专利名称：一种利用循环热对三氯氢硅进行精馏提纯的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种三氯氢硅精馏提纯的方法，特别涉及一种利用循环热对三 氯氢硅进行精馏提纯的方法。
背景技术：
目前，三氯氢硅生产(包括四氯化硅氢化生产三氯氢硅)化学反应如下 Si+3HC1 = SiHC13+H2 ； Si+4HC1 = SiC14+2H2 ；氢化 3SiC14+2H2+Si = 4SiC13。主要
装置合成炉，其冷却装置为内外套管结构。一种冷却方法是热水从套管中的内管进到 管的底部(套管外部为反应放热区)，在底部汽化带走热量，从内管外管之间的间隙排 出；另一种冷却方式为低温导热油从内管进入底部受热，高温油从内外管间隙排出、 冷却、循环，壳体外部也导热冷却。这两种方法及装置，由于都是通过内管直接传热， 存在共同的缺点1.由于磨损、腐蚀及反应产生氢气而造成的氢脆，冲击管子，很容易 损坏内管；管子一旦损坏，使得水(或导热油)进入物料系统，水与SiHC13、SiCM剧 烈反应，造成后工序设备的堵塞、损坏，甚至发生爆炸，导热油进入物料，很难清理分 离。2.由于此种设计的局限性，造成冷却管的排布不均，进水(或油)的量不均，在反应 区造成温度偏差大，反应不理想。且热量转移后未加以利用，不符合工程学上节能减排 的设计理念，因此，提供一种能够将三氯氢硅合成体系中产生的热量循环利用的方法， 具有重大意义。中国申请200710018582.6，CN101125654A公开了一种用于三氯氢硅生产的大 型流化床反应器，包括下部的反应段和上部的扩大段；反应段的下部设有硅粉进料口； 反应器下部有检修封头；检修封头上设有氯化氢进气口和排渣口；扩大段上有合成气出 口；检修封头与反应段之间设有氯化氢气体分布器；反应段和扩大段内设有导热油指形 管，该导热油指形管从扩大段一直延伸到反应段底部；扩大段的顶部设置有指形管检修 法兰，法兰上有指形管导热油入口，扩大段上设有指形管导热油出口；反应段的外部设 有反应器半管夹套，反应器半管夹套的两端有盘管导热油进口和盘管导热油出口。在升 温阶段采用导热油加热、在反应过程采用导热油将反应热的移出。反应器内的温度通过 温度调节进入导热油指型管和反应器半管夹套的低温油量来控制其恒定。该装置虽能够 较好的控制反应器中反应温度，但从反应器移出的热量未加以利用，浪费了能耗，加重 了生产成本。有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明涉及的是一种利用循环热对三氯氢硅进行精馏提纯的方法，为实现发明 目的，本发明采用如下技术方案一种利用循环热对三氯氢硅进行精馏提纯的方法，在三氯氢硅合成炉、精馏 塔、氯化氢合成炉之间设置循环的液流通道，所述的液流通道包括依次连接的冷流槽、三氯氢硅合成炉夹套、氯化氢合成炉夹套、热流槽、精馏塔上的夹套，其中三氯氢硅合 成炉夹套与氯化氢合成炉夹套并联在冷流槽与热流槽之间，通过控制系统的控制，利用 液流通道中的传热介质将氯化氢合成炉及三氯氢硅合成炉中的热量移用于精馏塔中三氯 氢硅的精馏提纯，实现系统热量的循环利用。所述的热流槽上部还设有溢流管道，所述的溢流管道连接一气液热交换器， 所述的气液热交换器将溢流管道中传热介质的热量用于氮气的预热，氮气通过所述的 气_液热交换器预热后进入氮气加热装置。所述的热流槽上设有温度传感器及补液管道，当温度传感器检测到热流槽内液 温高于80-85°C时，系统控制补液管道向热流槽内补加冷传热介质调节液温，使其能够以 预设温度80-85°C用于精馏塔塔釜的精馏，当液位达到最高值，传热介质从溢流管道排出。所述的三氯氢硅合成炉及氯化氢合成炉上设有温度传感器，冷流槽上设有调节 阀，系统通过控制冷流槽上调节阀的开度，控制循环液流量，实现对三氯氢硅合成炉及 氯化氢合成炉内温度的准确控制。从气液热交换器中排出的传热介质进入与补液管道相连的储液装置用于调节热 流槽内的液温。所述的气-液热交换器为螺旋盘管热交换器、螺旋盘管板热交换器或内展翅片 换热器。所述的氮气加热装置为氮气电加热器，经预热后的氮气进入氮气电加热器后加 热至140-160°c用于干燥硅粉。所述的传热介质为水或油。所述的热流槽分为两室，其中室1的进水口连接氯化氢合成炉夹套，出水口通 过溢流管道与气液热交换器连接；室2的进水口连接三氯氢硅合成炉夹套，出水口连接 精馏塔夹套，此外储液装置通过补液管道与室2连接。所述的室1与室2的体积比为1 2-2 1，优选2 3-4 3，更优选5 7。所述的控制系统为DCS控制系统。下面结合附图1对本发明的方法进行详细介绍。在三氯氢硅合成炉中，控制温度为330-350°C，硅粉和氯化氢发生反应，生产 三氯氢硅和四氯化硅。温度过高或过低对反应都是不利的；温度过高，副产物四氯化硅 多；温度过低容易停炉。因此，控制三氯氢硅合成炉的温度对整个合成工艺具有重大影 响。此外，氯化氢的合成温度高达500°C，为了维持氯化氢合成炉恒定的反应温度，同样 需要及时将氯化氢合成炉中的热量转移。而三氯氢硅的提纯过程中需要对精馏塔进行加 热处理，因此，发明人对整体工艺设备进行了改进，将三氯氢硅合成炉及氯化氢合成炉 产生的热量转移至精馏塔，利用循环热对三氯氢硅进行精馏提纯。本发明采用水或油为传热介质，在三氯氢硅合成炉、氯化氢合成炉、精馏塔上 设置夹套，反应开始后，通过三氯氢硅合成炉、氯化氢合成炉夹套中的传热介质转移反 应热，用于三氯氢硅的精馏。具体措施为(参见附图1，其中箭头方向为传热介质在液流 通道中的流动方向)在三氯氢硅合成炉、精馏塔、氯化氢合成炉之间设置循环的液流 通道，所述的液流通道包括依次连接的冷流槽、三氯氢硅合成炉上的夹套、氯化氢合成炉上的夹套、热流槽、精馏塔上的夹套，其中三氯氢硅合成炉上的夹套与氯化氢合成炉 上的夹套并联在冷流槽与热流槽之间，通过控制系统的控制，利用液流通道中的传热介 质将氯化氢合成炉及三氯氢硅合成炉中的热量用于精馏塔，实现系统热量的循环利用。 三氯氢硅合成炉及氯化氢合成炉上均设有温度传感器，系统根据合成炉内的温度控制冷 流槽上调节阀的开度，分别控制通向三氯氢硅合成炉与氯化氢合成炉的循环液流量，冷 流槽排出的传热介质一部分进入三氯氢硅合成炉的夹套将三氯氢硅合成炉中的热量带 走，流向热流槽；另一部分进入氯化氢合成炉的夹套，吸收热量后，同样流向热流槽。 热流槽中设有温度传感器、补液管道和溢流管道，当温度传感器检测到热流槽内传热介 质温度高于80_85°C时，系统控制补液管道向热流槽内补加冷传热介质调节温度，使液流 能够以恒定的温度80_85°C用于精馏塔塔釜的精馏，本发明设定热流槽中传热介质的温度 为80-85°C。由于三氯氢硅合成炉和氯化氢合成炉夹套流出的液温高，因此，流入热流槽 时必须通过补流通道补加冷传热介质将温度调低至80-85°C。当液位达到最高值，传热 介质从溢流管道排出。同时在冷流槽上设有调节阀，系统通过控制冷流槽上调节阀的开 度，控制循环液流量，实现对三氯氢硅合成炉内温度的控制，将温度稳定在330-350°C。 本发明的控制系统为DCS控制系统。采用上述技术方案，可以实现系统热能的利用率达 75-80%。为了进一步完善三氯氢硅合成工艺中的热量循环，本发明还可以溢流管道中排 出的热流用于氮气的预热(参见附图2)。同时将热量移出后的传热介质再次用于热量回 收系统，具体技术方案如下在三氯氢硅合成炉及氯化氢合成炉上均设置温度传感器，控制系统根据合成炉 内的温度控制冷流槽上调节阀的开度，分别控制通向三氯氢硅合成炉与氯化氢合成炉的 循环流量，从冷流槽排出的传热介质一部分进入三氯氢硅合成炉的夹套将三氯氢硅合成 炉中的热量带走，流向热流槽；另一部分进入氯化氢合成炉的夹套，吸收热量后，同样 流向热流槽，热流槽上的温度传感器对槽内的液温进行检测，当温度高于预设范围，系 统打开补液管道向热流槽加注冷传热介质调节温度至预设值，本发明设定热流槽内液温 为80-85°C，从热流槽流出的传热介质进入各级精馏塔塔釜以夹套加热的方式维持精馏塔 塔釜温度的稳定，控制精馏过程，热量移出后从各级精馏塔塔釜流出的传热介质又循环 进入三氯氢硅合成炉和氯化氢合成炉的夹套。当热流槽的液位达最高值，传热介质从溢 流管道排出。溢流管道与一气液热交换器相连，该气液热交换器将溢流管道中传热介质 的热量用于氮气的预热，氮气通过所述的气-液热交换器预热后进入氮气加热装置。此 外，从气_液交换器排出的传热介质可选择排至与补液管道相连的储液装置用于调节热 流槽内的液温(见附图2)。本发明中气液交换器可以为现有技术中能实现气液交换的任何一种热交换器， 优选热交换效率高的螺旋盘管热交换器、螺旋盘管板热交换器或内展翅片换热器，当气 液热交换器为螺旋盘管逆向热交换器或螺旋盘管板热交换器时，气体出口、液体入口分 别设置在气体通道、液体通道的螺旋起始段，而气体入口、液体出口则分别设置在气体 通道、液体通道的螺旋尾段。工作时，气体、液体沿螺旋方向逆向流动。从而实现热量 重复利用的最大化。温度较高的传热介质从盘管螺旋尾端流入热交换器并从螺旋起始段 的出口排出，氮气从螺旋起始段进入后经盘管尾段的排气口排出。在热交换器中氮气与热水进行充分的热交换，完成氮气的预热。此外，本发明的气液热交换器还可以为申请 号200620034613.8所公开的任一种螺旋板式气液热交换器或申请号01109321.8公开的任 一种气液热交换器等，使用其他的气液交换器时，只需让氮气与传热介质能够充分进行 热交换即可。不同的气液交换器传热效果有差异，因此，对本发明系统热能的利用率也 有一定的影响，本领域技术人员可选择传热效果好的热交换器来实现本发明并获得热量 的高利用率。从气液热交换器排除的氮气进入氮气加热装置，所述的氮气加热装置也可采用 现有技术中任何一种能将氮气加热到140-160°C的加热设备。本发明优选氮气电加热器， 经预热后的氮气进入氮气电加热器后加热到140-160°C，再利用高温氮气干燥三氯氢硅合 成中的原料硅，由此实现三氯氢硅合成及提纯系统中热量无排放式的循环利用。采用上 述技术方案，采用水作为传热介质时，可以实现系统热能的利用率达80-90%，溢流水量 减少70-85%，节约用水量达80-85%。采用油作为冷却媒介时，系统热能的利用率达 85-95%。作为本发明的另一种优选方案，如图3所示，还可以将热流槽分为两室，其中 室1的进水口连接氯化氢合成炉夹套，出水口通过溢流管道与气液热交换器连接；室2的 进水口连接三氯氢硅合成炉夹套，出水口连接精馏塔夹套，此外储液装置通过补液管道 与室2连接。由于氯化氢合成炉夹套移出的热量高，为了充分利用热能资源，将从氯化 氢合成炉夹套流出的传热介质直接进入气液热交换器用于氮气的预热，从而避免了其先 经补液管道中冷介质的降温过程，使热量最大程度移用于氮气的预热，提高热量的利用 率。对氮气进行预热后的传热介质又可经过补液管道进入室2完成对室2中液温的调节。 本发明通过对热流槽的改进，系统热能的利用率能进一步提高4-8%。此外发明人对室 1与室2的体积比也做了大量的实验，本领域人员知道，室1与室2的体积比直接影响到 热能的利用，比值过大或过小都导致精馏塔或合成炉的温度得不到精确控制，虽然也能 实现热量的回收，但无法实现系统温度的自动化控制。因此，发明人最终确定当室1与 室2的体积比为1 2-2 1时，热能的利用率能进一步提高4-8%，进一步节约用水量 5-8%,优选2 3-4 3，更优选5 7，当体积比为5 7时，热能的利用率及节约用 水量能达到最大化。采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果1、采用DCS控制系统对系统内的温度进行全自动化控制，保证了温度的稳定及 生产的连续性。2、充分利用了三氯氢硅合成炉及氯化氢合成炉产生的热量，实现热量的循环利 用，减少了能耗，节约了生产成本，实现了热量高达80-95%的利用率。3、本发明结构简单，经济效益明显，有利于推广应用。
图1本发明的工艺流程2本发明的工艺流程3本发明的工艺流程图
具体实施例方式实施例1如图1所示，本发明在三氯氢硅合成炉、精馏塔、氯化氢合成炉之间设置循环 的液流通道，该液流通道包括依次连接的冷流槽、三氯氢硅合成炉上的夹套、氯化氢合 成炉上的夹套、热流槽、精馏塔上的夹套，其中三氯氢硅合成炉上的夹套与氯化氢合成 炉上的夹套并联在冷流槽与热流槽之间，通过DCS控制系统的控制，利用液流通道中的 水将氯化氢合成炉及三氯氢硅合成炉中的热量用于精馏塔，实现系统热量的循环利用。本发明采用如下技术方案实现热量的循环利用在三氯氢硅合成炉及氯化氢合 成炉上设置温度传感器，系统根据各合成炉内的温度控制冷流槽上调节阀的开度，分别 控制通向三氯氢硅合成炉与氯化氢合成炉的循环水流量，冷流槽排出的水一部分进入三 氯氢硅合成炉的夹套将三氯氢硅合成炉中的热量带走，流向热流槽；另一部分进入氯化 氢合成炉的夹套，吸收热量后，同样流向热流槽。热流槽中设有温度传感器、补液管道 和溢流管道，当温度传感器检测到热流槽内水温高于80-85°C时，系统控制补液管道向热 流槽内补加冷水调节温度，使水流能够以恒定的温度80-85°C用于精馏塔塔釜的精馏。 补流通道可向热流槽补加冷水使热流槽内水温保持在80-85°C。当水位达到最高值，水 从溢流管道排出。同时在冷流槽上设有调节阀，系统通过控制冷流槽上调节阀的开度， 控制循环水流量，实现对三氯氢硅合成炉内温度的准确控制，将合成炉内温度稳定在 330-350°C。采用上述技术方案，可以实现系统热能的利用率达75-80%。实施例2与实施例1相比，区别点在于溢流管道与一气液热交换器相连，该气液热交 换器将溢流管道中水的热量用于氮气的预热，氮气通过所述的气液热交换器预热后进入 氮气加热装置。该气液热交换器为螺旋盘管板式热交换器。气液热交换后的水从螺旋盘 管板式热交换器排出。采用该方法，可以实现系统热量的利用率达80-85%，节约用水量 达 70-75%。实施例3与实施例2相比，区别点仅在于气液热交换后的水排至与补液管道相连的储 液装置用于调节热流槽内的液温。(见图2)采用该方法，可以实现系统热量的利用率达 80-90%,溢流水量减少70-85%，节约用水量达80-85%。实施例4与实施例1相比，区别点仅在于传热介质为油，系统热量的利用率达 75-85%。实施例5与实施例3相比，区别点仅在于传热介质为油，系统热量的利用率达 85-95%。实施例6与实施例2相比，区别点仅在于气液热交换器为申请号200620034613.8所公 开的螺旋板式气液热交换器，系统热量的利用率达85-90%。实施例6与实施例5相比，区别点仅在于气液热交换器为申请号01109321.8公开的气液热交换器，系统热量的利用率达90-95%。实施例7与实施例6相比，区别点仅在于气液热交换器为内展翅片换热器。实施例8如图3所示，与实施例1相比，区别点仅在于热水槽分为两室，室1与室2的 体积比为1 2-2 1时，热能的利用率能进一步提高4-8%，进一步节约用水量5-8%， 优选2 3-4 3，更优选5 7，当体积比为5 7时，热能的利用率及节约用水量能 达到最大化。实施例8如图3所示，与实施例3、4相比， 2的体积比分别为为1 2、2 3。实施例9如图3所示，与实施例5、6相比， 2的体积比为4 3、2 1。实施例10如图3所示，与实施例6相比，区别点仅在于热水槽分为两室，室1与室2的 体积比为5 7。上述实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范 围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技 术方案作出的各种变化、组合和改进，均属于本发明的保护范围。
区别点仅在于热水槽分为两室，室1与室 区别点仅在于热水槽分为两室，室1与室
权利要求
1.一种利用循环热对三氯氢硅进行精馏提纯的方法，其特征在于在三氯氢硅合成 炉、精馏塔、氯化氢合成炉之间设置循环的液流通道，所述的液流通道包括依次连接的 冷流槽、三氯氢硅合成炉夹套、氯化氢合成炉夹套、热流槽、精馏塔上的夹套，其中三 氯氢硅合成炉夹套与氯化氢合成炉夹套并联在冷流槽与热流槽之间，通过控制系统的控 制，利用液流通道中的传热介质将氯化氢合成炉及三氯氢硅合成炉中的热量移用于精馏 塔中三氯氢硅的精馏提纯，实现系统热量的循环利用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的热流槽上部还设有溢流管道， 所述的溢流管道连接一气液热交换器，所述的气液热交换器将溢流管道中传热介质的热 量用于氮气的预热，氮气通过所述的气液热交换器预热后进入氮气加热装置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的热流槽上设有温度传感器及 补液管道，当温度传感器检测到热流槽内液温超过80-85°C时，系统控制补液管道向热流 槽内补加冷传热介质调节液温，使其能够以80-85°C的预设温度用于精馏塔塔釜的精馏， 当液位达到最高值，传热介质从溢流管道排出。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的三氯氢硅合成炉及氯化氢合成 炉上设有温度传感器，冷流槽上设有调节阀，系统通过控制冷流槽上调节阀的开度，控 制循环液流量，实现对三氯氢硅合成炉及氯化氢合成炉内温度的准确控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于从气液热交换器中排出的传热介质进 入与补液管道相连的储液装置用于调节热流槽内的液温。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的气液热交换器为螺旋盘管热交 换器、螺旋盘管板热交换器或内展翅片换热器。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的氮气加热装置为氮气电加热 器，经预热后的氮气进入氮气电加热器后加热至140-160°C用于干燥硅粉，优选150°C。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于所述的传热介质为水或油。
9.根据权利要求1-7所述的方法，其特征在于所述的热流槽分为两室，其中室1的 进水口连接氯化氢合成炉夹套，出水口通过溢流管道与气液热交换器连接；室2的进水 口连接三氯氢硅合成炉夹套，出水口连接精馏塔夹套，此外储液装置通过补液管道与室2 连接。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述的室1与室2的体积比为 1:2-2: 1，优选 2 3-4 3，更优选 5 7。
全文摘要
本发明涉及的是一种利用循环热对三氯氢硅进行精馏提纯的方法，在三氯氢硅合成炉、精馏塔、氯化氢合成炉之间设置循环的液流通道，所述的液流通道包括依次连接的冷流槽、三氯氢硅合成炉夹套、氯化氢合成炉夹套、热流槽、精馏塔上的夹套，其中三氯氢硅合成炉夹套与氯化氢合成炉夹套并联在冷流槽与热流槽之间，通过控制系统的控制，利用液流通道中的传热介质将氯化氢合成炉及三氯氢硅合成炉中的热量移用于精馏塔中三氯氢硅的精馏提纯，实现系统热量的循环利用。此外，本发明还可以将热流槽中流出的热传热介质用于氮气的预热，实现了热量的循环利用，节约了生产成本。
文档编号C01B33/107GK102009979SQ20101060192
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者李明生, 邱顺恩, 郎丰平, 黄小明, 黄少辉 申请人:江西嘉柏新材料有限公司