EA027539B1 - Method and apparatus for silicon carbide production - Google Patents
Method and apparatus for silicon carbide production Download PDFInfo
- Publication number
- EA027539B1 EA027539B1 EA201500555A EA201500555A EA027539B1 EA 027539 B1 EA027539 B1 EA 027539B1 EA 201500555 A EA201500555 A EA 201500555A EA 201500555 A EA201500555 A EA 201500555A EA 027539 B1 EA027539 B1 EA 027539B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- reactor
- fluidized bed
- particles
- silicon carbide
- carbon
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области высокотемпературного синтеза тугоплавких материалов и предназначено для получения мелкодисперсного карбида кремния, а также других карбидов и нитридов или их комбинации в кипящем (псевдоожиженном) слое. Изобретение может найти применение в химической, металлургической и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of high-temperature synthesis of refractory materials and is intended to produce finely divided silicon carbide, as well as other carbides and nitrides, or a combination thereof in a fluidized bed. The invention may find application in the chemical, metallurgical and other industries.
Известен способ получения ультра-микрокристаллического карбидкремниевого продукта [1]. Способ включает создание стартовой порции из чистого углеродного материала или смеси со значительном избытком измельчённого углеродного материала и небольшим количеством диоксида кремния для получения первой порции реакционной смеси, предварительный ее нагрев и последующую обработку в кипящем слое путем продувки инертным газом с одновременным пропусканием через смесь электрического тока. Предварительный нагрев смеси проводят также в кипящем слое и с подачей электрического тока к первой стартовой порции частиц углеродного материала, достаточной для развития и поддержания температуры, при которой диоксид кремния реагирует с углеродным материалом с образованием карбида кремния. Электрический ток через реакционную смесь пропускают в течение времени, обеспечивающем протекание химической реакции практически для всего диоксида кремния. Затем проводят удаление готового продукта из зоны кипящего слоя под действием силы тяжести приблизительно одинаковым количеством реакционной смеси с возможностью поддержания в ней состояния динамического равновесия. Указанные выше операции на каждом этапе последовательно повторяют до тех пор, пока электрическое сопротивление прореагировавшей смеси не станет расти асимптотически и содержание карбида кремния в реакционной смеси не достигнет приблизительно 60%.A known method of producing ultra-microcrystalline silicon carbide product [1]. The method includes creating a starting portion of pure carbon material or mixture with a significant excess of crushed carbon material and a small amount of silicon dioxide to obtain the first portion of the reaction mixture, preheating it and subsequent processing in a fluidized bed by blowing with an inert gas while passing an electric current through the mixture. Preliminary heating of the mixture is also carried out in a fluidized bed and with an electric current supplied to the first starting portion of particles of carbon material, sufficient to develop and maintain a temperature at which silicon dioxide reacts with carbon material to form silicon carbide. An electric current is passed through the reaction mixture for a time, which ensures the course of a chemical reaction for almost all silicon dioxide. Then, the finished product is removed from the fluidized bed zone under the action of gravity with approximately the same amount of the reaction mixture with the possibility of maintaining a state of dynamic equilibrium in it. The above operations at each stage are sequentially repeated until the electrical resistance of the reacted mixture begins to grow asymptotically and the silicon carbide content in the reaction mixture reaches approximately 60%.
Недостатком способа является вывод шихты с готовым продуктом только под действием сил тяжести, что затрудняет получение чистого продукта - карбида кремния. Кроме того, способ отличается повышенным энергопотреблением из-за трех этапов процесса получения готового продукта, при котором периодически происходит частичное охлаждение смеси на каждом этапе. Недостатками способа являются также высокая продолжительность процесса и низкий, не более 60 %, выход карбида кремния.The disadvantage of this method is the conclusion of the mixture with the finished product only under the action of gravity, which makes it difficult to obtain a pure product - silicon carbide. In addition, the method is characterized by increased energy consumption due to three stages of the process of obtaining the finished product, in which the mixture is partially partially cooled at each stage. The disadvantages of the method are the high duration of the process and low, not more than 60%, the yield of silicon carbide.
Известен также способ термической обработки углеродсодержащего материала в псевдоожиженном слое и получение синтетического графита из углеродного материала [2]. Способ включает непрерывную подачу с контролируемой скоростью в зону кипящего слоя независимо от ожижающей среды серосодержащего углеродного материала в виде частиц диаметром более 0,008 дюйма (0,2 мм) и последующую непрерывную выгрузку из нее приблизительно равных порций серосодержащего углеродного материала для поддержания состояния динамического равновесия для углеродного материала. Согласно способу, ожижающую среду из инертного газа пропускают через серосодержащий углеродный материал в зоне кипящего слоя в направлении вверх из нижней части зоны кипящего слоя со скоростью, достаточной для устойчивого псевдоожижения. Нагрев серосодержащего углеродного материала, находящегося внутри зоны кипящего слоя в устойчивом псевдоожиженном состоянии, производят до температуры выше 1700°С, а управление температурой углеродного материала внутри зоны кипящего слоя осуществляют с возможностью обеспечения снижения содержания серы в материале до уровня не более 0,5%. Охлаждение серосодержащего углеродного материала производят в зоне охлаждения после его удаления из зоны кипящего слоя с разделением зоны кипящего слоя и зоны охлаждения для предотвращения попадания газов из зоны кипящего слоя в зону охлаждения. Для получения синтетического графита из углеродного материала производят его нагрев в устойчивом псевдоожиженном состоянии внутри зоны кипящего слоя до температуры выше 2200°С и последующее удаление из зоны кипящего слоя с охлаждением полученного продукта. Контролируемое поддержание температуры и среднее время пребывания углеродного материала в зоне кипящего слоя производят на уровне, достаточном для образования в заданных условиях синтетического графита с содержанием серы не более 0,5%.There is also known a method of heat treatment of carbon-containing material in a fluidized bed and the production of synthetic graphite from carbon material [2]. The method includes continuous supply at a controlled speed to the fluidized bed zone, regardless of the fluidizing medium, of sulfur-containing carbon material in the form of particles with a diameter of more than 0.008 inches (0.2 mm) and subsequent continuous unloading of approximately equal portions of sulfur-containing carbon material from it to maintain a dynamic equilibrium state for carbon material. According to the method, an inert gas fluidizing medium is passed through a sulfur-containing carbon material in the fluidized bed zone in an upward direction from the lower part of the fluidized bed zone at a speed sufficient for stable fluidization. The sulfur-containing carbon material inside the fluidized bed zone in a stable fluidized state is heated to a temperature above 1700 ° C, and the temperature of the carbon material inside the fluidized bed zone is controlled to ensure that the sulfur content in the material is reduced to a level of no more than 0.5%. The sulfur-containing carbon material is cooled in the cooling zone after it is removed from the fluidized bed zone with the separation of the fluidized bed zone and the cooling zone to prevent gases from the fluidized bed zone to enter the cooling zone. To obtain synthetic graphite from a carbon material, it is heated in a stable fluidized state inside the fluidized bed zone to a temperature above 2200 ° C and then removed from the fluidized bed zone with cooling of the resulting product. Controlled temperature maintenance and the average residence time of the carbon material in the fluidized bed zone are carried out at a level sufficient to form synthetic graphite with a sulfur content of not more than 0.5% under specified conditions.
Недостатком способа является вывод шихты с готовым продуктом только под действием сил тяжести, что снижает чистоту продукта, а также повышенное энергопотребление из-за сравнительно высокой длительности процесса синтеза графита.The disadvantage of this method is the conclusion of the charge with the finished product only under the action of gravity, which reduces the purity of the product, as well as increased energy consumption due to the relatively high duration of the process of synthesis of graphite.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ непрерывного производства карбидов, выбранный в качестве прототипа [3]. Способ включает подачу углеродсодержащего материала определенной крупности частиц в реактор кипящего слоя и создание кипящего слоя углеродсодержащего материала ожижающим инертным газом, подаваемым со скоростью, достаточной для псевдоожижения. Затем на электроды, находящиеся в непосредственном контакте с частицами углеродного материала в кипящем слое, для создания электрического тока, подают электрический потенциал. Ток проходит через материал слоя, находящийся между этими электродами. Разность потенциалов должна быть достаточной для нагрева указанного кипящего слоя до температуры, превышающей температуру разложения карбида кремния. При этом в кипящий слой, состоящий из относительно крупных частиц углеродного материала, подают более мелкие частицы углеродного материала. Размеры мелких и крупных частиц углеродного материала, а также скорость потока ожижающего инертного газа выбирают таким образом, чтобы мелкие частицы углеродного материала образовали слой более плотной фазы псевдоожижения, расположенный над кипящим слоем более крупных частиц. Температуру кипящего слоя мелких частиц поддерживают ниже температуры кипящего слоя более крупных частиц и ниже температуры разложения карбида кремния, но выше температуры, необходимой для образования карбида кремния при реакции соединенийClosest to the proposed invention is a method for the continuous production of carbides, selected as a prototype [3]. The method includes feeding a carbon-containing material of a certain particle size into a fluidized bed reactor and creating a fluidized bed of carbon-containing material with a fluidized inert gas supplied at a rate sufficient for fluidization. Then, electrodes that are in direct contact with particles of carbon material in a fluidized bed are supplied with an electric potential to create an electric current. Current flows through the layer material located between these electrodes. The potential difference should be sufficient to heat the specified fluidized bed to a temperature higher than the decomposition temperature of silicon carbide. While in the fluidized bed, consisting of relatively large particles of carbon material, serves smaller particles of carbon material. The sizes of the small and large particles of the carbon material, as well as the flow rate of the fluidizing inert gas, are chosen so that the small particles of the carbon material form a layer of a denser fluidization phase located above the fluidized bed of larger particles. The fluidized bed temperature of the fine particles is maintained below the fluidized bed temperature of the larger particles and below the decomposition temperature of silicon carbide, but above the temperature necessary for the formation of silicon carbide in the reaction of compounds
- 1 027539 кремния, находящихся в парогазовой фазе, и углерода в твёрдом состоянии. В кипящий слой более крупных частиц углеродного материала подают кремнийсодержащий материал для получения паров соединений кремния, которые направляют вверх через более холодный кипящий слой мелких частиц углеродного материала и реагируют с этими мелкими частицами с образованием материала, содержащего карбид кремния. Далее, твёрдые частицы, содержащие карбид кремния, под действием только силы тяжести непрерывно удаляются из реактора. Полученный материал, содержащий карбид кремния, обогащают путем отделением углерода от карбида кремния выжиганием углерода с переводом его в газообразную фазу в форме СО2.- 1 027539 silicon in the vapor-gas phase, and carbon in the solid state. A silicon-containing material is fed into a fluidized bed of larger particles of carbon material to produce silicon compound vapors that are directed upward through a cooler fluidized bed of fine particles of carbon material and react with these smaller particles to form silicon carbide-containing material. Further, solid particles containing silicon carbide, under the action of only gravity, are continuously removed from the reactor. The resulting material containing silicon carbide is enriched by separating carbon from silicon carbide by burning carbon to transfer it to the gaseous phase in the form of CO 2 .
Недостатком прототипа являются низкое процентное содержание карбида кремния в готовом продукте, обусловленное невозможностью создания четкой границы в кипящем слое между слоями мелких и более крупных частиц углерода и поддержание необходимых значений между температурой разложения карбида кремния и температурой, необходимой для реакции между парами кремния и твёрдым углеродом.The disadvantage of the prototype is the low percentage of silicon carbide in the finished product, due to the impossibility of creating a clear boundary in the fluidized bed between the layers of small and larger carbon particles and maintaining the necessary values between the decomposition temperature of silicon carbide and the temperature necessary for the reaction between silicon vapor and solid carbon.
Недостатком также является загрязнение продукта кремнеземом из-за его неэффективной сепарации только под действием силы тяжести при выводе продукта через отверстие в газораспределительной решетке или на уровне высоты кипящего слоя.The disadvantage is the contamination of the product with silica due to its ineffective separation only under the action of gravity when the product is removed through an opening in the gas distribution grid or at the level of the fluidized bed height.
Известна установка для термической обработки углеродсодержащего материала в псевдоожиженном слое [2]. Установка содержит печь, включающую камеру нагрева и камеру охлаждения, расположенную под камерой нагрева. Камера нагрева имеет большей частью цилиндрическую форму, ограничена сужающейся нижней частью и помещена в толстый слой термоизоляции, который заключен в металлический кожух. В верхней части камеры нагрева содержится отверстие, в котором смонтирован длинный стержневой электрод из токопроводящего устойчивого к высоким температурам материала, например, из графита. К концу электрода за пределами камеры нагрева крепится электрический разъём, к которому подключается источник электроэнергии напряжением от 20 до 200В, но предпочтительно использовать напряжение от 80 до 120 В. У края стенки в нижней части цилиндрической камеры нагрева находится второй электрод в виде втулки, расположенный коаксиально относительно вертикального электрода. Ко второму электроду для подключения к источнику электроэнергии подсоединён второй разъём, который расположен за пределами камеры нагрева и может быть заземлён. После загрузки в печь углеродсодержащего материала через загрузочное отверстие, расположенное в ее верхней части, и подачи напряжения на указанные электроды, материал быстро нагревается за счёт непосредственного резистивного нагрева. В нижней части печи выполнено отверстие, соединенное с трубой, по которой готовый продукт под действием силы тяжести поступает в нижнюю часть установки в камеру охлаждения и замещает уже обработанный ранее продукт. Камера охлаждения снабжена теплообменниками с водоохлаждаемыми кожухами и горизонтальным шнеком. Температура продукта в камере охлаждения понижается до 1100°С, а из установки продукт выводится с температурой 200°С.A known installation for heat treatment of carbon-containing material in a fluidized bed [2]. The installation comprises a furnace, including a heating chamber and a cooling chamber located under the heating chamber. The heating chamber has a mostly cylindrical shape, is limited by a tapering lower part and is placed in a thick layer of thermal insulation, which is enclosed in a metal casing. In the upper part of the heating chamber there is a hole in which a long rod electrode of a conductive material resistant to high temperatures, for example, graphite, is mounted. An electrical connector is attached to the end of the electrode outside the heating chamber, to which an electric power source of 20 to 200 V is connected, but it is preferable to use a voltage of 80 to 120 V. A second electrode in the form of a sleeve located coaxially is located at the wall edge in the lower part of the cylindrical heating chamber relative to the vertical electrode. A second connector is connected to the second electrode for connecting to a power source, which is located outside the heating chamber and can be grounded. After loading carbon-containing material into the furnace through a loading hole located in its upper part and applying voltage to these electrodes, the material quickly heats up due to direct resistive heating. In the lower part of the furnace, a hole is made, connected to a pipe, through which the finished product, under the action of gravity, enters the lower part of the installation into the cooling chamber and replaces the previously processed product. The cooling chamber is equipped with heat exchangers with water-cooled casings and a horizontal screw. The temperature of the product in the cooling chamber drops to 1100 ° C, and the product is removed from the unit with a temperature of 200 ° C.
Недостатком аналога является удаление готового продукта из установки только за счет силы тяжести, при котором происходит попадание части более плотных частиц исходного материала в систему выгрузки готового продукта, а также конструктивная невозможность рекуперации тепла выводимого продукта, что повышает энергопотребление установки.The disadvantage of the analogue is the removal of the finished product from the installation only due to gravity, at which some of the denser particles of the starting material get into the unloading system of the finished product, as well as the constructive impossibility of recovering the heat of the output product, which increases the energy consumption of the installation.
Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является установка для осуществления способа получения карбида кремния с реактором кипящего слоя, описанная в патенте [3]. Установка содержит цилиндрический реактор из огнеупорного и электропроводящего материала, например, графита и служащего первым электродом, который непосредственно соприкасается с частицами кипящего слоя. Вторым электродом служит цилиндрический стержень также из графита, расположенный по центру реактора и погруженный в кипящий слой токопроводящих частиц. Реактор в нижней части содержит газораспределительную решетку с отверстиями для подачи инертного газа для образования кипящего слоя, которая смонтирована с образованием подрешеточной камеры и камеры псевдоожиженного слоя, расположенной над решеткой. При этом диаметр камеры в нижней зоне кипящего слоя меньше диаметра камеры в верхней зоне кипящего слоя. В верхней части камеры псевдоожиженного слоя расположены загрузочное отверстие для подачи углеродного материала и патрубок отвода отработанных газов и газообразных продуктов реакции. В нижней части реактора выполнено разгрузочное отверстие, расположенное в центре газораспределительной решетки для удаления полученного твердого продукта реакции, непрерывно удаляемого только под действием силы тяжести.The closest analogue selected as a prototype is the installation for implementing the method of producing silicon carbide with a fluidized bed reactor described in the patent [3]. The installation comprises a cylindrical reactor of refractory and electrically conductive material, for example, graphite and serving as the first electrode, which is in direct contact with the particles of the fluidized bed. The second electrode is a cylindrical rod also of graphite, located in the center of the reactor and immersed in a fluidized bed of conductive particles. The lower part of the reactor contains a gas distribution grid with openings for supplying an inert gas to form a fluidized bed, which is mounted to form a sublattice chamber and a fluidized bed chamber located above the grid. The diameter of the chamber in the lower zone of the fluidized bed is less than the diameter of the chamber in the upper zone of the fluidized bed. In the upper part of the fluidized bed chamber, there is a loading opening for supplying carbon material and a branch pipe for exhaust gases and gaseous reaction products. In the lower part of the reactor there is a discharge opening located in the center of the gas distribution grid to remove the resulting solid reaction product, which is continuously removed only by gravity.
Недостатки прототипа заключаются в следующем.The disadvantages of the prototype are as follows.
Газораспределительная решетка выполнена в виде горизонтального плоскопараллельного диска, что затрудняет выгрузку готового продукта из реактора.The gas distribution grill is made in the form of a horizontal plane-parallel disk, which makes it difficult to unload the finished product from the reactor.
Разгрузочное отверстие в центре газораспределительной решетки выполнено с постоянным сечением, что затрудняет удаление готового продукта из реактора под воздействием только за счет силы тяжести и снижает его качество из-за загрязнения крупными плотными частицами исходного материала кремнезема.The discharge hole in the center of the gas distribution grill is made with a constant cross-section, which makes it difficult to remove the finished product from the reactor under the influence of only gravity and reduces its quality due to contamination with large dense particles of the starting material of silica.
Конструктивно, подача в реактор ожижающего инертного газа только через отверстия в газораспределительной решётке и расширение сечения реактора выше кипящего слоя крупных частиц, приводит кStructurally, the supply to the reactor of a fluidizing inert gas only through holes in the gas distribution grid and the expansion of the reactor section above the fluidized bed of large particles leads to
- 2 027539 интенсивному перемешиванию частиц кипящего слоя в этой зоне, что препятствует созданию четкой границы в кипящем слое между слоями мелких и более крупных частиц углерода и поддержанию необходимой разницы значений между температурами разложения карбида кремния и температурой образования карбида кремния в соответствующих слоях.- 027539 intensive mixing of fluidized bed particles in this zone, which prevents a clear boundary in the fluidized bed between the layers of small and larger carbon particles and the maintenance of the necessary difference between the temperatures of decomposition of silicon carbide and the temperature of formation of silicon carbide in the corresponding layers.
Конструкция устройства имеет повышенную сложность из-за необходимости использования в технологии двух различных фракций углеродосодержащего материала.The design of the device has increased complexity due to the need to use two different fractions of carbon-containing material in the technology.
Задачей изобретения является создание способа и устройства, свободных от указанных недостатков, и повышение качества готового продукта - карбида кремния и других карбидов и нитридов, снижение энергоемкости и упрощение конструкции установки.The objective of the invention is to create a method and device that is free from these disadvantages, and improving the quality of the finished product - silicon carbide and other carbides and nitrides, reducing energy consumption and simplifying the design of the installation.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности способа и упрощение конструкции установки.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the method and simplify the design of the installation.
Техническим результатом изобретения является снижение энергоемкости процесса, повышение качества готового продукта и производительности установки.The technical result of the invention is to reduce the energy intensity of the process, improving the quality of the finished product and the performance of the installation.
Технический результат достигается тем, что в способе получения карбида кремния, включающим ввод в реактор углеродосодержащего материала, создание кипящего слоя углеродосодержащего материала путем подачи ожижающего инертного газа через газораспределительную решетку, пропускание электрического тока через слой материала с нагревом его до температуры выше температуры разложения диоксида кремния, поддержание температуры кипящего слоя выше температуры образования карбида кремния при реакции диоксида кремния в парогазовой фазе с углеродом в твердом состоянии, но ниже температуры разложения карбида кремния, подачу кремнийсодержащего материала в кипящий слой из частиц углеродного материала для получения паров соединений кремния для образования материала, содержащего карбид кремния, удаление полученного материала в непрерывном режиме через систему вывода из реактора под действием силы тяжести и последующее его обогащение с получением готового продукта, согласно изобретению, углеродсодержащий материал в виде частиц заданного диаметра бр с загружают в реактор, затем в реактор подают ожижающий инертный газ со скоростью И(= (1,0^3,0)Ит£, где Ит£- скорость минимального псевдоожижения и подают кремнийсодержащий материал в виде частиц , ЛИЛ заданного диаметра р , при этом соотношение размеров частиц углерода и кремнийсодержащего материалов выбирают из условия равенства их минимальных скоростей псевдоожижения с учетом изменения их диаметра и плотности в процессе реакции образования карбида кремния для обеспечения максимальной скорости реакции согласно уравнению:The technical result is achieved in that in a method for producing silicon carbide, comprising introducing carbon-containing material into the reactor, creating a fluidized bed of carbon-containing material by supplying a fluidizing inert gas through a gas distribution grid, passing an electric current through the material layer with heating it to a temperature above the decomposition temperature of silicon dioxide, maintaining the temperature of the fluidized bed above the temperature of formation of silicon carbide during the reaction of silicon dioxide in the vapor-gas phase with carbon the house is in a solid state, but lower than the decomposition temperature of silicon carbide, feeding a silicon-containing material into a fluidized bed of carbon material particles to produce silicon compound vapors to form silicon carbide-containing material, removing the resulting material in a continuous mode through the gravity exhaust system and its subsequent enrichment to obtain the finished product, according to the invention, the carbon-containing material in the form of particles of a given diameter b r s is loaded into the reactor, then a fluidizing inert gas is supplied to the reactor at a speed of I (= (1.0 ^ 3.0) And t £ , where And t £ is the minimum fluidization rate and silicon-containing material in the form of particles, LIL of a given diameter p , is supplied, with the ratio of particle sizes carbon and silicon-containing materials are selected from the condition of equality of their minimum fluidization rates, taking into account changes in their diameter and density during the formation of silicon carbide to ensure maximum reaction rate according to the equation:
АгAg
Я* / *I* / *
Л-Рх) (2) где Агс - число Архимеда равное: ' д - ускорение свободного падения;L-Px) (2) where Ar c is the number of Archimedes equal: 'e is the acceleration of gravity;
бр с - диаметр углеродных частиц;b r s - diameter of carbon particles;
с ρ р - плотность углеродных частиц; with ρ p is the density of carbon particles;
, ΆΟ, а ~ р - диаметр частиц кремнийсодержащего материала;, ΆΟ, a ~ p is the particle diameter of the silicon-containing material;
п к р - плотность частиц кремнийсодержащего материала;p to p - the density of particles of silicon-containing material;
рд - плотность ожижающего газа;p d is the density of the fluidizing gas;
ν6 - кинематическая вязкость ожижающего газа;ν 6 is the kinematic viscosity of the fluidizing gas;
К - поправочный коэффициент, учитывающий изменение размеров и плотностей исходных частиц в процессе реакции образования карбида кремния, а процесс образования материала, содержащего карбид кремния, ведут при абсолютном давлении от 0,1 до 0,15 МПа, при этом поправочный коэффициент выбирают в интервале К=1,5-1,7, а удаление из реактора полученного материала производят с его дополнительной сепарацией посредством подачи в реактор через газораспределительную решетку ожижающего инертного газа с расходом 0£ 1=(0,7-0,9)·υ£·δΓ м3/ч и одновременной подачей ожижающего инертного газ с расходом С£2=(0,10,3)·υ£·δΓ м3/ч через систему удаления, где 8Г - площадь поперечного сечения реактора.K is a correction factor that takes into account changes in the sizes and densities of the starting particles during the silicon carbide formation reaction, and the process of forming a material containing silicon carbide is carried out at an absolute pressure of 0.1 to 0.15 MPa, while the correction coefficient is chosen in the range of K = 1.5-1.7, and the obtained material is removed from the reactor with its additional separation by feeding a fluidizing inert gas to the reactor through a gas distribution grid with a flow rate of 0 £ 1 = (0.7-0.9) · υ £ · δΓ m3 / h and simultaneously innings minutes inert fluidizing gas at a rate of C £ 2 = (0,10,3) · υ £ · δΓ m 3 / hr through removal system where 8D - sectional area of the reactor.
Суммарный расход ожижающего инертного газа С£ м3/ч для псевдоожижения слоя и удаления из реактора полученного материала с его дополнительной сепарацией выбирают из расчета С£1+С£2=С£.The total flow rate of the fluidizing inert gas C £ m 3 / h for fluidization of the bed and removal of the material obtained from the reactor with its additional separation is chosen from the calculation of C £ 1 + C £ 2 = C £ .
Температуру в кипящем слое поддерживают равной температуре образования материала, содержащего карбид кремния, но не выше 1900°С.The temperature in the fluidized bed is maintained equal to the temperature of formation of the material containing silicon carbide, but not higher than 1900 ° C.
- 3 027539- 3 027539
Технический результат достигается также тем, что в установке для получения карбида кремния, содержащей цилиндрический реактор из графита, служащий первым электродом и непосредственно соприкасающийся с частицами кипящего слоя, второй электрод в виде цилиндрического стержня также из графита, расположенный по центру реактора и погруженный в кипящий слой частиц, газораспределительную решетку с отверстиями для подачи инертного газа для образования кипящего слоя, смонтированную в нижней части реактора с образованием подрешеточной камеры и камеры кипящего слоя, расположенной над решеткой с диаметром в нижней зоне кипящего слоя меньше диаметра камеры в верхней зоне кипящего слоя, загрузочное отверстие для подачи углеродного и кремнийсодержащего материалов и патрубок отвода газообразных продуктов реакции в верхней части камеры кипящего слоя, разгрузочный канал, выполненный в центре газораспределительной решетки для непрерывного удаления полученного твердого продукта реакции под действием силы тяжести, согласно изобретению, газораспределительная решетка выполнена в виде конуса, с углом конуса от ее центра к стенкам реактора 5-10°, а разгрузочный канал в газораспределительной решетке выполнен расширяющимся, в виде усеченного конуса с вершиной, направленной вверх, и герметично соединен с огнеупорной трубой для вывода полученного продукта, при этом керамическая труба снабжена запорным толкателем с наконечником в виде конусной пробки с возможностью его вертикального перемещения вдоль указанной трубы для перекрытия разгрузочного конусного канала в газораспределительной решетке или формирования кольцеобразной выпускной щели с регулируемой площадью сечения 81; верхняя часть реактора содержит герметично соединенный с реактором верхний стакан из графита, в котором выполнены каналы для ввода исходных продуктов реакции, вывода отходящих газов и электрических контактов для подвода электропитания к электродам, а нижняя часть реактора герметично соединена с нижним стаканом из графита с отверстием для ввода инертного газа в подрешеточное пространство и с газораспределительной решеткой снабженной отверстием в центре, через которое пропущена огнеупорная труба для вывода полученного продукта, при этом реактор заключен в герметичный защитный кожух, в нижней и верхней частях которого выполнены патрубки с продувочными каналами и отверстия для подсоединения к реактору средств управления и обслуживания.The technical result is also achieved by the fact that in the installation for producing silicon carbide containing a cylindrical reactor made of graphite, serving as the first electrode and directly in contact with the particles of the fluidized bed, the second electrode in the form of a cylindrical rod also of graphite, located in the center of the reactor and immersed in a fluidized bed particles, gas distribution grid with holes for supplying an inert gas to form a fluidized bed mounted in the lower part of the reactor with the formation of a sublattice chamber and a fluidized bed chamber located above a grate with a diameter in the lower zone of the fluidized bed less than the diameter of the chamber in the upper zone of the fluidized bed, a feed opening for supplying carbon and silicon-containing materials and a pipe for removing gaseous reaction products in the upper part of the fluidized bed chamber, a discharge channel made in the center of the gas distribution grill for continuous removal of the obtained solid reaction product under the action of gravity, according to the invention, the gas distribution grill is made in ide cone, with a cone angle from its center to the walls of the reactor 5-10 °, and the discharge channel in the gas distribution grid is made expanding, in the form of a truncated cone with the apex pointing up, and hermetically connected to the refractory pipe to withdraw the resulting product, while the ceramic the pipe is equipped with a locking pusher with a tip in the form of a cone tube with the possibility of vertical movement along the specified pipe to block the discharge cone channel in the gas distribution grid or form a ring braznoy outlet gap with an adjustable cross-sectional area August 1; the upper part of the reactor contains a graphite upper glass which is tightly connected to the reactor, in which channels are made for introducing the initial reaction products, exhaust gases and electrical contacts for supplying power to the electrodes, and the lower part of the reactor is hermetically connected to the lower graphite glass with an input opening inert gas into the sublattice space and with a gas distribution grill equipped with an opening in the center through which a refractory pipe is passed to withdraw the product obtained, at th reactor is enclosed in a sealed protective housing, the lower and upper parts of which are made with tubes purge channels and holes for connecting to the reactor control and maintenance means.
Средства управления реактора включают систему газоанализа и автоматизированного управления и контроля основных параметров процесса.Reactor controls include a gas analysis system and automated control and monitoring of key process parameters.
Средства обслуживания реактора включают функционально связанные системы: газораспределения, подачи исходных материалов, вывода из реактора и сбора готового продукта, вывода и утилизации газообразных продуктов реакции, улавливания твердых продуктов реакции и систему с регулируемым источником электропитания.Reactor maintenance facilities include functionally coupled systems: gas distribution, supply of raw materials, withdrawal from the reactor and collection of the finished product, withdrawal and utilization of gaseous reaction products, capture of solid reaction products, and a system with an adjustable power supply.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показано: на фиг. 1 - схема реактора в продольном сечении; на фиг. 2 - принципиальная блок-схема установки.The invention is illustrated by drawings, which show: in FIG. 1 is a longitudinal diagram of a reactor; in FIG. 2 is a schematic block diagram of the installation.
на фиг. 3 и 4 - графики зависимости процентного содержания оксида углерода в газообразных продуктах реакции от времени реакции с различными параметрами исходных частиц углеродного материала и оксида кремния.in FIG. 3 and 4 are graphs of the percentage of carbon monoxide in gaseous reaction products versus reaction time with various parameters of the initial particles of carbon material and silicon oxide.
Установка для получения карбида кремния содержит вертикальный цилиндрический реактор 1, корпус 37 которого служит одним из электродов и выполнен из огнеупорного и электропроводящего материала, например графита, в виде цельной трубы, диаметр которой в нижней зоне кипящего слоя 19 меньше ее диаметра в верхней зоне; нижний стакан 2 из графита, герметично соединенный с корпусом 37 реактором 1, с газораспределительной решеткой 14 в виде конуса с углом от центра к стенкам реактора 5-10° с отверстиями 15, которая разделяет подрешеточную камеру 21 и зону кипящего слоя 19 над решеткой 14, с каналом Г для вывода полученного продукта через отверстие 5 в керамической трубке 7 и каналом А в керамической трубке 8 для ввода инертного газа в подрешеточное пространство 21; канал выгрузки Г для вывода готового продукта и его сепарации подачей ожижающего инертного газа через отверстие 3 в центре газораспределительной решетки 14, выполнен в виде усеченного конуса с направленной вверх вершиной, и герметично связан с керамической трубой 7 с помещенным в ней запорным толкателем 6 с наконечником 4 в виде конусной пробки с возможностью вертикального перемещения вдоль трубы 7 и перекрытия разгрузочного отверстия 3 или формирования кольцеобразной выпускной щели с регулируемой площадью сечения 81; верхний стакан 9, герметично соединенный с корпусом 37 реактора 1 и снабжен каналом ввода термопары 18, каналом ввода исходных продуктов реакции Б, через огнеупорную трубку 10, каналом вывода газов В, через огнеупорную трубку 11, а также каналами с огнеупорными трубками 13, 17 подвода электропитания к первому электроду в виде корпуса 37 реактора 1 через подводящий электрод 12 и второму электроду 16 в виде цилиндрического стержня из графита, защищенного от электрического контакта с верхним стаканом огнеупорной трубкой 17, расположенного по центру реактора 1 и погруженного в кипящий слой 19; герметичный кожух реактора 25 с футеровкой 24, верхним 26 и нижним 27 фланцами из нержавеющей стали, обеспечивающим герметичный вывод трубок 7, 8, 10, 11, 13, 17 и термопары 18; систему продувки реактора инертным газом с каналами Д - Е для удаления кислорода из кожуха через патрубки 22, 23 и систему коммуникаций для подсоединения к реактору 1 средств обслуживания и управления, которые включают (фиг. 2) системы: газораспределения 28,Installation for producing silicon carbide contains a vertical cylindrical reactor 1, the housing 37 of which serves as one of the electrodes and is made of refractory and electrically conductive material, such as graphite, in the form of a solid pipe whose diameter in the lower zone of the fluidized bed 19 is less than its diameter in the upper zone; graphite bottom 2, hermetically connected to the housing 37 of the reactor 1, with a gas distribution grid 14 in the form of a cone with an angle from the center to the walls of the reactor 5-10 ° with holes 15, which separates the sublattice chamber 21 and the fluidized bed zone 19 above the grating 14, with channel G for outputting the obtained product through the hole 5 in the ceramic tube 7 and channel A in the ceramic tube 8 for introducing inert gas into the sublattice space 21; discharge channel G for outputting the finished product and separating it by supplying a fluidizing inert gas through a hole 3 in the center of the gas distribution grid 14, is made in the form of a truncated cone with an upward pointing top, and is tightly connected to the ceramic pipe 7 with a locking pusher 6 in it with a tip 4 in the form of a cone plug with the possibility of vertical movement along the pipe 7 and overlapping the discharge opening 3 or the formation of an annular outlet slit with an adjustable cross-sectional area 8 1 ; the upper glass 9, hermetically connected to the housing 37 of the reactor 1 and is equipped with a channel for input of a thermocouple 18, a channel for input of the starting products of reaction B, through a refractory tube 10, a channel for exhaust gases B, through a refractory tube 11, and also channels with refractory tubes 13, 17 for supply power supply to the first electrode in the form of a housing 37 of the reactor 1 through the supply electrode 12 and the second electrode 16 in the form of a cylindrical rod of graphite, protected from electrical contact with the upper glass by a refractory tube 17 located in the center of the reaction torus 1 and immersed in a fluidized bed 19; a tight reactor jacket 25 with a lining 24, an upper 26 and a lower 27 stainless steel flanges, providing a tight outlet of the tubes 7, 8, 10, 11, 13, 17 and thermocouples 18; an inert gas purge system with channels D - E for removing oxygen from the casing through nozzles 22, 23 and a communication system for connecting to the reactor 1 maintenance and control equipment, which include (Fig. 2) gas distribution systems 28,
- 4 027539 подачи исходных материалов 29, газового анализа 30, вывода и утилизации газообразных продуктов реакции 31, улавливания твердых продуктов реакции 32, контроля параметров процесса 34, автоматизированного управления 35, вывода из реактора и сбора готового продукта 36 и регулируемый источник питания 33.- 4 027539 supply of raw materials 29, gas analysis 30, withdrawal and utilization of gaseous reaction products 31, capture of solid reaction products 32, control of process parameters 34, automated control 35, withdrawal from the reactor and collection of the finished product 36 and an adjustable power source 33.
Способ и установка работают следующим образом.The method and installation work as follows.
Изготавливают компоненты установки и производят их сборку в соответствии с технологическим регламентом. Предварительно в реактор с помощью системы подачи исходных материалов 29 через трубку 10 по каналу Б загружают шихту исходного количества частиц углеродного материала 20 массой Мс, кг, и высотой Нсл0, м, без учета псевдоожижения с заданным распределением частиц по размерам с/ ( р - средний диаметр частиц слоя, м) в виде высокопористого каменноугольного кокса. Далее, производят продувку инертным газом (Ν2, Аг или др.) последовательно всех систем установки (фиг. 2): газораспределения 28, подачи исходных материалов 29, газового анализа 30, вывода и утилизации газообразных продуктов реакции 31, улавливания твердых продуктов реакции 32, вывода из реактора и сбора готового продукта 36, а также через каналы Д и Е продувку внутренней полости между внешней стенкой реактора 1 и защитным кожухом 25 и газовых магистралей (на чертеже не показаны) для удаления из технологической среды следов воздуха и влаги.The components of the installation are made and assembled in accordance with the technological regulations. Previously, in the reactor using the feed system 29 through a tube 10 through channel B, a charge of the initial quantity of particles of carbon material 20 is loaded with a mass of Ms, kg, and a height of H sl0 , m, without taking into account fluidization with a given particle size distribution s / (p - the average particle diameter of the layer, m) in the form of highly porous coal coke. Next, an inert gas (Ν 2 , Ar or other) is purged sequentially of all installation systems (Fig. 2): gas distribution 28, supply of raw materials 29, gas analysis 30, withdrawal and utilization of gaseous reaction products 31, recovery of solid reaction products 32 , withdrawal from the reactor and collection of the finished product 36, as well as through the channels D and E, purging the internal cavity between the outer wall of the reactor 1 and the protective casing 25 and gas lines (not shown) to remove traces of air and moisture from the process medium.
Получение карбида кремния производят в автоматизированном режиме. Для этого, в процессе вывода реактора 1 на заданное значение температуры, которую измеряют термопарой 18, производят его прогрев до выхода на стационарный режим с одновременной подачей в нижнюю часть реактора 1 через отверстия 15 в газораспределительной решетке 14 ожижающего инертного газа с расходом Су для: создания кипящего слоя 19 загруженных частиц 20 углеродного материала со скоростью ϋί=(1,0-3,0)ϋωβ где ишГ скорость их минимального псевдоожижения. Нагрев производят до температуры выше температуры разложения диоксида кремния электротермическим путем, пропуская электрический ток через кипящий слой, для чего на первый электрод - корпус 37 реактора 1 через подводящий электрод 12 и второй электрод 16 подают электрическое напряжение от регулируемого источника питания 33.Getting silicon carbide is produced in an automated mode. To do this, in the process of bringing reactor 1 to a predetermined temperature value, which is measured by thermocouple 18, it is heated until it reaches the stationary mode with simultaneous supply of fluidizing inert gas to the lower part of reactor 1 through openings 15 in the gas distribution grid 14 with a flow rate Su for: fluidized bed 19 of the loaded particles 20 of carbon material with a speed of ϋί = (1.0-3.0) ϋ ω β where and wG the speed of their minimum fluidization. Heating is carried out to a temperature above the decomposition temperature of silicon dioxide by electrothermal flow of electric current through a fluidized bed, for which the first electrode - the housing 37 of the reactor 1 through the supply electrode 12 and the second electrode 16 is supplied with electric voltage from an adjustable power source 33.
Схематически химическая реакция между диоксидом кремния διθ2 и углеродом С представлена брутто-реакцией:Schematically, the chemical reaction between silicon dioxide διθ 2 and carbon C is represented by the gross reaction:
ЗЮ2 +ЗС = ЗхС + 2СС» (1).ЗУ 2 + ЗС = ЗхС + 2СС »(1).
Процесс ведут при температуре 1500 - 1900°С, но не выше 1900°С и абсолютном давлении от 0,1 до 0,15 МПа.The process is carried out at a temperature of 1500 - 1900 ° C, but not higher than 1900 ° C and an absolute pressure of 0.1 to 0.15 MPa.
После достижения кипящим слоем 19 рабочей температуры и выхода на стационарный режим в ремс актор 1 подают мелкодисперсные частицы διθ2 с заданным распределением их по размерам ( средний диаметр частиц δίθ2, м). При этом соотношение частиц углеродного материала Р и частиц ρ διθ2 выбирают согласно формуле (1), с поправочным коэффициентом в интервале К=1,5-1,7.After the fluidized bed 19 reaches the operating temperature and reaches the stationary mode, finely dispersed particles διθ 2 with a given size distribution (average particle diameter δίθ 2 , m) are fed into the Rems actor 1. The ratio of the particles of the carbon material P and the particles ρ διθ 2 is chosen according to formula (1), with a correction coefficient in the range K = 1.5-1.7.
В случае синтеза δϊ-С, когда перемешивание частиц сопровождается процессами нагрева, плавления и разложения, увеличивается диаметра частиц углеродного материала и их плотность, уменьшается диаметра частиц διθ2, и происходит смещение максимума интенсивности реакции образования карбида кремния в сторону более низких соотношений их диаметров, что представлено на фиг. 3 и 4.In the case of δϊ-С synthesis, when the mixing of particles is accompanied by heating, melting and decomposition processes, the diameter of the particles of the carbon material and their density increase, the particle diameter διθ 2 decreases, and the maximum of the intensity of the silicon carbide formation reaction shifts to lower ratios of their diameters, as shown in FIG. 3 and 4.
Удаление из реактора 1 полученного материала производят по каналу Г через керамическую трубу 7 под действием силы тяжести с дополнительной сепарацией подачей инертного газа в трубку 7, а выбранные параметры угла конуса газораспределительной решетки 14 в интервале 5-10° от центра к стенкам реактора 1 обеспечивают оптимальную динамику движения образовавшихся более крупных и плотных частиц кипящего слоя в зоне 19 кипящего слоя к центру решетки 14. При выводе из реактора 1 полученного материала, содержащего карбид кремния, через отверстие 3 в разгрузочный канал Г подают инертный газ с расходом θ£2=(0,1-0,3)·ϋ£·δΓ м3/ч и одновременно в реактор 1 через газораспределительную решетку 14, из подрешеточной камеры 21 подают ожижающий инертный газ с расходом θ/=(0,7-0,9)·ϋρδΓ м3/ч. Скорость потока инертного газа, подаваемого через канал Г в керамической трубке 7, и процесс дополнительной сепарации частиц регулируют изменением площади сечения δμ кольцеобразной выпускной щели разгрузочного канала. Для этого производят вертикальное перемещение запорного толкателя 6 в трубке 7, при этом наконечник 4 в виде конусной пробки будет частично перекрывать разгрузочное отверстие 3, регулируя площадь сечения δμ кольцеобразной выпускной щели, при этом суммарный расход инертного газа Су, м3/ч, для псевдоожижения слоя 19 и удаления из реактора 1 полученного материала с его дополнительной сепарацией выбирают из расчета Су1+Су2=Су. Отработанные газообразные продукты реакции удаляют из реактора 1 по каналу В в верхнем стакане 9 через системы: газового анализа 30, вывода и утилизации газообразных продуктов реакции 31 с последующим улавливанием из них твердых продуктов реакции в системе 32.Removal of the obtained material from the reactor 1 is carried out through channel G through a ceramic pipe 7 under the action of gravity with additional separation by supplying an inert gas to the pipe 7, and the selected parameters of the cone angle of the gas distribution grid 14 in the range of 5-10 ° from the center to the walls of the reactor 1 the dynamics of the movement of the formed larger and denser particles of the fluidized bed in the zone 19 of the fluidized bed to the center of the lattice 14. When withdrawing from the reactor 1 the obtained material containing silicon carbide through the hole 3 in the discharge uzochny channel F is fed inert gas at a rate of 2 θ £ = (0,1-0,3) · ϋ £ · δΓ m 3 / h and simultaneously to the reactor 1 through a gas distributor grid 14, the sublattice of the chamber 21 is supplied with fluidizing inert gas flow rate θ / = (0.7-0.9) · ϋρδΓ m 3 / h. The inert gas flow rate supplied through the channel G in the ceramic tube 7 and the process of additional particle separation are controlled by changing the cross-sectional area δμ of the annular outlet slit of the discharge channel. To do this, the locking pusher 6 is vertically moved in the tube 7, while the tip 4 in the form of a cone plug partially overlaps the discharge opening 3, adjusting the cross-sectional area δμ of the annular outlet gap, while the total inert gas flow rate Su, m 3 / h, for fluidization layer 19 and removal from the reactor 1 of the obtained material with its additional separation is selected from the calculation of Su 1 + Su 2 = C y . Spent gaseous reaction products are removed from the reactor 1 through channel B in the upper glass 9 through the systems: gas analysis 30, withdrawal and disposal of gaseous reaction products 31, followed by trapping of the solid reaction products from them in system 32.
Ниже приведены конкретные примеры реализации способа для получения мелкодисперсного карбида кремния δί-С в электротермическом кипящем слое.The following are specific examples of the implementation of the method for producing finely divided δί-C silicon carbide in an electrothermal fluidized bed.
- 5 027539- 5 027539
Пример 1. В реактор 1 загружают с помощью системы 29 исходные материалы через трубку 10. При этом сначала подают исходное количество Мс частиц углеродного материала 20 (Мс - масса исходной загруженной шихты, кг) с высотой Нсл0 м исходной засыпки без учета псевдоожижения, фракции частиц с ά С с диаметром йр =0,25-0,4 мм ( рExample 1. Initial materials are loaded into the reactor 1 using system 29 through a tube 10. In this case, the initial amount of Ms of particles of carbon material 20 (Ms is the mass of the initial charged charge, kg) with a height of N sl 0 m of the initial charge without taking into account fluidization and fractions is first supplied. particles with ά C with diameter r p = 0.25-0.4 mm (p
А/ „,-т ι..,.. , . =0,325 мм) с заданным распределением частиц по размерам ( ’р средний диаметр частиц слоя, м) в виде высокопористого каменноугольного кокса с истинной плотностью рр с=500 кг/м3. Производят продувку Ν2 или Аг или другим инертным газом всех систем (28, 29, 30, 31, 32) установки (фиг. 2). Через каналы Д и Е также продувают внутреннюю полость между внешней стенкой реактора 1 и защитным кожухом 25 и газовые магистрали для удаления из технологической среды следов воздуха и влаги. Прогревают реактор 1 до температуры выше температуры разложения диоксида кремния и выводят его на стационарный режим, при этом в нижнюю часть реактора 1 через отверстия 15 в газораспределительной решетке 14 подают ожижающий инертный газ с расходом Ог для создания кипящего слоя загруженных частиц углеродного материала 19 со скоростью и(=(1,0-3,0)итГ, где итГ=0,0061 м/с - скорость минимального псевдоожижения. Нагрев производят, пропуская электрический ток через кипящий слой 19, для чего на первый электрод - корпус 37 реактора 1 через подводящий электрод 12 и второй электрод 16 подают электрическое напряжение питания от регулируемого источника питания 33. Далее в реактор 1 подают мелкодисперсные частицы кремнезема δίθ2 фракции с диаметромA / „, -t ι .., ..,. = 0.325 mm) with a given particle size distribution ('p is the average particle diameter of the layer, m) in the form of highly porous coal coke with a true density p p c = 500 kg / m 3 . Purge Ν 2 or Ar or another inert gas of all systems (28, 29, 30, 31, 32) of the installation (Fig. 2). Through channels D and E, the internal cavity between the outer wall of the reactor 1 and the protective casing 25 and gas lines are also purged to remove traces of air and moisture from the process medium. Reactor 1 is heated to a temperature above the decomposition temperature of silicon dioxide and it is brought to a stationary mode, while in the lower part of reactor 1 through the holes 15 in the gas distribution grid 14 a fluidizing inert gas is supplied with a flow rate of Og to create a fluidized bed of loaded particles of carbon material 19 with a speed of (= (1.0-3.0) and TG , where TG = 0.0061 m / s is the minimum fluidization velocity. Heating is carried out by passing an electric current through the fluidized bed 19, for which the reactor body 37 is supplied to the first electrode through the power supply d 12 and the second electrode 16 serves electrical voltage from a regulated power source 33. Next, in the reactor 1 serves fine particles of silica δ фракθ 2 fractions with a diameter
ЖРZhR
Ж), ί гьп/·, “ р =0,1-0,16 (р =0,13 мм) с истинной плотностью Ю’ =2650 кг/м3. Интенсивность реакции синтеза δίί'.' (см. фиг. 3) оценивают, как функцию зависимости процентного содержания оксида углерода в газообразных продуктах реакции от времени реакции углеродного материала и δίθ2 согласно [4], количество которого анализируют измерительными средствами системы газового анализа 29. Отработанные газообразные продукты реакции удаляют из реактора 1 по каналу В в верхнем стакане 9, при этом в системе 30 их утилизируют с последующим улавливанием из них твердых продуктов реакции в системе 31. Готовый продукт посредством системы сбора 36 по каналу Г в керамической трубе 7 выгружают из реактора 1 под действием силы тяжести с одновременной дополнительной его сепарацией путем подачи инертного газа по трубе 7 с расходом 0£2=(0,1-0,3)·υ£δΓ м3/ч. Одновременно в процессе выгрузки через газораспределительную решетку 14 из подрешеточной камеры 21 в реактор 1 подают ожижающий инертный газ с расходом 01ί=(0,7-0,9)·υ£·δΓ м3/ч. Для сепарации готового продукта частично перекрывают разгрузочное отверстие 3 реактора 1 и регулируют площадь сечения δ1 кольцеобразной выпускной щели, образованной между оголовком 4 толкателя 6 и конусным отверстием 3 в центре газораспределительной решетки 14 с обеспечением заданного суммарного расхода инертного газа для псевдоожижения слоя 19 из расчета О£1+О£2=О£ м3/ч. Длительность процесса получения мелкозернистого карбида кремния при заданных исходных параметрах составляет порядка 170 мин.G), ί rn / ·, “p = 0.1-0.16 (p = 0.13 mm) with a true density of '' = 2650 kg / m 3 . The intensity of the synthesis reaction δίί '.' (see Fig. 3) is evaluated as a function of the dependence of the percentage of carbon monoxide in the gaseous reaction products on the reaction time of the carbon material and δίθ2 according to [4], the amount of which is analyzed by measuring means of the gas analysis system 29. The spent gaseous reaction products are removed from reactor 1 through channel B in the upper glass 9, while in system 30 they are disposed of, followed by trapping of the solid reaction products from them in system 31. The finished product through the collection system 36 through channel D in ceramic Roubaix 7 is discharged from the reactor 1 under gravity while simultaneously additional its separation by feeding inert gas through pipe 7 at a rate of 2 £ 0 = (0,1-0,3) · υ £ δ Γ m 3 / h. At the same time, during unloading through the gas distribution grid 14 from the sublattice chamber 21, a fluidizing inert gas is supplied to the reactor 1 with a flow rate of 0 1 ί = (0.7-0.9) · υ £ · δ Γ m 3 / h. For separation of the finished product, the discharge opening 3 of the reactor 1 is partially blocked and the cross-sectional area δ1 of the annular outlet gap formed between the tip 4 of the pusher 6 and the conical hole 3 in the center of the gas distribution grid 14 is regulated to provide a predetermined total inert gas flow for fluidization of the bed 19 based on О £ 1 + O £ 2 = O £ m 3 / h. The duration of the process of obtaining fine-grained silicon carbide at given initial parameters is about 170 minutes.
Для обеспечения непрерывности процесса синтеза и возмещения массы кипящего слоя в реактор 1 через систему подачи 29 исходных материалов подают расчетное количество новой смеси частиц δίθ2 и углеродного материала с заданным массовым составом.To ensure the continuity of the synthesis process and the recovery of the mass of the fluidized bed, a calculated amount of a new mixture of particles δίθ 2 and a carbon material with a given mass composition is fed into the reactor 1 through a feed system 29 of raw materials.
Пример 2.Example 2
Мелкозернистый карбид кремния получают в условиях аналогичных первому примеру, при этом в б/ ( реактор 1 загружают фракцию углеродного материала с 0,/=0.25-0.4 мм ( р =0,325 мм) и фракцию δίθ2 Fine-grained silicon carbide is obtained under conditions similar to the first example, while in the b / (reactor 1 load the fraction of carbon material with 0, / = 0.25-0.4 mm (p = 0.325 mm) and the fraction δίθ 2
Ж)2 Ύ Ж)2 =0,16-0,25 Ср =0,205 мм). Длительность процесса синтеза 81С составляет ~110 мин. Для обеспечения равномерного перемешивания компонентов исходных материалов при расчете по формулеG) 2 Ύ G) 2 = 0.16-0.25 C p = 0.205 mm). The duration of the 81C synthesis process is ~ 110 min. To ensure uniform mixing of the components of the starting materials when calculated by the formula
-у Ж), ά (1) соотношение диаметров выбирают в пределах ρ р =2,4-2,5. Как следует из графика на фиг. 4 производительность процесса синтеза по готовому продукту δίί'.' пропорционально массовому выходу ( / ά оксида углерода, а максимум интенсивности реакции образования δίί' наступает при ρ р =1,5(Ϊ / б/ +^2-u G), ά (1) the ratio of diameters is chosen in the range ρ p = 2.4-2.5. As follows from the graph in FIG. 4 the productivity of the synthesis process for the finished product δίί '.' is proportional to the mass yield (/ ά carbon monoxide, and the maximum of the intensity of the formation reaction δίί 'occurs at ρ p = 1.5 (Ϊ / b / + ^ 2
1,7. Установлено, что, при соотношении ρ р =2,5 более мелкие частицы δίθ2 быстрее прогреваются, начинают плавиться, уменьшаются в размерах и разлагаться на кремнесодержащие газы, не успев глубоко мигрировать в слой и полностью прореагировать с углеродным материалом. Часть кремнесодержащих газов уносится из слоя и реактора в виде свободного δί или δίθ2, что подтверждается наличием отложений в верхней части реактора, в газоотводных трубах и циклоне системы 30 удаления газообразных продуктов.1.7. It was found that, at a ratio of ρ p = 2.5, smaller particles δίθ 2 warm up faster, begin to melt, decrease in size and decompose into silicon-containing gases, without having time to deeply migrate into the layer and completely react with the carbon material. Part of the silicon-containing gases is carried away from the bed and the reactor in the form of free δί or δίθ 2 , which is confirmed by the presence of deposits in the upper part of the reactor, in the gas pipes, and in the cyclone of the gaseous product removal system 30.
Таким образом, для расчета коэффициент К=1,5-1,7.Thus, to calculate the coefficient K = 1.5-1.7.
при других значениях р в формулу (1) вводят поправочныйat other values of p, correction is introduced into formula (1)
- 6 027539- 6 027539
Пример 3.Example 3
<У„ —с<Y
В реактор загружают фракцию углеродного материала с с.1р =0,16-0,25 мм (го =0,215 мм), а затемA fraction of carbon material with p. 1 p = 0.16-0.25 mm (go = 0.215 mm) is loaded into the reactor, and then
ЛО, фракцию кремнезема 8ΐΘ2 в виде песка с =0,1-0,16 мм ( р =0,13 мм) и аналогично первому и второму примерам получают карбид кремния 81С. Выбранные параметры частиц углеродного материала и кремнезема 8ΐΘ2 обеспечивают максимальный процент выхода карбида кремния в шихте и позволяют оптимизировать выгрузку готового продукта повышенной чистоты. Указанные эффекты обусловлены тем, что в процессе реакции синтеза 81С происходит изменение фракционного состава шихты в сторону увеличения размера частиц в кипящем слое 19 за счет выбранного подбора размеров исходных частиц и соотношения их диаметров р р , при этом на поверхности нагретых частиц углеродного материала и в его порах, за счет диффузии кремнийсодержащих газовых компонентов, протекает химическая реакция с образованием карбида кремния. При этом часть исходных частиц увеличивается в размерах с повышением плотности и опускается в нижнюю часть реактора 1, чем и обеспечивается оптимизация процессов сепарации и выгрузки готового продукта.LO silica 8ΐΘ fraction 2 as a sand = 0,1-0,16 mm (P = 0.13 mm) and similarly to the first and second examples the silicon carbide 81C. Selected parameters of the carbon material particles and silica 8ΐΘ 2 provide the maximum percentage of silicon carbide output in the charge and discharge of the finished allow optimization of high purity product. These effects are due to the fact that in the course of the 81C synthesis reaction, the fractional composition of the charge changes towards increasing the particle size in the fluidized bed 19 due to the selected selection of the sizes of the initial particles and the ratio of their diameters p p , while on the surface of the heated particles of the carbon material and in it pores, due to the diffusion of silicon-containing gas components, a chemical reaction proceeds with the formation of silicon carbide. In this case, part of the initial particles increases in size with increasing density and falls into the lower part of the reactor 1, which ensures the optimization of separation and unloading of the finished product.
В таблице представлены результаты химического анализа готового продукта, полученного в стационарном режиме при температуре 1600°С в реакторе 1 согласно примерам 1-3.The table shows the results of chemical analysis of the finished product obtained in a stationary mode at a temperature of 1600 ° C in reactor 1 according to examples 1-3.
Из таблицы видно, что основное количество образующегося карбида кремния сосредоточено в крупных фракциях. В процессе синтеза 81С увеличивается масса шихты М^· в кипящем слое 19 и его высота Н^при ожижении газом со скоростью Щ· = 0,015, м/с, также значительно изменяется общее сопротивление Ω{· кипящего слоя 19, которое при скорости ожижения ϋ^= 0,015 м/с составляет Ω^= 1,27 Ом. Экспериментально определен алгоритм изменения этих величин и их значения для определения времени перехода к режиму выгрузки из реактора 1 очередной порции отработанной шихты с готовым продуктом, содержащим максимальный процент 81С.The table shows that the bulk of the formed silicon carbide is concentrated in large fractions. During the synthesis of 81C, the mass of the mixture M ^ · in the fluidized bed 19 increases and its height H ^ during gas liquefaction with a speed Щ · = 0.015, m / s, the total resistance Ω {· of the fluidized bed 19 also changes significantly, which at the fluidization rate ϋ ^ = 0.015 m / s is Ω ^ = 1.27 Ohms. An experimentally determined algorithm for changing these quantities and their values to determine the transition time to the discharge mode from reactor 1 of the next portion of the spent mixture with the finished product containing the maximum percentage of 81C.
Как указано выше, процесс сепарации и вывода полученного продукта из реактора 1 осуществляют в режиме выгрузки, при этом расходы инертного газа на ожижение слоя перераспределяют следующим образом. Под газораспределительную решетку подают инертный газ с расходом 0/=0,035 м3/ч, а через систему выгрузки подают инертный газ с расходом Ст/ 0,004 м3/ч, причем их соотношение связано как 0/+0/=0^=0,039 м3/ч. Расход Ст/ рассчитывается по формулам (3,4) для скорости витания частиц ивит и сечению 81 для заданных к выводу частиц, при этом скорость витания ивит частиц приближенно оценивают по формуле О.М. Тодеса [5]:As indicated above, the process of separation and withdrawal of the obtained product from the reactor 1 is carried out in the discharge mode, while the inert gas costs for the liquefaction of the layer are redistributed as follows. An inert gas with a flow rate of 0 / = 0.035 m 3 / h is supplied under the gas distribution grid, and an inert gas with a flow rate of St / 0.004 m 3 / h is supplied through the discharge system, and their ratio is related as 0 / + 0 / = 0 ^ = 0.039 m 3 / h The flow rate St / is calculated according to the formulas (3.4) for the speed of the particles and vit and the cross section of 8 1 for the particles given to the output, while the speed of the particles and the vit is approximately estimated by the formula OM Todes [5]:
где число Рейнольдса,where is the Reynolds number,
Разработанный способ позволяет синтезировать мелкодисперсный карбид кремния с контролированной морфологией, однородным составом и высокой чистотой готового продукта. Установка характеризуется повышенной производительностью до 3 кг/ч и низкими затратами энергии, что достигаются автоматизацией технологического процесса.The developed method allows to synthesize finely divided silicon carbide with a controlled morphology, homogeneous composition and high purity of the finished product. The installation is characterized by increased productivity up to 3 kg / h and low energy costs, which are achieved by automation of the process.
- 7 027539- 7 027539
Источники информации.Information sources.
1. ϋδ № 4435444, 1984.1. ϋδ No. 4435444, 1984.
2. ϋδ № 4160813, 1979.2. ϋδ No. 4160813, 1979.
3. ϋδ № 4543240, 1985 (прототип).3. ϋδ No. 4543240, 1985 (prototype).
4. Карботермическое восстановление δίθ2 и образование карбида кремния в электротермическом кипящем слое / Бородуля В.А. и др. // Тепло- и массоперенос. - 2012. - Минск, 2013. - С. 121-127.4. Carbothermal reduction δίθ 2 and the formation of silicon carbide in an electrothermal fluidized bed / Borodulia VA et al. // Heat and Mass Transfer. - 2012 .-- Minsk, 2013 .-- S. 121-127.
5. О.М. Тодес и др. Экспериментальная проверка и анализ возможности описания процесса переноса тепла в дисперсных системах дифференциальными уравнениями, учитывающими особенности взаимодействия фаз. ИфЖ. 1970, т. 18. № 5.5. O.M. Todes et al. Experimental verification and analysis of the possibility of describing the heat transfer process in disperse systems by differential equations that take into account the peculiarities of the phase interaction. Ifzh. 1970, v. 18. No. 5.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201500555A EA027539B1 (en) | 2015-05-07 | 2015-05-07 | Method and apparatus for silicon carbide production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201500555A EA027539B1 (en) | 2015-05-07 | 2015-05-07 | Method and apparatus for silicon carbide production |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201500555A1 EA201500555A1 (en) | 2016-11-30 |
| EA027539B1 true EA027539B1 (en) | 2017-08-31 |
Family
ID=57391621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201500555A EA027539B1 (en) | 2015-05-07 | 2015-05-07 | Method and apparatus for silicon carbide production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA027539B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4160813A (en) * | 1975-07-01 | 1979-07-10 | Graphite Synthesis Company | Method for heat treating carbonaceous material in a fluidized bed |
| US4543240A (en) * | 1980-02-08 | 1985-09-24 | Superior Graphite Co. | Method for the continuous production of carbides |
| SU1730035A1 (en) * | 1989-12-12 | 1992-04-30 | Сибирский металлургический институт им.Серго Орджоникидзе | Method of producing silicon carbide |
| RU2537616C1 (en) * | 2013-06-24 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт минералогии Уральского отделения Российской академии наук | Method of carbothermal synthesis of disperse silicin carbide powders |
-
2015
- 2015-05-07 EA EA201500555A patent/EA027539B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4160813A (en) * | 1975-07-01 | 1979-07-10 | Graphite Synthesis Company | Method for heat treating carbonaceous material in a fluidized bed |
| US4543240A (en) * | 1980-02-08 | 1985-09-24 | Superior Graphite Co. | Method for the continuous production of carbides |
| SU1730035A1 (en) * | 1989-12-12 | 1992-04-30 | Сибирский металлургический институт им.Серго Орджоникидзе | Method of producing silicon carbide |
| RU2537616C1 (en) * | 2013-06-24 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт минералогии Уральского отделения Российской академии наук | Method of carbothermal synthesis of disperse silicin carbide powders |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201500555A1 (en) | 2016-11-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI521566B (en) | Production of polycrystalline silicon by the thermal decomposition of dichlorosilane in a fluidized bed reactor | |
| US3032398A (en) | Process and furnace for the continuous production of aluminum nitride | |
| EP0184405B1 (en) | Processes and apparatus for the smelting reduction of ores | |
| US2855273A (en) | Method of preparing titanium tetrachloride | |
| JPS5917046B2 (en) | Method for producing intermediate products for producing silicon and/or silicon carbide | |
| US2285837A (en) | Method of producing the abrasive metal carbides | |
| US3074777A (en) | Method of chlorinating an agglomerate-free fluid bed of titanium-bearing materials | |
| US4543240A (en) | Method for the continuous production of carbides | |
| US3733387A (en) | Preparation of finely particulate silicon dioxide | |
| US2937082A (en) | Conversion process for aluminum subhalide distillation | |
| Chubukov et al. | Investigation of continuous carbothermal reduction of magnesia by magnesium vapor condensation onto a moving bed of solid particles | |
| JP2014511903A (en) | Moving bed reactor | |
| KR101047842B1 (en) | Apparatus and method for depositing ultrafine particles from the gas phase | |
| US2278204A (en) | Apparatus for producing a gas atmosphere | |
| EA027539B1 (en) | Method and apparatus for silicon carbide production | |
| KR101310036B1 (en) | Method for preparing zirconium tetrachloride of high purity and zirconium sponge | |
| US3092456A (en) | Iron chloride combustion | |
| US3817711A (en) | Apparatus for preparation of finely particulate silicon oxides | |
| US3188173A (en) | Process for the production of oxides of al, si and ti | |
| US3086843A (en) | Methods for the production of titanium tetrachloride | |
| US2738316A (en) | Fluid coke calcining process employing a dual bed | |
| US2068842A (en) | Method and apparatus for the treatment of ores and the generation of gas | |
| EP0044867B2 (en) | Methods for the continuous production of silicon carbide | |
| JP6944342B2 (en) | Manufacturing method of titanium tetrachloride | |
| TWI811740B (en) | Process for producing polycrystalline silicon granulate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ KG TJ TM |
|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): BY KZ RU |