способ получения трихлорсилана плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения трихлорсилана плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния, включающий подачу водорода в плазмотрон, получение плазмы, введение тетрахлорида кремния и подачу полученной смеси в реактор водородного восстановления, отличающийся тем, что плазму приводят во вращение, тетрахлорид кремния предварительно испаряют, смешивают с водородом при соотношении 1:(0,15÷0,2), полученную смесь подают в плазму, причем смесь водорода и тетрахлорида кремния вводят в плазму тангенциально, при этом общее мольное соотношение транспортного водорода и водорода, находящегося в плазме, к тетрахлориду кремния будет равным (1,5÷2,0):1.

2. Устройство для получения трихлорсилана плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния, содержащее реактор водородного восстановления и плазмотрон, отличающееся тем, что между корпусом реактора и плазмотроном установлен распределитель смеси, состоящий из камеры смешения, установленной соосно с плазмотроном и патрубком входа плазмы в реактор, и трубопровода подачи испаренного терахлорида кремния, имеющего форму тора с 3-8 тангенциальными вводами, причем камера смешения снабжена рубашкой для подачи охлаждающей жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к производству поликристаллического кремния из трихлорсилана восстановлением его водородом, конкретно к способу и устройству получения трихлорсилана плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния, образующегося при проведении процесса водородного восстановления кремния.

Известен способ и устройство (см. патент RU 2278076 МПК⁷ С01В 33/107, 2006 для гидрирования тетрахлорида кремния с помощью нагревателей, выполненных в виде U-образных пластин, закрепляемых на электроизолированных водоохлаждаемых токовводах, расположенных в днище охлаждаемого реактора, причем нагреватели от воздействия водоохлаждаемых стенок и для создания равномерного теплового поля защищены дополнительно устанавливаемыми экранами, выполненными из нержавеющей стали и углерод-углеродграфитного композита колпакового типа, устанавливаемых коаксиально на днище реактора. Реактор, экраны снабжены отверстиями для подачи исходных реагирующих веществ (смеси водорода и тетрахлорида кремния в газовой фазе) и вывода отреагировавших веществ: водорода, трихлорсилана, тетрахлорида кремния и хлористого водорода с дальнейшей подачей их на разделение при охлаждении на блоке конденсации на конденсат - смесь трихлорсилана и тетрахлорида кремния и газовую составляющую: водород и хлористый водород, из которых первая поступает на колонну ректификации с последующим разделением на тетрахлорид кремния и трихлорсилан, а газовая фаза - на установку регенерации водорода. В результате проводимого разделения промежуточных продуктов на составляющие получают трихлорсилан и водород (после компримирования), используемые повторно в процессе восстановления кремния, тетрахлорид кремния направляется на гидрирование до трихлорсилана, а хлористый водород на нейтрализацию, то есть осуществляется непрерывный замкнутый цикл по трихлорсилану и водороду с выводом из процесса полученных поликристаллического кремния и хлористого водорода.

Недостатком данного способа является то, что технический результат по выходу трихлорсилана недостаточен, кроме этого, имеют значение дополнительные затраты на электроэнергию на нагревателях до 1200°С.

Известен способ (см. заявка Франция №2530528, МКИ C07F 7/02, 1984 г.), в котором для получения трихлорсилана предложен плазмохимический способ получения трихлорсилана из тетрахлорида кремния, где плазма водорода получается в плазмотронах различной мощности и в реакторе проводятся реакции:

Причем предлагается применение как водорода, так и смеси водорода и аргона. Предварительно разогретый тетрахлорид кремния подается в плазму, имеющую температуру до 5000°С и истекающую из сопла плазмотрона, было определено, что термостабильность плазмы значительно улучшается при введении холодного, закалочного газа, роль которого могут выполнять водород, аргон или тетрахлорид кремния, способные предотвратить прохождение обратной реакции с образованием тетрахлорида кремния.

Предложенный способ обеспечивает выход трихлорсилана из тетрахлорида кремния до 25÷30%, но при этом обладает существенными недостатками, важнейшими из которых являются: невозможность разделения водорода от аргона при отделении их смеси от хлористого водорода и лишение возможности использования водорода при повторной многоразовой подаче его в установку для получения поликристаллического кремния, а так же недостатком будет являться то, что при получении плазмы водорода попутно будет образовываться и плазма аргона, а при непрерывной работе плазмотрона на образование побочной плазмы будет бесполезно тратиться часть его общей энергии, кроме того, для повышения эффективности гидрирования авторами предлагается использовать дополнительно реактор гидрохлорирования, что существенно усложняет схему получения трихлорсилана.

Известен способ (см. патент США №4309259 от 5.01.82, МКИ С01В 33/107), в котором описан способ гидрирования тетрахлорида кремния, где для создания плазмы используется высокочастотный генератор, работающий на частоте 13÷56 МГц, с помощью которого создают водородную плазму давлением 101 КПа. В плазму вводят раздельно водород и пары тетрахлорида кремния при мольном соотношении Н₂:SiCl ₄=(4÷5):1. При температуре 5000 К происходит взаимодействие между тетрахлоридом кремния и водородом.

Данный способ обладает недостатками, заключающимися в том, что рабочее давление на истечении водородной плазмы низкое, а подача паров тетрахлорида в струю плазмы водорода ведется прямоточно, что не обеспечивает большого выхода трихлорсилана от загруженного тетрахлорида кремния.

Известно устройство (см. патент США №4309259 от 5.01.82, МКИ С01В 33/107), состоящее в основном из плазмотрона и кварцевого корпуса реактора. В плазмотрон вводят через раздельные патрубки водород и пары тетрахлорида кремния при мольном соотношении Н ₂:SiCl₄=(4÷5):1, при температуре 5000 К происходит взаимодействие между тетрахлоридом кремния и водородом.

Недостатком данного устройства является то, что оно состоит из нескольких отдельных узлов, причем источник получения плазмы находится внутри реактора, а время существования атомарного водорода незначительное, его количество при протекании химической реакции снизится, следовательно, снизится выход трихлорсилана.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков для повышения выхода трихлорсилана, получаемого плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения трихлорсилана плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния осуществляют подачу водорода в плазмотрон, получают плазму и приводят ее во вращение посредством установленных кольцевых постоянных магнитов. Тетрахлорид кремния предварительно испаряют, смешивают с водородом при их мольном соотношении 1:(0,15÷0,2) и затем полученную смесь подают тангенциально в закрученную плазму. Общее мольное соотношение водорода, находящегося в плазме, к тетрахлориду кремния поддерживают как (1,5÷2,0):1.

Устройство для получения трихлорсилана плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния содержит корпус реактора водородного восстановления, плазмотрон и распределитель смеси тетрахлорида кремния и водорода. Распределитель смеси тетрахлорида кремния и водорода установлен между корпусом реактора водородного восстановления и плазмотроном, при этом распределитель смеси включает в себя камеру смешения, установленную соосно с плазмотроном и патрубком ввода плазмы в реактор, а также трубопровод подачи испаренного тетрахлорида кремния в камеру смешения, имеющий форму тора с 3÷8 тангенциальными вводами. Камера смешения снабжена рубашкой для подачи охлаждающей жидкости, а в анодной части плазмотрона расположены кольцевые постоянные магниты.

Техническая сущность заявленного объекта заключается в приведении во вращение плазмы атомарного водорода при температуре 5000÷6000°С и ее соединение в распределителе с тетрахлоридом кремния, который тангенциально вводится во вращающуюся плазму, с образованием в полученной реакционной зоне трихлорсилана, одновременно подавляется обратная реакция образования тетрахлорида кремния посредством введения водорода в тетрахлорид кремния. Тангенциальный ввод смеси тетрахлорида кремния и водорода и кольцевые постоянные магниты позволяют создать активное перешивание потока плазмы с введенной смесью и больший ее захват плазмой, что значительно способствует повышению выхода трихлорсилана.

При исследовании отличительных признаков способов и устройств получения трихлорсилана плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся их использования или реализации путем подачи водорода в плазмотрон, получения плазмы, введения в плазму тетрахлорида кремния, причем тетрахлорид кремния предварительно испаряют, смешивают с водородом при мольном соотношении 1:(0,15÷0,2) и вводят в плазму тангенциально, при этом общее мольное соотношение транспортного водорода и водорода, находящегося в плазме, к тетрахлориду кремния будет равным (1,5÷2,0):1, а полученную смесь подают в реактор водородного восстановления.

Проведенный заявителем анализ уровня развития техники по имеющимся патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что аналоги, характеризующейся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, заявителем не обнаружены.

Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе и устройстве, изложенных в формуле изобретения, что, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения условию "новизна".

Результаты дополнительного поиска известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа, показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из определенного заявителем уровня техники не выявлено влияние преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение технического результата. Поэтому заявитель предполагает соответствие данного изобретения критерию "изобретательский уровень".

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА И УСТРОЙСТВА

Способ получения трихлорсилана плазмохимическим гидрированием тетрахлорида кремния представлен на фиг.2, а устройство для его осуществления представлено в разрезе на фиг.1.

Устройство ввода тетрахлорида кремния в плазму водорода состоит из собранных и установленных соосно плазмотрона (1), корпуса реактора водородного восстановления (2) с посадочным местом плазмотрона (3), имеющим свободный выход в объемное пространство реактора, и установленным между корпусом реактора и плазмотроном распределителем смеси водорода и тетрахлорида кремния (4), который представляет собой полую цилиндрическую камеру смешения (5), имеющую охлаждаемую рубашку, герметичную с торцов (6), патрубки ввода и вывода воды (7). Пары тетрахлорида кремния с водородом подаются через 3÷8 тангенциальных вводов (патрубков) (8) в камеру смешения с плазмой водорода при температуре 5000÷6000°С. Тангенциальные патрубки ввода тетрахлорида кремния (8) сообщаются с общим коллектором тороидальной формы (9), связанным с испарителем-смесителем тетрахлорида кремния с водородом (10) через подводящий патрубок (11). Суммарная площадь отверстий тангенциальных вводов должна быть равна общей площади сечения тороидального коллектора для прохождения парогазовой смеси в распределителе, а внутренний диаметр камеры должен соответствовать диаметру анодной части (12) плазмотрона (1), соосно присоединенного к распределителю парогазовой смеси (4) и имеющего также катодную часть (13). В межэлектродный зазор (14) подается плазмообразующий газ - водород через штуцер (15), где под воздействием электрического разряда между анодом и катодом плазмотрона образуется плазма атомарного водорода, выходит из сопла и попадает с перемешиванием в распределитель парогазовой смеси (4). Для увеличения срока службы анодная часть снабжается кольцевыми постоянными магнитами (16), которые придают плазме крутящий момент, с постоянным изменением ее места по внутреннему диаметру анодной части, охлаждаемой через ввод (17) и вывод (18) воды, катодная часть плазмотрона также охлаждается через ввод (19) и вывод (20) воды, во избежание короткого замыкания между анодной и катодной частями устанавливается диэлектрическая межэлектродная вставка (21).

Пример осуществления способа ввода тетрахлорида кремния в плазму водорода включает подачу водорода в плазмотрон (1), выход плазмы атомарного водорода с закручиванием струи из сопла анодной части плазмотрона. Распределитель парогазовой смеси состоит из камеры смешения (5) с одновременной подачей паров тетрахлорида кремния на процесс гидрирования, с добавлением в него 10% от расчетного количества водорода, являющегося транспортным газом, что позволяет интенсифицировать процесс их перемешивания с тангенциальным вводом смеси в плазменную дугу атомарного водорода для успешного протекания химического преобразования тетрахлорида кремния в трихлорсилан. Температура подаваемой смеси водорода и испаренного тетрахлорида кремния составляет 90÷95°С, что обеспечивает проведение предварительной закалки получаемой парогазовой смеси, передаваемой в свободный объем реактора водородного восстановления (2), в условиях изохорного проведения технологического процесса наблюдается перепад давления в сторону снижения, водоохлаждаемые обечайки реактора служат окончательной закалкой для реакции гидрирования тетрахлорида кремния.

Далее полученная смесь водорода, тетрахлорида кремния, трихлорсилана и хлористого водорода передается на блок конденсации (22), где при температуре до минус 95÷105°С из парогазовой смеси выделяют конденсат в жидком виде (23), состоящий на 35÷45% из трихлорсилана и 55÷65% непрореагировавшего тетрахлорида кремния, передаваемый на колонну ректификации (24), с последующим использованием трихлорсилана в процессе водородного восстановления кремния, а отделенный тетрахлорид кремния вновь направляется на гидрирование. Несконденсированные водород и хлористый водород направляются на разделение в установку регенерации водорода (25), после которого водород направляют на повторное использование, а хлористый водород на нейтрализацию.