PL133607B1 - Method of obtaining semi-product for producing silicium and/or silicium carbide - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania pólproduktu do produkcji krzemu i/lub weglika krzemu zawierajacego dwutlenek krzemu i wegiel. W procesie tym surowcem wyjsciowym jest piasek kwarcowy i proszek kwarcowy, chociaz tylko wyrazenie tf piasek kwarcowy " bedzie dalej uzywane. Zakres rozmiaru ziarn stosowanego piasku kwarcowego powinien byc tak waski jak tylko to jest mozliwe chociaz moga byc stosowane ziarna o róznych rozmiarach. Krzem oznacza pierwiastkowy krzem o wysokiej czystosci. Jest on niezbedny do najrozmaitszych celów, na przyklad do produkcji zelazokrzemu i krzemku wapnia. Czysty krzem, jednakze, stosuje sie szczególnie w technologii pólprzewodników.Weglik krzemu sklada sie z krzemu i wegla i ma wzór chemiczny SiC. Jest on bardzo odporny na wiekszosc chemicznych oddzialywan i ma najwieksza twardosc obok weglika boru i diamentów.Weglik krzemu jest uzywany w przemysle materialów sciernych do produkcji proszków i past • sciernych, tarcz szlifierskich i tym podobnych. Materialy scierne z weglika krzemu mozna atosowac tak samo do twardych substancji takich jak spieki twardych metali, stal odlewnicza oraz do materialu ciagliwego takiego jak aluminium, mosiadz i miedz. Guma, skóra i drewno moga tez byc poddane obróbce za pomoca takich materialów sciernych.Z powodu jego doskonalej przewodnosci cieplnej i odpornosci chemicznej w wysokich temperaturach, weglik krzemu jest odpowiednim materialem do produkcji materialów ogniotrwalych dla pieców przemyslowych, które musza sprostac szczególnym wymaganiom,takim jak szybkie rozpraszanie ciepla reakcji, zdolnosc dobrego ogrzewania z zewnatrz,mozliwie razem z wysoka odpornoscia na scieranie i korozje.W przemysle cynkowym, na przyklad, stosuje sie piece muflowe z weglika krzemu i ceglane skraplacze do obróbki rud. Z powodu jego dobrej przewodnosci elektrycznej i odpornosci na dzialanie tlenu w podwyzszonych temperaturach, weglik krzemu oraz odpowiednie spoiwa stosuje sie w celu wykonania elementów grzewczych w elektrycznych piecach oporowych zdolnych wytrzymac ciagle dzialanie temperatury powyzej 1500°C. Piece ogrzewajace podczerwienia moga byc równiez wyposazone w takie elementy.3*55 60? Skladniki majace zalezna od~napiecia odpornosc elektryczna zrobione sa z weglika krzemu w celu ograniczenia napiecia zarówno w obwodzie wysokopradowym jak i niskopradowym.* Specjalnie wyprodukowany, szczególnie czysty i z domieszkami waglik ' krzemu stosuje sie do tego celu i do wysokotemperaturowych tranzystorów oraz wysoko¬ temperaturowych diod. Niezaleznie od zastosowan, w których wykorzystuje sie. wlasnosci krystalicznego weglika krzemu, mozna go takze otrzymywac w postaci wlókna albo w postaci piany* Wlókna stosuje sie w polaczeniu z innymi materialami do produkcji tkanin ogniotrwalych podczas gdy piane stosuje sie do produkcji odpornych na korozje i na temperature materialów izolacyjnych.Pomimo tego godnego uwagi technicznego znaczenia weglika krzemu,technologia jego wytwarzania nie ulegla zadnemu znaczacemu rozwojowi w ostatnich dziesiecioleciach.Poczawszy od Achesona /1891/ byl on wytwarzany poprzez ogrzewanie przewaznie dwutlenku krzemu w postaci piasku kwarcowego i proszku koksu.. Sposób ten jest kosztowny i powoduje, ze zarówno sam weglik krzemu jak i sporzadzone z jego udzialem produkty sa drogie.W znanym przemyslowym sposobie wytwarzania weglika krzemu stosuje sie nastepujace surowce: . ., «.Dwutlenek krzemu w postaci piasku kwarcowego lub drobno bielonego kwarcu o maksymalnej czystosci, wegiel w postaci metalurgicznego koksu, koksu pakowego lub smolowego, koksu naftowego lub antracytu, chlorek sodu, trociny.Kwarc i wegiel stosuje sie w stosunku bliskim stechiometrycznemu, przy czym pozadany jest niewielki nadmiar wegla. Trociny dodaje sie do niezwiazanej mieszaniny reakcyr.ej. Chlorek sodu przeznaczony jest do usuniecia w postaci chlorkowej w drodze odparowania aluminium i tlenków zelaza, zasadniczo obecnych w surowcach, poniewaz one powstrzymuja tworzenie sie krysztalów i sa równiez 'odpowiedzialne za katalityczny rozpad otrzymanego weglika krzenu. Przemyslowa produkcje weglika krzemu na ogól prowadzi sie w elektrycznych piecach oporowych z powodu wysokiej temperatury reakcji /20C0 C/.Bieg reakcji oraz jej wydajnosc w znacznym stopniu zalez- od homogenicznego wymieszania surowców, z dokladnym uregulowaniem rozmiaru czastki piasku kwarcowego z jednej _strony i proszku koksu z drugiej. 7/ przeciwienstwie do opisanego sposobu, wynalazek dostarcza pólproduktu, z którego krzem i/lub weglik krzenu moze byc produkowany bez ?/ymaganego mieszania piasku kwarcowego i proszku koksu. *7edlug wynalazku sposób wytwarzania pólproduktu do produkcji krzemu i/lub weglika krzenu, zawierajacego d7/utlenek krzemu i wegiel polega na tym, ze z ziarn piasku kwarcowego wytwarza sie i utrzymuje, za pomoca pary wodnej i gazów zloze fluidalne o temperaturze 500 - 700°C, do wytworzonego zloza wtryskuje sie ciekle weglowodory ogrzane do temperatury przekraczajacej 250°C, a z dna reaktora odbiera sie w sposób ciagly ziarna piasku kwarcowego pokryte weglem krakingowym, z których czesc odbiera sie jako gotowy pólprodukt, a druga czesc wprowadza sie do podgrzewacza, do którego ponadto wprowadza sie swiezy piasek kwarcowy, przy czym piasek w podgrzewaczu ogrzewa sie przez czesciowe spalanie wegla osadzonego na ziarnach piasku lub za pomoca goracych gazów odlotowych i wprowadza do reaktora.Korzystnie swiezy piasek kwarcowy miesza sie w podgrzewaczu z ziarnami piasku kwarcowego pokrytymi weglem krakingowym i ogrzewa do temperatury wynoszacej maksimum 800°C. Gazowe i dajace sie skraplac weglowodory usuwa sie z góry zloza fluidalnego. Jako ciekle weglowodory wtryskuje sie ciezkie frakcje ropy naftowej,smoly weglowe ipaki. . , W sposobie wedlug wynalazku, ilosc nagaru olejowego osadzonego na pojedynczych czastkach piasku kwarcowego zalezy z jednej s~trony od" warunków termodynamicz¬ nych a z drugiej strony od czasu statystycznego przebywania czastek piasku kwarcowego w zlozu fluidalnym.'133607 I Sposobem wedlug wynalazku na czastkach piasku kwarcowego moze sie osadzic stechiometryczna lub wieksza od stechiometrycznej ilosc wegla krakingowego tak jak to jest niezbedne dl? dalszej przemiany pólproduktów. Wynalazek obejmuje tez zawracanie piasku kwarcowego juz pokrytego weglem krakingowym aby w ten sposób wplynac na ilosc wegla krakingowego osadzonego na pojedynczych czastkach piasku kwarcowego.Korzysc ze stosowania sposobu wedlug wynalazku jest taka, ze otrzymuje sie pólprodukt, który natychmiast mozna uzyc. do produkcji krzemu i/lub weglika krzemu podczas, gdy dotychczas byla niezbedna kosztowna i klopotliwa produkcja mieszaniny piasku kwarcowego i proszku koksu. Produkcja krzemu i/lub weglika krzemu sama moze równiez zostac uproszczona przez zastosowanie pólproduktu wedlug wynalazku. Dokladniej,koncowe produkty, to znaczy bardzo czysty krzem lub weglik krzemu mozna produkowac z pólproduktu wedlug wynalazku zakladajac, ze stosowane surowce sa czyste.Do produkcji krzemu, pólprodukt w postaci mikrotabletek wprowadza sie do konwencjonalnego pieca elektrycznego majacego na przyklad trzy konwencjonalne elektrody.Dwutlenek krzemu i wegiel reaguja w tym elektrycznym piecu, tworzac krzem'zgodnie ze wzorem Si02 + 2C » Si + 2C0 Reakcji otrzymywania weglika krzemu nie mozna przeprowadzac w piecu elektrodowym poniewaz weglik krzemu jest staly, narasta na elektrodach i dlatego nie mozna go usunac z pieca bez trudnosci. Weglik krzemu produkuje sie wedlug reakcji Si02 + 3C » SiC + 2C0. Te reakcje na ogól prowadzi sie w poziomym palenisku, na które dostarcza sie reagenty, to znaczy w tym przypadku mikrotabletki.Do utworzonej warstwy dostarcza sie energie elektryczna, przy czym zachodzi reakcja tak jak wskazano. Jest rzecza niezbedna jednakze, utworzyc powloke weglowa aby utrzymac tlen atmosferyczny z dala od srodowiska reakcji. W tym celu, operacje mozna wykonywac w prózni. Wedlug takiego sposobu postepowania otrzymuje sie zasadniczo krystaliczny weglik krzemu w ksztalcie preta lub podobnym.Sposób wedlug wynalazku zostal blizej wyjasniony na podstawie rysunku, który przedstawia instalacje do przeprowadzenia sposobu wedlug wynalazku. Rysunek pokazuje reaktor z podgrzewaczem, w którym mozna prowadzic sposób wedlug wynalazku.Czastki piasku kwarcowego 2 w temperaturze 600 - 800°C najpierw wdmuchuje sie do reaktora 1. Fluidalne zloze 5 wytwarza sie i utrzymuje za pomoca pary 3 i gazów 4, przy czym temperatura zloza wynosi 500 - 700°C. Ciekle weglowodory w temperaturze powyzej 250°C wtryskuje sie do tego zloza fluidalnego 5. W tych warunkach weglowodory ulegaja krakowaniu na czastkach piasku kwarcowego i tworza warstwe wegla krakingowego, zazwyczaj w stechiometrycznej lub ponad stechiometrycznej ilosci. Czastki, które staja sie ciezsze w rezultacie obnizaja sie i sa usuwane z dna 7 reaktora. Wiekszosc energii do procesu krakowania dostarcza sie z odczuwalnym cieplem czastek piasku kwarcowego 2. Zanim czastki zostana wprowadzone do reaktora przeprowadza sie je przez podgrzewacz 8. W tym celu, czescia produktów usuwanych z reaktora 1 zasila sie podgrzewacz, w którym wegiel na czastkach piasku kwarcowego 2 ulega czesciowemu spaleniu* Czastki piasku kwarcowego mozna alternatywnie ogrzewac goracymi gazami odlotowymi. Swieze czastki piasku kwarcowego 2 wprowadza sie równiez przez podgrzewacz 8.Co najmniej czesc powleczonych weglem produktów usuwa sie zanim osiagna podgrzewacz po wyladowaniu ze zloza fluidalnego 5."Gazowe i dajace sie skraplac weglowodory usuwa sie powyzej zloza fluidalnego 5 przez rure 9* Stosowanymi weglowodorami 6 sa ciezkie frakcje ropy naftowej i smoly weglowe lub paki, podczas gdy gazy dla zloza fluidalnego moga obejmowac oprócz pary, azot, oraz gazy, które sa neutralne i/lub obojetne wobec reakcji.4 133 607 Zastrzezenia patentowe 1. Sposób wytwarzania pólproduktu do produkcji krzemu i/lub weglika krzemu, zawierajacego dwutlenek krzemu i wegla, znamienny tym, ze z ziarn piasku kwarcowego wytwarza sie i utrzymuje za pomoca pary wodnej i gazów, zloze fluidalne o temperaturze 500 - 700°C, do wytworzonego zloza wtryskuje sie ciekle weglowodory ogrzane do temperatury przekraczajacej 2!50°C, a- z dna reaktora odbiera sie w sposób ciagLy ziarna piasku kwarcowego pokryte weglem krakingowym z których czesc odbiera" sie jako gotowy pólprodukt, a druga czoaó wprowadza sie do podgrzewacza, do którego ponadto wprowadza sie swiezy piasek kwarcowy, przy czym piasek w podgrzewaczu ogrzewa sie przez czesciowe spalenie wegla osadzonego na ziarnach piasku lub za pomoca goracych gazów odlotowych i wprowadza do reaktora. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny t y ra, ze swiezy piasek kwarcowy miesza sie w podgrzewaczu z ziarnami piasku kwarcowego pokrytymi weglem krakingowym i ogrzewa do temperatury wynoszacej maksimum 800°C. 3. Sposób wedlug zastrz. 1,-znamienny, tym, ze z góry zloza fluidalnego odbiera sie gazowe i dajace sie skraplaó weglowodory, * • 4. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako ciekle weglowodory wtryskuje sie ciezkie frakcje ropy naftowej, smoly weglowe i paki.Pracownia Poligraficzna UP PRL. Naklad 100 egz.Cena 100 zl PL PL PL PL

Claims (4)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Sposób wytwarzania pólproduktu do produkcji krzemu i/lub weglika krzemu, zawierajacego dwutlenek krzemu i wegla, znamienny tym, ze z ziarn piasku kwarcowego wytwarza sie i utrzymuje za pomoca pary wodnej i gazów, zloze fluidalne o temperaturze 500 - 700°C, do wytworzonego zloza wtryskuje sie ciekle weglowodory ogrzane do temperatury przekraczajacej 2!50°C, a- z dna reaktora odbiera sie w sposób ciagLy ziarna piasku kwarcowego pokryte weglem krakingowym z których czesc odbiera" sie jako gotowy pólprodukt, a druga czoaó wprowadza sie do podgrzewacza, do którego ponadto wprowadza sie swiezy piasek kwarcowy, przy czym piasek w podgrzewaczu ogrzewa sie przez czesciowe spalenie wegla osadzonego na ziarnach piasku lub za pomoca goracych gazów odlotowych i wprowadza do reaktora.

2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny t y ra, ze swiezy piasek kwarcowy miesza sie w podgrzewaczu z ziarnami piasku kwarcowego pokrytymi weglem krakingowym i ogrzewa do temperatury wynoszacej maksimum 800°C.

3. Sposób wedlug zastrz. 1,-znamienny, tym, ze z góry zloza fluidalnego odbiera sie gazowe i dajace sie skraplaó weglowodory, * •

4. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako ciekle weglowodory wtryskuje sie ciezkie frakcje ropy naftowej, smoly weglowe i paki. Pracownia Poligraficzna UP PRL. Naklad 100 egz. Cena 100 zl PL PL PL PL