專利名稱：一種四氯化硅提純方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是涉及多晶硅生產(chǎn)過程中一種節(jié)能的四氯化硅提純的方法。
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，此工藝是以三氯氫硅為原料，在高溫下用氫氣還原三氯氫硅來生產(chǎn)多晶硅。目前三氯氫硅的生產(chǎn)工藝應(yīng)用比較廣泛的主要有兩種，熱氫化工藝和冷氫化工藝。熱氫化工藝是通過硅粉和氯化氫反應(yīng)來生產(chǎn)三氯氫硅。冷氫化工藝是四氯化硅和硅粉還有氫氣一起反應(yīng)來生產(chǎn)三氯氫硅。冷氫化相比熱氫化具有耗電量低，TCS轉(zhuǎn)化率高，一次性投資成本低，生產(chǎn)成本很低等優(yōu)勢。所以冷氫化工藝將是未來多晶硅生產(chǎn)中是發(fā)展的必然趨勢。
四氯化硅是冷氫化的主要原料之一，其純度會影響多晶硅原料三氯氫硅的純度，最終會影響產(chǎn)品多晶硅的品質(zhì)。所以冷氫化反應(yīng)之前要對原料提純，脫除重組分和輕組分。應(yīng)用常規(guī)的四氯化硅精餾提純工藝是通過兩個塔來完成的，先脫輕再脫重或者先脫重再脫輕。常規(guī)的三組分分離塔是通過兩塔流程完成的，原料進(jìn)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(shí)現(xiàn)其它兩個組分的分離。常規(guī)的分離流程中間餾分四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(fèi)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(jìn)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，只需要一套塔系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)三組分的分離。在熱力學(xué)上隔板塔等同于一個完全熱耦合塔，而且由于隔板的特殊結(jié)構(gòu)，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(fèi)用和占地更少，可操作性更強(qiáng)。近年來，多晶硅的發(fā)展日趨規(guī)?；?，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。利用隔板塔提純四氯化硅會推動多晶硅行業(yè)的發(fā)展。而目前還未見將隔板塔用于四氯化硅的精制工藝中的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種節(jié)能的四氯化硅提純方法。利用隔板塔精制四氯化硅克服了常規(guī)流程提純四氯化硅工藝的流程長，投資大，能耗高等問題。本發(fā)明的一種四氯化硅提純方法，粗四氯化硅原料從隔板段進(jìn)料側(cè)進(jìn)入隔板精餾塔，首先在隔板進(jìn)料側(cè)預(yù)分離，主要是實(shí)現(xiàn)輕組分和重組分的分離。輕組分和部分四氯化硅以氣相的形式，從隔板進(jìn)料精餾段進(jìn)入塔頂分離段。重組分和部分四氯化硅以液相的形式，從隔板進(jìn)料提餾段進(jìn)入塔底分離段。
塔頂分離段的作用是脫除輕組分，輕組分和部分四氯化硅從塔頂蒸出。塔頂分離段底部回流的液相經(jīng)流量控制按照一定液體分配比部分流到隔板進(jìn)料側(cè)，另一部分流到隔板采出側(cè)。其中，塔頂精餾段以重力計，液相分配比為0. 01-0. 99。隔板采出側(cè)精餾段實(shí)現(xiàn)四氯化硅和輕組分的分離，純凈的四氯化硅液體部分從隔板采出精餾段底部側(cè)線采出，另一部分作為隔板提餾段回流液，四氯化硅氣相和輕組分去塔頂分離段。隔板采出提餾段主要是實(shí)現(xiàn)四氯化硅和重組分的分離，純凈的四氯化硅氣相去隔板采出精餾段，重組分和四氯化硅混合液相進(jìn)入塔底分離段。塔底分離段主要是脫除重組分雜質(zhì)。重組分和部分四氯化硅的混合液相從塔釜排出。塔底分離段頂部氣相按照一定汽體分配比經(jīng)流量控制，部分去隔板進(jìn)料側(cè)，另一部分去隔板采出側(cè)。其中，塔底精餾段以重力計，氣相分配比為0.01-0. 99。本發(fā)明原料液粗四氯化硅中輕組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0-50%，重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0-50%,四氯化硅的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)10-99%。隔板精餾塔的操作壓力為2-lObar，隔板精餾塔以重力計回流比2-1000。隔板精餾塔總塔板共有30-500塊塔板，隔板段有10-300塊塔板，塔頂分離段有
1-200塊塔板，塔底分離段有1-200塊塔板。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是(I)本四氯化硅提純方法實(shí)現(xiàn)了塔內(nèi)完全熱耦合，避免了能量的浪費(fèi)，降低了精餾過程的能耗，從而降低多晶硅的生產(chǎn)成本。(2)本發(fā)明與傳統(tǒng)的四氯化硅提純方法相比節(jié)省了一套塔系統(tǒng)(一個精餾塔、一臺冷凝器和一臺換熱器)，節(jié)省了設(shè)備投資。( 3 )本發(fā)明與傳統(tǒng)的四氯化硅提純方法相比，流程縮短了，設(shè)備減少了，節(jié)省了占地面積。(4)與傳統(tǒng)的兩塔方法相比，本四氯化硅提純工藝中用隔板塔可以節(jié)約投資大于30%,降低能耗30%-50%。


圖I為傳統(tǒng)的兩塔提純四氯化硅工藝流程圖；圖2為本發(fā)明的一種四氯化硅提純方法的工藝流程圖。圖中設(shè)備代號說明I、輕分塔2、輕分塔再沸器3、輕分塔冷凝器4、重分塔進(jìn)料泵5、重分塔6、重分塔再沸器7、重分塔冷凝器8、隔板精餾塔A.塔頂分離段
B.隔板進(jìn)料精餾段C.隔板采出精餾段D.隔板進(jìn)料提餾段E.隔板采出提餾段F.塔底分離段9、隔板塔冷凝器10、隔板塔再沸器物料代號說明
101、粗四氯化硅102、輕組分雜質(zhì)一103、含重組分雜質(zhì)的四氯化硅104、純凈四氯化硅105、重組分雜質(zhì)一106、輕組分雜質(zhì)二107、重組分雜質(zhì)二
具體實(shí)施例方式圖I所示為傳統(tǒng)的兩塔提純四氯化硅工藝流程圖。該工藝由四氯化硅輕分塔I及其配套的輕分塔冷凝器3和輕分塔再沸器2、四氯化硅重分塔5及其配套的重分塔冷凝器7和重分塔再沸器6和重分塔進(jìn)料泵4組成。粗四氯化硅101進(jìn)入輕分塔1，經(jīng)分離輕組分雜質(zhì)一 102從塔頂采出后經(jīng)冷凝后按照一定回流比部分回流，部分采出。含重組分雜質(zhì)的四氯化硅103從塔釜采出后經(jīng)由重分塔進(jìn)料泵4送到重分塔5。在重分塔5中，經(jīng)分離后純凈四氯化硅104由塔頂采出，經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后按照一定回流比部分回流，部分采出，重組分雜質(zhì)一 105由塔釜采出。原料液粗四氯化硅101質(zhì)量流量為10000kg/h，其中輕組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%，重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，四氯化硅質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為80%。輕分塔I和重分塔2的塔操作壓力為4bar，其中輕分塔I塔板數(shù)為100，回流比為5. 5 ;重分塔5塔板數(shù)為80，回流比為6，熱負(fù)荷見表I。圖2所示為本發(fā)明的一種四氯化硅提純方法的工藝流程圖。該工藝由隔板精餾塔8、隔板塔冷凝器9、隔板塔再沸器10組成。原料粗四氯化硅101從隔板進(jìn)料側(cè)進(jìn)入隔板精餾塔8，原料在隔板進(jìn)料側(cè)預(yù)分離，主要徹底分離輕重組分。輕組分和部分四氯化硅以氣相的形式從隔板進(jìn)料精餾段B進(jìn)入塔頂分離段A。重組分和部分四氯化硅以液相的形式從隔板進(jìn)料提餾段D進(jìn)入塔底分離段F。在塔頂分離段A輕組分和少量四氯化硅作為輕組分雜質(zhì)二 106 —起從塔頂餾出。塔頂分離段A底部回流液按照一定液體分配比經(jīng)流量控制部分流到隔板進(jìn)料側(cè)，部分流到隔板米出側(cè)。在隔板采出精餾段C四氯化硅和輕組分分離，純凈四氯化硅104部分從隔板采出側(cè)精餾段C底部側(cè)線采出，部分作為隔板采出提餾段E回流液，隔板采出側(cè)精餾段C頂部氣相去塔頂分離段A。在隔板采出側(cè)提餾段E四氯化硅和重組分分離，純凈的四氯化硅氣相去隔板采出精餾段C，重組分和四氯化硅液相進(jìn)入塔底分離段F。在塔底分離段F重組分和少量四氯化硅作為重組分雜質(zhì)二 107從塔釜脫除，塔底分離段F頂部的氣相按照一定氣體分配比經(jīng)流量控制，部分去隔板進(jìn)料側(cè)，部分去隔板采出側(cè)。原料液粗四氯化硅101質(zhì)量流量為10000kg/h，其中輕組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%，重組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%，四氯化硅的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)80%。隔板精餾塔的操作壓力為4bar，隔板精餾塔以重力計回流比7，液相分配比0. 2，氣相分配比0. 27。隔板精餾塔總塔板共有110塊塔板，隔板段有70塊塔板，塔頂分離段有20塊塔板，塔底分離段有20塊塔板。兩種工藝熱負(fù)荷比較見表I。表I中塔頂熱負(fù)荷是塔頂冷凝器的換熱量，塔釜熱負(fù)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(fù)荷為重分塔塔頂熱負(fù)荷和輕分塔塔頂熱負(fù)荷的加和，傳統(tǒng)工藝中的塔釜熱負(fù)荷為重分塔塔釜熱負(fù)荷和輕分塔塔釜熱負(fù)荷的加和。
工藝名稱傳統(tǒng)工藝本發(fā)明工藝
塔頂熱負(fù)荷，KW 37242548
塔釜熱負(fù)荷，KW 38612688表I采用本發(fā)明的分離提純方法比常規(guī)精餾工藝縮短了流程，節(jié)省了一套塔系統(tǒng)(一個精餾塔、一臺進(jìn)料泵、一臺冷凝器和一臺再沸器)。雖然隔板塔塔板數(shù)與傳統(tǒng)工藝的每個塔相比都要多一些，但綜合計算總設(shè)備投資還是相對減少，而且占地面積也相對減少。與傳統(tǒng)工藝相比能耗明顯降低，原工藝中總的塔頂熱負(fù)荷為3724KW，總的塔釜熱負(fù)荷為3861KW，而采用本發(fā)明的方法，總的塔頂熱負(fù)荷為2548KW，總的塔釜熱負(fù)荷為2688KW，分別比原工藝節(jié)能31. 6%和30. 3%。以上對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)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
1.一種四氯化硅提純方法，其特征在于粗四氯化硅原料從隔板段進(jìn)料側(cè)進(jìn)入隔板精餾塔，首先在隔板進(jìn)料側(cè)預(yù)分離，輕組分和部分四氯化硅以氣相的形式，從隔板進(jìn)料精餾段進(jìn)入塔頂分離段，重組分和部分四氯化硅以液相的形式，從隔板進(jìn)料提餾段進(jìn)入塔底分離段； 塔頂分離段中輕組分和部分四氯化硅從塔頂蒸出，塔頂分離段底部回流的液相經(jīng)流量控制按照重力計液相分配比O. 01-0. 99，部分流到隔板進(jìn)料側(cè)，另一部分流到隔板采出側(cè)； 隔板采出側(cè)精餾段中，純凈的四氯化硅液體部分從隔板采出精餾段底部側(cè)線采出，另一部分作為隔板提餾段回流液，四氯化硅氣相和輕組分去塔頂分離段；在隔板采出側(cè)提餾段中，純凈的四氯化硅氣相去隔板采出精餾段，重組分和四氯化硅混合液相進(jìn)入塔底分離段； 塔底分離段中，重組分和部分四氯化硅的混合液相從塔釜排出；塔底分離段頂部氣相按照重力計氣相分配比O. 01-0. 99，部分去隔板進(jìn)料側(cè)，另一部分去隔板采出側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種四氯化硅提純方法，其特征在于所述原料液粗四氯化硅中輕組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0-50%，重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-50%，四氯化硅的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)I0-99%ο
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種四氯化硅提純方法，其特征在于所述隔板精餾塔的操作壓力為2-10bar。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種四氯化硅提純方法，其特征在于所述隔板精餾塔以重力計回流比2-1000。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種四氯化硅提純方法，其特征在于所述隔板精餾塔總塔板共有30-500塊塔板，隔板段有10-300塊塔板，塔頂分離段有1-200塊塔板，塔底分離段有1-200塊塔板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種四氯化硅提純方法，采用隔板塔提純四氯化硅，主要包括以下步驟，粗四氯化硅進(jìn)入隔板精餾塔的隔板段進(jìn)料側(cè)；經(jīng)分離后在隔板段的另一側(cè)得到純四氯化硅產(chǎn)品，塔頂?shù)玫捷p組分和四氯化硅混合物，塔釜得到了重組分和四氯化硅混合物。本四氯化硅提純方法實(shí)現(xiàn)了塔內(nèi)完全熱耦合，避免了能量的浪費(fèi)，降低了精餾過程的能耗，從而降低多晶硅的生產(chǎn)成本；本發(fā)明與傳統(tǒng)的四氯化硅提純方法相比，流程縮短了，設(shè)備減少了，節(jié)省了占地面積；與傳統(tǒng)的兩塔方法相比，本四氯化硅提純工藝中用隔板塔可以節(jié)約投資大于30%，降低能耗30%-50%。
文檔編號C01B33/107GK102807222SQ20121029536
公開日2012年12月5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(qiáng), 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