三氯氢硅合成原理

三氯氢硅合成原理

三氯氢硅合成系统包括：1，硅粉加料装置，2，三氯氢硅合成炉，3，旋风干法除尘，4，过滤装置，5，STC湿法除尘，6，合成气分离回收（CDI）等工序。

硅粉加料装置完成向合成炉连续定量地供应硅粉；三氯氢硅合成炉是生产三氯氢硅的关键设备；旋风干法除尘、过滤装置与STC湿法除尘是回收硅粉和除去合成气的硅尘，CDI是将合成气进行分离回收，它们都是不可或缺的设备。

合成三氯氢硅的原料是硅粉与HCL气体。

3.1. 原料工业硅简介

工业硅的外观为深灰色与生铁颜色接近，也称硅铁。工业硅的块密度约2.0×103kg/m3，硬度为7，纯度一般为95%～99%，其中的主要杂质为Fe、Al、Ca。

工业硅的制备一般采用冶炼法，在冶炼炉中用还原剂将SiO2还原成单质硅（冶金硅）。通常用的还原剂有碳、镁、铝等。用镁或铝还原SiO2，如果还原剂的纯度较高得到的单质硅纯度可达3～4个“9”。不过，由于纯度较高的镁、铝价格高，会增加工业硅的生产成本，因此，目前国内的生产厂家都采用在电炉中用焦炭还原SiO2来制取单质硅（冶金硅），即把碳电极插入由焦炭（或木炭）和石英石组成的炉料中，温度控制在1600℃～1800℃还原出硅，反应式如下：

石英砂（硅石）与炭在电弧炉里还原成硅(MG-Si)

反应是在电弧炉（见图二）里的相邻电极之间发生的，该处温度超过2000℃，释放出来的SiO 和CO流到上部较冷区域（小于1500℃），形成所必要的SiC。

还原后的单质硅是以液态从反应炉中流进硅液煲，在这一过程中如Fe、Al、Ca、B、P、Cu等杂质也会以不同化合态进入液态的单质硅中，为了保证产品符合要求（一般控制在99%以上），硅液需要经过进一步处理去除其中的杂质。处理方法是利用杂质的化合态（氯化物或氧化物、硅酸盐等）在液体状态时会逐步离析到液体表面的规律，通过除去表层硅液来达到去除杂质的目的。因此，工业硅厂大都采用在硅液保温槽中通入Cl2或O2，促使大部分Fe、Al、Ca等杂质生成氯化盐或硅酸盐等物质，定期清除表层。这个过程会持续较长时间，并根据石英矿的杂质含量、成分和客户要求而定。这种方法主要是去除Fe、Al、Ca。

硅在常温下的化学性质很稳定，跟多数物质都不反应，只与部分强碱（NaOH、KOH）和酸（HF）反应。但在加热条件下（300℃±20℃）可以与多种物质反应，如与干燥的HCl气体反应生成氯硅烷，与Cl2反应生成四氯化硅，更高温度时还能和氧气反应生成氧化硅。

石灰砂（硅石）

煤、焦炭、木屑(CO、SiO、H2O)

凝聚SiO SiO+ CO= SiO2+ C

1500℃

从SiO和C SiO+ 2C= SiC+ CO

生成SiC，熔融SiO2

1700℃

2 Si C +SiO2 = Si + SiO+ CO

熔融液体硅

排出硅

工业硅冶炼炉示意图

块状工业硅还要进一步经破碎、球磨、过筛加工成一定粒度（0.3-0.6mm）的硅粉，并经干燥后才能用于三氯氢硅的合成。

3.2. SiHCl3的性质

纯净的SiHCl3，常温下是无色易挥发的透明液体，带有强烈气味，密度约1334kg/m3，沸点31.5℃。其自燃点230℃，闪点-28℃，爆炸上限92.1%，爆炸下限6.6%。其蒸汽会对眼角膜、嘴、鼻表皮及呼

吸道产生刺激、引起喘息。在高浓度时会产生痉挛至死亡。流到皮肤上会引起不可痊愈的溃疡。危险等级为2级。

SiHCl3的化学性质很活泼，能与水等多种物质反应。

3.2.1 与水的反应

SiHCl3极易与水反应，反应式如下：

SiHCl3 + 2H2O ＝SiO2 + 3HCl + H2 + Q

反应产生的SiO2是白色的固体物质，会附着在周围物体上。生成的HCl在空中与水分结合，迅速形成类似蒸汽的酸雾。因此，一旦发生SiHCl3泄漏，能很容易发现。对储存有料液的设备，巡检时应注意设备表面是否有白色物质或酸雾出现，一旦出现，则表明该设备有泄漏，需及时检修。

在与水的反映过程中，同时释放出大量的热并产生H2，当大量的SiHCl3与水在空气中反应时会剧烈燃烧，甚至有爆炸的危险，除SiHCl3自身的反应外，主要是引起了H2的二次反应：

H2 + O2 ＝H2O + Q

为了避免发生事故，在进行SiHCl3废液处理或设备检修时，必须按以下要求进行操作：

A. 废液处理

⑴在封闭的反应罐内，首先加入较大量的碱液或水，并用氮气置换反应罐内空间的空气；

⑵反应罐的尾气排放口应处于开通状态；

⑶反应罐的夹套需通入循环冷却水降温，温度宜控制在85℃以下；

⑷向反应罐内（罐内已加入碱液）送入SiHCl3废液时，流量不能太大；

⑸当碱液浓度降到一定值后（仍为碱性，PH约为7），应停止通入SiHCl3废液，停止废液处理，更换新的碱液重复上述步骤；

⑹排放的尾气（管路上要安装阻火器）应通入淋洗塔处理达标后放空。

B. 检修

⑴先从设备的残液排放口把液态SiHCl3排入其它容器，然后通入大量的氮气，尽可能把设备中的SiHCl3送入淋洗塔处理，置换完成后再用水或碱液洗涤；

⑵当设备发生堵塞，不能按步骤⑴进行时，应直接用氮气吹扫或少量蒸汽加热设备表面，使SiHCl3蒸发完全后，再把设备从系统中隔离，打开设备的接管或封头，处于完全卸压状态后用水或碱液洗涤；

⑶只有设备被完全清洗干净后才能进行维修。

SiHCl3未充分反应时产生硅氧烷，具有易燃性，冲击或摩擦作用下有可能着火或爆炸。从设备中掉落或大量处理产生的水解物固体块，不能敲击，应轻轻移动到碱液中进行处理。

当SiHCl3滴到皮肤上，造成人身伤害，其主要原因是与皮肤上的水反应并放出热和HCl，造成皮肤脱水和灼伤。必须要迅速用大量的水洗涤。