一种利用氯硅烷残液制取气相氯化氢的方法与流程

本发明公开了一种利用氯硅烷残液制气相取氯化氢的方法，属于多晶硅残液处理领域。

背景技术：

硫酸是一种最活泼的二元无机强酸，高浓度的硫酸有强烈吸水性，在有机合成中可用作脱水剂。

改良西门子法是当今国内生产多晶硅主流工艺，在改良西门子法生产多晶硅过程中三氯氢硅合成、三氯氢硅的精馏提纯、三氯氢硅还原和冷（热）氢化工序都会有氯硅烷残液产生。主要成分：聚氯硅烷、SiCl₄、SiHCl₃、SiH₂Cl₂、HCl、少量的硅粉和金属氯化物。目前国内大部分多晶硅厂氯硅烷残液的处理是以残液与氮气混合后，进入吸收塔被碱液吸收，最终得到硅酸钠与氯化钠混合溶液，分离难度大、分离纯度低，产品使用范围窄，造成氯硅烷残液的资源浪费，甚至造成了对环境的氯污染。

氯化氢是现代工业生产中应用很广的一类化学品，作为溶液酸碱度的调节剂，在染料、香料、药物等领域作为原料，能进行有机合成催化剂、溶剂、腐蚀剂等作用。现代氯碱工业对氯化氢的生产大多是以副产品的身份产出的，而副产品中含杂质种类多、杂质量大，需经过大量提纯分离得到满足工业生产的氯化氢产品。

氯硅烷残液水解时参与反应的主要是SiCl₄、SiHCl₃、SiH₂Cl₂三种物质，主要生成二氧化硅、氯化氢气体、氢气三种物质。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用氯硅烷残液制取气相氯化氢的方法，在氯硅烷残液进行水解反应时，使反应处于高浓度硫酸氛围中，硫酸表现出吸水性使氯化氢气体在液体中极难溶解而挥发呈现气相，氯化氢与水解反应生成的氢气以及汽化的氯硅烷残液先后进入冷凝器、高压分离器处理后可分离获得氯化氢产品；本发明生产流程简单合理，能够解决氯硅烷残液的资源化利用问题，高效回收氯化氢；具体包括以下步骤：

（1）将硫酸溶液置于搅拌反应釜1中，然后将氯硅烷残液缓慢滴加到硫酸溶液中，不断搅拌使反应物混合均匀，其中，硫酸溶液的质量百分比浓度大于等于20%；

（2）随着氯硅烷残液的不断加入，反应釜中产生的气体（主要成分是氯化氢气体、氢气、气相氯硅烷残液）进入冷凝器6中，冷凝出的液相物质回到搅拌反应釜1中，气相物质进入高压分离器7中，对分离出的液相物质与气相物质分别进行回收，液化的氯化氢在常温常压下变成气相的氯化氢；

（3）水解反应生成的二氧化硅胶体因密度小于硫酸而上浮，通过渣浆泵2将搅拌反应釜上部的渣浆抽到压滤机3进行压滤，滤液（硫酸浓度为65%-75%）进入硫酸滤液回收槽5中工业补水调整硫酸滤液的浓度（硫酸浓度维持在20%-60%之间）后经过酸泵4后回到搅拌反应釜1中。

优选的，本发明所述冷凝器6的温度为-30~-15℃，使气相氯硅烷残液液化返回水解，氯化氢气体与氢气两种物质以气相状态进入高压分离器7，控制高压分离器7的压强为1.9~2.5Mpa之间，氯化氢气体液化和氢气分离开来，气相的氯化氢纯度高达94%-97%，回收率大于85%，能回收应用于多晶硅生产系统中以及利用在较多的氯碱合成工业中。

优选的，本发明所述搅拌反应釜1中氯硅烷残液水解温度控制在20℃-50℃之间。

优选的，本发明步骤（1）中所述硫酸溶液的质量百分比浓度为20%-60%，氯硅烷残液与硫酸溶液的进料质量比为11:50-16:5。

本发明的另一目的在于提供一种利用氯硅烷残液制取气相氯化氢的装置，包括搅拌反应釜1、渣浆泵2、压滤机3、酸泵4、硫酸滤液回收槽5、冷凝器6、高压分离器7，搅拌反应釜1的上端与氯硅烷残液储存装置连通，下端通过渣浆泵2与压滤机3连通，压滤机3与硫酸滤液回收槽5连通，硫酸滤液回收槽5的下端通过酸泵4与搅拌反应釜1连通；硫酸滤液回收槽5、搅拌反应釜1的上端均与冷凝器6连通，冷凝器6的下端与搅拌反应釜1连通，冷凝器6与高压分离器7连通。

本发明的原理：

氯硅烷残液水解时将生成氯化氢气体，本发明主要利用氯硅烷残液、浓硫酸、氯化氢气体对水分的竞争反应强弱差异而达到实验效果的，其中浓硫酸吸水、氯化氢气体溶于水都属于物理反应。

氯硅烷残液遇水将发生剧烈的化学反应，对水分的竞争力明显高于浓硫酸，使得氯硅烷残液水解反应顺利发生。

氯硅烷残液水解时生成的氯化氢气体在浓硫酸氛围中极难溶于水，对水分的竞争力小于浓硫酸，使得氯化氢以气体形式溢出。

HCl_(g) + H₂OH₃O⁺ + Cl^-

该反应式是氯化氢气体与水结合得到盐酸溶液的电离方程式，氯化氢气体溶于水时将断键形成H₃O⁺和Cl^-，由于浓硫酸溶液中H₃O⁺的含量较高会抑制氯化氢气体断键形成H₃O⁺和Cl^-。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法中的H₂SO₄不参与化学反应只体现其吸水性，因此不用补充H₂SO₄原料，有“一劳永逸”的效果。

（2）本发明所述方法产生的氯化氢以气体形式溢出纯度高达94%-97%，经过分离提纯后获得的气体回收率在85%以上，连续水解时氯化氢始终会以气体的形式溢出，能够高效收集高质量的氯化氢气体。

（3）本发明所述方法生成工艺简单易行、收集到的H₂和HCl可直接返回多晶硅生产系统，达到氯硅烷残液资源化利用与零排放的目的。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图1中： 1-搅拌反应釜；2-渣浆泵；3-压滤机；4-酸泵；5-硫酸滤液回收槽；6-冷凝器；7-高压分离器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

本发明实施例所用装置包括搅拌反应釜1、渣浆泵2、压滤机3、酸泵4、硫酸滤液回收槽5、冷凝器6、高压分离器7，搅拌反应釜1的上端与氯硅烷残液储存装置连通，下端通过渣浆泵2与压滤机3连通，压滤机3与硫酸滤液回收槽5连通，硫酸滤液回收槽5的下端通过酸泵4与搅拌反应釜1连通；硫酸滤液回收槽5、搅拌反应釜1的上端均与冷凝器6连通，冷凝器6的下端与搅拌反应釜1连通，冷凝器6与高压分离器7连通，如图1所示。

实施例处理的氯硅烷残液的主要成分质量百分比是93%的SiCl₄、4.8%的SiHCl₃、2.1%的SiH₂Cl₂、0.1%其他杂质。

实施例1

本实施例所述一种利用氯硅烷残液制取气相氯化氢的方法，具体包括以下步骤如下:利用工业浓硫酸配制20%的硫酸1000g置于搅拌反应釜1中，缓慢滴加3200g氯硅烷残液并不断搅拌，反应生成的混合气体进入冷凝器6中，调节冷凝器的温度在-15℃，冷凝液态并返回到搅拌反应釜1中继续水解，气相物质进入高压分离器7中，调节分离器的压强在2.4Mpa，利用真空耐酸瓶收集高压分离器分离出的液态物质，同时利用氢气存储器收集分离出来的氢气，收集完毕后称量耐酸瓶增重2501.3g，计算可知氯化氢回收率为86.6%，经气体纯度测定仪检测其纯度为95.4%。

通过渣浆泵2将搅拌反应釜上部的渣浆抽到压滤机3进行压滤，滤液进入硫酸滤液回收槽5中，向硫酸滤液回收槽5中补充工业水调整硫酸浓度在20%-60%之间，经过酸泵4后回到搅拌反应釜1中，进行后续的水解反应。

实施例2

本实施例所述一种利用氯硅烷残液制取气相氯化氢的方法，具体包括以下步骤如下:利用工业浓硫酸配制40%的硫酸1000g置于搅拌反应釜1中，缓慢滴加2000g氯硅烷残液并不断搅拌，反应生成的混合气体进入冷凝器6中，调节冷凝器的温度在-20℃，冷凝液态并返回到搅拌反应釜1中继续水解，气相物质进入高压分离器7中，调节分离器的压强在2.0Mpa，利用真空耐酸瓶收集高压分离器分离出的液态物质，同时利用氢气存储器收集分离出来的氢气，收集完毕后称量耐酸瓶增重1572.4g，计算可知氯化氢回收率为87.1%，经气体纯度测定仪检测其纯度为96.1%。

通过渣浆泵2将搅拌反应釜上部的渣浆抽到压滤机3进行压滤，滤液进入硫酸滤液回收槽5中，向硫酸滤液回收槽5中补充工业水调整硫酸浓度在20%-60%之间，经过酸泵4后回到搅拌反应釜1中，进行后续的水解反应。

实施例3

本实施例所述一种利用氯硅烷残液制取气相氯化氢的方法，具体包括以下步骤如下:利用工业浓硫酸配制60%的硫酸1000g置于搅拌反应釜1中，缓慢滴加880g氯硅烷残液并不断搅拌，反应生成的混合气体进入冷凝器6中，调节冷凝器的温度在-30℃，冷凝液态并返回到搅拌反应釜1中继续水解，气相物质进入高压分离器7中，调节分离器的压强在2.2Mpa，利用真空耐酸瓶收集高压分离器分离出的液态物质，同时利用氢气存储器收集分离出来的氢气，收集完毕后称量耐酸瓶增重679.2g，计算可知氯化氢回收率为85.5%，经气体纯度测定仪检测其纯度为94.3%。

通过渣浆泵2将搅拌反应釜上部的渣浆抽到压滤机3进行压滤，滤液进入硫酸滤液回收槽5中，向硫酸滤液回收槽5中补充工业水调整硫酸浓度在20%-60%之间，经过酸泵4后回到搅拌反应釜1中，进行后续的水解反应。