專利名稱：連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種利用四氯化硅生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法及裝置，更具體來說涉及一種在高壓條件下將液態(tài)四氯化硅連續(xù)氫化轉(zhuǎn)化為三氯甲硅烷的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，絕大多數(shù)的多晶硅生產(chǎn)方法是改良西門子工藝。這種工藝存在的一個主要缺點為采用三氯甲硅烷為原料進行多晶硅沉積，反應過程中，生成大量副產(chǎn)物四氯化硅， 若不加以循環(huán)利用，將危害環(huán)境并造成極大的原料浪費，嚴重影響生產(chǎn)成本。目前已大規(guī)模工業(yè)化的四氯化硅循環(huán)利用技術(shù)主要為冷氫化和熱氫化，均為將四氯化硅重新轉(zhuǎn)化為原料三氯甲硅烷的途徑，反應方程式如下所示。SiCU (H2SiHCl3熱氫化技術(shù)是在熱氫化爐內(nèi)以石墨或碳復合材料作為電加熱件，壓力為0. 4 0. SMPa的，溫度為1200 1300°C的條件下使氫氣與四氯化硅反應生成三氯甲硅烷的過程。 熱氫化的工藝流程及設備均較為簡單，投資規(guī)模較小，但熱氫化能耗高，平均生產(chǎn)每千克三氯甲硅烷的耗電量一般不低于3kWh，使多晶硅生產(chǎn)總成本難以控制，并且在熱氫化爐中的電加熱件上極易沉積硅，導致加熱效果降低，更嚴重時出現(xiàn)火花放電損壞設備，降低了設備使用率并增加了維護成本。冷氫化技術(shù)是在流化床反應器內(nèi)以冶金級硅粉作為床層原料， 通入氫氣和四氯化硅，在壓力為2 4MPa，溫度為500 550°C的條件下進行反應生成三氯甲硅烷。冷氫化生產(chǎn)三氯甲硅烷單位電耗僅為0. 6 0. 8kWh/kg，且單臺設備處理規(guī)模較大，四氯化硅單程轉(zhuǎn)化率可超過25%。但冷氫化工藝流程復雜，設備投資規(guī)模較大，并且系統(tǒng)內(nèi)涉及高溫高壓下的固體硅粉輸送，由于硅粉硬度極高，因此極易磨蝕設備，生產(chǎn)線維護費用較高且難以保證長周期連續(xù)運行?，F(xiàn)有技術(shù)無論是熱氫化或冷氫化，主要均為氣相中四氯化硅的氫化反應。熱氫化及冷氫化的反應均為可逆反應，反應平衡常數(shù)不高，而在氣相反應中，反應物與產(chǎn)物不分離，生成的產(chǎn)物將影響反應物的進一步反應，并且氣相中氣體分子密度較低，反應速率難以提尚。在研究了四氯化硅與氫氣的反應機制基礎上，本發(fā)明提出了利用氫氣與液態(tài)四氯化硅反應生成三氯甲硅烷的方法。在四氯化硅氫化反應平衡可正向移動的溫度條件下，利用合適的壓力，使四氯化硅處于液態(tài)并保證溫度低于此壓力下三氯甲硅烷的沸點，氫氣與四氯化硅反應生成的三氯甲硅烷不斷汽化離開反應系統(tǒng)，促使反應能夠始終向生成三氯氫硅的正反應方向進行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種將液態(tài)四氯化硅連續(xù)與氫氣反應生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，該方法通過在高壓及一定溫度條件下將氫氣通入液態(tài)四氯化硅進行反應生成氣態(tài)三氯甲硅烷的方式實現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高效節(jié)能的四氯化硅氫化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)三氯甲硅烷。本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供實現(xiàn)上述方法的裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下一種連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，包括在密封的裝有液態(tài)四氯化硅的反應器內(nèi)， 在一定溫度與壓力下，將純氫氣通入液態(tài)四氯化硅反應生成三氯甲硅烷與氯化氫氣體排出反應器，并不斷向反應器內(nèi)補充液態(tài)四氯化硅，使反應連續(xù)進行。其中，所述密閉反應器內(nèi)壓力為20 35MPa，優(yōu)選地為23 ^MPa。其中，所述密閉反應器內(nèi)溫度為380 550°C，優(yōu)選地為400 450°C。其中，所述氫氣與四氯化硅原料氣體的反應體積比為2 5 1。其中，所述氫氣被加熱至300 600°C通入反應器。其中，所述液態(tài)四氯化硅被加熱至300 500°C通入反應器。其中，所述密閉反應器內(nèi)可添加催化劑。進一步地，所述催化劑為金屬氯化物及離子液體中的一種或幾種，優(yōu)選地為堿土金屬氯化物與離子液體，特別優(yōu)選地為將氯化鋇與氯化鉀溶解在離子液體中制成催化劑。在一個優(yōu)選的生產(chǎn)方法中，將壓力為23 25MPa下并加熱至300 350°C的液態(tài)四氯化硅從所述四氯化硅進料管通入反應器內(nèi)并將所述催化劑由所述催化劑加料管通入反應器內(nèi)；將加熱至300 400°C的氫氣由所述氫氣進氣管經(jīng)所述氫氣分布器通入反應器內(nèi)，一段時間后，待氫氣進氣管與產(chǎn)品出口間壓差穩(wěn)定后啟動反應器的加熱裝置，升溫至 400 450°C，連續(xù)通入氫氣，并由產(chǎn)品出口排出產(chǎn)品三氯甲硅烷與氫氣、氯化氫及少量四氯化硅的混合氣體，可連續(xù)生產(chǎn)。本發(fā)明還涉及一種連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的裝置，包括殼體1、氫氣分布器3、氫氣進氣管4、四氯化硅進料管5、產(chǎn)品出口 6以及催化劑加料管7 ；殼體1為密閉壓力容器，殼體1上部連接氫氣進氣管4、四氯化硅進料管5、產(chǎn)品出口 6及催化劑加料管7，四氯化硅進料管5伸入殼體1內(nèi)部，其特征在于殼體1內(nèi)部還設有氫氣分布部件，且所述氫氣分布部件與所述氫氣進氣管4相連。在此裝置中，所述殼體優(yōu)選地具有內(nèi)襯，材質(zhì)為高硬度合金。其中，所述氫氣分布部件為氫氣分布器3，其表面設有均布的若干氣孔301。進一步地，所述氫氣分布器3具有擴大的直徑，所述氫氣分布器的氣孔方向朝下。進一步地，所述氫氣分布器3下部擴大段的下底面優(yōu)選地位于反應器總高三分之一處以下。其中，所述氫氣分布部件為氫氣噴嘴8。其中，所述殼體1下部還包括電磁攪拌器9。其中，所述殼體為高壓容器，并設有電加熱件或?qū)嵊图訜釆A套。其中，所述密閉反應器優(yōu)選地為圓柱形結(jié)構(gòu)，液態(tài)四氯化硅裝填液面不超過反應器三分之二高度。有益效果根據(jù)本發(fā)明連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，反應溫度均低于現(xiàn)有氫化技術(shù)，降低了反應能耗。根據(jù)本發(fā)明連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，改變了四氯化硅氫化的反應方式，由氣相反應變?yōu)橐合喾磻?，并且產(chǎn)物三氯甲硅烷生成后立即離開反應系統(tǒng)，推進了反應平衡向正反應方向移動并加快了反應速率。
根據(jù)本發(fā)明連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，系統(tǒng)內(nèi)無固體顆粒，降低了設備損害的風險。


圖1是本發(fā)明的液態(tài)四氯化硅氫化生產(chǎn)三氯甲硅烷的一種裝置示意圖。其中，1殼體，2液態(tài)四氯化硅，3氫氣分布器，4氫氣進氣管，5四氯化硅進料管，6產(chǎn)品出口，7催化劑加料管。圖2是本發(fā)明的液態(tài)四氯化硅氫化生產(chǎn)三氯甲硅烷的另一種裝置示意圖。其中，8 氫氣噴嘴，9電磁攪拌器。
具體實施例方式以下通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明中的生產(chǎn)方法和裝置進行詳細說明， 但這些實施例僅僅是例示的目的，并不旨在對本發(fā)明的范圍進行任何限定。實施例1 參見圖1，圖1是本發(fā)明的液態(tài)四氯化硅氫化生產(chǎn)三氯甲硅烷的一種優(yōu)化的過程的示意圖。它包括殼體1、液態(tài)四氯化硅2、氫氣分布器3、氫氣進氣管4、四氯化硅進料管5、 產(chǎn)品出口 6及催化劑加料管7。殼體1頂部連接氫氣進氣管4、四氯化硅進料管5、產(chǎn)品出口 6及催化劑加料管7 ； 氫氣進氣管4連接氫氣分布器3，氫氣分布器3設在殼體1內(nèi)部。將壓力約為25MI^的氮氣充入殼體1內(nèi)進行反應器置換，置換完成后將壓力不低于25MPa并加熱至350 380°C的液態(tài)四氯化硅2通過四氯化硅進料管5通入殼體1內(nèi)，直至液面達到殼體1高度的約三分之二處，將采用氯化鋇、氯化鉀及離子液體合成的催化劑由催化劑加料管7通入殼體1內(nèi)， 將壓力約為25MPa，加熱至約400°C的純氫氣由氫氣進氣管4經(jīng)由氫氣分布器3，在液態(tài)四氯化硅2液面以下向下噴入液態(tài)四氯化硅2中，到氫氣進氣管4進口與產(chǎn)品出口 6之間壓差穩(wěn)定后，采用電加熱件對殼體1進行加熱，使液態(tài)四氯化硅2升溫至410°C并維持溫度穩(wěn)定，保持壓力穩(wěn)定在25MPa，持續(xù)通入定量的純氫氣，液態(tài)四氯化硅2液面下降5%時通過四氯化硅進料管5向殼體1內(nèi)補充液態(tài)四氯化硅2至初始液面；由產(chǎn)品出口 6排除的混合氣體包括產(chǎn)品三氯甲硅烷氣體、氫氣、氯化氫及微量四氯化硅氣體，經(jīng)過分離可得產(chǎn)品三氯甲硅烷，氫氣可循環(huán)利用。采用直徑為0. 5m，高1. ^ii的圓柱形反應器殼體，并配置額定功率為50kW的電加熱裝置，反應參數(shù)如下1)氫氣流量約為^kg/h ；2)四氯化硅補充量約為4^g/h3)連續(xù)生產(chǎn)100小時，消耗四氯化硅約4500kg，分離得到產(chǎn)品三氯甲硅烷約 3300kg，總耗電量約為3000kWh，生產(chǎn)三氯氫硅的平均單位電耗約為0. 9IkffhAg0實施例2參見圖2，與實施1不同的是用氫氣噴嘴代替實施例1中的氫氣分布器，并采用電磁攪拌器加以充分攪拌，最終分離得到產(chǎn)品三氯甲硅烷約323^g，總耗電量約為3397kWh， 生產(chǎn)三氯氫硅的平均單位電耗約為1. 05kWh/kg。
上述實施例中，利用四氯化硅在高壓液態(tài)條件下與氫氣反應生成三氯甲硅烷，反應溫度較低，能耗較低，設備簡單且單臺反應裝置處理量大，介質(zhì)無固體顆粒，能夠保證長周期連續(xù)生產(chǎn)，綜合成本顯著降低。盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是， 可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，包括在密封的裝有液態(tài)四氯化硅的反應器內(nèi)，在一定溫度和壓力下，將純氫氣通入液態(tài)四氯化硅并發(fā)生反應，反應生成三氯甲硅烷與氯化氫氣體排出反應器，并不斷向反應器內(nèi)補充液態(tài)四氯化硅，使反應連續(xù)進行的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述密閉反應器內(nèi)壓力為20 !35MPa，優(yōu)選地為23 ^MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述密閉反應器內(nèi)溫度為380 550°C，優(yōu)選地為400 450°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述氫氣與四氯化硅原料氣體的反應體積比為2 5 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述氫氣被加熱至 300 600°C通入反應器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述液態(tài)四氯化硅被加熱至300 500°C通入反應器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)三氯甲硅烷的方法，其特征在于所述密閉反應器內(nèi)可添加催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述催化劑為金屬氯化物及離子液體中的一種或幾種，優(yōu)選地為堿土金屬氯化物與離子液體。
9.一種連續(xù)生產(chǎn)三氯甲硅烷的裝置，包括殼體(1)、氫氣進氣管G)、四氯化硅進料管 (5)、產(chǎn)品出口(6)以及催化劑加料管(7)；殼體⑴為密閉壓力容器，殼體⑴上部連接氫氣進氣管G)、四氯化硅進料管(5)、產(chǎn)品出口(6)及催化劑加料管(7)，四氯化硅進料管 (5)伸入殼體(1)內(nèi)部，其特征在于殼體(1)內(nèi)部還設有氫氣分布部件，且所述氫氣分布部件與所述氫氣進氣管(4)相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述氫氣分布部件為氫氣分布器(3)，其表面設有均布的若干氣孔(301)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述氫氣分布器C3)具有擴大的直徑，所述氫氣分布器的氣孔方向朝下。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述氫氣分布部件為氫氣噴嘴(8)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-11所述任一項的裝置，其特征在于所述殼體(1)下部還包括電磁攪拌器(9)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述殼體為高壓容器，并設有電加熱件或?qū)嵊图訜釆A套。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在高壓下將液態(tài)四氯化硅與氫氣反應生成氣態(tài)甲硅烷的方法及裝置，在一定壓力下，將溫度控制在該壓力下四氯化硅沸點以上及三氯甲硅烷沸點以下并達到反應適宜溫度，使氫氣與液態(tài)四氯化硅反應生成氣態(tài)三氯甲硅烷并不斷排出反應器。本發(fā)明實現(xiàn)了在較低的溫度下實現(xiàn)四氯化硅連續(xù)轉(zhuǎn)化為三氯甲硅烷的工藝常壓連續(xù)操作，反應溫度較低，轉(zhuǎn)化速率較高，生產(chǎn)消耗能耗少，系統(tǒng)內(nèi)無固體顆粒，設備損害小，能夠顯著降低多晶硅的生產(chǎn)成本及設備維護成本。
文檔編號C01B33/107GK102557041SQ201010603418
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者陳涵斌 申請人:江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司