CN103950933B - 制备多晶硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了制备多晶硅的方法，包括：通过进料口将氯硅烷输送至精馏塔内，以便对氯硅烷进行蒸馏提纯，得到含有二氯二氢硅和三氯氢硅混合液和四氯化硅溶液；使混合液从塔顶采出口排出并输送至蒸发器，以便将混合液进行蒸发，得到含有三氯氢硅、二氯二氢硅和氢气的原料气；以及使原料气从原料气出口排出并输送至还原炉内，以便利用原料气制备得到多晶硅。本发明实施例的制备多晶硅的方法只需一个精馏塔即可完成对氯硅烷的分离提纯，并且分离得到的塔顶采出液可以直接用于制备多晶硅，进而显著节省了设备配置、降低了能耗。

Description

制备多晶硅的方法

技术领域

本发明涉及多晶硅领域，具体而言，本发明涉及制备多晶硅的方法。

背景技术

多晶硅是一种超高纯材料，用于集成电路、电子器件和太阳能电池，是信息和新能源产业的基石，是国家鼓励优先发展的战略材料，也是国家重点鼓励发展的产品和产业。

目前国内多晶硅的主要生产方法是改良西门子法，主要包括三氯氢硅合成、精馏提纯、还原、还原尾气干法回收和氢化五个工序。还原尾气干法回收工序和热氢化工序得到的氯硅烷主要包括二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅，其中二氯二氢硅和三氯氢硅可以作为还原工序的原料，四氯化硅可以作为氢化工序的原料，因此需要精馏提纯。

常规的干法回收料和热氢化料的精馏方法为：氯硅烷混合送入第一精馏塔，塔釜采出四氯化硅送入氢化工序，塔顶采出二氯二氢硅和三氯氢硅的混合液；为满足还原炉内三氯氢硅中二氯二氢硅的浓度要求，将二氯二氢硅和三氯氢硅的混合液送入第二精馏塔，第二精馏塔塔釜采出符合还原炉要求的二氯二氢硅和三氯氢硅混合液，第二精馏塔塔顶采出二氯二氢硅等低沸物；为进一步回收二氯二氢硅，将第二精馏塔塔顶采出物送入分离塔，得到的二氯二氢硅产品再与其它工序得到的三氯氢硅按一定的比例混合后送入还原工序。这种精馏方法需要三个精馏塔和配套设备，设备投资较大，而且随着规模的不断扩大，塔的处理量较大，能耗较高。

常规的干法回收料和热氢化料的另一种精馏方法为：氯硅烷送入一个精馏塔，塔顶采出二氯二氢硅，塔中上部侧线采出二氯二氢硅和三氯氢硅的混合液，塔中下部侧线采出四氯化硅，塔釜采出高沸物残液，其中二氯二氢硅和三氯氢硅的混合液送入还原工序，四氯化硅送入氢化工序。此种方法的优点是只需一个精馏塔，节省设备和能耗，但为满足还原炉内三氯氢硅中二氯二氢硅的浓度要求，以及送入氢化工序的四氯化硅的纯度要求，需要严格控制塔内各部分温度，这大大增加控制和操作难度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种制备多晶硅的方法，该方法包括：

通过精馏塔的进料口将氯硅烷输送至精馏塔内，以便对氯硅烷进行蒸馏提纯，得到含有二氯二氢硅和三氯氢硅混合液和四氯化硅溶液；

使所述混合液从所述精馏塔的塔顶采出口排出并输送至蒸发器，以便将所述混合液进行蒸发，得到含有三氯氢硅、二氯二氢硅和氢气的原料气；以及

使所述原料气从所述蒸发器的原料气出口排出并输送至还原炉内，以便利用所述原料气制备得到多晶硅。

由此利用上述制备多晶硅的方法中只需要一个精馏塔对氯硅烷进行处理即可得到符合还原炉制备多晶硅对三氯氢硅的要求，因此该方法较传统的具有三个精馏塔的制备多晶硅方法显著节省了设备投资，降低能耗。同时本发明的制备多晶硅的方法与需要一个精馏塔但多个侧线采出的制备多晶硅的方法相比，无需严格控制塔内各部分温度，进而可以显著降低控制和操作难度。因此本发明的制备多晶硅的方法更加简单，易操作，节省能耗。

在本发明的一些实施例中，上述制备多晶硅的方法进一步包括：利用换热器预先对输送至所述精馏塔内的氯硅烷进行预热处理，其中，所述预热处理是利用从所述精馏塔塔底采出口的排出的四氯化硅溶液作为热源进行的。

在本发明的一些实施例中，上述制备多晶硅的方法进一步包括：利用冷却器对进行所述预热处理后的四氯化硅溶液进行冷却处理。

在本发明的一些实施例中，所述氯硅烷为选自多晶硅系统中氢化工序的热氢化料和干法回收工序的干法回收料的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述精馏提纯的回流比为1～5。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的制备多晶硅的方法的流程图。

图2是根据本发明另一个实施例的制备多晶硅的方法的流程图。

图3是用于实施本发明一个实施例制备多晶硅的方法的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种制备多晶硅的方法，如图1所示，该方法具体包括：

S100：精馏塔提纯氯硅烷

通过精馏塔的进料口将氯硅烷输送至精馏塔内，以便对氯硅烷进行蒸馏提纯，得到含有二氯二氢硅和三氯氢硅混合液和四氯化硅溶液。

S200：蒸发器制备原料气

使混合液从精馏塔的塔顶采出口排出并输送至蒸发器，以便将混合液进行蒸发，得到含有三氯氢硅、二氯二氢硅和氢气的原料气。

S300：还原炉制备多晶硅

使原料气从蒸发器的原料气出口排出并输送至还原炉内，以便利用原料气制备得到多晶硅。

由此利用上述制备多晶硅的方法中只需要一个精馏塔对氯硅烷进行处理即可得到符合还原炉制备多晶硅要求的三氯氢硅，因此该方法较传统的需要三个精馏塔精馏氯硅烷制备多晶硅的方法显著节省了设备投资，降低能耗。同时利用本发明的制备多晶硅的方法制备多晶硅的方法与需要一个精馏塔但多个侧线采出的制备多晶硅的方法相比，无需严格控制塔内各部分温度，进而可以显著降低控制和操作难度。因此本发明的制备多晶硅的方法更加简单，易操作，节省能耗。

S400：换热器预热氯硅烷

根据本发明的具体实施例，如图2所示，上述制备多晶硅的方法进一步包括：利用换热器预先对输送至精馏塔内的氯硅烷进行预热处理，其中，预热处理是利用从精馏塔塔底采出口的排出的四氯化硅作为热源进行的。由此利用塔釜高温四氯化硅对干法回收料和热氢化料进行预热，同时对四氯化硅进行冷却，进而合理利用热能，显著降低能耗。

S500：冷却器冷却四氯化硅

根据本发明的具体实施例，如图2所示，上述制备多晶硅的方法进一步包括：利用冷却器对进行预热处理后的四氯化硅溶液进行冷却处理。由此可以对四氯化硅进行冷却，以便满足后续氢化工序的要求。

根据本发明的具体实施例，氯硅烷为选自多晶硅系统中氢化工序的热氢化料和干法回收工序的干法回收料的至少之一。根据本发明的另一个具体实施例，精馏提纯的回流比为1～5。由此可以进一步提高蒸馏提纯后得到的二氯二氢硅和三氯氢硅混合液体中三氯氢硅的浓度和液体四氯化硅的纯度，以便进一步满足一个精馏塔与还原炉连接。

根据本发明的具体实施例，下面参考图2描述制备多晶硅的方法的具体步骤：首先，将多晶硅系统中还原尾气干法回收工序得到的干法回收料或热氢化工序得到的热氢化料，送入换热器加热，加热后物料送入精馏塔，控制精馏塔的压力为0.2～0.6MPa（绝压），回流进料比为1～5，控制塔顶、塔釜温度和压力，以及塔顶塔釜压差，塔顶采出二氯二氢硅和三氯氢硅的混合液，塔釜采出四氯化硅，四氯化硅送入换热器冷却，冷换后的四氯化硅进 入水冷却器进一步冷却至常温送往罐区。利用上述方法可以使得塔釜采出的四氯化硅纯度大于95%，满足氢化工序的原料要求。塔顶采出的二氯二氢硅和三氯氢硅的混合液中二氯二氢硅的质量百分比为2～10%，当二氯二氢硅满足还原炉内浓度要求时，可以直接送入还原炉；当二氯二氢硅不能满足还原炉内浓度要求时，按照一定的比例将此采出物与其它工序的精馏产品混合，例如与合成原料经精馏提纯后的产品混合，使其满足还原炉内浓度要求后送入还原炉。二者物料的混合可以在贮罐中混合后送入还原炉供料装置，也可以通过调节流量分别送入还原炉供料装置。

下面参考图3所示的装置描述本发明实施例的制备多晶硅的方法的具体实施步骤，该装置100包括精馏塔10、蒸发器20和还原炉30。

其中，精馏塔10具有塔顶采出口11、塔底采出口12和进料口13；塔顶采出口11适于排出含有三氯氢硅和二氯二氢硅混合液；塔底采出口12适于排出四氯化硅溶液；进料口13适于向精馏塔内加入氯硅烷；蒸发器20具有进液口21，氢气进口22和原料气出口23，进液口21与精馏塔的塔顶采出口11相连，蒸发器适于将混合液进行蒸发，以便得到含有三氯氢硅、二氯二氢硅和氢气的原料气；还原炉30与蒸发器的原料气出口23相连，还原炉30适于利用原料气制备得到多晶硅。

根据本发明实施例的制备多晶硅的方法简化了氯硅烷精馏流程，采用单塔蒸馏，即塔底采出的四氯化硅送入氢化工序，在塔顶采出的二氯二氢硅和三氯氢硅可直接送入还原炉内用于制备多晶硅。由此，上述制备多晶硅的方法与常规三塔精馏提纯氯硅烷后制备多晶硅的方法相比，一方面减少精馏塔数量减少设备投资，一方面降低能耗。同时利用上述制备多晶硅的方法从精馏塔塔顶采出的二氯二氢硅和三氯氢硅的混合液中二氯二氢硅的质量百分比为2～10%，能够满足还原炉对二氯二氢硅浓度的要求；从精馏塔塔釜采出的四氯化硅的纯度大于95%，能够满足氢化工序的原料要求。因此本发明上述实施例的制备多晶硅的方法也无需采用多个侧线采出，因此操作简单，降低了能耗。

根据本发明的具体实施例，上述制备多晶硅的方法还可以进一步利用换热器40对输送至精馏塔10内的氯硅烷进行预热处理，换热器40具有换热进口41、换热出口42、热源进口43和热源出口44。

利用上述装置可以完成对干法回收料和热氢化料预热后进行蒸馏处理，可以显著提高精馏效率，并且精馏后得到的含有少量二氯二氢硅的三氯氢硅能够满足还原炉内制备多晶硅的要求。

根据本发明的具体实施例，精馏塔的塔底采出口12与换热器的热源进口43相连。进而利用塔釜高温四氯化硅对干法回收料和热氢化料进行预热，同时对四氯化硅进行冷却，进而合理利用热能，显著降低能耗，将需要预热的干法回收料或热氢化料与需要冷却的四 氯化硅在换热器40中直接换热，为防止换热过程二者物料的温度交叉而导致换热效果降低或换热器所需面积较大，还可以将换热器40设计成两个面积相等的换热器串联连接，由此可以进一步提高换热效率和热能利用率。

根据本发明的具体实施例，上述制备多晶硅的方法还可以进一步包括：利用冷却器50对进行预热处理后的四氯化硅溶液进行冷却处理。冷却器50与换热器40的热源出口44相连，利用冷却器50可以进一步对四氯化硅进行冷却，以便满足后续氢化工序的温度要求。进而可以避免由于塔波动或者换热器40的换热效果下降导致的四氯化硅溶液冷却不彻底。冷却器50的水量可根据四氯化硅入口温度调节或关闭，由此可以进一步节省能耗。

与现有技术相比，本发明上述实施例的制备多晶硅的方法具有以下优点：

1、本发明的制备多晶硅的方法只需一个塔，可以对干法回收料和热氢化料进行精馏提纯，塔顶采出二氯二氢硅和三氯氢硅的混合液可以直接进入还原炉用于制备多晶硅，塔底采出的四氯化硅溶液送入氢化工序，该方法与常规三个精馏塔或一个精馏塔但多个侧线采出的精馏塔相比，流程优化且操作简单。

2、将氯硅烷原料与塔底采出的四氯化硅溶液换热，实现热量匹配，降低能耗。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种制备多晶硅的方法，其特征在于，包括：

通过精馏塔的进料口将氯硅烷输送至精馏塔内，以便对氯硅烷进行蒸馏提纯，得到含有二氯二氢硅和三氯氢硅混合液和四氯化硅溶液；

使所述混合液从所述精馏塔的塔顶采出口排出并输送至蒸发器，以便将所述混合液进行蒸发，得到含有三氯氢硅、二氯二氢硅和氢气的原料气；以及

使所述原料气从所述蒸发器的原料气出口排出并输送至还原炉内，以便利用所述原料气制备得到多晶硅，

其中，利用换热器预先对输送至所述精馏塔内的氯硅烷进行预热处理，所述预热处理是利用从所述精馏塔的塔底采出口排出的四氯化硅溶液作为热源进行的，

利用冷却器对进行所述预热处理后的四氯化硅溶液进行冷却处理，

所述精馏提纯的回流比为1～5，

所述氯硅烷为选自多晶硅系统中热氢化工序的热氢化料和干法回收工序的干法回收料的至少之一。