Установка для очистки отходящих газов

Изобретение относится к технологии неорганических соединений, а именно к устройствам очистки отходящих газов, и в частности, газов, содержащих силан SiH₄. Задача, стоящая перед разработчиками предлагаемой установки -разработка системы очистки отходящих газов от силана взаимодействием последнего с воздухом, отличающейся простотой аппаратурного оформления, с возможностью обработки газа, содержащего силан в широком диапазоне концентраций. Применение этой установки должно обеспечить наиболее полное извлечение SiH₄. Сущность предлагаемой установки состоит в том, что она включает перечисленные аппараты в следующей последовательности (см. фигура 1): подогреватель газов, реактор, циклон, фильтр; и линии, по которым проводят потоки: линию подачи газа, содержащего силан, линию подачи воздуха, линию отвода очищенного газа, и линию вывода диоксида кремния. Реактор, в котором проводится взаимодействие силана с воздухом, имеет канал подачи отходящего газа, содержащего силан, канал подачи воздуха, зону обратных токов, камеру сгорания, выход очищенного газа и рубашку для теплоносителя, обеспечивающую поддержание температуры стенки реактора. Принципиальная схема очистки газа, содержащего силан, приведена на фигуре 1. На фигуре 2 приведена схема реактора.

Изобретение относится к технологии неорганических соединений, а именно к устройствам очистки отходящих газов, и в частности, газов, содержащих силан SiH4.

В настоящее время одним из промышленных способов получения поликристаллического кремния (ПКК) является метод гетерогенного пиролитического разложения высокочистого силана. В этом случае в технологии, как на стадии получения высокочистого силана, так и на стадии его термического разложения, образуются газообразные сдувки, состоящие преимущественно из инертных газов: азота, аргона, гелия, водорода, диоксида углерода и т.д., содержащие в своем составе силан.

Силан при контакте с воздухом самовоспламеняется и разлагается на водород и диоксид кремния, относящийся к III классу опасности. Из-за возможности возгорания с кислородом и вредного воздействия на окружающую среду, газ, содержащий силан, не может быть направлен на рассевание в атмосферу, и поэтому его необходимо подвергать очистке от SiH₄.

Существует несколько промышленных способов очистки отходящих газов от силана, и соответственно, известны разные установки для очистки таких газов. Наиболее часто реализуемым в промышленности является очистка методом абсорбции силана водой или водными растворами щелочей, которую проводят в специальных аппаратах - скрубберах. Главным недостатком этого способа является образование большого количества жидких отходов.

Этот недостаток можно устранить, применяя в качестве абсорбента не воду, а нейтральную, по отношению к силану, жидкость, в которой последний хорошо растворим. Так в WO2010018390 (А1) в качестве растворителя предложено применять пропан. Для того, чтобы пропан в процессе находился в жидкой фазе, абсорбцию ведут при криогенной температуре и повышенном давлении в газожидкостном аппарате колонного типа. После стадии десорбции силана пропан возвращается на стадию очистки на вход в абсорбционную колонну. Недостатком этого метода является проведение процесса при субкриогенных температурах, кроме того, десорбированный силан должен каким либо образом нейтрализоваться, если нет возможности вернуть его в процесс как товарный продукт.

Другим способом очистки газов от силана является его разложение до кремния и водорода, при этом разложение может быть либо термическим при температурах, превышающих 1000°С, либо каталитическим.

Так, описаны [патент Китая CN101554562 (А) МКИ B01D 53/74; оп. 2009.10.14] система и способ для обработки отходящих газов газов. Система (см. Фигура 1) включает корпус печи, топливо и выход для газа и выход для выхлопного газа. При этом корпус печи оснащен стенками, козырьком и камерой горения, и имеет зазоры для протекания газа; ввод для воздуха в нижней части корпуса печи, а выход газа расположен в верхней части корпуса печи; и обрабатываемый выхлопной газ входит в камеру печи через вход для выхлопного газа и проходит через зазоры (щели) через горящее топливо. Как утверждается, эта система особенно подходит для эффективной обработки силана и других сгораемых или термически разлагаемых газов выброса.

Главным недостатком этой системы и способа очистки газов является применение в этом решении дополнительного расходуемого компонента - твердого топлива, высокой температуры процесса и аппаратуры из специальных жаростойких конструкционных материалов.

Использование устройств, в которых применяют катализатор разложения силана, приводит к снижению температуры процесса. Так [заявка Японии JP61168518 (А), МПКл С01В 33/04, oп. 1986-07-30], предложена система (Фигура 2), в которой в качестве катализатора предложено использовать оксид алюминия, предпочтительнее в виде его гамма-формы с удельной поверхностью не менее 100 м²/г при этом процесс проводят при температуре 100-600°С.

Содержащий силан выхлопной газ вводится по линии в реактор, заполненный частицами оксида алюминия. Реактор подогревается нагревателем и в нем поддерживается температура не менее 100°С. Силан в реакторе разлагается на кремний и водород, при этом, большая часть образующегося кремния адсорбируется на поверхности оксида алюминия.

Недостатками этого способа очистки газов являются, во-первых, необходимость применения расходуемого компонента - катализатора, и во-вторых, образование дополнительных отходов - оксида алюминия с абсорбированным кремнием.

Из-за того, что концентрационные пределы самовоспламенения силана с кислородом лежат в диапазоне от 0 до 100% даже при отрицательных температурах, наиболее эффективным и экономически целесообразным является очистка отходящих газов от SiH₄ его сжиганием в атмосфере воздуха в специальных устройствах. При этом образующийся в реакции твердый диоксид кремния либо остается непосредственно в реакционной зоне, либо улавливается в циклонах и фильтрах твердых частиц.

Наиболее близким техническим решением является система обработки отходящих газов, содержащих силан [заявка Японии JP7185259 (А), МПКл. B01D 53/34, oп. 1995-07-25], в которой отходящие газы, содержащие силан и образующиеся в процессе обработки полупроводников, разбавляют азотом N₂, взаимодействуют с воздухом и проходят на фильтр для частиц и затем в каталитический реактор. Система оснащена аппаратом, создающим вращающийся поток, в который вводятся воздух и разбавленный отходящий газ, содержащий силан SiH₄, реактором с вихревыми токами, который соединен со стороны отвода из аппарата, создающего вращающийся поток, и в котором эти отходящие газы взаимодействуют с воздухом, и циклонным сепаратором, установленным на выходе потока из вихревого реактора и соединенным с ним очистной трубой. Фильтр частиц расположен в конце потока из циклонного сепаратора. Для увеличения конверсии силана предусмотрен каталитический реактор.

Недостатками данного способа является, во-первых, возможность очистки отходящих газов только с низким содержанием силана, для чего указанный газ разбавляется азотом; во-вторых, сложность аппаратурного оформления процесса - система состоит, по крайней мере, из пяти основных аппаратов; и, в-третьих, для высокой конверсии силана применяется дополнительный каталитический реактор.

Задача, стоящая перед разработчиками предлагаемой установки -разработка системы очистки отходящих газов от силана взаимодействием последнего с воздухом, отличающейся простотой аппаратурного оформления, с возможностью обработки газа, содержащего силан в широком диапазоне концентраций. Применение этой установки должно обеспечить наиболее полное извлечение SiH₄.

Сущность предлагаемой установки состоит в том, что она включает перечисленные аппараты в следующей последовательности (см. фигура 1):

подогреватель газов, реактор, циклон, фильтр; и линии, по которым проводят потоки: линию подачи газа, содержащего силан, линию подачи воздуха, линию отвода очищенного газа, и линию вывода диоксида кремния.

Реактор, в котором проводится взаимодействие силана с воздухом, имеет канал подачи отходящего газа, содержащего силан, канал подачи воздуха, зону обратных токов, камеру сгорания, выход очищенного газа и рубашку для теплоносителя, обеспечивающую поддержание температуры стенки реактора.

Устройство действует следующим образом: отходящий газ, содержащий силан, поступает в реактор 2, где происходит смешение выходящего газа с воздухом и последующая реакция между ними. Продукты реакции, содержащие твердые частицы диоксида кремния, поступают в систему удаления этих частиц, которая состоит из циклона и фильтра или только фильтра при низкой концентрации в газе твердых частиц. При низком содержании силана в отходящем газе, подаваемые в реактор газы (воздух и отходящие газы) предварительно подогревают до температуры 150-350°С.

Принципиальная схема очистки газа, содержащего силан, приведена на фигуре 1.

На фигуре 2 приведена схема реактора.

В аппарате такой конструкции реакция происходит в узкой зоне, называемой фронтом реакции, при температурах, близких к адиабатическим, при этом стабилизация фронта горения происходит за счет наличии зоны обратных токов, в которой часть продуктов реакции за счет завихрений возвращается в место ввода газов в камеру сгорания и нагревает их.

При низкой концентрации силана в отходящем газе реализуется низкая температура во фронте горения. В этом случае для повышения конверсии силана, а также для начальной инициации процесса в реактор подают нагретые (воздух и отходящие газы). В этом же случае, для повышения температуры в зоне реакции и предотвращения проскока непрореагировавшего силана вдоль холодных стенок реактора, в рубашку аппарата подают теплоноситель.

Ниже приведены примеры конкретной реализации процесса.

Используют реактор, схема которого приведена на фигуре 6, диаметром 50 мм, длиной 700 мм. Геометрические характеристики каналов для подачи воздуха и газа, содержащего силан, выбирали в зависимости от величины расходов газов.

Пример 1. В реактор подают воздух и смесь инертных газов и силана при комнатной температуре, в рубашку реактора подают теплоноситель с температурой 20°С. Исходная концентрация силана в газе составляет 84,0-5,1 об.%. При исходной концентрации 84,0-11,2 об.% конечная концентрация силана на выходе из реактора составляет менее 0,001 об.%. При исходной концентрации 9,8 об.% конечная концентрация составляет 0,001 об.%; при исходной концентрации 5,1 об.% конечная концентрация составляет 0,003 об.%.

Пример 2. В реактор подают нагретые воздух и смесь инертных газов и силана, а в рубашку реактора подают теплоноситель с температурой 20°С. Исходная концентрация силана в газе составляет 10,6-3,3 об.%. При исходной концентрации 10,6-5,8 об.% конечная концентрация силана на выходе из реактора составляет менее 0,001 об.%. При исходной концентрации 4,5 об.% конечная концентрация составляет 0,001 об.%; при исходной концентрации 3,3 об.% конечная концентрация составляет 0,002 об.%.

Пример 3. В реактор подают нагретые воздух и смесь инертных газов и силана, а в рубашку реактора подают теплоноситель с температурой 20°С.Исходная концентрация силана в газе составляет 6,2-1,1 об.%. При исходной концентрации 6,2-1,5 об.% конечная концентрация силана на выходе из реактора составляет менее 0,001 об.%. При исходной концентрации 1,1 об.% конечная концентрация составляет 0,001 об.%.

Пример 4. В реактор подают нагретые воздух и смесь инертных газов и силана, а в рубашку реактора подают теплоноситель с температурой 150°С. Исходная концентрация силана в газе составляет 2,2-0,1 об.%. При исходной концентрации 2,2-0,2 об.% конечная концентрация силана на выходе из реактора составляет менее 0,001 об.%. При исходной концентрации 0,1 об.% конечная концентрация составляет 0,001 об.%.

1. Установка для очистки отходящих газов в производстве силана, включающая линии подачи воздуха и отходящих газов, реактор взаимодействия отходящего газа с воздухом, фильтр и отвод для очищенного газа, отличающаяся тем, что включает последовательно расположенные аппараты: подогреватель для нагрева воздуха и отходящего газа, реактор, циклон, фильтр; и линии: подачи воздуха, подачи газа, содержащего силан, отвода диоксида кремния и выхода очищенного газа.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что реактор имеет канал подачи отходящего газа, содержащего силан, канал подачи воздуха, камеру сгорания, канал выхода очищенного газа и рубашку для теплоносителя.