CN112209384A - 一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置及工艺，包括依次连接的三氯氢硅和四氯化硅合成单元、三氯氢硅和四氯化硅提纯单元、三氯氢硅和四氯化硅分离单元，三氯氢硅精制单元和四氯化硅精制单元分别与三氯氢硅和四氯化硅分离单元连接。采用本发明的装置合成过程中HCl 100％完全反应，不需要后系统的氯化氢回收装置，及副产氢气水洗处理装置，实现氢气深冷后直接回收利用，实现在线生产，不停止装置即可排出系统不反应的微硅粉，保证装置的长期稳定运行，可以实现装置的余热回收，装置中添加了干法除尘器，实现三氯氢硅装置干法除尘，消除微硅粉进入后序洗涤塔装置，消除后系统因微硅粉堵塞，保证装置的长期稳定运行。

Description

一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置及工艺

技术领域

本发明属于电子级硅烷气技术领域，具体涉及一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置及工艺。

背景技术

移动通信技术高速发达的今天，人们越来越重视移动通信技术行业，这在一定程度上大大促进了移动通信技术行业的发展，而半导体芯片及光纤预制棒在移动通信技术行业发展的过程中起到了重要的作用，高纯三氯氢硅及高纯四氯化硅是半导体芯片及光纤预制棒产业的基础材料，是生产半导体芯片及光纤预制棒原件的基础材料。近几年来，近年国内半导体硅基材料还处于起步阶段，企业在技术开发方面做了大量创新，使得半导体硅基材料品质不断提高，逐步赶上国外主流厂商的技术水平。生产半导体硅基材料的各个工艺环节上都会有诸多因素影响最终产品品质，其中最重要的因素之一就是原料三氯氢硅纯度，而三氯氢硅中Fe、Ni、Cr、Cu、Al、Ti、Mn、Zn、Co、Na、B、P杂质的去除仍然是一个难点。高纯四氯化硅主要用于生产光纤预制棒，是制造光纤、光缆的重要基础材料，要求原料四氯化硅纯度在7N，而三氯氢硅中Fe、Ni、Cr、Cu、Al、Ti、Mn、Zn、Co、Na杂质的去除仍然是一个难点。

国内三氯氢硅、四氯化硅装置现状：在合成反应过程中HCL不能100％完全反应，需要后系统处理；合成反应无法实现自动排渣，运行周期短，无法保证整套装置的长期运行；合成硅烷气没有干法除尘系统，大量的微硅粉进入后系统，造成后系统堵塞，影响装置的运行周期；硅烷气的分离未达到高纯与普通产品的分离；无法控制三氯氢硅及四氯化硅产出比率。

鉴于以上原因，特提出本发明。

发明内容

为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置及工艺，采用本发明的装置氯化氢可以100％完全反应，反应过程中可以自动排渣，运行周期长，本发明的装置中设置干法除尘系统，消除微硅粉进入后续洗涤塔装置，保证装置的长期运行，本发明的工艺通过调整反应温度，可以控制三氯氢硅及四氯化硅产出比率。

本发明的第一目的，提供了一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，包括依次连接的三氯氢硅和四氯化硅合成单元、三氯氢硅和四氯化硅提纯单元、三氯氢硅和四氯化硅分离单元，三氯氢硅精制单元和四氯化硅精制单元分别与三氯氢硅和四氯化硅分离单元连接。

进一步的，所述的三氯氢硅和四氯化硅合成单元包括依次连接的硅粉料仓、硅粉称重料斗、硅粉加料仓和合成炉，所述的硅粉加料仓还连接有废粉罐。

进一步的，所述的合成炉通过导热油循环泵与导热油加热器连接，所述的导热油加热器还连接有再沸锅炉，所述的再沸锅炉还与所述的合成炉连接。

进一步的，三氯氢硅和四氯化硅提纯单元包括依次连接的第一干法除尘器、第二干法除尘器、水冷洗涤塔和深冷冷凝塔，所述的水冷洗涤塔和深冷冷凝塔分别与氯硅烷缓冲罐连接。

进一步的，所述的第一干法除尘器与所述的合成炉连接，所述的氯硅烷缓冲罐通过水冷洗涤塔循环泵、风冷器与所述的水冷洗涤塔连接。

进一步的，所述的三氯氢硅和四氯化硅分离单元包括依次连接的蒸馏塔、蒸馏冷凝器、第一缓冲罐、循环泵、三氯氢硅和四氯化硅分离塔，优选的，所述的三氯氢硅和四氯化硅分离塔的塔顶依次连接有三氯氢硅第一冷凝器、第二缓冲罐、三氯氢硅循环泵。

进一步的，所述的三氯氢硅精制单元包括依次连接的三氯氢硅精制一塔、三氯氢硅冷凝器、第三缓冲罐、三氯氢硅第一循环泵和三氯氢硅储罐，优选的，三氯氢硅精制一塔的塔底还依次连接有三氯氢硅第二循环泵和三氯氢硅精制二塔。

进一步的，所述的三氯氢硅精制二塔的顶部依次连接有三氯氢硅第二冷凝器、第四缓冲罐、三氯氢硅第四循环泵和三氯氢硅储罐，所述的三氯氢硅精制二塔的塔顶中部依次连接有高纯三氯氢硅冷凝器、高纯三氯氢硅缓冲罐、高纯三氯氢硅循环泵和高纯三氯氢硅储罐。

进一步的，四氯化硅精制单元包括四氯化硅精制一塔，所述的四氯化硅精制一塔的塔顶依次连接有四氯化硅冷凝器、第五缓冲罐、四氯化硅第二循环泵和四氯化硅储罐，优选的，所述的四氯化硅精制一塔的塔底依次连接有四氯化硅第一循环泵、四氯化硅精制二塔，更优选的，所述的四氯化硅精制二塔的顶部依次连接有四氯化硅冷凝器、第六缓冲罐、四氯化硅第三循环泵和四氯化硅储罐，更优选的，所述的四氯化硅精制二塔的塔顶中部依次连接有高纯四氯化硅冷凝器、高纯四氯化硅缓冲罐、高纯四氯化硅循环泵和高纯四氯化硅储罐。

本发明的第二目的，提供了一种利用所述的装置生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的工艺，包括如下步骤：

(1)将硅粉和氯化氢在三氯氢硅和四氯化硅合成单元进行反应，温度为340-380℃，压力为0.7-0.9mPa，生成三氯氢硅和四氯化硅的混合物；

(2)三氯氢硅和四氯化硅的混合物在三氯氢硅和四氯化硅提纯单元中进行剔除，除去硅粉，冷凝，得到氯硅烷液体；

(3)将所述的氯硅烷液体在三氯氢硅和四氯化硅分离单元进行分离，得到三氯硅烷粗品和四氯化硅粗品；

(4)将所述的三氯硅烷粗品经过三氯硅烷精制单位进行精制提纯，得到纯度≥99.99999％的高纯三氯氢硅，将所述的四氯化硅粗品经四氯化硅静置单元进行精制提出，得到纯度≥99.99999％的高纯四氯化硅。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)采用本发明的装置合成过程中HCl 100％完全反应，不需要后系统的氯化氢回收装置，及副产氢气水洗处理装置，实现氢气深冷后直接回收利用，实现在线生产，不停止装置即可排出系统不反应的微硅粉，保证装置的长期稳定运行，可以实现装置的余热回收，节约装置的运行成本，装置中添加了干法除尘器，实现三氯氢硅装置干法除尘，消除微硅粉进入后序洗涤塔装置，消除后系统因微硅粉堵塞，保证装置的长期稳定运行；

(2)本发明的工艺通过调整反应温度，可以控制三氯氢硅与四氯化硅的产出比率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1是本发明的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置结构示意图；

图2是本发明的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置整体结构示意图；

图3是本发明中A处的局部放大图；

图4是本发明中B处的局部放大图；

图5是本发明中C处的局部放大图。

附图标记

1-硅粉料仓、2-硅粉称重料斗、3-硅粉加料仓、4-合成炉、5-废粉罐、6-导热油循环泵、7-导热油加热器、8-再沸锅炉、9A-第一干法除尘器、9B-第二干法除尘器、10-水冷洗涤塔、11-深冷冷凝塔、12-氯硅烷缓冲罐、13-水冷洗涤塔循环泵、14-风冷器、15-蒸馏塔、16-蒸馏塔底部循环泵、17-蒸馏冷凝器、18-第一缓冲罐、19-循环泵、20-三氯氢硅和四氯化硅分离塔、21-四氯化硅循环泵、22-三氯氢硅第一冷凝器、23-第二缓冲罐、24-三氯氢硅循环泵、25-三氯氢硅精制一塔、26-三氯氢硅冷凝器、27-第三缓冲罐、28-三氯氢硅第一循环泵、29-三氯氢硅第二循环泵、30-三氯氢硅精制二塔、31-三氯氢硅第三循环泵、32-三氯氢硅第二冷凝器、33-第四缓冲罐、34-三氯氢硅第四循环泵、35-高纯三氯氢硅冷凝器、36-高纯三氯氢硅缓冲罐、37-高纯三氯氢硅循环泵、38-高纯三氯氢硅储罐、39-三氯氢硅储罐、40-四氯化硅精制一塔、41-四氯化硅第一循环泵、42-四氯化硅冷凝器、43-第五缓冲罐、44-四氯化硅第二循环泵、45-四氯化硅精制二塔、46-四氯化硅冷凝器、47-第六缓冲罐、48-四氯化硅第三循环泵、49-高纯四氯化硅冷凝器、50-高纯四氯化硅缓冲罐、51-高纯四氯化硅循环泵、52-四氯化硅第四循环泵、53-高纯四氯化硅储罐、54-四氯化硅储罐。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1-5所示为本发明的生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置结构示意图。

入图1所示，本发明的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，包括依次连接的三氯氢硅和四氯化硅合成单元、三氯氢硅和四氯化硅提纯单元、三氯氢硅和四氯化硅分离单元，三氯氢硅精制单元和四氯化硅精制单元分别与三氯氢硅和四氯化硅分离单元连接。

实施例1

如图3所示，本实施例的三氯氢硅和四氯化硅合成单元包括依次连接的硅粉料仓1、硅粉称重料斗2、硅粉加料仓3和合成炉4，所述的硅粉加料仓3还连接有废粉罐5，废粉罐5处理对废硅粉进行处理，合成炉4中还加入HCl，作为反应物与硅粉进行反应，生产三氯氢硅和四氯化硅。

合成炉4的顶部还通过导热油循环泵6与导热油加热器7连接，所述的导热油加热器7还连接有再沸锅炉8，所述的再沸锅炉8还与所述的合成炉4连接。三氯氢硅、四氯化硅合成炉4中进行的反应属于放热反应，反应热量经过导热有循环降温，导热油循环泵6提供动力。合成炉4中循环出来的导热热油温度180°作用，通过导热油循环泵6输送至再沸锅炉8，在再沸锅炉8通过产生蒸汽将反应的热量带走，经过再沸锅炉8后导热油温度降至143°进行合成炉4中降温，导热油加热器7是在开车、停车时升温使用。

实施例2

如图3所示，本实施例的三氯氢硅和四氯化硅提纯单元包括依次连接的第一干法除尘器9A、第二干法除尘器9B、水冷洗涤塔10和深冷冷凝塔11，所述的水冷洗涤塔10和深冷冷凝塔11分别与氯硅烷缓冲罐12连接。合成炉4反应后生成的三氯氢硅、四氯化硅、氢气经过第一干法除尘器9A、第二干法除尘器9B除去未反应的硅粉，再经过水冷洗涤塔10、深冷冷凝塔11得到氯硅烷液。冷凝下来的氯硅烷液进入氯硅烷缓冲罐12，水冷洗涤塔循环泵13输送洗涤物料经过风冷器14降温后进入水冷洗涤塔10中。

反应的方程式如下所示：

(A+B)Msi+(3A+4B)HCl→ASiHCl₃+BSiCl₄+(A+2B)H₂

实施例3

如图4所示，本实施例的三氯氢硅和四氯化硅分离单元包括依次连接的蒸馏塔15、蒸馏冷凝器17、第一缓冲罐18、循环泵19、三氯氢硅和四氯化硅分离塔20。所述的三氯氢硅和四氯化硅分离塔20的塔顶依次连接有三氯氢硅第一冷凝器22、第二缓冲罐23、三氯氢硅循环泵24。从氯硅烷缓冲罐12中来的三氯氢硅和四氯化硅混合液在系统压力作用下进入蒸馏塔15，塔底排出的高沸物通过蒸馏塔底部循环泵16送至高废处理装置进行处理。三氯氢硅循环泵24产出三氯氢硅，三氯氢硅的纯度为99.9％，输送至三氯氢硅精制单元，所述的三氯氢硅和四氯化硅分离塔20的塔底产出四氯化硅，四氯化硅的纯度为99.9％，通过塔底的四氯化硅循环泵21送至四氯化硅精制单元。

实施例4

如图5所示，所述的三氯氢硅精制单元包括依次连接的三氯氢硅精制一塔25、三氯氢硅冷凝器26、第三缓冲罐27、三氯氢硅第一循环泵28和三氯氢硅储罐39。经过三氯化硅精制一塔25处理后输送到三氯氢硅储罐39中的三氯氢硅的纯度为99.9％，三氯氢硅精制一塔25的塔底还依次连接有三氯氢硅第二循环泵29和三氯氢硅精制二塔30。

所述的三氯氢硅精制二塔30的顶部依次连接有三氯氢硅第二冷凝器32、第四缓冲罐33、三氯氢硅第四循环泵34和三氯氢硅储罐39，经过三氯氢硅精制二塔30处理输送到三氯氢硅储罐39的三氯氢硅的纯度为99.999％，所述的三氯氢硅精制二塔30的塔顶中部依次连接有高纯三氯氢硅冷凝器35、高纯三氯氢硅缓冲罐36、高纯三氯氢硅循环泵37和高纯三氯氢硅储罐38。高纯三氯氢硅储罐38中的三氯氢硅的纯度为99.99999％，三氯氢硅精制二塔30塔底产出的三氯氢硅通过三氯氢硅第三循环泵31输送至三氯氢硅储罐39，塔底产出的三氯氢硅纯度为99.999％。

进一步的方案，四氯化硅精制单元包括四氯化硅精制一塔40，所述的四氯化硅精制一塔40的塔顶依次连接有四氯化硅冷凝器42、第五缓冲罐43、四氯化硅第二循环泵44和四氯化硅储罐54。经过四氯化硅精制一塔40处理后输送至四氯化硅储罐54的四氯化硅的纯度为99.9％，所述的四氯化硅精制一塔40的塔底依次连接有四氯化硅第一循环泵41、四氯化硅精制二塔45。

所述的四氯化硅精制二塔45的顶部依次连接有四氯化硅冷凝器46、第六缓冲罐47、四氯化硅第三循环泵48和四氯化硅储罐54。经过四氯化硅精制二塔45处理输送到四氯化硅储罐54中的四氯化硅的纯度为99.999％。所述的四氯化硅精制二塔45的塔顶中部依次连接有高纯四氯化硅冷凝器49、高纯四氯化硅缓冲罐50、高纯四氯化硅循环泵51和高纯四氯化硅储罐53，四氯化硅精制二塔45底部产生的四氯化硅经过四氯化硅第四循环泵52输送到四氯化硅储罐54，高纯四氯化硅储罐53中的四氯化硅纯度为99.99999％。

实施例5

本实施例利用所述的装置生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的工艺，包括如下步骤：

(1)将硅粉和氯化氢在三氯氢硅和四氯化硅合成单元进行反应，温度为360℃，压力为0.8mPa，生成三氯氢硅和四氯化硅的混合物；

(2)三氯氢硅和四氯化硅的混合物在三氯氢硅和四氯化硅提纯单元中进行剔除，除去硅粉，冷凝，得到氯硅烷液体；

(3)将所述的氯硅烷液体在三氯氢硅和四氯化硅分离单元进行分离，得到三氯硅烷粗品和四氯化硅粗品；

(4)将所述的三氯硅烷粗品经过三氯硅烷精制单位进行精制提纯，得到纯度≥99.9999％的高纯三氯氢硅，将所述的四氯化硅粗品经四氯化硅静置单元进行精制提出，得到纯度≥99.99999％的高纯四氯化硅。

试验例

只改变硅粉和氯化氢反应的温度，按照实施例5的方法生产三氯氢硅和四氯化硅，计算最后产物中三氯氢硅和四氯化硅的产出比率，结果如表1所示。

表1

从表1中的数据可以看出，本发明的工艺通过调整反应温度，可以控制三氯氢硅与四氯化硅的产出比率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，包括依次连接的三氯氢硅和四氯化硅合成单元、三氯氢硅和四氯化硅提纯单元、三氯氢硅和四氯化硅分离单元，三氯氢硅精制单元和四氯化硅精制单元分别与所述的三氯氢硅和四氯化硅分离单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，所述的三氯氢硅和四氯化硅合成单元包括依次连接的硅粉料仓、硅粉称重料斗、硅粉加料仓和合成炉，所述的硅粉加料仓还连接有废粉罐。

3.根据权利要求2所述的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，所述的合成炉通过导热油循环泵与导热油加热器连接，所述的导热油加热器还连接有再沸锅炉，所述的再沸锅炉还与所述的合成炉连接。

4.根据权利要求2所述的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，三氯氢硅和四氯化硅提纯单元包括依次连接的第一干法除尘器、第二干法除尘器、水冷洗涤塔和深冷冷凝塔，所述的水冷洗涤塔和深冷冷凝塔分别与氯硅烷缓冲罐连接。

5.根据权利要求4所述的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，所述的第一干法除尘器与所述的合成炉连接，所述的氯硅烷缓冲罐通过水冷洗涤塔循环泵、风冷器与所述的水冷洗涤塔连接。

6.根据权利要求1所述的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，所述的三氯氢硅和四氯化硅分离单元包括依次连接的蒸馏塔、蒸馏冷凝器、第一缓冲罐、循环泵、三氯氢硅和四氯化硅分离塔，优选的，所述的三氯氢硅和四氯化硅分离塔的塔顶依次连接有三氯氢硅第一冷凝器、第二缓冲罐、三氯氢硅循环泵。

7.根据权利要求1所述的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，所述的三氯氢硅精制单元包括依次连接的三氯氢硅精制一塔、三氯氢硅冷凝器、第三缓冲罐、三氯氢硅第一循环泵和三氯氢硅储罐，优选的，三氯氢硅精制一塔的塔底还依次连接有三氯氢硅第二循环泵和三氯氢硅精制二塔。

8.根据权利要求7所述的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，所述的三氯氢硅精制二塔的顶部依次连接有三氯氢硅第二冷凝器、第四缓冲罐、三氯氢硅第四循环泵和三氯氢硅储罐，所述的三氯氢硅精制二塔的塔顶中部依次连接有高纯三氯氢硅冷凝器、高纯三氯氢硅缓冲罐、高纯三氯氢硅循环泵和高纯三氯氢硅储罐。

9.根据权利要求1所述的一种生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的装置，其特征在于，四氯化硅精制单元包括四氯化硅精制一塔，所述的四氯化硅精制一塔的塔顶依次连接有四氯化硅冷凝器、第五缓冲罐、四氯化硅第二循环泵和四氯化硅储罐，优选的，所述的四氯化硅精制一塔的塔底依次连接有四氯化硅第一循环泵、四氯化硅精制二塔，更优选的，所述的四氯化硅精制二塔的顶部依次连接有四氯化硅冷凝器、第六缓冲罐、四氯化硅第三循环泵和四氯化硅储罐，更优选的，所述的四氯化硅精制二塔的塔顶中部依次连接有高纯四氯化硅冷凝器、高纯四氯化硅缓冲罐、高纯四氯化硅循环泵和高纯四氯化硅储罐。

10.一种利用权利要求1-9任意一项所述的装置生产高纯三氯氢硅和四氯化硅的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将硅粉和氯化氢在三氯氢硅和四氯化硅合成单元进行反应，温度为340-380℃，压力为0.7-0.9mPa，生成三氯氢硅和四氯化硅的混合物；

(2)三氯氢硅和四氯化硅的混合物在三氯氢硅和四氯化硅提纯单元中进行剔除，除去硅粉，冷凝，得到氯硅烷液体；

(3)将所述的氯硅烷液体在三氯氢硅和四氯化硅分离单元进行分离，得到三氯硅烷粗品和四氯化硅粗品；

(4)将所述的三氯硅烷粗品经过三氯硅烷精制单位进行精制提纯，得到纯度≥99.99999％的高纯三氯氢硅，将所述的四氯化硅粗品经四氯化硅静置单元进行精制提出，得到纯度≥99.99999％的高纯四氯化硅。

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