RU2542274C1 - Method for preparing silicon - Google Patents

Method for preparing silicon Download PDF

Info

Publication number
RU2542274C1
RU2542274C1 RU2013138937/05A RU2013138937A RU2542274C1 RU 2542274 C1 RU2542274 C1 RU 2542274C1 RU 2013138937/05 A RU2013138937/05 A RU 2013138937/05A RU 2013138937 A RU2013138937 A RU 2013138937A RU 2542274 C1 RU2542274 C1 RU 2542274C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicone
silicon
methane
hydrogen
melt
Prior art date
Application number
RU2013138937/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013138937A (en
Inventor
Виктор Владимирович Шалай
Юрий Викторович Пичугин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет"
Priority to RU2013138937/05A priority Critical patent/RU2542274C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2542274C1 publication Critical patent/RU2542274C1/en
Publication of RU2013138937A publication Critical patent/RU2013138937A/en

Links

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: silicon dioxide melt is flown into a crucible at min. 2,000°C and sealed to generate the environment maintaining an excessive pressure of min. 2.0 MPa in a gas phase above the melted material. A mixture of water vapour and methane ('air blow') is supplied inside the melted silicone dioxide material. By melt temperature, vapour conversion of methane is observed in the mixture of water vapour and methane inside the melted material accompanied by generation of hydrogen, including monoatomic, and carbon oxide. First, silicon dioxide is reduced by hydrogen to elemental silicone, which in turn reacts with silicone dioxide in the melted material to produce silicone monoxide. Silicone monoxide produced by the reaction of silicone monoxide by an excessive pressure above the melted material is not transformed into a gaseous state, and remains liquid in the melted material and does not react to hydrogen, reducing silicone.
EFFECT: invention enables producing silicone with low impurity content, including carbon and oxygen.

Description

Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения синтетического кремния.The invention relates to the field of chemical technology of inorganic substances and can be used to produce synthetic silicon.

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.)A known method of producing silicon, based on the restoration of the melt of silicon dioxide by carbon at a temperature of at least 1800 ° C, followed by acid treatment. (Chemical Encyclopedia // Ed. By I.L. Knunyants. - M .: Soviet Encyclopedia, 1990, v. 2, p. 508.)

Недостатком данного способа является низкая чистота конечного продукта.The disadvantage of this method is the low purity of the final product.

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).A known method of producing silicon, comprising introducing solid silicon dioxide into a silicon-containing melt to form silicon monoxide and then reducing silicon monoxide to elemental silicon with a carbon reducing agent, using silicon dioxide as a silicon-containing melt, into which a mixture of silicon dioxide and elemental silicon powders taken in a stoichiometric ratio, and methane is used as a carbon reducing agent (Patent RU No. 22327639, M. class C.01B 33/027, publ. 06.27.200 8).

Недостатками этого способа являются:The disadvantages of this method are:

- использование высокочистого кремния в качестве сырьевого материала;- the use of high-purity silicon as a raw material;

- загрязнение кремния углеродом, содержащимся в метане;- contamination of silicon with carbon contained in methane;

- необходимость соблюдать стехиометрическое соотношение компонентов реакции.- the need to observe a stoichiometric ratio of the components of the reaction.

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).A known method of producing silicon, including the preparation of silicon monoxide from silicon dioxide and the subsequent reduction of silicon monoxide to elemental silicon using methane, the silicon monoxide obtained by thermal dissociation of silicon dioxide in an electric arc plasma in a hydrogen atmosphere, and the reduction of silicon monoxide to elemental silicon is carried out in an electric arc plasma using methane in a mixture with hydrogen with a throwing content of 5-10% by volume (patent for invention RU 2367600 C1, M. cl. С01В 33/023 , publ. 09/20/2009 - prototype).

Недостатками этого способа являются:The disadvantages of this method are:

- малая производительность процесса, которая ограничена небольшим объемом электродуговой плазмы;- low productivity of the process, which is limited by a small amount of electric arc plasma;

- необходимость соблюдения пропорции в смеси метана и водорода;- the need to maintain proportions in a mixture of methane and hydrogen;

- невысокая степень извлечения кремния из диоксида кремния (порядка 86%).- a low degree of extraction of silicon from silicon dioxide (about 86%).

Техническим результатом изобретения является упрощение способа, повышение его производительности и экономичности.The technical result of the invention is to simplify the method, increase its productivity and profitability.

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.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for producing silicon, which includes the preparation of silicon monoxide from silicon dioxide and the subsequent reduction of silicon monoxide to elemental silicon using methane, according to the claimed invention, methane is introduced directly into the silicon dioxide melt at a temperature of at least 2000 ° C in a mixture with water vapor and create over the melt overpressure of the vapor-gas mixture.

Пример осуществления способаAn example of the method

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:Silicon dioxide purified from impurities of metals and nonmetals is used as a starting material. A silica melt is poured into a crucible with a capacity of 0.5 to 80 t at a temperature of at least 2000 ° C and the crucible is closed with a lid with a steam and gas drain valve to create conditions for maintaining an overpressure of at least 2.0 MPa in the gas phase above the melt. Then, a mixture of water vapor and methane ("blast") is fed into the silicon dioxide melt through a gas pipeline system. Under the influence of the temperature of the melt in a mixture of water vapor and methane inside the melt, a chemical reaction occurs, known as the "Steam Methane Conversion" (PCM) to produce hydrogen, including atomic, and carbon oxides:

CH4+2H2O=CO2+8H (4H2)CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 8H (4H 2 )

Окислы углерода не взаимодействуют с расплавом и под действием "Архимедовой" силы покидают расплав. Полученный внутри расплава водород взаимодействует с расплавом диоксида кремния, восстанавливая кремний:Carbon oxides do not interact with the melt and leave the melt under the influence of the "Archimedean" force. The hydrogen obtained inside the melt interacts with the silicon dioxide melt, reducing silicon:

SiO2+2H2=Si+2H2OSiO 2 + 2H 2 = Si + 2H 2 O

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:Due to the fact that the recovery process is stretched in time as hydrogen arrives, first the silicon dioxide is reduced by hydrogen to elemental silicon, which in turn reacts in the melt with silicon dioxide to produce silicon monoxide:

Si+SiO2=2SiOSi + SiO 2 = 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:The resulting silicon monoxide under the influence of excess pressure above the melt does not sublimate to the gaseous state, but remains in the liquid phase in the melt and interacts with hydrogen, restoring silicon:

SiO+H2=Si+H2OSiO + 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.Since silicon does not directly interact with hydrogen chemically, substitution of hydrogen in the gas phase over the melt of other products of the silicon reduction reaction serves as an indicator of the end of the silicon reduction reaction.

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.At the outlet of the gas-vapor mixture from the drainage gas-vapor valve, the burner works for the entire period of the process. A significant increase in the burner flame indicates afterburning of hydrogen, i.e. about the completion of the silicon reduction process.

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.The inventive method allows to obtain silicon with a low content of impurities, including carbon and oxygen. Reducing the cost of the final product is achieved due to the ability to produce silicon in large quantities and the simplicity of the process, as well as due to the minimum cost of recycling by-products of the silicon reduction reaction, such as water and carbon oxides. Cheaper process is achieved by reducing the consumption of hydrogen per unit mass of silicon produced, as well as the unnecessary precision metrological equipment to ensure a stoichiometric ratio of the mass of silicon dioxide and reducing agent. In addition, the degree of extraction of silicon from silicon dioxide according to the claimed method is significantly higher than that of the prototype method and reaches 93-95% due to the fact that silicon monoxide under the influence of excessive pressure above the melt does not sublimate to the gaseous state, but remains in the liquid phase in the melt and interacts with hydrogen, reducing silicon.

Claims (1)

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.          A method of producing silicon, including the preparation of silicon monoxide from silicon dioxide and the subsequent reduction of silicon monoxide to elemental silicon using methane, characterized in that methane mixed with water vapor is introduced directly into the silicon dioxide melt at a temperature of at least 2000 ° C and created above the melt overpressure of a gas-vapor mixture of at least 2.0 MPa.
RU2013138937/05A 2013-08-20 2013-08-20 Method for preparing silicon RU2542274C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013138937/05A RU2542274C1 (en) 2013-08-20 2013-08-20 Method for preparing silicon

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013138937/05A RU2542274C1 (en) 2013-08-20 2013-08-20 Method for preparing silicon

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2542274C1 true RU2542274C1 (en) 2015-02-20
RU2013138937A RU2013138937A (en) 2015-02-27

Family

ID=53279332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013138937/05A RU2542274C1 (en) 2013-08-20 2013-08-20 Method for preparing silicon

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2542274C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2327639C2 (en) * 2006-08-22 2008-06-27 Борис Георгиевич Грибов Method of producing high purity silicon
RU2367600C1 (en) * 2008-04-16 2009-09-20 Борис Георгиевич Грибов Method for preparation of high-purity silicon

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2327639C2 (en) * 2006-08-22 2008-06-27 Борис Георгиевич Грибов Method of producing high purity silicon
RU2367600C1 (en) * 2008-04-16 2009-09-20 Борис Георгиевич Грибов Method for preparation of high-purity silicon

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013138937A (en) 2015-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
MX2009012456A (en) Process for the manufacture of p4o6.
CN108147406A (en) A kind of method for purifying Delanium
JP2015533827A5 (en)
CN107416841B (en) Method and device for producing silicon tetrachloride
CN106744730A (en) Gallium oxide, gallium nitride nano-powder are prepared by raw material two-step method of gallium
UA106349C2 (en) Removing of liquid slug and alkali from synthesis gas
JP2018131351A (en) Method for recovering co2 in air to separate carbon
RU2542274C1 (en) Method for preparing silicon
JP2009057240A (en) Method for producing high purity silicon
US3019087A (en) Purification of silane
WO2012064046A3 (en) Apparatus for manufacturing fine powder of high purity silicon.
JPH04318920A (en) Vapor crystal growth device
JP2010540211A (en) Carbon-based material decomposition method, composition and system thereof
CN107055552B (en) A kind of purification method of silicon tetrachloride and application
WO2019131600A1 (en) Method for producing tetraalkoxysilane using calcium oxide
CN101973553B (en) Method for producing high-purity silicon tetrafluoride by using fluosilicic acid
JP6039474B2 (en) Method for producing alkaline earth metal imide
JP2014047117A (en) Method of producing lithium oxide
JP2008081387A (en) Manufacturing method of high purity silicon
JPS62123009A (en) Production of silicon and production unit therefor
RU2707053C1 (en) Method of cleaning metallurgical silicon from carbon
JP6286573B2 (en) Method for producing silicon dioxide particles
JP2019119614A (en) Method for producing high-purity boron trichloride
JP2007246342A (en) Method for producing hydrogen selenide
RU2385291C1 (en) Method of production of high purity crystal silicon (versions)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170821

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20200826