三氯氫硅合成工藝及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種三氯氫硅合成系統(tǒng)，包括合成爐、為合成爐供應(yīng)與合成爐內(nèi)外加硅粉反應(yīng)HCL的HCL儲罐、用于冷凝合成爐尾氣的第一冷凝器、接收來自第一冷凝器冷凝后氯硅烷液體的冷凝料儲罐、接收來自于冷凝器的不凝氣的緩沖罐，分離提純來自于冷凝料儲罐的氯硅烷的分離提純裝置、氯硅烷儲罐、汽化器、混合加熱器、流化床反應(yīng)器、第二冷凝器。本發(fā)明還提供了采用該三氯氫硅合成系統(tǒng)的三氯氫硅合成工藝。本發(fā)明將傳統(tǒng)三氯氫硅合成過程中的副產(chǎn)品二氯二氫硅繼續(xù)回床，減少物料損耗，降低尾氣處理系統(tǒng)安全隱患。降低系統(tǒng)二氯二氫硅循環(huán)總量增長速度，同時也提高三氯氫硅轉(zhuǎn)化率。
【專利說明】
三氯氫硅合成工藝及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種三氯氫硅合成工藝及系統(tǒng)，尤其是涉及一種多晶硅生產(chǎn)中的三氯 氫娃合成工藝及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 多晶硅是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和新興的太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的最主要和最重要的材料。目 前國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)，通常采用三氯氫硅還原法。經(jīng)提純和凈化的三氯氫硅和氫氣按照一定 比例供給到還原爐中，在一定溫度下進行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的硅沉淀在還原爐中的硅芯上。
[0003] 二氣氛娃（SiHC13)是用于制備多晶娃的主要原料之一。用于多晶娃生廣的二氣 氫硅合成的工藝主要有兩種。其一是硅粉（Si)和氯化氫（HC1)合成法。將工業(yè)硅粉和氯化 氫加入合成爐，在一定反應(yīng)溫度下，生產(chǎn)得到三氯氫硅（SiHC13)。但是，目前國內(nèi)生產(chǎn)三氯 氫硅廠家采用的傳統(tǒng)三氯氫硅合成技術(shù)，在生產(chǎn)過程中除了生成主要產(chǎn)品SiHC13之外，還 產(chǎn)生一定量的二氯二氫硅（SiH2C12)、四氯化硅（SiC14)氣體和氫氣（H2)、氯化氫（HC1)氣 體。
[0004] 傳統(tǒng)硅粉和三氯氫硅合成工藝，HC1氣體和硅粉在合成爐中發(fā)生反應(yīng)，合成爐出來 的混合氣體經(jīng)過冷凝器冷凝分離得到SiHC13等氯硅烷液體和大量不凝氣。其中SiHC13等 氯硅烷冷凝液體送入冷凝料儲罐，經(jīng)過精餾提純得到三氯氫硅、四氯化硅、二氯二氫硅。四 氯化硅可做外售處理。二氯二氫硅被作為副產(chǎn)品，與其它尾氣一起直接經(jīng)過淋洗塔水洗外 排。大量不凝氣體氫氣、氯化氫氣體和少量氯硅烷氣體送入尾氣干法回收處理系統(tǒng)，其主要 流程包括混合氣送入壓縮機進口緩沖罐，經(jīng)過壓縮機加壓，再通過HC1吸收塔和HC1脫吸 塔，使氫氣與氯化氫得以分離，氫氣通過吸附裝置凈化后送入H2儲罐，供其它工序使用。氯 化氫則返回HC1儲罐。
[0005] 但是，由于缺乏二氯二氫硅轉(zhuǎn)化技術(shù)，SiH2C12被作為副產(chǎn)品，與其它尾氣一起直 接經(jīng)過淋洗塔水洗外排。這樣處理既浪費流程，又浪費了原材料工業(yè)硅、氯氣、氫氣，同時二 氯二氫硅的水洗處理容易發(fā)生安全事故。大量不凝氣體氫氣、氯化氫氣體和少量氯硅烷氣 體的處理，則需增加一整套尾氣干法回收處理裝置，投資成本較高。
[0006] 另外一種合成方式是娃粉（Si)、氫氣（H2)和四氯化娃（SiC14)冷氫化合成法。首 先將四氯化硅汽化后和氫氣一起通入混合加熱器，再通入流化床反應(yīng)器同時加入工業(yè)硅 粉，在一定溫度和壓力下發(fā)生反應(yīng)，生成三氯氫硅（SiHC13)。其中在三氯氫硅的制備過程 中，除了生成主要產(chǎn)品SiHC13之外，同樣還產(chǎn)生一定量的二氯二氫硅（SiH2C12)。氫氣、 四氯化硅和硅粉在高溫流化床反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)，出來的混合氣經(jīng)過冷凝器冷凝分離得到 SiHC13等氯硅烷液體和大量不凝氣。SiHC13等氯硅烷冷凝液體送入冷凝料儲罐，經(jīng)過精餾 分離提純得到三氯氫硅、四氯化硅、二氯二氫硅。四氯化硅返回儲罐。三氯氫硅送入儲罐供 還原工序使用。二氯二氫硅被作為副產(chǎn)品，與其它尾氣一起直接經(jīng)過淋洗塔水洗外排。大 量不凝氣體氫氣和少量氯硅烷氣體返回氫氣儲罐。
[0007] 但是，冷氫化合成的過程中，反應(yīng)持續(xù)生成副產(chǎn)物二氯二氫硅，且其生成速率和轉(zhuǎn) 化率相對較大。而且同樣由于缺乏二氯二氫硅轉(zhuǎn)化技術(shù)，二氯二氫硅被作為副產(chǎn)品，與其 它尾氣一起直接經(jīng)過淋洗塔水洗外排。這樣處理同樣浪費流程，又浪費了原材料工業(yè)硅、氯 氣、氫氣，同時二氯二氫娃的水洗處理容易發(fā)生安全事故。
[0008] 有鑒于此，有必要提供一種成本更低的三氯氫硅合成工藝及系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是公開一種高產(chǎn)率、低成本的三氯氫硅合成 工藝及系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明包括如下內(nèi)容： 一種三氯氫硅合成系統(tǒng)，包括合成爐、為合成爐供應(yīng)與合成爐內(nèi)外加硅粉反應(yīng)HCL的 HCL儲罐、用于冷凝合成爐尾氣的第一冷凝器、接收來自第一冷凝器冷凝后氯硅烷液體的 冷凝料儲罐、接收來自于冷凝器的不凝氣的緩沖罐，分離提純來自于冷凝料儲罐的氯硅烷 的分離提純裝置、氯硅烷儲罐、汽化器、混合加熱器、流化床反應(yīng)器、第二冷凝器，其中，分離 提純裝置用于將冷凝料儲罐的氯硅烷分離提純?yōu)槿葰涔枰后w及四氯化硅和二氯二氫硅 的混合液體，并把分離后的四氯化硅和二氯二氫硅的混合液體通入氯硅烷儲罐，汽化器同 時與氯硅烷儲罐和混合加熱器相連，汽化器用于汽化氯硅烷儲罐的氯硅烷并送入混合加熱 器，混合加熱器用于接收汽化后的氯硅烷及來自于緩沖罐的不凝氣，流化床反應(yīng)器用于接 收來自于混合加熱器的氣體原料并與加入的硅粉反應(yīng)，第二冷凝器同時與流化床反應(yīng)器、 緩沖罐和冷凝料儲罐相連，第二冷凝器用于冷凝流化床反應(yīng)器的尾氣，并將冷凝后的液體 通入冷凝料儲罐循環(huán)利用，不凝氣送入緩沖罐循環(huán)利用。
[0011] 一種三氯氫硅合成工藝，該工藝包括： 合成步驟；將氯化氫通入合成爐中，與硅粉在合成爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)； 冷凝分離提純步驟；將合成反爐生成的氯硅烷氣體、氫氣、氯化氫通入第一冷凝器進行 冷凝，其中冷凝后的氯硅烷液體進行分離提純后得到的三氯氫硅儲存，得到的四氯化硅和 二氯二氫硅作為冷氫化的原料送入混合加熱器，不凝的氯化氫和氫氣送入混合加熱器； 冷氫化步驟；混合加熱器氣體原料經(jīng)過混合加熱后，送入流化床反應(yīng)器，與進入流化床 反應(yīng)器內(nèi)的硅粉發(fā)生反應(yīng)； 二次冷凝步驟；流化床反應(yīng)器中生成的尾氣，包括氫氣、三氯氫硅、四氯化硅、二氯二氫 硅，經(jīng)過第二冷凝器冷凝后，液體氯硅烷進入冷凝料儲罐儲存最終進入分離提純裝置分離 提純，得到的二氣氛娃通入二氣氛娃儲罐儲存，四氣化娃和二氣二氛娃通入氣硅烷儲罐后 經(jīng)汽化、混合后進入流化床反應(yīng)器循環(huán)利用；二次冷凝中的不凝氣體，包括氫氣和氯化氫通 入緩沖罐循環(huán)利用并最后通入混合加熱器循環(huán)利用。
[0012] 本發(fā)明將傳統(tǒng)三氯氫硅合成過程中的副產(chǎn)品二氯二氫硅繼續(xù)回床，減少物料損 耗，降低尾氣處理系統(tǒng)安全隱患。降低系統(tǒng)二氯二氫硅循環(huán)總量增長速度，同時也提高三氯 氫硅轉(zhuǎn)化率。由于在流化床反應(yīng)器內(nèi)二氯二氫硅氣態(tài)濃度增加，將抑制反應(yīng)器內(nèi)二氯二氫 硅的生成反應(yīng)，同時促進二氯二氫硅和四氯化硅反應(yīng)生成三氯氫硅，提升了三氯氫硅轉(zhuǎn)化 率和實收率。本發(fā)明提供一種將氯化氫、硅粉合成三氯氫硅法和冷氫化合成三氯氫硅法相 集成的三氯氫硅合成系統(tǒng)?？蓪鹘y(tǒng)三氯氫硅合成過程中的副產(chǎn)品二氯二氫硅繼續(xù)回床。 同時有效降低一次投資成本的方法和設(shè)備。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明所述的一種三氯氫硅合成工藝及系統(tǒng)的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 為更好理解本發(fā)明所述的技術(shù)方案，現(xiàn)結(jié)合附圖進一步詳細說明。
[0015] 請參見圖1，本發(fā)明的三氯氫硅合成系統(tǒng)，包括HCL儲罐1、合成爐2、第一冷凝器 3、緩沖罐4、壓縮機5、氯硅烷儲罐6、汽化器7、混合加熱器8、流化床反應(yīng)器9、第二冷凝器 10、冷凝料儲罐11、分離提純裝置12和三氯氫硅儲罐13。其中，HCL儲罐1用于儲存HCL 原料，HCL儲罐1與合成爐2相連，并為合成爐2供應(yīng)HCL原料。合成爐2除了接收來自于 HCL儲罐1的HCL外，還接收外加的硅粉，氯化氫和硅粉在合成爐2中發(fā)生反應(yīng)，生成包括 三氯氫娃在內(nèi)的氯硅烷和氫氣。合成爐2與第一冷凝器3相連，合成爐2生成的氯硅烷和 氫氣在第一冷凝器3中冷凝后，氯硅烷冷凝形成氯硅烷液體。第一冷凝器3同時與緩沖罐 3和冷凝料儲罐11相連。第一冷凝器3冷凝后的氯硅烷液體送入冷凝料儲罐11，再通過分 離提純裝置12,分離得到三氯氫硅、四氯化硅和二氯二氫硅等。分離提純裝置12同時與三 氯氫硅儲罐13和氯硅烷儲罐6相連。其中，三氯氫硅送入三氯氫硅儲罐13,供還原工序使 用。四氯化硅和二氯二氫硅送入氯硅烷儲罐6,氯硅烷儲罐6與汽化器7相連，汽化器7與 混合加熱器8相連接，氯硅烷儲罐6中的氯硅烷被汽化器7汽化后，經(jīng)混合加熱器8混合通 入流化床反應(yīng)器9中，供流化床反應(yīng)器9使用。第一冷凝器3出來的大量不凝氣體，包括氫 氣、氯化氫氣體和少量氯硅烷氣體，送入與第一冷凝器3相連的緩沖罐4,緩沖罐4與壓縮機 5相連，這些氣體通過壓縮機5加壓后，送入與壓縮機5相連的混合加熱器8,與汽化的四氯 化硅（SiC14)、二氯二氫硅（SiH2C12)混合，同時被加熱到約550°C，送入與混合加熱器8相 連的流化床反應(yīng)器9,與硅粉發(fā)生反應(yīng)。流化床反應(yīng)器9與第二冷凝器10相連，第二冷凝器 10同時與緩沖罐4和冷凝料儲罐11相連。流化床反應(yīng)器9出來的混合氣經(jīng)過第二冷凝器 10冷凝分離得到三氯氫硅等氯硅烷液體和大量不凝氣（主要為氫氣和氯化氫）。其中第二 冷凝器10冷凝分離得到的三氯氫硅等氯硅烷冷凝液體送入冷凝料儲罐11，經(jīng)過精餾分離 提純12得到三氯氫硅、四氯化硅、二氯二氫硅。其中，四氯化硅、二氯二氫硅返回通入氯硅 烷儲罐6，可再次通入汽化器7、混合加熱器8，經(jīng)汽化混合后，送入流化床反應(yīng)器9參與冷氫 化的反應(yīng)。第二冷凝器10冷凝分離得到的大量不凝氣體，包括氫氣和少量氯硅烷氣體，返 回壓縮機進口緩沖罐4,循環(huán)參與反應(yīng)。
[0016] 本發(fā)明的三氯氫硅合成系統(tǒng)有效降低一次設(shè)備投資成本，即可省去傳統(tǒng)硅粉和三 氯氫硅合成工藝流程中的一整套尾氣干法回收系統(tǒng)，如氫氣壓縮機、HC1吸收塔、HC1脫吸 塔、氫氣吸附裝置、H2儲罐等設(shè)備。
[0017] 本發(fā)明還提供一種三氯氫硅合成工藝。該工藝包括： 合成步驟；將氯化氫通入合成爐2中，與硅粉在合成爐2內(nèi)發(fā)生反應(yīng)； 冷凝分離提純步驟；將合成反爐2生成的氯硅烷氣體、氫氣、氯化氫通入第一冷凝器3 進行冷凝，其中冷凝后的氯硅烷液體進行分離提純后得到的三氯氫硅儲存，得到的四氯化 硅和二氯二氫硅作為冷氫化的原料送入混合加熱器8,不凝的氯化氫和氫氣送入混合加熱 器； 冷氫化步驟；混合加熱器8中的原料（包括氫氣、氯化氫、四氯化硅、二氯二氫硅等）經(jīng) 過混合加熱后，送入流化床反應(yīng)器9,與進入流化床反應(yīng)器9內(nèi)的硅粉發(fā)生反應(yīng)； 合成反爐2生成的氯硅烷氣體、氫氣、氯化氫等通入第一冷凝器3,從第一冷凝器3出來 的不凝氣送入流化床反應(yīng)器9參與反應(yīng)。反應(yīng)方程式如下： Si+ 3SiC14+2H2 +3HC1 -5SiHC13 (1) Si+3HC1 SiHC13+H2 (2) Si+4HC1 -^ SiC14+2H2 (3) 流化床內(nèi)發(fā)生氯氫化反應(yīng)，即氯化氫參與反應(yīng)，在原冷氫化反應(yīng)基礎(chǔ)上上提高了三氯 氫硅的轉(zhuǎn)化率。系統(tǒng)補充氫氣量大大降低，減少對外依賴，即系統(tǒng)自循環(huán)氫氣補充主要來自 合成爐反應(yīng)生成氫氣，降低制氫工序負荷。
[0018] 二次冷凝；流化床反應(yīng)器9中生成的尾氣，包括氫氣、三氯氫硅、四氯化硅、二氯二 氫硅等，經(jīng)過第二冷凝器10冷凝后，液體氯硅烷進入冷凝料儲罐11儲存最終進入分離提純 裝置12分離提純，得到的三氯氫硅通入三氯氫硅儲罐13儲存，四氯化硅和二氯二氫硅通入 氯硅烷儲罐6后經(jīng)汽化、混合后進入流化床反應(yīng)器9循環(huán)利用；二次冷凝中的不凝氣體，包 括氫氣和氯化氫通入緩沖罐4循環(huán)利用。
[0019] 四氯化硅和二氯二氫硅通入氯硅烷儲罐6后經(jīng)汽化、混合后進入流化床反應(yīng)器9 的反應(yīng)方程式如下： Si+ 3SiC14+2H2 --^4SiHC13 (1) Si+ SiC14+2H2 2SiH2C12 (2) SiH2C12 + SiC14-^2SiHC13 (3) 本發(fā)明將傳統(tǒng)三氯氫硅合成過程中的副產(chǎn)品二氯二氫硅繼續(xù)回床，減少物料損耗，降 低尾氣處理系統(tǒng)安全隱患。降低系統(tǒng)二氯二氫硅循環(huán)總量增長速度，同時也提高三氯氫硅 轉(zhuǎn)化率。由于在流化床反應(yīng)器內(nèi)二氯二氫硅氣態(tài)濃度增加，將抑制反應(yīng)器內(nèi)二氯二氫硅的 生成反應(yīng)，同時促進二氯二氫硅和四氯化硅反應(yīng)生成三氯氫硅，提升了三氯氫硅轉(zhuǎn)化率和 實收率。
[0020] 本發(fā)明提供一種將氯化氫、硅粉合成三氯氫硅法和冷氫化合成三氯氫硅法相集成 的三氯氫硅合成系統(tǒng)?？蓪鹘y(tǒng)三氯氫硅合成過程中的副產(chǎn)品二氯二氫硅繼續(xù)回床。同時 有效降低一次投資成本的方法和設(shè)備。
[0021] 綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的范圍。即凡 是依本發(fā)明權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利 涵蓋的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種三氯氫硅合成系統(tǒng)，包括合成爐、為合成爐供應(yīng)與合成爐內(nèi)外加硅粉反應(yīng)HCL 的HCL儲罐、用于冷凝合成爐尾氣的第一冷凝器、接收來自第一冷凝器冷凝后氯硅烷液體 的冷凝料儲罐、接收來自于冷凝器的不凝氣的緩沖罐，分離提純來自于冷凝料儲罐的氯硅 烷的分離提純裝置、氯硅烷儲罐、汽化器、混合加熱器、流化床反應(yīng)器、第二冷凝器，其中，分 離提純裝置用于將冷凝料儲罐的氯硅烷分離提純?yōu)槿葰涔枰后w及四氯化硅和二氯二氫 硅的混合液體，并把分離后的四氯化硅和二氯二氫硅的混合液體通入氯硅烷儲罐，汽化器 同時與氯硅烷儲罐和混合加熱器相連，汽化器用于汽化氯硅烷儲罐的氯硅烷并送入混合加 熱器，混合加熱器用于接收汽化后的氯硅烷及來自于緩沖罐的不凝氣，流化床反應(yīng)器用于 接收來自于混合加熱器的氣體原料并與加入的硅粉反應(yīng)，第二冷凝器同時與流化床反應(yīng) 器、緩沖罐和冷凝料儲罐相連，第二冷凝器用于冷凝流化床反應(yīng)器的尾氣，并將冷凝后的液 體通入冷凝料儲罐循環(huán)利用，不凝氣送入緩沖罐循環(huán)利用。2. 如權(quán)利要求1所述的三氯氫硅合成系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接緩沖罐與混合加 熱器的壓縮機。3. 如權(quán)利要求1所述的三氯氫硅合成系統(tǒng)，其特征在于，還包括儲存分離提純裝置分 離后的三氯氫硅的三氯氫硅儲罐。4. 一種采用權(quán)利要求1所述三氯氫硅合成系統(tǒng)的三氯氫硅合成工藝，該工藝包括： 合成步驟；將氯化氫通入合成爐中，與硅粉在合成爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)； 冷凝分離提純步驟；將合成反爐生成的氯硅烷氣體、氫氣、氯化氫通入第一冷凝器進行 冷凝，其中冷凝后的氯硅烷液體進行分離提純后得到的三氯氫硅儲存，得到的四氯化硅和 二氯二氫硅作為冷氫化的原料送入混合加熱器，不凝的氯化氫和氫氣送入混合加熱器； 冷氫化步驟；混合加熱器氣體原料經(jīng)過混合加熱后，送入流化床反應(yīng)器，與進入流化床 反應(yīng)器內(nèi)的硅粉發(fā)生反應(yīng)； 二次冷凝步驟；流化床反應(yīng)器中生成的尾氣，包括氫氣、三氯氫硅、四氯化硅、二氯二氫 硅，經(jīng)過第二冷凝器冷凝后，液體氯硅烷進入冷凝料儲罐儲存最終進入分離提純裝置分離 提純，得到的二氣氛娃通入二氣氛娃儲罐儲存，四氣化娃和二氣二氛娃通入氣硅烷儲罐后 經(jīng)汽化、混合后進入流化床反應(yīng)器循環(huán)利用；二次冷凝中的不凝氣體，包括氫氣和氯化氫通 入緩沖罐循環(huán)利用并最后通入混合加熱器循環(huán)利用。
【文檔編號】C01B33/107GK106032275SQ201510120467
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月19日
【發(fā)明人】齊林喜, 趙亮
【申請人】內(nèi)蒙古盾安光伏科技有限公司