CN1693192A - 三氯氢硅加压提纯方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种三氯氢硅加压提纯方法及其装置，将待提纯的三氯氢硅、四氯化硅、氯硅烷混合液输入提纯塔的加料口，混合液经提纯塔下流至蒸馏釜，蒸馏釜压力为0.15MPa～1.5MPa、温度为70℃～200℃：从蒸馏釜出来的蒸汽进入提纯塔中进行热量与成分的交换与分离，提纯塔内的操作温度为40～150℃，沸点低的三氯氢硅组分在汽相中富集，沸点高的四氯化硅组分在液相中富集，经过多次汽化、冷凝，最终在汽相中得到三氯氢硅汽化组分，然后进入塔顶水冷凝器，经循环水冷却、冷凝成三氯氢硅液体。本发明可使同样塔径的提纯塔产量提高50％；减少了冷冻所需的设备投资和设备运行费用，塔顶水冷凝器的换热效率提高约15％，大大降低了能耗。

Description

三氯氢硅加压提纯方法及其装置

(一)、技术领域

本发明涉及一种化工材料的提纯方法及其设备，特别是一种三氯氢硅的提纯方法及其装置。

(二)、背景技术

多晶硅是生产电脑芯片及半导体器件的原料，被称为“微电子大厦的基石”，而三氯氢硅(SiHcl₃)提纯技术是生产多晶硅的关键技术之一。现有三氯氢硅提纯工艺由蒸馏釜、提纯塔和塔顶冷凝器顺序连接而成，属于高耗能工艺，耗能费用占总成本的比重很大。随着世界性石油资源的日渐枯竭，能源价格大幅度上涨，该工艺的生产成本也相应大大增加，一些发达国家已经不愿意继续在这种高耗能产业上增大投入，逐渐向发展中国家转移。德国西门子公司在三氯氢硅的提纯中采用常压分离提纯工艺，在采用该工艺生产时，塔顶冷凝需用7℃水冷冻系统，因此，需投资建设7℃水冷冻系统，使该方法运行费用和维护费用高，投资高、能耗高，导致三氯氢硅生产成本居高不下。

(三)、发明内容

本发明的目的是提供一种三氯氢硅加压提纯方法及其装置，解决现有三氯氢硅提纯工艺技术参数不合理、能耗高、运行费用和维护费用高、投资高的问题。

本发明的技术方案：这种三氯氢硅加压提纯方法，其特征在于其方法和技术参数如下：

(1)、将待提纯的三氯氢硅(SiHCl₃)、四氯化硅(SiCl₄)氯硅烷混合液输入提纯塔的加料口，混合液经提纯塔下流至蒸馏釜；

(2)、用热媒加热蒸馏釜至70℃～200℃，使三氯氢硅和四氯化硅的混合液体被蒸馏并产生汽化，蒸馏釜控制压力为0.15MPa～1.5MPa；

(3)、从蒸馏釜排汽管出来的汽化蒸汽通过连接管进入提纯塔中，提纯塔内的操作温度为40～150℃，来自蒸馏釜的SiHCl₃、SiCl₄的混合蒸汽在提纯塔的各级筛板上进行热量与成份的交换与分离，沸点低的三氯氢硅组分在汽相中富集，沸点高的四氯化硅组分在液相中富集，经过多次部分汽化或部分冷凝，最终在汽相中得到易挥发、较纯的三氯氢硅汽化组分，在提纯塔中得到沸点高的四氯化硅组分；

(4)、从提纯塔出来的三氯氢硅汽化组分通过导管进入塔顶水冷凝器，塔顶水冷凝器采用普通循环水冷却，三氯氢硅汽化组分经冷却，冷凝成液体，即沸点低的三氯氢硅液体；

(5)、从蒸馏釜的排液管排出较难挥发的四氯化硅液体。

上述(1)中所述的热媒是蒸汽、热水或导热油。

上述(1)中所述的待提纯的SiHCl₃、SiCl₄氯硅烷混合液通过提纯塔的加料口从提纯塔的第8至第35块塔板间加入。

上述两套或两套以上的蒸馏釜、提纯塔及塔顶水冷凝器串连，形成连续加压的粗馏、精馏提纯系统。

这种三氯氢硅加压提纯装置，提纯塔为筛板结构，塔侧壁上开有加料口，其特征在于：由蒸馏釜、提纯塔和塔顶水冷凝器顺序串连而成，蒸馏釜的排汽管经连接管与提纯塔连通，提纯塔顶端经导管与塔顶水冷凝器连通，上述蒸馏釜和提纯塔的底部排出管与四氯化硅液体储罐连通，塔顶水冷凝器底部的排液管与三氯氢硅储罐连通。

上述提纯塔上加料口的位置在提纯塔的第8至第35块塔板之间。

本发明利用了SiHCl₃、SiCl₄的沸点随操作压力升高而增加、二者间的相对挥发度与沸点差成正比的基本原理。SiHCl₃、SiCl₄的混合物在蒸馏釜的加压操作条件下，气相随压力升高，密度增大，粘度增大；液相随压力升高，操作温度提高，液相密度减小，粘度减小。精馏提纯塔的塔板效率受液体粘度影响大，粘度减小，总板效率上升，有利于SiHCl₃和SiCl₄的分离。本发明将蒸馏釜的压力范围提高至0.15Mpa～1.5Mpa；将提纯蒸馏釜的操作温度范围提高至70～200℃；将提纯塔内的操作温度范围提高至40～150℃；将塔顶水冷凝器的7℃冷冻水改为采用普通循环水冷却。并设计了适合以上压力、温度条件的设备。

本发明加大了提纯塔的压力后，由于精馏提纯压力高、温度高，有利于SiCl₄和SiHCl₃的分离，经B、P等杂质分离效果比较，分离BCl₃用加压提纯塔比常压提纯塔有明显的优势。在加压的条件下，BCl₃等低沸点杂质氯化物每块板富集倍数及富集率比常压条件高，BCl₃在塔顶几乎除尽。采用本发明的工艺后，可强化生产系统和设备，同样塔径的精馏塔产量提高50％；改7℃冷却水为常温普通循环水冷却工艺，减少了冷冻所需的设备投资和设备运行费用，加压条件下，换热器的换热效率提高约15％，有利于节省冷量消耗。

本发明在年产2000吨三氯氢硅的实施例中应用，节省冷冻系统投资120万元。节省运行费用：每吨产品可节省冷量107×10⁴kcal，节省制冷电耗300kWh/t。加压条件下，换热器的换热效率提高约15％，同等产能的条件下，设备可减小15％，由此减少设备投资和设备占地面积。

本发明经过提纯工艺除去一些电活性杂质，碳和过渡元素杂质，使SiHCl3的纯度达到半导体级的标准要求，适用于所有三氯氢硅的分离提纯，适用于太阳能电池级多晶硅生产和集成电路级的多晶硅生产中的三氯氢硅粗馏和精馏提纯。

(四)、附图说明

图1是本发明三氯氢硅加压提纯装置的结构示意图。

图中：1-蒸馏釜、2-提纯塔、3-塔顶水冷凝器、4-连接管、5-导管、6-四氯化硅液体储罐、7-三氯氢硅储罐、8-加料口。

(五)、具体实施方式

实施例参见图1，蒸馏釜1采用适合于蒸馏操作条件的列管式换热器，设备操作压力范围：0.15Mpa～1.5Mpa，操作温度范围：70～200℃。用蒸汽、热水或导热油等热媒加热蒸馏釜1，使被蒸馏的三氯氢硅和四氯化硅液体汽化，被汽化的蒸汽通过连接管4进入提纯2中。

提纯塔2的塔内为筛板式结构，设备操作压力范围：0.15Mpa～1.5Mpa；操作温度范围：40～150℃。来自蒸馏釜1的SiHCl₃、SiCl₄的混合蒸汽在提纯塔的各级筛板上进行热量与成份的交换与分离，沸点低的组分(SiHCl₃)在汽相中富集，沸点高的组分(SiCl₄)在液相中富集，经过多次部分汽化或部分冷凝，最终在汽相中得到较纯的易挥发组分(SiHCl₃)，在蒸馏釜中得到沸点高的组分(SiCl₄)，待提纯的SiHCl₃、SiCl₄混合液自提纯塔2的第8至第33块塔板间的加料口8加入。

塔顶水冷凝器3，采用适合于冷凝操作条件的列管式换热器，冷媒采用普通循环水。设备操作压力范围：0.15Mpa-1.5Mpa，操作温度范围：20～120℃。从提纯塔2汽化的组分通过导管5进入塔顶水冷凝器3，经冷却冷凝成液体，即沸点低的组分(三氯氢硅)。从蒸馏釜1的排液管定期排出较难挥发组分，即得到沸点高的组分(四氯化硅)储存在四氯化硅液体储罐6。

这种三氯氢硅加压提纯装置，由蒸馏釜1、提纯塔2和塔顶水冷凝器3顺序串连而成，蒸馏釜1的排汽管经连接管4与提纯塔2连通，提纯塔顶端经导管5与塔顶水冷凝器3连通，上述蒸馏釜1和提纯塔2的底部排出管与四氯化硅液体储罐6连通，塔顶水冷凝器3底部的排液管与三氯氢硅储罐7连通，上述塔顶水冷凝器是普通水冷凝器。

提纯塔上加料口8的位置在提纯塔的第8至第35块塔板之间。SiHCl₃、SiCl₄氯硅烷混合液自提纯塔的第8至第33块塔板间加料口加入，加料管与氯硅烷混合液储罐连通。

将两套或两套以上的蒸馏釜、提纯塔及塔顶水冷凝器进行组合，可形成连续加压的粗馏、精馏提纯系统，可以满足不同纯度要求的三氯氢硅和四氯化硅提纯工艺。

Claims (6)

1.一种三氯氢硅加压提纯方法，其特征在于其方法和技术参数如下：

(1)、将待提纯的三氯氢硅(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4)氯硅烷混合液输入提纯塔的加料口，混合液经提纯塔下流至蒸馏釜；

(2)、用热媒加热蒸馏釜至70℃～200℃，使三氯氢硅和四氯化硅的混合液体被蒸馏并产生汽化，蒸馏釜控制压力为0.15MPa～1.5MPa；

(3)、从蒸馏釜排汽管出来的汽化蒸汽通过连接管进入提纯塔中，提纯塔内的操作温度为40～150℃，来自蒸馏釜的SiHCl3、SiCl4的混合蒸汽在提纯塔的各级筛板上进行热量与成份的交换与分离，沸点低的三氯氢硅组分在汽相中富集，沸点高的四氯化硅组分在液相中富集，经过多次部分汽化或部分冷凝，最终在汽相中得到易挥发、较纯的三氯氢硅汽化组分，在提纯塔中得到沸点高的四氯化硅组分；

(4)、从提纯塔出来的三氯氢硅汽化组分通过导管进入塔顶水冷凝器，塔顶水冷凝器采用普通循环水冷却，三氯氢硅汽化组分经冷却，冷凝成液体，即沸点低的三氯氢硅液体；

(5)、从蒸馏釜的排液管排出较难挥发的四氯化硅液体。

2.根据权利要求1所述的三氯氢硅加压提纯方法，其特征在于：上述(1)中所述的热媒是蒸汽、热水或导热油。

3.根据权利要求1所述的三氯氢硅加压提纯方法，其特征在于：上述(1)中所述的待提纯的SiHCl3、SiCl4氯硅烷混合液通过提纯塔的加料口从提纯塔的第8至第35块塔板间加入。

4.根据权利要求1或2或3所述的三氯氢硅加压提纯方法，其特征在于：上述两套或两套以上的蒸馏釜、提纯塔及塔顶水冷凝器串连，形成连续加压的粗馏、精馏提纯系统。

5.一种三氯氢硅加压提纯装置，提纯塔为筛板结构，塔侧壁上开有加料口，其特征在于：由蒸馏釜、提纯塔和塔顶水冷凝器顺序串连而成，蒸馏釜的排汽管经连接管与提纯塔连通，提纯塔顶端经导管与塔顶水冷凝器连通，上述蒸馏釜和提纯塔的底部排出管与四氯化硅液体储罐连通，塔顶水冷凝器底部的排液管与三氯氢硅储罐连通。

6.根据权利要求5所述的三氯氢硅加压提纯装置，其特征在于：上述提纯塔上加料口的位置在提纯塔的第8至第35块塔板之间。