多晶硅--三氯氫硅生產工藝流程
發布時間:
2023-01-20
三氯氫硅的英文學名為Trichlorosilane，在CAS(國際化學文摘雜志)中編號為10025-78-2，它的常見分子式是SiHCl3，分子量為135.45，常見熔點為mp -126.5°C，常見沸點為bp760 31.8°C, also reported as 36.5°C，常見密度為d40 0.001383 g/cm3，這是一種由Cl 78.52%, H 0.74%, Si 20.73%構成的化合物。
中文名 : 三氯氫硅
英文名 : Trichlorosilane
化學式 : SiHCl3
組成 : Cl 78.52%, H 0.74%, Si 20.73%
相對分子質量 : 135.45
相對密度 : d40 0.001383 g/cm3; d420 1.3417 kg/m3; d425 1.3313 kg/m3
熔點 : mp -126.5°C
沸點 : bp760 31.8°C, also reported as 36.5°C
折射率 : nD20 1.4020; nD25 1.3983
CAS : 10025-78-2
簡介 : 三氯氫硅的英文學名為Trichlorosilane，在CAS(國際化學文摘雜志)中編號為10025-78-2，它的常見分子式是SiHCl3，分子量為135.45，常見熔點為mp -126.5°C，常見沸點為bp760 31.8°C, also reported as 36.5°C，常見密度為d40 0.001383 g/cm3，這是一種由Cl 78.52%, H 0.74%, Si 20.73%構成的化合物。
1、三氯氫硅主要用途
三氯氫硅(HSiCl3)是一種用途非常廣泛的有機硅單體，是生產半導體硅、單晶硅和多晶硅的重要原料，亦是合成有機硅烷和烷基、芳基以及有機官能團氯硅烷最基本的單體。隨著多晶硅及有機硅烷偶聯劑工業的發展，尤其是精細化工、有機硅產業、電子產品、光纖通訊等行業的快速發展，為三氯氫硅的生產和下游產品的開發提供了巨大的市場空間和機遇。對氯堿企業而言，三氯氫硅還是一個可規劃的產值高、有發展前途的產品，投資小，見效快，具有很好的經濟效益，市場開發潛力大。
2、三氯氫硅市場需求
三氯氫硅主要用做硅烷類偶聯劑和多晶硅的中間體，目前我國硅烷類偶聯劑和多晶硅產品需求都很旺盛。
國際上(包括中國)的多晶硅生產技術主要采用改良西門子法，即用氯和氫合成氯化氫(或外購氯化氫)，氯化氫再與工業硅粉在一定溫度下合成三氯氫硅，隨后對三氯氫硅進行分離精餾提純，提純后的三氯氫硅在氫還原爐內進行CVD反應生產多晶硅。這說明，生產廠商只要外購到生產多晶硅的核心原料如三氯氫硅，就完全可以在其他地區生產多晶硅。經過我們的調查，目前大部分多晶硅生產廠商基本上以外購原材料為主。
3、晨光院三氯氫硅技術優勢
三氯氫硅采用硅粉與氯化氫氣體在流化床反應器中生成，在生產中消耗大量的氯氣和氫氣，是氯堿企業的種很好的提高經濟效益的氯平衡產品。
三氯氫硅又稱硅氯仿，分子式為SiHCl3，甲硅烷的三氯代物。為一種易流動的無色液體，密度1.34克/厘米;能溶于苯、氯仿和二硫化碳。
用于有機硅烷和烷基、芳基以及有機官能團氯硅烷的合成，是有機硅烷偶聯劑中最基本的單體，也是生產半導體硅、單晶硅的原料，隨著有機硅烷偶聯劑工業的發展而出現供不應求，生產量越來越大。
三氯氫硅為一種易流動的無色液體，易揮發，易潮解，在空氣中發生反應產生白煙并放出強烈的惡臭味，遇水分解，易溶于苯、醚、氯仿和二硫化碳等有機溶劑。熔點為-126.5℃，沸點為31.8℃，閃點為-13.9℃。屬一級遇濕易燃易爆物品，自燃溫度為185℃，在空氣密度為1時，蒸汽相對密度為4.7，在空氣中爆炸極限為1.2～90.5%(體積分數)。遇水反應產生氯化氫氣體;它與氧化劑發生強烈反應，遇明火、高熱時發生燃燒或爆炸。其火災危險性屬甲B類。
參考中國報告網發布《2017-2022年中國三氯氫硅市場競爭調研及十三五發展態勢預測報告》
三氯氫硅生產主要有3個工序：三氯氫硅合成、三氯氫硅精餾、尾氣處理。
1、三氯氫硅合成生產工藝
硅粉用人工加入硅粉干燥器，用蒸汽加熱至一定的溫度，然后利用氮氣和位差壓入硅粉計量罐，最后由硅粉給料機送入三氯氫硅沸騰爐，與通入的氯化氫氣體在一定的溫度下反應;生成的氣體經重力沉降器、布袋過濾器、高沸物去除器、2級冷凝器后得到粗品三氯氫硅;粗品三氯氫硅經計量槽放入氯化料儲槽。
此工藝在實際生產過程中出現了以下7種情況：硅粉加入管道容易堵塞，經常需人工敲打，增加工人勞動強度，而且容易造成爐內壓力不穩定，影響三氯氫硅合成收率;硅粉給料機密封不好，造成沸騰爐爐頂氣外漏，存在極大的安全隱患;氯化氫氣體含水量高，縮短設備使用壽命，檢修頻繁，裝置達不到設計能力;經2級冷凝器冷凝下來的粗品量少，系統尾氣量大，尾氣吸收池內的水解物過多;冷卻水量不容易控制，特別是剛開車時容易造成停爐;水冷器容易堵塞，生產裝置的連續生產無保障;系統壓力不穩定，導致氯化氫進爐量不穩定，容易造成停爐。
2、三氯氫硅精餾工藝流程
粗品儲罐內的三氯氫硅用泵經轉子流量計計量進入精餾塔塔釜;用蒸汽調節閥控制釜內溫度;三氯氫硅氣體自塔頂流出，經過塔頂冷凝器冷凝后，一部分進入產品計量槽，分析合格后進入成品貯罐，另一部分回流至塔頂;四氯化硅積存于精餾塔塔底，通過計量調節閥送入四氯化硅儲槽。
技改前的三氯氫硅生產工藝流程圖
(1)第1級冷卻器;
(2)第2級冷卻器;
(3)氯化氫捕集器;
(4)氯化氫緩沖罐;
(5)硅粉干燥器;
(6)硅粉料倉;
(7)硅粉計量罐;
(8)硅粉給料機;
(9)沸騰爐;
(10)重力沉降器;
(11)布袋過濾器;
(12)高沸物去除器;
(13)水冷器;
(14)深冷器;
(15)氯化料計量罐;
(16)溫水冷卻器;
(17)溫水儲槽;
(18)尾氣吸收塔
資料來源：公開資料整理
三氯氫硅精餾工藝流程圖
(1)氯化料儲槽;
(2)氯化料進料泵;
(3)1塔再沸器;
(4)1精餾塔;
(5)1塔塔頂冷凝器;
(6)1塔塔頂冷凝器緩沖罐;
(7)低沸物計量罐;
(8)2塔再沸器;
(9)2精餾塔;
(10)2塔塔頂冷凝器;
(11)2塔塔頂冷凝器緩沖罐;
(12)高沸物計量罐;
(13)產品計量罐
資料來源：公開資料整理
此工藝的操作要點是塔頂和塔釜的溫度、進出料量和回流比。塔頂和塔釜的溫度一旦控制不好,產品純度必將受影響,導致不合格產品的產生;穩定的進出料量是精餾操作穩定的充分必要條件;回流比關系著產品質量和能耗的大小。
3、尾氣處理
尾氣的主要成分為三氯氫硅、氯化氫和氫氣。原工藝對尾氣的處理方法主要是經水洗塔水解，生成不溶于水的二氧化硅和鹽酸。這種處理方法不但浪費三氯氫硅，提高了三氯氫硅的生產成本，管道容易堵塞，而且對水解物的清理增大了工人的勞動強度，對酸性水的處理增加了污水處理費用。
今后的改造方向
(1)沸騰爐用溫水冷卻改為用導熱油冷卻，進一步穩定沸騰爐的反應溫度，延長設備使用壽命，同時利用導熱油的熱量加熱硅粉和預熱進爐的氯化氫，副產的低壓蒸汽供三氯氫硅精餾使用，從而進一步降低汽耗，提高三氯氫硅合成收率。
(2)改進硅粉干燥系統，提高硅粉干燥溫度，由現在的100e提高到200e左右，進一步減少硅粉中的水含量，進一步提高三氯氫硅的收率。
(3)尾氣系統增加增壓冷凝和變壓吸附設施，進一步回收尾氣中的三氯氫硅，同時對尾氣中的氯化氫和氫氣進行二次利用，既解決/三廢問題，又大大降低三氯氫硅的生產成本。
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