一種三氯氫矽精製方法
2023-05-19 04:28:46 1
專利名稱：一種三氯氫矽精製方法
技術領域：
本發明涉及多晶矽生產過程中一種節能的三氯氫矽精製方法。
背景技術：
多晶矽是半導體工業、電子信息產業、太陽能光伏電池產業最基礎的功能性材料。高純多晶矽按純度分類可以分為太陽能級和電子級。太陽能級多晶矽純度99. 99%-99. 9999%,電子級多晶矽純度大於99. 9999，超高純達到99. 9999999%。在我國當前的多晶矽行業裡，改良西門子工藝被廣泛採用。主要原料是高純度氫氣和高純度三氯氫矽，其原理就是在1100°c左右的高純矽芯上用高純氫還原高純三氯氫矽，生成多晶矽沉積在矽芯上。三氯氫矽的純度直接影響到多晶矽的質量，要求其純度達到99. 999999999%。所以在進還原爐以前必須對三氯氫矽提純精製。
常規的三氯氫矽精餾精製工藝是通過三個普通精餾塔順序分離完成的。粗三氯氫矽原料先進入一級脫輕塔脫除輕組分，再去一級脫重塔脫除絕大部分重組分，最後再去二級脫重塔脫除剩餘的微量重組分，最終得到符合電子級多晶矽要求的超純三氯氫矽。整個精製過程流程比較長，相對應能耗較高，操作複雜，佔地面積大。隔板精餾工藝是在精餾塔中加一垂直擋板，將精餾塔分為塔頂分離段、塔底分離段以及由隔板分開的進料側與採出側。隔板精餾塔一般應用於三組分分離，輕組分從塔頂採出，中間組分由隔板採出側採出，重組分由塔釜採出。在熱力學上隔板塔等同於一個完全熱耦合塔，只需要一套塔系統就能實現三組分的分離。在熱力學上隔板塔等同於一個完全熱耦合塔，而且由於隔板的特殊結構，脫輕和脫重可以在一個塔內完成。與完全熱耦合塔相比，立式隔板塔投資費用和佔地更少，可操作性更強。但是由於電子級多晶矽對三氯氫矽純度要求極高，所以隔板塔分離出的精三氯氫矽需要再進入一脫重塔，進一步脫除重組分才能達到電子級要求。近年來，多晶矽的發展日趨規模化，平凡化，以致成本問題愈來愈突出，節能降耗的要求也越來越高。目前尚未見將隔板精餾塔用於三氯氫矽精製的報導。
發明內容
本發明提供了一種節能的三氯氫矽精製方法。將隔板塔應用到三氯氫矽精製中，克服了常規流程精製三氯氫矽工藝的流程長，投資大，能耗高等問題。本發明的技術方案為本發明的一種三氯氫矽精製方法，該方法工藝由隔板精餾塔與常規精餾塔，即脫重塔組合連接，粗三氯氫矽進入隔板精餾塔的隔板段進料側，經分離後在隔板段的另一側得到純度高於99. 99%三氯氫矽產品，再進入一個脫重塔實現二級脫重，最終得到符合電子級多晶矽純度要求的99. 999999999%的三氯氫矽。具體工藝過程如下
粗三氯氫矽原料從隔板精餾塔的隔板段進料側進入隔板精餾塔。首先在隔板進料側預分離，主要是實現輕組分和重組分的分離。輕組分和部分三氯氫矽以氣相的形式，從隔板進料側的精餾段進入塔頂分離段。重組分和部分三氯氫矽以液相的形式，從隔板進料側提餾段進入塔底分離段。塔頂分離段的作用是脫除輕組分，實現輕組分和三氯氫矽的徹底分離。輕組分從塔頂蒸出經冷凝器冷凝後，按照一定回流比部分回流，部分採出。塔頂分離段底部回流的液相按照一定液相分配比經流量控制部分流到隔板進料側，部分流到隔板採出側。隔板採出側精餾段實現三氯氫矽和輕組分的分離，精三氯氫矽液體部分從隔板採出側精餾段底部側線採出去二級脫重塔，部分作為隔板提餾段回流液，三氯氫矽氣相和輕組分去塔頂分離段。隔板採出側提餾段主要是實現三氯氫矽和重組分的分離，三氯氫矽氣相去隔板採出側精餾段，重組分和三氯氫矽混合液相進入塔底分離段。塔底分離段主要是脫除重組分雜質，塔底出料部分經再沸器加熱汽化後回到塔釜，部分塔釜採出。塔底分離段頂部氣相按照一定液相分配比經流量控制，部分去隔板進料側，部分去隔板採出側。從隔板精餾塔的隔板採出側採出的精三氯氫矽液相進入脫重塔進一步脫除重組分。重組分和三氯氫矽的混合物從塔釜排出，塔頂得到電子級多晶矽要求的99. 999999999% 的超純三氯氫矽。本發明原料液中輕組分的質量百分數為0-50%，重組分的質量分數為0-50%，三氯氫矽的質量百分數10-99%。隔板精餾塔操作壓力為2-lObar，隔板精餾塔以重力計回流比2-1000，隔板精餾塔以重力計氣相分配比0. 01-0. 99，隔板精餾塔以重力計液相分配比0. 01-0. 99。隔板精餾塔總塔板共有30-500塊塔板，隔板段有10-300塊塔板，塔頂分離段有1-200塊塔板，塔底分離段有1-200塊塔板。脫重塔的操作壓力為2-10bar，以重力計回流比2-1000，總塔板數共有30-500塊塔板。本發明具有的優點和積極效果是(I)隔板精餾塔應用到三氯氫矽精製工藝實現了塔內完全熱耦合，避免了能量的浪費，降低了精餾過程的能耗，與常規流程相比能節省能耗20%左右。(2)本發明與傳統的三氯氫矽精製工藝相比將原來的三塔操作簡化到兩塔操作，減少了一臺塔，一臺再沸器、一臺冷凝器，設備投資降低大約20%，節省佔地面積30%左右。(3)本發明與傳統的三氯氫矽精製工藝相比縮流程得以簡化，使裝置的運行和操作簡化，裝置的操作性更強。
圖I為傳統的三氯氫矽精製方法的工藝流程圖；圖2為本發明的一種三氯氫矽精製方法的工藝流程圖。圖中設備代號說明I.三氯氫矽脫輕塔2.脫輕塔再沸器3.脫輕塔冷凝器4.三氯氫矽一級脫重塔5. 一級脫重塔再沸器
6. 一級脫重塔冷凝器7.三氯氫矽二級脫重塔8. 二級脫重塔再沸器9. 二級脫重塔冷凝器10.隔板精餾塔A.塔頂分離段B.隔板採出精餾段C.隔板進料精餾段 D.隔板採出提餾段E.隔板進料提餾段F.塔底分離段11.隔板塔再沸器12.隔板塔冷凝器13.脫重塔14.脫重塔冷凝器15.脫重塔再沸器物料代號說明101.粗三氯氫矽102.輕組分雜質103.重組分雜質一104.精三氯氫矽105.重組分雜質二106.超純三氯氫矽
具體實施例方式如圖I所示，傳統的三氯氫矽精製工藝由三個精餾塔和其配套的冷凝器和再沸器組成。粗三氯氫矽101首先進入脫輕塔I脫除輕組分，輕組分和少量的三氯氫矽作為輕組分雜質102從塔頂排出，帶有重組分的三氯氫矽從塔釜出來後進入三氯氫矽一級脫重塔4。在三氯氫矽一級脫重塔4裡，重組分雜質一 103從塔釜排出，純度大於99. 99%的精三氯氫矽104從塔頂採出。精三氯氫矽104進入三氯氫矽二級脫重塔7再次脫重，重組分和部分三氯氫矽混合物作為重組分雜質二 105從塔釜排出，純度大於99. 999999999%的超純三氯氫娃106從塔頂米出。對比例I採用圖I所示的三氯氫矽精製傳統工藝流程，原料液質量流量為10000kg/h，其中輕組分的質量百分數為5%，重組分質量分數為5%，三氯氫矽質量百分數為90%。塔操作壓力為4bar，其中三氯氫矽脫輕塔I塔板數200，回流比100 ;三氯氫矽一級脫重塔4的塔板數100，回流比4，三氯氫矽二級脫重塔7的塔板數100，回流比20，熱負荷見表I。實施例I
如圖2所示，本發明三氯氫矽精製工藝流程，原料液質量流量及原料液組成同對比例I。該工藝由隔板精餾塔10、隔板塔再沸器11、隔板塔冷凝器12、脫重塔13、脫重塔冷凝器14、脫重塔再沸器15組成。原料粗三氯氫矽101從隔板精餾塔的隔板段進料側進入隔板塔10。首先在隔板進料側預分離，主要是實現輕組分和重組分的分離。輕組分和部分三氯氫矽以氣相的形式，從隔板進料精餾段C進入塔頂分離段A。重組分和部分三氯氫矽以液相的形式，從隔板進料提餾段E進入塔底分離段F。塔頂分離段A的作用是脫除輕組分，實現輕組分和三氯氫矽的徹底分離。輕組分雜質102從塔頂蒸出經隔板塔冷凝器12冷凝後，按照一定回流比部分回流，部分採出。塔頂分離段A底部回流的液相按照一定液相分配比經流量控制部分流到隔板進料側，部分流到隔板採出側。隔板採出精餾段B實現三氯氫矽和輕組分的分離，精三氯氫矽104液體部分從隔板採出精餾段B底部側線採出去二級脫重塔13，部分作為隔板提餾段回流液，三氯氫矽氣相和輕組分去塔頂分離段A。隔板採出提餾段E主要是實現三氯氫矽和重組分的分離，三氯氫矽氣相去隔板採出精餾段B，重組分和三氯氫矽混合液相進入塔底分離段F。塔底分離段F主要是脫除重組分雜質，塔底出料部分經 再沸器加熱汽化後回到塔釜，部分塔釜採出。塔底分離段F頂部氣相按照一定液相分配比經流量控制，部分去隔板進料側，部分去隔板採出側。從隔板塔的隔板採出側採出的精三氯氫矽104液相進入脫重塔13進一步脫除重組分。重組分和三氯氫矽的混合物作為重組分雜質二 105從塔釜排出，塔頂得到電子級多晶矽要求的99. 999999999%的超純三氯氫矽106。本實施例中，隔板精餾塔10的操作壓力為4bar，隔板精餾塔以重量計，回流比為120。隔板精餾塔10共有200塊理論塔板，其中，隔板段有110塊理論塔板，塔頂分離段有60塊理論塔板，塔底分離段有30塊理論塔板。原料進料位置位於隔板段高度的1/2處，精三氯氫矽採出位置位於隔板段採出側高度的1/2處。液相分流比按重力計0. 37，汽相分流比按重力計0. 40。脫重塔13塔板數90，以重力計回流比20。三氯氫矽精製總熱負荷見表I。表I中，塔頂熱負荷是塔頂冷凝器的換熱量，塔釜熱負荷是是塔釜再沸器的換熱量。其中本發明的塔頂熱負荷為隔板塔塔頂熱負荷和脫重塔塔頂熱負荷加和，塔釜熱負荷為隔板精餾塔塔釜熱負荷和脫重塔塔釜熱負荷的加和。其中傳統工藝中的塔頂熱負荷為三氯氫矽脫輕塔塔頂熱負荷、三氯氫矽一級脫重塔塔頂熱負荷和三氯氫矽二級脫重塔塔頂熱負荷的加和，傳統工藝中的塔釜熱負荷為三氯氫矽脫輕塔塔釜熱負荷、三氯氫矽一級脫重塔塔釜熱負荷和三氯氫矽二級脫重塔塔釜熱負荷的加和。
權利要求
1.一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述方法由隔板精餾塔與常規精餾塔，即脫重塔組合，粗三氯氫矽進入隔板精餾塔的隔板段進料側，經分離後在隔板段的另一側得到純度高於99. 99%三氯氫矽產品，再進入脫重塔實現二級脫重，最終得到符合電子級多晶矽純度要求的99. 999999999%的三氯氫矽。
2.根據權利要求I所述的一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述精製方法按如下具體步驟進行 粗三氯氫矽原料從隔板段進料側進入隔板精餾塔，首先在隔板進料側預分離，輕組分和部分三氯氫矽以氣相的形式，從隔板進料精餾段進入塔頂分離段，重組分和部分三氯氫矽以液相的形式，從隔板進料提餾段進入塔底分離段； 塔頂分離段中輕組分和部分三氯氫矽從塔頂蒸出，塔頂分離段底部回流的液相經流量控制，部分流到隔板進料側，另一部分流到隔板採出側； 隔板採出側精餾段中，純度高於99. 99%精三氯氫矽液體部分從隔板採出精餾段底部側線採出，另一部分作為隔板提餾段回流液；三氯氫矽氣相和輕組分去塔頂分離段，精三氯氫矽氣相去隔板採出精餾段，重組分和三氯氫矽混合液相進入塔底分離段； 塔底分離段中，重組分和部分三氯氫矽的混合液相從塔釜排出；塔底分離段頂部氣相經流量控制，部分去隔板進料側，另一部分去隔板採出側； 從隔板精餾塔的隔板採出側採出的精三氯氫矽液相進入脫重塔進一步脫除重組分；重組分和三氯氫矽的混合物從塔釜排出，塔頂得到電子級多晶矽要求的99. 999999999%的超純三氯氫矽。
3.根據權利要求2所述的一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述塔頂分離段底部回流的液相經流量控制按照重力計液相分配比O. 01-0. 99。
4.根據權利要求2所述的一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述塔底分離段頂部氣相按照重力計氣相分配比O. 01-0. 99。
5.根據權利要求2所述的一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述原料液粗三氯氫矽中輕組分的質量百分數為0-50%，重組分的質量分數為0-50%，三氯氫矽的質量百分數I0-99%ο
6.根據權利要求2所述的一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述隔板精餾塔的操作壓力為2-10bar。
7.根據權利要求2所述的一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述隔板精餾塔以重力計回流比2-1000。
8.根據權利要求2所述的一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述隔板精餾塔總塔板共有30-500塊塔板，隔板段有10-300塊塔板，塔頂分離段有1-200塊塔板，塔底分離段有1-200塊塔板。
9.根據權利要求2所述的一種三氯氫矽精製方法，其特徵在於所述脫重塔的操作壓力為2-lObar，以重力計回流比2-1000，總塔板數共有30-500塊塔板。
全文摘要
本發明涉及一種三氯氫矽精製方法，利用了隔板精餾塔和普通精餾塔(脫重塔)的組合實現了三氯氫矽的精製。精製工藝主要包括以下步驟，粗三氯氫矽進入隔板精餾塔的隔板段進料側；經分離後在隔板段的另一側得到純度高於99.99%三氯氫矽產品，塔頂得到輕組分和少量三氯氫矽混合物，塔釜得到了重組分和少量三氯氫矽混合物。隔板精餾塔的產品再進入一個常規的精餾塔實現二級脫重，最終得到符合電子級多晶矽純度要求的99.999999999%的三氯氫矽。與常規三氯氫矽精製相比，縮短了精餾流程，實現了塔內完全熱耦合，降低投資，減少了能耗，節省佔地。
文檔編號C01B33/107GK102807223SQ201210295368
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月17日 優先權日2012年8月17日
發明者裴豔紅, 李強, 馬國棟, 耿玉俠 申請人:中國天辰工程有限公司, 天津天辰綠色能源工程技術研發有限公司