本发明涉及化工领域，具体而言，涉及一种制备四氯化硅的反应器及应用。
背景技术：
以三氯氢硅为原料的改良西门子法是目前生产多晶硅的主要方法，其主要包括三氯氢硅合成、精馏提纯、还原、尾气回收及氢化五道工序。其中，氢化的主要反应式如下：
3SiCl4+Si+2H2＝4SiHCl3
三氯氢硅合成的主要反应式如下：
Si+3HCl＝SiHCl3+H2
但由于损耗，在生产三氯氢硅的过程中需要补充一些四氯化硅，而目前的多晶硅企业自己不能生产四氯化硅或者自己生产四氯化硅成本太高，所以这部分四氯化硅基本上都需要外购，但四氯化硅属于腐蚀性物质，运输较为困难。
另外，四氯化硅也是生产含硅产品的重要原料，例如，用二氧化硅氯化得到的四氯化硅可以生产白炭黑、三氯氢硅，进而利用三氯氢硅可以生产多晶硅、硅烷等，也可以用此四氯化硅进一步精馏得到光纤级的四氯化硅。若能实现以二氧化硅为原料进行氯化反应生产四氯化硅的话，多晶硅企业就可以自己生产四氯化硅，不但能够解决四氯化硅制约产能扩大的问题，同时还可以由四氯化硅生产更多的产品，从而实现企业的产品多样化，提高企业的抗风险能力。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种制备四氯化硅的反应器及应用，以解决现有技术中四氯化硅生产工艺复杂或生产成本太高的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种制备四氯化硅的反应器。该反应器包括：反应段，原料气进口，设置在反应段的底部，用于向反应段内通入氯气、氧气；原料入口，设置在反应段的顶部，用于将原料二氧化硅、原料碳及催化剂放入反应段；以及反应后气出口，设置在反应段的顶部。
进一步地，反应段的外层设置有冷却层，冷却层上设置有导热油入口和导热油出口。
进一步地，反应后气出口与反应段之间还设置有反应气出口段，反应气出口段上设置有四氯化硅喷入口。
进一步地，反应段的底部设置有废渣排出。
根据本发明的另一个方面，提供了一种上述反应器在制备四氯化硅中的应用。该应用包括以下步骤：将原料二氧化硅、原料碳及催化剂通过原料入口放入反应器的反应段，将氯气、氧气通过原料气进口通入到反应段中，600～1500℃反应生成四氯化硅。
进一步地，原料二氧化硅中含有的二氧化硅与原料碳中含有的炭的质量比为1:1～2，原料二氧化硅中含有的二氧化硅与氯气的摩尔比为1:1～2，氯气与氧气的摩尔比为1:0～0.5。
进一步地，反应器中的压力为0～0.4MPag。
进一步地，催化剂为铜的氯化物。
进一步地，原料二氧化硅为选自由石英砂、硅藻土、稻壳灰、锆英砂组成的组中的一种或多种；原料碳为焦炭和/或木材。
进一步地，生成的四氯化硅以气态的形态排出反应器进入纯化系统进行纯化。
进一步地，反应形成的反应后气在离开反应器之前与通过四氯化硅喷入口喷入的四氯化硅换热进行初步降温。
SiO2与C直接发生反应需要较高的温度，而且反应非常慢。应用本发明的反应器，氯气通过原料气进口通入到反应段，向反应体系中加入Cl2可以显著减低反应温度，并且可以加快反应的进行速度，而且由于该反应过程是放热反应，能够显著地降低生产四氯化硅的生产成本。另外，本发明的反应体系中的碳消耗掉了反应生成的氧，能有效地加快氯化反应的速度，从而也可以降低投资。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一实施例的制备四氯化硅的装置示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种制备四氯化硅的方法。该方法包括以下步骤：将原料二氧化硅、原料碳及催化剂放入反应器，将氯气、氧气通入到反应器中，600～1500℃反应生成四氯化硅。
SiO2与C直接发生反应需要较高的温度，而且反应非常慢。应用本发明的技术方案，向反应体系中加入Cl2可以显著减低反应温度，并且可以加快反应的进行速度，而且由于该反应过程是放热反应，能够显著地降低生产四氯化硅的生产成本。
优选的，原料二氧化硅中含有的二氧化硅与原料碳中含有的炭的质量比为1:1～2，原料二氧化硅中含有的二氧化硅与氯气的摩尔比为1:1～2，氯气与氧气的摩尔比为1:0～0.5。其中，碳过量是保证产物中一氧化碳含量高，可以使反应容易发生；氯气略不足是防止反应后的气体中未反应的氯气含量高；适量加入氧气是为了在不同阶段控制反应器温度。优选的，反应器中的压力为0～0.4MPag。这是因为低压有利于反应发生，而且此反应环境时较高压力下的反应器设计制造困难。
优选的，催化剂为铜的氯化物，例如氯化亚铜。
优选的，原料二氧化硅为选自由石英砂、硅藻土、稻壳灰、锆英砂组成的组中的一种或多种；原料碳为焦炭和/或木材组成的组中的一种或多种。
优选的，生成的四氯化硅以气态的形态排出反应器进入四氯化硅冷凝分离系统进行纯化。
优选的，反应形成的反应后气在离开反应器之前与喷入的四氯化硅换热进行初步降温。
为了实现本发明，可以使用流化床作为二氧化硅的氯化反应器。优选的，根据本发明一种典型的实施方式，提供一种制备四氯化硅的反应器。如图1所示，该反应器包括反应段10，设置在反应段10底部的原料气进口11，设置在反应段10顶部的原料入口12，以及设置在反应段10顶部的反应后气出口13。应用本发明的反应器，可以先将原料二氧化硅、原料碳及催化剂通过原料入口12放入反应段10，然后将氯气、氧气通过原料气进口11通入到所述反应器中，600～1500℃反应生成四氯化硅通过反应后气出口13排出。
优选的，反应段10的外层设置有冷却层，冷却层上设置有导热油入口16和导热油出口15。之所以要设置冷却层，是由于氯化反应是强放热反应，进入反应器的低温反应物和出反应器的高温气体不足以将氯化反应产生的热量全部带出，积累的热量会使反应器温度过快升高，容易造成事故。为了安全起见及能有效地控制氯化反应的进行，需要给反应器设置冷却层，使反应器温度维持在一个合理的范围内。
优选的，反应后气出口13与反应段10之间还设置有反应气出口段，反应气出口段上设置有四氯化硅喷入口14。之所以向反应后的气体中喷入适量的液体四氯化硅，是由于反应后的高温气体是强腐蚀气体，对管道的材质及安装要求较高，难以输送，因此需要先将其降温后再输送较为有利。另外，为了防止引入新的杂质及出于简化设备的目的，在反应器出口处将氯化产品液体四氯化硅直接喷入反应后的气体中是最简单的方法。
优选的，反应段10的底部设置有废渣排出口17。
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种上述反应器在制备四氯化硅中的应用。该应用包括以下步骤：将原料二氧化硅、原料碳及催化剂通过原料入口放入反应器的反应段，将氯气、氧气通过原料气进口通入到反应段中，600～1500℃反应生成四氯化硅。
进一步地，原料二氧化硅中含有的二氧化硅与原料碳中含有的炭的质量比为1:1～2，原料二氧化硅中含有的二氧化硅与氯气的摩尔比为1:1～2，氯气与氧气的摩尔比为1:0～0.5。
进一步地，反应器中的压力为0～0.4MPag。
进一步地，催化剂为铜的氯化物。
进一步地，原料二氧化硅为选自由石英砂、硅藻土、稻壳灰、锆英砂组成的组中的一种或多种；原料碳为焦炭和/或木材。
进一步地，生成的四氯化硅以气态的形态排出反应器进入纯化系统进行纯化。
进一步地，反应形成的反应后气在离开反应器之前与通过四氯化硅喷入口喷入的四氯化硅换热进行初步降温。
下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
如图1所示，将氯气与氧气按配比混合后形成的混合物预热后经过原料气进口11通过反应器的底部进入反应器，将原料二氧化硅、原料碳和催化剂按照配比混合后形成的混合物经原料入口12从反应器的反应段上部进入反应器，原料在反应器的反应段10发生反应。
反应后气在通过反应后气出口13在离开反应器之前与通过多个四氯化硅喷入口14喷入的四氯化硅换热进行初步降温，出反应器后的气体经过除尘、热量回收、冷凝后，不凝气到尾气回收系统，凝液(主要成分是四氯化硅)送到提纯系统进行提纯，渣液到残夜回收系统。
在反应器运行时，需要使用导热油给反应段降温，其中，导热油通过导热油进口16进入反应器，然后从导热油出口15排除。废渣不定期地从塔底的废渣排出口17排出。
本实施例的具体条件如下：
⑴进料质量比：SiO2：C＝1:1.3；
⑵进料摩尔比：SiO2：Cl2：C＝1:1.6；
⑶进料摩尔比：Cl2：O2＝1:0.05；
⑷反应温度：750℃；
⑸反应压力：0.05MPag。
原料二氧化硅为石英砂，原料碳为焦炭。
实施例2
流程步骤同实施例1，本实施例的具体条件如下：
⑴进料质量比：SiO2：C＝1:1；
⑵进料摩尔比：SiO2：Cl2：C＝1:1；
⑶进料摩尔比：Cl2：O2＝1:0；
⑷反应温度：600℃；
⑸反应压力：0.4MPag。
原料二氧化硅为稻壳灰，原料碳为焦炭。
实施例3
本实施例的具体条件如下：
⑴进料质量比：SiO2：C＝1:2；
⑵进料摩尔比：SiO2：Cl2：C＝1:2；
⑶进料摩尔比：Cl2：O2＝1:0.5；
⑷反应温度：1500℃；
⑸反应压力：0MPag。
原料二氧化硅为硅藻土，原料碳为木材。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1)原料二氧化硅可以是任何含二氧化硅的石英砂、硅藻土、稻壳灰、锆英砂等，来源广，价格便宜，易运输；
2)原料碳可以是任何含碳的焦炭、木材等，来源广，价格便宜，易运输；
3)本发明制备四氯化硅的过程中存在多个放热反应，比使用工业硅氯化生产四氯化硅的成本低；
4)本发明中的反应属于快速反应，适合采用的是流化床反应器，可实现连续化生产，运行周期长；
5)本发明制备四氯化硅的装置运行压力低，安全可靠；
6)没有物料排放，氯气转化率高，物料可以回收重新利用；
7)没有三废排放，污染少。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。