多晶哇和石英玻璃的联合制备法

    多晶硅和石英玻璃都是当今世界电子工业、光电子工业以及能源转换技术
等领域不可缺少的重要基础材料，但二者却是两种互不相关的产品。在传统生
产工艺中，两种产品的生产工艺各不相同，也就是说，生产多晶硅的工艺，就只单
独生产多晶硅；生产石英玻璃的工艺，就只单独生产石英玻璃。
    本书所介绍的多晶硅和石英玻璃的联合制备法是一种综合的生产方法，它
是利用制备多晶硅所产生的尾气来制备石英玻璃，这样不仅可以减少排放的废
气，而且生产是连续的，设备是串联的，热能可以得到充分利用，因此这种制备方
法既节能又环保。与传统的单项生产法相比，这种制备方法设备和厂房少，可以
大幅度地减少基本建设投资；生产时，可减轻操作人员的劳动强度，使本来当成
废物排放的尾气得到综合利用，从而可以降低生产成本。这种方法的优点还不
仅如此，与氯碱工业联合还可以形成一种生产上的循环，不仅可以节约资源，而
且还可以帮助解决氯碱的平衡问题和污染问题。
    多晶硅和石英玻璃的联合制备法是一个新的发明，而且还获得了专利。但
了解这种新工艺方法的人还很少。这种状况阻碍了多晶硅和石英玻璃的联合制
备法的发展，虽然这种方法已诞生五年多，可至今还无用武之地。为扭转这一局
面，笔者撰写此书，目的是向大家介绍多晶硅和石英玻璃的联合制备法，希望本
书能对该法的工业应用起到助推的作用，使之早日得到推广应用，为我国科技产
业的发展做出应有的贡献。
    由于笔者水平所限，书中不妥之处敬请读者指正。
    著者
    2007年7月

6  化学提纯法简介
    多晶硅和石英玻璃生产的关键就在于提纯，尤其是多晶硅，如果没有达到所需要的高纯
  度，就都是废品，生产的再多也没有用。因此，要想制备多晶硅和石英玻璃，掌握提纯方法是
  非常重要的。
    材料提纯的方法有很多，但不外乎物理提纯和化学提纯两大类。常用的物理提纯有挑
  选、清洗、磁选、浮选、筛选等以及利用“偏析”原理所实现的冶炼提纯。但是这些物理提纯对
  于生产多晶硅来说，还是无能为力，它们无法使多晶硅达到所需要的纯度标准。可以想像，
  六个“9”以上的纯度，其杂质含量仅占硅的百万分之一，甚至更少。要想达到这样少的杂质
  含量，用物理提纯方法是根本无法实现的。
    物理提纯方法无法实现，化学提纯方法还是可以的。
    对四氯化硅和三氯氢硅化学提纯的方法也不止一种，目前比较常用的有单一精馏法、络
  合精馏法、固体吸附法、部分水解吸附法、萃取法、电解法、高温裂解除碳、铜屑去硫砷等多种
  方法。以上的几种方法都各有所长，它们都可以单独使用。为求完美，也可以取长补短，采
  用几种方法组合使用。
    一般说来，一种方法只对一定的杂质有较好的提纯作用，而对另一些杂质则见效较差，
  不同方法对操作条件的要求也各不相同，条件控制得好，提纯效果显著，反之，条件用得不严
  格，反而走向反面，即引进沾污。
    络合精馏法是一种*有成效的方法，几乎能去除所有的杂质，但是它分离络合物还得依
  靠精馏法，而且它还存在着络合物的选择、处理、络合条件、减少沾污等具体问题，因此，在生
  产中还是没能得到广泛采用。
    固体吸附和部分水解吸附法是精馏法的好助手。前者对分离强极性杂质磷和金属氯化
  物特别有效，后者对除硼特别有效，常被用于四氯化硅和三氯氢硅的提纯。
    单一精馏法(简称精馏法)是一种非常重要的提纯方法，它简单而有效，又可避免引进任
  何试剂，绝大多数杂质都可通过此法去除，特别是难以除掉的非极性重金属氯化物也能用此
  法去除。采用这种方法有利于减少沾污，工序简化，操作方便，而且适用于大规模工业生产。
  因此，对于四氯化硅和三氯氢硅的提纯来说，大多数都是采用单一的精馏法，多晶硅和石英
  玻璃的联合制备法也是采用单一的精馏法来提纯原料的。本章就来介绍这一方法。
  6．1常用术语
    在介绍精馏法之前，我们先来搞清楚几个常用术语的含义，这对我们搞清楚何为精馏法
  是有益的。
    (1)沸点。对液体加热时，液体中的分子获得能量，分子的运动被加速，同时碰撞的机
  会增多，碰撞的力量增大，温度升高。而且液体的分子运动随着温度的升高而增大。当分子
  的运动能量可以克服液面约束力(外界施于液面的总压力)时，就有大量气泡从液体内部逸
  出，即液体的沸腾，这时的温度称为液体的沸点。显然沸点与所受外界压力的大小有关。通
  常所说的沸点是在0．1MPa压力下液体的沸腾温度。例如水的沸点为1【)()℃，即是指在
 0．1MPa压力下，水在100。C时沸腾。在其他压力下的沸点应注明压力。例如在85．3kPa时
水在95。C沸腾，这时水的沸点可以表示为95。C／85．3kPa。
    (2)饱和蒸气、饱和蒸气压。在液体中，由于液体的分子运动有从表面溢出的倾向。这
种倾向随着温度的升高而增大。如果把液体置于密闭的真空体系中，液体分子继续不断地
溢出而在液面上部形成蒸气，*后使得分子由液体逸出的速度与分子由蒸气中回到液体的
速度相等，蒸气保持一定的压力。此时液面上的蒸气达到饱和，称为饱和蒸气，它对液面所
施的压力称为饱和蒸气压。实验证明，液体的饱和蒸气压只与温度有关，即液体在一定温度
下具有一定的蒸气压。这是指液体与它的蒸气平衡时的压力，与体系中液体和蒸气的绝对
量无关。
    (3)易挥发组分。混合物中某组分，在某一定温度下的蒸气压比任何其他组分蒸气压
值都大，该组分被称为易挥发组分。
    (4)难挥发组分。混合物中某组分，在某一定温度下的蒸气压比任何其他组分蒸气压
值都小，该组分被称为难挥发组分。
    (5)低沸点、高沸点。易挥发组分的沸点低，因此又被称为低沸点物或简称低沸点。同
理，难挥发组分又被称为高沸点物或简称高沸点。
    (6)理论塔板。该塔板能使上升到上一块板的蒸气与下降到下一块板的液体经过热量
质量传递达到气液平衡，这种塔板被称为理论塔板。
    (7)回流比。塔顶的回流液量与馏出液量之比。
    (8)塔的全流量。在塔的允许工作范围*大时的蒸发量。
    (9)液泛现象及液泛温度。塔的加热功率增加，促使上升的蒸气流开始阻止液体沿塔
板下流，下一塔板上液体将涌到上一塔板，这种现象叫液泛现象。此时的温度称为液泛温
度。
6．2精馏的含义   
    精馏是相对粗馏而言的，是一种高精细、高效率的蒸馏。要想了解何为精馏，就应首先
搞清什么是蒸馏。
    蒸馏是分离、纯化液态混合物的一种常用的方法，因此也有称分馏的。这种方法是将液
体混合物部分气化，利用其中各组分挥发度不同的特性以实现分离。它是通过液相和气相
间的质量传递来实现的。
    各种物质的分子性质各异，加热后产生的蒸气压不一样，其挥发度不同，沸点也就各不
相同。蒸馏就是利用物质的这个特性来分离不同物质的。例如：一个由A、B两种物质混合
成的液体，在O．1MPa压力下，A物质的沸点为120。C，B物质的沸点为50。C。要想把该混合
液体中的A、B两种物质分开就可以采用蒸馏法。其办法是：首先将混合液体加热至50。C以
上，这时沸点低于此温度的B物质(一般称为低沸点物或简称低沸点)就开始沸腾，并逐渐由
液体变为蒸气，由于蒸气比重小，因此上升脱离开原来的混合物。然后将该蒸气收集起来，
并将其冷却，使之再次凝结为液体。这样一来，B物质就从原来的混合物中分离出来了。这
种利用沸点不同、挥发度不同的特性来分离混合物的方法就是蒸馏，也有被称为分馏的。
    很明显，蒸馏可将易挥发和不易挥发的物质分离开来，也可将沸点不同的液体混合物分
离开来。蒸馏在化学工业中应用十分广泛，历史也*为悠久，因此它是分离(传质)过程中*
 重要的单兀操作之一。
    精馏其实就是蒸馏，只不过，它不是简单的蒸馏，而是一个在蒸馏塔里完成的多次蒸馏
或分级蒸馏。精馏是相对粗馏而言的，一般说来，分级蒸馏的前级为粗馏，后级为精馏，完成
精馏的设备——蒸馏塔被称为精馏塔。
    上述蒸馏获得的B物质不可能绝对纯，肯定还含有少量的A物质。如果将B物质再次
蒸馏，又会有些A物质被除去，其纯度就又会有所提高。如此重复地蒸馏，每蒸馏一次，纯度
提高一点，这样，*终就会使B物质纯度达到理想的要求。所谓的精馏就是上述这种一次又
一次地重复蒸馏，而且是在同一装置(精馏塔)里完成的蒸馏。