СИСТЕМА ОЧИСТКИ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ ПРОДУКТОВ РЕАКЦИИ ГИДРОХЛОРИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к области производства поликристаллического кремния для потребностей микроэлектроники, солнечной энергетики, электротехники и т.п., в частности к устройствам для очистки от примесей парогазовой смеси продуктов реакции гидрохлорирования кремния при синтезе трихлорсилана.
3
Технологический цикл производства поликристаллического кремния состоит из набора последовательных операций. Значительные объемы поликристаллического кремния в мировой практике изготовляются из трихлорсилана (SiHCl). Промышленное производство трихлорсилана основывается на процессе гидрохлорирования (HCl) технического кремния в специальных реакторах кипящего (псевдоожиженного) слоя. При этом парогазовая смесь, выходящая из реактора, содержит пары трихлорсилана, тетрахлорида кремния, водород, хлористый водород, дихлорсилана, полисиланхлоридов и т.п. Также парогазовой смесью из реактора уносятся примеси с кремниевой пылью, что вызывает необходимость в обеспечении устройств очистки парогазовой смеси продуктов реакции гидрохлорирования кремния от примесей с последующим возвратом пригодных к повторному использованию в процессе гидрохлорирования частиц кремниевой пыли в реактор.
Известен способ переработки отходов отработанного кремния в процессе производства трихлорсилана (заявка CN 101966993, МПК B01D 50/00, С01B 33/02, C01B 33/107, опубл. 09.02.2011). В способе описаны последовательно соединенные высокоэффективный циклон, соединенный с баком рециркуляции кремниевой пыли, первичный циклон с первичной емкостью для шлака под ним и вторичный циклон с вторичной емкостью для шлака под ним, при этом вторичный циклон соединен с первичным и вторичным рукавным фильтрами, которые в свою очередь также соединены с баком рециркуляции кремниевой пыли. Где бак рециркуляции кремниевой пыли соединен с реактором.
Известен способ получения трихлорсилана (патент RU 2280010, МПК С01B 33/107, опубл. 20.07.2006). В патенте наряду со способом получения трихлорсилана описан процесс сухой и мокрой пылеочисток, где сухую пылеочистку осуществляют в трех последовательно установленных циклонах, а мокрую - в полом колонном царговом аппарате и барботажной колонне с барботажным кубом.
Недостатком устройств, описанных выше, является сравнительно сложная конструкция, которая в свою очередь обеспечивает усложненный технологический процесс изготовления и недостатки в эксплуатации системы очистки в целом, сравнительно низкую надежность и высокую стоимость системы очистки.
Наиболее близкой к заявляемому решению по своим существенным признакам, достигаемому техническому результату и принятой в качестве прототипа является система очистки парогазовой смеси продуктов реакции гидрохлорирования кремния при синтезе трихлорсилана от примесей (Технология полупроводникового кремния / Фалькевич Э.С., Пульнер Э.О., Червоный И.О. и др. - М.: Металлургия, 1992. - 408 с.), которая содержит блок сухой очистки, с набором последовательно установленных циклонов и средствами подвода парогазовой смеси из реактора, а также блок мокрой очистки. При этом блок сухой очистки включает три последовательно расположенных циклона и два рукавных фильтра, соединенных последовательно или параллельно. Каждый из циклонов и рукавных фильтров соединен со сборниками пыли кремния. При этом первичный циклон соединен с реактором для возврата частиц пыли кремния на стадию гидрохлорирования кремния, где пыль кремния второго и третьего циклонов выводится из процесса. Блок мокрой очистки включает барботажную колонную с кубом барботажной колоны.
Недостатком описанного выше устройства является соединение первичного циклона с реактором синтеза с возможностью постоянной выгрузки твердых частиц из первичного циклона на стадию повторного гидрохлорирования кремния без учета качества технического кремния, первоначально загруженного в реактор синтеза и производительности реактора, что может привести к направлению из первичного циклона на стадию гидрохлорирования кремния частиц, непригодных к подобному использованию или частиц, использование которых может привести к снижению эффективности процесса гидрохлорирования в целом.
В основу полезной модели поставлена задача разработать такую систему очистки от примесей парогазовой смеси продуктов реакции гидрохлорирования кремния при синтезе трихлорсилана, которая за счет оптимальной конструкции обеспечит эффективное повторное использование побочных ценных продуктов, образованных в процессе гидрохлорирования кремния, а также увеличение технико-экономических показателей процесса за счет возврата твердых частиц примесей на стадию повторного гидрохлорирования с учетом качества первично загруженного в реактор технического кремния и производительности реактора, при этом будет простой, надежной, с упрощенным процессом обслуживания.
Поставленная задача решается тем, что система очистки парогазовой смеси продуктов реакции гидрохлорирования кремния при синтезе трихлорсилана от примесей содержит блок сухой очистки, включающий набор последовательно установленных циклонов и средства подвода парогазовой смеси из реактора синтеза, а также блок мокрой очистки. При этом блок сухой очистки содержит первичный циклон для очистки парогазовой смеси от крупных твердых частиц примесей, соединенный с первичным сборником твердых частиц, а также связанный с ним вторичный циклон для последующей очистки парогазовой смеси от твердых частиц примесей меньшего размера, соединенный с вторичным сборником твердых частиц. Где первичный сборник твердых частиц связан с реактором синтеза для возврата собранных твердых частиц на стадию гидрохлорирования кремния, а также накопителем твердых частиц, непригодных к возврату на повторное гидрохлорирование, вторичный сборник твердых частиц связан с накопителем твердых частиц, непригодных к возврату на повторное гидрохлорирование, при этом распределение собранных твердых частиц из первичного сборника между реактором синтеза и накопителем твердых частиц осуществляется согласно установленному заранее циклу.
Преимущественно, распределение собранных твердых частиц из первичного сборника между реактором синтеза и накопителем твердых частиц согласно установленному заранее циклу осуществляется автоматически или вручную. Причем автоматическое распределение твердых частиц осуществляется с помощью автоматически регулируемых клапанов, а ручное распределение твердых частиц осуществляется оператором.
Также преимущественно, твердые частицы пригодные для повторного гидрохлорирования включают, главным образом, кремниевую пыль с преобладанием частиц хлоридов кремния, а твердые частицы непригодные для повторного гидрохлорирования включают главным образом кремниевую пыль с преобладанием частиц хлоридов железа.
В преимущественном варианте исполнения накопитель твердых частиц выполнен охлаждаемым и соединен с бункером для приема охлажденных твердых частиц из накопителя.
Также преимущественно блок мокрой очистки содержит сепаратор, скруббер и стриппер-колонну для очистки парогазовой смеси от примесей, которые остались после сухой очистки, где скруббер представляет собой скруббер Вентури.
Такое выполнение системы очистки парогазовой смеси продуктов реакции гидрохлорирования кремния при синтезе трихлорсилана от примесей позволяет эффективно использовать побочные ценные продукты, образованные в процессе гидрохлорирования кремния путем возврата в реактор твердых частиц, отделенных в первом циклоне, на стадию гидрохлорирования кремния. Кроме того, наличие двух высокоэффективных циклонов позволяет уменьшить нагрузку на блок мокрой очистки с увеличением в результате чистоты получаемого трихлорсилана.
Выполнение системы с возможностью автоматического или ручного распределения собранных твердых частиц между реактором синтеза и накопителем твердых частиц согласно установленному заранее циклу, где автоматическое распределение твердых частиц осуществляется с помощью автоматически регулируемых клапанов, а ручное распределение твердых частиц осуществляется оператором, позволяет варьировать процесс распределения твердых частиц в зависимости от качества технического кремния, загружаемого в реактор синтеза для проведения реакции гидрохлорирования кремния и заранее устанавливать цикл распределения, чтобы максимально эффективно использовать собранные в блоке сухой очистки твердые частицы, которые включают главным образом кремниевую пыль с преобладанием частиц хлоридов кремния. А возможность выполнения процесса распределение твердых частиц как с помощью автоматически регулируемых клапанов, так и оператором, положительно влияет на надежность системы.
Выполнение накопителя твердых частиц охлаждаемым и соединенным с бункером для приема охлажденных твердых частиц из накопителя позволяет обеспечить безопасность осуществляемого процесса гидрохлорирования кремния в целом и предотвратить возможность возгорания.
Использование в блоке мокрой очистки сепаратора, скруббера и стриппер-колонны для очистки парогазовой смеси от примесей, которые остались после сухой очистки, позволяет получить эффективно очищенную парогазовую смесь с последующим получением трихлорсилана высокой чистоты. А применение скруббера Вентури обусловлено его простотой и высокой эффективностью, подтвержденную многолетним опытом его использования в процессе очистки газов от примесей.
Заявляемая полезная модель поясняется при помощи фигур, где:
на фиг.1 изображена схема блока сухой очистки;
на фиг.2 изображена схема блока мокрой очистки.
Система очистки парогазовой смеси продуктов реакции гидрохлорирования кремния при синтезе трихлорсилана от примесей содержит блок 1 сухой очистки, который включает набор последовательно установленных циклонов и средства 2 подвода парогазовой смеси из реактора 3 синтеза, а также блок 4 мокрой очистки. Блок 1 сухой очистки содержит первичный циклон 5 для очистки парогазовой смеси от крупных твердых частиц примесей, соединенный с первичным сборником 6 твердых частиц, а также связанный с ним вторичный циклон 7 для последующей очистки парогазовой смеси от твердых частиц примесей меньшего размера, соединенный с вторичным сборником 8 твердых частиц. При этом первичный сборник 6 твердых частиц связан с реактором 3 синтеза для возврата собранных твердых частиц на стадию гидрохлорирования кремния, а также накопителем 9 твердых частиц, непригодных к возврату на повторное гидрохлорирование, вторичный сборник 8 твердых частиц связан с накопителем 9 твердых частиц, непригодных к возврату на повторное гидрохлорирование, при этом распределение собранных твердых частиц из первичного сборника 6 между реактором 3 синтеза и накопителем 9 твердых частиц осуществляется согласно установленному заранее циклу. Распределение собранных твердых частиц из первичного сборника 6 между реактором 3 синтеза и накопителем 9 твердых частиц согласно установленному заранее циклу осуществляется автоматически или вручную. Причем автоматическое распределение твердых частиц осуществляется с помощью автоматически регулируемых клапанов (не показаны), а ручное распределение твердых частиц осуществляется оператором (не показан). Накопитель 9 твердых частиц выполнен охлаждаемым и соединен с бункером 10 для приема охлажденных твердых частиц из накопителя. Блок 4 мокрой очистки содержит сепаратор 11, скруббер 12 и стриппер-колонну 13 для очистки парогазовой смеси от примесей, которые остались после сухой очистки, где скруббер 12 представляет собой скруббер Вентури.
Полезная модель осуществляется следующим образом.
Парогазовую смесь из реактора 3 синтеза с помощью средств 2 подвода парогазовой смеси, например, трубопровода, который находится в верхней части реактора 3 синтеза, направляют в блок 1 сухой очистки, а именно к первичному циклону 5. Первичным циклоном 5 улавливают в потоке парогазовой смеси крупные твердые частицы примесей размером более 10 мкм. Отсеянные крупные твердые частицы примесей направляют в первичный сборник 6 твердых частиц. После заполнения из первичного сборника 6 твердых частиц отсеянные крупные твердые частицы примесей направляют или к реактору 3 синтеза, или к накопителю 9 твердых частиц. Распределение собранных твердых частиц между реактором 3 синтеза и накопителем 9 твердых частиц осуществляют согласно установленному заранее циклу исходя из статистического набора данных о производительности реактора 3 синтеза и качества технического кремния, который был загружен в реактор 3. Например, осуществляют распределение твердых частиц следующим образом: пять раз направляют к реактору 3 синтеза, а на шестой - выгружают в накопитель 9 твердых частиц. Распределение осуществляют автоматически - с помощью автоматически регулируемых клапанов, или вручную - оператором. При этом, твердые частицы, пригодные к повторному гидрохлорированию, то есть частицы, которые направляются в реактор 3 синтеза, включают главным образом кремниевую пыль с преобладанием частиц хлоридов кремния, а частицы непригодные для повторного гидрохлорирования, то есть частицы, которые направляются в накопитель 9 твердых частиц, включают главным образом кремниевую пыль с преобладанием частиц хлоридов железа, которые образуются за счет высокого абразивного эффекта мелкодисперсного кремния в кипящем слое внутри реактора 3 синтеза. После достижения заданного уровня кремниевой пыли насыщенной хлоридами железа в накопителе 9 твердых частиц, ее охлаждают до температуры 40°C и осуществляют выгрузку твердых отходов в бункер 10 для приема охлажденных твердых частиц. С целью обеспечения безопасности и предотвращения возможности возгорания и взрывов, выгрузку осуществляют в потоке азота. Твердые отходы из бункера 10 для приема охлажденных твердых частиц направляют на нейтрализацию. Первичный циклон 5 соединен с аналогичным вторичным циклоном 7, откуда отсеянные твердые частицы примесей меньшего размера направляются во вторичный сборник 8 твердых частиц. Исходные твердые частицы примесей меньшего размера из вторичного сборника 8 твердых частиц выгружают в накопитель 9 твердых частиц. Дальнейший технологический цикл охлаждения накопителя 9 твердых частиц и дальнейшей выгрузки твердых отходов в бункер 10 осуществляют аналогично описанному выше.
Парогазовая смесь, очищенная от основной массы примесей, направляется в блок 4 мокрой очистки, для максимальной очистки от оставшихся примесей. Из вторичного циклона 7 парогазовую смесь направляют в сепаратор 11 для выделения хлоридов алюминия. Поток горячего газа охлаждается жидким холодным конденсатом хлорсиланов до температуры 65-70°C. Внутри накопительной емкости 14 газы отделяются от жидкости. Конденсат направляют в нагреватель 15 стриппер-колонны 13. Парогазовую смесь подают в скруббер Вентури 12, где оставшиеся частицы примесей улавливаются потоком холодного конденсата хлорсиланов. В приемной емкости 16 Вентури жидкую фазу отделяют от газообразной и направляют в нагреватель 15 стриппер-колонны 13. Газовая фаза направляется в стриппер-колонну 13. Подогрев хлорсиланов в нагревателе 15 стриппер-колонны 13 осуществляют путем подачи в рубашку нагревателя 15 пара под давлением 9 бар и температурой 200°C. Поток испаренных хлоридов из нагревателя 15 подается в нижнюю часть стриппер-колонны 13. Из нижней части нагревателя 15 насосами отбирается суспензия, состоящая на 90% из жидкости и на 10% из твердой фракции. Суспензию направляют в емкость 17, после чего с помощью насоса - к пресс-фильтру 18. В пресс-фильтре 18 отделяют твердые частицы от жидкой фазы. Отжатый осадок постоянно выводится через клапан в перевозную емкость. Жидкая фракция выводится в танк 19 пресс-фильтра и далее в нагреватель 15 стриппер-колонны 13. В стриппер-колонне 13 остаток тонкозернистых твердых частиц и большая часть хлоридов алюминия отделяется от газообразных хлорсиланов. Отделение происходит в результате взаимодействия парогазовой смеси, поступающей из подогревателя стриппер-колонны 13 в нижнюю часть колонны и встречного потока жидких хлорсиланов. Выводимую из нижней части стрипер-колони 13 жидкость, подают насосом в холодильник замкнутого контура 20, который охлаждается водой. Хлориды охлаждают до температуры 35°C и направляют на сепаратор 11 и скруббер Вентури 12. Выводимую из верхней части стрипер-колони 13 парогазовую смесь, очищенную от примесей, направляют на первую стадию конденсации.
Заявляемая полезная модель позволяет обеспечить эффективное повторное использование побочных ценных продуктов, образованных в процессе гидрохлорирования кремния, а также увеличение технико-экономических показателей процесса за счет возврата примесей на стадию повторного гидрохлорирования с учетом качества первично загруженного в реактор технического кремния и производительности реактора, наряду с увеличением чистоты образуемого трихлорсилана, за счет уменьшения нагрузки на блок мокрой очистки, при этом является простой, надежной, с упрощенным процессом обслуживания.