CN221130998U - 一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，涉及化工技术领域。该装置包括分离单元、歧化单元和提纯单元，所述分离单元包括精馏分离塔和歧化反应器一，所述歧化单元包括加热器和歧化反应器二，所述提纯单元包括多级冷凝器、精制塔和纯化器。本发明所提供的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，以三氯氢硅为原料，利用反应器生成二氯二氢硅回塔，再经过精馏塔分离，气相的二氯二氢硅从塔顶直接进入反应器，经过歧化反应、多级冷凝分离、精馏分离提纯制备高纯硅烷。该装置投资成本低、能源利用效率高，而且工艺温度、压力低，更加节能降耗，安全性更高。

Description

一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置

技术内容

本实用新型涉及化工技术领域，特别涉及一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置。

背景技术

高纯硅烷可用于制造多晶硅、单晶硅、微晶硅、氮化硅及各种金属硅化物等。其本身也是一种重要的电子特气，广泛应用于微电子、光电子工业。近年来随着光伏产业的迅猛发展，硅烷的需求量快速增长，因此低成本、高效率的硅烷生产技术成为产业发展的瓶颈。

三氯氢硅歧化法最早由UCC公司提出，由氯硅烷制备及氢化反应，三氯氢硅歧化反应，二氯二氢硅歧化反应及一系列分离、提纯工艺构成，最终生成硅烷和四氯化硅。四氯化硅可返回氢化工序形成闭合回路，因此该路线排出物少，原料利用率高，对环境友好，已逐渐成为硅烷生产的主流方法。

UCC公司在其早期专利US4340574中提出以氯硅烷为原料，经多步固定床歧化反应和精馏提纯工序制备高纯硅烷，但该法过程复杂且生产效率低下，生产成本高，二氯二氢硅精馏塔、硅烷气分离塔、硅烷气精制塔、以及硅烷储存单元操作压力过高，存在泄露的风险大等情况。此后，针对该技术改进的专利不断出现，如专利US6905576将该过程进行了简化，但仍存在生产效率低、能耗高等问题。

目前主要的生产工艺有以下两种：一是固定床制备法，其主要原理由高纯度的三氯氢硅经过装有催化剂的固定床反应器，经过精馏分离塔分离得到高纯度的二氯二氢硅，二氯二氢硅再经过固定床反应器得到含硅烷气的氯硅烷，再经过精馏提纯得到高纯的硅烷气。该法投资大、能耗高、反应流程较为复杂，固定床法设备较多，仅仅精馏塔就5台，各种原料泵也较多，由于硅烷气危险性较高，因此对于设备的制造要求尤为严格。二是反应精馏法，反应精馏顾名思义就是把催化剂装填在精馏塔中，高纯的三氯氢硅经过精馏塔精馏，气相三氯氢硅与塔内的催化剂充分反应生成二氯二氢硅，二氯二氢硅进一步反应生成硅烷气，生成的混合气体经过后续一系列的冷却分离，从而得到高纯的硅烷气。该法存在以下缺点：催化剂回收较为困难、能耗高，反应精馏催化剂寿命为3-5年，在长期的使用中催化剂会慢慢的受到杂质及金属离子的侵蚀，造成催化剂官能团失去催化功能继而失活，催化剂表面有极多的小细孔，在拆卸回收的过程中催化剂捆扎包极容易发生爆燃，且塔内必须为氮气环境下人工作业，危险性高；其次反应精馏对于冷量要求高，能耗大，冷却温度要求-90℃，制冷剂为乙烯，相对于氟利昂制冷剂危险性较大。

有鉴于此，特提出本发明。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，该装置仅设有一台精馏分离塔，同时将歧化反应器外置，解决了反应精馏塔内催化剂回收困难的问题。该装置投资成本低、能源利用效率高、安全性高。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

本实用新型提供了一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，包括：分离单元，所述分离单元包括精馏分离塔和歧化反应器一，所述精馏分离塔的塔中设置有进料口，所述进料口与进料管线连接，所述精馏分离塔的塔顶设置有二氯二氢硅出口，塔底设置有四氯化硅出口，侧线设置有三氯氢硅出口，所述三氯氢硅出口与所述歧化反应器一连接，所述歧化反应器一的出口与所述进料管线连接；歧化单元，所述歧化单元包括加热器和歧化反应器二，所述精馏分离塔的二氯二氢硅出口与所述加热器、歧化反应器二依次连接；提纯单元，所述提纯单元包括多级冷凝器、精制塔和纯化器，所述多级冷凝器具有气相出口和液相出口，所述歧化反应器二的出口与所述多级冷凝器连接，所述多级冷凝器的气相出口与所述精制塔连接，所述精制塔具有塔顶出口、塔底出口和侧线采出口，所述精制塔的侧线采出口与所述纯化器连接，所述纯化器的出口得到高纯硅烷气。

本发明提供的一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，以三氯氢硅为原料，利用歧化反应器一生成二氯二氢硅回塔，再经过精馏分离塔分离，气相的二氯二氢硅从塔顶采出，经过加热器后进入歧化反应器二，其中加热器用于控制歧化反应温度，气相二氯二氢硅与催化剂直接反应，生成含硅烷气的氯硅烷气体进入提纯单元，经过多级冷凝分离、精馏分离和纯化除杂，制备得到纯度高的硅烷气。

进一步地，所述进料管线上还设置有换热器，所述精馏分离塔的四氯化硅出口与所述换热器连接，所述换热器的出口与回收管线连接。三氯氢硅进料与精馏分离塔塔底出料进行热量交换，将余热回收再利用，有效提高了能源利用率。

进一步地，所述精馏分离塔的塔顶配有分离塔冷凝器和回流罐，塔釜配有分离塔再沸器。

进一步地，所述精馏分离塔为隔板塔或板式塔中的任一种。

进一步地，所述提纯单元还包括压缩机，所述压缩机设置于所述多级冷凝器和精制塔之间的管线上。

进一步地，所述提纯单元还包括储罐，所述多级冷凝器的液相出口、所述精制塔的塔底出口均与所述储罐的入口连接，所述储罐的出口与所述进料管线连接。

进一步地，所述多级冷凝器至少包括一级冷凝器和二级冷凝器，所述一级冷凝器和所述二级冷凝器之间串联连接。多级冷凝器的作用是分离硅烷气中的氯硅烷，优选一级冷凝器的冷媒为冷却水，二级冷凝器的冷媒为乙二醇。

进一步地，所述精制塔的塔顶设置有精制塔冷凝器，所述精制塔冷凝器固定在所述精制塔的塔顶，并与所述精制塔的塔顶出口连通；所述精制塔的塔底设置有与所述精制塔的塔釜相连的精制塔再沸器。

(三)有益效果

本发明提供了一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，该装置仅设有一台精馏分离塔，一塔多用，塔釜采出四氯化硅，塔中采出三氯氢硅，相较于传统方案节省了4个塔器，工艺设备简单，大幅降低了投资成本。塔顶二氯二氢硅气体进入歧化反应器二与催化剂直接进行反应，反应接触面积更大，反应效果更好，反应率更高，而且外置反应器便于回收催化剂，反应温度通过外置的加热器可以实现可控。采用该装置制备高纯硅烷，工艺温度、压力要求低，更加节能降耗，大大提高了生产过程中的安全系数，一系列的除杂提纯使得硅烷气产品纯度高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种制备高纯硅烷气的装置的工艺流程示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-分离塔再沸器，2-精馏分离塔，3-循环泵，4-歧化反应器一，5-加热器，6-歧化反应器二，7-一级冷凝器，8-二级冷凝器，9-压缩机，10-精制塔，11-精制塔冷凝器，12-精制塔再沸器，13-储罐，14-出料泵一，15-分离塔冷凝器，16-回流罐，17-回流泵，18-出料泵二，19-换热器，20-进料管线，21-纯化器，22-回收管线。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供了一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，如图1所示，包括分离单元、歧化单元和提纯单元。

分离单元包括精馏分离塔2和歧化反应器一4，精馏分离塔2的塔中设置有进料口，进料口与进料管线20连接，进料管线20上设置有换热器19。精馏分离塔2为板式隔板塔，塔顶配有分离塔冷凝器15和回流罐16，塔釜配有分离塔再沸器1。精馏分离塔2的塔顶设置有二氯二氢硅出口，塔底设置有四氯化硅出口，侧线设置有三氯氢硅出口。侧线的三氯氢硅出口与歧化反应器一4连接，该歧化反应器一4的出口与进料管线20连接；塔底的四氯化硅出口与换热器19连接，该换热器19的出口与回收管线22连接。

歧化单元包括加热器5和歧化反应器二6，精馏分离塔2塔顶的二氯二氢硅出口与加热器5、歧化反应器二6依次连接。

提纯单元包括一级冷凝器7、二级冷凝器8、压缩机9、精制塔10、纯化器21和储罐13。一级冷凝器7和二级冷凝器8分别具有气相出口和液相出口。歧化反应器二6的出口与一级冷凝器7、二级冷凝器8依次连接，二级冷凝器8的气相出口与压缩机9连接，压缩机9的出口与精制塔10连接。精制塔10具有塔顶出口、塔底出口和侧线采出口，配有精制塔冷凝器11和精制塔再沸器12。精制塔冷凝器11固定在精制塔10的塔顶，并与塔顶出口连通，精制塔再沸器12设置在塔底与精制塔10的塔釜相连。精制塔10的侧线采出口与纯化器21连接，该纯化器21的出口得到高纯硅烷气。另外，一级冷凝器7的液相出口、二级冷凝器8的液相出口和精制塔10的塔底出口均与储罐13的入口连接，该储罐13的出口与进料管线20连接。

进一步地，为了便于输送物料，精馏分离塔2的侧线出口与歧化反应器一4之间设置有循环泵3，回流罐16与精馏分离塔2的塔顶回流口之间设置有回流泵17，精馏分离塔2的塔底出口与换热器19之间设置有出料泵二18，储罐13与进料管线20之间设置有出料泵一14。

歧化反应器一4和歧化反应器二6中设有歧化反应催化剂，用于催化三氯氢硅、二氯二氢硅进行转化。反应式包括：

2SiHCl₃→SiH₂Cl₂+SiCl₄

2SiH₂Cl₂→SiHCl₃+SiH₃Cl

2SiH₃Cl→SiH₂Cl₂+SiH₄

本发明提供的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置的工作原理为：高纯三氯氢硅(主要包含三氯氢硅，极少量其它杂质，例如二氯二氢硅)首先进入精馏分离塔2，侧线采出的三氯氢硅经循环泵3加压送到歧化反应器一4，循环泵3加压范围为0.4～1.2Mpa，在歧化反应器一4反应生成含二氯二氢硅的氯硅烷回到精馏分离塔2；塔釜的氯硅烷经过分离塔再沸器1提供热量实现塔内物料分离，塔底采出的四氯化硅通过出料泵二18和换热器19外排；塔顶采出气相的二氯二氢硅一部分经分离塔冷凝器15冷却进入回流罐16，作为精馏分离塔2的回流，另一部分二氯二氢硅气体经过加热器5加热进入歧化反应器二6，加热器5控制进入歧化反应器二6的气体温度在60～100℃；反应生成含硅烷气的氯硅烷气体经过一级冷凝器7和二级冷凝器8冷却后进入压缩机9对硅烷气进行增压，增压后硅烷气进入精制塔10，在精制塔10中实现硅烷气精制，塔中采出的硅烷气进入纯化器21进一步除去杂质，得到高纯硅烷气。其中，精制塔10的塔顶和塔中均采出硅烷气，塔顶采出为辅，塔中采出为主，塔中采出的硅烷气纯度高于塔顶，塔顶采出的硅烷气送往其他装置进一步除去硅烷气中的氢气等杂质气体。一级冷凝器7和二级冷凝器8分离出的氯硅烷进入储罐13，送回精馏分离塔2循环反应。精制塔10塔釜仅在首次开车外排氯硅烷，氯硅烷进入储罐13回到精馏分离塔2，正常生产时塔釜为常闭状态，不外排。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型实施例具备以下有益效果：

该装置仅设有一台精馏分离塔2，一塔多用，塔釜采出四氯化硅，塔中采出三氯氢硅，相较于传统方案节省了4个塔器，工艺设备简单，大幅降低了投资成本。塔顶二氯二氢硅气体进入歧化反应器二6与催化剂直接进行反应，反应接触面积更大，反应效果更好，反应率更高，而且外置反应器便于回收催化剂，反应温度通过外置的加热器5实现可控。采用该装置制备高纯硅烷，工艺温度、压力要求低，更加节能降耗，大大提高了生产过程中的安全系数，一系列的除杂提纯使得硅烷气产品纯度高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，其特征在于，包括：

分离单元，所述分离单元包括精馏分离塔(2)和歧化反应器一(4)，所述精馏分离塔(2)的塔中设置有进料口，所述进料口与进料管线(20)连接，所述精馏分离塔(2)的塔顶设置有二氯二氢硅出口，塔底设置有四氯化硅出口，侧线设置有三氯氢硅出口，所述三氯氢硅出口与所述歧化反应器一(4)连接，所述歧化反应器一(4)的出口与所述进料管线(20)连接；

歧化单元，所述歧化单元包括加热器(5)和歧化反应器二(6)，所述精馏分离塔(2)的二氯二氢硅出口与所述加热器(5)、歧化反应器二(6)依次连接；

提纯单元，所述提纯单元包括多级冷凝器、精制塔(10)和纯化器(21)，所述多级冷凝器具有气相出口和液相出口，所述歧化反应器二(6)的出口与所述多级冷凝器连接，所述多级冷凝器的气相出口与所述精制塔(10)连接，所述精制塔(10)具有塔顶出口、塔底出口和侧线采出口，所述精制塔(10)的侧线采出口与所述纯化器(21)连接，所述纯化器(21)的出口得到高纯硅烷气。

2.如权利要求1所述的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，其特征在于，所述进料管线(20)上还设置有换热器(19)，所述精馏分离塔(2)的四氯化硅出口与所述换热器(19)连接，所述换热器(19)的出口与回收管线(22)连接。

3.如权利要求1所述的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，其特征在于，所述精馏分离塔(2)的塔顶配有分离塔冷凝器(15)和回流罐(16)，塔釜配有分离塔再沸器(1)。

4.如权利要求1所述的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，其特征在于，所述精馏分离塔(2)为隔板塔或板式塔中的任一种。

5.如权利要求1所述的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，其特征在于，所述提纯单元还包括压缩机(9)，所述压缩机(9)设置于所述多级冷凝器和精制塔(10)之间的管线上。

6.如权利要求1所述的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，其特征在于，所述提纯单元还包括储罐(13)，所述多级冷凝器的液相出口、所述精制塔(10)的塔底出口均与所述储罐(13)的入口连接，所述储罐(13)的出口与所述进料管线(20)连接。

7.如权利要求1、5和6中任一项所述的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，其特征在于，所述多级冷凝器至少包括一级冷凝器(7)和二级冷凝器(8)，所述一级冷凝器(7)和所述二级冷凝器(8)之间串联连接。

8.如权利要求1所述的利用三氯氢硅制备高纯硅烷气的装置，其特征在于，所述精制塔(10)的塔顶设置有精制塔冷凝器(11)，所述精制塔冷凝器(11)固定在所述精制塔(10)的塔顶，并与所述精制塔(10)的塔顶出口连通；所述精制塔(10)的塔底设置有与所述精制塔(10)的塔釜相连的精制塔再沸器(12)。