一種引入微循環分布結構的四氯化矽氫化反應器的製作方法
2023-06-08 22:59:31 2
專利名稱：一種引入微循環分布結構的四氯化矽氫化反應器的製作方法
技術領域：
本發明是一種引入微循環分布結構的四氯化矽氫化反應器，此反應器是一種流化 床反應器，主要應用於四氯化矽、矽粉和氫氣在一定催化劑作用下生成三氯氫矽的反應。
背景技術：
多晶矽是製造集成電路襯底、太陽能電池等產品的主要原料，被廣泛用於半導體 工業中。目前，我國企業的多晶矽主流生產工藝為改良西門子法，其典型流程如下用氯氣 和氫氣合成氯化氫，氯化氫和工業矽粉在一定的溫度下合成三氯氫矽，同時生成四氯化矽 等副產物，然後對生成的氯矽烷進行精餾提純，提純後的液相三氯氫矽在經過加熱汽化後 與氫氣以一定比例混合進入氫還原爐內進行化學沉積反應生成高純度多晶矽，同時生成四 氯化矽、二氯二氫矽等副產物。在合成段和還原段改良西門子法都生成了副產物四氯化矽， 經核算生成1千克的多晶矽產品大約生成10千克的四氯化矽，造成了四氯化矽大量過剩， 如何合理處理過剩四氯化矽成為多晶矽行業的關鍵問題。改良西門子法中利用四氯化矽 進行氫化反應生成三氯氫矽，其中氫化分為熱氫化和冷氫化，熱氫化技術由於轉化率低、能 耗高等局限逐漸被淘汰，冷氫化技術由於降低了能耗、提高了轉化率逐漸成為國內多晶矽 氫化反應的最佳生產工藝。冷氫化工藝是四氯化矽汽化後和氫氣以一定比例混合通入氫 化爐，在溫度約500°C、壓力約2mPa的條件下與工業矽粉進行反應，生成三氯氫矽等產物。 氫化產生的產物經過精餾提純得到的三氯氫矽返回進入還原爐，從而實現多晶矽的生產循 環。目前國內多晶矽技術有關氫化工藝多採用固定床反應裝置。固定床反應器具有 結構簡單，返混小，催化劑的損失量較小的優勢，但是存在明顯的缺點，如傳熱效果比較差， 催化劑更換再生不方便，生產要求大時所需空間比較大，不能進行連續化生產，綜合能耗高 等。流化床反應器可以很好解決這些問題，實現四氯化矽氫化過程連續化生產，近年來國內 主要多晶矽企業已對流化床反應器應用於四氯化矽氫化進行初步研究，但是尚未實現工業 化生產。國內專利CN 201605166報導了應用於四氯化矽氫化的沸騰床反應器，其中沸騰床 反應器是流化床反應器的一種，但沸騰床結構氫化反應器存在一定的問題，如採用低速流 態化氣泡數量和返混程度大，單程轉化率受到限制。
發明內容
本發明是一種引入微循環分布結構的四氯化矽氫化反應器，主要通過優化氫化反 應器的結構以提高四氯化矽的單程轉化率。本發明的技術方案如下一種引入微循環分布結構的四氯化矽氫化反應器，包括下錐段、反應段、變徑段、 氣固分離段和封頭組成；在反應段內設置有換熱管束，換熱管束為在中心換熱管的周圍 均勻分布直徑相同的換熱管，中心換熱管的直徑大於周圍分布的換熱管；換熱管為雙層金 屬導管；導熱油在換熱管夾套19內流動，中空導管18與流化床內部床層顆粒直接接觸。
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所述的中空導管的直徑為換熱管直徑的30% -40%。所述的中心換熱管的直徑是其他換熱管的兩倍。中心換熱管設置在反應器的中 間，其他換熱管圍繞中心換熱管均勻設置。反應器對原料氣採用分別進氣，氫氣通過下錐段的預分布器和氣體分布板進行分 布進入流化床，四氯化矽通過反應段的分布器和氣體分布板進行分布進入流化床。具體詳細說明如下此流化床反應器主要由下錐段、反應段、變徑段、氣固分離段、封頭組成，其中下錐 段主要包括原料氣進口、氣體預分布器、含側縫式錐帽的氣體分布板等部分，反應段主要包 括氣體預分布器、含側縫式錐帽的氣體分布板、水平擋板、換熱管束、換熱管支架、矽粉進口 等部分，氣固分離段主要由過濾管束組成，封頭為橢圓型封頭，上接反應尾氣出口。本發明 引入微循環分布結構，此結構由換熱管束組成，分布在矽粉和催化劑顆粒形成的床層中，單 根換熱管為雙層金屬導管，導熱油在換熱管的夾套內流動，而中空的導管與流化床內部床 層顆粒直接接觸，中空導管的直徑遠小於流化床反應器的直徑，氣體在中空導管中流速較 大，帶動固體顆粒運動加快，形成一個內部循環，每根換熱管的附近區域形成「微型」循環流 態化，有利於氣固反應中氣泡的破碎，同時減少了氣體返混現象，提高了四氯化矽的單程轉 化率。此外此氫化反應器對原料氣(氫氣和汽化的四氯化矽)採用分別進氣，氫氣通過下 錐段的預分布器和氣體分布板進行分布進入流化床，四氯化矽通過反應段的分布器和氣體 分布板進行分布進入流化床，此種改進有利於提高流化床反應器中氫氣和四氯化矽的相對 濃度，從而提高四氯化矽的單程轉化率。本發明引入微循環分布結構，同時優化了流化床反應器的內部結構，實現了快速 流態化，增加了氣固接觸面積，提高四氯化矽的單程轉化率至32%左右。
圖1是四氯化矽氫化反應器的結構示意圖；圖2是換熱管的剖面圖；圖3是換熱管束的俯視分布圖；其中1為矽粉進料口，2為氫氣進料口，3為四氯化矽進料口，4為氣體分布板，5 為反應後氣體出口，6為換熱管束，7為過濾管束，8為橢圓封頭，9為水平擋板，10為導熱油 進口，11為導熱油出口，12為側縫式錐帽，13為氣體預分布器，14為下錐段，15為筒形殼體， 16為變徑段，17為矽粉和催化劑顆粒形成的床層，18為換熱管的中空導管，19為換熱管夾套。
具體實施例方式下面通過附圖進一步說明本發明，附圖是為說明本發明而繪製的，不對本發明的 具體應用形式構成限制。本發明是一種引入微循環分布結構的四氯化矽氫化反應器，如圖1所示包括矽 粉進料口 1，氫氣進料口 2，四氯化矽進料口 3，氣體分布板4，反應後氣體出口 5，換熱管束 6，過濾管束7，橢圓封頭8，水平擋板9，導熱油進口 10，導熱油出口 11，側縫式錐帽12，氣體 預分布器13，下錐段14，筒形殼體15，變徑段16，催化劑顆粒和冶金級矽粉混合形成的床層
417，換熱管的中空導管18和換熱管夾套19。冶金級矽粉與顆粒狀催化劑充分活化混合之 後，通過矽粉進料口 1進入此氫化反應器，氫氣通過進料口 2進入此氫化反應器，四氯化矽 經過汽化之後通過進料口 3進入此氫化反應器。氫氣和汽化後的四氯化矽均通過氣體預分 布器13和氣體分布板4進行分布氫氣的預分布器安裝在下錐段14，由6-9層金屬板組成， 結構採用同心圓錐型，分布板安裝在下錐段頂部，開孔率為0. 4% -1 %，採用側縫式錐帽結 構；汽化後的四氯化矽氣體預分布器安裝在反應段，由3-5層金屬板組成，結構採用同心圓 錐型，氣體分布板安裝在反應段，開孔率為0. 4% -1 %，採用側縫式錐帽結構。氣體分布板 上的側縫式錐帽結構既保證通氣順暢又保證固體物料不洩漏，有利於生產的開停車。此流化床反應器的創新之處是引入了引入微循環分布結構，此結構由換熱管束6 組成，熱導熱油在生產開始時由10進入換熱管束6，加熱原料至500°C左右，以保證四氯化 矽氫化反應的順利進行。由於此氫化反應是放熱反應，生產開始後需要考慮產生的熱量，同 時考慮氫化反應器損失的熱量，經過綜合計算後由控制熱導熱油的流量進行控制氫化反應 器內的溫度維持在500°C左右。換熱管束6分布在催化劑顆粒和冶金級矽粉混合形成的床 層17中，單根換熱管是雙層金屬導管，導熱油在換熱管內夾套19內流動，中空導管18與流 化床內的床層顆粒直接接觸，如圖2所示。由於中空導管18中氣速比較快，床層顆粒在換 熱管中空導管18中流動速度比管外的顆粒流速大，從而形成了內部循環，每根換熱管附近 區域都有此種循環，總體來看流化床反應器的內部出現多處「微型」循環流態化。換熱管束 6均勻地分布在床層中，在流化床反應器中間分布一根換熱管，其直徑是其他換熱管直徑的 兩倍，其他換熱管直徑相同，其直徑為流化床筒體直徑的10% -15%，均勻地分布在中心換 熱管的周圍，呈發散狀，分布方式如下筒形殼體被均分成四個部分，每個部分的中心處分 布一根換熱管，所有換熱管的中心在同一圓周軸線上，相對的換熱管在同一徑向軸線上，如 圖3所示。中空導管18的直徑為換熱管直徑的30% -40%。反應段設有7-10塊水平擋板9，其均勻分布在催化劑顆粒和冶金級矽粉混合形成 的床層17中，擋板間距相同，第一塊擋板與氫氣分布板的距離為擋板間距的3-6倍。氣固分 離段直徑約為反應段的1.5-3倍，直徑變大氣速變緩有利於氣固分離。在氣固分離段還設 有過濾管束7，過濾管束分布在氣固分離段的頂部，過濾管束由一排過濾管組成，每根過濾 管使用開孔鋼管，開孔鋼管的直徑為擴大段的5% _10%，開孔鋼管的長度約為氣固分離段 長度的20% _30%，在開孔鋼管上部包裹7-10層玻璃纖維布。氣固分離段的上部是封頭， 採用橢圓型結構，有利於反應後氣體的緩衝，在封頭上設有反應後氣體的出口 5。
權利要求
1. 一種引入微循環分布結構的四氯化矽氫化反應器，包括下錐段、反應段、變徑段、氣 固分離段和封頭組成；其特徵是在反應段內設置有換熱管束，換熱管束為在中心換熱管 的周圍均勻分布直徑相同的換熱管，中心換熱管的直徑大於周圍分布的換熱管；換熱管為 雙層金屬導管；導熱油在換熱管夾套(19)內流動，中空導管(18)與流化床內部床層顆粒直 接接觸。
2.如權利要求1所述的反應器，其特徵是中空導管的直徑為換熱管直徑的30%-40%。
3.如權利要求1所述的反應器，其特徵是中心換熱管的直徑是其他換熱管的兩倍。
4.如權利要求1所述的反應器，其特徵是中心換熱管設置在反應器的中間，其他換熱 管圍繞中心換熱管均勻設置。
5.如權利要求1所述的流化床反應器，其特徵是反應器對原料氣採用分別進氣，氫氣 通過下錐段的預分布器和氣體分布板進行分布進入流化床，四氯化矽通過反應段的分布器 和氣體分布板進行分布進入流化床。
全文摘要
本發明引入微循環分布結構的四氯化矽氫化反應器；包括下錐段、反應段、變徑段、氣固分離段和封頭；在反應段內設置換熱管束，換熱管束為在中心換熱管的周圍均勻分布直徑相同的換熱管，中心換熱管的直徑大於周圍分布的換熱管；換熱管為雙層金屬導管；導熱油在換熱管夾套內流動，中空導管與流化床內部床層顆粒直接接觸。本發明引入微循環分布結構，中空的導管與流化床內部床層顆粒直接接觸，中空導管的直徑遠小於流化床反應器的直徑，氣體在中空導管中流速較大，帶動固體顆粒運動加快，形成一個內部循環，每根換熱管的附近區域形成「微型」循環流態化，有利於氣固反應中氣泡的破碎，同時減少了氣體返混現象，提高了四氯化矽的單程轉化率至32％左右。
文檔編號C01B33/107GK102001668SQ20101055846
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月24日 優先權日2010年11月24日
發明者華超, 毛俊楠, 王紅星, 蘇國良, 黃國強 申請人:天津大學