Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения синтетического кремния.
Известен способ получения кремния, основанный на восстановлении расплава диоксида кремния углеродом при температуре не менее 1800°C с последующей кислотной обработкой. (Химическая Энциклопедия // Под ред. И.Л. Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1990, т.2, с.508.)
Недостатком данного способа является низкая чистота конечного продукта.
Известен способ получения кремния, включающий введение в кремнийсодержащий расплав твердого диоксида кремния с образованием монооксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния углеродным восстановителем, при этом в качестве кремнийсодержащего расплава используют диоксид кремния, в который вводят смесь порошков диоксида кремния с элементарным кремнием, взятых в стехиометрическом соотношении, а в качестве углеродного восстановителя используется метан (патент RU №2327639, М. кл. С01В 33/027, опубл. 27.06.2008).
Недостатками этого способа являются:
- использование высокочистого кремния в качестве сырьевого материала;
- загрязнение кремния углеродом, содержащимся в метане;
- необходимость соблюдать стехиометрическое соотношение компонентов реакции.
Известен способ получения кремния, включающий получение монооксида кремния из диоксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния с использованием метана, при этом монооксид кремния получают термической диссоциацией диоксида кремния в электродуговой плазме в атмосфере водорода, а восстановление монооксида кремния до элементарного кремния проводят в электродуговой плазме с использованием метана в смеси с водородом при содержании метании 5-10% по объему (патент на изобретение RU 2367600 С1, М. кл. С01В 33/023, опубл. 20.09.2009 - прототип).
Недостатками этого способа являются:
- малая производительность процесса, которая ограничена небольшим объемом электродуговой плазмы;
- необходимость соблюдения пропорции в смеси метана и водорода;
- невысокая степень извлечения кремния из диоксида кремния (порядка 86%).
Техническим результатом изобретения является упрощение способа, повышение его производительности и экономичности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения кремния, включающем получение монооксида кремния из диоксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния с использованием метана, согласно заявляемому изобретению непосредственно в расплав диоксида кремния при температуре не менее 2000°C вводят метан в смеси с водяным паром и создают над расплавом избыточное давление парогазовой смеси.
Пример осуществления способа
В качестве исходного материала используется диоксид кремния, очищенный от примесей металлов и неметаллов. В тигель емкостью от 0.5 до 80 т при температуре не менее 2000°C заливают расплав диоксида кремния и закрывают тигель крышкой с дренажным парогазовым клапаном для создания условий поддержания в газовой фазе над расплавом избыточного давления не менее 2,0 МПа. Затем внутрь расплава диоксида кремния по газотранспортной системе трубопроводов подается смесь водяного пара и метана ("дутье"). Под воздействием температуры расплава в смеси водяного пара и метана внутри расплава происходит химическая реакция, известная под названием "Паровая конверсия метана" (ПКМ) с получением водорода, в том числе атомарного, и окислов углерода:
CH4+2H2O=CO2+8H (4H2)
Окислы углерода не взаимодействуют с расплавом и под действием "Архимедовой" силы покидают расплав. Полученный внутри расплава водород взаимодействует с расплавом диоксида кремния, восстанавливая кремний:
SiO2+2H2=Si+2H2O
В связи с тем, что процесс восстановления растянут во времени по мере поступления водорода, то сначала диоксид кремния восстанавливается водородом до элементарного кремния, который в свою очередь реагирует в расплаве с диоксидом кремния с получением монооксида кремния:
Si+SiO2=2SiO
Полученный в результате реакции монооксид кремния под воздействием избыточного давления над расплавом не возгоняется в газообразное состояние, а остается в жидкой фазе в расплаве и взаимодействует с водородом, восстанавливая кремний:
SiO+H2=Si+H2O
Поскольку кремний с водородом напрямую химически не взаимодействует, то индикатором окончания реакции восстановления кремния служит замещение водородом в газовой фазе над расплавом других продуктов реакции восстановления кремния.
На выходе парогазовой смеси из дренажного парогазового клапана весь период процесса работает горелка. Значительное усиление пламени горелки говорит о дожигании водорода, т.е. о завершении процесса восстановления кремния.
Заявляемый способ позволяет получать кремний с низким содержанием примесей, в том числе углерода и кислорода. Снижение себестоимости конечного продукта достигается за счет возможности производить кремний в больших количествах и простоты технологического процесса, а также за счет минимальных затрат на утилизацию побочных продуктов реакции восстановления кремния, таких как вода и окислы углерода. Удешевление процесса достигается уменьшением расхода водорода на единицу массы производимого кремния, а также ненадобностью точного метрологического оборудования для обеспечения стехиометрического соотношения массы диоксида кремния и восстановителя. Кроме того, степень извлечения кремния из диоксида кремния по заявляемому способу значительно выше, чем у способа-прототипа и достигает 93-95% за счет того, что монооксид кремния под воздействием избыточного давления над расплавом не возгоняется в газообразное состояние, а остается в жидкой фазе в расплаве и взаимодействует с водородом, восстанавливая кремний.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ | 2006 |
|
RU2327639C2 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ | 2008 |
|
RU2367600C1 |
СПОСОБ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО КВАРЦА И ИЗ ЕГО ОСОБО ЧИСТЫХ КОНЦЕНТРАТОВ | 2012 |
|
RU2516512C2 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МУЛЬТИ- И МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ | 1999 |
|
RU2173738C1 |
ФЛЕГМАТИЗИРОВАННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОРОШКИ ИЛИ ПОРОШКООБРАЗНЫЕ СПЛАВЫ, СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И РЕАКЦИОННЫЙ СОСУД | 2009 |
|
RU2492966C2 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ | 1993 |
|
RU2078034C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ СИСТЕМ ЭЛЕМЕНТ-УГЛЕРОД | 2010 |
|
RU2434807C1 |
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЛЕЙКОКСЕНОВОГО КОНЦЕНТРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2014 |
|
RU2586190C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА АМОРФНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ | 2012 |
|
RU2488462C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА | 2006 |
|
RU2322385C2 |
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ. В тигель при температуре не менее 2000°C заливают расплав диоксида кремния и герметизируют его для создания условий поддержания в газовой фазе над расплавом избыточного давления не менее 2,0 МПа. После подачи внутрь расплава диоксида кремния подают смесь водяного пара и метана ("дутье"). Под воздействием температуры расплава в смеси водяного пара и метана внутри расплава происходит паровая конверсия метана с получением водорода, в том числе атомарного, и окислов углерода. Сначала диоксид кремния восстанавливается водородом до элементарного кремния, который в свою очередь реагирует в расплаве с диоксидом кремния с получением монооксида кремния. Полученный в результате реакции монооксид кремния под воздействием избыточного давления над расплавом не возгоняется в газообразное состояние, а остается в жидкой фазе в расплаве и взаимодействует с водородом, восстанавливая кремний. Изобретение позволяет получать кремний с низким содержанием примесей, в том числе углерода и кислорода.
Способ получения кремния, включающий получение монооксида кремния из диоксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния с использованием метана, отличающийся тем, что метан в смеси с водяным паром вводят непосредственно в расплав диоксида кремния при температуре не менее 2000°C и создают над расплавом избыточное давление парогазовой смеси не менее 2,0 МПа.
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ | 2008 |
|
RU2367600C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ | 2006 |
|
RU2327639C2 |
US 2011268643 A1, 03.11.2011 |
Авторы
Даты
2015-02-20—Публикация
2013-08-20—Подача