Спосіб одержання моносилану

1. Спосіб одержання моносилану, який включає диспропорціювання трихлорсилану в реакційній зоні каталітичного протитечійного реактора, ступінчасту конденсацію продуктів реакції диспропорціювання для відділення газоподібного моносилану, повернення сконденсованої фази через реакційну зону реактора у випарник протитечією висхідному потоку суміші парів з випарника, розподіл продуктів реакції диспропорціювання ректифікацією в ректифікаційній зоні реактора, розміщеній між реакційною зоною і випарником, виведення кубового продукту з випарника, який відрізняється тим, що в ректифікаційній зоні реактора розміщають вертикальні трубчасті елементи, які з'єднують внутрішньою порожниною реакційну зону з випарником, при цьому в міжтрубний простір ректифікаційної зони подають холодоагент, за який використовують рідину з температурою кипіння на 10-30°С нижче температури кипіння парогазової суміші в трубчастих елементах ректифікаційної зони. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що ректифікаційна зона реактора містить послідовно роз U 2 15825 1 3 15825 4 ньо високий ступінь чистоти моносилану і високі ної фази з реакційної зони вводять у зміцнювальну енерговитрати на виробництво одиниці готової частину ректифікаційної зони. продукції. Це пояснюється таким чином. Новим також є те, що як рідину - холодоагент У відомому способі одержання моносилану в міжтрубному просторі ректифікаційної зони реакректифікацію здійснюють традиційно, пропускаючи тора використовують воду, підтримуючи тиск у парогазову суміш з випарника протитечією конміжтрубному просторі на 5,5-6,0атм нижче, ніж у денсату, що утворюється, і конденсату, що надхотрубчастих елементах ректифікаційної зони. дить з реакційної зони. В результаті багаторазовоНовим також є те, що як рідину - холодоагент го промивання парів конденсатом на виході з в міжтрубному просторі ректифікаційної зони реакректифікаційної зони в реакційну одержують паротора використовують трихлорсилан, підтримуючи газову суміш, збагачену низкокиплячим компонентиск у міжтрубному просторі на 0,5-3,0 атм нижче, том - трихлорсиланом, а у випарник надходить ніж у трубчастих елементах ректифікаційної зони. конденсат, збагачений висококиплячим компоненНовим також є те, що як рідину - холодоагент том – тетрахлоридом кремнію. Для ефективного в міжтрубному просторі ректифікаційної зони реакрозподілу парогазової суміші на роздільно киплячі тора використовують тетрахлорид кремнію, підткомпоненти використовують ректифікаційні колоримуючи тиск у міжтрубному просторі на 3,8ни, які характеризуються високим енергоспожи4,5атм нижче, ніж у трубчастих елементах рективанням і великими розмірами (30-50м і більше). фікаційної зони. Однак, навіть у цьому випадку у випарник надхоНовим також є те, що як рідину - холодоагент дить значна кількість трихлорсилану, а в реакційну в міжтрубному просторі ректифікаційної зони реакзону-пари тетрахлориду кремнію. Це погіршує тора використовують кубовий продукт із випарниумови диспропорціювання трихлорсилану в реакка, підтримуючи тиск у міжтрубному просторі на ційній зоні і, отже, обумовлює недостатньо висо3,0-4,3атм нижче, ніж у трубчастих елементах реккий ступінь вилучення кремнію в придатну продуктифікаційної зони. цію при високих енерговитратах. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю В основу корисної моделі поставлена задача суттєвих ознак корисної моделі, що заявляється, і удосконалення способу одержання моносилану, в технічним результатом, що досягається, полягає в якому шляхом нових умов виконання відомих опетакому. рацій забезпечують оптимізацію тепломасообмінНові умови виконання відомих операцій, а саних процесів ректифікації за рахунок термостабіліме: зації масообмінної розділової поверхні, що - розміщення в ректифікаційній зоні реактора дозволяє інтенсифікувати основні технологічні вертикальних трубчастих елементів, які з'єднують процеси диспропорціювання трихлорсилану і, тим внутрішньою порожниною реакційну зону з випарсамим, збільшити ступінь вилучення кремнію в ником; придатну продукцію при одночасному забезпечен- подача в міжтрубний простір ректифікаційної ні високої якості отриманого моносилану з мінімазони холодоагенту, у якості якого використовують льними енергетичними і матеріальними витратарідину з температурою кипіння на 10-30 С нижче ми. температури кипіння парогазової суміші в трубчасПоставлена задача вирішується тим, що у вітих елементах ректифікаційної зони, в сукупності з домому способі одержання моносилану, який відомими ознаками корисної моделі забезпечують включає диспропорціювання трихлорсилану в реаоптимізацію тепломасообмінних процесів ректифікційній зоні каталітичного протитечійного реактора, кації за рахунок термостабілізації масообмінної ступінчасту конденсацію продуктів реакції диспророзділової поверхні, що дозволяє інтенсифікувати порціювання для відділення газоподібного моноосновні технологічні процеси диспропорціювання силану, повернення сконденсованої фази через трихлорсилану і, тим самим, збільшити ступінь реакційну зону реактора у випарник протитечією вилучення кремнію в придатну продукцію при одвисхідному потоку суміші парів з випарника, розночасному забезпеченні високої якості отриманого поділ продуктів реакції диспропорціювання ректимоносилану з мінімальними енергетичними і матефікацією в ректифікаційній зоні реактора, розміріальними витратами. щеній між реакційною зоною і випарником, Розміщення в ректифікаційній зоні реактора виведення кубового продукту з випарника, новим, вертикальних трубчастих елементів, які з'єднують відповідно до технічного рішення, що заявляється, внутрішньою порожниною реакційну зону з випарє те, що в ректифікаційній зоні реактора розміщаником, з подачею в міжтрубний простір ректифікають вертикальні трубчасті елементи, які з'єднують ційної зони холодоагенту, що заявляється, забезвнутрішньою порожниною реакційну зону з випарпечує оптимальні умови для процесів тепло- і ником, при цьому в міжтрубний простір ректифікамасообміну при ректифікації, сприяє більш повноційної зони подають холодоагент, у якості якого му розподілу парогазової суміші, яка виходить з використовують рідину з температурою кипіння на випарника. 10-30 С нижче температури кипіння парогазової Тепломасообмін здійснюють на внутрішній і суміші в трубчастих елементах ректифікаційної зовнішній поверхнях трубчастих елементів ректизони. фікаційної зони, причому конденсацію парогазової Новим також є те, що ректифікаційна зона ресуміші з випарника проводять на внутрішній повеактора містить послідовно розміщені по ходу сурхні трубчастих елементів, а відведення тепла з міші парів з випарника зміцнювальну і вичерпну зовнішньої поверхні трубчастих елементів забезчастини, при цьому зворотний потік сконденсовапечують випарюванням холодоагенту, який омиває цю поверхню в міжтрубному просторі. 5 15825 6 Використання як холодоагент рідини з темпекористана вода або трихлорсилан, або тетрахлорид кремнію, або кубовий продукт із випарника, що ратурою кипіння на 10-30 С нижче температури представляє собою в сталому режимі тетрахлорид кипіння парогазової суміші в трубчастих елеменкремнію з вмістом трихлорсилану до 2% об. При тах ректифікаційної зони забезпечує проведення використанні як рідина-холодоагент води в міжттепломасообміну в ректифікаційній зоні при темрубному просторі підтримують тиск на 5,5-6,0атм пературі, близькій до температури кипіння трихлонижче, ніж у трубчастих елементах ректифікаційрсилану. Рідина-холодоагент з температурою киної зони. При використанні як рідина-холодоагент піння, що заявляється, випаровується, відбираючи трихлорсилану в міжтрубному просторі підтримутепло, яке виділяється при конденсації суміші пають тиск на 0,5-3,0атм нижче, ніж у трубчастих рів, які виходять з випарника, на внутрішній поверелементах ректифікаційної зони. При використанні хні трубчастих елементів ректифікаційної зони. як рідина-холодоагент тетрахлориду кремнію в Пари холодоагенту конденсують і знову направміжтрубному просторі підтримують тиск на 3,8ляють у міжтрубний простір ректифікаційної зони, 4,5атм нижче, ніж у трубчастих елементах ректизабезпечуючи таким чином термостабілізацію мафікаційної зони. При використанні як рідинасообмінної розділової поверхні ректифікаційної холодоагент кубового продукту з випарника в міжзони і регулюючи процес масообміну всередині трубному просторі підтримують тиск на 3,0-4,3атм трубчастих елементів. нижче, ніж у трубчастих елементах ректифікаційПроведення тепломасообміну при температуної зони. При зазначених тисках рідина, яку викорі, близькій до температури кипіння трихлорсиларистовують як холодоагент у міжтрубному простону, сприяє одержанню на виході з ректифікаційної зони в реакційну зону чистого пару трихлорсилану рі, має температуру кипіння на 10-30 С нижче і утворенню конденсату суміші хлорсиланів у ректемператури кипіння парогазової суміші в трубчастифікаційній зоні, що разом зі зворотним потоком тих елементах ректифікаційної зони. конденсату хлорсиланів з реакційної зони стікає у Здійснення ректифікації в ректифікаційній зоні випарник і омивається висхідним потоком суміші реактора, яка містить послідовно розміщені по парів з випарника. При цьому частина тепла, що ходу суміші парів з випарника зміцнювальну і вивиділяється при конденсації суміші парів, витрачачерпну частини, з уведенням зворотного потоку ється на перевипар трихлорсилану з конденсату, сконденсованої фази з реакційної зони в зміцнющо збільшує його вихід у реакційну зону. вальну частину ректифікаційної зони дозволяє При проведенні ректифікації при умовах, що оптимізувати тепломасообмінні процеси ректифізаявляються, реалізується процес внутрішнього кації та інтенсифікувати основні технологічні профлегмоутворення з утворенням визначеної кількоцеси диспропорціювання трихлорсилану. В цьому сті флегми визначеного складу в кожному елеменвипадку у вичерпній частині ректифікаційної зони ті ректифікаційного об'єму. Оптимізація процесу конденсат утворюється тільки за рахунок внутрішфлегмоутворення обумовлює зниження витрат на нього флегмоутворення, що поліпшує умови масовипарювання суміші і зниження гідравлічного опообміну у вичерпній зоні та обумовлює підвищення ру в ректифікаційній зоні, що дозволяє знизити її ефективності розподілу парогазової суміші з випависоту в порівнянні з тарілчастими і насадочними рника. ректифікаційними колонами в декілька разів при Суть технічного рішення, що заявляється, поодночасному забезпеченні високоефективного яснюється фігурами, де на Фіг.1 наведена технорозподілу парогазової суміші з випарника. В релогічна схема реалізації способу, на Фіг.2 - те ж зультаті проведення ректифікації при умовах, що саме з ректифікаційною зоною, яка містить зміцзаявляються, тетрахлорид кремнію в рідкому виді нювальну і вичерпну частини. збирається і концентрується у випарнику, і не надТехнологічна схема реалізації способу одерходить у реакційну зону реактора, а трихлорсилан жання моносилану містить каталітичний протитеі проміжні хлорсилани залишаються в пароподібчійний реактор 1 для диспропорціювання трихлорному стані і надходять у реакційну зону реактора силану, що містить реакційну зону 2, до якої на каталітичне диспропорціювання з утворенням подають вихідний трихлорсилан, і ректифікаційну моносилану. Це поліпшує протікання реакції дисзону 3 з трубчастими елементами 4, а також з'єдпропорціювання трихлорсилану, дозволяє збільнані з реактором 1 у верхній частині конденсатор 5 шити ступінь вилучення кремнію в придатну продля конденсації висококиплячих хлорсиланів і тетдукцію при одночасному забезпеченні високої рахлориду кремнію та у нижній частині - випарник якості одержуваного моносилану з мінімальними 6 для нагрівання хлорсиланів. Крім того, схема енергетичними і матеріальними витратами. реалізації способу, що заявляється, включає конВикористання рідини - холодоагенту, темпераденсатор 7 для конденсації низькокиплячих хлортура кипіння якої виходить за заявлені межі, не силанів. забезпечує оптимальні умови для тепломасообТрубчасті елементи 4 ректифікаційні зони 3 мінних процесів ректифікації. В цих випадках провнутрішньою порожниною з'єднують реакційну цес масообміну в трубчастих елементах іде не зону 2 реактора 1 і випарник 6. В міжтрубний просрегульовано, що призводить до розбалансування тір 8 ректифікаційної зони 3 подають холодоагент, каталітичного диспропорціювання трихлорсилану, у якості якого використовують рідину з температувнаслідок чого знижується ступінь вилучення крерою кипіння на 10-30 С нижче температури кипінмнію та зростають витрати на одержання моносиня парогазової суміші в трубчастих елементах 4 лану. ректифікаційні зони 3. Як рідина - холодоагент в міжтрубному просДля конденсації парів холодоагенту використорі ректифікаційної зони реактора може бути витовують конденсатор 9. Регулювання заданого 7 15825 8 тиску в міжтрубному просторі 8 здійснюють, навипаровується, відбираючи при цьому тепло, яке приклад, за допомогою керованого клапана 10, що виділяється при конденсації на внутрішній поверхрегулює подачу холодоагенту в конденсатор 9 і ні трубчастих елементів 4 суміші парів, що вихоз'єднаного з датчиком 11 тиску в міжтрубному продять з випарника 6. Пари рідини - холодоагенту сторі 8 (див. Фіг.1). виводять з міжтрубного простору 8 ректифікаційРектифікаційна зона 3 може містити послідовної зони 3 і направляють на конденсацію в конденно розташовані по ходу суміші парів з випарника 6 сатор 9, подачу холодоагенту в який регулюють за зміцнювальну частину 12 і вичерпну частину 13, допомогою керованого клапана 10 в залежності від при цьому зворотний потік сконденсованої фази з показань датчика тиску 11, забезпечуючи таким реакційної зони 2 вводять у зміцнювальну частину чином у міжтрубному просторі 8 тиск, що заявля12 ректифікаційної зони 3. Міжтрубний простір 8 ється. зміцнювальної частини 12 і міжтрубний простір 8 Сконденсовану в конденсаторі 9 рідину - ховичерпної частини 13 з'єднані між собою переточлодоагент знову подають у міжтрубний простір 8 ними патрубками 14 і 15, відповідно, для парів ректифікаційної зони 3. рідини - холодоагенту і для сконденсованої рідини При умовах, що заявляються, тепломасообмін - холодоагенту (див. Фіг.2). у ректифікаційній зоні 3 здійснюється при темпеСпосіб, що заявляється, здійснюють таким чиратурі, близькій до температури кипіння трихлорном. силану. Це сприяє одержанню на виході з ректифіВихідний трихлорсилан подають у реакційну каційної зони 3 у реакційну зону 2 парів чистого зону 2 каталітичного реактора 1 на диспропорціютрихлорсилану і утворенню в трубчастих елеменвання. При каталітичному диспропорціюванні тритах 4 конденсата суміші хлорсиланів, який разом зі хлорсилану утворюється парогазова суміш, яка зворотним потоком конденсату хлорсиланів з реамістить моносилан, проміжні хлорсилани і тетрахкційної зони 2 стікає у випарник 6 і омивається лорид кремнію, що конденсується і стікає у випарвисхідним потоком суміші парів з випарника 6. При ник 6 протитечією висхідному потоку суміші парів з цьому частина тепла, що виділяється при конденвипарника 6, проходячи при цьому через ректифісації суміші парів, витрачається на перевипар трикаційну зону 3 реактора 1. Парогазова суміш надхлорсилану з конденсату, що збільшує його вихід у ходить у конденсатор 5, у якому підтримують темреакційну зону 2. В результаті тетрахлорид кремнію в рідкому виді збирається і концентрується у пературу (-15) С, де конденсуються тетрахлорид випарнику 6, і не надходить у реакційну зону 2 кремнію і висококиплячі хлорсилани. Одержаний реактора 1, а трихлорсилан і проміжні хлорсилани конденсат пропускають через реакційну зону 2 і залишаються в пароподібному стані і не надхоректифікаційну зону 3 у випарник 6 протитечією дять у випарник 6, а повертаються в реакційну парам царогазової суміші з випарника 6. У випарзону 2 реактора 1 на каталітичне диспропорціюнику 6 конденсат нагрівають. Хлорсилани при вання з утворенням моносилану. цьому переходять у пароподібний стан і надходять При виконанні ректифікаційної зони 3 з двох у трубчасті елементи 4 ректифікаційні зони 3. В послідовно розташованих по ходу суміші парів з міжтрубний простір 8 ректифікаційної зони 3 повипарника 6 частин: зміцнювальної частини 12 і дають холодоагент, у якості якого використовують вичерпної частини 13, зворотний потік сконденсорідину з температурою кипіння на 10-30 С нижче ваної фази з реакційної зони 2 вводять у зміцнютемператури кипіння парогазової суміші в трубчасвальну частину 12 ректифікаційної зони 3, що потих елементах 4 ректифікаційні зони 3. ліпшує умови масообміну у вичерпній частині 13 Як рідина - холодоагент в міжтрубному просректифікаційної зони 3. торі 8 ректифікаційної зони 3 можуть бути викориПари рідини - холодоагенту, що утворилися в стані вода або трихлорсилан, або тетрахлорид міжтрубному просторі 8 зміцнювальної частини 12, кремнію, або кубовий продукт з випарника 6, який по переточному патрубку 14 надходять у міжтрубпредставляє собою в сталому режимі тетрахлорид ний простір 8 вичерпної частини 13, а рідинакремнію з вмістом трихлорсилану до 2%. Для захолодоагент після конденсації в конденсаторі 9 з безпечення заявленої температури кипіння рідиниміжтрубного простору 8 вичерпної частини 13 надхолодоагенту при використанні в її якості води в ходить у міжтрубний простір 8 зміцнювальної часміжтрубному просторі 8 підтримують тиск, на 5,5тини 12 по переточному патрубку 15. 6,0атм. нижче, ніж у трубчастих елементах 4 рекОдержану після відділення висококиплячих тифікаційні зони 3. При використанні як рідинахлорсиланів у конденсаторі 5 газоподібну силанвхолодоагент трихлорсилану в міжтрубному просмісну фазу, яка містить більше 60% моносилану, торі 8 підтримують тиск, на 0,5-3,0атм. нижче, ніж у направляють у конденсатор 7 для конденсації нитрубчастих елементах 4 ректифікаційні зони 3. зькокиплячих хлорсиланів при температурі до (При використанні як рідина-холодоагент тетрахло100) С. Конденсат хлорсиланів, що утворюється риду кремнію в міжтрубному просторі 8 підтримупри цьому, повертають у протитечійний реактор 1 ють тиск, на 3,8-4,5атм. нижче, ніж у трубчастих на диспропорціювання. На виході з конденсатора елементах 4 ректифікаційні зони 3. При викорис7 одержують моносилан з вмістом трихлорсилану танні як рідина-холодоагент кубового продукту з не більше 2об. %. випарника 6 у міжтрубному просторі 8 підтримують Проведення технологічного процесу способом, тиск, на 3,0-4,3атм. нижче, ніж у трубчастих елещо заявляється, дозволяє інтенсифікувати основні ментах 4 ректифікаційні зони 3. технологічні процеси за рахунок оптимізації тепПодана в міжтрубний простір 8 ректифікаційломасообмінних процесів ректифікації, дозволяє ної зони 3 рідина - холодоагент стікає у виді плівки збільшити ступінь вилучення кремнію в придатну по зовнішній поверхні трубчастих елементів 4 і 9 15825 10 продукцію при одночасному забезпеченні високої в міжтрубному просторі ректифікаційної зони реакякості одержаного моносилану з мінімальними тора. енергетичними і матеріальними витратами. Результати дослідів оцінювали за об'ємним Спосіб, що заявляється, був випробуваний у вмістом трихлорсилану в газоподібному моносидослідно-промислових умовах. Як вихідну сировилані і за масовим вмістом трихлорсилану в кубону використовували технічний 98,8% трихлорсивому продукті з випарника. лан. Підвищений вміст трихлорсилану в одержуваБули проведені чотири серії експериментів з ному моносилані свідчить про погіршення процесу використанням як холодоагент, що подають в міждиспропорціювання трихлорсилану внаслідок підтрубний простір, різних рідин з заявленою темпевищеної кількості в реакційній зоні парів тетрахлоратурою кипіння: води, трихлорсилану, тетрахлориду кремнію, що обумовлює погіршення якості риду кремнію і кубового продукту з випарника, що одержуваного моносилану і підвищення енерговипредставляє собою тетрахлорид кремнію з вмістрат. Підвищений вміст трихлорсилану в кубовому том трихлорсилану до 2%. Процес диспропорціюпродукті приводить до зниження ступеня вилученвання проводили при надлишковому тиску в 6атм., ня кремнію в придатну продукцію і також обумова тиск у міжтрубному просторі змінювали в межах, лює підвищення енерговитрат. що заявляються, для кожної рідини-холодоагенту Результати дослідів наведені в таблиці. Таблиця №п/п 1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Тиск в трубчастих Тиск в міжтрубному Вміст трихлорси- Вміст трихлорсиелементах, над- просторі, надлишк. Різниця тисків, атм. лану в моносилані, лану в кубовому лишк. атм. атм % об. продукті, % мас. 2 3 4 5 6 Холодоагент - вода 6 0,5 5,5 1,9 0,9 6 0,3 5,7 0,6 1,2 6 0 6,0 0,6 2,0 Холодоагент - трихлорсилан 6 5,5 0,5 2,0 0,8 6 4,3 1,7 0,7 1,0 6 3,0 3,0 0,7 2,0 Холодоагент - тетрахлорид кремнію 6 2,2 3,8 2.0 1,0 6 1,9 4,1 0,5 1,2 6 1,5 4,5 0,5 2,0 Холодоагент - кубовий продукт з випарника 6 3,0 3,0 1,8 1,0 6 2,3 3,7 0,4 1,2 6 1,7 4,3 0,4 2,0 З таблиці видно, що проведення процесу одержання моносилану способом, що заявляється, при здійсненні ректифікації в ректифікаційній зоні з вертикальними трубчастими елементами, які з'єднують внутрішньою порожниною реакційну зону з випарником, і подачею в міжтрубний простір ректифікаційної зони холодоагенту, у якості якого використовують рідину з температурою кипіння на 10-30 С нижче температури кипіння парогазової суміші в трубчастих елементах ректифікаційної зони, забезпечує одержання моносилану, що містить не більш 2об.% трихлорсилану, з одночасним одержанням як кубовий продукт, що відбирається з випарника, практично чистого тетрахлориду кремнію (вміст трихлорсилану не перевищує 2мас.%). Ступінь вилучення кремнію в придатну продукцію при цьому склав 98,2-98,6% від стехіометричне можливого, що на 10% вище в порівнянні з прототипом. Питомі витрати на виробництво одиниці готової продукції склали 15-17 доларів за кілограм, що в 2,0-2,2 рази нижче, ніж за прототипом. При використанні рідини-холодоагенту, температура кипіння якої виходить за заявлені межі (в тому числі при використанні заявлених рідинхолодоагентів при підтриманні тиску в міжтрубному просторі, що виходить за заявлені межі), не забезпечуються оптимальні умови для тепломасообмінних процесів ректифікації. В цих випадках процес масообміну в трубчастих елементах іде не регульовано, що призводить до розбалансування каталітичного диспропорціювання трихлорсилану, внаслідок чого знижується ступінь вилучення кремнію та зростають витрати на одержання моносилану. Заявлений спосіб одержання моносилану здійснюється на відомому устаткуванні з використанням відомих матеріалів і засобів, що підтверджує промислову придатність об'єкта. 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 15825 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601