三氯氢硅合成工艺及控制.pdf

2010年10月
云南冶金
第39卷第5期(总第224期)
YUNNAN METALLURGY
Vol 39. No5(Sum224)
三氯氢硅合成工艺及控制
李文光,李光,罗平,谭宗国
(昆明治研新材料股份有限公司,云南昆明650031
摘要;介绍了三氯氢硅的基本性质、用途、生产工艺和生产设备,并针对生产过程的要求提出了控制解决
方案。
关键词:三氯氢硅;流化态沸腾炉;串级控制;比例控制
中图分类号:TQ219.文献标识码:A文章编号:1006-0308(2010)05-0044-04
Process and Control of Trichlorosilane Synthesis
LI Wen-guang, L Guang-xi, LUO Ping, TAN Zong-guo
(Kunming Yeyan New-material Co, Ltd, Kunming, Yunnan 650031, China)
ABSTRA The basic properties, application, oduction process and facilities of trichlorosilane were introduced, and control
solutions were put forward to meet the demand in the production process
KEY WORDS trichlorosilane; fluidized bed fumace; cascade control; proportional control
前言
三氯氢硅又称为三氯硅烷、三氯甲硅烷、硅氯
仿。纯净的三氯氢硅是无色或微黄色的透明可燃液
自2005年以来,随着全球新能源替代和我国体,有强烈的刺激性。三氯硅沸点31.5℃,易
电子产业和太阳能光伏产业迅猛发展,多晶硅市场挥发、易潮解,在空气中发生反应产生白烟,遇水
需求出现爆炸性增长,到2010年半导体多晶硅和反应生产氯化氢气体,遇明火、高热时发生燃烧或
太阳能级多晶硅的总需求量将达到6.3万t1l。目爆炸,具有急性毒性?。三氯氢硅是制备多晶碓
前世界光伏产业以31.2%的年平均增长率高速发的重要原料,因带有氢键和含氯较多,可与其他有
展,居全球能源发电市场增长率的首位,预计到机基因反应生产形成一系列的有机硅产品?,常
2030年光伏发电将占到世界发电总量的30%以上,用于有机硅烷和烷基、芳基以及有机官能团硅烷
成为全球重要的能源支柱?。目前在大规模多晶的合成,是有机硅烷欧联剂中最基本的单体,也可
硅生产中,85%的生产厂采用改良西门子法来生产与其他有机基因反应结合形成系列的硅偶联剂,硅
多晶硅,其主要的原料是三氯氢硅,每生产1t多偶联剂具有硅化合物耐热、疏水、绝缘等特性?。
晶硅,大约需要补充5~6t三氯氢硅。因此,研究2.2三氯氨硅合成工艺流程
三氯氢硅的生产工艺、生产设备、生产过程控制方
三氯氢硅合成一般采用硅氢氯化法:该方法是
案,具有十分重要的意义。
用治金级硅粉作原料,与氯化氢气体反应,使用铜
2三氯氢硅合成生产工艺
或铁基催化剂,反应在280~320℃和0.05~3MPa
下进行4,HCL和硅粉只有在温度达到280~
2.1三氯氢硅性质和用途
320℃时所发生的反应オ是本工艺流程所需要的反
收稿日期:2010-08-02
作者简介:李文光(1972-),男,云南泸西人,高级工程师。
李文光,等三氯氢硅合成工艺及控制
应,反应为放热反应。二三氯氢硅合成的主要设备是化氢将硅粉输送入流化床反应器,硅粉在氯化氢气
流化态沸腾炉(FBR),在FBR炉中按下列反应生体的作用下悬浮在氯化氢气体中完成反应生成三氯
产 SIHCL。
氢硅和氢气,此反应在中等温度下实现(280
Si+HC」320-320
=SIHCL,+ H, +50 kcalmob
320℃),反应前用热媒对合成炉加热到一定温度使
350C
其反应,一且开始反应即将放出大量热量,此时需
Si+HC
=Sicl4+2H2 +54.6 kcal/mol
要用冷媒带走多余热量。对于该氯化反应,温度控
<280
Si +4 HCI==SIH, CL +Q
制对反应成败起决定性作用,温度高则副产物比例
将工业硅粉放入干燥炉干燥,经硅粉计量罐计过高,温度低则反应无法启动。而本反应属放热反
量后由氯化氢气体输送入流化态沸腾炉进行反应,应,但启动时须加热反应炉以启动反应,所以存在
生成三氯氢硅和其它氯硅烷副产品,为保证此反应何时切换冷却的问题,此时温度为重要衡量指标,
在温度280~-320℃下进行,开始进料前要用启动所以反应炉温度的控制对反应成败,产品好坏有直
热媒通过FBR外旁管对FBR进行预先加热到一定接影响。
温度,当FBR温度达到后,开始将一定配比的硅
对于流化床反应器,一般以转化率的高低、收
粉和氯化送入FBR炉,一旦反应开始后就要迅率的高低、副产物的多少、床层温度是否均匀、温
速切断外旁管热媒,向FBR内的散热管通入冷媒度是否容易控制等来宏观判断流化质量的好坏。而
对FBR进行冷却,因为该反应是一个放热反应。影响流化过程的因素有:颗粒的密度、粒径、形
从FBR合成出来的产物直接进入二级旋风分离器状、粒度分布等;流体的质量流率、流体密度、流
中,其作用是除去由气体夹带出的未反应的硅粉,体黏度等。这些颗粒的性质及流体性质对于流
硅粉从旋风分离器底部进人硅粉缓冲罐,当到达一化状态的影响,在床层压降、临界流化速度、带出
定的量时作为废固体排出或者返回流化床反应器速度的关联式中是显而易见的。因此,在生产中需
中。混合氯硅烷气体(一般85%为三氯氢硅)从要控制和测量的参数主要有颗粒粒度、颗粒组成、
旋风分离器的顶部进人布袋过滤器进一步过滤夹带床层压力和温度、流量等?。这些参数的控制除
的硅粉、混合氯硅烷气体经水冷却器和盐水冷凝,了受所进行的化学反应的限制外,还要受到流态化
得到三氯氢硅液体,然后进人提纯系统,如图1要求的影响。实际操作中是通过安装在反应器上的
所示。
各种测量仪表了解流化床中的各项指标,以便采取
フ→旋风除尘→布袋过滤器
正确的控制步骤达到反应器的正常工作。
冷媒一r
工艺控制要求:要保障流化床反应器内正常的
水冷却器
运行温度,保障流化床反应器内合理的压力差。
硅粉
tiii FBR
盐水冷却
控制方案:根据工艺生产特点和工艺对控制的
要求,对于流化床反应器的温度主要受冷媒的流
積馏
热媒
量、反应器的进料量影响比较大,因此采用前馈控
制,把冷媒的流量作为主控变量,将反应器的进料
氯化氢
量作为重要的干扰引入,因此该控制为串级一前馈
图1三氯氢硅合成工艺流程图
控制系统。反应内的压差主要是受进料量的影响,
Process flowsheet of trichlorosilane synthesis
把压差作为被控变量,进料量作为主控变量,同时
进料量又是由硅粉和氯化氢这两种物料进料量之
3三氯氢硅合成控制方案
和,必须保证它们之间成一定比例,可采用比值控
制来控制。因此压差控制为串级一比值控制。
在多晶硅原料三