Temperaturen von unter 700°C abgekühlt wird. Je schneller die Abkühlung auf unter 700°C erfolgt, umso weniger Stoffumsatz erfolgt in unerwünschten Rückreaktionen, welche die Chlorsilan-Ausbeute reduzieren würden. Es wird letztlich verfahrenstechnisch sichergestellt werden müssen, dass auf einer Strecke von höchstens wenigen Metern eine Abkühlung der Gasphase von ~1500°C auf < 700°C erfolgt. Welche Abkühlrate das ist, wird von der sinnvoll einsetzbaren Strömungsgeschwindigkeit abhängen, welche u.a. von der notwendigen Verweildauer in der Plasma-Reaktionszone gegeben wird. „Schnelle Abkühlung" bedeutet sicherlich, dass ein gegebenes Gasvolumenelement in deutlich weniger als 1 Sekunde den Abkühlprozess durchläuft, wahrscheinlich eher sogar in weniger als 0, 1 s.
Verunreinigungen der Reaktionspartner können zudem zur Bildung von Metallchloriden führen, die zusammen mit möglicherweise nicht umgesetzten Ausgangsmaterialien und etwaigen Produkten unerwünschter Rückreaktionen außerhalb der heißen Reaktionszone als staubförmige Feststoff partikel oder flüssige Tröpfchen in Erscheinung treten. Daher ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Produktgemisch nach Verlassen der Reaktionszone in einem Staubabscheider, vorzugsweise einem Zyklonabscheider, von noch vorhandenen festen Stoffen getrennt wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e:
1. Verfahren zur Herstellung von Chlorsilanen, insbesondere von Siliziumtetrachlorid und/oder Trichlorsilan, mittels Carbochlorierung aus Si02, C, Cl und/oder HCl als Reaktionspartner, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion zur Bildung eines Produktgemisches in einer Reaktionszone innerhalb einer aus einer Plasmaquelle stammenden thermischen Plasmafackel stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Plasmafackel durch eine Plasmaquelle der Typen Bogenentladungsquelle, induktiv gekoppelte Plasmaquelle oder Mikrowellen-Plasmaquelle erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Plasmaquelle ein Gasdruck von 0,05 bis 0,2 MPa herrscht, besonders bevorzugt 0,09 bis 0, 15 MPa.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Reaktionspartner in den Anregungsraum der Plasmaquelle eingebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Reaktionspartner in die Plasmafackel eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Reaktionspartnern weitere gasförmige Stoffe zum Einsatz kommen, die zum Betrieb der Plasmafackel dienen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den weiteren gasförmigen Stoffen um Wasserstoff oder Edelgase handelt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch Chlorwasserstoff-Gas enthält.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch ein oder mehrere Mitglieder der Gruppe umfassend Quarzpulver, Glaspulver, Feinsande, Silikate, Kieselsäure, Kieselgur und/oder Mischungen hievon enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch ein oder mehrere Mitglieder der Gruppe umfassend Kohlenstoff in elementarer Form, Kohlepulver, kohlehaltige Suspensionen, Kohlenstoff in gebundener Form als feste, flüssige oder gasförmige Kohlenstoffverbindungen und/oder Mischungen hievon enthält.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionspartner beim Einbringen in die Plasmafackel bzw. den Anregungsraum der Plasmaquelle in festem oder gasförmigem Zustand sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium und Kohlenstoff enthaltenden Reaktionspartner als Pulver eingesetzt werden, indem die Partikel jeweils beide Reaktionspartner als Mischung enthalten oder in Form beschichteter Partikel gemeinsam zum Einsatz kommen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgemisch nach Verlassen der Reaktionszone durch Injektion eines flüssigen oder gasförmigen Stoffes, vorzugsweise von Siliziumtetrachlorid, und/oder durch Entspannung in einem Zeitraum von weniger als einer Sekunde auf Temperaturen von unter 700°C abgekühlt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgemisch nach Verlassen der Reaktionszone in einem Staubabscheider, vorzugsweise einem Zyklonabscheider, von noch vorhandenen festen Stoffen getrennt wird.
PCT/AT2013/050228 2012-11-27 2013-11-27 Verfahren zur plasmachemischen herstellung von chlorsilanen Ceased WO2014082110A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA50545/2012 2012-11-27
AT505452012A AT513735B1 (de) 2012-11-27 2012-11-27 Verfahren zur plasmachemischen Herstellung von Chlorsilanen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014082110A1 true WO2014082110A1 (de) 2014-06-05

Family

ID=49841461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/AT2013/050228 Ceased WO2014082110A1 (de) 2012-11-27 2013-11-27 Verfahren zur plasmachemischen herstellung von chlorsilanen

Country Status (2)

Country Link
AT (1) AT513735B1 (de)
WO (1) WO2014082110A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106185950A (zh) * 2016-07-06 2016-12-07 成都蜀菱科技发展有限公司 生产四氯化硅的方法
CN113912066A (zh) * 2021-09-09 2022-01-11 全椒亚格泰电子新材料科技有限公司 一种制备氯代硅烷的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006053675A1 (de) 2004-11-18 2006-05-26 Wacker Chemie Ag Verfahren zur herstellung von elementhalogeniden
DE102005024104A1 (de) 2005-05-25 2006-11-30 Wacker Chemie Ag Verfahren zur Herstellung von Elementhalogeniden
DE102007009709A1 (de) 2007-02-28 2008-09-04 Rev Renewable Energy Ventures Ag Solarthermische Prozesschemie insbesondere zur Herstellung von SiCI4
CN101254921B (zh) * 2008-03-19 2010-10-06 四川金谷多晶硅有限公司 一种转化四氯化硅制取三氯氢硅和多晶硅的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101475175B (zh) * 2009-01-21 2011-05-04 东方电气集团东方汽轮机有限公司 等离子氢化四氯化硅制备三氯氢硅的方法
CN101734666B (zh) * 2009-11-24 2012-09-26 中国科学院过程工程研究所 用微波等离子氢化四氯化硅制三氯氢硅和二氯氢硅的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006053675A1 (de) 2004-11-18 2006-05-26 Wacker Chemie Ag Verfahren zur herstellung von elementhalogeniden
DE102005024104A1 (de) 2005-05-25 2006-11-30 Wacker Chemie Ag Verfahren zur Herstellung von Elementhalogeniden
DE102007009709A1 (de) 2007-02-28 2008-09-04 Rev Renewable Energy Ventures Ag Solarthermische Prozesschemie insbesondere zur Herstellung von SiCI4
CN101254921B (zh) * 2008-03-19 2010-10-06 四川金谷多晶硅有限公司 一种转化四氯化硅制取三氯氢硅和多晶硅的方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106185950A (zh) * 2016-07-06 2016-12-07 成都蜀菱科技发展有限公司 生产四氯化硅的方法
CN113912066A (zh) * 2021-09-09 2022-01-11 全椒亚格泰电子新材料科技有限公司 一种制备氯代硅烷的方法

Also Published As

Publication number Publication date
AT513735A1 (de) 2014-06-15
AT513735B1 (de) 2015-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1896362B1 (de) Verfahren zur herstellung von silicium aus halogensilanen
KR100251665B1 (ko) 미립자 금속 및 세라믹 분말의 제조 방법
EP2096082B1 (de) Verfahren zur Herstellung von Trichlorsilan
EP1515798B1 (de) Verfahren zur herstellung von nanostrukturierten materialien mit kontrollierter oberflächenchemie
CN1113807C (zh) 制备富勒烯的方法和设备
EP2729404B1 (de) Verfahren zur parallelen herstellung von wasserstoff und kohlenstoffhaltigen produkten
DE102005042753A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von granulatförmigem polykristallinem Silicium in einem Wirbelschichtreaktor
EP2041030A2 (de) Verfahren zur herstellung von suspensionen nanopartikulärer feststoffe
WO2008110386A1 (de) Plasmagestützte synthese
RU2406592C2 (ru) Способ и установка для получения нанопорошков с использованием трансформаторного плазмотрона
JPH06171941A (ja) 四塩化チタンの酸化法
WO2010066839A1 (de) Verfahren zur herstellung von hochreinem siliciumnitrid
EP3013744B1 (de) Verfahren zum betreiben eines wirbelschichtreaktors
US5384306A (en) Fine-particle oxide ceramic powders
EP2603455A1 (de) Verwendung eines reaktors mit integriertem wärmetauscher in einem verfahren zur hydrodechlorierung von siliziumtetrachlorid
DE10243022A1 (de) Abscheidung eines Feststoffs durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Substanz in einem Becherreaktor
EP2665682B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur konvertierung von siliciumtetrachlorid in trichlorsilan
WO2014082110A1 (de) Verfahren zur plasmachemischen herstellung von chlorsilanen
KR20170013076A (ko) 고차실란의 선택도 조절방법 및 이를 이용한 고차실란의 생성방법
DE2523325A1 (de) Verfahren zur herstellung von feuerfestem metallborid-pulver
KR101615307B1 (ko) 폴리실리콘 제조 장치
CN114174217A (zh) 用于制备含硅材料的方法和装置
KR101489212B1 (ko) 산화철(ⅲ) 촉매를 이용한 원자력 수소 생산공정으로부터 발생되는 삼산화황의 분해방법
Nel et al. The manufacturing of nanoparticles with a plasma process
KR101615309B1 (ko) 폴리실리콘 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13811112

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13811112

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1