专利名称：采用静态混合升压器提纯三氯氢硅热泵节能分离装置和方法
技术领域：
本发明属于精馏技术领域，采用静态混合升压器提纯三氯氢硅热泵节能分离装置 和方法，特别提出一种多晶硅生产过程中的三氯氢硅分离提纯系统及操作方法。
背景技术：
三氯氢硅又称三氯硅烷、硅氯仿，分子式为SiHCl3,用于有机硅烷和烷基、芳基以 及有机官能团氯硅烷的合成，是有机硅烷偶联剂中最基本的单体，也是生产半导体硅、单晶 硅的原料。随着多晶硅和有机硅产业的迅速发展，对三氯氢硅的需求量很大，但是受国外技 术封锁的限制，目前国内仅有几家三氯氢硅的生产企业，且受国外技术封锁的限制，其产品 产量和质量远不能满足多晶硅的市场需求。目前多晶硅生产企业主要采用改良西门子法。该方法的生产流程是利用氯气和氢 气合成氯化氢(或外购氯化氢)，氯化氢和冶金硅粉在一定温度下合成三氯氢硅，分离精馏 提纯后的三氯氢硅进入还原炉被氢气还原，通过化学气相沉积反应生产高纯多晶硅。该流 程包括五个主要环节三氯氢硅的合成、三氯氢硅的精馏提纯、三氯氢硅的氢还原、尾气的 回收和四氯化硅的氢化分离。由以上工艺流程可以看出，多晶硅的产品质量与三氯氢硅精馏单元的处理情况紧 密相关，现在的精馏分离工艺(如图幻采用一个或多个精馏塔1，塔顶蒸汽9经冷凝器21 冷凝后8采出15或返回16精馏塔顶，塔釜溶液17 —部分19采出，一部分18经再沸器22 加热变为蒸汽20返回塔釜。多数厂家为了达到高纯度的要求，采用的精馏塔较高，回流比 较大，其设备投资和能耗均比较高。
发明内容
本发明的目的，是为提纯三氯氢硅生产提供一种节能精馏系统及工艺，它采用一 种静态混合升压器，并结合热泵精馏技术，在提纯三氯氢硅的同时，将能量消耗降到最小。本发明是通过以下技术方案加以实现的一种采用静态混合升压器的热泵精馏提纯三氯氢硅的分离装置，包括精馏塔，冷 凝再沸器和蒸发器，其特征是在精馏塔、冷凝再沸器和蒸发器之间设置有静态混合升压器； 静态混合升压器从进口到出口依次由收缩段、混合段、侧向引射管和扩压段构成；精馏塔顶 与低压蒸汽从静态混合升压器侧向引射管连接，静态混合升压器的收缩段与蒸发器连接， 冷凝再沸器于静态混合升压器扩压段连接。采用静态混合升压器的热泵精馏提纯三氯氢硅的分离方法，三氯氢硅原料8经过 精馏塔1分离后，塔顶低压蒸汽9从静态混合升压器4侧向引射管被另一股从收缩段进入 的塔顶高压蒸汽10吸入混合，混合后的高压蒸汽11从静态混合升压器4扩压段25排出， 并在冷凝再沸器2内进行热量交换，塔釜物料17 —部分19采出，一部分18在冷凝再沸器2内受热变为蒸汽20重新返回塔釜，冷却后的塔顶冷凝液12 —部分采出15，一部分16返 回塔顶，剩余部分13经过蒸发器3升压，重新与塔顶低压蒸汽9在静态混合器4内混合。精馏塔塔顶操作压力为285_305kPa，塔顶回流比为30_45，塔釜再沸比为2_3，理 论板数为40-60，塔顶温度为64-66°C，塔釜温度为67-69°C，蒸发器压力为2. 2MPa，静态混 合升压器主向进口压力2. 2MPa，侧向进口压力为0. 28-0. 3MPa，出口压力为0. 45MPa。具体说明如下一种采用静态混合升压器提纯三氯氢硅的热泵节能精馏系统，包括精馏塔，静态 混合升压器，冷凝再沸器，蒸发器和泵等，精馏塔塔顶低压蒸汽从静态混合升压器引射管处 被另一股从收缩段进入的塔顶高压蒸汽引射后混合，混合后的塔顶蒸汽从静态混合升压器 的扩压段排出，并与塔釜组份在冷凝再沸器内进行热交换，冷凝下来的塔顶组分一部分返 回塔顶，一部分采出，剩余部分在蒸发器内加压，并重新与低压塔顶蒸汽混合；塔釜组分一 部分采出，一部分在冷凝再沸器受热后变为蒸汽重新返回塔釜。在静态混合升压器如图2所示，是一种将流量、压力和温度等特性不同的两股蒸 汽混合的无动力消耗设备，由进口收缩段23、混合段M、侧向引射管沈以及出口扩压段25 组成。在静态混合升压器中，高压蒸汽从混合器收缩段进入，气流加速，马赫数增大，压力温 度随之下降，并在混合段处形成一个较低的压力，将低压蒸汽从侧向引射管引入，使其能够 在不需要外加动力的条件下实现高压与低压蒸汽的混合，混合后蒸汽从扩压段放出。采用一种静态混合升压器的三氯氢硅热泵精馏节能工艺，其中静态混合升压器的 工作原理如下(见图2)本发明首次采用一种称为静态混合升压器的装置实现高压蒸汽10与低压蒸汽9 的混合，高压蒸汽10从静态混合升压器4收缩段23进入，气流加速，马赫数增大，压力温度 随之下降，此时在混合段M处形成一个较低的压力，并将低压蒸汽9从侧向引射管沈引射 入混合段对，混合后的气流从扩压段25排出，静态混合升压器主向进口压力2. 2MPa，侧向 进口压力为0. 28-0. 3MPa,出口压力为0. 45Mpa。这样就能够在不需要外加动力的条件下实 现高压低压蒸汽的混合。本发明通过对系统进行加压精馏，提高三氯氢硅原料中低沸点化合物的沸点，避 免了常压下需要使用低温循环冷冻系统进行冷凝，大大减少了设备投资，换热效率得到了 极大提高，同时，本发明采用了热泵精馏技术，但与传统热泵精馏不同的是，本发明采用蒸 发器加热提高部分塔顶蒸汽温度和压力，并采用静态混合升压器将高压和低压塔顶蒸汽进 行混合形成高压气流，并在冷凝再沸器中进行热交换，最大限度的利用了塔顶蒸汽潜热，极 大程度的减少了精馏过程中的能量消耗，相对于传统的精馏分离工艺，过程总能耗降低约 80%。与现有技术相比，本发明的优点在于通过合理优化设计，采用静态混合升压器，在 加压条件下利用热泵精馏技术解决了高纯三氯氢硅分离纯化问题，同时该发明可以采用双 塔或者多塔操作，都能最大限度的减少了精馏过程中的能量消耗，为其高纯三氯氢硅的应 用领域提供了必备的优势，具有较好的经济效益和社会效益。
图1是采用静态混合升压器的三氯氢硅热泵节能精馏装置的流程示意图。
图2是静态混合升压器结构图。图3是采用传统方法提纯三氯氢硅精馏工艺流程示意图。其中1-精馏塔、2-冷凝再沸器、3-蒸发器、4-静态混合升压器、5-泵、6_塔釜组 分收集罐、7-塔顶组分收集罐、8 20-物料流股、21-冷凝器、22-再沸器、23-静态混合升 压器收缩段、24-静态混合升压器混合段、25-静态混合升压器扩压段、26-静态混合升压器 侧向引射管。
具体实施例方式下面结合实例对本发明做进一步阐述，但并不对本发明产生任何限制。如图1、图2所示，采用静态混合升压器的热泵精馏提纯三氯氢硅的分离装置，包 括精馏塔，冷凝再沸器和蒸发器，其特征是在精馏塔、冷凝再沸器和蒸发器之间设置有静态 混合升压器；静态混合升压器从进口到出口依次由收缩段、混合段、侧向引射管和扩压段构 成；精馏塔顶与低压蒸汽从静态混合升压器侧向引射管连接，静态混合升压器的收缩段与 蒸发器连接，冷凝再沸器于静态混合升压器扩压段连接。采用一种静态混合升压器的三氯氢硅热泵节能精馏方，包括精馏塔1，静态混合升 压器4，冷凝再沸器2，蒸发器3和泵5等。在加压条件下，塔顶低压蒸汽9从静态混合升压 器4侧向引射管沈被另一股从收缩段23进入的塔顶高压蒸汽10引射后混合，混合后的高 压蒸汽11从静态混合升压器4扩压段25排出，并与塔釜物料18在冷凝再沸器2内进行热 量交换，塔釜物料17 —部分19采出，一部分18在冷凝再沸器2内受热变为蒸汽20重新返 回塔釜，冷却后的塔顶冷凝液12—部分采出15，一部分16返回塔顶，剩余部分13经过蒸发 器3升压，重新与塔顶低压蒸汽9在静态混合器4内混合。精馏塔塔顶操作压力为285_305kPa，塔顶回流比为30_45，塔釜再沸比为2_3，理 论板数为40-60，塔顶温度为64-66°C，塔釜温度为67_69°C，蒸发器压力为2. 2MPa，静态混 合升压器主向进口压力2. 2MPa，侧向进口压力为0. 28-0. 3MPa，出口压力为0. 45MPa。以下实例中所用原料的组成为三氯氢硅含量为99.5%，二氯二氢硅含量为 0. 5%，同时含有硼、磷、铁、有机硅等微量杂质，进料量为1000kg/h。其过程操作参数及分离 效果见表1 :表1采用静态混合升压器的三氯氢硅热泵节能精馏工艺实例操作参数
实例1实例2实例3
塔顶操作压力285kPa塔顶操作压力305kPa塔顶操作压力295kPa塔顶温度64 "C塔顶温度6TC塔顶温度66°C精塔釜温度67°C塔釜温度69°C塔釜温度68"C理论板数50理论板数40理论板数60馏塔顶回流比45塔顶回流比40塔顶回流比30塔釜再沸比2塔釜再沸比2.3塔釜再沸比3蒸发器操作压力2.2MPa蒸发器操作压力2.2MPa蒸发器操作压力2.2MPa
权利要求
1.采用一种静态混合升压器的热泵精馏提纯三氯氢硅的分离装置，包括精馏塔，静态 混合升压器、冷凝再沸器和蒸发器，其特征是在精馏塔、冷凝再沸器和蒸发器之间设置有静 态混合升压器；静态混合升压器由收缩段、混合段、侧向引射管和扩压段构成；精馏塔顶与 低压蒸汽从静态混合升压器侧向引射管连接，静态混合升压器的收缩段与蒸发器连接，冷 凝再沸器于静态混合升压器扩压段连接。
2.采用一种静态混合升压器的热泵精馏提纯三氯氢硅的方法，其特征是三氯氢硅原料 (8)经过精馏塔(1)分离后，塔顶低压蒸汽(9)从静态混合升压器(4)侧向引射管被另一股 从收缩段进入的塔顶高压蒸汽(10)吸入混合，混合后的高压蒸汽(11)从静态混合升压器 (4)扩压段0 排出，并在冷凝再沸器O)内进行热量交换，塔釜物料(17) —部分(19)采 出，一部分(18)在冷凝再沸器O)内受热变为蒸汽00)重新返回塔釜，冷却后的塔顶冷凝 液(1 一部分采出(15)，一部分(16)返回塔顶，剩余部分(1 经过蒸发器C3)升压，重新 与塔顶低压蒸汽(9)在静态混合器内混合。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是精馏塔塔顶操作压力为285-305kPa，塔顶回 流比为30-45，塔釜再沸比为2-3，理论板数为40-60，塔顶温度为64-66°C，塔釜温度为 67-690C，蒸发器压力为2. 2MPa,静态混合升压器主向进口压力2. 2MPa,侧向进口压力为 0. 28-0. 3MPa,出 口压力为 0. 45MPa。
全文摘要
本发明涉及采用静态混合升压器提纯三氯氢硅热泵节能分离装置和方法，包括精馏塔，静态混合升压器、冷凝再沸器和蒸发器，在精馏塔、冷凝再沸器和蒸发器之间设置有静态混合升压器；静态混合升压器由收缩段、混合段、侧向引射管和扩压段构成；精馏塔顶与低压蒸汽从静态混合升压器侧向引射管连接，静态混合升压器的收缩段与蒸发器连接，冷凝再沸器于静态混合升压器扩压段连接。本发明利用一种静态混合升压器，将两股不同压力温度下的塔顶蒸汽进行混合，并在冷凝再沸器中与塔釜液进行热交换，充分利用了塔顶蒸汽的热量，极大程度的减少了能耗，相对于传统精馏系统节能80％。此外，经该工艺纯化后的三氯氢硅产品纯度可达到99.99999％，产品收率也可在75.0％以上。
文档编号C01B33/107GK102134080SQ20111009154
公开日2011年7月27日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者刘春江, 孙博, 苏国良, 黄国强 申请人:天津大学