三氯氢硅合成尾气回收利用系统的制作方法

1.本技术涉及三氯氢硅合成尾气处理技术，尤其涉及一种三氯氢硅合成尾气回收利用系统。


背景技术：

2.三氯氢硅也称三氯硅烷，是一种无机物，化学式为sihcl3，为无色液体，极易挥发，溶于苯、醚等多数有机溶剂，性质稳定。三氯氢硅主要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。常用的合成三氯氢硅的方法是沸腾氯化法，即硅粉经干燥后加入三氯氢硅合成炉，与通入炉中的干燥氯化氢气体在300～320℃进行反应得到。在反应过程中会产生大量氢气，因为反应温度远高于合成得到的三氯氢硅、四氯硅烷、二氯二氢硅等产物的沸点，因而从氯化沸腾炉输出的是气态的产物也即合成气，合成气中含有产物三氯氢硅、四氯硅烷、二氯二氢硅、氢气和未反应完的氯化氢和硅粉，将合成气经过除尘、冷凝，方能得到液态的三氯氢硅。在冷凝过程中大量氢气、氯化氢不被冷凝而排出，也即三氯氢硅合成尾气，其中裹挟少量三氯氢硅、二氯二氢硅、四氯硅烷等。
3.三氯氢硅合成尾气中，主要成分是氢气，占比约85～95％，氯化氢约 5～10％，三氯氢硅、二氯二氢硅等硅烷约3％。该尾气有很大利用价值。目前主要通过变压吸附将合成尾气中的氢气、氯化氢、氯硅烷三者各自分开后再分别利用，但是变压吸附方式处理三氯氢硅合成尾气运行成本高。


技术实现要素：

4.本技术提供一种三氯氢硅合成尾气回收利用系统，用以解决上述现有三氯氢硅合成尾气的处理方法运行成本较高的问题。
5.本技术提供一种三氯氢硅合成尾气回收利用系统，包括压缩机、冷热交换器、冷凝器、压缩尾气罐、混合罐、氯化氢合成炉；压缩机连接冷热交换器的管程气相入口，冷热交换器的管程气相出口连接冷凝器的气相入口；冷凝器的气相出口连接冷热交换器的壳程气相入口，冷热交换器的壳程气相出口连接压缩尾气罐，压缩尾气罐、混合罐和氯化氢合成炉依次串联；
6.三氯氢硅合成尾气回收利用系统还包括三氯氢硅接收罐；冷热交换器的液相出口与三氯氢硅接收罐连接；冷凝器的液相出口与三氯氢硅接收罐连接。
7.可选地，三氯氢硅合成尾气回收利用系统还包括三氯氢硅合成炉，三氯氢硅合成炉与氯化氢合成炉连接。
8.可选地，混合罐还连接有氢气储罐。
9.可选地，三氯氢硅合成炉还依次串联有换热器、旋风分离器、布袋除尘器、洗涤塔和三氯氢硅储罐；
10.三氯氢硅接收罐还与洗涤塔连接。
11.可选地，三氯氢硅合成炉包括三氯氢硅合成炉本体、进料口和气相出口；
12.三氯氢硅合成炉本体包括下部的反应段和上部的气固分离段；
13.反应段外部设置有温度交换层，温度交换层内螺旋设置有加热管和制冷管，加热管内流动热媒，制冷管内流动冷媒；
14.进料口设置在三氯氢硅合成炉本体的反应段的底部，气相出口设置在三氯氢硅合成炉本体的气固分离段的顶部。
15.可选地，温度交换层包括热媒入口、热媒出口、冷媒入口和冷媒出口；热媒入口和冷媒入口设置在温度交换层底部的侧面，且沿温度交换层的中轴线对称分布；热媒出口和冷媒出口设置在温度交换层顶部的侧面，且沿温度交换层的中轴线对称分布。
16.可选地，气固分离段的内径为反应段内径的1.5～2倍。
17.可选地，热媒为温度为350～400℃的导热油，冷媒为温度为50～100℃的导热油。
18.本技术提供的三氯氢硅合成尾气回收利用系统，通过将三氯氢硅合成产生的尾气经压缩机加压后，从冷热交换器上封头进入冷热交换器管程，与冷凝器出来的低温压缩气逆向换热，压缩气从冷热交换器下封头出来再进入冷凝器上部，与冷媒逆向换热后，从冷凝器下封头出来进入冷热交换器壳程，最后从冷热交换器壳程上部出来，依次通过压缩尾气罐、混合罐后，进入氯化氢合成炉，反应生成氯化氢，再进入三氯氢硅合成炉中利用，实现三氯氢硅合成尾气的回收与利用。本技术的系统利用冷凝装置将大部分氯硅烷除掉，再利用氯化氢合成炉将氢气和氯化氢的混合物与氯气燃烧形成氯化氢产物，氯化氢产物产物返回三氯氢硅合成炉重复利用，处理过程简便且大大降低生产成本。本技术的系统闭路循环，减少环境污染，降低能量消耗。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本技术一实施例提供的三氯氢硅合成尾气回收利用系统示意图；
21.图2为本技术一实施例提供的三氯氢硅合成尾气回收利用系统示意图；
22.图3为本技术一实施例提供的三氯氢硅合成尾气回收利用系统示意图；
23.图4为本技术另一实施例提供的三氯氢硅合成炉的结构示意图。
24.1、压缩机；
25.2、冷热交换器；
26.3、冷凝器；
27.4、压缩尾气罐；
28.5、混合罐；
29.6、氯化氢合成炉；
30.7、三氯氢硅合成炉；
31.701、三氯氢硅合成炉本体；
32.702、反应段；
33.703、气固分离段；
34.704、进料口；
35.705、气相出口；
36.706、温度交换层；
37.7061、热媒入口；
38.7062、冷媒入口；
39.7063、热媒出口；
40.7064、冷媒出口；
41.8、三氯氢硅接收罐；
42.9、氢气储罐；
43.10、洗涤塔；
44.11、三氯氢硅储罐；
45.12、换热器；
46.13、旋风分离器；
47.14、布袋除尘器。
具体实施方式
48.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，也属于本技术保护的范围。
49.如图1所示，本技术提供一种三氯氢硅合成尾气回收利用系统，包括压缩机1、冷热交换器2、冷凝器3、压缩尾气罐4、混合罐5、氯化氢合成炉6；压缩机1连接冷热交换器2的管程气相入口，冷热交换器2的管程气相出口连接冷凝器3的气相入口；冷凝器3的气相出口连接冷热交换器2的壳程气相入口，冷热交换器2的壳程气相出口连接压缩尾气罐4，压缩尾气罐4、混合罐5和氯化氢合成炉6依次串联；
50.三氯氢硅合成尾气回收利用系统还包括三氯氢硅接收罐8；三氯氢硅接收罐8分别与冷热交换器2的液相出口和冷凝器3的液相出口连接。
51.本技术中，压缩机1，即气体压缩机，用于将待处理尾气进行压缩，提高待处理尾气的压力。三氯氢硅合成后得到的合成气中含有产物三氯氢硅、四氯硅烷、二氯二氢硅、氢气和未反应完的氯化氢和硅粉，在生产中，将合成气经过除尘、冷凝，得到液态的三氯氢硅。在合成气冷凝过程中大量氢气、氯化氢无法被冷凝而排出，所排出的气体也即三氯氢硅合成尾气，其中含有少量三氯氢硅、二氯二氢硅、四氯硅烷等。本技术中的压缩机1 将三氯氢硅合成尾气压缩处理后，使得其压力达到预设压力，比如500kpa，称之为压缩气，再输送至后续工段处理，因为只有在高压条件下，三氯氢硅合成尾气中的三氯氢硅才能再次冷凝，进而被分离。
52.冷热交换器2，相当于一个换热器，将冷凝器3输出的气体作为冷源，对进入冷热交换器2中的压缩气进行预冷处理。在本技术中，三氯氢硅合成产生的尾气经压缩机加压至500kpa后，进入冷热交换器管程上部与冷凝器3出来的低温压缩气逆向换热，压缩气从冷热
交换器2下封头出来再进入冷凝器3上部，进行深度冷凝；也即压缩气进入冷热交换器2的管程，冷凝器3输出的低温压缩气进入冷热交换器2的壳程充当冷源，通过冷热交换器2将冷凝器3输出的气体中的冷量进行再次利用，减少能量的浪费，具有节约能源、减少能量损耗以及合理利用资源和能量的优点。
53.冷凝器3，本技术中冷凝器3采用温度低于-25℃的冷冻盐水作为冷源对冷凝器3降温，在冷凝器3中，操作压力维持在高压状态，比如500kpa，因为在冷凝器的操作温度下，高压促使三氯氢硅合成尾气中的三氯氢硅再次被冷凝，进而被分离。合成尾气中的二氯二氢硅和三氯氢硅由于沸点较高(三氯氢硅为31.8℃，二氯氢硅为8.2℃)，在进入冷凝器3后会先冷凝下来，还有氯化氢和氢气等在此温度下无法冷凝(称为不凝性气体)而通过气体的形式被排出至压缩尾气罐。因而通过冷凝的方式，将压缩气中的三氯氢硅和二氯二氢硅与上述不易冷凝的氯化氢和氢气和少量的二氯二氢硅等气体分离，被冷凝的三氯氢硅进入三氯氢硅接收罐8，而不易冷凝的气体则进入三氯氢硅合成炉7中。本技术中为了维持冷凝器3中的压力，可以在冷热交换器2的壳程气相出口和压缩尾气罐4之间设置泄压阀，当冷凝器3中的压力高于预设值，比如500kpa时，泄压阀开启将部分压缩气排入压缩尾气罐4内完成泄压，而当冷凝器3中的压力低于预设值时，泄压阀则保持关闭状态。
54.压缩尾气罐4，压缩尾气罐4用于接收和储存来自冷热交换器2所排出的不凝性气体(主要是氢气占比约90～95％，氯化氢约5～10％)，同时也具有一定的缓冲作用。
55.混合罐5，主要起到混合气体，使气体成分保持均匀的作用，并且还具有缓冲作用。
56.本技术中，从混合罐5输出的气体，进入氯化氢合成炉6中，在氯气氛围中燃烧产生氯化氢气体，产生的氯化氢气体可再次输送至三氯氢硅合成工段使用或者以成品售卖。设置氯化氢合成炉6将不凝性气体再次利用，具有节约资源、降低企业成本的益处，同时将不凝性气体再次利用也具有保护环境的作用，并且将不凝性气体反应生成氯化氢可作为产品售卖，也具有为企业创收的积极效果。
57.三氯氢硅接收罐8，在本技术中，利用冷热交换器2将压缩气进行预冷时，压缩气中的一部分三氯氢硅会在冷热交换器2的低温和高压下冷凝，被冷凝的三氯氢硅则通过冷热交换器2下封头的液相出口进入三氯氢硅接收罐8中储存；冷凝器3为压缩气的主要冷却装置，在冷凝器3中，会有大量三氯氢硅冷凝成液体，通过冷凝器3的液相出口进入三氯氢硅接收罐 8中。被三氯氢硅接收罐8所接收和存储的三氯氢硅或是直接输送至工厂内其他需要消耗三氯氢硅的工段，或是将三氯氢硅接收罐8中的三氯氢硅精馏后使用，或是直接售卖，都可为企业节约资源，降低企业的生产成本，并且在一定程度上还具有为企业创收的积极作用。
58.本技术提供的三氯氢硅合成尾气回收利用系统，通过将三氯氢硅合成产生的尾气经压缩机加压后，从冷热交换器上封头进入冷热交换器管程与冷凝器出来的低温压缩气逆向换热，压缩气从冷热交换器下封头出来再进入冷凝器上部，与冷媒逆向换热后，从冷凝器下封头出来进入冷热交换器壳程，最后从冷热交换器壳程上部出来氢气和氯化氢，氢气和氯化氢依次通过压缩尾气罐、混合罐后，进入氯化氢合成炉，反应生成氯化氢，再进入三氯氢硅合成炉中利用，实现三氯氢硅合成尾气的回收与利用，处理过程简便、成本低，有利于资源的合理利用。
59.可选地，三氯氢硅合成尾气回收利用系统还包括三氯氢硅合成炉7，三氯氢硅合成
炉7与氯化氢合成炉6连接。
60.本技术中，氯化氢合成炉6中合成得到的氯化氢可以输入至三氯氢硅合成炉7中，用以和三氯氢硅合成炉7中的硅粉反应再次生成三氯氢硅，设置三氯氢硅合成炉7用于将氯化氢合成炉6中合成得到的氯化氢充分利用，有利于降低生产成本、节约资源。
61.如图2所示，可选地，混合罐5还连接有氢气储罐9。
62.本技术中，氢气储罐9与混合罐5连接，用于向混合罐5中输送纯净的氢气，在混合罐5中将不凝性气体和纯净氢气混合，调节输入氯化氢合成炉6中的氢气的含量，使得进入氯化氢合成炉6中的不凝性气体的氢气的含量稳定，从而保证合成得到的氯化氢的质量稳定。
63.如图3所示，可选地，三氯氢硅合成炉7还依次串联有换热器12、旋风分离器13、布袋除尘器14、洗涤塔10和三氯氢硅储罐11；三氯氢硅接收罐8还与洗涤塔10连接。
64.本技术中，在实际生产时，常用的合成三氯氢硅的方法是沸腾氯化法，即硅粉经干燥后加入三氯氢硅合成炉7，与通入炉中的干燥氯化氢气体在 300～320℃进行反应得到。在反应过程中会产生大量氢气，因为反应温度远高于合成得到的三氯氢硅、四氯硅烷、二氯二氢硅等产物的沸点，因而从氯化沸腾炉输出的是气态的产物也即合成气，合成气中含有产物三氯氢硅、四氯硅烷、二氯二氢硅、氢气、未反应完的氯化氢和硅粉，以及反应中产生的固体颗粒，在将产物三氯氢硅分离提纯前，需要将合成气中的硅粉和反应中产生的固体颗粒除掉。由于三氯氢硅和反应产生的二氯二氢硅、四氯硅烷等氯硅烷对水敏感，因而基本采用干法除尘的方式，比如设置旋风分离器和布袋除尘器等装置将合成气中的硅粉、固体颗粒等粉尘除去，但是这种固体除尘的方式无法完全除去合成气中的粉尘，未被除去的粉尘会影响三氯氢硅产品的品质。
65.本技术中，从三氯氢硅合成炉中输出的合成气的温度在300℃左右，其中含有大量能量，若不加以利用则会导致热量的损失，本技术设置换热器12将高温合成气中的热量置换利用，降低合成气的温度，能减少高温合成气对后续处理装置的损害，因而设置换热器12不仅能将合成气中的高温加以利用，还具有保护后续处理装置的作用。
66.旋风分离器13，旋风分离器是用于气固体系或者液固体系的分离的一种设备。工作原理为：靠气流切向引入造成的旋转运动，使具有较大惯性离心力的固体颗粒或液滴甩向外壁面分开。旋风分离器的主要特点是结构简单、操作弹性大、效率较高、管理维修方便，价格低廉，用于捕集直径 5～10μm以上的粉尘，广泛应用于制药工业中，特别适用于粉尘颗粒较粗、含尘浓度较大、高温高压条件下粉尘的除去，是工业上应用很广的一种分离设备。
67.布袋除尘器14，布袋除尘器是一种干式除尘装置，它适用于捕集细小、干燥非纤维性粉尘。滤袋采用纺织的滤布或非纺织的毡制成，利用纤维织物的过滤作用对含尘气体进行过滤，当含尘气体进入布袋除尘器，颗粒大、比重大的粉尘，由于重力的作用沉降下来，落入灰斗，含有较细小粉尘的气体在通过滤料时，粉尘被阻留，使气体得到净化。
68.旋风分离器13和布袋除尘器14联合使用，能捕集并除掉合成气中约 99％的粉尘，二者结合使用除尘效率高。
69.如图4所示，可选地，三氯氢硅合成炉7包括三氯氢硅合成炉本体701、进料口704和气相出口705；
70.三氯氢硅合成炉本体701包括下部的反应段702和上部的气固分离段 703；
71.反应段702外部设置有温度交换层706，温度交换层706内螺旋设置有加热管和制冷管，加热管内流动热媒，制冷管内流动冷媒；
72.进料口704设置在三氯氢硅合成炉本体701的反应段702的底部，气相出口705设置在三氯氢硅合成炉本体701气固分离段703的顶部。
73.本技术中，进料口704用于导入反应底物如干燥的硅粉和氯化氢；气相出口705用于将反应得到的合成气排出。温度交换层706用于对三氯氢硅合成炉7进行加热或降温，以调控和维持反应体系的温度。
74.可选地，温度交换层706包括热媒入口7061、热媒出口7063、冷媒入口7062和冷媒出口7064；热媒入口7061和冷媒入口7062设置在温度交换层706底部的侧面，且沿温度交换层706的中轴线对称分布；热媒出口7063和冷媒出口7064设置在温度交换层706顶部的侧面，且沿温度交换层706的中轴线对称分布。
75.可选地，热媒为温度为350～400℃的导热油，冷媒为温度为50～100℃的导热油。
76.本技术中，分别设置冷媒出、入口和热媒出、入口，将热媒和冷媒的供应管路分开，这种分类设置能够将热媒和冷媒区分使用，在生产中，硅粉和氯化氢合成三氯氢硅前期需要加热，此时打开热媒入口7061，保持冷媒入口7062关闭，供热媒进入，实现对体系的加热；而当反应进行后则需要调控反应体系的温度，需要对反应降温，此时关闭热媒入口7061，打开冷媒入口7062，供冷媒进入，实现对体系的降温。
77.本技术中，硅粉在和氯化氢反应时需要加热至反应温度(320～340℃) 才能进行反应，此过程需要对反应炉加热，导热油有极高的沸点，因而适于对反应炉加热；而硅粉与氯化氢的反应为放热反应，反应开始后体系又会释放大量的热，而硅粉在和氯化氢反应的最佳温度为280～320℃，温度过高会导致三氯氢硅的产量降低，因此需要对反应体系降温，使用温度为 50～100℃的导热油不仅可以对体系降温，而且温度为50～100℃的导热油在对反应体系降温后，吸收热量还能够作为其他工段的热媒继续使用。并且由于导热油的性质不会导致管道结垢，因而能减少对管道的维护频率，延长管道的使用寿命。
78.可选地，气固分离段703的内径为反应段702内径的1.5～2倍。
79.本技术中，气固分离段703的内径设置的比反应段702的内径大，当合成气进入气固分离段703时，由于气固分离段703内径大，合成气会降速，合成气中裹挟的固体颗粒会沉降下来，减少从三氯氢硅合成炉7中输出的合成气中固体颗粒的含量，减小后续粉尘处理装置的压力。
80.本技术的系统利用冷凝装置将大部分氯硅烷除掉，利用氯化氢合成炉将氢气和氯化氢的混合物与氯气燃烧形成氯化氢产物，氯化氢产物返回三氯氢硅合成炉重复利用，大大降低生产成本。本技术的系统闭路循环，减少环境污染，降低能量消耗。
81.最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。