专利名称：一种硅烷的制备装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及硅烷的制备领域，更具体地说，涉及一种硅烷的制备装置。
背景技术：
硅烷，又名甲硅烷、四氢化硅，分子式SiH4, SiH4是强还原性物质，与氧化性物质、碱或重金属盐类溶液接触，会显示出很强的活泼性，属易燃、易爆的危险性气体。硅烷是生产单晶硅、多晶硅、非晶硅、金属硅化物、氮化硅、碳化硅、氧化硅等一系列硅化合物的基本原料，广泛应用电子及半导体工业中。现有硅烷的制备方法，通常以便宜易得的四氯化硅为原料，通过氢化、歧化、热分解、氢回收等工艺步骤，即UCC工艺制备硅烷，由于制备工艺呈闭路循环，几乎无副产物排出，因而在工业上得以大规模应用，该工艺涉及到的反应如下
so4 +II3 +Si 挪歉>saia5
2^HO j >SH 3a2 +sa 4
SiH 2σ2 —4 + SiHa 5其中，第一步反应采用金属Cu催化剂，属于高温(500-7000C )高压合成反应，能耗较高，反应的一次转化率为2(Γ25% ；。第二步、第三步为氯硅烷歧化反应，反应条件相当，可采用相同的催化剂，在较低的温度下(60-100°C)进行，转化率较低，一次转化率在8%以下。在上述工艺中，氯硅烷作为中间产品，整个工艺成闭路循环，相当于H2与SiH4的加成反应。然而，该工艺中有两个不足之处第一，步骤二、三的歧化反应的转化率低，反应物需要不断分离提纯后再反应；第二，副产物主要是SiCl4,反应结束后需要分离提纯后进一步氢化反应，如此，反应物的一次利用率低，导致了整个反应的能耗较高，而硅烷产品的成本几乎由工艺能耗决定，因此导致了硅烷产品成本的居高不下。
发明内容本实用新型旨在解决采用现有的硅烷的制备工艺以及与之相应的制备装置制备硅烷，转化效率低、成本高的技术问题。据此，本实用新型公开了一种硅烷的制备装置，包括三氯氢硅反应器、二氯氢硅反应器、硅烷反应器、硅烷收集罐； 所述三氯氢硅反应器通过管道连接硅粉和催化剂的供应口，并且通过管道连接氢气供应口、四氯化硅储存罐、以及氯化氢储存罐； 所述二氯氢硅反应器与三氯氢硅反应器通过管道连接，并且二氯氢硅反应器通过管道连接氢气供应口；[0013]所述硅烷反应器与二氯氢硅反应器通过管道连接，并且硅烷反应器通过管道连接氢气供应口；所述硅烷收集罐与硅烷反应器通过管道连接。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述三氯氢硅反应器的下端设有气液进口， 所述气液进口的外侧设有第一加热器，所述氢气供应口、四氯化硅储存罐、氯化氢储存罐通过管道连接至所述第一加热器，并且连接四氯化硅储存罐、氯化氢储存罐的管道上安装有增压泵。在本实用新型的硅烷的制备装置中，连接所述三氯氢硅反应器与所述二氯氢硅反应器的管道上依次安装有杂质分离器、第一分离塔、第二分离塔。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述三氯氢硅反应器设有反应物出口，所述杂质分离器通过管道连接所述反应物出口 ；所述杂质分离器上连接有换热器，杂质分离器的下端设有固体杂质排出口，杂质分离器的上端设有氢气出口，所述氢气出口通过管道连接至氢气供应口，杂质分离器的侧面还设有混合产物出口，所述混合产物出口通过管道连接至第一分离塔，连接混合产物出口与第一分离塔的管道上安装有第一缓存罐和进料泵。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述第一分离塔上设有四氯化硅出口和氯硅烷出口，所述氯硅烷出口位于四氯化硅出口的上方，所述四氯化硅出口通过管道连接至所述四氯化硅储存罐，所述氯硅烷出口通过管道连接至第二分离塔，氯硅烷出口与第二分离塔之间的管道上安装有第二缓存罐和进料泵。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述第二分离塔上设有三氯氢硅出口和二氯氢硅出口，所述二氯氢硅出口位于三氯氢硅出口的上方，所述三氯氢硅出口通过管道连接至所述二氯氢硅反应器，三氯氢硅出口与二氯氢硅反应器之间的管道上安装有第三缓存罐和进料泵；所述二氯氢硅出口通过管道连接至所述硅烷反应器，二氯氢硅出口与硅烷反应器之间的管道上安装有第四缓存罐和进料泵。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述二氯氢硅反应器的上端设有反应物出口，所述反应物出口连接至所述第一分离塔，所述二氯氢硅反应器的下端设有原料进口，所述原料进口的外侧设有第二加热器，所述氢气供应口、第三缓存罐通过管道连接至所述第二加热器。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述硅烷反应器的上端设有反应物出口，所述反应物出口连接至所述第二分离塔，所述硅烷反应器的下端设有原料进口，所述原料进口的外侧设有第三加热器，所述氢气供应口、第四缓存罐通过管道连接至所述第三加热器。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述硅烷的制备装置还包括第三分离塔和第四分离塔，所述第一分离塔和第二分离塔的上端均设有气液出口，所述第三分离塔设有气液入口、氯化氢出口、硅烷和氢气的出口，所述气液入口与所述第一分离塔和第二分离塔的气液出口通过管道连接，所述氯化氢出口连接至氯化氢储存罐，所述硅烷和氢气的出口与第四分离塔通过管道相连接。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述第一分离塔、第二分离塔和第三分离塔上均连接有换热器。在本实用新型的硅烷的制备装置中，所述第四分离塔设有硅烷出口以及氢气出口，所述氢气出口设于硅烷出口的上方，所述硅烷出口连接至硅烷收集罐，所述氢气出口连接至所述氢气供应口。本实用新型的硅烷的制备装置，用于实现硅烷的新的制备工艺，通过在氯硅烷歧化步骤加入H2,使氢气参与歧化反应，使得歧化步骤的主要副产物从SiCl4转变为HCl，原料的一次转化率极大提高，HCl副产物可参与第一步的SiCl4的氢化反应，提高了反应的转化率，并且，本实用新型的硅烷的制备装置的部件和管路设置合理，整个装置呈闭路循环，使得各种原料和副产物能够得到合理利用，能耗降低，硅烷的生产效率增加，成本降低。
图1为本实用新型优选实施例的硅烷的制备装置的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。本实用新型的硅烷的制备装置用于实现下述的新的硅烷的制备工艺，该制备工艺过程中在氯硅烷歧化步骤加入H2，使氢气参与歧化反应，增加了氯硅烷歧化的一次转化率; 使得歧化步骤的主要副产物从SiCl4转变为HC1，减少了 SiCl4的生成量及处理量，提高了原材料的一次利用率；并且，工艺中生成的HCl副产物可参与第一步的SiCl4的氢化反应， 提高了反应的转化率。此硅烷的制备工艺涉及的反应如下Sa4+ H2+Si+HQ->SHas(1)SHa^H3—>siH Sa3+Ha⑵ SH2a2 * H3--->SH4 + Ha(3)反应(1)的反应条件为反应温度200-600°C，反应压力为l_5Mpa，采用Cu催化剂；反应(2)、(3)的反应条件均为反应温度40-100°C，反应压力为0. 1-0. 8Mpa，采用D301 催化剂。同时，本实用新型的硅烷的制备装置提供了运用这种新的硅烷的制备工艺生产高纯硅烷的完整的工艺路线，整个工艺成闭路循环，无副产物生成。下面将详细描述本实用新型优选实施例的硅烷的制备装置，如图1所示，其主要包括三氯氢硅反应器11、二氯氢硅反应器12、硅烷反应器13、硅烷收集罐21 ；所述三氯氢硅反应器11通过管道连接硅粉和催化剂的供应口 30，并且通过管道连接第一氢气供应口 31、四氯化硅储存罐22、以及氯化氢储存罐23 ；所述二氯氢硅反应器12与三氯氢硅反应器 11通过管道连接，并且二氯氢硅反应器12通过管道连接第二氢气供应口 32 ；所述硅烷反应器13与二氯氢硅反应器12通过管道连接，并且硅烷反应器13通过管道连接第二氢气供应口 32 ；所述硅烷收集罐21与硅烷反应器13通过管道连接。具体来说，为了实现反应(1)，所述三氯氢硅反应器11上设有固体原料入口，所述固体原料入口与硅粉和催化剂的供应口 30之间连接有管道，所述管道上设有加料器61 ；三氯氢硅反应器11的下端设有气液进口，所述气液进口的外侧设有第一加热器41，所述第一氢气供应口 31、四氯化硅储存罐22、氯化氢储存罐23通过管道连接至所述第一加热器41，
6并且连接四氯化硅储存罐22、氯化氢储存罐23的管道上安装有增压泵51、52。Si粉及催化剂从硅粉和催化剂的供应口 30经加料器61加入，氢气从第一氢气供应口 31加入，四氯化硅储存罐22中存储的SiCl4,氯化氢储存罐23中存储的HC1，分别经过增压泵51、52增压后汇合高压的氢气经第一加热器41加热后进入三氯氢硅反应器11 (可为流化床反应器)，与三氯氢硅反应器11中的Si粉及催化剂反应生成SiHCl3，反应式为Sia^+ H3+a+HQ——^Sftiaj (1)通过上述的部件和管路设置，完成反应式(1)的反应，此时，除了生成所需的产物SiHCl3外，可能还含有未反应的SiCl4、H2、Si、HCl,并可能进一步反应生成其它产物如 SiH2Cl2, SiH4。因而，需要对反应后的产物进行分离、以及相应的回收和利用。在本实施例中，连接所述三氯氢硅反应器11与所述二氯氢硅反应器12的管道上依次安装有杂质分离器70、第一分离塔71、第二分离塔72。所述三氯氢硅反应器11的顶部设有反应物出口，所述杂质分离器70通过管道连接所述反应物出口 ；所述杂质分离器70上连接有第一换热器701，杂质分离器70的下端设有固体杂质排出口 33，杂质分离器70的上端设有氢气出口，所述氢气出口通过管道连接至第一氢气供应口 31，连接氢气出口和第一氢气供应口 31的管道上安装有增压风机91，杂质分离器70的侧面还设有混合产物出口，所述混合产物出口通过管道连接至第一分离塔71， 连接混合产物出口与第一分离塔71的管道上安装有第一缓存罐81和液体进料泵53。完成第一步(1)的反应后的混合气从三氯氢硅反应器11顶部的反应物出口进入管道，经杂质分离器70分离出固体杂质(例如Si)经固体杂质排出口 33排出，气态组分经第一换热器701冷凝后，氯硅烷混合物(包括SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2, SiH4)进入第一缓存罐 81，不凝的氢气经增压风机91返回第一氢气供应口 31，继续参与第一步(1)的反应。第一缓存罐81内的氯硅烷混合物经液体进料泵53泵送到第一分离塔71。在本实施例中，所述第一分离塔71上设有四氯化硅出口和氯硅烷出口，所述是四氯化硅出口设于第一分离塔71的底部，所述氯硅烷出口位于四氯化硅出口的上方，所述四氯化硅出口通过管道连接至所述四氯化硅储存罐22，所述氯硅烷出口通过管道连接至第二分离塔72，氯硅烷出口与第二分离塔72之间的管道上安装有第二缓存罐82和液体进料泵M。氯硅烷混合物经液体进料泵53泵送到第一分离塔71实现氯硅烷混合物的分离，第一分离塔71上连接有第二换热器711，其中，重组分的SiCl4进入四氯化硅储存罐22，可继续参与第一步(1) 的反应，SiHCl3、SiH2Cl2经第二换热器711进入第二缓存罐82，并经液体进料泵M泵送到第二分离塔72。而SiH4、H2、HCl经过第二换热器711后进入后续的分离塔进行处理，详见后续。在本实施例中，所述第二分离塔72上设有三氯氢硅出口和二氯氢硅出口，所述三氯氢硅出口设于第二分离塔72的底部，所述二氯氢硅出口位于三氯氢硅出口的上方，所述三氯氢硅出口通过管道连接至所述二氯氢硅反应器12，三氯氢硅出口与二氯氢硅反应器 12之间的管道上安装有第三缓存罐83和液体进料泵55 ；所述二氯氢硅出口通过管道连接至所述硅烷反应器13，二氯氢硅出口与硅烷反应器13之间的管道上安装有第四缓存罐84 和液体进料泵56。经过第一分离塔71分离后的SiHCl3、SiH2Cl2经液体进料泵M泵送到第二分离塔72中进行进一步的分离，其中，重组分的5让(13进入第三缓存罐83，用于参与步骤(2)的反应，轻组分的SiH2Cl2进入第四缓存罐84，用于参与步骤(3)的反应。[0044]关于步骤(2)的反应的部件和管路设置在本实施例中，所述二氯氢硅反应器12 的上端设有反应物出口，所述反应物出口连接至所述第一分离塔71，所述二氯氢硅反应器 12的下端设有原料进口，所述原料进口的外侧设有第二加热器42，所述第二氢气供应口 32、第三缓存罐83通过管道连接至所述第二加热器42，连接第二氢气供应口 32和第二加热器42的管道上安装有增压风机92。进入第三缓存罐83的SiHCl3经液体进料泵55增压后，汇合从第二氢气供应口 32经过增压风机92进入的氢气，经第二加热器42加热后进入二氯氢硅反应器12，反应生成SiH2Cl2,反应式为SHa3+ H3-^SH3CI3+Ha (2)通过上述部件和管路设置，完成反应式(2)的反应，此时，除了生成所需的产物 SiH2Cl2外、副产物HC1，可能还含有未反应的SiHCl3、H2,并且可能会进一步反应生成产物如SiH4。所述二氯氢硅反应器12的上端设有反应物出口，所述反应物出口连接至所述第一分离塔71，由于连接所述二氯氢硅反应器12与硅烷反应器13的管道上依次安装有第一分离塔71、第二分离塔72，通过第一分离塔71、第二分离塔72的结构和管路连接，可实现产物的分离和利用，其中，SiH4、H2、HCl进入后续的分离塔进行处理，详见后续；未反应的SiHCl3 经过第一分离塔71、第二分离塔72的分离继续进入第三缓存罐83，参与步骤(2)的反应； 产物SiH2Cl2经过第一分离塔71、第二分离塔72的分离和提纯进入第四缓存罐84，用于参与步骤(3)的反应。关于步骤(3)的反应的部件和管路设置在本实施例中，所述硅烷反应器13的上端设有反应物出口，所述反应物出口连接至所述第二分离塔72，所述硅烷反应器13的下端设有原料进口，所述原料进口的外侧设有第三加热器43，所述第二氢气供应口 32、第四缓存罐84通过管道连接至所述第三加热器43，连接第二氢气供应口 32和第三加热器43的管道上安装有增压风机93。通过第一分离塔71和第二分离塔72的分离，进入第四缓存罐 84的SiH2Cl2经液体进料泵56增压后，汇合从第二氢气供应口 32经过增压风机93进入的氢气，经第三加热器43加热后进入硅烷反应器13，反应生成最终产物SiH4,反应式为SiH 2a, + H,——>SiH 4 爷 Ha(3 )通过上述部件和管路设置，完成反应式(3)的反应，此时，除了生成所需的最终产物SiH4,以及副产物HCl外，可能还含有未反应的SiH2Cl2、H2。所述硅烷反应器13的上端设有反应物出口，所述反应物出口连接至所述第二分离塔72，通过第二分离塔72的结构和管路设置，可实现产物的分离和利用，其中，未反应的SiH2Cl2经过第二分离塔72的分离继续进入第四缓存罐84，参与步骤(3)的反应，而SiH4、H2、HCl进入后续的分离塔进行处理， 详见后续描述。在本实用新型中，所述硅烷的制备装置还包括第三分离塔73和第四分离塔74，所述第一分离塔71和第二分离塔72的上端均设有气液出口，所述第三分离塔73设有气液入口、氯化氢出口、硅烷和氢气的出口，所述氯化氢出口设于第三分离塔73的底部，硅烷和氢气的出口位于氯化氢出口的上方，所述气液入口与所述第一分离塔71和第二分离塔72的气液出口通过管道连接，所述氯化氢出口连接至氯化氢储存罐23 ；所述硅烷和氢气的出口与第四分离塔74通过管道相连接。通过上述步骤1-3的反应和反应产物分析，可以知道， 第一分离塔71、第二分离塔72还容纳有SiH4、HCl、H2，所述第一分离塔71、第二分离塔72、第三分离塔73上连接有换热器711、721、731，SiH4, HC1、H2从第一分离塔71和第二分离塔72的气液出口经过换热器711、721后进入第三分离塔73，经超低温精馏实现分离，其中， 重组分的HCl经氯化氢出口进入氯化氢储存罐23，经增压泵52回到三氯氢硅反应器11，可继续参与第一步(1)的反应；H2、SiH4W硅烷和氢气的出口进入第四分离塔74进行进一步分离。在本实施例中，所述第四分离塔74设有硅烷出口以及氢气出口，所述硅烷出口设于第四分离塔74的底部，所述氢气出口设于硅烷出口的上方，所述硅烷出口连接至硅烷收集罐21，所述氢气出口通过管道连接至所述第二氢气供应口 32，连接氢气出口和第二氢气供应口 32的管道上安装有增压风机94，H2, SiH4在第四分离塔74中实现分离，其中，H2在增压风机94的作用下经管道返回到第二氢气供应口 32，可继续参与第二、三步骤的氯硅烷歧化反应，SiH4则进入硅烷收集罐21，经硅烷收集罐21收集，得到最终所需的产物硅烷。综上所述，本实用新型的硅烷的制备装置用于实现硅烷的新的制备工艺，通过在氯硅烷歧化步骤加入H2,使氢气参与歧化反应，使得歧化步骤的主要副产物从SiCl4转变为 HCl，原料的一次转化率极大提高，HCl副产物可参与第一步的SiC14的氢化反应，提高了反应的转化率，并且，本实用新型的硅烷的制备装置的部件和管路设置合理，各反应器和分离器的设置结构合理，整个装置呈闭路循环，使得各种原料和副产物能够得到合理利用，能耗降低，硅烷的生产效率增加，成本降低。应当理解，在本文中，所述的“反应器”、“分离塔”、“增压泵” “进料泵”、“缓存罐”、 “加料器”、“加热器”、“换热器”、“增压风机”均为本领域常见的设备，其结构和作用均已为本领域技术人员所知，在此不做赘述。本领域技术人员容易知道，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种硅烷的制备装置，其特征在于，包括三氯氢硅反应器、二氯氢硅反应器、硅烷反应器、硅烷收集罐；所述三氯氢硅反应器通过管道连接硅粉和催化剂的供应口，并且通过管道连接氢气供应口、四氯化硅储存罐、以及氯化氢储存罐；所述二氯氢硅反应器与三氯氢硅反应器通过管道连接，并且二氯氢硅反应器通过管道连接氢气供应口；所述硅烷反应器与二氯氢硅反应器通过管道连接，并且硅烷反应器通过管道连接氢气供应口 ；所述硅烷收集罐与硅烷反应器通过管道连接。
2.根据权利要求1所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述三氯氢硅反应器的下端设有气液进口，所述气液进口的外侧设有第一加热器，所述氢气供应口、四氯化硅储存罐、 氯化氢储存罐通过管道连接至所述第一加热器，并且连接四氯化硅储存罐、氯化氢储存罐的管道上安装有增压泵。
3.根据权利要求1所述的硅烷的制备装置，其特征在于，连接所述三氯氢硅反应器与所述二氯氢硅反应器的管道上依次安装有杂质分离器、第一分离塔、第二分离塔。
4.根据权利要求3所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述三氯氢硅反应器设有反应物出口，所述杂质分离器通过管道连接所述反应物出口 ；所述杂质分离器上连接有换热器，杂质分离器的下端设有固体杂质排出口，杂质分离器的上端设有氢气出口，所述氢气出口通过管道连接至氢气供应口，杂质分离器的侧面还设有混合产物出口，所述混合产物出口通过管道连接至第一分离塔，连接混合产物出口与第一分离塔的管道上安装有第一缓存罐和进料泵。
5.根据权利要求3所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述第一分离塔上设有四氯化硅出口和氯硅烷出口，所述氯硅烷出口位于四氯化硅出口的上方，所述四氯化硅出口通过管道连接至所述四氯化硅储存罐，所述氯硅烷出口通过管道连接至第二分离塔，氯硅烷出口与第二分离塔之间的管道上安装有第二缓存罐和进料泵。
6.根据权利要求5所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述第二分离塔上设有三氯氢硅出口和二氯氢硅出口，所述二氯氢硅出口位于三氯氢硅出口的上方，所述三氯氢硅出口通过管道连接至所述二氯氢硅反应器，三氯氢硅出口与二氯氢硅反应器之间的管道上安装有第三缓存罐和进料泵；所述二氯氢硅出口通过管道连接至所述硅烷反应器，二氯氢硅出口与硅烷反应器之间的管道上安装有第四缓存罐和进料泵。
7.根据权利要求6所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述二氯氢硅反应器的上端设有反应物出口，所述反应物出口连接至所述第一分离塔，所述二氯氢硅反应器的下端设有原料进口，所述原料进口的外侧设有第二加热器，所述氢气供应口、第三缓存罐通过管道连接至所述第二加热器。
8.根据权利要求6所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述硅烷反应器的上端设有反应物出口，所述反应物出口连接至所述第二分离塔，所述硅烷反应器的下端设有原料进口，所述原料进口的外侧设有第三加热器，所述氢气供应口、第四缓存罐通过管道连接至所述第三加热器。
9.根据权利要求3-8任意一项所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述硅烷的制备装置还包括第三分离塔和第四分离塔，所述第一分离塔和第二分离塔的上端均设有气液出口，所述第三分离塔设有气液入口、氯化氢出口、硅烷和氢气的出口，所述气液入口与所述第一分离塔和第二分离塔的气液出口通过管道连接，所述氯化氢出口连接至氯化氢储存罐，所述硅烷和氢气的出口与第四分离塔通过管道相连接。
10.根据权利要求9所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述第一分离塔、第二分离塔和第三分离塔上均连接有换热器。
11.根据权利要求9所述的硅烷的制备装置，其特征在于，所述第四分离塔设有硅烷出口以及氢气出口，所述氢气出口设于硅烷出口的上方，所述硅烷出口连接至硅烷收集罐，所述氢气出口连接至所述氢气供应口。
专利摘要本实用新型公开了一种硅烷的制备装置，包括三氯氢硅反应器、二氯氢硅反应器、硅烷反应器、硅烷收集罐；所述三氯氢硅反应器通过管道连接硅粉和催化剂的供应口，并且通过管道连接氢气供应口、四氯化硅储存罐、以及氯化氢储存罐；所述二氯氢硅反应器与三氯氢硅反应器通过管道连接，并且二氯氢硅反应器通过管道连接氢气供应口；所述硅烷反应器与二氯氢硅反应器通过管道连接，并且硅烷反应器通过管道连接氢气供应口；所述硅烷收集罐与硅烷反应器通过管道连接。本实用新型的硅烷的制备装置提高了反应的转化率，能耗降低，硅烷的生产效率增加，成本降低。
文档编号C01B33/04GK202099066SQ20112017217
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者丁显波, 周勇, 姜占锋 申请人:比亚迪股份有限公司