Способ получения кремния

Авторы патента:

C01B33/023 - восстановлением диоксида кремния или материала, содержащего диоксида кремния

Владельцы патента RU 2542274:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ. В тигель при температуре не менее 2000°C заливают расплав диоксида кремния и герметизируют его для создания условий поддержания в газовой фазе над расплавом избыточного давления не менее 2,0 МПа. После подачи внутрь расплава диоксида кремния подают смесь водяного пара и метана ("дутье"). Под воздействием температуры расплава в смеси водяного пара и метана внутри расплава происходит паровая конверсия метана с получением водорода, в том числе атомарного, и окислов углерода. Сначала диоксид кремния восстанавливается водородом до элементарного кремния, который в свою очередь реагирует в расплаве с диоксидом кремния с получением монооксида кремния. Полученный в результате реакции монооксид кремния под воздействием избыточного давления над расплавом не возгоняется в газообразное состояние, а остается в жидкой фазе в расплаве и взаимодействует с водородом, восстанавливая кремний. Изобретение позволяет получать кремний с низким содержанием примесей, в том числе углерода и кислорода.

Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения синтетического кремния.

Известен способ получения кремния, основанный на восстановлении расплава диоксида кремния углеродом при температуре не менее 1800°C с последующей кислотной обработкой. (Химическая Энциклопедия // Под ред. И.Л. Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1990, т.2, с.508.)

Недостатком данного способа является низкая чистота конечного продукта.

Известен способ получения кремния, включающий введение в кремнийсодержащий расплав твердого диоксида кремния с образованием монооксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния углеродным восстановителем, при этом в качестве кремнийсодержащего расплава используют диоксид кремния, в который вводят смесь порошков диоксида кремния с элементарным кремнием, взятых в стехиометрическом соотношении, а в качестве углеродного восстановителя используется метан (патент RU №2327639, М. кл. С01В 33/027, опубл. 27.06.2008).

Недостатками этого способа являются:

- использование высокочистого кремния в качестве сырьевого материала;

- загрязнение кремния углеродом, содержащимся в метане;

- необходимость соблюдать стехиометрическое соотношение компонентов реакции.

Известен способ получения кремния, включающий получение монооксида кремния из диоксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния с использованием метана, при этом монооксид кремния получают термической диссоциацией диоксида кремния в электродуговой плазме в атмосфере водорода, а восстановление монооксида кремния до элементарного кремния проводят в электродуговой плазме с использованием метана в смеси с водородом при содержании метании 5-10% по объему (патент на изобретение RU 2367600 С1, М. кл. С01В 33/023, опубл. 20.09.2009 - прототип).

Недостатками этого способа являются:

- малая производительность процесса, которая ограничена небольшим объемом электродуговой плазмы;

- необходимость соблюдения пропорции в смеси метана и водорода;

- невысокая степень извлечения кремния из диоксида кремния (порядка 86%).

Техническим результатом изобретения является упрощение способа, повышение его производительности и экономичности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения кремния, включающем получение монооксида кремния из диоксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния с использованием метана, согласно заявляемому изобретению непосредственно в расплав диоксида кремния при температуре не менее 2000°C вводят метан в смеси с водяным паром и создают над расплавом избыточное давление парогазовой смеси.

Пример осуществления способа

В качестве исходного материала используется диоксид кремния, очищенный от примесей металлов и неметаллов. В тигель емкостью от 0.5 до 80 т при температуре не менее 2000°C заливают расплав диоксида кремния и закрывают тигель крышкой с дренажным парогазовым клапаном для создания условий поддержания в газовой фазе над расплавом избыточного давления не менее 2,0 МПа. Затем внутрь расплава диоксида кремния по газотранспортной системе трубопроводов подается смесь водяного пара и метана ("дутье"). Под воздействием температуры расплава в смеси водяного пара и метана внутри расплава происходит химическая реакция, известная под названием "Паровая конверсия метана" (ПКМ) с получением водорода, в том числе атомарного, и окислов углерода:

CH₄+2H₂O=CO₂+8H (4H₂)

Окислы углерода не взаимодействуют с расплавом и под действием "Архимедовой" силы покидают расплав. Полученный внутри расплава водород взаимодействует с расплавом диоксида кремния, восстанавливая кремний:

SiO₂+2H₂=Si+2H₂O

В связи с тем, что процесс восстановления растянут во времени по мере поступления водорода, то сначала диоксид кремния восстанавливается водородом до элементарного кремния, который в свою очередь реагирует в расплаве с диоксидом кремния с получением монооксида кремния:

Si+SiO₂=2SiO

Полученный в результате реакции монооксид кремния под воздействием избыточного давления над расплавом не возгоняется в газообразное состояние, а остается в жидкой фазе в расплаве и взаимодействует с водородом, восстанавливая кремний:

SiO+H2=Si+H2O

Поскольку кремний с водородом напрямую химически не взаимодействует, то индикатором окончания реакции восстановления кремния служит замещение водородом в газовой фазе над расплавом других продуктов реакции восстановления кремния.

На выходе парогазовой смеси из дренажного парогазового клапана весь период процесса работает горелка. Значительное усиление пламени горелки говорит о дожигании водорода, т.е. о завершении процесса восстановления кремния.

Заявляемый способ позволяет получать кремний с низким содержанием примесей, в том числе углерода и кислорода. Снижение себестоимости конечного продукта достигается за счет возможности производить кремний в больших количествах и простоты технологического процесса, а также за счет минимальных затрат на утилизацию побочных продуктов реакции восстановления кремния, таких как вода и окислы углерода. Удешевление процесса достигается уменьшением расхода водорода на единицу массы производимого кремния, а также ненадобностью точного метрологического оборудования для обеспечения стехиометрического соотношения массы диоксида кремния и восстановителя. Кроме того, степень извлечения кремния из диоксида кремния по заявляемому способу значительно выше, чем у способа-прототипа и достигает 93-95% за счет того, что монооксид кремния под воздействием избыточного давления над расплавом не возгоняется в газообразное состояние, а остается в жидкой фазе в расплаве и взаимодействует с водородом, восстанавливая кремний.

Способ получения кремния, включающий получение монооксида кремния из диоксида кремния и последующее восстановление монооксида кремния до элементарного кремния с использованием метана, отличающийся тем, что метан в смеси с водяным паром вводят непосредственно в расплав диоксида кремния при температуре не менее 2000°C и создают над расплавом избыточное давление парогазовой смеси не менее 2,0 МПа.

Изобретение относится к технологии получения чистых веществ, используемых в отраслях высоких технологий: полупроводниковой, солнечной энергетики, волоконно-оптической связи.

Способ получения кремния высокой чистоты // 2497753

Изобретение относится к производству высокочистого кремния в виде наноразмерного порошка, который может быть использован в полупроводниковой электронике и в нанотехнологиях.

Способ получения кремния // 2452687

Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения синтетического кремния. .

Способ и устройство для получения энергии // 2451057

Изобретение относится к использованию в качестве энергоносителей исходных материалов, содержащих диоксид кремния. .

Способ получения кремния // 2445257

Способ получения кремния для фотоэлементов и других применений // 2441839

Изобретение относится к технологии получения высокочистого кремния, используемого для производства фотогальванических элементов. .

Способ получения металлического кремния // 2428378

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве кремния, который может быть использован в полупроводниковом приборостроении, металлургической промышленности.

Способ получения кристаллического кремния высокой чистоты (варианты) // 2385291

Изобретение относится к процессам и аппаратам для получения кристаллического кремния повышенной чистоты. .

Способ получения кремния высокой чистоты // 2367600

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству высокочистого кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов.

Способ получения кремния или силицида цинка из диоксида кремния // 2345950

Изобретение относится к области химии металлургических процессов. .

Способ получения кремния из силицида магния // 2549410

Изобретение относится к области неорганического синтеза и может быть использовано для получения чистого кремния. Способ включает получение силицида магния смешиванием диоксида кремния с магнием, термическое разложение силицида магния в кислородсодержащей атмосфере при температуре выше 650°C и обработку минеральной кислотой с получением порошка кремния. Технический результат - получение элементного кремния, пригодного для использования в солнечной энергетике, при меньших энергетических затратах по сравнению с традиционными способами. 2 пр.

Способ восстановления железа, восстановления кремния и восстановления диоксида титана до металлического титана путём генерации электромагнитных взаимодействий частиц sio2, кремнийсодержащего газа, частиц fetiо3 и магнитных волн // 2561081

Изобретение может быть использовано в химической, горнорудной промышленности. Восстановление железа, кремния и восстановление диоксида титана до металлического титана проводят путем генерации электромагнитных взаимодействий частиц SiO2, кремнийсодержащего газа, частиц FeTiO3 и магнитных волн. При этом осуществляют накачку энергии в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC-контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах в диапазоне 105÷1012 Гц и более при индуктивном взаимодействии частиц сырья SiO2, кремнийсодержащего газа или частиц FeTiO3 в бегущих магнитных и электрических волнах с круговой или эллиптической поляризацией в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока или вихрей частиц типа ротора, в диапазоне 101÷106 Гц циклической частоты, с магнитно-электрически инерционным удержанием вращающихся магнитных и электрических волн типа статора. Изобретение позволяет переработать трудноразлагаемое кремний- и титансодержащее сырье без использования кислот, повысить при этом экологичность и уменьшить энергозатраты. 3 з.п. ф-лы, 38 ил., 4 табл., 3 пр.

Способ получения кремния из оксида кремния // 2562717

Группа изобретений относится к получению кремния из оксида кремния. Способ включает нагрев верхней поверхности кремния, подачу оксида кремния на нагретый сверху кремний с получением моноокиси кремния. Далее осуществляют продувку полученной моноокиси кремния водородом с получением чистого кремния и охлаждение полученного кремния по бокам с удалением примесей, образующихся в процессе охлаждения на поверхности кремния по мере их накопления. При этом все реакции проводят в одном реакторе. Приведена также установка для получения кремния из оксидов. Техническим результатом является повышение технологичности процесса за счет проведения процесса в одной установке и повышения объемов получаемого конечного продукта. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ получения кремния // 2592629

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к переработке кремнистых пород при получении полупроводниковых материалов, которые могут быть использованы для изготовления солнечных коллекторов и элементов электронной техники. Способ включает разрушение и переработку кремнистой породы до получения порошкообразного кремнезема, его облучение, очистку и восстановление до кремния, при этом после облучения порошкообразный кремнезем подвергают прокалке при 950-1000°C в защитной или восстановительной среде. Изобретение позволяет увеличить глубину разложения рудных компонентов, воздействуя на кинетику разложения сырьевого материала на ранней стадии получения кремния, снизить концентрацию примесей и энергетические затраты при помоле. 4 табл., 4 пр.

Способ получения порошка кремния высокой чистоты из смеси диоксида кремния и алюминия // 2648436

Изобретение относится к технологии получения чистых металлов и может быть использовано для производства кремния полупроводникового качества. Порошок кремния высокой чистоты получают термическим восстановлением диоксида кремния до элементарного кремния с помощью высокодисперсного алюминия, при этом процесс восстановления ведут в электротермическом реакторе в две стадии, на первой из которых температура составляет 900-1000°C с выдержкой 3-5 мин, на второй стадии температуру в реакторе повышают до 1100°C с выдержкой в течение 60-90 с, после чего разделение кремния и оксида алюминия после дробления брикетов осуществляют флотационным методом. Технический результат – экологически безопасное получение кремния высокой чистоты за счет проведения процесса методом алюмотермии, при котором примеси в основном остаются в матрице оксида алюминия и не переходят в кремний. 2 пр.