專利名稱：一種氣相法二氧化硅的生產方法
技術領域：
本發明涉及無機精細化工的二氧化硅相關技術領域，具體地說是一種氣相法二氧化硅的生產方法。
背景技術：
氣相法生產二氧化硅中的重要原料是離不開四氯化硅原料的，由于對四氯化硅原 料純度要求比較高，一般在99. 5%以上才符合生產要求，因此生產工藝條件相當苛刻，從而 導致氣相二氧化硅的成本高。為降低氣相二氧化硅的生產成本，一些生產廠家則選用三氯 氫硅時副產的四氯化硅作為主要原料，由于生產三氯氫硅時副產的四氯化硅之純度一般地 在80%以上，其中含有懸濁物和沉淀物等機械雜質，如果采用通常的精餾方法如加以進一 步提純到99. 5%以上，會因塔內結垢及高、低沸物組分復雜而產生許多難以解決的問題。因此，能夠利用生產三氯氫硅時副產的四氯化硅，則能否同時去除含有低沸物、高 沸物、機械雜質，是需要解決問題的關鍵所在。只有如此，才能使用生產三氯氫硅時副產的 四氯化硅做原料，生產高質量的氣相二氧化硅。故如何低成本實現生產高質量的氣相二氧 化硅的方法是本發明研究的方向所在。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠有效去除四氯化硅原料中所含雜質及低、高沸物的 氣相法二氧化硅的生產方法。從根本上解決現有二氧化硅生產方法成本較高的問題，采用 本發明方法制造的二氧化硅，可用于與市售二氧化硅相同的用途，并且在保證二氧化硅高 質量的基礎上，降低了生產成本。本發明的技術方案是它包括有先將生產三氯氫硅時副產的四氯化硅原料與氫 氣、空氣以總摩爾比為1 2. 05 7 5.1 198的投入量分別采用間接和直接兩條路線 進入燃燒反應器中，間接進入是指將四氯化硅原料與部分空氣先進入除雜氣化器經除雜 后再進入燃燒反應器，其中空氣進入量占總空氣量的1/5 1/15，除雜氣化器的操作溫度 在45-90范圍內；而氫氣與剩余空氣量直接進入燃燒反應器中；將四氯化硅與氫氣、空氣以上述的摩爾比連續地投入到燃燒反應器中進行反應， 反應溫度為1000 1200°C，反應生成二氧化硅一次粒子，燃燒反應器出口溫度為200 300°C、出口壓力在99. 5-101千帕范圍內；該反應生成物經聚集器聚集成聚集態粒子，經兩 個旋風分離器的兩級旋風分離、以及雙級空氣噴射脫酸爐E噴射脫酸，脫酸爐內的脫酸溫 度為500-600°C，脫酸后到料倉，用真空壓縮包裝后即為成品；系統壓力控制在85-101千帕 范圍內，聚集器入口溫度為100-300°C ；所述除雜氣化器結構為包括預除渣段、氣化段、高沸物分離段三個功能區段，所 述三個功能區段依次連接，所述預除渣段可由多個排渣單元串聯而成且各個所述排渣單元 頂部相互連通，所述預除渣段前端的所述排渣單元頂部設置液體原料進料口，后端的所述 排渣單元頂部設置低沸物排出口，每個所述排渣單元底部的渣料出口均連接排渣器；所述氣化段設置氣化段物料流動腔，所述氣化段物料流動腔的物料入口即為所述預除渣段物料 出口，所述氣化段物料流動腔的物料出口即為所述高沸物分離段的物料入口，所述氣化段 物料流動腔內設置擾流板；所述高沸物分離段包括氣液分離器、與所述氣液分離器底部的 高沸物出口連接的高沸物排放器，所述氣液分離器頂部設置有用氣相物料出口 ；所述預除 渣段、氣化段、高沸物分離段三個功能區段腔體外側分別設有加熱夾套。第二級旋風分離后的空氣噴射脫酸直接進入脫酸爐中或返回到第一級旋風分離 的入口。空氣經空氣預熱器預熱后進入所述燃燒反應器，預熱溫度為100-200°C。 所述預除渣段的所述排渣器上方設置液體原料補料口和平衡口，所述排渣器下方 設置排渣口，所述液體原料補料口、平衡口、排渣口以及所述排渣單元底部的渣料出口處分 別設置閥門。所述氣化段的氣化段物料流動腔底部的氣化段的液體流動面上設置若干調節液 流分配的溢流堰，所述氣化段的液體流動面和預除渣段的液體流動面沿液體流動方向與水 平面呈下傾角狀態。所述高沸物分離段的所述高沸物排放器上方設置平衡口，所述高沸物排放器下方 設置高沸物排放口，所述平衡口、高沸物排放口以及所述氣液分離器底部的高沸物出口處 分別設置閥門。所述預除渣段前端的所述液體原料進料口處設有液體噴淋分配器。所述預除渣段前端設置載氣入口，所述載氣入口處設有防止液體物料淋入的擋 板。所述預除渣段的所述排渣單元腔體內設置阻止渣滓返混的填料物和擋板，所述高 沸物分離段的氣液分離器腔體內設置有利于氣液分離的填料物。所述排渣器和所述高沸物排放器分別設置清理操作手孔。本發明的優點和積極的技術效果是本發明在其生產方法中采用了生產三氯氫硅 時的副產品四氯化硅作為原料，因而大大降低了生產高質量二氧化硅的原料成本，同時，為 了保證副產品四氯化硅的高質量，本發明采用了特別設計的除雜氣化器對其預先除雜，保 證其參加反應時的純度；另外，由于四氯化硅具有強毒性、強腐蝕性，作為三氯氫硅的副產 品大量過剩、難以處理，所以對于生產三氯氫硅這種化工產品也非常有利。故生產氣相二氧 化硅時采用生產三氯氫硅時的副產品四氯化硅作為原料是一舉多得的技術方案，為氣相二 氧化硅和三氯氫硅兩種化工產品的生產都帶來了巨大的好處，其具有重大的經濟和環保意 義。
圖1是本發明的工藝示意簡圖；圖2是本發明的氣化器(完成圖1中雙點劃線框內部分功能)結構示意簡圖。圖中序號說明圖1 :A汽化器、B氫氧燃燒反應器、C聚集器、D旋風分離器組、E脫酸爐、F成品料 倉、G包裝機；al空氣、a2原料四氯化硅、a3機械雜質、a4高沸物、a5四氯化硅蒸汽、a6低 沸物、bl氯氣、b2空氣、dl尾氣、el空氣、e2渣料、e3尾氣、Π尾氣、gl袋裝成口 ；
圖2 1預除渣段、II氣化段、III高沸物分離段；1載氣入口、2液體原料進料口、3預除渣段液體流動面、4填料物、5低沸物排出口、 6加熱夾套、7氣化段物料流動腔、8擾流板、9有用氣相物料出口、10氣液分離器、11高沸物 出口、12平衡口、13高沸物排放器、14高沸物排放口、15氣化段物料出口(高沸物分離段的 物料入口)、16溢流堰、17氣化段的液體流動面、18預除渣段物料出口(氣化段物料入口)、 19擋板、20平衡口、21排渣器、22排渣口、23液體原料補料口、24排渣單元渣料出口(排渣 器入口)、25加熱夾套、26排渣單元、27液體噴淋分配器、28載氣入口擋板、29加熱夾套。
具體實施例方式根據圖1-2對本發明的技術方案作詳細描述。如圖1所示，本發明，進入燃燒反應器B的四氯化硅a2與氫氣b 1、空氣的摩爾比為 1 2. 05 7 5.1 198。四氯化硅a2與氫氣bl、空氣分別采用間接和直接兩條路線進 入燃燒反應器B中，具體為空氣分別由空氣al和空氣b2兩條路線加入，其中由空氣al線 路加入系統的空氣，占總空氣量的1/5 1/15。而氫氣bl與剩余空氣量直接進入燃燒反應 器B中。如圖1所示，原料四氯化硅a2和空氣al經計量后進入除雜氣化器A，氣化后的四 氯化硅進入1000 1200°C有氫氧焰的燃燒反應器B，進行機理示意如下的反應SiCl4+2H2+02 = Si02+4HC1四氯化硅與空氣、氫氣以上述間接和直接的方式噴射混合，將四氯化硅與氫氣、空 氣以上述的摩爾比連續地投入到燃燒反應器B中進行反應，反應生成二氧化硅一次粒子， 此粒子在聚集器C中凝聚碰撞后生成鏈狀結構，再進一步聚集成具有網狀結構的聚集態粒 子。經凝聚分離的白炭黑在雙級噴射脫酸的工藝裝置中可以連續的在脫酸爐E內完成脫酸 過程。該雙級噴射可以通過一級噴射將分離物噴入脫酸爐E內，同時二級噴射是保證一級 噴射的進一步補充，實現循環回收，從而保證了旋風分離器D的收率達99%以上。本發明的 成品采用真空壓縮包裝技術，將白炭黑由成品罐進入真空包裝機G中，在壓縮機的出口設 有刮刀，將白炭黑成品刮下進入包裝機G中，再由包裝機G包出成品。其中，燃燒反應溫度控制在1000 1200°C，燃燒反應器B出口溫度為200 3000C、出口壓力在99. 5-101千帕范圍內，該反應生成物經聚集器C聚集成聚集態粒子，聚 集器C入口溫度為100-300°C。再經兩個旋風分離器D的兩級旋風分離、以及雙級空氣噴射 脫酸爐E噴射脫酸，脫酸爐E內的脫酸溫度為500-600°C，即550°C左右，脫酸后到料倉F，用 包裝機G包裝成IOkg袋裝商品即為成品，系統壓力控制在85-101千帕范圍內。參見圖2，除雜氣化器A是本發明特有的氣化器，廣泛適用于體系中含有的低沸物 和高沸物的沸點與需要氣化后利用的有用組份沸點差較大的、且含機械雜質的液體物料體 系，作為兼具除渣、提純、氣化功能的氣化器使用。本發明除雜氣化器A的操作溫度在45-90 范圍內，可在45-56°C以下分離掉原料四氯化硅中的機械雜質和低沸物，在57-90°C以上分 離掉高沸物，從而使原料四氯化硅純度達到要求，保證生產穩定進行，保證產品純度及應 用性能符合要求。其結構主要由預除渣段I、氣化段II、高沸物分離段III三個功能區段組 成，這三個功能區段依次連接，預除渣段I、氣化段II、高沸物分離段III三個功能區段腔體 外側分別設有加熱夾套25、6、29。
預除渣段I可由多個排渣單元26串聯而成且各個排渣單元26頂部相互連通。各個排渣單元26相互連通部位設有預除渣段的液體流動面3。預除渣段的前、后端排渣單元 26頂部分別設置液體原料進料口 2和低沸物排出口 5，根據液體物料特性和工藝要求，可在 預除渣段前端設置載氣入口 1。排渣單元的形狀無特別限定，可為圓柱狀或四棱柱狀等，可 根據需要設定，當其腔體水平截面為圓筒狀時，液體物料可采用切線方向進入。每個排渣單 元26腔體內均設置降低返混作用的、有利于渣滓沉降的填料物4和防返混傘狀或脊狀的擋 板19。氣化段II設置氣化段物料流動腔7，氣化段物料流動腔的物料入口 18即為預除渣 段物料出口，氣化段物料流動腔的物料出口 15即為高沸物分離段的物料入口。高沸物分離段III主要由氣液分離器10、與氣液分離器10底部的高沸物出口 11 連接的高沸物排放器13等組成。在高沸物分離段III，高沸物在有用組份氣化之后，被積 存在氣液分離器10底部和高沸物排放器13內。氣液分離器10頂部設置有用氣相物料出 口 9，提純后的有用組份蒸氣和載氣通過此口輸出。氣液分離器10腔體內設置有利于氣液 分離的填料物，加入填料物可以消除液體被氣體夾帶走的問題。高沸物排放器13上方設置 平衡口 12，高沸物排放器13下方設置高沸物排放口 14，平衡口 12、高沸物排放口 14以及氣 液分離器底部的高沸物出口 11處分別設置閥門。預除渣段I的排渣器21和高沸物分離段 III的高沸物排放器13分別設置清理操作手孔。如圖2所示，生產三氯氫硅時副產的四氯化硅a2液態進入本發明的除雜氣化器A 的低沸物和機械雜質脫除段，空氣al作為載氣也加入除雜氣化器Α。四氯化硅和空氣可以 先預熱，低沸物和機械雜質脫除段內部溫度控制在56°C以下；脫除了低沸物a6和機械雜質 a3的物料進入到除雜氣化器A的氣化段，使四氯化硅汽化并分離掉高沸物a4 ；汽化段內部 溫度控制在57°C以上。提純后的四氯化硅a5與氫氣bl、空氣b2，被一同送進燃燒反應器B 中進行圖1所示反應。具體除雜過程如下在預除渣段I，機械雜質和低沸物被除掉。每個排渣單元26底部的渣料出口 24均 連接排渣器21，排渣器21上方設置液體原料補料口 23和平衡口 20，排渣器21下方設置排 渣口 22。液體原料補料口 23、平衡口 20、排渣口 22以及排渣單元底部的渣料出口 24處分 別設置閥門。原料液體從液體原料進料口 2加入，液體原料進料口 2下方可設有蓮蓬頭式 或其它形式的液體噴淋分配器27，載氣(可以是原料之一)從載氣入口 1進入，載氣入口 1 處也可設置窄縫式分配器或擋板28。氣體和液體接觸后，機械雜質繼續沉降，通過排渣單元 渣料出口(排渣器入口)24進入排渣器21。排放渣料時，先關閉排渣單元渣料出口(排渣 器入口)24處閥門，開啟平衡口 20處閥門，打開排渣口 22處閥門排掉渣料。渣料排凈后， 關閉排渣口 22處閥門，打開液體原料補料口 23處閥門補充滿排渣器21，然后關閉液體原料 補料口 23處閥門和平衡口 20處閥門，最后打開排渣單元渣料出口(排渣器入口)24處閥 門；在氣化段II，有用組份被氣化與高沸物實現分離。除掉機械雜質和低沸物后的物 料從氣化段物料流動腔的物料入口 18進入，液體流經氣化段的液體流動面17，有用組份在 物料到達氣化段物料流動腔的物料出口 15之前已被氣化。為獲得好的氣相物料混合狀態 和好的液相物料在液體流動面17上的流動分布，氣化段物料流動腔7內設置擾流板8，氣化 段物料流動腔底部液體流動面17上設置若干調節液流分配的溢流堰16。擾流板8形狀根據需要設定。預除渣段的液體流動面3和氣化段的液體流動面17沿液體流動方向與水平 面呈下傾角狀態，傾角范圍大約在0-25°，以便于液體流動；在高沸物分離段III排放高沸物時，關閉高沸物出口 11處的閥門，打開平衡口 12 處閥門，再打開高沸物排放口 14處的閥門，可排凈高沸物。然后，關閉高沸物排放口 14處 閥門，關閉平衡口 12處的閥門，最后打開高沸物出口 11處的閥門，繼續積存高沸物。實施例1 按氫氣四氯化硅空氣=1 1.6X10-3 1.5(摩爾比)比例，將含四氯化硅 90. 5%的前述原料四氯化硅、氫氣、空氣三種物料以前述方式送入燃燒反應器2。經過圖1 所示的工藝過程后得到產品分析(依據Q/SHG19-2008)結果為比表面積142m2/gPH 值3.8表觀密度53g/l。
權利要求
1.一種氣相法二氧化硅的生產方法，它包括有先將生產三氯氫硅時副產的四氯化硅 原料與氫氣、空氣以總摩爾比為1 2. 05 7 5.1 198的投入量分別采用間接和直接 兩條路線進入燃燒反應器中，間接進入是指將四氯化硅原料與部分空氣先進入除雜氣化 器經除雜后再進入燃燒反應器，其中空氣進入量占總空氣量的1/5 1/15，除雜氣化器的 操作溫度在45-90范圍內；而氫氣與剩余空氣量直接進入燃燒反應器中；將四氯化硅與氫氣、空氣以上述的摩爾比連續地投入到燃燒反應器中進行反應，反應 溫度為1000 1200°C，反應生成二氧化硅一次粒子，燃燒反應器出口溫度為200 300°C、 出口壓力在99. 5-101千帕范圍內；該反應生成物經聚集器聚集成聚集態粒子，經兩個旋 風分離器的兩級旋風分離、以及雙級空氣噴射脫酸爐E噴射脫酸，脫酸爐內的脫酸溫度為 500-600°C，脫酸后到料倉，用真空壓縮包裝后即為成品；系統壓力控制在85-101千帕范圍 內，聚集器入口溫度為100-300°C ；所述除雜氣化器結構為包括預除渣段、氣化段、高沸物分離段三個功能區段，所述三 個功能區段依次連接，所述預除渣段可由多個排渣單元串聯而成且各個所述排渣單元頂部 相互連通，所述預除渣段前端的所述排渣單元頂部設置液體原料進料口，后端的所述排渣 單元頂部設置低沸物排出口，每個所述排渣單元底部的渣料出口均連接排渣器；所述氣化 段設置氣化段物料流動腔，所述氣化段物料流動腔的物料入口即為所述預除渣段物料出 口，所述氣化段物料流動腔的物料出口即為所述高沸物分離段的物料入口，所述氣化段物 料流動腔內設置擾流板；所述高沸物分離段包括氣液分離器、與所述氣液分離器底部的高 沸物出口連接的高沸物排放器，所述氣液分離器頂部設置有用氣相物料出口 ；所述預除渣 段、氣化段、高沸物分離段三個功能區段腔體外側分別設有加熱夾套。
2.根據權利要求書1所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是第二級旋風 分離后的空氣噴射脫酸直接進入脫酸爐中或返回到第一級旋風分離的入口。
3.根據權利要求書1所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是空氣經空氣 預熱器預熱后進入所述燃燒反應器，預熱溫度為100-200°C。
4.根據權利要求書1所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是所述預除渣 段的所述排渣器上方設置液體原料補料口和平衡口，所述排渣器下方設置排渣口，所述液 體原料補料口、平衡口、排漁口以及所述排渣單元底部的渣料出口處分別設置閥門。
5.根據權利要求書1所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是所述氣化段 的氣化段物料流動腔底部的氣化段的液體流動面上設置若干調節液流分配的溢流堰，所述 氣化段的液體流動面和預除渣段的液體流動面沿液體流動方向與水平面呈下傾角狀態。
6.根據權利要求書1所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是所述高沸物 分離段的所述高沸物排放器上方設置平衡口，所述高沸物排放器下方設置高沸物排放口， 所述平衡口、高沸物排放口以及所述氣液分離器底部的高沸物出口處分別設置閥門。
7.根據權利要求書1或4所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是所述預 除渣段前端的所述液體原料進料口處設有液體噴淋分配器。
8.根據權利要求書1或4所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是所述預 除渣段前端設置載氣入口，所述載氣入口處設有防止液體物料淋入的擋板。
9.根據權利要求書1或4或6所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是所 述預除渣段的所述排渣單元腔體內設置阻止渣滓返混的填料物和擋板，所述高沸物分離段的氣液分離器腔體內設置有利于氣液分離的填料物。
10.根據權利要求書1或4或6或所述的一種氣相法二氧化硅的生產方法，其特征是 所述排渣器和所述高沸物排放器分別設置清理操作手孔。
全文摘要
一種氣相法二氧化硅的生產方法，從根本上解決現有二氧化硅生產方法成本較高的問題。它包括有將生產三氯氫硅時副產的四氯化硅原料與氫氣、空氣以總摩爾比為1∶2.05～7∶5.1～198的投入量分別采用間接和直接兩條路線進入燃燒反應器中進行反應，生成二氧化硅一次粒子，再經聚集器聚集成聚集態粒子，經兩個旋風分離器的兩級旋風分離、以及雙級空氣噴射脫酸爐E噴射脫酸，脫酸后到料倉，利用真空壓縮包裝；并由除雜氣化器完成四氯化硅原料的預先除雜，該除雜氣化器包括預除渣段、氣化段、高沸物分離段三個功能區段。本發明在保證二氧化硅高質量的基礎上，降低了生產成本。
文檔編號C01B33/12GK102001670SQ201010523529
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月29日 優先權日2010年10月29日
發明者吳子路, 徐麗, 朱恩偉, 王欣, 趙春明 申請人:沈陽化工股份有限公司