CN208200379U - 一种锗烷生产系统 - Google Patents
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Abstract
一种锗烷生产系统，包括搅拌桶、硫酸罐、碱液罐、反应釜、除水器、碱洗柱、冷凝器、收集罐、分子筛、粗品瓶、精品瓶、精馏塔、膜压机、真空泵；碱液罐包括吹扫管和进料管，吹扫管和进料管均设于碱液罐的顶部；搅拌桶的输出端连接于碱液罐的进料管；碱液罐的输出端连接于反应釜的进料口，硫酸罐连接于反应釜的进料口；反应釜的的输出端连接于除水器的输入端，除水器的输出端连接于碱洗柱的输入端；碱洗柱的输出端连接于冷凝器的输入端，冷凝器的输出端连接于收集罐的输入端，收集罐的输出端连接于分子筛的输入端；分子筛的输出端连接于粗品瓶的输入端；本实用新型根据上述内容提出一种锗烷生产系统，能够制备高纯度的锗烷。
Description
技术领域
本实用新型涉及锗烷制备技术领域，尤其涉及一种锗烷生产系统。
背景技术
锗烷为无色、剧毒、可自燃、非腐蚀性气体。热稳定性差，160～180℃时锗烷缓慢氧化，大约在280℃就能检测到锗烷分解为锗和氢，在350℃锗烷几乎全部分解成单质锗和氢气；锗烷的自催化性很强，一旦分解形成了金属覆盖膜，就会急剧分解，故其分解爆炸危险性很高。锗烷一般通过化学还原法、电化学反应法、等离子合成法合成，在半导体工业上有重要的用途。现有的锗烷生产系统所制备的锗烷纯度不高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种锗烷生产系统，能够制备高纯度的锗烷。
为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种锗烷生产系统，包括搅拌桶、硫酸罐、碱液罐、反应釜、除水器、碱洗柱、冷凝器、收集罐、分子筛、粗品瓶、精品瓶、精馏塔、膜压机、真空泵；
所述碱液罐包括吹扫管和进料管，所述吹扫管和进料管均设于所述碱液罐的顶部；
所述搅拌桶的输出端连接于所述碱液罐的进料管；
所述碱液罐的输出端连接于所述反应釜的进料口，所述硫酸罐连接于所述反应釜的进料口；
所述反应釜的的输出端连接于所述除水器的输入端，所述除水器的输出端连接于碱洗柱的输入端；
所述碱洗柱的输出端连接于所述冷凝器的输入端，所述冷凝器的输出端连接于所述收集罐的输入端，所述收集罐的输出端连接于所述分子筛的输入端；
所述分子筛的输出端连接于所述粗品瓶的输入端，所述粗品瓶的输出端连接于所述精馏塔的输入端，所述精馏塔的输出端连接于所述膜压机的输入端，所述膜压机的输出端连接于所述精品瓶的输入端。
进一步，所述真空泵的数量至少为二，其中至少一个所述真空泵设置于所
述反应釜的输出端，至少一个所述真空泵设置于所述粗品瓶的输入端。
进一步，还包括循环泵，其设置于所述碱洗柱。
进一步，还包括氮输送管，其从所述收集罐连接至所述冷凝器。
进一步，所述冷凝器至少分为串联连接的一级冷凝器和二级冷凝器。
进一步，所述收集罐的数量至少为二。
进一步，所述分子筛的数量至少为二，所述分子筛之间串联连接。
进一步，所述粗品瓶的数量和精品瓶的数量为多个。
进一步，所述精馏塔至少分为串联连接的脱轻塔和脱重塔。
进一步，还包括有毒气体报警器、仪表和阀门；
所述有毒气体报警器设置于操作车间；
所述仪表的数量和阀门的数量均为多个；
所述仪表设置于所述锗烷生产系统的管路；
所述阀门设置于所述锗烷生产系统的管路。
本实用新型根据上述内容提出一种锗烷生产系统，能够制备高纯度的锗烷。生产锗烷时，先进行配料，将氢氧化钠、硼氢化钠、固体二氧化锗为原料放置于所述搅拌桶，用DI水配制反应液备用，配制好的反应液会从所述进料管传输至所述碱液罐；各物料用量为：氢氧化钠0.1-0.3mol/L，硼氢化钠0.5-0.8mol/L，氧化锗0.1-0.3mol/L。所述硫酸罐内储存着反应用的硫酸；所述搅拌桶和硫酸罐的外部刻有刻度。
反应前，从所述吹扫管通入氦气，本系统进行扫吹置换，扫吹置换后，所述真空泵对本系统进行抽真空处理，以排清系统内相关管路的杂质，提高后续产出的锗烷的纯度。
反应阶段，所述硫酸罐内一定量浓度为1.5mol/L的硫酸从所述进料口加入至所述反应釜，缓慢滴加所述碱液罐内的反应液进入至所述反应釜，所述反应液滴加速度控制在0.5-1L/Min，反应压力控制在0-0.08Mpa。
主要的反应化学方程式如下：
GeO2+NaBH4+2H2SO4+10H2O＝GeH4+12H2+4B(OH)3+2Na2SO4；
反应产物包含锗烷、一定量的氢气和二氧化碳等酸性组分；反应产物先经过所述除水器，进行初级除水；然后再经过所述碱洗柱除去二氧化碳等酸性组分，然后经过所述冷凝器除去气体中携带的水分，进行二级除水，再经过所述收集罐将锗烷气体冷凝收集，氢气等其它轻组分则进入尾气处理塔，经过水洗除去少量携带的锗烷等有害物，经过排气筒排放。
所述冷井收集了一定量的所述锗烷之后，再对所述冷井进行加热，所述收集罐内的锗烷汽化，气态的锗烷经过所述分子筛进行除杂，得到粗品锗烷，粗品锗烷被传送至所述粗品瓶储存。
所述粗品瓶内的粗品锗烷被送入所述精馏塔，本实施来的所述精馏塔分为脱轻塔和脱重塔；经过脱轻塔除去空气、氢气、一氧化碳、甲烷等轻组分，再经过脱重塔除去二锗烷、三锗烷、氯锗烷、二氧化碳等种组分，得到纯度为99.9993％的锗烷产品，然后再通过所述膜压机将高纯度的锗烷产品传送至所述精品瓶储存。
反应后的残液(主要是稀硫酸、硫酸盐、硼酸等)从所述反应釜排出，收集后进行处理。
关于生产锗烷工艺的控制，反应在常温下进行，锗烷合成属于微放热反应，反应最高温度不超过50℃。
锗烷合成反应在常压或微正压状态下进行，通过控制进料流量控制反应压力。
所述碱洗柱压力与反应釜相当，温度为常温。
所述冷凝器温度控制在0℃～-20℃，冷媒采用从收集罐排出的冷氮气。
收集罐温度控制在-150℃～-160℃，用来收集锗烷，并除去轻组分。通过控制液氮流量控制温度。
反应系统及充装系统所在区域设置区域排风，现场并配备锗烷气体泄漏报警器，操作系统采用气动阀控制。此外，区域排风及系统排放尾气全部进入尾气处理塔进行洗涤处理，处理后的尾气经过排气筒高空排放。
附图说明
图1是本发明其中一个实施例的结构原理图；
图2是图1的A部分放大图；
图3是图1的B部分放大图；
图4是图1的C部分放大图。
其中：搅拌桶11、硫酸罐12、碱液罐13、吹扫管131、进料管132、反应釜14、进料口141、除水器15、碱洗柱16、冷凝器17、一级冷凝器171、二级冷凝器172、收集罐18、氮输送管181、分子筛19、粗品瓶20、精品瓶21、精馏塔22、脱轻塔221、脱重塔222、膜压机23、真空泵24、循环泵25、有毒气体报警器26、仪表27、阀门28。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
如图1至图4所示，一种锗烷生产系统，包括搅拌桶11、硫酸罐12、碱液罐13、反应釜14、除水器15、碱洗柱16、冷凝器17、收集罐18、分子筛19、粗品瓶20、精品瓶21、精馏塔22、膜压机23、真空泵24；
所述碱液罐13包括吹扫管131和进料管132，所述吹扫管131和进料管132均设于所述碱液罐13的顶部；
所述搅拌桶11的输出端连接于所述碱液罐13的进料管132；
所述碱液罐13的输出端连接于所述反应釜14的进料口141，所述硫酸罐12连接于所述反应釜14的进料口141；
所述反应釜的14的输出端连接于所述除水器15的输入端，所述除水器15的输出端连接于碱洗柱16的输入端；
所述碱洗柱16的输出端连接于所述冷凝器17的输入端，所述冷凝器17的输出端连接于所述收集罐18的输入端，所述收集罐18的输出端连接于所述分子筛19的输入端；
所述分子筛19的输出端连接于所述粗品瓶20的输入端，所述粗品瓶20的输出端连接于所述精馏塔22的输入端，所述精馏塔22的输出端连接于所述膜压机23的输入端，所述膜压机23的输出端连接于所述精品瓶21的输入端。
生产锗烷时，先进行配料，将氢氧化钠、硼氢化钠、固体二氧化锗为原料放置于所述搅拌桶11，用DI水配制反应液备用，配制好的反应液会从所述进料管132传输至所述碱液罐13；各物料用量为：氢氧化钠0.1-0.3mol/L，硼氢化钠0.5-0.8mol/L，氧化锗0.1-0.3mol/L。所述硫酸罐12内储存着反应用的硫酸；所述搅拌桶11和硫酸罐12的外部刻有刻度。
反应前，从所述吹扫管131通入氦气，本系统进行扫吹置换，扫吹置换后，所述真空泵24对本系统进行抽真空处理，以排清系统内相关管路的杂质，提高后续产出的锗烷的纯度。
反应阶段，所述硫酸罐12内一定量浓度为1.5mol/L的硫酸从所述进料口14加入至所述反应釜14，缓慢滴加所述碱液罐13内的反应液进入至所述反应釜14，所述反应液滴加速度控制在0.5-1L/Min，反应压力控制在0-0.08Mpa。主要的反应化学方程式如下：
GeO2+NaBH4+2H2SO4+10H2O＝GeH4+12H2+4B(OH)3+2Na2SO4；
反应产物包含锗烷、一定量的氢气和二氧化碳等酸性组分；反应产物先经过所述除水器15，进行初级除水；然后再经过所述碱洗柱16除去二氧化碳等酸性组分，然后经过所述冷凝器17除去气体中携带的水分，进行二级除水，再经过所述收集罐18将锗烷气体冷凝收集，氢气等其它轻组分则进入尾气处理塔，经过水洗除去少量携带的锗烷等有害物，经过排气筒排放。
所述冷井18收集了一定量的所述锗烷之后，再对所述冷井18进行加热，所述收集罐18内的锗烷汽化，气态的锗烷经过所述分子筛19进行除杂，得到粗品锗烷，粗品锗烷被传送至所述粗品瓶20储存。
所述粗品瓶20内的粗品锗烷被送入所述精馏塔22，本实施来的所述精馏塔22分为脱轻塔221和脱重塔222；经过脱轻塔除去空气、氢气、一氧化碳、甲烷等轻组分，再经过脱重塔除去二锗烷、三锗烷、氯锗烷、二氧化碳等种组分，得到纯度为99.9993％的锗烷产品，然后再通过所述膜压机23将高纯度的锗烷产品传送至所述精品瓶21储存。
反应后的残液(主要是稀硫酸、硫酸盐、硼酸等)从所述反应釜14排出，收集后进行处理。
关于生产锗烷工艺的控制，反应在常温下进行，锗烷合成属于微放热反应，反应最高温度不超过50℃。
锗烷合成反应在常压或微正压状态下进行，通过控制进料流量控制反应压力。
所述碱洗柱16压力与反应釜14相当，温度为常温。
所述冷凝器17温度控制在0℃～-20℃，冷媒采用从收集罐18排出的冷氮气。
收集罐18温度控制在-150℃～-160℃，用来收集锗烷，并除去轻组分。通过控制液氮流量控制温度。
反应系统及充装系统所在区域设置区域排风，现场并配备锗烷气体泄漏报警器，操作系统采用气动阀控制。此外，区域排风及系统排放尾气全部进入尾气处理塔进行洗涤处理，处理后的尾气经过排气筒高空排放。
进一步，所述真空泵24的数量至少为二，其中至少一个所述真空泵24设
置于所述反应釜14的输出端，至少一个所述真空泵24设置于所述粗品瓶
20的输入端。
这样的设置，更加利于对本系统进行抽真空处理。
进一步，还包括循环泵25，其设置于所述碱洗柱16。
通过所述循环泵25的作用，能够使所述碱洗柱16内的碱洗液循环使用，提高其使用效率。
进一步，还包括氮输送管181，其从所述收集罐18连接至所述冷凝器17。
在所述氮输送管181内通入液氮，作为所述收集罐18的冷媒，液氮在所述收集罐18处使用后会升温变成冷氮气，冷氮气作为所述冷凝器17的冷媒，一举两得，提高氮的使用效率。
进一步，所述冷凝器17至少分为串联连接的一级冷凝器171和二级冷凝器172。
保证能够有效去除气体中携带的水分。
进一步，所述收集罐18的数量至少为二。
保证能够有效足量地收集锗烷。
进一步，所述分子筛19的数量至少为二，所述分子筛19之间串联连接。
保证能够对气态的锗烷进行有效的除杂。
进一步，所述粗品瓶20的数量和精品瓶21的数量为多个。
保证能够有效地装载粗品锗烷和高纯度的锗烷产品。
进一步，所述精馏塔22至少分为串联连接的脱轻塔221和脱重塔222。
进一步，还包括有毒气体报警器26、仪表27和阀门28；
所述有毒气体报警器26设置于操作车间；
所述仪表27的数量和阀门28的数量均为多个；
所述仪表27设置于所述锗烷生产系统的管路；
所述阀门28设置于所述锗烷生产系统的管路。
当有毒气体泄漏时，所述有毒气体报警器26会报警，通知相关的工作人员。所述仪表27的数量和阀门28的数量均为多个，通过所述仪表27，可以观测本系统的管路的压力参数情况，通过控制所述阀门28，能够有效地控制本系统的管路的通断。
以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锗烷生产系统，其特征在于：包括搅拌桶、硫酸罐、碱液罐、反应釜、除水器、碱洗柱、冷凝器、收集罐、分子筛、粗品瓶、精品瓶、精馏塔、膜压机、真空泵；
所述碱液罐包括吹扫管和进料管，所述吹扫管和进料管均设于所述碱液罐的顶部；
所述搅拌桶的输出端连接于所述碱液罐的进料管；
所述碱液罐的输出端连接于所述反应釜的进料口，所述硫酸罐连接于所述反应釜的进料口；
所述反应釜的输出端连接于所述除水器的输入端，所述除水器的输出端连接于碱洗柱的输入端；
所述碱洗柱的输出端连接于所述冷凝器的输入端，所述冷凝器的输出端连接于所述收集罐的输入端，所述收集罐的输出端连接于所述分子筛的输入端；
所述分子筛的输出端连接于所述粗品瓶的输入端，所述粗品瓶的输出端连接于所述精馏塔的输入端，所述精馏塔的输出端连接于所述膜压机的输入端，所述膜压机的输出端连接于所述精品瓶的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：所述真空泵的数量至少为二，其中至少一个所述真空泵设置于所述反应釜的输出端，至少一个所述真空泵设置于所述粗品瓶的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：还包括循环泵，其设置于所述碱洗柱。
4.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：还包括氮输送管，其从所述收集罐连接至所述冷凝器。
5.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：所述冷凝器至少分为串联连接的一级冷凝器和二级冷凝器。
6.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：所述收集罐的数量至少为二。
7.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：所述分子筛的数量至少为二，所述分子筛之间串联连接。
8.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：所述粗品瓶的数量和精品瓶的数量为多个。
9.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：所述精馏塔至少分为串联连接的脱轻塔和脱重塔。
10.根据权利要求1所述的一种锗烷生产系统，其特征在于：还包括有毒气体报警器、仪表和阀门；
所述有毒气体报警器设置于操作车间；
所述仪表的数量和阀门的数量均为多个；
所述仪表设置于所述锗烷生产系统的管路；
所述阀门设置于所述锗烷生产系统的管路。
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