关于二氯二氢硅的反歧化系统试验分析

摘 要：利用二氯二氢硅与四氯化硅反歧化反应生成三氯氢硅的原理，本文提出一种改善二氯二氢硅的反歧化系统试验的有效措施，对反歧化化学反应后才生的精馏流程反应物，可以提高二氯二氢硅的系统试验稳定性。模拟结果和工业实验数据会有一定的出入，将四氯化硅中的含量最高的塔釜基液通过外部循环返回到含有反歧化催化剂的反应段参与化学反应。考察二氯二氢硅反应过程中的进料位置、持液水平和回流情况，确定反歧化反应中的各个变量中的最佳值，并对反歧化工艺进行经济评价。

关键词：二氯二氢硅；反歧化；系统试验；反应精馏

一、二氯二氢硅反歧化反应动力学和化学平衡

（一）二氯二氢硅反歧化反应的原理

目前我国多晶硅企业大部分采取的是改良西门子法生产的多晶硅，在生产的过程中会产生一定量的二氯二氢硅（DichIorosilane）的化学代谢副产物。在进行Dic二氯二氢的化学提纯操作反应时，往往会产生毒副物质的富集，达到一定密度的硅化物如果遇到氧气和高温条件，会很容易发生剧烈燃烧，甚至有爆炸的危险。传统工艺的反歧化系统试验中，工业产线操作员工一般使用碱性中和法将二氯二氢硅进行中和，减除化合物中的酸性物质，使其混合之后PH值接近7.1，可以通过溶于水后，实现无害化处理。

（二）反歧化反应动力学

三氯氢硅（Trichlorosilane ）通过可逆的歧化反应（Dismutase reaction）可以生成DCS和四氯化硅，从而获取精制单质硅，其化学表达式SiCl4+H2=（高温）Si+4HCl。一般情况下，使用二氯二氢硅DCS反歧化处理工艺进行中和无害化反应时，具有操作方面的简易性和工艺方面的突出优势。在反歧化反应中加入DCS，可以显著提高固体状态多晶硅（ polycrystalline silicon）的收获率和化学产量。另外，使用三氯氢硅进行可逆性歧化反应节约了大量的碱性中和物，可以大大缩短化学反应中的酸碱中和反应时间，同时，化合物的混合程度比较高，反应速率也会相应加快，反应过程中的稳定性和安全性也有一定的保障。

二、二氯二氢硅反歧化精馏系统试验流程

（一）反歧化精馏工艺流程

二氯二氢硅的反歧化反应中，必须要有适宜的反应温度，充分利用化合反应中的反应热，节约反应成本，可以使用多座精馏塔同时进行馏化反应，获得性状更加稳定的化学分离反应产物。反应精馏可以将反歧化系统反应器和化学精馏塔耦（Coupling of chemical distillation column）合成为精馏塔，从而有效减少化学设备的投资成本。另外，在反应精馏塔的反应区域，美国著名的反歧化系统专家Bill就曾经设计出一种用于生产TCS的二氯二氢硅反应合成器，其中的DCS有效转化率可以达到97%以上。

常规的二氯二氢硅反歧化反应过程中，常规的精馏持液量中的各种碱性物质含量比较高。当持液量含量较低时，二氯二氢硅反歧化的反应速率也会降低，TCS生成比较少，因而馏化塔塔顶产品中的TCS的纯度比较低，随着反应馏化塔中的碱性物质持液量逐步增大，TCS的生成速率也会相应增加，在馏化塔中的持液水平（Liquid holding level）达到最高值时，tcs的生成速率将会达到最高值，无限接近100%。另外，持液量的增大，还会导致催化剂的含量显著增加，二氯二氢硅反歧化塔体的直径增大和流体力学性能呈现出性状反复改变的不利影响。

（二）反应的模拟条件和结果

目前来说，尚且没有通过大量的准确实验得到副反应化合反应物的详细动力学数据，但是从常理上来说，二氯二氢硅反歧化反应的速率很快，可以在数秒内完成催化介质的化学合成，也可以将其看成是瞬时化学反应。因此，我们在日常的二氯二氢硅反歧化反应精馏模拟试验中，可以通过合理的搭配和用料的变化，得出最佳的反应效果。二氯二氢硅反歧化反应的精馏塔分为三个固定的反应釜具。精馏段（Rectifying section）对各种反应物进行初步提纯和化学降解，得出纯度较高的化学混合物。常规的二氯二氢硅反歧化反应过程中，利用精馏旧塔，严格控制进料条件（Feeding condition）和塔体的操作参数（Operating parameters）。

精馏段由于容纳的化合物反应材料比较复杂，所以它处在反应塔的顶部。而反应段则是通过加入大量的碱性物质化学催化剂（Reaction section），提高反应的速度和效率，得到提纯后的二氯二氢硅代谢物，位于反应塔底部的精细化提馏段（Stripping section），它主要是对尚未降解的酸性化学物进行后期消化，巩固化学物整体的性状稳定。由于催化剂为离子型交换固态树脂，因此在二氯二氢硅的反歧化的化合反应中，必须要采取特殊的反应方式才能填装到反应精馏塔内部。

目前，在我们国家，二氯二氢硅的反歧化系统设计到的研究试验还比较少，对于DCS反歧化工艺中的专利技术更是少之又少，并且，缺乏相关化合反应系统的研究性论文支撑。国内流行的反应化合精馏流程回收和处理DCS，可以将代谢物的转化率提高到99.5%以上。在建立二氯二氢硅反歧化反应精细馏化流程以及相关工业实验装置的固定基础上，采用建立化学理论模型的方式，可以规避反应中可能存在的杂质掺入和不稳定性状。建立平衡级模型（Equilibrium level model）能够准确的预测每层馏化塔板上的气体百分比和液体生成情况。

参考文献：

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