[发明专利]用于硅烷生产的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2013年5月4日提交的美国临时专利申请号61/819,572的权益，该申请通过引用以其全部内容并入本文中。

技术领域

本发明整体上涉及化学品制造，更具体地涉及用于硅烷(SiH₄)生产的系统和方法。

背景

甲硅烷，在本文中也可以简称为硅烷，并且具有化学式SiH₄，在全世界范围内用于多种工业和商业目的，包括平板电视显示器、半导体芯片以及用于转换为太阳能电池的多晶硅的生产。甲硅烷由于其高纯度而作为新兴的用于多晶硅生产的优选中间体，其与由于整体多晶硅生产成本更低而仍然是主要进料选择的纯化三氯硅烷形成竞争。进一步的市场侵入依赖于降低甲硅烷生产成本——同时保持其品质优势，并且依赖于降低转化为多晶硅的成本。

全世界大部分甲硅烷使用所谓的联合碳化物法(“UCC法”)生产，该方法由联合碳化物公司在1977获得专利。在UCC法中，使用来自氢氯化单元的液体氯硅烷通过甲硅烷生产单元制造纯硅烷气体(SiH₄)。这通过一系列蒸馏和催化再分配反应实现，将TCS转化为超纯SiH₄和副产物STC。将副产物STC送回至氢氯化单元以转化回为TCS。

UCC法包括用于将TCS转化为SiH₄的两个再分配反应器。反应器催化剂由化学接枝至基于苯乙烯的载体的二甲基氨基组成。载体为大网状苯乙烯-二乙烯基苯共聚物。TCS至SiH₄的再分配通过进行如下所示的三个可逆平衡反应而发生：

虽然方便的是将从TCS至SiH₄的转化认为是这三个分开的反应的串联，实际上，在每个反应器中所有反应同时发生直至获得平衡。假设反应时间足够长以满足反应动力学并且获得平衡，则每个反应器内的产物组合物主要由进料组成决定并且次要由反应温度决定。

进行第一个反应的再分配反应器被称为TCS反应器，因为它被设计为接收纯TCS进料。用纯TCS进料，三个反应的平衡仅使得反应#1在该反应器中可测量地进行。在这些条件下的反应程度为约20％，并且反应器产物为80％的未反应的TCS进料和20％产物：即，10％DCS和10％STC。由于该TCS反应器中TCS至DCS的第一程转化率低，因此使用蒸馏塔以分离产物，回收更多的氢化的氯硅烷用于再循环返回TCS反应器。

第一蒸馏塔用于将STC从新鲜氯硅烷进料流中的TCS分离以及将产物中的STC从TCS反应器分离两者。使用第二蒸馏塔以将DCS从来自第一蒸馏塔的顶部产物中的TCS分离。来自该第二蒸馏塔的底部产物基本上是纯TCS，并且成为至TCS再分配反应器的进料。

离开第二蒸馏塔的顶部的DCS富集、TCS贫化的产物成为被称为DCS再分配反应器(“DCS反应器”)的第二再分配反应器的进料。由于该进料中的DCS含量高，因此三个反应的平衡使得在该反应器中仅有反应#2和#3可测量地进行。在这些条件下的反应程度使得SiH₄、MCS、DCS和TCS全部存在于反应器产物中。在平衡下，DCS反应器产物中的SiH₄组合物仅为12-15摩尔％，并且因此使用第三更高压力的塔以将SiH₄从DCS反应器产物中存在的MCS、DCS和TCS分离和纯化。MCS、DCS和TCS之后作为第二进料再循环返回至第二蒸馏塔，其中MCS和DCS是顶部产物并且供给至DCS反应器。TCS与来自第一蒸馏塔的进料流中存在的其他TCS一起移动至第二蒸馏塔的底部，因此增加了至TCS反应器的进料中的TCS的量。

综上所述，具有比SiH₄产物质量流速大100倍的质量流速的大TCS再循环回路必须穿过TCS反应器以将新鲜进料中的TCS和作为DCS反应器中SiH₄生产的副产物而制备的TCS转化为DCS。一旦DCS形成并且从再循环TCS分离，则其成为至DCS反应器的进料。质量流速为SiH₄产物质量流速20倍的较小DCS/MCS再循环回路必须流动通过DCS反应器以将来自第二蒸馏塔的DCS和来自第三蒸馏塔的再循环DCS和MCS转化为SiH₄。