CN102058992A

CN102058992A - 去除氯硅烷体系中硼杂质的隔板吸附装置及方法

Info

Publication number: CN102058992A
Application number: CN 201010542402
Authority: CN
Inventors: 黄国强; 石秋玲; 王红星; 华超; 王国峰; 姚帅鹏
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2010-11-13
Filing date: 2010-11-13
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-11-13
Also published as: CN102058992B

Abstract

本发明涉及一种去除氯硅烷体系中杂质硼化合物的隔板吸附装置，由一个与塔式吸附段高度相同、置于塔中部的隔板，将该装置分为四个区域：公共精馏段(1)，塔式吸附段(2)，侧线采出段(3)，公共提馏段(4)；在塔式吸附段(2)内填装吸附剂。含有杂质硼化合物的氯硅烷物料(5)在塔式吸附段中部进料，塔顶得到轻组分(6)，侧线采出段得到提纯后的产品三氯氢硅(7)，塔底得到重组分(8)，塔的操作压力为300KPa～500KPa。该工艺对硼杂质的去除率为80％，且能降低能耗60％～80％。较以往的除硼工艺流程大为简化，大大降低了能耗和设备费用。在有效除硼的基础之上，实现了关键组分的分离，分离后的各组分分别进入多晶硅生产的相应单元，降低了生产成本。

Description

去除氯硅烷体系中硼杂质的隔板吸附装置及方法

技术领域

本发明涉及隔板吸附的方法和装置，除去氯硅烷体系中的含硼杂质化合物，提高了除杂效率。并在除去杂质硼的同时实现了关键组分的分离，得到纯度较高的三氯氢硅。该工艺简化了氯硅烷除硼的工艺流程，降低了能耗和设备费用。

背景技术

半导体和太阳能电池行业的发展，使得原料多晶硅的生产成为热点行业。同时对多晶硅的纯度要求也越来越高，如何有效地除去多晶硅中的杂质成为我国多晶硅行业的难题。尤其是含硼化合物种类繁多，成分复杂，与氯硅烷体系沸点十分接近，如何有效地去除含硼杂质化合物是各个多晶硅生产企业面临的主要问题。

精馏是化工领域能耗大，设备投资高的单元操作，在许多化工行业中，其能耗占全过程的一半以上，因此，对精馏技术的节能研究尤为重要。国内目前多采用多级精馏的方法去除三氯氢硅中硼杂质。该工艺设备投资大，需要较大的回流比和塔高。精馏操作本身就是一个耗能很大的单元，采用多级精馏除硼无疑会加大高纯多晶硅生产的能量消耗。由此可见，如何有效地去除氯硅烷中含硼杂质化合物，同时降低能耗成为我国多晶硅生产企业最为关心的问题。制约着多晶硅生产企业及其电子和太阳能电池行业的现状和发展。

发明内容

本发明针对目前国内多晶硅行业中面临的如何有效地除去硼杂质的问题，提出了用隔板吸附精馏装置除去氯硅烷中硼杂质化合物的工艺方法和装置，目的是在得到具有较高纯度三氯氢硅产品的同时，降低能耗和设备投资。

本发明的技术方案如下：

一种去除氯硅烷体系中杂质硼化合物的隔板吸附装置，由一个与塔式吸附段高度相同、置于塔中部的隔板，将该装置分为四个区域：公共精馏段(1)，塔式吸附段(2)，侧线采出段(3)，公共提馏段(4)；在塔式吸附段(2)内填装吸附剂。

所述的吸附剂优选为活性炭，树脂，沸石或硅胶。

本发明去除氯硅烷体系中杂质硼化合物的方法，含有杂质硼化合物的氯硅烷物料(5)在塔式吸附段中部进料，塔顶得到轻组分(6)，侧线采出段得到提纯后的产品三氯氢硅(7)，塔底得到重组分(8)，塔的操作压力为300Kpa～500Kpa。

本发明可以应用于物料中有三个组分及其三个以上组分中含有被吸附剂吸附的杂质的物系的除杂和分离。

本发明中，塔式吸附段2是在塔中部进料侧装填吸附剂，区别于以往的在固定床内填装吸附剂的方式，本发明采用在精馏塔内填装吸附剂。该塔式吸附段不但起到了吸附氯硅烷中的硼化合物的作用，还起到了填料的作用，吸附的同时实现了物系的预分离。吸附剂可以为活性炭，树脂，沸石，硅胶等。其填装可以为只填装吸附剂，也可以一段吸附剂一段填料，这样能达到非常好的吸附与预分离效果。由于硼含量很少，所以吸附剂再生周期较长，一般要求其再生周期为一年。也可以设置两个塔交替使用，以便于吸附剂再生。主塔采用规整填料，尤其是金属网波纹填料，可以达到非常好的分离效果。

该氯硅烷原料5中含有三氯氢硅，四氯化硅，二氯二氢硅，含硼、磷、铁、铝等金属杂质的化合物，氯化氢，有机硅烷等组分。塔顶物料6是以为以二氯二氢硅为主的轻组分，还可能含有氯化氢，极少量的三氯氢硅。塔底物料7为以四氯化硅为主的重组分，还可能含有有机硅烷，含磷、铁、铝等金属杂质的化合物。侧线采出物料8为高纯的三氯氢硅产品。

氯硅烷的来源可以是来三氯氢硅合成炉的以三氯氢硅为主的氯硅烷，还可以是对还原炉尾气和氢化炉尾气的处理。这些物料均可以用该装置进行除硼和分离，得到提纯后的三氯氢硅，四氯化硅循环到多晶硅生产的相应单元。

该工艺对硼杂质的去除率为80％，且能降低能耗60％～80％。较以往的除硼工艺流程大为简化，大大降低了能耗和设备费用。在有效除硼的基础之上，实现了关键组分的分离，分离后的各组分分别进入多晶硅生产的相应单元，降低了生产成本。

该方法和装置另一重要优点是还可以用于三个组分以上物系中含有某种或某几种可以被吸附剂吸附的杂质的除杂和分离。对预除杂和分离的物系要求为：中间关键组分的含量在75％以上，轻重组分的含量相当，杂质含量较少。

附图说明

图1是隔板吸附精馏装置示意图。

具体实施方式

为了说明该方法和装置对含硼杂质化合物的去除效率，和降低能耗的效果，便于与以往的工艺相比较，对原料组分进行简化和假设并且放大了杂质硼的含量。

一种去除氯硅烷体系中杂质硼化合物的装置，如图1所示，由一个与塔式吸附段高度相同，置于塔中部的隔板将该装置分为四个区域：公共精馏段1，塔式吸附段2，侧线采出段3，公共提馏段4；含有杂质硼化合物的氯硅烷物料5在塔式吸附段中部进料，塔顶得到轻组分6，侧线采出段得到提纯后的产品三氯氢硅7，塔底得到重组分8。塔的操作压力为300Kpa～500Kpa。

其中，塔式吸附段2采用的吸附剂，不但起到了吸附氯硅烷中的硼化合物的作用，还起到了填料的作用，吸附的同时实现了物系的预分离。吸附剂可以为活性炭，树脂，沸石，硅胶等。其填装可以为只填装吸附剂，也可以一段吸附剂一段填料，这样能达到非常好的吸附与预分离效果。主塔采用规整填料，尤其是金属网波纹填料，可以达到非常好的分离效果。

由于硼含量很少，所以吸附剂再生周期较长，一般要求其再生周期为一年。也可以设置两个塔交替使用，以便于吸附剂再生。

本实例所采用的离子交换树脂可以去除精馏产品三氯氢硅中60％以上的硼，再生周期为一年。

实例1：

氯硅烷体系中含有95.0％的三氯氢硅，2.0％的四氯化硅，2.0％的二氯二氢硅，1.0％的三氯化硼。原料的处理量为378.8kg/hr，转化为摩尔流率为2.8Kmol/hr。塔式吸附段采用高吸附容量的离子交换树脂吸附剂。主塔采用金属网波纹填料。

塔顶压力300Kpa，塔顶温度49.2℃，进料热状况为30.0℃泡点进料，塔顶采0.06Kmol/hr，侧线采出1.99Kmol/hr，塔釜采出0.74Kmol/hr，冷凝器热负荷0.0120M*kcal/hr，再沸器热负荷为0.0154M*kcal/hr，公共精馏段理论板数19，公共提馏段理论板数9，塔式吸附段理论板数10，侧线采出段理论板数20，回流比35。

三氯氢硅收率72.8％，三氯氢硅纯度97.0％，B含量为0.28％，B的去除效率为80.0％。而用两个塔脱轻脱重模拟当达到三氯氢硅纯度97.0％和B的去除效率为80.0％时，三氯氢硅收率仅为18.1％，且本装置每生产一公斤产品能耗仅为两塔工艺的14.9％，节能85.0％

实例2：

氯硅烷体系中含有98％的三氯氢硅，0.8％的四氯化硅，0.7％的二氯二氢硅，0.5％的三氯化硼，原料的处理量为379.1kg/hr，转化为摩尔流率为2.8Kmol/hr。塔式吸附段采用沸石分子筛吸附剂。

塔顶压力400Kpa，塔顶温度70.8℃，进料热状况为30.0℃泡点进料，塔顶采0.06Kmol/hr，侧线采出2.0Kmol/hr，塔釜采出0.74Kmol/hr，冷凝器热负荷0.0153M*kcal/hr，再沸器热负荷为0.0199M*kcal/hr公共精馏段理论板数19，公共提馏段理论板数9，塔式吸附段理论板数10，侧线采出段理论板数20，回流比45。

三氯氢硅收率72.1％，三氯氢硅纯度99.1％，B含量为0.11％，B的去除效率为84.0％。而用两个塔脱轻脱重模拟当达到三氯氢硅纯度99.1％和B的去除效率为84.0％时，三氯氢硅收率仅为16.3％，且本装置每生产一公斤产品能耗仅为两塔工艺的15.1％。节能84.9％

实例3：

氯硅烷体系中含有95.0％的三氯氢硅，2.0％的四氯化硅，2.0％的二氯二氢硅，1.0％的三氯化硼。原料的处理量为378.8kg/hr，转化为摩尔流率为2.8Kmol/hr。塔式吸附段采用硅胶做吸附剂。

塔顶压力500Kpa，塔顶温度65.3℃，进料热状况为30.0℃泡点进料，塔顶采0.06Kmol/hr，侧线采出1.99Kmol/hr，塔釜采出0.74Kmol/hr，冷凝器热负荷0.0143M*kcal/hr，再沸器热负荷为0.0197M*kcal/hr公共精馏段理论板数19，公共提馏段理论板数9，塔式吸附段理论板数10，侧线采出段理论板数20，回流比45。

三氯氢硅收率73.0％，三氯氢硅纯度97.6％，B含量为0.25％，B的去除效率为82.0％。而用两个塔脱轻脱重模拟当达到三氯氢硅纯度97.6％和B的去除效率为82.0％时，三氯氢硅收率仅为20.5％，且本装置每生产一公斤产品能耗仅为两塔工艺的24.4％，节能75.5％。

本装置及方法还可以应用于物料中含有三个组分及其三个以上组分中含有能被吸附剂吸附的杂质的物系的除杂分离和产品精制。即该物系含有至少三个关键组分，且含有少量预除去的杂质，该杂质能够被吸附剂所吸附。该装置可以应用的领域很多，如氯化亚砜的精制，甲苯二胺的精制等。

Claims

1.一种去除氯硅烷体系中杂质硼化合物的隔板吸附装置，其特征在于：由一个与塔式吸附段高度相同、置于塔中部的隔板，将该装置分为四个区域：公共精馏段(1)，塔式吸附段(2)，侧线采出段(3)，公共提馏段(4)；在塔式吸附段(2)内填装吸附剂。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是所述的吸附剂为活性炭，树脂，沸石或硅胶。

3.去除氯硅烷体系中杂质硼化合物的方法，其特征是含有杂质硼化合物的氯硅烷物料(5)在塔式吸附段中部进料，塔顶得到轻组分(6)，侧线采出段得到提纯后的产品三氯氢硅(7)，塔底得到重组分(8)，塔的操作压力为300Kpa～500Kpa。

4.采用权利要求1的去除氯硅烷体系中杂质硼化合物的隔板吸附装置，其特征是应用于物料中有三个组分及其三个以上组分中含有能被吸附剂吸附的杂质的物系的除杂和分离。