УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ И ПОДГОТОВКИ ХЛОРИСТОГО ВОДОРОДА И ХЛОРСИЛАНОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к области производства поликристаллического кремния, в частности к оборудованию для разделения и подготовки парогазовой смеси, образующейся в процессе водородного восстановления трихлорсилана и/или конверсии тетрахлорида кремния, а именно к установке для разделения и подготовки хлористого водорода и хлорсиланов.
В настоящее время основным способом получения поликристаллического кремния (ПКК) является водородное восстановление хлорсиланов, в результате которого кремний осаждается на прутках-подложках, установленных в реакторах. Наиболее распространенным методом получения ПКК является водородное восстановление трихлорсилана (Фалькевич Э.С. Технология полупроводникового кремния, М.: Металлургия, 1992 г., стр.214-215) по следующим основным реакциям:
3
2
SiHCl+H→Si+3HCl;
3
4
2
4SiHCl→Si+3SiCl+2H.
После реакции получения ПКК образовавшаяся парогазовая смесь содержит трихлорсилан, тетрахлорид кремния (ТХК), хлористый водород и водород, утилизация которых представляет собой сложную задачу и нередко связана с поступлением токсических продуктов в окружающую среду.
Также парогазовая смесь образуется в процессе конверсии тетрахлорида кремния в трихлорсилан, являющемся одним из участков в технологической линии производства ПКК. Конверсия ТХК в ТХС проходит по следующей основной реакции:
4
2
3
SiCl+H→SiHCl+3HCl.
Главным направлением для создания экологически чистой технологии является разработка замкнутых технологических процессов, в которых продукты представленных реакций и унесенные с ними реагенты использовались бы повторно, в том числе в процессе синтеза исходного трихлорсилана, поэтому для осуществления указанного повторного использования требуется разделение парогазовой смеси и подготовка отделенных реагентов. Одним из способов разделения парогазовой смеси является ректификация, после которой в качестве низкокипящего компонента отделяется хлористый водород, а в качестве высококипящего - хлорсиланы.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является установка для переработки хлористого водорода, содержащегося в отходящей парогазовой смеси, технологической линии производства поликристаллического кремния, описанная в заявке на изобретение Китая №101791487, опубликованной 04.08.2010 г. Указанная установка включает ректификационную колонну, верхняя часть которой сообщена через дефлегматор со сборником флегмы, выход из которого сообщается с верхней частью ректификационной колонны и с накопителем хлористого водорода.
Недостатком описанной установки является тот факт, что при ее работе с течением времени в накопителе хлористого водорода наряду с последним накапливаются унесенные по каким-либо причинам из ректификационной колонны хлорсиланы, отвод которых не предусмотрен в описанной схеме.
Задачей заявляемой полезной модели является создание такой установки для разделения и подготовки хлористого водорода и хлорсиланов технологической линии производства поликристаллического кремния, которая обеспечила бы необходимую подготовку хлористого водорода для его дальнейшего использования на участке синтеза трихлорсилана, конструкция которой обеспечивала бы устойчивую работу установки при нормальном режиме ее работы, а также при возникновении аварийных ситуаций.
Поставленная задача решается тем, что разработана установка для разделения и подготовки хлористого водорода и хлорсиланов технологической линии производства поликристаллического кремния, содержащая ректификационную колонну, верхняя часть которой сообщена через дефлегматор со сборником флегмы, на выходе из которого установлен насос, выход которого сообщается с верхней частью ректификационной колонны и с накопителем хлористого водорода, а также систему трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, причем установка снабжена испарителем хлористого водорода и двумя конденсаторами хлористого водорода, первый из которых сообщен с накопителем хлористого водорода, а второй сообщен с испарителем хлористого водорода, при этом нижняя часть испарителя соединена посредством трубопровода с накопителем хлористого водорода и дополнительными трубопроводами со входом насоса и с дефлегматором.
Продукт, выходящий из верха ректификационной колонны, представляет собой 99,9%-ый хлористый водород. Однако при пуске необходим разогрев ректификационной колонны, а также при возникновении аварийной ситуации в этой колонне могут изменяться температуры. При этом верхняя ее часть, где температура должна быть примерно около минус 42,5°С при давлении 6 бар, может разогреться до плюсовой температуры, т.е. вместе с хлористым водородом начинают уноситься и хлорсиланы, которые через дефлегматор попадают в сборник флегмы, далее в накопитель хлористого водорода и соединенный с накопителем испаритель хлористого водорода. Накапливание хлорсиланов в испарителе прекращает процесс испарения хлористого водорода, поэтому необходима выгрузка смеси хлорсиланов и хлористого водорода из испарителя. Соединение испарителя хлористого водорода со входом насоса посредством дополнительного трубопровода обеспечивает возможность такой выгрузки, при этом отведенная смесь хлорсиланов и хлористого водорода посредством насоса направляется на орошение уже запущенной ректификационной колонны с нормальными температурными условиями (минус 42,5°С вверху колонны и плюс 115,9°С внизу колонны при рабочем давлении в колонне 6 бар), где хлористый водород отделяется от хлорсиланов. Таким образом, снабжение установки испарителем хлористого водорода обеспечивает подготовку последнего к дальнейшему использованию в качестве реагента для синтеза трихлорсилана в кипящем слое, а сообщение испарителя со входом насоса обеспечивает исправную работу установки, своевременную выгрузку хлорсиланов из испарителя для предотвращения аварийных ситуаций без перекрытия трубопровода отвода газообразного хлористого водорода на участок синтеза ТХС.
Конденсаторы хлористого водорода, которыми оснащены испаритель и накопитель хлористого водорода, необходимы для поддержания давления в указанных испарителе и накопителе. В случае если выходы хлористого водорода из накопителя и/или испарителя закрыты, введение в работу указанных конденсаторов предотвращает увеличение температуры хлористого водорода до уровня окружающей среды, что повлекло бы за собой увеличение давления газообразного хлористого водорода. Выгрузка газообразного хлористого водорода из накопителя и испарителя и его дальнейшая подача на участок синтеза ТХС осуществляется через выходы газообразного хлористого водорода соответствующих конденсаторов посредством линии выдачи газообразного хлористого водорода в реактор синтеза ТХС.
Предпочтительно указанная линия соединена посредством заборного трубопровода с дефлегматором: при отсутствии хлористого водорода в испарителе и накопителе из участка синтеза хлористого водорода через линию выдачи хлористого водорода посредством указанного трубопровода осуществляют забор хлористого водорода на орошение ректификационной колонны при ее запуске (через дефлегматор и сборник флегмы соответственно).
В случае если ректификационная колонна остановлена, а в испарителе и накопителе хлористого водорода накопились хлорсиланы, посредством запорно-регулирующей арматуры перекрывается отвод хлористого водорода на участок синтеза ТХС, и под действием давления из конденсаторов хлористого водорода посредством дополнительного трубопровода смесь хлорсиланов и хлористого водорода отводится в дефлегматор, а затем в сборник флегмы, откуда эта смесь может быть подана на орошение ректификационной колонны при ее запуске.
Указанный дополнительный трубопровод дает возможность транспортировать смесь хлористого водорода и хлорсиланов из испарителя и/или накопителя хлористого водорода на хранение в сборник флегмы, за счет чего обеспечивается возможность подачи флегмы на орошение непосредственно при пуске ректификационной колонны, в то время как при подаче указанной смеси на вход насоса она идет только на орошение уже запущенной ректификационной колонны. Таким образом, обеспечивается корректная работа установки при ее запуске.
Заявляемая полезная модель поясняется при помощи графических материалов, приведенных ниже.
На фиг.1 представлен первый вариант технологической схемы установки для разделения и подготовки хлористого водорода и хлорсиланов технологической линии производства поликристаллического кремния.
На фиг.2 представлен второй вариант технологической схемы установки для разделения и подготовки хлористого водорода и хлорсиланов технологической линии производства поликристаллического кремния.
Один из вариантов технологической схемы заявляемой установки представлен на фиг.1. Установка 1 включает ректификационную колонну 2, верхняя часть 3 которой соединена через дефлегматор 4 со сборником флегмы 5. На выходе из сборника флегмы 5 установлен насос 6, сообщенный с верхней частью 3 ректификационной колонны 2, в месте ввода в нее флегмы для орошения, и с накопителем 7 хлористого водорода. Накопитель 7 сообщен с испарителем 8 хлористого водорода, который посредством дополнительного трубопровода 9 сообщен со входом насоса 6 и посредством дополнительного трубопровода 10 через заборный трубопровод 11 сообщен с дефлегматором 4. Накопитель 7 оснащен конденсатором 12 хлористого водорода, а испаритель 8 оснащен конденсатором 13 хлористого водорода, которые поддерживают заданное давление в указанном накопителе 7 и испарителе 8 хлористого водорода. В описываемом варианте осуществления установки 1 дополнительные трубопроводы 9 и 10 соединяют нижнюю часть испарителя 8 со входом насоса 6 посредством трубопровода, соединяющего накопитель 7 и испаритель 8 хлористого водорода, таким образом, накопитель 7 также соединен со входом насоса 6 и через заборный трубопровод 11 с дефлегматором 4. Дополнительный трубопроводы 9 и 10 обозначены на схеме толстыми линиями, пунктирной линией со стрелкой обозначено направление потока отведенной из накопителя 7, а также из испарителя 8 посредством дополнительного трубопровода 9 смеси хлорсиланов и хлористого водорода на вход насоса 6. Штрих-пунктирной линией со стрелкой обозначено направление потока отведенной из накопителя 7, а также из испарителя 8 посредством дополнительного трубопровода 10 и через заборный трубопровод 11 смеси хлорсиланов и хлористого водорода на дефлегматор 4. На дополнительных трубопроводах 9 и 10, посредством которых осуществляют отвод смеси хлорсиланов и хлористого водорода из накопителя 7 и испарителя 8 на вход насоса бив дефлегматор 4, установлена запорно-регулирующая арматура в виде регулирующих клапанов, обозначенная на фигуре (запорно-регулирующая арматура на других трубопроводах на фигуре не обозначена). В описываемом примере реализации установки дополнительный трубопровод 10 сообщен с дефлегматором 4 посредством заборного трубопровода 11 через линию выдачи хлористого водорода на участок получения ТХС, идущую от двух конденсаторов 12 и 13 хлористого водорода, посредством регулирующих клапанов (на фигуре не обозначены).
Другой вариант технологической схемы заявляемой установки представлен на фиг.2. Элементы установки 1 на фиг.2, совпадающие с элементами на фиг.1, обозначены соответствующими позициями. В данном варианте осуществления установки 1 дополнительные трубопроводы 9 и 10 непосредственно соединяет нижнюю часть испарителя 8 со входом насоса 6 и через заборный трубопровод 11 с дефлегматором 4, таким образом, накопитель 7 соединен со входом насоса 6 и дефлегматором 4 только через испаритель 8.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом.
Смесь хлористого водорода и хлорсиланов из абсорбционной колонны и из участка конденсации ПГС (на фигурах не обозначены) технологической линии производства поликристаллического кремния подают в среднюю часть ректификационной колонны 2. Хлорсиланы, представляющие собой кубовый остаток, отводят из нижней части ректификационной колонны 2. Далее указанные хлорсиланы разделяют на два потока и направляют на другие участки технологической линии производства поликристаллического кремния, в частности? на питание ректификационной колонны хлорсиланов и на орошение абсорбционной колонны, либо в промежуточный сборник хлорсиланов на склад.
Хлористый водород отводят из верхней части 3 ректификационной колонны 2, конденсируют в дефлегматоре 4 и направляют в сборник флегмы 5. Несконденсированный хлористый водород из дефлегматора 4 направляют обратно на участок конденсации ПГС. Часть сконденсированного хлористого водорода подают посредством насоса 6 в верхнюю часть 3 ректификационной колонны 2, используя в качестве флегмы для орошения указанной колонны 2. Остаток жидкого хлористого водорода из сборника флегмы 5 посредством насоса 6 подают в накопитель 7 для промежуточного хранения.
Транспортировку жидкого хлористого водорода из накопителя 7 в испаритель 8 осуществляется за счет перепада давления между указанными накопителем 7 и испарителем 8. Испаренный хлористый водород из испарителя 8 через конденсатор 13 отводят на участок синтеза ТХС.
В случае накапливания хлорсиланов в накопителе 7 и испарителе 8 хлористого водорода осуществляют выгрузку смеси хлорсиланов и хлористого водорода через дополнительный трубопровод 9 на всасывающую линию насоса 6, откуда смесь направляют на орошение ректификационной колонны 2, где хлорсиланы отделяют от хлористого водорода.
В случае если ректификационная колонна 2 остановлена, а в накопителе 7 и в испарителе 8 накопились хлорсиланы, перекрывают линию выдачи хлористого водорода на участок синтеза ТХС, идущую от конденсаторов 12 и 13 хлористого водорода, и под действием давления из конденсаторов 12 и 13 через дополнительный трубопровод 10 через заборный трубопровод 11 смесь хлорсиланов и хлористого водорода подают в дефлегматор 4, а затем в сборник флегмы 5, откуда указанная смесь может быть подана на орошение ректификационной колонны 2 при ее запуске.
Выдача газообразного хлористого водорода на участок синтеза ТХС может быть осуществлена из накопителя 7 через конденсатор 12 за счет того, что накопитель внутри оборудован нагревателем. Одновременно, например, можно осуществлять выгрузку хлорсиланов из испарителя 8 посредством дополнительного трубопровода 9 на вход насоса 6 для орошения ректификационной колонны 2, если предварительно из накопителя 7 указанные хлорсиланы были транспортированы в испаритель 8.
Таким образом, заявляемая полезная модель представляет собой установку для разделения и подготовки хлористого водорода и хлорсиланов технологической линии производства поликристаллического кремния, которая обеспечивает необходимую подготовку хлористого водорода для его дальнейшего использования на участке синтеза трихлорсилана, конструкция которой обеспечивает устойчивую работу установки при нормальном режиме ее работы, а также в случае возникновения аварийных ситуаций.