De produktie van silaan uit chloorsilanen

(1)

•

• F.V.O. Nr.

2995

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

K. Pontzen

· . . .

.

. .

.

. . . .

. .

.

. . .

. .

.

. .

.

. . .

.-. . . • . o . o • • • • •M. M. Schenkel • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

onderwerp:

DE PRODUKTIE VAN SILAAN

·

... ... ... . . .. . . ... . .. . UIT CHLOORSILANEN

· ..

. .. ... . . .

adres:

Pr. Mauritsstraat 70 2628 SV Delft .

.

. . . . .

.

. . .

. .

. . . .

. . .

. • Breestraat 2 2611 CB Delft

•

l,.~~;i

T

U

Delft

Technische Universiteit Delft

• opdrachtdatum :

verslagdatum :

september 1992 januari 1994

(2)

• _A

aAA V

v~

',-

I

eG(

J-o

t-

()),y+

w-u-

P

~

l1

_

~~~-v-bereIL

~

~~

V~..J

•

• DE PRODUKTIE VAN SILAAN

• UIT

CHLOORSILANEN

•

K. Pontzen Opdrachtdatum september 1992

Pro Mauritsstraat 70 Verslagdatum januari 1994

2628 SV Delft

M.M. Schenkel FVO nurruner 2995

•

Breestraat 2

2611 CB Delft

(3)

-r

rrD(e

s

rOlA-

e

q~d

b'()(~,.ev-eA..--+

\)'""~

uit

\J

oe\<

('

c~

e

tftó)b

'&Lkal~ tt...-~e,...

+6Ve\'7~'("'-

~

_ wei

1..

('C\

dOO'f7t'

ckh'c

~e

/)pec'

;(

(t.."C

V-el

€

e

I' S

e

/

/)

-

~

' " ,

e

v -€. et

P

<:t

~

•

YL~/~

\Ac.e.~,

e

\,) () r

ç

{

I

~

11

e

(.A ( "2

wO-j

::'óó

v,,~

i

~

JL

•.

c,lt:,

CkA-cJ

t'>-Q

.

«

V. t ' \' '>

v

lL~

S

i

j

(J.. () \A

(3

G \'"

()

t t ' / )

P

'(?

i

(~""

(.-j

~t.

\ ", \j,- . P I ( f

'ot

~

or-

(;nA

l:J

<' '"

r

\'

0

k

e<-, j ' <) ()

I.

< t-

'-(., -

t~)

{J. ; ;

e

V e U ct

h' (

Rt<

.

I I I

.

1

•

• ..

·

1

(4)

•

Samenvatting SAMENVATTING

Dit fabrieksvoorontwerp beschrijft de in striële produktie

van silaan uit chloorsilanen, volgens een proces gepatenteerd

door S.Jacubert et al. (1983). De ontwerpcapaciteit bedraagt

1000 ton silaan (99.3 w/w % zuiver) per jaar. Deze hoe~

silaan wordt verkregen uit 4580 ton chloorsilanen en ~

(~3waterstofga~ - ~ü'.l~4. ~ I ~OO '-.- --

---Trichloorsilaan en tetrachloorsilaan (9:1) reageren, in een

gesmolten zoutmengsel van kaliumchloride en lithiumchloride, met lithiumhydride onder vorming van silaan en

lithiumchlori-de . Het gevormde lithiumchloride wordt door middel van een

elektrolyse- en een hydrogeneringsstap omgezet in

lithiumhy-dride en teruggevoerd naar het begin van het proces.

Het gevormde silaan ontleedt voor 5 % in silicium en

water-stof. Het vaste silicium wordt door een hydrocycloon uit het proces verwijderd. Het bij de elektrolyse ontstane chloorgas wordt eveneens uit het proces verwijderd.

De investeringen voor dit proces b~ageJl

én

44.64 miljoen. Met

een kostprij s van het silaan van

1

78.6.9 per kg wordt j

aar-lijks een winst verkregen van

1

8.3'/ miljoen. De Return On

Investment wordt hierdoor 23 %.

'~

T1<}(~

Cv- OS ( ~ G(,

i

I -) V. G'

(("

kc

ç\, ) 6

(';\..f

v

.)~

7

(5)

•

INHOUDSOPGAVE Samenvatting Inhoudsopgave Hoofdstuk 1 Hoofdstuk 2 Hoofdstuk 3 Hoofdstuk 4 Hoofdstuk 5 Hoofdstuk 6 Hoofdstuk 7 Hoofdstuk 8 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 7.1 7.2 7.3 Literatuurlijst Bijlage 1 2 3 4 5 6 7 8 Conclusie Aanbevelingen Inleiding

Keuze van het proces

Uitgangspunten voor het ontwerp Procescapaciteit

Stofconstanten Corrosie aspecten Milieu aspecten Veiligheid aspecten

Beschrijving van het proces Reactor sectie Silaan scheidingsstap Silicium scheidingsstap Elektrolyse stap Hydrogeneringsstap Decantatie stap Kostenberekening Investeringen Produktiekosten Economische criteria Nawoord Stofconstanten Proces schema Processtromen Inhoudsopga ve pag. 3 4 5 7 9 9 9 9 10 10 11 11 13 13 14 15 15 16 16 20 23 25 26

Gebruikte symbolen en formules Specificaties van procesreactoren Specificaties van proces scheidingen Specificaties van warmtewisselaars

(6)

•

Conclusie 1. CONCLUSIE

Uit de literatuur is gekozen voor een produktieproces van silaan volgens Jacubert et al. Hierbij wordt silaan geprodu-ceerd uit chloorsilanen en lithiumhydride. Als oplosmiddel is een gesmolten zoutmengsel genomen van kaliumchloride en lithi-umchloride.

De jaarlijkse produktie van silaan is 1000 ton (99.3 gew.% zuiver). De berekende kostprijs van het silaan is f 78.69 per kilogram ($ 40/kg), met een Return On Investment van 23 %. Met deze kostprijs is het economisch rendabel silicium nitride te produceren uit silaan volgens het L-CVP proces. Hiermee is de doelstelling van het voorontwerp bereikt.

(7)

•

• I

· I

• I

I

'

.

•

Aanbevelingen 2. AANBEVELINGEN

Bij het voorontwerp is aandacht besteed aan de keuze van het goedkoopste proces en aan het opschalen hiervan. Voor een verder onderzoek is het van belang dat er aan de volgende aspecten meer aandacht wordt geschonken :

1.De verkregen bijprodukten silicium en chloorgas worden in het voorontwerp niet verder gebruikt. Bekeken kan worden of het rendabel is deze stoffen met waterstofgas te laten reageren tot chloorsilanen waardoor de bijprodukten kunnen worden gerecycled en niet uit het proces verdwijnen.

2.Bekeken kan worden of het mogelijk trolysereactie uit te voeren met zodat het rendement hoger wordt en troden nodig ZlJ n. Dit proces zal

energie nodig hebben.

is om de elek-een diafragma, er minder

elek-dan ook minder

3.De reactietijden in de beide reactoren zijn be-kend. D e l<ineTIel< van de reactie tussen li thiumhy-dride en chloorsilaan is niet bekend en kan nader onderzocht worden.

4. In het kader van dit fabrieksvoorontwerp was het slechts noodzakelijk een grove schatting te geven van de verschillende processtappen ter bepaling van de kostprijs van silaan. Voor een gedetailleerde specificatie van alle procesonderdelen, in het bij-zonder de destillatiekolom, is het noodzakelijk het gehele proces met de computer door te rekenen.

5.Gekozen is voor een continu proces. Hierin kan de capaci tei t eenvoudig verhoogd worden. Is di t niet noodzakelijk dan kan gekeken worden naar een batch-gewijze produktie van 1000 ton silaan per jaar.

[lit.6]

(8)

V i l t

Vo 0 \'"

~

eX.

e 7 (Á \

ver

h

-e \

J. ~ v~

b

J.CJ.AA-

d

'1

<L<J \,

<.k

r v I <'

cl

c

'1

cv)

fv)e

-

---•

•

(9)

•

3. INLEIDING In het denten Inleiding

abrieksvoorontwerp voor vierdejaars stu-echnologie aan de Technische Universiteit verricht naar de produktie van silaan uit onderzoek is uitgegaan van de vakgroep als onderdeel van uitgebreid onderzoek het keramisch materiaal silicium nitride

(Si3N4 ) . Om inzicht te verkrijgen in belang van produktie van

silaan (SiH_{4 )} is een bespreking van dit huidige project noodza-kelijk.

Het keramisch materiaal silicium nitride (Si₃N4 ) heeft zeer

gunstige eigenschappen voor het verwerken tot coatings en hoge temperatuur bestendige materialen namelijk de extreme hard-heid, de mechanische trekkracht en de corrosie-, erosie- en oxydatie bestendigheid van het poeder. Hierdoor is het zelfs mogelij k lichtgewicht (auto) motoren van silicium nitride te maken. Hiervoor moet het poeder wel bestaan uit (bolvormige) deel tj es met een maximale diameter van 0.5 f.1ID met een lage

standaardafwijking, een hoge zuiverheid bezitten en geen

agglomeratie vertonen. Door het ontbreken van een vloeibare fase, waardoor er bijna geen sintering plaatsvindt, zal aan dit laatste criterium zeker worden voldaan.

Silicium nitride kan op verschillende manieren geproduceerd worden. Voorbeelden hiervan ZlJn directe nitrificatie van silicium en decompositie van silicium diimide. Aan de vakgroep Deeltjestechnologie wordt het L-CVP proces toegepast. Met behulp van een Laser-Chemical Vaper Precipitation (L-CVP) is het mogelij k uitchloorsilanen (SiH_xCI_{4 _}_{x )} en ammoniak silicium nitride te produceren bij een temperatuur van 827°C tot 927 °C. Deze reactie verloopt als volgt:

(1)

Hoewel trichloorsilaan (SiHCL_{3 )} en tetrachloorsilaan (SiCI4 )

verreweg het goedkoopst ZlJn (SiHCl₃ kost $5/kg, SiCl₄ kost $lO/kg), worden ze toch niet als uitgangsmateriaal gebruikt. Dit komt omdat hun absorptiecoêfficient voor de straling van de CO2-laser te verwaarlozen is ten opzichte van die van

dichloorsilaan. Deze stof is echter zes tot twaalf maal zo duur (SiH₂Cl₂ kost $60/kg) [lit.10-12].

(10)

•

(11)

r

•

• (

Î

Inleiding

Uit onderzoek blijkt bovendien dat de chloorsilanen sterk corrosief zijn en op den duur de reactor aantasten, zodat er geen produktie meer mogelij k is. Het alternatief voor deze goedkope chloorsilanen is silaan (SiH_{4 ) .} In plaats van zoutzuur (Hel) ontstaat hierbij alleen waterstof (H2 ) als bijprodukt ,

wat niet schadelijk is voor de reactorwand. Dit verloopt volgens de reactievergelijking

3SiH₄ + 4 NH₃ ~ Si₃N₄ + 12 H₂ (2) 5iK"\. ~

Si

+;A

H;<

\_{moeilijk omdat een overmaat aan silicium ontstaat. Het nadeel}Het verkrijgen van een stoichiometrisch produkt (Si3N4 ) is

van het laser-proces ten opzichte van directe nitrificatie van silaan ZlJn de produktiekosten. Deze produktiekosten worden • voor 96 % bepaald door de prijs van silaan ($ 160/kg). Voor een commercieel laser-synthese proces zal het noodzakelijk ZlJn deze prij s te reduceren. Pas bij een prij s van $ 40/kg zal het laserproces economischer zijn dan de directe nitrifi-catie [lit.9].

• In de volgende hoofdstukken zal eerst ingegaan worden op de proceskeuze voor de bereiding van silaan, waarna het gekozen proces verder uitgewerkt zal worden. Aan het einde van het verslag zal er bekeken worden of het gekozen proces economisch rendabel is en volgen er enkele aanbevelingen.

•

₆

•

(12)

•

Keuze van het proces

4. KEUZE VAN HET PROCES

In de toepassing van silaan ter van halfgeleiders, chips en zonnecollectoren wordt silaan enkel zeer zuiver

(99.99999 %) gebruikt. Voor de p oduktie van silicium nitride is een ~ zu-{verheid van 99.9

'f/

voldoende. De belangrijkste verontreinlglngen in het proces zijn de chloorsilanen en het zoutzuur. Voor de chloorsilanen geldt dat er 0.3 tot 3 % van de verontreiniging in silaan uiteindelijk in de produktstroom van de L-CVP terecht komt. De maximaal toelaatbare concentra-tie aan chloorsilanen in de silaantoevoer is 0.1 %. Ook water en zuurstof zijn stoffen die niet of nauwelijks in het reac-tieproces voor mogen komen. Al deze componenten kunnen corro-sie en uit de hand lopende reacties veroorzaken. Stoffen zoals argon, stikstof en waterstof hebben geen invloed op het reac-tieproces en worden dus niet verwijderd.

Er zijn verschillende bereidingswij zen voor silaan, waarvan hieronder de belangrijkste genoemd worden :

1. magnesium silicium (Mg₂Si) kan met behulp van ammonium chloride (NH4Cl) bij 0 °c met een rendement

van ongeveer 30 % worden omgezet in silaan, magnesi-um chloride (MgC1_{2 )} en ammoniak (NH3 ) . Hierbij

ont-staan ook enkele procenten di- en hogere silanen. Deze methode wordt nog door één Japans bedrij f ge-bruikt [lit.42].

2. magnesium silicium kan ook met zoutzuur en hydra-zine (N₂H_{4 )} omgezet worden in silaan en magnesium chloride. Hierbij is de opbrengst ongeveer 70 % en ontstaan er 1 tot 2 % disilanen. Het proces speelt zich niet af in een geheel watervrij milieu, wat ongunstig is voor de produktie van silicium nitride

[lit.8].

3. Uit natrium- of lithium aluminium hydride (Na/Li-A1H4 ) en tetrachloorsilaan kan, in kokend

tetrahy-drofuran met een waterstof katalysator, silaan, li tiumchloride en aluminium trichloride (A1C13 )

worden geproduceerd. Wanneer lithium wordt gebruikt kan spontane decompositie optreden als er metaal verontreinigingen voorkomen. Een prijs van $ 88 per kg van de uitgangsstof maakt deze bereiding niet aantrekkelijk. In de Verenigde Staten is er één bedrijf dat dit proces gebruikt [lit.5].

(13)

I

.

•

• _x

•

• ~

•

Keuze van het proces

4. Ook kan uit natrium aluminium hydride en silicium tetrafluoride (SiF_{4 )} silaan, aluminium trifluoride AlF 3) en natrium silicium fluoride (Na_sA1₃F 14)

gepro-duceerd worden [lit.5].

s.

Bij de Union Carbide Corporation wordt in de gasfase uit tetrachloorsilaan, waterstof en

metal-lisch silicium, via tri- en dichloorsilaan, silaan verkregen. De drie chloorsilanen worden gedurende het proces gerecycled. Er wordt gebruik gemaakt van een fluïde bed reactor, waarna enkele destillatieko-lommen voor de op zuivering zorgen. Afvalstoffen van dit proces zijn ondermeer lichte gassen en metaal-chloriden [lit.5].

6. Het is ook mogelijk om het reactieproces uit te voeren in een mengsel van gesmolten zouten. Hierbij wordt metallisch silicium samen met waterstof, via chloorsilanen, omgezet in silaan. Dit proces is een combinatie van elektrolyse, hydratatie en hydroge-nering, uitgevoerd bij verschillende temperaturen

[lit.l] .

In het onder (5) beschreven proces wordt het meeste silaan geproduceerd (3000 metric ton/jaar). De produktie van silaan in een gesmolten zout mengsel (6) is in dit fabrieksvooront-werp nader onderzocht. Het biedt door ZlJn betrekkelijke eenvoud perspectieven tot goedkopere produktie van slIaan voor grootschalige produktie. Van dit proces ZlJn slechts weinig gegevens beschikbaar, maar voldoende om een ruwe schatting van de kostprijs mogelijk te maken.

c

\

l

T

V

t)

,

V--COl _<- • l " \ ) (. •

()

,

7

\J({/I~ IJ ' r (,,~e .AI"\ \ el

\

\,

U \

(,ei \

:.

_tL~

8

(14)

'./ r

(AO c\

,-•

•

• {eh-a..

cklo\?r

si laev\....

+t- ;

c.~ l\)~r

s, i

1vUl/V\.

~

yoJ

do e<.--.de

20-\

Ver

,R

0 t::. """L lA- \ V

e..'r-fflv..

Vi

l' j? i-- ;t11 D

• l

(~~

T

/0

~\

10

~. ~

~ ~V)~

K ~

• ct'i-

û- ~ I t

cJ.../V'--~

11 :

r ) C i \ ,

•

( (]v...

ol'l·

f-v-,)

•

_ __ _ _ _ _ _ _ 1

(15)

•

• I

Uitqangsounten voor het ontwerp

5. UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP

5.1 Produktiecapaciteit

Wereldwijd wordt de meeste silaan geproduceerd in de Verenigde Staten, namelijk 3050 ton per jaar. Daarnaast wordt er in Japan 187 ton/jaar geproduceerd en slechts zo'n 10 ton in de rest van de wereld [lit.5].

) Het per van

ontwerp is gebaseerd op een produktie van 1000 ton silaan jaar (99.3 gew.% zuiver). Dit komt neer op een produktie 2.7 ton silaan (99.3 gew.% zuiver) per dag.

'3Ö\J* ~'f'

·~s~

:1-.1

'::

8,o

5.2 Stofconstanten

De stofconstanten en verdere informatie over giftigheid en de limieten voor ontvlambaarheid zijn weergegeven in bij lage 1

[ 1 it. 15 -1 7] .

M

1\ -'

f\

C "'-

\..AJ (La. \-Cl e

s

5.3 Corrosieaspecten

Door de aanwezigheid van chloorhoudende componenten in het proces zoals chloorsilanen , chloormetalen en chloorgas, moet rekening gehouden worden met corrosie. Dit betekent verant-woorde keuze van het materiaal voor alle in het proces aanwe-zige apparatuur (reactoren, leidingen, pompen .. etc.). Er is gekozen voor het redelijk dure Monel (f 10.000. - per ton). Monel is een legering van nikkel en koper in de verhouding 2:1 en wordt na roestvast staal in chemische bedrijven het meest toegepast. Verder is Monel goed bestendig tegen hoge tempera-turen (tot 500°C), chloor oplossingen, zuren en zouten

[lit.43] .

(16)

•

I I

'

.

•

Uitgangspunten voor het ontwerp

5.4 Milieuaspecten

Emissies moeten zoveel mogelijk voorkomen worden. Het vrijko-mende chloorgas, als belangrijkste verontreiniging, kan met waterstofgas reageren tot zoutzuur en zo worden verkocht. Tevens kan chloorgas met waterstofgas en silicium reageren tot chloorsilaan dat vervolgens weer aan het proces kan worden toegevoegd (zie ook par 4.4) .

5.5 Veiligheidsaspecten

In het ontwerp speelt de veiligheid een belangrijke rol. De prijs van het eindprodukt silaan wordt hier in hoofdzaak door bepaald. De meest risicovolle stoffen zijn silaan, chloorsi-laan (di, tri en tetra), chloorgas, waterstofgas en waterstof-chloride.

Silaan is een licht ontvlambare en explosieve stof

(explosie-grenzen silaan/ lucht (3 -97) %). Het silaan is daarbij sterk

reductief en ontleedt boven T=400 °c (Procescondities) snel in

Si en H_{2 •}

Tetrachloorsilaan is niet brandbaar maar reageert exotherm waarbij chloorgas vrijkomt. Chloorgas is als vrijkomend gas zeer gevaarlijk voor het milieu. Waterstofgas is een brandbaar

en explosief gas (explosiegrenzen H2 /lucht = (4-76)%)

[lit.18-19] .

De apparatuur moet dus gesloten, explosieveilig en brandveilig zlJn. Tevens moet er goede ventilatie en afzuiging zijn om eventuele emissies op te vangen en arbeiders te beschermen.Bij

het opstarten van het proces moet, voor verwijdering van

lucht, eerst doorgeleid worden met inert gas. Hiervoor wordt N2

gas gebruikt. Dit gas is echter niet zonder gevaar (02 ~ 12 %

J

ten opzichte van N2 is dodelijk). Alle pijpleidingen die silaan

f.

en H2 gas bevatten moeten bij voorkeur dubbelwandig zijn ter

beveiliging tegen de buitenlucht. Tussen de wanden bevindt

zich inert gas (N2 gas).

Een eenduidige methode voor opslag en vervoer van silaan is tot op heden niet bekend. Opslag kan plaatsvinden in staal of aluminium cilinders, normale grootte 16.000 gram.

\ . ,

s

10

(17)

_

w.J-

k~

i"?-L1.l

'-Uo~~

dv-vr

-

~

rA/)

~

\.AJ ,. c.

U

Q..h

~

de.-

~ ~.e.

<2v~W\C

l~

:

Vtid':> over

be~e,-c(

~

e

_P

'

A

",i

"-u.r V'cc

~GY':

3 (/0- Lj? 0 <

d

.ha. ,

<rf.,'M

1<-

W

é),

~

o~

k

i

LAc.kï

IQ

k

U~

)r

~

Ct.

vl.;

Q S : CS

~

el

V\--..

e-

""k

J

e.,

~

e

c .

-

2I~1

-I- W<:{f

wJe

oV&

rit

<1.J,{

- I ""

p~~o

veto{

vl,,1

\ I ' ) ( ( . év t ~ C -( t'J I .A C p~

'-'

v'-A,A,V."\

"-W

cJ-.0. \

() \-.--

t

w

Q

~ ,,~()...À

tl ...

~

'1,

•

(18)

•

Beschri jving van het proces

6. BESCHRIJVING VAN HET PROCES

Het proces wordt beschreven in het patent aangevraagd door o.a. dhr S. Jacubert [lit.l]. De verschillende deelprocessen worden uitgebreid beschreven in drie andere patenten [lit. 2-4]. Het tot e proces wordt uitgevoerd in een zoutmengsel met een eut ct i sc}ïe) samenstelling, dat li thiurn chloride en min-stens één ander alkali chloride zout bevat. In dit proces bestaat het mengsel voor 46-64 % uit LiCl, voor 36 % uit KCl en voor 0-18 % uit LiH [lit.13-14]. Er wordt gewerkt in een luchtdicht milieu vanwege het explosie gevaar van Silaan. Daar .

waar nodig is zal er gebruik worden gemaakt van dubbele pijp- -leidingen waar tussen zich een inert gas (bv. N2 ) bevindt. Het

proces staat afgebeeld in bijlage 2.

In dit hoofdstuk zullen de deelprocessen verder besproken en toegelicht worden. De resulterende massa- en warmtestromen staan vermeld in bijlage 3. Specificaties van de verschillende reactoren, scheiders, warmtewisselaars en pompen staan vermeld in de bijlagen 5 tot en met 8 [lit.21-25].

6.1 REACTOR SECTIE

-De reactor sectie bestaat uit twee reactoren met een standaard

roerinstallati~t keerschotten en een koelmantel. De koeling

- geschiedt met oelwat:§p vanwege een lage kostprij s. De stan-daard roerinstallatie is mogelijk omdat bij een temperatuur van 400°C de viscositeit van de gesmolten zouten gelijk is aan die van water (viscosi tei t 10-3 _Pas_. _{). De tweede reactor is}

nodig omdat de reactie zeer exotherm is, waardoor voorkomen moet worden dat de temperatuur in de eerste reactor groter dan 410°C wordt waarbij het Silaan zal ontleden. De temperatuur mag niet te laag genomen worden «350°C) omdat anders de kans bestaat dat het reactiemengsel neerslaat.* In de eerste reactor wordt 80 % van het silaan gevormd en in de tweede 20 %. Deze omzetting verloopt als volgt :

J

"'H\~

Cl.15.

I~

klcll-c,

~

°r~'(eeoU

--*

h

0 oe.

tt

0 e

F

cl

e

~~

Ct

ti

-lA.

\~

I

(3)

(19)

RfJe

_net

i",~

lAi~

w.vl

{!,,,{jv/J

:

-;z

~

r

'i~ioV:,

C

r

/l

~

W

<fv-~vJMPL~_----

-_

vo

L

\'\'

W'

e.

(vel

cÁ.e

L

~

)

uvd-

""~€

teler

~

te

"ÜOl

eN>

'0

VO/IAI/VJC

- 7

Vetb

\~t\c.:;·J

iJ

roer

f>.\Ae\,t::1

(C~

Vv-Q,\/l.(l

~-V:i

J

•

I

•

(20)

•

Beschrijving van het oroces

De verhouding trichloorsilaan en tetrachloorsilaan is voor beide reactoren 9 : 1. De temperatuur en druk van beide

reac-toren zijn respectievelijk 400°C en 5 bar. Een pomp aan de ingang van reactor 1 [lit.24] zorgt ervoor dat de drukval van • 0 .5 bar, ontstaan gedurende het proces, vereffend wordt (zie voor de pompspecificaties bij lage 8). Zowel van het

reactie-)(-- mengsel als van de @loorsilanev is de temperatuur 400°C. De chloorsilanen worden-opgewarmd door de recyclestroom van het reactiemengsel. Het reactiemengsel wordt door de chloorsilanen en door koelwater in warmtewisselaars gekoeld. Specificaties • van deze warmtewisselaars [lit.23] staan vermeld in bijlage 7.

•

,

•

Voor het opschalen van dit proces van Jacubert kan gebruik gemaakt worden van bepaalde schaalvergrotingscri teria [li t. 4 0]. Dit kunnen voor een geroerde tankreactor zijn:

1. Constant houden van het Reynolds getal (Re=constant)

2. Constant houden van het Froude getal (Fr=constant)

3. Constant houden van de mengtijd (Re*Fr-2

=constant)

4. Constant houden van de tipsnelheid van de roerder (Re*Fr=constant)

5. Constant houden van het vermogen per volume (Re*Fr4_=constant)

Duidelijk is dat het handhaven van een van de hierboven v~r

melde criteria vaak problemen geeft. Wanneer het Reynolds getal constant gehouden wordt zal het toerental te laag en dus de mengtijd te hoog worden. Voor het constant houden van het Froude getal of de mengtijd geldt dat het Reynolds getal sterk toeneemt, maar dat het toegevoerde vermogen nog sterker toe-neemt. Als laatste geldt dat bij het constant houden van de

tipsnelheid van de roerder en van het vermogen per volume, het toegevoerde vermogen te sterk toeneemt.

Een goede verblij ftijd voor de omzetting van de totale hoe-veelheid chloorsilanen is tien minuten. Voor het opschalen van de reactoren is de verblij ftijd constant gehouden. Tevens is er van uitgegaan dat de mengtijd van de ontwerpreactor tien maal zo groot is dan die van de laboratoriumschaal (de

meng-tijd is dan nog steeds een fractie van de verblijf meng-tijd) . Hierdoor blijven het toegevoerde vermogen, het Reynolds getal en het Froude getal redelijk constant.

12

w

J-

71~ J~

(21)

•

• ,

,0

ft 'Vv-- ~(}wer

8s-

W/ ... 3

)< 6

:

inpI.<Á

I~oo NJ ... ~

Beschrijving van het oroces

;;

{;O

<J.-t'C

ivkv.

Di t geeft een volum

~

de eerste reactor van

van de tweede van

~r~~r.

Voor beide reactoren

gevuld zijn voor 90 %, zodat het ontstane silaan zo snel

moge-lij k afgevoerd en gekoeld kan worden in een warmtewisselaar. De afmetingen van de tankreactoren zijn te vinden in bij lage 5. De specificaties van beide warmtewisselaars [li t. 23] voor

het koelen van silaan staan vermeld in bijlage 7.

1 chV'

1.

·

_ I

w

y{JJ-\,I\t-tJr <J

6.2 SILAAN SCHEIDINGSSTAP I-Cl v 0 \.-VI

cJ-\

e

vJ

V()J" . L oOelf

~~ol~t' '(v\.\..) (

In de gasstroom uit bevinden zich silaan en

waterstof als gewenst verontreiniging in deze

produktstroom bevindt zich een stroom van 1.59E-3 kg/s chloor-silaan (tetra en tri). Deze verontreiniging wordt verwijderd

met behulp van aan destillatie. In het eind rodukt stroom 23)

mag zich slechts een percentage van 0.10 % chloorsilanen

bevinden. Om di t te bereiken moet 90 % van

die de kolom inkomen worden verwijderd uit de produktstroom. Vanuit de literatuur is gegeven dat één enkele scheidingskolom voldoende is voor scheiding van silaan en chloorsilaan. [lito 5,20] De druk in de kolom is 22 bar. Hiervoor is de produkt-stroom gecomprimeerd van 5 bar naar 22 bar met een compressor

(zie bijlage 8). Bij een toptemperatuur van 0 °c zal silaan als

gas ontwijken, de chloorsilanen ZlJn gecondenseerd. In de

bodemstroom (165°C) bevinden zich de chloorsilanen die worden gerecycled. Het aantal schotels in de kolom is 23.

.

1 t-

ho~ ko

~e.\'·\ÏercUt\lt.

",1e r

ekC!-

1 6.3 SILICIUM SCHEIDINGSSTAP W CtU T 0 """-

~

e e..-

lI'i""r

·

Doordat er altijd een gedeelte van het silaan zal decompose-ren, waarbij waterstof en silicium zal ontstaan, wordt het ontstane silicium van de processtroom gescheiden. Hiervoor kan gebruik worden gemaakt van een filter van keramisch materiaal (silicium-koolstof) of van een hydrocycloon. Hiervan is het

filter het meest geschikt voor zeer kleine deeltjes (~~25pro),

maar de cycloon is gebruikersvriendelijker en goedkoper.

Aangezien de deeltjesgrootte van het gevormde silicium tussen de 100 en 1000 pro ligt is gekozen voor een hydrocycloon.

De hydrocycloon is gemaakt van Monel vanwege de corrosieve werking van het reactiemengsel. Voor het ontwerpen van de

cycloon is gebruik gemaakt van de techniek beschreven in

Chemical Engineering, Volume 6 [lit.21].

(22)

•

• .,

•

Beschriiving van het oroces

Met een hoogte van ruim een meter en een diameter van 20 centimeter worden deeltjes met een ~~100prn voor 99.8 % verwij-derd. Het drukverschil over de hydrocycloon, ontstaan door wrijving bij de in- en uitgang, is 0 . 3 bar [li t. 22]. Voor verdere details over de hydrocycloon wordt verwezen naar bijlage 6.

Het ontstane silicium, ruim 42 ton per jaar, kan verkocht worden, maar het is ook mogelijk om dit te laten reageren met waterstofgas en chloorgas waarbij chloorsilanen gevormd wor-den, die weer naar het proces teruggevoerd kunnen worden.

6.4 ELEKTROLYSESTAP

Voor een recycling van lithium zal LiCl moeten worden omgezet in LiH dat weer kan reageren met de chloorsilanen in reactor één en twee. Allereerst wordt LiCl door middel van een elek-trolyse omgezet in lithium volgens de volgende vergelijking :

2 LiCl ~ 2 Li + Cl₂ (4)

Dit gebeurt bij een temperatuur van 446

oe

en een druk van 5 bar in een elektrolysebad van 3.67 m3 _{(voor 70} _% _{gevuld). In}

het bad bevindt zich een batterij van 47 grafiet elektroden omringt door stalen kathoden, die geheel verzonken zijn in het gesmol ten zout mengsel. De elektroden bezitten een stroom-sterkte van 5000 A en er heerst een spanningsverschil van 6.5 .\1

De groot te van het elektrolysebad is wederom verkregen door

1

gebruik te maken van een combinatie van de eerder genoemde schaalvergrotingscri teria (par 4.1). De verblij ftij d van het reactiemengsel is 70 minuten en het zoutmengsel verlaat het elektrolysebad door middel van een overloop. Specificaties van

,de elektrolysereactor staan vermeld in bijlage 5.

Een hogere reactie temperatuur zorgt voor een betere conducti-viteit, maar zal ook de corrosiebestendigheid van de reactor-wand verlagen. De elektrolyse vindt plaats zonder diafragma,

zodat er tussen de kathode en de anode een goede natuurlijke

stroming ontstaat van 180 m3_j_h. _De _{reactor wordt}

gekoeld met hetzelfde zoutmengse als bij de reactoren. Het

ontstane chloorgas (T=4 afgevangen en kan reageren

met waterstof tot waterstofchloride. Samen zou dit dan kunnen reageren met silicium tot chloorsilanen, waardoor waterstof en silicium de uitgangsstoffen voor het proces worden.

(23)

•

Beschriiving van het oroces

6.5 HYDROGENERINGSSTAP

In een volgende reactor wordt het lithium in het gesmolten zout mengsel gehydrogeneerd tot LiH volgens de volgende reac-tie :

2 Li + H₂ ~ 2 LiH (5)

Dit gebeurt bij een temperatuur van 490°C en een druk van 5 bar in een geroerde reactor van 380 liter (voor 90 % gevuld) met een standaard turbine roerder en een waterstofgas inlaat aan de onderkant van de reactor, opgeschaald met behulp van de genoemde schalingsmethode (par 4.1). De verblij ftij d in deze reactor is 10 minuten. Wanneer de temperatuur lager is dan 470 °c verloopt de reactie te langzaam en bij een temperatuur hoger dan 510°C wordt de corrosieve werking van het gesmolten zout sterk verhoogd hetgeen aantasting van het materiaal betekent. Voor verdere specificaties wordt verwezen naar bijlage 5.

Er wordt een overmaat Lithium aan de reactor toegevoerd, zodat al het waterstofgas reageert. De overmaat aan lithium wordt in een decantati estap afgescheiden (zie paragraaf 4.6) en terug-gevoerd naar de hydrogeneringsreactor. Het waterstofgas heeft bij de ingang van de reactor een temperatuur van 400°C. Hiervoor is het gas opgewarmd door het reactiemengsel in een warmtewisselaar [lit.23], die in bijlage 7 vermeld staat.

6.6 DECANTATIESTAP

Het niet gehydrogeneerde Lithium wordt gedecanteerd en door middel van een overloop teruggevoerd naar de hydrogeneringsre-actor. Voor de decantatie geldt een inhoud van de reactor van 200 liter, een verhouding van het decantatieoppervlak ten opzichte van het totale volume (S/Q) van 0.15 en een verblijf-tijd van vij f minuten. Het zoutmengsel met lithium hydride wordt, na gekoeld te zijn, teruggevoerd naar de eerste

reac-tor, waar het weer reageert met de chloorsilanen . Specifica-ties van de decantaSpecifica-tiestap staan vermeld in bijlage 7.

I

W

(j Ct ()v\A .

~

cl.('

'.>

i

lIlA

(24)

•

Kostenberekening 7. KOSTENBEREKENING

De doelstelling van dit ontwerp is het v rkrijgen van een produktie proces van silaan, waarbij de kostprijs van het silaan ruim beneden de $ 160.- per kg lig. Zoals in de inlei-ding staat vermeld wordt het L-CVP proc economisch rendabel wanneer de kostprij s van silaan bened de $ 40. - komt. De methode voor het berekenen van de tota kosten van het proces is gehaald uit deel II van het di taat van 'de chemische fabriek'. Er is uitgegaan van een os rijs van $ 40.-, waar-bij een Return On Investment, als economisch criterium, bere-kend is.

Voor het bepalen van de kostprijs zijn verder nog van belang

*

investeringen

of

e.

*

kostprij s van_..het" produktie~

*

opbrengst van he~ produktiep~

~ct~ ~

7.1 Investeringen

De totale investeringen (I_{T )} zijn in vier groepen te delen

[lit.26]

1. Is, de investeringen ln de proceseenheden 2. IH' de investeringen ln hulpapparatuur

3. IL' de investeringen in niet tastbare zaken 4. Iw, het werkkapitaal

(64%) (16%) (14%) ( 6%)

De waarde van de investeringen kan met behulp van drie ver-schillende 'stapmethodes' bepaald worden

1. volgens Zevnik-buchanan, ook wel Dupont methode 2. volgens Taylor (ICI)

3. volgens Wilson

(25)

•

Kostenberekening

Methode van Zevnik-buchanan

De methode van Zevnik-buchanan [lit.27] gaat u't van vier

basis eenheden. Dit zijn de procescapaciteit, aantal

functionele eenheden (N), de complexiteitsfaktor (Cf) en de

plant Cost Index (Cr)' Het silaan proces heeft een capaciteit

van 1000 ton/jaar en zeven functionele eenheden. Voor het

bepalen van de complexi tei tsfaktor wordt gebruik gemaakt van de volgende vergelijking :

Hierbij is Ft de temperatuurfaktor , Fp de drukfaktor en Fm de

materiaalfaktor. Voor het proces geldt dan het volgende:

Ft (T=490 °C) = 8.514 * 10-2

Fp (P=5 bar) = 7.273 * 10

-2

Fm (Monel) = 0.3

Hieruit volgt dat

Cf = 5.74

Aan de hand van deze waarde kan de investering per functionele eenheid (IE) grafisch bepaald worden [lit.28]. Deze investering

heeft dan een waarde van $ 0.14 milj oen of f 0.27 miljoen

(koers 27/11/93). Met behulp van de volgende formule kunnen de

investeringen (fixed-capital) berekend worden. De waarde voor

Cr wordt verkregen uit het tijdschrift I Chemical Engineering

[lit.29] .

= 7 * 0.27 * 1.33 * (360/219)

= f 4.13 miljoen

De totale hoeveelheid investeringen (IT) wordt f 5.17 miljoen.

(26)

•

--- -Kostenberekening

Methode van Taylor

De methode van Taylor [lit.30] is een methode die rekening houdt met de verschillende proces- en opslagcondities. De investering in de proces eenheden kan berekend worden met behulp van de volgende vergelijking :

I B 45

*

f

*

po. 39

*

(

3~IO

)

Hierbij is P de capaciteit in kton per jaar, Cr de cost index

[lit.31] en f de costlines index. De manier voor het berekenen van f staat vermeld in deel 11 van 'De chemische fabriek'. De

resultaten staan vermeld in tabel 1.

Tabel 1 Waarden van de costlines index voor de verschillende processtappen en -stromen.

- 3 :::

'w'..v..

I

STROMEN

I

_{t / t}_J PIT mqt tox tot f

silaan _\ 0 1 0 1 2.0 1.7 chloorsilanen

\

3 1 0 1 5.0 3.7 waterstof

m

1 0 0 -3.0 0.5 silicium -1 1 0 0 0.0 1.0 chloor 2 1 0 1 4.0 2.9 gesmolten zout(rec) 6 1 0 1 8.0 8.2 lithium(rec) 2 1 0 0 3.0 2.2 REACTOREN scheidingskolom -3 1 2 0 0.0 1.0 reactor 1 6 1 2 0 9.0 10.6 reactor 2 6 1 2 0 9.0 10.6 filtratie Si 6 1 2 0 9.0 10.6 elektrolyse 6 1 2 0 9.0 10.6 hydrogenering 6 1 2 0 9.0 10.6 decantatie 6 1 2 0 9.0 10.6 84.8 I 18

(27)

I

•

• I

Kostenberekening

Uit de tabel volgt dat de totale costlines index gelijk is aan 84.8. Er geldt nu :

18

=

45 * 84.8 * 1°·39 * (1.45*1.5*363/300) * 1000

=

f 10.04 miljoen

=

f 28.57 miljoen

De totale hoeveelheid investeringen wordt dan f 44.64 milj oen.

:J

6

UZ

~eeIr2.-E.

Methode van Wilson

Bij deze methode [lit.32] (1971) ZlJn voor de bepaling van de investeringen het aantal apparaten (N), de eenheidskosten van

de apparaten (AUC) en de gemiddelde doorzet nodig. Met de

volgende vergelijking kan dan de investering berekend worden

f * N * (AUC) * F_p * Ft * Fm *

(~*

363 *1. 5) 100 115

Hierbij is f een investeringsfaktor die afhankelijk is van

soort proces (vast of vloeibaar). In de laatste term

bovenstaande vergelijking wordt rekening gehouden met

normalisatie van de index gedurende de afgelopen jaren.

een gemiddelde doorzet per apparaat van 2.93*104 _{ton per}

geldt : AUC

₌

f 2.18*104 f

₌

1.8 N

=

11 Fp

=

1.0 Ft

=

1.1 Fm

=

1. 65 Cr

=

145 Waaruit volgt het van een Voor jaar

18

=

f 5.38 miljoen of f 15.3 miljoen (koers 27/11/93)

De totale hoeveelheid investeringen wordt dan f 23.9 miljoen.

(28)

•

Kostenberekening

Resultaat van de investeringen

Van de hierboven beschreven methoden lijkt de methode van Taylor het meest geschikt, omdat deze met verschillende aspec-ten van het proces rekening houdt (temperatuur, druk, toxici-tei t, ... etc). In het vervolg van de kostenberekening wordt daarom rekening gehouden met een totale hoeveelheid investe-ringen van :

IT

=

f 44.64 miljoen

7.2 produktiekosten

Voor het berekenen van de kostprij s van silaan verkregen met dit proces is eerst een berekening nodig van de kosten die bij deze produktie gemaakt worden. Deze kosten kunnen op de vol-gende manier worden onderverdeeld [lit.33]

*

KA' algemene kosten of plant overheads

*

Ko, indirecte fabrikagekosten

*

Kp, produktievolume afh. kosten (grondstoffen)

*

KL' semivariabele kosten (loon- en onderhoudskosten)

*

KI' investering afh. kosten (rente, afschrijvingen)

Algemene kosten

Voor het berekenen van de algemene kosten, zoals

administra-tie-, marketing-, research- en ontwikkelingskosten, kan

bij-voorbeeld gebruikt worden [lit.34]

*

75 % van de loonkosten

*

50 % van de onderhoudskosten Dit geeft KA = f 1.15 miljoen 20

=

f

0.26 miljoen

=

f

0.89 miljoen

(29)

•

Indirecte fabrikagekosten

Voor het berekenen van

kantine-, brandweer- en

bruikt worden [lit.34]

de indirecte opslagkosten,

Kostenberekenina

fabrikagekosten, zoals

kan bijvoorbeeld

ge-*

3 % totale investeringen

*

45 % loonkosten

=

f 1.34 miljoen

=

f 0.16 miljoen Dit geeft

Kc

= f 1.50 miljoen Semivariabele kosten

Deze kostenpost bestaat uit en onderhoudskosten

[lit.36]. Deze onderhoudskosten ijn gelijk aan 4 % van de

totale investeringen. De waarde v n de loonkosten kan berekend

worden met behulp van de Wesse relatie [li t. 37]. Voor een

continu bedrijf met een produkt' van 2.8 ton per dag zou het

aantal werkende mensen op vij f komen. Met loonkosten van f

70.000.- per gemiddeld per persoon wordt dan het resultaat van deze kostenpost berekening :

*

onderhoudskosten

=

f 1.78 miljoen

*

loonkosten

=

f 0.35 miljoen

totaal geeft dit dan

*

Kr, = f 2.13 miljoen

21

1

(30)

I

•

I

•

Kostenberekening

Kosten afhankelijk van het produktievolume

Voor het berekenen van deze kosten worden de grond- en hulp-stoffen-, bijprodukt- , energie- en koelingskosten van dit proces bepaald. In tabel 2 staat het resultaat hiervan vermeld

[ I it. 10 ] en [ I it. 3 5] .

Tabel 2 Proceskosten en -opbrengsten.

prlJzen $/kg doorvoer tij kosten $

GRONDSTOFFEN chloorsilanen 5.500 4.58*103 _2.52*107 waterstof m3 _0.293 _1.14*106 _3.33*105 lithiumchloride 10.300 1.09*101 _1.13*105 kaliumchloride 0.125 1.50*101 _1.88*103 lithiumhydride 64.300 8.40*10-1 _5.40*104 koelwater m3 0.052 1.90*105 1.01*104 elektriciteit Kwh 0.062 5.50*106 _0.66*106 PRODUKTEN silaan 40.000 1.00*103 _4.01*107 chloor 0.200 3.60*103 7.19*105 silicium 0.100 4.21*101 _4.21*103

Na omrekenen in guldens volgt er het volgende uit de boven-staande tabel

* Kp

=

f 50.22 miljoen

(31)

•

Kostenberekening

Kosten afhankelijk van de investeringen

Voor het berekenen van deze kosten, zoals afschrijvings- en

verzekeringskosten, wordt gebruik gemaakt van Capital Charge methode [lit.38]. Hierbij is van het volgende uitgegaan:

*

Een bouwtijd van twee jaar

*

Een levensduur van 20 jaar

*

Een afschrijvingsduur van 10 jaar (rechtlijnig)

*

Een discountfaktor van 10 %

Met behulp van deze waarden kan nu de waarde van de jaarlijkse

cash flow (Cf), die zorgt voor een winst van 10 % rekening

houdend met 50 % belasting, berekend worden. Deze wordt dan :

*

Cf = 0.156 * lT = f 6.96 miljoen

en

* KI

=

f 6. 96 mi 1 j oen

7.3 Economische criteria

Nadat alle kosten en opbrengsten bepaald ZlJn is het mogelijk om een Return On lnvestment (ROl), als economisch criterium, te berekenen [lit.39]. Hierbij wordt de jaarlijkse winst beke-ken ten opzichte van de totale investeringen (minus de inves-tering in niet-tastbare zaken. De resultaten van deze bereke-ning staan vermeld in tabel 3. Er is hierbij uitgegaan van een

produktprijs (van silaan) van $ 40.- per kg en een belasting

van 50 %. Voor het berekenen van de ROl wordt gebruik gemaakt van de volgende vergelijking

ROI = (10)

Hierbij 1S W de jaarlijkse winst. De bedragen 1n tabel 3 staan

vermeld 1n miljoenen guldens.

(32)

•

Kostenberekening

•

Tabel 3 Bepaling van de Return On Investment.

totale investeringen 44.64

•

fixed- + werkkapitaal 36.39

inkomsten 78.69

•

algemene kosten 1.15

indirecte fabrikagekosten 1. 50

produktievolume afh. kosten 50.22

•

semivariabele kosten 2.13

investering afh. kosten 6.96

produktiekosten 61.96

•

winst voor belasting 16.73

winst na belasting 8.37

•

Return On Investment (%) 23.00

•

₂₄

•

(33)

•

Nawoord 8. NAWOORD

Voor de keuze van het voorontwerp en de begeleiding ervan is

de vakgroep Deeltjestechnologie verantwoordelijk geweest.

Gezien de resultaten van dit voorontwerp, waaruit blijkt dat silaan goedkoper geproduceerd kan worden, bestaat er de moge-lijkheid om silicium nitride op industriële schaal te produce-ren uit silaan. Dit maakt het onderzoek interessant voor de vakgroep Deeltjestechnologie.

Wij bedanken ir.A.Paijens, dr.ir.J.C.Marijnissen en als direc-te begeleider ir.I.Tuinman voor procesdirec-technologische adviezen.

(34)

•

Literatuurlijst LITERATUURLIJST 1. S.Jacubert et al, EP 0102293, 1983 2. J.Grosbois et al, EP 0105778, 1983 3. J.Y.Dumousseau et al, EP 0102890, 1983 4. E.Leraix et al, EP 0230171, 1986

5. P.A.Taylor, Silane : Manufacture and applications, Solid

State Technology, july 1987, pag. 53-59

6. Union Carbide, NL 7710446, 1978

7. J.E.Boone et al, EP 0377900, 1989

8. Zeitung für anorganische und allgemeine chemie, band 282,

1955, pag. 55

9. J.M.Schoenung, Ceramic Bulletin, 1991, Vol. 70, No. 1,

pag. 112 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

R.A.Bauer, Laser chemical vapor precipitation of ceramic powders, proefschrift, TU Delft, 1991

F.E.Kruis et al, J. Am. Ceramic Soc.,75(3), 1992, pag. 619-628

R.L.Woodin and A.Kaldor, Applications of Lasers to Indus trial Chemistry, Society for Optical Engineering, 1984, Vol. 458

N.Tsuyoshi et al, Bulletin of the Chemical Society of Japan, 1974, Vol. 47(8), pag. 2071-2072

B.Mazumder, Transitions of the Indian Ceramic Society, 1978, Vol. XXXVII (5)

M.W.Chase et al, Janaf Thermochemical Tables, Third Edi-tion, 1985, Volume 14, Supplement No. 1

L.P.B.M.Janssen and M.M.C.G.Warmoeskerken, Transport Phenomena Data Companion, DUM, 1987

17. Chemical Engineering, Vol. 6, 1983

(35)

•

• I

.

•

Literatuurliist

18. Prof.dr.med.O.Eichler und Prof.dr.med.E.Weber, Handbuch

der gefährlichen Güter, 6 und 7 Lieferung, 1984

19. Chemiekaarten : Gegevens voor veilig werken met

chemica-liën, Veiligheidsinstituut, Amsterdam, 1993/1994, 9de

editie

20. Weusthoff et al, DE 3311650, 1983

21. J.M.Coulson and J.F.Richardson, Chemical Engineering,

Volume 6, An introduction to chemical engineering design,

1991, pag. 327-330

22. P.A.Schweitzer, Handbook of separation techniques for

chemical engineers, 1979, pag. 4-138

1991, pag. 511-553

1991, pag. 379-380

1991, pag. 376-378

26. Prof.ir.A.G.Montfoort, Collegedictaat 'De chemische

fa-briek' st44, deel 11 : Cost engineering en Economische aspecten, TU Delft, 1991, pag. 111-1

27.

28.

29. 30.

31.

Prof.ir.A.G.Montfoort, Collegedictaat 'De chemische fa-briek' st44, deel 11 : Cost engineering en Economische aspecten, TU Delft, 1991, pag. 111-14

Prof.ir.A.G.Montfoort, Collegedictaat 'De chemische

fa-briek' st44, deel 11 : Cost engineering en Economische aspecten, TU Delft, 1991, pag. 111-19

Chemical Engineering, volume 100, No 11, november 1993 Prof.ir.A.G.Montfoort, Collegedictaat 'De chemische fa-briek' st44, deel 11 : Cost engineering en Economische aspecten, TU Delft, 1991, pag. 111-20

Chemical Engineering, volume 100, No 11, november 1993

(36)

•

- - - - -- ~-~--~-~~~ Literatuurliist

32. Prof.ir.A.G.Montfoort, Collegedictaat 'De chemische fa-briek' st44, deel 11 : Cost engineering en Economische aspecten, TU Delft, 1991, pag. 111-22

33. Prof.ir.A.G.Montfoort, Collegedictaat 'De chemische fa-briek' st44, deel 11 : Cost engineering en Economische aspecten, TU Delft, 1991, pag. 11-1 en 11-2

35. Chemical Marketing Reporter, 15 februari 1993

38. Prof.ir.A.G.Montfoort, Collegedictaat 'De chemische fa-briek' st44, deel 11 : Cost engineering en Economische aspecten, TU Delft, 1991, pag. ~~20

:::rg::.

39. 40. 41. 42. 43.

Prof.ir.A.G.Montfoort, Collegedictaat 'De chemische fa-briek' st44, deel 11 : Cost engineering en Economische aspecten, TU Delft, 1991, pag. V-5

Prof.dr.ir.N.W.Kossen en ir.P.G.Krouwel, Collegedictaat Schaalvergroten st76, TU Delft, 1984

Kirk-Othrner, Encyclopedia of Chemical Technology, 1982, Third Edition, Vol. 20, pag. 887-909

C.Jones, The preparation of mono and disilaan, University of Chicago, 1935, pag. 1349

J.M.Coulson and J.F.Richardson, Chemical Engineering, Volume 6, An introduction to chemical engineering design,

1991, pag. 220-226

(37)

- - - -- - - -

---•

• I

I

SiH4

I

SiHC13

I

SiC14

I

Molgewicht (gimol) 32.12 135.45 169.90

Dichtheid (kg Im3

) 1. 44 1.34 7.59

Dampdruk (mbar) 40.8E3 -10·C

533 15·C

260 20·C

•

Kookpunt (OC) -112 33 58

Smeltpunt (OC) -185 -127 -70

Mixing water ontleding reactie reactie

•

Algemeen brandbaar vlampunt

gas, sterk -25°C

reductief ontvl (vol%)

o. 00 2

P

F

IN'- 1.2-90.5

• I

I

Si

_I

H2

I

C12

I

. Molgewicht (g Irnol) 28.09 2.02 70.90 Dichtheid (kg Im3 ) 2330 0.09 3.21

•

Dampdruk (mbar) 6.8E3 20·C

Kookpunt (OC) 2355 -252.8 -34.6

Smeltpunt (OC) 1410 -259.3 -101.0

•

Mixing water niet 7 gil 20·C

Algemeen zeer licht MAC-waarde

ontvlambaar 1 pprn expl.grenzen 4-76 vol%

• I

I

Li

_I

LiH

_I

LiCl

_I

KCl

_I

Molgewicht (g Imol) 6.94 7.95 42.39 74.55

•

Dichtheid (kg Im3 ) 534 820 2068 1984 Dampdruk (mbar) 1.3 723·C Kookpunt (OC) 1342 -- 1360 --Smeltpunt (OC) 180.54 680 605 770 i I

I

.

I Mixing water reactie 830 gil 370 gil

Algemeen niet

brandb.

•

(38)

•

CHLOOR SILANEN Hl H2 R3 R4 H5

•

OPWAruotEN GASTOEVOER KOELEN REACTIfljENGSEl. REAClIDlENGSEl. POIotP SILAAN REACTOR PRODUKT KOELER

•

r--------------- ---, , , ,

---

-

---

-

-_

... -Ra SILAAN REACTOR H7 PRODUKT KOELER ca PRODUKT COIotPRESSOR

•

(j) .---+----" R12 R1t R12 Vl3 TIl PRODUKT ZIJIVERINGS K<X.OIot H14

VlD SluaUII FILTER

•

D ~ SILAAN ""ui V10 SILICIUM 5) ~ CHLOORGAS R11

ElEKlR<X. Y5[ REACTOR . PROCESSCHEMA VAN DE PRODUKTIE VAN SILAAN

H'YOROGENERING REACTOR lot. Schenk .. Fabrf . . IIOOI"OfII ... No : 211115

UTHIUIot SCHElOER K. Ponuen Decemb .. 19113

OPWARIolEN WATERSTOf"GAS

(39)

_._-•

Voor-

Massa-IN

_waarts

_Warmtebalans

en

_Retour

_UIT

• M

M

Q

M

_M

.

Q

~

Q

....

In &.q~ ~-I

• H1

~

,.

"" '1bl.'1

1.5"9

E-/

26.3/ ({)

..

...

I

•

l.stjE-/

~~,

73. bI

cg.q]

E-I

.JJ>

Ilt~

_••

L

.~ f!2l!.2 .

'1.7'

E-/

b.37

E2

-'t.7I

E-I _-_~77G2-

H2

· \c

~~

ww

~

•

&.'13 E-I •

-~

8bs" - j ~

,

~

,

bal ~ IJ/l 11-1 3./0 4./qE3

•

3.10

_3.6'0

_E3' t--I~ ~

R4

..

~l r -~

r

•

I. -zb t-I ~

I ...

sB.IJ,

j~ 2.79 E-2.. ~

r~

'-12. s6 ~

r

_WJ_--..wu-

S.b7

E -1

71

EL

• 9.9'

é-I

I-®-rJ~y . .

HS

: ~ ~ S.67 E-I

6.CfJ~2.

Ib.l~u • 1 - I

-•

2-79 E-2.. -~

r.

_~

~

r

18. éls S.1D E-2. ! ,

r

Itr ~/. Ad t--

_f®

_f6t

_E-I IS· 00

...

/.50 E.J'

•

1- .

7-6/

E~I

I./fl E'3

R6

IkW •

.

wlv- _I~

_•

"

~ _{~ ~}

,.

• t

&,ss E-:.J ~

r

-@-/1. 23

(40)

-•

9.97

["-2

•

I.S3

•

I

-•

I -. 8.rr-F-3

r-

-@-6,J1

-7./'1 Ë-s ~

,

zz

2.49 I - "-

I--,--_1_"

O_'_--l-J-@-I?'; - --97/. 8

...

I

..

1

T9

I -

-,r

Rll

R12.

... U'oeI ~

?·97

E -2- 1.2b [1--..

IJ

3,S"/ E -2 _/'i.

_3b

g:

...

. ~ _~

.. fi!J-

1.42. E-3

-a

'39 -, '.

~,r----t----+---~

I-- -/.ZSE-f /S:02

-'

-

-~

r

9'1/

E-/

_.

-@-/'Z.2.S. 2. ~

V13

~.r----+----~----_I

-

--

_f

I

(41)

•

I I.

•

._._--- --- - - - -e.Q3 E-I ?6'O.7 3,Ss E-J J '-{, '1.3 3,SrE-3 /S;/3

b,

(Je;

8:2C1

EJ

..

Massa

in

kg/s

Warmte ln kW

I

_/2

_•

•

~ &:\ "'t:!I ~ H1~

(!) ...

_,...

-Totaal

~ ~ _~

~

_6.

fJ

r

_f·oJEs

Fabrieksvoorontwerp

No:

ZS.35

(42)

•

Apparaatstroorn

+

Componenten

_

SJL

A

ti

IV __ v..AIE/fJïI2EtJ-AJ: _ 1i1f{j{LQQR (LLA-"1A1

. U:r!!11 Ctil.Ool? Jd_A/ftV'

.t_LIHJp # C.Nto NI 0 "

J(Af.1 u /"'f t-Ht. Oll.t. t:JE .I!.mlu# tt.t:P~ L QC ClltQ()lé'trA J Jlt/c/u./'#' "rH/UH Totaal : Apparaatstroom

+

Componenten S;LAI1A1 __ HlffftfroF GAS _:l!f!.(j/ü»811t/1,-9/1/ ]:fJK tlUltOOI?(t.tAAAI u rtl/UH C)/toNIDé' . .Kl!iJÛH ()/~ 10(. unilUH# y1)~/O~ . _f/:lLOO/((n9f f/LtuUH LlTHIUI4 Totaal : M in kg/s Q in kW M

I

--_ ... _-_._--. j, 40 E-/ _,-_~:g}.!-

-"2:

1'S-9 E-I M

6

:?

6ct

G-/ ---_._ -S.O/ E-/ 7..79

E-2-rJ.9J

E-I

• Q

Zb.3/ Q

-IJbS.

I

•

M

Q

M

Q

M

Q

M

l..

Q

Z

3

4

S-~.s-S-E-3 Z.

6q

é-I _{S.b4 E-/} _3.blt _E-/ J.OI

~

0

.s:OI E-I SoOI E-I

2-7Cfé-z.. 2.79 E-7... 2.79 E-'L

fJ.C)'J E-I

cf6J.

I 6'. qJ E-I 92$1·2.. ~.cr3 E-J q61. '-I 3.sSé -3 IS: 13

/ . / M

Q

M Q M Q M Q

7 6'

9

/0 2.7Ó> [-z. 1.s~E-J 8:39 E-S" I. I.!o [:-; J. q3 é-2 t;.8J ~-I S.01 E-/ s:.r9 E-3 - i /.17 E-3 I