(57)【要約】本発明は、トリクロロシランの合成システム及び方法に向けられる。開示されたシステム及び方法は、気化された金属塩を回収又は分離し、トリクロロシラン合成中の下流操作で金属塩の凝固によって生じる閉塞を削減するために、スラリー中の固形物濃度を増大することを含みうる。加熱して温度を上げてクロロシラン化合物を気化し、その後気化クロロシラン化合物を凝縮するのではなく、本発明は、水素などの非凝縮性ガスを利用してクロロシラン成分を気化することによって、スラリーストリーム中の固形分濃度を増大させることを含みうる。この方法は、結果的に、スラリー温度を低下できる蒸発条件を促進できる。低いスラリー温度によって金属塩は気化しにくくなり、このことが下流のユニット操作へのキャリーオーバーの可能性を削減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリクロロシランの製造法であって、
反応混合物をリアクターに導入し（反応混合物は四塩化ケイ素及び水素を含む）；
リアクターから第一の粗生成物を回収し（第一の粗生成物は、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、水素、ケイ素、及び金属塩を含む）；
第一の粗生成物からケイ素の少なくとも一部及び金属塩を分離して第二の粗生成物と第一の残渣を製造し（第二の粗生成物は、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及び水素を含み、第一の残渣は、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、ケイ素、及び金属塩を含む）；そして
第一の残渣の少なくとも一部を接触ガスと接触させて固体豊富残渣と蒸気生成物を製造する（蒸気生成物は、トリクロロシラン及び四塩化ケイ素を含み、固体豊富残渣はケイ素及び金属塩を含む）
ことを含む方法。
【請求項２】
接触ガスが水素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第二の粗生成物の少なくとも一部を凝縮して粗凝縮物を製造し；そして
粗凝縮物の少なくとも一部を第一の粗生成物と接触させる
ことをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
粗凝縮物の少なくとも一部を蒸気生成物の少なくとも一部と接触させることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第一の残渣の少なくとも一部を第一の粗生成物と接触させることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
トリクロロシランの少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から分離し；
四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から回収し；
水素の少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から回収し；そして
回収された水素の少なくとも一部をリアクターに導入する
ことをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
接触ガスが、回収された水素を少なくとも部分的に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
反応混合物が、回収された水素及び回収された四塩化ケイ素を少なくとも部分的に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
第一の粗生成物からのケイ素の少なくとも一部及び金属塩化物塩の分離が、
第一の粗生成物をクエンチカラムに導入し；
第二の粗生成物をクエンチカラムから回収し；そして
第一の残渣をクエンチカラムから回収する
ことを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
第一の残渣の少なくとも一部と接触ガスとの接触が、
接触ガスをストリッパーカラムに導入し；
第一の残渣の少なくとも一部をストリッパーカラムに導入し；
蒸気生成物をストリッパーカラムから回収し；そして
固体豊富残渣をストリッパーカラムから回収する
ことを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第一の粗生成物からのケイ素の少なくとも一部及び金属塩の分離が、第一の粗生成物の少なくとも一部をストリッパーカラムからの蒸気生成物の少なくとも一部と接触させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二の粗生成物から分離して、回収四塩化ケイ素と、トリクロロシラン及びジクロロシランを含む第三の粗生成物とを製造し；そして
回収四塩化ケイ素の少なくとも一部をリアクターに導入する
ことをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
回収四塩化ケイ素の濃度を増大して濃縮ＳＴＣ生成物を製造し；そして
濃縮ＳＴＣ生成物をリアクターに導入する
ことをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
第二の粗生成物中の水素の少なくとも一部を回収し；そして
回収水素の少なくとも一部を濃縮ＳＴＣ生成物と共にリアクターに導入する
ことをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
トリクロロシランを第三の粗生成物から分離してトリクロロシラン豊富生成物を製造することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
リアクターに導入される反応混合物の少なくとも一部を、リアクターからの第一の粗生成物の少なくとも一部で加熱することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
金属種を有する金属グレードのケイ素をリアクターに導入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
トリクロロシランの合成システムであって、
四塩化ケイ素の供給源；
水素の供給源；
四塩化ケイ素の供給源及び水素の供給源に流体接続されているリアクター（リアクターはリアクター出口を有する）；
粗蒸気入口、第二の蒸気入口、粗蒸気生成物出口、及び残渣出口を有するクエンチカラム（粗蒸気入口はリアクター出口の下流に流体接続されている）；そして、
オーバーヘッド液体入口、接触ガス入口、及びオーバーヘッド蒸気出口を有するストリッパーカラム（オーバーヘッド液体入口はクエンチカラムの残渣出口の下流に流体接続されており、オーバーヘッド蒸気出口はクエンチカラムの第二の蒸気入口に流体接続されている）
を含むシステム。
【請求項１９】
凝縮器入口、凝縮物出口、及び凝縮器出口を有する凝縮器（凝縮器入口は粗蒸気生成物出口の下流に流体接続されており、凝縮器出口は、トリクロロシラン、ジクロロシラン、四塩化ケイ素分離装置列の上流に流体接続されており、凝縮物出口はクエンチカラムのオーバーヘッド凝縮物入口の上流に流体接続されている）をさらに含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
ポンプ入口及びポンプ出口を有する残渣ポンプ（ポンプ入口はクエンチカラムの残渣出口の下流に流体接続されており、ポンプ出口はストリッパーカラムのオーバーヘッド液体入口の上流、及びクエンチカラムの残渣リサイクル入口の上流に流体接続されている）をさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
回収水素出口を有する水素回収システムをさらに含み、前記水素回収システムは凝縮器出口の下流に流体接続されている、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
ストリッパーカラムの接触ガス入口が、回収水素出口の下流に流体接続されている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
ストリッパーカラムの接触ガス入口の上流に流体接続されている接触ガスストリームの供給源（接触ガスストリームは水素を含む）をさらに含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２４】
第一の流体側と、第一の流体側と熱連絡している第二の流体側とを有する熱交換器（第一の流体側は水素の供給源及び四塩化ケイ素の供給源の少なくとも一つをリアクターに流体接続しており、第二の流体側は、リアクター出口をクエンチカラムの粗蒸気入口に流体接続している）をさらに含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２５】
トリクロロシランの合成法であって、
流動床リアクター中で四塩化ケイ素を水素化して第一の粗生成物ストリーム中にトリクロロシランを製造し（第一の粗生成物ストリームはさらに、四塩化ケイ素、水素、ケイ素、及び少なくとも一つの金属塩を含む）；
第一の分離カラムで第一の粗生成物ストリームからケイ素の少なくとも一部及び少なくとも一つの金属塩を分離して第一の残渣ストリームと第二の粗生成物ストリームを製造し（第一の残渣ストリームはさらにトリクロロシラン及び四塩化ケイ素を含む）；そして
第一の残渣ストリームの少なくとも一部からトリクロロシランの少なくとも一部及び四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二のカラムで接触ストリームを用いて気化させて蒸気生成物ストリーム及び固体豊富スラリーストリームを製造する（固体豊富スラリーストリームは少なくとも一つの金属塩及びケイ素を含み、蒸気生成物ストリームは気化トリクロロシラン及び気化四塩化ケイ素を含む）
ことを含む方法。
【請求項２６】
接触ストリームを用いた、第一の残渣ストリームの少なくとも一部からのトリクロロシランの少なくとも一部及び四塩化ケイ素の少なくとも一部の気化が、第一の残渣ストリームの少なくとも一部を、水素を含む接触ストリームと接触させることを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
第一の粗生成物ストリームからのケイ素の少なくとも一部及び少なくとも一つの金属塩の分離が、第一の粗生成物ストリームを第一の残渣ストリームの少なくとも一部と接触させることを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
第二の粗生成物ストリームの少なくとも一部を凝縮して粗凝縮物ストリームを製造し；そして、
第一の粗生成物ストリームを粗凝縮物ストリームと接触させる
ことをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
水素の少なくとも一部を第二の粗生成物ストリームから回収することをさらに含み、第一の残渣ストリームの少なくとも一部からのトリクロロシランの少なくとも一部及び四塩化ケイ素の少なくとも一部の気化は、回収水素の少なくとも一部を用いて気化させることを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
四塩化ケイ素の水素化が、四塩化ケイ素を回収水素の少なくとも一部を用いて水素化することを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二の粗生成物ストリームから回収することをさらに含み、四塩化ケイ素の水素化は、回収された四塩化ケイ素の少なくとも一部を回収水素の少なくとも一部を用いて水素化することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
四塩化ケイ素の水素化の前に、四塩化ケイ素と水素の反応混合物を第一の粗生成物ストリームで加熱することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
トリクロロシランの製造法であって、
四塩化ケイ素と水素を含む反応混合物を供給し；
反応混合物を、四塩化ケイ素の少なくとも一部を水素化してトリクロロシランにする反応条件を有するリアクターに導入し；
四塩化ケイ素、水素、トリクロロシラン、及び金属塩を含む粗生成物を回収し；
反応混合物の少なくとも一部を粗生成物の少なくとも一部で加熱し；そして
トリクロロシランを粗生成物の少なくとも一部から分離してトリクロロシラン生成物を製造する
ことを含む方法。
【請求項３４】
粗生成物を残渣と粗蒸気生成物に分離し；
水素を粗蒸気生成物の少なくとも一部から回収し；
残渣の少なくとも一部を回収水素の少なくとも一部と接触させて蒸気生成物と金属塩を含む固体豊富残渣とを製造し；そして
粗生成物を蒸気生成物と接触させる
ことをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００９年１１月６日出願の米国特許出願第１２／６１４，２６９号、発明の名称「トリクロロシランの製造システム及び方法」の利益を主張し、その全文をあらゆる目的のために引用によって本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、トリクロロシランの製造システム及び方法に関し、特に、気化技術を利用して金属塩などの固体副産物の除去を促進し、下流ユニット操作（単位操作）でのその付着可能性を削減するトリクロロシランの合成システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
Ｗａｇｎｅｒらは、米国特許第２，５９５，６２０号に、一つ又は複数のケイ素結合塩素原子を水素原子で置換することを含む水素化法を開示している。
Ｂａｋａｙは、米国特許第３，９６８，１９９号に、トリクロロシランＨＳｉＣｌ３の不均化又は再分配によるシランＳｉＨ４の製造法を開示している。
【０００４】
Ｔａｒａｎｃｏｎは、米国特許第４，０９９，９３６号に、不純物を有するシランの混合物を多孔質粒状炭及び多孔質粒状ケイ酸マグネシウムに通すこと及び蒸留を含むシランの精製法を開示している。
【０００５】
Ｃｏｌｅｍａｎは、米国特許第４，３４０，５７４号に、分離カラムからのリサイクル（再循環）を用いる超高純度シランの製造法を開示している。
Ｂｒｅｎｅｍａｎは、米国特許第４，６７６，９６７号に、高純度シラン及びケイ素の製造法を開示している。
【０００６】
Ｂｕｒｇｉｅらは、米国特許第５，１１８，４８６号に、副産物ストリームの噴霧化による粒状ケイ素及びシランへの分離を開示している。
Ｂｒｉｎｋらは、米国特許第５，２３２，６０２号に、活性炭との接触によってリンの微量不純物を除去することを含む、エレクトロニクスグレードのシリコンを製造するためのテトラクロロシランの精製法を開示している。
【０００７】
Ｔｚｏｕは、米国特許第５，７２３，６４４号に、リン混入物を有するクロロシランを含む混合物を、銅又は銅化合物の吸着剤と接触させることによるクロロシランの精製法を開示している。
【０００８】
Ｏｄａは、米国特許第６，０６０，０２１号に、封止ガスとして水素ガス下でトリクロロシラン及び四塩化ケイ素を貯蔵する方法を開示している。
Ｋｌｅｉｎらは、米国特許第６，８４３，９７２  Ｂ２号に、固体塩基との接触によるトリクロロシランの精製法を開示している。
【０００９】
Ｂｌｏｃｋらは、米国特許第６，８５２，３０１  Ｂ２号に、金属ケイ素を四塩化ケイ素ＳｉＣｌ４及び水素と反応させてトリクロロシランＳｉＨＣｌ３と四塩化ケイ素の粗ガスストリームを形成し；凝縮クロロシランで洗浄することにより粗ガスストリームから不純物を除去し；蒸留によって精製粗ガスストリームを凝縮及び分離し；四塩化ケイ素の部分ストリームを金属ケイ素と四塩化ケイ素及び水素との反応に戻し；部分ストリームを不均化して四塩化ケイ素とシランを形成し；そして不均化によって形成されたシランを金属グレードのケイ素と四塩化ケイ素及び水素との反応に戻すことによるシランの製造法を開示している。
【００１０】
Ｂｌｏｃｋらは、米国特許第６，８８７，４４８  Ｂ２号に、高純度ケイ素の製造法を開示している。
Ｂｌｏｃｋらは、米国特許第６，９０５，５７６  Ｂ１号に、触媒床でのトリクロロシランの接触不均化によるシランの製造法及びシステムを開示している。
【００１１】
Ｂｕｌａｎらは、米国特許第７，０５６，４８４  Ｂ２号に、ケイ素を水素、四塩化ケイ素と反応させることによるトリクロロシランの製造法を開示している。ケイ素は触媒と混合された粉砕形である。
【００１２】
Ｂｕｌａｎらは、米国特許出願公開第２００２／００４４９０４  Ａ１号に、触媒を用いて、ケイ素を四塩化ケイ素、水素、及び所望により塩化水素と反応させることによるトリクロロシランの製造法を開示している。
【００１３】
Ｂｕｌａｎらは、米国特許出願公開第２００４／００２２７１３  Ａ１号に、触媒を用いて、ケイ素を水素、四塩化ケイ素、及び所望により塩化水素と反応させることによるトリクロロシランの製造法を開示している。触媒は、使用されるケイ素の平均粒度より３０〜１００倍小さい平均粒度を有する。
【００１４】
Ｋａｊｉｍｏｔｏらは、米国特許出願公開第２００７／０２３１２３６  Ａ１号に、ハロシランの製造法及び固体画分の精製法を開示している。
Ｂｏｈｍｈａｍｍｅｌらは、米国特許出願公開第２００９／００３５２０５  Ａ１号に、元素の周期表第２族の少なくとも一つの金属又は金属塩である触媒を用いた四塩化ケイ素の接触水素化脱ハロゲンによる四塩化ケイ素の製造法を開示している。
【００１５】
Ｈｓｉｅｈらは、欧州特許明細書公開第０  ４４４  １９０  Ｂ１号に、半透膜によるガス分離を開示している。
Ａｌｌｅｎは、欧州特許明細書公開第０  ４５０  ３９３  Ａ２号に、改良された多結晶シリコン及びそのためのプロセスを開示している。
【００１６】
Ｇｈｅｔｔｉは、国際公開第２００６／０５４３２５  Ａ２号に、トリクロロシラン及び四塩化ケイ素の精製法及びプラントを開示している。
Ａｎｄｅｒｓｅｎらは、国際公開第２００７／０３５１０８  Ａ１号に、トリクロロシランの製造法、及びトリクロロシランの製造に使用するためのケイ素の製造法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第２，５９５，６２０号
【特許文献２】米国特許第３，９６８，１９９号
【特許文献３】米国特許第４，０９９，９３６号
【特許文献４】米国特許第４，３４０，５７４号
【特許文献５】米国特許第４，６７６，９６７号
【特許文献６】米国特許第５，１１８，４８６号
【特許文献７】米国特許第５，２３２，６０２号
【特許文献８】米国特許第５，７２３，６４４号
【特許文献９】米国特許第６，０６０，０２１号
【特許文献１０】米国特許第６，８４３，９７２  Ｂ２号
【特許文献１１】米国特許第６，８５２，３０１  Ｂ２号
【特許文献１２】米国特許第６，８８７，４４８  Ｂ２号
【特許文献１３】米国特許第６，９０５，５７６  Ｂ１号
【特許文献１４】米国特許第７，０５６，４８４  Ｂ２号
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００２／００４４９０４  Ａ１号
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００４／００２２７１３  Ａ１号
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００７／０２３１２３６  Ａ１号
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００９／００３５２０５  Ａ１号
【特許文献１９】欧州特許明細書公開第０  ４４４  １９０  Ｂ１号
【特許文献２０】欧州特許明細書公開第０  ４５０  ３９３  Ａ２号
【特許文献２１】国際公開第２００６／０５４３２５  Ａ２号
【特許文献２２】国際公開第２００７／０３５１０８  Ａ１号
【発明の概要】
【００１８】
本発明の一つ又は複数の側面はトリクロロシランの製造法に関する。一つ又は複数の態様に従って、該方法は、反応混合物をリアクターに導入し（反応混合物は四塩化ケイ素及び水素を含む）；リアクターから第一の粗生成物を回収し（第一の粗生成物は、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、水素、ケイ素、及び金属塩を含む）；第一の粗生成物からケイ素の少なくとも一部及び金属塩を分離して第二の粗生成物と第一の残渣を製造し（第二の粗生成物は、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及び水素を含み、第一の残渣は、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、ケイ素、及び金属塩を含む）；そして第一の残渣の少なくとも一部を接触ガスと接触させて固体豊富残渣と蒸気生成物を製造する（蒸気生成物は、トリクロロシラン及び四塩化ケイ素を含み、固体豊富残渣はケイ素及び金属塩を含む）ことを含みうる。
【００１９】
接触ガスは、水素及び非凝縮性ガスの少なくとも一つを含みうる。本発明の一つ又は複数の態様の少なくとも一つの変形に従って、方法はさらに、第二の粗生成物の少なくとも一部を凝縮して粗凝縮物を製造し、そして好ましくは粗凝縮物の少なくとも一部を第一の粗生成物と接触させることを含みうる。少なくとも一つの更なる変形に従って、方法はさらに、粗凝縮物の少なくとも一部を蒸気生成物の少なくとも一部と接触させることを含みうる。少なくとも一つのなお更なる変形に従って、方法は、第一の残渣の少なくとも一部を第一の粗生成物と接触させることを含みうる。方法はさらに、トリクロロシランの少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から分離し、四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から回収し、水素の少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から回収し、そして回収された水素の少なくとも一部をリアクターに導入することを含みうる。好都合な場合、接触ガスは回収された水素を少なくとも部分的に含みうる。さらに、反応混合物も回収された水素を少なくとも部分的に含むことができ、好ましくは、回収された四塩化ケイ素を含むこともできる。ケイ素の少なくとも一部及び金属塩化物塩を第一の粗生成物から分離することに関する本発明の一つ又は複数の特定の態様は、第一の粗生成物をクエンチカラムに導入し、第二の粗生成物をクエンチカラムから回収し、そして第一の残渣をクエンチカラムから回収することを含みうる。第一の残渣の少なくとも一部と接触ガスとの接触は、接触ガスをストリッパーカラムに導入し、第一の残渣の少なくとも一部をストリッパーカラムに導入し、蒸気生成物をストリッパーカラムから回収し、そして固体豊富残渣をストリッパーカラムから回収することを含みうる。さらに、第一の粗生成物からのケイ素の少なくとも一部及び金属塩の分離は、第一の粗生成物の少なくとも一部をストリッパーカラムからの蒸気生成物の少なくとも一部と接触させることを含みうる。
【００２０】
本発明の一つ又は複数の更なる態様において、方法はさらに、四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二の粗生成物から分離して、回収四塩化ケイ素と、トリクロロシラン及びジクロロシランを含む第三の粗生成物とを製造し、そして回収四塩化ケイ素の少なくとも一部をリアクターに導入することを含みうる。方法はさらに、生成物中の回収四塩化ケイ素の濃度を増大して濃縮ＳＴＣ生成物を製造し、そして濃縮ＳＴＣ生成物をリアクターに導入することを含みうる。本発明の一つ又は複数のなお更なる態様において、方法はさらに、第二の粗生成物中の水素の少なくとも一部を回収し、そして回収水素の少なくとも一部を濃縮ＳＴＣ生成物と共にリアクターに導入することを含みうる。本発明の一つ又は複数のなお更なる態様において、方法は、トリクロロシランを第三の粗生成物から分離してトリクロロシラン豊富生成物を製造し、場合によっては、リアクターに導入される反応混合物の少なくとも一部をリアクターからの第一の粗生成物の少なくとも一部で加熱することを含みうる。
【００２１】
本発明の一つ又は複数の側面はトリクロロシランを合成するためのシステムに関する。一つ又は複数の態様に従って、該システムは、四塩化ケイ素の供給源；水素の供給源；四塩化ケイ素の供給源及び水素の供給源に流体接続されているリアクター（リアクターはリアクター出口を有する）；粗蒸気入口、第二の蒸気入口、粗蒸気生成物出口、及び残渣出口を有するクエンチカラム（粗蒸気入口はリアクター出口の下流に流体接続されている）；そして、オーバーヘッド液体入口、接触ガス入口、及びオーバーヘッド蒸気出口を有するストリッパーカラム（オーバーヘッド液体入口はクエンチカラムの残渣出口の下流に流体接続されており、オーバーヘッド蒸気出口はクエンチカラムの第二の蒸気入口の上流に流体接続されている）を含みうる。システムはさらに、凝縮器入口、凝縮物出口、及び凝縮器出口を有する凝縮器を含みうる。凝縮器入口は粗蒸気生成物出口の下流に流体接続されており、凝縮器出口は、トリクロロシラン、ジクロロシラン、四塩化ケイ素の分離装置列(separation train)の上流に流体接続されており、凝縮物出口はクエンチカラムのオーバーヘッド凝縮物入口の上流に流体接続されている。さらに、本発明的システムの構成は、ポンプ入口及びポンプ出口を有する残渣ポンプを含みうる。ポンプ入口はクエンチカラムの残渣出口の下流に流体接続されており、ポンプ出口はストリッパーカラムのオーバーヘッド液体入口の上流、及びクエンチカラムの残渣リサイクル入口の上流に流体接続されている。
【００２２】
システムはさらに、回収水素出口を有する水素回収システムを含みうる。水素回収システムは典型的には凝縮器出口の下流に流体接続されている。なお更なる態様において、ストリッパーカラムの接触ガス入口は、回収水素出口の下流に流体接続されている。トリクロロシラン合成システムはさらに、ストリッパーカラムの接触ガス入口の上流に流体接続されている接触ガスストリームの供給源も含みうる。接触ガスストリームは典型的には水素を含む。
【００２３】
システムはさらに、第一の流体側と、第一の流体側と熱連絡(thermal communication)している第二の流体側とを有する熱交換器を含みうる。第一の流体側は水素の供給源及び四塩化ケイ素の供給源の少なくとも一つをリアクターに流体接続しており、第二の流体側は、リアクター出口をクエンチカラムの粗蒸気入口に流体接続している。従って、熱交換器は、第一の入口と、水素の供給源及び四塩化ケイ素の供給源をリアクターの入口に流体接続している第一の出口を有しうる。熱交換器は、第二の入口と、リアクターの出口をクエンチカラムの入口に流体接続している第二の出口も含みうる。
【００２４】
本発明のトリクロロシラン合成法に関する一つ又は複数の態様は、流動床リアクター中で四塩化ケイ素を水素化して第一の粗生成物ストリーム中にトリクロロシランを製造し（第一の粗生成物ストリームはさらに、四塩化ケイ素、水素、ケイ素、及び少なくとも一つの金属塩を含みうる）；第一の分離カラムで第一の粗生成物ストリームからケイ素の少なくとも一部及び少なくとも一つの金属塩を分離して第一の残渣ストリームと第二の粗生成物ストリームを製造し（第一の残渣ストリームはさらにトリクロロシラン及び四塩化ケイ素を含みうる）；そして第一の残渣ストリームの少なくとも一部からトリクロロシランの少なくとも一部と四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二のカラムで接触ストリームを用いて気化させて蒸気生成物ストリーム及び固体豊富スラリーストリームを製造する（固体豊富スラリーストリームは少なくとも一つの金属塩及び典型的にはケイ素を含みうる、及び蒸気生成物ストリームは気化トリクロロシラン及び気化四塩化ケイ素を含みうる）ことを含みうる。接触ストリームを用いた、第一の残渣ストリームの少なくとも一部からのトリクロロシランの少なくとも一部及び四塩化ケイ素の少なくとも一部の気化は、本発明の一つ又は複数の変形又は態様においては、第一の残渣ストリームの少なくとも一部を、水素及び一つ又は複数の非凝縮性ガスの少なくとも一つを含む接触ストリームと接触させることを含みうる。さらに、第一の粗生成物ストリームからのケイ素の少なくとも一部及び少なくとも一つの金属塩の分離は、トリクロロシラン合成法のさらに他の変形又は態様においては、第一の粗生成物ストリームの少なくとも一部を第一の残渣ストリームと接触させることを含みうる。トリクロロシラン合成法のさらに他の変形は、第二の粗生成物ストリームの少なくとも一部を凝縮して粗凝縮物ストリームを製造し、そして第一の粗生成物ストリームを粗凝縮物ストリームと接触させることを含みうる。トリクロロシラン合成法の本明細書中に記載の変形のいずれかと共に、又はその代わりに、方法はさらに、水素の少なくとも一部を第二の粗生成物ストリームから回収し、そしてトリクロロシランの少なくとも一部及び四塩化ケイ素の少なくとも一部を第一の残渣ストリームの少なくとも一部から、回収水素の少なくとも一部を用いて気化させることを含みうる。トリクロロシラン合成法のさらに追加の又は代替の変形において、四塩化ケイ素の水素化は、四塩化ケイ素を回収水素の少なくとも一部を用いて水素化することを含みうる。トリクロロシランの合成法は、上記態様の一つ又は複数の変形において、さらに、四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二の粗生成物ストリームから回収することを含みうる。四塩化ケイ素の水素化は、回収された四塩化ケイ素の少なくとも一部を回収水素の少なくとも一部で水素化することを含みうる。方法はさらに、四塩化ケイ素の水素化の前に、四塩化ケイ素と水素の反応混合物の少なくとも一部を第一の粗生成物ストリームの少なくとも一部で加熱することを含みうる。
【００２５】
トリクロロシランの製造法に関する本発明の一つ又は複数の態様は、四塩化ケイ素と水素を含む反応混合物を供給し；反応混合物を、四塩化ケイ素の少なくとも一部を水素化してトリクロロシランにする反応条件を有するリアクターに導入し；四塩化ケイ素、水素、トリクロロシラン、及び金属塩を含む粗生成物を回収し；反応混合物の少なくとも一部を粗生成物の少なくとも一部で加熱し；そしてトリクロロシランを粗生成物の少なくとも一部から分離してトリクロロシラン生成物を製造することを含みうる。方法はさらに、粗生成物を残渣と粗蒸気生成物に分離し；水素を粗蒸気生成物の少なくとも一部から回収し；残渣の少なくとも一部を回収水素の少なくとも一部と接触させて蒸気生成物と金属塩を含む固体豊富残渣とを製造し；そして粗生成物を蒸気生成物と接触させることを含みうる。
【００２６】
添付の図面は正確な縮尺ではない。図面中、様々な図面に示されている同一又は同一に近い構成要素は同様の数字で表されている。明確化のために、どの図面にもすべての構成要素が標識されているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の一つ又は複数の側面に従うシステムの一部のプロセスフロー図を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の一つ又は複数の側面に従うシステムの一部のプロセスフロー図を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
トリクロロシランは、リアクター内で四塩化ケイ素を金属グレードのケイ素及び水素と反応させることを含む塩化水素処理(hydrochlorination)によって製造できる。製造されたクロロシランは、典型的には、金属ケイ素細粒を含有するスラリーとして、気化された金属塩化物塩などの金属塩と共にリアクターから回収される。
【００２９】
金属塩は、遷移金属塩化物及びアルカリ土類金属塩化物でありうる。金属塩の非制限的例は、塩化鉄、塩化カルシウム、及び塩化アルミニウムなどである。金属塩の前駆体としての役割を果たしうる金属は、トリクロロシラン合成プロセスに、一つ又は複数の反応物の不純物又は混入物として導入されうる。例えば、金属グレードのケイ素は、典型的には約１ｗｔ％〜約５ｗｔ％の金属成分を有しうる。塩の金属前駆体は、鉄、アルミニウム、及びカルシウムのいずれか一つ又は複数でありうる。金属塩の前駆体の更なる供給源は、銅を含有しているような触媒などである。他の金属不純物供給源は、トリクロロシラン合成に関与又は関連するユニット操作の湿潤成分などである。
【００３０】
本発明の一部の側面は、気化された金属塩を回収して下流操作で金属塩の凝固によって生じる閉塞を削減するために、スラリー中の固形分濃度を増大するシステム及び技術に向けられる。加熱して温度を上げてクロロシラン化合物を気化し、その後気化クロロシラン化合物を凝縮するのではなく、本発明は、非凝縮性ガス（これは不活性ガスでありうる）を利用してクロロシラン成分の少なくとも一部を気化することによって、スラリーストリーム中の固形分濃度の増大を提供する。この方法は、結果的に、スラリー部分の温度を引き下げる条件を促進できる。従って、本発明は、実際、スラリー温度を下げることによって金属塩の揮発性を抑制でき、このことがひいては分離を促進し、下流のユニット操作へのそのキャリーオーバーの可能性を削減できる。従って、本発明は、下流の分離操作における固体付着の可能性を削減できるシステム及びプロセスを含みうる。
【００３１】
本発明の一つ又は複数の側面は、トリクロロシランを製造するためのシステム及び技術に向けることができる。本発明の一部の側面は、選択的気化、又は水素化反応の粗生成物の成分の選択的気化を促進するユニット操作に関する。本発明の更なる側面は、水素化反応の一つ又は複数の未使用反応物を回収し、そのような一つ又は複数の回収された未使用反応物を一つ又は複数の気化ユニット操作に利用して、水素化操作の副産物である固体又は付着性成分の分離を実行することを含みうる。本発明のなお更なる側面は、トリクロロシラン合成を促進するために、エネルギーの回収、又はエネルギー回収を促進するユニット操作を含む。本発明のなお更なる側面は、凝縮、又は水素化生成物の一つ又は複数の成分の少なくとも一部の凝縮を促進するユニット操作、及び凝縮された一つ又は複数の成分の少なくとも一部を利用して水素化反応の一つ又は複数の副産物の少なくとも一部の分離を実行することを含みうる。
【００３２】
本開示の一部は、一つの流れ（ストリーム）又は複数の流れに関して提供されている。しかしながら、本発明は連続的又は継続的な運転システム及び技術に限定されず、当業者によってバッチ式又は半バッチ式運転又は運転システムで実施又は実行されてもよい。従って、一つの流れ又は複数の流れへの言及は、体積（volume）、質量(mass)又はその他の不連続の構成単位に関するものであってもよい。
【００３３】
本発明の一つ又は複数の側面は、トリクロロシランを製造又は合成するための方法及び技術に関する。図１に、本発明の一つ又は複数の態様に従って、トリクロロシランなどのシランを合成するためのシステム１００を例示する。システム１００は、四塩化ケイ素の供給源１０２；水素の供給源１０３；四塩化ケイ素の供給源１０２及び水素の供給源１０３に流体接続されている一つのリアクター１０４、又は複数のリアクターを含みうる。リアクター１０４は、供給源１０２及び１０３の一つ又は複数に流体接続されている複数の入口を有しうる。しかしながら、一部の構成において、リアクター１０４は、四塩化ケイ素及び水素を含む反応混合物又は反応物ストリーム用として、供給源１０２及び１０３の両方に流体接続されている単一の入口１０５を有しうる。リアクター１０４はさらに、典型的には一つ又は複数のリアクター出口１０６を有する。
【００３４】
システム１００はさらに、クエンチカラム１０８のような第一のカラムを含みうる。これは、図示されているように、リアクター１０４の出口１０６に流体接続された、第一の粗生成物入口又は粗蒸気入口となりうる第一の入口１０９を有しうる。カラム１０８はさらに、粗蒸気生成物出口１１０となりうる第一の出口を含む。
【００３５】
システムはさらに、第一の入口、第一の出口、第二の入口、及び第二の出口を有する一つ又は複数の熱交換器を含みうる。第一の入口は、水素の供給源及び四塩化ケイ素の供給源の少なくとも一つに流体接続され得、第一の出口はリアクターの上流に流体接続されうる。一部の構成においては、熱交換器は、第二の流体側と熱連絡している第一の流体側を有しうる。第一の流体側は、水素の供給源及び四塩化ケイ素の供給源の少なくとも一つをリアクターに流体接続しており、第二の流体側は、熱媒体源に流体接続されている。例えば、図１に示されているように、システム１００は、供給源１０２及び１０３のいずれか一つ又は複数からの反応混合物の少なくとも一部をリアクター１０４への導入前に加熱するために配置された一つ又は複数のヒーター１１２を有しうる。システムの他の構成も、リアクター１０４に導入される四塩化ケイ素及び水素の反応混合物の温度を上げるためにヒーター又は熱交換ユニット操作の利用を考えている。例えば、熱交換器１１１は、水素の供給源及び四塩化ケイ素の供給源をリアクター１０４の入口に流体接続する第一の入口及び第一の出口を有しうる。熱交換器１１１は、リアクター１０４の出口１０６をカラム１０８の入口１０９に流体接続する第二の入口及び第二の出口も有しうる。
【００３６】
ケイ素の供給源１０７は、例えば、リアクター１０４に金属グレードのケイ素金属を供給するために利用できる。
システム１００はさらに、カラム１０８に流体接続されている冷却ユニット操作又は凝縮器１１３を含みうる。典型的には、凝縮器１１３は、カラム１０８から第二の粗生成物を受け取るために、出口１１０の下流に流体接続されている凝縮器入口１１４を有する。冷却システムＣＷからの冷却水を凝縮器１１３で利用し、カラム１０８を出た第二の粗生成物ストリームから熱交換を実行して、その成分を少なくとも部分的に凝縮し、粗凝縮物にすることができる。凝縮を促進するために他の構成を利用することもできる。例えば、凝縮器１１３は、冷媒として周囲空気を利用する空気交換器であってもよい。凝縮器１１３は典型的にはさらに、凝縮器１１３からカラム１０８への回収粗凝縮物の送りを促進するために、カラム１０８の第二の入口１１６のようなオーバーヘッド凝縮物入口に流体接続された凝縮物出口１１５を有する。
【００３７】
凝縮器１１３はさらに、典型的には凝縮器で凝縮されなかった成分を含む第二の粗生成物の部分の回収又は流出を促進するための第二の出口又は凝縮器出口１１７を有しうる。
カラム１０８はさらに、カラム１０８からの第一の残渣の回収又は流出を促進するための残渣出口１１８を含む。ポンプ１１９は、第一の残渣の移動と、第一の残渣の一部をカラム１０８にその残渣リサイクル入口１２０を通じて送る又は戻すのを促進するために利用できる。
【００３８】
他の構成では、リアクター１０４からの第一の粗生成物の抜取りとカラム１０８への導入を促進するために、ベンチュリ管を利用することができる。例えば、ポンプ１１９の出口はベンチュリ管の先細入口部の上流に流体接続できる。ベンチュリ管の出口は、カラム１０８の入口１２０の上流に接続されうるが、スロート(throat)部に近いベンチュリ管の第二の入口は、リアクター１０４の粗生成物出口１０６の下流に、典型的には熱交換器１１１を通って流体接続されうる。
【００３９】
本発明の一部の側面による好適な構成において、システム１００はさらに、第二のカラム又はストリッパーカラム１２１を含む。これは、カラム１０８からの第一の残渣ストリームの少なくとも一部の送り又は導入を促進するために、ポンプ１１９の出口に流体接続されたオーバーヘッド液体入口１２３を有している。従って、一部の場合には、オーバーヘッド液体入口１２３は、クエンチカラム１０８の残渣出口１１８の下流に流体接続されている。
【００４０】
システム１００は、接触ガスの一つ又は複数の供給源１２５Ａ及び１２５Ｂも含みうる。供給源１２５Ａ及び１２５Ｂのいずれか又は両方が利用される場合、それぞれは、接触ガスをカラム１２１に、少なくとも一つの入口、例えばその接触入口１２７を通じて供給するために流体接続されている。典型的には、カラム１２１は、蒸気生成物回収用の少なくとも一つのオーバーヘッド蒸気出口１２９を有する。この蒸気生成物は、好ましくは、クエンチカラムの第二の蒸気入口１３１を通ってカラム１０８に導入又は移送される。従って、クエンチカラムの第二の蒸気入口は、ストリッパーカラムのオーバーヘッド蒸気出口に流体接続されうる。
【００４１】
用語“非凝縮性ガス”とは、塩化水素処理及び固体副産物分離に向けられた条件下において、各種の主要ユニット操作中に気体状態のままである任意のガスのことを言う。例えば、非凝縮性ガスは、ユニット１０４、１０８、１２１、及び１１３のいずれにおいても凝縮しない任意のガスでありうる。接触ガスは、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及びジクロロシランのいずれかの気化を少なくとも部分的に実行できる水素、不活性ガス、又はその両方を含みうる。
【００４２】
カラム１２１は、ストリッパーカラムからの固体豊富ストリーム回収用の底部出口又は固体豊富残渣出口１２２も有しうる。固体豊富ストリームは、固体塩を廃棄物として処分する前に、クロロシランなどの有用成分を取り戻す最終回収システム１２４に送達されうる。
【００４３】
本発明の一つ又は複数の態様の少なくとも一つの変形に従って、システム１００はさらに、第二の粗生成物の成分の精製又は分離を実行する一つ又は複数の分離装置列１５０を含む。例えば、システム１００は、カラム１０８からの第二の粗生成物の成分としてトリクロロシラン、ジクロロシラン、四塩化ケイ素を分離する複数のユニット操作を含む一つ又は複数の装置列を含みうる。従って、粗生成物分離装置列及び水素回収システムは、第一の装置列入口１５３を通じて凝縮器出口１１７の下流に流体接続されうる。場合によっては、凝縮器１１３からの粗凝縮物の一部も、粗凝縮物中のトリクロロシラン、ジクロロシラン、四塩化ケイ素成分のいずれかを回収するために、第二の装置列入口１５５を通じて装置列１５０に向かわせることができる。従って、第二の装置列入口１５５は、凝縮器の凝縮物出口１１５の下流に流体接続されうる。
【００４４】
水素回収システムは、典型的には、カラム１０８の第二の粗生成物から、そして場合によっては凝縮器１１３の粗凝縮物から、シランタイプの化合物（例えばトリクロロシラン及びジクロロシランであるが、これらに限定されない）並びに四塩化ケイ素のそれぞれの少なくとも一部を凝縮することによって、水素ガスを分離する。水素ガスの分離又は回収を実行する他の技術も利用することができる。
【００４５】
本発明の一部の態様において，システム１００は、水素回収システムから回収された水素の少なくとも一部を利用する構成を含むことができる。例えば、回収水素は、四塩化ケイ素水素化反応の反応物として利用できる。回収水素は、リアクター１０４に、別のストリームとして、又は四塩化ケイ素と共に導入できる。他の構成では、回収水素は、例えば、水素回収システムの回収水素出口１５７からのものでありうる。水素回収システムは、装置列１５０のサブシステムとして例示されているが、必ずしもそうでなくてもよい。接触ガスは、少なくとも部分的には、リアクターからの回収水素を含みうる。
【００４６】
図２は、装置列１５０で利用できるユニット操作を例示している。例えば、装置列１５０は、凝縮器１１３からの粗凝縮物を受け取るように配置されたタンクを含みうる。装置列１５０はさらに、タンク２０２の出口に流体接続され、混合液(mixed liquor)を受け取る分離カラム２１０を含みうる。タンク２０２からの混合液は、四塩化ケイ素、トリクロロシラン、及び上流のユニット操作の運転条件によってはジクロロシランを含みうる。カラム２１０は、混合液からトリクロロシランを少なくとも部分的に分離して、トリクロロシランを含む生成物ストリームを、典型的にはカラム２１０のオーバーヘッドストリームとして製造するために運転されうる。このストリームは貯蔵庫に送られうる。しかしながら、他の場合では、生成物ストリームを一つ又は複数の操作で（図示せず）さらに精製して、ジクロロシランのような不純物を除去し、トリクロロシランを回収することもできる。
【００４７】
カラム２１０からの副産物ストリームは、それから四塩化ケイ素の分離を促進するためにカラム２２０に導入できる。典型的には、カラム２２０からのオーバーヘッドストリームは回収された四塩化ケイ素を含む。これは、リアクター１０４に送られる反応混合物の成分として、例えばヒーター１１２を通って導入されうる。
【００４８】
上述の通り、装置列１５０は水素回収サブシステムを含みうる。このサブシステムは、水素以外の第二の粗生成物の実質的にすべての成分を凝縮するユニット操作を含みうる。例えば、水素回収は、カラム１０８及び凝縮器１１３からの第二の粗生成物を、一つ又は複数の冷却器(chiller)１６０及び１６５で冷却することによって実行できる。第二の粗生成物の凝縮性成分の凝縮を実行する冷媒は、冷却器(cooler)ＣＨＳによって供給されうる。冷却器１６０及び１６５からの回収ストリーム（典型的には四塩化ケイ素及びトリクロロシランを含む）は、蓄積タンク２０２に直接導入されるか、又はタンク１７０に回収されうる。次に、冷却器１６０及び１６５からの回収水素は、前述のように、カラム１２１に導入される接触ガスを構成するため、リアクター１０４に導入される反応混合物を構成するため、又はその両方のために利用されうる。
【００４９】
本発明の一つ又は複数の側面はトリクロロシランの合成法に向けられうる。該方法は、本明細書中で一つ又は複数の態様に示したように、反応混合物をリアクター１０４に導入することを含みうる。反応混合物は、典型的には四塩化ケイ素と水素を含む。方法はさらに、リアクター１０４から第一の粗生成物を回収し、第一の粗生成物から金属塩の少なくとも一部を分離して第二の粗生成物と第一の残渣を製造し、そして第一の残渣の少なくとも一部を接触ガスと接触させて固体豊富残渣と蒸気生成物を製造することを含みうる。トリクロロシラン合成法に関する本発明の一つ又は複数の態様は、ユニット１０４のような流動床リアクター中で四塩化ケイ素を水素化して第一の粗生成物ストリーム中にトリクロロシランを製造し；ユニット１０８のような第一の分離カラムで第一の粗生成物ストリームからケイ素の少なくとも一部及び少なくとも一つの金属塩を分離して第一の残渣ストリームと第二の粗生成物ストリームを製造し；そして第一の残渣ストリームの少なくとも一部からトリクロロシランの少なくとも一部と四塩化ケイ素の少なくとも一部を、ユニット１２１のような第二のカラムで接触ストリームを用いて気化させて蒸気生成物ストリームと固体豊富スラリーストリームを製造することを含みうる。ここで、固体豊富スラリーストリームは少なくとも一つの金属塩及びはケイ素を含み、蒸気生成物ストリームは気化トリクロロシラン及び気化四塩化ケイ素を含む。
【００５０】
第一の粗生成物は典型的には、少なくとも、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、水素、ケイ素、及び金属塩を含む。第二の粗生成物は典型的には、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及び水素を含み；第一の残渣は典型的には、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、ケイ素、及び金属塩を含む。蒸気生成物は典型的には、トリクロロシラン及び四塩化ケイ素を含み；固体豊富残渣は典型的には、ケイ素及び金属塩を含む。接触ガスは、回収水素などの水素を含みうる。
【００５１】
本発明の一つ又は複数の態様の少なくとも一つの変形に従って、方法はさらに、第二の粗生成物の少なくとも一部を凝縮して粗凝縮物を製造し、そして好ましくは粗凝縮物の少なくとも一部を第一の粗生成物と接触させることを含みうる。
【００５２】
少なくとも一つの更なる変形に従って、方法はさらに、粗凝縮物の少なくとも一部を蒸気生成物の少なくとも一部と接触させることを含みうる。少なくとも一つのなお更なる変形に従って、方法はさらに、第一の残渣の少なくとも一部を第一の粗生成物と接触させることを含みうる。
【００５３】
少なくとも一つのなお更なる変形に従って、方法はさらに、トリクロロシランの少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から分離し、四塩化ケイ素の少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から回収し、水素の少なくとも一部を第二の粗生成物の少なくとも一部から回収し、そして回収水素の少なくとも一部をリアクターに導入することを含みうる。
【００５４】
本発明の方法の好適な態様は、接触ガスを少なくとも部分的に構成するものとして回収水素を利用することを含みうる。場合によっては、反応混合物は回収水素を少なくとも部分的に含み、好ましくは回収四塩化ケイ素も含む。従って、方法はさらに、第二の粗生成物から四塩化ケイ素の少なくとも一部を分離して、回収四塩化ケイ素と、トリクロロシラン及びジクロロシランを含む第三の粗生成物とを製造し、回収四塩化ケイ素の少なくとも一部をリアクター１０４に導入することを含みうる。
【００５５】
第一の粗生成物から金属塩化物塩の少なくとも一部を分離することに関する本発明の一つ又は複数の特別の態様は、第一の粗生成物をクエンチカラム１０８に導入し、クエンチカラム１０８から第二の粗生成物を回収し、そしてクエンチカラム１０８から第一の残渣を回収することを含む。第一の残渣の少なくとも一部と接触ガスとの接触は、接触ガスをストリッパーカラム１２１に導入し、第一の残渣の少なくとも一部をストリッパーカラム１２１に導入し、ストリッパーカラム１２１から蒸気生成物を回収し、そしてストリッパーカラム１２１から固体豊富残渣を回収することを含みうる。第一の粗生成物からの金属塩の少なくとも一部の分離は、第一の粗生成物の少なくとも一部をストリッパーカラム１２１からの蒸気生成物の少なくとも一部と接触させることを含みうる。
【００５６】
本発明の一つ又は複数のなお更なる態様において、方法はさらに、生成物中の回収四塩化ケイ素の濃度を増大して濃縮ＳＴＣ生成物を製造し、そしてその濃縮ＳＴＣ生成物をリアクター１０４に導入することを含みうる。本発明の一つ又は複数のなお更なる態様において、方法はさらに、第二の粗生成物中の水素の少なくとも一部を回収し、そして回収水素の少なくとも一部を濃縮ＳＴＣ生成物と共にリアクター１０４に導入することを含みうる。
【００５７】
本発明の一つ又は複数のなお更なる態様において、方法はさらに、第三の粗生成物からトリクロロシランを分離してトリクロロシラン豊富生成物を製造することを含みうる。
方法はさらに、リアクター１０４に導入される反応混合物の少なくとも一部を、リアクター１０４からの第一の粗生成物で加熱することを含みうる。
【００５８】
接触ストリームを用いて第一の残渣ストリームの少なくとも一部からトリクロロシランの少なくとも一部及び四塩化ケイ素の少なくとも一部を気化させることは、例えば、第一の残渣ストリームの少なくとも一部を、水素及び非凝縮性ガスの少なくとも一つを含みうる接触ストリームと接触させることを含みうる。さらに、第一の粗生成物ストリームからのケイ素の少なくとも一部及び少なくとも一つの金属塩の分離は、トリクロロシラン合成法のさらに他の変形又は態様では、第一の粗生成物ストリームの少なくとも一部を第一の残渣ストリームと接触させることを含みうる。
【００５９】
トリクロロシランの合成法はさらに、第二の粗生成物ストリームの少なくとも一部を凝縮して粗凝縮物ストリームを製造し、そして第一の粗生成物ストリームを粗凝縮物ストリームと接触させることを含みうる。
【００６０】
トリクロロシラン合成法の上記変形のいずれかと組み合わせて、又はその代わりに、方法はさらに、第二の粗生成物ストリームから水素の少なくとも一部を回収することを含みうる。第一の残渣ストリームの少なくとも一部からトリクロロシランの少なくとも一部及び四塩化ケイ素の少なくとも一部を気化させることは、回収水素の少なくとも一部を用いて四塩化ケイ素、トリクロロシラン、及びジクロロシランのいずれかを気化させることを含みうる。
【００６１】
なお更なる側面は、シラン又はトリクロロシランを合成する既存システムを変更する方法に関しうる。変更法は、既存の合成システムに一つ又は複数のユニット操作を組み込む又は据え付けることを含みうる。既存のユニット操作に応じて、方法は、合成システムのリアクターの反応生成物の一つ又は複数の成分の気化を促進する一つ又は複数のユニット操作を提供することを含みうる。例えば、既存のシステムが、シラン前駆体化合物を含有する生成物ストリームの合成を促進する少なくとも一つのリアクターを含む場合、既存システムの変更法は、一つ又は複数のクエンチカラムを、生成物ストリームを提供するリアクターの出口に流体接続することを含みうる。方法は、場合によってはさらに、リアクターの下流に一つ又は複数の接触ストリッパーカラムを流体接続することを含みうる。
【００６２】
接触ガスは、トリクロロシラン、ジクロロシラン、及び四塩化ケイ素の少なくとも一つの気化を促進し、好ましくは接触又は気化条件でそれらと反応しない任意のガスを含みうる。例えば、接触ガスは、窒素、アルゴン、及びヘリウムのいずれかを含みうる。一つ又は複数の非凝縮性ガスが利用される場合、本発明の好適な側面は、システムから非凝縮性ガスの少なくとも一部を分離又は回収することを含みうる。ガスの回収は、例えば、冷却によりガス含有ストリームの温度を下げて凝縮性部分を液化し、それによって非凝縮性ガス部分をそこから回収することによって実行できる。
【００６３】
リアクター１０４は、典型的には、例えば水素化によって四塩化ケイ素のトリクロロシランへの変換を促進する条件で運転される。リアクター１０４は、金属グレードのケイ素をその中に有するリアクターを含みうる。好適な構成において、リアクター１０４は、流動床リアクターであり得、流動床は金属グレードのケイ素を含む。反応は、流動床で約３００℃〜約６００℃の範囲の温度、及び約１００ｐｓｉｇ〜約６００ｐｓｉｇの範囲、典型的には約３２５ｐｓｉｇの圧力で、反応：
３ＳｉＣｌ４  ＋  ２Ｈ２  ＋  Ｓｉ  →  ４ＨＳｉＣｌ３
に従って実施できる。
【００６４】
リアクター１０４に導入される反応混合物は、化学量論比の四塩化ケイ素と水素を有しうるが、モル比は約１：１でもよい。
反応混合物は、熱力学的に反応に有利な条件下でリアクターに導入できる。例えば、約３２５ｐｓｉｇの圧力の反応混合物は、ヒーター１１１及び１１２で約５００℃に加熱されうる。
【００６５】
クエンチカラム１０８は、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、ジクロロシラン、及び水素を含む第一の粗生成物のような供給ストリームの大量分離を促進する分留塔又は蒸留塔でありうる。典型的には、カラム１０８での分離は、第二の粗生成物ストリームでありうる留出物画分と、第一の残渣ストリームでありうるボトム画分とを生み出す。しかしながら、一部の構成では、カラムから多種類の生成物を取り出せるように、カラム沿いに間隔をあけて複数の出口を有する分留塔を利用することもできる。ストリッパーカラム１２１も、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及びジクロロシランのいずれかの少なくとも一部を気化することによって第一の残渣ストリームの分別を実行する分留塔でありうる。
【００６６】
運転時、カラム１０８は、典型的には第一の粗生成物ストリーム由来の上昇流の蒸気に逆流し、かつ接触する、粗凝縮物及び第一の残渣ストリームでありうる下降流の液体通行(liquid traffic)と、ストリッパーカラム１２１からのオーバーヘッド蒸気生成物ストリームとを有しうる。
【００６７】
接触構造をカラムの中に利用することができる。例えば、バブルキャップトレイ又はプレートを使用して、カラム中の上昇する蒸気通行と下降する液体通行間の接触を促進することができる。特にカラムの圧力降下を小さくしたい場合、トレイの代わりに充填材料を使用することもできる。材料は、ランダムに投入されたラッシヒリング(Raschig ring)の充填物又は構造化シート金属のいずれかでありうる。
【００６８】
分留塔及びその他の補助ユニットの設計及び運転は、供給材料の組成及び所望生成物の組成に依存する。多成分供給材料の場合、カラムの設計及び運転のためにシミュレーションモデルを使用することができる。例えば、カラム１０８は、約９０℃〜約１８０℃の範囲、典型的には約１３５℃の温度、及び約１００ｐｓｉｇ〜約６００ｐｓｉｇの範囲、典型的には約３２５ｐｓｉｇの圧力で運転されうる。カラム１２１は、約３５℃〜約１８０℃の範囲、例えば約１１５℃の温度、及び約１００ｐｓｉｇ〜約６００ｐｓｉｇの範囲の圧力で運転されうる。
【００６９】
凝縮器１１３は、カラム１０８からの粗蒸気の成分の少なくとも一部を凝縮して約８０℃〜約４０℃の範囲の温度にするために運転されうる。
本発明は、システムのあらゆるユニット操作の一つ又は複数のパラメーター操作をモニター及び調整するために一つ又は複数の制御システム（図示せず）の利用を含んでいてもよい。例えば、制御システムを利用して、システム１００のいずれかのユニット操作の運転条件、例えばリアクター１０４の温度及び圧力、及びリアクター１０４中の反応混合物の流速を、それぞれの標的値にモニター及び調整することができる。場合によっては、同じ又は異なる制御システムが、カラム１０８及び１２１のいずれかにおける運転条件をモニター及び調整するために利用できる。例えば、接触ガスストリームの流速を、一つ又は複数の予定値、標的値、又はセットポイント値が提供されるように、又はストリッパーカラム、さらにはクエンチカラムの他の運転条件に依存するように、モニター及び制御することができる。モニター又は制御される他のパラメーターは、カラム１０８及び１２１、凝縮器１１３、ポンプ１１９、及びヒーター１１２に出入りするいずれかのストリームの温度、圧力、及び流速でありうる。さらに、システム１００中のいずれかのストリームの組成も、制御ずみ又は制御中のパラメーターでありうる。
【００７０】
制御装置は、一つ又は複数のコンピューターシステム（図示せず）を使用して実行できる。例えば汎用コンピューター又は特殊コンピューターシステムなどでありうる。本発明のシステム又はサブシステムの一つ又は複数のプロセスを実行するのに利用又は実施できる制御システムの非制限的例は、Ｅｍｅｒｓｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．社のＤＥＬＴＡ  Ｖ  デジタルオートメーションシステムなどの分散制御システム、及びウィスコンシン州ミルウォーキーのＡｌｌｅｎ−Ｂｒａｄｌｅｙ又はＲｏｃｋｗｅｌｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ社から入手できるようなプログラマブル論理制御装置などである。
【００７１】
本発明のこれら及びその他の態様の機能及び利点は、以下の実施例からさらに理解することができる。下記実施例は、本発明の一つ又は複数のシステム及び技術の利益及び／又は有利性を示しているが、本発明の全範囲を例示しているのではない。
【実施例】
【００７２】
実施例１
本実施例は、本発明の一つ又は複数の態様による模擬システムを記載する。この模擬システムは、実質的に図１及び２として表され、上記の通りである。ストリッパーカラム１２１で気化を促進するために利用された接触ガスは水素であった。
【００７３】
表１は、リアクター１０４を出入りする一部のストリームの組成（近似重量パーセント）及び運転パラメーターを示す。
表２は、クエンチカラム１０８及び凝縮器１１３を出入りする一部のストリームの組成（近似重量パーセント）及び運転パラメーターを示す。
【００７４】
表３は、ストリッパーカラム１２１を出入りする一部のストリームの組成（近似重量パーセント）及び運転パラメーターを示す。
不純物は、典型的には、シラン類、例えば、これらに限定されないが、シラン、ジシラン、モノクロロシラン、ヘキサクロロシラン及びメチルジクロロシラン；塩化物類、例えば、これらに限定されないが、五塩化リン(phosphoric chloride)、三塩化ホウ素、及び三塩化リン(phosphorus trichloride)；ジボラン；メタン；ホスフィン；及び水などである。
【００７５】
金属は、典型的には、鉄、カルシウム、及びアルミニウムなどであり；金属塩は、典型的には、塩化鉄、塩化カルシウム、及び塩化アルミニウムなどである。
【００７６】
【表１】
2013510068.tif 000003
【００７７】
【表２】
2013510068.tif 000004
【００７８】
【表３】
2013510068.tif 000005
【００７９】
本発明の一部の例示的態様を記載してきたが、当業者には、前述の記載は単に例示であって制限ではなく、ほんの一例として示されているだけであることは明白なはずである。多数の変形及びその他の態様が当業者の範囲内であり、本発明の範囲に含まれると考えられる。特に、本明細書中に示された実施例の多くは、方法の行為又はシステムの構成要素の特定の組合せを含んでいるが、当然のことながら、そのような行為及びそのような構成要素は、同じ目的を達成するために他の方法で組み合わせることもできる。
【００８０】
当業者であれば、本明細書中に記載されたパラメーター及び構成は例示であり、実際のパラメーター及び／又は構成は、本発明のシステム及び技術が使用される特定の用途に依存することは分かるはずである。また、当業者は、日常の実験程度のことを用いて本発明の特定の態様の等価物を認識するか又は確認できるはずである。従って、当然のことながら、本明細書中に記載された態様はほんの一例として示されているだけであって、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内で、本発明は具体的に記載された以外の方法で実施することもできる。
【００８１】
さらに、本発明は、本明細書中に記載された各特徴、システム、サブシステム、又は技術に向けられており、本明細書中に記載された二つ以上の特徴、システム、サブシステム、又は技術の任意の組合せも、そのような特徴、システム、サブシステム、及び技術が相互に矛盾していなければ、特許請求の範囲で具体化された本発明の範囲内であるとみなされることも理解されるべきである。さらに、一態様との関連でのみ議論された行為、構成要素、及び特徴は、他の態様において同様の役割から除外されないものとする。
【００８２】
本明細書では、“複数”という用語は、二つ以上の事項又は要素（成分、部品）のことを言う。“含む(comprising)”、“含む(including)”、“持つ(carrying)”、“有する(having)”、“含有する(containing)”、及び“含む(involving)”という用語は、明細書中であれ特許請求の範囲などにおいてであれ、オープンエンドな用語(open-ended term)である、すなわち“含むが、限定されない”ことを意味する。従って、そのような用語の使用は、その後に列挙される事項、及びその等価物のほか、追加的事項も包含することを意味する。“からなる(consisting of)”及び“本質的に〜からなる(consisting essentially of)”という移行句のみが、特許請求の範囲に関してそれぞれ閉鎖的(closed)又は半閉鎖的(semi-closed)移行句である。特許請求の範囲においてクレームの要素を修飾するための“第一”、“第二”、“第三”などの序数用語の使用は、それ自体、一つのクレームの要素が別のに優る何らかの優先、先行、又は順序や、方法の行為が実施される時間的順序を暗示しているのではなく、そういった用語は、単に、クレームの要素を区別するための序数用語の使用を別にすれば、ある名称を有する一つのクレームの要素を、同じ名称を有する別の要素と区別するための標識として使用されているに過ぎない。
【符号の説明】
【００８３】
１００  システム
１０２  四塩化ケイ素供給源
１０３  水素供給源
１０４  リアクター
１０５  入口
１０６  出口
１０７  ケイ素供給源
１０８  クエンチカラム
１０９  第一の入口（粗生成物入口又は粗蒸気入口）
１１０  第一の出口（粗蒸気生成物出口）
１１１  熱交換器
１１２  ヒーター
１１３  凝縮器
１１４  凝縮器入口
１１５  凝縮物出口
１１６  第二の入口（オーバーヘッド凝縮物入口）
１１７  凝縮器出口
１１８  残渣出口
１１９  ポンプ
１２０  残渣リサイクル入口
１２１  ストリッパーカラム
１２２  固体豊富残渣出口
１２３  オーバーヘッド液体入口
１２４  最終回収システム
１２５Ａ  接触ガス供給源
１２５Ｂ  接触ガス供給源
１２７  接触ガス入口
１２９  オーバーヘッド蒸気出口
１３１  第二の蒸気入口
１５０  分離装置列
１５３  第一の装置列入口
１５５  第二の装置列入口
１５７  回収水素出口
１６０  冷却器
１６５  冷却器
１７０  タンク
２０２  タンク
２１０  分離カラム
２１２
２２０  カラム
ＣＷ  冷却システム
ＣＨＳ  冷却器
【図１】
2013510068.tif 000006
【図２】
2013510068.tif 000007
【国際調査報告】
2013510068.tif 000008
2013510068.tif 000009