RU2348581C2 - Способ выделения тетрафторида кремния из газовой смеси и установка для его осуществления - Google Patents
Способ выделения тетрафторида кремния из газовой смеси и установка для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2348581C2 RU2348581C2 RU2006116434/15A RU2006116434A RU2348581C2 RU 2348581 C2 RU2348581 C2 RU 2348581C2 RU 2006116434/15 A RU2006116434/15 A RU 2006116434/15A RU 2006116434 A RU2006116434 A RU 2006116434A RU 2348581 C2 RU2348581 C2 RU 2348581C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon tetrafluoride
- gas
- mixture
- silicon
- tetrafluoride
- Prior art date
Links
- ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N silicon tetrafluoride Chemical compound F[Si](F)(F)F ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 85
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 238000000605 extraction Methods 0.000 title 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 83
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 30
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 5
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 67
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 21
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 19
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 15
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 11
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 10
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 9
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 9
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Chemical compound [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 claims description 4
- 235000013024 sodium fluoride Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000011775 sodium fluoride Substances 0.000 claims description 4
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims description 3
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 claims description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims 1
- IEPMHPLKKUKRSX-UHFFFAOYSA-J silicon(4+);tetrafluoride Chemical compound [F-].[F-].[F-].[F-].[Si+4] IEPMHPLKKUKRSX-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 8
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 10
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- WTEOIRVLGSZEPR-UHFFFAOYSA-N boron trifluoride Chemical compound FB(F)F WTEOIRVLGSZEPR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 5
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 229910015900 BF3 Inorganic materials 0.000 description 3
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 3
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000008235 industrial water Substances 0.000 description 3
- OBCUTHMOOONNBS-UHFFFAOYSA-N phosphorus pentafluoride Chemical compound FP(F)(F)(F)F OBCUTHMOOONNBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 3
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910004014 SiF4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- YYRMJZQKEFZXMX-UHFFFAOYSA-N calcium;phosphoric acid Chemical class [Ca+2].OP(O)(O)=O.OP(O)(O)=O YYRMJZQKEFZXMX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000002426 superphosphate Substances 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000013065 commercial product Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000011044 quartzite Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Тетрафторид кремния выделяют из состава газовой смеси, в качестве которой используют кислородсодержащую смесь, полученную при сжигании кварцевого песка в элементарном фторе. Смесь охлаждают в двух последовательных теплообменниках до температуры, выше температуры тройной точки тетрафторида кремния, сжимая предварительно смесь до давления, соответствующего жидкому состоянию тетрафторида кремния при выбранной температуре охлаждения. Для обеспечения безопасности процесса все оборудование размещают в герметичных боксах с автоматической системой обслуживания. Предложенное изобретение позволяет получить высокочистый тетрафторид кремния в жидком виде, обеспечить постепенное и полное заполнение тетрафторидом кремния объема емкостей, предназначенных для его хранения и использования. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области неорганической химии, конкретнее к средствам получения высокочистого тетрафторида кремния путем его выделения из газовой смеси.
Уровень техники
Наиболее распространенным в современной промышленности способом выделения тетрафторида кремния (SiF4) из фторсодержащих газовых смесей является абсорбционный способ. Например, известен способ выделения SiF4 из газовой смеси (см. патент №2019504, МПК: С01В 33/10, опубл. 1994.09.15), в котором улавливание газообразного SiF4 осуществляют при температуре 300°С на гранулах фтористого натрия. Известна технологическая схема очистки фторсодержащих газов в производстве суперфосфатов (см. Кузнецов И.Е. и др. Оборудование для санитарной очистки газов. Киев: Техника, 1989 г., стр.94-95), в которой осуществляют процесс абсорбции четырехфтористого кремния водными растворами при температуре 30-40°С. Оба способа позволяют выделить SiF4 из газовых смесей, однако он оказывается связанным другим веществом.
В связи с развитием науки и производства в последнее время возникает все большая необходимость получения высокочистого тетрафторида кремния с целью использования его в качестве исходного сырья для получения кремния «солнечного» качества.
Получение чистого жидкого тетрафторида кремния как товарного продукта возможно способом, изложенным в материалах патента на изобретение №2046095, МПК С01В 33/10, опубл. 1995.10.20, а именно путем разделения предварительно полученной безводной смеси газов фтористого водорода (HF) и тетрафторида кремния. Согласно указанному способу, сперва из газовой смеси методом низкотемпературной конденсации при t=-78°С выделяют HF. Затем конденсируют тетрафторид кремния в специальной емкости, охлаждаемой жидким азотом. Упомянутый способ является наиболее близким по своему назначению к заявляемому и потому выбран за прототип.
Однако в способе осуществляют разделение простой газовой смеси, включающей всего две составляющие, остальные примеси были удалены на этапах, предшествующих получению упомянутой смеси. Кроме того, используемый для охлаждения жидкий азот имеет температуру около -196°С. При такой температуре и атмосферном давлении SiF4 переходит из газовой фазы сразу в твердую, т.е. кристаллизуется (см. материалы исследований зависимости состояния тетрафторида кремния от величин температуры и давления: О.Руфф и др., журнал «Неорганическая химия» (Z.anorg.Ch.) №196, 1931 г., стр.413-414). При снятии охлаждения емкости температура последней повышается и SiF4 переходит в жидкость, объем которой значительно меньше объема, занимаемого кристаллическим тетрафторидом кремния. Отсюда следует неполное использование полезного объема тарных емкостей для жидкого тетрафторида кремния. Вместе с тем, работа в области низких температур (с жидким азотом) имеет свои сложности.
Известна установка, позволяющая выделять тетрафторид кремния из состава газовых смесей, получаемых в производстве суперфосфатов (см. Кузнецов И.Е. и др. Оборудование для санитарной очистки газов. Киев: Техника, 1989 г., стр.94-95), включающая горизонтальный и вертикальные абсорберы. Однако на данной установке невозможно получить чистый тетрафторид кремния, т.к. он в любом случае оказывается связанным другим веществом.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство, предназначенное для разделения смеси безводных газообразных фтороводорода и тетрафторида кремния (см. описание к патенту на изобретение №2046095, МПК С01В 33/10, опубл. 1995.10.20), включающее конденсатор и связанную с ним трубопроводом подачи газообразного SiF4 специальную емкость, охлаждаемую жидким азотом. Устройство позволяет получить чистый SiF4, однако имеет следующий существенный недостаток - необходимость использования емкостей со специальным охлаждением жидким азотом. Хранение и транспортирование SiF4 в указанных емкостях затруднено, а при снятии охлаждения SiF4 переходит из кристаллического состояния в жидкость, объем которой значительно меньше объема твердого SiF4, вследствие чего емкость будет заполнена только на одну треть своего объема. Кроме того, необходимость работы с жидким азотом, использование криогенной техники имеет свои сложности.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является расширение возможностей применения способа, конкретнее для кислородсодержащих смесей, повышение его эффективности и экономичности, в частности, за счет исключения необходимости работы в области низких температур и возможности эффективного использования полезного объема емкостей для выделенного тетрафторида кремния.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе выделения тетрафторида кремния из газовой смеси методом конденсации, согласно заявляемому изобретению, в качестве исходной газовой смеси используют кислородсодержащую смесь, полученную путем сжигания кварцевого песка в элементном фторе, которую сжимают, а затем охлаждают до температуры не ниже, чем температура тройной точки тетрафторида кремния, причем сжимают смесь до давления, соответствующего жидкому состоянию тетрафторида кремния при выбранной температуре охлаждения, при этом оборудование для осуществления процессов сжатия, охлаждения и сбора размещают в герметичных боксах.
Поставленная задача решена также за счет того, что установка для выделения тетрафторида кремния из газовой смеси, содержащая теплообменник и связанную с ним емкость для тетрафторида кремния, согласно заявляемому изобретению, снабжена мембранным компрессором с профторированной смазочной жидкостью, размещенным на входе теплообменника и связанным с ним газопроводом высокого давления, и вторым теплообменником с емкостью для тетрафторида кремния, вход которого соединен газопроводом высокого давления с выходом первого теплообменника, а выход сообщен через газовый редуктор со средствами сбора и вывода несконденсированных газообразных продуктов, каждая емкость для тетрафторида кремния выполнена в виде, по меньшей мере, одного баллона для сжиженного газа, соединенного с соответствующим теплообменником посредством вентильного соединения и трубопровода для жидкого тетрафторида кремния, при этом упомянутое оборудование размещено в герметичных боксах.
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков позволяет получить ряд положительных технических результатов: получить тетрафторид кремния в жидком виде, за счет чего обеспечить полное использование объемов транспортных емкостей, исключить необходимость использования жидкого азота и необходимость работы в области низких температур, и наконец, совместить процесс выделения тетрафторида кремния с его очисткой от сопутствующих примесей, причем степень очистки тетрафторида кремния в результате такого выделения очень высока, что доказывается приведенными ниже примерами.
Одним из существенных отличительных признаков заявляемого способа, позволяющих добиться указанных выше положительных результатов, является использование в качестве исходной газовой смеси, содержащей тетрафторид кремния, продуктов горения природного кварцевого песка в элементном фторе. Газообразная смесь продуктов упомянутого горения включает SiF4 (содержание ≈40 %) и кислород (О2 ≈40 %), что составляет основную долю смеси, а также углекислый газ, фтор, азот, трифторид бора, пентафторид фосфора и другие летучие фториды, образованные в результате горения примесей, содержащихся в кварцевом песке. Тетрафторид кремния (SiF4) и кислород имеют значительную разницу температур конденсации, что позволяет применить для их разделения метод конденсации. Остальные летучие фториды примесей хоть и имеют температуры конденсации, близкие к температуре конденсации тетрафторида кремния, однако их содержание мало, и в силу известного свойства упругости паров они не будут успевать конденсироваться одновременно с ним.
В качестве кислородсодержащей газовой смеси может быть также использована смесь, полученная в результате сжигания кварцита в смеси элементного фтора с кислородом. Процесс ее разделения аналогичен вышеупомянутому.
Таким образом, в отличие от известных решений, например таких как патент №2035397, где чистоты SiF4 добиваются благодаря многостадийной промывке и температурной обработке исходного для получения тетрафторида кремния сырья - кварцевого песка, применению катализаторов и других реагентов и дополнительной очистке SiF4 от оставшихся примесей посредством отстойников или активированного угля, а также от прототипа, где производят выделение тетрафторида кремния из простой смеси, получению которой предшествовала многостадийная очистка сырья, содержащей всего два компонента, заявляемый способ позволяет исключить многостадийную предварительную обработку исходного для получения тетрафторида кремния сырья, а очистку SiF4 от газообразных примесей совместить с процессом его выделения.
Как известно, тройная точка тетрафторида кремния соответствует: t=-90,2°C и Р=1318 мм рт.ст. (справочник Gmelins HandBuch der anorganischen Chemie 8 Auflase Silicium Teil 8 1959 Veriag Chemie, GMBH, Weinheim/Bergstrasse) [1].
Переход тетрафторида кремния из газообразного состояния непосредственно в жидкое может быть осуществлен только при повышенном давлении. При нормальном атмосферном давлении тетрафторид кремния не имеет жидкого состояния и при охлаждении более -140 градусов переходит из газообразного состояния сразу в твердое. Необходимость осуществления процесса выделения SiF4 из газовой смеси при повышенном давлении ведет к повышению опасности производства. Размещение оборудования и проведение операций сжатия, охлаждения и сбора жидкого SiF4 в герметичных боксах позволяет решить названную проблему и обеспечить не только безопасность производства, но и обеспечить дополнительный технический результат, а именно - сохранность такого ценного продукта как высокочистый тетрафторид кремния.
Газовая смесь подается на охлаждение под высоким давлением, и скорость ее перемещения через теплообменники достаточно высока. Чтобы обеспечить наиболее полное (т.е. качественное, эффективное) выделение тетрафторида кремния, процесс охлаждения компримированной газовой смеси целесообразно осуществлять, по меньшей мере, в две ступени. Ожиженный тетрафторид кремния выводится на каждой ступени охлаждения, а несконденсированные газовые примеси отводятся на санитарную очистку только с последней.
Герметичные боксы выполняют предпочтительно из металла. Объем каждого герметичного бокса выбирают (рассчитывают), исходя из условия, что в случае разгерметизации размещенного в нем оборудования и утечки тетрафторида кремния или его газовой смеси в объем бокса избыточное давление упомянутых газов в боксе не превысит 76 мм рт.ст. (0,1 атм.). Конструктивные параметры боксов рассчитывают любыми известными способами.
На случай разгерметизации оборудования предусмотрена возможность поглощения из бокса тетрафторида кремния, например, в сорбционной колонне с гранулами фтористого натрия.
Положительным моментом заявляемого решения является возможность использования для сбора, хранения и транспортирования SiF4 обычных баллонов для сжиженного газа без специального охлаждения. Возможность одновременного подключения к теплообменнику нескольких баллонов обеспечивает непрерывность производственного процесса.
Заявляемая установка обеспечивает возможность осуществления заявляемого способа и возможность получения вышеупомянутых положительных результатов.
Использование в установке мембранного компрессора с профторированной смазочной жидкостью, в котором нагнетающая часть с движущимися элементами отделена от потока газов мембраной, является необходимым условием, позволяющим исключить загрязнение компримируемой газовой смеси и обеспечить высокую чистоту процесса выделения, а значит и высокую чистоту полученного тетрафторида кремния.
Для охлаждения газовой смеси предпочтительно использование рекуперативных теплообменников (рекуператоров), в которых тепло передается через разделяющую стенку. В конкретном случае реализации установки в качестве последних были использованы трубчатые конденсаторы с единой системой водяного охлаждения.
Для охлаждения газовой смеси могут быть использованы такие известные жидкие хладагенты как солевые растворы (рассолы), однако, предпочтительно использование промышленной воды с температурой от +4 до +24°С, процесс регенерации которой прост и давно отлажен. Нижний упомянутый температурный предел обусловлен близостью точки замерзания воды, а верхний - простотой технической реализации.
Для расчетов давления сжатия газовой смеси используют известную логарифмическую зависимость p(t):
где Р - давление в мм рт.ст., а Т - температура газовой смеси в Кельвинах.
В идеале температура охлажденной газовой смеси равна температуре выбранного хладагента, однако в реальных условиях на температуру влияют: объем смеси и время охлаждения, связанное со скоростью перемещения потока через теплообменник, что учитывается при расчетах.
Возможность использования для охлаждения газовой смеси воды, имеющей температуру выше 0°С, т.е. температуру выше известной из литературы критической температуры SiF4, равной -14,15°С при рк=36,66 Атм=27862 мм рт.ст., была подтверждена проведенными заявителем экспериментальными исследованиями, в результате которых было обнаружено, что при сжимании SiF4 выше критических параметров он переходит не в газообразное (как следовало ожидать), а в жидкое состояние. Это аномальное явление, присущее только фторидам, вероятно, происходит из-за высокой поляризации связей в молекуле SiF4 и за счет образования ассоциированных молекул, так называемых кремниевых связей, тождественных образованию водородных связей между молекулами фтороводорода.
На фиг.1 приведены графики критических состояний тетрафторида кремния, разграничивающие, соответственно: верхний - газообразное и жидкое состояние тетрафторида кремния, и нижний - жидкое и кристаллическое состояние. Графики были построены на основании экстраполирования в более широком температурном диапазоне упомянутой выше логарифмической зависимости (1), известной из литературы (см. справочник Gmelins HandBuch der anorganischen Chemie 8 Auflase Silicium Teil 8 1959 Veriag Chemie, GMBH, Weinheim/Bergstrasse), а также на основании проведенных экспериментальных исследований.
Несконденсированные газовые примеси декомпримируют через газовый редуктор и направляют на санитарную очистку.
Санитарная очистка несконденсированных газовых примесей может быть проведена в колонне с твердым поглощающим кислые газы сорбентом или в скруббере с жидким поглощающим раствором.
С целью повышения безопасности производства и исключения человеческого фактора установка полностью автоматизирована.
Баллоны для сжиженного тетрафторида кремния являются универсальными съемными контейнерами для его хранения и перевозки. При этом заявляемая установка предусматривает возможность подключения упомянутых баллонов через газовый редуктор к линии отвода тетрафторида кремния с целью его прямой подачи на стадию дальнейшего использования.
Краткое описание чертежей
Способ и работа установки поясняются чертежами, где на фиг.1 приведены графики критических состояний тетрафторида кремния, показаны области газообразного, жидкого и кристаллического состояния SiF4;
на фиг.2 приведена схема установки для выделения тетрафторида кремния;
на фиг.3 - таблица, показывающая содержание компонентов в исходной газовой смеси и содержание примесей в выделенном из газовой смеси тетрафториде кремния.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ был апробирован в лабораторных условиях на заявляемой установке. Установка для выделения тетрафторида кремния из газовой смеси содержит (см. фиг.2) мембранный компрессор 1 с профторированной смазочной жидкостью, теплообменники в виде трубчатых конденсаторов 2 и 3, емкости 4 и 5 для сбора жидкого SiF4, газовый редуктор 6 и емкость 7 для сбора несконденсированных газообразных продуктов. Емкости 4 и 5 выполнены в виде баллонов для сжиженного газа. В конкретном случае реализации емкость 4 выполнена в виде двух баллонов 4' и 4", соединенных с конденсатором 2 трубопроводами 8' и 8" для жидкого тетрафторида кремния посредством вентильных соединений 9' и 9" соответственно.
Емкость 5 реализована в виде одного баллона, соединенного с конденсатором 3 трубопроводом 10 для жидкого SiF4 посредством вентильного соединения 11. В конкретных случаях реализации установки число баллонов. подсоединяемых к конденсаторам, может варьироваться в зависимости от производственной необходимости.
Компрессор 1 размещен в герметичном металлическом боксе 12 и соединен газопроводом 13 высокого давления с конденсатором 2. Оборудование первой ступени охлаждения, включающее конденсатор 2 с баллонами 4' и 4", размещено в герметичном металлическом боксе 14, при этом конденсатор 2 связан газопроводом 15 с конденсатором 3. Оборудование второй ступени охлаждения, включающее конденсатор 3 и емкость 5, размещено в герметичном металлическом боксе 16, при этом конденсатор 3 соединен газопроводом 17 с газовым редуктором 6, связанным с емкостью 7 для сбора несконденсированных газообразных продуктов.
Все боксы 12, 14, 16 выполнены из металла. Объем каждого бокса рассчитан известным методом, исходя из толщины используемой стали и условия сохранения герметичности в случае избыточного давления внутри бокса =76 мм рт.ст.
Трубчатые конденсаторы 2 и 3 связаны единой системой водяного охлаждения, включающей сборную емкость 18 охлаждающей воды, связанную трубопроводом с насосом Н, трубопровод 19 подачи воды от насоса Н в конденсаторы 2 и 3, регулирующие вентили трубопроводов подачи, трубопровод 20 отвода воды из конденсаторов в систему охлаждения для регенерации. Технология регенерации воды проста и отработана и может быть осуществлена любым известным способом.
Контроль за давлением и расходом циркулирующего хладагента и разделяемой газовой смеси осуществляется датчиками давления (Рв) и расхода (Gв) воды, размещенными на трубопроводе 19, и датчиками давления (Рсм) и расхода (Gсм) газовой смеси, установленными на трубопроводе 9. Управление работой установки осуществляется дистанционно.
Пример 1.
Осуществляли выделение тетрафторида кремния из газовой смеси, полученной в результате сжигания кварцевого песка в элементном фторе, имеющей следующий состав:
SiF4 - основа;
O2 - 40,0 мас.%;
N2 - 2,0 мас.%;
CO2 - 3,0 мас.%;
F2 - 0,05 мас.%;
BF3 - 0.1 ppm об.;
PF5 - 0.1 ppm об., где ppm - количество атомов на миллион атомов кремния.
В качестве хладагента использовали промышленную воду с температурой +4+5°С.
Давление сжатия рассчитывали по формуле (I):
Если t=+4°С, тогда Т=t+273=4+273=277.
Log7P=10.469-13 52.8/277=5.585, Р=75,585=52465,4 мм рт.ст.
Как видно на фиг.1 (точка S1), рассчитанное давление соответствует области жидкого состояния SiF4. В связи с тем, что осуществляют разделение многокомпонентной смеси, давление, до которого сжимают смесь, должно превышать крайнее (критическое) значение давления при указанной температуре охлаждения, соответствующее верхней кривой графика. Это необходимо для осуществления полного выделения татрафторида кремния из смеси.
Исходную газовую смесь указанного состава сжимают в компрессоре 1 до давления. 52465 мм рт.ст, что фиксируется датчиками Рсм давления газовой смеси.
Компримированную смесь по газопроводу 9 подают в конденсатор 2 первой ступени охлаждения. Охлаждаясь, тетрафторид кремния переходит из газообразного состояния в жидкое - конденсируется на поверхности труб и стекает по ним в нижнюю часть конденсатора 2, откуда выводится по трубопроводу 8' (8") в сборную емкость 4' (4").
Вследствие того, что газовая смесь пропускается через теплообменник под высоким давлением, весь содержащийся в смеси тетрафторид кремния сконденсироваться не успевает. Несконденсированный на первой ступени тетрафторид кремния и газовые примеси по газопроводу 15 подают в конденсатор 3 второй ступени, где оставшийся в газовой смеси тетрафторид кремния, соприкасаясь с поверхностью труб теплообменника, охлаждается, конденсируется и аналогично первой ступени выводится в сборную емкость 5. Кислород имеет более низкую температуру конденсации и остается в газообразном состоянии, а остальные газы: азот (N2), углекислый газ (CO2), фтор (F2), трифторид бора (BF5) и пентафторид фосфора (PF5), имеющие низкое процентное содержание в исходной смеси (см. таблицу, фиг.3), в силу упругости паров не успевают сконденсироваться вместе с SiF4, хотя и имеют близкие с ним температуры конденсации. Несконденсированные на второй ступени упомянутые газообразные продукты по трубопроводу 17 пропускаются через газовый редуктор 6, понижающий давление газовой смеси, и собираются в емкости 7, откуда выводятся на санитарную очистку или для другого использования.
Выделенный из исходной газовой смеси SiF4 был проанализирован на содержание примесей. Было установлено (см. фиг.3), что полученный заявляемым способом на заявляемой установке тетрафторид кремния содержит следующие примеси:
О - 6.6·103 ppm;
N - 1.0·103 ppm;
F - 1.58 ppm;
В - 0.002 ppm;
Р - 0.003 ppm, где ppm - количество атомов на миллион атомов кремния.
Приведенные данные анализа подтверждают, что полученный посредством заявляемого способа и устройства тетрафторид кремния является высокочистым веществом и может быть использован в качестве исходного сырья для получения поликристаллического кремния солнечного качества.
Выделенный жидкий тетрафторид кремния может храниться и транспортироваться в баллонах 4', 4", 5, отсоединяемых вентилями 9', 9" и 11 от трубопроводов 8' 8" и 10 подачи жидкого тетрафторида кремния соответственно. Однако заявляемая установка предусматривает возможность стационарного использования баллонов и возможность включения ее в технологическую линию, например, для получения поликристаллического кремния. В этом случае баллоны 4', 4" и 5 снабжены редукторами Р, служащими выпускными элементами при испарении тетрафторида кремния, и соединены через упомянутые редукторы с магистралью подачи тетрафторида кремния на операцию дальнейшего использования.
Пример 2.
Осуществляли выделение тетрафторида кремния из газовой смеси, полученной в результате сжигания кварцевого песка в смеси кислорода и элементного фтора, имеющей следующий состав: SiF4 -≈48%, кислород ≈47%, азот, аргон, углекислый газ, трифторид бора и пентафторид фосфора - остальное.
Для охлаждения использовали промышленную воду с температурой t=+24°С, давление сжатия рассчитывали следующим образом:
Т=t+273=24+273=297.
Log7Р=10.469-1352.8/297=5.914, тогда Р=75,914=99519,9 мм рт.ст.
На фиг.1 отсутствует точка S2, соответствующая рассчитанному выше состоянию, однако если продлить графики, видно, что рассчитанная величина Р=99519,9 мм рт.ст. также соответствуют области, в которой тетрафторид кремния находится в виде жидкости.
Выделение тетрафторида кремния осуществляют на установке фиг.2, при этом процесс выделения происходит аналогично примеру 1.
Как видно из примера 2, чем выше температура охлаждения газовой смеси, тем выше давление сжатия газовой смеси, причем давление растет гораздо значительнее, чем температура.
Следует отметить, что формула (1) действительна для более широкого диапазона температур, чем интервал (+4+24°С), а именно от t=-20° и выше +24°, что позволяет использовать ее для расчетов при охлаждении газовой смеси с использованием солевых растворов (рассолов), имеющих температуру замерзания ниже, чем вода.
Пример 3. В качестве хладагента использовали солевой раствор, при этом смесь охлаждали до t=-15°С. Давление сжатия рассчитывали по формуле (1):
Т=-15+273=258, Log7 P=10.469-1352.8/258=5.2434
Р=75,2434≈27000 мм рт.ст.
Процесс выделения тетрафторида кремния, осуществляемый на установке фиг.2, протекает аналогично примеру 1.
Claims (12)
1. Способ выделения тетрафторида кремния из газовой смеси методом конденсации, отличающийся тем, что в качестве исходной газовой смеси используют кислородсодержащую смесь, полученную путем сжигания кварцевого песка в элементарном фторе, которую сжимают, а затем охлаждают до температуры не ниже, чем температура тройной точки тетрафторида кремния, причем сжимают смесь до давления, соответствующего жидкому состоянию тетрафторида кремния при выбранной температуре охлаждения, при этом оборудование для осуществления процессов сжатия, охлаждения и сбора размещают в герметичных боксах.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объем каждого герметичного бокса выбирают, исходя из условия, что в случае разгерметизации размещенного в нем оборудования избыточное давление тетрафторида кремния или его газовой смеси в боксе не превысит 76 мм рт.ст.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют, по меньшей мере, в две ступени с выводом сжиженного тетрафторида кремния на каждой из них и отводом несконденсированных газовых примесей только с последней.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае разгерметизации оборудования тетрафторид кремния из бокса направляют на поглощение в сорбционную колонну с гранулами фтористого натрия NaF.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что несконденсированные газовые примеси пропускают через газовый редуктор и направляют на санитарную очистку.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что санитарную очистку осуществляют в колонне с твердым поглощающим кислые газы сорбентом.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что санитарную очистку осуществляют в скруббере с жидким поглощающим раствором.
8. Установка для выделения тетрафторида кремния из газовой смеси, содержащая теплообменник и связанную с ним емкость для тетрафторида кремния, отличающаяся тем, что она снабжена мембранным компрессором с профторированной смазочной жидкостью, размещенным на входе теплообменника и связанным с ним газопроводом высокого давления, и втором теплообменником с емкостью для тетрафторида кремния, вход которого соединен газопроводом высокого давления с выходом первого теплообменника, а выход сообщен через газовый редуктор со средствами сбора и вывода несконденсированных газообразных продуктов, каждая емкость для тетрафторида кремния выполнена в виде, по меньшей мере, одного баллона для сжиженного газа, соединенного с соответствующим теплообменником посредством вентильного соединения и трубопровода для жидкого тетрафторида кремния, при этом упомянутое оборудование размещено в герметичных боксах.
9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что герметичные боксы выполнены из металла и обеспечивают сохранение герметичности при избыточном давлении в боксе до 76 мм рт.ст.
10. Установка по п.8, отличающаяся тем, что теплообменники выполнены в виде трубчатых конденсаторов с единой системой охлаждения.
11. Установка по п.8, отличающаяся тем, что каждый бокс снабжен автоматизированной системой обслуживания.
12. Установка по п.8, отличающаяся тем, что баллоны для сжиженного тетрафторида кремния выполнены с возможностью подключения через газовый редуктор к линии отвода тетрафторида кремния.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006116434/15A RU2348581C2 (ru) | 2006-05-12 | 2006-05-12 | Способ выделения тетрафторида кремния из газовой смеси и установка для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006116434/15A RU2348581C2 (ru) | 2006-05-12 | 2006-05-12 | Способ выделения тетрафторида кремния из газовой смеси и установка для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006116434A RU2006116434A (ru) | 2007-12-10 |
| RU2348581C2 true RU2348581C2 (ru) | 2009-03-10 |
Family
ID=38903198
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006116434/15A RU2348581C2 (ru) | 2006-05-12 | 2006-05-12 | Способ выделения тетрафторида кремния из газовой смеси и установка для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2348581C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2560377C2 (ru) * | 2009-12-30 | 2015-08-20 | Мемк Электроник Матириалз, Инк. | Способы производства тетрафторида кремния |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5151395A (en) * | 1987-03-24 | 1992-09-29 | Novapure Corporation | Bulk gas sorption and apparatus, gas containment/treatment system comprising same, and sorbent composition therefor |
| RU2046095C1 (ru) * | 1991-06-25 | 1995-10-20 | Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад. А.А.Бочвара | Способ получения тетрафторида кремния |
| JP2003089512A (ja) * | 2001-09-11 | 2003-03-28 | Central Glass Co Ltd | 四フッ化珪素の精製方法 |
| EP1406837A1 (en) * | 2001-07-12 | 2004-04-14 | Showa Denko K.K. | Production and use of tetrafluorosilane |
| RU2241899C1 (ru) * | 2003-02-27 | 2004-12-10 | Божуков Валентин Михайлович | Способ получения, хранения и расходования газообразного кислорода и кислородный аппарат открытого типа (его варианты) |
-
2006
- 2006-05-12 RU RU2006116434/15A patent/RU2348581C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5151395A (en) * | 1987-03-24 | 1992-09-29 | Novapure Corporation | Bulk gas sorption and apparatus, gas containment/treatment system comprising same, and sorbent composition therefor |
| RU2046095C1 (ru) * | 1991-06-25 | 1995-10-20 | Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад. А.А.Бочвара | Способ получения тетрафторида кремния |
| EP1406837A1 (en) * | 2001-07-12 | 2004-04-14 | Showa Denko K.K. | Production and use of tetrafluorosilane |
| JP2003089512A (ja) * | 2001-09-11 | 2003-03-28 | Central Glass Co Ltd | 四フッ化珪素の精製方法 |
| RU2241899C1 (ru) * | 2003-02-27 | 2004-12-10 | Божуков Валентин Михайлович | Способ получения, хранения и расходования газообразного кислорода и кислородный аппарат открытого типа (его варианты) |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| КАСАТКИН А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Госхимиздат, 1961, с.345-362, 734-736. * |
| РЫСС И.Г. Химия фтора и его неорганических соединений. - М.: ГХИ, 1956, с.295. АРТОБОЛЕВСКИЙ И.И. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1976, с.242. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2560377C2 (ru) * | 2009-12-30 | 2015-08-20 | Мемк Электроник Матириалз, Инк. | Способы производства тетрафторида кремния |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006116434A (ru) | 2007-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2012245083B2 (en) | A plant and method for recovering sulphur hexafluoride for reuse | |
| US7516627B2 (en) | Method for separating a krypton-xenon concentrate and a device for carrying out said method | |
| CN102448570B (zh) | 精制液化气的供给方法 | |
| CN101857202B (zh) | 一种六氟化硫的提纯方法及其设备 | |
| CN104555927A (zh) | 一种三氟化氯的纯化方法 | |
| CN114198981B (zh) | 一种制备高纯氟气的精制纯化设备和方法 | |
| CN113321184B (zh) | 一种高纯电子级氯气纯化生产装置及其工艺 | |
| KR102084294B1 (ko) | 질산 제조공정을 이용한 반도체용 고순도 일산화질소의 제조방법 및 제조장치 | |
| CN109224756A (zh) | 一种使用深冷冷凝法回收VOCs的撬装系统 | |
| CN104973629A (zh) | 一种六氟化钨气体的提纯方法 | |
| CN108949216A (zh) | 一种高效回收油气的系统及方法 | |
| CN106190387B (zh) | 一种油田伴生气脱氮设备以及工艺 | |
| JP5886281B2 (ja) | 発酵工程からの二酸化炭素の高圧回収 | |
| RU2348581C2 (ru) | Способ выделения тетрафторида кремния из газовой смеси и установка для его осуществления | |
| CN104556035A (zh) | 一种食品级高纯度液体二氧化碳的制备方法及其制备装置 | |
| CN116553496A (zh) | 一种氦气精制方法及其装置 | |
| RU2482903C1 (ru) | Способ получения криптоноксеноновой смеси и устройство для его осуществления | |
| US2318512A (en) | Purification and drying of chlorine gas | |
| KR101025074B1 (ko) | 고순도 액체 염소의 제조방법 | |
| CN101071035A (zh) | 用于填充液体的产品容器和输送系统的独立蒸馏净化器/过热器 | |
| KR20190079971A (ko) | 육불화황 회수-정제 시스템 및 이를 이용한 육불화황 회수-정제 방법 | |
| US4373942A (en) | Chlorocarbon and halogen recovery from vent gas stream | |
| RU2456059C2 (ru) | Способ подготовки газов и устройство для его осуществления | |
| RU2406950C2 (ru) | Способ очистки гелиевого концентрата от примесей | |
| JP2003119003A (ja) | 塩化水素精製方法および精製装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160513 |