CN101659414B - 硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多晶硅技术领域，具体涉及硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺。过去，硅甲烷属特种气体，一般用于科学研究，需求量不大，目前，随着太阳能产业的迅猛发展，硅甲烷不仅提出了纯度的要求，而且需求量日益增大，传统小规模制取硅甲烷工艺操作复杂，成本高，生产效率低，反应放出的热不能及时散去造成工艺安全低下，且在原料流加中造成硅烷和氨的泄露，污染环境。本发明通过纯化制备硅甲烷气体，且对生产中产生的副产物进行综合回收，实现真正意义上的循环无污染生产。本发明能实现连续化生产，使自动化程度高，清洁无泄漏，安全可靠，操作方便，维护简单的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺。
Description
技术领域
本发明属于多晶硅技术领域，具体涉及硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺。
背景技术
高纯度特种气体硅烷(SiH4)广泛应用于电子行业、太阳能电池、移动通讯、汽车导航、航空航天、军事工业等方面。目前我国工业化只能生产3N～4N的硅烷，在许多重要领域如电子行业，太阳能电池、航空航天等领域所急需的6N及以上纯度的高纯硅烷气体大多只能依靠进口。现有的制取硅甲烷生产工艺由于技术方面的原因，多采用小规模间歇式操作，操作复杂，成本较高，生产效率低下，不能满足工业规模生产需要；还有一些硅烷生产工艺，虽然也采用较大的釜式反应器进行较大规模生产硅烷，但由于反应是在-40℃液氨环境中进行，且反应放热，往往不能及时移去多余的热量，造成工艺安全性能低下；另外，由于反应为连续操作，在原料流加过程中往往造成硅烷及氨的泄漏，既污染环境又给生产带来安全隐患，最后，虽然一些硅烷制取工艺也采用了电控技术，但自动关联程度不高，特别是当遇到紧急停电的情况是，釜内及氨冷机内会出现憋压，对生产安全带来很大隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种能实现连续化生产、自动化程度高、清洁无泄漏、安全可靠、操作方便、维护简单的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺。
为克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于采用两段工艺进行硅甲烷-40℃条件下的低温生产纯化并进行副产物的综合回收；
(1)反应提纯段：该段核心设备为反应釜，将质量比为1∶3.1的硅化镁与氯化铵的混合物通过加料斗添加，反应产物通过氨回流冷凝器冷凝回流进行初步纯化，反应釜-40℃低温环境冷量由双级氨冷机提供；
(2)副产物回收段：该段核心设备为氯化镁干燥器，反应后得到的副产物在氯化镁干燥器中经过液固分离后，液氨进入液氨缓冲罐得到回收，剩余液固混合物经蒸发，蒸汽通过填料塔过滤后进入隔膜压缩机液化，经液氨冷凝器进入液氨储罐而得到回收。
为减小反应过程中通过搅拌轴造成的气体泄露，反应釜采用磁力搅拌装置；
为减小反应加料过程中造成的气体泄露，加料斗与反应釜之间采用密封阀进行双级密封；
为减小反应物料硅化镁与氯化铵在加入反应釜时带入的显热，加料斗内设盘管装置，内通-30℃液氨进行预冷；
所述的反应釜夹套及氨回流冷凝器壳程冷却液为-55℃液氨，采用氨泵供液的双级压缩制冷循环对反应釜夹套及氨回流冷凝器进行换热。
所述的反应釜内蛇管冷却液为-65℃乙醇。
所述的硅甲烷纯度为81％。
所述的氯化镁干燥器夹套冷却液为-30℃乙二醇。
所述的液氨冷凝器管程冷却液为-30℃乙二醇。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明能有效解决现有技术中生产规模小，经济成本高的问题；能有效解决现有技术中安全性差，不能实现连续性操作的问题；能有效解决现有技术中 生产后反应产物不能综合回收，造成环境污染的问题。
附图说明
图1是反应釜恒温控制系统流程图。
图2是副产物综合回收系统流程图。
附图标记说明如下：1-23阀门、24-双级氨冷机、25-反应釜、26-氨回流冷凝器、27-加料斗、28-固体料仓、29-氯化镁干燥器、30-氨泵、31-氨泵、32-液氨缓冲罐、33-液氨储罐、34-电磁搅拌装置、35-隔膜压缩机、36-填料塔37-液氨冷凝器、38-氨泵、39-氨泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明几年进行详细说明：
加料斗低温换热技术：采用盘管对进入加料斗的固体粉末物料进行低温换热，可有效减少物料添加过程中物料本省热量的带入，从而减少反应釜内液氨的挥发量；
-40℃液氨低温控制技术：硅化镁与氯化铵反应放热，若不及时移去，会使-40℃液氨温度升高，不利于其它杂质的络合，同时产生大量氨挥发，不利于后续硅烷纯化。采用氨泵供液的双级压缩制冷循环通过夹套对反应釜换热，使反应体系温度稳定在-40℃左右。
反应釜密封技术：反应体系要求在反应过程中，与外界完全隔离，该工艺中，采用电磁搅拌反应装置，避免了传统搅拌由于搅拌轴密封问题产生的泄漏问题，以确保生成气体不被空气污染同时避免内部的氨在2.5MPa的工作压力下向外界泄漏产生的污染。
氨的回流冷凝技术：由于反应釜夹套面积有限，反应过程中生成的热很难及时通过夹套被完全带走，因此会有部分氨蒸发并被生成的硅烷携带，如果这些氨蒸汽不被及时分离，会增加后续的硅烷纯化负荷。该工艺采用氨的回流冷凝技术，汽化的氨被冷凝重新回到反应釜内，使反应体系处于一动态平衡之中。
副产物综合回收工艺：该生产硅甲烷反应体系不仅需在反应前向反应釜添加大量的液氨，而且反应中会有液氨生成，因此反应结束后，反应釜内为氯化镁的液氨溶液，若不对其分离回收，会造成液氨的大量浪费；该工艺采用沉淀、汽化、增压液化等技术，使液氨与氯化镁完全分离，达到液氨循环使用的目的。
参见图1：
开启双级氨冷机24，制取-55℃的液氨；
开启氨泵38，开启阀门10、11及12、13，使-55℃液氨进入所述的反应釜25中的盘管及氨回流冷凝器26壳程对其进行预冷；
开启反应釜25内夹套冷却液阀门7、8，对反应釜25进行保冷；
开启所述加料斗27盘管冷却液阀门2、3，对加料斗27内固体粉末物料进行冷却；
开启阀门6，向所述的反应釜中添加-40℃液氨，然后开启固体料仓阀门1及加料斗底部阀门4、5，使按质量比为1∶3.1的比例混合的硅化镁(Mg2Si)与氯化铵(NH4Cl)粉末连续加入反应釜的液氨中，发生反应，产生硅甲烷(SiH4)气体；
产生的硅甲烷(SiH4)气体与由于反应放热带出的氨气进入反应釜25上部 的氨回流冷凝器26管程，在冷凝器内，基于沸点不同，氨气首先冷凝回流重新进入反应釜，使产生的硅甲烷(SiH4)得到纯化。一个反应周期(24小时)后，关闭阀门4、5停止为反应釜添加物料，反应终止。
参见图2：
开启氯化镁干燥器29夹套冷却液进出口阀门16、17，对干燥器进行预冷；
开启反应釜25底部阀门9及氯化镁干燥器29顶部阀门14，同时开启氨泵39，使反应釜25内氯化镁的氨溶液进入氯化镁29干燥器内；
关闭氯化镁干燥器29顶部阀门14，使氯化镁干燥器29内部的氯化铵与液氨的混合液静置30分钟；
开启阀门18、19及氨泵30，将氯化镁干燥器内经静置沉淀后的上清液氨(70％)输送至液氨缓冲罐32，并静置30分钟；
开启液氨缓冲罐32底部阀门20及氯化镁干燥器29上部阀门21，将液氨缓冲罐32底部含氯化镁的液氨混合液(10％)重新放入氯化镁干燥器29，液氨缓冲罐32中剩余90％液体为纯净液氨；
关闭阀门20、21，同时开启氨泵31，将液氨缓冲罐32中的液氨送回反应釜25重新利用或送去液氨储罐33；
开启氯化镁干燥器电磁搅拌装置34，加速干燥器内液氨挥发，从而达到与氯化镁分离的目的，挥发后的氨气进入填料塔36进行过滤；
开启隔膜压缩机35，使氨气压力有0.1MPa增至1.35MPa，同时压缩后的氨气在冷凝水的作用下进行液化；
开启阀门22、23，对进入液氨冷凝器37的液氨进行冷却，使液氨温度由35℃降至-20℃，冷却后的液氨进入液氨储罐33；
液氨挥发完毕后，开启氯化镁干燥器29底部阀门，对干燥后的氯化镁进行卸料。
Claims (9)
1.硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于采用两段工艺进行硅甲烷-40℃条件下的低温生产纯化并进行副产物的综合回收；
(1)反应提纯段：该段核心设备为反应釜(25)，将质量比为1∶3.1的硅化镁与氯化铵的混合物通过加料斗(27)添加，反应产物通过氨回流冷凝器(26)冷凝回流进行初步纯化，反应釜-40℃低温环境冷量由双级氨冷机(24)提供；
(2)副产物回收段：该段核心设备为氯化镁干燥器(29)，反应后得到的副产物在氯化镁干燥器(29)中经过液固分离后，液氨进入液氨缓冲罐(32)得到回收，剩余液固混合物经蒸发，蒸汽通过填料塔(36)过滤后进入隔膜压缩机(35)液化，经液氨冷凝器(37)进入液氨储罐(33)而得到回收。
2.根据权利要求1所述的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于：为减小反应过程中通过搅拌轴造成的气体泄露，反应釜(25)采用磁力搅拌装置。
3.根据权利要求1所述的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于：为减小反应加料过程中造成的气体泄露，加料斗(27)与反应釜(25)之间采用密封阀(4，5)进行双级密封。
4.根据权利要求1所述的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于：为减小反应物料硅化镁与氯化铵在加入反应釜时带入的显热，加料斗(27)内设盘管装置，内通-30℃液氨进行预冷。
5.根据权利要求1所述的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于：所述的反应釜(25)夹套及氨回流冷凝器(26)壳程冷却液为-55℃液氨，采用氨泵供液的双级压缩制冷循环对反应釜(25)夹套及氨回流冷凝器(26) 进行换热。
6.根据权利要求1所述的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于：所述的反应釜(25)内蛇管冷却液为-65℃乙醇。
7.根据权利要求1所述的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于：所述的硅甲烷纯度为81％。
8.根据权利要求1所述的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于：所述的氯化镁干燥器(29)夹套冷却液为-30℃乙二醇。
9.根据权利要求1所述的硅甲烷低温生产及副产物综合回收工艺，其特征在于：所述的液氨冷凝器(37)管程冷却液为-30℃乙二醇。
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