CN104003403B - 一种氯硅烷中不凝气的解吸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，包括如下工艺步骤：第一步：对混合气进行换热降温；第二步：换热降温后，进行一次洗涤；第三步：对一次洗涤后的气相进行一次冷凝；第四步：对一次冷凝后的气相加压至0.8-1.5MPa；第五步：加压后的气相进行二次洗涤；第六步：二次洗涤后的气相进行二次冷凝；第七步：二次冷凝后的气相进行三次冷凝；第八步：三次冷凝后的气相进行四次冷凝；将所述第二步、第五步、第七步和第八步产生的液相全部进行解吸，解吸后再沸得到氯硅烷液。本发明该解吸装置充分利用了混合气中的余热，大大减小了整个工艺的能耗，同时还能保证解吸后硅烷含不凝气的量在5ppm以下。

Description

一种氯硅烷中不凝气的解吸方法

技术领域

本发明涉及一种多晶硅生产工艺中氯硅烷原料的提纯方法，尤其涉及一种氯硅烷中不凝气的解吸方法。

背景技术

氯硅烷（包括但不限于四氯化硅、三氯氢硅、二氯硅烷的统称）在实际生产中多为气相反应，通常与氢气、氯化氢等以混合气形式离开反应器。在氯硅烷中溶解有较多量的不凝气，含有不凝气的氯硅烷不利于多晶硅的生产，因此，在工业上都会尽可能的除去氯硅烷中的不凝气（包括但不限于氢气、氯化氢、氮气）。对这些气相氯硅烷进行多级冷凝、加压、再多级冷凝的方式完成氯硅烷和不凝气（包括但不限于氢气、氯化氢、氮气）的基本分离。多晶硅企业通常采用循环水冷——低温水冷——加压-35℃氟利昂冷——-65℃氟利昂冷的方式将氯硅烷和不凝气体进行分离，不同工艺中温度和冷凝级数的控制根据实际情况而制定。采用冷凝的方式去除氯硅烷中的不凝气（包括但不限于氢气、氯化氢、氮气）时，不凝气（包括但不限于氢气、氯化氢、氮气）氯硅烷又会溶解部分不凝气，其中四氯化硅组分对不凝气的溶解十分明显。例如，15000kg氯硅烷混合液（四氯化硅质量分数0.78）在2.5MPaG-30℃下溶解氢气约30Nm³。这些溶解的不凝气对多晶硅后续生产工序会产生较大的影响，因此，工业上都会采取措施来除去氯硅烷中的不凝气，现有除去氯硅烷中的不凝气主要有以下几种方法：

1、精馏塔尾冷法，这种方法是在对氯硅烷混合液进行分离时，在塔顶冷凝器后加上低温换热器（-20℃以下），不凝气即从低温换热器以气相排出。该方法优点在于增加设备少，解吸效果好，且利用了精馏塔完成精馏提纯的热负荷，不增加蒸汽消耗，缺点在于低温换热器（通常由氟利昂机组提供冷量）负荷大、电耗高。

2、闪蒸储槽直接加低温换热器法，这种方法是利用大型卧式储槽在减压后（0.05-1MPaG）对含不凝气氯硅烷自由闪蒸并在闪蒸气出口加低温换热器回收气体中的氯硅烷，优点是利用原有储槽额外增加换热器即可，投资小且基本无操作。缺点是解吸效果差，大量的不凝气仍存在于氯硅烷混合液中。

3、闪蒸储槽直接加低温换热器法+精馏塔尾冷法，先采用闪蒸储槽直接加低温换热器法除去部分不凝气，然后采用精馏塔尾冷法继续除去剩余的不凝气，这种方法具有方法1和2的优点，除气效果较好，缺点在于低温换热器（通常由氟利昂机组提供冷量）负荷大、电耗高。

4、解吸塔法，解吸塔法是针对多晶硅还原尾气的氯硅烷、氢气和氯化氢分离的装置，其结构与精馏塔尾冷法基本相同，区别在于解吸塔无需将不同的氯硅烷组分分开，可以大幅度降低塔顶气相温度，减小了塔顶冷媒耗量。因此解吸塔法得到了普遍的应用。

如图1所示，解吸塔法的具体工艺步骤为：将反应装置送过来的混合气依次进行一次水凝（用水冷器完成）、压缩（用压缩机完成）、一次水凝（用水冷器完成）、换热（用换热器完成）、一次冷凝（用冷凝器完成）和二次冷凝（用冷凝器完成）后，析出不凝气。将一次水凝、二次水凝、换热、一次冷凝和二次冷凝中冷凝下来的物质送入到解吸塔中，将解吸塔塔顶的物质进行三次水凝（用水冷器完成）和三次冷凝（用冷凝器完成）析出解吸气排出后送入到解吸塔中，解吸塔下面的物质送入到再沸器中进行处理，得到氯硅烷。

这种解吸方法存在以下缺陷：反应装置出来的混合气的温度超过100℃，该方法将混合器直接进行水凝，浪费了混合器中的热量，同时还增加了水冷器的负担，没有对混合气中的余热进行充分利用，增加了整个工艺的能耗。而且直接对混合器进行冷凝，液相过冷会增加不凝气在硅烷中的溶解量，使得不凝气融入到硅烷中，不利于不凝气的析出；压缩后的混合气体直接进行冷凝，使得液相过冷，不凝气进一步融入到硅烷中，也不利于不凝气的析出；该方法的解吸塔顶部增设了冷凝设备，使得解吸塔结构复杂，冷量消耗大，耗能大。

发明

为了克服上述氯硅烷中不凝气的解吸方法的缺陷，本发明提供了一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，该解吸方法充分利用了混合气中的余热，大大减小了整个工艺的能耗，同时还能保证解吸后氯硅烷含不凝气的量在5ppm以下。

一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

第一步：对混合气进行换热降温；

第二步：换热降温后，进行一次洗涤；

第三步：对一次洗涤后的气相进行一次冷凝；

第四步：对一次冷凝后的气相加压至0.8-1.5MPa；

第五步：加压后的气相进行二次洗涤；

第六步：二次洗涤后的气相进行二次冷凝；

第七步：二次冷凝后的气相进行三次冷凝；

第八步：三次冷凝后的气相进行四次冷凝；

将所述第二步、第五步、第七步和第八步产生的液相全部进行解吸，解吸后再沸得到氯硅烷液。

所述第六步与第七步之间还设置有二次换热步骤，二次换热步骤后的气相进行三次冷凝，液相进行解吸，解吸后再沸得到氯硅烷液。

在第一步中：用第一换热器对混合气进行换热降温，第二步中：用第一洗涤塔进行一次洗涤，第三步中：用第一冷凝器进行一次冷凝，第四步中：用压缩机进行加压，第五步中：用第二洗涤塔进行二次洗涤，第六步中：用第二冷凝器进行二次冷凝，第七步中：用第三冷凝器进行三次冷凝，第八步中：用第四冷凝器进行四次冷凝，用第二换热器进行二次换热步骤。

所述第一换热器换热降温后得到的液相和气相均通入到第一洗涤塔中进行一次洗涤，第一洗涤塔中的液相通过管道送入到解吸塔中，第一洗涤塔中的气相通过导管送入到第一冷凝器中，第一冷凝器中液相通过管道送入到第一洗涤塔中，第一冷凝器中的气相通过管道送入到压缩机中，压缩后通过管道送入到第二洗涤塔中，第二洗涤塔中的液相通过管道送入到解吸塔中，第二洗涤塔中的气相送入到第二冷凝器中，第二冷凝器中的液相通过管道送入到第二洗涤塔中，第二冷凝器中的气相送入到第二换热器中，第二换热器中的液相通过管道送入到解吸塔中，第二换热器中的气相通过管道送入到第三冷凝器中，第三冷凝器中的气相通入到第四冷凝器中，第三冷凝器中的液相通过管道送入到解吸塔中，第四冷凝器的液相通过管道送入到解吸塔中，气相为不凝气，解吸塔解吸后，送入到再沸器中进行处理后得到氯硅烷液。

用到的设备的连接关系如下：

第一换热器与第一洗涤塔相连，第一洗涤塔与第一冷凝器相连，第一冷凝器与压缩机相连，压缩机与第二洗涤塔相连，第二洗涤塔与第一换热器相连，第二洗涤塔与第二冷凝器相连，第二冷凝器与第二换热器相连，第二换热器与第三冷凝器相连，第三冷凝器与第四冷凝器相连，所述第一洗涤塔、第二洗涤塔、第二换热器、第三冷凝器和第四冷凝器均与解吸塔相连，解吸塔连接有再沸器。

第一冷凝器为水冷装置，该水冷装置包括循环水冷器和低温水水冷器，循环水冷器的出料口与低温水冷器的进料口相连，循环水冷器的进料口与第一洗涤塔相连，低温冷水器的出料口与压缩机相连。

第二冷凝器为水冷装置，该水冷装置包括循环水冷器和低温水水冷器，循环水冷器的出料口与低温水冷器的进料口相连，循环水冷器的进料口与第二洗涤塔相连，低温冷水器的出料口与第二换热器相连。

本发明中的混合气是指三氯氢硅合成炉反应后生产的混合气体，主要成分有四氯化硅、三氯氢硅、二氯硅烷、氢气、氯化氢和氮气等。

本发明具有以下优点：

1、本发明的工艺步骤为：第一步：对混合气进行换热降温；第二步：换热降温后，进行一次洗涤；第三步：对一次洗涤后的气相进行一次冷凝；第四步：对一次冷凝后的气相加压至0.8-1.5MPa；第五步：加压后的气相进行二次洗涤；第六步：二次洗涤后的气相进行二次冷凝；第七步：二次冷凝后的气相进行三次冷凝；第八步：三次冷凝后的气相进行四次冷凝；将所述第二步、第五步、第七步和第八步产生的液相全部进行解吸，解吸后再沸得到氯硅烷液。本发明的目的是提纯氯硅烷，将氯硅烷中的不凝气除去，使得氯硅烷含不凝气的量在5ppm以下，到达制取多晶硅的要求。本发明相对于现有处理方法，相对对混合气进行换热降温，将混合气的温度从超过100℃降到60℃到80℃之间，避免液相温度过冷，造成不凝气溶解在氯硅烷中。同时本发明还增加了一次洗涤和二次洗涤，通过这两次洗涤的作用，使得解吸塔塔顶不再增设换热器和冷凝器就可得到纯度高的氯硅烷，简化了解吸塔，从而也减小了能耗。而且经过两次洗涤的作用氯硅烷中的不凝气完全不会因为液相过冷造成不凝气溶解，充分保证不凝气在氯硅烷中的含量少于5ppm。

本发明用到的设备包括四台冷凝器、压缩机、两台换热器和解吸塔，其特征在于：还包括两座洗涤塔，四台冷凝器分别为第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器和第四冷凝器，两台换热器分别为第一换热器和第二换热器，两座洗涤塔分别为第一洗涤塔和第二洗涤塔，第一换热器与第一洗涤塔相连，第一洗涤塔与第一冷凝器相连，第一冷凝器与压缩机相连，压缩机与第二洗涤塔相连，第二洗涤塔与第一换热器相连，第二洗涤塔与第二冷凝器相连，第二冷凝器与第二换热器相连，第二换热器与第三冷凝器相连，第三冷凝器与第四冷凝器相连，所述第一洗涤塔、第二洗涤塔、第二换热器、第三冷凝器和第四冷凝器均与解吸塔相连，解吸塔连接有再沸器。本发明在现有的氯硅烷不凝气的解吸装置增设了两座洗涤塔和一个换热器，通过换热器的作用将两座洗涤塔中的采出液和混合气进行热交换，充分利用了混合气中的余热，使得混合气再进入到第一冷凝器时温度从超过100℃降到了60-80℃之间，这样处理的好处在于：充分利用了混合气中的余热，对两座洗涤塔中的采出液进行热交换，节约了能源，减少了热能的损失；经过换热之后混合气的温度在60-80℃之间，相对于超过100℃来说，液相温度不会过冷，这样也就不会造成不凝气溶解在氯硅烷中，使得氯硅烷中的不凝气解吸彻底，保证氯硅烷中的含不凝气的量在5ppm以下。由于本发明设置的洗涤塔，使得解吸塔塔顶不再增设换热器和冷凝器就可得到纯度高的氯硅烷，简化了解吸塔，从而也减小了能耗。

2、本发明第一冷凝器和第二冷凝器为水冷装置，该水冷装置包括循环水冷器和低温水水冷器，循环水冷器和低温水冷器连接在一起。这样结构的冷凝器冷凝效果好，且液相不会过冷，减少不凝气在氯硅烷中的溶解量，保证氯硅烷中的含不凝气的量在5ppm以下。

附图说明

图1为现有技术的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图。

图中标记1.混合气，2.氯硅烷液，3.不凝气，4.解吸气，5.第一冷凝器，6.压缩机7.第二冷凝器，8.第二换热器，9.第三冷凝器，10.第四冷凝器，11.解吸塔，12.再沸器，13.第一换热器，14.第一洗涤塔，15.第二洗涤塔。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的是一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

第一步：对混合气进行换热降温；

第二步：换热降温后，进行一次洗涤；

第三步：对一次洗涤后的气相进行一次冷凝；

第四步：对一次冷凝后的气相加压至0.8MPa；

第五步：加压后的气相进行二次洗涤；

第六步：二次洗涤后的气相进行二次冷凝；

第七步：二次冷凝后的气相进行三次冷凝；

第八步：三次冷凝后的气相进行四次冷凝；

将所述第二步、第五步、第七步和第八步产生的液相全部进行解吸，解吸后再沸得到氯硅烷液。

所述第六步与第七步之间还设置有二次换热步骤，二次换热步骤后的气相进行三次冷凝，液相进行解吸，解吸后再沸得到氯硅烷液。

在第一步中：用第一换热器13对混合气进行换热降温，第二步中：用第一洗涤塔14进行一次洗涤，第三步中：用第一冷凝器5进行一次冷凝，第四步中：用压缩机6进行加压，第五步中：用第二洗涤塔15进行二次洗涤，第六步中：用第二冷凝器7进行二次冷凝，第七步中：用第三冷凝器9进行三次冷凝，第八步中：用第四冷凝器10进行四次冷凝，用第二换热器8进行二次换热步骤。

所述第一换热器13换热降温后得到的液相和气相均通入到第一洗涤塔14中进行一次洗涤，第一洗涤塔14中的液相通过管道送入到解吸塔11中，第一洗涤塔14中的气相通过导管送入到第一冷凝器5中，第一冷凝器5中液相通过管道送入到第一洗涤塔14中，第一冷凝器5中的气相通过管道送入到压缩机6中，压缩后通过管道送入到第二洗涤塔15中，第二洗涤塔15中的液相通过管道送入到解吸塔11中，第二洗涤塔15中的气相送入到第二冷凝器7中，第二冷凝器7中的液相通过管道送入到第二洗涤塔15中，第二冷凝器7中的气相送入到第二换热器8中，第二换热器8中的液相通过管道送入到解吸塔11中，第二换热器8中的气相通过管道送入到第三冷凝器9中，第三冷凝器9中的气相通入到第四冷凝器10中，第三冷凝器9中的液相通过管道送入到解吸塔11中，第四冷凝器10的液相通过管道送入到解吸塔11中，气相为不凝气，解吸塔11解吸后，送入到再沸器12中进行处理后得到氯硅烷液2。

本发明用到的设备包括四台冷凝器、压缩机6、两台换热器、解吸塔11和两座洗涤塔，四台冷凝器分别为第一冷凝器5、第二冷凝器7、第三冷凝9和第四冷凝器10，两台换热器分别为第一换热器13和第二换热器8，两座洗涤塔分别为第一洗涤塔14和第二洗涤塔15，第一换热器13与第一洗涤塔14相连，第一洗涤塔14与第一冷凝器5相连，第一冷凝器5与压缩机6相连，压缩机6与第二洗涤塔15相连，第二洗涤塔15与第一换热器8相连，第二洗涤塔15与第二冷凝器7相连，第二冷凝器7与第二换热器8相连，第二换热器8与第三冷凝器9相连，第三冷凝器9与第四冷凝器10相连，所述第一洗涤塔14、第二洗涤塔15、第二换热器8、第三冷凝器9和第四冷凝器10均与解吸塔11相连，解吸塔11连接有再沸器12。

第一冷凝器5为水冷装置，该水冷装置包括循环水冷器和低温水水冷器，循环水冷器的出料口与低温水冷器的进料口相连，循环水冷器的进料口与第一洗涤塔相连，低温冷水器的出料口与压缩机相连。

第二冷凝器7为水冷装置，该水冷装置包括循环水冷器和低温水水冷器，循环水冷器的出料口与低温水冷器的进料口相连，循环水冷器的进料口与第二洗涤塔相连，低温冷水器的出料口与第二换热器8相连。

超过100℃的混合气1和第一洗涤塔14、第二洗涤塔15采出液在第一换热器13进行热交换。交换后，混合气温度在60-80℃之间，然后进入第一洗涤塔14洗涤后在第一换热器13处冷凝得到混合氯硅烷液，这部分混合氯硅烷全部返回第一洗涤塔14顶部，通过管道进入到解吸塔11中。

而从第一换热器13分离出的气相利用压缩机6加压至0.8MPaG后进入第二洗涤塔15洗涤后在第二冷凝器7冷凝得到混合氯硅烷液，这部分混合氯硅烷液全部返回第二洗涤塔15顶部，通过管道进入到解吸塔11中。

从第二冷凝器7分离出的气相在第二换热器8进行热交换，冷凝得到的混合氯硅烷液全部通过管道进入到解吸塔11中。而第二换热器8中的气相连续经过第三冷凝器9和第四冷凝器10后温度降至-65℃左右即得到氯硅烷含量小于0.05%（摩尔分数）的不凝气；而第三冷凝器9和第四冷凝器10冷凝得到的混合氯硅烷液全部通过管道进入到解吸塔11中。

所有进入到解吸塔11中的混合氯硅烷液，通过解吸塔11的作用，气相排出得到解吸气4，而液相进入到再沸器12中进行处理，得到氯硅烷溶液2。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同的是：第四步：对一次冷凝后的气相加压至1.2MPa。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同的是：第四步：对一次冷凝后的气相加压至1.5MPa。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同的是：第四步：对一次冷凝后的气相加压至1.0MPa。

本发明充分利用了原始气相物料的热值，避免了交替冷热的能量损失，同时规避了原换热器式控温冷凝会导致的液相过冷溶解较多不凝气的情况，保证了解吸后的氯硅烷混合液不凝气含量在5ppm以内。本发明区别于一般的工艺最特殊的地方在于尾气余热的利用和洗涤塔的设立。解吸塔根据温度的不同，多点进料，从而可以取消解吸塔塔顶换热器，简化了解吸塔，同时还减少了能源的消耗。

本发明的前端设立的洗涤塔充分节约了原冷凝系统的前端冷量，通过这样的洗涤方式达到了提高液相氯硅烷温度的目的。不同温度的冷凝且分别进解吸塔也减小了解吸塔顶的冷量消耗，同时去掉了塔顶的冷凝设备。

Claims (6)

1.一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

第一步：对混合气进行换热降温；

第二步：换热降温后，进行一次洗涤；

第三步：对一次洗涤后的气相进行一次冷凝；

第四步：对一次冷凝后的气相加压至0.8-1.5MPa；

第五步：加压后的气相进行二次洗涤；

第六步：二次洗涤后的气相进行二次冷凝；

第七步：二次冷凝后的气相进行三次冷凝；

第八步：三次冷凝后的气相进行四次冷凝；

将所述第二步、第五步、第七步和第八步产生的液相全部进行解吸，解吸后再沸得到氯硅烷液。

2.根据权利要求1所述的一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，其特征在于：所述第六步与第七步之间还设置有二次换热步骤，二次换热步骤后的气相进行三次冷凝，液相进行解吸，解吸后再沸得到氯硅烷液。

3.根据权利要求1或2所述的一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，其特征在于：在第一步中：用第一换热器对混合气进行换热降温，第二步中：用第一洗涤塔进行一次洗涤，第三步中：用第一冷凝器进行一次冷凝，第四步中：用压缩机进行加压，第五步中：用第二洗涤塔进行二次洗涤，第六步中：用第二冷凝器进行二次冷凝，第七步中：用第三冷凝器进行三次冷凝，第八步中：用第四冷凝器进行四次冷凝。

4.根据权利要求3所述的一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，其特征在于：所述第一换热器换热降温后得到的液相和气相均通入到第一洗涤塔中进行一次洗涤，第一洗涤塔中的液相通过管道送入到解吸塔中，第一洗涤塔中的气相通过导管送入到第一冷凝器中，第一冷凝器中液相通过管道送入到第一洗涤塔中，第一冷凝器中的气相通过管道送入到压缩机中，压缩后通过管道送入到第二洗涤塔中，第二洗涤塔中的液相通过管道送入到解吸塔中，第二洗涤塔中的气相送入到第二冷凝器中，第二冷凝器中的液相通过管道送入到第二洗涤塔中，第二冷凝器中的气相送入到第二换热器中，第二换热器中的液相通过管道送入到解吸塔中，第二换热器中的气相通过管道送入到第三冷凝器中，第三冷凝器中的气相通入到第四冷凝器中，第三冷凝器中的液相通过管道送入到解吸塔中，第四冷凝器的液相通过管道送入到解吸塔中，气相为不凝气，解吸塔解吸后，送入到再沸器中进行处理后得到氯硅烷液。

5.根据权利要求3所述的一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，其特征在于：其特征在于：第一冷凝器为水冷装置，该水冷装置包括循环水冷器和低温水冷器，循环水冷器的出料口与低温水冷器的进料口相连，循环水冷器的进料口与第一洗涤塔相连，低温冷水器的出料口与压缩机相连。

6.根据权利要求4所述的一种氯硅烷中不凝气的解吸方法，其特征在于：其特征在于：第二冷凝器为水冷装置，该水冷装置包括循环水冷器和低温水冷器，循环水冷器的出料口与低温水冷器的进料口相连，循环水冷器的进料口与第二洗涤塔相连，低温冷水器的出料口与第二换热器相连。