CN102807222B - 一种四氯化硅提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四氯化硅提纯方法，采用隔板塔提纯四氯化硅，主要包括以下步骤，粗四氯化硅进入隔板精馏塔的隔板段进料侧；经分离后在隔板段的另一侧得到纯四氯化硅产品，塔顶得到轻组分和四氯化硅混合物，塔釜得到了重组分和四氯化硅混合物。本四氯化硅提纯方法实现了塔内完全热耦合，避免了能量的浪费，降低了精馏过程的能耗，从而降低多晶硅的生产成本；本发明与传统的四氯化硅提纯方法相比，流程缩短了，设备减少了，节省了占地面积；与传统的两塔方法相比，本四氯化硅提纯工艺中用隔板塔可以节约投资大于30%，降低能耗30%-50%。

Description

一种四氯化硅提纯方法

技术领域

本发明属于多晶硅生产领域，尤其是涉及多晶硅生产过程中一种节能的四氯化硅提纯的方法。

背景技术

在我国当前的多晶硅行业里，改良西门子工艺被广泛采用，此工艺是以三氯氢硅为原料，在高温下用氢气还原三氯氢硅来生产多晶硅。目前三氯氢硅的生产工艺应用比较广泛的主要有两种，热氢化工艺和冷氢化工艺。热氢化工艺是通过硅粉和氯化氢反应来生产三氯氢硅。冷氢化工艺是四氯化硅和硅粉还有氢气一起反应来生产三氯氢硅。冷氢化相比热氢化具有耗电量低，TCS转化率高，一次性投资成本低，生产成本很低等优势。所以冷氢化工艺将是未来多晶硅生产中是发展的必然趋势。

四氯化硅是冷氢化的主要原料之一，其纯度会影响多晶硅原料三氯氢硅的纯度，最终会影响产品多晶硅的品质。所以冷氢化反应之前要对原料提纯，脱除重组分和轻组分。应用常规的四氯化硅精馏提纯工艺是通过两个塔来完成的，先脱轻再脱重或者先脱重再脱轻。

常规的三组分分离塔是通过两塔流程完成的，原料进入第一个塔分离出最轻组分或者最重组分，然后通过第二个塔实现其它两个组分的分离。常规的分离流程中间馏分四氯氢硅需要被汽化两次，冷凝两次，这在热力学上是不利的，浪费了一部分分离功。

隔板精馏工艺是在精馏塔中加一垂直挡板，将精馏塔分为塔顶分离段、塔底分离段以及由隔板分开的进料侧与采出侧。隔板精馏塔一般应用于三组分分离，轻组分从塔顶采出，中间组分由隔板采出侧采出，重组分由塔釜采出，只需要一套塔系统就能实现三组分的分离。

在热力学上隔板塔等同于一个完全热耦合塔，而且由于隔板的特殊结构，脱轻和脱重可以在一个塔内完成。与完全热耦合塔相比，立式隔板塔投资费用和占地更少，可操作性更强。

近年来，多晶硅的发展日趋规模化，平凡化，以致成本问题愈来愈突出，节能降耗的要求也越来越高。利用隔板塔提纯四氯化硅会推动多晶硅行业的发展。而目前还未见将隔板塔用于四氯化硅的精制工艺中的报道。

发明内容

本发明提供了一种节能的四氯化硅提纯方法。利用隔板塔精制四氯化硅克服了常规流程提纯四氯化硅工艺的流程长，投资大，能耗高等问题。

本发明的一种四氯化硅提纯方法，粗四氯化硅原料从隔板段进料侧进入隔板精馏塔，首先在隔板进料侧预分离，主要是实现轻组分和重组分的分离。轻组分和部分四氯化硅以气相的形式，从隔板进料精馏段进入塔顶分离段。重组分和部分四氯化硅以液相的形式，从隔板进料提馏段进入塔底分离段。

塔顶分离段的作用是脱除轻组分，轻组分和部分四氯化硅从塔顶蒸出。塔顶分离段底部回流的液相经流量控制按照一定液体分配比部分流到隔板进料侧，另一部分流到隔板采出侧。其中，塔顶精馏段以重力计，液相分配比为0.01-0.99。

隔板采出侧精馏段实现四氯化硅和轻组分的分离，纯净的四氯化硅液体部分从隔板采出精馏段底部侧线采出，另一部分作为隔板提馏段回流液，四氯化硅气相和轻组分去塔顶分离段。隔板采出提馏段主要是实现四氯化硅和重组分的分离，纯净的四氯化硅气相去隔板采出精馏段，重组分和四氯化硅混合液相进入塔底分离段。

塔底分离段主要是脱除重组分杂质。重组分和部分四氯化硅的混合液相从塔釜排出。塔底分离段顶部气相按照一定汽体分配比经流量控制，部分去隔板进料侧，另一部分去隔板采出侧。其中，塔底精馏段以重力计，气相分配比为0.01-0.99。

本发明原料液粗四氯化硅中轻组分的质量百分数为0-50%，重组分的质量分数为0-50%，四氯化硅的质量百分数10-99%。隔板精馏塔的操作压力为2-10bar，隔板精馏塔以重力计回流比2-1000。

隔板精馏塔总塔板共有30-500块塔板，隔板段有10-300块塔板，塔顶分离段有1-200块塔板，塔底分离段有1-200块塔板。

本发明具有的优点和积极效果是：

（1）本四氯化硅提纯方法实现了塔内完全热耦合，避免了能量的浪费，降低了精馏过程的能耗，从而降低多晶硅的生产成本。

（2）本发明与传统的四氯化硅提纯方法相比节省了一套塔系统（一个精馏塔、一台冷凝器和一台换热器），节省了设备投资。

（3）本发明与传统的四氯化硅提纯方法相比，流程缩短了，设备减少了，节省了占地面积。

（4）与传统的两塔方法相比，本四氯化硅提纯工艺中用隔板塔可以节约投资大于30%，降低能耗30%-50%。

附图说明

图1为传统的两塔提纯四氯化硅工艺流程图；

图2为本发明的一种四氯化硅提纯方法的工艺流程图。

图中：

设备代号说明：

1、轻分塔

2、轻分塔再沸器

3、轻分塔冷凝器

4、重分塔进料泵

5、重分塔

6、重分塔再沸器

7、重分塔冷凝器

8、隔板精馏塔

A.塔顶分离段

B.隔板进料精馏段

C.隔板采出精馏段

D.隔板进料提馏段

E.隔板采出提馏段

F.塔底分离段

9、隔板塔冷凝器

10、隔板塔再沸器

物料代号说明：

101、粗四氯化硅

102、轻组分杂质一

103、含重组分杂质的四氯化硅

104、纯净四氯化硅

105、重组分杂质一

106、轻组分杂质二

107、重组分杂质二

具体实施方式

图1所示为传统的两塔提纯四氯化硅工艺流程图。

该工艺由四氯化硅轻分塔1及其配套的轻分塔冷凝器3和轻分塔再沸器2、四氯化硅重分塔5及其配套的重分塔冷凝器7和重分塔再沸器6和重分塔进料泵4组成。

粗四氯化硅101进入轻分塔1，经分离轻组分杂质一102从塔顶采出后经冷凝后按照一定回流比部分回流，部分采出。含重组分杂质的四氯化硅103从塔釜采出后经由重分塔进料泵4送到重分塔5。

在重分塔5中，经分离后纯净四氯化硅104由塔顶采出，经塔顶冷凝器冷凝后按照一定回流比部分回流，部分采出，重组分杂质一105由塔釜采出。

原料液粗四氯化硅101质量流量为10000kg/h，其中轻组分的质量百分数为10%，重组分的质量分数为10%，四氯化硅质量百分数为80%。

轻分塔1和重分塔2的塔操作压力为4bar，其中轻分塔1塔板数为100，回流比为5.5；重分塔5塔板数为80，回流比为6，热负荷见表1。

图2所示为本发明的一种四氯化硅提纯方法的工艺流程图。

该工艺由隔板精馏塔8、隔板塔冷凝器9、隔板塔再沸器10组成。原料粗四氯化硅101从隔板进料侧进入隔板精馏塔8，原料在隔板进料侧预分离，主要彻底分离轻重组分。轻组分和部分四氯化硅以气相的形式从隔板进料精馏段B进入塔顶分离段A。重组分和部分四氯化硅以液相的形式从隔板进料提馏段D进入塔底分离段F。

在塔顶分离段A轻组分和少量四氯化硅作为轻组分杂质二106一起从塔顶馏出。塔顶分离段A底部回流液按照一定液体分配比经流量控制部分流到隔板进料侧，部分流到隔板采出侧。

在隔板采出精馏段C四氯化硅和轻组分分离，纯净四氯化硅104部分从隔板采出侧精馏段C底部侧线采出，部分作为隔板采出提馏段E回流液，隔板采出侧精馏段C顶部气相去塔顶分离段A。在隔板采出侧提馏段E四氯化硅和重组分分离，纯净的四氯化硅气相去隔板采出精馏段C，重组分和四氯化硅液相进入塔底分离段F。

在塔底分离段F重组分和少量四氯化硅作为重组分杂质二107从塔釜脱除，塔底分离段F顶部的气相按照一定气体分配比经流量控制，部分去隔板进料侧，部分去隔板采出侧。

原料液粗四氯化硅101质量流量为10000kg/h，其中轻组分的质量百分数为10%，重组分的质量百分数为10%，四氯化硅的质量百分数80%。隔板精馏塔的操作压力为4bar，隔板精馏塔以重力计回流比7，液相分配比0.2，气相分配比0.27。隔板精馏塔总塔板共有110块塔板，隔板段有70块塔板，塔顶分离段有20块塔板，塔底分离段有20块塔板。

两种工艺热负荷比较见表1。

表1中塔顶热负荷是塔顶冷凝器的换热量，塔釜热负荷是是塔釜再沸器的换热量。其中传统工艺中的塔顶热负荷为重分塔塔顶热负荷和轻分塔塔顶热负荷的加和，传统工艺中的塔釜热负荷为重分塔塔釜热负荷和轻分塔塔釜热负荷的加和。

工艺名称	传统工艺	本发明工艺
			塔顶热负荷，KW	3724	2548
塔釜热负荷,KW	3861	2688

表1

采用本发明的分离提纯方法比常规精馏工艺缩短了流程，节省了一套塔系统（一个精馏塔、一台进料泵、一台冷凝器和一台再沸器）。虽然隔板塔塔板数与传统工艺的每个塔相比都要多一些，但综合计算总设备投资还是相对减少，而且占地面积也相对减少。与传统工艺相比能耗明显降低，原工艺中总的塔顶热负荷为3724KW，总的塔釜热负荷为3861KW，而采用本发明的方法，总的塔顶热负荷为2548KW，总的塔釜热负荷为2688KW，分别比原工艺节能31.6%和30.3%。

以上对本发明的较佳实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种四氯化硅提纯方法，其特征在于：粗四氯化硅原料从隔板段进料侧进入隔板精馏塔，首先在隔板进料侧预分离，轻组分和部分四氯化硅以气相的形式，从隔板进料精馏段进入塔顶分离段，重组分和部分四氯化硅以液相的形式，从隔板进料提馏段进入塔底分离段；

塔顶分离段中轻组分和部分四氯化硅从塔顶蒸出，塔顶分离段底部回流的液相经流量控制按照重力计液相分配比0.01-0.99，部分流到隔板进料侧，另一部分流到隔板采出侧；

隔板采出侧精馏段中，纯净的四氯化硅液体部分从隔板采出精馏段底部侧线采出，另一部分作为隔板提馏段回流液，四氯化硅气相和轻组分去塔顶分离段；在隔板采出侧提馏段中，纯净的四氯化硅气相去隔板采出精馏段，重组分和四氯化硅混合液相进入塔底分离段；

塔底分离段中，重组分和部分四氯化硅的混合液相从塔釜排出；塔底分离段顶部气相按照重力计气相分配比0.01-0.99，部分去隔板进料侧，另一部分去隔板采出侧。

2.根据权利要求1所述的一种四氯化硅提纯方法，其特征在于：所述粗四氯化硅原料中轻组分的质量百分数为0-50%，重组分的质量分数为0-50%，四氯化硅的质量百分数10-99%。

3.根据权利要求1所述的一种四氯化硅提纯方法，其特征在于：所述隔板精馏塔的操作压力为2-10bar。

4.根据权利要求1所述的一种四氯化硅提纯方法，其特征在于：所述隔板精馏塔以重力计回流比2-1000。

5.根据权利要求1所述的一种四氯化硅提纯方法，其特征在于：所述隔板精馏塔总塔板共有30-500块塔板，隔板段有10-300块塔板，塔顶分离段有1-200块塔板，塔底分离段有1-200块塔板。

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