專利名稱：連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用四氯化硅生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法及裝置，更具體來(lái)說(shuō)涉及一種在高壓條件下將液態(tài)四氯化硅連續(xù)氫化轉(zhuǎn)化為三氯甲硅烷的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，絕大多數(shù)的多晶硅生產(chǎn)方法是改良西門子工藝。這種工藝存在的一個(gè)主要缺點(diǎn)為采用三氯甲硅烷為原料進(jìn)行多晶硅沉積，反應(yīng)過(guò)程中，生成大量副產(chǎn)物四氯化硅， 若不加以循環(huán)利用，將危害環(huán)境并造成極大的原料浪費(fèi)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)成本。目前已大規(guī)模工業(yè)化的四氯化硅循環(huán)利用技術(shù)主要為冷氫化和熱氫化，均為將四氯化硅重新轉(zhuǎn)化為原料三氯甲硅烷的途徑，反應(yīng)方程式如下所示。SiCU (H2SiHCl3熱氫化技術(shù)是在熱氫化爐內(nèi)以石墨或碳復(fù)合材料作為電加熱件，壓力為0. 4 0. SMPa的，溫度為1200 1300°C的條件下使氫氣與四氯化硅反應(yīng)生成三氯甲硅烷的過(guò)程。 熱氫化的工藝流程及設(shè)備均較為簡(jiǎn)單，投資規(guī)模較小，但熱氫化能耗高，平均生產(chǎn)每千克三氯甲硅烷的耗電量一般不低于3kWh，使多晶硅生產(chǎn)總成本難以控制，并且在熱氫化爐中的電加熱件上極易沉積硅，導(dǎo)致加熱效果降低，更嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)火花放電損壞設(shè)備，降低了設(shè)備使用率并增加了維護(hù)成本。冷氫化技術(shù)是在流化床反應(yīng)器內(nèi)以冶金級(jí)硅粉作為床層原料， 通入氫氣和四氯化硅，在壓力為2 4MPa，溫度為500 550°C的條件下進(jìn)行反應(yīng)生成三氯甲硅烷。冷氫化生產(chǎn)三氯甲硅烷單位電耗僅為0. 6 0. 8kWh/kg，且單臺(tái)設(shè)備處理規(guī)模較大，四氯化硅單程轉(zhuǎn)化率可超過(guò)25%。但冷氫化工藝流程復(fù)雜，設(shè)備投資規(guī)模較大，并且系統(tǒng)內(nèi)涉及高溫高壓下的固體硅粉輸送，由于硅粉硬度極高，因此極易磨蝕設(shè)備，生產(chǎn)線維護(hù)費(fèi)用較高且難以保證長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行?，F(xiàn)有技術(shù)無(wú)論是熱氫化或冷氫化，主要均為氣相中四氯化硅的氫化反應(yīng)。熱氫化及冷氫化的反應(yīng)均為可逆反應(yīng)，反應(yīng)平衡常數(shù)不高，而在氣相反應(yīng)中，反應(yīng)物與產(chǎn)物不分離，生成的產(chǎn)物將影響反應(yīng)物的進(jìn)一步反應(yīng)，并且氣相中氣體分子密度較低，反應(yīng)速率難以提尚。在研究了四氯化硅與氫氣的反應(yīng)機(jī)制基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了利用氫氣與液態(tài)四氯化硅反應(yīng)生成三氯甲硅烷的方法。在四氯化硅氫化反應(yīng)平衡可正向移動(dòng)的溫度條件下，利用合適的壓力，使四氯化硅處于液態(tài)并保證溫度低于此壓力下三氯甲硅烷的沸點(diǎn)，氫氣與四氯化硅反應(yīng)生成的三氯甲硅烷不斷汽化離開(kāi)反應(yīng)系統(tǒng)，促使反應(yīng)能夠始終向生成三氯氫硅的正反應(yīng)方向進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種將液態(tài)四氯化硅連續(xù)與氫氣反應(yīng)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，該方法通過(guò)在高壓及一定溫度條件下將氫氣通入液態(tài)四氯化硅進(jìn)行反應(yīng)生成氣態(tài)三氯甲硅烷的方式實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高效節(jié)能的四氯化硅氫化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)三氯甲硅烷。本發(fā)明還要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下一種連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，包括在密封的裝有液態(tài)四氯化硅的反應(yīng)器內(nèi)， 在一定溫度與壓力下，將純氫氣通入液態(tài)四氯化硅反應(yīng)生成三氯甲硅烷與氯化氫氣體排出反應(yīng)器，并不斷向反應(yīng)器內(nèi)補(bǔ)充液態(tài)四氯化硅，使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。其中，所述密閉反應(yīng)器內(nèi)壓力為20 35MPa，優(yōu)選地為23 ^MPa。其中，所述密閉反應(yīng)器內(nèi)溫度為380 550°C，優(yōu)選地為400 450°C。其中，所述氫氣與四氯化硅原料氣體的反應(yīng)體積比為2 5 1。其中，所述氫氣被加熱至300 600°C通入反應(yīng)器。其中，所述液態(tài)四氯化硅被加熱至300 500°C通入反應(yīng)器。其中，所述密閉反應(yīng)器內(nèi)可添加催化劑。進(jìn)一步地，所述催化劑為金屬氯化物及離子液體中的一種或幾種，優(yōu)選地為堿土金屬氯化物與離子液體，特別優(yōu)選地為將氯化鋇與氯化鉀溶解在離子液體中制成催化劑。在一個(gè)優(yōu)選的生產(chǎn)方法中，將壓力為23 25MPa下并加熱至300 350°C的液態(tài)四氯化硅從所述四氯化硅進(jìn)料管通入反應(yīng)器內(nèi)并將所述催化劑由所述催化劑加料管通入反應(yīng)器內(nèi)；將加熱至300 400°C的氫氣由所述氫氣進(jìn)氣管經(jīng)所述氫氣分布器通入反應(yīng)器內(nèi)，一段時(shí)間后，待氫氣進(jìn)氣管與產(chǎn)品出口間壓差穩(wěn)定后啟動(dòng)反應(yīng)器的加熱裝置，升溫至 400 450°C，連續(xù)通入氫氣，并由產(chǎn)品出口排出產(chǎn)品三氯甲硅烷與氫氣、氯化氫及少量四氯化硅的混合氣體，可連續(xù)生產(chǎn)。本發(fā)明還涉及一種連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的裝置，包括殼體1、氫氣分布器3、氫氣進(jìn)氣管4、四氯化硅進(jìn)料管5、產(chǎn)品出口 6以及催化劑加料管7 ；殼體1為密閉壓力容器，殼體1上部連接氫氣進(jìn)氣管4、四氯化硅進(jìn)料管5、產(chǎn)品出口 6及催化劑加料管7，四氯化硅進(jìn)料管5伸入殼體1內(nèi)部，其特征在于殼體1內(nèi)部還設(shè)有氫氣分布部件，且所述氫氣分布部件與所述氫氣進(jìn)氣管4相連。在此裝置中，所述殼體優(yōu)選地具有內(nèi)襯，材質(zhì)為高硬度合金。其中，所述氫氣分布部件為氫氣分布器3，其表面設(shè)有均布的若干氣孔301。進(jìn)一步地，所述氫氣分布器3具有擴(kuò)大的直徑，所述氫氣分布器的氣孔方向朝下。進(jìn)一步地，所述氫氣分布器3下部擴(kuò)大段的下底面優(yōu)選地位于反應(yīng)器總高三分之一處以下。其中，所述氫氣分布部件為氫氣噴嘴8。其中，所述殼體1下部還包括電磁攪拌器9。其中，所述殼體為高壓容器，并設(shè)有電加熱件或?qū)嵊图訜釆A套。其中，所述密閉反應(yīng)器優(yōu)選地為圓柱形結(jié)構(gòu)，液態(tài)四氯化硅裝填液面不超過(guò)反應(yīng)器三分之二高度。有益效果根據(jù)本發(fā)明連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，反應(yīng)溫度均低于現(xiàn)有氫化技術(shù)，降低了反應(yīng)能耗。根據(jù)本發(fā)明連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，改變了四氯化硅氫化的反應(yīng)方式，由氣相反應(yīng)變?yōu)橐合喾磻?yīng)，并且產(chǎn)物三氯甲硅烷生成后立即離開(kāi)反應(yīng)系統(tǒng)，推進(jìn)了反應(yīng)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)并加快了反應(yīng)速率。
根據(jù)本發(fā)明連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，系統(tǒng)內(nèi)無(wú)固體顆粒，降低了設(shè)備損害的風(fēng)險(xiǎn)。


圖1是本發(fā)明的液態(tài)四氯化硅氫化生產(chǎn)三氯甲硅烷的一種裝置示意圖。其中，1殼體，2液態(tài)四氯化硅，3氫氣分布器，4氫氣進(jìn)氣管，5四氯化硅進(jìn)料管，6產(chǎn)品出口，7催化劑加料管。圖2是本發(fā)明的液態(tài)四氯化硅氫化生產(chǎn)三氯甲硅烷的另一種裝置示意圖。其中，8 氫氣噴嘴，9電磁攪拌器。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明中的生產(chǎn)方法和裝置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明， 但這些實(shí)施例僅僅是例示的目的，并不旨在對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行任何限定。實(shí)施例1 參見(jiàn)圖1，圖1是本發(fā)明的液態(tài)四氯化硅氫化生產(chǎn)三氯甲硅烷的一種優(yōu)化的過(guò)程的示意圖。它包括殼體1、液態(tài)四氯化硅2、氫氣分布器3、氫氣進(jìn)氣管4、四氯化硅進(jìn)料管5、 產(chǎn)品出口 6及催化劑加料管7。殼體1頂部連接氫氣進(jìn)氣管4、四氯化硅進(jìn)料管5、產(chǎn)品出口 6及催化劑加料管7 ； 氫氣進(jìn)氣管4連接氫氣分布器3，氫氣分布器3設(shè)在殼體1內(nèi)部。將壓力約為25MI^的氮?dú)獬淙霘んw1內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)器置換，置換完成后將壓力不低于25MPa并加熱至350 380°C的液態(tài)四氯化硅2通過(guò)四氯化硅進(jìn)料管5通入殼體1內(nèi)，直至液面達(dá)到殼體1高度的約三分之二處，將采用氯化鋇、氯化鉀及離子液體合成的催化劑由催化劑加料管7通入殼體1內(nèi)， 將壓力約為25MPa，加熱至約400°C的純氫氣由氫氣進(jìn)氣管4經(jīng)由氫氣分布器3，在液態(tài)四氯化硅2液面以下向下噴入液態(tài)四氯化硅2中，到氫氣進(jìn)氣管4進(jìn)口與產(chǎn)品出口 6之間壓差穩(wěn)定后，采用電加熱件對(duì)殼體1進(jìn)行加熱，使液態(tài)四氯化硅2升溫至410°C并維持溫度穩(wěn)定，保持壓力穩(wěn)定在25MPa，持續(xù)通入定量的純氫氣，液態(tài)四氯化硅2液面下降5%時(shí)通過(guò)四氯化硅進(jìn)料管5向殼體1內(nèi)補(bǔ)充液態(tài)四氯化硅2至初始液面；由產(chǎn)品出口 6排除的混合氣體包括產(chǎn)品三氯甲硅烷氣體、氫氣、氯化氫及微量四氯化硅氣體，經(jīng)過(guò)分離可得產(chǎn)品三氯甲硅烷，氫氣可循環(huán)利用。采用直徑為0. 5m，高1. ^ii的圓柱形反應(yīng)器殼體，并配置額定功率為50kW的電加熱裝置，反應(yīng)參數(shù)如下1)氫氣流量約為^kg/h ；2)四氯化硅補(bǔ)充量約為4^g/h3)連續(xù)生產(chǎn)100小時(shí)，消耗四氯化硅約4500kg，分離得到產(chǎn)品三氯甲硅烷約 3300kg，總耗電量約為3000kWh，生產(chǎn)三氯氫硅的平均單位電耗約為0. 9IkffhAg0實(shí)施例2參見(jiàn)圖2，與實(shí)施1不同的是用氫氣噴嘴代替實(shí)施例1中的氫氣分布器，并采用電磁攪拌器加以充分?jǐn)嚢?，最終分離得到產(chǎn)品三氯甲硅烷約323^g，總耗電量約為3397kWh， 生產(chǎn)三氯氫硅的平均單位電耗約為1. 05kWh/kg。
上述實(shí)施例中，利用四氯化硅在高壓液態(tài)條件下與氫氣反應(yīng)生成三氯甲硅烷，反應(yīng)溫度較低，能耗較低，設(shè)備簡(jiǎn)單且單臺(tái)反應(yīng)裝置處理量大，介質(zhì)無(wú)固體顆粒，能夠保證長(zhǎng)周期連續(xù)生產(chǎn)，綜合成本顯著降低。盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是， 可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，包括在密封的裝有液態(tài)四氯化硅的反應(yīng)器內(nèi)，在一定溫度和壓力下，將純氫氣通入液態(tài)四氯化硅并發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成三氯甲硅烷與氯化氫氣體排出反應(yīng)器，并不斷向反應(yīng)器內(nèi)補(bǔ)充液態(tài)四氯化硅，使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述密閉反應(yīng)器內(nèi)壓力為20 !35MPa，優(yōu)選地為23 ^MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述密閉反應(yīng)器內(nèi)溫度為380 550°C，優(yōu)選地為400 450°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述氫氣與四氯化硅原料氣體的反應(yīng)體積比為2 5 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述氫氣被加熱至 300 600°C通入反應(yīng)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述液態(tài)四氯化硅被加熱至300 500°C通入反應(yīng)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述密閉反應(yīng)器內(nèi)可添加催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述催化劑為金屬氯化物及離子液體中的一種或幾種，優(yōu)選地為堿土金屬氯化物與離子液體。
9.一種連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的裝置，包括殼體(1)、氫氣進(jìn)氣管G)、四氯化硅進(jìn)料管 (5)、產(chǎn)品出口(6)以及催化劑加料管(7)；殼體⑴為密閉壓力容器，殼體⑴上部連接氫氣進(jìn)氣管G)、四氯化硅進(jìn)料管(5)、產(chǎn)品出口(6)及催化劑加料管(7)，四氯化硅進(jìn)料管 (5)伸入殼體(1)內(nèi)部，其特征在于殼體(1)內(nèi)部還設(shè)有氫氣分布部件，且所述氫氣分布部件與所述氫氣進(jìn)氣管(4)相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述氫氣分布部件為氫氣分布器(3)，其表面設(shè)有均布的若干氣孔(301)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述氫氣分布器C3)具有擴(kuò)大的直徑，所述氫氣分布器的氣孔方向朝下。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述氫氣分布部件為氫氣噴嘴(8)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-11所述任一項(xiàng)的裝置，其特征在于所述殼體(1)下部還包括電磁攪拌器(9)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述殼體為高壓容器，并設(shè)有電加熱件或?qū)嵊图訜釆A套。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在高壓下將液態(tài)四氯化硅與氫氣反應(yīng)生成氣態(tài)甲硅烷的方法及裝置，在一定壓力下，將溫度控制在該壓力下四氯化硅沸點(diǎn)以上及三氯甲硅烷沸點(diǎn)以下并達(dá)到反應(yīng)適宜溫度，使氫氣與液態(tài)四氯化硅反應(yīng)生成氣態(tài)三氯甲硅烷并不斷排出反應(yīng)器。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)四氯化硅連續(xù)轉(zhuǎn)化為三氯甲硅烷的工藝常壓連續(xù)操作，反應(yīng)溫度較低，轉(zhuǎn)化速率較高，生產(chǎn)消耗能耗少，系統(tǒng)內(nèi)無(wú)固體顆粒，設(shè)備損害小，能夠顯著降低多晶硅的生產(chǎn)成本及設(shè)備維護(hù)成本。
文檔編號(hào)C01B33/107GK102557041SQ201010603418
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者陳涵斌 申請(qǐng)人:江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司