[发明专利]一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器

说明书

技术领域

本发明是一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器，此反应器是一种流化床反应器，主要应用于四氯化硅、硅粉和氢气在一定催化剂作用下生成三氯氢硅的反应。

背景技术

多晶硅是制造集成电路衬底、太阳能电池等产品的主要原料，被广泛用于半导体工业中。目前，我国企业的多晶硅主流生产工艺为改良西门子法，其典型流程如下：用氯气和氢气合成氯化氢，氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，同时生成四氯化硅等副产物，然后对生成的氯硅烷进行精馏提纯，提纯后的液相三氯氢硅在经过加热汽化后与氢气以一定比例混合进入氢还原炉内进行化学沉积反应生成高纯度多晶硅，同时生成四氯化硅、二氯二氢硅等副产物。在合成段和还原段改良西门子法都生成了副产物四氯化硅，经核算生成1千克的多晶硅产品大约生成10千克的四氯化硅，造成了四氯化硅大量过剩，如何合理处理过剩四氯化硅成为多晶硅行业的关键问题。改良西门子法中利用四氯化硅进行氢化反应生成三氯氢硅，其中氢化分为热氢化和冷氢化，热氢化技术由于转化率低、能耗高等局限逐渐被淘汰，冷氢化技术由于降低了能耗、提高了转化率逐渐成为国内多晶硅氢化反应的最佳生产工艺。冷氢化工艺是四氯化硅汽化后和氢气以一定比例混合通入氢化炉，在温度约500℃、压力约2mPa的条件下与工业硅粉进行反应，生成三氯氢硅等产物。氢化产生的产物经过精馏提纯得到的三氯氢硅返回进入还原炉，从而实现多晶硅的生产循环。

目前国内多晶硅技术有关氢化工艺多采用固定床反应装置。固定床反应器具有结构简单，返混小，催化剂的损失量较小的优势，但是存在明显的缺点，如传热效果比较差，催化剂更换再生不方便，生产要求大时所需空间比较大，不能进行连续化生产，综合能耗高等。流化床反应器可以很好解决这些问题，实现四氯化硅氢化过程连续化生产，近年来国内主要多晶硅企业已对流化床反应器应用于四氯化硅氢化进行初步研究，但是尚未实现工业化生产。国内专利CN 201605166报道了应用于四氯化硅氢化的沸腾床反应器，其中沸腾床反应器是流化床反应器的一种，但沸腾床结构氢化反应器存在一定的问题，如采用低速流态化气泡数量和返混程度大，单程转化率受到限制。

发明内容

本发明是一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器，主要通过优化氢化反应器的结构以提高四氯化硅的单程转化率。

本发明的技术方案如下：

一种引入微循环分布结构的四氯化硅氢化反应器，包括下锥段、反应段、变径段、气固分离段和封头组成；在反应段内设置有换热管束，换热管束为：在中心换热管的周围均匀分布直径相同的换热管，中心换热管的直径大于周围分布的换热管；换热管为双层金属导管；导热油在换热管夹套19内流动，中空导管18与流化床内部床层颗粒直接接触。

所述的中空导管的直径为换热管直径的30％-40％。

所述的中心换热管的直径是其他换热管的两倍。中心换热管设置在反应器的中间，其他换热管围绕中心换热管均匀设置。

反应器对原料气采用分别进气，氢气通过下锥段的预分布器和气体分布板进行分布进入流化床，四氯化硅通过反应段的分布器和气体分布板进行分布进入流化床。

具体详细说明如下：

此流化床反应器主要由下锥段、反应段、变径段、气固分离段、封头组成，其中下锥段主要包括原料气进口、气体预分布器、含侧缝式锥帽的气体分布板等部分，反应段主要包括气体预分布器、含侧缝式锥帽的气体分布板、水平挡板、换热管束、换热管支架、硅粉进口等部分，气固分离段主要由过滤管束组成，封头为椭圆型封头，上接反应尾气出口。本发明引入微循环分布结构，此结构由换热管束组成，分布在硅粉和催化剂颗粒形成的床层中，单根换热管为双层金属导管，导热油在换热管的夹套内流动，而中空的导管与流化床内部床层颗粒直接接触，中空导管的直径远小于流化床反应器的直径，气体在中空导管中流速较大，带动固体颗粒运动加快，形成一个内部循环，每根换热管的附近区域形成“微型”循环流态化，有利于气固反应中气泡的破碎，同时减少了气体返混现象，提高了四氯化硅的单程转化率。此外此氢化反应器对原料气(氢气和汽化的四氯化硅)采用分别进气，氢气通过下锥段的预分布器和气体分布板进行分布进入流化床，四氯化硅通过反应段的分布器和气体分布板进行分布进入流化床，此种改进有利于提高流化床反应器中氢气和四氯化硅的相对浓度，从而提高四氯化硅的单程转化率。

本发明引入微循环分布结构，同时优化了流化床反应器的内部结构，实现了快速流态化，增加了气固接触面积，提高四氯化硅的单程转化率至32％左右。

附图说明

图1是四氯化硅氢化反应器的结构示意图；

图2是换热管的剖面图；