УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА МОНОСИЛАНА

Полезная модель относится к химической промышленности, в частности, к аппаратам для проведения химических процессов в присутствии газа и твердых частиц в стационарных слоях, а именно, к устройствам для получения моносилана диспропорционированием трихлорсилана.
6
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является установка для синтеза моносилана каталитическим диспропорционированием трихлорсилана (см. п. Германии №19860146, МПК С 01 В 33/04, С 01 В 33/107, заявл. 24.12.98 г., опубл. 29.06.2000 г.), включающая противоточный реактор с катализатором в реакционной зоне, соединенной с линией подачи трихлорсилана и линией рециркуляции конденсата хлорсиланов, испаритель, снабженный линией отвода жидкого продукта из испарителя, и соединенные последовательно линиями подачи несконденсированной фазы промежуточный конденсатор, основной конденсатор и ректификационную колонну очистки моносилана.
Промежуточный конденсатор для конденсации продуктов реакции диспропорционирования в интервале температур от (-25)°С до 50°С, предпочтительно (-5)°С-40°С, размещен в противоточном реакторе над реакционной зоной. Таких конденсаторов может быть установлено несколько. Основной конденсатор для конденсации продуктов реакции диспропорционирования при температуре ниже (-40)°С, предпочтительно ниже (-60)°С, и давлении от 1 до 50 атм, предпочтительно от 1 до 10 атм, возвратной линией связан с верхней частью реактора для рециркуляции части конденсата, а линией подачи конденсата и несконденсированной фазы соединен с ректификационной колонной очистки моносилана. Нижняя часть ректификационной колонны соединена с реакционной зоной противоточного
реактора линией рециркуляции конденсата хлорсиланов на диспропорционирование.
Известная установка работает следующим образом. Исходный трихлорсилан по линии подачи трихлорсилана подают в реакционную зону противоточного реактора в слой катализатора. В реакционной зоне в результате диспропорционирования трихлорсилана образуется парогазовая смесь, содержащая моносилан, промежуточные хлорсиланы и тетрахлорид кремния, который конденсируется и стекает в испаритель противотоком восходящему потоку паров хлорсиланов из испарителя. Парогазовая смесь продуктов реакции диспропорционирования поступает в промежуточный конденсатор, размещенный в противоточном реакторе, на конденсацию в интервале температур от (-25)°С до 50°С, предпочтительно (-5)°С-40°С, для отделения газообразной силансодержащей фазы. Сконденсированная фаза возвращается в слой катализатора противотоком восходящему потоку паров хлорсиланов из испарителя. В испарителе в результате нагрева хлорсиланы переходят в парообразное состояние и поступают в противоточный реактор на каталитическое диспропорционирование, а жидкий продукт, представляющий собой в основном тетрахлорид кремния, выводится из испарителя по линии отвода жидкого продукта и после дополнительной очистки направляется на производство диоксида кремния.
Несконденсированные продукты реакции диспропорционирования трихлорсилана выводят из верхней части противоточного реактора и конденсируют в основном конденсаторе при температуре ниже (-40)°С, предпочтительно ниже (-60)°С, и давлении от 1 до 50 атм, предпочтительно от 1 до 10 атм. Часть полученного конденсата по возвратной линии возвращают в верхнюю часть противоточного реактора в зону, предшествующую основной конденсации. Остальной конденсат и несконденсированную газообразную фазу (после предварительного сжатия насосом) направляют на очистку в ректификационную колонну. В результате ректификационной очистки получают сконденсированный моносилан со
степенью чистоты 98%, а отделенные хлорсиланы рециркулируют в противоточный реактор в зону диспропорционирования.
Недостатком известной установки синтеза моносилана является недостаточно высокая степень извлечения кремния в годную продукцию, а также недостаточно высокая степень чистоты моносилана и высокие энергозатраты на производство единицы готовой продукции. Это объясняется следующим образом. В известной установке на выходе из противоточного реактора получают парогазовую смесь с недостаточно высоким содержанием моносилана. Возврат части конденсата после основной конденсации в верхнюю часть противоточного реактора позволяет несколько повысить содержание моносилана в парогазовой смеси. Однако, постоянная рециркуляция части конденсата в реактор обуславливает недостаточно высокую степень извлечения кремния в готовый продукт и высокие энергозатраты на получение моносилана. На последующую очистку в ректификационную колонну поступает моносилан, содержащий значительные количества хлорсиланов (не менее 10%), что обуславливает недостаточно высокую степень чистоты моносилана и высокие энергозатраты на производство единицы продукции.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования установки для синтеза моносилана, в которой новое выполнение элементов, введение новых элементов и наличие новых связей между элементами устройства обеспечивают оптимизацию температурного режима процесса диспропорционирования и интенсификацию основных технологических процессов, что позволяет увеличить степень извлечения кремния в годную продукцию при одновременном обеспечении высокого качества полученного моносилана с минимальными энергетическими и материальными затратами.
Поставленная задача решается тем, что в установке для синтеза моносилана каталитическим диспропорционированием трихлорсилана, включающей противоточный реактор с катализатором в реакционной зоне, соединенной с линией подачи трихлорсилана и линией рециркуляции
конденсата хлорсиланов, испаритель, снабженный линией отвода жидкого продукта из испарителя, и соединенные последовательно линиями подачи несконденсированной фазы промежуточный конденсатор, основной конденсатор и ректификационную колонну очистки моносилана, новым, согласно полезной модели, является то, что противоточный реактор снабжен трубчатыми элементами, заполненными катализатором, размещенными в реакционной зоне с образованием межтрубного пространства, установка дополнительно содержит теплообменник, размещенный на линии подачи трихлорсилана в реактор, а линия отвода жидкого продукта из испарителя через указанный теплообменник соединена с межтрубным пространством реактора с выводом жидкого продукта из верхней части реактора.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели и достигаемым техническим результатом состоит в том, что заявленное конструктивное выполнение установки для синтеза моносилана каталитическим диспропор-ционированием трихлорсилана, а именно:
- снабжение противоточного реактора трубчатыми элементами, заполненными катализатором, размещенными в реакционной зоне с образованием межтрубного пространства;
- введение в установку теплообменника, размещенного на линии подачи трихлорсилана в реактор;
- соединение линии отвода жидкого продукта из испарителя через указанный теплообменник с межтрубным пространством реактора с выводом жидкого продукта из верхней части реактора,
в совокупности с известными признаками полезной модели обеспечивают оптимизацию температурного режима процесса диспропорционирования и интенсификацию основных технологических процессов, что позволяет увеличить степень извлечения кремния в годную продукцию при одновременном обеспечении высокого качества полученного моносилана с минимальными энергетическими и материальными затратами.
Снабжение противоточного реактора трубчатыми элементами, заполненными катализатором, размещенными в реакционной зоне с образованием межтрубного пространства, и соединение линии отвода жидкого продукта из испарителя с межтрубным пространством реактора позволяют осуществить нагрев катализатора до температур, необходимых и оптимальных для осуществления реакции диспропорционирования трихлорсилана, используя для этого тепло жидкого продукта, отбираемого из испарителя. Этот жидкий продукт представляет собой в основном тетрахлорид кремния, полученный в результате диспропорционирования трихлорсилана. Вывод его из реактора производят в верхней части реактора и затем направляют после дополнительной очистки на производство диоксида кремния.
Введение в установку теплообменника, установленного на линии подачи трихлорсилана в реактор, через который линию отвода жидкого продукта из испарителя соединяют с межтрубным пространством реактора, позволяет осуществить предварительный нагрев трихлорсилана, подаваемого в реактор на диспропорционирование, также используя для этого тепло жидкого продукта, отбираемого из испарителя.
Это позволяет оптимизировать температурный режим процесса диспропорционирования и утилизировать тепло жидкого продукта, отбираемого из испарителя, что обуславливает повышение степени извлечения кремния в годную продукцию и снижение энергозатрат на получение моносилана.
Проведение реакции диспропорционирования при оптимальном температурном режиме обуславливает интенсификацию основных технологических процессов, позволяет более эффективно провести последующие ступени конденсации и получить перед энергоемкой ректификационной очисткой обогащенный по содержанию моносилана продукт. Это, в свою очередь, обуславливает получение моносилана высокого качества с низкими энергетическими и материальными затратами.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена схема заявляемой установки.
Установка для синтеза моносилана каталитическим диспропорционированием трихлорсилана содержит противоточный реактор 1 с катализатором 2, размещенным в трубчатых элементах 3, установленных в реакционной зоне реактора 1 с образованием межтрубного пространства 4, соединенные с реактором 1 в верхней части промежуточный конденсатор 5 для конденсации высококипящих хлорсиланов и тетрахлорида кремния и в нижней части - испаритель 6 для нагрева хлорсиланов, теплообменник 7 для нагрева трихлорсилана, основной конденсатор 8 для конденсации низкокипящих хлорсиланов, ректификационную колонну 9 для очистки моносилана от следов хлорсиланов. Теплообменник 7 установлен на линии 10 подачи трихлорсилана в слой катализатора 2. Испаритель 6 снабжен линией 11 отвода жидкого продукта из испарителя 6, которая через теплообменник 7 соединена с межтрубным пространством 4 реактора 1. Вывод жидкого продукта из межтрубного пространства 4 реактора 1 осуществляют по линии 12 из верхней части реактора 1. Промежуточный конденсатор 5, основной конденсатор 8 и ректификационная колонна 9 соединены последовательно линией 13 подачи несконденсированной фазы. Основной конденсатор 8 снабжен линией 14 рециркуляции конденсата хлорсиланов в реакционную зону реактора 1.
Заявленная установка для синтеза моносилана каталитическим диспропорционированием трихлорсилана работает следующим образом.
Трихлорсилан по линии 10 поступает в теплообменник 7, где происходит его нагрев жидким продуктом, подаваемым из испарителя 6 по линии 11, до температуры 60°С. Из теплообменника 7 нагретый Трихлорсилан подают в противоточный реактор 1 в слой катализатора 2, размещенный в трубчатых элементах 3, на диспропорционирование, а жидкий продукт подают в противоточный реактор 1 в межтрубное пространство 4 для нагрева катализатора 2. При каталитическом
диспропорционировании трихлорсилана образуется парогазовая смесь, содержащая моносилан, промежуточные хлорсиланы и тетрахлорид кремния, который конденсируется и стекает в испаритель 6 противотоком восходящему потоку паров хлорсиланов из испарителя 6. Парогазовая смесь поступает в промежуточный конденсатор 5, в котором поддерживают температуру (-15)°С, где конденсируются тетрахлорид кремния и высококипящие хлорсиланы. Полученный конденсат пропускают через катализатор 2 в испаритель 6 противотоком парам парогазовой смеси. В испарителе 6 конденсат нагревают до температуры 90°С. Хлорсиланы при этом переходят в парообразное состояние и возвращаются на каталитическое диспропорционирование в противоточный реактор 1, а жидкий продукт из испарителя 6 с температурой 90°С, представляющий собой в основном тетрахлорид кремния, по линии 11 направляется в теплообменник 7 для нагрева трихлорсилана, а затем в межтрубное пространство 4 противоточного реактора 1 для нагрева катализатора 2 и выводится из верхней части противоточного реактора 1 по линии 12. Полученный тетрахлорид кремния после дополнительной очистки направляют на производство диоксида кремния.
Газообразную силансодержащую фазу, содержащую после отделения высококипящих хлорсиланов в конденсаторе 5 более 60% моносилана, направляют по линии 13 в основной конденсатор 8 для конденсации низкокипящих хлорсиланов при температуре до (-100)°С. Образующийся при этом конденсат хлорсиланов возвращают по линии 14 в реакционную зону противоточного реактора 1 на диспропорционирование.
Моносилан со следами хлорсиланов (не более 1%) после отделения низкокипящих хлорсиланов в основном конденсаторе 8 направляют в ректификационную колонну 9, где моносилан очищают от следов хлорсиланов с получением сконденсированного моносилана со степенью чистоты 99,5%, который направляют на получение «солнечного» кремния.
Заявленная установка для синтеза моносилана каталитическим диспропорционированием трихлорсилана обеспечивает оптимизацию температурного режима процесса диспропорционирования и интенсификацию основных технологических процессов, что позволяет увеличить степень извлечения кремния в годную продукцию при одновременном обеспечении высокого качества полученного моносилана с минимальными энергетическими и материальными затратами.
Заявляемая установка была испытана в опытно-промышленных условиях. В качестве исходного сырья использовали технический 98,8% трихлорсилан. В качестве катализатора использовали анионнообменную смолу марки АН21. В результате опытно-промышленных испытаний заявляемой установки были достигнуты следующие результаты:
- степень извлечения кремния составила 98,2-98,6% от стехиометрически возможного, что на 10% выше по сравнению с прототипом;
- степень чистоты моносилана, полученного на заявляемой установке, составила 99,5%, что на 1,5% выше по сравнению с прототипом;
- удельные затраты на производство единицы готовой продукции составили 15-17 долларов за килограмм, что в 2,0-2,2 раза ниже, чем по прототипу.