CN110980740A - 一种三氯氢硅生产工艺及生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三氯氢硅生产工艺及生产系统，增设U形分布器，在反应器内设置分布合理的旋风分离器，并调整与之匹配的工艺参数。通过改变混合原料进入反应器的分布形式，改善反应时反应器内的流体状况，设置多台旋风分离器分离出未反应的硅粉，结合工艺参数改进，从而提高反应转化率，减少硅粉进入后程系统避免造成较大的运行负荷，减小管线堵塞的可能性；通过将工艺运行过程中的循环物料取液口及精馏采液回收口从塔底更改到塔侧，减少硅粉对泵体的磨损，避免频繁检修。综上，本发明提高了三氯氢硅生产装置运行的稳定性，提高了原料利用率，提高了生产效益。

Description

一种三氯氢硅生产工艺及生产系统

技术领域

本发明涉及四氯化硅冷氢化生产领域，具体涉及一种三氯氢硅生产工艺及生产系统。

背景技术

四氯化硅作为多晶硅的生产过程中的常见副产物，其后续的经济化处理是困扰企业的难题。一方面，若四氯化硅进行水处理，能耗费用高，同时对环境造成破坏，另一方面，将四氯化硅转化为多晶硅，则电能消耗较大，经济效益较低。

冷氢化工艺即将四氯化硅在较低温度下转化为三氯氢硅，作为目前先进的四氯化硅利用工艺，已经取代成本与转化率较低的热氢化生产技术在现有技术中推广应用。然而，由于冷氢化工艺是气固相原料反应并且硅粉原料的颗粒度较大，使得整个原料的利用率不高，导致原辅料消耗高和整体转化率较低。并且由于大颗粒硅粉进入后续系统容易造成管线堵塞，使得检修频次高，从而导致三氯氢硅的产能较小。因此，冷氢化先进工艺若不能严格控制工况保证连续生产，有可能不仅没有带来降本增效的目的，反而增加了工艺的不平稳性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种三氯氢硅生产工艺与生产系统，提高反应转化率，提高三氯氢硅产能，减少环境污染。

本发明采用的技术方案如下：

一种三氯氢硅生产工艺，包括以下步骤：

S1、将催化剂与硅粉混合作为固态原料，由气体加压后输送至反应器；

S2、氢气与四氯化硅的气态原料混合气经U形分布器分布后，与固态原料在反应器内反应；

S3、原料反应后经多台旋风分离器分离，分离出的硅粉继续参与反应，硅烷气经洗涤冷凝后再粗馏分离；

S4、粗馏产品送至下游装置提纯，分离出的塔釜液回收利用。

进一步地，所述氢气与四氯化硅的摩尔比为2-3，优选为2.5，反应温度为550-600℃，优选为570℃，反应压力为2.5-3.2MPa，优选为3.0MPa。

进一步地，硅烷气洗涤冷凝时，部分洗涤液在洗涤塔侧面取液循环。现有技术中采用洗涤塔底部取液，则长期形成的硅粉残渣在洗涤塔不断循环，造成循环负荷增加，从而使得洗涤塔循环泵检修次数高频。从侧面取液循环，侧面液体中所带硅粉含量少，洗涤塔循环泵能够长周期运行，减少洗涤塔循环泵检修频次。

进一步地，粗馏分离时，从粗馏塔侧面取液采出回收。现有技术中采用粗馏塔底部采出回收，液体中带硅粉回到四氯化硅的原料罐中，对输送泵磨损严重频繁检修，系统不能够平稳运行。改为侧面取液回收利用，侧面液体中所带硅粉含量少，使得输送泵能够长周期运行。

本发明还包括一种三氯氢硅生产系统，所述生产系统包括硅粉接受罐、反应器、洗涤塔和粗馏塔；所述硅粉接受罐与反应器连接为反应器提供硅粉原料；所述反应器靠近气体入口喷嘴处设置U形分布器，靠近反应器出口设置若干台旋风分离器，分布器与旋风分离器之间设置硅粉进入口；所述旋风分离器出口汇合通过反应器出口与洗涤塔连接，所述洗涤塔设置洗涤塔循环泵循环液相；所述洗涤塔与粗馏塔连接。

进一步地，所述反应器中下部设置有若干层泡破板，泡破板的数量可根据反应进料量及反应器的尺寸增减，三氯氢硅生产工艺的反应器通常为流化床反应器，设置泡破板，防止反应过程产生泡沫，减缓流化床腾涌现象对转化率的影响，加强混合原料之间的接触，从而提成转化率。

进一步地，所述反应器的入口喷嘴为倒U形，喷嘴所喷射气体到达U形分布器后形成的喷射面与U形分布器形状一致。采用U形分布器，扩大气体原料分布接受面，与倒U形喷嘴相配合，将气体原料更均匀分布在反应器内。

进一步地，所述硅粉接受罐前设置可切换管路，硅粉接受罐与硅粉料仓直接连接或者中间加装硅粉烘粉炉。根据硅粉原料性质的不同，可选择硅粉是从硅粉料仓直接进入硅粉接受罐或者经硅粉烘粉炉后再进入硅粉接受罐。由于硅粉硬度比传统碳钢输送管线硬度大，在输送过程中易磨损管路，因此可以减少从硅粉料仓到硅粉接受罐的距离。

在本方案的一个实施例中，所述旋风分离器为四台且在同一水平高度设置，旋风分离器两两一组出口分别汇合后，再统一汇合从反应器出口出料。进一步地，相邻旋风分离器的气体入口角度偏差为90°，保证旋风分离器的进料入口360°覆盖反应区域，并且相邻旋风分离器呈直角可保证进料时相互之间不产生影响。硅粉在反应器内充分反应，增加三氯氢硅的收率，并且减少细硅粉带入后系统造成管线堵塞和硅粉浪费。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：改变混合原料进入反应器的分布形式，改善反应时反应器内的流体状况，设置多台旋风分离器分离出未反应的硅粉，结合工艺参数改进，从而提高反应转化率，减少硅粉进入后程系统避免造成较大的运行负荷，减小管线堵塞的可能性，减少渣废处理量；通过将工艺运行过程中的循环物料取液口及精馏采液回收口从塔底更改到塔侧，减少硅粉对泵体的磨损，避免频繁检修。综上，提高了装置运行稳定性，提高了原料利用率，提高了生产效益。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的三氯氢硅生产工艺流程图；

图2为本发明的反应器进料相关结构示意图；

图3为本发明的旋风分离器的分布俯视示意图；

附图标记说明：1-硅粉接受罐、2-反应器、3-洗涤塔循环泵、4-洗涤塔、5-粗馏塔、6-硅粉原料、7-氢气/四氯化硅混合气、8-洗涤排渣物料、9-四氯化硅回收、10-粗馏塔排渣、11-粗馏塔产品、12-旋风分离器、13-混合器、14-换热器、15-U形分布器、16-喷嘴、17-破泡板。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例

如图1所示，一种三氯氢硅生产系统，包括硅粉接受罐1、反应器2、洗涤塔4和粗馏塔5；硅粉接受罐1与反应器2连接为反应器2提供硅粉原料；反应器2内靠近顶部出口在同一水平高度设置四台旋风分离器12，旋风分离器12两两一组出口分别汇合后，再统一汇合从反应器出口出料，反应器2顶部出口与洗涤塔4连接，反应器底部设置氢气/四氯化硅混合气7的入口；洗涤塔4侧面设置取液出口经洗涤塔循环泵3与硅粉原料在洗涤塔入口前在一混合器13内混合后进料，洗涤塔4底部设置洗涤排渣物料8出口，顶部洗涤出料通过换热器14后与粗馏塔5连接；粗馏塔5侧面设置四氯化硅回收9的出口，底部设置粗馏塔排渣10的出口，顶部出料为粗馏塔产品11。

在本方案的一个优选实施例中，硅粉接受罐1前设置可切换管路，硅粉接受罐1与硅粉料仓直接连接或者中间加装硅粉烘粉炉。根据硅粉原料性质的不同，可选择硅粉是从硅粉料仓直接进入硅粉接受罐或者经硅粉烘粉炉后再进入硅粉接受罐。当硅粉原料本身较为干燥时，硅粉不经过硅粉烘粉炉，否则需要经硅粉烘粉炉120℃左右烘干。由于硅粉硬度比传统碳钢输送管线硬度大，在输送过程中易磨损管路，因此可以选择性减少从硅粉料仓到硅粉接受罐的距离。

如图2所示，反应器2靠近气体入口喷嘴处设置U形分布器15，反应器2的入口喷嘴16为倒U形，喷嘴16所喷射气体到达U形分布器后形成的喷射面与U形分布器形状一致。扩大气体原料分布接收面，与倒U形喷嘴16相配合，将气体原料更均匀分布在反应器2内。反应器中下部设置有若干层泡破板17，防止反应过程产生泡沫，减缓流化床腾涌现象对转化率的影响，加强混合原料之间的接触，提成转化率。泡破板的数量可根据反应进料量及反应器的尺寸增减。

如图3所示，相邻旋风分离器12的气体入口角度偏差为90°，保证旋风分离器12的进料入口360°覆盖反应区域，并且相邻旋风分离器12呈直角可保证进料时相互之间不产生影响。旋风分离器12的数量及角度选择均经过反复设计与优化，一方面要保证在增设旋风分离器12的情况下出料量不受影响，另一方面旋风分离器12之间切向进料时不产生影响，否则影响进料效率，造成流体流向紊乱。

采用上述系统进行三氯氢硅生产工艺，硅粉原料6从硅粉料仓进入硅粉接受罐1与催化剂混合，催化剂为现有冷氢化工艺中常用的铜系催化剂，混合后原料经氢气加压输送至反应器2；氢气/四氯化硅混合气7从反应器2的塔底经进料喷嘴16喷入，经U形分布器15分布后在反应器2内与硅粉原料反应。其中，氢气与四氯化硅的摩尔比为2.5，反应温度为570℃，反应压力为3.0MPa。反应后的混合气经旋风分离器12分离，分离后的硅粉继续反应，硅烷气携带少量细硅粉从反应器2出口进入洗涤塔4。可以通过对旋风分离器12选型来除去不同尺寸的硅粉，旋风分离器12常规要求为适宜于捕集直径5～10μm粒径的硅粉。洗涤4塔将硅烷气进行洗涤冷凝。洗涤塔4底部含硅粉的氯硅烷作为洗涤排渣物料8排渣至渣浆处理。三氯氢硅和四氯化硅混合氯硅烷液体送至粗馏分离，分离后的三氯氢硅送至下游精馏提纯，塔釜流出的四氯化硅回收至储罐再次回收利用。硅烷气洗涤冷凝时，部分洗涤液在洗涤塔4侧面取液循环。从侧面取液循环，侧面液体中所带硅粉含量少，洗涤塔循环泵3能够长周期运行，减少洗涤塔循环泵3检修频次。粗馏分离时，从粗馏塔5侧面取液采出回收，将塔釜取液改为侧面取液回收利用，侧面液体中所带硅粉含量少，使得输送泵能够长周期运行。

经过本工艺系统及工艺流程的改造，与现有技术相比，提高了洗涤塔循环泵、四氯化硅输送泵运行周期，与工艺相比，稳定运行周期延长了一倍。原设计冷氢化一次转化率由25％增加至30％，以本厂的5套年产66万吨三氯氢硅为计，每吨三氯氢硅价格在6000元左右，则直接产生经济效益约1亿元。同时，本工艺减少了设备的磨损及停工检修时间，从而降低运行操作费用，减少了废渣的排放量，则减少了环保处理相关费用。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种三氯氢硅生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将催化剂与硅粉混合作为固态原料，由气体加压后输送至反应器；

S2、氢气与汽化后的四氯化硅的混合气经U形分布器分布后，与固态原料在反应器内反应；

S3、原料反应后经多台旋风分离器分离，分离出的硅粉继续参与反应，硅烷气经洗涤冷凝后再粗馏分离；

S4、粗馏产品送至下游装置提纯，分离出的塔釜液回收利用。

2.根据权利要求1所述的三氯氢硅生产工艺，其特征在于，所述氢气与四氯化硅的摩尔比为2-3，反应温度为550-600℃，反应压力为2.5-3.2MPa。

3.根据权利要求1所述的三氯氢硅生产工艺，其特征在于，硅烷气洗涤冷凝时，部分洗涤液在洗涤塔侧面取液循环。

4.根据权利要求1所述的三氯氢硅生产工艺，其特征在于，粗馏分离时，从粗馏塔侧面取液采出回收。

5.一种三氯氢硅生产系统，其特征在于，包括硅粉接受罐、反应器、洗涤塔和粗馏塔；

所述硅粉接受罐与反应器连接为反应器提供硅粉原料；

所述反应器靠近气体入口喷嘴处设置U形分布器，靠近反应器出口设置若干台旋风分离器，分布器与旋风分离器之间设置硅粉进入口；

所述旋风分离器出口汇合通过反应器出口与洗涤塔连接，所述洗涤塔设置洗涤塔循环泵循环液相；

所述洗涤塔与粗馏塔连接。

6.根据权利要求5所述的三氯氢硅生产系统，其特征在于：所述反应器中下部设置有若干层泡破板。

7.根据权利要求5所述的三氯氢硅生产系统，其特征在于：所述反应器的入口喷嘴为倒U形，喷嘴所喷射气体到达U形分布器后形成的喷射面与U形分布器形状一致。

8.根据权利要求5所述的三氯氢硅生产系统，其特征在于：所述硅粉接受罐前设置可切换管路，硅粉接受罐与硅粉料仓直接连接或者中间加装硅粉烘粉炉。

9.根据权利要求5所述的三氯氢硅生产系统，其特征在于：所述旋风分离器为四台且在反应器内的同一水平高度设置，旋风分离器两两一组出口分别汇合后，再统一汇合从反应器出口出料。

10.根据权利要求9所述的三氯氢硅生产系统，其特征在于：相邻旋风分离器的气体入口角度偏差为90°。

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