本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域，具體而言，涉及一種制備四氯化硅的反應(yīng)器及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
以三氯氫硅為原料的改良西門子法是目前生產(chǎn)多晶硅的主要方法，其主要包括三氯氫硅合成、精餾提純、還原、尾氣回收及氫化五道工序。其中，氫化的主要反應(yīng)式如下：
3SiCl4+Si+2H2＝4SiHCl3
三氯氫硅合成的主要反應(yīng)式如下：
Si+3HCl＝SiHCl3+H2
但由于損耗，在生產(chǎn)三氯氫硅的過程中需要補(bǔ)充一些四氯化硅，而目前的多晶硅企業(yè)自己不能生產(chǎn)四氯化硅或者自己生產(chǎn)四氯化硅成本太高，所以這部分四氯化硅基本上都需要外購，但四氯化硅屬于腐蝕性物質(zhì)，運(yùn)輸較為困難。
另外，四氯化硅也是生產(chǎn)含硅產(chǎn)品的重要原料，例如，用二氧化硅氯化得到的四氯化硅可以生產(chǎn)白炭黑、三氯氫硅，進(jìn)而利用三氯氫硅可以生產(chǎn)多晶硅、硅烷等，也可以用此四氯化硅進(jìn)一步精餾得到光纖級(jí)的四氯化硅。若能實(shí)現(xiàn)以二氧化硅為原料進(jìn)行氯化反應(yīng)生產(chǎn)四氯化硅的話，多晶硅企業(yè)就可以自己生產(chǎn)四氯化硅，不但能夠解決四氯化硅制約產(chǎn)能擴(kuò)大的問題，同時(shí)還可以由四氯化硅生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的產(chǎn)品多樣化，提高企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種制備四氯化硅的反應(yīng)器及應(yīng)用，以解決現(xiàn)有技術(shù)中四氯化硅生產(chǎn)工藝復(fù)雜或生產(chǎn)成本太高的技術(shù)問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種制備四氯化硅的反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括：反應(yīng)段，原料氣進(jìn)口，設(shè)置在反應(yīng)段的底部，用于向反應(yīng)段內(nèi)通入氯氣、氧氣；原料入口，設(shè)置在反應(yīng)段的頂部，用于將原料二氧化硅、原料碳及催化劑放入反應(yīng)段；以及反應(yīng)后氣出口，設(shè)置在反應(yīng)段的頂部。
進(jìn)一步地，反應(yīng)段的外層設(shè)置有冷卻層，冷卻層上設(shè)置有導(dǎo)熱油入口和導(dǎo)熱油出口。
進(jìn)一步地，反應(yīng)后氣出口與反應(yīng)段之間還設(shè)置有反應(yīng)氣出口段，反應(yīng)氣出口段上設(shè)置有四氯化硅噴入口。
進(jìn)一步地，反應(yīng)段的底部設(shè)置有廢渣排出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種上述反應(yīng)器在制備四氯化硅中的應(yīng)用。該應(yīng)用包括以下步驟：將原料二氧化硅、原料碳及催化劑通過原料入口放入反應(yīng)器的反應(yīng)段，將氯氣、氧氣通過原料氣進(jìn)口通入到反應(yīng)段中，600～1500℃反應(yīng)生成四氯化硅。
進(jìn)一步地，原料二氧化硅中含有的二氧化硅與原料碳中含有的炭的質(zhì)量比為1:1～2，原料二氧化硅中含有的二氧化硅與氯氣的摩爾比為1:1～2，氯氣與氧氣的摩爾比為1:0～0.5。
進(jìn)一步地，反應(yīng)器中的壓力為0～0.4MPag。
進(jìn)一步地，催化劑為銅的氯化物。
進(jìn)一步地，原料二氧化硅為選自由石英砂、硅藻土、稻殼灰、鋯英砂組成的組中的一種或多種；原料碳為焦炭和/或木材。
進(jìn)一步地，生成的四氯化硅以氣態(tài)的形態(tài)排出反應(yīng)器進(jìn)入純化系統(tǒng)進(jìn)行純化。
進(jìn)一步地，反應(yīng)形成的反應(yīng)后氣在離開反應(yīng)器之前與通過四氯化硅噴入口噴入的四氯化硅換熱進(jìn)行初步降溫。
SiO2與C直接發(fā)生反應(yīng)需要較高的溫度，而且反應(yīng)非常慢。應(yīng)用本發(fā)明的反應(yīng)器，氯氣通過原料氣進(jìn)口通入到反應(yīng)段，向反應(yīng)體系中加入Cl2可以顯著減低反應(yīng)溫度，并且可以加快反應(yīng)的進(jìn)行速度，而且由于該反應(yīng)過程是放熱反應(yīng)，能夠顯著地降低生產(chǎn)四氯化硅的生產(chǎn)成本。另外，本發(fā)明的反應(yīng)體系中的碳消耗掉了反應(yīng)生成的氧，能有效地加快氯化反應(yīng)的速度，從而也可以降低投資。
附圖說明
構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的制備四氯化硅的裝置示意圖。
具體實(shí)施方式
需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明一種典型的實(shí)施方式，提供一種制備四氯化硅的方法。該方法包括以下步驟：將原料二氧化硅、原料碳及催化劑放入反應(yīng)器，將氯氣、氧氣通入到反應(yīng)器中，600～1500℃反應(yīng)生成四氯化硅。
SiO2與C直接發(fā)生反應(yīng)需要較高的溫度，而且反應(yīng)非常慢。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，向反應(yīng)體系中加入Cl2可以顯著減低反應(yīng)溫度，并且可以加快反應(yīng)的進(jìn)行速度，而且由于該反應(yīng)過程是放熱反應(yīng)，能夠顯著地降低生產(chǎn)四氯化硅的生產(chǎn)成本。
優(yōu)選的，原料二氧化硅中含有的二氧化硅與原料碳中含有的炭的質(zhì)量比為1:1～2，原料二氧化硅中含有的二氧化硅與氯氣的摩爾比為1:1～2，氯氣與氧氣的摩爾比為1:0～0.5。其中，碳過量是保證產(chǎn)物中一氧化碳含量高，可以使反應(yīng)容易發(fā)生；氯氣略不足是防止反應(yīng)后的氣體中未反應(yīng)的氯氣含量高；適量加入氧氣是為了在不同階段控制反應(yīng)器溫度。優(yōu)選的，反應(yīng)器中的壓力為0～0.4MPag。這是因?yàn)榈蛪河欣诜磻?yīng)發(fā)生，而且此反應(yīng)環(huán)境時(shí)較高壓力下的反應(yīng)器設(shè)計(jì)制造困難。
優(yōu)選的，催化劑為銅的氯化物，例如氯化亞銅。
優(yōu)選的，原料二氧化硅為選自由石英砂、硅藻土、稻殼灰、鋯英砂組成的組中的一種或多種；原料碳為焦炭和/或木材組成的組中的一種或多種。
優(yōu)選的，生成的四氯化硅以氣態(tài)的形態(tài)排出反應(yīng)器進(jìn)入四氯化硅冷凝分離系統(tǒng)進(jìn)行純化。
優(yōu)選的，反應(yīng)形成的反應(yīng)后氣在離開反應(yīng)器之前與噴入的四氯化硅換熱進(jìn)行初步降溫。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，可以使用流化床作為二氧化硅的氯化反應(yīng)器。優(yōu)選的，根據(jù)本發(fā)明一種典型的實(shí)施方式，提供一種制備四氯化硅的反應(yīng)器。如圖1所示，該反應(yīng)器包括反應(yīng)段10，設(shè)置在反應(yīng)段10底部的原料氣進(jìn)口11，設(shè)置在反應(yīng)段10頂部的原料入口12，以及設(shè)置在反應(yīng)段10頂部的反應(yīng)后氣出口13。應(yīng)用本發(fā)明的反應(yīng)器，可以先將原料二氧化硅、原料碳及催化劑通過原料入口12放入反應(yīng)段10，然后將氯氣、氧氣通過原料氣進(jìn)口11通入到所述反應(yīng)器中，600～1500℃反應(yīng)生成四氯化硅通過反應(yīng)后氣出口13排出。
優(yōu)選的，反應(yīng)段10的外層設(shè)置有冷卻層，冷卻層上設(shè)置有導(dǎo)熱油入口16和導(dǎo)熱油出口15。之所以要設(shè)置冷卻層，是由于氯化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，進(jìn)入反應(yīng)器的低溫反應(yīng)物和出反應(yīng)器的高溫氣體不足以將氯化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量全部帶出，積累的熱量會(huì)使反應(yīng)器溫度過快升高，容易造成事故。為了安全起見及能有效地控制氯化反應(yīng)的進(jìn)行，需要給反應(yīng)器設(shè)置冷卻層，使反應(yīng)器溫度維持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。
優(yōu)選的，反應(yīng)后氣出口13與反應(yīng)段10之間還設(shè)置有反應(yīng)氣出口段，反應(yīng)氣出口段上設(shè)置有四氯化硅噴入口14。之所以向反應(yīng)后的氣體中噴入適量的液體四氯化硅，是由于反應(yīng)后的高溫氣體是強(qiáng)腐蝕氣體，對(duì)管道的材質(zhì)及安裝要求較高，難以輸送，因此需要先將其降溫后再輸送較為有利。另外，為了防止引入新的雜質(zhì)及出于簡化設(shè)備的目的，在反應(yīng)器出口處將氯化產(chǎn)品液體四氯化硅直接噴入反應(yīng)后的氣體中是最簡單的方法。
優(yōu)選的，反應(yīng)段10的底部設(shè)置有廢渣排出口17。
根據(jù)本發(fā)明一種典型的實(shí)施方式，提供了一種上述反應(yīng)器在制備四氯化硅中的應(yīng)用。該應(yīng)用包括以下步驟：將原料二氧化硅、原料碳及催化劑通過原料入口放入反應(yīng)器的反應(yīng)段，將氯氣、氧氣通過原料氣進(jìn)口通入到反應(yīng)段中，600～1500℃反應(yīng)生成四氯化硅。
進(jìn)一步地，原料二氧化硅中含有的二氧化硅與原料碳中含有的炭的質(zhì)量比為1:1～2，原料二氧化硅中含有的二氧化硅與氯氣的摩爾比為1:1～2，氯氣與氧氣的摩爾比為1:0～0.5。
進(jìn)一步地，反應(yīng)器中的壓力為0～0.4MPag。
進(jìn)一步地，催化劑為銅的氯化物。
進(jìn)一步地，原料二氧化硅為選自由石英砂、硅藻土、稻殼灰、鋯英砂組成的組中的一種或多種；原料碳為焦炭和/或木材。
進(jìn)一步地，生成的四氯化硅以氣態(tài)的形態(tài)排出反應(yīng)器進(jìn)入純化系統(tǒng)進(jìn)行純化。
進(jìn)一步地，反應(yīng)形成的反應(yīng)后氣在離開反應(yīng)器之前與通過四氯化硅噴入口噴入的四氯化硅換熱進(jìn)行初步降溫。
下面將結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效果。
實(shí)施例1
如圖1所示，將氯氣與氧氣按配比混合后形成的混合物預(yù)熱后經(jīng)過原料氣進(jìn)口11通過反應(yīng)器的底部進(jìn)入反應(yīng)器，將原料二氧化硅、原料碳和催化劑按照配比混合后形成的混合物經(jīng)原料入口12從反應(yīng)器的反應(yīng)段上部進(jìn)入反應(yīng)器，原料在反應(yīng)器的反應(yīng)段10發(fā)生反應(yīng)。
反應(yīng)后氣在通過反應(yīng)后氣出口13在離開反應(yīng)器之前與通過多個(gè)四氯化硅噴入口14噴入的四氯化硅換熱進(jìn)行初步降溫，出反應(yīng)器后的氣體經(jīng)過除塵、熱量回收、冷凝后，不凝氣到尾氣回收系統(tǒng)，凝液(主要成分是四氯化硅)送到提純系統(tǒng)進(jìn)行提純，渣液到殘夜回收系統(tǒng)。
在反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，需要使用導(dǎo)熱油給反應(yīng)段降溫，其中，導(dǎo)熱油通過導(dǎo)熱油進(jìn)口16進(jìn)入反應(yīng)器，然后從導(dǎo)熱油出口15排除。廢渣不定期地從塔底的廢渣排出口17排出。
本實(shí)施例的具體條件如下：
⑴進(jìn)料質(zhì)量比：SiO2：C＝1:1.3；
⑵進(jìn)料摩爾比：SiO2：Cl2：C＝1:1.6；
⑶進(jìn)料摩爾比：Cl2：O2＝1:0.05；
⑷反應(yīng)溫度：750℃；
⑸反應(yīng)壓力：0.05MPag。
原料二氧化硅為石英砂，原料碳為焦炭。
實(shí)施例2
流程步驟同實(shí)施例1，本實(shí)施例的具體條件如下：
⑴進(jìn)料質(zhì)量比：SiO2：C＝1:1；
⑵進(jìn)料摩爾比：SiO2：Cl2：C＝1:1；
⑶進(jìn)料摩爾比：Cl2：O2＝1:0；
⑷反應(yīng)溫度：600℃；
⑸反應(yīng)壓力：0.4MPag。
原料二氧化硅為稻殼灰，原料碳為焦炭。
實(shí)施例3
本實(shí)施例的具體條件如下：
⑴進(jìn)料質(zhì)量比：SiO2：C＝1:2；
⑵進(jìn)料摩爾比：SiO2：Cl2：C＝1:2；
⑶進(jìn)料摩爾比：Cl2：O2＝1:0.5；
⑷反應(yīng)溫度：1500℃；
⑸反應(yīng)壓力：0MPag。
原料二氧化硅為硅藻土，原料碳為木材。
從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明上述的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了如下技術(shù)效果：
1)原料二氧化硅可以是任何含二氧化硅的石英砂、硅藻土、稻殼灰、鋯英砂等，來源廣，價(jià)格便宜，易運(yùn)輸；
2)原料碳可以是任何含碳的焦炭、木材等，來源廣，價(jià)格便宜，易運(yùn)輸；
3)本發(fā)明制備四氯化硅的過程中存在多個(gè)放熱反應(yīng)，比使用工業(yè)硅氯化生產(chǎn)四氯化硅的成本低；
4)本發(fā)明中的反應(yīng)屬于快速反應(yīng)，適合采用的是流化床反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，運(yùn)行周期長；
5)本發(fā)明制備四氯化硅的裝置運(yùn)行壓力低，安全可靠；
6)沒有物料排放，氯氣轉(zhuǎn)化率高，物料可以回收重新利用；
7)沒有三廢排放，污染少。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。