CN101531367A - 一种硅烷生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种硅烷生产工艺，氢化铝钠溶液依次经过第一反应器和第二反应器，气体四氟化硅依次经过所述第二反应器和第一反应器，所述氢化铝钠溶液为氢化铝钠的二甘醇二甲醚溶液。本发明所提供的硅烷生产工艺，利用氢化铝钠溶液和四氟化硅直接反应生成硅烷，氢化铝钠溶液和四氟化硅气体为逆向进料方式，在第一反应器内，氢化铝钠的量大于四氟化硅的量，可以使得四氟化硅完全反应，在第二反应器内，四氟化硅的量大于氢化铝钠的量，可以使得氢化铝钠完全反应；从而可以提高硅烷的转化率。本发明所提供的生产工艺，特别适用于工业化生产硅烷。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅烷生产工艺，尤其涉及利用四氟化硅和氢化铝钠反应生产硅烷的工艺，属于硅烷生产领域。
背景技术
硅烷的结构式为SiH4，也称为甲硅烷。硅烷是一种非常有用的化学物质，可以用来作为生产硅的原料。目前在中国，还没有厂家能够在工业上生产出硅烷，我国的工业使用者主要是从国外进口。美国的REC Group是世界上最大的硅烷供应商，占有世界超过八成的市场份额。美国的REC Group公司采用的可能是氢化锂与四氯化硅反应来生产硅烷的。这种制备硅烷的方法主要包括三个步骤。第一个步骤为亚氯酸盐电解制备金属锂。反应方程式如下：
第二个步骤为利用锂和氢反应生产氢化锂。反应方程式如下：
第三个步骤为氢化锂和四氯化硅反应生成硅烷。反应方程式如下：
第三个步骤中，需要在大约300℃左右下反应。
利用氢化锂与四氯化硅反应生产硅烷的方法，从反应方程式可以看出，需要电解、氢化等反应条件，所以对反应条件要求苛刻，而且能耗高，转化率低，并且危险性大，副产品对环境污染严重。
另一种生产硅烷的方法是，利用氢化铝钠和四氟化硅直接反应生成硅烷。反应方程式如下：
利用一个反应器进行反应时，硅烷的转化率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种硅烷生产工艺，利用此方法可以提高硅烷的转化率。
为了解决以上的技术问题，本发明采用以下的技术方案：
一种硅烷生产工艺，氢化铝钠溶液依次经过第一反应器和第二反应器，气体四氟化硅依次经过所述第二反应器和第一反应器，所述氢化铝钠溶液为氢化铝钠的二甘醇二甲醚溶液。
本发明所提供的硅烷生产工艺，利用氢化铝钠溶液和四氟化硅直接反应生成硅烷，氢化铝钠溶液和四氟化硅气体为逆向进料方式，在第一反应器内，氢化铝钠的量大于四氟化硅的量，可以使得四氟化硅完全反应，在第二反应器内，四氟化硅的量大于氢化铝钠的量，可以使得氢化铝钠完全反应；从而可以提高硅烷的转化率。
优选地，所述第一反应器内的温度为30～40℃。
优选地，所述第一反应器内的压力为0.03～0.08MPa。
优选地，所述第二反应器内温度为45～55℃。
优选地，所述第二反应器内的压力为0.1～0.4MPa。
优选地，将从第一反应器出来的气体利用二甘醇二甲醚和氢化铝钠的二甘醇二甲醚溶液进行清洗。
优选地，所述清洗的方式为将二甘醇二甲醚和氢化铝钠的二甘醇二甲醚溶液喷成雾状清洗。
优选地，测定所述第一反应器和第二反应器的温度，根据温度差调节氢化铝钠溶液的进料量。
与现有技术相比，本发明所提供的硅烷生产工艺，利用氢化铝钠溶液和四氟化硅直接反应生成硅烷，氢化铝钠溶液和四氟化硅气体为逆向进料方式，在第一反应器内，氢化铝钠的量大于四氟化硅的量，可以使得四氟化硅完全反应，在第二反应器内，四氟化硅的量大于氢化铝钠的量，可以使得氢化铝钠完全反应；从而可以提高硅烷的转化率。
本发明所提供的生产工艺，特别适用于工业化生产硅烷。
附图说明
图1是实施例中使用的工艺流程图。
具体实施方式
为能进一步理解本发明，下面结合实施例对上述的技术方案做进一步的阐述和说明。
实施例中使用的工艺流程图如图1所示。图中的箭头方向指的是物料的流向。DME、SAH、STF、SAF分别代表二甘醇二甲醚(简称二甲醚，或称1，2-二甲氧基乙烷)、氢化铝钠、四氟化硅、氟化铝钠。
实施例1
将SAH原料罐里将SAH用DME稀释调节浓度到7％，将SAH流量设定为77kg/min(千克/分钟)，SAH经过冷却和稀释，首先进入硅烷洗涤塔，然后进入第一反应器，与从第二反应器来的未反应的STF进行反应，反应产物分为两个部分，第一部分大概为SAH流量的90～95％，通过一个过滤器和水冷却器返回到第一反应器，来调节反应器的温度；第二部分进入到第二反应器，与原料STF进行反应。第一反应器内的反应条件为，温度为30-40℃、压力为0.03-0.06MPa(兆帕)。第二反应器内的反应条件为，温度为45～55℃，压力为0.1-0.4MPa。原料STF的流量为100mol/min(摩尔/分钟)。在第一反应器和第二反应器内都设置有搅拌器，在开始进料之前已经开启搅拌功能，使得其中的反应物料混合均匀，也可以使得反应物料中的热量分布均匀。维持反应条件，反应可以持续稳定进行，利用常规方法检测出口气体硅烷和SAF浆料的纯度。
具体的实验数据参见表1。
表1
从表1可以看出，硅烷纯度为96.5％，这是因为原料未完全反应，有STF混到硅烷气体中，这可以在洗涤塔中除去。
实施例2
将SAH原料罐里将SAH用DME稀释调节浓度到10％，将SAH流量设定为54kg/min(千克/分钟)，SAH经过冷却和稀释，首先进入硅烷洗涤塔，然后进入第一反应器，与从第二反应器来的未反应的STF进行反应，反应产物分为两个部分，第一部分大概为SAH流量的90～95％，通过一个过滤器和水冷却器返回到第一反应器，来调节反应器的温度；第二部分进入到第二反应器，与原料STF进行反应。第一反应器内的反应条件为，温度为30-40℃、压力为0.06-0.08MPa(兆帕)。第二反应器内的反应条件为，温度为45～55℃，压力为0.1-0.4MPa。原料STF的流量为100mol/min(摩尔/分钟)。在第一反应器和第二反应器内都设置有搅拌器，在开始进料之前已经开启搅拌功能，使得其中的反应物料混合均匀，也可以使得反应物料中的热量分布均匀。维持反应条件，反应可以持续稳定进行，利用常规方法检测出口气体硅烷和SAF浆料的纯度。
具体的实验数据参见表2。
表2
硅烷纯度为99％，是因为原料未完全反应，有STF混到硅烷气体中，这可以在洗涤塔中除去。
实施例3
将SAH原料罐里将SAH用DME稀释调节浓度到10％，将SAH流量设定为54kg/min(千克/分钟)，SAH经过冷却和稀释，首先进入硅烷洗涤塔，然后进入第一反应器，与从第二反应器来的未反应的STF进行反应，反应产物分为两个部分，第一部分大概为SAH流量的90～95％，通过一个过滤器和水冷却器返回到第一反应器，来调节反应器的温度；第二部分进入到第二反应器，与原料STF进行反应。第一反应器内的反应条件为，温度为30-40℃、压力为0.03-0.06MPa(兆帕)。第二反应器内的反应条件为，温度为45～55℃，压力为0.1-0.4MPa。原料STF的流量为100mol/min(摩尔/分钟)。在第一反应器和第二反应器内都设置有搅拌器，在开始进料之前已经开启搅拌功能，使得其中的反应物料混合均匀，也可以使得反应物料中的热量分布均匀。维持反应条件，反应可以持续稳定进行，利用常规方法检测出口气体硅烷和SAF浆料的纯度。
具体的实验数据参见表3。
表3
硅烷纯度为99.9％，是因为原料未完全反应，有STF混到硅烷气体中，这可以在清洗塔中除去。
实施例4
将SAH原料罐里将SAH用DME稀释调节浓度到11％，将SAH流量设定为49.1kg/min(千克/分钟)，SAH经过冷却和稀释，首先进入硅烷洗涤塔，然后进入第一反应器，与从第二反应器来的未反应的STF进行反应，反应产物分为两个部分，第一部分大概为SAH流量的90～95％，通过一个过滤器和水冷却器返回到第一反应器，来调节反应器的温度；第二部分进入到第二反应器，与原料STF进行反应。第一反应器内的反应条件为，温度为30-40℃、压力为0.03-0.06MPa(兆帕)。第二反应器内的反应条件为，温度为45～55℃，压力为0.1-0.4MPa。原料STF的流量为100mol/min(摩尔/分钟)。在第一反应器和第二反应器内都设置有搅拌器，在开始进料之前已经开启搅拌功能，使得其中的反应物料混合均匀，也可以使得反应物料中的热量分布均匀。维持反应条件，反应可以持续稳定进行，利用常规方法检测出口气体硅烷和SAF浆料的纯度。
具体的实验数据参见表4。
表4
硅烷纯度为90％，是因为原料未完全反应，有STF混到硅烷气体中，这可以在清洗塔中除去。
实施例5
将SAH原料罐里将SAH用DME稀释调节浓度到12％，将SAH流量设定为45kg/min(千克/分钟)，SAH经过冷却和稀释，首先进入硅烷洗涤塔，然后进入第一反应器，与从第二反应器来的未反应的STF进行反应，反应产物分为两个部分，第一部分大概为SAH流量的90～95％，通过一个过滤器和水冷却器返回到第一反应器，来调节反应器的温度；第二部分进入到第二反应器，与原料STF进行反应。第一反应器内的反应条件为，温度为30-40℃、压力为0.03-0.06MPa(兆帕)。第二反应器内的反应条件为，温度为45～55℃，压力为0.1-0.4MPa。原料STF的流量为100mol/min(摩尔/分钟)。在第一反应器和第二反应器内都设置有搅拌器，在开始进料之前已经开启搅拌功能，使得其中的反应物料混合均匀，也可以使得反应物料中的热量分布均匀。维持反应条件，反应可以持续稳定进行，利用常规方法检测出口气体硅烷和SAF浆料的纯度。
具体的实验数据参见表5。
表5
由于SAH浓度较高，反应器出口和管道进出口出现明显的堵塞问题，反应无法进行。
实施例6
将SAH原料罐里将SAH用DME稀释调节浓度到10％，将SAH流量设定为54kg/min(千克/分钟)，SAH经过冷却和稀释，首先进入硅烷洗涤塔，然后进入第一反应器，与从第二反应器来的未反应的STF进行反应，反应产物分为两个部分，第一部分大概为SAH流量的90～95％，通过一个过滤器和水冷却器返回到第一反应器，来调节反应器的温度；第二部分进入到第二反应器，与原料STF进行反应。第一反应器内的反应条件为，温度为20-30℃、压力为0.03-0.06MPa(兆帕)。第二反应器内的反应条件为，温度为45～55℃，压力为0.1-0.4MPa。原料STF的流量为100mol/min(摩尔/分钟)。在第一反应器和第二反应器内都设置有搅拌器，在开始进料之前已经开启搅拌功能，使得其中的反应物料混合均匀，也可以使得反应物料中的热量分布均匀。维持反应条件，反应可以持续稳定进行，利用常规方法检测出口气体硅烷和SAF浆料的纯度。
具体的实验数据参见表6。
表6
由于反应器温度过低，反应器中出现凝胶现象，反应无法进行。
实施例7
将SAH原料罐里将SAH用DME稀释调节浓度到10％，将SAH流量设定为54kg/min(千克/分钟)，SAH经过冷却和稀释，首先进入硅烷洗涤塔，然后进入第一反应器，与从第二反应器来的未反应的STF进行反应，反应产物分为两个部分，第一部分大概为SAH流量的90～95％，通过一个过滤器和水冷却器返回到第一反应器，来调节反应器的温度；第二部分进入到第二反应器，与原料STF进行反应。第一反应器内的反应条件为，温度为40-50℃、压力为0.03-0.06MPa(兆帕)。第二反应器内的反应条件为，温度为45～55℃，压力为0.1-0.4MPa。原料STF的流量为100mol/min(摩尔/分钟)。在第一反应器和第二反应器内都设置有搅拌器，在开始进料之前已经开启搅拌功能，使得其中的反应物料混合均匀，也可以使得反应物料中的热量分布均匀。维持反应条件，反应可以持续稳定进行，利用常规方法检测出口气体硅烷和SAF浆料的纯度。
具体的实验数据参见表7。
表7
硅烷纯度为75％，主要因为反应器温度过高，原料中溶剂大量挥发，引入杂质，有STF混到硅烷气体中。
对比实施例8
在SAH储罐里将原料SAH用DME稀释调节浓度到10％，将SAH流量设定为54Kg/min，STF流量为100mol/min。STF和SAH同时从反应器进料，反应器带有搅拌器，并在进料之前开启搅拌器。维持反应器温度为35-45℃，压力为0.03-0.06兆帕。检测出口气体硅烷和SAF浆料的纯度。
具体的实验数据参见表8。
表8
从硅烷反应的转化率和硅烷的纯度可以看出，利用同一反应器进料，反应效率低，产物纯度低。并且，在反应过程中温度波动大难于控制。
与现有技术相比，本发明所提供的硅烷生产工艺，利用氢化铝钠溶液和四氟化硅直接反应生成硅烷，氢化铝钠溶液和四氟化硅气体为逆向进料方式，在第一反应器内，氢化铝钠的量大于四氟化硅的量，可以使得四氟化硅完全反应，在第二反应器内，四氟化硅的量大于氢化铝钠的量，可以使得氢化铝钠完全反应；从而可以提高硅烷的转化率。
本发明所提供的生产工艺，特别适用于工业化生产硅烷。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本说明书中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上可能在实施过程中会有改变之处。因此，本说明书记载的内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1、一种硅烷生产工艺，其特征在于，氢化铝钠溶液依次经过第一反应器和第二反应器，气体四氟化硅依次经过所述第二反应器和第一反应器，所述氢化铝钠溶液为氢化铝钠的二甘醇二甲醚溶液。
2、根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述第一反应器内的温度为30～40℃。
3、根据权利要求2所述的生产工艺，其特征在于，所述第一反应器内的压力为0.03～0.08MPa。
4、根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述第二反应器内温度为45～55℃。
5、根据权利要求4所述的生产工艺，其特征在于，所述第二反应器内的压力为0.1～0.4MPa。
6、根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，将从第一反应器出来的气体利用二甘醇二甲醚和氢化铝钠的二甘醇二甲醚溶液进行清洗。
7、根据权利要求6所述的生产工艺，其特征在于，所述清洗的方式为将二甘醇二甲醚和氢化铝钠的二甘醇二甲醚溶液喷成雾状清洗。
8、根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，测定所述第一反应器和第二反应器的温度，根据温度差调节氢化铝钠溶液和四氟化硅的进料量。
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