專利名稱：一種利用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種利用四氯化硅氫化生產(chǎn)三氯氫硅
的裝置。
背景技術(shù)：
采用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的工藝中會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物四氯化硅，四氯化硅極 易與水反應(yīng)生成二氧化硅和氯化氫，直接排放將嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，需要對四氯化硅進(jìn)行 妥善處理。利用四氯化硅可以制備白炭黑、有機(jī)硅，但這些產(chǎn)品的市場容量小，無法消化數(shù) 量較龐大的四氯化硅。隨著國內(nèi)多晶硅產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，循環(huán)利用是目前解決多晶硅生產(chǎn) 中產(chǎn)生大量四氯化硅問題的較好出路，循環(huán)利用就是通過特殊工藝技術(shù)，將四氯化硅轉(zhuǎn)化 為多晶硅的生產(chǎn)原料三氯氫硅，三氯氫硅再用于生產(chǎn)多晶硅，既避免環(huán)境污染，又節(jié)約了資 源。 現(xiàn)在常用的一種用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的方法，是將四氯化硅和氫氣以一定比 例通入高溫氫化裝置中，發(fā)生氫化反應(yīng)后生成三氯氫硅。高溫氫化裝置包括氫化爐和尾氣 換熱器，氫化爐的進(jìn)料口在氫化爐的頂部，生成的尾氣由氫化爐的底部排出，排出的尾氣溫 度較高，為防止發(fā)生副反應(yīng)需經(jīng)尾氣換熱器換熱降溫，尾氣換熱器為雙層，尾氣走內(nèi)部的管 程，冷卻水走外層的殼程。氫化爐內(nèi)設(shè)有電極，進(jìn)行氫化反應(yīng)時，電極通電發(fā)出大量的熱量， 可以對反應(yīng)氣體進(jìn)行加熱，但氫化反應(yīng)的溫度一般要求在1200°C以上，消耗電能較大。
實用新型內(nèi)容本實用新型解決的問題在于提供一種四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的裝置，用該裝置生 產(chǎn)三氯氫硅耗能小，能夠節(jié)省能源。 為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案為 —種利用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的裝置，包括 氫化爐，與氫化爐底部相連接的尾氣換熱器； 所述尾氣換熱器包括第一換熱段，第一換熱段包括外殼，外殼內(nèi)套有雙層套管，由 外向內(nèi)逐次為第一套管和第二套管，第一套管的第一端與氫化爐內(nèi)部相連通，第二套管在 尾氣換熱器與氫化爐相連接處的第一端設(shè)置朝向氫化爐內(nèi)部的噴嘴，外殼在氫化爐底部的 第一端設(shè)置與第一端相連通的排出管。 作為優(yōu)選，所述尾氣換熱器還包括第二換熱段，第二換熱段包括外殼，外殼內(nèi)套有 一層套管，第一換熱段的外殼的第二端與第二換熱段的外殼的第一端相連通，第一換熱段 的第一套管的第二端與第二換熱段的套管的第一端相連通； 所述裝置還包括蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器包括殼體，殼體上設(shè)有反應(yīng)氣體進(jìn)口、反應(yīng)氣 體出口 、蒸汽進(jìn)口 、冷凝水出口 、尾氣進(jìn)口 、尾氣出口 ，所述反應(yīng)氣體出口與尾氣換熱器的第 一換熱段的第二套管的第二端相連通，所述尾氣進(jìn)口與尾氣換熱器的第二換熱段的套管的 第二端相連，第二換熱段的外殼在靠近蒸發(fā)器處的第二端設(shè)置與第二端相通的管口 ；[0011 ] 所述殼體內(nèi)部包括連接蒸汽進(jìn)口和冷凝水出口的蒸汽管路，連接尾氣進(jìn)口與尾氣 出口的尾氣管路。 作為優(yōu)選，所述噴嘴的數(shù)量為4個 12個。 作為優(yōu)選，所述噴嘴前后的壓差可以調(diào)節(jié)。 作為優(yōu)選，所述蒸汽管路為蛇型。 作為優(yōu)選，所述尾氣管路為U型。 作為優(yōu)選，所述尾氣換熱器采用不銹鋼316L材料。 作為優(yōu)選，所述氫化爐包括發(fā)熱體、內(nèi)保溫罩、外保溫罩，均采用石墨或碳碳復(fù)合 材料。 本發(fā)明提供的四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的裝置，氫化爐的底部連接尾氣換熱器，尾 氣換熱器為三層，最內(nèi)部的第二套管走反應(yīng)氣體，第一套管與第二套管之間走尾氣，外殼與 第一套管之間走冷卻水，這樣尾氣在被冷卻的同時，也將余熱傳給反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體受到 預(yù)熱后再進(jìn)入氫化爐中，由于已經(jīng)具有一定溫度，所以消耗較少的電能就可以達(dá)到氫化反 應(yīng)的溫度，節(jié)省了能源，并且使得氫化反應(yīng)的反應(yīng)速度較快，反應(yīng)時間較短，產(chǎn)能大，適合大 規(guī)模多晶硅的生產(chǎn)。 另外，氫化爐有雙層保溫罩，這樣反應(yīng)熱量不會被鐘罩冷卻水帶走，一方面節(jié)約了 反應(yīng)所需的電能，另一方面又使反應(yīng)熱量充分隨尾氣被回收利用。 在一種優(yōu)選的實施方式中，反應(yīng)裝置還包括蒸發(fā)器，氫化爐和蒸發(fā)器通過尾氣換 熱器連接，反應(yīng)氣體先進(jìn)入蒸發(fā)器中預(yù)熱，四氯化硅被蒸發(fā)為氣相，然后反應(yīng)氣體再通過尾 氣換熱器進(jìn)一步加熱，這樣反應(yīng)氣體的預(yù)熱更加充分，進(jìn)入氫化爐前溫度能夠達(dá)到300°C以 上，發(fā)生氫化反應(yīng)時能節(jié)約更多的電能。
圖1為本實用新型一種具體實施方式
所提供的利用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的方 法的裝置。
具體實施方式為了進(jìn)一步了解本實用新型，下面結(jié)合實施例對本實用新型優(yōu)選實施方案進(jìn)行描 述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本實用新型的特征和優(yōu)點，而不是對本實用 新型權(quán)利要求的限制。 本實用新型提供的利用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的裝置包括氫化爐，與氫化爐底部 相連接的尾氣換熱器。氫化爐為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，用于四氯化硅和氫氣進(jìn)行氫化反 應(yīng)。請參考圖1，圖1為本實用新型一種具體實施方式
所提供的利用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅 的方法的裝置。其中的氫化爐1包括鐘罩11、設(shè)置在鐘罩11內(nèi)部的外保溫罩12、內(nèi)保溫罩 13、鐘罩底部的底盤15、安裝在底盤15上的電極16、與電極16相連位于內(nèi)保溫罩13里面 的發(fā)熱體14。鐘罩11和底盤15采用不銹鋼316L或復(fù)合材料316L/CC，電極16采用銅材 料，表面鍍銀，電極16數(shù)量為36個或48個，發(fā)熱體14和外保溫罩12、內(nèi)保溫罩13采用石 墨或碳碳復(fù)合材料。進(jìn)行氫化反應(yīng)時，電極16通電，發(fā)熱體14發(fā)出大量的熱量，加熱位于 發(fā)熱體14附近的四氯化硅和氫氣混合的反應(yīng)氣體，溫度升至1200°C 1300°C，四氯化硅與氫氣發(fā)生反應(yīng)生成三氯氫硅，反應(yīng)方程式為SiCl4+H2 = SiHCl3+HCl。 氫化反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣是氫氣、氯化氫、二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅等氣體的 混合氣體，剛從氫化爐1排出的尾氣溫度較高，能達(dá)到800°C ，為防止發(fā)生副反應(yīng)，需要將尾 氣通過尾氣換熱器2進(jìn)行冷卻。本發(fā)明中的尾氣換熱器2既能將尾氣冷卻，還能對反應(yīng)氣體 進(jìn)行預(yù)熱。尾氣換熱器2包括外殼211，外殼211內(nèi)套有雙層套管，由外向內(nèi)逐次為第一套 管212和第二套管213。尾氣換熱器2與氫化爐1的底盤15相連，其中第一套管212與氫 化爐1的底盤15相連通，相連通的一端為第一套管212的第一端，另外一端為第二端。第 二套管213在尾氣換熱器2與氫化爐1相連處的一端為第一端，另外一端為第二端，第二套 管213的第一端設(shè)置朝向氫化爐1內(nèi)部的噴嘴2132，噴嘴2132的數(shù)量優(yōu)選為4個 12個， 噴嘴2132前后的壓差可以調(diào)節(jié)，噴嘴2132用來進(jìn)料。外殼211在氫化爐1的底盤15處的 第一端設(shè)置與第一端相連通的排出管2212，排出管2212設(shè)置在底盤15內(nèi)，外殼211的另一 端為第二端。 尾氣換熱器2進(jìn)行工作時，第二套管213內(nèi)走四氯化硅和氫氣混合的反應(yīng)氣體，反 應(yīng)氣體由第二套管213的第二端流向第一端，由噴嘴2132噴入氫化爐1內(nèi)，噴嘴2132前后 的壓差可以調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)壓差可以控制進(jìn)料壓力使進(jìn)入的反應(yīng)氣體在氫化爐1內(nèi)合理分 配并優(yōu)化爐內(nèi)流場，保證反應(yīng)氣體能與發(fā)熱體14充分接觸后發(fā)生反應(yīng)。第一套管212與第 二套管213之間走尾氣，尾氣在氫化爐1中生成后，由第一套管212的第一端流向第二端， 與第二套管213內(nèi)的反應(yīng)氣體的流向相反，當(dāng)反應(yīng)氣體流向氫化爐1時，尾氣同時由氫化爐 1流出，尾氣將熱量傳給反應(yīng)氣體。外殼211與第一套管212之間走冷卻水，冷卻水由外殼 211的第二端流向第一端，最后由與第一端相連的排出管2212排出。冷卻水的流向與尾氣 相反，在尾氣將熱量傳給反應(yīng)氣體的同時，冷卻水也對尾氣進(jìn)行冷卻。通過尾氣換熱器2的 換熱，反應(yīng)氣體被預(yù)熱達(dá)到一定的溫度進(jìn)入氫化爐1中發(fā)生氫化反應(yīng)，消耗較少的電能就 可以達(dá)到氫化反應(yīng)的溫度，節(jié)省了能源，并且反應(yīng)速度較快，反應(yīng)時間短，產(chǎn)能大。 作為優(yōu)選，反應(yīng)裝置還包括蒸發(fā)器3，氫化爐1和蒸發(fā)器3通過尾氣換熱器2連接。 尾氣換熱器2又增加了一個換熱段，上述實施方式中的換熱段為第一換熱段，這里增加的 為第二換熱段。第二換熱段包括外殼221，外殼221內(nèi)套有一層套管222，第一換熱段的外 殼211的第二端與第二換熱段的外殼221的第一端相連通，第二換熱段的外殼221的第二 端設(shè)置與第二端相通的管口 2211，第一換熱段的第一套管212的第二端與第二換熱段的套 管222的第一端相連通，第一換熱段的第二套管213的第二端設(shè)置管口 ，為反應(yīng)氣體進(jìn)入端 2131。第二換熱段的套管222內(nèi)走尾氣，尾氣在氫化爐1中生成后，經(jīng)過第一換熱段，流入 第二換熱段，由第二換熱段的套管222的第一端流向第二端。第二換熱段的外殼221與套 管222之間走冷卻水，冷卻水由第二換熱段的外殼221的管口 2211進(jìn)入流向第一端，再流 入第一換熱段。在第二換熱段中冷卻水與尾氣換熱，對尾氣進(jìn)行冷卻。 增加的蒸發(fā)器3也是一種熱交換設(shè)備，包括殼體，殼體上設(shè)有反應(yīng)氣進(jìn)口 311、反 應(yīng)氣體出口 312、蒸汽進(jìn)口 321、冷凝水出口 322、尾氣進(jìn)口 331、尾氣出口 332。尾氣進(jìn)口 331 與尾氣換熱器2的第二換熱段的套管222的第二端相連通，在蒸發(fā)器3的殼體內(nèi)部，尾氣進(jìn) 口 331與尾氣出口 332連接有尾氣管路，尾氣管路優(yōu)選為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的U型，U 型管結(jié)構(gòu)簡單，便于將管束從蒸發(fā)器3的殼體內(nèi)抽出，管外便于清洗。殼體內(nèi)部還包括連接 蒸汽進(jìn)口 321與冷凝水出口 322的蒸汽管路，蒸汽管路優(yōu)選為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的蛇體進(jìn)入端2131相連通。 反應(yīng)氣體由反應(yīng)氣體進(jìn)口 311進(jìn)入蒸發(fā)器3內(nèi)，走殼程由反應(yīng)氣體出口 312流出， 尾氣由尾氣換熱器2出來后進(jìn)入蒸發(fā)器3，通過U型管，與進(jìn)入蒸發(fā)器3的反應(yīng)氣體經(jīng)過換 熱后，由尾氣出口 332流出。開始階段氫化爐1中還未產(chǎn)生尾氣，則利用蒸汽對反應(yīng)氣體進(jìn) 行預(yù)熱，蒸汽由蒸汽進(jìn)口 321進(jìn)入蒸發(fā)器3，通過蛇型蒸汽管路與反應(yīng)氣體進(jìn)行換熱，將熱 量傳給反應(yīng)氣體后，蒸汽溫度下降，變成冷凝水由冷凝水出口 322排出蒸發(fā)器3。待反應(yīng)一 段時間后有尾氣產(chǎn)生，則在蒸發(fā)器3中反應(yīng)氣體受到蒸汽和尾氣的共同預(yù)熱，根據(jù)實際生 產(chǎn)中的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，蒸汽的量可以減少甚至不用蒸汽。 經(jīng)過蒸發(fā)器3的預(yù)熱，四氯化硅由氣液混合相被蒸發(fā)為氣相，反應(yīng)氣體的溫度能 達(dá)到10(TC 20(TC，反應(yīng)氣體由反應(yīng)氣體出口 312流出后再進(jìn)入反應(yīng)氣體進(jìn)入端2131，流 入尾氣換熱器2的第一換熱段，在第一換熱段中，反應(yīng)氣體的溫度能達(dá)到200°C 400°C 。反 應(yīng)氣體經(jīng)過兩級預(yù)熱后，溫度較高，再進(jìn)入氫化爐1反應(yīng)時不需耗費較多的電能就能升溫 至氫化反應(yīng)所需的溫度，因此節(jié)約了能源。 尾氣從蒸發(fā)器3中排出后再送入分離設(shè)備進(jìn)行分離，分離后的氣體可以分別回收 進(jìn)行循環(huán)利用，大大提高原材料的利用率和減少廢物排放量。 使用本發(fā)明提供的生產(chǎn)三氯氫硅的裝置的優(yōu)選實施方式在進(jìn)行生產(chǎn)時，工藝流程 為首先四氯化硅和氫氣混合的反應(yīng)氣體進(jìn)入蒸發(fā)器3，反應(yīng)氣體走殼程，蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器 3內(nèi)部走蛇型管路，同時由氫化爐1排出的尾氣經(jīng)尾氣換熱器2后也進(jìn)入蒸發(fā)器3，走U型 管路最后排出蒸發(fā)器3，在蒸汽和尾氣對反應(yīng)氣體的預(yù)熱下，四氯化硅由氣液混合相被蒸發(fā) 為氣相，反應(yīng)氣體的溫度達(dá)到10(TC 20(TC，蒸汽成為冷凝水排出蒸發(fā)器。然后反應(yīng)氣體 進(jìn)入尾氣蒸發(fā)器2的第一換熱段，走第二套管213，由氫化爐1排出的尾氣在第一套管212 和第二套管213之間流動，方向與反應(yīng)氣體相反，第一套管212與外殼211之間走冷卻水， 冷卻水的方向也與尾氣方向相反，在換熱中，反應(yīng)氣體吸收尾氣的熱量，被加熱至20(TC 40(TC，尾氣將熱量傳給反應(yīng)氣體和冷卻水，得到冷卻，繼續(xù)通過第二換熱段流向蒸發(fā)器3。 得到進(jìn)一步加熱的反應(yīng)氣體最后由噴嘴2132噴入氫化爐1中，在爐內(nèi)熾熱的發(fā)熱體14表 面附近，發(fā)生四氯化硅的氫化反應(yīng)，生成三氯氫硅。 反應(yīng)氣體通過蒸發(fā)器3和尾氣換熱器2兩級預(yù)熱，以較高溫度進(jìn)入氫化爐1中消 耗較少的電能就可以達(dá)到氫化反應(yīng)的溫度，節(jié)省了能源；且由于反應(yīng)氣體具有一定溫度，因 此在反應(yīng)時，反應(yīng)速度較快，反應(yīng)時間較短，從而提高了進(jìn)料量。 以上對本實用新型所提供的利用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹。 本文中應(yīng)用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只 是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾， 這些改進(jìn)和修飾也落入本實用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種利用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的裝置，其特征在于，包括氫化爐，與氫化爐底部相連接的尾氣換熱器；所述尾氣換熱器包括第一換熱段，第一換熱段包括外殼，外殼內(nèi)套有雙層套管，由外向內(nèi)逐次為第一套管和第二套管，第一套管的第一端與氫化爐內(nèi)部相連通，第二套管在尾氣換熱器與氫化爐相連接處的第一端設(shè)置朝向氫化爐內(nèi)部的噴嘴，外殼在氫化爐底部的第一端設(shè)置與第一端相連通的排出管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述尾氣換熱器還包括第二換熱段，第二 換熱段包括外殼，外殼內(nèi)套有一層套管，第一換熱段的外殼的第二端與第二換熱段的外殼 的第一端相連通，第一換熱段的第一套管的第二端與第二換熱段的套管的第一端相連通；所述裝置還包括蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器包括殼體，殼體上設(shè)有反應(yīng)氣體進(jìn)口 、反應(yīng)氣體出 口 、蒸汽進(jìn)口 、冷凝水出口 、尾氣進(jìn)口 、尾氣出口 ，所述反應(yīng)氣體出口與尾氣換熱器的第一換 熱段的第二套管的第二端相連通，所述尾氣進(jìn)口與尾氣換熱器的第二換熱段的套管的第二 端相連，第二換熱段的外殼在靠近蒸發(fā)器處的第二端設(shè)置與第二端相通的管口 ；所述殼體內(nèi)部包括連接蒸汽進(jìn)口和冷凝水出口的蒸汽管路，連接尾氣進(jìn)口與尾氣出口 的尾氣管路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述噴嘴的數(shù)量為4個 12個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述噴嘴前后的壓差可以調(diào)節(jié)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述蒸汽管路為蛇型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述尾氣管路為U型。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述尾氣換熱器采用不銹鋼316L材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述氫化爐包括發(fā)熱體、內(nèi)保溫罩、外保 溫罩，均采用石墨或碳碳復(fù)合材料。
專利摘要本實用新型提供了一種利用四氯化硅生產(chǎn)三氯氫硅的裝置，其特征在于，包括氫化爐，與氫化爐底部相連接的尾氣換熱器；所述尾氣換熱器包括第一換熱段，第一換熱段包括外殼，外殼內(nèi)套有雙層套管，由外向內(nèi)逐次為第一套管和第二套管，第一套管的第一端與氫化爐內(nèi)部相連通，第二套管在尾氣換熱器與氫化爐相連接處的第一端設(shè)置朝向氫化爐內(nèi)部的噴嘴，外殼在氫化爐底部的第一端設(shè)置與第一端相連通的排出管。在本實用新型提供的裝置中，反應(yīng)氣體先被預(yù)熱后再進(jìn)入氫化爐中進(jìn)行氫化反應(yīng)，能夠節(jié)省能源，并且使得氫化反應(yīng)的反應(yīng)速度較快，反應(yīng)時間較短，產(chǎn)能大，適合大規(guī)模多晶硅的生產(chǎn)。
文檔編號C01B33/107GK201485289SQ20092017476
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者劉興國, 夏進(jìn)京, 朱國平, 潘和平 申請人:重慶大全新能源有限公司