本申請是申請日為2010年11月4日、發明名稱為“生產三氯硅烷的系統和方法”的申請號為201080060883.5的專利申請的分案申請。
相關申請的交叉引用
本申請要求在2009年11月6日提交的、名稱為“生產三氯硅烷的系統和方法”的美國專利申請號12/614,269的優先權，以引用的方式將其整體并入本文用于所有目的。
本發明涉及生產三氯硅烷(trichlorosilane)的系統和方法，具體而言涉及下述合成三氯硅烷的系統和方法：利用汽化技術(vaporizationtechniques)促進副產物固體(如金屬鹽)的移除，從而減少其在下游單元操作(unitoperation)中沉積的可能性。
背景技術：
在美國專利號2,595,620中，wagner等公開了一種氫化方法，該方法包括用氫原子取代一個或多個與硅鍵合的氯原子。
在美國專利號3,968,199中，bakay公開了通過三氯硅烷hsicl3的歧化或再分配(disproportionationorredistribution)制造硅烷sih4方法。
在美國專利號4,099,936中，tarancon公開了一種對硅烷進行純化的方法，該方法包括使硅烷和雜質的混合物穿過多孔粒狀木炭，再穿過多孔粒狀硅酸鎂，然后進行蒸餾。
在美國專利號4,340,574中，coleman公開了從分離塔中再循環來生產超高純度硅烷的方法。
在美國專利號4,676,967中，breneman公開了生產高純度硅烷和硅的方法。
在美國專利號5,118,486中，burgie等公開了通過使副產物流霧化(atomization)成為微粒狀硅和硅烷來進行分離。
在美國專利號5,232,602中，brink等公開了對四氯化硅進行純化來制造電子級硅的方法，所述方法包括通過與活性炭接觸來移除痕量的雜質磷。
在美國專利號5,723,644中，tzou公開了通過使包含具有磷污染物的氯硅烷的混合物與銅化合物或銅的吸附劑接觸，對氯硅烷進行純化的方法。
在美國專利號6,060,021中，oda公開了在作為密封氣體的氫氣下儲存三氯硅烷和四氯化硅的方法。
在美國專利號6,843,972b2中，klein等公開了通過與固體堿接觸來純化三氯硅烷的方法。
在美國專利號6,852,301b2中，block等公開了下述生產硅烷的方法：通過使冶金硅與四氯化硅sicl4和氫氣反應，從而形成四氯化硅和三氯硅烷sihcl3的粗氣體流(crudegasstream)；通過用經冷凝的氯硅烷進行洗滌，從所述的粗氣體流中移除雜質；通過蒸餾對經純化的粗氣體流進行冷凝和分離；使部分四氯化硅流返回(returning)至冶金硅與四氯化硅和氫氣的反應中；使部分流發生歧化以形成四氯化硅和硅烷；以及將通過冶金級硅與四氯化硅和氫氣的反應發生歧化所形成的硅烷返回。
在美國專利號6,887,448b2中，block等公開了生產高純度硅的方法。
在美國專利號6,905,576b1中，block等公開了通過在催化劑床中對三氯硅烷進行催化歧化來生產硅烷的方法和系統。
在美國專利號7,056,484b2中，bulan等公開了通過使硅與氫氣、四氯化硅反應生產三氯硅烷的方法，所述硅處于與催化劑混合的粉碎形式。
在美國專利申請公開號2002/0044904a1中，bulan等公開了通過利用催化劑使硅與四氯化硅、氫氣以及任選的氯化氫反應來制備三氯硅烷的方法。
在美國專利申請公開號2004/0022713a1中，bulan等公開了通過用催化劑使硅與氫氣、四氯化硅以及任選的氯化氫反應來生產三氯硅烷的方法，所述催化劑具有所使用的硅的平均粒度(grainsize)1/30到1/100的平均粒度。
在美國專利申請公開號2007/0231236a1中，kajimoto等公開了生產鹵代硅烷的方法和純化固體組分的方法。
在美國專利申請公開號2009/0035205a1中，bohmhammel等公開了通過用催化劑對四氯化硅進行催化氫化脫鹵來制備四氯化硅的方法，所述催化劑為元素周期表第2族的至少一種金屬或金屬鹽。
在歐洲專利申請文件公開號0444190b1中，hsieh等公開了通過半透膜進行的氣體分離。
在歐洲專利說明書公開號0450393a2中，allen公開了改進的多晶硅及其方法。
在國際公開號2006/054325a2中，ghetti公開了對三氯硅烷和四氯化硅進行純化的方法和設備。
在國際公開號2007/035108a1中，andersen等公開了生產三氯硅烷的方法以及對用于三氯硅烷生產中的硅進行生產的方法。
技術實現要素：
本發明的一個或多個方面涉及制備三氯硅烷的方法。根據一個或多個實施方式，所述方法可包括：向反應器中引入反應物混合物，所述反應物混合物含有四氯化硅和氫氣；從所述反應器中回收第一粗產物，所述第一粗產物包含三氯硅烷、四氯化硅、氫氣、硅和金屬鹽；從所述第一粗產物中分離至少部分硅和金屬鹽，產生第二粗產物和第一殘留物，所述第二粗產物包含三氯硅烷、四氯化硅和氫氣，所述第一殘留物包含三氯硅烷、四氯化硅、硅和金屬鹽；以及使至少部分的所述第一殘留物與接觸氣體(contactgas)進行接觸，產生富含固體的殘留物和蒸氣產物(vaporproduct)，所述蒸氣產物包含三氯硅烷和四氯化硅，所述富含固體的殘留物包含硅和金屬鹽。
所述接觸氣體可包括氫氣和不可凝氣體(non-condensablegas)中的至少一種。根據本發明的一個或多個實施方式的至少一個變型，所述方法可進一步包括對至少部分所述第二粗產物進行冷凝以產生粗冷凝物，并且優選使至少部分所述粗冷凝物與所述第一粗產物進行接觸。根據至少一個另外的變型，所述方法可進一步包括使至少部分所述粗冷凝物與至少部分所述蒸氣產物進行接觸。根據至少一個更進一步的變型，所述方法可進一步包括使至少部分所述第一殘留物與所述第一粗產物接觸。所述方法可進一步包括：從至少部分所述第二粗產物中分離至少部分三氯硅烷，從至少部分所述第二粗產物中回收至少部分四氯化硅，從至少部分所述第二粗產物中回收至少部分氫氣，以及向反應器中引入至少部分經回收氫氣(recoveredhydrogen)。有利的情況是，接觸氣體可至少部分由經回收氫氣組成。進一步而言，所述反應物混合物可至少部分由經回收氫氣組成，并且優選可由經回收四氯化硅組成。本發明的一個或多個具體實施方式涉及從第一粗產物中分離至少部分硅和金屬氯化物鹽，所述具體實施方式可包括向急冷塔(quenchcolumn)中引入第一粗產物，從所述急冷塔中回收第二粗產物，以及從所述急冷塔中回收第一殘留物。使至少部分所述第一殘留物與接觸氣體進行接觸可包括：向汽提塔(strippercolumn)中引入接觸氣體，向所述汽提塔中引入至少部分第一殘留物，從所述汽提塔中回收蒸氣產物，以及從所述汽提塔中回收富含固體的殘留物。進一步而言，從所述第一粗產物中分離至少部分硅和金屬鹽可包括：使至少部分第一粗產物與來自所述汽提塔的至少部分蒸氣產物進行接觸。
在本發明的一個或多個進一步的實施方式中，所述方法可進一步包括：從第二粗產物中分離至少部分四氯化硅，產生經回收四氯化硅以及包含三氯硅烷和二氯硅烷的第三粗產物；以及向反應器中引入至少部分經回收四氯化硅。所述方法可進一步包括：提高產物中經回收四氯化硅的濃度以產生濃縮stc產物，以及向反應器中引入該濃縮stc產物。在本發明的一個或多個進一步的實施方式中，所述方法可進一步包括在第二粗產物中回收至少部分氫氣，并向具有濃縮stc產物的反應器中引入所述至少部分經回收氫氣。在本發明的一個或多個更進一步的實施方式中，所述方法可包括：從第三粗產物中分離三氯硅烷，產生富含三氯硅烷的產物；以及在某些情況下，用來自所述反應器的至少部分第一粗產物對至少部分將要引入反應器中的反應物混合物進行加熱。
本發明的一個或多個方面涉及合成三氯硅烷的系統。根據一個或多個實施方式，所述系統可包括：四氯化硅源；氫氣源；反應器，所述反應器以流體方式(fluidly)連接至四氯化硅源和氫氣源，所述反應器具有反應器出口；急冷塔，所述急冷塔具有粗蒸氣進口、第二蒸氣進口、粗蒸氣產物出口以及殘留物出口，所述粗蒸氣進口以流體方式連接在反應器出口的下游；以及汽提塔，所述汽提塔具有塔頂液體進口(overheadliquidinlet)、接觸氣體進口和塔頂蒸氣出口，所述塔頂液體進口以流體方式連接在所述急冷塔的殘留物出口的下游，所述塔頂蒸氣出口以流體方式連接在所述急冷塔的第二蒸氣進口的上游。所述系統可進一步包括：冷凝器，所述冷凝器具有冷凝器進口、冷凝物出口和冷凝器出口，所述冷凝器進口以流體方式連接在粗蒸氣產物出口的下游，所述冷凝器出口以流體方式連接在三氯硅烷、二氯硅烷、四氯化硅的分離聯動線(separationtrain)的上游，所述冷凝物出口以流體方式連接在急冷塔的塔頂冷凝物進口的上游。本發明系統進一步的配置(configuration)可包括殘留物泵，所述殘留物泵具有泵進口和泵出口，所述泵進口以流體方式連接在急冷塔的殘留物出口的下游，其中所述泵出口以流體方式連接在所述汽提塔的塔頂液體進口的上游以及所述急冷塔的殘留物再循環進口的上游。
所述系統可進一步包括具有經回收氫氣出口的氫氣回收系統；所述氫氣回收系統通常以流體方式連接在冷凝器出口的下游。在更進一步的實施方式中，汽提塔的接觸氣體進口以流體方式連接在經回收氫氣出口的下游。合成三氯硅烷的系統還可進一步包括接觸氣體流的源，該源以流體方式連接在汽提塔的接觸氣體進口上游。所述接觸氣體流通常包含氫氣。
所述系統可進一步包括熱交換器，所述熱交換器具有第一流體側(firstfluidside)和第二流體側，所述第二流體側與所述第一流體側熱連通(thermalcommunication)；所述第一流體側將氫氣源和四氯化硅源中的至少一個以流體方式連接至反應器，所述第二流體側將反應器出口以流體方式連接至急冷塔的粗蒸氣進口。因此，熱交換器可具有第一進口和第一出口，將氫氣源和四氯化硅源以流體方式連接至反應器進口。熱交換器還可具有第二進口和第二出口，將反應器出口以流體方式連接至急冷塔進口。
與本發明的三氯硅烷合成方法相關的一個或多個實施方式可包括：在流化床反應器中使四氯化硅氫化，產生處于第一粗產物流中的三氯硅烷，其中所述第一粗產物流可進一步包含四氯化硅、氫氣、硅和至少一種金屬鹽；在第一分離塔(separationcolumn)中，從所述第一粗產物流中分離至少部分的硅和至少一種金屬鹽，產生第一殘留物流和第二粗產物流，其中所述第一殘留物流可進一步包含三氯硅烷和四氯化硅；在第二塔中，用接觸流(contactstream)使來自至少部分所述第一殘留物流的至少部分三氯硅烷和至少部分四氯化硅發生汽化，產生蒸氣產物流和富含固體的漿液流，其中所述富含固體的漿液流可包含至少一種金屬鹽并通常包含硅，并且其中所述蒸氣產物流可包含經汽化的三氯硅烷和經汽化的四氯化硅。在本發明的一個或多個變型或實施方式中，用接觸流使來自至少部分所述第一殘留物流的至少部分三氯硅烷和至少部分四氯化硅發生汽化可包括：使至少部分所述第一殘留物流與所述接觸流進行接觸，所述接觸流包含一種或多種不可凝氣體以及氫氣中的至少一種。進一步而言，在三氯硅烷合成方法的其它變型或實施方式中，從第一粗產物流中分離至少部分硅和至少一種金屬鹽可包括：使至少部分第一粗產物流與第一殘留物流進行接觸。三氯硅烷合成方法的其它變型可包括：使至少部分第二粗產物流冷凝以產生粗冷凝物流(crudecondensatestream)，并使第一粗產物流與粗冷凝物流進行接觸。和本文所記載的三氯硅烷合成方法的任何變型一起或作為其替代，該方法可進一步包括：從所述第二粗產物流回收至少部分氫氣，并用至少部分經回收氫氣使來自至少部分所述第一殘留物流的至少部分三氯硅烷和至少部分四氯化硅發生汽化。在三氯硅烷合成方法進一步的額外或替代的變型中，使四氯化硅氫化可包括用至少部分經回收氫氣使四氯化硅氫化。在上述記載的實施方式的一個或多個變型中，三氯硅烷合成方法可進一步包括從第二粗產物流中回收至少部分四氯化硅。使四氯化硅氫化可包括用至少部分經回收氫氣使至少部分經回收四氯化硅氫化。所述方法可進一步包括：在四氯化硅氫化前，用至少部分第一粗產物流對至少部分四氯化硅-氫氣反應物混合物進行加熱。
與三氯硅烷制備方法相關的本發明的一個或多個實施方式可包括：提供包含四氯化硅和氫氣的反應物混合物；向反應器中引入反應物混合物，所述反應器具有將至少部分四氯化硅氫化成為三氯硅烷的反應條件；回收包含四氯化硅、氫氣、三氯硅烷和金屬鹽的粗產物；用至少部分所述粗產物對至少部分反應物混合物進行加熱；從至少部分所述粗產物中分離三氯硅烷，產生三氯硅烷產物。所述方法可進一步包括：將所述粗產物分離成為殘留物和粗蒸氣產物；從至少部分所述粗蒸氣產物中回收氫氣；使至少部分所述殘留物與至少部分經回收氫氣進行接觸，產生蒸氣產物和包含金屬鹽的富含固體的殘留物；使所述粗產物與所述蒸氣產物進行接觸。
附圖說明
附圖并沒有按比例繪制。在附圖中，各圖中示出的各個相同或近似相同的組件由類似的數字表示。出于清晰的目的，并非每個組件在每張圖中都加以標示。
在附圖中：
圖1是示意圖，顯示出本發明一個或多個方面所述系統的一部分的工藝流程圖；
圖2是示意圖，顯示出本發明一個或多個方面所述系統的一部分的工藝流程圖。
具體實施方式
可通過氫氯化反應(hydrochlorination)制造三氯硅烷，所述氫氯化反應包括使四氯化硅與金屬級硅和氫氣在反應器中反應。作為含金屬硅細粒的漿液，所產生的氯硅烷通常與金屬鹽(如揮發性金屬氯化物鹽)一起從反應器中回收。
所述金屬鹽可以是過渡金屬氯化物和堿土金屬氯化物。金屬鹽的非限制性實例包括氯化鐵、氯化鈣和氯化鋁。作為一種或多種反應物的雜質或污染物，可向三氯硅烷合成方法中引入能夠充當金屬鹽前體的金屬。例如，冶金級硅通常可具有約1wt％到約5wt％的金屬組分。鹽的金屬前體可為鐵、鋁和鈣中的任意一種或多種。金屬鹽前體另外的來源包括催化劑，如含銅的催化劑。金屬雜質的其它來源包括參與三氯硅烷合成或與三氯硅烷合成有關的單元操作的潤濕組件(wettedcomponents)。
本發明的某些方面針對下述系統和技術：提高漿液中的固體濃度，從而回收揮發性金屬鹽并減少下游操作中由金屬鹽的固化作用產生的阻塞。本發明提供了通過利用不可凝氣體(可以是非活性氣體)提高漿液流中的固體濃度而使至少部分氯硅烷組分揮發(而非加熱來提高溫度，從而使氯硅烷化合物發生汽化，并接著使揮發后的氯硅烷化合物冷凝)，可因此對降低漿液部分溫度的條件具有促進作用。因此，本發明實際上可通過降低漿液的溫度來降低金屬鹽的揮發性，轉而可有助于分離，并降低將其轉移至下游單元操作的可能性。因此，本發明可包括能夠降低下游分離操作中固體沉積的可能性的系統和方法。
本發明的一個或多個方面可針對生產三氯硅烷的系統和技術。本發明的某些方面包括選擇性汽化、或有助于使氫化反應粗產物的組分發生選擇性汽化的單元操作。本發明進一步的方面可包括：回收氫化反應中的一種或多種未使用的反應物；并在一個或多個汽化單元操作中利用上述一種或多種經回收、未使用的反應物，從而實現固體或可沉積組分(氫化操作的副產物)的分離。本發明進一步的方面包括回收能量、或有助于能量回收的單元操作，從而有助于三氯硅烷合成。本發明進一步的方面可包括冷凝、或有助于使氫化產物的一種或多種組分的至少一部分冷凝并對至少部分經冷凝的一種或多種組分加以利用的單元操作，從而實現對氫化反應的一種或多種副產物的至少一部分進行分離。
本公開文本的各部分是相對于流(streamorstreams)而呈現的；然而，本發明不限于連續或反復地(continuouslyorcontinually)對系統和技術進行操作，并且本發明可由本領域技術人員以批量或半批量的操作或操作系統來實行或實施。因此，對于流的提及可與體積、質量或其它離散單元(discreteunit)有關。
本發明的一個或多個方面涉及制備或合成三氯硅烷的方法和技術。根據本發明的一個或多個實施方式，圖1示例性地示出了用于合成硅烷(如三氯硅烷)的系統100。系統100可包括：四氯化硅源102；氫氣源103；反應器104或多個反應器，所述反應器以流體方式連接至四氯化硅源102和氫氣源103。反應器104可具有多個進口，所述進口以流體方式連接至源102和103中的一個或多個。然而，在某些配置中，由于反應物混合物或反應物流包含四氯化硅和氫氣，反應器104可具有以流體方式同時連接至源102和103的單一進口105。進一步而言，反應器104通常具有一個或多個反應器出口106。
系統100可進一步包括第一塔，例如所示出的可具有第一進口109的急冷塔108，所述第一進口109可以是第一粗產物進口或粗蒸氣進口，以流體方式連接至反應器104的出口106。塔108可進一步包括第一出口，所述第一出口可以是粗蒸氣產物出口110。
該系統可進一步包括一個或多個熱交換器，所述熱交換器具有第一進口、第一出口、第二進口和第二出口。所述第一進口能夠以流體方式連接至氫氣源和四氯化硅源中的至少一個，所述第一出口以流體方式連接在反應器的上游。在某些配置中，所述熱交換器可具有與第二流體側熱連通的第一流體側，所述第一流體側將氫氣源和四氯化硅源中的至少一個以流體方式連接至反應器，所述第二流體側以流體方式連接至加熱介質源。例如，如圖1中所示，系統100可具有一個或多個加熱器112，所述加熱器112被配備用以對至少部分反應物混合物(來自源102和103中的任意一個或多個)在引入反應器104前進行加熱。該系統的其它配置考慮了利用加熱器或熱交換單元操作，來提高將要引入反應器104中的四氯化硅-氫氣反應物混合物的溫度。例如，熱交換器111可具有第一進口和第一出口，將氫氣源和四氯化硅源以流體方式連接至反應器104的進口。熱交換器111還可具有第二進口和第二出口，將反應器104的出口106以流體方式連接至塔108的進口109。
可使用源107的硅，從而向反應器104提供例如冶金級硅金屬。
系統100可進一步包括以流體方式連接至塔108的冷凝器113或冷卻單元操作。通常，冷凝器113具有冷凝器進口114，所述冷凝器進口114以流體方式連接在出口110的下游，從而接受來自塔108的第二粗產物。在冷凝器113中可使用來自冷卻系統cw的冷卻水，來實現離開塔108的第二粗產物流向外的熱傳導，從而使其組分至少部分地冷凝成為粗冷凝物。還可使用其它配置以幫助冷凝。例如冷凝器113可以是利用環境空氣作為冷卻介質的空氣換熱器。冷凝器113通常進一步具有冷凝物出口115，所述冷凝物出口115以流體方式連接至塔108的塔頂冷凝物進口(如第二進口116)，從而有助于將來自冷凝器113的經回收粗冷凝物遞送入塔108中。
冷凝器113可進一步具有第二出口或冷凝器出口117，從而有助于回收或引出一部分的第二粗產物，所述第二粗產物通常包含未在所述冷凝器中冷凝的組分。
塔108進一步包括殘留物出口118，從而有助于回收或引出來自塔108的第一殘留物。可使用泵119來幫助轉移第一殘留物，并通過塔108的殘留物再循環進口120將一部分的所述第一殘留物遞送或返回到塔108中。
在其它配置中，可使用文丘里管來幫助從反應器104中排出第一粗產物并引入到塔108中。例如，泵119的出口能夠以流體方式連接至該文丘里管的匯聚進口段的上游。該文丘里管的出口可連接塔108的進口120的上游，而該文丘里管的第二進口(緊鄰喉部段)能夠以流體方式連接反應器104的粗產物出口106的下游(通常通過熱交換器111)。
在根據本發明的某些方面優選的配置中，系統100進一步包括第二塔或汽提塔121，該塔具有塔頂液體進口123，所述塔頂液體進口123以流體方式連接至泵119的出口，從而有助于遞送或引入來自塔108的至少部分第一殘留物流。因此在某些情況下，塔頂液體進口123以流體方式連接在急冷塔108的殘留物出口118的下游。
系統100還可包括一個或多個接觸氣體源125a和125b。當使用源125a和125b中的任何一個或兩者時，將各源以流體方式連接，從而通過至少一個進口(例如其接觸進口127)向塔121提供接觸氣體。通常，塔121具有至少一個塔頂蒸氣出口129用于回收蒸氣產物，優選通過急冷塔的第二蒸氣進口131向塔108中引入或轉入所述蒸氣產物。因此，該急冷塔的第二蒸氣進口能夠以流體方式連接至汽提塔的塔頂蒸氣出口。
術語“不可凝氣體”是指在針對氫氯化反應和固體副產物分離的條件下，在各種一級(primary)單元操作中均保持在氣體狀態的任何氣體。例如，不可凝氣體可以是在單元104、108、121和113中的任何單元均不冷凝的任何氣體。接觸氣體可包含氫氣、非活性氣體或兩者，所述氫氣、非活性氣體或兩者能夠至少部分實現使任意的三氯硅烷、四氯化硅和二氯硅烷發生汽化。
塔121還可具有底部出口或富含固體的殘留物出口122，用于從汽提塔中回收富含固體的流。富含固體的流可被遞送至最終回收系統124，所述最終回收系統124在將固體鹽作為廢棄物丟棄前收回有用的組分(例如氯硅烷)。
根據本發明的一個或多個實施方式的至少一個變型，系統100進一步包括實現對第二粗產物的組分進行純化或分離的一個或多個分離聯動線150。例如，系統100可包括含有多個單元操作的一個或多個分離聯動線，所述單元操作對三氯硅烷、二氯硅烷、四氯化硅(作為來自塔108中第二粗產物的組分)進行分離。因此，粗產物分離聯動線和氫氣回收系統能夠通過第一聯動線進口153以流體方式連接在冷凝器出口117的下游。在某些情況下，來自冷凝器113的部分粗冷凝物還可通過第二聯動線進口155導向進入聯動線150中，從而回收粗冷凝物中任意的三氯硅烷、二氯硅烷、四氯化硅組分。因此，第二聯動線進口155能夠以流體方式連接在所述冷凝器的冷凝物出口115的下游。
氫氣回收系統通常通過使來自塔108的第二粗產物(在某些情況下為來自冷凝器113的粗冷凝物)中的四氯化硅以及各硅烷型化合物(包括但不限于三氯硅烷和二氯硅烷)的至少一部分進行冷凝來分離氫氣。可使用實現氫氣分離或回收的其它技術。
在本發明的某些實施方式中，系統100可包括利用來自氫氣回收系統的至少部分經回收氫氣的配置。例如，經回收氫氣可被用作四氯化硅氫化反應中的反應物。可將經回收氫氣引入到反應器104中作為分離流，或與四氯化硅一起引入到反應器104中。在其它配置中，經回收氫氣可來自于例如氫氣回收系統的經回收氫氣出口157，所述經回收氫氣出口157被示例性地示出為聯動線150的子系統(但并非必要)。接觸氣體可至少部分地包含來自反應器的經回收氫氣。
圖2示例性地示出了可在聯動線150中使用的單元操作。例如，聯動線150可包括被配備用以接收來自冷凝器113的粗冷凝物的罐(tank)。聯動線150可進一步包括分離塔210，所述分離塔210以流體方式連接至罐202的出口并接收混合溶液(mixedliquor)。來自罐202的混合溶液可包含四氯化硅、三氯硅烷和二氯硅烷(取決于上游單元操作的操作條件)。可對塔210進行操作，從而至少部分地從混合溶液中分離三氯硅烷，來產生包含三氯硅烷的產物流，所述產物流通常作為塔210的塔頂流，可被遞送至儲藏器。然而在其它情況下，可在一次或多次操作(未示出)中對所述產物流進一步純化，從而移除雜質(例如二氯硅烷)并回收三氯硅烷。
可將來自塔210的副產物流引入到塔220中，來幫助分離由此而來的四氯化硅。通常，來自塔220的塔頂流包含經回收四氯化硅，所述經回收四氯化硅可作為將要遞送至反應器104的反應物混合物的組分而引入(例如借助于加熱器112)。
如上所述，聯動線150可包括氫氣回收子系統，所述氫氣回收子系統可包括實質上使第二粗產物中除氫氣外的所有組分冷凝的單元操作。例如，可通過用一個或多個冷卻器160和165對來自塔108和冷凝器113的第二粗產物進行冷卻，來實現氫氣回收。可通過冷卻器chs提供使第二粗產物的可冷凝組分實現冷凝的冷卻介質。可將來自冷卻器160和165的回收流(通常包含四氯化硅和三氯硅烷)直接引入到積聚罐202中，或者收集在罐170中。如上所述，接下來可使用來自冷卻器160和165的經回收氫氣，來構成將要引入塔121中的接觸氣體、或者構成將要引入反應器104中的反應物混合物、或者構成上述二者。
本發明的一個或多個方面可針對三氯硅烷合成方法。如本文的一個或多個實施方式中所示，所述方法可包括向反應器104中引入反應物混合物。該反應物混合物通常包含四氯化硅和氫氣。所述方法可進一步包括：從反應器104中回收第一粗產物；從所述第一粗產物中分離至少部分金屬鹽，產生第二粗產物和第一殘留物；以及使至少部分所述第一殘留物與接觸氣體進行接觸，產生富含固體的殘留物和蒸氣產物。本發明與三氯硅烷合成方法相關的一個或多個實施方式可包括：在流化床反應器(如單元104)中使四氯化硅氫化，產生處于第一粗產物流中的三氯硅烷；在第一分離塔(如單元108)中，從所述第一粗產物流中分離至少部分硅和至少一種金屬鹽，產生第一殘留物流和第二粗產物流；在第二塔(如單元121)中，用接觸流使來自至少部分第一殘留物流的至少部分三氯硅烷和至少部分四氯化硅發生汽化，產生蒸氣產物流和富含固體的漿液流，其中所述富含固體的漿液流包含至少一種金屬鹽和硅，所述蒸氣產物流包含經汽化的三氯硅烷和經汽化的四氯化硅。
所述第一粗產物通常至少包含三氯硅烷、四氯化硅、氫氣、硅和金屬鹽。所述第二粗產物通常包含三氯硅烷、四氯化硅和氫氣；所述第一殘留物通常包含三氯硅烷、四氯化硅、硅和金屬鹽。所述蒸氣產物通常包含三氯硅烷和四氯化硅；所述富含固體的殘留物通常包含硅和金屬鹽。所述接觸氣體可包含氫氣、如經回收氫氣。
根據本發明的一個或多個實施方式的至少一個變型，所述方法可進一步包括使至少部分第二粗產物冷凝以產生粗冷凝物，并且優選使至少部分粗冷凝物與所述第一粗產物進行接觸。
根據至少一個進一步的變型，所述方法可進一步包括使至少部分粗冷凝物與至少部分蒸氣產物進行接觸。根據至少一個更進一步的變型，所述方法可進一步包括使至少部分第一殘留物與第一粗產物進行接觸。
根據至少一個更進一步的變型，所述方法可進一步包括：從至少部分所述第二粗產物中分離至少部分三氯硅烷，從至少部分第二粗產物中回收至少部分四氯化硅，從至少部分所述第二粗產物中回收至少部分氫氣，以及向反應器中引入至少部分經回收氫氣。
本發明所述方法的優選實施方式可包括利用經回收氫氣至少部分地構成接觸氣體。在某些情況下，反應物混合物至少部分由經回收氫氣組成，還優選由經回收四氯化硅組成。因此，所述方法可進一步包括：從所述第二粗產物中分離至少部分四氯化硅，產生經回收四氯化硅和包含三氯硅烷及二氯硅烷的第三粗產物；以及向反應器104中引入至少部分經回收四氯化硅。
本發明的一個或多個具體實施方式涉及從第一粗產物中分離至少部分金屬氯化物鹽，其包括：向急冷塔108中引入所述第一粗產物，從急冷塔108中回收第二粗產物，以及從急冷塔108中回收第一殘留物。將至少部分所述第一殘留物與接觸氣體進行接觸可包括：向汽提塔121中引入接觸氣體，向汽提塔121中引入至少部分所述第一殘留物，從汽提塔121中回收蒸氣產物，以及從汽提塔121中回收富含固體的殘留物。從所述第一粗產物中分離至少部分金屬鹽可包括：使至少部分所述第一粗產物與來自汽提塔121的至少部分蒸氣產物進行接觸。
在本發明的一個或多個更進一步的實施方式中，所述方法可進一步包括：提高產物中經回收四氯化硅的濃度，產生濃縮stc產物；以及向反應器104中引入濃縮stc產物。在本發明的一個或多個更進一步的實施方式中，所述方法可進一步包括：回收處于第二粗產物中的至少部分氫氣，以及向具有濃縮stc產物的反應器104中引入至少部分經回收氫氣。
在本發明的一個或多個更進一步的實施方式中，所述方法可進一步包括：從所述第三粗產物中分離三氯硅烷，產生富含三氯硅烷的產物。
所述方法可進一步包括用來自所述反應器104的第一粗產物對將要引入反應器104中的反應物混合物進行加熱。
用接觸流使來自至少部分所述第一殘留物流的至少部分三氯硅烷和至少部分四氯化硅發生汽化可包括：例如使至少部分第一殘留物流和接觸流進行接觸，所述接觸流可包含氫氣和不可凝氣體中的至少一種。進一步而言，在三氯甲烷合成方法的其它變型或實施方式中，從所述第一粗產物流中分離至少部分硅和至少一種金屬鹽可包括：使至少部分所述第一粗產物流和所述第一殘留物流進行接觸。
三氯硅烷合成方法可進一步包括：使至少部分第二粗產物流冷凝，產生粗冷凝物流；以及使所述第一粗產物流和所述粗冷凝物流進行接觸。
與上述記載的三氯硅烷合成方法的任何變型進行組合、或作為其替代，所述方法可進一步包括從所述第二粗產物流中回收至少部分氫氣。使來自至少部分所述第一殘留物流的至少部分三氯硅烷和至少部分四氯化硅發生汽化可包括：用至少部分經回收氫氣使任意的四氯化硅、三氯硅烷和二氯硅烷發生汽化。
另一方面可涉及對合成硅烷或三氯硅烷的現有系統進行改進的方法。改進方法可包括將一個或多個單元操作改造或安裝入現有的合成系統中。取決于現有單元操作，所述方法可包括提供有助于使合成系統的反應器的反應產物中一種或多種組分發生汽化的一個或多個單元操作。例如，當現有系統包括有助于對含硅烷前體化合物的產物流進行合成的至少一種反應器時，改進現有系統的方法可包括將一個或多個急冷塔以流體方式連接至提供產物流的反應器出口。在某些情況下，所述方法可進一步包括將一個或多個接觸汽提塔以流體方式連接在反應器的下游。
所述接觸氣體可包括有助于使三氯硅烷、二氯硅烷和四氯化硅中的至少一種發生汽化的任何氣體，優選在接觸或蒸氣條件下與其不發生反應。例如，所述接觸氣體可包含任意的氮氣、氬氣和氦氣。當使用一種或多種不可凝氣體時，本發明的優選方面可包括從系統中分離或回收至少部分不可凝氣體。通過例如冷卻來降低含氣體的流的溫度以使可冷凝部分液化，從中收回不可凝氣體部分，從而實現氣體的回收。
通常在有助于使四氯化硅轉化為三氯硅烷(如通過氫化)的條件下對反應器104進行操作。反應器104可包括其中具有冶金級硅的反應器。在優選的配置中，反應器104可以是流化床反應器，具有包含冶金級硅的流化床。可在如下條件下于流化床中進行反應：約300℃至約600℃的溫度，約100psig到約600psig、通常為約325psig的壓力，所述反應為：
3sicl4+2h2+si→4hsicl3。
引入反應器104中的反應物混合物可具有化學計量比的四氯化硅和氫氣；然而，摩爾比可為約1:1。
可在熱力學上對反應有利的條件下，向反應器中引入反應物混合物。例如，可在約325psig的壓力下將反應物混合物在加熱器111和112中加熱至約500℃。
急冷塔108可以是有助于原料流發生質量分離(massseparation)的分餾塔或蒸餾塔(fractioningordistillationcolumn)，所述原料流例如包含三氯硅烷、四氯化硅、二氯硅烷和氫氣的第一粗產物。通常，塔108中的分離作用產生：蒸餾物餾分，該餾分可以是第二粗產物流；以及底部餾分(bottomsfraction)，該餾分可以是第一殘留物流。然而，某些配置可利用具有以間隔沿塔分布的多個出口，從而使多種產物可從塔中排出的分餾塔。汽提塔121還可以是通過使至少部分任意的三氯硅烷、四氯化硅和二氯硅烷發生汽化，來實現分餾所述第一殘留物流的分餾塔。
在操作中，塔108可具有向下流動的液體運行(liquidtraffic)，其可為粗冷凝物和第一殘留物流，它們反向流動、并與向上流動的蒸氣(通常來自第一粗產物流)和來自汽提塔121的塔頂蒸氣產物流進行接觸。
在塔中可使用接觸結構。例如，可使用泡罩塔盤或塔板(bubble-captraysorplates)以便于塔中向上流動的蒸氣運行和向下流動的液體運行之間發生接觸。還可以在塔中使用填充材料(packingmaterial)代替塔盤，尤其是對于期望通過塔時的壓降較低的情況。所述材料可以是結構金屬片(structuredmetalmetal)或拉西環(raschigrings)的隨機堆積填充物。
分餾塔以及其它輔助單元的設計與操作取決于進料的組成和期望產物的組成。對于多組分進料，可將模擬模型用于對塔進行設計和操作。例如，可在如下條件對塔108進行操作：約90℃到約180℃、通常為約135℃的溫度；以及約100psig到約600psig、通常為約325psig的壓力。可在如下條件對塔121進行操作：約35℃到約180℃、例如約115℃的溫度；以及約100psig到約600psig的壓力。
可對冷凝器113進行操作，使來自塔108的粗蒸氣組分的至少一部分冷凝至約80℃到約40℃的溫度。
本發明還可包括利用一個或多個控制系統(未示出)來監測和調整對系統的任意單元操作的一個或多個參數進行的操作。例如，可利用控制系統來監測和調整系統100的任意單元操作的操作條件(如反應器104的溫度和壓力，以及反應器104中的反應物混合物的流速)，使其達到各自的目標值。在某些情況下，可利用相同或不同的控制系統來監測和調整任意的塔108和121中的操作條件。例如，可對接觸氣流的流速進行監測和控制，從而提供一個或多個預定的、目標的或選定的點值，或者隨汽提塔乃至急冷塔的其它操作條件而變。受到監測或控制的其它參數可以是流入或流出塔108和121、冷凝器113、泵119以及加熱器112的任意流的流速、壓力和溫度。進一步而言，系統100中的任意流的組成可以是受控參數或控制參數。
可使用一個或多個計算機系統(未示出)來實施控制器，所述計算機系統可為例如通用(general-purpose)的計算機或專門的計算機系統。為實現本發明的系統或子系統的一個或多個進程，可利用或實施的控制系統的非限制性實例包括：分布式控制系統，例如來自emersonelectricco.的deltav數字自動化系統；以及可編程邏輯控制器，例如可從allen-bradley或rockwellautomation,milwaukee,wisconsin獲得的控制器。
實施例
可由下述實施例進一步理解本發明的這些實施方式和其它實施方式的功能和優點，下述實施例示出了本發明的一個或多個系統和技術的益處和/或優點，但并沒有例示出本發明的全部范圍。
實施例1
這一實施例描述了本發明的一個或多個實施方式所述的模擬系統。所述模擬系統實質上如圖1和圖2所示并且如上文所述。用以幫助汽提塔121中的汽化作用的接觸氣體為氫氣。
表1給出了流入和流出反應器104的某些流的組成(以近似的重量百分比表示)以及操作參數。
表2給出了流入和流出急冷塔108和冷凝器113的某些流的組成(以近似的重量百分比表示)以及操作參數。
表3給出了流入和流出汽提塔121的某些流的組成(以近似的重量百分比表示)以及操作參數。
雜質通常包括：硅烷，例如但不限于甲硅烷、乙硅烷、一氯甲硅烷、六氯硅烷(hexachlorosilane)和甲基二氯硅烷；氯化物，例如但不限于五氯化磷、三氯化硼和三氯化磷；乙硼烷；甲烷；膦；以及水。
金屬通常包括鐵、鈣和鋁；金屬鹽通常包括氯化鐵、氯化鈣和氯化鋁。
表1
表2
表3
現在已經描述了本發明的某些說明性的實施方式，對本領域技術人員來說顯而易見的是，上述實施方式僅僅是說明性的而并非是限制性的，其僅以實例的方式進行呈現。許多修改和其它實施方式均在本領域普通技術人員的能力范圍內，并且由于落入本發明的范圍內而處于考慮之列。尤其是，盡管本文中的許多實例包括方法行為或系統元件的特定組合，但是應當理解的是，那些行為和那些元件可以其它方式組合以達到相同的目的。
本領域技術人員應明白的是，本文所述的參數和配置是示例性的，并且實際參數和/或配置將取決于使用了本發明所述系統和技術的具體應用。本領域技術人員僅僅使用常規實驗也應認識到或能夠確定本發明所述具體實施方式的等同方案。因此應理解的是，本文所述的實施方式僅以實例的方式給出，并且處于所附權利要求書及其等同方案的范圍內；本發明能夠以不同于具體所述的方案來實行。
此外還應該明白的是，本發明針對本文所述的各特征、系統、子系統或技術；并且，如果本文所述的兩個或多個特征、系統、子系統或技術相互不矛盾，那么認為這些特征、系統、子系統和技術的任意組合也處于權利要求書中所體現的發明范圍之內。進一步而言，僅就一個實施方式進行討論的行為、元件和特征并非意在將其它實施方式中的類似作用排除在外。
本文所使用的術語“多個”是指兩個或多個物件(items)或組分。無論在所撰寫的說明書還是在權利要求書等之中，術語“包含”、“包括”、“帶有”、“具有”、“含”和“包括”均為開放性術語，即，意味著“包括但不限于”。因此，使用這類術語意味著涵蓋了其后所列的物件及其等同物以及額外的物件。就權利要求書而言，只有過渡詞組“由……組成”和“實質上由……組成”分別為封閉式或半封閉式的過渡詞組。在權利要求書中用以修飾權利要求要素的序數詞(如“第一”、“第二”和“第三”等)其本身并不會表示一個權利要求要素相對于另一要素的任何優先級、先后關系或次序，也不會表示方法的行為進行的時間次序，而是僅僅被用作一個具有特定名稱的權利要求要素區分于另一具有相同名稱的要素的標記，目的是使用序數術語區分權利要求要素。