CN113387363A - 一种三氯氢硅合成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三氯氢硅合成方法，将硅粉原料经流化进行冷氢化反应合成三氯氢硅，得到冷氢化合成反应混合气；先分离出冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉，得到第一除尘气,并将所述大颗粒硅粉返回到流化过程中继续进行冷氢化反应；再分离出所述第一除尘气中的小颗粒硅粉，得到三氯氢硅；将所述小颗粒硅粉与氯化氢进行氯化反应生成三氯氢硅。本发明还公开一种三氯氢硅合成系统。本发明可实现硅粉高效率利用，降低硅单耗。

Description

一种三氯氢硅合成方法及系统

技术领域

本发明属于多晶硅技术领域，具体涉及一种三氯氢合成方法及系统。

背景技术

冷氢化技术是在一定温度和压力等条件下使硅粉和氢气发生冷氢化反应转化为三氯氢硅(SiHCl₃，简称TCS)。冷氢化工艺采用的反应器按照结构形式的不同主要可以分为流化床反应器和固定床反应器，相比之下，流化床反应器的效率较高，可以达到20％至25％。

目前，冷氢化工艺中主流的流化床反应器内一般都配套设置有旋风分离器，目的是将冷氢化反应后的合成气中携带出来的大于一定粒径的固体颗粒(硅粉)通过离心力和重力实现气固分离。气固分离出来的固体颗粒(硅粉)落入内置的旋风分离器的灰斗部位，通过料腿进行堆积和收集，然后再返回到流化床反应器的反应区重新参与冷氢化反应。但是，这种内置的旋风分离器只能分离出气体携带的部分硅粉，剩余的大量的小颗粒硅粉仍然夹杂在尾气中并直接进入后端的冷却分离系统，而现有冷氢化工艺的冷却分离系统主要是通过文丘里洗涤器、急冷塔设备除去尾气中夹杂的剩余硅粉，之后，再通过渣浆系统将含有硅粉的氯硅烷渣浆直接进行水解处理或者对渣浆中的大部分氯硅烷进行蒸发回收后再进行水解，造成三氯氢硅生成过程中硅单耗高、同时存在一定的环境污染风险，此外，冷却分离系统分离出来的硅粉虽然可以重新进入流化床反应器内再利用，但由于这部分硅粉颗粒小，流化反应效果不好，大量的细小硅粉颗粒在反应系统内循环时会增加反应系统的负荷，同时导致反应效率下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种三氯氢硅合成方法及系统，可实现硅粉高效率利用，降低硅单耗。

根据本发明的一个方面，提供一种三氯氢硅合成方法，其技术方案如下：

一种三氯氢硅合成方法，包括：

将硅粉原料经流化进行冷氢化反应合成三氯氢硅，得到冷氢化合成反应混合气；

先分离出冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉，得到第一除尘气,并将所述大颗粒硅粉返回到流化过程中继续进行冷氢化反应；

再分离出所述第一除尘气中的小颗粒硅粉，得到三氯氢硅；

将所述小颗粒硅粉与氯化氢进行氯化反应生成三氯氢硅。

优选的是，所述大颗粒硅粉粒径为160～10目，更优选的为120～10目；所述小颗粒硅粉的粒径为500～160目，更优选的为400～160目。

优选的是，所述大颗粒硅粉是采用旋风分离器由冷氢化合成反应混合气中分离得到，所述旋风分离器流速为10～20m/s；

所述小颗粒硅粉是采用过滤器过滤第一除尘气分离的得到，所述过滤器采用金属烧结滤芯或陶瓷滤芯，所述第一除尘气的流速为0.5～2m/s。

优选的是，所述冷氢化反应的温度为500～550℃，压力为2～3MPa；

所述氯化反应的温度为300～380℃，压力为0.05～0.2MPa。

根据本发明的另一个方面，提供一种三氯氢硅合成系统，其技术方案如下：

一种三氯氢硅合成系统，包括冷氢化反应器、气固分离单元、以及氯化反应器，

所述冷氢化反应器，采用流化床反应器，用于将原料硅粉与四氯化硅和氢气的混合气原料进行冷氢化反应生成三氯氢硅；

所述气固分离单元，与所述冷氢化反应器相连，用于接收冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气并对其进行分级分离，以分离出冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉和小颗粒硅粉，得到三氯氢硅，并将所述大颗粒硅粉返回到所述冷氢化反应器中继续进行冷氢化反应；

所述氯化反应器，与所述气固分离单元相连，用于接收所述小颗粒硅粉并与氯化氢原料进行氯化反应生成三氯氢硅。

优选的是，所述气固分离单元包括旋风分离器、过滤器，

所述旋风分离器，与所述冷氢化反应器相连，用于对冷氢化反应器中生成的冷氢化合成气进行气固分离，以分离冷氢化合成气中的大颗粒硅粉，得到第一除尘气，并将所述大颗粒硅粉返回到冷氢化反应器；

所述过滤器与所述旋风分离器的出风口相连，以接收第一除尘气，过滤器的出口包括固相出口和气相出口，所述固相出口与所述氯化反应器相连，用于将第一除尘气过滤后得到的所述小颗粒硅粉输送至氯化反应器，所述气相出口用于输出过滤后得到的三氯氢硅。

优选的是，所述旋风分离器为内置旋风分离器，内置旋风分离器的下料腿处于所述冷氢化反应器的反应段，其流速为10～20m/s，对粒径为120目以上硅粉颗粒分离效率可达99％；

所述过滤器采用金属烧结滤芯或陶瓷滤芯，其滤芯孔径为10-50μm，对粒径为500目以上的硅粉颗粒的分离效率可达99.9％。

优选的是，所述氯化反应器为流化床反应器，且氯化反应器的反应压力为0.05-0.2MPa，氯化反应的气速(气体流速)远小于冷氢化反应器的气速，使得小颗粒硅粉在流化床氯化反应器内也能进行正常进行流化反应。

优选的是，本系统还包括补充管线，所述补充管线与所述氯化反应器相连，以额外补充硅粉。

本发明的三氯氢硅合成方法及系统，可对冷氢化反应后的合成气中夹带的硅粉颗粒进行分级分离、回收利用，不仅可实现硅粉的高效回收利用，降低三氯氢硅生产过程的硅单耗，还可避免小颗粒硅粉在冷氢化流化反应过程中反复循环，提高流化效果和反应效率，减小冷氢化流化反应系统的负荷，降低能耗。

附图说明

图1为本发明实施例中三氯氢硅合成方法的结构示意图。

图中：1-冷氢化反应器；2.硅粉进料管线；3.混合气进料管线；4.旋风分离器；5.过滤器；6.冷氢化合成气出口管线；7.氯化反应器；8.补充管线；9.氯化氢进料管线；10.氯化合成气出口管线；11-旋风分离器的入口；12-下料腿；13-气体分布器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种三氯氢硅合成方法，包括：

将硅粉原料经流化(指硅粉原料在流化床反应器中的流化反应过程)进行冷氢化反应合成三氯氢硅，得到冷氢化合成反应混合气，先分离出冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉，得到第一除尘气,并将所述大颗粒硅粉返回到流化过程中继续进行冷氢化反应；

再分离出第一除尘气中的小颗粒硅粉，得到三氯氢硅，将小颗粒硅粉与氯化氢进行氯化反应生成三氯氢硅。

本实施例还公开一种三氯氢硅合成系统，包括冷氢化反应器1、气固分离单元、以及氯化反应器7，其中：冷氢化反应器1采用流化床反应器，用于将原料硅粉与四氯化硅和氢气的混合气原料进行冷氢化反应生成三氯氢硅；气固分离单元与冷氢化反应器1相连，用于接收冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气并对其进行分级分离，以分离出冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉和小颗粒硅粉，得到三氯氢硅，并将大颗粒硅粉返回到冷氢化反应器1中再次进行冷氢化反应；氯化反应器7与分离单元相连，用于接收小颗粒硅粉并与氯化氢进行氯化反应生成三氯氢硅。

本实施例的三氯氢硅合成系统，可实现硅粉的高效回收利用，降低三氯氢硅生产过程的硅单耗。

实施例2

如图1所示，本实施例公开一种三氯氢硅合成方法，包括：

将硅粉原料经流化进行冷氢化反应合成三氯氢硅，得到冷氢化合成反应混合气；

先分离出冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉，得到第一除尘气,并将大颗粒硅粉返回到流化过程中继续进行冷氢化反应；

再分离出第一除尘气中的小颗粒硅粉，得到三氯氢硅，更准确来说，是得到三氯氢硅的第二除尘气，将小颗粒硅粉与氯化氢进行氯化反应生成三氯氢硅，第二除尘气以及氯化反应生成的氯化合成气分别输送到后续的冷却分离工序进行冷却分离，以分离得到三氯氢硅产物。

在一些实施方式中，大颗粒硅粉粒径为160～10目，更优选的为120～10目。小颗粒硅粉的粒径为500～160目，更优选的为400～160目。冷氢化反应采用流化床反应器，即冷氢化反应过程为冷氢化流化反应，可避免小颗粒硅粉在冷氢化流化反应过程中反复循环，提高流化效果和反应效率，减小小颗粒硅粉对冷氢化流化反应系统的负荷。

在一些实施方式中，大颗粒硅粉是采用旋风分离器4由冷氢化合成反应混合气中分离得到，优选为内置旋风分离器，旋风分离器4的流速为10～20m/s，以确保返回到冷氢化流化反应过程中的硅粉为大颗粒硅粉，避免小颗粒硅粉进入冷氢化流化反应过程中进行反复循环；小颗粒硅粉是采用过滤器5过滤第一除尘气分离得到，过滤器5采用金属烧结滤芯或陶瓷滤芯，第一除尘气的流速为0.5～2m/s，以提高对第一除尘气体中硅粉的分离效果，从而确保硅粉利用率，并且，有利于提高第二除尘气的后续冷却分离工序的处理效率。

在一些实施方式中，冷氢化反应的温度为500～550℃，压力为2～3MPa；氯化反应的温度为300～380℃，压力为0.05～0.2MPa。

本实施例的三氯氢硅合成方法，可对冷氢化反应后的合成气中夹带的硅粉颗粒进行分级分离、回收利用，不仅可实现硅粉的高效回收利用，降低三氯氢硅生产过程的硅单耗，还可避免小颗粒硅粉在冷氢化流化反应过程中反复循环，提高流化效果和反应效率，减小冷氢化流化反应系统的负荷，降低能耗。

实施例3

如图1所示，本实施例公开一种三氯氢硅合成系统，包括冷氢化反应器1、气固分离单元、以及氯化反应器7，其中：冷氢化反应器1采用流化床反应器，用于将原料硅粉与四氯化硅和氢气的混合气原料进行冷氢化反应生成三氯氢硅；气固分离单元与冷氢化反应器1相连，用于接收冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气并对其进行分级分离，以分离出冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉和小颗粒硅粉，得到三氯氢硅，并将大颗粒硅粉返回到冷氢化反应器1中继续进行冷氢化反应；氯化反应器7与气固分离单元相连，用于接收小颗粒硅粉并与氯化氢原料进行氯化反应生成三氯氢硅。

具体来说，冷氢化反应器1上设有硅粉进料管线2和混合气进料管线3，其中，硅粉进料管线2设于流化床反应器的上部，从流化床反应器的上部通入硅粉原料；混合进料管线设于流化床反应器的底部或下部，用于从流化床反应器的的下部或底部通入四氯化硅和氢气的混合气原料，并且，流化床反应器的下部或底部设有气体分布器13，以均匀分散上述通入的混合气原料，混合气原料经气体分布器13分散后与下落的硅粉充分接触并进行冷氢化流化反应，反应生成的冷氢化合成气夹杂着硅粉进入到气固分离单元进行气固分离，气固分离后得到的合成气通过冷氢化合成气出口管线6通入到后续的冷却分离工序(如依次通入到急冷塔、空冷器、水冷器、深冷器中进行冷凝分离)进行冷却分离，以分离出三氯氢硅产物、以及四氯化硅。本实施例中，硅粉原料的粒径为160～10目，冷氢化反应的温度为500～550℃，压力为2～3MPa。

氯化氢反应器的上部设有硅粉进料口，其与气固分离单元相连，以接收气固分离后的小颗粒硅粉。氯化反应器7上设有氯化氢进料管线9，氯化氢进料管线9设于氯化反应器7的下部或底部，即从氯化氢反应器的下部或底部通入氯化氢原料，并且，氯化反应器7的下部或底部设有气体分布器13，以均匀分散通入的氯化氢原料，氯化氢原料经气体分布器13分散后与下落的小颗粒硅粉充分接触并进行氯化反应，反应生成的氯化合成气经氯化反应器7顶部的气相出口通过氯化合成气出口管线10通入到后续的冷却分离工序(如依次通入到急冷塔、空冷器、水冷器、深冷器中进行冷凝分离)进行冷却分离，以分离出三氯氢硅产物。本实施例中，氯化反应的温度为300～360℃，压力为0.05～0.2MPa。

在一些实施方式中，气固分离单元包括旋风分离器4、过滤器5，其中：旋风分离器4与冷氢化反应器1相连，用于对冷氢化反应器1中生成的合成气进行气固分离，以分离合成气中的大颗粒硅粉，得懂第一除尘气，并将大颗粒硅粉返回到冷氢化反应器1；过滤器5与旋风分离器4的出口相连，以接收第一除尘器气，过滤器5的出口包括固相出口和气相出口，固相出口与氯化反应器7相连，用于将第一除尘气过滤后得到的小颗粒硅粉输送至氯化反应器7，气相出口用于输出过滤后得到的三氯氢硅，准确来说，是输出过滤后得到含有三氯氢硅的第二除尘气。

具体来说，旋风分离器4优选为内置旋风分离器，其设于流化床反应器的内部，内置旋风分离器的入口11与流化床反应器相连，冷氢化反应后的合成气进入内置旋风分离器后，大颗粒硅粉与内置旋风分离器的内壁撞击在重力作用下掉落到内置旋风分离器的底部。内置旋风分离器的底部设有下料腿12，下料腿12处于流化床反应器的反应段，用于将掉落到内置旋风分离器底部的大颗粒硅粉返回到流化床反应器中继续进行冷氢化反应。分离内置旋风分离器的顶部设有气相出口，该气相出口与流化床反应器的气相出口相连，用于将输出分离出大颗粒硅粉的合成气(即第一除尘气)。本实施例中，内置旋风分离器的流速为10～20m/s，对粒径为120目以上硅粉颗粒分离效率可达99％，以确保返回到冷氢化流化反应过程中的硅粉为大颗粒硅粉，避免小颗粒硅粉进入冷氢化流化反应过程中进行反复循环，从而减小系统的负荷。

过滤器5的固相出口设于过滤器5的底部，其气相出口设于过滤器5的顶部，用于连接后续的冷却分离工序。过滤器5优选采用金属烧结滤芯或陶瓷滤芯，其滤芯孔径优选为10～50μm，其对粒径为500目以上的硅粉颗粒的分离效率可达到99.9％，从而确保硅粉高效率回收利用，并且，有利于提高第二除尘气的后续冷却分离工序的处理效率。本实施例例中，过滤器内第一除尘气的流速为0.5～2m/s。

在一些实施方式中，氯化反应器7优选为流化床反应器，且氯化反应器7的反应压力为0.05-0.2MPa，氯化反应的气速(气体流速)远小于冷氢化反应器1的气速，使得小颗粒硅粉在流化床氯化反应器内也能进行正常进行流化反应。

在一些实施方式中，本系统还包括补充管线8，补充管线8与氯化反应器7的硅粉进料口相连，以额外补充新鲜的硅粉，确保氯化反应器7中的硅氯比。

本实施例的三氯氢硅合成系统，可对冷氢化反应后的合成气中夹带的硅粉颗粒进行分级分离、回收利用，不仅可实现硅粉的高效回收利用，降低三氯氢硅生产过程的硅单耗，还可避免小颗粒硅粉在冷氢化流化反应过程中反复循环，提高流化效果和反应效率，减小冷氢化流化反应系统的负荷，降低能耗。

可以理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，然而本发明并不局限于此。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变形和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种三氯氢硅合成方法，包括：

将硅粉原料经流化进行冷氢化反应合成三氯氢硅，得到冷氢化合成反应混合气；

先分离出冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉，得到第一除尘气,并将所述大颗粒硅粉返回到流化过程中继续进行冷氢化反应；

再分离出所述第一除尘气中的小颗粒硅粉，得到三氯氢硅；

将所述小颗粒硅粉与氯化氢进行氯化反应生成三氯氢硅。

2.根据权利要求1所述的三氯氢硅合成方法，其特征在于，所述大颗粒硅粉粒径为160～10目，所述小颗粒硅粉的粒径为500～160目。

3.根据权利要求2所述的三氯氢硅合成方法，其特征在于，所述大颗粒硅粉是采用旋风分离器由冷氢化合成反应混合气中分离得到，所述旋风分离器流速为10～20m/s；

所述小颗粒硅粉是采用过滤器过滤第一除尘气分离的得到，所述过滤器采用金属烧结滤芯或陶瓷滤芯，所述第一除尘气的流速为0.5～2m/s。

4.根据权利要求2所述的三氯氢硅合成方法，其特征在于，所述冷氢化反应的温度为500～550℃，压力为2～3MPa；

所述氯化反应的温度为300～380℃，压力为0.05～0.2MPa。

5.一种三氯氢硅合成系统，其特征在于，包括冷氢化反应器(1)、气固分离单元、以及氯化反应器(7)，

所述冷氢化反应器，采用流化床反应器，用于将原料硅粉与四氯化硅和氢气的混合气原料进行冷氢化反应生成三氯氢硅；

所述气固分离单元，与所述冷氢化反应器相连，用于接收冷氢化反应后的冷氢化合成反应混合气并对其进行分级分离，以分离出冷氢化合成反应混合气中的大颗粒硅粉和小颗粒硅粉，得到三氯氢硅，并将所述大颗粒硅粉返回到所述冷氢化反应器中继续进行冷氢化反应；

所述氯化反应器，与所述气固分离单元相连，用于接收所述小颗粒硅粉并与氯化氢原料进行氯化反应生成三氯氢硅。

6.根据权利要求5所述的三氯氢硅合成系统，其特征在于，所述气固分离单元包括旋风分离器(4)、过滤器(6)，

所述旋风分离器，与所述冷氢化反应器相连，用于对冷氢化反应器中生成的冷氢化合成气进行气固分离，以分离冷氢化合成气中的大颗粒硅粉，得到第一除尘气，并将所述大颗粒硅粉返回到冷氢化反应器；

所述过滤器与所述旋风分离器的出风口相连，以接收第一除尘气，过滤器的出口包括固相出口和气相出口，所述固相出口与所述氯化反应器相连，用于将第一除尘气过滤后得到的所述小颗粒硅粉输送至氯化反应器，所述气相出口用于输出过滤后得到的三氯氢硅。

7.根据权利要求6所述的三氯氢硅合成系统，其特征在于，所述旋风分离器为内置旋风分离器，内置旋风分离器的下料腿处于所述冷氢化反应器的反应段，其流速为10～20m/s；

所述过滤器采用金属烧结滤芯或陶瓷滤芯，其滤芯孔径为10～50μm。

8.根据权利要求7所述的三氯氢硅合成系统，其特征在于，所述氯化反应器为流化床反应器，且氯化反应器的反应压力为0.05-0.2MPa。

9.根据权利要求7所述的三氯氢硅合成系统，其特征在于，还包括补充管线(8)，

所述补充管线与所述氯化反应器相连，以额外补充硅粉。

Images