CN217341280U - 一种制备氯硅烷的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种制备氯硅烷的装置，所述装置包括：氯气配料罐、高沸物配料罐、气体加热预混单元、反应器和冷却分离装置；其中，所述反应器由下向上依次设置有第一反应区、第二反应区和顶部区，所述第一反应区中设置有气体分布器，所述反应器上与所述第一反应区对应的区域设有第一加热设备，所述反应器上与所述第二反应区对应的区域设置有第二加热设备。本实用新型中提供装置中相关反应在高温氯气环境中有效发生，并且可连续性生产氯硅烷；为废硅粉、废硅泥、高沸物的处理等提供了可靠的生产装置，实现多晶硅生产过程中的废弃物的绿色循环利用，降低氯耗、硅耗及碱耗。

Description

一种制备氯硅烷的装置

技术领域

本实用新型涉及多晶硅反应设备技术领域，具体涉及一种制备氯硅烷的装置。

背景技术

当前全球多晶硅生产主流工艺是改良西门子法，其过程是利用H₂将SiHCl₃在高温环境中还原沉淀在U型硅芯棒上，制备成多晶硅。整个过程趋于闭路循环，基本实现多晶硅生产的清洁、高效。然而，在氯硅烷与多晶硅生产过程包括冷氢化、氯氢化和还原工艺过程，同时也伴随产生少量的高沸物，在高沸物中，除金属氯化物及固体颗粒物外，还包括有氯硅烷低聚物，这些氯硅烷低聚物通常是通式为Si_nCl_2n+2-mH_m(n≥2，m≤2n+2，n、m∈N)的氯硅烷聚合物。这部分副产低聚物在西门子法多晶硅生产中并无直接利用价值，通常连同废渣等固体杂质一起排出，进行粗放水解处理。因此，如果不对高沸物加以处理和利用会造成一定程度的资源浪费和环境污染问题。

现在也有少数多晶硅企业借鉴有机硅高沸物的裂解工艺，采用液态的三正丁胺、三正辛胺和N，N-二甲基苯胺等有机胺作为催化剂，使氯硅烷高沸物和HCl发生裂解反应，从而实现了对有机硅高沸物的处理。但该方法引入了新的有机基团，导致生成一些新的物质，且这类均相催化剂价格高、使用后无法回收再利用，会随着污水排放，导致处理成本的提高和环境的污染。此外，上述的处理方法绝大多数为间歇操作，处理能力有限。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种制备氯硅烷的装置，所述装置用于解决多晶硅生产过程中产生的高沸物连续化氯化裂解制备氯硅烷的难题，同时还能处理生产过程中产生的废硅粉和废硅泥，提高高沸物的转化效率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

第一方面，本实用新型提供了一种制备氯硅烷的装置，所述装置包括：

氯气配料罐、高沸物配料罐、气体加热预混单元、反应器和冷却分离装置；

所述氯气配料罐、所述高沸物配料罐与所述气体加热预混单元的一端连接，所述气体加热预混单元的另一端与所述反应器的入口连接，所述反应器的出料口与所述冷却分离装置的入口连接；

其中，所述反应器由下向上依次设置有第一反应区、第二反应区和顶部区，所述第一反应区中设置有气体分布器，所述反应器上与所述第一反应区对应的区域设有第一加热设备，所述反应器上与所述第二反应区对应的区域设置有第二加热设备，所述顶部区设置有进料口和出料口，所述反应器的入口位于所述第一反应区的底部。

进一步地，所述顶部区的内部设置有旋风分离器；和/或

所述顶部区的外部设置有温度调节装置。

进一步地，所述冷却分离装置包括：氯硅烷出口和高沸物回流出口；其中，所述氯硅烷出口用于将反应生成的氯硅烷排出，所述高沸物回流出口与所述高沸物配料罐连接。

进一步地，所述第一加热设备包括设置在第一反应区的第一感应加热线圈，以及与所述第一感应加热线圈对应的第一石墨加热块；和/或

所述第二加热设备包括设置在第二反应区的第二感应加热线圈，以及与所述第二感应加热线圈对应的第二石墨加热块。

进一步地，所述装置还包括：第一连接管，所述氯气配料罐与所述气体加热预混单元的一端的进口通过所述第一连接管连接，所述第一连接管上设有第一调节阀和第一流量计中的至少一个；

第二连接管，所述高沸物配料罐与所述气体加热预混单元的一端的进口通过所述第二连接管连接，所述第二连接管上设有第二调节阀和第二流量计中的至少一个。

进一步地，所述装置还包括：高沸物检测单元、第一温度检测单元；其中，所述高沸物检测单元设置于所述高沸物配料罐上；所述第一温度检测单元设置于所述气体加热预混单元上。

进一步地，所述第一反应区的外壁材质包括玻璃钢、有机玻璃中的任意一种；和/或

所述第一反应区中包括底部气体分布区和第一反应段，所述底部气体分布区设置于所述第一反应段的下方，所述气体分布器设置于所述底部气体分布区；和/或

所述第一反应区中设置有第二温度检测单元。

进一步地，所述反应器的入口设置在所述第一反应区的底部，所述气体加热预混单元和所述入口之间通过管道连接，所述管道上设置有流量调节装置。

进一步地，所述第二反应区的外壁材质包括玻璃钢、有机玻璃中的任意一种；和/或

所述第二反应区中设置有第三温度检测单元。

进一步地，所述顶部区的顶部设置有第一压差计，所述第一反应区的顶部设置有第二压差计。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

本实用新型提供了一种制备氯硅烷的装置，所述装置包括：氯气配料罐、高沸物配料罐、气体加热预混单元、反应器和冷却分离装置；所述氯气配料罐、所述高沸物配料罐与所述气体加热预混单元的一端连接，所述气体加热预混单元的另一端与所述反应器的入口连接，所述反应器的出料口与所述冷却分离装置的入口连接；其中，所述反应器由下向上依次设置有第一反应区、第二反应区和顶部区，所述第一反应区中设置有气体分布器，所述反应器上与所述第一反应区对应的区域设有第一加热设备，所述反应器上与所述第二反应区对应的区域设置有第二加热设备，所述顶部区设置有进料口和出料口，所述反应器的入口位于所述第一反应区的底部。

本实用新型中提供的制备氯硅烷的装置至少具有以下优势：

(1)结合了流化床与固定床的优势，可实现催化剂与还原剂的连续加料，保证反应能够持续有效进行；

(2)简化了高沸物裂解流程，利用一台设备完成各物料的还原催化裂解反应，有效地利用第一反应区的热量，为后续废硅粉以及废硅泥的还原氯化提供热量；

(3)所述装置中相关反应在高温氯气环境中有效发生，并且可连续性生产氯硅烷；

(4)为废硅粉、废硅泥、高沸物的处理等提供了可靠的生产装置，实现多晶硅生产过程中的废弃物的绿色循环利用，降低氯耗、硅耗及碱耗；

(5)在本实用新型中提供的装置中，各监测控制单元之间形成连锁，实现精确控制反应过程，为聚氯硅氧烷等裂解制备氯硅烷提供最佳反应条件，从而提升转换率，转化率可到达到95％以上。

附图说明

图1制备氯硅烷的装置的结构示意图；

图2A为气体分布器的结构示意图；

图2B为图2A中结构a的局部放大图；

图2C为图2A中结构b的局部放大图。

附图标记：

氯气配料罐1、高沸物配料罐2、气体加热预混单元3、反应器4、冷却分离装置5、气体分布器6、气体分布区7、旋风分离器8、温度调节装置9、进料口10、出料口11、氯硅烷出口12、高沸物回流出口13、第一调节阀14、第一流量计15、第二调节阀16、第一流量计17、高沸物检测单元18、第一加热设备19、第二加热设备20、流量调节装置21、第一压差计22、第二压差计23；

第一温度检测单元101、第二温度检测单元102、第三温度检测单元103、第四温度检测单元104、第五温度检测单元105、第六温度检测单元106；

第一控制模块201、第二控制模块202、第三控制模块203、第四控制模块204、第五控制模块205。

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型的限制。

以下结合附图对本实用新型中提供的制备氯硅烷的装置进一步解释说明。

第一方面，本实用新型提供了一种制备氯硅烷的装置，所述装置包括：氯气配料罐1、高沸物配料罐2、气体加热预混单元3、反应器4和冷却分离装置5；所述氯气配料罐1、所述高沸物配料罐2与所述气体加热预混单元3的一端连接，所述气体加热预混单元3的另一端与所述反应器4的入口连接，所述反应器4的出料口11与所述冷却分离装置5的入口连接；其中，所述反应器4由下向上依次设置有第一反应区、第二反应区和顶部区，所述第一反应区中设置有气体分布器6，所述反应器4上与所述第一反应区对应的区域设有第一加热设备19，所述反应器4上与所述第二反应区对应的区域设置有第二加热设备20，所述顶部区设置有进料口10和出料口11，所述反应器4的入口位于所述第一反应区的底部。

本实用新型中提供了一种将高沸物、废硅粉和废硅泥等还原催化裂解制备氯硅烷的反应装置，所述装置包括：氯气配料罐1、高沸物配料罐2、气体加热预混单元3、反应器4和冷却分离装置5，所述反应器4由下向上依次设置有第一反应区、第二反应区和顶部区。其中，所述第一反应区中设置有气体分布器6，所述气体分布器6上方为气体分布区7，与所述第一反应区对应的区域设有第一加热设备19，与所述第二反应区对应的区域设置有第二加热设备20。

在反应过程中，由所述氯气配料罐1中提供氯气，由所述高沸物配料罐2中提供高沸物，氯气和高沸物在所述气体加热预混单元3中进行混合，并将混合物加热汽化，加热汽化的温度为160-230℃。高沸物与氯气混合加热汽化后进入到所述反应器4中的第一反应区底部，利用设置于所述第一反应区中底部的气体分布器6，在所述第一反应区中的气体分布区7再次进行混合，保证氯气和高沸物充分混合均匀，保障反应有效进行。所述第一反应区中装填有还原剂和催化剂，所述还原剂包括但不限于石油焦，催化剂包括但不限于碳基金属氯化物。所述第一加热设备19将第一反应区中反应位置加热到200-1000℃(优选400-550℃)，氯气和高沸物的混合气在高温的作用下进行还原催化裂解反应生成氯化硅，所述第一反应区中发生的反应如下：2Si₂OCl₆+C+2Cl₂＝4SiCl₄+CO₂。反应后的气体进入到所述第二反应区，同时设置与顶部区的进料口10开始进料，进料为废硅粉或废硅泥、还原剂与催化剂，所述第二加热设备20将第二反应区中反应位置加热到200-1000℃(优选500-650℃)，反应后的气体在所述第二反应区中继续进行反应，在高温作用下进行还原催化裂解反应生成氯化硅，所述第二反应区中发生的反应如下：2Si₂OCl₆+C+2Cl₂＝4SiCl₄+CO₂；Si+2Cl₂＝SiCl₄。反应生成的氯化硅从所述顶部区的出料口11输送到后端提纯工序。

本实用新型中提供的制备氯硅烷的装置至少具有以下优势：(1)结合了流化床与固定床的优势，可实现催化剂与还原剂的连续加料，保证反应能够持续有效进行；(2)简化了高沸物裂解流程，利用一台设备完成各物料的还原催化裂解反应，有效地利用第一反应区的热量，为后续废硅粉以及废硅泥的还原氯化提供热量；(3)所述装置中相关反应在高温氯气环境中有效发生，并且可连续性生产氯硅烷；(4)为废硅粉、废硅泥、高沸物的处理等提供了可靠的生产装置，实现多晶硅生产过程中的废弃物的绿色循环利用，降低氯耗、硅耗及碱耗。

本实用新型中使用的气体分布器6如图2A～图2C所示，所述气体分布器6具有双层结构，第一层结构如图2B所示，第二层结构如图2C所示。

根据本实用新型的一些实施例，所述顶部区的内部设置有旋风分离器8；和/或所述顶部区的外部设置有温度调节装置9。本实用新型中反应制备氯化硅的过程中，会存在部分未反应的高沸物，以及未反应的催化剂和还原剂，因此本实用新型在装置的顶部区内部设置了旋风分离器8，反应后的物料进入所述旋风分离器8，将未反应的催化剂、还原剂与物料进行分离，分离后返回反应系统中继续反应。此外，本实用新型中还在顶部区的外部设置有温度调节装置9，所述温度调节装置9包括但不限于在顶部区的外部设置夹套水，所述夹套水的温度为90-120℃，用于冷却未反应的高沸物并返回到系统继续反应。

根据本实用新型的一些实施例，所述冷却分离装置5包括：氯硅烷出口12和高沸物回流出口13；其中，所述氯硅烷出口12用于将反应生成的氯硅烷排出，所述高沸物回流出口13与所述高沸物配料罐2连接。在制备氯硅烷的过程中，反应生成的氯硅烷中仍然会裹挟着少量未反应的高沸物原料，因此本实用新型中还在所述反应器4的后端连接有一冷却分离装置5，反应生成的氯硅烷气体、以及少部分未反应的高沸物一起进入所述冷却分离装置5，所述冷却分离装置5的温度为50-100℃，冷却分离未反应的高沸物和产物氯硅烷，分离后的产物氯硅烷由所述氯硅烷出口12排出并进入到后端提纯工序中，分离出的未反应的高沸物由所述高沸物回流出口13排出，并回流到所述高沸物配料罐2中，并再次进入到后程的反应器4中进行催化还原生成氯硅烷的反应。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一加热设备19包括设置在第一反应区的第一感应加热线圈，以及与所述第一感应加热线圈对应的第一石墨加热块；和/或所述第二加热设备20包括设置在第二反应区的第二感应加热线圈，以及与所述第二感应加热线圈对应的第二石墨加热块。本实用新型中利用感应加热线圈将反应器4内的石墨加热，用于提供反应所需温度。其中，第一反应区中反应位置加热到200-1000℃(优选400-550℃)，所述第二加热设备20将第二反应区中反应位置加热到200-1000℃(优选500-650℃)。

根据本实用新型的一些实施例，所述装置还包括：第一连接管，所述氯气配料罐1与所述气体加热预混单元3的一端的进口通过所述第一连接管连接，所述第一连接管上设有第一调节阀14和第一流量计15中的至少一个；第二连接管，所述高沸物配料罐2与所述气体加热预混单元3的一端的进口通过所述第二连接管连接，所述第二连接管上设有第二调节阀16和第二流量计17中的至少一个。

如附图1所示，在本实用新型提供的装置中，所述氯气配料罐1出口与所述气体加热预混单元3入口通过所述第一连接管连接，所述第一连接管上设置第一调节阀14，所述第一调节阀14与所述气体加热预混单元3入口之间设置有第一流量计15。进一步地，所述装置中还包括第一控制模块201，所述第一控制模块201分别与所述第一调节阀14、所述第一流量计15形成连锁，用于控制所述氯气配料罐1输送的氯气的流量。

所述高沸物配料罐2出口与所述气体加热预混单元3入口通过所述第二连接管连接，所述第二连接管上设置第二调节阀16，所述第二调节阀16与所述气体加热预混单元3入口之间设置有第二流量计17。进一步地，所述装置中还包括第二控制模块202，所述第二控制模块202分别与所述第二调节阀16、所述第二流量计17形成连锁，用于控制所述高沸物配料罐2输送的高沸物的流量。

进一步地，所述装置中还包括第三控制模块203，所述第一控制模块201和所述第二控制模块202通过所述第三控制模块203形成连锁，所述第三控制模块203用于控制高沸物和氯气的流量比例(以六氯乙硅烷为例，高沸物和氯气摩尔比为1：1.1或1：1.3)，所述第三控制模块203内置氯气和高沸物组分比例的上限和下限。

根据本实用新型的一些实施例，所述装置还包括：高沸物检测单元18、第一温度检测单元101；其中，所述高沸物检测单元18设置于所述高沸物配料罐2上；所述第一温度检测单元101设置于所述气体加热预混单元3上。

本实用新型的装置中还包括高沸物检测单元18和第一温度检测单元101，其中所述高沸物检测单元18用于检测高沸物组分情况，所述第一温度检测单元101用于监测所述气体加热预混单元3的温度，一般来讲，所述气体加热预混单元3的温度为160-230℃，在反应过程中，根据监测到的高沸物的组分情况和温度，来调节氯气和高沸物的进料量、以及所述气体加热预混单元3的温度。优选地，本实用新型提供的装置中还包括第四控制模块204，所述第四控制模块204连接在所述高沸物检测单元18和所述第一温度检测单元101之间，同时所述第四控制模块204与所述第三控制模块203之间形成连锁，通过监测所述气体加热预混单元3中混合气体温度和高沸物组分情况，反馈给所述第三控制模块203调整氯气和高沸物进料比例。比如当所述气体加热预混单元3中高沸物组分较高时，通过所述第三控制模块203，增加氯气进料量，反之，减少氯气进料量。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一反应区的外壁材质包括玻璃钢、有机玻璃中的任意一种；和/或所述第一反应区中包括底部气体分布区7和第一反应段，所述底部气体分布区7设置于所述第一反应段的下方，所述气体分布器6设置于所述底部气体分布区7；和/或所述第一反应区中设置有第二温度检测单元102。

具体地，在所述反应器4中的第一反应区包括底部气体分布区7和第一反应段利用设置于所述第一反应区底部的气体分布器6，氯气和高沸物在所述第一反应区中的气体分布区7再次进行混合，保证氯气和高沸物充分混合均匀，保障第一反应段中的催化还原反应有效进行，同时第一反应区中设置有第二温度检测单元102，用于实时监测第一反应区中的反应温度，所述第一反应区中的温度范围控制在200-1000℃之间，优选400-550℃。

根据本实用新型的一些实施例，所述反应器4的入口设置在所述第一反应区的底部，所述气体加热预混单元3和所述入口之间通过管道连接，所述管道上设置有流量调节装置21。

根据本实用新型的一些实施例，所述装置还包括第五控制模块205，所述第五控制模块205设置在所述流量调节装置21和所述顶部区的进料口10之间，所述第五控制模块205根据所述第二温度检测单元102、第三温度检测单元103检测到的温度，控制所述流量调节装置21和所述顶部区的进料口10的流量，反应温度低时调低进料流量，反之调高进料流量。

根据本实用新型的一些实施例，所述第二反应区的外壁材质包括玻璃钢、有机玻璃中的任意一种；和/或所述第二反应区中设置有第三温度检测单元103。本实用新型中在第二反应区中设置有第三温度检测单元103，用于实时监测第二反应区中的反应温度，所述第二反应区中的温度范围控制在200-1000℃之间，优选500-650℃。

根据本实用新型的一些实施例，所述顶部区中的温度调节装置9上设置有第四温度检测单元104，和/或所述顶部区中的出料口11上设置有第五温度检测单元105；和/或冷却分离装置5上设置有第六温度检测单元106。其中，所述温度调节装置9的温度范围控制在90-120℃，所述出料口11中出料的温度范围控制在80-120℃，所述冷却分离装置5的温度范围控制在50-100℃。

根据本实用新型的一些实施例，所述顶部区的顶部设置有第一压差计22，所述第一反应区的顶部设置有第二压差计23。高沸物与氯气的混合气在所述第一反应区反应后进入到所述第二反应区继续进行反应，利用第二感应加热线圈将反应器4内的第二石墨加热块加热至200-1000℃(优选500-650℃)，在高温作用下进行还原催化裂解反应，通过第一压差计22和第二压差计23之间的压差(P)控制床层高度，在实际使用中，可以通过调节进料口10的进料量调节第一压差计22和第二压差计23之间的压差(P)。

在本实用新型中提供的装置中，各监测控制单元之间形成连锁，实现精确控制反应过程，为聚氯硅氧烷等裂解制备氯硅烷提供最佳反应条件，从而提升转换率，转化率可到达到95％以上。

除非另作定义，本实用新型中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种制备氯硅烷的装置，其特征在于，所述装置包括：

氯气配料罐、高沸物配料罐、气体加热预混单元、反应器和冷却分离装置；

所述氯气配料罐、所述高沸物配料罐与所述气体加热预混单元的一端连接，所述气体加热预混单元的另一端与所述反应器的入口连接，所述反应器的出料口与所述冷却分离装置的入口连接；

其中，所述反应器由下向上依次设置有第一反应区、第二反应区和顶部区，所述第一反应区中设置有气体分布器，所述反应器上与所述第一反应区对应的区域设有第一加热设备，所述反应器上与所述第二反应区对应的区域设置有第二加热设备，所述顶部区设置有进料口和出料口，所述反应器的入口位于所述第一反应区的底部。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述顶部区的内部设置有旋风分离器；和/或

所述顶部区的外部设置有温度调节装置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却分离装置包括：

氯硅烷出口和高沸物回流出口；

其中，所述氯硅烷出口用于将反应生成的氯硅烷排出，所述高沸物回流出口与所述高沸物配料罐连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一加热设备包括设置在第一反应区的第一感应加热线圈，以及与所述第一感应加热线圈对应的第一石墨加热块；和/或

所述第二加热设备包括设置在第二反应区的第二感应加热线圈，以及与所述第二感应加热线圈对应的第二石墨加热块。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一连接管，所述氯气配料罐与所述气体加热预混单元的一端的进口通过所述第一连接管连接，所述第一连接管上设有第一调节阀和第一流量计中的至少一个；

第二连接管，所述高沸物配料罐与所述气体加热预混单元的一端的进口通过所述第二连接管连接，所述第二连接管上设有第二调节阀和第二流量计中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

高沸物检测单元、第一温度检测单元；

其中，所述高沸物检测单元设置于所述高沸物配料罐上；所述第一温度检测单元设置于所述气体加热预混单元上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一反应区的外壁材质包括玻璃钢、有机玻璃中的任意一种；和/或

所述第一反应区中包括底部气体分布区和第一反应段，所述底部气体分布区设置于所述第一反应段的下方，所述气体分布器设置于所述底部气体分布区；和/或

所述第一反应区中设置有第二温度检测单元。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应器的入口设置在所述第一反应区的底部，所述气体加热预混单元和所述入口之间通过管道连接，所述管道上设置有流量调节装置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二反应区的外壁材质包括玻璃钢、有机玻璃中的任意一种；和/或

所述第二反应区中设置有第三温度检测单元。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述顶部区的顶部设置有第一压差计，所述第一反应区的顶部设置有第二压差计。

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