CN201560125U - 一种三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种结构精简、耗能低、转化效率高的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置。包括原料供应装置，反应釜、冷凝器及收料装置；反应釜包括从下至上的釜底段、加热段、催化反应段、精馏段、釜顶段；加热段和/或催化反应段设有三氯氢硅入口；釜底段设有釜底出口、釜顶段设有釜顶出口、回流液入口；原料供应装置通过管道与三氯氢硅入口连接；冷凝器包括冷凝器入口及载气出口、冷凝器回流液出口及冷凝器馏出液出口；冷凝器入口与釜顶出口通过管道连接，所述冷凝器回流液出口通过管道与回流液入口连接；所述冷凝器馏出液出口与收料装置连接。

Description

一种三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置

【技术领域】

本实用新型涉及三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，尤其指其催化精馏塔。

【背景技术】

二氯氢硅一般作为半导体外延和化学气相沉积工艺中的硅源气体。二氯氢硅可通过多种方式制得，比如，通过三氯氢硅(或称三氯硅烷)歧化制备二氯氢硅(或称二氯硅烷)和四氯化硅(或称四氯硅烷)，然后从中获得所需的二氯氢硅。三氯硅烷的歧化反应，在适当的催化剂存在的条件下，三氯硅烷分子间的氢原子与氯原子交换，生成二氯硅烷和四氯硅烷。这种工艺现在一般需要采用多塔或多个反应器多步骤才能进行的反应和分离，比如通过一个反应釜、两个以上精馏塔来实现，在反应釜内进行歧化反应，在反应釜中出来的气体包括三氯氢硅、二氯氢硅和四氯化硅，然后逐步分离收集三氯氢硅、四氯化硅，最终留下二氯氢硅产物。分步精馏后返回三氯氢硅重新利用，两级以上精馏及原料的循环利用耗能费用占总成本的比重很大，导致二氯氢硅的生产成本居高不下。且由于该歧化反应为可逆反应，氯硅烷歧化转化效率低。

【发明内容】

为解决上述提到现有设备转化效率低、能耗高、装置复杂的问题，本实用新型提供了一种结构精简、耗能低、转化效率高的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置。

本实用新型公开的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，包括原料供应装置，反应釜、冷凝器及收料装置；反应釜包括从下至上的釜底段、加热段、催化反应段、精馏段、釜顶段；加热段和/或催化反应段设有三氯氢硅入口；釜底段设有釜底出口、釜顶段设有釜顶出口、回流液入口；原料供应装置通过管道与三氯氢硅入口连接；冷凝器包括冷凝器入口及载气出口、冷凝器回流液出口及冷凝器馏出液出口；冷凝器入口与釜顶出口通过管道连接，所述冷凝器回流液出口通过管道与回流液入口连接；所述冷凝器馏出液出口与收料装置连接。

本实用新型装置只设置一个反应釜和冷凝器，节省了不必要的其余冷凝或蒸馏等装置，结构精简而巧妙，由于三氯硅烷在反应釜内不断汽化、冷凝，很少被排出反应釜内，因此使得催化反应段内三氯硅烷的浓度高于非催化反应区，从而减少了可逆反应的发生的可能，从而提高了二氯硅烷的生成率。转化率可以达到98％以上，能耗低、系统及设备简单。

【附图说明】

图1本实用新型具体实施方式中三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置示意图；

【具体实施方式】

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

下面将详细举例描述本实用新型装置，如图所示，其包括原料供应装置1，反应釜2、冷凝器3及收料装置4；

反应釜2包括从下至上的釜底段21、加热段22、催化反应段23、精馏段24、釜顶段25；加热段22和/或催化反应段23设有三氯氢硅入口220；釜底段21设有釜底出口210、釜顶段25设有釜顶出口250、回流液入口251；原料供应装置1通过管道与三氯氢硅入口220连接；

冷凝器3包括冷凝器入口30及载气出口31、冷凝器回流液出口33及冷凝器馏出液出口32；冷凝器入口30与釜顶出口250通过管道连接，冷凝器回流液出口33通过管道与回流液入口251连接；冷凝器馏出液出口32与收料装置4连接。

关于该冷凝器3可以与反应釜2做成一体结构，做在釜顶段25上，这样，可以在釜顶段即完成气体分离，沸点高的三氯氢硅和四氯化硅在釜顶即呈液态往下降，三氯氢硅在加热段22或在催化反应段23再次被加热反应，而四氯化硅由于沸点更加高，呈液态一直沉降，最终在釜底段21从釜底出口210出去。当然最好是冷凝器3和反应釜2分离，通过管道与釜顶出口250连接，然后将冷凝后的三氯氢硅和四氯化硅再通过回流液入口251再返回到反应釜2中，其实质与一体结构是一样的，只是其冷凝分离的效果更加显著。

在整个塔中隔段距离都装有液体分布器。

催化反应段23填充有催化剂；本例中催化剂选择固体金属负载催化剂；其组分包括a)0.01-10％Cu、Ag、Pt、Au等贵金属中的至少一种；b)其余选自氧化铝、氧化硅、沸石、活性炭等中至少一种做载体。

关于催化剂的制备，本例中给出几种以供参考：

1)取1克粒度为4nm的镍粉，1克粒度为4nm铜粉，与10g粒度为100nm的Al₂O₃100克(做载体)混合，加入20ml水中，放入超声波中超声10小时，再捏和成块状，与120℃真空干燥2小时，于600℃氢气气氛中焙烧5小时，得到负载金属催化剂。

2)取镍粉2克，银粉2克。加入25ml水中，HZSM-5分子筛载体100g，与110℃真空干燥2小时，于550℃氢气中焙烧6小时，即可制得负载金属催化剂。

3)取镍粉2克，银粉2克，铂金粉0.01克。加入25ml水中，载体由20gAl2O3和80g HZSM-5分子筛组成，与110℃真空干燥2小时，于700℃氢气中焙烧4小时后即可制得负载金属催化剂。

根据生产线产能的大小，可以选在合适大小的反应釜2，本例中反应釜2主体呈圆柱体形，其釜底段21和釜顶段25呈半球形；该反应釜用φ38×3.0不锈钢管制造，总高3.5m，加热段22为循环再沸器式。当加热段22内液位变化较大时，仍然能保持恒定加热速率，高1200mm。催化反应段23高800mm，外壁用电加热保温，并用仪表自动控制，该段中部有三氯氢硅入口220。精馏段25为高800的填料段，内装φ3.0θ环丝网填料，塔壁用电加热，仪表控制温度。反应釜有三个塔内测温口分别分布在精馏段25的上端、精馏段25的下端、催化反应段23的下端。

冷凝器3采用卧式列管式水冷凝器，冷却水流量可调节，并用玻璃转子流量计显示流量。冷却出口用仪表显示温度，不凝性载气通过载气出口31经尾气处理排空，冷凝器3的液体产品一部分通过冷凝器馏出液出口32进入收料装置4。收料装置4有两个储罐，储罐体积1000ml，另一部分经回流比控制后通过冷凝器回流液出口33流出由回流液入口251进入反应釜2内。在进入塔内时，有电加热的回流预热器，使回流温度可以根据塔内情况调节。

所谓加热段22的目的即对从三氯氢硅入口220进入的三氯氢硅气体进行加热，加热的方式并不拘束，完成可由本领域技术人员无需付出创造性劳动即可获得，本例中实现加热功能的部件为再沸器221，控制加热段22的温度为50℃。再沸器221将加热段22和釜底段21分开。

催化反应段23的作用是对三氯氢硅进行歧化反应；其歧化反应主要在此段进行。使其转化生成二氯氢硅和四氯化硅。催化反应段23在本例中包括两块波纹网板，在波纹网板之间填充催化剂，形成催化反应段23。

精馏段24的目的是分离二氯硅烷与三氯硅烷，为填料塔，均匀安装了3-5块液体分布器。

其温度控制在40-15℃。二氯氢硅的沸点为8.2℃。三氯氢硅的沸点为31.8℃。四氯化硅的沸点为56.8℃。

原料供应装置1即作为三氯氢硅源，提供反应釜2反应的原料，本例中包括一高纯载气瓶11和三氯氢硅瓶12。所谓高纯载气本例中为氮气，如图所示，先将高纯载气瓶11中的氮气通入三氯氢硅瓶12中，此时三氯氢硅瓶12中的三氯氢硅呈液态，然后从三氯氢硅瓶12中以鼓泡的形式释放出来，氮气作为携带三氯氢硅的载体，将三氯氢硅带入反应釜2的三氯氢硅入口220。

收料装置4用于收集所制得的二氯氢硅，本例中的收料装置4为两个三氯氢硅收集罐40。

四氯化硅从釜底段的釜底出口210出来，因此最好是设置四氯化硅收集瓶6，所述四氯化硅收集瓶6与釜底出口210通过管道连接，将四氯化硅收集，供其他工业利用。

载气出口31目的用于排出载气(即氮气)，可以直接排放在空气中，当然也可采用已载气收集瓶5将排放的氮气收集利用。

在加热段22，优选设置多个三氯氢硅入口220，比如在同一水平面上沿反应釜2周向均匀设置1-6个三氯氢硅入口220，或者在反应釜2上沿螺旋线由下至上分布1-6个三氯氢硅入口220。

精馏段24与釜顶段25之间用一个气液分离器隔开。

其制备过程描述如下：三氯氢硅通过鼓泡的进料方式经过三氯氢硅入口220连续加入反应釜2中。25℃下进料速度为500ml/h，其中，三氯氢硅的含量为20％(摩尔分数)。从进料口220进入反应釜2的加热段22加热到50℃，气流上升至催化反应段23，进行歧化反应。生成低沸点的二氯硅烷以气态的形态上升，而高沸点的四氯硅烷则以液态的形式往釜底流。液态的四氯化硅中溶解的三氯硅烷及少量二氯硅烷在到达釜底后，再次受热挥发上升到催化反应段，进行歧化反应；载气及二氯硅烷中夹带的三氯硅烷及少量的四氯硅烷则在冷凝回流液的冷凝作用下，液化回流到催化反应段，继续反应，冷凝回流液中的二氯硅烷在于上升的气体热交换的同时，气化再次到达塔顶，并进入冷凝器冷去。催化反应段23下端的温度为50℃，上端为40℃，精馏段25下端的温度为40℃，上端的温度为15℃，到达釜顶出口250的二氯硅烷气体通过管道直接进入冷凝器3中冷凝成5℃的液体二氯硅烷，不凝性气体载气经尾气处理排到大气中，排放速度为400ml/h。二氯硅烷收集速度为50ml/h，温度为5℃，二氯硅烷的含量为99％；釜底段21的四氯硅烷通过釜底出口210排除，冷却收集，收集速度为50ml/h，四氯硅烷的含量为99％。

本实用新型装置的一个核心依据是在催化反应段23通过气液平衡原理形成催化反应段内三氯硅烷的浓度高于非催化反应区，从而减少了逆反应的发生的可能，从而提高了二氯硅烷的生成率。本实用新型装置使得三氯硅烷的歧化反应进行后，可及时分离二氯氢硅和三氯氢硅和四氯化硅，使二氯氢硅及时被排出反应釜2内，而三氯氢硅和四氯化硅重新返回反应釜2中，维持三氯氢硅的在反应釜2中的高浓度状态，使其歧化过程持续进行，减少其可逆过程的发生，使整个反应处于一种动态过程中，进料三氯硅烷在催化反应段23内不断的反应，形成的产物二氯硅烷流经精馏段24，不断地从釜顶出口250移出反应釜2，产物四氯硅烷则沉降在釜底段21，从釜底出口210移出，无需再另行设置其他冷凝或蒸馏等装置，不断被从釜底出口210移出反应釜2，大大降低了可逆反应进行的可能性。三氯氢硅实质在釜顶段25即会冷凝(冷却)下降重复利用，少量会由釜顶出口250进入冷凝器3中，大部分不断的在反应釜2内气化冷凝，增加了原料与催化剂的接触，使反应总收率比原传统装置提高了3倍以上。极大的提供了三氯氢硅转化为二氯氢硅的转化效率。只需一个反应釜2和冷凝器3，节省了不必要的其余冷凝或蒸馏等装置，结构精简而巧妙，效率显然。

Claims (10)

1.一种三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：包括原料供应装置，反应釜、冷凝器及收料装置；

所述反应釜包括从下至上的釜底段、加热段、催化反应段、精馏段、釜顶段；所述加热段和/或催化反应段设有三氯氢硅入口；所述釜底段设有釜底出口、所述釜顶段设有釜顶出口、回流液入口；

所述原料供应装置通过管道与三氯氢硅入口连接；

所述冷凝器包括冷凝器入口及载气出口、冷凝器回流液出口、冷凝器馏出液出口；所述冷凝器入口与釜顶出口通过管道连接，所述冷凝器回流液出口通过管道与回流液入口连接；所述冷凝器馏出液出口与收料装置连接。

2.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：所述原料供应装置包括一高纯载气瓶和三氯氢硅瓶。

3.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：所述收料装置包括两个三氯氢硅收集罐。

4.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：还设有四氯化硅收集瓶，所述四氯化硅收集瓶与釜底出口通过管道连接。

5.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：所述载气出口与一载气收集瓶连接。

6.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：所述在加热段或催化精馏段的三氯氢硅入口设置有多个。

7.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：催化反应段包括两块波纹网板，在波纹网板之间填充催化剂。

8.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：反应釜内隔段距离都装有液体分布器。

9.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：所述精馏段内装环丝网填料。

10.如权利要求1所述的三氯氢硅歧化制备二氯氢硅的装置，其特征在于：所述反应釜内设有三个测温口，分别分布在精馏段的上端、精馏段的下端和催化反应段的下端。

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