CN106621757B

CN106621757B - 氯硅烷分析废气回收处理装置和处理方法

Info

Publication number: CN106621757B
Application number: CN201710093596.8A
Authority: CN
Inventors: 李飞明; 王立军
Original assignee: Tokuyama Chemicals Zhejiang Co ltd
Current assignee: Tokuyama Chemicals Zhejiang Co ltd
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2037-02-21
Also published as: CN106621757A

Abstract

本发明公开了一种氯硅烷分析废气回收处理装置和处理方法，其中所述装置包括依次密封连接的冷凝回收装置、醇解反应吸收装置和碱液吸收装置；冷凝回收装置，对氯硅烷分析废气进行物理冷凝回收；醇解反应吸收装置，通过醇与氯硅烷的反应吸收剩余的氯硅烷气体；碱液吸收装置，醇解反应产生的氯化氢气体和极微量未反应的氯硅烷气体通过碱液吸收。本发明装置简单、安装方便、容易操作，对氯硅烷分析废气的回收高效，具有安全、环保和清洁的特点，适于推广应用。

Description

氯硅烷分析废气回收处理装置和处理方法

技术领域

本发明涉及实验室废气回收处理技术领域，具体涉及结构简单、组装及拆卸方便、易清洗的氯硅烷分析废气回收处理装置和处理方法。

背景技术

多晶硅是制造半导体器件、集成电路、太阳能电池的基础材料。近年来，计算机技术、互联网产业的不断发展，同时人们对环境保护、节能减排和利用清洁能源呼声的日益提高，使得多晶硅产业蓬勃发展。随着多晶硅及相关行业的兴起发展，对于作为生产多晶硅主要原料的三氯氢硅和多晶硅副产物四氯化硅等氯硅烷的产量、质量日益重视，对其的研究、分析持续深入进行。

多晶硅是一种超高纯材料，因此对其原料三氯氢硅的杂质要求非常高，对磷、硼、金属等杂质的含量要求都在10ppb以下，对碳杂质含量要求在10ppm以下。光纤级四氯化硅是制作光纤光缆预制棒所需要的主要原料，占到光纤成分含量的85%-95%，高纯四氯化硅产品的纯度直接影响光纤的损耗特性。因此对光纤级四氯化硅的杂质含量要求非常高，如造成光纤吸收损耗的杂质主要有铁、钴、镍、铜、锰、铬、钒、铂等无机杂质要控制在1ppb以下，脂肪族、芳香族等有机杂质和氢氧根、三氯氢硅等含氢杂质控制在1ppm以下，在某种程度上比半导体材料更严格。

三氯氢硅、四氯化硅等氯硅烷的杂质含量检测属于痕量分析，须在ICP-MS千级实验室内进行，由于分析检测过程的要求及实际情况，每次检测样品前处理需排放出氯硅烷达400-600mL。氯硅烷是一种易燃、易爆、易水解并产生腐蚀性强且具有刺激性气体的危险化学物，很容易污染环境并且有损工作人员的健康。因此，对排放的氯硅烷及混合气体必须进行正确、有效的无害化处理。

文献《化学实验室废气治理现状与方法》中说明了目前大部分实验室废气直排的现状，介绍了三种实验室废气处理方法，其中重点针对无机类化学物产生的废气靠水雾来捕捉含HCl、NHO、HF等微粒，使有害物溶于水，经水幕净化，气液分离后所排放的气体中有害物的含量降到国家环保允许排放标准，也可以根据实际情况采用碱液来代替水对废气进行处理。其缺点是不适用于多种极易挥发、水解并产生腐蚀性强气体、易燃气体和粘性轻质固体粉末的液态氯硅烷直接挥发时产生的废气的处理。CN 105771580A公布了一种改进的化验室废气回收处理装置，针对氯硅烷易挥发、易水解产生可燃、腐蚀性气体和粘性二氧化硅固体，采用有泵水雾二次吸收，并设置了过滤网和拆卸清洗口，保证回收处理的效果，但缺点是每次分析产生300g左右二氧化硅，如果样品分析频繁，经常需要拆卸装置进行清洗过滤网和水箱，而且对于旧实验室来说，新设回收装置投入以及与实验室原有通风橱的配合联接、占地较大的问题都是大难题。

发明内容

为了缓解现有技术的不足和缺陷，本发明设计了一种小型、每个实验室都可以轻易组装、拆卸、易清洗的氯硅烷分析废气回收处理装置和处理方法，具体为多晶硅生产中涉及的原料三氯氢硅及产生的副产物光纤用高纯四氯化硅等氯硅烷分析产生废气的回收处理装置和处理方法。

所述的氯硅烷分析废气回收处理装置，与氯硅烷加热蒸发装置连接，其特征在于包括依次密封连接的冷凝回收装置、醇解反应吸收装置和碱液吸收装置，冷凝回收装置进口端连接氯硅烷加热蒸发装置出口端，冷凝回收装置出口端连接醇解反应吸收装置进口端，醇解反应吸收装置出口端连接碱液吸收装置进口端，每个进口端连接管插入对应装置底部，每个出口端连接管位于装置顶部，所述冷凝回收装置用于对氯硅烷分析废气进行物理冷凝，回收大部分的氯硅烷气体；醇解反应吸收装置用于通过醇与氯硅烷的反应吸收剩余的氯硅烷气体；碱液吸收装置用于将醇解反应产生的氯化氢气体和极微量未反应的氯硅烷气体通过碱液吸收。

所述的氯硅烷分析废气回收处理装置，其特征在于冷凝回收装置包括废液回收容器和置于废液回收容器外部的冷凝液槽。

所述的氯硅烷分析废气回收处理装置，其特征在于冷凝回收装置与氯硅烷分析废气装置之间设置一套冷凝管或连接软管。

所述的氯硅烷分析废气回收处理装置，其特征在于醇解反应吸收装置包括装有醇类液体的醇类吸收容器。

所述的氯硅烷分析废气回收处理装置，其特征在于碱液吸收装置包括装有碱液的碱液吸收容器。

所述的氯硅烷分析废气回收处理装置，其特征在于氯硅烷加热蒸发装置包括氯硅烷样品瓶和用于加热氯硅烷样品瓶的加热器，氯硅烷样品瓶上设有惰性气体接入口，惰性气体通过惰性气体接入口进入氯硅烷样品瓶底部。

基于所述装置的氯硅烷分析废气回收处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1）启动加热器，对氯硅烷样品瓶内的氯硅烷样品进行加热，同时从惰性气体接入口将惰性气体通入氯硅烷样品瓶底部并带出氯硅烷废气，经过冷凝液槽冷凝，或冷凝液槽与冷凝管两次连续冷凝，大部分氯硅烷废气冷凝为液体存于废液回收容器，剩余的氯硅烷废气与惰性气体从废液回收容器顶部出口端排出；

2）步骤1）的从废液回收容器顶部出口端排出的剩余的氯硅烷废气与惰性气体进入装有醇类液体的醇类吸收容器底部，氯硅烷废气与醇类液体进行醇解反应，由醇类液体吸收剩余的少量氯硅烷废气，反应产生HCl气体，其反应方程式如下：

HSiCl₃+3EtOH → HSi(OEt)₃+3HCl

SiCl₄+3EtOH → Si(OEt)₄+4HCl；

3）经过步骤2）醇解反应吸收装置后，氯硅烷废气基本被吸收，反应产生的HCl气体和极微量未反应的氯硅烷废气通入碱液吸收容器中的碱液吸收，惰性气体从碱液吸收容器出口端排空。

所述的氯硅烷分析废气回收处理方法，其特征在于氯硅烷分析废气包括三氯氢硅、四氯化硅。

所述废液回收容器、醇类吸收容器、碱液吸收容器以及连接管路都确保密封，防止氯硅烷、氯化氢等有害气体漏出。

进一步地，所述惰性气体可以是氮气或氩气，但不限于此；

进一步地，上述冷凝管冷凝液可以选择自来水、乙醇，但不限于此；

进一步地，上述冷凝液槽中冷凝液为沸点<20℃的稳定液体，优选为沸点≤0℃的液体，可以列举冰水浴、低温无水乙醇、液氮，但不限于此；

进一步地，上述醇类液体，可以列举甲醇、乙醇，但不限于此；

进一步地，所述碱液，可以列举氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液或碳酸钠溶液，但不限于此,碱液用于吸收醇解反应产生的氯化氢，主要是提高吸收效率和酸碱中和，确保吸收废液的环保安全。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）本发明通过在冷凝回收装置和碱液吸收装置之间设置醇解反应吸收装置，通过过量的醇与三氯氢硅、四氯化硅等氯硅烷气体进行醇解反应，实现对氯硅烷废气的吸收，有效避免了冷凝后剩余的氯硅烷气体直接进入碱液吸收装置，因水解反应产生较多的二氧化硅固体堵住连接管路，导致冷凝回收装置中的冷凝液回流，影响分析准确度，甚至造成分析实验的失败，碱液吸收装置中的碱液用于吸收醇解反应产生的氯化氢，主要是提高吸收效率和酸碱中和，确保吸收废液的环保安全；

2）本发明涉及的装置设备简单、安装方便，在任何化学实验室都可以轻易准备，具有可复制、易操作的特点，其适应范围广；

3）本发明对于氯硅烷废气可以达到高效回收，回收率>99%，具有安全、环保和清洁的特点；且对于氯硅烷废气的痕量杂质能准确分析，可以保证较好的分析重复性和平行性。

附图说明

图1 为本发明装置的实施例结构示意图；

图2 为本发明装置的另一实施例示意图。

图中：1-惰性气体接入口，2-氯硅烷样品瓶，3-加热器，4-冷凝管，5-废液回收容器，6-冷凝液槽，7-醇类吸收容器，8-碱液吸收容器，9-连接软管。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、详细的描述，显而易见地，下面描述中仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图及实施例。

如图所示，本发明的氯硅烷分析废气回收处理装置，与氯硅烷加热蒸发装置连接，包括依次密封连接的冷凝回收装置、醇解反应吸收装置和碱液吸收装置，冷凝回收装置进口端连接氯硅烷加热蒸发装置出口端，冷凝回收装置出口端连接醇解反应吸收装置进口端，醇解反应吸收装置出口端连接碱液吸收装置进口端，每个进口端连接管插入对应装置底部，每个出口端连接管位于装置顶部，所述冷凝回收装置用于对氯硅烷分析废气进行物理冷凝，回收大部分的氯硅烷气体；醇解反应吸收装置用于通过醇与氯硅烷的反应吸收剩余的氯硅烷气体；碱液吸收装置用于将醇解反应产生的氯化氢气体和极微量未反应的氯硅烷气体通过碱液吸收。

所述的冷凝回收装置包括废液回收容器5和置于废液回收容器5外部的用于冷却废液回收容器5内废气冷凝液槽6；醇解反应吸收装置包括装有醇类液体的醇类吸收容器7；碱液吸收装置包括装有碱液的碱液吸收容器9；氯硅烷加热蒸发装置包括氯硅烷样品瓶2和用于加热氯硅烷样品瓶2的加热器3，氯硅烷样品瓶2上设有惰性气体接入口1，惰性气体通过惰性气体接入口1进入氯硅烷样品瓶2底部。

所述废液回收容器5、醇类吸收容器7、碱液吸收容器8以及连接管路都确保密封，防止氯硅烷、氯化氢等有害气体漏出。

本发明所用的惰性气体可以是氮气或氩气，但不限于此；，冷凝管4中的冷凝液可以选择自来水、乙醇，但不限于此；

进一步地，上述冷凝液槽中冷凝液为沸点<20℃的稳定液体，优选为沸点≤0℃的液体，可以列举冰水浴、低温无水乙醇、液氮，但不限于此；醇类吸收容器7中的醇类液体可以列举甲醇、乙醇，但不限于此；

碱液吸收容器8中的碱液可以为氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液、碳酸钠溶液，但不限于此。

为了提高冷却效果，本发明在冷凝回收装置与氯硅烷分析废气装置之间设置一套冷凝管4或连接软管9，其结构示意图分别如图1和图2所示。

实施例1：氯硅烷分析废气回收处理方法，氯硅烷分析废气包括三氯氢硅、四氯化硅，采用图1所示的氯硅烷分析废气回收处理装置，其包括以下步骤：

1）启动加热器，对氯硅烷样品瓶2内的氯硅烷样品进行加热，同时从惰性气体接入口1将氮气通入氯硅烷样品瓶2底部并带出氯硅烷废气，通过控制加热温度和氮气流速，使氯硅烷缓慢蒸发，然后经过冷凝液槽6与冷凝管4两次连续冷凝，大部分氯硅烷废气冷凝为液体存于废液回收容器5，剩余的氯硅烷废气与氮气从废液回收容器5顶部出口端排出；

2）步骤1）的从废液回收容器5顶部出口端排出的剩余的氯硅烷废气与氮气进入装有乙醇的醇类吸收容器7底部，氯硅烷废气与乙醇进行醇解反应，由乙醇吸收剩余的少量氯硅烷废气，反应产生HCl气体，其反应过程如下：HSiCl₃+3EtOH → HSi(OEt)₃+3HCl

SiCl₄+3EtOH → Si(OEt)₄+4HCl；

3）经过步骤2）醇解反应吸收装置后，氯硅烷废气基本被吸收，反应产生的HCl气体和极微量未反应的氯硅烷废气通入碱液吸收容器8中的浓度20%的氢氧化钠溶液吸收，氮气从碱液吸收容器8出口端排空。

冷凝管4中的冷凝水流向与气体流向相反，按图1箭头所示方向，冷凝液采用下进上出的常规方式；按图1所示，管路连接、废液回收容器5、醇类吸收容器7和碱液吸收容器8都保持密封状态。

实施例2：在一种更简易的实施方式中，冷凝管4改成连接软管9，通过自然冷却后进入置于冷凝液槽4中的废液回收容器5，如图2所示。

根据本发明的另一个方面，提供了一种废液回收处理方法，该方法利用本发明提供的回收处理装置对氯硅烷分析废气进行回收处理，具体实施步骤：

从以上实施例可以看出，本发明上述的实例实现了如下技术效果：本发明通过氯硅烷废气回收装置将氯硅烷分析过程产生的大量废气进行高效安全的回收，做到了无害化处理。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和改进。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.氯硅烷分析废气回收处理装置，与氯硅烷加热蒸发装置连接，其特征在于包括依次密封连接的冷凝回收装置、醇解反应吸收装置和碱液吸收装置，冷凝回收装置进口端连接氯硅烷加热蒸发装置出口端，冷凝回收装置出口端连接醇解反应吸收装置进口端，醇解反应吸收装置出口端连接碱液吸收装置进口端，每个进口端连接管插入对应装置底部，每个出口端连接管位于装置顶部，所述冷凝回收装置用于对氯硅烷分析废气进行物理冷凝，回收大部分的氯硅烷气体；醇解反应吸收装置用于通过醇与氯硅烷的反应吸收剩余的氯硅烷气体；碱液吸收装置用于将醇解反应产生的氯化氢气体和极微量未反应的氯硅烷气体通过碱液吸收；

冷凝回收装置包括废液回收容器（5）和置于废液回收容器（5）外部的冷凝液槽（6）；冷凝回收装置与氯硅烷分析废气装置之间设置一套冷凝管（4）或连接软管（9）；醇解反应吸收装置包括装有醇类液体的醇类吸收容器（7）；碱液吸收装置包括装有碱液的碱液吸收容器（8）。

2.根据权利要求1所述的氯硅烷分析废气回收处理装置，其特征在于氯硅烷加热蒸发装置包括氯硅烷样品瓶（2）和用于加热氯硅烷样品瓶（2）的加热器（3），氯硅烷样品瓶（2）上设有惰性气体接入口（1），惰性气体通过惰性气体接入口（1）进入氯硅烷样品瓶（2）底部。

3.一种基于权利要求1或2所述装置的氯硅烷分析废气回收处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1）启动加热器，对氯硅烷样品瓶（2）内的氯硅烷样品进行加热，同时从惰性气体接入口（1）将惰性气体通入氯硅烷样品瓶（2）底部并带出氯硅烷废气，经过冷凝液槽（6）冷凝，或冷凝液槽（6）与冷凝管（4）两次连续冷凝，大部分氯硅烷废气冷凝为液体存于废液回收容器（5），剩余的氯硅烷废气与惰性气体从废液回收容器（5）顶部出口端排出；

2）步骤1）的从废液回收容器（5）顶部出口端排出的剩余的氯硅烷废气与惰性气体进入装有醇类液体的醇类吸收容器（7）底部，氯硅烷废气与醇类液体进行醇解反应，由醇类液体吸收剩余的少量氯硅烷废气，反应产生HCl气体；

3）经过步骤2）醇解反应吸收装置后，氯硅烷废气被吸收，反应产生的HCl气体和极微量未反应的氯硅烷废气通入碱液吸收容器（8）中的碱液吸收，惰性气体从碱液吸收容器（8）出口端排空。

4.根据权利要求3所述的氯硅烷分析废气回收处理方法，其特征在于氯硅烷分析废气包括三氯氢硅、四氯化硅。

5.根据权利要求3所述的氯硅烷分析废气回收处理方法，其特征在于冷凝管（4）中的冷凝液选择自来水或乙醇，冷凝液槽（6）中的冷凝液为沸点<20℃的稳定液体。

6.根据权利要求3所述的氯硅烷分析废气回收处理方法，其特征在于冷凝管（4）中的冷凝液选择自来水或乙醇，冷凝液槽（6）中的冷凝液为沸点≤0℃的液体。

7.根据权利要求3所述的氯硅烷分析废气回收处理方法，其特征在于醇类吸收容器（7）中的醇类液体选自甲醇或乙醇，碱液吸收容器（8）中的碱液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液或碳酸钠溶液。