一种催化反应器、系统、四氯化硅催化氢化反应的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于四氯化硅生产三氯氢硅技术领域，具体涉及一种催化反应器、系统、四 氯化硅催化氢化反应的方法。
【背景技术】
[0002] 多晶硅是太阳能光伏行业的基础材料，全球75~80 %的多晶硅采用改良西门子 法生产，该工艺在我国的大规模化应用已有近10年历史，由于核心技术仍未突破，每生 产一吨多晶娃会有16吨左右的副产四氯化娃生成。
[0003] 目前国内外处理四氯化硅（STC)的主流工艺是：热氢化工艺和冷氢化工艺，这两 种工艺都不令人满意。就热氢化工艺而言，其处理温度高，导致能耗高；加热碳电极对产品 气产生污染，转化效率一般维持在20%左右，另外，高温（1100~1200°C )加热导致电器投 入增大，从而产出单位三氯氢硅的成本较高。目前国内大多厂家选用冷氢化工艺处理四氯 化石圭，虽然该工艺处理温度低（500°C~600°C )，能有效抑制副反应（TCS+HC1 - STC+H2)发 生，但操作压力（15atm.~30atm.)很高，导致运行系统投资增加。
[0004] 在冷氢化工艺中，引入工业级纯度的催化剂和冶金级硅粉会导致生成的产品气的 纯度大大降低，导致原料气纯化系统的投资费用增大。另外，冷氢化工艺中引入的催化剂氯 化亚铜以气态吸附在冷氢化反应器中的硅颗粒表面，当硅颗粒表面吸附的氯化亚铜分子达 到一定分压后，再经过还原和复杂的相形成过程，在硅颗粒表面产生硅化铜（Cu xSiy)颗粒 从而形成负载型催化剂，由于这种硅化铜颗粒的粘性极高，很容易引起负载催化剂中的硅 颗粒之间结块，导致负载型催化剂的催化效率降低。
[0005] 如图1所示，目前冷氢化工艺中，催化反应器1中的反应是按照下述方式进行：原 料气充分混合均匀后，由催化反应器1的原料气入口 8以轴向方式经过催化反应器1内的 催化剂床层，原料气发生化学反应后生成产品气，产品气流向催化反应器1的产品气出口 9。当催化剂用量较大时，这种催化反应器1存在催化剂承受率不均匀，利用率不高，最上层 催化剂易结焦失活等缺点；如果通过增加催化反应器1的内径来增大催化剂与反应物的接 触面积，又存在催化剂受热不均匀，反应热难以导出，反应温度难以控制等问题。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种催化反 应器、系统、四氯化硅催化氢化反应的方法，使用本发明中的催化反应器时，原料气以沿着 催化剂装载通道径向的方式通过，并充分与催化剂接触生成产品气。当催化剂用量较大时， 其内的催化剂承受率均匀、利用率高，且催化剂不易结焦失活，寿命大大延长。
[0007] 解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种催化反应器，包括原料气入口 和产品气出口，还包括片材，这些片材之间限定出依次相邻的气体通道一、催化剂装载通 道、气体通道二，所述气体通道一与所述催化剂装载通道之间的片材上设置有至少一个第 一通气孔，所述催化剂装载通道与所述气体通道二之间的片材上设置有至少一个第二通气 孔，
[0008] 原料气使用所述气体通道一或所述气体通道二进行所述原料气分布，然后，所述 原料气再以径向的方式通过装载有催化剂的所述催化剂装载通道后成为产品气，再进入另 外一个气体通道，排出催化反应器。
[0009] 优选的是，所述气体通道一或气体通道二内设置有气体分布板，该气体分布板用 于分布原料气或产品气。
[0010] 优选的是，所述气体通道一、所述催化剂装载通道、所述气体通道二在所述催化反 应器内由外到内依次设置，所述片材限制出的所述气体通道一的外围为所述催化反应器的 外壁。
[0011] 优选的是，所述原料气入口设置在所述气体通道一的外围上，所述产品气出口设 置在所述气体通道二的两端或一端，
[0012] 原料气由所述原料气入口进入所述气体通道一，经过所述第一通气孔以径向的方 式进入装载有催化剂的所述催化剂装载通道，经过所述第二通气孔进入所述气体通道二得 到产品气，该产品气由所述产品气出口排出所述催化反应器。
[0013] 优选的是，所述原料气入口设置于所述气体通道一的外围的高度的中部，所述第 一通气孔至少两个，所述第一通气孔沿着所述气体通道一与所述催化剂装载通道之间的片 材上的高度方向上分布，离所述原料气入口由近及远的所述第一通气孔的开孔面积由小到 大变化。
[0014] 优选的是，所述原料气入口设置在所述气体通道二的两端或一端，所述产品气出 口设置在所述气体通道一的两端或一端或外围上，
[0015] 原料气由所述原料气入口进入所述气体通道二，经过所述第二通气孔以径向的方 式进入装载有催化剂的所述催化剂装载通道，经过所述第一通气孔进入所述气体通道一得 到产品气，该产品气由所述产品气出口排出所述催化反应器。
[0016] 优选的是，所述第二通气孔至少两个，所述第二通气孔沿着所述气体通道二与所 述催化剂装载通道之间的片材上的高度方向上分布，离所述原料气入口由近及远的所述第 二通气孔的开孔面积由小到大变化。
[0017] 优选的是，所述气体通道二为圆桶形通道。
[0018] 优选的是，所述催化剂装载通道内设置有热电偶。
[0019] 优选的是，所述第一通气孔与所述第二通气孔在限制所述催化剂装载通道的片材 上对称设置。
[0020] 本发明还提供一种催化氢化反应系统，包括上述的催化反应器、换热器、原料气供 给器、产品收集器，所述催化反应器与所述换热器连接，所述换热器与所述原料气供给器连 接，所述产品收集器与所述换热器连接，
[0021] 所述催化反应器内流出的产品气与所述原料气供给器供给的原料气在所述换热 器内换热，经过换热后的原料气流入所述催化反应器，经过换热后的产品气流入所述产品 收集器内。
[0022] 优选的是，在所述催化反应器和所述换热器之间还设置有辅助加热器，所述辅助 加热器的两端分别与所述换热器和所述催化反应器连接，所述辅助加热器用于对从所述换 热器流出的原料气进行加热，经过所述辅助加热器加热后的原料气再流入所述催化反应器 内。
[0023] 本发明还提供一种四氯化硅催化氢化反应的方法，将原料气四氯化硅和氢气通过 上述的催化反应器进行催化氢化反应得到三氯氢硅，所述催化反应器内的催化剂装载通道 内装载有四氯化硅催化氢化反应的催化剂。
[0024] 优选的是，所述催化剂为铜硅合金。
[0025] 优选的是，所述铜娃合金中包括：22~25wt%的铜，73~76wt%的石圭。
[0026] 优选的是，所述催化剂的粒径为1~5mm。
[0027] 优选的是，所述氢气与所述四氯化硅的摩尔比为（1.5:1)~（6:1)。
[0028] 优选的是，所述原料气四氯化硅和氢气的混合气体在所述催化反应器内的流速为 0. 05 ~0. 5m/s。
[0029] 优选的是，所述催化反应器内的温度为300~550°C，所述催化反应器内的压强为 0. 4~0. 6Mpa，所述催化氢化反应时所述原料气四氯化硅和氢气的混合气体在所述催化剂 装载通道内的催化剂上的滞留时间为1~10秒。
[0030] 当使用本发明中的催化反应器进行催化反应时，原料气以沿着催化剂装载通道径 向的方式通过催化剂装载通道，并充分的与催化剂装载通道内的催化剂接触生成产品气。 当催化剂装载通道内的催化剂用量较大时，其内的催化剂承受率均匀、利用率高，且催化剂 不易结焦失活，催化剂的寿命大大延长。
[0031] 本发明中的催化反应器可替代现行的高压原位催化冷氢化反应器，有益效果：一、 通过本催化反应器的原料气和产品气品质一致；二、由于产生的产品气和原料气品质一致， 从而大大降低四氯化硅催化氢化尾气的后处理投资；三、该催化反应器采用低温（低于 550°C )低压（低于0. 6MPa)下，四氯化硅和氢气的混合气在催化剂表面发生气固相催化反 应，消除现行高压冷氢化工艺带来的安全隐患；四、市场推广空间巨大。
【附图说明】
[0032] 图1是现有技术中的催化反应器的正视图；
[0033] 图2是本发明实施例2中的催化反应器的正视图；
[0034] 图3是本发明实施例2中的催化反应器的俯视图；
[0035] 图4是本发明实施例3中的催化反应器的正视图
[0036] 图5是本发明实施例4中的催化氢化反应系统的结构示意图；
[0037] 图6是STC催化氢化转化率与温度的关系图；
[0038] 图7是STC催化氢化进程与反应物流的滞留时间关系。
[0039] 图中：1_催化反应器；2-气体通道一；3-催化剂装载通道；4-气体通道二；5-第 一通气孔；6-第二通气孔；7-气体通道一的外围；8-原料气入口；9-产品气出口； 10-热电 偶；11-催化剂；12-密封盖；13-片材；14-催化剂装填口； 15-换热器；16-原料气供给器； 17-产品收集器；18-氢气储罐；19-四氯化硅储罐；20-辅助加热器；21-加热控制单元； 22-气体分布板。
【具体实施方式】
[0040] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方 式对本发明作进一步详细描述。
[0041] 实施例1
[0042] 如图2和图4所示，本实施例提供一种催化反应器1，包括原料气入口 8和产品气 出口 9,该催化反应器1还包括片材13,这些片材13之间限定出依次相邻的气体通道一 2、 催化剂装载通道3、气体通道二4,所述气体通道一 2与所述催化剂装载通道3之间的片材 13上设置有至少一个第一