[發明專利]用于制備硅烷和氫鹵硅烷的方法和裝置

有效

• 申請號: 201480000474.4
• 申請日: 2014-04-03
• 公開（公告）號: CN104854026B
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 威廉·C·布勒內曼
• 申請（專利權）人: 陜西有色天宏瑞科硅材料有限責任公司
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037;C01B33/107;C07B63/00
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司11219
• 代理人: 劉慧,楊青

相關申請的交叉參考

本申請要求2013年6月14日提交的美國申請No.13/918,609的權益，通過參考將所述申請以全文并入本文中。

技術領域

本公開涉及用于制備通式H_ySiX_4-y(y＝1、2或3)的硅烷和氫鹵硅烷的系統和方法的實施方案，其具有固定床催化再分配反應器。

背景技術

單硅烷(SiH₄)、氯硅烷(H₃SiCl)和二氯硅烷(H₂SiCl₂)是可用于生產基于高純度結晶硅的電子器件的化學物質。這些帶有硅的氣體被熱分解以形成高純度硅材料。目前通過圖1中大體上顯示并且由美國專利No.4,676,967一般描述的工藝在商業規模上實施高純度硅烷的制備，其中，在區域1中，通過氫氣與四氯化硅的反應將冶金級硅(101)氣化以形成包含揮發性三氯硅烷的混合物(102)：

2H₂+3SiCl₄+Si→4HSiCl₃(1)

雜質(103)被棄去。

然后，在區域2中，在一系列蒸餾分離和催化再分配反應中將三氯硅烷轉化為高純度硅烷產物(201)，所述反應還產生四氯化硅(202)作為副產物。雜質(203)被棄去。將四氯化硅(202)再循環至區域1。

4HSiCl₃→3SiCl₄+SiH₄(2)。

然后在區域3中以若干種方式中的任一種將硅烷(201)熱解以形成超純硅(301)，并且如果所述工藝緊密結合，則將副產物氫氣(302)再循環至區域1。

發明內容

本文描述在系統操作期間將氫鹵硅烷的分級蒸餾分離與氫鹵硅烷的催化再分配以促進催化再分配反應器的反洗滌的新的配置組合的系統和工藝的實施方案。當催化再分配反應器包括具有不同尺寸的粒子的固定床催化劑如商業離子交換樹脂時，較小的粒子隨時間向下遷移在催化劑床中并穿過催化再分配反應器產生較大的壓降。結果是，不時地反洗滌催化再分配反應器以重新配置催化劑床并恢復足夠的流動。

系統的實施方案包括多區分級蒸餾塔、第一催化再分配反應器、第二催化再分配反應器和泵。所述多區分級蒸餾塔包括界定多個蒸餾區的容器、定位于所述塔的下部的反應物流入口、定位于所述塔的上部的餾出物流出口，和定位于所述塔的下部的產物流入口。所述第一催化再分配反應器和所述第二催化再分配反應器各自包括界定腔室的容器、定位于所述容器的下部的第一端口和定位于所述容器的上部的第二端口、布置在所述容器內的固定床催化劑(例如離子交換樹脂)，以及多個閥、典型地是四個閥。所述閥可以被構建為使得(i)所述第一(下部)端口與所述產物流入口流體連通并且所述第二(上部)端口與所述餾出物流出口流體連通，或者(ii)所述第一端口與與所述餾出物流出口流體連通并且所述第二端口與與所述產物流入口流體連通，從而使得流體能夠以所需方向流過所述催化再分配反應器。所述泵定位于所述餾出物流出口下游以及所述第一催化再分配反應器和所述第二催化再分配反應器上游。所述系統任選包括定位于所述餾出物流出口下游的冷卻器件。

使包括一種或多種式H_ySiX_4-y(其中X為鹵素并且y為1、2或3)的氫鹵硅烷的反應物流通過反應物流入口傳送至多區分級蒸餾塔中。從多區分級蒸餾塔經由定位于所述塔的上部的餾出物流出口泵送餾出物通過第一催化再分配反應器和第二催化再分配反應器。所述餾出物在其進入泵之前可被冷卻。在一些實施方案中，第一催化再分配反應器的閥被構建為經由第一反應器的上部端口將餾出物的第一部分引入第一反應器中，并且經由其下部端口將產物流引出第一反應器(即，“正流動模式”)。第二催化再分配反應器的閥被構建為經由第二反應器的下部端口將餾出物的第二部分引入第二反應器中，并且經由其上部端口將產物流引出第二反應器(即，“反流動模式”)，從而反沖洗第二反應器。來自兩個反應器的產物流經由定位于多區分級蒸餾塔的下部的產物流入口流入所述塔中。

有利的是，所述閥被構建為在催化再分配反應器以正流動模式操作時提供相比于其以反流動模式操作時更大的餾出物流速。換句話說，在正流動模式中經由其上部端口進入催化再分配反應器中的流速大于在反流動模式中經由其下部端口進入催化再分配反應器中的流速。例如，正流動模式中的流速可為反流動模式中的流速的至少9倍。