CN106587072B

CN106587072B - 一种用于生产硅烷的隔壁塔

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Publication number: CN106587072B
Application number: CN201710072132.9A
Authority: CN
Inventors: 吴锋; 田新; 王德芸; 崔会为
Original assignee: Jiangsu Xinhua Semiconductor Materials Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Xinhua Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2018-09-11
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: CN106587072A

Abstract

本发明公开了一种用于生产硅烷的隔壁塔，塔身自上而下依次为上塔区1、中塔区2和下塔区3，塔身一侧为进料侧，塔身另一侧为出料侧；所述中塔区包含靠近进料侧的中塔板区和靠近侧线出料侧的中填料区，所述以中塔板区和中填料区以隔壁进行分隔。使用本发明隔壁塔能够减少设备投资，减小占地面积，运行过程中也较为节能，提高了反应转化率，对于硅烷成本降低有较大优势。

Description

一种用于生产硅烷的隔壁塔

技术领域

本发明涉及多晶硅生产中的设备，具体涉及一种用于生产硅烷的隔壁塔。

背景技术

现有硅烷的制造方法主要有改良西门子法、日本小松电子法(硅化镁法)、氢化锂还原三氯氢硅法、美国MEMC公司专有的氢化铝钠还原四氟化硅法和氯硅烷经氢化和二次歧化反应法(UCC法)，这些工艺路线都存在自身的缺陷，例如原料的限制、生产成本高昂、反应转化率低等。这些因素使得硅烷的生产技术门槛较高，集中于有限的几家生产企业，也造成了作为原料的硅烷在多晶硅制造领域应用不是很广泛，仅在流化床法颗粒硅生产领域得到了普遍应用。

相比于现有改良西门子法的原料三氯氢硅而言，硅烷的提纯难度较低，沉积温度也低，在生产电子级多晶硅时有较大优势，但是限于种种原因，硅烷并没有成为多晶硅生产的第一原料选择，硅烷为原料的技术路线还有很多难点需要得到突破。

在目前较为主流的歧化法中，多采用固体催化剂在反应器中进行歧化，单次产率低，造成运行能耗的设备投资较高，已有专利提出液体催化剂也可用于此歧化反应，因此有必要提供一种专用的反应设备用于生产，从而获得低成本硅烷来制造电子级多晶硅。

现有技术中，使用单塔反应精馏时，在分离段催化剂依旧作用，常常导致发生逆反应，降低了反应转化率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：利用一种用于生产硅烷的隔壁塔进行反应精馏制取高纯硅烷，以降低硅烷生产成本。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种用于生产硅烷的隔壁塔，塔身自上而下依次为上塔区1、中塔区2和下塔区3，塔身一侧为进料侧，塔身另一侧为出料侧；所述中塔区包含靠近进料侧的中塔板区201和靠近侧线出料侧的中填料区202，所述中塔板区和填料区以隔壁203进行分隔。

所述上塔区、中塔区和下塔区的长度比例为1：5～20：1～2。

所述中塔板区的总塔板数为50～80，所述中填料区202采用规整填料，填料的高度和中塔板区201相同。

所述上塔区1和下塔区3可为空塔或加装1～15块塔板。

所述中塔板区203的横截面积为所述隔壁塔的截面55～70％；

所述进料侧在所述中塔板区上部设有第一进料口4，在所述中塔板区201的45～70％高处设有第二进料口5、所述下塔区中部设有第三进料口6、所述下塔区底部设有第四出料口11。

所述出料侧在所述隔壁塔的上塔区顶部设有第一出料口7，所述上塔区上部设有第四进料口10，在所述中填料区的20～35％高处设有第二出料口8，在所述隔壁塔的下塔区设有第三出料口9。

使用本发明的隔壁塔时，通过管道顺序连接第一出料口7、第一冷凝器12和第四进料口10以进行上塔区的回流，第一冷凝器12和第四进料口10之间的管道设有硅烷出料口14，以采出硅烷；通过管道顺序连接第四出料口11、第一再沸器13和第四进料口6以进行下塔区3的塔底循环。

一种使用隔壁塔生产硅烷的方法，包括以下步骤：

(1)将液体催化剂通过第一进料口4引入所述隔壁塔中，将三氯氢硅通过的第二进料5引入所述隔壁塔中；

(2)上塔区的回流分别进入所述中塔板区201和中填料区202；

(3)上塔区采出硅烷，下塔区的第三出料口9采出含2～10％氯硅烷的液体催化剂，侧线的第二出料口8采出四氯化硅、三氯氢硅的混合物。

步骤(1)中，所述隔壁塔的塔内参数为：压力10～30个大气压，上塔区温度-60～-25℃，下塔区温度120～300℃，回流比0.5～6：1，优选为3.2～6：1；所述液体催化剂为液体脂肪胺与液体芳香胺混合的液体催化剂，参考中国专利2013106740842中使用的液体催化剂，下塔区采出的含2～10％质量百分比的氯硅烷的液体催化剂可循环使用，当催化效率降低到一定程度后，可以补充入入新鲜的所述液体脂肪胺与液体芳香胺混合的液体催化剂，将液体催化剂中氯硅烷的含量控制在质量百分比2～10％。

步骤(2)中，所述上塔区回流进入中塔板区和中填料区的液相分配比为1.5～5：1。

现有技术中的隔壁塔，中塔区隔壁两侧通常都为塔板区，本发明中塔区的进料侧为中塔板区，中塔区的出料侧为中填料区。出料侧为中填料区可以在同样高度的情况下提供更多的理论板数，同时中填料区本身不作为反应的空间，主要起到精馏分离的作用，可以更加有效的将硅烷、氯硅烷和液体催化剂分离开，大幅提高塔顶硅烷的质量分数。

生产硅烷时，首先调节回流比、上塔区采出和侧线采出，在上塔区得到硅烷含量合适的产品。为了获得更高的收率并降低能耗，进入中塔板区和中填料区的上塔区回流需要调节液相分配比，以提高中塔板区的反应效率，并调节中填料区的精馏效率。

为此，本发明设计了如下的工艺调节公式：

液相分配比Z按照下式确定：

Z＝AX+BX²+CY

其中，Z为上塔区回流的液相分配比，X为中塔板区的横截面积与截面总面积之比，Y为隔壁塔回流比，A、B、C分别为用于调整液相分配比的参数。

优选的，A取1～1.2，B取2～2.5，C取0.4～0.5。

液相分配比是隔壁塔运行中的重要控制参数，特别是本发明中的隔壁塔是用于反应精馏，直接关系到一次反应转化率和整体精馏效果的好坏。从理论上而言，液相分配比应该由中塔板区和中填料区的体积比例相关，因此将中塔板区的横截面积与截面总面积之比X作为决定液相分配比的一个变量。

同时，塔顶回流比对于普通精馏塔而言越大越好，但是对于本发明而言，回流比会造成塔内反应产物的富集，并不利于反应的发生，中塔板区为主反应区，回流比的增加不应该使得该区域内反应产物同比例增大，而应该小于中填料区的增加比例，因此将回流比也作为液相分配比的一个变量，比例因数C的取值范围定为0.4～0.5。

通过对理论计算和中试的结果进行线性模拟回归发现，A取1～1.2，B取2～2.5可以使得反应的总转化率较高，在较低的回流比下塔顶也能够采取纯度较高的硅烷产品，整个生产体系能够保持在一个较为高效节能的操作状态。

通过隔壁塔操作，减少了反应能耗。塔内各部分近乎只存在两个组分的分离，有效减少了中间组分的返混造成的熵的增加，使得热力学效率大幅度提高。

普通精馏塔内液体催化剂的质量分数在5％～15％，本发明通过隔壁塔的结构以及反应体系、加料位置的选择，可以使液体催化剂主要集中在中塔板区，填料区里基本没有液体催化剂，避免了逆反应的发生，提高了反应转化率，这使得体系的反应动力学效率也大幅度提高。

在采用普通精馏塔单塔反应精馏时，整体110块塔板数时，22个大气压下，回流比为2，上塔区的硅烷百分比为76％，而采用本发明的隔壁塔，塔板区塔板数为60块，填料区理论板为65块，同样条件下，硅烷的百分比可以达到85％以上。

同样，上述实例中，采用普通精馏塔单塔精馏后还需要加分离装置用于分离液体催化剂和氯硅烷，每公斤的硅烷蒸汽能耗为36200KJ。而采用本发明的隔壁塔每公斤的硅烷蒸汽能耗为27500KJ。

有益效果：使用本发明隔壁塔能够减少设备投资，减小占地面积，运行过程中也较为节能，提高了反应转化率，对于硅烷成本降低有较大优势。

附图说明

图1为本发明的隔壁塔的剖面结构示意图，其中1为上塔区、2为中塔区、201为中塔板区，202中填料区、203为隔壁、3为下塔区、4为第一进料口，5为第二进料口、6为第三进料口、7为第一出料口，8为第二出料口、9为第三出料口、10为第四进料口、11为第四出料口。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

结合附图1所示，一种用于生产硅烷的隔壁塔，塔身自上而下依次为上塔区1、中塔区2和下塔区3，塔身一侧为进料侧，塔身另一侧为出料侧；所述中塔区包含靠近进料侧的中塔板区201和靠近侧线出料侧的中填料区202，以隔壁203进行分隔；所述中塔板区201的总塔板数为50～80，所述中填料区202采用规整填料，填料的高度和中塔板区相同；所述上塔区1和下塔区3为空塔；所述中塔板区的横截面积为所述隔壁塔的截面55％；所述进料侧在所述中塔板区上部设有第一进料口4，在所述中塔板区的45％高处设有第二进料口5、所述下塔区中部设有第三进料口6；所述出料侧在所述隔壁塔的上塔区设有第一出料口7，在所述中填料区的20～35％高处设有第二出料口8，在所述隔壁塔的下塔区设有第三出料口9。

实施例2：使用实施例1中的隔壁塔生产硅烷

设置隔壁塔的塔内参数为：压力20个大气压，上塔区温度-28℃，下塔区温度225℃，回流比为3.2：1，中塔区安装60块塔板，中塔板区的横截面积为所述隔壁塔的截面60％，在所述中塔板区的45％高处设有第二进料口，上、下塔区不设塔板；

根据隔壁塔的塔内参数，取A、B、C分别为1.1、2.1、0.4，确定液相分配比为2.7:1；

采用辛烷和三辛胺的混合物为液体催化剂，其中辛烷摩尔分数为30％，将液体催化剂自第一进料口4引入所述隔壁塔中，进料量为1200kg/h；将三氯氢硅自第二进料口5进料，进料量为3500kg/h，上塔区第一出料口7采出硅烷，出料量为210kg/h，硅烷的质量分数为91％，下塔区第三出料口9采出液体催化剂，出料量为1260kg/h；侧线第二出料口8采出四氯化硅、三氯氢硅的混合物，出料量为3230kg/h。

实施例3：使用实施例1中的隔壁塔生产硅烷

采用实施例1中的隔壁塔，使用实施例2中的塔内参数，所不同的是塔板区塔板数为30块，填料区理论板为65块，压力为22个大气压，回流比为2，上塔区温度为-25℃，下塔区温度为231℃，塔顶出料中硅烷的质量百分比可以达到85％以上，每公斤的硅烷蒸汽能耗为27500KJ。

对比例1：使用传统的单塔反应精馏生产硅烷

使用传统的单塔反应精馏生产硅烷，精馏塔需要使用整体110块塔板，22个大气压下，回流比为2，上塔区温度为-23℃，下塔区温度为231℃，塔顶的硅烷百分比只能达到76％，每公斤的硅烷蒸汽能耗为36200KJ。单塔精馏后还需要加分离装置用于分离液体催化剂和氯硅烷。

对比例2：使用纯板式隔壁塔反应精馏生产硅烷

使用纯板式隔壁塔反应精馏生产硅烷，设置隔壁塔的塔内参数为：压力20个大气压，上塔区温度-28℃，下塔区温度225℃，回流比为3.2：1，进料侧塔区安装60块塔板，侧线采出侧塔区安装60块塔板，进料侧塔区的横截面积为所述隔壁塔的截面60％，在所述中塔板区的45％高处设有第二进料口，上、下塔区不设塔板；液相分配比为2.7:1；

采用辛烷和三辛胺的混合物为液体催化剂，其中辛烷摩尔分数为30％，将液体催化剂自第一进料口引入所述隔壁塔中，进料量为1200kg/h；将三氯氢硅自第二进料口进料，进料量为3500kg/h，上塔区采出硅烷，出料量为190kg/h，硅烷的质量分数为85％，下塔区采出液体催化剂，出料量为1250kg/h；侧线采出四氯化硅、三氯氢硅的混合物，出料量为3250kg/h。

Claims

1.一种生产硅烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将液体催化剂通过第一进料口（4）、将三氯氢硅通过第二进料（5）引入隔壁塔中；

（2）上塔区（1）的回流分别进入中塔板区（201）和中填料区（202）；

（3）上塔区（1）采出硅烷，下塔区的第三出料口（9）采出含2~10%质量百分比氯硅烷的液体催化剂，侧线的第二出料口（8）采出四氯化硅、三氯氢硅的混合物；

步骤（1）中，所述隔壁塔的塔内参数为：压力10~30个大气压，上塔区温度-60~-25℃，下塔区温度120~300℃，回流比0.5~6：1；

步骤（2）中，所述上塔区回流的液相分配比按照下式确定：

Z=AX+BX²+CY

其中，Z为上塔区回流的液相分配比，X为中塔板区的横截面积与截面总面积之比，Y为隔壁塔回流比，A为1~1.2，B为2~2.5，C为0.4~0.5；

所述隔壁塔的塔身自上而下依次为上塔区（1）、中塔区（2）和下塔区（3），塔身一侧为进料侧，塔身另一侧为出料侧；所述中塔区（2）包含靠近进料侧的中塔板区（201）和靠近侧线出料侧的中填料区（202），所述中塔板区和中填料区以隔壁（203）进行分隔；所述上塔区（1）、中塔区（2）和下塔区（3）的长度比例为1：5~20：1~2；所述中塔板区（201）的总塔板数为50~80，所述中填料区（202）采用规整填料，填料的高度和中塔板区相同；

所述进料侧在所述中塔板区（201）上部设有第一进料口（4），在所述中塔板区（201）的45~70%高处设有第二进料口（5）、所述下塔区中部设有第三进料口（6）、所述下塔区底部设有第四出料口（11）；

所述出料侧在所述隔壁塔的上塔区（1）顶部设有第一出料口（7），所述上塔区上部设有第四进料口（10），在所述中填料区的20~35%高处设有第二出料口（8），在所述隔壁塔的下塔区（3）设有第三出料口（9）。

2.根据权利要求1所述生产硅烷的方法，其特征在于，所述上塔区（1）和下塔区（3）可为空塔或加装1~15块塔板。

3.根据权利要求1所述生产硅烷的方法，其特征在于，所述中塔板区（201）的横截面积为所述隔壁塔的截面55~70%。