通过蒸馏和吸附进行氯硅烷提纯制造技术

本发明专利技术涉及用于蒸馏分离多组分混合物的方法和装置，所述多组分混合物包含二氯甲硅烷、三氯甲硅烷、四氯化硅和至少一种含硼、含磷或含砷杂质，该发明专利技术使用采用改良分隔壁技术和用于除去至少一种含硼、含磷或含砷杂质的吸附器的蒸馏塔以最大可能的纯度除去目标产物三氯甲硅烷。

Purification of trichlorosilane by distillation and adsorption

The present invention relates to a method and apparatus for distillation separation of multicomponent mixtures, the multicomponent mixture contains two dichlorosilane, three dichlorosilane, four silicon chloride and at least one containing boron, phosphorus or arsenic containing impurities, the invention uses the modified technique for removing and dividing wall distillation column at least one boron, phosphorus or arsenic containing impurities in the adsorber maximum possible to remove the purity of the product three dichlorosilane.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及通过蒸馏和吸附对氯硅烷进行提纯的方法和装置。具体而言，本专利技术涉及将包含氯硅烷的多组分混合物分离成各组分并同时大大降低氯硅烷混合物内的杂质(硼、磷、砷)水平的方法。氯硅烷如三氯甲硅烷(TCS)被用来沉积多晶体硅。TCS主要通过三种不同的方法产生：A)Si+3HCl→SiHCl3+H2+副产物(冶金硅的氯氢化反应)B)Si+3SiCl4+2H2→4SiHCl3+副产物(冶金硅与四氯化硅/STC与氢的反应)C)SiCl4+H2→SiHCl3+HCl+副产物(四氯化硅/STC的氢化)生成的副产物尤其包含二氯甲硅烷(DCS)。当涉及包含TCS、STC、DCS和微量的其他杂质(甲基氯硅烷、烃类和高沸点化合物)的氯硅烷混合物时其是优选的。在每种情况下，高纯度三氯甲硅烷是通过实施随后的蒸馏来获得的。蒸馏的最重要目的在于除去含硼、含磷或含砷的化合物，因为此等化合物是沉积硅中不需要的p-/n-掺杂剂。就这些杂质而言，沉积中所采用的三氯甲硅烷纯度要求在仅仅一些ppta的范围之内。在化学工程中蒸馏方法通常为热分离不同相对挥发度和/或互溶物质的混合物。通常使用各种方法的版本来连续蒸馏拆分多物质混合物。在最简单的情况下，将一种由低沸馏分和高沸馏分组成的进料混合物拆分为它的两个馏分--低沸顶部馏分和高沸底部馏分。在这里，将待分离的混合物引入到蒸馏塔的底部和顶部之间。该进料将塔分为精馏段和提馏段。高沸馏分从底部的塔内提取。设置在底部区域内的加热装置(如一个自然循环蒸发器)蒸发一部分浓缩物。低沸组分随着塔上升为蒸汽，在所述塔的顶部从塔内提取，并在冷凝器中液化。部分冷凝物再次循环入塔，并与上升蒸汽逆向向下流动(回流)。然而，将由多组分混合物(A，B，C)组成的进料混合物分馏成两个馏分以上就需要使用多个常规蒸馏塔。有几个选择来实现此目的。对于a路径，低沸组分A在第一塔中作为顶部产物被除去。底部馏分是中沸组分B和高沸组分C的混合物，其在下游塔中被分馏成两种纯物质B和C。对于预分离耦接的物质(a/c路径)，在第一塔进行分离，使得顶部产物不包括高沸组分C，且底部产物不包括低沸组分A。因此引起低沸组分A和高沸组分C的分离。中沸组分B存在于顶部馏分和底部馏分中。馏分AB和BC分别在独立的下游塔被分解为纯产物A、B和C。因此，该版本需要三个分离阶段。对于c路径，在第一塔内C作为纯底部产物被除去，而混合物AB作为顶部产物通常以蒸汽形式转移到第二塔。一般情况下，对于三组分混合物的分馏，合适路径的选择(a路径，c路径，a/c路径)取决于输入的组成。对于低沸组分A含量高者，优选a路径。相反，对于高沸组分C含量高者，优选c路径。当中沸组分B比例高时，其优选选择为a/c路径。对于与前置塔耦接的物料，两个塔均是物料耦接(因此双重物料耦接；故称Petlyuk设置)。US20120193214A1公开一种氯硅烷的蒸馏提纯方法，该方法包括提供包含TCS、DCS和STC之氯硅烷的含硼混合物，以及通过多个蒸馏塔蒸馏来提纯该氯硅烷的混合物，其中低沸硼化合物经由包含富含硼的DCS的顶部流从蒸馏塔流出，而相对高沸硼化合物经由包含高沸组分的富含硼的底部流从蒸馏塔流出。除了单纯的蒸馏方法，采用吸附器也是已知的。吸附器可实现各种功能。微量化合物可通过吸附机理从三氯甲硅烷中保留。这是一种有效的清除方法，尤其对于极性分子。吸附剂可进行进一步调节，以便在其表面开始用于转化这些化合物的化学反应。例如，在水调节的吸附器表面上的刻意水解是一种生成硼氧化合物的已知方法，该硼氧化合物在下游蒸馏阶段明显更容易除去，例如参见US4713230A。US20110184205A1描述一种处理组合物的方法，该组合物包含至少一种硅化合物和至少一种外来金属和/或含外来金属的化合物，其中所述组合物在第一阶段接触至少一种吸附介质和/或至少一个第一过滤器，并在下一阶段任选地接触至少一个过滤器以获得一种外来金属含量减少和/或含有外来金属的化合物的含量减少的组合物。在这里，通过与无水吸附介质(活性炭、硅酸盐如硅胶、分子筛、有机树脂)接触，氯硅烷的硼含量减少。然而，这需要非常大量的吸附介质(120g/250ml的TCS)来达到预期的提纯目标。这使所述方法不经济，特别是作为连续性方法几乎是不可能的，其在半导体品质的氯硅烷的生产中在经济上是不利的。而且，使用吸附器需要进一步装置的复杂性(如过滤)以及随之而来的是在半导体级别产物中引入其它杂质的风险。US20130121907A1公开一种从包含三氯甲硅烷的混合物中除去至少一种含硼杂质从而得到纯化的包含三氯甲硅烷的产物的方法。该方法包括从混合物中部分除去含硼杂质来获得包含三氯甲硅烷的部分提纯混合物。所述部分提纯混合物通过侧面进料口被供给塔。从该塔中排出的是a)包含含硼杂质的顶部产物b)包含含硼杂质的底部产物以及c)包含三氯甲硅烷的提纯混合物。部分除去含硼杂质可包括向蒸馏塔供给混合物，排出包含含硼杂质的顶部产物以及提取作为底部产物的部分提纯混合物。该底部产物在供给第二塔之前可由诸如硅胶床的吸附器中通过。即使结合吸附器和蒸馏塔，在生产半导体品质的三氯甲硅烷中蒸馏阶段仍有巨大的能源需求。分隔壁塔技术能够提供一种可减少能源需求的有吸引力的选择方法。所述技术基于物料耦接的原理，并使能源需求减少高达50％。由于所述方法呈现两个装置的分离任务，因此这也有可能节约资本开支。传统的分隔壁塔具有沿塔纵向方向设置的垂直分隔壁，该分隔壁可防止塔分区内液体流和蒸汽流的横向混合。因此，该塔包括至少一个沿部分塔高的垂直分隔壁，所述垂直分隔壁将横断面分为至少两个区段，即位于所述分隔壁左边和右边。因此，这使得在单一塔内将例如通常需要两个常规塔的三组分混合物拆分为三个纯成分成为可能。设置在塔纵向方向上的分隔壁将塔内部分隔为进料段、提取段、上公共塔段(精馏段)和下公共塔段(提馏段)。然而，已证明将分隔壁塔与迄今已知的吸附器结合使用是昂贵的且不方便实施。分隔壁塔中的物料耦接导致在一个装置内进行两个分离任务。在装置内同时除去低沸硼化合物和高沸硼化合物。在塔进料内布置吸附器并不可取，因为此时硼化合物含量仍很高，这会导致吸附器非常快速的装载。为实现与传统分隔壁塔内吸附器相同的效果，需要使所述塔具有相应的内部构件。在分隔壁塔内采用具有催化活性的内部构件是已知的。EP1513791B1公开一种具有至少两个垂直蒸馏区段的蒸馏塔，其中至少一个区段包括催化剂，且至少一个区段部分无催化剂，其中这些区段被沿蒸馏塔垂直部分延伸的壁分开，其中所述垂直部分低于总塔高，以及这些区段在所述壁的垂直端部/末端周围是液体连通的。一种原理上类似的概念也可被考虑用于在分隔壁塔内使用吸附器。然而，由于吸附器需要定期更换(装载，调节)，该版本是不利的。由于蒸馏是个连续过程，因此定期需要更换内部构件而造成的操作相当长中断是不可取的。本专利技术实现的目的是基于所述问题的。本专利技术的目的通过一种用于蒸馏分离多组分混合物的方法来实现，所述混合物包含：包含二氯甲硅烷和至少一种含硼、含磷或含砷杂质的低沸组分，包含三氯甲硅烷和至少一种含硼、含磷或含砷杂质的中沸组分，和包含四氯化硅的高沸组分，其中向第一蒸馏塔供给所述多组分混合物以除去至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于蒸馏分离多组分混合物的方法，所述混合物包含：包含二氯甲硅烷和至少一种含硼、含磷或含砷杂质的低沸组分，包含三氯甲硅烷和至少一种含硼、含磷或含砷杂质的中沸组分，和包含四氯化硅的高沸组分，其中向第一塔供给所述多组分混合物以除去所述至少一种作为底部馏分的包含四氯化硅的高沸组分，并且向第二蒸馏塔供给包含二氯甲硅烷、三氯甲硅烷和至少一种含硼、含磷或含砷杂质的顶部馏分，其中在所述第二蒸馏塔中，经由侧馏分除去所述至少一种包含三氯甲硅烷的中沸组分，并且除去所述至少一种作为顶部馏分的包含二氯甲硅烷的低沸组分，其中至少一种来自所述第二蒸馏塔的底部馏分由用于除去所述至少一种含硼、含磷或含砷杂质的吸附器中通过，并且随后作为回流返回到所述第一蒸馏塔，其中两个蒸馏塔都包括垂直分隔壁。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.09 DE 102014220539.51.一种用于蒸馏分离多组分混合物的方法，所述混合物包含：包含二氯甲硅烷和至少一种含硼、含磷或含砷杂质的低沸组分，包含三氯甲硅烷和至少一种含硼、含磷或含砷杂质的中沸组分，和包含四氯化硅的高沸组分，其中向第一塔供给所述多组分混合物以除去所述至少一种作为底部馏分的包含四氯化硅的高沸组分，并且向第二蒸馏塔供给包含二氯甲硅烷、三氯甲硅烷和至少一种含硼、含磷或含砷杂质的顶部馏分，其中在所述第二蒸馏塔中，经由侧馏分除去所述至少一种包含三氯甲硅烷的中沸组分，并且除去所述至少一种作为顶部馏分的包含二氯甲硅烷的低沸组分，其中至少一种来自所述第二蒸馏塔的底部馏分由用于除去所述至少一种含硼、含磷或含砷杂质的吸附器中通过，并且随后作为回流返回到所述第一蒸馏塔，其中两个蒸馏塔都包括垂直分隔壁。2.根据权利要求1所述的方法，其中来自两个底部馏分的液体流都存在，并且所述液体流中的任一股或两股液体流由所述吸附器中通过，并且然后作为回流供给所述第一蒸馏塔。3.根据权利要求1所述的方法，其中吸附器放置在从所述第一蒸馏塔至所述第二蒸馏塔通过的蒸汽流中，而不是在所述第二蒸馏塔的所述底部馏分与所述第一蒸馏塔的所述回流之间的液体流中。4.根据权利要求3所述的方法，其中向所述第二蒸馏塔的提馏段经由两个蒸汽流供给来自所述第一蒸馏塔的所述顶部馏分，并且在向所述第二蒸馏塔供给前，所述蒸汽流的任一股或两股蒸汽流由所述吸附器中通过。5.根据权利要求1所述的方法，其中存在两个吸附器，其中一股或两股蒸汽流在所述第一蒸馏塔和所述第二蒸馏塔之间通过第一吸附器，并且来自所述第二蒸馏塔的一股或两股液体流通过第二吸附器进入到所述第一蒸馏塔的所述回流中。6.一种用于蒸馏分离多组分混合物的装置，其包括通过以下方式相互物料耦接的两个蒸馏塔：第一蒸馏塔的蒸汽与所述第二蒸馏塔的底部连通连接以及所述第二蒸馏塔的底部馏分与所述第一蒸馏塔的回流段连通连接，其中用于除去含硼、含磷或含砷杂质的吸附器设置在所述第二蒸馏塔的所述底部馏分与所述第一蒸馏塔的所述回流段之间的连通连接中或设置在所述第二蒸馏塔的所述底部馏分和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·艾格纳，U·佩措尔德，J·普罗哈斯卡，
申请(专利权)人：瓦克化学股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE