CN207294192U - 一种氢等离子法硅烷合成塔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氢等离子法硅烷合成塔，包括壳体和等离子发生器；所述壳体内从上往下依次设为等离子发生区、硅烷合成区、喷氢急冷区、喷液急冷区和气液分离区，且硅烷合成区与喷氢急冷区之间还设有内径从上往下逐渐增大的合成尾气出口；所述等离子发生器设置在等离子发生区内，所述等离子发生区侧面设有原料氢气入口；所述硅烷合成区侧面设有原料硅粉入口；所述喷氢急冷区侧面均匀设有若干冷态氢气喷入口；所述喷液急冷区底部侧面设有多个冷液入口，喷液急冷区内部均匀设有多组喷液管；所述气液分离区侧面上方设有合成气出口，气液分离区下方设为液体出口。该合成塔设计合理，结构紧凑，占地面积小，合成效果好。

Description

一种氢等离子法硅烷合成塔

技术领域

本实用新型涉及一种氢等离子法硅烷合成塔。

背景技术

硅烷有多种制法，目前主流的生产工艺有以下几种：

(1)硅化镁法：把硅和镁的混合粉末在约500℃的氢气中反应，把生成的硅化镁和氯化铵在低温液态氨中反应，可得到硅烷。把它在用液氮冷却的蒸馏装置中精制后可得到纯硅烷。

(2)歧化法：把硅粉末、四氯化硅和氢在加热到500℃以上的流动床炉中反应，得到三氯硅烷。用蒸馏法分离三氯硅烷。在催化剂存在下通过不均化反应得。到二氯硅烷。所得的二氯硅烷为与四氯化硅、三氯硅烷的混合物，所以用蒸馏法精制后得纯二氯硅烷。使用不均化反应催化剂由二氯硅烷得三氯硅烷和单硅烷。所得的单硅烷用低温高压蒸馏装置提纯。

(3)用盐酸处理硅镁合金。

Mg₂Si+4HCl—→2MgCl₂+SiH₄

(4)硅镁合金与溴化铵在液氨中反应。

(5)以氢化铝锂、氢化硼锂等作为还原剂，在***中还原四氯硅烷或三氯硅烷。

上述五种方法的共同特点是流程复杂，有其他金属物质或化学物质作为中间载体，容易产生其他方面的环保问题，并且还具有投资费用大，能耗高，工艺介质提纯难度大等问题。

其中接受度最高的是歧化法生产硅烷的技术，目前大规模生产硅烷的方法基本上采用这个技术。但这个技术的最大问题是工艺流程长、转化率低、循环量大、能耗高、有污染，不仅消耗原材料大，还需大量的化学品来中和废液，产品的废液和废渣量很大。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种氢等离子法硅烷合成塔，该合成塔设计合理，结构紧凑，占地面积小，合成效果好。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种氢等离子法合成硅烷的装置，包括壳体和等离子发生器；所述壳体内从上往下依次设为均呈筒状结构的等离子发生区、硅烷合成区、喷氢急冷区、喷液急冷区和气液分离区，且硅烷合成区与喷氢急冷区之间还设有内径从上往下逐渐增大的合成尾气出口；所述等离子发生器负极朝上、正极朝下的设置在等离子发生区内，所述等离子发生区侧面设有原料氢气入口；所述硅烷合成区侧面设有原料硅粉入口；所述喷氢急冷区侧面均匀设有若干冷态氢气喷入口；所述喷液急冷区底部侧面设有多个冷液入口，喷液急冷区内部均匀设有多组喷液管，且每组喷液管上均匀设有若干喷嘴，喷液管的入口均与冷液入口连通；所述气液分离区侧面上方设有合成气出口，气液分离区下方设为液体出口。

具体的说，所述气液分离区的纵截面呈凸字形，所述合成气出口呈倒L形，且合成气出口设置在气液分离区侧面凸起部的上方。

具体的说，所述壳体内气液分离区下方还依次设有喷液收集区和固液混合收集区；所述喷液收集区呈倒圆台形结构，喷液收集区侧面中上部设有液态排出口；所述固液混合收集区底部设有第一固液排出口。

更具体的说，所述液态排出口水平设置，液体排出口设有向下的第二固液排出口，液态排出口端部设有一倒U形液态接出管；所述第二固液排出口高于所述喷液收集区底部，所述液态接出管最高处低于合成气出口底部，液态接出管最低处高于喷液收集区顶部。

本实用新型的另一个目的则是为了提供一种利用上述硅烷合成塔来合成硅烷的方法，该方法结合成熟的氢等离子技术、急冷技术和硅烷与氢分离技术来合成硅烷，工艺流程短、投资少、能耗低，没有其他的化学物质参与反应，对环境污染小或基本无污染。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的硅烷合成塔集硅粉与等离子氢反应器、喷氢急冷器、喷液急冷器、(气、液、固)分离器于一体，其设计合理，集成度高，结构紧凑，占地面积小，操作更便利且合成效果好。并且，该设备运用到氢等离子合成硅烷的生产工艺中，可以大大降低项目建设成本和生产成本，节约项目用地，且能耗低、环保。

附图说明

图1为本实用新型硅烷合成塔结构示意图。

图2为硅烷合成方法的整体工艺流程图，由图2a、图2b和图2c顺次组合而成。

其中，附图标记对应的名称为：

101-等离子发生区，102-硅烷合成区，103-合成尾气出口，104-喷氢急冷区， 105-喷液急冷区，106-气液分离区，107-喷液收集区，108-固液混合收集区。

1-等离子发生器负极，2-等离子设备夹套水，3-等离子发生器正极，4-原料硅粉入口，5-急冷器设备夹套水，6-冷态氢气喷入口，7-喷液管，8-冷液入口，9-合成气出口，10-硅烷合成塔分离段，11-液态接出管，12-第一固液排出口，13- 第二固液排出口，14-液态排出口，15-原料氢气入口。

A-硅粉储罐，L-变压吸附塔，M-硅粉干燥器，O-硅粉收集罐，O1-气固输送器，P-四氯化硅汽化器，Q-四氯化硅冷却器，R-四氯化硅冷却器，S-深冷分离器， T-氢气储罐，T1-氢气压缩机，V-硅烷液体储罐，V1-硅烷液体泵，W-硅烷汽化器，X-硅烷气体缓冲罐，X1-硅烷气体压缩机，X2-硅烷气体储罐，Y-四氯化硅储罐，Y1-四氯化硅液体泵，Z-硅粉精密过滤器。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。

本实施例的硅烷合成方法不同于目前全球采用的硅镁合金法、氢化铝钠(NaAlH₄)还原四氟化硅(SiF₄)制备硅烷法、氯硅烷歧化法的生产方式。其最主要的特点是利用等离子体产生的高温，将氢气和硅粉离子化，提高氢和硅的活性，在离子状态氢和硅结合生成硅烷。该方法主要应用的氢等离子技术、急冷技术和硅烷与氢分离技术均十分成熟，可有效缩短整个合成工艺的流程、降低投资、减少能耗，并且，没有其他的化学物质参与反应，对环境污染小甚至基本无污染，可推广应用。

本实施例的氢等离子法合成硅烷的方法的先将过量的氢气和硅粉通入氢等离子法合成硅烷的装置中，等离子发生器将硅粉和过量的氢气离子化，离子化后的氢与硅充分接触反应，得到主要由硅烷和氢气组成的合成尾气，再将该合成尾气先与氢气混合急冷，得到混合气，再将混合气与冷却液混合急冷，最后再将混合气与冷却液分离，即可得到包含合成硅烷的混合气。该混合气主要成分为硅烷、氢气及部分其他杂质，经过现有技术中常规的硅烷混合气分离手段，即可将混合气分离，得到硅烷。

为了更方便的实现上述合成工艺，本实施例还专门设计了一种氢等离子法合成硅烷装置——硅烷合成塔。

本实施例的硅烷合成塔集硅粉与等离子氢反应器、喷氢急冷器、喷液急冷器、(气、液、固)分离器于一体，其设计合理，集成度高，操作更便利。具体来说，该硅烷合成塔主要包括壳体和等离子发生器；所述壳体内从上往下依次设为均呈筒状结构的等离子发生区101、硅烷合成区102、喷氢急冷区104和喷液急冷区105，且硅烷合成区与喷氢急冷区之间还设有内径从上往下逐渐增大的合成尾气出口103，而喷液急冷区下方还设有纵截面呈凸字形的气液分离区106；所述等离子发生器设置在等离子发生区101内，且等离子发生器负极1在上，等离子发生器正极3在下；所述等离子发生区侧面设有原料氢气入口15；所述硅烷合成区102侧面设有原料硅粉入口4；所述喷氢急冷区104侧面均匀设有若干冷态氢气喷入口6；所述喷液急冷区105底部侧面设有多个冷液入口8，喷液急冷区内部均匀设有多组喷液管7，且每组喷液管上均匀设有若干喷嘴，喷液管的入口均与冷液入口连通；所述气液分离区106侧面凸起部的上方设有倒L形的合成气出口9，气液分离区下方还依次设有喷液收集区107和固液混合收集区 108；所述喷液收集区107呈倒圆台形结构，喷液收集区侧面中上部设有液态排出口14；所述固液混合收集区108底部设有第一固液排出口12。即，气液分离区106、喷液收集区107和固液混合收集区108共同形成硅烷合成塔分离段10。

所述液态排出口14水平设置，液体排出口设有向下的第二固液排出口13，液态排出口端部设有一倒U形液态接出管11；所述第二固液排出口13高于所述喷液收集区107底部，所述液态接出管11最高处低于合成气出口9底部，液态接出管最低处高于喷液收集区107顶部。

由于等离子发生器产生的电弧及等离子体的硅和氢的温度均较高，因此，在等离子发生区101、硅烷合成区102的壳体上均设有等离子设备夹套水2，而在合成尾气出口103处的壳体上也设有急冷器设备夹套水5。

下面，结合上述硅烷合成塔来对本实施例的氢等离子法合成硅烷进行详细描述。

该整个硅烷合成和分离工艺涉及到一套***，该***包括氢等离子发生***、硅粉气固传输***、喷(氢气)急冷***、(四氯化硅液态冷媒)喷液急冷***、(气、液、固)分离***、(液、固)分离回收***、液态冷媒冷却循环***、硅烷及氢气混合气变压吸附分离***、硅烷和氢气深冷分离回收***、硅粉回收***、氢气增压循环***等，本实施例设计的硅烷合成塔即将氢等离子发生***、硅粉气固传输***、喷(氢气)急冷***、(四氯化硅液态冷媒)喷液急冷***、(气、液、固)分离***集为一体，缩小了整个***的占地面积，也使其操作更加便利。而(液、固)分离回收***、液态冷媒冷却循环***、硅烷及氢气混合气变压吸附分离系列、硅烷和氢气深冷分离回收***、硅粉回收***、氢气增压循环均为现有技术中会使用的常规技术，因此对其涉及的设备及其连接关系不做详细介绍。

以下为氢等离子法合成硅烷的生产工艺流程，主要包括以下步骤：

(1)准备阶段：

首先，对整个***进行气体置换，保证***内为氢气氛围；然后，开启合成气出口9阀门、开启冷态氢气喷入口6阀门，开始喷入氢气；再开启冷液入口8阀门，开始喷入四氯化硅，至喷液收集区107内液面达到预先设计液位后，启动等离子发生器，给等离子发生器负极、正极带约8000V的电压，使等离子发生区101产生电弧；

(2)等离子化：打开原料氢气入口15阀门，带压的氢气经过等离子发生区101被电弧迅速加热并被离子化后，进入硅烷合成区102；

(3)合成：当等离子发生器工作平稳后，打开原料硅粉入口4阀门，向硅烷合成区102内连续通入粒径小于0.1mm的硅粉，进入硅烷合成区的硅粉(及硅粉中的杂质)迅速被的等离子的高温熔融、汽化至等离子化，均为等离子状的氢气和硅合成硅烷，得到合成尾气；该合成尾气中包含有硅烷、氢气及稍许固体和气体杂质，并且，温度高达1200℃；

(4)初次冷却：合成尾气通过合成尾气出口103进入喷氢急冷区104，其流道的面积加大，流速降低，有利于冷却；合成尾气进入喷氢急冷区104后与喷入的氢气混合并被降温至800℃以下，此时，合成尾气与氢气混合形成混合气，混合气中的氢气含量加大，一方面是由于加大了氢气的浓度、降低硅烷的浓度，起到了抑制硅烷分解的作用，另一方面则是可有效防止高温使后续喷液急冷的冷媒被分解；

(5)再次冷却：混合气往下进入喷液急冷区105，该喷液急冷区内由-10℃～5℃的液态四氯化硅经过多组喷液管和喷嘴喷出后，形成冷态雾化区，混合气进入后会与雾化冷却液在该区完成冷热交换，使混合气迅速被冷却至30℃以下；由于考虑到喷液急冷区上部喷入的四氯化硅有被汽化的可能，而这部分被汽化的四氯化硅在下部冷却过程中会再次被冷却到液体，因此，该喷液急冷区的高度可设计较高，且喷液管可设计多组，至混合气冷却到30℃以下为准；

(6)气液分离：上述混合气和冷却液一起进入气液分离区106，混合气从合成气出口9排出，进入硅烷及氢气混合气变压吸附分离***，而剩余的液体 (可能带有未反应的硅粉、杂质及硅烷分解出的硅等固体颗粒)则通过气液分离区106底部后进入喷液收集区107，由于硅烷合成塔中，喷液收集区107与固液混合收集区108实为一个连通的区域，因此，固体颗粒因重力作用沉积在固液混合收集区108内，液态则从液态排出口14经由液态接出管11排出；其中，液态排出口14也可设计多组，且其每组连接的液态接出管11管径也可设计较大，而液体接出管11设计为倒U形，则是便于控制液位高度，夹杂在液态中的部分固体颗粒在液态排出口14末端处受这个U形结构的作用，会沉积到向下的第二固液排出口13中，并从此进入硅粉干燥器M中；而沉积在固液混合收集区 108内的固液混合物(包含硅粉及其他固体杂质、四氯化硅液态等)定时通过第一固液排出口12进入硅粉干燥器M中。

此外，该工艺还包括了从合成气出口9排出的混合气的分离，四氯化硅和氢气的循环，以及硅粉的回收，由于此工艺较为成熟，因此，仅结合本实施例的合成工艺来作简单介绍。

具体来说，从合成气出口9排出的混合气进入硅烷及氢气混合气变压吸附分离***后，吸附项为硅烷，经变压吸附塔L变压吸附处理后的氢气进入增压循环***中，及进入氢气储罐T，再经氢气压缩机T1增压后，分别给等离子发生器供氢和冷却后进入喷气急冷***104；经硅烷及氢气混合气变压吸附分离***处理后的气态硅烷和氢气混合气进入硅烷和氢气深冷分离回收***，硅烷和氢气深冷分离器S深冷，将气态的硅烷变为温度约-112℃的液态硅烷，氢气从硅烷和氢气分离器S顶部排出，进入增压循环***中，分别给等离子发生器供氢和冷却后进入喷气急冷***104；而硅烷则由硅烷和氢气分离器S的中部排出，进入硅烷液体储罐V，再由硅烷液体泵V1输入硅烷汽化器W，汽化后的硅烷进入硅烷气体缓冲罐X暂时储存，再经硅烷气体压缩机X1加压后送入硅烷气体储罐X2储存；在硅烷和氢气分离器S的底部将排出其他金属化合物固体残渣和四氯化硅的液体，这些混合物将送入其他金属化合物固体残渣和四氯化硅的液体进行再次分离，处理后送入废液处理***处理；

从液态排出口14经由液态接出管11排出的液态进入液态冷媒冷却循环***，即进入四氯化硅冷却器Q，经冷却后四氯化硅进入四氯化硅储罐Y储存，后经四氯化硅液体泵Y1送入冷液入口8，和送入四氯化硅汽化器P给硅粉干燥器M供四氯化硅气体；

而硅粉回收***则是使排入硅粉干燥器M中的杂质，在蒸汽加热后，将四氯化硅汽化，由硅粉干燥器M底部进入的气态四氯化硅将该设备中分离后的固体吹起(半流化状)，以达到充分的干燥；气体由硅粉干燥器M的上部排出进入硅粉精密过滤器Z进行气固分离；停留在硅粉干燥器中的硅粉定时由硅粉干燥器的底部排出至硅粉收集箱，这部分的硅粉需经检验后使其情况选择再回到硅粉储罐A中循环使用；

进入硅粉精密过滤器Z的四氯化硅和硅粉在这里进行分离，分离后的尾气进入四氯化硅冷却器R，经冷却后的四氯化硅进入四氯化硅储罐Y，经四氯化硅液态泵进入四氯化硅循环***；分离后的硅粉进入硅粉收集罐O，这部分的硅粉需经检验后使其情况选择经气固输送器O1再回到硅粉储槽A中循环使用；

经硅烷和氢气分离器S中部排出的硅烷液体，进入硅烷液体储罐V，再由硅烷液体泵V1输入硅烷汽化器W，汽化后的硅烷进入硅烷气体缓冲罐X暂时储存，再经硅烷气体压缩机X1加压后送入硅烷气体储罐X2储存；这时得到的硅烷是初馏后的初品。经检测后按照对硅烷不同的需要再考虑对其进行再次精馏，以达到不同等级的硅烷产品。

以目前广泛采用的歧化法生产硅烷作为对比，来对本实施例硅烷的合成工艺进行进一步介绍。

传统歧化法生产硅烷需要设置以下装置：液氯储存和汽化装置；氯化氢合成装置；三氯氢硅合成及尾气分离回收装置；四氯化硅和三氯氢硅初馏装置及精馏装置；二级汽化生产硅烷装置；冷氢化装置；四氯化硅储存；三氯氢硅储存；硅烷储存；

而本实施例合成方法生产中需设置以下装置：(因四氯化硅的用量很小，基本不消耗，采用外购的形式)氢等离子合成硅烷及尾气和液态分离回收装置；硅烷初馏装置；硅烷储存；四氯化硅储存；

由此可见采用氢等离子法合成硅烷的技术的优势很大，可以大大的降低项目建设成本和生产成本，节约项目用地，能耗低、环保。

而对同等规模条件下上述两种技术在建设投资方面的差别进行模拟预算，得出：采用氢等离子法合成硅烷技术比采用歧化法生产硅烷技术的投资要节约 50％，综合能耗也会低50％。而且在生产环保方面因没有氯气在生产过程中的化学反应，氢等离子法合成硅烷技术基本上没有污染。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种氢等离子法硅烷合成塔，其特征在于，包括壳体和等离子发生器；所述壳体内从上往下依次设为均呈筒状结构的等离子发生区(101)、硅烷合成区(102)、喷氢急冷区(104)、喷液急冷区(105)和气液分离区(106)，且硅烷合成区与喷氢急冷区之间还设有内径从上往下逐渐增大的合成尾气出口(103)；所述等离子发生器负极朝上、正极朝下的设置在等离子发生区(101)内，所述等离子发生区侧面设有原料氢气入口(15)；所述硅烷合成区(102)侧面设有原料硅粉入口(4)；所述喷氢急冷区(104)侧面均匀设有若干冷态氢气喷入口(6)；所述喷液急冷区(105)底部侧面设有多个冷液入口(8)，喷液急冷区内部均匀设有多组喷液管(7)，且每组喷液管上均匀设有若干喷嘴，喷液管的入口均与冷液入口连通；所述气液分离区(106)侧面上方设有合成气出口(9)，气液分离区下方设为液体出口。

2.根据权利要求1所述的一种氢等离子法硅烷合成塔，其特征在于，所述气液分离区(106)的纵截面呈凸字形，所述合成气出口(9)呈倒L形，且合成气出口设置在气液分离区侧面凸起部的上方。

3.根据权利要求1或2所述的一种氢等离子法硅烷合成塔，其特征在于，所述壳体内气液分离区下方还依次设有喷液收集区(107)和固液混合收集区(108)；所述喷液收集区(107)呈倒圆台形结构，喷液收集区侧面中上部设有液态排出口(14)；所述固液混合收集区(108)底部设有第一固液排出口(12)。

4.根据权利要求3所述的一种氢等离子法硅烷合成塔，其特征在于，所述液态排出口(14)水平设置，液体排出口设有向下的第二固液排出口(13)，液态排出口端部设有一倒U形液态接出管(11)；所述第二固液排出口(13)高于所述喷液收集区(107)底部，所述液态接出管(11)最高处低于合成气出口(9)底部，液态接出管最低处高于喷液收集区(107)顶部。