СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING SILICON

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.
8
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ выделения кремния [Патент на изобретение РФ №2181104 под названием «Способ выделения кремния», МПК 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.
2
6
Для исключения указанного недостатка в способ получения кремния, включающий обеспечение контакта кремнефторида натрия (NaSiF) 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;
2
- процесс выделения кремния осуществлять путем его пропускания через ячейки стенки контейнера, площадь которых соответствует значениям от 0,012 до 0,13 мм.
2
6
Способ получения кремния включает обеспечение контакта кремнефторида натрия (NaSiF) 3 через пористую стенку контейнера 4 с расплавленным натрием (Na) 6 и осуществление химической реакции кремнефторида натрия 3 с расплавленным натрием 6.
2
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 мм.
В результате экспериментальных исследований выбраны оптимальные размеры ячеек стенок контейнера 4, при которых плотность потока кремния имеет максимальное значение.
Пример конкретного осуществления способа
2
6
2
6
2
6
2
6
2
6
2
2
2
Насыпная плотность NaSiF составляет 1,5 г/см, плотность литого NaSiF - 2,5 г/см, минимальный размер гранул NaSiF - 0,2 мм. 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 NaSiF был модифицирован в NaF. Прореагировало 4,9 г NaSiF.
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.
2
2
2
2
6
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 мм, толщина утка и основы соответственно равны 0,12 мм и 0,18 мм. Общая площадь наружной поверхности контейнера 4 равна 1570 мм, а суммарная площадь контакта NaSiF 3 с расплавленным натрием 6 равна 900 мм.
3
Днище контейнера 4 имеет диаметр 20 мм. Крышка контейнера 4 отсутствует. Объем контейнера 4 составляет 7850 мм. Пористость боковой стенки и днища контейнера 4 равна 0,48.
2
-12
2
-12
2
2
0
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 мм, а соответствующая ей плотность потока кремния (J) равна 1,88·10 г/(ммc). Максимальная плотность потока кремния (J) равна 7,09·10 г/(ммc) при площади ячейки сетки контейнера 4, равной 0,04 мм.
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].
2
6
4
Известное устройство состоит из внешнего и внутреннего корпусов, исходного реагента HSiF, капель щелочного металла с температурой на входе 523К, реагента SiF 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.
8
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство выделения кремния [Патент на изобретение РФ №2181104 под названием «Способ выделения кремния», МПК С01В 33/033. Приоритет от 03.02.2000. Зарегистрирован 10.04.2002].
2
6
Устройство состоит из корпуса, внутри которого установлен контейнер с исходным реагентом в виде кремнефторида натрия (NaSiF). 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:
2
- площадь ячейки стенки контейнера выбирать в пределах от 0,012 до 0,13 мм;
- 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.
2
Площадь ячейки стенки контейнера 4 выбрана в пределах от 0,012 до 0,13 мм.
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.
2
6
2
6
2
6
2
6
2
2
2
Кремнефторид натрия (NaSiF) 3 рентгеноструктурным анализом был идентифицирован, как вещество с высокой стехиометрией. Насыпная плотность NaSiF составляет 1,5 г/см, плотность литого NaSiF - 2,5 г/см, минимальный размер гранул NaSiF - 0,2 мм. Масса кремнефторида натрия 3 в контейнере 4 составляет 4,9 г, а масса расплавленного натрия между корпусом 5 и контейнером 4 - 240 г.
2
2
2
2
6
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 мм, толщина утка и основы соответственно равны 0,12 мм и 0,18 мм. Общая площадь наружной поверхности контейнера 4 равна 1570 мм, а суммарная площадь контакта NaSiF с расплавленным натрием 6 равна 900 мм.
3
2
2
-12
2
-12
2
0
Днище контейнера 4 имеет диаметр 20 мм. Крышка контейнера 4 отсутствует. Объем контейнера 4 составляет 7850 мм. Пористость боковой стенки и днища контейнера 4 равна 0,48. Оптимальная площадь ячейки сетки равна 0,12 мм (находится в пределах от 0,012 до 0,13 мм). При этом плотность потока кремния (J) равна 1,88·10 г/(ммс), а максимальная плотность потока кремния (J) равна 7,09·10 г/(ммс).
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.