专利名称：一种气相法二氧化硅的生产方法
技术领域：
本发明涉及无机精细化工的二氧化硅相关技术领域，具体地说是一种气相法二氧化硅的生产方法。
背景技术：
气相法生产二氧化硅中的重要原料是离不开四氯化硅原料的，由于对四氯化硅原 料纯度要求比较高，一般在99. 5%以上才符合生产要求，因此生产工艺条件相当苛刻，从而 导致气相二氧化硅的成本高。为降低气相二氧化硅的生产成本，一些生产厂家则选用三氯 氢硅时副产的四氯化硅作为主要原料，由于生产三氯氢硅时副产的四氯化硅之纯度一般地 在80%以上，其中含有悬浊物和沉淀物等机械杂质，如果采用通常的精馏方法如加以进一 步提纯到99. 5%以上，会因塔内结垢及高、低沸物组分复杂而产生许多难以解决的问题。因此，能够利用生产三氯氢硅时副产的四氯化硅，则能否同时去除含有低沸物、高 沸物、机械杂质，是需要解决问题的关键所在。只有如此，才能使用生产三氯氢硅时副产的 四氯化硅做原料，生产高质量的气相二氧化硅。故如何低成本实现生产高质量的气相二氧 化硅的方法是本发明研究的方向所在。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效去除四氯化硅原料中所含杂质及低、高沸物的 气相法二氧化硅的生产方法。从根本上解决现有二氧化硅生产方法成本较高的问题，采用 本发明方法制造的二氧化硅，可用于与市售二氧化硅相同的用途，并且在保证二氧化硅高 质量的基础上，降低了生产成本。本发明的技术方案是它包括有先将生产三氯氢硅时副产的四氯化硅原料与氢 气、空气以总摩尔比为1 2. 05 7 5.1 198的投入量分别采用间接和直接两条路线 进入燃烧反应器中，间接进入是指将四氯化硅原料与部分空气先进入除杂气化器经除杂 后再进入燃烧反应器，其中空气进入量占总空气量的1/5 1/15，除杂气化器的操作温度 在45-90范围内；而氢气与剩余空气量直接进入燃烧反应器中；将四氯化硅与氢气、空气以上述的摩尔比连续地投入到燃烧反应器中进行反应， 反应温度为1000 1200°C，反应生成二氧化硅一次粒子，燃烧反应器出口温度为200 300°C、出口压力在99. 5-101千帕范围内；该反应生成物经聚集器聚集成聚集态粒子，经两 个旋风分离器的两级旋风分离、以及双级空气喷射脱酸炉E喷射脱酸，脱酸炉内的脱酸温 度为500-600°C，脱酸后到料仓，用真空压缩包装后即为成品；系统压力控制在85-101千帕 范围内，聚集器入口温度为100-300°C ；所述除杂气化器结构为包括预除渣段、气化段、高沸物分离段三个功能区段，所 述三个功能区段依次连接，所述预除渣段可由多个排渣单元串联而成且各个所述排渣单元 顶部相互连通，所述预除渣段前端的所述排渣单元顶部设置液体原料进料口，后端的所述 排渣单元顶部设置低沸物排出口，每个所述排渣单元底部的渣料出口均连接排渣器；所述气化段设置气化段物料流动腔，所述气化段物料流动腔的物料入口即为所述预除渣段物料 出口，所述气化段物料流动腔的物料出口即为所述高沸物分离段的物料入口，所述气化段 物料流动腔内设置扰流板；所述高沸物分离段包括气液分离器、与所述气液分离器底部的 高沸物出口连接的高沸物排放器，所述气液分离器顶部设置有用气相物料出口 ；所述预除 渣段、气化段、高沸物分离段三个功能区段腔体外侧分别设有加热夹套。第二级旋风分离后的空气喷射脱酸直接进入脱酸炉中或返回到第一级旋风分离 的入口。空气经空气预热器预热后进入所述燃烧反应器，预热温度为100-200°C。 所述预除渣段的所述排渣器上方设置液体原料补料口和平衡口，所述排渣器下方 设置排渣口，所述液体原料补料口、平衡口、排渣口以及所述排渣单元底部的渣料出口处分 别设置阀门。所述气化段的气化段物料流动腔底部的气化段的液体流动面上设置若干调节液 流分配的溢流堰，所述气化段的液体流动面和预除渣段的液体流动面沿液体流动方向与水 平面呈下倾角状态。所述高沸物分离段的所述高沸物排放器上方设置平衡口，所述高沸物排放器下方 设置高沸物排放口，所述平衡口、高沸物排放口以及所述气液分离器底部的高沸物出口处 分别设置阀门。所述预除渣段前端的所述液体原料进料口处设有液体喷淋分配器。所述预除渣段前端设置载气入口，所述载气入口处设有防止液体物料淋入的挡 板。所述预除渣段的所述排渣单元腔体内设置阻止渣滓返混的填料物和挡板，所述高 沸物分离段的气液分离器腔体内设置有利于气液分离的填料物。所述排渣器和所述高沸物排放器分别设置清理操作手孔。本发明的优点和积极的技术效果是本发明在其生产方法中采用了生产三氯氢硅 时的副产品四氯化硅作为原料，因而大大降低了生产高质量二氧化硅的原料成本，同时，为 了保证副产品四氯化硅的高质量，本发明采用了特别设计的除杂气化器对其预先除杂，保 证其参加反应时的纯度；另外，由于四氯化硅具有强毒性、强腐蚀性，作为三氯氢硅的副产 品大量过剩、难以处理，所以对于生产三氯氢硅这种化工产品也非常有利。故生产气相二氧 化硅时采用生产三氯氢硅时的副产品四氯化硅作为原料是一举多得的技术方案，为气相二 氧化硅和三氯氢硅两种化工产品的生产都带来了巨大的好处，其具有重大的经济和环保意 义。
图1是本发明的工艺示意简图；图2是本发明的气化器(完成图1中双点划线框内部分功能)结构示意简图。图中序号说明图1 :A汽化器、B氢氧燃烧反应器、C聚集器、D旋风分离器组、E脱酸炉、F成品料 仓、G包装机；al空气、a2原料四氯化硅、a3机械杂质、a4高沸物、a5四氯化硅蒸汽、a6低 沸物、bl氯气、b2空气、dl尾气、el空气、e2渣料、e3尾气、Π尾气、gl袋装成口 ；
图2 1预除渣段、II气化段、III高沸物分离段；1载气入口、2液体原料进料口、3预除渣段液体流动面、4填料物、5低沸物排出口、 6加热夹套、7气化段物料流动腔、8扰流板、9有用气相物料出口、10气液分离器、11高沸物 出口、12平衡口、13高沸物排放器、14高沸物排放口、15气化段物料出口(高沸物分离段的 物料入口)、16溢流堰、17气化段的液体流动面、18预除渣段物料出口(气化段物料入口)、 19挡板、20平衡口、21排渣器、22排渣口、23液体原料补料口、24排渣单元渣料出口(排渣 器入口)、25加热夹套、26排渣单元、27液体喷淋分配器、28载气入口挡板、29加热夹套。
具体实施例方式根据图1-2对本发明的技术方案作详细描述。如图1所示，本发明，进入燃烧反应器B的四氯化硅a2与氢气b 1、空气的摩尔比为 1 2. 05 7 5.1 198。四氯化硅a2与氢气bl、空气分别采用间接和直接两条路线进 入燃烧反应器B中，具体为空气分别由空气al和空气b2两条路线加入，其中由空气al线 路加入系统的空气，占总空气量的1/5 1/15。而氢气bl与剩余空气量直接进入燃烧反应 器B中。如图1所示，原料四氯化硅a2和空气al经计量后进入除杂气化器A，气化后的四 氯化硅进入1000 1200°C有氢氧焰的燃烧反应器B，进行机理示意如下的反应SiCl4+2H2+02 = Si02+4HC1四氯化硅与空气、氢气以上述间接和直接的方式喷射混合，将四氯化硅与氢气、空 气以上述的摩尔比连续地投入到燃烧反应器B中进行反应，反应生成二氧化硅一次粒子， 此粒子在聚集器C中凝聚碰撞后生成链状结构，再进一步聚集成具有网状结构的聚集态粒 子。经凝聚分离的白炭黑在双级喷射脱酸的工艺装置中可以连续的在脱酸炉E内完成脱酸 过程。该双级喷射可以通过一级喷射将分离物喷入脱酸炉E内，同时二级喷射是保证一级 喷射的进一步补充，实现循环回收，从而保证了旋风分离器D的收率达99%以上。本发明的 成品采用真空压缩包装技术，将白炭黑由成品罐进入真空包装机G中，在压缩机的出口设 有刮刀，将白炭黑成品刮下进入包装机G中，再由包装机G包出成品。其中，燃烧反应温度控制在1000 1200°C，燃烧反应器B出口温度为200 3000C、出口压力在99. 5-101千帕范围内，该反应生成物经聚集器C聚集成聚集态粒子，聚 集器C入口温度为100-300°C。再经两个旋风分离器D的两级旋风分离、以及双级空气喷射 脱酸炉E喷射脱酸，脱酸炉E内的脱酸温度为500-600°C，即550°C左右，脱酸后到料仓F，用 包装机G包装成IOkg袋装商品即为成品，系统压力控制在85-101千帕范围内。参见图2，除杂气化器A是本发明特有的气化器，广泛适用于体系中含有的低沸物 和高沸物的沸点与需要气化后利用的有用组份沸点差较大的、且含机械杂质的液体物料体 系，作为兼具除渣、提纯、气化功能的气化器使用。本发明除杂气化器A的操作温度在45-90 范围内，可在45-56°C以下分离掉原料四氯化硅中的机械杂质和低沸物，在57-90°C以上分 离掉高沸物，从而使原料四氯化硅纯度达到要求，保证生产稳定进行，保证产品纯度及应 用性能符合要求。其结构主要由预除渣段I、气化段II、高沸物分离段III三个功能区段组 成，这三个功能区段依次连接，预除渣段I、气化段II、高沸物分离段III三个功能区段腔体 外侧分别设有加热夹套25、6、29。
预除渣段I可由多个排渣单元26串联而成且各个排渣单元26顶部相互连通。各个排渣单元26相互连通部位设有预除渣段的液体流动面3。预除渣段的前、后端排渣单元 26顶部分别设置液体原料进料口 2和低沸物排出口 5，根据液体物料特性和工艺要求，可在 预除渣段前端设置载气入口 1。排渣单元的形状无特别限定，可为圆柱状或四棱柱状等，可 根据需要设定，当其腔体水平截面为圆筒状时，液体物料可采用切线方向进入。每个排渣单 元26腔体内均设置降低返混作用的、有利于渣滓沉降的填料物4和防返混伞状或脊状的挡 板19。气化段II设置气化段物料流动腔7，气化段物料流动腔的物料入口 18即为预除渣 段物料出口，气化段物料流动腔的物料出口 15即为高沸物分离段的物料入口。高沸物分离段III主要由气液分离器10、与气液分离器10底部的高沸物出口 11 连接的高沸物排放器13等组成。在高沸物分离段III，高沸物在有用组份气化之后，被积 存在气液分离器10底部和高沸物排放器13内。气液分离器10顶部设置有用气相物料出 口 9，提纯后的有用组份蒸气和载气通过此口输出。气液分离器10腔体内设置有利于气液 分离的填料物，加入填料物可以消除液体被气体夹带走的问题。高沸物排放器13上方设置 平衡口 12，高沸物排放器13下方设置高沸物排放口 14，平衡口 12、高沸物排放口 14以及气 液分离器底部的高沸物出口 11处分别设置阀门。预除渣段I的排渣器21和高沸物分离段 III的高沸物排放器13分别设置清理操作手孔。如图2所示，生产三氯氢硅时副产的四氯化硅a2液态进入本发明的除杂气化器A 的低沸物和机械杂质脱除段，空气al作为载气也加入除杂气化器Α。四氯化硅和空气可以 先预热，低沸物和机械杂质脱除段内部温度控制在56°C以下；脱除了低沸物a6和机械杂质 a3的物料进入到除杂气化器A的气化段，使四氯化硅汽化并分离掉高沸物a4 ；汽化段内部 温度控制在57°C以上。提纯后的四氯化硅a5与氢气bl、空气b2，被一同送进燃烧反应器B 中进行图1所示反应。具体除杂过程如下在预除渣段I，机械杂质和低沸物被除掉。每个排渣单元26底部的渣料出口 24均 连接排渣器21，排渣器21上方设置液体原料补料口 23和平衡口 20，排渣器21下方设置排 渣口 22。液体原料补料口 23、平衡口 20、排渣口 22以及排渣单元底部的渣料出口 24处分 别设置阀门。原料液体从液体原料进料口 2加入，液体原料进料口 2下方可设有莲蓬头式 或其它形式的液体喷淋分配器27，载气(可以是原料之一)从载气入口 1进入，载气入口 1 处也可设置窄缝式分配器或挡板28。气体和液体接触后，机械杂质继续沉降，通过排渣单元 渣料出口(排渣器入口)24进入排渣器21。排放渣料时，先关闭排渣单元渣料出口(排渣 器入口)24处阀门，开启平衡口 20处阀门，打开排渣口 22处阀门排掉渣料。渣料排净后， 关闭排渣口 22处阀门，打开液体原料补料口 23处阀门补充满排渣器21，然后关闭液体原料 补料口 23处阀门和平衡口 20处阀门，最后打开排渣单元渣料出口(排渣器入口)24处阀 门；在气化段II，有用组份被气化与高沸物实现分离。除掉机械杂质和低沸物后的物 料从气化段物料流动腔的物料入口 18进入，液体流经气化段的液体流动面17，有用组份在 物料到达气化段物料流动腔的物料出口 15之前已被气化。为获得好的气相物料混合状态 和好的液相物料在液体流动面17上的流动分布，气化段物料流动腔7内设置扰流板8，气化 段物料流动腔底部液体流动面17上设置若干调节液流分配的溢流堰16。扰流板8形状根据需要设定。预除渣段的液体流动面3和气化段的液体流动面17沿液体流动方向与水平 面呈下倾角状态，倾角范围大约在0-25°，以便于液体流动；在高沸物分离段III排放高沸物时，关闭高沸物出口 11处的阀门，打开平衡口 12 处阀门，再打开高沸物排放口 14处的阀门，可排净高沸物。然后，关闭高沸物排放口 14处 阀门，关闭平衡口 12处的阀门，最后打开高沸物出口 11处的阀门，继续积存高沸物。实施例1 按氢气四氯化硅空气=1 1.6X10-3 1.5(摩尔比)比例，将含四氯化硅 90. 5%的前述原料四氯化硅、氢气、空气三种物料以前述方式送入燃烧反应器2。经过图1 所示的工艺过程后得到产品分析(依据Q/SHG19-2008)结果为比表面积142m2/gPH 值3.8表观密度53g/l。
权利要求
1.一种气相法二氧化硅的生产方法，它包括有先将生产三氯氢硅时副产的四氯化硅 原料与氢气、空气以总摩尔比为1 2. 05 7 5.1 198的投入量分别采用间接和直接 两条路线进入燃烧反应器中，间接进入是指将四氯化硅原料与部分空气先进入除杂气化 器经除杂后再进入燃烧反应器，其中空气进入量占总空气量的1/5 1/15，除杂气化器的 操作温度在45-90范围内；而氢气与剩余空气量直接进入燃烧反应器中；将四氯化硅与氢气、空气以上述的摩尔比连续地投入到燃烧反应器中进行反应，反应 温度为1000 1200°C，反应生成二氧化硅一次粒子，燃烧反应器出口温度为200 300°C、 出口压力在99. 5-101千帕范围内；该反应生成物经聚集器聚集成聚集态粒子，经两个旋 风分离器的两级旋风分离、以及双级空气喷射脱酸炉E喷射脱酸，脱酸炉内的脱酸温度为 500-600°C，脱酸后到料仓，用真空压缩包装后即为成品；系统压力控制在85-101千帕范围 内，聚集器入口温度为100-300°C ；所述除杂气化器结构为包括预除渣段、气化段、高沸物分离段三个功能区段，所述三 个功能区段依次连接，所述预除渣段可由多个排渣单元串联而成且各个所述排渣单元顶部 相互连通，所述预除渣段前端的所述排渣单元顶部设置液体原料进料口，后端的所述排渣 单元顶部设置低沸物排出口，每个所述排渣单元底部的渣料出口均连接排渣器；所述气化 段设置气化段物料流动腔，所述气化段物料流动腔的物料入口即为所述预除渣段物料出 口，所述气化段物料流动腔的物料出口即为所述高沸物分离段的物料入口，所述气化段物 料流动腔内设置扰流板；所述高沸物分离段包括气液分离器、与所述气液分离器底部的高 沸物出口连接的高沸物排放器，所述气液分离器顶部设置有用气相物料出口 ；所述预除渣 段、气化段、高沸物分离段三个功能区段腔体外侧分别设有加热夹套。
2.根据权利要求书1所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是第二级旋风 分离后的空气喷射脱酸直接进入脱酸炉中或返回到第一级旋风分离的入口。
3.根据权利要求书1所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是空气经空气 预热器预热后进入所述燃烧反应器，预热温度为100-200°C。
4.根据权利要求书1所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是所述预除渣 段的所述排渣器上方设置液体原料补料口和平衡口，所述排渣器下方设置排渣口，所述液 体原料补料口、平衡口、排渔口以及所述排渣单元底部的渣料出口处分别设置阀门。
5.根据权利要求书1所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是所述气化段 的气化段物料流动腔底部的气化段的液体流动面上设置若干调节液流分配的溢流堰，所述 气化段的液体流动面和预除渣段的液体流动面沿液体流动方向与水平面呈下倾角状态。
6.根据权利要求书1所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是所述高沸物 分离段的所述高沸物排放器上方设置平衡口，所述高沸物排放器下方设置高沸物排放口， 所述平衡口、高沸物排放口以及所述气液分离器底部的高沸物出口处分别设置阀门。
7.根据权利要求书1或4所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是所述预 除渣段前端的所述液体原料进料口处设有液体喷淋分配器。
8.根据权利要求书1或4所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是所述预 除渣段前端设置载气入口，所述载气入口处设有防止液体物料淋入的挡板。
9.根据权利要求书1或4或6所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是所 述预除渣段的所述排渣单元腔体内设置阻止渣滓返混的填料物和挡板，所述高沸物分离段的气液分离器腔体内设置有利于气液分离的填料物。
10.根据权利要求书1或4或6或所述的一种气相法二氧化硅的生产方法，其特征是 所述排渣器和所述高沸物排放器分别设置清理操作手孔。
全文摘要
一种气相法二氧化硅的生产方法，从根本上解决现有二氧化硅生产方法成本较高的问题。它包括有将生产三氯氢硅时副产的四氯化硅原料与氢气、空气以总摩尔比为1∶2.05～7∶5.1～198的投入量分别采用间接和直接两条路线进入燃烧反应器中进行反应，生成二氧化硅一次粒子，再经聚集器聚集成聚集态粒子，经两个旋风分离器的两级旋风分离、以及双级空气喷射脱酸炉E喷射脱酸，脱酸后到料仓，利用真空压缩包装；并由除杂气化器完成四氯化硅原料的预先除杂，该除杂气化器包括预除渣段、气化段、高沸物分离段三个功能区段。本发明在保证二氧化硅高质量的基础上，降低了生产成本。
文档编号C01B33/12GK102001670SQ201010523529
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者吴子路, 徐丽, 朱恩伟, 王欣, 赵春明 申请人:沈阳化工股份有限公司