CN102001668A - 一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器；包括下锥段、反应段、变径段、气固分离段和封头；在反应段内设置换热管束，换热管束为：在中心换热管的周围均匀分布直径相同的换热管，中心换热管的直径大于周围分布的换热管；换热管为双层金属导管；导热油在换热管夹套内流动，中空导管与流化床内部床层颗粒直接接触。本发明引入微循环分布结构，中空的导管与流化床内部床层颗粒直接接触，中空导管的直径远小于流化床反应器的直径，气体在中空导管中流速较大，带动固体颗粒运动加快，形成一个内部循环，每根换热管的附近区域形成“微型”循环流态化，有利于气固反应中气泡的破碎，同时减少了气体返混现象，提高了四氯化硅的单程转化率至32％左右。

Description

一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器

技术领域

本发明是一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器，此反应器是一种流化床反应器，主要应用于四氯化硅、硅粉和氢气在一定催化剂作用下生成三氯氢硅的反应。

背景技术

多晶硅是制造集成电路衬底、太阳能电池等产品的主要原料，被广泛用于半导体工业中。目前，我国企业的多晶硅主流生产工艺为改良西门子法，其典型流程如下：用氯气和氢气合成氯化氢，氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，同时生成四氯化硅等副产物，然后对生成的氯硅烷进行精馏提纯，提纯后的液相三氯氢硅在经过加热汽化后与氢气以一定比例混合进入氢还原炉内进行化学沉积反应生成高纯度多晶硅，同时生成四氯化硅、二氯二氢硅等副产物。在合成段和还原段改良西门子法都生成了副产物四氯化硅，经核算生成1千克的多晶硅产品大约生成10千克的四氯化硅，造成了四氯化硅大量过剩，如何合理处理过剩四氯化硅成为多晶硅行业的关键问题。改良西门子法中利用四氯化硅进行氢化反应生成三氯氢硅，其中氢化分为热氢化和冷氢化，热氢化技术由于转化率低、能耗高等局限逐渐被淘汰，冷氢化技术由于降低了能耗、提高了转化率逐渐成为国内多晶硅氢化反应的最佳生产工艺。冷氢化工艺是四氯化硅汽化后和氢气以一定比例混合通入氢化炉，在温度约500℃、压力约2mPa的条件下与工业硅粉进行反应，生成三氯氢硅等产物。氢化产生的产物经过精馏提纯得到的三氯氢硅返回进入还原炉，从而实现多晶硅的生产循环。

目前国内多晶硅技术有关氢化工艺多采用固定床反应装置。固定床反应器具有结构简单，返混小，催化剂的损失量较小的优势，但是存在明显的缺点，如传热效果比较差，催化剂更换再生不方便，生产要求大时所需空间比较大，不能进行连续化生产，综合能耗高等。流化床反应器可以很好解决这些问题，实现四氯化硅氢化过程连续化生产，近年来国内主要多晶硅企业已对流化床反应器应用于四氯化硅氢化进行初步研究，但是尚未实现工业化生产。国内专利CN 201605166报道了应用于四氯化硅氢化的沸腾床反应器，其中沸腾床反应器是流化床反应器的一种，但沸腾床结构氢化反应器存在一定的问题，如采用低速流态化气泡数量和返混程度大，单程转化率受到限制。

发明内容

本发明是一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器，主要通过优化氢化反应器的结构以提高四氯化硅的单程转化率。

本发明的技术方案如下：

一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器，包括下锥段、反应段、变径段、气固分离段和封头组成；在反应段内设置有换热管束，换热管束为：在中心换热管的周围均匀分布直径相同的换热管，中心换热管的直径大于周围分布的换热管；换热管为双层金属导管；导热油在换热管夹套19内流动，中空导管18与流化床内部床层颗粒直接接触。

所述的中空导管的直径为换热管直径的30％-40％。

所述的中心换热管的直径是其他换热管的两倍。中心换热管设置在反应器的中间，其他换热管围绕中心换热管均匀设置。

反应器对原料气采用分别进气，氢气通过下锥段的预分布器和气体分布板进行分布进入流化床，四氯化硅通过反应段的分布器和气体分布板进行分布进入流化床。

具体详细说明如下：

此流化床反应器主要由下锥段、反应段、变径段、气固分离段、封头组成，其中下锥段主要包括原料气进口、气体预分布器、含侧缝式锥帽的气体分布板等部分，反应段主要包括气体预分布器、含侧缝式锥帽的气体分布板、水平挡板、换热管束、换热管支架、硅粉进口等部分，气固分离段主要由过滤管束组成，封头为椭圆型封头，上接反应尾气出口。本发明引入微循环分布结构，此结构由换热管束组成，分布在硅粉和催化剂颗粒形成的床层中，单根换热管为双层金属导管，导热油在换热管的夹套内流动，而中空的导管与流化床内部床层颗粒直接接触，中空导管的直径远小于流化床反应器的直径，气体在中空导管中流速较大，带动固体颗粒运动加快，形成一个内部循环，每根换热管的附近区域形成“微型”循环流态化，有利于气固反应中气泡的破碎，同时减少了气体返混现象，提高了四氯化硅的单程转化率。此外此氢化反应器对原料气(氢气和汽化的四氯化硅)采用分别进气，氢气通过下锥段的预分布器和气体分布板进行分布进入流化床，四氯化硅通过反应段的分布器和气体分布板进行分布进入流化床，此种改进有利于提高流化床反应器中氢气和四氯化硅的相对浓度，从而提高四氯化硅的单程转化率。

本发明引入微循环分布结构，同时优化了流化床反应器的内部结构，实现了快速流态化，增加了气固接触面积，提高四氯化硅的单程转化率至32％左右。

附图说明

图1是四氯化硅氢化反应器的结构示意图；

图2是换热管的剖面图；

图3是换热管束的俯视分布图；

其中：1为硅粉进料口，2为氢气进料口，3为四氯化硅进料口，4为气体分布板，5为反应后气体出口，6为换热管束，7为过滤管束，8为椭圆封头，9为水平挡板，10为导热油进口，11为导热油出口，12为侧缝式锥帽，13为气体预分布器，14为下锥段，15为筒形壳体，16为变径段，17为硅粉和催化剂颗粒形成的床层，18为换热管的中空导管，19为换热管夹套。

具体实施方式

下面通过附图进一步说明本发明，附图是为说明本发明而绘制的，不对本发明的具体应用形式构成限制。

本发明是一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器，如图1所示：包括硅粉进料口1，氢气进料口2，四氯化硅进料口3，气体分布板4，反应后气体出口5，换热管束6，过滤管束7，椭圆封头8，水平挡板9，导热油进口10，导热油出口11，侧缝式锥帽12，气体预分布器13，下锥段14，筒形壳体15，变径段16，催化剂颗粒和冶金级硅粉混合形成的床层17，换热管的中空导管18和换热管夹套19。冶金级硅粉与颗粒状催化剂充分活化混合之后，通过硅粉进料口1进入此氢化反应器，氢气通过进料口2进入此氢化反应器，四氯化硅经过汽化之后通过进料口3进入此氢化反应器。氢气和汽化后的四氯化硅均通过气体预分布器13和气体分布板4进行分布：氢气的预分布器安装在下锥段14，由6-9层金属板组成，结构采用同心圆锥型，分布板安装在下锥段顶部，开孔率为0.4％-1％，采用侧缝式锥帽结构；汽化后的四氯化硅气体预分布器安装在反应段，由3-5层金属板组成，结构采用同心圆锥型，气体分布板安装在反应段，开孔率为0.4％-1％，采用侧缝式锥帽结构。气体分布板上的侧缝式锥帽结构既保证通气顺畅又保证固体物料不泄漏，有利于生产的开停车。

此流化床反应器的创新之处是引入了引入微循环分布结构，此结构由换热管束6组成，热导热油在生产开始时由10进入换热管束6，加热原料至500℃左右，以保证四氯化硅氢化反应的顺利进行。由于此氢化反应是放热反应，生产开始后需要考虑产生的热量，同时考虑氢化反应器损失的热量，经过综合计算后由控制热导热油的流量进行控制氢化反应器内的温度维持在500℃左右。换热管束6分布在催化剂颗粒和冶金级硅粉混合形成的床层17中，单根换热管是双层金属导管，导热油在换热管内夹套19内流动，中空导管18与流化床内的床层颗粒直接接触，如图2所示。由于中空导管18中气速比较快，床层颗粒在换热管中空导管18中流动速度比管外的颗粒流速大，从而形成了内部循环，每根换热管附近区域都有此种循环，总体来看流化床反应器的内部出现多处“微型”循环流态化。换热管束6均匀地分布在床层中，在流化床反应器中间分布一根换热管，其直径是其他换热管直径的两倍，其他换热管直径相同，其直径为流化床筒体直径的10％-15％，均匀地分布在中心换热管的周围，呈发散状，分布方式如下：筒形壳体被均分成四个部分，每个部分的中心处分布一根换热管，所有换热管的中心在同一圆周轴线上，相对的换热管在同一径向轴线上，如图3所示。中空导管18的直径为换热管直径的30％-40％。

反应段设有7-10块水平挡板9，其均匀分布在催化剂颗粒和冶金级硅粉混合形成的床层17中，挡板间距相同，第一块挡板与氢气分布板的距离为挡板间距的3-6倍。气固分离段直径约为反应段的1.5-3倍，直径变大气速变缓有利于气固分离。在气固分离段还设有过滤管束7，过滤管束分布在气固分离段的顶部，过滤管束由一排过滤管组成，每根过滤管使用开孔钢管，开孔钢管的直径为扩大段的5％-10％，开孔钢管的长度约为气固分离段长度的20％-30％，在开孔钢管上部包裹7-10层玻璃纤维布。气固分离段的上部是封头，采用椭圆型结构，有利于反应后气体的缓冲，在封头上设有反应后气体的出口5。

Claims (5)

1.一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器，包括下锥段、反应段、变径段、气固分离段和封头组成；其特征是在反应段内设置有换热管束，换热管束为：在中心换热管的周围均匀分布直径相同的换热管，中心换热管的直径大于周围分布的换热管；换热管为双层金属导管；导热油在换热管夹套(19)内流动，中空导管(18)与流化床内部床层颗粒直接接触。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征是中空导管的直径为换热管直径的30％-40％。

3.如权利要求1所述的反应器，其特征是中心换热管的直径是其他换热管的两倍。

4.如权利要求1所述的反应器，其特征是中心换热管设置在反应器的中间，其他换热管围绕中心换热管均匀设置。

5.如权利要求1所述的流化床反应器，其特征是反应器对原料气采用分别进气，氢气通过下锥段的预分布器和气体分布板进行分布进入流化床，四氯化硅通过反应段的分布器和气体分布板进行分布进入流化床。

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