DE102014018435A1 - Process for recovering hexachlorodisilane from mixtures of chlorosilanes contained in process effluent streams - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Hexachlordisilan aus in Prozessabgasströmen enthaltenen Gemische von Chlorsilanen mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x = 1 und y = 0–3 und x = 2 und y = 0–5 ist. Der hier vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzubieten, das eine Abtrennung des Hexachlordisilans mit hohen Ausbeuten aus den beschriebenen Chlorsilangemischen, welche bei der thermischen Umsetzung von Wasserstoff mit Monosilanen der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x gleich 1 und y gleich 0–2 ist, anfällt, ermöglicht. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Gewinnung von Hexachlordisilan aus in Prozessabgasströmen enthaltenen Gemische von Chlorsilanen mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x = 1 und y = 0–3 und x = 2 und y = 0–5 ist, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgasströme oder Anteile davon in die Flüssigphase überführt werden und danach die im Gemisch der Chlorsilane enthaltenen, teilhydrierten Chlordisilane der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y (x = 2, y = 1–5), katalytisch zusätzlich zu Hexachlordisilan umgesetzt werden und aus dem entstehenden Gemisch Hexachlordisilan destillativ abgetrennt wird.The invention relates to a process for recovering hexachlorodisilane from mixtures of chlorosilanes having the general formula SixHyCl2x + 2-y contained in process exhaust gas streams, where x = 1 and y = 0-3 and x = 2 and y = 0-5. The present invention is therefore based on the object to provide a method which is a separation of Hexachlordisilans with high yields from the chlorosilane mixtures described in the thermal reaction of hydrogen with monosilanes of the general formula SixHyCl2x + 2-y, where x is 1 and y equals 0-2, accumulates, allows. The object is achieved by a process for recovering hexachlorodisilane from mixtures of chlorosilanes with the general formula SixHyCl2x + 2-y contained in process exhaust gas streams, where x = 1 and y = 0-3 and x = 2 and y = 0-5 in that the exhaust gas streams or fractions thereof are converted into the liquid phase and thereafter the partially hydrogenated chlorodisilanes of the general formula SixHyCl2x + 2-y (x = 2, y = 1-5) present in the mixture of the chlorosilanes are additionally catalytically added be converted to hexachlorodisilane and separated from the resulting mixture hexachlorodisilane by distillation.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Hexachlordisilan aus in Prozessabgasströmen enthaltenen Gemische von Chlorsilanen mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x = 1 und y = 0–3 und x = 2 und y = 0–5 ist.The invention relates to a process for the recovery of hexachlorodisilane of mixtures of chlorosilanes having the general formula Si x H y Cl 2x + 2-y contained in process gas streams, where x = 1 and y = 0-3, and x = 2 and y = 0-5 is.
Neben Chlordisilanen mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x = 1 und y = 0–3 ist, können die Prozessabgasströme auch signifikante Anteile von teilhydrierten Chlordisilanen mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x = 2 und y = 1–5 ist, und geringe Anteile an höhersiedenden Siliciumverbindungen und bei der Umsetzung mit Wasserstoff Chlorsilane der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x = 1 und y = 0–2 ist, enthalten.In addition to chlorodisilanes with the general formula Si x H y Cl 2x + 2-y , where x = 1 and y = 0-3, the process exhaust streams can also significant proportions of partially hydrogenated chlorodisilanes having the general formula Si x H y Cl 2x + 2 -Y , where x = 2 and y = 1-5, and small proportions of higher-boiling silicon compounds and in the reaction with hydrogen chlorosilanes of the general formula Si x H y Cl 2x + 2-y , where x = 1 and y = 0 -2 is included.
Prozesse wie die chemische Gasphasenabscheidung von Silicium aus Monosilanen, mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x = 1 ist und y = 0–2 sein kann, wie in der chemischen Gasphasenabscheidung des Siemensprozesses sowie bei anderen CVD-Prozessen der Mikroelektronik unter der Verwendung von Chlorsilanen, die Hydrierung von Siliciumtetrachlorid mit dem Ziel Trichlorsilan herzustellen oder die Trichlorsilansynthese aus metallurgischen Silicium erzeugen beispielsweise solche Prozessabgase. Darüber hinaus entstehen solche Abgase auch bei Plasmaumsetzungen (T > 200°C) von Chlorsilanen, mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y wobei x = 1 und y = 1–3 ist, ohne dass Wasserstoff zugegeben wird. Prozesse wie das Erhitzen von Trichlorsilan in einem Elektrodenbrenner auf > 200°C, wie in
Bei den an sich bekannten industriell üblichen Verfahrensschritten werden in einer oder mehreren Destillationsschritten die leichtsiedenen Komponenten (Siedetemperaturen < 57°C bei 1013,25 mbar) der genannten Prozessabgase teilweise oder gänzlich abgetrennt. Im Destillationssumpf verbleibt ein Chlorsilangemisch mit Komponenten einer Siedetemperatur > 57°C (bei 1013,25 mbar). Dieses Chlorsilangemisch enthält Si2Cl6 (Hexachlordisilan) sowie weitere teilhydrierte Chlordisilane mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x gleich 2 und y gleich 1–5 ist.In the industrially customary process steps known per se, the low-boiling components (boiling temperatures <57 ° C. at 1013.25 mbar) of the abovementioned process offgases are partially or completely separated in one or more distillation steps. A chlorosilane mixture with components having a boiling point> 57 ° C. (at 1013.25 mbar) remains in the distillation bottoms. This chlorosilane mixture contains Si 2 Cl 6 (hexachlorodisilane) and further partially hydrogenated chlorodisilanes having the general formula Si x H y Cl 2 x + 2-y , where x is 2 and y is 1-5.
Hexachlordisilan stellt in der Mikroelektronik einen wichtigen Ausgangsstoff dar. Die Verbindung ist unter anderem Precursor in der CVD-Abscheidung für hochreine Siliciumnitrid-, Siliciumoxid- oder Siliciumcarbidschichten. Weiterhin spielt Hexachlordisilan bei der Transistorherstellung in Speicherchips eine wichtige Rolle. Mittels Niedrigtemperaturepitaxie werden epitaktische Silicium-Schichten abgeschieden.Hexachlorodisilane is an important starting material in microelectronics. The compound is, inter alia, precursor in CVD deposition for high-purity silicon nitride, silicon oxide or silicon carbide layers. Furthermore, hexachlorodisilane plays an important role in transistor fabrication in memory chips. By means of low-temperature epitaxy, epitaxial silicon layers are deposited.
Bisher bestand die Schwierigkeit aufgrund der sehr ähnlichen Siedepunkte von Hexachlordisilan und weiteren teilhydrierten Chlordisilanen eine reine Fraktion von Hexachlordisilan (Si2Cl6) zu gewinnen. Dazu ist eine energetisch und technisch aufwändige Destillation mit einer hohen Trennstufenzahl erforderlich, wie in
Bisherige Verfahrensweisen zielten insbesondere darauf ab die Chlordisilane mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x gleich 2 und y gleich 0–5 ist, die zumeist als unerwünschte Nebenprodukte in den Verfahren auftreten, zu zerstören. Die reine Hydrolyse dieser Komponenten führte nachteiligerweise zu hochreaktiven Feststoffen. Aus diesem Grund gestaltet sich die Vernichtung dieser hochsiedenden Komponenten schwierig. Eine Vernichtung dieser Chlorsilane wird in
Ein anderes Verfahren beschreibt die Umsetzung mit Chlorgas, die nach
In
Der hier vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzubieten, das eine Abtrennung des Hexachlordisilans mit hohen Ausbeuten aus den beschriebenen Chlorsilangemischen, welche bei der thermischen Umsetzung von Wasserstoff mit Monosilanen der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x gleich 1 und y gleich 0–2 ist, anfällt, ermöglicht.The present invention is therefore based on the object to offer a process which comprises a separation of the hexachlorodisilane with high yields from the chlorosilane mixtures described, which is obtained in the thermal reaction of hydrogen with monosilanes of the general formula Si x H y Cl 2x + 2-y , where x is 1 and y is 0-2, is possible.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Gewinnung von Hexachlordisilan aus in Prozessabgasströmen enthaltenen Gemische von Chlorsilanen mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x = 1 und y = 0–3 und x = 2 und y = 0–5 ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgasströme oder Anteile davon in die Flüssigphase überführt werden und danach die im Gemisch der Chlorsilane enthaltenen, teilhydrierten Chlordisilane der allgemeinen Formel SixHyCl2x–2–y (x = 2, y = 1–5), katalytisch zusätzlich zu Hexachlordisilan umgesetzt werden und aus dem entstehenden Gemisch Hexachlordisilan destillativ abgetrennt wird.The object is achieved by a method for the recovery of hexachlorodisilane of mixtures of chlorosilanes having the general formula Si x H y Cl 2x + 2-y contained in process gas streams, where x = 1 and y = 0-3, and x = 2 and y = 0-5, which is characterized in that the exhaust gas streams or portions thereof are converted into the liquid phase and then the partially hydrogenated chlorodisilanes contained in the mixture of chlorosilanes of the general formula Si x H y Cl 2x-2-y (x = 2 , y = 1-5) are reacted catalytically in addition to hexachlorodisilane and separated from the resulting mixture hexachlorodisilane by distillation.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments are specified in the subclaims.
Danach erfolgt die Überführung der Abgase in die Flüssigphase durch Kondensation oder Absorption in einem Lösungsmittel und die katalytische Umsetzung wird bei einer Temperatur von 0 bis 100°C und einem Druck bis zu 20 bar durchgeführt.Thereafter, the transfer of the exhaust gases into the liquid phase takes place by condensation or absorption in a solvent and the catalytic reaction is carried out at a temperature of 0 to 100 ° C and a pressure up to 20 bar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Umsetzung im Batch oder in einem kontinuierlichen Prozess durchgeführt.In an advantageous embodiment of the invention, the reaction is carried out in a batch or in a continuous process.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass der Katalysator auf anorganische, wie Al2O3, SiO2 oder organische, wie Co-Polymer aus Styrol und Divinylbenzol, Feststoffe immobilisiert, dispergiert oder im Gemisch von Chlorsilanen gelöst eingesetzt wird.A further advantageous embodiment of the method is that the catalyst is immobilized on inorganic, such as Al 2 O 3 , SiO 2 or organic, such as copolymer of styrene and divinylbenzene, solids, dispersed or used dissolved in a mixture of chlorosilanes.
Eine erfinderische Ausgestaltung sieht vor, dass als Katalysatoren folgende Verbindungen eingesetzt werden:
- – primäre, sekundäre, tertiäre Amine der allgemeinen Formel I: wobei R1, R2 und R3 Wasserstoff-, Alkyl- mit C1 bis C10, Cycloalkyl- mit einer Ringgröße von 4 bis 8, Alkenyl- mit C1 bis C10 oder Aryl- mit einer Ringröße von 4 bis 8, Gruppen sind und R1 ≠ R2 ≠ R3, R1 = R2 ≠ R3 oder R1 = R2 = R3 ist, wobei die organischen Reste linear als auch verzweigt vorliegen können,
- – quartäre Amine/Ammoniumsalze der allgemeinen Formel II: wobei R1, R2, R3 und R4 Wasserstoff-, Alkyl- mit C1 bis C10, Cycloalkyl- mit einer Ringröße von 4 bis 8, Alkenyl- mit C1 bis C10 oder Aryl- mit einer Ringröße von 4 bis 8 Gruppen und A Halogenide, Pseudohalogenide, Phosphate und Sulfate sind und R1 ≠ R2 ≠ R3 ≠ R4, R1 = R2 = R3 ≠ R4 oder R1 = R2 ≠ R3 ≠ R4 oder R1 = R2 = R3 = R4, wobei die organischen Reste linear als auch verzweigt vorliegen können,
- – heterozyklische Stickstoffverbindungen der allgemeinen Formel III: mit einer Ringgröße von 4 bis 8, wobei R1, R2, R3 und R4 Wasserstoff-, Alkyl- mit C1 bis C10, Cycloalkyl- mit einer Ringröße von 4 bis 8, Alkenyl- mit C1 bis C10 oder Aryl- mit einer Ringröße von 4 bis 8 Gruppen sind und R1 ≠ R2 ≠ R3 ≠ R4, R1 = R2 = R3 ≠ R4 oder R1 = R2 ≠ R3 ≠ R4 oder R1 = R2 = R3 = R4 ist, wobei die organischen Reste linear als auch verzweigt vorliegen können,
- – heterozyklische aromatische Verbindungen (Azine) mit ein bis vier Stickstoff-Atomen im Ring, wie Pyridin, Pyrazin, Triazin und deren Derivate, deren Reste Wasserstoff-, Alkyl- mit C1 bis C10, Cycloalkyl- mit einer Ringröße von 4 bis 8, Alkenyl- mit C1 bis C10 oder Aryl- mit einer Ringröße von 4 bis 8 Gruppen sein können, wobei die organischen Reste linear als auch verzweigt vorliegen können.
- – Organophosphorverbindungen, wie primäre, sekundäre, tertiäre Phosphine, der allgemeinen Formel IV wobei R1, R2 und R3 Wasserstoff-, Alkyl- mit C1 bis C10, Cycloalkyl- mit einer Ringröße von 4 bis 8, Alkenyl- mit C1 bis C10 oder Aryl- mit einer Ringröße von 4 bis 8 Gruppen sind und R1 ≠ R2 ≠ R3, R1 = R2 ≠ R3 oder R1 = R2 = R3 ist, wobei die organischen Reste linear als auch verzweigt vorliegen können, und
- – quartäre Phosphine der allgemeinen Formel V wobei R1, R2, R3 und R4 Wasserstoff-, Alkyl- mit C1 bis C10, Cycloalkyl- mit einer Ringröße von 4 bis 8, Alkenyl- mit C1 bis C10 oder Aryl- mit einer Ringröße von 4 bis 8 Gruppen und A Halogenide, Pseudohalogenide, Phosphate und Sulfate sind und R1 ≠ R2 ≠ R3 ≠ R4, R1 = R2 = R3 ≠ R4 oder R1 = R2 ≠ R3 ≠ R4 oder R1 = R2 = R3 = R4 ist, wobei die organischen Reste linear als auch verzweigt vorliegen können.
- Primary, secondary, tertiary amines of general formula I: wherein
R 1,R 2 andR 3 are hydrogen, alkyl with C 1 to C 10 , cycloalkyl having a ring size of 4 to 8, alkenyl with C 1 to C 10 or aryl with a ring size of 4 to 8, groups and R1 ≠ R2 ≠ R3, R1 = R2 ≠ R3 or R1 = R2 = R3, it being possible for the organic radicals to be linear or branched, - Quaternary amines / ammonium salts of general formula II: wherein R 1 ,
R 2,R 3 andR 4 are hydrogen, alkyl of C 1 to C 10 , cycloalkyl having a ring size of 4 to 8, alkenyl of C 1 to C 10 or aryl having a ring size of 4 to 8 groups and A are halides, pseudohalides, phosphates and sulfates and R1 ≠ R2 ≠ R3 ≠ R4, R1 = R2 = R3 ≠ R4 or R1 = R2 ≠ R3 ≠ R4 or R1 = R2 = R3 = R4, where the organic radicals are linear as well as branched can be present - Heterocyclic nitrogen compounds of general formula III: having a ring size of 4 to 8, wherein R 1 , R 2, R 3 and R 4 are hydrogen, C 1 to C 10 alkyl, cycloalkyl of 4 to 8, alkenyl of C 1 to C 10 or aryl a ring size of 4 to 8 groups and R1 ≠ R2 ≠ R3 ≠ R4, R1 = R2 = R3 ≠ R4 or R1 = R2 ≠ R3 ≠ R4 or R1 = R2 = R3 = R4, wherein the organic radicals are linear as well as branched can be present
- - Heterocyclic aromatic compounds (azines) having one to four nitrogen atoms in the ring, such as pyridine, pyrazine, triazine and their derivatives, their radicals hydrogen, alkyl with C 1 to C 10 , cycloalkyl having a ring size of 4 to 8 , Alkenyl- with C 1 to C 10 or aryl with a ring size of 4 to 8 groups may be, wherein the organic radicals may be linear or branched.
- - Organophosphorus compounds, such as primary, secondary, tertiary phosphines, the general formula IV wherein R1, R2 and R3 are hydrogen, alkyl with C 1 to C 10, cycloalkyl with a ring size and are 4-8, alkenyl with C 1 to C 10 or aryl having a ring size 4-8 groups R1 ≠ R 2 ≠ R 3, R 1 = R 2 ≠ R 3 or R 1 = R 2 = R 3, where the organic radicals may be linear or branched, and
- - Quaternary phosphines of the general formula V wherein R 1 , R 2,
R 3 andR 4 are hydrogen, alkyl of C 1 to C 10 , cycloalkyl having a ring size of 4 to 8, alkenyl of C 1 to C 10 or aryl having a ring size of 4 to 8 groups and A are halides, pseudohalides, phosphates and sulfates and R1 ≠ R2 ≠ R3 ≠ R4, R1 = R2 = R3 ≠ R4 or R1 = R2 ≠ R3 ≠ R4 or R1 = R2 = R3 = R4, where the organic radicals are linear as well may be branched.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird dem Chlorsilangemisch Siliciumtetrachlorid zugemischt, was vorteilhafterweise zu einer Ausbeutesteigerung führt. Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass nach der katalytischen Umsetzung des Chlorsilangemisches die destillative Trennung des Reaktionsgemisches erfolgt oder die katalytische Umsetzung während einer reaktiven Destillation erfolgt.In one development of the invention, the chlorosilane mixture is mixed with silicon tetrachloride, which advantageously leads to an increase in yield. A further embodiment is characterized in that, after the catalytic conversion of the chlorosilane mixture, the distillative separation of the reaction mixture takes place or the catalytic reaction takes place during a reactive distillation.
Die Vorteile hierbei liegen insbesondere im geringeren apparativen Aufwand und in der besseren Energiebilanz. Die Temperatur zu erhöhen, dann katalytisch umzusetzen und sofort zu destillieren ist energetisch und technologisch vorteilhafter als die Temperatur zu erhöhen, katalytisch umzusetzen, abzukühlen, wieder aufzuheizen und dann zu destillieren.The advantages here are in particular the lower equipment costs and the better energy balance. Increasing the temperature, then catalytically reacting and distilling immediately is energetically and technologically more advantageous than increasing the temperature, catalytically reacting, cooling, reheating and then distilling.
Besonders vorteilhaft werden Katalysatoren wie alkylierte oder arylierte tertiäre Amine, wie Trimethylamin, in homogener Form oder auf anorganischen oder organischen Trägermaterialien immobilisierte alkylierte oder arylierte tertiäre Amine verwendet, welche Gruppierungen wie Dimethylamino-Gruppen, heterocyclische Stickstoffverbindungen (Azine), Pyridin-Gruppen oder Nitrile aufweisen oder quaternäre Amine, mit Trimethylammoniumchlorid-Gruppen, die auf einem organischen Trägermaterial, wie z. B. einem Copolymer aus Styrol und Divinylbenzol oder auf einem anorganischen Trägermaterial, wie z. B. Siliciumdioxid, immobilisiert sind.Particularly advantageous catalysts such as alkylated or arylated tertiary amines such as trimethylamine, in homogeneous form or immobilized on inorganic or organic support materials alkylated or arylated tertiary amines are used which have groupings such as dimethylamino groups, heterocyclic nitrogen compounds (azines), pyridine groups or nitriles or quaternary amines, with trimethylammonium chloride groups supported on an organic carrier material, such as. As a copolymer of styrene and divinylbenzene or on an inorganic support material such. As silica, are immobilized.
Der heterogene Katalysator wird in Form von Pellets eingesetzt, die eine Partikelgröße größer als 0,5 mm aufweisen. Ein Feinanteil ist nicht enthalten. Der Katalysator weist noch bei mindestens 100°C eine hinreichende Stabilität auf, ist nicht löslich und neigt im Wesentlichen zu keiner Aminabspaltung. Die katalytisch aktiven funktionellen Gruppen sind gut zugänglich.The heterogeneous catalyst is used in the form of pellets having a particle size greater than 0.5 mm. A fine fraction is not included. The catalyst still has sufficient stability at at least 100 ° C., is insoluble and substantially does not tend to split off the amine. The catalytically active functional groups are easily accessible.
Für die homogene Umsetzung bieten sich tertiäre Alkylamine, wie z. B.: Trimethylamin, an, die im System löslich sind einen und die einen deutlich niedrigeren Siedepunkt aufweisen als der von Hexachlordisilan, damit eine gute Abtrennung gewährleistet ist.For the homogeneous reaction are tertiary alkylamines, such as. B.: Trimethylamine, which are soluble in the system one and have a significantly lower boiling point than that of hexachlorodisilane, so that a good separation is guaranteed.
Erfindungsgemäß werden Chlorsilangemische mit Anteilen von Chlorsilanen der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x gleich 2 und y gleich 0–5, von Prozessabgasstromen aus der Umsetzung von Wasserstoff mit Chlorsilanen mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x gleich 1 und y gleich 0–2 ist, verarbeitet. Ziel dieser Verarbeitung ist die Gewinnung der hochsiedenden Komponenten SixHyCl2x+2–y, wobei x > 1 (Siedepunkt > 100°C, bei 1013,25 mbar), im speziellen Hexachlordisilan (Si2Cl6). According to the invention, chlorosilane mixtures having proportions of chlorosilanes of the general formula Si x H y Cl 2 x + 2-y , where x is 2 and y is 0-5, of process exhaust gas streams from the reaction of hydrogen with chlorosilanes having the general formula Si x H y Cl 2x + 2-y , where x equals 1 and y equals 0-2. The aim of this processing is the recovery of high-boiling components Si x H y Cl 2x + 2-y , where x> 1 (boiling point> 100 ° C, at 1013.25 mbar), in particular hexachlorodisilane (Si 2 Cl 6 ).
Die katalytische Umsetzung des Chlorsilangemisches führt hauptsächlich zur Bildung von Hexachlordisilan sowie höhersiedenden Siliciumverbindungen, was eine besonders saubere Abtrennung des Hexachlordisilan ermöglicht. Die mit der Erfindung vorteilhafterweise erreichbaren Siedepunktsdifferenzen sind in dem gewonnenen System so gravierend, dass eine Trennung der Komponenten mit geringem technischem und energetischem Aufwand erfolgen kann. Folglich kann die Reinheit der gewonnen Fraktionen erhöht werden. Im Gegensatz zu
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind, dass Hexachlordisilan aus den Abgasen der beschriebenen Prozesse mit geringem apparativen Aufwand und geringen Kosten, ohne zusätzliche Sicherheitsrisiken, in hoher Reinheit abgetrennt werden kann. Dies wird mit Hilfe der selektiven katalytischen Umsetzung von teilhydrierten Chlordisilanenanteilen im Chlorsilangemisch, mit der allgemeinen Formel SixHyCl2x+2–y, wobei x gleich 2 ist und y gleich 0–5 sein kann, erreicht. Mittels der katalytischen Umsetzung wird die Ausbeute von Hexachlordisilan beträchtlich erhöht.Further advantages of the present invention are that hexachlorodisilane can be separated from the exhaust gases of the processes described with low equipment costs and low costs, without additional safety risks, in high purity. This is achieved by means of the selective catalytic reaction of partially hydrogenated chlorodisilane moieties in the chlorosilane mixture, having the general formula Si x H y Cl 2 x + 2-y , where x is 2 and y is 0-5. By means of the catalytic reaction, the yield of hexachlorodisilane is considerably increased.
Die Erfindung wird an Hand von
Gemäß Fließschema
Im Trennbereich
Die Weiterbehandlung des Gemisches von Chlorsilanen, das im Trennbereich
Erfindungsgemäß wird in einer vorteilhaften Variante des Verfahrens eine katalytische Umsetzung
In einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels einer reaktiven Destillation
Ausführungsbeispiel 1 (Vergleichsbeispiel)Embodiment 1 (Comparative Example)
Es wurden 767,0 g eines Chlorsilangemisches, welches die Hochsiederfraktion einer Destillation von Abgasen einer Siliciumproduktion entspricht, destillativ aufgetrennt. Es wurden wie folgt aufgelistete Fraktionen gewonnen. Der Sumpf wurde nicht weiter untersucht. Tabelle 1. Übersicht die Zusammensetzung des Ausgangsgemischs sowie der Fraktionen des Vergleichsbeispiels (TCS = Trichlorsilan, STC = Siliciumtetra-chlorid, TCDS = Tetachlordisilan, PCDS = Pentachlordisilan, HCDS = Hexa-chlordisilan) 767.0 g of a chlorosilane mixture, which corresponds to the high boiler fraction of a distillation of exhaust gases of a silicon production, were separated by distillation. Fractions listed below were obtained. The swamp was not investigated further. Table 1. Overview of the composition of the starting mixture and the fractions of the comparative example (TCS = trichlorosilane, STC = silicon tetrachloride, TCDS = tetrachlorodisilane, PCDS = pentachlorodisilane, HCDS = hexa-chlorodisilane)
Ausführungsbeispiel 2 (nach Fig. 1, Umsetzung
In einem Dreihalskolben wurden 303,3 g Chlorsilangemisch mit 0,4 g des Katalysators Amberlyst A21® bei 20°C versetzt. Nach einer Woche wurde die Zusammensetzung erneut bestimmt (Tabelle 2). Der Katalysator wurde abfiltriert und das Gemisch destillativ aufgetrennt. Es wurden 3 Fraktionen entnommen. Die 3. Fraktion bzw. der Sumpf enthielt neben Hexachlordisilan weitere höhersiedenden Siliciumverbindungen. Tabelle 2. Übersicht über Zusammensetzungen der Gemische sowie der Fraktionen von Beispiel 1 (TCS = Trichlorsilan, STC = Siliciumtetrachlorid, TCDS = Tetachlordisilan, PCDS = Pentachlordisilan, HCDS = Hexachlordisilan und HSS = höhersiedenden Siliciumverbindungen). Zusammensetzung NMR-spektroskopisch bestimmt. In a three-necked flask, 303.3 g of chlorosilane mixture were mixed with 0.4 g of the catalyst Amberlyst A21 ® at 20 ° C. After one week, the composition was redetermined (Table 2). The catalyst was filtered off and the mixture was separated by distillation. Three fractions were taken. The third fraction or the bottoms contained, in addition to hexachlorodisilane, further higher-boiling silicon compounds. Table 2. Overview of compositions of the mixtures and the fractions of Example 1 (TCS = trichlorosilane, STC = silicon tetrachloride, TCDS = tetrachlorodisilane, PCDS = pentachlorodisilane, HCDS = hexachlorodisilane and HSS = higher boiling silicon compounds). Composition determined by NMR spectroscopy.
Ausführungsbeispiel 3 (nach Fig. 1, Umsetzung
In einem Dreihalskolben wurden 20,5 g Amberlyst A21® bei 20°C mit 1352,3 g (ca. 900 ml) Chlorsilangemisch versetzt. Das Gemisch wurde nach einer Woche NMR-spektroskopisch untersucht. Der Katalysator wurde abfiltriert und das Gemisch destillativ getrennt. Es konnten 232,7 g Hexachlordisilan gewonnen werden (Tabelle 3). Tabelle 3. Übersicht über Zusammensetzungen der Gemische von Beispiel 2 (TCS = Trichlorsilan, STC = Siliciumtetrachlorid, TCDS = Tetrachlordisilan, PCDS = Pentachlordisilan, HCDS = Hexachlordisilan und HSS = höhersiedenden Siliciumverbindungen). Zusammensetzung NMR-spektroskopisch bestimmt. In a three necked flask, 20.5 g of Amberlyst A21 ® (ca. 900 mL) chlorosilane mixture at 20 ° C and 1352.3 g. The mixture was analyzed by NMR spectroscopy after one week. The catalyst was filtered off and the mixture was separated by distillation. It was possible to obtain 232.7 g of hexachlorodisilane (Table 3). Table 3. Overview of Compositions of the Mixtures of Example 2 (TCS = trichlorosilane, STC = silicon tetrachloride, TCDS = tetrachlorodisilane, PCDS = pentachlorodisilane, HCDS = hexachlorodisilane and HSS = higher boiling silicon compounds). Composition determined by NMR spectroscopy.
Ausführungsbeispiel 4 (nach Fig. 1, reaktive Destillation
In einer Destillationsapparatur wurden 1344,6 g eines Chlorsilangemischs mit 19,9 g des Katalysators Amberlyst A21® versetzt und auf 45°C erhitzt. Hierbei wurden 119,9 g Trichlorsilan abgetrennt. Im Anschluss wurde der Katalysator abfiltiert. Aus der restlichen Lösung wurden anschließend 851,7 g Siliciumtetrachlorid und 236,8 g Hexachlordisilan destillativ getrennt. Als Sumpf verblieb eine gelbliche Lösung (136,2 g). in dieser Lösung waren weitere 4,0 g Hexachlordisilan enthalten (NMR-spektroskopische Untersuchung). Der Rest wurde höhersiedenden Siliciumverbindungen zugeordnet (Tabelle 4). Tabelle 4. Übersicht über Zusammensetzungen der Gemische sowie der Fraktionen von Beispiel 1 (TCS = Trichlorsilan, STC = Siliciumtetrachlorid, TCDS = Tetrachlordisilan, PCDS = Pentachlordisilan, HCDS = Hexachlordisilan und HSS = höhersiedenden Siliciumverbindungen). Zusammensetzung NMR-spektroskopisch bestimmt. In a distillation apparatus 1344.6 g of a Chlorsilangemischs were added to 19.9 g of the catalyst Amberlyst A21 ® and heated to 45 ° C. Here, 119.9 g of trichlorosilane were separated. Subsequently, the catalyst was filtered off. From the remaining solution were then 851.7 g of silicon tetrachloride and 236.8 g of hexachlorodisilane are separated by distillation. The bottom remained as a yellowish solution (136.2 g). in this solution, an additional 4.0 g hexachlorodisilane were included (NMR spectroscopic investigation). The remainder was assigned to higher boiling silicon compounds (Table 4). Table 4. Overview of compositions of the mixtures and the fractions of Example 1 (TCS = trichlorosilane, STC = silicon tetrachloride, TCDS = tetrachlorodisilane, PCDS = pentachlorodisilane, HCDS = hexachlorodisilane and HSS = higher-boiling silicon compounds). Composition determined by NMR spectroscopy.
Ausführungsbeispiel 5 (nach Fig. 1, Umsetzung
In einem Dreihalskolben wurden 304 g Chlorsilangemisch mit 0,4 g eines Dimethylamino-funktionalisierten Siliciumdioxids (Katalysator) bei 20°C versetzt.In a three-necked flask, 304 g of chlorosilane mixture were mixed with 0.4 g of a dimethylamino-functionalized silica (catalyst) at 20 ° C.
Nach einer Woche Rühren bei Raumtemperatur wurde die Zusammensetzung erneut bestimmt (Tabelle 5). Der Katalysator wurde abfiltriert und das Gemisch destillativ aufgetrennt. Es wurden 3 Fraktionen entnommen. Die 3. Fraktion bzw. der Sumpf enthielt neben Hexachlordisilan weitere höhersiedende Siliciumverbindungen. Tabelle 5. Übersicht über Zusammensetzungen der Gemische sowie der Fraktionen von Beispiel 4 (TCS = Trichlorsilan, STC = Siliciumtetrachlorid, TCDS = Tetrachlordisilan, PCDS = Pentachlordisilan, HCDS = Hexachlordisilan und HSS = höhersiedenden Siliciumverbindungen). Zusammensetzung NMR-spektroskopisch bestimmt. After stirring for one week at room temperature, the composition was redetermined (Table 5). The catalyst was filtered off and the mixture was separated by distillation. Three fractions were taken. The third fraction or the bottom contained, in addition to hexachlorodisilane, further higher-boiling silicon compounds. Table 5. Overview of compositions of the mixtures and the fractions of Example 4 (TCS = trichlorosilane, STC = silicon tetrachloride, TCDS = tetrachlorodisilane, PCDS = pentachlorodisilane, HCDS = hexachlorodisilane and HSS = higher boiling silicon compounds). Composition determined by NMR spectroscopy.
Ausführungsbeispiel 6 (nach Fig. 1, Umsetzung
In einem Dreihalskolben wurden 305,2 g Chlorsilangemisch mit 0,4 g eines Pyridinfunktionalisierten Siliciumdioxids (Katalysator) bei 20°C versetzt. Nach einer Woche bei Raumtemperatur wurde die Zusammensetzung erneut bestimmt (Tabelle 6). Der Katalysator wurde abfiltriert, und das Gemisch destillativ aufgetrennt. Es wurden 3 Fraktionen entnommen. Die 3. Fraktion bzw. der Sumpf enthielt neben Hexachlordisilan weitere höhersiedende Siliciumverbindungen. Tabelle 6. Übersicht über Zusammensetzungen der Gemische sowie der Fraktionen von Beispiel 5 (TCS = Trichlorsilan, STC = Siliciumtetrachlorid, TCDS = Tetrachlordisilan, PCDS = Pentachlordisilan, HCDS = Hexachlordisilan und HSS = höhersiedenden Siliciumverbindungen). Zusammensetzung NMR-spektroskopisch bestimmt. In a three-necked flask, 305.2 g of chlorosilane mixture were mixed with 0.4 g of a pyridine-functionalized silica (catalyst) at 20 ° C. After one week at room temperature, the composition was redetermined (Table 6). The catalyst was filtered off and the mixture was separated by distillation. Three fractions were taken. The third fraction or the bottom contained, in addition to hexachlorodisilane, further higher-boiling silicon compounds. Table 6. Overview of compositions of the mixtures and the fractions of Example 5 (TCS = trichlorosilane, STC = silicon tetrachloride, TCDS = tetrachlorodisilane, PCDS = pentachlorodisilane, HCDS = hexachlorodisilane and HSS = higher boiling silicon compounds). Composition determined by NMR spectroscopy.
Ausführungsbeispiel 7 (nach Fig. 1, Umsetzung
In einem Dreihalskolben wurden 298,4 g Chlorsilangemisch mit 0,4 g eines Diphenylphosphin-funktionalisiertes Siliciumdioxids (Katalysator) bei 20°C versetzt. Nach einer Woche bei Raumtemperatur wurde die Zusammensetzung erneut bestimmt (Tabelle 7). Der Katalysator wurde abfiltriert und das Gemisch destillativ aufgetrennt. Es wurden 3 Fraktionen entnommen. Die 3. Fraktion bzw. der Sumpf enthielt neben Hexachlordisilan weitere höhersiedende Siliciumverbindungen. Tabelle 7. Übersicht über Zusammensetzungen der Gemische sowie der Fraktionen von Beispiel 6 (TCS = Trichlorsilan, STC = Siliciumtetrachlorid, TCDS = Tetrachlordisilan, PCDS = Pentachlordisilan, HCDS = Hexachlordisilan und HSS = höhersiedenden Siliciumverbindungen). Zusammensetzung NMR-spektroskopisch bestimmt. In a three-necked flask, 298.4 g of chlorosilane mixed with 0.4 g of a diphenylphosphine-functionalized silica (catalyst) at 20 ° C were added. After one week at room temperature, the composition was redetermined (Table 7). The catalyst was filtered off and the mixture was separated by distillation. Three fractions were taken. The third fraction or the bottom contained, in addition to hexachlorodisilane, further higher-boiling silicon compounds. Table 7. Overview of compositions of the mixtures and the fractions of Example 6 (TCS = trichlorosilane, STC = silicon tetrachloride, TCDS = tetrachlorodisilane, PCDS = pentachlorodisilane, HCDS = hexachlorodisilane and HSS = higher boiling silicon compounds). Composition determined by NMR spectroscopy.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- ProzessabgasbereichProcess exhaust area
- 22
- Vortrennung (destillativ)Pre-separation (distillative)
- 33
- Trennbereichseparating region
- 44
- Trennbereichseparating region
- 55
- Umsetzungimplementation
- 66
- reaktive Destillationreactive distillation
- 6.16.1
- Fraktionfraction
- 6.26.2
- Fraktionfraction
- 6.36.3
- Fraktionfraction
- 6.46.4
- Destillationssumpfdistillation bottoms
- 77
- Destillationdistillation
- 7.17.1
- Fraktionfraction
- 7.27.2
- Fraktionfraction
- 7.37.3
- Destillationssumpfdistillation bottoms
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 1142848 B [0003] DE 1142848 B [0003]
- EP 1264798 [0006] EP 1264798 [0006]
- EP 2544795 B1 [0007] EP 2544795 B1 [0007]
- US 2009/0104100 A1 [0007] US 2009/0104100 A1 [0007]
- EP 2036859 B1 [0008] EP 2036859 B1 [0008]
- DE 3503262 A1 [0009] DE 3503262 A1 [0009]
- EP 1264798 A1 [0023] EP 1264798 A1 [0023]
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