CN110817884A - 一种高转化率的四氯化硅合成炉 - Google Patents

Abstract

一种高转化率的四氯化硅合成炉，属于四氯化硅生产设备技术领域。其技术方案是：外夹套换热管环绕合成炉炉体自上而下铺设，外夹套换热管的两端分别与外夹套给水管、外夹套回水管相连接，外夹套给水管和外夹套回水管分别位于合成炉炉体外壁的下部和上部，合成炉内换热管安装在合成炉炉体内的合成炉反应段的上方，合成炉内换热管的两端分别与合成炉内换热给水管、合成炉内换热回水管相连接，合成炉内换热给水管、合成炉内换热回水管安装在合成炉炉体外壁上。本发明结构科学合理，在不改变原有工艺的基础上将合成反应温度提高至550℃，使四氯化硅的转化率从现有15%提升到70%，大大增加了四氯化硅产能，提高了生产效率。

Description

一种高转化率的四氯化硅合成炉

技术领域

本发明涉及一种具有高转化率的生产四氯化硅的合成炉，属于四氯化硅生产设备技术领域。

背景技术

四氯化硅是重要的化工产品，四氯化硅的沸点57.6℃，熔点-70℃，为无色、有腐蚀性、不可燃液体，在空气中形成浓烟，并迅速水解生成氯化氢气体，具有令人窒息的臭味。四氯化硅可以作为微细二氧化硅、合成石英、氮化硅及其他各种有机硅化合物的合成原料来使用，如硅酸酯类、有机硅单体、有机硅油、高温绝缘漆、有机硅树脂、硅橡胶和耐热垫衬材料。高纯度四氯化硅为制造多晶硅、高纯二氧化硅、光纤预制棒、石英纤维的材料，军事工业用于制造烟幕剂，冶金工业可用于制造耐腐蚀硅铁铸造。

高纯四氯化硅主要用于光纤预制棒生产，光纤预制棒，又称光导纤维预制棒，简称光棒。光纤预制棒用于制造光纤。光纤预制棒作为制作光纤、光缆的重要基础材料，被誉为光通信产业“皇冠上的明珠”。对光纤光缆产业而言，光纤预制棒的技术水平具有决定性的作用。

目前，四氯化硅的制备方法主要有以下几种：

（1）改良的西门子法生产三氯氢硅过程中产生副产四氯化硅，这是目前生产四氯化硅的主要方法，化学反应方程式如下：Si+7HCl→SiHCl₃+SiCl₄+3H₂。此方法由于主反应为生成三氯氢硅，三氯氢硅的转化率85%以上，这就导致四氯化硅产能较低，不能满足市场对四氯化硅的需求。

（2）金属硅与氯气反应制备四氯化硅。中国专利CN103420382B公开了一种用硅粉作为主要原料，在不添加任何催化剂的状况下，与氯气在沸腾床中发生气固合成反应制备四氯化硅的方法，反应温度为250-450℃。日本专利JPS59156908A公开了一种用硅铁作为原料与氯气在350-1000℃反应制备四氯化硅的方法，其中，当铁、氯化铁等物质在反应器中积累时，停止硅铁进料，仅向反应器中通入氯气；当反应器的温度降至≤300℃时，再加入硅铁原料。这种方法反应温度无法控制，由于涉氯化反应，高温下容易造成反应器与氯气反应发生安全事故。

（3）早期曾用碳化硅为原料生产四氯化硅。日本专利JPS63117907A公开了用平均粒径≤10μm的碳化硅与氯气在600-900℃的温度下反应获得四氯化硅的方法，但碳化硅成本较高。

（4）中国专利CN1465524A介绍了以甲基氯硅烷单体生产过程中的废触体（75%的Si、10-15%的Cu）为主要原料，在直径为600mm的流化床反应器中与氯气发生气固反应合成四氯化硅的方法。

以上方法存在反应收率低的问题，无法获得大量、价格低廉的四氯化硅。

（5）中国专利CN1114559C公开了一种通过将硅、铁合金金属或分子中至少具有一个硅-氢键的氯硅烷，与氯化氢在催化剂作用下发生反应，从而高选择性的生产四氯化硅的方法，该方法的催化剂包括至少一种周期表Ⅷ族金属元素或其化合物与一种选自周期表VB族第三周期及其随后周期的元素单质的混合物存在下，使硅金属或分子中至少具有一个硅-氢键的氯硅烷与氯化氢反应。美国专利USP4130632公开了一种利用硅、铝合金与氯化氢或氯气气体发生反应，生成三氯氢硅或四氯化硅的方法。这些在反应过程中由于存在多个氯硅烷组分，后续分离纯化工艺步骤较为繁琐。

（6）中国专利CN102712485A公开了一种将有机物燃烧发电产生的灰（含碳物质）存在下，将含硅物质、含有硅酸生物质的含硅物质氯化生产四氯化硅的方法。中国专利CN102686514A公开了一种利用二氧化硅和含碳物质构成的造粒体与氯气、氧气进行氯化反应，生产四氯化硅的方法。中国专利CN101472839公开了一种通过使用氯气将微细和/或无定形的二氧化硅、碳和能量供体的混合物转变来制造四氯化硅的方法。能量供体为金属硅或硅合金，供体一方面实现了自支持的放热反应，另一方面也导致了反应起始温度的显著降低。

综上所述，目前生产四氯化硅的各种工艺和设备都存在不足，不能满足对四氯化硅产品的需求，行业内迫切需要一种能够大规模、低成本的工业化生产四氯化硅的方法及相应的设备，以生产杂质少、纯度高的四氯化硅产品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高转化率的四氯化硅合成炉，这种合成炉可以解决现有技术中生产四氯化硅转化率低的问题，生产的四氯化硅产品具有成本低、产量大、纯度高、杂质少的优点。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种高转化率的四氯化硅合成炉，它包括合成炉炉体、合成炉上封头、合成炉下封头，合成炉上封头和合成炉下封头分别安装在合成炉炉体的两端，合成炉上封头安装有合成炉出口管，合成炉下封头有氯化氢进口管道，合成炉炉体内有合成炉反应段，它的改进之处是，在合成炉炉体的外壁上设置外夹套换热装置，在合成炉炉体内设置合成气体二次降温段，外夹套换热装置由外夹套换热管、外夹套给水管、外夹套回水管组成，外夹套换热管环绕合成炉炉体自上而下铺设，外夹套换热管的两端分别与外夹套给水管、外夹套回水管相连接，外夹套给水管位于合成炉炉体外壁的下部，外夹套回水管位于合成炉炉体外壁的上部，合成气体二次降温段由合成炉内换热管、合成炉内换热给水管、合成炉内换热回水管组成，合成炉内换热管安装在合成炉炉体内的合成炉反应段的上方，合成炉内换热管的两端分别与合成炉内换热给水管、合成炉内换热回水管相连接，合成炉内换热给水管、合成炉内换热回水管安装在合成炉炉体外壁上。

上述高转化率的四氯化硅合成炉，所述合成炉下封头上还连接有氮气进口管道，氮气进口管道与氯化氢进口管道并联连接，氯化氢进口管道和氮气进口管道上分别安装有氯化氢流量调节阀、氮气流量调节阀。

上述高转化率的四氯化硅合成炉，所述合成炉下封头内有合成炉筛板和合成炉保护垫层，合成炉筛板位于氯化氢进口管道的进口上方，合成炉保护垫层铺设在合成炉筛板上，合成炉保护垫层与合成炉反应段的下端相对。

上述高转化率的四氯化硅合成炉，所述合成炉反应段采用沸腾流化床，合成炉反应段的上端与进料管相连接，进料管的进料口位于合成炉炉体外壁上。

上述高转化率的四氯化硅合成炉，所述合成炉炉体的外壁上有多个测温口，测温口安装测温装置，测温装置与外夹套给水管的给水调节阀通过控制机构进行联锁控制。

上述高转化率的四氯化硅合成炉，所述合成炉上封头的顶面上安装有炉顶测温装置，炉顶测温装置与合成炉内换热给水管的给水调节阀通过控制机构进行联锁控制。

本发明的有益效果是：

本发明将合成炉反应段的换热管安装在合成炉炉体的外壁上，避免了换热管与硅粉的摩擦损坏，同时也防止了温度过高引发的安全事故；在合成炉反应段上方安装了合成气体二次降温段，对反应后的高温合成混合气体的温度降至300℃以下，达到现有后续处理工序要求条件；安装氮气管道可以在合成炉超温时输入氮气，降低输入的氯化氢气体浓度，从而减少反应放热；测温装置与外夹套给水管的给水调节阀进行联锁控制，可以通过给水换热确保合成炉反应段温度稳定在550℃。

本发明结构科学合理，在不改变原有工艺的基础上将合成反应温度提高至550℃，使四氯化硅的转化率从现有15%提升到70%，并且可以使反应温度稳定保持，不会发生设备和工艺的安全事故，解决了行业内长期没有得到彻底解决的问题，简化了生产设备和工艺，降低了生产成本，大大增加了四氯化硅产能，提高了生产效率，具有显著的经济效益，为四氯化硅的生产发展提供了新途径。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是合成气体二次降温段的结构示意图；

图3是四氯化硅转化率随着温度变化的示意图。

图中标记如下：合成炉氯化氢进口1、合成炉下封头2、合成炉筛板3、合成炉保护垫层4、外夹套给水管5、测温口6、合成炉反应段7、外夹套换热管8、合成炉出口管9、合成炉内换热给水管10、合成炉内换热回水管11、外夹套回水管12、测压点13、排渣管14、合成炉内换热管15、炉顶测温装置16、合成炉上封17、合成炉炉体18、进料管19、给水调节阀20、氯化氢进口管道21、氮气进口管道22、氯化氢流量调节阀23、氮气流量调节阀24。

具体实施方式

图3显示，在实际生产中，四氯化硅的转化率是随着温度的升高而提高，当温度提升到550~580℃时，四氯化硅的转化率会由15%提升到70%。目前存在的问题是：首先，当反应温度提高到550℃时，普通的碳钢反应器在此温度下，设备强度会降低，发生泄漏着火，爆炸的风险，为解决这一问题就需要选用耐高温材质的反应器。其次，现有的合成炉换热管安装在合成炉反应段，受硅粉摩擦很容易发生泄漏，换热管发生磨损泄漏需要更换，会造成生产成本提高。但如果没有换热管进行反应换热，会造成反应热无法及时带走，反应温度持续升高，一样会发生安全事故。因此需要解决在反应温度提高到550℃后如何进行换热的问题。

本发明根据现有的反应热产生量计算，同时根据现有合成炉的换热方式进行了研究和改进，设计研发了一种新型合成炉。这种合成炉选用耐高温材质，合成炉反应段采用外夹套换热的方式和气体流化换热的方式来带走合成反应产出的热量，稳定控制反应温度；合成炉反应段上方内部设有换热管，将高温合成混合气体的温度降至300℃以下，达到现有后续处理工序要求条件。

图1显示，合成炉上封头17和合成炉下封头2分别安装在合成炉炉体18的两端。合成炉上封头17安装有合成炉出口管9，用于排出合成气体。合成炉下封头2有合成炉氯化氢进口管道21，用于输入氯化氢气体进行反应。合成炉炉体18内有合成炉筛板3和合成炉反应段7，用于氯化氢气体与硅粉进行反应。合成炉反应段7的上端与进料管19相连接，进料管19的进料口位于合成炉炉体18外壁上，硅粉从进料管19输入。在合成炉下封头2还有排渣管14，用于排出反应后物体。

图1显示，在合成炉炉体18的外壁上设置外夹套换热装置，用于对反应后的热量进行换热。外夹套换热装置由外夹套换热管8、外夹套给水管5、外夹套回水管12组成，外夹套换热管8环绕合成炉炉体18自上而下铺设，外夹套换热管8的两端分别与外夹套给水管5、外夹套回水管12相连接，外夹套给水管5位于合成炉炉体18外壁的下部，外夹套回水管12位于合成炉炉体18外壁的上部。外夹套换热管8以螺旋形式盘在合成炉反应段7相对的合成炉炉体18外壁上，外夹套换热管8底部连接的外夹套给水管5向外夹套换热管8输送冷水，外夹套换热管8通过合成炉炉体18外壁对合成炉反应段7换热降温，换热后的水蒸气通过外夹套回水管12排出回收。

图1显示，合成炉炉体18的外壁上有多个测温口6，测温口6安装测温装置，测温装置与外夹套给水管5的给水调节阀20通过控制机构进行联锁控制。外夹套给水管5与测温点6投入联锁自控，并保持最小开度，通过给水换热确保反应段温度稳定在550℃。

图1、2显示，由于合成炉反应段7的反应气体温度达到550℃，虽然经过外夹套换热管8换热后仍然具有较高温度，不能直接进入后续工序，需要在合成炉炉体18内进行换热降温，因此在在合成炉炉体内设置合成气体二次降温段。

合成气体二次降温段由合成炉内换热管15、合成炉内换热给水管10、合成炉内换热回水管11组成。合成炉内换热管15安装在合成炉炉体18内的合成炉反应段7的上方，合成炉内换热管15的两端分别与合成炉内换热给水管10、合成炉内换热回水管11相连接，合成炉内换热给水管10、合成炉内换热回水管11安装在合成炉炉体18外壁上。合成炉内换热管15连接合成炉反应段7的上法兰和合成炉上封头17法兰，合成炉内换热给水管10套在合成炉内换热回水管11内部，采用中心给水，外部回水管换热产生蒸汽回收。合成炉上封头17顶部安装炉顶测温装置16，检测合成炉出口管9的出口温度。炉顶测温装置16与合成炉内换热给水管10采用联锁自控，调节合成炉出口管9的合成气体的温度，温度高时，加大合成炉内换热给水管10的输水量。

图1显示，合成炉下封头2上还连接有氮气进口管道22，氮气进口管道22与氯化氢进口管道21并联连接，氯化氢进口管道21和氮气进口管道22上分别安装有氯化氢流量调节阀23、氮气流量调节阀24。通过氯化氢流量调节阀23和氮气流量调节阀24调节输入合成炉炉体18的氯化氢气体和氯气的流量。当合成炉炉体18内超温时，减少氯化氢流量调节阀23的开度，打开氮气流量调节阀24，补充氮气，降低反应物浓度，减少反应从而减少反应放热。

图1显示，合成炉下封头2内有合成炉筛板3和合成炉保护垫层4，合成炉筛板3位于氯化氢进口管道21的进口上方，合成炉保护垫层4铺设在合成炉筛板3上，合成炉保护垫层4与合成炉反应段7的下端相对。氯化氢气体进入合成炉下封头2，经过合成炉下封头2内的合成炉筛板3进行分布，使氯化氢气体均匀分布，再经过合成炉保护垫层4，防止在合成炉筛板3上氯化氢气体与硅粉反应，无法换热超温。合成炉下封头2与合成炉反应段7通过法兰连接，合成炉保护垫层4正好介于法兰之间，同时保护法兰防止超温。

本发明的工作过程如下：

首先，将合成炉保护垫层4平铺到合成炉下封头2内的合成炉筛板3上。

然后，通过进料管19向合成炉添加硅粉升温，合成炉反应段7采用沸腾流化床，沸腾流化床的直径0.8m，反应温度550℃，反应压力0.08MPa。

打开氯化氢流量调节阀23，氯化氢气体通过氯化氢进口管道21进入合成炉下封头2内，经合成炉筛板3分布，再经合成炉保护垫层4分布，与合成炉反应段7中的硅粉反应，流化气速保持0.2m/s，确保反应床层硅粉沸腾流化。

反应放出的热量主要一部分是由合成炉反应段7相对的合成炉炉体18外壁的外夹套换热管8冷水换热充分带走，外夹套给水管5与测温口6的测温装置实行联锁自控，并保持最小开度，通过给水换热确保合成炉反应段7的温度稳定在550℃。

反应放热另一部分热量由合成气体带走，此时合成炉内的反应气温度550℃，如果直接进入后续袋滤除尘系统，会导致设备管道因高温损坏。这部分热量需要被转移带走。由于这部分气体含尘量小，对管道冲刷力度降低，所以在合成炉炉体18内安装的合成炉内换热管15通过给水换热将气体温度由550℃降到300℃以下，通过炉顶测温装置16检测换热效果，并进行温度调控。

本发明的一个实施例如下：

合成炉炉体18的直径为DN800mm，高度为7685mm；

外夹套换热管8的直径为DN80mm；

合成炉反应段7采用沸腾流化床，沸腾流化床的直径0.8m，反应温度550℃，反应压力0.08Mpa；

合成炉内换热管15的直径为DN45mm；

炉顶测温装置16的型号为：WRNKM-448-18 K型；

氯化氢进口管道21的直径为DN80mm；

氮气进口管道22的直径为DN25mm；

给水调节阀20的型号为：SZCV3102-P-B，DN25；

氯化氢流量调节阀23的型号为：SZ1101W-P-K，DN80；

氮气流量调节阀24的型号为：P121FY DN25。

Claims (6)

1.一种高转化率的四氯化硅合成炉，它包括合成炉炉体（18）、合成炉上封头（17）、合成炉下封头（2），合成炉上封头（17）和合成炉下封头（2）分别安装在合成炉炉体（18）的两端，合成炉上封头（17）安装有合成炉出口管（9），合成炉下封头（2）有氯化氢进口管道（21），合成炉炉体（18）内有合成炉反应段（7），其特征在于：在合成炉炉体（18）的外壁上设置外夹套换热装置，在合成炉炉体（18）内设置合成气体二次降温段，外夹套换热装置由外夹套换热管（8）、外夹套给水管（5）、外夹套回水管（12）组成，外夹套换热管（8）环绕合成炉炉体（18）自上而下铺设，外夹套换热管（8）的两端分别与外夹套给水管（5）、外夹套回水管（12）相连接，外夹套给水管（5）位于合成炉炉体（18）外壁的下部，外夹套回水管（12）位于合成炉炉体（18）外壁的上部，合成气体二次降温段由合成炉内换热管（15）、合成炉内换热给水管（10）、合成炉内换热回水管（11）组成，合成炉内换热管（15）安装在合成炉炉体（18）内的合成炉反应段（7）的上方，合成炉内换热管（15）的两端分别与合成炉内换热给水管（10）、合成炉内换热回水管（11）相连接，合成炉内换热给水管（10）、合成炉内换热回水管（11）安装在合成炉炉体（18）外壁上。

2.根据权利要求1所述的高转化率的四氯化硅合成炉，其特征在于：所述合成炉下封头（2）上还连接有氮气进口管道（22），氮气进口管道（22）与氯化氢进口管道（21）并联连接，氯化氢进口管道（21）和氮气进口管道（22）上分别安装有氯化氢流量调节阀（23）、氮气流量调节阀（24）。

3.根据权利要求1所述的高转化率的四氯化硅合成炉，其特征在于：所述合成炉下封头（2）内有合成炉筛板（3）和合成炉保护垫层（4），合成炉筛板（3）位于氯化氢进口管道（21）的进口上方，合成炉保护垫层（4）铺设在合成炉筛板（3）上，合成炉保护垫层（4）与合成炉反应段（7）的下端相对。

4.根据权利要求1所述的高转化率的四氯化硅合成炉，其特征在于：所述合成炉反应段（7）采用沸腾流化床，合成炉反应段（7）的上端与进料管（19）相连接，进料管（19）的进料口位于合成炉炉体（18）外壁上。

5.根据权利要求1所述的高转化率的四氯化硅合成炉，其特征在于：所述合成炉炉体（18）的外壁上有多个测温口（6），测温口（6）安装测温装置，测温装置与外夹套给水管（5）的给水调节阀（20）通过控制机构进行联锁控制。

6.根据权利要求1所述的高转化率的四氯化硅合成炉，其特征在于：所述合成炉上封头（7）的顶面上安装有炉顶测温装置（16），炉顶测温装置（16）与合成炉内换热给水管（10）的给水调节阀通过控制机构进行联锁控制。

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