本发明属于精细化工技术领域，具体提供了一种间歇式光照氯化生产光纤级四氯化硅的装置及方法。
背景技术：
光纤光缆技术是一项不断发展的技术，其应用领域在不断扩展，自上世纪70年代生产出第一根具有实用价值的光纤以来，光纤光缆技术一直在不断发展进步，光纤光缆产品的种类在不断改进，成本在不断降低，性能指标在不断提高，并已基本形成三大关键技术，即光纤预制棒技术、光纤拉丝工艺及技术和光缆制造技术；其中，光纤预制棒、光纤、光缆的利润比为7∶2∶1。根据“十五”期间数据，光纤需求量为1800万芯公里时，对应的四氯化硅需求量为3960吨，2015年光纤的产量为34947.20万芯公里，对四氯化硅需求量为76883.84吨。至2020年，预计我国光纤产量将达到70291.30（万芯千米），届时对四氯化硅的需求量将达到154640.86吨中国光棒的产能释放在不断增长。
2015年我国的多晶硅产业副产四氯化硅的生产量达到169万吨左右。目前国内的光纤用高纯四氯化硅产能为7.9万吨，随着光纤通信网络的快速发展，全球对光纤级四氯化硅的需求量猛增。光纤通信具有通信容量大、保密性强、中继距离长、抗干扰性能好等特点。高纯度四氯化硅是光纤生产的主要原料，在国内外的市场需求量都十分巨大。
光纤级四氯化硅的产品质量主要体现在金属杂质和有机杂质两个方面。对于金属杂质，通过精馏提纯基本都能够满足光纤级四氯化硅的质量标准；对于有机杂质，精馏能够有效的去除部分的有机杂质，还有一部分有机杂质容易和四氯化硅形成共沸，单纯的通过精馏很难去除。
对于这些难去除的有机杂质，国际上基本都是采用紫外光照氯化的工艺进行去除。国内也有很多研究院校和企业进行了大量的研究，也取得了一定的成果。光化反应为自由基反应，其反应历程可分为链引发、链增长和链终止3个阶段；光化反应过程中，首先是氯气分子在光照后离解为氯自由基，某些杂质（SiCl3H、Si(CH3)Cl3等）与氯自由基发生反应转化为SiCl4。而光照氯化紫外灯的选型及紫外灯套管材质的选择都可能对光照效率产生影响。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种间歇式光照氯化生产光纤级四氯化硅的装置及方法，采用该装置及方法得到的四氯化硅产品达到光纤用的标准。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种光纤级四氯化硅的生产方法，包括以下步骤：
1）以多晶硅副产的四氯化硅为原料，过滤除去其中的固体杂质，然后通入紫外光照氯化系统，并向其中通入氯气，半小时以后开启紫外灯进行光照反应，反应时间为4-8小时；
2）将经过紫外光照反应的四氯化硅输送到板式精馏塔中进行脱氯处理；在常压下进行操作，质量回流比为4-8:1；
3）将脱氯处理的四氯化硅依次输送到脱轻塔和脱重塔中，通过精馏依次去除轻组分和重组分；在精馏过程中，对每个塔的成品进行傅里叶红外检测，检测合格后才能进入下一反应；最后得到的光纤级四氯化硅。
本发明采用板式精馏塔中进行脱氯处理，首先使精馏塔为全回流状态，将溶解在四氯化硅中的氯气蒸发出来，等脱氯完成后开始进行连续式生产，其为常压操作，塔顶温度为四氯化硅沸点温度57.6℃。步骤1）中，首先通过过滤除去其中的固体杂质，主要是为了过滤掉明显的固体物质，小颗粒物质在后续步骤中进行去除。
进一步地，所述步骤1）中，设置两套紫外光照氯化系统，其中一套进行光照反应时，另一套反应完毕的与步骤2）中的板式精馏塔连通进行后续反应。
进一步地，所述步骤1）中，进行紫外光照时，紫外灯的波长在250-380nm之间，紫外灯为1.5kw-3kw的汞灯；氯气的通入量为4-10m3/h，纯度要求在99.9%以上。
本发明还涉及一种间歇式光照氯化生产光纤级四氯化硅的装置，包括依次设置的紫外光照氯化系统、板式精馏塔、脱轻塔、脱重塔和产品储存罐；其中紫外光照氯化系统为两套，并联设置且与板式精馏塔的进料口连接，该装置还包括在线检测系统，其与其他设备的采出口进行连接。
所述的在线检测系统连接在每个塔的采出处，尽可能的靠近采出口，在生产过程中，每隔1小时左右进行一次取样，当检测到产品不合格时，停止将料送入下一个工序，进行再处理，直到产品质量合格为止。
进一步地，该装置还设有高纯氮气源，高纯氮气的主要和取样系统配合使用，当取样结束后，需要将样品池清理干净，此时用高纯氮气将取样池吹扫干净，以免对后面的检测造成影响。
进一步地，所述的紫外光照氯化系统中，以紫外灯作为光源，紫外灯外设有套管；套管为夹套结构，采用石英材质制成，内层放置紫外灯，夹层为水冷却层。
进一步地，所述板式精馏塔为板式结构塔，其塔板数大于50，塔顶为氯气排放口，四氯化硅物料从塔的中下部采出；脱轻塔和脱重塔为填料塔，其理论塔板数大于100。
进一步地，所述在线检测系统采用内部抛光的不锈钢管或高纯聚四氟乙烯管连接物料采出点和傅里叶红外仪。
进一步地，该产品储存罐还连接有产品运输罐，且产品储存罐以及产品运输罐均为不锈钢罐。
本发明的有益效果在于：
1. 专利申请CN105800618A采用的紫外光照方式为四氯化硅与氯气在塔内逆流接触，这种接触方式时间短，反应不够完全；专利CN104058408A是先让氯气在溶解在四氯化硅中，且达到饱和，然后再进行紫外光照反应，这种方式周期长，效率低，当所用原料的纯度比较低时很难保证紫外光照的效果。本方法采用的间歇式紫外光照系统反应更充分，且不需要加热，节约了能耗，同时两套紫外光照氯化系统的切换使用弥补了间歇式生产方式的不足。通过紫外灯光源能够在常温常压条件下破坏四氯化硅中有机杂质的硅氢键（Si-H）使部分氢被氯取代，形成硅氯键（Si-Cl），同时可以破坏STC中有机杂质的碳氢键（C-H）使部分氢被氯取代，形成碳氯键（C-Cl）完成杂质的转化，便于在后续的精馏中除去，本发明的难点在于针对不同原料的杂质种类和含量，选取不同的紫外灯光源，本发明选取的紫外灯光源主要针对多晶硅生产过程中从还原炉出来，经过精炼提纯的四氯化硅物料。
2. 本方法针对氯气在四氯化硅中的溶解性大的特点，设计了独立的脱氯系统使产品避免了含氯高的风险，保证了产品的质量。其主要是通过加热蒸发的方法去除经过紫外光照反应，溶解在四氯化硅中的氯气，该处理是针对本发明中的间歇式紫外光照反应特别设定的。
3. 本发明设计了一套适用于大化工的生产在线检测系统，该系统能够避免在取样过程中对产品造成污染，且在线检测系统能够对生产过程中的关键点进行实时监控，大大提高了产品的合格率。
4. 本发明能够有效的去除四氯化硅中的有机杂质，使粗四氯化硅经过紫外光照氯化、脱氯、精馏等工艺后达到光纤级的质量标准。
附图说明
图1是本发明提供装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步阐明本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不是用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供的装置包括依次设置的紫外光照氯化系统、板式精馏塔3、脱轻塔4、脱重塔5和产品储存罐7；其中紫外光照氯化系统为两套，即1和2，并联设置且与板式精馏塔的进料口连接，该装置还包括在线检测系统6，其与其他设备的采出口进行连接。
进一步地，该装置还设有高纯氮气源，高纯氮气的主要和取样系统配合使用，当取样结束后，需要将样品池清理干净，此时用高纯氮气将取样池吹扫干净，以免对后面的检测造成影响。
所述的紫外光照氯化系统中，以紫外灯作为光源，紫外灯外设有套管。套管为夹套结构，采用石英材质制成，内层放置紫外灯，夹层为水冷却层。夹层内走循环水为紫外灯冷却降温，循环水的流量为80-120L/h。开启时先打开紫外灯循环冷却水，随后打开紫外灯。紫外灯的波长在250-380nm之间，紫外灯功率为1.5kw-3kw的汞灯。
进一步地，所述板式精馏塔为板式结构塔，其塔板数大于50，塔顶为氯气排放口，四氯化硅物料从塔的中下部采出；脱轻塔和脱重塔为填料塔，其理论塔板数大于100。
进一步地，所述在线检测系统采用内部抛光的不锈钢管或高纯聚四氟乙烯管连接物料采出点和傅里叶红外仪。在取样前用高纯氮气将管道和取样器吹扫干净，取样结束后再次将管道和取样器吹扫干净。
进一步地，该产品储存罐7还连接有产品运输罐8，且产品储存罐以及产品运输罐均为不锈钢罐。且为经过高洁净度的不锈钢罐。
实施例1：
一种光纤级四氯化硅的生产方法，包括以下步骤：
1）以多晶硅副产的四氯化硅为原料，过滤除去其中的固体杂质，然后通入紫外光照氯化系统，并向其中通入氯气，半小时以后开启紫外灯进行光照反应，反应时间为4-8小时；
2）将经过紫外光照反应的四氯化硅输送到板式精馏塔中进行脱氯处理；在常压下进行操作，质量回流比为4-8:1；
3）将脱氯处理的四氯化硅依次输送到脱轻塔和脱重塔中，通过精馏依次去除轻组分和重组分；在精馏过程中，对每个塔的成品进行傅里叶红外检测，检测合格后才能进入下一反应；最后得到的光纤级四氯化硅。
实施例2：
一种光纤级四氯化硅的生产方法，具体步骤为：多晶硅副产的四氯化硅经过泵输送到紫外光照氯化系统中，先向其中通入氯气，置换掉罐内的其他气体，30分钟后，打开紫外灯的冷却水，然后打开紫外灯进行光照，光照结束后打开紫外光照氯化系统连接到板式精馏塔的阀门，通过泵向板式精馏塔中输送四氯化硅物料，同时另一套紫外光照氯化系统开始进料进行光照反应。经过板式精馏塔的脱氯处理，经过在线检测系统检测合格后，四氯化硅物料进入到脱轻塔中；物料中的轻组分杂质从塔顶排出，经过在线检测系统检测合格后，四氯化硅物料由塔釜采出，然后进入到除重塔；在除重塔中，成品的四氯化硅经过在线检测系统检测合格由塔顶采出，且每隔30分钟再次进行取样检测，确保产品质量，由除重塔采出的成品光纤级四氯化硅采出储存于产品储存罐中。
在进行对外销售时，先对产品储存罐中的四氯化硅进行在线检测其红外透过率，同时并取样进行金属杂质检测，在检测合格后，通过氮气压力或泵提供动力，将光纤四氯化硅输送到产品运输罐中；灌装完成后，通过高纯氮气将产品运输罐中的光纤级四氯化硅压出少量通过傅里叶红外仪和ICP-MS分别进行透过率和金属杂质检测，检测合格后将产品运输罐进行封罐包装处理，最后进行发货。
实施例3：
一种光纤级四氯化硅的生产方法，包括以下步骤：
1）以多晶硅副产的四氯化硅为原料，过滤除去其中的固体杂质，然后通入紫外光照氯化系统，系统体积为8-10m3，并向其中通入氯气，通入氯气的量为4-10m3/h，纯度要求在99.9%以上，半小时以后打开紫外灯循环冷却水，随后打开紫外灯进行光照反应；紫外光照反应为常压操作，紫外灯套管为双层夹套，内层放置紫外灯，夹层为水冷却层，夹层内有一细长石英管伸到夹层底部，此为进水口，夹层顶部有一出水口；夹套内走循环水为紫外灯冷却降温，循环水的流量为80-120L/h。紫外灯的波长在250-380nm之间，紫外灯功率为1.5kw-3kw的汞灯。
2）将经过紫外光照反应的四氯化硅输送到板式精馏塔中进行脱氯处理；在常压下进行操作，其进料量为1.2-1.8m3/h，质量回流比为4-8:1，采出量为1.0-1.6m3/h。脱掉的氯气由塔顶尾气口排出，进入洗涤池，四氯化硅物料由中下部的侧采口采出。
3）将脱氯处理的四氯化硅依次输送到脱轻塔和脱重塔中，脱轻塔和脱重塔为填料塔，其理论塔板数大于100，通过精馏依次去除轻组分和重组分；在精馏过程中，对每个塔的成品进行傅里叶红外检测，检测合格后才能进入下一反应；最后得到的光纤级四氯化硅。
以工业生产规模10000t/y光纤级四氯化硅的产量来进行计算：
每个紫外光照反应罐的体积为12m3，光照时间以6h计，去掉进料到紫外光照反应罐所需要的时间，每个周期为7小时，能够进行光照的物料量为10m3，两个紫外光照系统切换使用，所以紫外光照能够光照1.43m3/h的四氯化硅。
板式精馏塔的进料量为1.43m3/h，从塔顶排出的氯气会带走一部分的氯硅烷，同时溶解在四氯化硅中的氯气会占用一定的体积，脱掉氯气后体积会有一定减少，从板式精馏塔采出的四氯化硅量为1.2m3/h。
以1.2m3/h的进料量进入到精馏塔中，经过除轻、除重塔的物料损失，最终得到的成品光纤四氯化硅的产量在1m3/h，估算为每月1000吨的产量，再减去每年的大修和不可控因素，每年的有效生产时间为10个月左右，每年的产量为10000吨。
对实施例3中的原料和产品通过傅里叶红外检测透过率，具体结果见表1。
表1
其中No found 是指检测不到这种杂质，其透过率接近100%。