一种低光气含量的三氯化硼生产装置及方法制造方法及图纸

一种低光气含量的三氯化硼生产装置，其中，干燥器的出口与立式反应炉底部的入口连接，立式反应炉两侧设置观察孔并内置两组固定式双层反应管，双层反应管外层为石英管、内层为与石英管内切的石墨环，石墨环内装填有碳化硼颗粒，同时双层反应管上端出口连接至阻灰器的入口，阻灰器的出口接入冷凝器，冷凝器下方接入储罐，且在冷凝器与储罐内分别设置有冷却循环水；在双层反应管内，碳化硼原料过量装填，防止残余氯溢出，同时碳化硼氯化反应后残余碳不直接接触石英管，避免产生合成光气原料，在降低四氯化硅、残余氯气杂质含量的同时将光气含量降低到3ppm以下，进而达到电子级三氯化硼的要求，生产方法高效、稳定、可靠，可实现工业化生产。

Device and method for producing three boron chloride with low phosgene content

Three boron chloride production device, a low content of phosgene, and the reaction furnace bottom entrance exit vertical dryer connected on both sides of the vertical furnace observation hole is arranged and built in two groups of fixed type double reaction tube, double reaction tube outer quartz tube, the inner ring inscribed with quartz tube graphite, graphite ring filled with boron carbide particles, and the reaction tube connected to the double export entrance resistance soot, ash blocking device access condenser, condenser bottom access storage tank, and are respectively provided with the cooling water in the condenser and the storage tank; in the double layer reaction tube, boron carbide raw material to prevent excessive loading, residual chlorine overflow. At the same time, boron carbide chlorination residual carbon does not directly contact the quartz tube, avoid the synthesis of phosgene in reducing raw material, four chlorinated silicon, residual chlorine and phosgene impurity content The content is reduced to less than 3ppm, and the requirement of the electronic grade three boron chloride is obtained. The production method is efficient, stable and reliable, and can be industrialized production.

【技术实现步骤摘要】
一种低光气含量的三氯化硼生产装置及方法
本专利技术涉及化工材料制备
，尤其涉及一种低光气含量的三氯化硼生产装置及方法。
技术介绍
三氯化硼是一种无色发烟液体或气体，不可燃，有刺激性酸性气味，遇水分解生成氯化氢和硼酸，并放出大量热量，在醇中分解为盐酸和硼酸酯。三氯化硼的用途很广，可用作光导纤维的基础材料及制取乙硼烷、硼纤维、硼粉以及制取耐高温金属硼化物二硼化钛和热解氮化硼等含硼化合物的原料。同时，由于其缺电子对的强路易斯酸特性，可作为许多有机反应中的优良催化剂，高纯三氯化硼则主要用于(硅)半导体器件制造工艺中的扩散掺杂、离子注入、干法蚀刻等过程。此外，高纯三氯化硼还可用于制造太阳能电池元件及高能燃料及火箭推进剂中提高BTU值的硼源。制备三氯化硼的方法主要有两种：B2O3+3C+3Cl2＝2BCl3+3CO(1)B4C+6Cl2＝4BCl3+C(2)反应式(1)为吸热熵增反应，虽原料成本低，但却需一直加热进行反应，耗能很大，而且工艺过程复杂并产生大量的光气杂质，反应式(2)为放热熵减反应，启动反应后，反应放热量远大于其反应势垒，反应可自发进行，从而节省能源，现国内外一般都采用反应式(2)来制备三氯化硼。反应式(2)制备三氯化硼时一般采用石英SiO2材质的反应管，在其制备过程中，由于氯化作用，易产生很多杂质，如未反应完全的残余氯Cl2、四氯化硅SiCl4、光气COCl2以及金属离子杂质(Fe、Ni、Cu、K、Na等)和空气含量(N2、O2、CO、CO2等)，其中，四氯化硅杂质是在高温条件下碳化硼氯化后的残余碳与石英反应器直接接触反应而产生：2Cl2+SiO2+2C＝SiCl4+2CO；而光气杂质则是在低温及活性炭催化的条件下由一氧化碳和氯气合成：CO+Cl2＝COCl2。以上杂质中，残余氯、四氯化硅、金属离子、空气成分都与三氯化硼存在较大的沸点差异，易在随后的精馏提纯工艺中去除，而光气沸点(8.2℃)与三氯化硼沸点(12.4℃)相差无几，即使是采用高塔板数蒸馏塔亦难以去除，进而需要采用一系列复杂、昂贵的提纯工艺过程如多重吸附、紫外线电磁波辐射、激光辐射等才能去除。同时三氯化硼的纯度对半导体器件、光导纤维和太阳能电池的质量有很大影响，如果杂质光气与硅作用，可生成有损于半导体器件的碳和氧等杂质。得益于全球电子行业的迅猛发展，对三氯化硼的需求量越来越大，对其纯度尤其是光气含量的要求也越来越高；而现有的生产工艺，光气的含量在10ppm-200ppm以上，达不到电子级三氯化硼(光气含量要求0.5-10ppm)的要求。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种低光气含量的三氯化硼生产装置及方法，以解决上述
技术介绍
中的缺点。本专利技术所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种低光气含量的三氯化硼生产装置，包括填充有氯化钙颗粒的干燥器、立式反应炉、阻灰器、冷凝管及储罐；其中，干燥器的出口与立式反应炉底部的入口连接，立式反应炉内置两组固定式双层反应管，双层反应管外层为石英管、内层为与石英管内切的石墨环，石墨环内装填有碳化硼颗粒，同时双层反应管上端出口连接至阻灰器的入口，阻灰器的出口接入冷凝器，冷凝器下方接入储罐，且在冷凝器与储罐内分别设置有冷却循环水。在本专利技术中，在干燥器的出口与立式反应炉底部的入口连接管道上设置有流量计。在本专利技术中，干燥器为不锈钢容器。在本专利技术中，立式反应炉为立式硅碳棒电加热炉，立式硅碳棒电加热炉内设置有12根硅碳棒，采用三相电加热，每相电路串联4根硅碳棒，反应炉膛内尺寸为340×500×700mm；硅碳棒规格：总长1000mm、直径20mm、电阻1.8欧姆；反应炉最大功率：18Kw，最高使用温度1000℃；且在立式反应炉上部两侧各设一个观察孔，用于观察双层反应管内的反应情况，尤其是观察到碳化硼与氯气产生放热反应的高温区；碳化硼颗粒在双层反应管内的填装量高于观察孔上方100mm。在本专利技术中，双层反应管的外层石英管贯穿立式反应炉炉体并连接设置在立式反应炉两端的水冷密封系统，石墨环与石英管内切于一条直线，且石墨环叠加总长为石英管总长的2/3，碳化硼颗粒装填于石墨环内，使得大部分石英管不再直接与碳化硼进行面接触(原有工艺碳化硼直接与石英管全面接触)，而是与石墨环进行线接触；双层反应管中，外层的石英管用作密封件，内层的石墨环作为反应阻隔件，石英管规格：长1450mm，外径100mm，内径92mm；石墨环规格：外径88mm，内径72mm，单个长度100mm，密度大于1.6g/cm3。在本专利技术中，阻灰器为带隔板与石英阻隔层的灰尘沉降器具。在本专利技术中，利用光气的产生原理“在低温和活性炭催化的条件下由一氧化碳和氯气合成：CO+Cl2＝COCl2”，通过在生产过程中控制光气的合成原料残余氯Cl2及一氧化碳CO的产生，以解决降低光气杂质的技术问题，残余氯的控制是要求氯气在反应区完全反应不溢出至低温区(在反应区的高温条件下不易产生光气反应)；而控制一氧化碳的生成，一是避免高温下石英反应管与碳(碳化硼氯化反应后生成碳)及氯接触时反应生成一氧化碳“2Cl2+SiO2+2C＝SiCl4+2CO”；二是消除反应系统内含的氧气及水分，避免氧与碳在高温下生成的一氧化碳，同时还要避免光气产生的低温与活性炭条件，为此，使用上述装置制备低光气含量的三氯化硼，具体步骤如下：(1)预先将碳化硼颗粒装填进双层反应管，而后装配反应系统，再通过氮气吹扫反应系统，以置换反应系统内的空气及水分，同时对立式反应炉进行升温，废气排至尾气吸收塔；(2)氯气经过干燥器中的无水氯化钙干燥处理后经流量计按一定流量计量后从立式反应炉底部进入双层反应管；(3)当立式反应炉内加热至启动反应温度650～850℃后，干燥的氯气在立式反应炉内置的双层反应管内与碳化硼颗粒进行放热氯化反应，反应过程为：一定流量的氯气从立式反应炉底部进入双层反应管与预先装填的碳化硼颗粒发生氯化反应并产生第一个放热反应高温区，第一个放热反应高温区温度为1000℃，随着第一个放热反应高温区内碳化硼颗粒的消耗，此放热反应高温区逐步上移；同时，由于石墨环与石英管之间的空隙及石墨本身的渗透性，氯气有少部分溢出至石墨环上端，并在石墨环上部形成第二个放热反应高温区，两个放热反应高温区同时进行反应，第一个放热反应高温区为主反应区，第二个放热反应高温区为副反应区，在主反应区内，碳化硼氯化反应后残余碳不直接接触石英管，石英管仅与石墨环在线接触处按“2Cl2+SiO2+2C＝SiCl4+2CO”反应原理产生四氯化硅杂质及一氧化碳(合成光气原料)，由于是线接触，其产生量大大低于碳化硼直接与石英管面接触时产生的量，而在副反应区，碳化硼直接全面接触石英管，在副反应区高温下显著发生“2Cl2+SiO2+2C＝SiCl4+2CO”的反应，但此段反应长度只占总反应长度的1/3，随着反应的进行，主反应区从下往上移动，最后与副反应区合并成一个反应区，在观察孔位置观察到反应高温区时即刻停止通氯终止反应；(4)反应生成的三氯化硼经过阻灰器阻隔沉降灰尘后进入冷凝器；(5)三氯化硼经冷凝器冷凝成液体后进入储罐收集为成品。在本专利技术中，步骤(1)中，碳化硼颗粒在装填前，增加酸洗工艺以除去大量的金属杂质，同时降低产品中的氯化金属离子杂质含本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低光气含量的三氯化硼生产装置，包括填充有氯化钙颗粒的干燥器、立式反应炉、阻灰器、冷凝管及储罐；其特征在于，干燥器的出口与立式反应炉底部的入口连接，立式反应炉内置两组固定式双层反应管，双层反应管外层为石英管、内层为与石英管内切的石墨环，石墨环内装填有碳化硼颗粒，同时双层反应管上端出口连接至阻灰器的入口，阻灰器的出口接入冷凝器，冷凝器下方接入储罐，且在冷凝器与储罐内分别设置有冷却循环水。

【技术特征摘要】
1.一种低光气含量的三氯化硼生产装置，包括填充有氯化钙颗粒的干燥器、立式反应炉、阻灰器、冷凝管及储罐；其特征在于，干燥器的出口与立式反应炉底部的入口连接，立式反应炉内置两组固定式双层反应管，双层反应管外层为石英管、内层为与石英管内切的石墨环，石墨环内装填有碳化硼颗粒，同时双层反应管上端出口连接至阻灰器的入口，阻灰器的出口接入冷凝器，冷凝器下方接入储罐，且在冷凝器与储罐内分别设置有冷却循环水。2.根据权利要求1所述的一种低光气含量的三氯化硼生产装置，其特征在于，在干燥器的出口与立式反应炉底部的入口连接管道上设置有流量计。3.根据权利要求1所述的一种低光气含量的三氯化硼生产装置，其特征在于，立式反应炉为立式硅碳棒电加热炉，立式硅碳棒电加热炉内设置有12根硅碳棒，采用三相电加热，每相电路串联4根硅碳棒；且在立式反应炉上部两侧各设一个观察孔，碳化硼颗粒在双层反应管内的填装量高于观察孔上方100mm。4.根据权利要求1所述的一种低光气含量的三氯化硼生产装置，其特征在于，双层反应管的外层石英管贯穿立式反应炉炉体并连接设置在立式反应炉两端的水冷密封系统，石墨环与石英管内切于一条直线，且石墨环叠加总长为石英管总长的2/3。5.根据权利要求1所述的一种低光气含量的三氯化硼生产装置，其特征在于，阻灰器为带隔板与石英阻隔层的灰尘沉降器具。6.一种低光气含量的三氯化硼生产方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)预先将碳化硼颗粒装填进双层反应管，而后装配反应系统，再通过氮气吹扫反应系统，以置换反应系统内的空气及水分，同时对立式反应炉进行升温，废气排至尾气吸收塔；(2)氯气经过干燥器中的无水氯化钙干燥处理后经流量计按一定流量计量后从立式反应炉底部进入双层反应管；(3)当立式反应炉内加热至启动反应温度650～850℃后，干燥的氯气在立式反应炉内置的双层反应管内与碳化硼颗粒进行放热氯化反应，反应过程为：一定流量的氯气从立式反应炉底部进入双层反应管与预先装填的碳化硼颗粒发生氯化反应并产生第一个放热反应高温区，第一个放热反应高温区温度为1000℃，随着...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡杉，蔡京，陈永智，魏怡清，
申请(专利权)人：江西瑞合精细化工有限公司，
类型：发明
国别省市：江西,36