Procedimiento y dispositivo para la conversión química del tetracloruro de silicio en el triclorosilano.

Procedimiento para la hidrogenación de clorosilanos en un reactor,

incorporándose en una zona de reacción, por separado unas de otras, por lo menos dos corrientes gaseosas de eductos, siendo conducida la primera corriente gaseosa de eductos, que contiene tetracloruro de silicio, a través de una primera unidad de intercambio de calor, en la que ella es calentada, y luego siendo conducida a través de una unidad de calefacción, y siendo calentada en este caso a una primera temperatura antes de que la primera corriente gaseosa de eductos alcance a la zona de reacción, y siendo calentada a una segunda temperatura la segunda corriente gaseosa de eductos, que contiene hidrógeno, a través de una segunda unidad de intercambio de calor, siendo la primera temperatura más grande que la segunda temperatura, y siendo incorporada luego en la zona de reacción, de manera tal que la temperatura media de los gases en la zona de reacción esté situada entre 850ºC y 1.300ºC, y reaccionando luego para formar unos productos gaseosos que comprenden el triclorosilano y el cloruro de hidrógeno, siendo conducidos los productos gaseosos, que se han producido al realizar la reacción, a través de las mencionadas por lo menos dos unidades de intercambio de calor, y calentando previamente las corrientes gaseosas de eductos según el principio de contracorriente a la reacción, siendo atravesada por la corriente en primer lugar la primera unidad de intercambio de calor y después de esto la segunda unidad de intercambio de calor.

Procedimiento y dispositivo para la conversión química del tetracloruro de silicio en el triclorosilano Son objeto del invento un procedimiento así como un dispositivo para la conversión química del tetracloruro de silicio en el triclorosilano.

El triclorosilano se utiliza para la producción de un silicio policristalino.

La preparación del triclorosilano se efectúa usualmente según un procedimiento de lecho turbulento fluidizado a partir de un silicio metalúrgico y del cloruro de hidrógeno. Con el fin de producir un triclorosilano muy puro, se efectúa a continuación de ello una destilación. En tal caso resulta como producto secundario también el tetracloruro de silicio.

La cantidad más grande del tetracloruro de silicio resulta al efectuar la deposición de un silicio policristalino. Un silicio policristalino se produce por ejemplo mediante el proceso de Siemens. En este caso, el silicio se deposita en un reactor junto a unas delgadas barras calentadas. Como gas de proceso se utiliza, en calidad del componente que contiene silicio, un halógeno-silano tal como el triclorosilano, en presencia de hidrógeno. En el caso de la conversión química del triclorosilano (por desproporcionamiento) en un silicio depositado resultan grandes cantidades del tetracloruro de silicio.

A partir del tetracloruro de silicio se puede producir, por ejemplo, por medio de una reacción con hidrógeno y oxígeno a unas altas temperaturas dentro de unas cámaras de combustión, un ácido silícico altamente disperso.

La utilización, que resulta la más interesante económicamente, del tetracloruro de silicio, es, sin embargo, la conversión química en triclorosilano. Ésta se efectúa por medio de una reacción del tetracloruro de silicio con hidrógeno para formar el triclorosilano y el cloruro de hidrógeno. De esta manera se hace posible producir el triclorosilano a partir del producto secundario tetracloruro de silicio que resulta al realizar la deposición, y aportar ese tetraclorosilano de nuevo al proceso de deposición, con el fin de producir el silicio elemental.

La conversión química con hidrógeno del tetracloruro de silicio en el triclorosilano tiene lugar usualmente en un reactor a unas altas temperaturas, a por lo menos 600ºC, de manera ideal a por lo menos 850ºC. (= Conversión química a alta temperatura) .

Por motivos de ahorro de energía, los eductos (productos de partida) de la reacción (el tetracloruro de silicio y el hidrógeno) se calientan usualmente con ayuda de los gases de salida calientes del reactor (productos y restos de los eductos, por lo tanto esencialmente el triclorosilano, el cloruro de hidrógeno, el tetracloruro de silicio y el hidrógeno) .

En el documento de patente alemana DE 30 24 320 C2 se reivindica un correspondiente dispositivo para la conversión química del tetracloruro de silicio en el triclorosilano mediando utilización de una unidad de intercambio de calor. La unidad de intercambio de calor puede estar compuesta, por ejemplo, a base de un conjunto de tubos de grafito no calentados eléctricamente, que sirven como una conducción para la evacuación de gas, los cuales son recorridos en su exterior por una corriente de gas fresco (de nueva aportación) según el principio de contracorriente.

Unos reactores para la hidrogenación del tetracloruro de silicio con hidrógeno deben de poder soportar unas altas temperaturas y la naturaleza corrosiva de unos materiales, tales como unos clorosilanos y el cloruro de hidrógeno gaseoso, que se forma durante el proceso de hidrogenación. Por lo tanto, se utilizan dentro del reactor típicamente unos materiales que están constituidos sobre la base de carbono, inclusive carbono, grafito, materiales compuestos con fibras de carbono y otros similares.

El documento de solicitud de patente alemana DE 195 02 550 A1 divulga un procedimiento para la hidrogenación del tetracloruro de silicio, comprendiendo el procedimiento el recurso de que se ponen en contacto el hidrógeno gaseoso y el tetracloruro de silicio a una temperatura de más que 600ºC dentro de un reactor, que comprende una envoltura que se ha de poner bajo presión, dentro de la que está dispuesto un recipiente de reacción, que forma una cámara interior esencialmente cerrada, con el fin de poner en contacto el hidrógeno gaseoso con el tetracloruro de silicio, caracterizado por que una cámara exterior está dispuesta entre la envoltura que se ha de poner bajo presión y el recipiente de reacción, estando dispuesta, en la cámara exterior y en situación contigua a la envoltura, una capa aislante de carbono o grafito y estando dispuesto (s) entre la capa aislante y el recipiente de reacción uno o varios elementos de calentamiento, aportándose a la cámara exterior un gas o una mezcla gaseosa con una relación molar de cloro a silicio de más que 3, 5.

El gas aportado a la cámara exterior puede ser el tetracloruro de silicio o una mezcla del tetracloruro de silicio con el triclorosilano, el diclorosilano o el clorosilano. La mezcla gaseosa aportada a la cámara exterior puede comprender

también cloro, cloruro de hidrógeno o una mezcla de ellos y uno o varios silanos, que se escogen entre el conjunto formado por tetracloruro de silicio, triclorosilano, diclorosilano y clorosilano.

A unas altas temperaturas, el grafito reacciona con hidrógeno para formar metano (= metanización) . Esto conduce a unos defectos estructurales del reactor y finalmente a fallos y deficiencias del reactor y a una reducción del período de tiempo de servicio. Puesto que las partes y piezas defectuosas deben de ser intercambiadas y se tienen que montar unas nuevas partes y piezas, esto está vinculado también con un gasto financiero considerable.

La metanización aparece en particular en los elementos de calefacción que entran en contacto directamente con el hidrógeno y el tetracloruro de silicio. Junto a esto, también pueden ser dañados los intercambiadores de calor en contracorriente en particular en la región de altas temperaturas, particularmente en la región de los gases de escape, mediante la reacción entre el hidrógeno y el grafito para formar metano. Especialmente los elementos de calefacción que se fabrican a partir de grafito muestran la máxima susceptibilidad a la corrosión, puesto que en ese caso el hidrógeno (mezclado con el tetracloruro de silicio) incide sobre unas superficies muy calientes. Unos daños en los elementos de calefacción conducen con una alta probabilidad a un fallo del reactor de conversión química, puesto que los elementos de calefacción se ejecutan como un sistema de calefacción por resistencia eléctrica.

Puesto que el grafito, a causa de su porosidad, es permeable para el hidrógeno y el tetracloruro de silicio, el hidrógeno y el tetracloruro de silicio pueden difundirse en el intercambiador de calor desde el lado de los eductos hasta el lado de los productos. Esto reduce la selectividad del proceso global, puesto que no todos los eductos son conducidos completamente a través del convertidor.

La corriente de eductos que se difunde hasta el lado de los productos no alcanza a la zona de reacción, lo cual conduce a que no tenga lugar ninguna conversión química del tetracloruro de silicio en el triclorosilano. Adicionalmente, la corriente de productos, que procede de la zona de reacción, es diluida, lo cual resulta desventajoso.

En el caso de que se proceda conforme al documento de solicitud de patente alemana DE 195 02 550 A1, los elementos de calefacción no están en contacto con el hidrógeno caliente. Por lo tanto, en esta zona no puede llegarse a ninguna corrosión. Se pueden disminuir los efectos dañinos del hidrógeno gaseoso por el exterior de la zona de reacción.

No obstante, los tubos, que forman la zona interior, y también definen la zona exterior, pueden ser corroídos por el hidrógeno entrante, lo cual, a largo plazo, conduce a fallos y deficiencias del reactor.

Además de esto, se ha puesto de manifiesto que, en presencia del diclorosilano, se llega a una deposición de silicio junto a los dos tubos. Esto conduce a un empeoramiento de la transmisión de calor. Con el fin de compensar este defecto, se tendría que aumentar aún más la potencia de calefacción, lo cual repercutiría negativamente sobre el balance de energía.

En el documento de solicitud de patente europea EP 2 008 969 A1 se describe un reactor para la conversión química del tetracloruro de silicio, en el cual un gas protector se utiliza con el fin de impedir las fugas de gases de proceso que eventualmente aparecen. En tal caso, se conduce argón dentro de un recipiente exterior, mientras que en el recipiente de reacción no se encuentra nada de argón. De esta manera, los elementos... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la hidrogenación de clorosilanos en un reactor, incorporándose en una zona de reacción, por separado unas de otras, por lo menos dos corrientes gaseosas de eductos, siendo conducida la primera corriente gaseosa de eductos, que contiene tetracloruro de silicio, a través de una primera unidad de intercambio de calor, en la que ella es calentada, y luego siendo conducida a través de una unidad de calefacción, y siendo calentada en este caso a una primera temperatura antes de que la primera corriente gaseosa de eductos alcance a la zona de reacción, y siendo calentada a una segunda temperatura la segunda corriente gaseosa de eductos, que contiene hidrógeno, a través de una segunda unidad de intercambio de calor, siendo la primera temperatura más grande que la segunda temperatura, y siendo incorporada luego en la zona de reacción, de manera tal que la temperatura media de los gases en la zona de reacción esté situada entre 850ºC y 1.300ºC, y reaccionando luego para formar unos productos gaseosos que comprenden el triclorosilano y el cloruro de hidrógeno, siendo conducidos los productos gaseosos, que se han producido al realizar la reacción, a través de las mencionadas por lo menos dos unidades de intercambio de calor, y calentando previamente las corrientes gaseosas de eductos según el principio de contracorriente a la reacción, siendo atravesada por la corriente en primer lugar la primera unidad de intercambio de calor y después de esto la segunda unidad de intercambio de calor.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que en el recinto de reacción se incorpora adicionalmente el diclorosilano con una relación molar de 0, 5 % a 20 % referida al tetracloruro de silicio.

3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, estando hecha la primera unidad de intercambio de calor a base de un grafito o de carburo de silicio, o a base de un grafito que está revestido con carburo de silicio, o a base de nitruro de silicio, o a base de un material de CFC, o a base de un material de CFC que está revestido con carburo de silicio y estando hecha la segunda unidad de intercambio de calor a base de un acero o base de un acero inoxidable.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, caracterizado por que la presión de la corriente gaseosa de eductos en la primera unidad de intercambio de calor es más alta en 10 hasta 1.000 mbar que la presión de la corriente gaseosa de productos, al circular a través de la primera unidad de intercambio de calor.

5. Un reactor para la hidrogenación de tetraclorosilanos, que comprende dos dispositivos para la entrada de gases, a través de los cuales los eductos gaseosos pueden ser incorporados por separado entre ellos en el reactor, y por lo menos un dispositivo para la salida de gases, a través de los cuales puede ser conducida una corriente gaseosa de productos, por lo menos dos unidades de intercambio de calor, que están unidas una con otra y que son apropiadas, para calentar por separado entre sí a los productos gaseosos que se conducen a través de las unidades de intercambio de calor, así como una zona de calefacción que está dispuesta entre una primera unidad de intercambio de calor y una zona de reacción, y en la que se encuentra por lo menos un elemento de calefacción.

6. Un reactor de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por al menos un dispositivo adicional para la entrada de gases, que está colocado en el centro de un plato del reactor.

7. Un reactor de acuerdo con las reivindicaciones 5 ó 6, caracterizado por que entre la primera unidad de intercambio de calor y la zona de calefacción está montado un estrangulador, de manera tal que durante el funcionamiento pueda formarse en la mencionada unidad de intercambio de calor una diferencia de presiones entre la corriente gaseosa de productos y la corriente gaseosa de eductos.

8. Un reactor de acuerdo con las reivindicaciones 5 hasta 7, caracterizado por que la segunda unidad de intercambio de calor se fabrica a base de un acero o acero inoxidable.

9. Un reactor de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 hasta 8, que comprende un recipiente, que contiene una superficie de envoltura, un plato inferior así como un plato superior que está situado en frente del plato inferior, así como por lo menos un dispositivo de entrada para una corriente gaseosa de eductos y por lo menos un dispositivo de salida para una corriente gaseosa de productos, por lo menos un elemento de calefacción en forma de círculo o varios elementos de calefacción que están dispuestos en forma de un círculo, por lo menos cuatro disposiciones cilíndricas de cambio de dirección para el gas, las cuales están dispuestas concéntricamente dentro del recipiente, que son apropiadas, para cambiar la dirección del gas que circula por el plato superior o por el plato inferior del reactor, siendo más grande el radio de una primera disposición cilíndrica de cambio de dirección y siendo más pequeño el radio de las por lo menos otras tres disposiciones de cambio de dirección, que el radio del elemento de calefacción en forma de círculo, o más pequeño que el radio del círculo sobre el que están dispuestos los elementos de calefacción, por lo menos otro dispositivo de entrada para un gas de eductos, que comprende unas toberas colocadas en forma de círculo junto al plato inferior del recipiente, siendo el radio del círculo sobre el que están dispuestas las toberas, más grande que el radio de una de las disposiciones de cambio de dirección y más pequeño que el radio de una disposición de cambio de dirección que está contigua a esa disposición de cambio de dirección.