CN102491341A

CN102491341A - 用于混合氯硅烷制备三氯氢硅的反应精馏装置及方法

Info

Publication number: CN102491341A
Application number: CN2011104158561A
Authority: CN
Inventors: 刘春江; 段长春; 黄哲庆; 黄国强
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明涉及用于混合氯硅烷制备三氯氢硅反应精馏装置及方法。混合氯硅烷原料于上反应段C和下反应段E中间位置进料，塔顶得到二氯二氢硅，部分重力回流至下反应段E下部作为进料返回塔内；塔底得到四氯化硅，部分通过塔底料液循环泵于上反应段C上部作为进料返回塔内；塔中部得到三氯氢硅产品采出；塔顶采出的部分二氯二氢硅经过压缩机升压升温后与塔底采出的部分四氯化硅进行热交换，被加热的四氯化硅返回塔釜回流，同时被冷却的二氯二氢硅经过节流阀与塔顶料液循环泵后返回塔顶回流。本发明将传统的反应精馏设备和后续的分离提纯设备整合到一座间壁塔中，简化了工艺流程，节约了设备投资；降低了能耗。

Description

用于混合氯硅烷制备三氯氢硅的反应精馏装置及方法

技术领域

本发明属于反应精馏技术领域，涉及热泵精馏与间壁塔反应精馏的装置及工艺，特别涉及一种用于混合氯硅烷制备三氯氢硅反应精馏装置及方法。

背景技术

目前，多晶硅生产企业主要采用改良西门子法，此工艺主要发生三氯氢硅的氢还原反应，生产过程中产生部分二氯二氢硅及大量的四氯化硅副产物。处理四氯化硅主要通过冷氢化技术将其重新转化为三氯氢硅，但该技术效率低能耗高；对于二氯二氢硅尚没有成熟的技术对其进行有效利用，多采用淋洗工艺进行尾气处理，且二氯二氢硅沸点低，易燃易爆，具有极大地危险性。中国专利CN 102068829A提出了一种隔板反应精馏设备及进行二氯二氢硅和四氯化硅的反歧化反应，将改良西门子法生产过程中的副产物二氯二氢硅和四氯化硅转化为三氯化硅，提高了原料利用率，解决了二氯二氢硅和四氯化硅富集问题，简化了工艺流程，并且降低了能耗。

常规的精馏塔都是从塔顶冷凝器取走热量，同时向塔釜再沸器供给热量，通常塔顶冷凝器取走的热量是塔釜再沸器加入热量的90％左右，能量利用很不合理。利用热泵精馏则实现了将塔顶冷凝器取走的热量传递给塔釜再沸器，大幅度地降低了能耗。通常热泵的成绩系数为3～4左右，也就是说，热泵能够将自身所需能量的3至4倍的热能从低温物体传送到高温物体，而性能较高的热泵成绩系数能达到6～8。

近几年，随着多晶硅逐渐成为国家优先发展的战略产业，解决二氯二氢硅和四氯化硅的富集问题，进一步促使多晶硅产业达到节能、降耗、安全、环保的目标显得日趋重要与紧迫。

发明内容

本发明的一种应用于混合氯硅烷制备三氯氢硅过程的带热泵间壁塔反应精馏装置及工艺，目的在于使三氯氢硅氢还原过程中产生的副产物二氯二氢硅和四氯化硅通过反歧化反应重新转化成三氯氢硅，将传统的反应精馏设备和后续的分离提纯设备整合在一座间壁塔中，简化了工艺流程，同时采用热泵装置替代了冷凝器和再沸器，大大降低了该过程的能耗。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于混合氯硅烷制备三氯氢硅的反应精馏装置，包括间壁塔(1)、压缩机(2)、换热器(3)、塔釜料液循环泵(4)、塔顶料液循环泵(5)、节流阀(6)；间壁塔(1)中部设置一块垂直挡板，塔内划分为八块区域，分别为公共精馏段A，公共提馏段H，上反应段C、下反应段E，上预分馏段B、下预分馏段F，上采出段D和下采出段G；上反应段C、下反应段E填充催化剂；公共提馏段A，公共提馏段H、上预分馏段B、下预分馏段F，上采出段D和下采出段G填充规整填料，原料进口设在上反应段C和下反应段E中间。

所述的上反应段C和下反应段E填充催化剂。

所述的公共精馏段，公共提馏段A，公共提馏段H、上预分馏段B、下预分馏段F，上采出段D和下采出段G填充规整填料。

公共精馏段A，公共提馏段H、上预分馏段B和下预分馏段F的理论塔板数不少于6块；上采出段D和下采出段G的理论塔板数不少于10块；上反应段C和下反应段E的催化剂填充高度不少于2米。

本发明的精馏装置的精馏方法，混合氯硅烷原料于上反应段C和下反应段E中间位置进料，塔顶得到二氯二氢硅，部分重力回流至下反应段E段下部作为进料返回塔内；塔底得到四氯化硅，部分通过塔底料液循环泵于上反应段C上部作为进料返回塔内；塔中部得到三氯氢硅产品采出；塔顶采出的部分二氯二氢硅经过压缩机升压升温后与塔底采出的部分四氯化硅进行热交换，被加热的四氯化硅返回塔釜回流，同时被冷却的二氯二氢硅经过节流阀与塔顶料液循环泵后返回塔顶回流。

本发明的特征在于将热泵装置和间壁塔反应精馏装置集成起来，应用于混合氯硅烷制备TCS的过程中。

本发明的效果和优点是，在间壁塔中进行反歧化反应，利用应用价值较低的DCS和STC制备高应用价值的TCS，提高了原料利用率，同时也解决了DCS和STC的副产物富集问题；将传统的反应精馏设备和后续的分离提纯设备整合到一座间壁塔中，简化了工艺流程，节约了设备投资；将热泵装置应用于反应精馏设备中，省掉了冷凝器和再沸器，大大降低了能耗。

附图说明

图1是应用于混合氯硅烷制备TCS的带热泵间壁塔的设备结构和工艺流程示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步的详细说明：

一种用于混合氯硅烷制备三氯氢硅的反应精馏装置，包括间壁塔1、压缩机2、换热器3、塔釜料液循环泵4、塔顶料液循环泵5、节流阀6；间壁塔1中部设置一块垂直挡板，塔内划分为八块区域，分别为公共精馏段A，公共提馏段H，上反应段C、下反应段E、上预分馏段B、下预分馏段F、上采出段D和下采出段G；上反应段C、下反应段E填充催化剂；公共提馏段A、公共提馏段H、上预分馏段B、下预分馏段F、上采出段D和下采出段G填充规整填料，原料进口设在上反应段C和下反应段E中间。混合氯硅烷(二氯二氢硅DCS、四氯化硅STC和三氯氢硅TCS的混合物)原料由上反应段C和下反应段E中间进入，在反应段发生反歧化反应SiH₂Cl₂+SiCl₄→2SiHCl₃，反应段填充的催化剂为大孔阴离子交换树脂、固载季铵盐催化剂或同类催化触媒。在上反应段C上部得到未反应的DCS和少量STC混合物，上预分馏段B作用为去除其中的STC，防止重组分STC从隔板上进入采出段，在隔板上部得到未反应的DCS和部分三氯化硅，公共精馏段A将DCS和三氯化硅进行分离，在塔顶得到的DCS气体。上采出段D将TCS和DCS分离，在采出段适当位置得到较纯的TCS。下反应段E下部得到未反应的STC、部分TCS和少量DCS的混合物，下预分馏段F作用为去除其中的DCS，防止轻组分DCS从隔板底部进入采出段，在隔板下部得到未反应的STC和部分TCS，公共提馏段H将STC与TCS分离，在塔底得到STC。下采出段G将TCS和STC进行分离，在适当位置得到较纯的TCS。同时塔顶采出部分的DCS气体进过压缩机升压升温后与塔底溜出的部分STC气体在换热器3中进行换热，被加热的STC返回塔釜回流，被冷却的DCS经节流阀6和塔顶循环泵5返回塔顶回流。同时，塔顶采出的另一部分DCS直接进入下预分馏段F下方循环进料，而塔底采出的另一部分STC直接进入预分离段B上方循环进料。

具体实施例：间壁塔内公共精馏段A，公共提馏段H均有6块理论板，上预分馏段B、下预分馏段F均有6块理论板，上采出段D和下采出段G均有12块理论板，上反应段C、下反应段E填充2米高的反应催化剂，选用固载季铵盐作为反应催化剂。2t/h混合氯硅烷原料于上反应段C、下反应段E中部进入反应段。操作压力为0.5MPa，塔顶温度62℃，塔底温度114℃。隔板两侧液相平均分布，即隔板上部液相分布为进入预分离段的液体量等于进入采出段的液体量，用液体再分布器实现平均分布；隔板下部气相自由分布，即按预分离段与采出段的不同压降进行分布，不以人工手段干涉气体分布。塔顶回流比R＝3，塔顶采出约2t/h馏出物，主要组成为DCS，含有少量TCS，部分重力回流至下反应段E下部进入预分离段；塔底采出约6.5t/h釜残液，主要组成为STC，部分釜残液经泵回流至上反应段C上部进入预分离段；于上采出段D和下采出段G中部液相采出约2t/h TCS产品，纯度可达99％。部分塔顶采出的DCS经过压缩机升压升温后与部分塔底采出的STC进行换热，被加热的STC返回塔釜回流，同时被冷却的DCS进过节流阀与塔顶料液循环泵后返回塔顶回流，整个过程省去了冷凝器和再沸器，其能耗较未采用热泵技术的间壁塔反应精馏装置降低55％。

Claims

1.一种用于混合氯硅烷制备三氯氢硅的反应精馏装置，包括间壁塔、压缩机、换热器、塔釜料液循环泵、塔顶料液循环泵和节流阀；其特征是间壁塔中部设置一块垂直挡板，塔内划分为八块区域，分别为公共精馏段A、公共提馏段H、上反应段C、下反应段E、上预分馏段B、下预分馏段F，上采出段D和下采出段G；上反应段C和下反应段E填充催化剂；公共精馏段A、公共提馏段H、上预分馏段B、下预分馏段、上采出段D和下采出段G填充规整填料，原料进口设在上反应段C和下反应段E中间。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是所述的上反应段C和下反应段E填充催化剂。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是所述的公共精馏段A、公共提馏段H、上预分馏段B、下预分馏段F、上采出段D和下采出段G填充规整填料。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是公共精馏段A，公共提馏段H、上预分馏段B和下预分馏段F的理论塔板数不少于6块；上采出段D和下采出段G的理论塔板数不少于10块；上反应段C和下反应段E的催化剂填充高度不少于2米。

5.如权利要求1所述的精馏装置的精馏方法，其特征是混合氯硅烷原料于上反应段C和下反应段E中间位置进料，塔顶得到二氯二氢硅，部分重力回流至下反应段E下部作为进料返回塔内；塔底得到四氯化硅，部分通过塔底料液循环泵于上反应段C上部作为进料返回塔内；塔中部得到三氯氢硅产品采出；塔顶采出的部分二氯二氢硅经过压缩机升压升温后与塔底采出的部分四氯化硅进行热交换，被加热的四氯化硅返回塔釜回流，同时被冷却的二氯二氢硅经过节流阀与塔顶料液循环泵后返回塔顶回流。