UA95096U - Спосіб одержання полікристалічного кремнію - Google Patents
Спосіб одержання полікристалічного кремнію Download PDFInfo
- Publication number
- UA95096U UA95096U UAU201407091U UAU201407091U UA95096U UA 95096 U UA95096 U UA 95096U UA U201407091 U UAU201407091 U UA U201407091U UA U201407091 U UAU201407091 U UA U201407091U UA 95096 U UA95096 U UA 95096U
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- silicon
- polycrystalline silicon
- chlorine
- mixture
- products
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 36
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 239000000047 product Substances 0.000 claims abstract description 48
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 40
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 29
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 22
- 239000005052 trichlorosilane Substances 0.000 claims abstract description 21
- ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N trichlorosilane Chemical compound Cl[SiH](Cl)Cl ZDHXKXAHOVTTAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000012320 chlorinating reagent Substances 0.000 claims abstract description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 31
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical group Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 23
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 10
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- YEBRIDHEOJIAAW-UHFFFAOYSA-N silicon;tetrachlorosilane Chemical compound [Si].Cl[Si](Cl)(Cl)Cl YEBRIDHEOJIAAW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 27
- VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 4-[4-(4-methoxyphenyl)piperazin-1-yl]aniline Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N1CCN(C=2C=CC(N)=CC=2)CC1 VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 22
- 239000005049 silicon tetrachloride Substances 0.000 abstract description 22
- 238000010336 energy treatment Methods 0.000 abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 20
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 20
- 150000004756 silanes Chemical class 0.000 description 18
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000005660 chlorination reaction Methods 0.000 description 10
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 7
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000007323 disproportionation reaction Methods 0.000 description 5
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 239000011044 quartzite Substances 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 4
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 239000011300 coal pitch Substances 0.000 description 2
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000007038 hydrochlorination reaction Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 2
- 229920000548 poly(silane) polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229920001732 Lignosulfonate Polymers 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 210000004271 bone marrow stromal cell Anatomy 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- WIIZEEPFHXAUND-UHFFFAOYSA-N n-[[4-[2-(dimethylamino)ethoxy]phenyl]methyl]-3,4,5-trimethoxybenzamide;hydron;chloride Chemical compound Cl.COC1=C(OC)C(OC)=CC(C(=O)NCC=2C=CC(OCCN(C)C)=CC=2)=C1 WIIZEEPFHXAUND-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000012254 powdered material Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000002639 sodium chloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 229920005552 sodium lignosulfonate Polymers 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/021—Preparation
- C01B33/023—Preparation by reduction of silica or free silica-containing material
- C01B33/025—Preparation by reduction of silica or free silica-containing material with carbon or a solid carbonaceous material, i.e. carbo-thermal process
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/021—Preparation
- C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
- C01B33/03—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of silicon halides or halosilanes or reduction thereof with hydrogen as the only reducing agent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/021—Preparation
- C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
- C01B33/029—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of monosilane
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Спосіб одержання полікристалічного кремнію включає змішування діоксиду кремнію та відновлювача, високоенергетичну обробку суміші, взаємодію одержаного продукту з хлоруючим агентом з утворенням хлорвмісної сполуки кремнію, яку направляють на одержання з неї полікристалічного кремнію. При цьому здійснюють переробку побічних продуктів. Як діоксид кремнію використовують кварцовий пісок та/або техногенну сировину, яка містить кремнезем. Високоенергетичну обробку суміші проводять при температурі 1800- у твердій фазі. Як хлоруючий агент використовують хлор для одержання хлорвмісної сполуки кремнію - тетрахлориду кремнію, з якого гідруванням одержують трихлорсилан, який принаймні частково направляють на одержання водневим відновленням полікристалічного кремнію.
Description
Корисна модель належить до технології одержання полікристалічного кремнію, придатного, наприклад, для виготовлення сонячних батарей.
Відомий спосіб одержання кремнію високого рівня чистоти (див. публікація АТ! США Мо 2013243683, МПК СО1В 33/021, опубл. 19.09.2013 р.), який включає змішування діоксиду кремнію та відновлювача, високоенергетичну обробку суміші, взаємодію одержаного продукту з хлоруючим агентом з утворенням хлорвмісної сполуки кремнію, яку направляють на одержання з неї полікристалічного кремнію, при цьому здійснюють переробку побічних продуктів.
У відомому способі одержують тетрахлорид кремнію карбохлоруванням вихідних матеріалів, які містять діоксид кремнію, з якого гідруванням одержують трихлорсилан, проводять водневе відновлення його до полікристалічного кремнію та/або диспропорціювання трихлорсилану до моносилану з подальшим піролізом моносилану і осадженням кремнію із заданими властивостями. Побічні продукти, одержані у відомому способі, рециркулюють в ньому повторно.
Кремній високої чистоти одержують шляхом гідрування тетрахлориду кремнію для одержання хлорованих силанів і розпаду цих силанів. Одержаний при розпаді хлорованих силанів хлористий водень використовують для карбохлорування. Водень, одержаний при реакції карбохлорування або при диспропорціюванні хлорованих силанів, використовують для гідрування тетрахлориду кремнію, для одержання хлорованих силанів. Тетрахлорид кремнію, який утворюється як побічний продукт при розпаді хлорованих силанів, використовують для одержання хлорованих силанів взаємодією з воднем. Тетрахлорид кремнію гідрується в хлоровані силани. Хлоровані силани перетворюють диспропорціюванням в 5іНа і тетрахлорид кремнію, а одержаний моносилан розкладають до елементарного кремнію та водню. Водень, який одержують в процесі реакції карбохлорування, використовують разом з додатковим воднем при розпаді тетрахлориду кремнію. Тетрахлорид кремнію, який утворюється при диспропорціюванні хлорованих силанів, використовують для одержання хлорованих силанів реакцією з воднем. Водень, який одержують при реакції карбохлорування, використовують в плазмохімічному процесі. Тетрахлорид кремнію, одержаний при піролізі хлорованих силанів, подають на стадію плазмохімічного процесу. Тетрахлорид кремнію гідрується в хлоровані силани, які використовують в плазмохімічному процесі з видаленням хлороводню. При цьому
Зо кремній високої чистоти одержують шляхом піролізу хлорованих силанів. Водень, одержаний при реакції карбохлорування, використовують для гідрування тетрахлориду кремнію з видаленням хлороводню. Тетрахлорид кремнію, одержаний у ході піролізу хлорованих силанів до елементарного кремнію, використовують для одержання хлорованих силанів реакцією з воднем. Хлороводень та/або водень і/або хлорований моносилан, який виділився при піролізі хлорованих полісиланів, рециркулюють в процес. Хлоровані силани одержують в плазмохімічному процесі з видаленням хлороводню і використанням суміші тетрахлориду кремнію та хлорованих силанів. Оксид вуглецю, одержаний в процесі виробництва тетрахлориду кремнію карбохлоруванням з діоксиду кремнію з хлороводнем, перетворюють шляхом взаємодії оксиду вуглецю з парами води в діоксид вуглецю і водень.
Недоліком відомого способу одержання полікристалічного кремнію є недостатньо високий рівень вилучення кремнію в придатну продукцію, високі енергетичні витрати на виробництво одиниці готової продукції, а також складність апаратурно-технологічної схеми, яка реалізує спосіб.
Пояснюється це таким.
Реакція гідрохлорування вихідних матеріалів, які містять діоксид кремнію та відновлювач, протікає з сильним ендотермічним ефектом. Для здійснення реакції, розігріву вихідних матеріалів і компенсації теплових втрат реактора необхідно здійснити підведення великої кількості тепла. Вихідний матеріал, який містить діоксид кремнію, з помітною швидкістю починає хлоруватися при температурах вище 1200 "С, що для ендотермічної реакції важко досяжна умова. Тому відомий спосіб характеризується низьким ступенем перетворення діоксиду кремнію, при цьому проскакування хлороводню в відхідні гази становить 70-90 95. Крім того, охолоджування і конденсація продуктів хлорування парогазової суміші, яка має температуру вище 1200 С, вимагає складного і енерговитратного обладнання. У продуктах реакції утворюються пожежо- та вибухонебезпечні гази - водень, оксид вуглецю і тетрахлорид кремнію, поділ яких представляє складну інженерну задачу.
Найбільш близьким за технічною суттю та технічним результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб одержання полікристалічного кремнію (див. "Кремний для солнечной знергетики: конкуренция технологий, влияниє рьінка, проблемь! развития" Яркин
В.Н., Кисарин О.А., Реков Ю.В., Червоньй И.Ф., Теория и практика металлургии, Мо 1-2, 2010 г., бо стор. 114-126), який включає змішування діоксиду кремнію та відновлювача, високоенергетичну обробку суміші, взаємодію одержаного продукту з хлоруючим агентом з утворенням хлорвмісної сполуки кремнію, яку направляють на одержання з неї полікристалічного кремнію, при цьому здійснюють переробку побічних продуктів.
Цей спосіб, відомий як "Сименс-процес", передбачає спочатку високоенергетичну обробку суміші шляхом одержання на першому етапі металургійного (кристалічного) кремнію (за ГОСТ 2169-69) методом руднотермічної плавки. Як сировина використовується чистий термостійкий кварцит, а відновлювачем є дороге й дефіцитне деревне вугілля.
Брутто-реакція цього етапу способу така - 5Бібон2С--5і-2Сс0
Високоенергетичну обробку суміші - плавку - проводять в одно- або трифазних печах перед процесом хлорування. При цьому витрати електроенергії становлять 12-13 тис. кВт-г/т, вилучення кремнію з оксиду - 65-70 90, а вихід пилу - 0,6-0,8 т/т кремнію. Апаратурно- технологічне оформлення процесу досить складне. Отримані злитки кремнію дроблять у щокових дробарках, а потім подрібнюють у кульових млинах. Потім порошок кремнію піддають обробці хлороводнем у реакторах киплячого шару з одержанням хлорвмісної сполуки - трихлорсилану по реакції:
Зі-ЗНСІ-»5ІНСІз Не
НОСІЇ, який одержали, направляють в голову процесу на одержання трихлорсилану, а трихлорсилан - на водневе відновлення і одержання полікристалічного кремнію по реакції:
ЗІНСІзАНг-БІіЗНеЇ
НОЇ, який одержали, також направляють в голову процесу.
При цьому 30-40 95 кремнію перетворюється в побічні продукти, які вимагають утилізації в інших галузях промисловості Хлороводень одержують спалюванням водню в хлорі (На-СІ--2НСЇ). Хлор одержують електролізом розчинів повареної солі.
Процеси здрібнювання кремнію і синтезу хлороводнем пожежо- та вибухонебезпечні і вимагають особливих запобіжних заходів.
Недоліки способу обумовлені послідовністю, режимами та використовуваними засобами.
Сировина, яка використовується у відомому способі - жильні кварцити спеціальних родовищ з високою термостійкістю та низьким вмістом домішок. Кварцит подрібнюють, збагачують і руднотермічною плавкою у присутності вуглецевмісних відновлювачів виготовляють технічний
Зо кремній. При цьому використовують основний відновлювач - дороге і дефіцитне деревне вугілля, а також додатковий відновлювач, який додають у кількості 10-20 95, це кокс та тріска.
Процес ведуть при температурі більше 2200 "С.
Високоенергетичну обробку суміші проводять в руднотермічній печі з одержанням розплавленого технічного кремнію.
Випуск розплавленого кремнію здійснюють через льотку в чавунну або графітову виливницю. Після охолодження його дроблять у щоковій дробарці, а потім подрібнюють в кульовому млині. Цей процес є вибухонебезпечним і вимагає підвищених заходів безпеки.
Одержаний продукт - порошок технічного кремнію обробляють хлоруючим агентом - хлороводнем з утворенням трихлорсилану, з якого водневим відновленням одержують цільової продукт - полікристалічний кремній.
При водневому відновленні трихлорсилану також одержують як побічний продукт тетрахлорид кремнію, який направляють на гідрування з одержанням трихлорсилану, який повертається в цикл переробки. Хлороводень одержують спалюванням водню в хлорі, що також є складним і вибухонебезпечним процесом. Водень одержують електролізом розчинів лугів або паровою конверсією метану з поділом продуктів за допомогою мембрани, а хлор одержують електролізом розчинів хлоридів.
У відомому способі при гідрохлоруванні технічного кремнію утворюються побічні продукти - полісиланхлориди, які є пожежо- та вибухонебезпечними. Їх необхідно відокремити, знешкодити і переробити, що проводиться за складною багатостадійною технологічною схемою.
Енергетичні затрати відомого способу становлять близько 13 тис. кВт/год. на тонну.
Вилучення кремнію з кварцитів становить 60-65 90, вихід пилу - 600-800 кг/т. Ціна полікристалічного кремнію з кварцитів є високою і складає близько 24 доларів США за кілограм.
Таким чином, недоліками відомого способу одержання полікристалічного кремнію з діоксиду кремнію - кварцитів, є недостатньо високий рівень вилучення кремнію в придатну продукцію, високі енергетичні витрати на виробництво одиниці готової продукції, а також складність апаратурно-технологічної схеми, яка реалізує спосіб.
В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу одержання полікристалічного кремнію, в якому за рахунок проведення додаткових операцій і нових умов виконання відомих операцій та їх послідовності забезпечують інтенсифікацію основних бо технологічних процесів, що дозволяє збільшити рівень вилучення кремнію в придатну продукцію при одночасному забезпеченні високої якості одержаного продукту з мінімальними енергетичними і матеріальними витратами і, як наслідок, досягають здешевлення цільового продукту майже в 2 рази.
Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі одержання полікристалічного кремнію, який включає змішування діоксиду кремнію та відновлювача, високоенергетичну обробку суміші, взаємодію одержаного продукту з хлоруючим агентом з утворенням хлорвмісної сполуки кремнію, яку направляють на одержання з неї полікристалічного кремнію, при цьому здійснюють переробку побічних продуктів, згідно з корисною моделлю, як діоксид кремнію використовують кварцовий пісок та/або техногенну сировину, яка містить кремнезем, високоенергетичну обробку суміші проводять при температурі 1800-2000 "С у твердій фазі, як хлоруючий агент використовують хлор для одержання хлорвмісної сполуки кремнію - тетрахлориду кремнію, з якого гідруванням одержують трихлорсилан, який направляють на одержання водневим відновленням полікристалічного кремнію.
Новим також є те, що високоенергетичну обробку суміші проводять в печі опору з нерухомим шаром, одержаний продукт сортують, дроблять і виділяють фракцію -50--10 мм.
Новим є також те, що високоенергетичну обробку суміші проводять в електротермічній печі киплячого шару, а до одержаного в ній продукту додають діоксид кремнію та органічне зв'язуюче, а потім огрудковують та прожарюють.
Новим є і те, що водень для гідрування та відновлення і хлор одержують електролітичним розкладанням соляної кислоти, одержаної при переробці побічних продуктів.
Новим є й те, що принаймні частину трихлорсилану направляють на одержання моносилану та полікристалічного кремнію методом піролізу моносилану.
Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак винаходу та технічним результатом, що досягається, полягає в такому.
Проведення додаткових операцій, нові умови виконання відомих операцій і нова їх послідовність, а саме: - те, що як діоксид кремнію використовують кварцовий пісок та/або техногенну сировину, яка містить кремнезем, - те, що високоенергетичну обробку суміші проводять при температурі 1800-2000 С у твердій фазі, - те, що як хлоруючий агент використовують хлор для одержання хлорвмісної сполуки кремнію - тетрахлориду кремнію, з якого гідруванням одержують трихлорсилан, який направляють на одержання відновленням полікристалічного кремнію, в сукупності з відомими суттєвими ознаками забезпечують інтенсифікацію основних технологічних процесів, що дозволяє збільшити рівень вилучення кремнію в придатну продукцію при одночасному забезпеченні високої якості одержаного продукту 3 мінімальними енергетичними (|і матеріальними витратами.
Пояснюється це так.
У способі, що заявляється, використовують дешеві й доступні компоненти, а саме кварцовий пісок та/(або техногенну сировину, яка містить кремнезем, а як відновлювач - дріб'язок нафтового коксу. Реагенти змішуються і попередньо піддаються високоенергетичній термообробці або в стаціонарних печах опору або в електротермічних печах киплячого шару при температурах 1800-2000 "С. При цьому утворюються проміжні продукти реакцій (510, 51С та інші), які легко хлоруються хлором. Витрати електроенергії складають 4-6 тис. кВт"г/т, а витяг кремнію більше 98 95.
У першому випадку виходить грудковий продукт, що піддають дробленню на щоковій дробарці до фракції 450 мм.
У другому випадку порошкоподібний матеріал брикетують на органічному зв'язуючому й термооброблюють.
Потім обидва продукти взаємодіють із хлором у футерованих шахтних хлораторах (ШХ) із рухомим шаром і безперервним вивантаженням недогарка. При цьому мають місце реакції:
ЗіОо2Сіон2С-» ЗіСі«4200
ЗІС2СІ»-- ІСІ
Необхідний температурний режим (більше 1400 "С) досягається за рахунок екзотермічної реакції взаємодії карбіду кремнію із хлором.
Технологія хлорування продуктів високоенергетичної обробки суміші була експериментально випробувана на Вольногорському ГМК (Дніпропетровська обл.) із продуктивністю одиничного агрегату близько 20 т/добу по ЗіСі-. У результаті проведених випробувань запропоновані заявлені режими і послідовність операцій, які забезпечують бо поліпшення показників процесу хлорування.
Одержаний 5іСі« піддають очищенню методом ректифікації, далі він надходить на переділ гідрування, де протікає реакція утворення трихлорсилану - 5іСіл-Н2о-ЗІіНСіІзНСЇІ.
Трихлорсилан направляють частково на водневе відновлення, а частково на одержання моносилану і піроліз моносилану з одержанням моносиланового полікристалічного кремнію.
Побічні кремнійвмісні продукти, що вимагають витрат на їх утилізацію, не утворюються на даному технологічному переділі.
Одержаний НСІ направляють в голову процесу на одержання соляної кислоти і хлору з воднем.
Використання хлору замість хлороводню, який використовується в прототипі, не потребує створення складних і вибухонебезпечних установок для його одержання. При цьому при гідруванні тетрахлориду кремнію утворюється тільки трихлорсилан, а інші побічні продукти не утворюються, що забезпечує високий рівень вилучення кремнію.
Те, що високоенергетичну обробку суміші проводять в печі опору з нерухомим шаром, одержаний продукт сортують, дроблять і виділяють фракцію -50--10 мм, в сукупності з відомими суттєвими ознаками забезпечує інтенсифікацію основних технологічних процесів, що дозволяє збільшити рівень вилучення кремнію в придатну продукцію при одночасному забезпеченні високої якості одержаного продукту з мінімальними енергетичними і матеріальними витратами.
Пояснюється це тим, що така обробка здійснюється на стандартній установці, надійній в експлуатації, яка забезпечує високий рівень вилучення кремнію (97-9995 від теоретично можливого вилучення).
Те, що високоенергетичну обробку суміші проводять в електротермічній печі киплячого шару, а до одержаного в ній продукту додають діоксид кремнію в масовому співвідношенні 1 - (1,0-2,0) ії органічне зв'язуюче, а потім огрудковують та прожарюють, в сукупності з відомими суттєвими ознаками забезпечує інтенсифікацію основних технологічних процесів, що дозволяє збільшити рівень вилучення кремнію в придатну продукцію при одночасному забезпеченні високої якості одержаного продукту з мінімальними енергетичними і матеріальними витратами.
Пояснюється це тим, що така обробка здійснюється на повністю автоматизованій установці, надійній в експлуатації де проводиться замкнутий технологічний цикл, що забезпечує безвідходне виробництво, і яка забезпечує високий рівень вилучення кремнію - 97-99 95 від теоретично можливого вилучення.
Те, що водень для гідрування і хлор одержують електролітичним розкладанням соляної кислоти, одержаної при переробці побічних продуктів, в сукупності з відомими суттєвими ознаками забезпечує інтенсифікацію основних технологічних процесів, що дозволяє збільшити рівень вилучення кремнію в придатну продукцію при одночасному забезпеченні високої якості одержаного продукту з мінімальними енергетичними і матеріальними витратами
Пояснюється це тим, що поєднання в одному процесі одержання і водню і хлору спрощує технологічну схему здійснення замкнутого технологічного циклу, забезпечує безвідходне виробництво, знижує витрати електроенергії, одержані продукти забезпечують високий рівень вилучення кремнію - 97-99 95 від теоретично можливого вилучення.
Те, що принаймні частину трихлорсилану направляють на одержання моносилану та полікристалічного кремнію методом піролізу моносилану, в сукупності з відомими суттєвими ознаками додатково забезпечує інтенсифікацію основних технологічних процесів, що дозволяє збільшити рівень вилучення кремнію в придатну продукцію при одночасному забезпеченні високої якості одержаного продукту з мінімальними енергетичними і матеріальними витратами, бо дозволяє маневрувати режимами.
З метою пояснення суті способу, що заявляється, на кресленні приведена технологічна схема його реалізації.
Технологічна схема реалізації способу містить вузол 1 подачі діоксиду кремнію, вузол 2 подачі відновлювача - вуглецю, вузол З високоенергетичної обробки суміші, вузол 4 хлорування, вузол 5 гідрування, вузол б відновлення, вузол 7 електролізу, вузол 8 одержання полікристалічного кремнію.
Спосіб одержання полікристалічного кремнію, що заявляється, здійснюють таким чином.
Як діоксид кремнію використовують кварцовий пісок вищих сортів за ГОСТ 22551-77 або техногенну сировину, яка містить кремнезем.
Як техногенна сировина може бути використана дрібна фракція відсіву дроблення кварцитів, аморфний кремнезем від кислотного розкладу серпентитів або засипка печей графітації електродів.
Як відновлювач може бути використаний кокс нафтовий (коксовий дріб'язок) (ГОСТ 22898- 78); або пек кам'яновугільний високотемпературний (ГОСТ 1038-75); або лігносульфонат 60 технічний марки А (ТУ 13-0281036-05-89).
Вихідні компоненти зважують, змішують з вуглецевмісним компонентом і суміш піддають високоенергетичній обробці.
Високоенергетичну обробку суміші можуть проводити в печі опору з нерухомим шаром, при цьому одержаний продукт сортують, дроблять і виділяють фракцію -50--10 мм.
Навколо елемента опору (графітового керна) печі опору з нерухомим шаром в результаті фізико-хімічних перетворень утворюються концентричними шарами ближче до керну крупнокристалічний продукт, за ним дрібнокристалічний продукт, а по периферії - непрореагована суміш. Після охолодження печі продукт сортують, кусковий матеріал дроблять і виділяють фракцію -50-410 мм. Матеріал фракцією -10 мм подають назад в піч опору на обробку.
Високоенергетичну обробку суміші можуть проводити в електротермічній печі киплячого шару, при цьому до одержаного в ній продукту додають діоксид кремнію та органічне зв'язуюче, а потім огрудковують та прожарюють.
В електротермічній печі киплячого шару створюється високореакційне середовище з діоксиду кремнію та вуглецевих частинок, через які проходить електричний струм, і в результаті інтенсивного тепломасообміну виходить дисперсний порошок, який змішують з діоксидом кремнію в масовому співвідношенні 1 : (1-2), додають органічне зв'язуюче, а потім огрудковують та прожарюють.
Як органічне зв'язуюче може бути використаний кам'яновугільний пек та/або лігносульфонат натрію, та/"або сульфітцелюлозний луг. Суміш огрудковують за допомогою брикетувальних пресів або обвалюють на грануляторі. Одержані брикети або окатиші піддають термообробці у нагрітих газом печах періодичної або безперервної дії.
У першому випадку це ямні печі, в яких матеріал прожарюють в ретортах, у другому - це або вертикальні печі з безперервним завантаженням або горизонтальні сушарки.
Для встановлення оптимальної температури, при якій забезпечується досягнення найкращого технічного результату, проведені випробування різних режимів високоенергетичної обробки у твердій фазі. Процес проводили при заявлених режимах - 1800, 1900, 2000 "С і при значеннях температури високоенергетичної обробки, які виходять за заявлені межі - 1700, 2100 "С. Для кожного режиму визначали питомі витрати електроенергії (кВт"год/т) і ступінь
Зо хлорування (95). Одержані дані внесені в таблицю.
Таблиця кВт"год/т пи т ПО СЕТ Я ПОЛО То ОО
Як видно з результатів досліджень, заявлені температури забезпечують одночасне досягнення високого ступеня хлорування при низьких питомих витратах електроенергії на виробництво цільового продукту. При значенні температури високоенергетичної обробки, яка є нижчою за заявлені межі, при низьких питомих витратах електроенергії низьким є і ступень хлорування. При значенні температури високоенергетичної обробки, яка є вищою за заявлені межі, при високих питомих витратах електроенергії ступінь хлорування вже не підвищується.
Водень, який використовується в технологічному процесі на стадіях гідрування тетрахлориду кремнію та відновлення трихлорсилану з одержанням полікристалічного кремнію, а також хлор, який подається на стадію одержання тетрахлориду кремнію, одержують одночасно електролізом соляної кислоти в біполярних електролізерах. Соляна кислота утворюється при абсорбції водою хлориду водню, який є побічним продуктом різних стадій процесу.
Продукти високоенергетичної обробки суміші як у вигляді кускового матеріалу, так і у вигляді огрудкованого матеріалу хлорують хлором у вертикальному футеровальному хлораторі з рухомим шаром і безперервним вивантаженням залишку. Процес хлорування відбувається в екзотермічному режимі, тому підведення тепла до зони реакції не потрібно. Запуск хлоратора здійснюють шляхом завантаження розігрітих до 800-850 продуктів високоенергетичної обробки суміші. Утворений в хлораторі тетрахлорид кремнію направляють в систему пиловловлення і конденсації. Потім тетрахлорид кремнію очищують ректифікацією |і направляють на гідрування для конверсії в трихлорсилан. Трихлорсилан відновлюють воднем з одержанням полікристалічного кремнію та/або діспропоціюванням одержують моносилан з подальшим піролізом моносилану та осадженням полікристалічного кремнію із заданими властивостями.
Проведення технологічного процесу заявленим способом дозволяє інтенсифікувати основні технологічні процеси за рахунок оптимізації температурного режиму процесу та інтенсифікації основних технологічних процесів, що дозволяє збільшити рівень вилучення кремнію в придатну продукцію при одночасному забезпеченні високої якості одержаного продукту з мінімальними енергетичними і матеріальними витратами. Ціна полікристалічного кремнію з кварцового піску складає близько 12 доларів США за кілограм, тобто в два рази нижче, ніж для продукту, одержаного способом за прототипом.
Заявлена корисна модель забезпечує підвищення ступеня вилучення кремнію до 97-99 95 від стехіометрично можливого, що на 10 95 вище в порівнянні з прототипом. Питомі витрати на виробництво одиниці готової продукції склали 12-15 доларів за кілограм, що в 2,0-2,2 рази нижче, ніж за способом-прототипом.
Промислова придатність способу, що заявляється, підтверджується можливістю здійснення способу на відомому устаткуванні з використанням відомих матеріалів.
Claims (5)
1. Спосіб одержання полікристалічного кремнію, який включає змішування діоксиду кремнію та відновлювача, високоенергетичну обробку суміші, взаємодію одержаного продукту з хлоруючим агентом з утворенням хлорвмісної сполуки кремнію, яку направляють на одержання з неї полікристалічного кремнію, при цьому здійснюють переробку побічних продуктів, який відрізняється тим, що як діоксид кремнію використовують кварцовий пісок та/або техногенну сировину, яка містить кремнезем, високоенергетичну обробку суміші проводять при температурі 1800-2000 С у твердій фазі, як хлоруючий агент використовують хлор для одержання хлорвмісної сполуки кремнію - тетрахлориду кремнію, з якого гідруванням одержують трихлорсилан, який принаймні частково направляють на одержання водневим відновленням Зо полікристалічного кремнію.
2. Спосіб одержання полікристалічного кремнію за п. 1, який відрізняється тим, що високоенергетичну обробку суміші проводять в печі опору з нерухомим шаром, одержаний продукт сортують, дроблять і виділяють фракцію -50--10 мм.
З. Спосіб одержання полікристалічного кремнію за п. 1, який відрізняється тим, що високоенергетичну обробку суміші проводять в електротермічній печі киплячого шару, а до одержаного в ній продукту додають діоксид кремнію та органічне зв'язуюче, а потім огрудковують та прожарюють.
4. Спосіб одержання полікристалічного кремнію за п. 1, який відрізняється тим, що водень для гідрування та відновлення і хлор одержують електролітичним розкладанням соляної кислоти, одержаної при переробці побічних продуктів.
5. Спосіб одержання полікристалічного кремнію за п. 1, який відрізняється тим, що принаймні частину трихлорсилану направляють на одержання моносилану та полікристалічного кремнію методом піролізу моносилану. (с;
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAU201407091U UA95096U (uk) | 2014-06-23 | 2014-06-23 | Спосіб одержання полікристалічного кремнію |
| PCT/UA2015/000016 WO2015199636A1 (ru) | 2014-06-23 | 2015-03-06 | Способ получения поликристаллического кремния |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAU201407091U UA95096U (uk) | 2014-06-23 | 2014-06-23 | Спосіб одержання полікристалічного кремнію |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA95096U true UA95096U (uk) | 2014-12-10 |
Family
ID=54938560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UAU201407091U UA95096U (uk) | 2014-06-23 | 2014-06-23 | Спосіб одержання полікристалічного кремнію |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA95096U (uk) |
| WO (1) | WO2015199636A1 (uk) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110589842A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-12-20 | 大同新成新材料股份有限公司 | 一种半导体材料的制备方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4676967A (en) * | 1978-08-23 | 1987-06-30 | Union Carbide Corporation | High purity silane and silicon production |
| RU2373147C1 (ru) * | 2008-02-26 | 2009-11-20 | Александр Владимирович Щепелев | Способ получения хлорсиланов, способ хлорирования содержащего двуокись кремния сырья и способ конверсии тетрахлорсилана в трихлорсилан |
| CN103086378B (zh) * | 2013-01-28 | 2014-07-23 | 东北大学 | 一种用晶体硅切割废料电热冶金制备太阳能多晶硅的方法 |
-
2014
- 2014-06-23 UA UAU201407091U patent/UA95096U/uk unknown
-
2015
- 2015-03-06 WO PCT/UA2015/000016 patent/WO2015199636A1/ru not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2015199636A1 (ru) | 2015-12-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5755150B2 (ja) | ポリシリコンの製造方法および四塩化ケイ素の製造方法 | |
| CN103025900B (zh) | 一种从铝铁矿石、钛铁矿石和残渣中提取金属元素的方法 | |
| CN101418383B (zh) | 一种含钛炉渣制备TiCl4的方法 | |
| CN102925722B (zh) | 电铝热法冶炼钒铝合金的方法 | |
| CN102181670B (zh) | 一种镁氯循环利用制备海绵钛的方法 | |
| CN106044771B (zh) | 一种基于含钛高炉渣碳化提钛处理的碳化钛制备方法 | |
| EP4112538B1 (en) | System for combined production of yellow phosphorus and syngas | |
| CN102586805A (zh) | 一种含镁矿物制备金属镁的方法及设备 | |
| CN103572323A (zh) | 一种含铝矿物和粉煤灰混合氯化并低温电解制备铝硅合金的方法 | |
| CN107487785B (zh) | 一种四氯化锆的制备工艺 | |
| Ramakrishnan et al. | A comparison of the greenhouse impacts of magnesium produced by electrolytic and Pidgeon processes | |
| Okutani | Utilization of silica in rice hulls as raw materials for silicon semiconductors | |
| Bose et al. | Production of high purity boron carbide | |
| TW201437382A (zh) | 鈦氧化物及鐵氧化物之製備方法 | |
| Zheng et al. | Overview of current phosphoric acid production processes and a new idea of kiln method | |
| US4533386A (en) | Process for producing aluminum | |
| EP0007803A1 (en) | Process for the preparation of anhydrous magnesium chloride | |
| UA95096U (uk) | Спосіб одержання полікристалічного кремнію | |
| US3956454A (en) | Process for producing aluminum trichloride | |
| CN115057445B (zh) | 硅氟氢酸的生产方法及混合稀土精矿的处理工艺 | |
| CN101818265A (zh) | 用氢氧化锂制备金属锂的方法 | |
| CN110642294A (zh) | 高炉渣低温氯化制备三氯氧钒的方法 | |
| CN104498743B (zh) | 高碳50钒铁的低成本生产方法 | |
| CN116395702B (zh) | 一种短流程制备高纯四氯化硅和多晶硅的装置及方法 | |
| CN103667576A (zh) | 用于金属冶炼的方法 |