CN114715900B - 一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统及其生产工艺，混料机与真空炉相连完成硅镁合金的制备，继而与反应器相连完成进料需求，反应器还连接有液氨和干燥氯化铵两条进料管道，分子筛进料端通过管路与反应器的出料口相连，分子筛的出料端通过管路与多级精馏系统相连，从多级精馏系统出口端得到电子级乙硅烷，其纯度可达99.999%（5N级）或以上。

Description

一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统及其生产工艺

技术领域

本发明涉及乙硅烷生产技术领域，更具体的说是涉及一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统及其生产工艺。

背景技术

乙硅烷是一种无机化合物，其化学式为Si₂H₆，在常温常压下为无色透明具有不愉快刺激臭的有毒气体，它具有与硅烷类似的化学性质，但其反应性比硅烷更强，它比硅烷更不稳定，在室温缓慢分解成硅烷和氢气，在300～500℃分解成为SiH₄、SinHm、H₂，在光照下也分解。

乙硅烷可用于太阳能电池、感光转筒、非晶硅膜、外延成长、氧化膜、氮化膜、化学气相沉积等方面。在太阳能电池生产中，用乙硅烷比用硅烷在非晶硅片上的沉积速度快得多，且温度可降低200～300℃。乙硅烷还可用于分子束外延和离子注入等技术，在离子注入中，以乙硅烷作离子源后易起辉、束流强，效果明显好于用其他气体作离子源。此外在半导体工艺中用于外延和扩散工艺，也用于太阳能电池和电子照相用的感光鼓。

乙硅烷的制备方法主要有：硅烷加热转化乙硅烷、氯代乙硅烷还原法、硅化镁与氯化铵反应合成、硅化镁与无机酸反应、硅与氢直接合成法等。相比较而言，采用硅烷为原料进行乙硅烷制备，具有原料单一，易于提纯和连续化生产，但是在热解的高温下，较多的硅烷转化为单质硅，同时生成多硅烷等没有价值的副产，效率较低。总之目前电子级乙硅烷产品长期依赖进口，供需缺口日益增大。

因此，提供一种高效制备电子级乙硅烷的连续生产制备系统及其生产工艺是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统及其生产工艺，能够实现大规模电子级乙硅烷有效生产。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统，包括依次通过管道连接的混料机、真空炉、反应器、分子筛和多级精馏装置，其中所述反应器分别与干燥氯化铵输入管道和液氨输入管道连接。

通过采取以上技术方案，本发明的有益效果：

结构简单，布局合理，能够提高电子级乙硅烷制备效率。

进一步的，所述多级精馏装置包括依次通过管道连接的第一精馏塔、第二精馏塔、第三精馏塔和第四精馏塔；所述分子筛与所述第一精馏塔通过管道连接。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，使用多个塔器设备进行精馏，提高产品的乙硅烷纯度，经四个精馏塔连续精馏操作，馏出的乙硅烷纯度可以达到99.999%（5N级）或以上。

进一步的，所述分子筛与所述第一精馏塔之间的所述管道上安装有冷凝器。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，能够将分离出的液氨回流至反应器回收利用，产品及其中少量的不凝气氨从冷凝器上部导出。

利用上述的一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统而进行的生产工艺，包括以下步骤：

1）首先将镁粉和硅粉按比例加入到混料机中进行混合；

2）镁粉和硅粉混合均匀后进入真空炉，经加热反应，然后保温2～15小时后自然冷却，得到硅镁合金；

3）液氨经液氨输入管道向反应器内压入中间介质液氨，使反应器釜内温度降至-5～40℃；

4）硅镁合金进入到反应器中，干燥氯化铵经干燥氯化铵输入管道注入到反应器中，硅镁合金与干燥氯化铵反应制得硅烷、乙硅烷粗品；

5）硅烷、乙硅烷粗品进入到分子筛中，将硅烷、乙硅烷粗品中含有的极微量水分和氨杂质去除；

6）多级精馏装置包括依次通过管道连接的第一精馏塔、第二精馏塔、第三精馏塔和第四精馏塔，其中第一精馏塔对硅烷、乙硅烷混合物进行分离，获得乙硅烷粗品，第二精馏塔、第三精馏塔和第四精馏塔用于去除乙硅烷粗品中极微量的CO₂杂质，最终得到电子级乙硅烷。

通过采取以上技术方案，本发明的有益效果：

该方法包括硅镁合金制取、反应制取、分子筛提纯和产品精馏提纯等工艺，具有能耗低、路线短和产品质量高的特点，利于规模化生产。

进一步的，在步骤2）中，真空炉的加热温度设定为400～600℃，操作压力-0.075～0.12MPa。

进一步的，在步骤4）中反应器的温度设定在-5～50℃，压力为0.01～0.03Mpa，反应时间为3～10小时。

进一步的，在步骤6）中第一精馏塔采取塔顶全回流操作。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，第一精馏塔采取塔顶全回流的方式以提升塔釜获得的乙硅烷粗品的质量，减少后续精馏塔的提纯难度与能耗。

进一步的，在步骤6）中第二精馏塔、第三精馏塔和第四精馏塔均采用高效塔板或填料。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，保障高纯度电子级乙硅烷的产品质量（纯度为99.999%或以上），同时实现大幅度能量降耗。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1 附图为本发明提供的一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例公开了一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统，包括依次通过管道连接的混料机1、真空炉2、反应器3、分子筛4和多级精馏装置，其中反应器3分别与干燥氯化铵输入管道5和液氨输入管道6连接。本发明结构简单，布局合理，能够提高电子级乙硅烷制备效率。

具体的，多级精馏装置包括依次通过管道连接的第一精馏塔7、第二精馏塔8、第三精馏塔9和第四精馏塔10；分子筛4与第一精馏塔7通过管道连接。

值得提出的是，上述技术方案中，多级精馏装置包括二至四级精馏装置，具体使用几级精馏根据所需产品质量与建设及能耗成本选择。

为了能够将分离出的液氨回流至反应器3回收利用，产品及其中少量的不凝气氨从冷凝器上部导出，分子筛4与第一精馏塔7之间的管道上安装有冷凝器。

本发明实施例还公开了利用上述的一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统而进行的生产工艺，包括以下步骤：

1）首先将镁粉和硅粉按比例加入到混料机1中进行混合，以提高其在真空炉2中的反应效果；

2）镁粉和硅粉混合均匀后进入真空炉2，经加热反应，然后保温2～15小时后自然冷却，得到硅镁合金；

在此步骤中，真空炉2的加热温度设定为400～600℃，操作压力-0.075～0.12MPa；

在本实施例中，真空炉2的温度设定为530～570℃，压力设定为-0.093～0.097MPa；

3）液氨经液氨输入管道6向反应器3内压入中间介质液氨，使反应器3釜内温度降至-5～40℃，从而保证硅镁合金粉末与干燥处理过的氯化铵固体颗粒反应的效果；

4）打开反应器3加料系统，硅镁合金进入到反应器3中，干燥氯化铵经干燥氯化铵输入管道5注入到反应器3中，硅镁合金与干燥氯化铵反应制得硅烷、乙硅烷粗品；

在此步骤中，反应器3的温度设定在-5～50℃，压力为0.01～0.03Mpa，反应时间为3～10小时；反应器3采用压力、雷达液位联动控制；

在本实施例中，反应器3温度控制在-10～20℃，压力控制在0.019～0.021Mpa；

5）硅烷、乙硅烷粗品进入到分子筛4中，将硅烷、乙硅烷粗品中含有的极微量水分和氨杂质去除；

6）多级精馏装置为二级精馏装置或三级精馏装置或四级精馏装置，在本实施例中选择为四级精馏装置，包括依次通过管道连接的第一精馏塔7、第二精馏塔8、第三精馏塔9，其中第一精馏塔7对硅烷、乙硅烷混合物进行分离，获得乙硅烷粗品，第二精馏塔8、第三精馏塔9用于去除乙硅烷粗品中极微量的CO₂杂质，最终得到电子级乙硅烷。

在此步骤中，为了提升塔釜获得的乙硅烷粗品的质量，减少后续精馏塔的提纯难度与能耗，第一精馏塔7采取塔顶全回流操作；

在此步骤中，为了保障高纯度电子级乙硅烷的产品质量（纯度为99.999%或以上），同时实现大幅度能量降耗，第二精馏塔8、第三精馏塔9均采用高效塔板或填料。

本发明包括硅镁合金制取、反应制取、分子筛提纯和产品精馏提纯等工艺步骤，具有能耗低、路线短和产品质量高的特点，利于规模化生产。

本发明涉及到的步骤包括以下反应：

真空炉2中反应如下：

反应器3中反应如下：

实施例2：

如图1所示，本发明实施例公开了一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统，包括依次通过管道连接的混料机1、真空炉2、反应器3、分子筛4和多级精馏装置，其中反应器3分别与干燥氯化铵输入管道5和液氨输入管道6连接。本发明结构简单，布局合理，能够提高电子级乙硅烷制备效率。

具体的，多级精馏装置包括依次通过管道连接的第一精馏塔7、第二精馏塔8、第三精馏塔9和第四精馏塔10；分子筛4与第一精馏塔7通过管道连接。

值得提出的是，上述技术方案中，多级精馏装置包括二至四级精馏装置，具体使用几级精馏根据所需产品质量与建设及能耗成本选择。

为了能够将分离出的液氨回流至反应器3回收利用，产品及其中少量的不凝气氨从冷凝器上部导出，分子筛4与第一精馏塔7之间的管道上安装有冷凝器。

本发明实施例还公开了利用上述的一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统而进行的生产工艺，包括以下步骤：

1）首先将镁粉和硅粉按比例加入到混料机1中进行混合，以提高其在真空炉2中的反应效果；

2）镁粉和硅粉混合均匀后进入真空炉2，经加热反应，然后保温2～15小时后自然冷却，得到硅镁合金；

在此步骤中，真空炉2的加热温度设定为400～600℃，操作压力-0.075～0.12MPa；

在本实施例中，真空炉2温度设定为 550℃（电加热），操作压力设定为-0.095MPa，保温4小时后让其自然冷却；

3）液氨经液氨输入管道6向反应器3内压入中间介质液氨，使反应器3釜内温度降至-5～40℃，从而保证硅镁合金粉末与干燥处理过的氯化铵固体颗粒反应的效果；

在本实施例中，使反应器3釜内温度降至-10℃。

4）打开反应器3加料系统，硅镁合金进入到反应器3中，干燥氯化铵经干燥氯化铵输入管道5注入到反应器3中，硅镁合金与干燥氯化铵反应制得硅烷、乙硅烷粗品；

在此步骤中，反应器3的温度设定在-5～50℃，压力为0.01～0.03Mpa，反应时间为3～10小时；反应器3采用压力、雷达液位联动控制；

在本实施例中，反应器3温度设定为-15℃，压力设定为0.020Mpa，反应时间为4小时；

5）硅烷、乙硅烷粗品进入到分子筛4中，将硅烷、乙硅烷粗品中含有的极微量水分和氨杂质去除；

6）多级精馏装置为二级精馏装置或三级精馏装置或四级精馏装置，在本实施例中选择为四级精馏装置，包括依次通过管道连接的第一精馏塔7、第二精馏塔8，其中第一精馏塔7对硅烷、乙硅烷混合物进行分离，获得乙硅烷粗品，第二精馏塔8用于去除乙硅烷粗品中极微量的CO₂杂质，最终得到电子级乙硅烷。

在此步骤中，为了提升塔釜获得的乙硅烷粗品的质量，减少后续精馏塔的提纯难度与能耗，第一精馏塔7控制塔顶温度-100℃条件下，硅烷以气体的形态从塔顶进行全回流；

在此步骤中，为了保障高纯度电子级乙硅烷的产品质量（纯度为99.999%或以上），同时实现大幅度能量降耗，第二精馏塔8采用高效塔板或填料。

本发明包括硅镁合金制取、反应制取、分子筛提纯和产品精馏提纯等工艺步骤，具有能耗低、路线短和产品质量高的特点，利于规模化生产。

真空炉2中反应如下：

反应器3中反应如下：

实施例3：

如图1所示，本发明实施例公开了一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统，包括依次通过管道连接的混料机1、真空炉2、反应器3、分子筛4和多级精馏装置，其中反应器3分别与干燥氯化铵输入管道5和液氨输入管道6连接。本发明结构简单，布局合理，能够提高电子级乙硅烷制备效率。

具体的，多级精馏装置包括依次通过管道连接的第一精馏塔7、第二精馏塔8、第三精馏塔9和第四精馏塔10；分子筛4与第一精馏塔7通过管道连接。

值得提出的是，上述技术方案中，多级精馏装置包括二至四级精馏装置，具体使用几级精馏根据所需产品质量与建设及能耗成本选择。

为了能够将分离出的液氨回流至反应器3回收利用，产品及其中少量的不凝气氨从冷凝器上部导出，分子筛4与第一精馏塔7之间的管道上安装有冷凝器。

本发明实施例还公开了利用上述的一种电子级乙硅烷的连续生产制备系统而进行的生产工艺，包括以下步骤：

1）首先将镁粉和硅粉按比例加入到混料机1中进行混合，以提高其在真空炉2中的反应效果；其中，镁粉、硅粉分别以64.9kg/h、83.4kg/h的进料速度加入；

2）镁粉和硅粉混合均匀后进入真空炉2，经加热反应，然后保温2-15小时后自然冷却，得到硅镁合金；

在此步骤中，真空炉2的加热温度设定为400～600℃，操作压力-0.075～0.12MPa；

在本实施例中，真空炉2温度设定为 545℃，操作压力设定为-0.094MPa，保温4小时后让其自然冷却；

3）液氨经液氨输入管道6向反应器3内压入中间介质液氨，使反应器3釜内温度降至-5～40℃，从而保证硅镁合金粉末与干燥处理过的氯化铵固体颗粒反应的效果；

在本实施例中，使反应器3釜内温度降至-10℃，液氨的加入量依据反应器温度控制系统进行反馈调节。

4）打开反应器3加料系统，硅镁合金进入到反应器3中，干燥氯化铵经干燥氯化铵输入管道5注入到反应器3中，硅镁合金与干燥氯化铵反应制得硅烷、乙硅烷粗品；

在此步骤中，反应器3的温度设定在-5～50℃，压力为0.01～0.03Mpa，反应时间为3～10小时；反应器3采用压力、雷达液位联动控制；

在本实施例中，干燥氯化铵加入速度72.4kg/h，反应器3温度设定为-20℃，压力设定为0.019Mpa，反应4小时；

5）硅烷、乙硅烷粗品进入到分子筛4中，将硅烷、乙硅烷粗品中含有的极微量水分和氨杂质去除；

6）多级精馏装置为二级精馏装置或三级精馏装置或四级精馏装置，在本实施例中选择为四级精馏装置，包括依次通过管道连接的第一精馏塔7、第二精馏塔8和第三精馏塔9，其中第一精馏塔7对硅烷、乙硅烷混合物进行分离，获得乙硅烷粗品，第二精馏塔8、第三精馏塔9用于去除乙硅烷粗品中极微量的CO₂杂质，最终得到电子级乙硅烷。

在此步骤中，为了提升塔釜获得的乙硅烷粗品的质量，减少后续精馏塔的提纯难度与能耗，第一精馏塔7控制塔顶温度-98℃条件下，硅烷以气体的形态从塔顶进行全回流，乙硅烷直接以液相采出进入后续精馏塔；

在此步骤中，为了保障高纯度电子级乙硅烷的产品质量（纯度为99.999%或以上），同时实现大幅度能量降耗，第二精馏塔8、第三精馏塔9均采用高效塔板或填料。

本发明包括硅镁合金制取、反应制取、分子筛提纯和产品精馏提纯等工艺步骤，具有能耗低、路线短和产品质量高的特点，利于规模化生产。

真空炉2中反应如下：

反应器3中反应如下：

实施例4：

本实施例除了真空炉2温度设定为560℃，压力设定为-0.096MPa，反应器3温度设定为-20℃，压力设定为-0.021MPa，其他与实施例2相同。

实施例5：

本实施例除了真空炉2温度设定为545℃，压力设定为-0.094MPa，反应器3温度设定为-10℃，压力设定为-0.019MPa，镁粉、硅粉的进料速度分别为64kg/h、80kg/h，干燥处理过的氯化铵固体颗粒以72kg/h进料，其他与实施例3相同。

二级精馏塔得到的电子级乙硅烷产品纯度仍达到99.999%，产量为12kg/h。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，对于混料机1、真空炉2、反应器3和精馏塔应做广义理解，而无型式类别限制，例如，混料机1可以是槽型混合机，也可以是锥形混合器；真空炉2可以为电加热，也可以为燃油燃煤类；精馏塔类型可以是板式塔，也可以是填料塔。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种利用电子级乙硅烷的连续生产制备系统而进行的生产工艺，其特征在于，所述生产工艺使用的连续生产制备系统包括依次通过管道连接的混料机、真空炉、反应器、分子筛和多级精馏装置，其中所述反应器分别与干燥氯化铵输入管道和液氨输入管道连接；

所述多级精馏装置包括依次通过管道连接的第一精馏塔、第二精馏塔、第三精馏塔和第四精馏塔；所述分子筛与所述第一精馏塔通过管道连接；

所述分子筛与所述第一精馏塔之间的所述管道上安装有冷凝器；

所述生产工艺包括以下步骤：

1)首先将镁粉和硅粉按比例加入到混料机中进行混合；

2)镁粉和硅粉混合均匀后进入真空炉，经加热反应，然后保温2-15小时后自然冷却，得到硅镁合金；

3)液氨经液氨输入管道向反应器内压入中间介质液氨，使反应器釜内温度降至-5～40℃；

4)硅镁合金进入到反应器中，干燥氯化铵经干燥氯化铵输入管道注入到反应器中，硅镁合金与干燥氯化铵反应制得硅烷、乙硅烷粗品；

5)硅烷、乙硅烷粗品进入到分子筛中，将硅烷、乙硅烷粗品中含有的极微量水分和氨杂质去除；

6)多级精馏装置对硅烷、乙硅烷混合物进行分离，获得乙硅烷粗品，并且去除乙硅烷粗品中极微量的CO₂杂质，最终得到电子级乙硅烷；

真空炉的加热温度设定为400～600℃，操作压力-0.075～0.12MPa；

在步骤4)中反应器的温度设定在-5～50℃，压力为0.01～0.03Mpa，反应时间为3～10小时。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤6)中多级精馏装置包括依次通过管道连接的第一精馏塔、第二精馏塔、第三精馏塔和第四精馏塔，其中所述第一精馏塔对硅烷、乙硅烷混合物进行分离，获得乙硅烷粗品，所述第二精馏塔、所述第三精馏塔和所述第四精馏塔用于去除乙硅烷粗品中极微量的CO₂杂质。

3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述第一精馏塔采取塔顶全回流操作；所述第二精馏塔、所述第三精馏塔和所述第四精馏塔均采用高效塔板或填料。

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