СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ Российский патент 2010 года по МПК C01B33/02 B01J19/24 

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при производстве химических элементов и веществ.

Известен способ получения кремния из кремнефторидных соединений натрия и калия [Патент на изобретение США №4442082 «Process for obtaining silicon from fluosilicic acid», МПК С01В 33/02. Дата подачи заявки 27.12.1982. Зарегистрирован 10.04.1984].

Известный способ заключается в термическом разложении кремнефторида с выделением тетрафторида кремния, который далее восстанавливается до элементарного кремния.

Недостатком известного способа является отсутствие рекомендаций по выбору оптимальных режимных характеристик процесса получения кремния.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ выделения кремния [Патент на изобретение РФ №2181104 под названием «Способ выделения кремния», МПК⁸ С01В 33/033. Дата подачи заявки 03.02.2000. Зарегистрирован 10.04.2002].

Способ выделения кремния включает восстановление кремнефторида щелочного металла с использованием металлов-восстановителей, например щелочных металлов, при температуре выше температуры плавления металла-восстановителя не менее чем на 50К, но ниже его температуры кипения, и осаждение кремния на подложку при температуре не менее чем на 10К ниже температуры расплава, но выше температуры плавления химически активного металла-восстановителя.

Недостатком известного способа также является отсутствие рекомендаций по выбору оптимальных режимных характеристик процесса получения кремния.

Предложенный способ позволяет исключить указанный недостаток, а именно, обеспечить оптимальные режимные характеристики процесса получения кремния.

Технический результат предложенного способа состоит в расширении его функциональных возможностей.

Для исключения указанного недостатка в способ получения кремния, включающий обеспечение контакта кремнефторида натрия (Na₂SiF₆) с расплавленным натрием (Na) через пористую стенку контейнера, содержащего расплавленный кремнефторид натрия, и осуществление химической реакции кремнефторида натрия с расплавленным натрием, предлагается:

- температуру кремнефторида натрия обеспечивать ниже температуры его плавления;

- процесс выделения кремния осуществлять путем его пропускания через ячейки стенки контейнера, площадь которых соответствует значениям от 0,012 до 0,13 мм².

Способ получения кремния включает обеспечение контакта кремнефторида натрия (Na₂SiF₆) 3 через пористую стенку контейнера 4 с расплавленным натрием (Na) 6 и осуществление химической реакции кремнефторида натрия 3 с расплавленным натрием 6.

Температуру кремнефторида натрия 3 обеспечивают ниже температуры его плавления, а процесс выделения кремния осуществляют путем его пропускания через ячейки стенки контейнера 4, площадь которых соответствует значениям от 0,012 до 0,13 мм².

В результате экспериментальных исследований выбраны оптимальные размеры ячеек стенок контейнера 4, при которых плотность потока кремния имеет максимальное значение.

Пример конкретного осуществления способа

Насыпная плотность Na₂SiF₆ составляет 1,5 г/см², плотность литого Na₂SiF₆ - 2,5 г/см², минимальный размер гранул Na₂SiF₆ - 0,2 мм². Кремнефторид натрия 3 в количестве 4,9 г помещают в контейнер 4 при температуре 293К, затем контейнер 4 погружают в расплавленный натрий 6. По окончании испытаний в контейнере 4 рентгеноструктурным анализом идентифицированы NaF и Na, т.е. с точностью до 3% исходный Na₂SiF₆ был модифицирован в NaF. Прореагировало 4,9 г Na₂SiF₆.

Расплавленный натрий 6 очищают от примесей методом отстаивания в емкости при температуре 376К. Чистота использованного расплавленного натрия составляет 99,95%, а содержание кислорода в нем - 10 мг/кг. Полость корпуса 5 вакуумируют через газовакуумную линию 2 до разрежения менее 0,01 МПа и подают в нее аргон под давлением 0,1 МПа с содержанием кислорода менее 10 мг/кг и азота менее 80 мг/кг. Проводят разогрев натрия 6 и кремнефторида натрия 3 до температуры 434-503К и обеспечивают их химическое взаимодействие в течение 70 часов. Масса расплавленного натрия 6 составляет 240 г.

Контейнер 4 выполнен из стали 10Х18Н10Т. Диаметр и высота пористой боковой стенки контейнера 4 равны соответственно 20 мм и 25 мм. В качестве боковой стенки контейнера 4 использована сетка со следующими характеристиками: площадь ячейки равна 0,12 мм², толщина утка и основы соответственно равны 0,12 мм и 0,18 мм. Общая площадь наружной поверхности контейнера 4 равна 1570 мм², а суммарная площадь контакта Na₂SiF₆ 3 с расплавленным натрием 6 равна 900 мм².

Днище контейнера 4 имеет диаметр 20 мм. Крышка контейнера 4 отсутствует. Объем контейнера 4 составляет 7850 мм³. Пористость боковой стенки и днища контейнера 4 равна 0,48.

На фиг.1 представлена зависимость плотности потока кремния от площади ячейки контейнера, полученная на установке в соответствии с указанными ранее режимом и условиями ее работы. Зависимость позволяет определить оптимальные размеры ячейки стенки контейнера 4. Оптимальная площадь ячейки сетки контейнера 4 находится в пределах от 0,012 до 0,13 мм², а соответствующая ей плотность потока кремния (J) равна 1,88·10^-12 г/(мм²c). Максимальная плотность потока кремния (J₀) равна 7,09·10^-12 г/(мм²c) при площади ячейки сетки контейнера 4, равной 0,04 мм².

Известно устройство для получения кремния из кремнефторидных соединений натрия и калия [Патент на изобретение США №4442082 «Process for obtaining silicon from fluosilicic acid», кл. МПК С01В 33/02. Дата подачи заявки 27.12.1982. Зарегистрирован 10.04.1984].

Известное устройство состоит из внешнего и внутреннего корпусов, исходного реагента H₂SiF₆, капель щелочного металла с температурой на входе 523К, реагента SiF₄ под давлением от 0,5 до 5 атм. Быстрая реакция протекает при температуре от 433 до 1673К.

Недостатком известного устройства является отсутствие рекомендаций по выбору конструкции, обеспечивающей оптимальные режимные характеристики процесса получения кремния.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство выделения кремния [Патент на изобретение РФ №2181104 под названием «Способ выделения кремния», МПК⁸ С01В 33/033. Приоритет от 03.02.2000. Зарегистрирован 10.04.2002].

Устройство состоит из корпуса, внутри которого установлен контейнер с исходным реагентом в виде кремнефторида натрия (Na₂SiF₆). Кольцевой зазор между контейнером и корпусом заполнен натрием.

Недостатком известного устройства является отсутствие рекомендаций по выбору конструкции, обеспечивающей оптимальные режимные характеристики процесса получения кремния.

Предложенное техническое решение позволяет исключить указанный недостаток, а именно, обеспечить оптимальные режимные характеристики процесса получения кремния.

Технический результат предложенного технического решения состоит в расширении его функциональных возможностей.

Для исключения указанного недостатка в устройстве для получения кремния, состоящем из корпуса, внутри которого размещен контейнер с кремнефторидом натрия, причем стенка, днище и (или) крышка контейнера выполнены пористыми, между корпусом и контейнером расположен натрий, предлагается:

- площадь ячейки стенки контейнера выбирать в пределах от 0,012 до 0,13 мм²;

- максимальную площадь ячейки контейнера обеспечивать меньше минимальной площади гранул кремнефторида натрия;

- пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера обеспечивать в соответствии с соотношением:

где ε - пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера.

В частном случае выполнения устройства предлагается контейнер усилить арматурой, выполненной из верхнего и нижнего металлических колец с внутренним диаметром 20 мм и толщиной 5 мм, соединенных между собой прутками с диаметром 3 мм, расположенными вдоль наружной поверхности контейнера.

Принципиальная схема устройства интенсификации массопереноса представлена на фигуре 2. На фигуре приняты следующие обозначения: 1 - арматура; 2 - газо-вакуумная линия; 3 - кремнефтород натрия; 4 - контейнер для загрузки кремнефторида натрия; 5 - корпус; 6 - расплавленный натрий.

Устройство для получения кремния состоит из корпуса, внутри которого размещен контейнер 4 с кремнефторидом натрия 3.

Стенка, днище и (или) крышка контейнера 4 выполнены пористыми.

Между корпусом 1 и контейнером 4 расположен расплавленный натрий 6.

Площадь ячейки стенки контейнера 4 выбрана в пределах от 0,012 до 0,13 мм².

Максимальная площадь ячейки контейнера 4 меньше минимальной площади гранул кремнефторида натрия 3.

Пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера 4 выполнена в соответствии с соотношением:

где ε - пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера.

В частном случае выполнения устройства контейнер усилен арматурой 1.

Арматура 1 выполнена из верхнего и нижнего металлических колец с внутренним диаметром 20 мм и толщиной 5 мм, соединенных между собой прутками с диаметром 3 мм, расположенными вдоль наружной поверхности контейнера.

Пример конкретного исполнения устройства

Устройство выполнено следующим образом.

Кремнефторид натрия (Na₂SiF₆) 3 рентгеноструктурным анализом был идентифицирован, как вещество с высокой стехиометрией. Насыпная плотность Na₂SiF₆ составляет 1,5 г/см², плотность литого Na₂SiF₆ - 2,5 г/см², минимальный размер гранул Na₂SiF₆ - 0,2 мм². Масса кремнефторида натрия 3 в контейнере 4 составляет 4,9 г, а масса расплавленного натрия между корпусом 5 и контейнером 4 - 240 г.

Контейнер 4 выполнен из стали 10Х18Н10Т. Диаметр и высота пористой боковой стенки контейнера 4 равны соответственно 20 мм и 25 мм. В качестве боковой стенки контейнера 4 использована сетка со следующими характеристиками: площадь ячейки равна 0,12 мм², толщина утка и основы соответственно равны 0,12 мм и 0,18 мм. Общая площадь наружной поверхности контейнера 4 равна 1570 мм², а суммарная площадь контакта Na₂SiF₆ с расплавленным натрием 6 равна 900 мм².

Днище контейнера 4 имеет диаметр 20 мм. Крышка контейнера 4 отсутствует. Объем контейнера 4 составляет 7850 мм³. Пористость боковой стенки и днища контейнера 4 равна 0,48. Оптимальная площадь ячейки сетки равна 0,12 мм² (находится в пределах от 0,012 до 0,13 мм²). При этом плотность потока кремния (J) равна 1,88·10^-12 г/(мм²с), а максимальная плотность потока кремния (J₀) равна 7,09·10^-12 г/(мм²с).

Корпус 5 устройства выполнен из стали 10Х18Н10Т и имеет внутренний диаметр и высоту, соответственно равные 70 мм и 800 мм.

Расплавленный натрий 6 очищен от примесей методом отстаивания в емкости при температуре 376К. Чистота использованного натрия составляла 99,95%. Содержание кислорода в натрии составляло около 10 мг/кг.

Температура расплавленного натрия 6 в кольцевом зазоре между корпусом 5 и контейнером 4 составляет 434-503К.

Стенка контейнера 4 усилена арматурой 1 в виде верхнего и нижнего металлических колец с внутренними диаметрами по 20 мм, толщиной - по 5 мм, соединенных между собой прутками диаметром 3 мм, расположенными вдоль наружной поверхности контейнера 4.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Устройство для получения кремния состоит из корпуса 5, внутри которого размещен контейнер 4 с кремнефторидом натрия 3. Стенка, днище и/или крышка контейнера 4 выполнены пористыми. Обеспечивают контакт кремнефторида натрия 3 с натрием 6 через пористую стенку контейнера 4, содержащего кремнефторид натрия 3. Температуру кремнефторида натрия 3 обеспечивают ниже температуры его плавления. Процесс выделения кремния осуществляют путем его пропускания через ячейки стенки контейнера 4, площадь которых составляет 0,012-0,13 мм². Максимальную площадь ячейки контейнера 4 обеспечивают меньше минимальной площади гранул исходного реагента. Пористость стенки, днища и/или крышки контейнера 4 обеспечивают в соответствии с соотношением: 0,17<ε<1, где ε - пористость стенки, днища и/или крышки контейнера. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения кремния, включающий обеспечение контакта кремнефторида натрия (Na₂SiF₆) с натрием через пористую стенку контейнера, содержащего кремнефторид натрия, и осуществление химической реакции кремнефторида натрия с натрием, отличающийся тем, что температуру кремнефторида натрия обеспечивают ниже температуры его плавления, а процесс выделения кремния осуществляют путем его пропускания через ячейки стенки контейнера, площадь которых соответствует значениям от 0,012 до 0,13 мм².

2. Устройство для получения кремния, состоящее из корпуса, внутри которого размещен контейнер с кремнефторидом натрия, причем стенка, днище и/или крышка контейнера выполнены пористыми, между корпусом и контейнером расположен натрий, отличающееся тем, что площадь ячейки стенки контейнера выбирают в пределах от 0,012 до 0,13 мм², при этом максимальную площадь ячейки контейнера обеспечивают меньше минимальной площади гранул исходного реагента, а пористость стенки, днища и/или крышки контейнера обеспечивают в соответствии с соотношением
0,17<ε<1, где
ε - пористость стенки, днища и/или крышки контейнера.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контейнер усилен арматурой, выполненной из верхнего и нижнего металлических колец с внутренним диаметром 20 мм и толщиной 5 мм, соединенных между собой прутками с диаметром 3 мм, расположенными вдоль наружной поверхности контейнера.