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最初的西门子法的工艺流程是怎样的?

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最初的西门子法的工艺流程是怎样的?

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  • 2017-01-31 16:41:12
      早期的三氣氢硅氢还原法,也就是最初的工艺流程,它共包括八个工序(3-1):第一个工序是工业硅(Si)的生产;第二个工序是氯化氢(HC1)的合成;第三个工序是三氯氢硅(SiHCl3)的合成;第四个工序是三氯氢硅(SiHCl3)的精馏提纯;第五个工序是电解水制氢(H2);第六个工序是氢(H2)气净化;第七个工序是三氣氢硅(SiHCl3)氢(H2)还原;第八个工序是尾气中的三氣氢硅(SiHCl3)回收。
      其具体方法是,把炭电极插人由碳质还原剂和石英砂组成的炉料中,在1400〜1800°C的高温下还原出工业硅。在我国的多晶硅产业中,一般工业硅是由工业硅专业生产厂家供给的,因此生产流程中不包括工业硅生产这一工序。在我国的多晶硅产业中,一般是将氣化氢合成这一工序放在三氯氢硅合成系统之中的,不单独分立;也有的是直接从附近的化工厂购买现成的氣化氢,根本就不设立。
      但在多晶硅生产中,这一工序是不可缺少的;不管是放在三氣氢硅合成系统中,还是放在化工厂里,这—工序是必须有的。第三个工序是三氣氢硅(SiHCl3)的合成。三氣氢硅的传统制备方法也有多种,但最常见的是采用工业硅粉与氯化氢直接发生化学反应的合成法。
      三氯氢硅合成的反应方程式如下。在高温下,工业硅粉与氯化氢可以发生下列反应(主反应)三氯氢硅与四氣化硅的合成反应相同,也是一种放热反应,也伴随发生一些其他化学反应,而且还有四氣化硅产生除了伴随有发生上述发生化学反应生成四氣化硅外,也会生成其他一些硅氣化物和非硅氣化物,同时,要想提高三氣氢硅的产率,就必须严格控制合成反应的条件,也必须要选择合适的反应温度和使用干燥的原料。
      第四个工序是三氯氢硅(SiHCl3)的精馏提纯。多晶硅生产是用工业硅来制取多晶硅的,实际上就是以硅制硅,把纯度99%的工业硅粉变成纯度为99。 9999%〜99。 999999999%,甚至纯度更高的多晶硅。可以说,纯度是多晶硅的关键,没有纯度就没有多晶硅。
      因此,多晶硅生产的关键就在于提纯如果三氣氢硅提纯达不到预期效果,生产的多晶硅就无法达到所需要的高纯度,就都是废品,生产得再多也没有用。因此,要想制备多晶硅,三氣氢硅的提纯是非常重要的一个工序。对材料提纯的方法有很多,但三氣氢硅的提纯主要是采用精馏提纯。
      在多晶硅生产中,三氯氢硅的精馏提纯,是采用多塔多级的连续精馏法。一般的精馏系统是四个塔,分两级,每两个塔为一级。前面的两个塔组成第一级,也就是粗馏;后面的两个塔组成第二级,也就是精馏。这里所讲的粗馏是与第二级相比而言的,实际上也是在精馏塔里进行的,也是应该精馏,只不过是第一级精馏,也就是说,这里所讲的粗馏是相对而言的。
      合成出的三氣氢硅,经过第二级精馏提纯后,纯度就可达到99。 9999%以上,成了合格的三氣氢硅,就可以送还原车间使用。第五个工序是水电解制氢(H2)。电解水制氢法是以水为原料,将水电解而生产氢气和氧气。第六个工序是氢(H2)气净化。由于在三氣氢硅氢还原法中,氢气是参加还原的原料,所以氢气纯度将直接关系到多晶硅的质量。
      因此,作为还原所用氢气,对其纯度要求很高。氢气的制备方法很多,但用于三氯氢硅氢还原法生产多晶硅所用的氢气大多是由电解水制备的。这种方法制得的氢气最纯,其纯度可达99。 9%。虽然如此,但电解水制备的氢气的纯度还不能满足还原的需要,还要经过净化处理,达到使用标准才可使用。
      列管冷凝器有两个物料通道,一个通道是从上面进人,先进人上封头腔,然后经过列管内部进人下封头腔内,再从下封头腔出去,为叙述方便,把这条通道简称为内通道;另一个通道是从上下封头腔之间的筒身外壳的下部进入列管外部空腔,然后向上从筒身外壳的上部出去,这条通道简称为外通道。
      使用时,首先向外通道里不断地通人一5〜10°C的冷冻盐水,将列管的温度降下来,然后再从上面向一个列管冷凝器的内通道通人氢气。氢气在列管里被降温,同时氢气里的大部分的水分被凝结为水雾。凝结的水雾与冰凉的列管接触后继续被降温,降温后的水雾在列管壁上冻结为冰或凝为水滴降落到位于下部的下封头腔内„当下封头腔内的凝结水渐多时,下封头腔最下面的排水阀自动打开排除凝结水。
      氢气顺列管继续下降进入下封头腔内,再从下封头腔的侧面出去,然后进人旋风分离器。在列管冷凝器里,氢气中的水分不断地被冻结在列管的内壁上,使得列管内壁上的冰越长越大,越来越多。这些冰慢慢地侵占列管内的空间,使列管内的过流空间越来越小,最终堵塞列管,使氢气无法通过。
      为防止结冰堵塞列管,冷冻除湿系统有两个列管冷凝器(第一列管冷凝器和第二列管冷凝器)。两个列管冷凝器之间并联,使用时靠阀门控制,一个使用,另一个化冰。列管冷凝器的化冰是靠蒸汽。化冰时,往外通道里不断地通人蒸汽,蒸汽在外通道里遇冷,不断地凝结成水,并且不断地放出大量的热。
      列管内的冰受热,渐渐地融化为水,向下落人下封头腔内,然后再从下封头腔最下面的排水口排出。氢气在列管里被降温,氢气中所含的大部分的水分被凝结为水雾,并且在列管壁上冻结为冰或凝为水滴降落到位于下部的下封头腔内。但也还有一部分水雾或水滴没有机会被冻结为冰,也没能降落到位于下部的下封头腔内,而被氢气带出了列管冷凝器。
      因此,进人旋风分离器里的氢气里还含有水雾或水滴。氢气里的这些水雾或水滴在旋风分离器里被除去,使氢气完成冷冻除湿。(2) 氢气的除氧。氧是氢气中有害的杂质。当参加还原反应的氢气氧含量大于时,还原沉积的多晶硅就容易被氧化,在硅棒上形成一层发白色的表层(氧化层),因此,合格的氢气氧含量要少于。
      有了这层发白色的表层就得停炉,因为这层发白色的表层不是具有半导体性质的多晶硅,而是绝缘体的氧化硅。如果不停炉,而继续开下去,氧化层会越来越厚,即使再通人合格的氢气还原出合格的多晶硅也没有用,而且麻烦会更大。其原因很简单,因为再还原出合格的多晶硅也是沉积在氧化层的外表,去除氧化层时,氧化层外表沉积物也将被一同除去。
      氧化层外表沉积物越多,氧化层越难除去,所以氧化层外表沉积的多晶桂越多,麻烦会越大。因此,氢气除氧是非常重要的,绝对不可小视。氢气完成冷冻除湿后就应该进人除氧系统除氧。除氧系统主要由除毒器、除氧器及列管冷凝器组成。① 除氧。氢气除氧器里装有除氧剂。
      除氧剂可以将氢气中的氧转化成水,然后再将水除去。主要的除氧剂有活性铜、钯石棉、105催化剂、镍铬催化剂、载铂催化剂、钯黑催化剂、海绵钛、钯锆石和钯铝石等多种,但最常见的是活性铜。下面就对活性铜做一简单介绍。用于氢气净化的活性铜,是一种红棕色短圆柱固体或固体粉末。
      它由碱式碳酸铜与硅藻土及膨润土共同构成,碱式碳酸铜黏附在硅藻土的表面。上述的三种物质各有其用:硅藻土起成型作用;膨润土为黏合剂;碱式碳酸铜起除氧作用。硅藻土成型后,其自身有许多微孔。这些微孔的表面也黏附了碱式碳酸铜。这些微孔加大了硅藻土表面积,同时也加大了碱式碳酸铜的表面积。
      使之与氢气中氧的接触机会增多,接触机会多,除氧的效果就会更好。

    j***

    2017-01-31 16:41:12

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