本發(fā)明涉及硅化鎂法制備甲硅烷和乙硅烷工藝。更具體地，涉及一種硅化鎂法連續(xù)制備甲硅烷和乙硅烷的裝置和方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)上，硅化鎂法制備硅烷的工藝都是間歇式的，這是由于發(fā)展一個(gè)連續(xù)操作的硅化鎂法工藝存在諸多困難。

一方面，該反應(yīng)同時(shí)存在氣、液、固三相。氣相包括產(chǎn)物硅烷混合物(主要包括甲硅烷和乙硅烷)和副產(chǎn)物氫氣，這幾者在遇到空氣時(shí)均會(huì)發(fā)生自燃自爆。液相為反應(yīng)介質(zhì)液氨，它的飽和蒸氣壓高、刺激性強(qiáng)、毒性強(qiáng)，同時(shí)還有爆炸的危險(xiǎn)。這種氣、液兩相的存在使得使用該反應(yīng)制備甲硅烷和乙硅烷時(shí)，對(duì)反應(yīng)體系的設(shè)備的密封性能要求很高。而該反應(yīng)中的硅化鎂或硅鎂合金(silicon-magnesium alloy，美國專利US4808392)等反應(yīng)物、以及六氨氯化鎂等副產(chǎn)物都是固相，這種固體原料和生成物會(huì)對(duì)反應(yīng)的進(jìn)行產(chǎn)生阻力，因此該反應(yīng)要有良好的固液傳質(zhì)。更重要地，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液氨的重復(fù)使用和對(duì)六氨氯化鎂的熱分解回收，需要將六氨氯化鎂等副產(chǎn)物和反應(yīng)介質(zhì)液氨分開，這就需要反應(yīng)體系具有可靠的液固分離裝置。

中國專利CN101798085A做了一個(gè)有益的嘗試，該申請采用多級(jí)串聯(lián)釜式硅烷反應(yīng)器來制備硅烷，通過將每級(jí)反應(yīng)器控制在不同的反應(yīng)溫度來提高硅烷的產(chǎn)氣量。但由于該申請需要組合多個(gè)釜式反應(yīng)器，使用多組冷凝器、洗滌塔、和懸浮液采出泵等，操作繁復(fù)，實(shí)現(xiàn)難度大。同時(shí)反應(yīng)器間的物料泄漏、氣液兩相存在導(dǎo)致的系統(tǒng)安全性的問題依然存在，且未考慮固液分離問題。

中國專利CN101928013A硅烷發(fā)生器漿料中氨的回收利用方法，通過將硅烷發(fā)生器漿料放置在可通過搖擺機(jī)構(gòu)在縱向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的過濾干燥器中來控制懸浮液和濾餅的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)過濾和干燥過程的切換。不過，對(duì)于一個(gè)壓力容器及其連接管道，如果頻繁地轉(zhuǎn)動(dòng)它，那么勢必要求該裝置的密封性能非常好，以防止液氨和溶解于液氨中的硅烷的泄漏。即使密封性能達(dá)到要求，反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)后，不可避免會(huì)出現(xiàn)密封性能下降，這就會(huì)給工作人員的安全問題帶來隱 患。

因此，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有實(shí)現(xiàn)能夠在加壓條件下，無泄漏、連續(xù)的產(chǎn)生硅烷，并連續(xù)地將六氨氯化鎂和液氨分離且將液氨回收循環(huán)使用的裝置和工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種硅化鎂法連續(xù)制備甲硅烷和乙硅烷的方法。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種硅化鎂法連續(xù)制備甲硅烷和乙硅烷的裝置。

硅化鎂法制備硅烷的基本反應(yīng)式為：

Mg₂Si+4NH₄Cl+8NH₃＝2Mg(NH₃)₆Cl₂+SiH₄

2Mg₂Si+8NH₄Cl+16NH₃＝4Mg(NH₃)₆Cl₂+Si₂H₆+H₂

可以理解，當(dāng)采用硅鎂合金時(shí)，反應(yīng)生成的副產(chǎn)物除六氨氯化鎂外還有其他氯化物副產(chǎn)物。

本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種硅化鎂法連續(xù)制備甲硅烷和乙硅烷的方法，包括以下步驟：

用循環(huán)泵將液氨從液體儲(chǔ)罐打入反應(yīng)器中；

將硅化鎂或硅鎂合金和氯化銨的混合物連續(xù)、均勻地加入到反應(yīng)器中；

混合物與液氨接觸后開始反應(yīng)，生成甲硅烷和乙硅烷混合物和六氨氯化鎂等副產(chǎn)物；

甲硅烷和乙硅烷混合物排出反應(yīng)器，由氣體接收裝置接收，得到粗甲硅烷和乙硅烷氣體；

生成的六氨氯化鎂等副產(chǎn)物隨液氨流出反應(yīng)器后，采用過濾機(jī)將液氨與六氨氯化鎂等副產(chǎn)物分離，液氨經(jīng)冷卻后回到液體儲(chǔ)罐。

一種硅化鎂法連續(xù)制備甲硅烷和乙硅烷的方法，包括以下步驟：

用循環(huán)泵將液氨和氯化銨的混合液從液體儲(chǔ)罐打入反應(yīng)器中；

將硅化鎂或硅鎂合金連續(xù)、均勻地加入到反應(yīng)器中；

硅化鎂或硅鎂合金與混合液接觸后開始反應(yīng)，生成甲硅烷和乙硅烷混合物和六氨氯化鎂等副產(chǎn)物；

甲硅烷和乙硅烷混合物排出反應(yīng)器，由氣體接收裝置接收，得到粗甲硅烷和乙硅烷氣體；

生成的六氨氯化鎂等副產(chǎn)物隨液氨流出反應(yīng)器后，采用過濾機(jī)將液氨與 六氨氯化鎂等副產(chǎn)物分離，液氨經(jīng)冷卻后與氯化銨混合，形成混合液后回到液體儲(chǔ)罐。

采用預(yù)制的氯化銨液氨混合液的方式能夠消除添加硅化鎂或硅鎂合金粉末和氯化銨混合物時(shí)可能出現(xiàn)的堵料現(xiàn)象。

本發(fā)明中的“硅鎂合金”，指那些為了增加乙硅烷產(chǎn)率而合成的內(nèi)含非鎂非硅元素的硅鎂合金，例如美國專利US4808392中的硅鎂合金。由于硅鎂合金的合成方法與硅化鎂的合成方法相同，形態(tài)也都是微細(xì)固體粉末，因此在本發(fā)明中硅鎂合金的使用方法也與硅化鎂的使用方法相同。

本發(fā)明通過以流動(dòng)的液氨為反應(yīng)介質(zhì)，采用循環(huán)泵控制液氨流動(dòng)，使得硅化鎂或硅鎂合金和氯化銨在介質(zhì)流中完成反應(yīng)，使得該反應(yīng)具有良好的固液傳質(zhì)；生成的氣體產(chǎn)物被氣體接收裝置接收，系統(tǒng)安全性高；采用過濾機(jī)連續(xù)地將六氨氯化鎂等副產(chǎn)物和液氨分離，實(shí)現(xiàn)硅化鎂法的連續(xù)操作。同時(shí)，由于僅需要固定的幾個(gè)設(shè)備，設(shè)備投入少，操作簡單。

進(jìn)一步地，當(dāng)原料為硅化鎂時(shí)，所述副產(chǎn)物為六氨氯化鎂，所述方法還包括：將與液氨分離后的副產(chǎn)物六氨氯化鎂分解成氨氣，氨氣冷凝形成液氨，經(jīng)冷卻后回到液體儲(chǔ)罐或與氯化銨混合，形成混合液后回到液體儲(chǔ)罐。分離后的六氨氯化鎂的含濕量一般小于50％。優(yōu)選地，采用能實(shí)現(xiàn)從室溫到300-450℃的溫度梯度的干燥器處理六氨氯化鎂。更優(yōu)選地，所述干燥器為螺旋槳葉管式干燥器，包括：殼體、軸、槳葉；所述軸設(shè)置在殼體內(nèi)；所述槳葉設(shè)置在軸上；所述螺旋槳葉管式干燥器具有原料入口、氣體產(chǎn)物出口和固體產(chǎn)物出口；所述螺旋槳葉管式干燥器的始端至末端具有從室溫到300-450℃的溫度梯度；所述氣體產(chǎn)物出口、原料入口鄰近所述干燥器的始端設(shè)置，所述固體產(chǎn)物出口鄰近所述干燥器的末端設(shè)置。此時(shí)，氯化鎂固體物料和氨氣做對(duì)流運(yùn)動(dòng)。氯化鎂固體物料向高溫區(qū)下行，吸附的游離氨首先揮發(fā)，然后配位在六氨氯化鎂上的氨在干燥器內(nèi)逐步分解。而氨氣向低溫區(qū)上行，高溫度的氨氣加熱固體物料，這樣可以大大節(jié)省干燥器的熱能消耗。所述的干燥器內(nèi)的氣體壓力(-0.1)-2MPa(表壓，下同)，優(yōu)選(-0.1)-1.6MPa。

進(jìn)一步地，所述氣體接收裝置包括回流洗滌柱和第一冷凝器；所述甲硅烷和乙硅烷混合物排出反應(yīng)器，經(jīng)回流洗滌柱洗滌和第一冷凝器冷卻，硅烷混合物中的大部分的氨被去除，得到粗甲硅烷和乙硅烷氣體。低的冷卻溫度可以使得氨盡量得到冷凝回到反應(yīng)器，但是如果溫度過低則會(huì)導(dǎo)致乙硅烷液化(常壓下的液化溫度為-14.5℃)而留在反應(yīng)器內(nèi)。

優(yōu)選地，反應(yīng)物料在液氨中的停留時(shí)間為0.1-10h；更優(yōu)選為0.1-3h。停留時(shí)間指硅化鎂或硅鎂合金粉末和氯化銨的固體混合物在液氨中的停留時(shí)間或者硅化鎂或硅鎂合金粉末在液氨和氯化銨的混合液中的停留時(shí)間，即反應(yīng)物料(硅化鎂或硅鎂合金和氯化銨)的接觸時(shí)間為0.1-10h；更優(yōu)選為0.1-3h。

優(yōu)選地，氯化銨的濃度為1-30％，優(yōu)選為5-25％。

優(yōu)選地，所述液氨的純度高于99.9％；更優(yōu)選純度高于99.999％。使用高純度的液氨是為了保證硅烷的得率。液氨作為反應(yīng)介質(zhì)，其中最有害的雜質(zhì)主要是水。因?yàn)樗拇嬖跁?huì)使得反應(yīng)產(chǎn)生無用的氫氣，而不是硅烷。

產(chǎn)生氫氣一個(gè)可能的機(jī)理是：

Mg₂Si+4NH₄Cl+8NH₃+3H₂O＝2Mg(NH₃)₆Cl₂+H₂SiO₃+4H₂↑，

因此，水的存在會(huì)降低硅烷的得率。

祁宏詳，汪康，化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2013,34(2),37-40報(bào)道了產(chǎn)生氫氣另一個(gè)可能的機(jī)理：

NH₄Cl+H₂O＝HCl+NH₃·H₂O，

Mg₂Si+4HCl+8NH₃＝2Mg(NH₃)₆Cl₂+Si+2H₂↑，

NH₃·H₂O＝NH₃+H₂O，

按照這個(gè)原理，水的存在的危害就更大。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)器內(nèi)的壓力為0-2MPa，優(yōu)選為0.8-1.6MPa；所述液體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力為0-0.8MPa。

優(yōu)選地，所述液體儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度為(-30)-(-10)℃。這種溫度比現(xiàn)有技術(shù)溫度提高了，可以大大減少了對(duì)制冷機(jī)的要求，且反應(yīng)溫度的提高有利于乙硅烷的合成。

進(jìn)一步地，所述反應(yīng)器內(nèi)的溫度控制在(-40)-50℃之間。所述反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)可以處于等溫溫度條件或者逐漸升溫的變溫溫度條件。優(yōu)選地，反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)處于變溫溫度條件下。變溫溫度條件優(yōu)選為：沿著反應(yīng)器中物料行進(jìn)的方向升溫，且為梯度升溫。更優(yōu)選地，沿著反應(yīng)器中物料行進(jìn)的方向，反應(yīng)器溫度升高30-60℃。最優(yōu)選地，反應(yīng)器始端溫度為(-30)-(-10)℃，反應(yīng)器末端溫度為20-40℃。相比于等溫溫度條件，變溫溫度條件有如下優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)器始端對(duì)應(yīng)于新加入的硅化鎂或硅鎂合金粉末和高濃度的氯化銨，較低的起始溫度使得反應(yīng)不至于過于劇烈；而在反應(yīng)器末端，較高的反應(yīng)溫度對(duì)應(yīng)于較低的反應(yīng)物濃度，可以使得反應(yīng)進(jìn)行得更完全，使得甲硅烷和乙硅烷的得率保持在90％以上；同時(shí)，溫度梯度的存在使得反應(yīng)速度整體上加快了，提高了單 位設(shè)備的產(chǎn)量。

由于硅化鎂法制備硅烷的反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，在本發(fā)明選擇的壓力條件下，反應(yīng)器中的液氨基本不汽化，液氨的溫度隨著反應(yīng)的進(jìn)行在反應(yīng)器內(nèi)沿著物料行進(jìn)的方向逐步自然升高。根據(jù)液氨和硅化鎂或硅鎂合金的投料比不同，液氨懸浮液的升溫程度不同。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液氨和硅化鎂或硅鎂合金的投料比高于15時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)自行產(chǎn)生的溫度梯度偏小，這時(shí)可采用反應(yīng)器外補(bǔ)熱來實(shí)現(xiàn)溫度梯度。

優(yōu)選地，反應(yīng)器中氯化銨和硅化鎂或硅鎂合金的重量比為2.8-6：1。氯化銨和硅化鎂理論投料比為2.8，但是這樣做可能會(huì)使得反應(yīng)不完全，反應(yīng)速度偏慢，所以控制氯化銨適當(dāng)?shù)剡^量。過量的氯化銨溶解于液氨中，其中的大部分會(huì)隨著液氨循環(huán)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用；少量會(huì)吸附在副產(chǎn)物濾渣上，吸附的氯化銨在此高溫度下分解汽化：NH₄Cl＝NH₃+HCl，隨氨氣經(jīng)過冷卻后，變回氯化銨：NH₃+HCl＝NH₄Cl，氯化銨溶解于液氨中，進(jìn)入液氨罐回收利用。在具體實(shí)施時(shí)，通常在起始階段適當(dāng)多加氯化銨，待系統(tǒng)穩(wěn)定后保持接近2.8的比例加料。

本發(fā)明還提供一種可適用于上述方法的裝置：

一種硅化鎂法連續(xù)制備甲硅烷和乙硅烷的裝置，包括：

液體儲(chǔ)罐、循環(huán)泵、反應(yīng)器、過濾機(jī)、冷卻器、固體加料罐和氣體接收裝置；

反應(yīng)器具有液體入口、固體入口、氣體出口和懸浮液出口；

過濾機(jī)具有懸浮液入口、液體出口和濾渣出口；

液體儲(chǔ)罐的出口經(jīng)循環(huán)泵與反應(yīng)器的液體入口相連；

固體加料罐與反應(yīng)器的固體入口相連；

反應(yīng)器的氣體出口與氣體接收裝置相連；

反應(yīng)器的懸浮液出口與過濾機(jī)的懸浮液入口相連；

過濾機(jī)的液體出口與冷卻器的入口相連；

冷卻器的出口與液體儲(chǔ)罐的入口相連。

進(jìn)一步地，所述氣體接收裝置包括回流洗滌柱和第一冷凝器；回流洗滌柱的入口與反應(yīng)器的氣體出口相連，出口與第一冷凝器相連。

進(jìn)一步地，所述裝置還包括干燥器和第二冷凝器；

干燥器具有原料入口、氣體產(chǎn)物出口和固體產(chǎn)物出口；

干燥器的原料入口與過濾機(jī)的濾渣出口相連，氣體產(chǎn)物出口與第二冷凝器的入口相連；

第二冷凝器的出口與液體儲(chǔ)罐的入口相連。

優(yōu)選地，所述干燥器是螺旋槳葉管式干燥器，可簡稱為管式干燥器、螺旋槳葉干燥器或槳葉干燥器，包括殼體、設(shè)置在殼體內(nèi)的軸、設(shè)置在軸上的槳葉，具有原料入口、氣體產(chǎn)物出口和固體產(chǎn)物出口。軸的一側(cè)設(shè)有磁力驅(qū)動(dòng)裝置，軸經(jīng)磁力驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。所述螺旋槳葉管式干燥器的始端至末端具有從室溫到300-450℃的溫度梯度。所述氣體產(chǎn)物出口、原料入口鄰近始端設(shè)置，所述固體產(chǎn)物出口鄰近末端設(shè)置。所述螺旋槳葉管式干燥器在殼體外側(cè)設(shè)有加熱裝置。因制作、控溫或使用需要時(shí)，將螺旋槳葉管式干燥器分成兩段或者多段串聯(lián)組成，各段的直徑和材料可相同也可不同，干燥器分段不改變溫度梯度的建立。

優(yōu)選地，所述干燥器的固體產(chǎn)物出口與氯化鎂儲(chǔ)罐相連。

優(yōu)選地，所述裝置還包括濾渣罐；濾渣罐的入口與過濾機(jī)的濾渣出口相連，出口與干燥器的原料入口相連。

更進(jìn)一步地，所述裝置還包括：氯化銨液氨預(yù)制罐；第二冷凝器的出口與氯化銨液氨預(yù)制罐的入口相連，氯化銨液氨預(yù)制罐的出口與液體儲(chǔ)罐的入口相連。

進(jìn)一步地，所述裝置還包括螺旋加料機(jī)；固體加料罐經(jīng)螺旋加料機(jī)與反應(yīng)器的固體入口相連。螺旋加料機(jī)可以保證將硅化鎂或硅鎂合金粉末、或者其與氯化銨的混合物連續(xù)、均勻地加入到反應(yīng)器中。

進(jìn)一步地，所述反應(yīng)器為管式反應(yīng)器，優(yōu)選為水平管式、立管式、盤管式或U型管式反應(yīng)器。進(jìn)一步地，所述反應(yīng)器為不帶攪拌的管式反應(yīng)器或者帶攪拌的管式反應(yīng)器。優(yōu)選地，因制作或使用需要，將管式反應(yīng)器分成兩段或者多段串聯(lián)組成，各段的直徑、結(jié)構(gòu)和攪拌方式可相同也可不同，反應(yīng)器分段不改變溫度參數(shù)的選擇。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)器內(nèi)的壓力為0-2MPa，優(yōu)選為0.8-1.6MPa；所述液體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力為0-0.8MPa。

優(yōu)選地，所述液體儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度為(-30)-(-10)℃。液體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力與過濾機(jī)的氣體出口的壓力相對(duì)應(yīng)。過濾機(jī)的懸浮液入口處壓力為0.8-1.6MPa，氣體出口處壓力為0-0.8MPa。

進(jìn)一步地，所述反應(yīng)器外側(cè)設(shè)有外換熱器。外換熱器上設(shè)有換熱介質(zhì)入 口和換熱介質(zhì)出口，換熱介質(zhì)入口設(shè)置在靠近反應(yīng)器的出口的一側(cè)，換熱介質(zhì)出口設(shè)置在靠近反應(yīng)器的入口的一側(cè)。

進(jìn)一步地，所述反應(yīng)器上設(shè)有至少一個(gè)徑向攪拌器，包括第一攪拌軸和設(shè)置在第一攪拌軸上的徑向攪拌葉片。當(dāng)設(shè)有若干個(gè)徑向攪拌器時(shí)，以每個(gè)徑向攪拌器為界，所述外換熱器由若干個(gè)段組成，每個(gè)段具有各自的換熱介質(zhì)入口和換熱介質(zhì)出口。

進(jìn)一步地，所述反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有軸向攪拌器，包括第二攪拌軸和設(shè)置在第二攪拌軸上的軸向攪拌葉片。

進(jìn)一步地，所述過濾機(jī)以反應(yīng)器和液體儲(chǔ)罐之間的壓差作為過濾動(dòng)力。優(yōu)選地，所述過濾機(jī)為連續(xù)過濾機(jī)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的液固分離。更優(yōu)選為連續(xù)加壓過濾機(jī)或螺旋擠壓過濾機(jī)。最優(yōu)選地，所述連續(xù)加壓過濾機(jī)為加壓旋轉(zhuǎn)過濾機(jī)；特別是轉(zhuǎn)鼓型過濾機(jī)、轉(zhuǎn)筒型過濾機(jī)或圓盤型過濾機(jī)。所述過濾機(jī)中的過濾介質(zhì)優(yōu)選為10-1000目不銹鋼網(wǎng)。當(dāng)反應(yīng)器為具有軸向攪拌器的管式反應(yīng)器，以及所述過濾機(jī)為加壓旋轉(zhuǎn)過濾機(jī)時(shí)，管式反應(yīng)器的攪拌和過濾機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以采用同一磁力驅(qū)動(dòng)源。反應(yīng)器攪拌的轉(zhuǎn)速和過濾機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速相同或者不同。如果兩者轉(zhuǎn)速不同，可通過添加變速器使兩者的轉(zhuǎn)速一致。反應(yīng)器和過濾機(jī)的組合安裝會(huì)使得完成反應(yīng)得到的懸浮液能夠直接過濾，充分利用物料自帶的壓力。

進(jìn)一步地，所述裝置中，動(dòng)力為磁力驅(qū)動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明方法構(gòu)建了一個(gè)流動(dòng)的液氨循環(huán)作為反應(yīng)的介質(zhì)，硅化鎂或硅鎂合金和氯化銨在介質(zhì)流中完成反應(yīng)，能夠穩(wěn)定、連續(xù)的產(chǎn)生甲硅烷和乙硅烷氣體，反應(yīng)完成后液氨與六氨氯化鎂等副產(chǎn)物分離回用，實(shí)現(xiàn)了真正連續(xù)的硅化鎂法制備甲硅烷和乙硅烷工藝。

2、本發(fā)明的裝置為全閉環(huán)工藝，沒有環(huán)境污染，系統(tǒng)更安全，提高了硅烷的品質(zhì)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為本發(fā)明的裝置示意圖；

圖2為不帶攪拌的管式反應(yīng)器示意圖；

圖3為帶徑向攪拌的管式反應(yīng)器示意圖；

圖4為帶軸向攪拌的管式反應(yīng)器示意圖；

圖5為由反應(yīng)熱產(chǎn)生的溫度升高與液氨和硅化鎂進(jìn)料比之間的關(guān)系圖；

圖6為本發(fā)明的優(yōu)選工藝參數(shù)；

圖7為帶槳葉的螺旋槳葉管式干燥器的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，為本發(fā)明的硅化鎂法連續(xù)制備甲硅烷和乙硅烷的裝置200，包括：

液體儲(chǔ)罐210、循環(huán)泵220、反應(yīng)器230、過濾機(jī)240、冷卻器250、固體加料罐260、螺旋加料機(jī)262、氣體接收裝置273(包括回流洗滌柱270和第一冷凝器272)、濾渣罐280、螺旋槳葉管式干燥器282和第二冷凝器284；

反應(yīng)器230具有液體入口、固體入口、氣體出口和懸浮液出口；

過濾機(jī)240具有懸浮液入口、液體出口和濾渣出口；

液體儲(chǔ)罐210的出口經(jīng)循環(huán)泵220與反應(yīng)器230的液體入口相連；

固體加料罐260經(jīng)螺旋加料機(jī)262與反應(yīng)器230的固體入口相連；

回流洗滌柱270的入口與反應(yīng)器230的氣體出口相連，出口與第一冷凝器272相連；第一冷凝器272的出口設(shè)置有控壓閥274，用來控制第一冷凝器272的壓力；

反應(yīng)器230的懸浮液出口與過濾機(jī)240的懸浮液入口相連；

過濾機(jī)240的液體出口與冷卻器250的入口相連；

冷卻器250的出口與液體儲(chǔ)罐210的入口相連；

干燥器282具有原料入口2822、氣體產(chǎn)物出口2823和固體產(chǎn)物出口2824，濾渣罐280的入口與過濾機(jī)240的濾渣出口相連，出口與干燥器282的原料入口相連，干燥器282的氣體產(chǎn)物出口與第二冷凝器284的入口相連；第二冷凝器284的出口與液體儲(chǔ)罐210的入口相連。干燥器282的固體產(chǎn)物出口與氯化鎂儲(chǔ)罐286相連。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述裝置還包括：氯化銨液氨預(yù)制罐212；第二冷凝器284的出口與氯化銨液氨預(yù)制罐212的入口相連，氯化銨液氨預(yù)制罐212 的出口與液體儲(chǔ)罐210的入口相連。

所述反應(yīng)器230為管式反應(yīng)器，優(yōu)選為水平管式、立管式、盤管式或U型管式反應(yīng)器。反應(yīng)器230內(nèi)的壓力為0-2MPa，優(yōu)選為0.8-1.6MPa；液體儲(chǔ)罐210內(nèi)的壓力為0-0.8MPa。液體儲(chǔ)罐210內(nèi)的溫度為(-30)-(-10)℃。液體儲(chǔ)罐210內(nèi)的壓力與過濾機(jī)240的氣體出口的壓力相對(duì)應(yīng)。過濾機(jī)的懸浮液入口處壓力為0.8-1.6MPa，氣體出口處壓力為0-0.8MPa。

如圖2所示，反應(yīng)器230外側(cè)設(shè)有外換熱器231。外換熱器231上設(shè)有換熱介質(zhì)入口232和換熱介質(zhì)出口233，換熱介質(zhì)入口232設(shè)置在靠近反應(yīng)器230的出口的一側(cè)，換熱介質(zhì)出口233設(shè)置在靠近反應(yīng)器230的入口的一側(cè)。290表示液氨或者液氨和氯化銨混合液。292表示硅化鎂或硅鎂合金粉末、或者其與氯化銨的混合物。294表示液氨和六氨氯化鎂等副產(chǎn)物以及未反應(yīng)的氯化銨的懸浮液。

如圖3所示，反應(yīng)器230上設(shè)有至少一個(gè)徑向攪拌器235，包括第一攪拌軸234和設(shè)置在第一攪拌軸234上的徑向攪拌葉片236。當(dāng)設(shè)有若干個(gè)徑向攪拌器235(235’、235”)時(shí)，每個(gè)攪拌器235(235’、235”)分別包括第一攪拌軸234(234’、234”)和設(shè)置在第一攪拌軸234(234’、234”)上的徑向攪拌葉片236(236’、236”)。以每個(gè)徑向攪拌器為界，所述外換熱器由若干個(gè)段的換熱器231(231’、231”、231”’)組成，每個(gè)段具有各自的換熱介質(zhì)入口232(232’、232”、232”’)和換熱介質(zhì)出口233(233’、233”、233”’)。

如圖4所示，所述反應(yīng)器230內(nèi)設(shè)有軸向攪拌器237，包括第二攪拌軸238和設(shè)置在第二攪拌軸238上的軸向攪拌葉片239。

徑向攪拌器235和軸向攪拌器237為磁力驅(qū)動(dòng)。

所述過濾機(jī)240以反應(yīng)器230和液體儲(chǔ)罐210之間的壓差作為過濾動(dòng)力，過濾機(jī)240優(yōu)選為磁力驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選地，所述過濾機(jī)240為連續(xù)過濾機(jī)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的液固分離。更優(yōu)選為連續(xù)加壓過濾機(jī)或螺旋擠壓過濾機(jī)。最優(yōu)選地，所述連續(xù)加壓過濾機(jī)為加壓旋轉(zhuǎn)過濾機(jī)；特別是轉(zhuǎn)鼓型過濾機(jī)、轉(zhuǎn)筒型過濾機(jī)或圓盤型過濾機(jī)。所述過濾機(jī)240中的過濾介質(zhì)優(yōu)選為10-1000目不銹鋼網(wǎng)。當(dāng)反應(yīng)器230為具有軸向攪拌器237的管式反應(yīng)器，以及所述過濾機(jī)240為加壓旋轉(zhuǎn)過濾機(jī)時(shí)，管式反應(yīng)器230的攪拌和過濾機(jī)240的轉(zhuǎn)動(dòng)可以采用同一磁力驅(qū)動(dòng)源。反應(yīng)器230攪拌的轉(zhuǎn)速和過濾機(jī)240轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速相同或者不同。如果兩者轉(zhuǎn)速不同，可通過添加變速器使兩者的轉(zhuǎn)速一致。反應(yīng)器230和過濾機(jī)240的組合安裝會(huì)使得完成反應(yīng)得到的懸浮液能夠直接過濾，充分 利用物料自帶的壓力。

如圖7所示，是螺旋槳葉管式干燥器282的結(jié)構(gòu)示意圖，包括殼體2821、設(shè)置在殼體內(nèi)的軸288、設(shè)置在軸288上的槳葉289。軸288的一側(cè)設(shè)有磁力驅(qū)動(dòng)裝置287，軸經(jīng)磁力驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。所述螺旋槳葉管式干燥器282的始端至末端具有從室溫到300-450℃的溫度梯度。所述氣體產(chǎn)物出口2823、原料入口2822鄰近始端設(shè)置，所述固體產(chǎn)物出口2824鄰近末端設(shè)置。所述螺旋槳葉管式干燥器282在殼體外側(cè)設(shè)有加熱裝置283，以便實(shí)現(xiàn)從室溫到300-450℃的溫度梯度。296表示六氨氯化鎂濾渣。297表示氨氣。298表示氯化鎂。

液體儲(chǔ)罐210用來存放冷卻器250流出的液氨、或者第二冷凝器284流出的液氨、或者氯化銨液氨預(yù)制罐212流出的氯化銨和液氨的混合物。液體儲(chǔ)罐210的出口的另一側(cè)設(shè)有排氨閥214。

循環(huán)泵220用來將液體從壓力低的液體儲(chǔ)罐210打入壓力高的反應(yīng)器230內(nèi)。循環(huán)泵220可以選擇任何能夠產(chǎn)生0.8MPa以上壓頭的泵。優(yōu)選地，所述循環(huán)泵為容積式循環(huán)泵，更優(yōu)選為磁力驅(qū)動(dòng)葉片泵(又稱為滑片泵、液氨泵)、隔膜泵。磁力驅(qū)動(dòng)能將反應(yīng)裝置與空氣完全隔離，實(shí)現(xiàn)氣相和液相的零泄漏。

采用本發(fā)明的裝置來連續(xù)制備甲硅烷和乙硅烷時(shí)，有兩種實(shí)現(xiàn)方式。

實(shí)施例1

液體儲(chǔ)罐210中的液體為液氨，包括以下步驟：

1)對(duì)整個(gè)裝置先用氮?dú)庵脫Q三次，再用氨氣置換三次。

2)依靠循環(huán)泵220將液氨從液體儲(chǔ)罐210中打入管式反應(yīng)器230中，液氨沿著反應(yīng)器230中物料行進(jìn)的方向向前流動(dòng)，穿過過濾機(jī)240和冷卻器250，最后回到液體儲(chǔ)罐210，以建立一個(gè)液氨循環(huán)。液氨的純度高于99.9％；更優(yōu)選純度高于99.999％。

3)將硅化鎂或硅鎂合金和氯化銨的固體混合物由固體加料罐260進(jìn)入螺旋加料機(jī)262中(氯化銨和硅化鎂或硅鎂合金的投料比2.8-6：1)，并經(jīng)螺旋加料機(jī)262進(jìn)入反應(yīng)器230。

4)在液氨存在下，硅化鎂或硅鎂合金和氯化銨開始反應(yīng)，在反應(yīng)器230中生成甲硅烷和乙硅烷混合物和六氨氯化鎂等副產(chǎn)物。反應(yīng)物料在液氨中的停留時(shí)間為0.1-10h；更優(yōu)選為0.1-3h。反應(yīng)器始端溫度為(-30)-(-10)℃，反應(yīng)器末端溫度為20-40℃。反應(yīng)器內(nèi)的壓力為0.8-1.6MPa；所述液體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力為0-0.8MPa，溫度為(-30)-(-10)℃。甲硅烷和乙硅烷混合物為氣 相，經(jīng)反應(yīng)器230的氣體出口進(jìn)入回流洗滌柱270洗滌，并經(jīng)第一冷凝器272冷卻，得到粗甲硅烷和乙硅烷氣體。生成的六氨氯化鎂等副產(chǎn)物、未反應(yīng)的氯化銨同液氨一起形成的懸浮液經(jīng)反應(yīng)器230的懸浮液出口進(jìn)入過濾機(jī)240。

5)經(jīng)過濾機(jī)240處理，液氨與六氨氯化鎂等副產(chǎn)物分離，液氨及未反應(yīng)的氯化銨經(jīng)冷卻器250冷卻后進(jìn)入液體儲(chǔ)罐210中。六氨氯化鎂等副產(chǎn)物進(jìn)入濾渣罐280中。當(dāng)原料為硅化鎂時(shí)，副產(chǎn)物中僅有六氨氯化鎂，六氨氯化鎂之后進(jìn)入螺旋槳葉管式干燥器282中，在其中分解成氯化鎂和氨氣，氨氣進(jìn)入第二冷凝器284中，冷凝為液氨后進(jìn)入液體儲(chǔ)罐210。氯化鎂進(jìn)入氯化鎂儲(chǔ)罐286中。

經(jīng)測試，甲硅烷和乙硅烷的總產(chǎn)率為90％以上。根據(jù)在合成硅鎂合金粉末時(shí)所添加的非鎂非硅金屬的種類和量的不同，乙硅烷的產(chǎn)率在1-40％范圍內(nèi)。

實(shí)施例2

液體儲(chǔ)罐210中的液體為液氨和氯化銨的混合液，包括以下步驟：

1)對(duì)整個(gè)裝置先用氮?dú)庵脫Q三次，再用氨氣置換三次。

2)液氨和氯化銨首先在氯化銨液氨預(yù)制罐212中混合，依靠循環(huán)泵220將混合液從液體儲(chǔ)罐210中打入管式反應(yīng)器230中，混合液沿著反應(yīng)器230中物料行進(jìn)的方向向前流動(dòng)，穿過過濾機(jī)240和冷卻器250，最后回到液體儲(chǔ)罐10，以建立一個(gè)液氨循環(huán)。液氨的純度高于99.9％；更優(yōu)選純度高于99.999％。

3)硅化鎂或硅鎂合金粉末從固體加料罐260進(jìn)入螺旋加料機(jī)262中(氯化銨和硅化鎂或硅鎂合金的投料比2.8-6：1)，并經(jīng)螺旋加料機(jī)262進(jìn)入反應(yīng)器230。

4)在液氨存在下，硅化鎂或硅鎂合金和氯化銨開始反應(yīng)，在反應(yīng)器230中生成甲硅烷和乙硅烷混合物和六氨氯化鎂等副產(chǎn)物。反應(yīng)物料在液氨中的停留時(shí)間為0.1-10h；更優(yōu)選為0.1-3h。反應(yīng)器始端溫度為(-30)-(-10)℃，反應(yīng)器末端溫度為20-40℃。反應(yīng)器內(nèi)的壓力為0.8-1.6MPa；所述液體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力為0-0.8MPa，溫度為(-30)-(-10)℃。甲硅烷和乙硅烷混合物為氣相，經(jīng)反應(yīng)器230的氣體出口進(jìn)入回流洗滌柱270洗滌，并經(jīng)第一冷凝器272冷卻，得到粗甲硅烷和乙硅烷氣體。生成的六氨氯化鎂等副產(chǎn)物、未反應(yīng)的氯化銨同液氨一起形成的懸浮液經(jīng)反應(yīng)器230的懸浮液出口進(jìn)入過濾機(jī)240。

5)經(jīng)過濾機(jī)240處理，液氨與六氨氯化鎂等副產(chǎn)物分離，液氨及未反應(yīng) 的氯化銨經(jīng)冷卻器250冷卻后進(jìn)入液體儲(chǔ)罐210中。六氨氯化鎂等副產(chǎn)物進(jìn)入濾渣罐280中。當(dāng)原料為硅化鎂時(shí)，副產(chǎn)物中僅有六氨氯化鎂，六氨氯化鎂之后進(jìn)入螺旋槳葉管式干燥器282中。六氨氯化鎂在其中分解成氯化鎂和氨氣，氨氣進(jìn)入第二冷凝器284中，冷凝為液氨后進(jìn)入氯化銨液氨預(yù)制罐212。氯化鎂進(jìn)入氯化鎂儲(chǔ)罐286中。可以理解，此種方式中，還包括與氯化銨液氨預(yù)制罐212相連的氯化銨儲(chǔ)罐。

經(jīng)測試，甲硅烷和乙硅烷的總產(chǎn)率為90％以上。根據(jù)在合成硅鎂合金粉末時(shí)所添加的非鎂非硅金屬的種類和量的不同，乙硅烷的產(chǎn)率在1-40％范圍內(nèi)。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。