Реактор синтезу трихлорсилану

Реферат: Реактор синтезу трихлорсилану містить послідовно з'єднані між собою вузол завантаження, оснащений засобом для підведення реагентів, реакційний вузол і сепараційний вузол, а також систему теплообміну реактора, засіб для відведення реагентів, засіб для відведення продуктів реакції, засіб для підведення допоміжних середовищ і засоби для підведення і відведення теплоносіїв, при цьому засіб для підведення реагентів являє собою штуцер, який містить обичайку з впускним і випускним отворами на її кінцях і засоби з'єднання штуцера з вузлом завантаження реактора і постачальним трубопроводом. Випускний отвір обичайки виконаний у вигляді вирізу на її бічній поверхні, а торець обичайки, що граничить з випускним отвором, забезпечений заглушкою. UA 71517 U (12) UA 71517 U UA 71517 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до хімічної промисловості і може бути застосована для проведення реакційних процесів у киплячому шарі, зокрема при одержанні трихлорсилану гідрохлоруванням технічного кремнію для подальшого виробництва з нього полікристалічного кремнію. На сьогоднішній день основними областями застосування полікристалічного кремнію є мікроелектроніка, силова техніка, сонячна енергетика і мікромеханіка. Великі обсяги полікристалічного кремнію у світі виробляються з трихлорсилану, рідше використовуються тетрахлорсилан і моносилан. Принципово схема виробництва трихлорсилану виглядає наступним чином: технічний кремній виплавляється з кремнезему (кварцу) у дуговій печі при температурі порядку 1800 °C. Після обробки сухим хлороводнем під тиском у реакторі киплячого шару технічний кремній перетворюється в трихлорсилан, вихід якого при сучасних технологіях складає близько 90 %. При цьому важливим є найбільш повне використання реагентів для збільшення виходу цільового продукту. Тому актуальною є розробка устаткування для здійснення синтезу трихлорсилану, що забезпечує високий вихід продуктів реакції. Відомий реактор киплячого шару, описаний у патенті Китаю №201240855, опублікованому 20.05.2009 р., який містить нижню частину, що являє собою реакційний вузол, і верхню частину, яка являє собою вузол сепарації. Реакційний вузол забезпечений засобом для завантаження контактної маси, виконаним у вигляді штуцера, що містить обичайку з впускним і випускним отворами на її кінцях і засоби з'єднання штуцера з вузлом завантаження реактора і постачальним трубопроводом, при цьому випускний отвір обичайки розташований на її торці. Найближчим аналогом корисної моделі, що заявляється, і вибраним як прототип є реактор киплячого шару, описаний в патенті РФ № 68358, опублікованому 27.11.2007 р., який містить встановлені вертикально один на одному сепараційний вузол, реакційний вузол і вузол завантаження. Реактор забезпечений зовнішнім обігрівом, засобами для підведення і відведення теплоносія і газоподібних продуктів, засобами для завантаження і вивантаження контактної маси. Згідно з матеріалами зазначеного патенту засіб для завантаження контактної маси являє собою штуцер, який містить обичайку з впускним і випускним отворами на її кінцях і засоби з'єднання штуцера з вузлом завантаження реактора і постачальним трубопроводом, при цьому випускний отвір обичайки розташований на її торці. Недоліком зазначеного рішення є те, що конструкція штуцера не забезпечує рівномірного перемішування киплячого шару, наслідком чого є "злежування", тобто осідання кремнію у вузлі завантаження реактора, у його нижній частині. Задачею корисної моделі, що заявляється, є створення такого реактора синтезу трихлорсилану, конструкція якого забезпечить рівномірне перемішування киплячого шару і дозволить знизити імовірність "злежування" кремнію в нижній частині вузла завантаження і підвищити вихід цільового продукту. Поставлена задача вирішується тим, що забезпечений реактор синтезу трихлорсилану, який містить послідовно з'єднані між собою вузол завантаження, оснащений засобом для підведення реагентів, реакційний вузол і сепараційний вузол, а також систему теплообміну реактора, засіб для відведення реагентів, засіб для відведення продуктів реакції, засіб для підведення допоміжних середовищ і засоби для підведення і відведення теплоносіїв, при цьому засіб для підведення реагентів являє собою штуцер, який містить обичайку з впускним і випускним отворами на її кінцях і засоби з'єднання штуцера з вузлом завантаження реактора і постачальним трубопроводом, причому випускний отвір обичайки виконаний у вигляді вирізу на її бічній поверхні, а торець обичайки, що граничить з випускним отвором, забезпечений заглушкою. Таке виконання конструкції реактора, зокрема засобу для підведення реагентів, дозволяє змінити напрямок потоку реагентів при надходженні в реактор, внаслідок чого утворюється завихрення потоку, що сприяє рівномірному перемішуванню киплячого шару, а, отже, зменшує так зване "злежування" кремнію в нижній частині вузла завантаження. Таким чином, забезпечується більш повне використання реагентів і, як наслідок, високий вихід продуктів реакції. Доцільним є виконання азотування поверхні матеріалу обичайки штуцера - насичення її азотом, результатом чого є підвищення твердості, зносостійкості, границі утоми і корозійної стійкості зазначеного матеріалу. У переважному варіанті здійснення корисної моделі заглушка обичайки штуцера виконана у формі кола, діаметр якого дорівнює діаметру обичайки. У ще одному переважному варіанті здійснення вихідний отвір обичайки має форму бічної поверхні циліндричного сегмента. Доцільним є таке виконання зазначеного отвору, при якому його розмір буде меншим за розмір вихідного отвору обичайки штуцера, використовуваного в 1 UA 71517 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 реакторі киплячого шару, який вибраний як прототип, за рахунок чого інтенсивність потоку реагентів збільшиться. Засоби з'єднання штуцера можуть являти собою, наприклад, два фланці, за допомогою одного з яких штуцер з'єднаний з постачальним трубопроводом, а за допомогою другого - з вузлом завантаження реактора. Переважно система теплообміну являє собою електронагрівач, встановлений у нижній частині вузла завантаження реактора, а також охолоджувальні елементи у вигляді сорочок, якими забезпечений реакційний вузол реактора. Електронагрівач служить для первісного нагрівання реактора, сорочки - для відведення тепла, яке утворилося в результаті реакцій. Сорочки викопані з можливістю повного зливу з них води, що у випадку втрати температури реактора дозволяє уникнути неконтрольованого його охолодження. Охолодження відбувається за рахунок випаровування води, при цьому пара, що утворилася, з температурою приблизно 165 °C направляється на опалення приміщень або інші технологічні потреби. Корисна модель, що заявляється, пояснюється за допомогою графічних матеріалів, наведених нижче. На Фіг. 1 зображений загальний вигляд реактора синтезу трихлорсилану. На Фіг. 2 зображений вигляд збоку в розрізі штуцера реактора киплячого шару, вибраного як прототип. На Фіг. 3 зображений вигляд збоку в розрізі штуцера реактора синтезу трихлорсилану, що заявляється. Реактор 1 синтезу трихлорсилану представлений на Фіг. 1. Реактор 1 включає вузол завантаження 2 у цілому конічної форми, реакційний вузол 3 циліндричної форми і сепараційний вузол 4 у вигляді розширення реакційного вузла 3. Вузол завантаження 2 забезпечений штуцером 5, через який реагенти підводяться всередину реактора 1. Реакційний вузол 3 зовні забезпечений охолоджувальними сорочками 6 для відведення тепла, що виділилося в результаті реакцій. Реактор 1 забезпечений засобами для підведення і/або відведення допоміжних середовищ, теплоносіїв і продуктів реакції (на Фіг. не позначені). Штуцер 5 реактора киплячого шару, вибраного як прототип, представлений на Фіг. 2. Штуцер 5 включає обичайку 7 із впускним 8 і випускним 9 отворами, розташованими на її кінцях. При цьому зазначені отвори виконані на торцях обичайки 7. Обичайка 7 забезпечена засобами з'єднання штуцера з вузлом завантаження реактора і постачальним трубопроводом (на Фіг. не позначені). Штуцер 5 реактора 1 синтезу трихлорсилану, що заявляється, представлений на Фіг. 3 і включає обичайку 7 із впускним 8 і випускним 9 отворами, при цьому випускний отвір 9 виконаний на кінці обичайки 7 на її бічній поверхні. Торець обичайки 7, що граничить з випускним отвором 9, забезпечений заглушкою 10. Обичайка забезпечена фланцями 11 і 12, за допомогою одного з яких штуцер з'єднаний з вузлом завантаження 2 реактора 1, а за допомогою другого - з постачальним трубопроводом відповідно. Робота корисної моделі, яка заявляється, здійснюється наступним чином. Спочатку реактор 1 синтезу трихлорсилану розігрівають за допомогою продувки підігрітим азотом і за допомогою електронагрівача, встановленого у вузлі завантаження 2 реактора 1, для досягнення оптимального складу продуктів реакції. Після досягнення оптимальної температури (320 °C) реагенти у вигляді технічного кремнію в потоці хлороводню подають у вузол завантаження 2 реактора 1 синтезу трихлорсилану через штуцер 5. При цьому потік надходить на торець обичайки 7 штуцера 5, забезпеченої заглушкою 10, яка змінює напрямок руху потоку, тим самим перешкоджаючи "злежуванню" кремнію. У реакторі 1 хлороводень і технічний кремній у вигляді кремнієвого порошку утворюють киплячий (псевдозріджений) шар, при цьому процес гідрохлорування є екзотермічним, і його перебіг супроводжується утворенням трихлорсилану і побічних продуктів реакції у вигляді дихлорсилану і тетрахлорсилану. Тепло, що утворюється в результаті зазначених екзотермічних реакцій, відводять за допомогою сорочок 6, якими забезпечений реакційний вузол 3 реактора 1. У ході ведення технологічного процесу реактор 1 синтезу трихлорсилану підживлюють дрібнодисперсним технічним кремнієм через зазначений штуцер 5. Газоподібні продукти реакції попадають у сепараційний вузол 4 реактора 1, де внаслідок зниження швидкості потоку і збільшення тиску відбувається відділення віднесених пилоподібних часток. Газоподібні продукти реакції, що утворилися, відводять з реактора 1 синтезу трихлорсилану за допомогою засобу для відведення продуктів реакції, що знаходиться у верхній частині реактора 1, зверху сепараційного вузла 4. Таким чином, корисна модель, що заявляється, являє собою реактор синтезу трихлорсилану, конструкція якого забезпечує рівномірне перемішування киплячого шару і 2 UA 71517 U дозволяє знизити імовірність "злежування" кремнію в нижній частині вузла завантаження, що збільшує вихід цільового продукту. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Реактор синтезу трихлорсилану, що містить послідовно з'єднані між собою вузол завантаження, оснащений засобом для підведення реагентів, реакційний вузол і сепараційний вузол, а також систему теплообміну реактора, засіб для відведення реагентів, засіб для відведення продуктів реакції, засіб для підведення допоміжних середовищ і засоби для підведення і відведення теплоносіїв, при цьому засіб для підведення реагентів являє собою штуцер, який містить обичайку з впускним і випускним отворами на її кінцях і засоби з'єднання штуцера з вузлом завантаження реактора і постачальним трубопроводом, який відрізняється тим, що випускний отвір обичайки виконаний у вигляді вирізу на її бічній поверхні, а торець обичайки, що граничить з випускним отвором, забезпечений заглушкою. 2. Реактор за п. 1, який відрізняється тим, що заглушка обичайки виконана у формі кола, діаметр якого дорівнює діаметру обичайки. 3. Реактор за п. 1, який відрізняється тим, що вихідний отвір обичайки має форму бічної поверхні циліндричного сегмента. 3 UA 71517 U 4 UA 71517 U 5 UA 71517 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6