Способ получения тетрахлорсилана

Способ получения тетрахлорсилана

Реферат

 

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕТРАХЛОРСИЛАНА путем взаимодействия хлористого водорода с кремнием при нагревании в присутствии добавки, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности способа при сохранении высокого выхода целевого продукта, в качестве добавки используют хлористый цинк или цинк, или окись цинка при соотношении мас. цинка и кремния 0,053 - 0,16.

Изобретение относится к способам получения соединения кремния, в частности тетрахлорсилана. Тетрахлорсилан используется в производстве смазочных масел, электроизоляционных материалов, термостойких пластмасс, лаков, силоксановых каучуков, теплоносителей, гидрофобизаторов, стойких красок, цементирующих составов, форм для литья. Известен способ получения трихлорсилана и тетрахлорсилана взаимодействием хлористого водорода с кремниевым сырьем в присутствии катализатора. Недостатком метода является малый выход тетрахлорсилана, достигающий 38% при максимально допустимой температуре 500^оС. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения трихлорсилана и тетрахлорсилана гидрохлорированием кремния в присутствии соединений железа, взятых в таком количестве, что вес железа составляет 10-43% от массы твердых реагентов. Метод позволяет получать тетрахлорсилан с выходом до 86% при температурах до 500^оС. Однако способ имеет существенные недостатки: малую скорость реакции и низкую производительность процесса по тетрахлорсилану и по хлорсиланам, которые при 478 5^оС составляют 68,9 г тетрахлорсилана и 81 г всех продуктов с 1 кг кремния за 1 ч; малую производительность реактора из-за малой доли кремния в реакторе [в случае применения наилучшего для этого метода соединения железа безводного хлорида железа (II) в количествах, обеспечивающих содержание железа в твердых реагентах 10-43 мас. на долю кремния приходится 77,5 2,5% от массы твердой фазы] Эти недостатки делают метод нетехнологичным и неэкономичным, что не позволяет использовать его в промышленности. Целью изобретения является повышение производительности процесса при сохранении высокого выхода тетрахлорсилана. Указанная цель достигается взаимодействием хлористого водорода с кремнием в присутствии добавок цинка, его соединений (хлорида цинка или окиси цинка) в количествах, обеспечивающих соотношение масс цинка и кремния 0,053-0,160. Отличием предложенного способа является использование в качестве добавки цинка, его соединений (хлористого цинка, окиси цинка), взятых в количествах, обеспечивающих соотношение масс цинка и кремния 0,053-0,160. Процесс осуществляют при температурах 300-500^оС. В условиях процесса цинк или окись цинка превращаются в хлорид цинка, который находится в расплавленном состоянии. Известно, что в прямом синтезе органохлорсиланов при взаимодействии органохлорида с кремнием попытки использования цинка (и получающегося в процессе его хлорида) в качестве катализатора приводили к изменению селективности процесса в сторону образования высоко алкилированных (т.е. менее хлорированных) продуктов, таких как R₃SiCl (где R органический радикал). Хлорид цинка находит применение в этом процессе в небольшом количестве (0,1% от веса кремнемедной конртактной массы, т.е. при соотношении масс цинка и кремния 0,0005) для цементирования частиц контактной массы, что позволяет сохранять ее активность на протяжении всего процесса. К этому сводятся активирующие свойства хлорида цинка в процессе. При большем количестве хлористого цинка в контактной кремнемедной массе она делается комковатой, что затрудняет поддержку температурного режима и, следовательно, приводит к низкой производительности процесса и к ухудшению его других показателей. Вопреки своим свойствам в процессе прямого синтеза органохлорсиланов в реакции гидрохлорирования кремния хлористый цинк является катализатором, направляющим реакцию в сторону образования наиболее хлорированного продукта тетрахлорсилана. Процесс осуществляется при 300-500^оС. Расплав хлористого цинка имеет хорошие адгезионные свойства по отношению к кремнию, что обеспечивает их прочный контакт при проведении процесса гидрохлорирования кремния в режимах "фильтрующего" слоя и "кипящего" слоя. В ходе процесса добавляют кремний лишь для восполнения его количества, израсходованного в реакции. Процесс идет в течение длительного периода стабильно без снижения производительности хлорсиланов и тетрахлорсилана, без уменьшения выхода последнего. При накоплении в реакторе шлаков, образующихся из примесей кремния и представляющих собой хлориды элементов, они вместе с хлоридом цинка выводятся из реактора и отделяются от непрореагировавшего кремния известными методами. Хлорид цинка извлекается из них и вместе с остатками непрореагировавшего кремния возвращается в реактор. Применяемые в процессе соотношения масс цинка и кремния, а также температуры позволяют варьировать состав получаемой смеси из трихлорсилана и тетрахлорсилана и довести выход тетрахлорсилана до 86 мас. Содержание полихлорсиланов в продуктах реакции в этих случаях менее 1 мас. При использовании смесей кремния и катализатора с соотношением масс цинка и кремния менее 0,053 и более 0,16 выход тетрахлорсилана и производительность процесса по этому продукту снижаются. При увеличении соотношения до более 0,16 заметно падает суммарная производительность продуктов реакции. Оптимальное соотношение масс цинка и кремния в смеси последнего с катализатором в синтезе тетрахлорсилана зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше это соотношение. В диапазоне температур 300-500^оС оптимальное соотношение масс цинка и кремния 0,053-0,16, что соответствует следующим концентрациям катализатора в его смесях с кремнием: для хлористого цинка 10-25 мас. для цинка 5,1-13 мас. для окиси цинка 6,3-18,8 мас. П р и м е р ы 1-29. Результаты, полученные в этих примерах, приведены в таблице. Для сравнения приводятся данные для реакции с применением других добавок. Реакции проводили в режиме "фильтрующего" слоя в реакторе из кварцевого стекла диаметром 20 мм высотой 300 мм, в который загружали 9 г кремния марки Кр-1 (Si 98% Al 0,8% Ca 0,5% Fe 0,7%) и приведенное в таблице количество катализатора. Нагрев кремния и катализатора до температуры реакции осуществляли в токе азота, после чего через них пропускали хлористый водород со скоростью 6 г/ч в течение нескольких часов. Продукты реакции конденсировались в ловушке, охлаждаемой смесью ацетона с сухим льдом, их взвешивали, состав анализировали хроматографически. П р и м е р 30. Реакцию проводят в режиме "кипящего" слоя в стальном реакторе диаметром 100 мм высотой 2140 мм, в который загружают 7,36 кг кремния марки Кр-1 и 0,82 кг хлористого цинка (соотношение масс цинка и кремния 0,053, содержание хлористого цинка в его смеси с кремнием 10 мас.). Процесс осуществляют при скорости подачи хлористого водорода 1,5 кг/ч при температуре 430^оС в течение 30 ч. Через 30 ч в реактор загружают еще 6,45 кг кремния, что соответствует количеству кремния, выработанному к этому времени в реакции. После этого процесс продолжают в тех же условиях еще 30 ч. Показатели процесса за 30 и 60 ч были следующими: содержание тетрахлорсилана в конденсате 69,3 и 70,7 мас. производительность 167 и 170 г продукта с 1 кг кремния за 1 ч соответственно. Во всех примерах с участием цинка и его производных содержание полихлорсиланов в продуктах реакции было менее 1 мас. Данный способ позволяет повысить производительность при сохранении высокого выхода продукта. Кроме того, эффективность способа повышается из-за сохранности аппаратуры и возможности утилизации хлористого водорода.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕТРАХЛОРСИЛАНА путем взаимодействия хлористого водорода с кремнием при нагревании в присутствии добавки, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности способа при сохранении высокого выхода целевого продукта, в качестве добавки используют хлористый цинк или цинк, или окись цинка при соотношении мас. цинка и кремния 0,053 - 0,16.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000