氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置及方法

1.本发明涉及一种氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置及方法，特别是涉及一种以氯硅烷为原料，增加多个(至少两个)冷分段，利用歧化反应，通过传质分离、换热部分充分反应分离，制备得到高纯度硅烷的装置及方法。


背景技术：

2.多晶硅是一种优质的半导体材料，是太阳能电池的主要材料之一。目前，多晶硅生产方法主要有改良西门子法、硅烷分解法、锌还原法、二氧化硅还原法等。硅烷分解法可以制备纯度较高的多晶硅，纯度可以达到电子级甚至更高，同时生产工艺流程简单，没有腐蚀性气体产生，设备损耗小，生产成本低。
3.目前硅烷的制备方法很多，其中最主要的制备方法有三种：硅镁合金法、氟化铝钠法和氯硅烷歧化法。综合评价三种工艺的优良性，并结合目前国内的国情，氯硅烷歧化法制备硅烷的工以更加适合。氯硅烷歧化法制备高纯硅烷的工艺最早由ucc公司提出，在其专利us4340574中提出了一种以三氯硅烷为原料，通过固定床多步歧化反应，而非三氯硅烷直接分解反应制备硅烷，歧化反应后伴随精馏提纯工序，制备得到高纯硅烷和四氯化硅。再之后的分解反应中，几乎仅生成氢气(h2)和金属硅，避免三氯硅烷直接分解产生氯化氢(hcl)类具有腐蚀性化合物。此后，德国拜耳公司将此流程进行了简化，仅通过一台反应精馏塔即可得到高纯硅烷产品，为了降低工艺实现难度及提高硅烷纯度，又提出了一台反应精馏塔和一台精馏提纯塔联合操作的工艺，并申请了专利us6905576。期间还有多位研究者对以上两种工艺进行了细节上的改进，但并没有本质上的工艺创新。
4.现有的氯硅烷歧化制备硅烷的技术，主要以三氯硅烷为反应原料，经过多步歧化反应制备硅烷，存在歧化反应转化率低，同时为了将原料进行充分利用，需要进行多次循环，导致歧化反应设备庞大、复杂，从而导致能耗较高。本发明提出一种新的氯硅烷歧化反应制备硅烷的工艺，原料选用三氯氢硅和二氯氢硅，采用反应分离塔，反应和分离同时进行，通过设计独特的冷分段工序，源源不断从塔顶采出高纯度硅烷，使得歧化反应不断朝着生成硅烷的方向进行，促进歧化反应更加彻底。


技术实现要素：

5.本发明提出一种氯硅烷歧化反应制备硅烷的工艺，以三氯氢硅和二氯氢硅为原料，利用歧化反应，通过传质分离、换热部分充分反应分离，制备得到高纯度硅烷。
6.本发明所涉及的歧化反应为：
[0007][0008][0009][0010]
其中sih3cl不稳定，在催化剂存在情况下几乎检测不出该物质的存在。因此，后两个反应在工程上可以合并为一步反应，即：
[0011][0012][0013]
本发明技术方案如下：
[0014]
本发明提出氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；制备装置包括反应分离段(1)、冷分段(2)和提馏段(3)，进料口(5)，再沸器(4)；该制备装置采用反应分离塔单塔结构，或反应分离塔和冷分塔双塔并联结构；装置采用单塔结构时反应分离塔塔顶设置高纯硅烷采出管线，塔釜设置四氯化硅采出管线；装置采用双塔并联结构时冷分塔塔顶设置高纯硅烷采出管线，反应分离塔塔釜设置四氯化硅采出管线。
[0015]
所述的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；采用反应分离塔单塔结构时，塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)；从塔釜到塔顶依次设置为提馏段(3)、原料进料口(5)、反应分离段(1)、至少两个以上冷分段(2)、塔顶高纯硅烷采出管线。
[0016]
所述的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；反应分离塔和冷分塔双塔并联结构时，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)，反应分离塔从塔釜到塔顶依次设置为提馏段(3)、原料进料口(5)、反应分离段(1)、塔顶气体产物输送管道，管道相连到冷分塔塔釜；冷分塔内至少设置两个冷分段(2)，冷分塔内冷分段连接塔顶高纯硅烷采出管线；冷分塔塔釜设置液体输送管道连接输送泵，再连接反应分离塔塔顶。
[0017]
所述的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；反应分离塔和冷分塔双塔并联结构时，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)，反应分离塔从塔釜到塔顶依次设置为提馏段(3)、原料进料口(5)、反应分离段(1)和连接一段冷分段(2)；一段冷分段(2)再连接塔顶气体产物输送管道，管道相连到冷分塔塔釜；冷分塔内至少连接一个冷分段(2)，冷分塔内冷分段(2)连接塔顶高纯硅烷采出管线，冷分塔塔釜设置液体输送管道连接输送泵，再连接反应分离塔塔顶。
[0018]
所述的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；冷分段(2)包括传质分离部分(2a)和换热部分(2b)，传质分离部分(2a)填充规整填料、散堆填料、分离塔盘中的一种或者多种组合；换热部分(2b)结构采用列管式、盘管式、u型管式中的一种或者多种组合。
[0019]
本发明的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置制备硅烷的方法，氯硅烷进入反应分离塔，流经反应分离段，气体向上走途经两个及以上冷分段进行产物分离提纯，液体向下流经提馏段进行产物分离提纯；反应分离段填充催化剂。
[0020]
所述的方法中，氯硅烷进入反应分离塔，首先在反应分离段充分发生歧化反应，反应分离塔中压力为0.1～1.0mpa，反应温度50～100℃，得到的反应产物气体和液体在反应分离段进行初步分离，产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅，气体向上走途经冷分段进行进一步分离；产物液体中包含三氯氢硅和四氯化硅，液体向下走流经提馏段进行分离。
[0021]
所述的方法中，冷分段(2)中换热部分通入的冷源为循环水、7℃水、冷冻盐、氟利昂、co2冷媒、乙烯、液氮中的一种或多种组合；气体产物在冷分段传质分离工序先进行吸附分离，再与冷源在换热结构两侧充分传热，热量交换，进一步冷凝杂质和非目标产物成液体向下流走，液体再经过传质分离部分进一步吸附分离，气体继续向上走；经过多次冷分段进行传质分离和换热分离，反应分离塔塔顶温度在-170℃～10℃，最终通过高纯硅烷采出管线采出高纯硅烷。
[0022]
所述的方法中，流经提馏段的四氯化硅和高沸点三氯氢硅，通过塔釜再沸器不断加热蒸发，并在提馏段分离，反应分离塔塔釜温度为80～160℃，最终高纯四氯化硅从塔釜采出。
[0023]
本发明一种氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置，其特征在于，制备装置包括反应分离段(1)、冷分段(2)和提馏段(3)，进料口(5)，再沸器(4)；该制备装置采用反应分离塔单塔结构，或反应分离塔和冷分塔双塔并联结构。装置采用单塔结构时反应分离塔塔顶设置高纯硅烷采出管线，塔釜设置四氯化硅采出管线；装置采用双塔并联结构时冷分塔塔顶设置高纯硅烷采出管线，反应分离塔塔釜设置四氯化硅采出管线所述的制备装置采用反应分离塔单塔结构时连接方式，从塔釜到塔顶，塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)，提馏段(3)，原料进料口(5)，反应分离段(1)连接至少两个以上冷分段(2)，冷分段再连接塔顶高纯硅烷采出管线，如图1所示。
[0024]
制备装置采用反应分离塔和冷分塔双塔并联结构时，塔内各段工序存在多种设置方式：
[0025]
如图2所示设置，反应分离塔从塔釜到塔顶，塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)，提馏段(3)，原料进料口(5)，反应分离段(1)连接塔顶气体产物输送管道至相连的冷分塔塔釜，冷分塔内至少连接两个以上冷分段(2)，冷分塔内冷分段连接塔顶高纯硅烷采出管线，冷分塔塔釜设置液体输送管道连接输送泵，再连接反应分离塔塔顶。
[0026]
如图3所示设置，反应分离塔从塔釜到塔顶，塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)，提馏段(3)，原料进料口(5)，反应分离段(1)连接一段冷分段(2)，冷分段(2)再连接塔顶气体产物输送管道至相连的冷分塔塔釜，冷分塔内至少连接一个以上冷分段(2)，冷分塔内冷分段(2)连接塔顶高纯硅烷采出管线，冷分塔塔釜设置液体输送管道连接输送泵，再连接反应分离塔塔顶。
[0027]
所述反应分离段(1)填充催化剂。
[0028]
所述塔中包含至少两个用于分离气体产物的冷分段(2)，冷分段(2)包括传质分离部分(2a)和换热部分(2b)，反应分离段(1)连接传质分离部分，传质分离部分连接换热部分。冷分段(2)中传质分离部分(2a)填充规整填料、散堆填料、分离塔盘中的一种或者多种组合。冷分段(2)中换热部分(2b)结构采用列管式、盘管式、u型管式中的一种或者多种组合。
[0029]
本发明氯硅烷歧化反应制备硅烷的方法，其特征在于，该方法以氯硅烷为反应原料，通过歧化反应装置，制备高纯度硅烷并联产物四氯化硅。氯硅烷通过进料口(5)进入反应分离塔，流经反应分离段，气体向上走途经两个及以上冷分段进行产物分离提纯，液体向下流经提馏段进行产物分离提纯。
[0030]
所述氯硅烷进入反应分离塔，首先在反应分离段充分发生歧化反应，控制塔中压力为0.1～1.0mpa，反应温度50～100℃，得到的反应产物气体和液体在反应分离段进行初步分离，产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅，气体向上走途经冷分段进行进一步分离；产物液体中包含三氯氢硅和四氯化硅，液体向下走流经提馏段进行分离。
[0031]
所述冷分段(2)中换热部分通入的冷源为循环水、7℃水、冷冻盐、氟利昂、co2冷媒、乙烯、液氮中的一种或多种组合。气体产物在冷分段传质分离工序先进行简单吸附分
离，再与冷源在换热结构两侧充分传热，热量交换，进一步冷凝杂质和非目标产物成液体向下流走，液体再经过传质分离部分进一步吸附分离，气体继续向上走。经过多次冷分段进行传质分离和换热分离，控制全部塔塔顶温度在-170℃～10℃，最终通过高纯硅烷采出管线采出高纯硅烷。
[0032]
所述流经提馏段的四氯化硅和高沸点三氯氢硅，通过塔釜再沸器不断加热蒸发，并在提馏段分离，控制塔釜温度为80～160℃，最终高纯四氯化硅从塔釜采出。
[0033]
本发明将氯硅烷通过原料进料口送入反应分离塔，流经反应段，在催化剂作用下，控制压力0.1～1.0mpa，反应温度50～100℃，氯硅烷发生歧化反应：液体产物，经塔釜再沸器不断加热，流经提馏段吸附分离，反应分离塔塔釜采出高纯四氯化硅；气体产物流经多段冷分段，经过多次冷凝吸附分离，通过高纯硅烷采出管线采出高纯硅烷。产物不断地从硅烷采出管线和四氯化硅采出管线采出，促进歧化反应向着产物生成的方向不断进行，促使反应更加彻底，转化率可达90％以上。
[0034]
本发明具有以下优点：
[0035]
[1]与传统多步歧化工艺相比，本发明工艺设备简单，仅通过一台反应分离塔即可实现多步歧化反应，反应和分离同时进行，通过设计独特的冷分段工序，采用单塔或多塔形式进行产物分离，源源不断从硅烷采出管线采出高纯度硅烷，使得歧化反应不断朝着生成硅烷的方向进行，促进歧化反应更加彻底。
[0036]
[2]塔中充分运用冷分段工序，冷分段中包括传质分离部分和换热部分，使得产物充分分离，使得硅烷产品自始至终处于气相状态，经过多个冷分段对硅烷产品进行除杂处理，使得到的硅烷产品纯度更高。
[0037]
[3]反应分离段分离的液体产物包含三氯氢硅和四氯化硅，液体向下走流经提馏段，通过塔釜再沸器不断加热蒸发，产物分离，四氯化硅从反应分离塔塔釜采出。
附图说明
[0038]
图1为氯硅烷歧化反应制备硅烷装置单塔结构；
[0039]
图2为氯硅烷歧化反应制备硅烷装置双塔结构-反应分离塔中无冷分段结构；
[0040]
图3为氯硅烷歧化反应制备硅烷装置双塔结构-反应分离塔中包含冷分段结构；
[0041]
图4为反应分离段(1)的纵截面；
[0042]
图5为冷分段换热部分冷源管线结构示意图，a为列管结构，b为u型管结构，c为盘管结构。
[0043]
其中：1-反应分离段；2-冷分段，2a-冷分段中传质分离部分，2b-冷分段中换热部分；3-提馏段；4-再沸器；5-氯硅烷进料口。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图对本发明所提供的工艺及设备进行进一步的说明。
[0045]
如图1所示，一种氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置，包括氯硅烷初步歧化反应分离段(1)、气体产物分离提纯冷分段(2)、三氯氢硅和四氯化硅分离提纯提馏段(3)、塔釜再沸器(4)以及进料口(5)，同时规定自塔釜到塔顶方向为自下而上。
[0046]
利用本发明的装置进行氯硅烷歧化反应制备硅烷的方法，将氯硅烷通过进料口
(5)加入到反应分离塔中，氯硅烷在反应分离段(1)中进行歧化反应，并在此部分发生初步分离，产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅，气体向上走途经冷分段进行进一步分离，最终到高纯硅烷从硅烷采出管线采出；产物液体中包含高沸点三氯氢硅和四氯化硅，液体向下走流经提馏段，通过塔釜再沸器不断加热蒸发，产物分离，四氯化硅从塔釜采出。
[0047]
具体应用实例如下：
[0048]
实例1：
[0049]
tcs原料泵送入歧化反应分离塔，制备装置采用反应分离塔单塔结构，如图1所示。tcs进料口(5)进入装置，连接反应分离段(1)，反应分离段填充催化剂，由碱性阴离子交换树脂装填于耐腐蚀通透口袋中，与丝网波纹填料间隔成卷制得，起到反应分离的作用。此段反应分离塔操作压力控制在1mpag，反应段温度控制在105～120℃之间，中部反应分离段温度自上而下逐渐升高，反应产物有液体和气体在此段分离如图4所示。反应产物液体含有高沸点三氯氢硅和四氯化硅，往塔釜流动，流经提馏段，提馏段理论塔板数为50，再经塔釜再沸器不断加热蒸发，塔釜温度为150～160℃，三氯氢硅不断被吸附与四氯化硅分离，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线采出纯度99.2％高纯四氯化硅。反应产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅往塔顶流走，途经两段冷分段，自下而上，第一段冷分段传质分离部分填充规整填料，换热部分冷源选用7℃水，冷源管线采用盘管结构如图5c所示，控制此段温度为10℃；第二段冷分段传质分离部分填充规整填料，换热部分冷源选用co2冷源，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制塔顶温度为-50℃。在此操作条件下，反应分离塔塔顶高纯硅烷采出管线采出纯度99.2％高纯硅烷。
[0050]
实例2：
[0051]
dcs原料泵送入歧化反应分离塔，制备装置采用反应分离塔单塔结构，如图1所示。dcs进料口(5)进入装置，连接反应分离段(1)，反应段填充催化剂，由碱性阴离子交换树脂装填于耐腐蚀通透口袋中，与丝网波纹填料间隔成卷制得，起到反应分离的作用。此段反应分离塔操作压力控制在0.8mpag，反应段温度控制在65～80℃之间，中部反应分离段温度自上而下逐渐升高，反应产物有液体和气体在此段分离如图4所示。反应产物液体含有高沸点三氯氢硅和四氯化硅，往塔釜流动，流经提馏段，提馏段理论塔板数为100，再经塔釜再沸器不断加热蒸发，塔釜温度约为145～150℃，三氯氢硅不断被吸附与四氯化硅分离，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线采出纯度99.2％高纯四氯化硅。反应产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅往塔顶流走，途经两段冷分段，自下而上，第一段冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用7℃水，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制此段温度为10℃；第二段冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用氟利昂，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制塔顶温度为-65℃。在此操作条件下，反应分离塔塔顶高纯硅烷采出管线采出纯度99.0％高纯硅烷。
[0052]
实例3：
[0053]
tcs原料泵送入歧化反应分离塔，制备装置采用反应分离塔和冷分塔双塔并联结构设置，如图2所示。tcs进料口(5)进入装置，连接反应分离段(1)，反应分离塔中反应段填充催化剂，由碱性阴离子交换树脂装填于耐腐蚀通透口袋中，与丝网波纹填料间隔成卷制得，起到反应分离的作用，此段反应分离塔操作压力控制在0.3mpag，反应段温度控制在70
～80℃之间，中部反应分离段温度自上而下逐渐升高，反应产物有液体和气体在此段分离如图4所示。反应产物液体含有高沸点三氯氢硅和四氯化硅，往塔釜流动，流经提馏段，提馏段理论塔板数为100，再经塔釜再沸器不断加热蒸发，塔釜温度约为100～110℃，三氯氢硅不断被吸附与四氯化硅分离，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线采出纯度99.0％高纯四氯化硅。反应产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅往反应分离塔塔顶流走，途经反应分离塔塔顶气体产物输送管道至连接的冷分塔塔釜，冷分塔采用三段冷分段，自下而上，第一段冷分段传质分离部分填充分离塔盘填料，换热部分冷源选用循环水，冷源管线采用盘管结构如图5c所示，控制此段温度为30℃；第二段冷分段传质分离部分填充分离塔盘填料，换热部分冷源选用冷冻盐水，冷源管线采用u型管结构如图5b所示，控制此段温度为-10℃；第三段冷分段传质分离部分填充分离塔盘填料，换热部分冷源选用乙烯，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制冷分塔塔顶温度为-85℃。经冷分塔分离后液体由塔釜的液体输送管道通过输送泵返回反应分离塔。在此操作条件下，冷分塔塔顶高纯硅烷采出管线采出纯度99.8％高纯硅烷。
[0054]
实例4：
[0055]
dcs原料泵送入歧化反应分离塔，制备装置采用反应分离塔和冷分塔双塔并联结构设置，如图2所示。dcs进料口(5)进入装置，连接反应分离段(1)，反应分离塔中反应段填充催化剂，由碱性阴离子交换树脂装填于耐腐蚀通透口袋中，与丝网波纹填料间隔成卷制得，起到反应分离的作用，此段反应分离塔操作压力控制在0.4mpag，反应段温度控制60～80℃之间，中部反应分离段温度自上而下逐渐升高，反应产物有液体和气体在此段分离如图4所示。反应产物液体含有高沸点三氯氢硅和四氯化硅，往塔釜流动，流经提馏段，提馏段理论塔板数为100，再经塔釜再沸器不断加热蒸发，塔釜温度约为110～120℃，三氯氢硅不断被吸附与四氯化硅分离，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线采出纯度99.2％高纯四氯化硅。反应产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅往反应分离塔塔顶流走，途经反应分离塔塔顶气体产物输送管道至连接的冷分塔塔釜，冷分塔采用三段冷分段，自下而上，第一段冷分段传质分离部分填充规整填料，换热部分冷源选用循环水，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制此段温度为30℃；第二段冷分段传质分离部分填充规整填料，换热部分冷源选用冷冻盐水，冷源管线采用盘管结构如图5c所示，控制此段温度为-10℃；第三段冷分段传质分离部分填充规整填料，换热部分冷源选用乙烯，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制冷分塔塔顶温度为-80℃。经冷分塔分离后液体由塔釜的液体输送管道通过输送泵返回反应分离塔。在此操作条件下，冷分塔塔顶高纯硅烷采出管线采出纯度99.6％高纯硅烷。
[0056]
实例5：
[0057]
tcs原料泵送入歧化反应分离塔，制备装置采用反应分离塔和冷分塔双塔并联结构设置，如图3所示。tcs进料口(5)进入装置，连接反应分离段(1)，反应分离塔中反应段填充催化剂，由碱性阴离子交换树脂装填于耐腐蚀通透口袋中，与丝网波纹填料间隔成卷制得，起到反应分离的作用，此段反应分离塔操作压力控制在0.4mpag，反应段温度控制在70～90℃之间，中部反应分离段温度自上而下逐渐升高，反应产物有液体和气体在此段分离如图4所示。反应产物液体含有高沸点三氯氢硅和四氯化硅，往塔釜流动，流经提馏段，提馏段理论塔板数为40，再经塔釜再沸器不断加热蒸发，塔釜温度约为110～115℃，三氯氢硅不
断被吸附与四氯化硅分离，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线采出纯度99.0％高纯四氯化硅。反应产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅往反应分离塔塔顶流走，途经反应分离塔中冷分段，冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用源选用7℃水，冷源管线采用u型管结构如图5b所示，控制此段温度10℃；反应分离塔中冷分段连接塔顶气体产物输送管道至连接的冷分塔塔釜，冷分塔采用一段冷分段，冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用乙烯，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制冷分塔塔顶温度为-80℃。经冷分塔分离后液体由塔釜的液体输送管道通过输送泵返回反应分离塔。在此操作条件下，冷分塔塔顶高纯硅烷采出管线采出纯度99.2％高纯硅烷。
[0058]
实例6：
[0059]
dcs原料泵送入歧化反应分离塔，制备装置采用反应分离塔和冷分塔双塔并联结构设置，如图3所示。dcs进料口(5)进入装置，连接反应分离段(1)，反应分离塔中反应段填充催化剂，由碱性阴离子交换树脂装填于耐腐蚀通透口袋中，与丝网波纹填料间隔成卷制得，起到反应分离的作用，此段反应分离塔操作压力控制在0.4mpag，反应段温度控制在75～90℃之间，中部反应分离段温度自上而下逐渐升高，反应产物有液体和气体在此段分离如图4所示。反应产物液体含有高沸点三氯氢硅和四氯化硅，往塔釜流动，流经提馏段，提馏段理论塔板数为30，再经塔釜再沸器不断加热蒸发，塔釜温度约为110-120℃，三氯氢硅不断被吸附与四氯化硅分离，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线采出纯度99.0％高纯四氯化硅。反应产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅往反应分离塔塔顶流走，途经反应分离塔中冷分段，冷分段传质分离部分填充规整填料，换热部分冷源选用7℃水，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制此段温度10℃；反应分离塔中冷分段连接塔顶气体产物输送管道至连接的冷分塔塔釜，冷分塔采用一段冷分段，冷分段传质分离部分填充规整填料，换热部分冷源选用乙烯，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制冷分塔塔顶温度为-80℃。经冷分塔分离后液体由塔釜的液体输送管道通过输送泵返回反应分离塔。在此操作条件下，冷分塔塔顶高纯硅烷采出管线采出纯度99.0％高纯硅烷。
[0060]
实例7：
[0061]
tcs原料泵送入歧化反应分离塔，制备装置采用反应分离塔和冷分塔双塔并联结构设置，如图3所示。tcs进料口(5)进入装置，连接反应分离段(1)，反应分离塔中反应段填充催化剂，由碱性阴离子交换树脂装填于耐腐蚀通透口袋中，与丝网波纹填料间隔成卷制得，起到反应分离的作用，此段反应分离塔操作压力采用0.1mpag，反应段温度控制在40～60℃之间，中部反应分离段温度自上而下逐渐升高，反应产物有液体和气体在此段分离，如图4所示。反应产物液体含有高沸点三氯氢硅和四氯化硅，往塔釜流动，流经提馏段，提馏段理论塔板数为100，再经塔釜再沸器不断加热蒸发，塔釜温度约为70～80℃，三氯氢硅不断被吸附与四氯化硅分离，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线采出纯度99.3％高纯四氯化硅。反应产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅往反应分离塔塔顶流走，途经反应分离塔中冷分段，冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用7℃水，冷源管线采用盘管结构如图5c所示，控制此段温度为10℃；反应分离塔中冷分段连接塔顶气体产物输送管道至连接的冷分塔塔釜，冷分塔采用二段冷分段，自下而上，第一段冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用co2冷源，冷源管线采用盘管结构如图5c所示，控制此段温度为-40℃；第二段冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选
用液氮，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制冷分塔塔顶温度为-160℃。经冷分塔分离后液体由塔釜的液体输送管道通过输送泵返回反应分离塔。在此操作条件下，冷分塔塔顶高纯硅烷采出管线采出纯度99.5％高纯硅烷。
[0062]
实例8：
[0063]
dcs原料泵送入歧化反应分离塔，制备装置采用反应分离塔和冷分塔双塔并联结构设置如图3所示。dcs进料口(5)进入装置，连接反应分离段(1)，反应分离塔中反应段填充催化剂，由碱性阴离子交换树脂装填于耐腐蚀通透口袋中，与丝网波纹填料间隔成卷制得，起到反应分离的作用，此段反应分离塔操作压力采用0.1mpag，反应段温度控制在40～60℃之间，中部反应分离段温度自上而下逐渐升高，反应产物有液体和气体在此段分离如图4所示。反应产物液体含有高沸点三氯氢硅和四氯化硅，往塔釜流动，流经提馏段，提馏段理论塔板数为100，再经塔釜再沸器不断加热蒸发，塔釜温度约为70～80℃，三氯氢硅不断被吸附与四氯化硅分离，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线采出纯度99.0％高纯四氯化硅。反应产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅往反应分离塔塔顶流走，途经反应分离塔中冷分段，冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用7℃水，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制此段温度为10℃；反应分离塔中冷分段连接塔顶气体产物输送管道至连接的冷分塔塔釜，冷分塔采用二段冷分段，自下而上，第一段冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用co2冷源，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制此段温度为-40℃；第二段冷分段传质分离部分填充散堆填料，换热部分冷源选用液氮，冷源管线采用列管结构如图5a所示，控制冷分塔塔顶温度为-160℃。经冷分塔分离后液体由塔釜的液体输送管道通过输送泵返回反应分离塔。在此操作条件下，冷分塔塔顶高纯硅烷采出管线采出纯度99.6％高纯硅烷。
[0064]
本发明提出一种氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置和方法，已通过实施例进行了描述。本发明公开和提出的技术方案，相关技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

技术特征：
1.氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；其特征在于，制备装置包括反应分离段(1)、冷分段(2)和提馏段(3)，进料口(5)，再沸器(4)；该制备装置采用反应分离塔单塔结构，或反应分离塔和冷分塔双塔并联结构；装置采用单塔结构时反应分离塔塔顶设置高纯硅烷采出管线，塔釜设置四氯化硅采出管线；装置采用双塔并联结构时冷分塔塔顶设置高纯硅烷采出管线，反应分离塔塔釜设置四氯化硅采出管线。2.如权利要求1所述的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；其特征在于，采用反应分离塔单塔结构时，塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)；从塔釜到塔顶依次设置为提馏段(3)、原料进料口(5)、反应分离段(1)、至少两个以上冷分段(2)、塔顶高纯硅烷采出管线。3.如权利要求1所述的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；其特征在于，反应分离塔和冷分塔双塔并联结构时，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)，反应分离塔从塔釜到塔顶依次设置为提馏段(3)、原料进料口(5)、反应分离段(1)、塔顶气体产物输送管道，管道相连到冷分塔塔釜；冷分塔内至少设置两个冷分段(2)，冷分塔内冷分段连接塔顶高纯硅烷采出管线；冷分塔塔釜设置液体输送管道连接输送泵，再连接反应分离塔塔顶。4.如权利要求1所述的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；其特征在于，反应分离塔和冷分塔双塔并联结构时，反应分离塔塔釜四氯化硅采出管线连接塔釜再沸器(4)，反应分离塔从塔釜到塔顶依次设置为提馏段(3)、原料进料口(5)、反应分离段(1)和连接一段冷分段(2)；一段冷分段(2)再连接塔顶气体产物输送管道，管道相连到冷分塔塔釜；冷分塔内至少连接一个冷分段(2)，冷分塔内冷分段(2)连接塔顶高纯硅烷采出管线，冷分塔塔釜设置液体输送管道连接输送泵，再连接反应分离塔塔顶。5.如权利要求1所述的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置；其特征在于，冷分段(2)包括传质分离部分(2a)和换热部分(2b)，传质分离部分(2a)填充规整填料、散堆填料、分离塔盘中的一种或者多种组合；换热部分(2b)结构采用列管式、盘管式、u型管式中的一种或者多种组合。6.权利要求1的氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置制备硅烷的方法，其特征在于，氯硅烷进入反应分离塔，流经反应分离段，气体向上走途经两个及以上冷分段进行产物分离提纯，液体向下流经提馏段进行产物分离提纯；反应分离段填充催化剂。7.如权利要求6所述的方法，其特征是，氯硅烷进入反应分离塔，首先在反应分离段充分发生歧化反应，反应分离塔中压力为0.1～1.0mpa，反应温度50～100℃，得到的反应产物气体和液体在反应分离段进行初步分离，产物气体中包含硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和低沸点三氯氢硅，气体向上走途经冷分段进行进一步分离；产物液体中包含三氯氢硅和四氯化硅，液体向下走流经提馏段进行分离。8.如权利要求6所述的方法，其特征是，冷分段(2)中换热部分通入的冷源为循环水、7℃水、冷冻盐、氟利昂、co2冷媒、乙烯、液氮中的一种或多种组合；气体产物在冷分段传质分离工序先进行吸附分离，再与冷源在换热结构两侧充分传热，热量交换，进一步冷凝杂质和非目标产物成液体向下流走，液体再经过传质分离部分进一步吸附分离，气体继续向上走；经过多次冷分段进行传质分离和换热分离，反应分离塔塔顶温度在-170℃～10℃，最终通过高纯硅烷采出管线采出高纯硅烷。9.如权利要求6所述的方法，其特征是，流经提馏段的四氯化硅和高沸点三氯氢硅，通过塔釜再沸器不断加热蒸发，并在提馏段分离，反应分离塔塔釜温度为80～160℃，最终高
纯四氯化硅从塔釜采出。

技术总结
本发明涉及一种氯硅烷歧化反应制备硅烷的装置及方法，制备装置包括反应分离段、冷分段和提馏段，进料口，再沸器；该制备装置采用反应分离塔单塔结构，或反应分离塔和冷分塔双塔并联结构；装置采用单塔结构时反应分离塔塔顶设置高纯硅烷采出管线，塔釜设置四氯化硅采出管线；装置采用双塔并联结构时冷分塔塔顶设置高纯硅烷采出管线，反应分离塔塔釜设置四氯化硅采出管线。氯硅烷进入反应分离塔，流经反应分离段，气体向上走途经两个及以上冷分段进行产物分离提纯，液体向下流经提馏段进行产物分离提纯；本发明工艺设备简单，仅通过一台反应分离塔即可实现多步歧化反应，反应和分离同时进行，转化率可达90％以上。转化率可达90％以上。转化率可达90％以上。


技术研发人员：黄国强 张琼云 王乃治 耿强
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/5