[发明专利]一种精制三氯氢硅的热泵精馏方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种精制三氯氢硅的方法和装置。

背景技术

多晶硅是制造太阳能光伏电池的基础材料。随着信息技术和太阳能产业的高速发展，全球对于多晶硅的需求增长迅猛。目前高纯度的多晶硅主要是由西门子气相沉积法制造的。该方法主要是将三氯氢硅和氢气的混合原料送入还原炉，经通电加热在硅棒表面析出硅体。由于从还原炉中排出的气体含有大量未反应的三氯氢硅和副产品四氯化硅，可以通过分离提纯对三氯氢硅进一步回收利用。

一般分离回收的方法是：首先将还原炉排出的气体经过专有的尾气回收工艺分离出氯硅烷，然后再将混合液送入精馏塔中继续提纯，以回收所需的三氯氢硅和四氯化硅。具体操作如下：将回收的氯硅烷液送入精馏塔中，塔压维持在1.5～6barg，塔顶冷凝器采用循环水冷却馏出气，冷凝液一部分回流，一部分采出供后续工段；塔釜再沸器采用蒸汽加热以提供全塔热量。根据氯硅烷混合物中各组分沸点的不同，塔顶馏出富含三氯氢硅的轻组分，塔底得到四氯化硅及其它重组分。

这种配置方法必然要消耗大量的蒸汽和循环冷却水用以满足三氯氢硅精馏塔的操作要求。近几年来多晶硅发展迅猛，能耗已经成为制约其发展的重要阻碍之一，如何优化精馏塔系统工艺、节能减耗成为设计之重。

在石油化工设计中，热泵技术作为一种高效的节能工艺已经广泛用于丙烷-丙烯，苯乙烯-乙烯，正丁烷-异丁烯等混合物的分离。但在多晶硅精馏中使用热泵工艺还缺乏应用实例。

发明内容

本发明的目的是提供一种精制三氯氢硅的热泵精馏方法，本发明优化了热泵精馏工艺，充分利用塔体本身的热循环，降低了能耗，减少了系统的安全隐患。

本发明的技术方案是：一种精制三氯氢硅的热泵精馏方法，根据气相沉积法制造多晶硅时，从还原炉排出的气体是三氯氢硅及四氯化硅的混合物，将从还原炉中排出的气体冷却后得到的氯硅烷液作为供给液输送至精馏塔的中段，其特征是低沸点的三氯氢硅蒸汽从精馏塔顶馏出，经压缩机提温升压后，进入换热器冷却至饱和气体，此气体热源用于加热塔釜再沸器中的混合液，在再沸器换热后的冷凝液一部分回流到精馏塔顶部，剩余部分作为下游工段多晶硅的制造原料，四氯化硅则作为釜液从精馏塔底部排出，完成一个精馏塔自循环开式热泵循环，热泵循环工质和再沸器加热介质均为塔顶物料。

塔压控制在0.1～1barg之间，塔顶氯硅烷蒸汽压缩至5～10barg，用于提供充足热量，满足塔釜液汽化要求。

本发明采用一个精馏塔从还原炉排出的气体中稳定地回收高纯度的三氯氢硅和四氯化硅，与以往相比，正常运行时此热泵工艺即不需额外的蒸汽消耗，仅利用塔顶自身蒸汽将热量传至塔釜，换热后直接回塔循环，也不需一般精馏塔顶标配的冷凝器。

本发明将改良的热泵工艺运用到多晶硅精馏工段中，一方面可以大大减少塔顶冷却水的消耗，也毋需塔釜蒸汽的供给，同传统精馏方法相比，循环水可减少85％以上，大大降低了能耗，降低了精馏三氯氢硅的成本，同时也降低了多晶硅产品的成本；另一方面塔釜再沸器采用相同物料间换热，避免了由于蒸汽泄露可能发生的剧烈化学反应，减少了生产中的安全隐患。

附图说明

图1是本发明的自循环开式热泵循环系统流程图。

具体实施方式

以下通过附图对本发明进行详细说明。

如图1所示：主要设备为精馏塔3、压缩机1、换热器2、再沸器4。精馏塔3中部进料，精馏塔3顶部气相管与压缩机1直连，经换热器2输送热物流去再沸器4，塔底物料在再沸器4中换热后，返回至精馏塔下部，形成精馏塔自循环开式热泵循环。

采用气相沉积法制造多晶硅时，将还原炉中排出的三氯氢硅和四氯化硅混合气冷却，此供给液输送到精馏塔3的中段灵敏板处。沸点较低的三氯氢硅蒸汽从塔顶部蒸出，经压缩机1升温后再由换热器2冷却至饱和态，用于加热塔釜的四氯化硅混合液。在再沸器4换热后，三氯氢硅气体被冷凝，四氯化硅作为釜液从塔底部提取，塔顶液一部分回流至塔顶，剩下部分作为下游工段多结晶硅的制造原料。

精馏塔3热泵开式循环特征是：精馏塔3毋需塔顶冷凝器，直接将塔顶物料蒸汽经压缩机1提高温度和压力，过热气体经过换热器2稍冷至饱和态，富含热量的饱和气体作为热源连续输送到塔底再沸器4中加热釜液，与此同时塔顶液自身被冷凝，回流至塔顶，完成精馏塔的一个开式热泵循环。