CN101125654A - 一种用于三氯氢硅生产的大型流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三氯氢硅大型流化床反应器，包括下部的反应段和上部的扩大段；反应段的下部设有硅粉进料口；反应器下部有检修封头；检修封头上设有氯化氢进气口和排渣口；扩大段上有合成气出口；检修封头与反应段之间设有氯化氢气体分布器；反应段和扩大段内设有导热油指形管，该导热油指形管从扩大段一直延伸到反应段底部；扩大段的顶部设置有指形管检修法兰，法兰上有指形管导热油入口，扩大段上设有指形管导热油出口；反应段的外部设有反应器半管夹套，反应器半管夹套的两端有盘管导热油进口和盘管导热油出口。在升温阶段采用导热油加热、在反应过程采用导热油将反应热的移出，通过调节导热油的量可以控制反应温度，达到产品收率稳定的特点。

Description

一种用于三氯氢硅生产的大型流化床反应器

技术领域

本发明涉及化工领域的一种设备，特别是一种三氯氢硅生产大型流化床反应器。

背景技术

三氯氢硅(HSiCl₃)是一种用途非常广泛的有机硅单体，主要用于生产半导体硅、单晶硅和多晶硅的原料，广泛应用于国防、国民经济乃至人们日常生活的各个领域。近年来，我国对三氯氢硅的需求量越来越大。

国内现有生产三氯氢硅的装置采用小型流化床反应器，直径500mm以下。其结构大多为筒形，上部直径扩大部分是气固分离段，该段设有出料口，中部的直筒段是反应段，反应段外包加热器，上部设有硅粉进料口，底部连接下封头，下封头上开有氯化氢进气口。

中国专利zl 200510200333.X也公开了一种大型三氯氢硅合成装置，该装置与小型流化床反应器所不同的是，在下封头上开设排渣口，在筒体的反应段底部的氯化氢进气口上方设置气体分布板，气体分布板上分布有气孔，筒体内置有内换热套管，内换热套管与筒体外的热媒进管和热媒出管连通，并将气固分离段的直径扩大到1.5～3.5m，反应段的直径扩大到0.45～2.8m，反应段的高度与反应段的直径的比值限定在3～10之间。采用该装置生产，将硅粉从装置上部加入到合成装置内，启动合成装置的外加热器，将炉体温度加热到250～350℃，同时通入氯化氢气体，待硅粉与氯化氢气体开始反应后，停止加热器加热，炉内靠反应自身热恒温进行，7～10天排渣一次。该装置反应初期升温采用电加热方式，反应期间反应热由水或低压蒸汽将反应热移出。该反应器仍然采用从装置上部加入硅粉，底部通入氯化氢气体。此装置最大的缺憾在于反应温度不容易控制，造成产品三氯氢硅收率不稳定。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种新型结构的三氯氢硅大型流化床反应器。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种三氯氢硅大型流化床反应器，该三氯氢硅大型流化床反应器为立式筒型结构，包括下部的反应段和上部的扩大段；反应段的下部设有硅粉进料口；反应器下部有检修封头；检修封头上设有氯化氢进气口和排渣口；扩大段上有合成气出口；检修封头与反应段之间设有氯化氢气体分布器；其特征在于，反应段和扩大段内设有导热油指形管，该导热油指形管从扩大段一直延伸到反应段底部；扩大段的顶部设置有指形管检修法兰，法兰上有指形管导热油入口，扩大段上设有指形管导热油出口；反应段的外部设有反应器半管夹套，反应器半管夹套的两端有盘管导热油进口和盘管导热油出口。

本发明的三氯氢硅大型流化床反应器，在现有的流化床反应器结构上进行了大的改进，将硅粉进料由设备上部移至下部，采用热的氯化氢气体将硅粉以气流输送的形式送入反应器下部；将反应器直径提高到1000～2200mm/2000～4300mm(反应段/扩大段)；在升温阶段采用导热油加热、在反应过程当中采用导热油将反应热的移出，通过调节导热油的量可以有效的控制反应温度，而不是靠反应自身热恒温进行，以达到产品收率稳定的特点。

附图说明

图1是本发明的氯氢硅大型流化床反应器结构示意图；

图2是采用本发明的三氯氢硅大型流化床反应器生产工艺过程简图；

图3是导热油加热及冷却工艺框图。

图中的标号分别表示：1、扩大段、2、反应段，3、检修封头，4、指形管导热油出口，5、指形管导热油进口，6、导热指形管，7、排渣口，8、合成气体出口，9、硅粉进料口，10、氯化氢进口，11、氯化氢气体分布器，12、盘管导热油进口，13、导热油半管夹套，14、反应段(2)盘管夹套导热油出口，15、指形管检修法兰。

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的三氯氢硅大型流化床反应器，该三氯氢硅大型流化床反应器为立式筒型结构，包括下部的反应段2和上部的扩大段1，反应段2的下部设有硅粉进料口9；反应器下部有检修封头3；检修封头3上设有氯化氢进气口10和排渣口7；扩大段1上有合成气出口8；检修封头3与反应段2之间设有氯化氢气体分布器11；

由于反应是在250℃-350℃进行，因此反应器要有加热装置，为此在反应段2和扩大段1内设有导热油指形管6，该导热油指形管6从扩大段1一直延伸到反应段2底部；扩大段1的顶部设置有指形管检修法兰15，指形管检修法兰15上有指形管导热油入口5，扩大段1上设有指形管导热油出口4；反应段2的外部设有反应器半管夹套13，反应器半管夹套13的两端有盘管导热油进口12和盘管导热油出口14。

导热油指形管6用于加热和控制反应温度；反应器半管夹套13，用于反应初期的加热，以及反应过程中的冷却，目的也是控制反应温度。检修封头3的设置是为了便于检修、以及方便硅粉渣卸料，反应过程中是冷却作用，其工作过程如下：

①用一部分热150℃的氯化氢气体将硅粉输送到反应器的硅粉进料口9中，另一部分热的氯化氢气体从氯化氢进气口10进入反应器底部，通过氯化氢气体分布器11使得氯化氢气体充分与硅粉均匀接触；此时热到320℃的导热油通过反应器内部的导热指型管6和反应器半管夹套13进行加热，当达到初始反应250℃时，开始反应，合成气体从合成气体出口8出来，经除尘后、冷却、冷凝、精馏得到三氯氢硅精品。

由于反应是放热反应，因此反应器内的氯化氢和硅粉一旦发生反应会放出大量的热量，温度会急剧升高，此时应迅速将反应热移出，以保证反应器温度稳定。

反应热是靠导热油移出的，当反应温度得到250℃时，已经开始放出热量，此时应立即停止给导热油加热，反应器温度升高靠反应热维持，并且将导热油从加热系统切换到导热油的冷却系统，此处最好的办法就是设置一废热锅炉，导热油经过废热锅炉产生一部分蒸汽后，温度降至220℃(低温热油)，当反应器温度接近310℃时，此时将低温热油通过反应器的导热油指型管和反应器半管夹套，低温热油吸收热量，温度升高至240℃(高温热油)，依此将反应热移出，高温热油再循环到冷却系统(废热锅炉)中，如此不断循环，反应器内的温度通过温度调节进入导热油指型管和反应器半管夹套的低温油量来控制其恒定。

本发明的三氯氢硅大型流化床反应器，在升温阶段采用导热油加热、在反应过程当中采用导热油将反应热移出，移出的热量送至用户用于加热或废热锅炉产生部分蒸汽，通过调节导热油的量可以有效的控制反应温度，该反应器及其导热油加热、冷却工艺可使得连续化生产达700小时，可以有效的控制反应器反应温度，达到产品收率稳定的特点。

申请人将本发明的三氯氢硅大型流化床反应器首次在大型工业化装置上使用，采用硅粉下进料工艺技术(传统的反应器是上部进料)，在升温阶段采用导热油加热、在反应过程当中采用导热油将反应热的移出，通过调节导热油的量可以有效的控制反应温度，达到产品收率稳定的特点。

根据生产规模从5000吨/年～20000吨/年的不同，三氯氢硅大型流化床反应器直径可以是(1000mm～2200mm)/(2000mm～4300mm)(反应段/扩大段)，一般控制在扩大段与反应段直径比为1.9～2.1；为了使反应器有足够的反应时间和气固分离时间，控制反应段高度在1300mm～2500mm，控制扩大段(气固沉降段)高度在2100～4000mm。

采用本发明的三氯氢硅大型流化床反应器生产工艺过程参见附图2，在该工艺中，原料硅粉，在氮气的保护下通过管道将其输送到硅粉原料仓。通过星型加料器把原料仓中的硅粉加入到仓式气力输送泵中，由仓式气力输送泵将硅粉通过管道连续送入单体合成装置的烘粉炉，且在烘粉炉内进行干燥，设定烘粉炉温度为150℃。

在烘粉炉经热氮气烘干后的合格硅粉，用加热至150℃的氯化氢气体输送到本发明的三氯氢硅大型流化床反应器底部。在三氯氢硅大型流化床反应器内，控制温度在250℃～350℃和0.05MPa(G)压力下，硅粉和氯化氢进行气固相反应，生成三氯氢硅和四氯化硅。以上反应均是放热反应。

反应放出的的热量采用220℃的导热油将反应热的移出，导热油吸热后，温度升到235℃，此时将导热油和水在废热锅炉中发生热交换，可产生1.0MPa的蒸汽，导热油如此循环可有效控制合成反应器反应温度，达到安全、稳定运行的目的。

三氯氢硅大型流化床反应器反应生成的三氯氢硅和四氯化硅混合气体先经旋风分离器及袋式过滤器，将其中残存的硅粉回收，再送入冷凝器冷却，冷凝器将部分尾气送尾气洗涤塔，由尾气洗涤塔排至界外区进行废水处理或放空，其余绝大部分氯硅烷冷凝为液体。所得的氯硅烷混合物送至单体精馏装置进行分离，从而得到较高纯度的三氯氢硅和四氯化硅产品(99.5％以上)。

导热油加热及冷却工艺框图参见图3，三氯氢硅大型流化床反应器合成反应放出的热量，借助于流经三氯氢硅大型流化床反应器外的半管夹套及床内指形管的导热油移出，送入热能用户以及废热锅炉回收反应热，三氯氢硅大型流化床反应器开车时的升温以导热油作为热载体，导热油采用电加热进行加热。

采用本发明的三氯氢硅大型流化床反应器为有扩大段的立式筒型结构设备，外壁采用反应器半管式夹套，内设导热油指型换热管，其间通导热油以保证床温均匀、稳定。

由于采用了本发明的三氯氢硅大型流化床反应器，使得三氯氢硅生产带来以下技术效果：

1.连续性生产、自动化程度高

本发明的三氯氢硅大型流化床反应器可以连续化生产700小时，根据实际生产情况，可以定期检修三氯氢硅大型流化床反应器内的换热指型管。

2.规模性

国内目前最大生产规模为年产1000吨，采用本发明的大型流化床反应器可使得装置规模达到10000吨/年～20000吨/年，为国内首创，达到了经济规模。

3.安全、稳定性

根据三氯氢硅大型流化床反应器介质特点，采用了氮气保护系统，避免了介质遇水产生强腐蚀，设备中充分考虑了安全事故预防措施以及有效的控制手段，保证了装置运行安全、稳定。

4.节能性

三氯氢硅烷合成反应是一个放热反应，为了及时将反应热移出，反应器内部设有换热指型管，反应器外部设有夹套，导热油热载体将反应热移出后通过不同的途径释放热能后再返回到反应器中，循环往复，可回收反应过程约80％以上热能，用于各个用户或副产蒸汽。

5.环保性

工艺过程中使用大量的氯化氢气体，很多产生氯化氢废气的工厂，不外乎是将氯化氢废气用水吸收后作为废酸出售，但是废酸在我国从来就没有市场，无奈只得将废酸进一步作中和处理后达到排放标准后排放。这必然会造成原料的浪费、生产成本的增加、环境的破坏，因此采用该设备生产三氯氢硅对于国内外氯碱行业或者产生大量氯化氢废气的工厂来说无疑是一种很好的平衡氯气、或者说变废为宝、提高经济效益的产品。

6.满足下游产品发展的需要

三氯氢硅也是生产多晶硅的基本原料，多晶硅则是制造单晶硅的原料，在电子工业中是制造以硅半导体材料为基础的半导体元件、集成电路的原料以及有机硅橡胶偶联剂的基础原料。因此大规模三氯氢硅工业化装置的建成将会缓解目前三氯氢硅市场的紧张程度，满足有机硅下游产品的发展需求。

7.经济效益显著

通过对国内外有机硅工业现状、市场及发展趋势的分析，可以看出，由于三氯氢硅下游产品的开发和应用领域不断的扩大，导致三氯氢硅需求量的不断增加。

三氯氢硅下游产品如各种橡胶助剂、多(单)晶硅等具有更高的附加值，建议在建设该项目的同时，适当考虑发展三氯氢硅下游产品，将会给企业产生更大的经济效益。

三氯氢硅是既消耗氯气又消耗氢气的产品，投资小、见效快，项目具有很好的经济效益，市场开发潜力大。

Claims (6)

1.一种三氯氢硅大型流化床反应器，该三氯氢硅大型流化床反应器为立式筒型结构，包括下部的反应段(2)和上部的扩大段(1)；反应段(2)的下部设有硅粉进料口(9)；反应器下部有检修封头(3)；检修封头(3)上设有氯化氢进气口(10)和排渣口(7)；扩大段(1)上有合成气出口(8)；检修封头(3)与反应段(2)之间设有氯化氢气体分布器(11)；其特征在于，反应段(2)和扩大段(1)内设有导热油指形管(6)，该导热油指形管(6)从扩大段(1)一直延伸到反应段(2)底部；扩大段(1)的顶部设置有指形管检修法兰(15)，指形管检修法兰(15)上有指形管导热油入口(5)，扩大段(1)上设有指形管导热油出口(4)；反应段(2)的外部设有反应器半管夹套(13)，反应器半管夹套(13)的两端有盘管导热油进口(12)和盘管导热油出口(14)。

2.如权利要求1所述的三氯氢硅大型流化床反应器，其特征在于，所述的反应段(2)的直径为1000mm～2200mm。

3.如权利要求1所述的三氯氢硅大型流化床反应器，其特征在于，所述的扩大段(1)的直径为2000mm～4300mm。

4.如权利要求1所述的三氯氢硅大型流化床反应器，其特征在于，所述的扩大段与反应段直径的比为1.9～2.1。

5.如权利要求1所述的三氯氢硅大型流化床反应器，其特征在于，所述的反应段高度为1300mm～2500mm。

6.如权利要求1所述的三氯氢硅大型流化床反应器，其特征在于，所述的扩大段高度为2100mm～4000mm。

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