CN102001667B

CN102001667B - 三氯硅烷合成装置及方法

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Publication number: CN102001667B
Application number: CN2010105421348A
Authority: CN
Inventors: 李海军; 吴卫星; 浦全富; 刘军; 陈艳梅; 潘伦桃; 陈文明; 吕建波; 杨君
Original assignee: NINGXIA SUNSHINE SILICON INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: NINGXIA SUNSHINE SILICON INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2010-11-13
Filing date: 2010-11-13
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-11-13
Also published as: CN102001667A

Abstract

本发明涉及一种三氯硅烷合成装置，具体的涉及一种包括氯化氢气体供气管道（18）、氯化氢气体缓冲室（17）、氯化氢气体分配板（50）、氯化氢与硅粉反应的反应室（11）、硅粉加料口（14）、硅粉和气体进行分离的气-固分离室（12）及反应气体取出口（13）的三氯硅烷合成装置（10），其中反应室（11）里，硅粉加料口（14）下方有硅粉分配器（40）和在气-固分离室（12）里有硅粉阻挡器（60），在气固分离室顶部有吹气管（32）的三氯硅烷合成装置。本发明还涉及一种三氯硅烷的合成方法。按照本发明，使硅粉均匀地分散在硅粉分配器下方的整个反应室里，硅粉与氯化氢气体接触良好；使上升到气-固分离室里的硅粉部分地沉降或吸附在硅粉阻挡器（60）上，并被载气吹送到反应室里与氯化氢气体反应，因此，三氯硅烷转化率高，节约能源，生产效率高。

Description

三氯硅烷合成装置及方法

技术领域

本发明涉及化学合成技术，特别是涉及一种有改进结构的三氯硅烷合成装置及三氯硅烷合成方法。

背景技术：

太阳能电池所使用的多晶硅主要是用三氯硅烷（SiHCl₃—TCS）和氢为原料，将混合气体导入反应室中与炽热的硅棒接触，在高温下，三氯硅烷的氢还原及热分解而使硅在上述硅棒表面析出而制得的。所以，三氯硅烷是制造多晶硅的重要原料。

三氯硅烷主要是通过用金属硅粉与氯化氢气体在280℃～320℃按照下式发生反应而合成的:

Si + 3HCl---- SiHCl₃ + H₂ + 50kcal

工业生产的合成反应是在三氯硅烷合成装置里进行的,图10是现有的是三氯硅烷合成装置的概略示意图,在合成装置里，将预热的氯化氢气体从进气管18导入到气体缓冲室17，经过氯化氢气体分配板50到反应室11里，形成向上的气流，硅粉从进料口19进入进料斗20，经过预热，用载气将硅粉经管道15从加料口14加入到反应室11里与氯化氢气体发生反应，反应生成的以三氯硅烷为主的气体及未反应的硅粉进入硅粉-气体分离的气-固分离室12，从分离室顶部的气体取出口13取出，取出的气体经管道31 进入旋风分离器30进行分离，使未反应的硅粉回收再利用，气体进入后续工序进行分离提纯。现有技术中，硅粉不能均匀地分散到整个反应室里，造成硅粉末与氯化氢气体接触不良；并且，由于强劲向上的气流，把大量未反应的硅粉并未在气-固分离室12分离就被取出了，这样生产效率低，增加了后续分离设备处理量。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有三氯硅烷合成装置存在的缺陷，提供一种改进的三氯硅烷合成装置，使得氯化氢气体和硅粉广阔地接触，使更多未反应的硅粉沉降并返回反应室与氯化氢气体反应；

本发明的另一目的是提供一种改进的三氯硅烷合成方法。

本发明按照下述技术方案实现：

一种三氯硅烷合成装置，包括氯化氢气体进气口、氯化氢气体缓冲室、氯化氢气体分配板、氯化氢与硅粉反应的反应室、硅粉加料口、硅粉和气体进行分离的气-固分离室及反应气体取出口，其特征在于在硅粉的加料口下方设有硅粉分配器，在气-固分离室设有硅粉阻挡器，在气-固分离室顶部设有吹气管；

所述硅粉分配器包括有直径为10~20mm通孔的锥面部件和固定所述锥面部件的加固环；所述的锥面为圆锥面，其锥顶角度为70度~120度；所述硅粉分配器被安装在三氯硅烷合成装置反应室的硅粉进料口的下方，其锥顶朝上；

所述硅粉分配器的圆锥面锥底直径小于三氯硅烷合成装置反应室内径约10~30cm；

所述硅粉分配器是用不锈钢制造的；

所述的硅粉阻挡器为筛网式阻挡器，包括：筛网线、由筛网线编织组成的10~20×10~20 mm方形孔、加固环、用加固环加固的筛网和将多层所述的筛网加固环连接的支柱；

所述的硅粉阻挡器为栅板式阻挡器，包括：栅板条、由栅板条焊接组成的有10~30×10~30 mm方形孔、加固环、用加固环加固的栅板和将多层所述的栅板加固环连接的支柱；

所述的硅粉阻挡器为板式阻挡器，包括：有孔径为10~20mm的通孔的金属板、加固环和将多层所述的金属板加固环连接的支柱；

所述的硅粉阻挡器是用不锈钢制造的；

所述的硅粉阻挡器层间距离为4~20cm；

所述的硅粉阻挡器均被安装在三氯硅烷合成装置反应室上部的扩径部的上部气-固分离室中，在所述气-固分离室顶部的吹气管下方；

一种三氯硅烷的合成方法，包括以下步骤：

1) 将硅粉导入反应室，经过硅粉分配器，同时将氯化氢气体导入反应室，使上升的氯化氢气体与下落的硅粉接触发生反应；

2) 反应后的气体和未反应的硅粉随着气流上升到气-固分离室，部分硅粉沉降或吸附在硅粉阻挡器上；

3) 将通过气-固分离室后的气体及部分未反应的硅粉从气体取出口取出；

4) 在氯化氢和硅粉反应过程中，定期地停止硅粉加料，通过吹气管用高压气体向硅粉阻挡器吹气，使硅粉阻挡器上和气固分离室壁上的硅粉下落到反应室里与氯化氢气体进行反应。

按照本发明，使硅粉均匀地分散在硅粉分配器下方的整个反应室里，硅粉与氯化氢气体接触良好；使上升到气-固分离室里的硅粉部分地沉降或吸附在硅粉阻挡器上，并被载气吹送返回到反应室里与氯化氢气体反应，因此，三氯硅烷转化率高，节约能源，生产效率高。

附图说明

图1是本发明的一种硅粉分配器的示意图。

图2是图1锥面展开图。

图3是本发明设有硅粉分配器的三氯硅烷合成装置示意图。

图4是本发明的一种筛网式硅粉阻挡器示意图，图4A是一层筛网的示意图。

图5是本发明的一种栅板式硅粉阻挡器示意图，图5A是一层栅板的示意图。

图6是本发明的一种有通孔的板式硅粉阻挡器示意图。

图7是本发明有硅粉分配器和筛网式硅粉阻挡器三氯硅烷合成装置示意图。

图8是本发明有硅粉分配器和栅板式硅粉阻挡器三氯硅烷合成装置示意图。

图9是本发明有硅粉分配器和板式硅粉阻挡器三氯硅烷合成装置示意图。

图10现有技术三氯硅烷合成装置示意图。

附图标记说明

10 合成反应装置 11反应室 12 气-固分离室 13气体取出口 14硅粉加料口 15硅粉输送管道 17 缓冲室 18供气管道 19 硅粉进入口 20进料斗 30旋风分离器 31取出气体管道 32吹气管 40 硅粉分配器 41 锥面部件， 42 锥面上的通孔 43加固环 43-1 硅粉分配器的固结件 43-2反应室内壁固结件 43-3固定螺钉 50氯化氢气体分配板 60a筛网式硅粉阻挡器 61a筛网孔 62a筛网线 63a加固环 64a筛网 65a支柱 60b栅板式硅粉阻挡器 61b栅板孔 62b栅板条 63b加固环 64b 栅板 65b支柱 60c板式硅粉阻挡器 61c通孔 62c金属板 63c加固环 65c支柱

可以理解，以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性的，而且仅仅是示例性的，其目的是更进一步解释所要求保护的本发明。

具体实施方式

在本说明书中，在不同的图中，起相同作用的部件用相同数字标出。

本发明提供一种如图1所示的包括有通孔42的锥面部件41、加固环43、和与反应室固结的固结件43-1的硅粉分配器40。所述锥面部件优选圆锥面部件，由于合成三氯硅烷所使用的硅粉粒径是约100~250微米，具有较好的流动性，所以圆锥面部件的顶角优选为70~120度，用不锈钢板制成，优选用316L不锈钢板，对不锈钢板的厚度没有特别的限制，只要具有一定的强度，如3~6mm厚的不锈钢板。如图2所示，为了能够使硅粉均匀地分散在硅粉分配器下部的整个区域，优选在所述的锥面部件上打多个通孔42，如直径为10~20mm的通孔，相邻两孔间的距离与孔径之比约为2~4，这样，便于从硅粉加料口14加入到反应室里的硅粉从所述锥面上的通孔42和边沿均匀地分散到硅粉分散器下部的反应室各处。在当选定锥面部件的顶角和锥底直径后，即可计算出如图2所示的扇形不锈钢板的尺寸，打好孔后将扇形板制成圆锥面41，焊接到加固环43上，加固环 43可以用直径为10~16mm的不锈钢条卷成一个外径和所述圆锥面部件的锥底直径相同的圆圈，将锥面部件焊接到所述圆圈上，加固环的外径比反应室内径小10~30cm，并从不锈钢圆圈上焊接出至少4个带孔的固结件43-1与焊接在反应室内壁的固结件43-2连接，用螺钉43-3连接或焊接。所述硅粉分配器40的锥顶朝上，锥顶距离加料口的高度约20厘米 ~60厘米，锥面底部直径比反应室内径小，如小10~30厘米mm，如图3。

图4是本发明的一种筛网式硅粉阻挡器60a的示意图，图4A是一层筛网的示意图。筛网选用不锈钢的，如SUS201、302、 310S、316、304L和316L，优选316L不锈钢制的。为了使得筛网既有阻挡硅粉的作用，又便于将落在筛网的硅粉吹送到反应室里，编制的筛网是有经线62a、纬线62a形成的10~20mm×10~20 mm的正方形孔61a，用来编织筛网的不锈钢线直径为1.5~5mm，编制的筛网为圆形，用一截面为20~40 mm×8~18 mm的长方形的不锈钢条或直径为25~35的不锈钢圆条或不锈钢管围成一圆形加固环63a，使加固环外径小于气-固分离室内径40~80cm；将筛网62a焊接到所述加固环63a上，形成一层筛网64a；所述的筛网式硅粉阻挡器至少有10层上述筛网64a，优选10~40层，各层筛网的不锈钢条直径可以相同，也可以不同；各层筛网孔61a的孔径可以相同，也可以不同；相邻两层筛网之间距离为6~20cm; 各层不锈钢筛网被固定连接成一整体，各层的经线、纬线不必对齐，而是无规则地焊接到6根或8根直径为30~40mm的不锈钢棒或管的支柱65a上，只要使其各层加固环外圈在同一个圆柱面上，每根支柱下端长出最下面一层筛网的加固环约10~15 cm，制成筛网式硅粉阻挡器60a。

图5是本发明的一种栅板式硅粉阻挡器60b示意图，图5A是一层栅板的示意图。栅板选用不锈钢的，如SUS201、302、 310S、316、304L和316L，优选316L不锈钢制的。为了使得栅板既有阻挡性，又便于将落在栅板上的硅粉吹送到反应室里，选用截面为1.0 ~4mm×10~20mm长方形的不锈钢扁带编制或焊接成由经条62b、纬条62b组成10~30mm×10~30 mm的方形孔61b的圆形栅板62b，用一截面为20~40 mm×8~18 mm的长方形的不锈钢条或直径为25~35的不锈钢圆条或不锈钢管围成一圆形加固环63b，使加固环的外径小于气-固分离室内径40~80cm；将栅板62b焊接到所述加固环63b上，形成一层栅板64b；所述栅板式的硅粉阻挡器至少有6层上述栅板64b，优选6~15层，各层栅板的不锈钢扁带的尺寸可以相同，也可以不同；各层栅板孔61b的孔径可以相同，也可以不同；相邻两层栅板之间距离为6~20cm; 各层不锈钢栅板被固定连接成一整体，各层的经线、纬线不必对齐，而是无规则地焊接到6根或8根直径为30~40mm的不锈钢棒或管的支柱65b上，只要使其各层加固环外圈在同一个圆柱面上，每根支柱下端长出最下面一层栅板的加固环约10~15 cm，制成栅板式硅粉阻挡器60b。

图6是本发明的一种有通孔的多层不锈钢板式硅粉阻挡器示意图。不锈钢选用如SUS201、302、 310S、316、304L和316L，优选316L不锈钢制的。为了使得板式阻挡器既有阻挡性，又便于将落在不锈钢板上的硅粉吹送到反应室里，优选2~4mm厚的不锈钢板，将多层不锈钢制成圆锥面形，圆锥顶角为150~100度，圆锥面上钻有多个圆形通孔61c，通孔61c的直径为10~25mm,多个通孔的直径可以相同，也可以不同，通孔面积占整个锥面面积的10~33%，对于孔径相同的锥面，相邻两孔间的距离与孔径之比约为1.5~3，这样，在当选定锥面部件的顶角和锥底直径后，即可计算出如扇形不锈钢板的尺寸，打好孔后将扇形板制成圆锥面62c，焊接到一个用直径为25~35mm的不锈钢条卷成一个和所述圆锥面部件的锥底直径相同的圆圈加固环63c上，所述圆圈加固环直径小于气-固分离室内径40~80cm,所述的板式硅粉阻挡器至少有5层，优选5~12层，各层金属板的通孔孔径可以相同，也可以不同；相邻两层之间距离为6~20cm; 各层不锈钢锥面被固定连接成一整体，焊接到6根或8根支柱上，使其各层加固环外圈在同一个圆柱面上，每根支柱下端长出最下面一层加固环约10~15 cm，形成硅粉阻挡器60c。

图7是本发明有硅粉分配器及筛网式硅粉阻挡器的三氯硅烷合成反应装置示意图。

图8是本发明有硅粉分配器及栅板式硅粉阻挡器的三氯硅烷合成反应装置示意图。

图9是本发明有硅粉分配器和有板式硅粉阻挡器的三氯硅烷合成反应装置示意图。

在图7、图8和图9中，三氯硅烷合成反应装置的顶部都有吹气管32，所述的吹气管32是当通入氯化氢气体和加入硅粉反应一定的时间后，停止从硅粉加料口14进料，用载气从吹气管向气-固分离室上吹气，使得落在硅粉阻挡器上的硅粉进入反应室与上升的氯化氢气体发生反应，生成三氯硅烷气体。使用的气体压力大于分离室内压力，为 0.2~0.6MPa ; 所述的吹气管32，能够旋转，将气体吹送到硅粉阻挡器各部位。吹气管周围的顶盖有冷却水冷却。

实施例

实施例1

采用如图7所示的有硅粉分配器40及筛网式硅粉阻挡器60a的三氯硅烷合成反应装置10a，将预热的氯化氢气体从供气管18送到缓冲室17，氯化氢气体通过氯化氢气体分配板50进入三氯硅烷合成反应室11，同时用载气将预热的硅粉从料斗20，经过管道15从进料口14输送进入反应室11，硅粉流下，硅粉落到硅粉分配器40上通过锥面上的通孔42及周边均匀地分散在硅粉分配器40下方反应室11各区域，与上升的氯化氢气体充分接触，发生反应，生成三氯硅烷气体；反应生成的气体和未反应的硅粉上升，上升物质碰到筛网式硅粉阻挡器60a，部分硅粉沉降或吸附在硅粉阻挡器60a的部件上，继续上升的气体和硅粉微粉，从气体取出口13取出。如此运行约8小时，停止从硅粉进料口14进料，用0.4MPa的载气从吹气管32向硅粉阻挡器60a的各部位吹气约10分钟，使沉降、吸附在硅粉阻挡器60a上和气-固分离室壁上的硅粉，通过硅粉分散器40，返回进入反应室11里和上升的氯化氢气体反应。如此反复进行。按照本发明方法，和采用现有技术如图10所示的三氯硅烷合成装置生产三氯硅烷相比，三氯硅烷转化率提高了4.8 %，在消耗相同能源的情况下，单位时间产量提高了7.5%。

实施例2

采用如图8所示的有硅粉分配器40及栅板式硅粉阻挡器60b的三氯硅烷合成反应装置10b，将预热的氯化氢气体从供气管18送到缓冲室17，氯化氢气体通过氯化氢气体分配板50进入三氯硅烷合成反应室11，同时用载气将预热的硅粉从料斗20，经过管道15从进料口14输送进入反应室11，硅粉流下，硅粉落到硅粉分配器40上通过锥面上的通孔42及周边均匀地分散在硅粉分配器下方区域，与上升的氯化氢气体充分接触，发生反应，生成三氯硅烷气体；反应生成的气体和未反应的硅粉上升，上升物质碰到栅板式硅粉阻挡器60b，部分硅粉沉降或吸附在硅粉阻挡器的部件上，继续上升的气体和硅粉微粉，从气体取出口13取出。如此运行约6小时，停止从硅粉进料口14进料，用0.4MPa的载气从吹气管32向硅粉阻挡器60b的各部位吹气，使沉降、吸附在栅板式硅粉阻挡器60b上和气-固分离室的硅粉通过硅粉分散器40，返回进入反应室11，和上升的氯化氢气体反应。如此反复进行。按照本发明方法，和采用现有技术如图10所示的三氯硅烷合成装置生产三氯硅烷相比，三氯硅烷转化率提高了5.5 %，在消耗相同能源的情况下，单位时间产量提高了8.7 %。

实施例3

采用如图9所示的有硅粉分配器40及板式硅粉阻挡器60c的三氯硅烷合成反应装置10c，将预热的氯化氢气体从供气管18送到缓冲室17，氯化氢气体通过氯化氢气体分配板50进入三氯硅烷合成反应室11，同时用载气将预热的硅粉从料斗20，经过管道15从进料口14输送进入反应室11，硅粉流下，硅粉落到硅粉分配器40上通过锥面上的通孔42及周边均匀地分散在硅粉分配器下方的反应室11各区域，与上升的氯化氢气体充分接触，发生反应，生成三氯硅烷气体；反应生成的气体和未反应的硅粉上升，上升物质碰到板式硅粉阻挡器60c，部分硅粉沉降或吸附在硅粉阻挡器的部件上，继续上升的气体和硅粉微粉，从气体取出口13取出。如此运行约4小时，停止从硅粉进料口14进料，用0.4MPa的载气从吹气管32向硅粉阻挡器60c的各部位吹气，使沉降、吸附在硅粉阻挡器60c上和气-固分离室的硅粉通过硅粉分散器40，进入反应室11，和上升的氯化氢气体反应。如此反复进行。按照本发明方法，和采用现有技术如图10所示的三氯硅烷合成装置生产三氯硅烷相比，三氯硅烷转化率提高了5.9 %，在消耗相同能源的情况下，单位时间产量提高了8.1 %。

Claims

1.一种三氯硅烷合成装置，包括氯化氢气体进气口、氯化氢气体缓冲室、氯化氢气体分配板、氯化氢与硅粉反应的反应室、硅粉加料口、硅粉和气体进行分离的气-固分离室及反应气体取出口，其特征在于在硅粉的加料口下方设有硅粉分配器，在气-固分离室设有硅粉阻挡器，在气-固分离室顶部设有吹气管。

2.如权利要求1所述的三氯硅烷合成装置，其特征在于硅粉分配器包括有直径为10~20mm通孔的锥面部件和固定所述锥面部件的加固环；所述的锥面为圆锥面，其锥顶角度为70度~120度；所述硅粉分配器被安装在三氯硅烷合成装置反应室的硅粉进料口的下方，其锥顶朝上。

3.如权利要求2所述的三氯硅烷合成装置，其特征在于硅粉分配器的圆锥面锥底直径小于三氯硅烷合成装置反应室内径为10~30cm。

4.如权利要求2所述的三氯硅烷合成装置，其特征在于硅粉分配器是用不锈钢制造的。

5.一种如权利要求1所述三氯硅烷合成装置，其特征在于所述的硅粉阻挡器为筛网式阻挡器，包括：筛网线、由筛网线编织组成的10~20×10~20 mm方形孔、加固环、用加固环加固的筛网和将多层所述的筛网加固环连接的支柱。

6.一种如权利要求1所述的三氯硅烷合成装置，其特征在于所述的硅粉阻挡器为栅板式阻挡器，包括：栅板条、由栅板条焊接组成的有10~30×10~30 mm方形孔、加固环、用加固环加固的栅板和将多层所述的栅板加固环连接的支柱。

7.一种如权利要求1所述的三氯硅烷合成装置，其特征在于所述的硅粉阻挡器为板式阻挡器，包括：有孔径为10~20mm的通孔的金属板、加固环和将多层所述的金属板加固环连接的支柱。

8.如权利要求1所述的三氯硅烷合成装置，其特征在于硅粉阻挡器是用不锈钢制造的。

9.如权利要求5~7所述的三氯硅烷合成装置，其中任一项所述的硅粉阻挡器层间距离为4~20cm。

10.如权利要求5~7所述的三氯硅烷合成装置，其中任一项所述的硅粉阻挡器均被安装在三氯硅烷合成装置反应室上部的扩径部的上部气-固分离室中，在所述气-固分离室顶部的吹气管下方。

11.一种三氯硅烷的合成方法，包括以下步骤：

将硅粉导入反应室，经过硅粉分配器，同时将氯化氢气体导入反应室，使上升的氯化氢气体与下落的硅粉接触发生反应；

反应后的气体和未反应的硅粉随着气流上升到气-固分离室，部分硅粉沉降或吸附在硅粉阻挡器上；

将通过气-固分离室后的气体及部分硅粉从气体取出口取出；

在氯化氢和硅粉反应过程中，定期地停止硅粉加料，通过吹气管用高压气体向硅粉阻挡器吹气，使硅粉阻挡器上和气固分离室壁上的硅粉下落到反应室里与氯化氢气体进行反应。