[发明专利]生产三氯硅烷的方法和用于生产三氯硅烷的硅

说明书

发明领域

本发明涉及通过硅与HCl气体的反应生产三氯硅烷的方法和用于生产三氯硅烷的硅。

背景技术

在生产三氯硅烷（TCS）的方法中，使冶金级硅与HCl气体在流化床反应器、搅拌床反应器或固体床反应器中反应。通常在250 ℃和1100 ℃之间的温度下实施该方法。在反应中形成除TCS之外的其它挥发性硅烷，主要是四氯化硅（STC）。由于通常TCS是优先产物，反应的选择性（表示为TCS/(TCS+其它硅烷)的摩尔比）是重要的因素。另一个重要因素是硅的反应性，其作为首检HCl转化率（first pass HCl coversion）测定。优选地，90%以上的HCl转化为硅烷，但在工业上会能观察到较低的反应性。

选择性和反应性将很大程度上取决于硅和HCl发生反应时的工艺温度。根据平衡计算，在以上给定的温度范围内，TCS的量应为约20-40%（其余主要是STC）。然而，实际上，观察到了明显更高的TCS选择性，且在低于400 ℃的温度可能观察到90%以上的TCS选择性。这种与平衡的大偏差的原因是产物的组成是由动力学限制引起的。较高的温度将使得产物分布移向平衡组成并且观察到的选择性与计算的选择性之间的差距将变小。随着温度的升高反应性会增加。因此当温度升高且仍然保持接近于100% HCl消耗时可以使用粗的硅颗粒（块）。

高压将使平衡组成移向稍微更高的TCS选择性。然而，实际上，压力的主要影响是更高的反应器容量和必须从反应器去除的更多的热量。

冶金级硅含有多种杂质元素如Fe、Ca、Al、Mn、Ni、Zr、O、C、Zn、Ti、B、P以及其它元素。一些杂质（例如Fe和Ca）将与HCl反应并将形成固态的稳定的化合物如FeCl₂和CaCl₂。取决于它们的大小和密度，稳定的金属氯化物将随着产物气体被吹出反应器或聚集在反应器中。其它杂质如Al、Zn、Ti、B和P形成挥发性氯化物，其与产生的硅烷一起离开反应器。

O和C富集于硅的炉渣颗粒中，炉渣颗粒与HCl不反应或缓慢反应并且易于在反应器中聚集。最小的炉渣颗粒可以被吹出反应器并被过滤系统捕获。

冶金级硅中的许多杂质在通过硅与HCl气体反应生产三氯硅烷的过程中影响硅的性能。因此，硅的反应性和选择性都可受到正面的和负面的影响。

发明公开内容

已经发现为了通过与HCl的反应生产三氯硅烷而向反应器供应具有增加的钡含量的硅意外地提供提高的选择性，并且如果除了钡之外再加入铜，选择性得到进一步地提高。还发现如果将三氯硅烷反应器中的钡含量控制在某些界限之内可以获得提高的选择性。

根据第一方面，本发明涉及通过硅与HCl气体在250 ℃ 和1100 ℃之间的温度和0.5-30 atm的绝对压力下在流化床反应器、搅拌床反应器或固体床反应器中的反应生产三氯硅烷的方法，该方法特征在于供应到所述反应器中的硅含有按重量计40-10000 ppm的钡和任选的按重量计40-10000 ppm的铜。

优选地供应到反应器中的硅含有按重量计60-1000 ppm的钡。

钡和任选的铜与硅合金化，与硅机械地混合或与硅分开地加入到反应器中。

钡和任选的铜可以在用于产生硅的熔炉过程中、将硅从熔炉中取出之后在精炼罐中或在浇铸步骤中与硅合金化。将钡和任选的铜加到熔炉中可例如通过以下来进行：向熔炉中加入含有钡和任选的铜的原料，或向熔炉中加入含钡的化合物如重晶石（BaSO₄），硅化钡等和任选的含铜的化合物如铜、硅化铜、氧化铜等。

也可以在精炼罐中将钡或钡化合物和任选的铜和铜化合物加入到硅中。加入的任何钡化合物和铜化合物将被硅还原成元素钡和元素铜，其将在硅固化时形成不同的金属间的相。

也可以在浇铸步骤中将钡和任选的铜加入硅中，例如通过将钡化合物和任选的铜化合物加入到熔融的硅中，通过在铸模中使用钡化合物或含钡的硅或通过在含有钡的材料表面上浇铸硅。

钡和任选的铜也可以与硅机械地混合。

根据第二方面，本发明涉及用于通过硅与HCl气体的反应生产三氯硅烷的硅，其中该硅含有按重量计40至10000 ppm的钡和任选的按重量计40-10000 ppm的铜，除了正常杂质外余量是硅。

优选地硅含有按重量计60-1000 ppm的钡。