一种白炭黑生产中工业级四氯化硅的提纯回收方法

摘要

本发明涉及工业级四氯化硅的提纯及回收方法，传统的精馏塔提纯方法在质量上难以达到生产白炭黑原料的要求，氯硅烷损失大，管道易堵塞，影响生产顺利进行，本发明提供的技术方案主要为四氯化硅在板式塔中汽化提纯，然后冷凝回收，板式塔排出的废液在氯硅烷蒸发罐中蒸发回收再提纯，少量废渣排出后用碱液中和处理，提纯后的四氯化硅杂质含量保证达到国家标准，氯硅烷能全部回收，并且具有管道不易堵塞，清理劳动量小，工艺简单，辅助设备少，操作容易等有益效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于气相白炭黑生产中原料四氯化硅的提纯以及回收方法。 

背景技术

气相白炭黑由硅的卤化物（主要是四氯化硅和甲基三氯硅烷）在氢氧火焰中高温水解生成的纳米级白色粉末，学名气相二氧化硅或气溶胶二氧化硅，主要作为补强填料和多功能添加剂，是一种在世界范围内真正工业化的纳米材料。目前绝大多数多晶硅企业采用的改良西门子法生产多晶硅，在生产多晶硅的同时会产生大量的副产物四氯化硅，而四氯化硅可以作为生产气相白炭黑的原料，因此，多数气相白炭黑装置与多晶硅装置进行联产。随着多晶硅生产技术的不断提高，多晶硅尾气以及副产四氯化硅的循环利用技术的不断完善。大量的副产四氯化硅进入氢化系统，被还原为三氯氢硅，用于生产多晶硅。此状况造成气相白炭黑原料短缺，多晶硅装置无法给白炭黑装置提供精制四氯化硅原料，而只能提供杂质含量较高的工业级四氯化硅。 

由于国家标准GB/T20020-2005对气相白炭黑中金属氧化物含量有明确规定：三氧化二铁含量低于30ppm，三氧化二铝含量低于500ppm，二氧化钛含量低于300ppm，因此白炭黑生产对于原料四氯化硅中的金属离子含量也有要求，一般要求原料四氯化硅中的铁离子含量低于5ppm,铝离子含量低于50ppm，钛离子含量低于50ppm。而工业级四氯化硅中金属离子的检测结果为：钛离子含量为100-400ppm,铝离子含量200-400ppm,铁离子含量在40-150ppm。工业级四氯化硅中金属离子含量远远超过白炭黑原料要求的指标。工业级四氯化硅由于金属杂质含量高，会造成气相白炭黑产品金属氧化物含量超标，产品品质下降。因此，需要对工业级四氯化硅进行提纯处理，才能生产出高品质的气相白炭黑。 

由于工业级四氯化硅内含有大量杂质，提纯较为困难，采用传统的精馏塔，塔釜排液中含有大量氯硅烷，造成氯硅烷损失，并且需要消耗大量碱液处理排出的氯硅烷，排液管道容易堵塞，清理劳动量大。 

国内专利CN102390833A对传统精馏技术进行了创新，名称为：负压回收西门子法生产多晶硅中废弃氯硅烷的方法，主要内容为氯硅烷废液在负压蒸发器中，氯硅烷沸点降低，部分氯硅烷闪蒸，直接气化成氯硅烷气体，再抽回氯硅烷储罐，形成氯硅烷液体，该工艺不需消耗热能，操作温度较低，但在闪蒸过程中废液中部分杂质跟随闪蒸蒸汽一同进入回收系统，使回收的氯硅烷不能直接使用，并且只有部分氯硅烷被回收，回收率低，其余氯硅烷与杂质一起排出处理，处理成本较高。 

发明内容

针对目前工业级四氯化硅处理技术的不足，本发明提供了一种适用于气相白炭黑生产中原料四氯化硅的提纯以及回收方法。 

本发明所采用的技术方案是板式塔与高效蒸发器联合使用，将四氯化硅全部蒸发回收的工艺方法，其原理为：工业级四氯化硅通过管道进入板式塔内进行淋洗，塔釜的四氯化硅通过再沸器蒸汽加热汽化形成上升气流，与从上部喷淋下来的四氯化硅液体逆向接触，经过气液两相在筛板表面传质、传热，轻组分从塔顶部排出，经一级冷凝器进行冷却（冷却介质：循环水）进入四氯化硅缓冲罐。塔釜的重组份通过管道排入氯硅烷蒸发罐，蒸发出的四氯化硅蒸汽重新送入板式塔进行精馏，氯硅烷蒸发罐内蒸干后的固体废渣及少量废液通过氯硅烷蒸发罐排渣口排出。四氯化硅缓冲罐内氯硅烷一部分通过回流泵泵入板式塔塔顶作为回流液，一部分通过回流泵泵入白炭黑装置，用于白炭黑生产使用。 

本发明的主要步骤为： 

①工业级四氯化硅通过管道进入板式塔内进行淋洗，去除工业级四氯化硅中的金属离子以及高沸点杂质,板式塔液位控制在700-1300mm；

②在塔内，塔釜的废液通过再沸器蒸汽加热汽化形成上升气流，与从上部喷淋下来的氯硅烷液体逆向接触，经过气液两相在筛板表面传质、传热。为了保证分离效果，塔顶温度控制在60-100℃，塔釜温度控制在90-120℃，塔釜压力控制在0.05-0.25MPaG,板式塔压差控制在25-50kpa，轻组分由塔顶部排出，经过冷凝器冷凝进入四氯化硅缓冲罐；

③塔釜的重组份通过管道排入氯硅烷蒸发罐；

④氯硅烷蒸发罐将塔釜重组份中的氯硅烷蒸发汽化，氯硅烷蒸汽则重新送入板式塔进行精馏，氯硅烷蒸发罐底部的废渣通过排渣口排出，进行碱液中和处理。

⑤四氯化硅缓冲罐内精制四氯化硅一部分通过回流泵打入板式塔塔顶作为回流液，一部分采出的作为生产气相白炭黑产品的原料。 

本发明主要是采用板式塔对多晶硅无法利用的工业级四氯化硅进行提纯，塔顶的精馏出的四氯化硅生产气相法白炭黑，塔釜排出金属离子杂质含量高的废液通过高效蒸发器进一步将塔釜排液中的四氯化硅蒸发，将四氯化硅蒸汽送入板式塔中提纯，使四氯化硅最大程度的被回收。 

本发明可以对工业级四氯化硅进行提纯，大大降低工业级四氯化硅中金属离子的含量，满足白炭黑生产中原料指标的要求，并将氯硅烷全部回收，生产出高品质的气相二氧化硅。经过本发明工艺装置提纯后，四氯化硅中的金属离子含量为：钛离子含量为1-30ppm，铝离子含量为1-30ppm，铁离子含量0.2-3ppm。工业级四氯化硅被精制提纯，金属杂质的含量已经完全能够达到生产高品质气相白炭黑的要求。本发明还具有氯硅烷被全部回收，排液管道不易堵塞，清理劳动量小，工艺简单，辅助设备少，操作容易的有益效果。 

附图说明

图1  为本发明一种白炭黑生产原料的提纯及回收方法的工艺流程图 

图中：1-板式塔  2-再沸器  3-冷凝器  4-四氯化硅缓冲罐  5-回流泵  6-氯硅烷蒸发罐。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。 

本发明的装置主要包括：一台板式塔，作用：主要用于工业级四氯化硅的提纯，将工业级四氯化硅中的氯硅烷与金属离子杂质分离； 

一台再沸器，作用：给板式塔提供热量，使氯硅烷汽化；

一台冷凝器，作用：将提纯后的氯硅烷蒸汽进行冷凝；

一台氯硅烷缓冲罐，作用：储存提纯后的氯硅烷；

一台回流泵，作用：向板式塔中输送回流氯硅烷，同时向白炭黑装置输送原料四氯化硅。

一台氯硅烷蒸发罐，作用：对板式塔塔釜排出的四氯化硅废液进行蒸发回收。 

本发明主要步骤包括： 

①工业级四氯化硅通过管道进入板式塔1内进行淋洗，去除工业级四氯化硅中的金属氯化物以及高沸点杂质,板式塔液位控制在700-1300mm；

②在塔内，塔釜的废液通过再沸器2蒸汽加热汽化形成上升气流，与从上部喷淋下来的氯硅烷液体逆向接触，经过气液两相在筛板表面传质、传热。为了保证分离效果，塔顶温度控制在60-100℃，塔釜温度控制在90-120℃，塔釜压力控制在0.05-0.25MPaG,板式塔压差控制在25-50kpa，轻组分由塔顶部排出，经过冷凝器3冷凝进入四氯化硅缓冲罐4；

③塔釜的重组份通过管道排入氯硅烷蒸发罐6；

④氯硅烷蒸发罐6将塔釜重组份中的氯硅烷蒸发汽化，氯硅烷蒸汽则重新送入板式塔1进行精馏，氯硅烷蒸发罐6底部的废渣通过排渣口排出，进行碱液中和处理。

⑤四氯化硅缓冲罐4内精制四氯化硅一部分通过回流泵5打入板式塔1塔顶作为回流液，一部分采出的作为生产气相白炭黑产品的原料。 

为了保证气相白炭黑产品品质满足国家标准GB/T20020-2005的规定，一般要求原料四氯化硅中的铁离子含量低于5ppm,铝离子含量低于50ppm，钛离子含量低于50ppm。 

工业级四氯化硅中金属离子含量为：钛离子含量100-400ppm,铝离子含量200-400ppm,铁离子含量40-150ppm。工业级四氯化硅中金属离子含量远远超过白炭黑原料要求的指标。经过本发明工艺装置提纯后，四氯化硅中的金属离子含量为：钛离子含量为1-30ppm，铝离子含量为1-30ppm，铁离子含量0.2-3ppm。工业级四氯化硅被精制提纯，金属杂质的含量已经完全能够达到生产高品质气相白炭黑的要求。 

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的技术方案。对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。