一种硅化镁的制备方法与装置转让专利
申请号 : CN200810062736.6
文献号 : CN101306818B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 姚奎鸿 , 祝洪良 , 杜平凡 , 金达莱
申请人 : 浙江理工大学
摘要 :
本发明公开了一种硅化镁的制备方法与装置。该制备方法以当量配比的镁粉与硅粉为原料，在真空中或气体保护下，通过顶部连续给进原料，立式圆筒形反应器内连续搅动，使反应均匀充分，避免反应过热和镁蒸汽外逸。所述的装置主要采用立式圆筒形反应器代替水平式反应器，用顶部减速机带动螺旋片搅拌器搅动原料；该反应器外壁上部采用加热器加热，下部采用冷水套冷却，底部采用刮刀和孔板粉碎反应生成的硅化镁，反应器上侧与加料装置相连，下部与收料装置相连。反应完毕后，连续产物经过刮刀与孔板的粉碎作用，得到粒度细小、组成均匀、当量匹配的硅化镁粉末。本发明既可实现硅化镁的连续生产，还可提高原料转化率，减少过程中镁的消耗，同时降低能耗。
权利要求 :
1.一种硅化镁的制备方法，其特征在于：
1)将硅粉与镁粉按照质量比1∶1.5～2.3的比例混合，加入过渡料斗后，抽真空或充入保护气体，再将其放入上料斗；
2)由螺旋推进器给立式圆筒形反应器连续加料；
3)原料通过立式圆筒形反应器的螺旋片搅拌器搅动，让其经过反应器上部的热场，该热场控制的温度范围为500～650℃，此时硅粉与镁粉发生反应生成硅化镁，同时放出热量；
4)刚生成的硅化镁在重力作用下，进入反应器下部的冷水套冷却，防止反应过热；
5)最后通过刮刀与孔板，将粉体磨碎后，送入收料斗，并通过出料斗取出最终产物。
2.根据权利要求1所述的一种硅化镁的制备方法，其特征在于：所述的保护气体为氢气或氩气。
3.一种硅化镁的制备装置，其特征在于：包括立式圆筒形反应器(1)、螺旋片搅拌器(2)、两个减速机(3a、3b)、加热器(4)、冷水套(5)、刮刀(6)、孔板(7)、收料斗(8)、螺旋推进器(9)、出料斗(10)、上料斗(11)、过渡料斗(12)、三个粉尘过滤器(13a～13c)、二个机械真空泵(14a、14b)、九个阀门(15a～15i)、视镜(16)和氮气瓶(17)；过渡料斗(12)的出口经第一阀门(15a)接上料斗(11)，上料斗(11)的出口接螺旋推进器(9)；立式圆筒形反应器(1)的外圆柱面上端包覆加热器(4)，下端包覆冷水套(5)，内部配有螺旋片搅拌器(2)、刮刀(6)和孔板(7)，顶部配有视镜(16)；螺旋片搅拌器(2)和螺旋推进器(9)分别采用减速机(3a、3b)驱动；立式圆筒形反应器(1)通过第二粉尘过滤器(13b)与第七阀门(15g)，与第一机械真空泵(14a)相连；立式圆筒形反应器(1)底部通过刮刀(6)和孔板(7)与收料斗(8)相连，收料斗(8)与出料斗(10)通过第二阀门(15b)相连；出料斗(10)通过第三粉尘过滤器(13c)和第八阀门(15h)与氮气瓶(17)相连；过渡料斗(12)通过第一粉尘过滤器(13a)和第六阀门(15f)与第二机械真空泵(14b)相连，并经第四阀门(15d)接第三粉尘过滤器(13c)，收料斗(8)、上料斗(11)和过渡料斗(12)上，分别接有第三阀门(15c)、第五阀门(15e)和第九阀门(15i)。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种硅化镁的制备方法与装置。
背景技术
硅化镁是一种重要的工业原料，广泛应用于制备硅烷气体、多晶硅、非晶硅薄膜、陶瓷材料及含硅纳米粉末等，对半导体微电子制造业、太阳电池制造业、材料镀层加工业和先进陶瓷有着越来越重要的作用。开发高效、高质量和低能耗的工业合成技术是硅化镁工艺的发展方向。
传统硅化镁的合成方法是将硅粉与镁粉按比例混合，在氢气氛或真空下加热到500～650℃左右，使其发生反应，生成硅化镁粉末，反应式为：
2Mg+Si→Mg2Si+77.4kJ
由于合成硅化镁的反应是一个是放热反应，在用大型固定床装置中合成硅化镁时，就会碰到一个严重的问题，即物料反应放热引起高温，物料会自动升温到650～800℃。这时生成的产品呈粘结块状，组成偏离Mg2Si。从而导致用这种组成偏离原料制备硅烷的收率偏低。同时，大型固定床装置一般是间隙式的生产方式，即它需要装料、加热、保温、冷却和取料等过程，生产效率较低，能耗较大，产物结块严重，处理困难，劳保条件差。
相对间隙生产方式，硅化镁连续合成法更具有优势。德国专利1143190提出了连续合成硅化镁的方法。一个方案是卧式螺旋推进反应器，在水平的反应管内混合料由旋转的螺旋推进器向前输送，一边搅拌一边通过加热区。另一个方案是延转管式，反应管稍倾斜，物料靠反应管道转动，一面拌和一面通过加热区。在连续炉中硅镁混合料通过热区，传热和传质较均匀，因反应热引起过热的问题得到缓解，从而使生产硅烷的收率提高。但是，由于以上两个方案均基本使用了水平的反应管，反应管上部没有物料填充，从而引起镁蒸气外泄，造成镁的损耗。在此类卧式反应器中的物料配比，镁必需过量3～10％，不但造成镁的浪费，而且蒸发的镁在反应管内部件表面上结晶会妨碍机构的正常运转。因此，装置的产量和产品质量受到限制。
传统硅化镁的合成方法是将硅粉与镁粉按比例混合，在氢气氛或真空下加热到500～650℃左右，使其发生反应，生成硅化镁粉末，反应式为：
2Mg+Si→Mg2Si+77.4kJ
由于合成硅化镁的反应是一个是放热反应，在用大型固定床装置中合成硅化镁时，就会碰到一个严重的问题，即物料反应放热引起高温，物料会自动升温到650～800℃。这时生成的产品呈粘结块状，组成偏离Mg2Si。从而导致用这种组成偏离原料制备硅烷的收率偏低。同时，大型固定床装置一般是间隙式的生产方式，即它需要装料、加热、保温、冷却和取料等过程，生产效率较低，能耗较大，产物结块严重，处理困难，劳保条件差。
相对间隙生产方式，硅化镁连续合成法更具有优势。德国专利1143190提出了连续合成硅化镁的方法。一个方案是卧式螺旋推进反应器，在水平的反应管内混合料由旋转的螺旋推进器向前输送，一边搅拌一边通过加热区。另一个方案是延转管式，反应管稍倾斜，物料靠反应管道转动，一面拌和一面通过加热区。在连续炉中硅镁混合料通过热区，传热和传质较均匀，因反应热引起过热的问题得到缓解，从而使生产硅烷的收率提高。但是，由于以上两个方案均基本使用了水平的反应管，反应管上部没有物料填充，从而引起镁蒸气外泄，造成镁的损耗。在此类卧式反应器中的物料配比，镁必需过量3～10％，不但造成镁的浪费，而且蒸发的镁在反应管内部件表面上结晶会妨碍机构的正常运转。因此，装置的产量和产品质量受到限制。
发明内容
为了克服背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种硅化镁的制备方法与装置。
申请人根据多年研究发现，硅化镁合成时，首先是镁的升华，然后气态的镁与硅粉固体作用，镁原子由硅粉表面向内部扩散，最后形成硅化镁。由于放热反应使物料温度骤然升高，高温下硅化镁不稳定以及高温下镁容易蒸发，使合成过程复杂化。合成时物料的实际温度对硅化镁品质有十分重要影响。实际合成反应有如下可能的可逆过程：
2Mg+Si→Mg2Si (2)
Mg2Si→MgSi+Mg (3)
2MgSi→Mg2Si+Si (4)
MgSi→Mg+Si (5)
500℃开始反应以明显的速度开始按(2)式进行，产物是Mg2Si。高于700℃时因镁蒸发，(3)式的分解过程开始占优势。温度愈高，加热时间愈长，分解得愈多。生成的中间化合物MgSi不稳定，在700℃以下时，如(4)，转化成Mg2Si，同时析出硅。高于1100℃时按(5)式进一步分解为硅和镁。所以高温下合成的硅化镁中，Mg2Si的含量少，析出的游离镁、游离硅较多。而目前硅化镁的制备装置还不能解决合成过程中过热问题与镁蒸汽外逸的问题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一、一种硅化镁的制备方法：
1)将硅粉与镁粉按照质量比1∶1.5～2.3的比例混合，加入过渡料斗后，抽真空或充入保护气体，再将其放入上料斗；
2)由螺旋推进器给立式圆筒形反应器连续加料；
3)原料通过立式圆筒形反应器的螺旋片搅拌器搅动，让其经过反应器上部的热场，该热场控制的温度范围为500～650℃，此时硅粉与镁粉发生反应生成硅化镁，同时放出热量；
4)刚生成的硅化镁在重力作用下，进入反应器下部的冷水套冷却，防止反应过热；
5)最后通过刮刀与孔板，将粉体磨碎后，送入收料斗，并通过出料斗取出最终产物。
所述的保护气体为氢气或氩气。
二、一种硅化镁的制备装置：
本发明包括立式圆筒形反应器、螺旋片搅拌器、两个减速机、加热器、冷水套、刮刀、孔板、收料斗、螺旋推进器、出料斗、上料斗、过渡料斗、三个粉尘过滤器、二个机械真空泵、九个阀门、视镜和氮气瓶；过渡料斗的出口经第一阀门接上料斗，上料斗的出口接螺旋推进器；立式圆筒形反应器的外圆柱面上端包覆加热器，下端包覆冷水套，内部配有螺旋片搅拌器、刮刀和孔板，顶部配有视镜；螺旋片搅拌器和螺旋推进器分别采用减速机驱动；立式圆筒形反应器通过第二粉尘过滤器与第七阀门，与第一机械真空泵相连；立式圆筒形反应器底部通过刮刀和孔板与收料斗相连，收料斗与出料斗通过第二阀门相连；出料斗通过第三粉尘过滤器和第八阀门与氮气瓶相连；过渡料斗通过第一粉尘过滤器和第六阀门与第二机械真空泵相连，并经第四阀门接第三粉尘过滤器，收料斗、上料斗和过渡料斗上，分别接有第三阀门、第五阀门和第九阀门。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果如下：
(1)本发明可现实加料、反应和收料等步骤的连续化生产，无需硅化镁间隙式生产法的装料、加热、保温、冷却和取料等过程，生产效率提高，能耗降低。
(2)跟水平反应器或近水平反应器相比，本发明采用的立式圆筒形反应器，可有效防止镁蒸汽的外逸，有效节约镁的用量，同时避免蒸发的镁在反应管内部件表面上结晶会妨碍机构的正常运转。
(3)本发明采用的立式圆筒形反应器，设计了上部的加热区与下部的冷却区，使反应产生的热量随着硅化镁被带入下部的冷却区冷却，有效防止因反应热产生的过热问题，避免产物结块和副反应的发生，从而保证质量。
申请人根据多年研究发现，硅化镁合成时，首先是镁的升华，然后气态的镁与硅粉固体作用，镁原子由硅粉表面向内部扩散，最后形成硅化镁。由于放热反应使物料温度骤然升高，高温下硅化镁不稳定以及高温下镁容易蒸发，使合成过程复杂化。合成时物料的实际温度对硅化镁品质有十分重要影响。实际合成反应有如下可能的可逆过程：
2Mg+Si→Mg2Si (2)
Mg2Si→MgSi+Mg (3)
2MgSi→Mg2Si+Si (4)
MgSi→Mg+Si (5)
500℃开始反应以明显的速度开始按(2)式进行，产物是Mg2Si。高于700℃时因镁蒸发，(3)式的分解过程开始占优势。温度愈高，加热时间愈长，分解得愈多。生成的中间化合物MgSi不稳定，在700℃以下时，如(4)，转化成Mg2Si，同时析出硅。高于1100℃时按(5)式进一步分解为硅和镁。所以高温下合成的硅化镁中，Mg2Si的含量少，析出的游离镁、游离硅较多。而目前硅化镁的制备装置还不能解决合成过程中过热问题与镁蒸汽外逸的问题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一、一种硅化镁的制备方法：
1)将硅粉与镁粉按照质量比1∶1.5～2.3的比例混合，加入过渡料斗后，抽真空或充入保护气体，再将其放入上料斗；
2)由螺旋推进器给立式圆筒形反应器连续加料；
3)原料通过立式圆筒形反应器的螺旋片搅拌器搅动，让其经过反应器上部的热场，该热场控制的温度范围为500～650℃，此时硅粉与镁粉发生反应生成硅化镁，同时放出热量；
4)刚生成的硅化镁在重力作用下，进入反应器下部的冷水套冷却，防止反应过热；
5)最后通过刮刀与孔板，将粉体磨碎后，送入收料斗，并通过出料斗取出最终产物。
所述的保护气体为氢气或氩气。
二、一种硅化镁的制备装置：
本发明包括立式圆筒形反应器、螺旋片搅拌器、两个减速机、加热器、冷水套、刮刀、孔板、收料斗、螺旋推进器、出料斗、上料斗、过渡料斗、三个粉尘过滤器、二个机械真空泵、九个阀门、视镜和氮气瓶；过渡料斗的出口经第一阀门接上料斗，上料斗的出口接螺旋推进器；立式圆筒形反应器的外圆柱面上端包覆加热器，下端包覆冷水套，内部配有螺旋片搅拌器、刮刀和孔板，顶部配有视镜；螺旋片搅拌器和螺旋推进器分别采用减速机驱动；立式圆筒形反应器通过第二粉尘过滤器与第七阀门，与第一机械真空泵相连；立式圆筒形反应器底部通过刮刀和孔板与收料斗相连，收料斗与出料斗通过第二阀门相连；出料斗通过第三粉尘过滤器和第八阀门与氮气瓶相连；过渡料斗通过第一粉尘过滤器和第六阀门与第二机械真空泵相连，并经第四阀门接第三粉尘过滤器，收料斗、上料斗和过渡料斗上，分别接有第三阀门、第五阀门和第九阀门。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果如下：
(1)本发明可现实加料、反应和收料等步骤的连续化生产，无需硅化镁间隙式生产法的装料、加热、保温、冷却和取料等过程，生产效率提高，能耗降低。
(2)跟水平反应器或近水平反应器相比，本发明采用的立式圆筒形反应器，可有效防止镁蒸汽的外逸，有效节约镁的用量，同时避免蒸发的镁在反应管内部件表面上结晶会妨碍机构的正常运转。
(3)本发明采用的立式圆筒形反应器，设计了上部的加热区与下部的冷却区，使反应产生的热量随着硅化镁被带入下部的冷却区冷却，有效防止因反应热产生的过热问题，避免产物结块和副反应的发生，从而保证质量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是实施例1所得硅化镁产物的XRD图谱。
图中：1.立式圆筒形反应器，2.螺旋片搅拌器，3a、3b.减速机，4.加热器，5.冷水套，6.刮刀，7.孔板，8.收料斗，9.螺旋推进器，10.出料斗，11.上料斗，12.过渡料斗，13a～13c.粉尘过滤器，14a、14b.机械真空泵，15a～15i.阀门，16.视镜，17.氮气瓶
图2是实施例1所得硅化镁产物的XRD图谱。
图中：1.立式圆筒形反应器，2.螺旋片搅拌器，3a、3b.减速机，4.加热器，5.冷水套，6.刮刀，7.孔板，8.收料斗，9.螺旋推进器，10.出料斗，11.上料斗，12.过渡料斗，13a～13c.粉尘过滤器，14a、14b.机械真空泵，15a～15i.阀门，16.视镜，17.氮气瓶
具体实施方式
如图1所示，本发明包括立式圆筒形反应器1，螺旋片搅拌器2，两个减速机3a、3b，加热器4，冷水套5，刮刀6，孔板7、收料斗8，螺旋推进器9，出料斗10，上料斗11，过渡料斗12，三个粉尘过滤器13a～13c，二个机械真空泵14a、14b，九个阀门15a～15i，视镜16和氮气瓶17；过渡料斗12的出口经第一阀门15a接上料斗11，上料斗11的出口接螺旋推进器9；立式圆筒形反应器1的外圆柱面上端包覆加热器4，下端包覆冷水套5，内部配有螺旋片搅拌器2、刮刀6和孔板7，顶部配有视镜16；螺旋片搅拌器2和螺旋推进器9分别采用减速机3a、3b驱动；立式圆筒形反应器1通过第二粉尘过滤器13b与第七阀门15g，与第一机械真空泵14a相连；立式圆筒形反应器1底部通过刮刀6和孔板7与收料斗8相连，收料斗8与出料斗10通过第二阀门15b相连；出料斗10通过第三粉尘过滤器13c和第八阀门15h与氮气瓶17相连；过渡料斗12通过第一粉尘过滤器13a和第六阀门15f与第二机械真空泵14b相连，并经第四阀门15d接第三粉尘过滤器13c，收料斗8、上料斗11和过渡料斗12上，分别接有第三阀门15c、第五阀门15e和第九阀门15i。
本发明具体实施步骤如下：
(1)将硅粉与镁粉按照规定比例混合，搅拌；
(2)对整个系统经多次氮气吹扫和抽真空，最终保持真空状态，如果需要氢气或氩气保护，抽真空后，充入氢气或氩气；
(3)开始对加热器4开始加热，并对冷水套5通冷却水，开启立式圆筒形反应器1顶部的减速机3a，使立式圆筒形反应器1的螺旋片搅拌器2的螺旋片向上推动；
(4)关闭阀门15a，将上述原料放入过渡料斗12后，密封；
(5)打开真空泵14b和阀门15f，开始对过渡料斗12抽真空，抽完真空后，关闭阀门15f；
(6)打开阀门15a，将原料放入上料斗11后，开启螺旋推进器9的减速机3b，开始对立式圆筒形反应器1加料；
(7)原料在立式圆筒形反应器1的加热器4产生的热场区反应生成硅化镁，进入冷水套5冷却区冷却；
(8)通过视镜16观察立式圆筒形反应器1，待立式圆筒形反应器已满，先停止减速机3b，继续反应。
(9)停止减速机3a后，并让其反转，开始收料。
实施例1：
硅粉与镁粉按照质量比为1∶1.7的比例混合后，倒入本发明的制备装置中，立式圆筒形反应器加热区的温度控制在550℃。最终得到了硅化镁产物，如图2所示是它的XRD图谱，该图谱中所有XRD衍射峰均与硅化镁的标准卡片35-0773吻合，说明产物为纯度较高的硅化镁。
实施例2：
硅粉与镁粉按照质量比为1∶1.5的比例混合后，倒入本发明的制备装置中，立式圆筒形反应器加热区的温度控制在650℃。最终得到了硅化镁产物。
实施例3：
硅粉与镁粉按照质量比为1∶2.3的比例混合后，倒入本发明的制备装置中，立式圆筒形反应器加热区的温度控制在500℃。最终得到了硅化镁产物。
本发明具体实施步骤如下：
(1)将硅粉与镁粉按照规定比例混合，搅拌；
(2)对整个系统经多次氮气吹扫和抽真空，最终保持真空状态，如果需要氢气或氩气保护，抽真空后，充入氢气或氩气；
(3)开始对加热器4开始加热，并对冷水套5通冷却水，开启立式圆筒形反应器1顶部的减速机3a，使立式圆筒形反应器1的螺旋片搅拌器2的螺旋片向上推动；
(4)关闭阀门15a，将上述原料放入过渡料斗12后，密封；
(5)打开真空泵14b和阀门15f，开始对过渡料斗12抽真空，抽完真空后，关闭阀门15f；
(6)打开阀门15a，将原料放入上料斗11后，开启螺旋推进器9的减速机3b，开始对立式圆筒形反应器1加料；
(7)原料在立式圆筒形反应器1的加热器4产生的热场区反应生成硅化镁，进入冷水套5冷却区冷却；
(8)通过视镜16观察立式圆筒形反应器1，待立式圆筒形反应器已满，先停止减速机3b，继续反应。
(9)停止减速机3a后，并让其反转，开始收料。
实施例1：
硅粉与镁粉按照质量比为1∶1.7的比例混合后，倒入本发明的制备装置中，立式圆筒形反应器加热区的温度控制在550℃。最终得到了硅化镁产物，如图2所示是它的XRD图谱，该图谱中所有XRD衍射峰均与硅化镁的标准卡片35-0773吻合，说明产物为纯度较高的硅化镁。
实施例2：
硅粉与镁粉按照质量比为1∶1.5的比例混合后，倒入本发明的制备装置中，立式圆筒形反应器加热区的温度控制在650℃。最终得到了硅化镁产物。
实施例3：
硅粉与镁粉按照质量比为1∶2.3的比例混合后，倒入本发明的制备装置中，立式圆筒形反应器加热区的温度控制在500℃。最终得到了硅化镁产物。