專利名稱：一種氯硅烷混合物的分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是涉及一種多晶硅生產(chǎn)過程中氯硅烷混合物的分離方法。
背景技術(shù)：
在我國當(dāng)前的多晶硅行業(yè)里，改良西門子工藝被廣泛采用。主要原料是高純度氫氣和高純度三氯氫硅，其原理就是在1100°c左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，生成多晶硅沉積在硅芯上。目前三氯氫硅的生產(chǎn)工藝主要有兩種，三氯氫硅合成工藝和冷氫化工藝。三氯氫硅合成工藝是通過硅粉和氯化氫反應(yīng)來生產(chǎn)三氯氫硅，但是此反應(yīng)還會產(chǎn)生副產(chǎn)物二氯二氫硅和四氯化硅，所以最終的反應(yīng)產(chǎn)物是氯硅烷的混合物。冷氫化工藝是四氯化硅和硅粉還有氫氣一起反應(yīng)，最終產(chǎn)物也是氯硅烷混合物，所以氯硅烷混合物的分離在多晶硅的生產(chǎn)中是必不可少的步驟。 常規(guī)的三組分分離塔是通過兩塔流程完成的，原料進入第一個塔分離出最輕組分或者最重組分，然后通過第二個塔實現(xiàn)其它兩個組分的分離。常規(guī)的分離流程中間餾分三氯氫硅需要被汽化兩次，冷凝兩次，這在熱力學(xué)上是不利的，浪費了一部分分離功。隔板精餾工藝是在精餾塔中加一垂直擋板，將精餾塔分為塔頂分離段、塔底分離段以及由隔板分開的進料側(cè)與采出側(cè)。隔板精餾塔一般應(yīng)用于三組分分離，輕組分從塔頂采出，中間組分由隔板采出側(cè)采出，重組分由塔釜采出。在熱力學(xué)上隔板塔等同于一個完全熱耦合塔，只需要一套塔系統(tǒng)就能實現(xiàn)三組分的分離。近年來，多晶硅的發(fā)展日趨規(guī)模化，平凡化，以致成本問題愈來愈突出，節(jié)能降耗的要求也越來越高。目前尚未見將隔板精餾塔用于氯硅烷的分離的報道，更未見采用將隔板精餾塔同時分離三氯氫硅、二氯二氫硅和四氯化硅的技術(shù)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是提供一種氯硅烷混合物的節(jié)能分離方法，主要解決了現(xiàn)有多晶硅生產(chǎn)中氯硅烷精餾分離工藝的流程長，投資大，能耗高等問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種氯硅烷混合物的分離方法，包括如下步驟以含有二氯二氫硅、四氯化硅和三氯氫硅的氯硅烷混合物為原料，原料首先進入隔板精餾塔的隔板段進料側(cè)，經(jīng)分離后在隔板段采出側(cè)得到三氯氫硅；塔頂?shù)玫蕉榷涔?；塔底得到四氯化硅。?yōu)選的，原料在隔板段進料側(cè)進行二氯二氫硅和四氯化硅預(yù)分離(主要是實現(xiàn)二氯二氫硅和四氯化硅的分離)，二氯二氫硅和部分三氯氫硅以氣相的形式，從隔板段進料側(cè)的精餾段進入塔頂分離段；四氯化硅和部分三氯氫硅以液相的形式，從隔板段進料側(cè)的提餾段進入塔底分離段；三氯氫硅從隔板段采出側(cè)的精餾段底部采出。塔頂分離段主要任務(wù)是分離氣相中的三氯氫硅。
優(yōu)選的，二氯二氫硅氣相經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后按照回流比1-200(以重量計)，部分作為產(chǎn)品采出，另一部分回流；塔頂分離段底部的二氯二氫硅和三氯氫硅混合物液相按照液相分流比0. 01-0. 99 (以重量計)，部分流到隔板段進料側(cè)，另一部分流到隔板段采出側(cè)；隔板段采出側(cè)的精餾段主要分離液相中二氯二氫硅。在隔板段采出側(cè)的精餾段，三氯氫硅以液相形式從隔板段采出側(cè)的精餾段底部側(cè)線采出，部分作為隔板段采出側(cè)的提餾段回流液；隔板段采出側(cè)的提餾段主要是分離氣相中的四氯化硅。隔板段采出側(cè)的提餾段中，三氯氫硅氣相去隔板段采出側(cè)的精餾段，三氯氫硅和四氯化硅的混合液相進入塔底分離段；塔底分離段主要是分離液相中的三氯氫硅。在塔底分離段，四氯化硅液相部分從塔底直接采出，另一部分經(jīng)再沸器汽化后回到塔釜，四氯化硅和三氯氫硅混合物氣相按照 氣相分流比0. 01-0. 99(以重量計)，部分去隔板段進料側(cè)，另一部分去隔板段采出側(cè)。優(yōu)選的，所述原料是來自冷氫化或者三氯氫硅合成的氯硅烷混合物；所述原料中，二氯二氫硅為0-50wt% (質(zhì)量百分比，下同)，三氯氫硅為5-90wt%，四氯化硅為l-85wt*%,雜質(zhì)含量< 0. Iwt %。優(yōu)選的，隔板精餾塔的操作壓力為2-lObar。優(yōu)選的，隔板精餾塔共有30-500塊理論塔板，其中，隔板段有10-350塊理論塔板，塔頂分離段有1-200塊理論塔板，塔底分離段有1-200塊理論塔板。優(yōu)選的，原料進料位置位于隔板段高度的1/3-2/3處，三氯氫硅采出位置位于隔板段采出側(cè)高度的1/3-2/3處。采用本發(fā)明的分離方法，原料從隔板進料側(cè)進入隔板塔，首先在隔板進料側(cè)預(yù)分離，實現(xiàn)輕組分和重組分的徹底分離。輕組分和中間組分的混合氣相上升到塔頂分離段，在此實現(xiàn)中間組分和輕組分的分離，輕組分經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后部分采出，部分回流。塔頂精餾段底部液相按照一定比例分配給隔板進料側(cè)和隔板采出側(cè)。隔板采出側(cè)，采出口上部完成的是中間組分和輕組分的分離，采出口下部完成中間組分和重組分分離，中間組分從采出口采出。塔底分離段實現(xiàn)的是重組分和中間組分的徹底分離，重組分部分從塔底采出，部分經(jīng)再沸器加熱返回塔釜。采用隔板塔，脫輕和脫重可以在一個塔內(nèi)完成，與完全熱耦合塔相比，立式隔板塔投資費用和占地更少，可操作性更強。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是 I、本發(fā)明將隔板精餾塔應(yīng)用到氯硅烷混合物的分離中，隔板塔分離混合氯硅烷實現(xiàn)了塔內(nèi)完全熱耦合，避免了能量的浪費，降低了精餾過程的能耗，與普通精餾方法相比，能節(jié)約能耗約30%。2、在本發(fā)明混合氯硅烷分離方法中，隔板精餾塔工藝比常規(guī)精餾工藝節(jié)省了一套塔系統(tǒng)(一個精餾塔、一臺進料泵、一臺冷凝器和一臺再沸器)，設(shè)備投資節(jié)省約20%。3、在混合氯硅烷分離中，隔板精餾塔工藝縮短了流程，大大的節(jié)省了占地面積；4、本發(fā)明的方法增強了裝置的可操作性，從而降低多晶硅的生產(chǎn)成本。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)的氯硅烷分離工藝流程圖。圖2是本發(fā)明的氯硅烷分離工藝流程圖。圖中I、四氯化硅分離塔2、四氯化硅分離塔再沸器 3、四氯化硅分離塔冷凝器4、二氯二氫硅分離塔進料泵 5、二氯二氫硅分離塔6、二氯二氫硅分離塔再沸器7、二氯二氫硅分離塔冷凝器8、隔板段9、冷凝器10、再沸器11、塔頂分離段12、隔板段進料側(cè)的精餾段 13、隔板段采出側(cè)的精餾段 14、隔板段進料側(cè)的提餾段 15、隔板段采出側(cè)的提餾段16、塔底分尚段17、隔板101、氯硅烷混合物102、四氯化硅103、二氯二氫硅和
三氯氫硅混合物104、二氯二氫硅105、三氯氫硅
具體實施例方式如圖I所示，現(xiàn)有氯硅烷混合物分離工藝由四氯化硅分離塔I及其配套的四氯化硅分離塔冷凝器3和四氯化硅分離塔再沸器2、二氯二氫硅分離塔5及其配套的二氯二氫硅分離塔冷凝器7和二氯二氫硅分離塔再沸器6和二氯二氫硅分離塔進料泵4組成。氯硅烷混合物101先進入四氯化硅分離塔1，經(jīng)分離后四氯化硅102從塔釜采出，二氯二氫硅和三氯化硅的混合物經(jīng)冷凝后按照一定回流比部分回流，另一部分采出。從四氯化硅分離塔I采出的二氯二氫硅和三氯氫硅混合物103經(jīng)二氯二氫硅分離塔進料泵4送入二氯二氫硅分離塔5。在二氯二氫硅分離塔5中，經(jīng)分離后二氯二氫硅104氣相由塔頂采出，經(jīng)二氯二氫硅分離塔冷凝器7冷凝后按照一定回流比，部分回流，另一部分采出，三氯氫硅105液相是由塔釜采出。如圖2所示，本發(fā)明所用隔板精餾塔分為隔板段8、設(shè)于隔板段8以上的塔頂分離段11和設(shè)于隔板段8以下的塔底分離段16。隔板段8被隔板17分為隔板段進料側(cè)與隔板段采出側(cè)。隔板段進料側(cè)的上部分是隔板段進料側(cè)的精餾段12，進料側(cè)的下部分是隔板段進料側(cè)的提餾段14 ;隔板段采出側(cè)的上部分是隔板段采出側(cè)的精餾段13，隔板段采出側(cè)的下部分是隔板段采出側(cè)的提餾段15。含有二氯二氫硅、四氯化硅和三氯氫硅的氯硅烷混合物101原料首先進入隔板精餾塔的隔板段進料側(cè)，原料中的二氯二氫硅和四氯化硅在隔板段進料側(cè)預(yù)分離，全部二氯二氫硅和部分三氯氫硅以氣相的形式，從隔板段進料側(cè)的精餾段12進入塔頂分離段11 ;全部四氯化硅和部分三氯氫硅以液相的形式，從隔板段進料側(cè)的提餾段14進入塔底分離段16 ；塔頂分離段11實現(xiàn)二氯二氫硅和三氯氫硅的分離。經(jīng)分離后塔頂?shù)玫蕉榷涔?04氣相，二氯二氫硅氣相經(jīng)塔頂冷凝器9冷凝后按照一定回流比，部分作為產(chǎn)品采出，另一部分回流；塔頂分離段11底部的二氯二氫硅和三氯氫硅混合物液相按照一定的液相分流比經(jīng)流量控制，部分流到隔板段進料側(cè)，另一部分流到隔板段采出側(cè)；在隔板段采出側(cè)的精餾段13實現(xiàn)二氯二氫硅和三氯氫硅精餾分離。三氯氫硅105以液相形式從隔板段采出側(cè)的精餾段13底部側(cè)線采出，部分作為隔板段采出側(cè)的提餾段15回流液，三氯氫硅和二氯二氫硅混合氣相去塔頂分離段11 ；隔板段采出側(cè)的提餾段15中實現(xiàn)三氯氫硅和四氯化硅精餾分離，三氯氫硅氣相去隔板段采出側(cè)的精餾段13，三氯氫硅和四氯化硅的混合液相進入塔底分離段16。塔底分離段16實現(xiàn)三氯氫硅和四氯化硅分離。四氯化硅102液相部分從塔底采 出，部分經(jīng)再沸器10汽化后回到塔釜，四氯化硅和三氯氫硅氣相按照一定液相分流比，另一部分去隔板段進料側(cè)，部分去隔板段采出側(cè)。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明的保護范圍。對比例I采用圖I所示的氯硅烷分離傳統(tǒng)工藝流程，原料液質(zhì)量流量為10000kg/h，其中二氯二氫硅的質(zhì)量百分數(shù)為20%，三氯氫硅質(zhì)量分數(shù)為40%，四氯化硅質(zhì)量百分數(shù)為40%。塔操作壓力為4bar，其中四氯化硅分離塔I的塔板數(shù)80，回流比3 ;二氯二氫硅分離塔5的塔板數(shù)80，回流比4，熱負荷見表I。實施例I采用圖2所示的本發(fā)明氯硅烷分離工藝流程，原料液質(zhì)量流量及原料液組成同對比例I。本實施例中，隔板精餾塔的操作壓力為4bar，隔板精餾塔以重量計，回流比為4。隔板精餾塔共有90塊理論塔板，其中，隔板段8有50塊理論塔板，塔頂分離段11有25塊理論塔板，塔底分離段16有15塊理論塔板。原料進料位置位于隔板段8高度的1/2處，三氯氫硅采出位置位于隔板段采出側(cè)高度的1/2處。液相分流比0. 34，汽相分流比0. 31，熱負荷見表I。表I中，塔頂熱負荷是塔頂冷凝器的換熱量，塔釜熱負荷是是塔釜再沸器的換熱量。其中傳統(tǒng)工藝中的塔頂熱負荷為四氯化硅塔頂熱負荷和二氯二氫硅塔頂熱負荷的加和，傳統(tǒng)工藝中的塔釜熱負荷為四氯化硅塔釜熱負荷和二氯二氫硅塔釜熱負荷的加和。表I
名稱對比例I 實施例I
塔頂熱負荷，KW 28652085
塔釜熱負荷，KW 30642104采用本發(fā)明的分離方法比傳統(tǒng)工藝縮短了流程，節(jié)省了一套塔系統(tǒng)(一個精餾塔、一臺進料泵、一臺冷凝器和一臺再沸器)，盡管隔板塔塔板數(shù)與傳統(tǒng)工藝的兩個塔相比要多一些，但綜合計算總設(shè)備投資仍節(jié)省約20%，而且占地面積也相對減少。與傳統(tǒng)工藝相比，本發(fā)明的工藝能耗明顯降低，原工藝中總的塔頂熱負荷為2865KW，總的塔釜熱負荷為3064KW，而采用本發(fā)明的方法，總的塔頂熱負荷為2085KW，總的塔釜熱負荷為2104KW，分別比原工藝節(jié)能27. 2%和31. 3%。
以上對本發(fā)明的較佳實施例進行了詳細說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氯硅烷混合物的分離方法，其特征在于包括如下步驟以含有二氯二氫硅、四氯化硅和三氯氫硅的氯硅烷混合物為原料，原料首先進入隔板精餾塔的隔板段進料側(cè)，經(jīng)分離后在隔板段采出側(cè)得到三氯氫硅；塔頂?shù)玫蕉榷涔?；塔底得到四氯化硅?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分離方法，其特征在于原料在隔板段進料側(cè)進行二氯二氫硅和四氯化硅預(yù)分離，二氯二氫硅和部分三氯氫硅以氣相的形式，從隔板段進料側(cè)的精餾段進入塔頂分離段；四氯化硅和部分三氯氫硅以液相的形式，從隔板段進料側(cè)的提餾段進入塔底分離段；三氯氫硅從隔板段采出側(cè)的精餾段底部采出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分離方法，其特征在于二氯二氫硅氣相經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后按照回流比1-200，部分作為產(chǎn)品采出，另一部分回流；塔頂分離段底部的二氯二氫硅和三氯氫硅混合物液相按照液相分流比0. 01-0. 99，部分流到隔板段進料側(cè)，另一部分流到隔板段米出側(cè)； 在隔板段采出側(cè)的精餾段，三氯氫硅以液相形式從隔板段采出側(cè)的精餾段底部側(cè)線采出，部分作為隔板段采出側(cè)的提餾段回流液； 隔板段采出側(cè)的提餾段中，三氯氫硅氣相去隔板段采出側(cè)的精餾段，三氯氫硅和四氯化硅的混合液相進入塔底分離段； 在塔底分離段，四氯化硅液相部分從塔底直接采出，另一部分經(jīng)再沸器汽化后回到塔釜，四氯化硅和三氯氫硅混合物氣相按照氣相分流比0. 01-0. 99，部分去隔板段進料側(cè)，另一部分去隔板段采出側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的分離方法，其特征在于所述原料是來自冷氫化或者三氯氫硅合成的氯硅烷混合物；所述原料中，二氯二氫硅為0-50wt%，三氯氫硅為5-90wt %,四氯化娃為l_85wt %,雜質(zhì)含量< 0. Iwt %。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的分離方法，其特征在于隔板精餾塔的操作壓力為2-10bar。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的分離方法，其特征在于隔板精餾塔共有30-500塊理論塔板，其中，隔板段有10-350塊理論塔板，塔頂分離段有1-200塊理論塔板，塔底分離段有1-200塊理論塔板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的分離方法，其特征在于原料進料位置位于隔板段高度的1/3-2/3處，三氯氫硅采出位置位于隔板段采出側(cè)高度的1/3-2/3處。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氯硅烷混合物的分離方法，主要解決了現(xiàn)有多晶硅生產(chǎn)中氯硅烷精餾分離工藝的流程長，投資大，能耗高等問題。本發(fā)明方法主要包括以下步驟以含有二氯二氫硅、四氯化硅和三氯氫硅的氯硅烷混合物為原料，原料首先進入隔板精餾塔的隔板段進料側(cè)，經(jīng)分離后在隔板段采出側(cè)得到三氯氫硅；塔頂?shù)玫蕉榷涔?；塔底得到四氯化硅。本發(fā)明的氯硅烷混合物的分離方法將隔板精餾技術(shù)應(yīng)用到氯硅烷精餾中實現(xiàn)了塔內(nèi)完全熱耦合，與常規(guī)氯硅烷精餾流程相比可節(jié)省能耗30％左右，而且還縮短了流程，降低設(shè)備投資、節(jié)省占地面積。
文檔編號C01B33/107GK102826553SQ201210294559
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者裴艷紅, 李強, 馬國棟, 耿玉俠 申請人:中國天辰工程有限公司, 天津天辰綠色能源工程技術(shù)研發(fā)有限公司