авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ...»

-- [ Страница 5 ] --

Использование смешанного слоя катионитов позволяет производить более глубокую очистку воды, чем последовательное пропускание через разные колонки. Удельное сопротивление ОСЧ воды. Выходящей из колонн со смешанным ионитом, составляет 15 20 мОм·см (абсолютно чистая вода – вода собственной проводимости – имеет удельное сопротивление при 18 и 26оС соответственно 22,7 и 15,0 мОм·см).

Рассмотрим процессы, протекающие на ионите, на примере очистки воды от NaCl.

На катионите в Н-форме идет обратимая реакция:

RSO3H + Na+ +Cl- RSO3Na + H+ +Cl Равновесие в этой системе характеризуется величиной константы равновесия КК = [RSO3Na]·[H+] / [RSO3H]·[Na+] Величина константы КК будет определяться концентрацией взятых веществ, характером групп, температурой и константой диссоциации образующейся кислоты.

Аналогично на анионите в ОН-форме будет протекать обратимая реакция:

RN(CH3)3OH + Cl- + Na+ RN(CH3)3Cl + OH- + Na+ С константой равновесия KA = [RN(CH3)3Cl]·[OH-] / [RN(CH3)3OH]·[Cl-] Величина константы равновесия КА зависит от тех же параметров, что и КК, а также от константы диссоциации образующегося основания. Значения КК и КА обычно изменяются для рассматриваемых систем от 2 до 5. Если исходный раствор NaCl привести в контакт со смесью ионитов, то наряду с названными реакциями будут протекать следующие реакции нейтрализации:

H+ OH- H2O RSO3-H+ + Na+ + OH- RSO3-Na+ + H2O RN+(CH3)3OH- + H+ + Cl- RN+(CH3)3Cl- + H2O Или суммарная реакция, протекающая на смешанном ионите будет:

RSO3-H+ + RN+(CH3)3OH- + Na+ + Cl-.RSO3-Na+ + RN+(CH3)3Cl- + H2O Равновесие приведенных реакций полностью сдвинуто в правую сторону за счет образования малодиссоциированного соединения воды, т.е. практически все ионы Na+ и Cl- будут связаны, и произойдет деионизация воды. Суммарную константу равновесия (К) реакции можно рассчитать по формуле K = (KK·KA) / (KH2O) Где КН2О – константа диссоциации воды. Так как величина КН2О очень мала, то значение К велико и составляет ~ 1016. использование смешанных ионитов позволяет достигнуть более глубокой степени очистки и требует меньшего удельного количества ионитов, а также в некоторых случаях позволяет проводить процесс деионизации в статических условиях.

При использовании смешанных ионитов возникают дополнительные трудности, связанные с регенерацией ионитов, т.к она должна проводиться отдельно для катионита и анионита. Органические примеси и различные малодиссоциирующие комплексы разных элементов с органическими лимандами на смешанных ионитах не удаляются.

Реакции обмена ионов являются обратимыми, что важно для регенерации ионита (катионит регенерируют кислотой, анионит – щелочью).

Следует отметить, что требования к воде высокой чистоты непрерывно растут. В технологии полупроводниковых материалов обсуждаются вопросы получения воды с содержанием примесей на уровне ~ 10-12%. Решение этой задачи требует дополнительных исследований по совершенствованию методов получения, хранения и химического анализа высокочистой воды.

РИС. 5.4. Принципиальная схема получения воды особой чистоты.

Водопроводная вода поступает в систему предварительной очистки (на схеме не показана), которая включает в себя систему фильтрации и либо дистилляционную, либо обратноосмотическую ступень. После предварительной очистки дистиллят поступает в сборник дистиллята (1), откуда насосом (2) подается в адсорберы с активированным углем (3) с целью удаления органических примесей. После прохождения адсорбера вода поступает на деминерализацию в ионообменные колонны сначала с катионитом (4), а затем с анионитом (5). Нижняя и верхняя ветви колонн 4-5 работают поочередно. На катионите катионы солей, растворенных в воде, замещаются на ион Н+, на анионите происходит обмен анионов солей на ион ОН+. В результате ионообменных процессов вода обессоливается. Полученная деминерализованная вода направляется на анализ и далее в сборник (6). Для повышения глубины очистки воды далее используется ионообменная колонна (7), заполненная смесью катионита и анионита в объемном отношении 1:1. После прохождения колонны (7) вода особой чистоты направляется в сборник (8) или накопительную емкость (9), из которой производится ее раздача на другие производства высокочистых веществ.

Регенерация катионита ведется 5% раствором HCl (х.ч.) до отрицательной реакции на ион железа. После этого смолу промывают деминерализованной водой до нейтральной реакции промывной воды.

Регенерация анионита ведется 4% раствором NaOH (х.ч.) до отрицательной реакции на хлорид ион. Затем анионит промывают деминерализованной водой до нейтральной реакции.

Регенерация ионитов в смешанном слое производится в специальных колоннах следующим способом. Смесь ионитов вакуумом засасывается в колонну с «зонтиком» (10) и туда же подается 15 % раствор NaOH. Смесь ионитов и раствор NaOH взмучивается сжатым азотом, после чего анионит как более легкий всплывает, а катионит остается на дне. Анионит вакуумом направляется в другую колонну регенерации (11), где обрабатывается 4 % раствором NaOH до отрицательной реакции на Cl-ион, а оставшийся катионит промывается ОСЧ водой до нейтральной реакции на ион железа.

Материал ионообменных колонн и емкостей для сбора и хранения деионизированной воды может вносить дополнительное количество примесей в очищенную воду, поэтому ионообменные колонны для очистки воды обычно изготавливают из полипропилена или органического стекла.

ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОЧИСТОГО КРЕМНИЯ V.

Среди многих полупроводниковых материалов кремний занимает лидирующее положение и является базовым материалом электронной и электротехнической промышленности.

Кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения. Среди областей, где требуется кремний в высокочистом состоянии необходимо отметить полупроводники, фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, инфракрасную оптику Производство полупроводникового кремния основано на наукоемких технологиях и представляет собой сложный комплекс последовательных процессов и стадий.

Технологические операции производства кремния связаны и его извлечением из различных соединений, очисткой от сопутствующих примесей и формированием необходимых свойств. На каждом этапе технологической цепи происходят процессы, связанные с взаимодействием атомов и молекул, образованием различных соединений, отделением сопутствующих атомов от агрегатного кремния и легированием конечного продукта.

В настоящее время кремний является элементом, который получен в наиболее чистом состоянии: так называемый «электронный кремний» соответствует классу чистоты 11N – 7N.

Сырьем для получения кремния высокой чистоты является металлургический кремний, который в свою очередь различными методами получают из кварца и кварцитов.

Содержание примесей в металлургическом кремнии находится на уровне 1 – 5 масс.%, что делает его непригодным для использования в целях электроники или электротехники.

Поэтому кремний переводится в какое-либо летучее соединение, которое сначала подвергается глубокой очистке, а затем разлагается, либо восстанавливается с образованием чистого кремния, который, тем не менее, еще подвергается дополнительной очистке. Основными формами кремния, которые, фактически, являются сырьем для получения высокочистого кремния, являются моносилан, тетрахлорсилан, трихлорсилан.

Существует несколько технологических процессов, которые схематично можно представить, например, следующим образом:

SiO2 C Si CO 2100 K Si HCl SiHCl 570 K SiHCl3 SiH 2Cl2 SiCl cat SiH 2Cl2 SiH 4 SiCl cat SiH 4 Si H 1120 K В данном случае моносилан является тем сырьем, которое после отделения от хлорсиланов и очистки подвергается термическому разложению с получением чистого кремния.

Если же сырьем является трихлорсилан, то он сам может быть подвергнут восстановлению водородом с получением чистого кремния:

Si SiCl4 H 2 SiHCl3 cat ( Cu, Ni );

770 K SiHCl3 H 2 Si HCl.

1370 K Если в качестве исходного сырья используется тетрахлорсилан, то можно процесс осуществить по схеме SiCl4 H 2 SiHCl3 HCl 1370 K и далее работать с трихлорсиланом.

Водородное восстановление кремния из трихлорсилана при высокой температуре известно как «Сименс-процесс».

На первой стадии процесса трихлорсилан получают гидрохлорированием металлургического кремния при температуре порядка 600 К. Синтез ведут в реакторе «кипящего слоя» (Рис 6.1), в который снизу непрерывно подают порошок технического кремния с размером частиц 0,1-1,5 мм. Псевдоожиженный слой частиц толщиной до 600 мм создают потоком хлористого водорода, который поступает в нижнюю часть реактора. Из реактора отбираются продукты в виде паро-газовой смеси, которую затем подвергают сухой и мокрой очисткам и направляют на конденсацию.

Процесс синтеза трихлорсилана сопровождается протеканием побочных реакций образования других хлорсиланов, а также хлоридов металлов, которые в качестве примесей находятся в металлургическом кремнии: алюминия, бора, железа и т.д. В связи с этим содержание трихлорсилана в парогазовой смеси составляет 90-95%. Наличие воды и кислорода негативно влияют на выход трихлорсилана, поэтому хлористый водород и кремний перед синтезом проходят тщательную осушку и очистку от кислорода.

Парогазовая смесь подвергается многоступенчатой ректификации, в ходе которой производится разделение макрокомпонентов и глубокая очистка от низкокипящих, а затем от РИС.6.1. Реактор псевдоожиженного слоя.

1- корпус;

2 –расширитель;

3 – чехол высококипящих примесей.

термопары;

5 – нагреватель;

5 – рубашка Очищенный трихлорсилан в подогретой охлаждения: 6 – инжектор;

7 – конусное смеси с водородом определенном мольном днище.

отношении, поступает в реакторы водородного восстановления кремния.

Водород производится электролизом воды и также подвергается тщательной очистке.

В процессе осаждения происходят следующие реакции:

SiHCl3 0,5SiCl4 0,5SiCl4 HCl;

SiHCl3 SiCl2 HCl SiCl4 H 2 SiHCl3 HCl ;

SiCl2 0,5Si 0,5SiCl4 ;

SiCl4 H 2 Si 2 HCl Однако для инженерных расчетов обычно используют следующие реакции:

SiHCl3 H 2 Si 3HCl;

4SiHCl3 3SiCl4 2H 2.

Теоретически максимально возможное извлечение кремния из трихлорсилана при H 2 : SiHCl3 60 :1 приблизительно составляет 60%. Однако при таком мольном соотношении скорость осаждения невелика, а при увеличении температуры при росте кристалла образуются кристаллографически разупорядоченные блоки. На практике процесс проводят при H 2 : SiHCl3 15 :1 и температуре ниже 1370 К, что позволяет достичь более высоких скоростей осаждения.

В процессе роста стержня его поверхность постоянно обновляется и является Рис. 6.2. Кварцевый реактор для получения поликристаллических стержней кремния.

1 - выход газа;

2 - серебряное покрытие;

3 токовводы,;

4 – металлическое основание;

5 – иллюминатор;

6 кремневый стержень;

7 – манометр;

8 – патрубок подачи уплотняющего газа;

9 – кварцевый колпак,;

10 – автоклав;

11 – кремниевые стержни-подложки;

12 – фланец кварцевого колпака;

13 – металлический поддон;

14 – кольцевое резиновое уплотнение;

15 – сопло для подачи паро-газовой смеси.

активной в химико-кристаллизационном отношении. Основной вклад в процесс роста SiCl2, который в виде молекул мигрирует по поверхности и может взаимодействовать с атомами водорода и хлора, наличие которых определяется соотношением между хлором и водородом в газовой фазе.

Наиболее распространенный тип реактора для производства поликристаллического кремния – реактор конструкции фирмы «Сименс». Схема такого реактора представлена на рис. 6.2.

Реактор представляет собой стальную цилиндрическую камеру, в которой в процессе восстановления кремния поддерживается давление до 0,6 МПа. В дно реактора вмонтированы токовводы для крепления П-образных стержней-основ из поликремния.

Процесс осаждения кремния происходит на их поверхности, температура которой поддерживается на уровне 1370К за счет прохождения по ним электрического тока.

Количество стержней в различных реакторах может меняться от 2 до 48, длина 2-3 м, конечный получаемый диаметр – 120-200 мм. При выборе оптимальных условий при проведения процесса, осаждение кремния до достижения расчетного диаметра стержня длится 80-100 часов.

Для предотвращения побочных загрязнений реактор изготавливается из специальной стали, а реакционный объем отделен от стенок реактора специальными кварцевыми колпаками. В пространство между наружным металлическим автоклавом кварцевым колпаком подается инертный газ, который прижимает кварцевый колпак к поддону и обеспечивает герметичность реакционного пространства. Основание реактора покрыто слоем серебра;

токовводы также изготовлены из серебра. Для уменьшения воздействия реакционных газов основание дополнительно покрыто кварцевыми пластинами. Использование в конструктивных элементах реактора таких материалов, как кварц, высокочистый графит, серебро, обеспечивает высокое качество получаемого поликристаллического кремния.

В современной технологии поликристаллического кремния все большее распространение получает водоохлаждаемый металлический реактор (Рис.6.3).

Содержание микропримесей в поликристаллическом кремнии, который получен в таком реакторе не выше, чем в кварцевом реакторе, но расход энергии приблизительно 1,5-1, РИС. 6.3. Металлический водоохлаждаемый реактор для получения поликристаллического кремния.

1 – патрубки для подачи и отвода паро-газовой смеси;

2 – патрубок подвода охлаждающей воды;

3 – штуцер для отвода охлаждающей воды;

4, 27 – отводящий и подводящий штуцеры для охлаждающей воды;

5 – металлическое основание, покрытое серебром;

6 – контакты для подвода электрической мощности;

7,10 – ввод и вывод воды для охлаждения реактора;

11 – охлаждающий горшок;

12 – штуцеры для охлаждающей воды;

штуцеры для вывода газа;

14 – штуцер для подачи аргона;

15 – стальная цилиндрическая рубашка;

16 – охлаждающая рубашка;

17 – электрическая спираль;

18 – кварцевый цилиндр;

19 – подача и отвод охлаждающей воды;

20 – шибер;

21 – горловина;

– наружная стальная рубашка;

23 – внутренняя рубашка реактора;

24 – кремниевый мост;

25 – подвод и лтвод воды для охлаждения;

26 – кварцевый иллюминатор.

раз выше.

Для улучшения технико – экономических показателей процесса получения полукристаллического кремния организовано повторное использование всех компонентов и продуктов реакций восстановления хлорсиланов. Кроме того решение этого вопроса снижает выбросы в окружающую среду. С этой целью производство организовано по схеме замкнутого цикла (Рис.6.4).

Исходный трихлорсилан очищается от микропримесей в ректификационной колонне, направляется в испаритель, куда также подается и очищенный водород.

Паро-газовая смесь трихлорсилана и водорода из испарителя подается в реактор восстановления, где получают кремниевые стержни. Остатки паро-газовая смесь направляется в блок конденсации, где при 193 К улавливаются жидкие хлоросиланы, которые разделяют в ректификационной колонне и трихлорсилан направляют в испаритель.

Первое промышленное получение кремниевых стержней термическим разложением моносилана было осуществлено в 1960-1965 гг. японской фирмой “Komatsu” («Комацу-процесс).

Основными преимуществами данного метода являются относительно низкая (873 – 1173 К) температура разложения моносилана, отсутствие при разложении моносилана коррозионноактивного РИС. 6.4. Принципиальная технологическая хлористого водорода, высокое извлечение схема получения поликристаллического кремния кремния (94-98%);

дополнительная очистка с рециркуляцией хлорсиланов.

кремниевых стержней от гидридов примесей 1,5 – ректификационная колонна;

2 – на стадии термического разложения испаритель;

3 – реактор осаждения;

4 – блок моносилана.

конденсации.

Моносилан начинает разлагаться на кремний и водород при температуре порядка 600 К, однако до 720 К разложение незначительно. В температурном диапазоне 723 – К скорость разложения быстро растет и при 773 К достигает 75%., а при 973 К происходит полное разложение.

Начальной стадией процесса является гомогенная реакция с образованием силена:

SiH 4 Г SiH 2 Г Н 2 Г. Далее на активном участке (*) поверхности кремниевой подложки происходит адсорбция силена : SiH 2 Г SiН 2 АД, после чего образуется вторая связь Si-Si (кристаллизация кремния) и происходит десорбция водорода:

SiH 2 АД SiH 2ТВ Н 2 Г (). При этом образуется активный участок поверхности и процесс осаждения по приведенному механизму возобновляется.

Промышленное производство кремниевых стержней термическим разложением моносилана имеет много общего с получением кремния восстановлением трихлорсиланом. Конструкция реактора в целом близка к используемой для производств кремниевых стержней водородным восстановлением хлорсиланов. В металлических водохлаждаемых реакторах удается получить стержни диной до 1,2 м с диаметром до 0, м.

Чистота моносилана является определяющей для получения кремния необходимого качества. В качестве исходного материала для прутков-основ, как правило, используется кремний, который получен разложением моносилана.

Перед установкой кремниевых прутков в охлаждающую рубашку реактора подают хладагент, а реактор вакуумируют. Затем реактор продувают азотом, разгерметизируют и проводят внутренний осмотр на наличие микротечей. Затем аппарат собирают, вакуумируют, продувают водородом с одновременной опрессовкой реактора. Для контроля полноты продувки определяют содержание кислорода в водороде на выходе из реактора. Кислорода не должно быть больше 0,001 об.%.

Стартовый разогрев прутков-основ проводят обычно высоковольтным пробоем либо предварительно нагретым технологическим газом с одновременным подводом к прудкам напряжения 1000 В.

После разогрева прутков их прокаливают в атмосфере водорода и устанавливают рабочую температуру порядка 1123-1173 К.

Расход моносилана в ходе процесса меняют по специальной программе, которая учитывает повышение температуры по мере роста диаметра стержня и увеличение поверхности осаждения. Это обеспечивает приемлемую скорость осаждения, а также позволяет избежать образования порошка полисиланов в объеме реактора.

По достижению необходимого диаметра стержней подачу моносилана прекращают, снимают токовую нагрузку со стержней, вакуумируют реактор, продувают водородом и азотом. После чего аппарат разгерметизируют и разгружают стержни.

Существенным отличием получения кремниевых стержней из моносилана по сравнению с трихлорсиланом является тот факт, что ректификационную очистку в силу физических свойств моносилана необходимо проводить на уровне криогенных температур, что вносит существенный вклад в себестоимость кремния. Кроме того, современные технологии получения моносилана сложны, по сравнению с трихлорсиланом. В частности и по этой причине кремний из моносилана является достаточно дорогим, когда речь идет о получении кремния «солнечного качества», то есть для фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Тем не менее, моносилан – сырье, которое позволяет решать задачу получения очень чистого кремния.

Основным методом очистки промежуточных кремнийсодерджащих соединений является ректификация. В технологии кремния большинство растворов примесей в хлорсиланах могут быть отнесены к идеальным с точностью, достаточной для технических расчетов. Таким образом, удаление или добавление к основному компоненту микропримеси не сообщает дополнительный тепловой эффект системе.

Минимальная термодинамическая работа, которую нужно совершить для выделения микропримеси из основной массы вещества целевого компонента связана с затратами энергии на обратимый переход 1 моля микропримеси из одной части системы в другую: A = RTln(1-x2)/x2, где x2 (мольная доля)– концентрация микропримеси, до которой необходимо провести очистку. Простейший анализ данного выражения показывает, что глубокая очистка связана со значительными затратами энергии, так как при x20, A0.

Ректификация является конечным участком производства трихлорсилана и во многом определяет качество готового кремния. В соответствии с техническими требованиями содержание примесей в трихлорсилане не должно превышать (масс.%): В 610-9, Al - 310-7, Fe и Mg - 410-7, Са - 810-7.

Противоречие при создании рациональной схемы ректификации заключается в том, что для повышения степени очистки из системы вместе с примесью выводится кремнийсодержащие продукты, что снижает степень извлечения кремния и увеличивает объем газов, которые поступают на обезвреживание. Таким образом, задача оптимизации сводится к выведению максимального количества примеси при минимальном отвале кремнийсодержащего продукта.

Количество кремнийсодержащего продукта, который поступает в «отвал», увеличивается по мере приближения значения коэффициента разделения к 1. По таким лимитирующим примесям и производится расчет ректификационной колонны.

РИС.6.5. Аппаратурно – технологическая схема очистки трихлорсилана.

1 – колонна очистки от низкокипящих примесей;

2 – дефлегматоры;

3 – колонны очистки от низкокипящих примесей;

4 – кубы – испарители с паровым обогревом;

куб испаритель с электрообогревом.

Наиболее трудноудаляемыми примесями из трихлорсилана являются микропримеси различных соединений бора, которые могут быть как более летучими, так и менее летучими по отношению к основному веществу.

Принципиальная схема очистки трихлорсилана представлена на рис.6.5.

Трихлорсилан-конденсат из сборников попадает в напорные емкости и после фильтрации поступает на очистку от низкокипящих примесей. Дистиллят из дефлегматора отбирается в специальные емкости и является готовым продуктом. Продукт из куба с паровым обогревом подают в куб с электроподогревом.

Продукт, дополнительно обработанный специальными реагентами в кубе колонны, отбирается из дефлегматора и поступает в другую колонну для очистки от низкокипящих соединений.

Кубовые остатки, обогащенные высококипящими примесями, отбирают в специальные емкости и передают на доизвлечение ценных компонентов или на обезвреживание.

Очищенный трихлорсилан из дефлегматора поступает в сборники как целевой продукт. Кубовые остатки, обогащенные высококипящими примесями, отбирают в специальные емкости, полисиланхлоридами и другими высококипящими примесями, поступают на передел получения тетрахлорсилана.

Тетрахлорсилан получают путем ректификационной очистки кубового продукта, кроме того некоторое его количество попутно образуется в процессе восстановления трихлорсилана водородом. В готовом продукте ограничивается содержание следующих примесей (масс. %): B, P - 110-5 ;

Ni, Cu, Cr, Pb, Sn, Mn, Mg - 510-7;

Ca, Ti - 510-5;

Al 510-6;

Fe – 1,510-5.

Принципиальная схема очистки тетрахлорсилана представлена на рис. 6.6.

РИС.6.6.Аппаратурно технологическая схема очистки тетрахлорсилана.

1,4 – ректификационная очистка от трихлорсилана и высококипящих примесей;

2 – дефлегматоры;

3 – холодильник;

5 – кубы-испарители.

Тетрахлорсилан выделяют в 2-х последовательно работающих колоннах с ситчатыми тарелками. Первая колонна служит для выделения фракции трихлорсилана, а вторая – для очистки от полисиланхлоридов и других высококипящих примесей.

Исходный продукт из сборника подается в напорную емкость и далее на 48-ю тарелку колонны, в которой происходит выделение фракции, обогащенной трихлорсиланом. Эта фракция отбирается из дефлегматора и поступает на дальнейшее извлечение трихлорсилана. Паровая фаза из куба этой колонны подается на холодильник, где конденсируется жидкий продукт, который поступает на 24-ю тарелку колонны очистки тетрахлосилана. Финишный продукт отбирается из дефлегматора и поступает на склад. Кубовые остатки поступают на нейтрализацию.

Наиболее трудноудаляемыми примесями из моносилана являются этилен и диборан, которые имеют при температуре кипения моносилана соответственно = 1,26±0,09 и 1,3±0,2.

Рациональная схема ректификационной очистки моносилана определяется характером примесей, что, в свою очередь, зависит от метода получения моносилана.

Возможно использование любых вариантов организации ректификации: используются две колонны, колонна со средним кубом, а при непрерывном производстве (технология Union Carbide) – колонна с исчерпывающей частью.

На рис. представлен процесс очистки моносилана от высококипящих примесей.

Колонна изготовлена из нержавеющей стали ХН19H10T и теплоизолирована.

Температурный режим, расход и перепады давлений регулируются автоматически.

Установка включает в себя дефлегматор, куб-накопитель, клапан регулирования орошения, колонну и куб полного испарения (КПИ) с электрическим нагревателем. КПИ соединен с колонной патрубками для подачи жидкости и выход пара. Патрубок подачи жидкости оканчивается обратным клапаном, который препятствует выходу пара в колонну.

Жидкий моносилан через первый патрубок и обратный клапан поступает в КПИ, испаряется и поступает в колонну через другой патрубок. Температура паров моносилана в кубе поддерживается автоматически на уровне 173 – 353 К с помощью регулятор, на РИС.6.7. Ректификационная установка очистки моносилана от высококипящих примесей.

1 – регулятор температуры;

2 – обратный клапан;

3 – дефлегматор;

4 – куб-накопитель;

5 – клапан регулирования орошения;

6 – колонна;

7 – печь разложения;

8 – расходомер;

9 – баллон;

10 – сосуд с жидким азотом;

11 – патрубок для подачи жидкости;

12 – куб полного испарения;

13 – электронагреватель;

14 – холодильник;

15 – патрубок для выхода пара;

16 – сепаратор;

17 – термопара.

который поступает сигнал с термопары.

Отбор примесей осуществляется из нижней части сепаратора КПИ под вытяжной зонт на свечу. После отделения примесей в сепараторе газообразный моносилан охлаждается в теплообменнике и поступает в колонну.

Пробы на анализ отбирают в баллон, который помещен в в сосуд Дьюара с жидким азотом. Одновременно моносилан отбирается на разложение на прутках кремния.

Регулирование работы колонны осуществляется по перепаду давлений: если разница давления в КПИ и дефлегматоре становится ниже заданного значения, то увеличивается орошение из куба-накопителя с помощью автоматического открытия клапана, что приводит к увеличению количества паров в КПИ. Соответственно при перепаде давления выше заданного – клапан перекрывает (уменьшает) поток жидкого моносилана из куба-накопителя.

Колонна заполнена высокоэффективной нерегулярной насадкой: спирально призматической или кольцевой насадкой из сетки с определяющим размером 4-5 мм.

Дефлегматор ректификационной колонны выполнен в виде криостата, состоящего из медного стержня, верхняя часть которого входит в дьюар с жидким азотом, а нижняя в накопительный куб.

Схема ректификационной колонна очистки от низкокипящих примесей представлена на рис. 6,8 Испаренный азот подается в межтрубное пространство кожухотрубного конденсатора, а затем остаточный холод газообразного азота используется для охлаждения куба с жидким моносиланом. Та часть моносилана, которая не успела сконденсироваться в дефлегматоре поступает в трубное пространство кожухотрубного конденсатора. Отбор низкокипящих примесей вместе с моносиланом производится в верхней части в виде паров, а низкокипящих примесей – из испарителя.

Газообразный моносилан через барботажное устройство подается в куб под слой жидкого моносилана, а затем поступает в ректифицирующую часть колонны.

Оптимальный перепад давлений регулируется расходом жидкого моносилана на испаритель. После очистки моносилан направляют на термическое разложение.

РИС.6.8.Схема очистки моносилана от низкокипящих примпесей.

1- дефлегматор;

2 –тепловой мост;

3 -сосуд с жидким азотом;

4 ректификационная часть;

5 –куб;

6 – барботажное устройство;

7 – испаритель;

8 – регулирующий клапан;

НК – низкокипящий компонент;

ВК – высококипящий компонент.

В промышленных условиях выращивание монокристаллов кремния осуществляется по методу Чохральского и бестигельной зонной плавкой. Приблизительное соотношение между двумя этими методами в плане объема производства составляет 4:1.

Выращивание кристаллов осуществляется в инертной атмосфере аргона, гелия либо в вакууме. В технологии используются различные источники нагрева.

Резистивный и высокочастотный нагрев используются в любой среде, а электронно лучевой - только в вакууме. Наиболее распространен резистивный нагрев.

Современные установки для выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского представляют собой сложный комплекс технических средств, который состоит из камеры с механизмами вращения и перемещения верхнего и нижнего штоков, вакуумного поста, системы электропитания, блока очистки и регулирования подачи инертного газа, блока охлаждения и системы регулирования РИС.6.9. Блок-схема установки процессом – рис.

выращивания монокристалла по Установки выращивания можно Чохральскому.

1- вакуумный пост;

2 – блок подачи и классифицировать следующим образом:

регулирования потока инертного газа;

3 – по массе загружаемого в тигель материала камера с шиберным устройством;

4 – (менее 10 кг;

10-20 кг;

20-60 кг;

более 60 кг);

система автоматического управления процессом;

5 – система электропитания;

6 – система водяного охлаждения.

по методу работы установки (периодический – за один цикл проводят один процесс и полунепрерывный – 3-5 процессов за один цикл);

по конструкции привода;

по конструкции нагревателя.

Основная тенденция развития установок – увеличение массы единичной загрузки при полной автоматизации, что позволяет повысить экономичность процесса в целом.

Блок-схема установки бестигельной зонной плавки изображена на рис..

Кремниевый стержень закрепляется вертикально в камере в специальном держателе. Со стороны одного из концов стержня (обычно нижнего) располагают затравочный кристалл.

Зону расплава создают в вертикально расположенном стержне. В этой зоне развивается давление гидростатическое давление Р(Г ) =ж gh обусловленное массой расплава. (Здесь ж – плотность расплавленного кремния, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

h – высота зоны расплава, м.

Зона расплава может быть устойчивой только в том случае, если поверхность расплава выдерживает гидростатическое давление. В соответствии с уравнением () hmax = 2,8 / g ж 2,8 0,72(2320*9,81) = 0,015 м, причем эта высота не зависит от диаметра проплавляемого стержня.

В качестве источника нагрева могут быть использованы электронно-лучевой, индукционный, электронно - дуговой и другие методы. Основной критерий выбора – исключение, либо минимизация возможности загрязнения кремния. Наиболее распространен индукционный метод, когда стержень кремния охвачен кольцевым индуктором, по которому пропускается электрический ток высокой частоты.

Оборудование для индукционной бестигельной зонной плавки - комплекс сложных, тесно взаимосвязанных систем. Установка состоит из механической, вакуумной, газовой, высокочастотной и контрольно-измерительной систем.

Механическая система обеспечивает перемещение и вращение держателей плавящегося и растущего стержней, а также индуктора при условии точного соблюдения параметров как в статическом, так и в динамическом режимах работы.

Вакуумная система должна обеспечивать проведение процесса плавки при давлении не выше 0,00133 Па. В газовой среде в камере поддерживается давление до 0, МПа при потоке до 50 л/мин.

В высокочастотной системе используются обычные генераторы с диапазоном частот 1,7 – 5,3 МГц.

Мощность генератора определяется тепловой мощностью, затрачиваемой на расплавление стержней кремния определенного диаметра. Зависимость тепловой мощности от диаметра стержня представлена в таблице… С учетом того, что суммарный к.п.д. индуктора и колебательных контуров не превышает 25%, для оценки мощности генератора тепловую мощность нужно умножать на 4.

РИС.6.10. Блок-схема бестигельной зонной плавки. Контрольно-измерительная 1 – блок подачи и регулировки потока газа;

2 – камера;

аппаратура должна обеспечивать 3 – блок управления приводами;

4 – система точное регулирование мощности, управления процессом;

5 - высокочастотный выделяемой индуктором и управление генератор;

6 – блок управления генератором;

7 – блок водяного охлаждения;

8 – вакуумный блок. скоростями выращивания и вращения держателей стержня.

Таблица 13. Зависимость тепловой мощности от диаметра стержня.

Диаметр, 10 20 40 60 80 100 120 140 мм Тепловая 0,3 0,8 2,4 4,7 7,6 11,0 15,0 19,8 24, мощность, кВт.

Наряду с задачей выращивания монокристаллов основной целью зонной плавки – является глубокая очистка кристаллов кремния. Значения равновесных коэффициентов разделения для основных примесей в кремнии представлены в таблице.

Таблица 14. Равновесные коэффициенты разделения для различных элементов в кремнии.

Примесь Примесь (6-7)10-2 410- С Cu 1,610-2 110- Pb Ag 810-1 810- B Co 710-4 3,610- N Ti 210-3 110- Al Mn 810-3 2,510- Ga Au 410-4 110- In Zn (8-60)10-6 110- Fe Cd (8-30)10- Ni O2 1,25-1, 3,310-1 110- Ge S 3,510-1 110- P Se 310-1 1,110- As Cr 2,310-2 210- Sb Ta 710-4 1,710- Bi Tl 110- Li - ПРИМЕРЫ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ РУБЕЖНОГО КОНТРОЛЯ Задание 1. Вариант 1.

Построить профили концентрации примеси вдоль цилиндрического слитка и сравнить эффективность (выход продукта) зонной плавки за один проход расплавленной зоны с методом направленной кристаллизации для системы кремний (основное вещество) – галлий (примесь).

В качестве критерия сравнения выбрать длину образца, в котором концентрация сурьмы в сечении не превышает 4,7*1017 ат./см3.

Исходные данные:

начальная концентрация сурьмы в образце – 0,02 масс. %;

равновесный коэффициент разделения сурьмы в кремнии – 0,008;

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см;

концентрация собственных атомов кремния в кристаллической решетке- 5* ат./см3;

скорость кристаллизации – 5 мм/мин;

длина образца – 1 м;

ширина расплавленной зоны – 5 см.

Задание 1. Вариант 2.

Построить профили концентрации галлия вдоль цилиндрического слитка кремния, который очищен в процессе зоной плавки после одного прохода расплавленной зоны и сравнить степень очистки для 3-х образцов:

исходная концентрация галлия в образце – образец А - 0,02 масс. % образец Б – 0,08 масс. % образец В – 0,60 масс. %;

равновесный коэффициент распределения галлия в кремнии – 0,008;

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см;

концентрация собственных атомов кремния в кристаллической решетке- 5* ат./см3;

скорость перемещения расплавленной зоны – 15 мм/мин;

длина образца – 1 м;

ширина расплавленной зоны – 10 см.

Определить в каком образце, при указанной организации процесса, может быть достигнута концентрация галлия в сечении не выше 3,8*1018 ат/см3.

Задание 1. Вариант 3.

Построить профили концентрации галлия вдоль цилиндрического слитка кремния, который очищен в процессе зоной плавки после одного прохода расплавленной зоны по следующим данным и выявить зависимость эффективности очистки от исходной концентрации примеси для 3-х образцов:

исходная концентрация галлия в образце – образец А - 0,01 масс. % образец Б – 0,09 масс. % образец В – 1,1 масс. %;

равновесный коэффициент распределения галлия в кремнии – 0,008;

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см;

концентрация собственных атомов кремния в кристаллической решетке- 5* ат./см3;

скорость перемещения расплавленной зоны – 5 мм/мин;

длина образца – 1 м;

ширина расплавленной зоны – 10 см.

Задание 1. Вариант 4.

Построить профиль концентрации галлия вдоль цилиндрического слитка кремния, который очищен в процессе зоной плавки после одного прохода расплавленной зоны, по следующим данным:

исходная концентрация галлия в образце – 0,02 масс. %;

равновесный коэффициент распределения галлия в кремнии – 0,008;

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см;

концентрация собственных атомов кремния в кристаллической решетке- 5* ат./см3;

скорость перемещения расплавленной зоны – 5 мм/мин;

длина образца – 1 м диаметр слитка – 2 см;

ширина расплавленной зоны – 10 см.

Оценить среднее содержание примеси в образце после того, как последний, по ходу движения расплавленной зоны, фрагмент слитка, равный длине расплавленной зоны, будет удален.

Задание 1. Вариант 5.

Построить профиль концентрации фосфора вдоль цилиндрического слитка кремния, который очищен в процессе зоной плавки после одного прохода расплавленной зоны по следующим данным:

исходная концентрация фосфора в образце – 0,02 масс. %;

равновесный коэффициент распределения фосфора в кремнии – 0,35;

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см;

концентрация собственных атомов кремния в кристаллической решетке- 5* ат./см3;

скорость перемещения расплавленной зоны – 1,5 мм/мин;

длина образца – 1 м;

диаметр образца – 2 см;

ширина расплавленной зоны – 10 см.

Определить какая часть образца может быть использована в качестве продукта, в котором максимальная концентрация фосфора в сечении не превышает 7,2*1018 ат./см3.

Оценить среднюю концентрацию примеси в этой части образца.

Задание 1. Вариант 6.

Построить профили концентрации галлия и сурьмы вдоль цилиндрического слитка кремния, который очищен в процессе зоной плавки после одного прохода расплавленной зоны по следующим данным:

исходная концентрация галлия и сурьмы в образце – 0,02 масс. %;

равновесный коэффициент распределения галлия в кремнии – 0,008;

равновесный коэффициент распределения сурьмы в кремнии – 0,0023;

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 см/с;

концентрация собственных атомов кремния в кристаллической решетке- 5* ат./см3;

скорость перемещения расплавленной зоны – 15 мм/мин;

длина образца – 1 м;

ширина расплавленной зоны – 10 см.

Определить существует ли в слитке кремния сечение, в котором максимальная концентрация сурьмы не превышает 2,3*1018 ат/см3, а концентрация галлия 3,9* ат./см3.

Задание 1. Вариант 7.

Построить профиль концентрации галлия вдоль цилиндрического слитка кремния, который планируется очистить в процессе зоной плавки после одного прохода расплавленной зоны. Исходные данные для расчета процесса:

исходная концентрация галлия в образце – 0,02 масс. %;

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 см/с;

концентрация собственных атомов кремния в кристаллической решетке- 5* ат./см3;

скорость перемещения расплавленной зоны – 1 мм/мин;

длина образца – 1 м;

ширина расплавленной зоны – 10 см.

Информация о коэффициенте распределения получена в эксперименте по направленной кристаллизации:

Скорость кристаллизации, см/с. Эффективный коэффициент разделения Система: кремний - галлий 0,0025 0, 0,0083 0, 0,025 0, Задание 1. Вариант 8.

Построить ожидаемый концентрационный профиль микропримеси серебра в индии, который будет получен в процессе зонной плавки при скорости перемещения расплавленной зоны 1*10-3 см/с.

Данный образец индия очищали методом нормальной направленной кристаллизации. Результаты анализа твердой фазы представлены в таблице.

№ Доля Концентрационный профиль п.п. закристаллизовавшегося серебра (ат.доли) при скорости вещества скорость кристаллизации, см/час 1,8 3,0 6, 8,2*10-5 1,1*10-4 2,1*10- 1 0, 9,1*10-5 1,2*10-4 2,4*10- 2 0, -4 - 2,7*10- 3 0,3 1,0*10 1,3* 1,2*10-4 1,5*10-4 3,0*10- 4 0, -4 - 3,5*10- 5 0,5 1,4*10 1,8* 1,8*10-4 2,25*10-4 4,3*10- 6 0, 2,3*10-4 2,93*10-4 5,4*10- 7 0, -4 - 7,7*10- 8 0,8 3,4*10 4,27* 6,5*10-4 8,1*10-4 1,37*10- 9 0, -3 - 2,47*10- 10 0,95 1,2*10 1,54* В расчетах принять отношение ширины расплавленной зоны к длине образца 10%., а отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см.

Задание 1. Вариант 9.

Монокристалл алюминия, который получен по методу Чохральского, проанализирован на содержание трех компонентов: меди, железа и кремния. Полученный равновесный концентрационный профиль представлен в таблице.

№ п.п. Доля Концентрация микропримесей, ат. доли.

закристаллизовавшегося вещества. Медь Железо Кремний 0,03 0,000299 0,000466 0, 0,09 0,000307 0,000473 0, 0,16 0,000316 0,000487 0, 0,27 0,000345 0,000516 0, 0,53 0,000473 0,000631 0, 6 0,67 0,000579 0,000761 0, 0,73 0,000678 0,000841 0, 0,83 0,000958 0,001122 0, 0,89 0,001496 0,001454 0, 0,93 0,002738 0,002113 0, 0,96 0,004870 0,002778 0, Построить ожидаемый концентрационный профиль, который может быть получен при зонной плавке этого же образца алюминия, для лимитирующей примеси.

За лимитирующую принять примесь эффективность очистки, от которой будет минимальной.

Данные для расчета:

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см;

скорость перемещения расплавленной зоны – 1,5 мм/мин;

длина образца – 1 м;

ширина расплавленной зоны – 10 см.

Задание 1. Вариант 10.

Монокристалл алюминия, который получен по методу Чохральского, проанализирован на содержание трех компонентов: меди, железа и кремния. Полученный равновесный концентрационный профиль представлен в таблице.

№ п.п. Доля Концентрация микропримесей, ат.доли.

закристаллизовавшегося вещества. Медь Железо Кремний 0,03 0,00030 0,00046 0, 0,09 0,00031 0,00047 0, 0,16 0,00032 0,00049 0, 0,27 0,00035 0,00052 0, 5 0,46 0,00042 0,00059 0, 0,60 0,00052 0,00069 0, 0,73 0,00068 0,00084 0, 0,83 0,00096 0,00112 0, 0,89 0,0015 0,00145 0, 0,93 0,00274 0,00211 0, 0,96 0,00487 0,00279 0, Графически определить по какой примеси выход очищенного продукта будет минимальным в результате очистки зонной плавкой.

Данные для расчета:

отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см;

скорость перемещения расплавленной зоны – 2,0 мм/мин;

длина образца – 1 м;

ширина расплавленной зоны – 10 см.

Задание 1. Вариант 11.

Равновесный концентрационный профиль микропримеси меди в монокристалле алюминия, который получен из электролитического алюминия, представлен в таблице.

№ Доля Концентрация микропримесей, п.п. закристаллизовавшегося ат.доли вещества.

0,03 0, 0,09 0, 0,16 0, 0,27 0, 0,46 0, 6 0,53 0, 0,60 0, 0,67 0, 0,73 0, 0,83 0, 0,89 0, 12 0,93 0, 0,96 0, Сравнить выход очищенного продукта в случае очистки данного образца электролитического алюминия по методу Чохральского и с помощью зонной плавки при одинаковой скорости кристаллизации 2 мм/мин.

В расчетах принять отношение ширины расплавленной зоны к длине образца равным 10 %., а отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см.

Задание 1. Вариант 12.

Равновесный концентрационный профиль микропримеси железа в монокристалле алюминия, который получен из электролитического алюминия, представлен в таблице.

№ Доля Концентрация микропримесей, п.п. закристаллизовавшегося ат.доли вещества.

0,03 0, 0,09 0, 0,16 0, 0,27 0, 0,46 0, 6 0,53 0, 0,60 0, 0,67 0, 0,73 0, 0,83 0, 0,89 0, 12 0,93 0, 0,96 0, Сравнить выход очищенного продукта в случае очистки данного образца электролитического алюминия по методу Чохральского и с помощью зонной плавки при одинаковой скорости кристаллизации 1,5 мм/мин.

В расчетах принять отношение ширины расплавленной зоны к длине образца равным 10 %, а отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см.

Задание 1. Вариант 13.

Равновесный концентрационный профиль микропримеси кремния в монокристалле алюминия, который получен из электролитического алюминия, представлен в таблице.

№ Доля Концентрация микропримесей, п.п. закристаллизовавшегося ат.доли вещества.

0,03 0, 0,09 0, 0,16 0, 4 0,27 0, 0,46 0, 0,53 0, 0,60 0, 0,67 0, 0,73 0, 0,83 0, 11 0,89 0, 0,93 0, 0,96 0, Сравнить выход очищенного продукта в случае очистки данного образца электролитического алюминия по методу Чохральского и с помощью зонной плавки при одинаковой скорости кристаллизации 0,5 мм/мин.

В расчетах принять отношение ширины расплавленной зоны к длине образца равным 10 %, а отношение толщины диффузионного слоя к коэффициенту диффузии примеси в жидкости – 200 с/см.

Задача 2. Вариант 1.

Определить минимальное значение ЧТСР в процессе низкотемпературной ректификации для системы кислород – аргон при давлении 0,133 МПа, если известно, что концентрация примеси кислорода должна быть снижена с 0,2 об.% до 0,005 об.%.

Расчет коэффициента разделения в области низких концентраций произвести на основании экспериментальных данных по фазовому равновесию жидкость - пар для системы кислород – аргон в области средних концентраций:

Давление – 0,133 МПа;

Содержание кислорода в смеси: в жидкой фазе – 0,4 м.д;

в паровой фазе – 0,4769 м.д;

Температура кипения смеси: 91,18 К.

Зависимость температуры кипения кислорода и аргона от давления:

Аргон Кислород Температра,К Давление,МПа Температра,К Давление,МПа 86,98 0,098 89,87 0, 88,75 0,118 91,96 0, 90 0,133 92,93 0, 94,11 0,196 97,08 0, 102,52 0,392 105,53 0, 107,68 0,569 110,7 0, Задача 2. Вариант 2.

Определить минимальное значение ЧТСР в процессе низкотемпературной ректификации для системы кислород – аргон при давлении 0,098 МПа, если известно, что концентрация примеси кислорода должна быть снижена с 0,17 об.% до 0,005 об.%.

Расчет коэффициента разделения в области низких концентраций произвести на основании экспериментальных данных по фазовому равновесию жидкость пар для системы кислород – аргон в области средних концентраций:

Давление – 0,098 МПа;

Содержание кислорода в смеси: в жидкой фазе – 0,4 м.д.;

в паровой фазе – 0,4823 м.д.;

Температура кипения смеси: 88,15 К.

Зависимость температуры кипения кислорода и аргона от давления:

Аргон Кислород Температра,К Давление,МПа Температра,К Давление,МПа 86,98 0,098 89,87 0, 88,75 0,118 91,96 0, 90 0,133 92,93 0, 94,11 0,196 97,08 0, 102,52 0,392 105,53 0, 107,68 0,569 110,7 0, Задача 2. Вариант 3.

Определить минимальное значение ЧТСР в процессе низкотемпературной ректификации для системы кислород – аргон при давлении 0,196 МПа, если известно, что концентрация примеси кислорода должна быть снижена с 0,13 об.% до 0,0005 об.%.

Расчет коэффициента разделения в области низких концентраций произвести на основании экспериментальных данных по фазовому равновесию жидкость пар для системы кислород – аргон в области средних концентраций:

Давление – 0,196 МПа;

Содержание кислорода в смеси: в жидкой фазе – 0,2 м.д;

в паровой фазе – 0,2606 м.д.;

Температура кипения смеси: 96,06 К.

Зависимость температуры кипения кислорода и аргона от давления:

Аргон Кислород Температра,К Давление,МПа Температра,К Давление,МПа 86,98 0,098 89,87 0, 88,75 0,118 91,96 0, 90 0,133 92,93 0, 94,11 0,196 97,08 0, 102,52 0,392 105,53 0, 107,68 0,569 110,7 0, Задача 3. Вариант 3.

В ректификационной колонне, которая состоит из 22 ТСР, при температуре, которой соответствует коэффициент разделения 1,55, в безотборном режиме концентрация примеси на выходе с последней ступени снижена до 8*10 -12 м.д. ВЕП определена экспериментально и составляет 0,033 м.

Определить минимальную концентрацию примеси в очищенном потоке в данной колонне при работе со степенью отбора р = 0,06.

Определить во сколько раз изменится максимально возможная эффективность колонны при плотности орошения 3*10-4 моль/см2*с, если процесс проводить в аппаратуре из материала, который корродирует в операционных условиях со скоростью 2,51*10-13 моль/см3*с, причем продукт коррозии идентичен примеси, от которой производится очистка.

Задача 2. Вариант 4.

Имеется одна экспериментальная точка фазового равновесия жидкость – пар для системы кислород – аргон, снятая при давлении 0,118 МПа:

Содержание кислорода в смеси: в жидкой фазе – 0,5 м.д;

в паровой фазе – 0,5713 м.д.;

Температура кипения смеси: 89,66 К.

Рассчитать коэффициенты разделения в области микроконцентрации кислорода в аргоне и микроконцентрации аргона в кислороде.

Зависимость температуры кипения кислорода и аргона от давления:

Аргон Кислород Температра,К Давление,МПа Температра,К Давление,МПа 86,98 0,098 89,87 0, 88,75 0,118 91,96 0, 90 0,133 92,93 0, 94,11 0,196 97,08 0, 102,52 0,392 105,53 0, 107,68 0,569 110,7 0, Задача 2. Вариант 5.


Определить минимальное значение ЧТСР в процессе низкотемпературной ректификации для системы кислород – аргон при давлении 0,392 МПа, если известно, что концентрация примеси кислорода должна быть снижена с 0,4 об.% до 0,0005 об.%.

Расчет произвести на основании экспериментальных данных по фазовому равновесию жидкость пар для системы кислород – аргон в области средних концентраций:

Давление – 0,392 МПа;

Равновесный состав, мол.доля. Температура, К.

Т x1 y 0,3 0,3574 104, 0,4 0,4572 103, Зависимость температуры кипения кислорода и аргона от давления:

Аргон Кислород Температра,К Давление,МПа Температра,К Давление,МПа 86,98 0,098 89,87 0, 88,75 0,118 91,96 0, 90 0,133 92,93 0, 94,11 0,196 97,08 0, 102,52 0,392 105,53 0, 107,68 0,569 110,7 0, Задача 2. Вариант 6.

Для системы ацетон (1) – метанол(2) при атмосферном давлении экспериментально определена температура кипения смеси и равновесный состав фаз:

Концентрация ацетона в жидкой фазе, мол.дол. - 0, Концентрация ацетона в паровой фазе, мол.дол. - 0, Температура кипения смеси, 0С - 58, Рассчитать значение коэффициента разделения в системе ацетон – метанол при атмосферно давлении в области микроконцентраций:

ацетона 1.

метанола.

2.

Зависимость давлений пара чистых компонентов от температуры представлены уравнениями:

lg P10 = 7,1481 – 1221,4/(t + 230);

lg P20 = 7,8417 – 1464,5/(t + 230), где t – температура.

Задача 2. Вариант 7.

Зависимость давления паров от температуры для чистых ацетона (1) и метанола (2) описывается уравнением Калингерта – Девиса:

lg P10 = 7,1481 – 1221,4/(t + 230);

lg P20 = 7,8417 – 1464,5/(t + 230), где t – температура, 0С.

Для системы ацетон (1) – метанол (2) при давлении 760 мм.рт.ст. проведены прямые измерения фазового равновесия жидкость - пар, результаты которых представлены в таблице:

Температура, 0С.

Равновесный состав, мол.доля.

x1 y1 t 0,4 0,516 57, 0,6 0,656 56, 0,676 0,71 55, Рассчитать коэффициент разделения при атмосферном давлении (760 м.рт.ст.) в системе ацетон – метанол в области микроконцентраций ацетона.

Задача 2. Вариант 8.

Пользуясь методом Карлсона и Колборна рассчитать коэффициент разделения в системе ацетон (1) – метанол (2) в области микроконцентраций метанола по косвенным данным, которые получены под давлением 740 мм.рт.ст.

Состав жидкой Температура Давление пара чистых компонентов, кипения, 0С.

фазы, м.д. мм.рт.ст.

P01 P х1 T 0 64,0 988 0,048 62,7 947 0,095 61,75 918 0,312 58,05 812 0,609 55,2 736 0,726 54,75 724 0,798 54,5 718 0,898 54,6 720 0,952 54,95 729 1,000 55,35 740 Допущение: в данном температурном интервале коэффициенты активности не зависят от температуры.

Задача 2. Вариант 9.

Пользуясь методом Карлсона и Колборна рассчитать коэффициент разделения в системе ацетон (1) – метанол (2) в области микроконцентраций ацетона по косвенным данным, которые получены под давлением 740 мм.рт.ст.

Состав жидкой Температура Давление пара чистых компонентов, кипения, 0С.

фазы, м.д. мм.рт.ст.

P х1 T P 0 64,0 988 0,048 62,7 947 0,095 61,75 918 0,312 58,05 812 0,609 55,2 736 0,726 54,75 724 0,798 54,5 718 0,898 54,6 720 0,952 54,95 729 1,000 55,35 740 Допущение: в данном температурном интервале коэффициенты активности не зависят от температуры.

Задача 2. Вариант 10.

На основании имеющихся экспериментальных данных оценить значение коэффициента разделения в области микроконцентраций примеси воды.

Система ацетон (1) – вода (2) при 760 мм.рт.ст.

Равновесный состав, мол. доля. Температура, Давление пара чистого С. компонента, мм.рт.ст.

P01 P x1 y1 t 0,22 0,800 62,9 952 0,445 0,831 62,7 946 0,505 0,849 59,9 862 0,76 0,888 57,8 804 Зависимость давления пара чистого ацетона от температуры описывается уравнением:

lg P10 = 7,1481 – 1221,4/(t + 230), где значение температуры в 0С.

Задача 2. Вариант 11.

На основании имеющихся экспериментальных данных оценить значение коэффициента разделения в области микроконцентраций примеси воды.

Система метанол (1) – вода (2) при 760 мм.рт.ст.

Равновесный состав, мол. доля. Температура, Давление пара чистого С. компонента, мм.рт.ст.

P01 P x1 y1 t 0,4 0,729 75,3 1140 0,6 0,825 71,2 976 0,7 0,870 69,3 906 Зависимость давления пара чистого метанола от температуры описывается уравнением:

lg P10 = 7,8417 – 1464,5/(t + 230), где значение температуры в 0С.

Задача 2. Вариант 12.

Определить минимальное значение ЧТСР в процессе низкотемпературной ректификации для системы кислород – аргон при давлении 0,133 МПа, если известно, что концентрация примеси кислорода должна быть снижена с 0,1 об.% до 0,005 об.%.

Расчет коэффициента разделения в области низких концентраций произвести на основании экспериментальных данных по фазовому равновесию жидкость - пар для системы кислород – аргон в области средних концентраций:

Давление – 0,133 МПа;

Содержание кислорода в смеси: в жидкой фазе – 0,3 м.д;

в паровой фазе – 0,3712 м.д;

Температура кипения смеси: 91,52 К.

Зависимость температуры кипения кислорода и аргона от давления:

Аргон Кислород Температра,К Давление,МПа Температра,К Давление,МПа 86,98 0,098 89,87 0, 88,75 0,118 91,96 0, 90 0,133 92,93 0, 94,11 0,196 97,08 0, 102,52 0,392 105,53 0, 107,68 0,569 110,7 0, Задача 3. Вариант 1.

Исходная жидкая смесь, которая содержит 1,64*10-7 м.д. примеси, подвергается разгонке в ректификационной колонне по непрерывной схеме. Исчерпывающая часть колонны состоит из 22 ТСР.

В безотборном режиме на последней тарелке получена концентрация примеси 8*10- м.д.

ВЕП для данной системы и насадки определена в отдельном эксперименте и составляет 0,035 м.

Определить минимальную концентрацию примеси в очищенном потоке исчерпывающей (по примеси) колонне при работе со степенью отбора р = 0,08.

Определить во сколько раз изменится минимально возможная концентрация примеси при плотности орошения 3*10-4 моль/см2*с, если процесс проводить в аппаратуре из материала, который корродирует в операционных условиях со скоростью 2,57*10- моль/см3*с, причем продукт коррозии идентичен примеси, от которой производится очистка.

Задача 3. Вариант 2.

Исходная жидкая смесь, которая содержит 1,64*10-7 м.д. примеси, подвергается разгонке в ректификационной колонне по непрерывной схеме. В операционных условиях коэффициент разделения принимается равным 1,56.

В безотборном режиме на последней тарелке получена концентрация примеси 8*10-12 м.д.

ВЕП для данной системы и насадки определена в отдельном эксперименте и составляет 0,034 м.

Определить минимальную концентрацию примеси в очищенном потоке исчерпывающей (по примеси) колонне при работе со степенью отбора р = 0,07.

Определить во сколько раз изменится максимально возможная эффективность колонны при плотности орошения 3*10-4 моль/см2*с, если процесс проводить в аппаратуре из материала, который корродирует в операционных условиях со скоростью 2,54*10-13 моль/см3*с, причем продукт коррозии идентичен примеси, от которой производится очистка.

Задача 3. Вариант 3.

В ректификационной колонне, которая состоит из 22 ТСР, при температуре, которой соответствует коэффициент разделения 1,55, в безотборном режиме концентрация примеси на выходе с последней ступени снижена до 8*10 -12 м.д. ВЕП определена экспериментально и составляет 0,033 м.

Определить минимальную концентрацию примеси в очищенном потоке в данной колонне при работе со степенью отбора р = 0,06.

Определить во сколько раз изменится максимально возможная эффективность колонны при плотности орошения 3*10-4 моль/см2*с, если процесс проводить в аппаратуре из материала, который корродирует в операционных условиях со скоростью 2,51*10-13 моль/см3*с, причем продукт коррозии идентичен примеси, от которой производится очистка.

Задача 3. Вариант 4.

В исчерпывающей по примеси ректификационной колонне, которая состоит из 23 ТСР, при температуре, которой соответствует коэффициент разделения 1,54, в безотборном режиме концентрация примеси на выходе с последней ступени снижена до 1,18*10 -6 м.д.

ВЕП определена экспериментально и составляет 0,033 м.

Определить минимальную концентрацию примеси в очищенном потоке в данной колонне при работе со степенью отбора р = 0,06.

Определить во сколько раз изменится фактор разделения при плотности орошения 3*10-4 моль/см2*с, если процесс проводить в аппаратуре из материала, который корродирует в операционных условиях со скоростью 2,49*10-13 моль/см3*с, причем продукт коррозии идентичен примеси, от которой производится очистка.

Задача 3. Вариант 5.

В исчерпывающей по примеси ректификационной колонне, которая состоит из ТСР, при температуре, которой соответствует коэффициент разделения 1,53, в безотборном режиме концентрация примеси на выходе с последней ступени снижена до 8*10-12 м.д. ВЕП определена экспериментально и составляет 0,032 м.

Определить минимальную концентрацию примеси в очищенном потоке в данной колонне при работе со степенью отбора р = 0,06.

Определить во сколько раз изменится концентрация примеси в очищенном потоке при плотности орошения 3*10-4 моль/см2*с, если, при прочих равных условиях, процесс проводить в аппаратуре из материала, который коррозирует в операционных условиях со скоростью 2,45*10-13 моль/см3*с, причем продукт коррозии идентичен примеси, от которой производится очистка.

Задача 3. Вариант 6.

В исчерпывающей по примеси ректификационной колонне, которая состоит из ТСР, при температуре, которой соответствует коэффициент разделения 1,53, в безотборном режиме концентрация примеси на выходе с последней ступени снижена до 1,4*10-8 м.д., причем известно, часть примеси поступает из материала аппаратуры.

Плотность орошения в колонне составляет 3*10-4 моль/см2*с.

Определить скорость натекания примеси, если известно, что фактор разделения данной колонны в безотборном режиме без учета натекания примеси составляет 5*10-5.


Определить минимальную концентрацию примеси в очищенном потоке в данной колонне при работе со степенью отбора р = 0,06.

Задача 3. Вариант 7.

В исчерпывающей по примеси ректификационной колонне, которая состоит из ТСР, при температуре, которой соответствует коэффициент разделения 1,52, в безотборном режиме концентрация примеси на выходе с последней ступени снижена до 1,4*10-8 м.д., причем известно, частично примесь поступает из материала аппаратуры.

Плотность орошения в колонне составляет 3*10-4 моль/см2*с.

Определить фактор разделения в отборном режиме (р = 0,07) при наличии эффекта загрязнения, если известно, что фактор разделения данной колонны в безотборном режиме без учета эффекта загрязнения составляет 5*10-5.

Задача 3. Вариант 8.

Рассчитать минимальное количество ступеней противоточного аппарата молекулярной дистилляции для снижения концентрации летучей примеси PCl3 в СН3SiCl в 10 раз при отборе 0,001. Принять, что коэффициент разделения жидкость – пар при температуре равен 1,1.

Задача 3. Вариант 9.

Сравнить число ступеней противоточного аппарата молекулярной дистилляции и насадочной ректификационной колонны, которое необходимо для снижения концентрации летучей примеси PCl3 в СН3SiCl3 в 20 раз при работе в режиме со степенью отбора 0,01, если известно, что при температуре процесса коэффициент разделения жидкость – пар составляет 1,15.

Задача 3. Вариант 10.

Основное вещество содержит 2 примеси, от которых предполагается произвести очистку методом ректификации. При операционной температуре процесса примесь №1 по отношению к основному веществу имеет коэффициент разделения 1,57, а примесь №2 – 1,92. Фактор разделения, который должен быть достигнут по примеси №1 – 6*10-3, а по примеси №2 – 1*10-4.

Оценить возможность установки такой ректификационной колонны в лаборатории с высотой потолка 3,5 м, если экономически обоснованная величина степени отбора продукта составляет 0,05, а ВЕП=0,22 м.

Задача 3. Вариант 11.

Основное вещество содержит 2 примеси, от которых предполагается произвести очистку методом ректификации. При операционной температуре процесса примесь№1 по отношению к основному веществу имеет коэффициент разделения 1,57, а примесь №2 – 1,92. Фактор разделения, который должен быть достигнут по примеси №1 – 6*10-3, а по примеси №2 – 1*10-4.

Определить по какой из примесей должен быть произведен расчет, если предполагается, что степень отбора продукта должна составлять 0,05.

Определить высоту насадочной части ректификационной колонны, если для используемой насадки в условиях проведения процесса ВЭТТ= 0,06 см.

Задача 3. Вариант 12.

При ректификационной очистке СН3SiCl3 лимитирующей примесью оказался PCl (коэффициент разделения 1,10). Концентрация PCl3 в очищенном продукте при степени отбора продукта 0,05 не превышала 7*10-7 масс.%.

Построить профиль концентрации примеси в исчерпывающей части колонны если известно, что начальная концентрация примеси составляет 1*10-5 масс.%, а ВЭТТ=6 см.

Задание 4. Вариант 1.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 1,3 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

960 0, 994 0, 1035 0, 1094 0, 1131 0, 1155 1, 1166 2, 1176 3, 1186 4, 1200 4, 1217 4, 1231 4, 1269 5, Построить изоплану и определить предельную концентрацию кислорода, которая может быть получена при использовании данного адсорбера.

Определить динамическую активность слоя при скорости газа 0,8 м/ мин, при условии, что содержание примеси в аргоне необходимо снизить в 200 раз.

Задание 4. Вариант 2.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 1,3 м, диаметре адсорбера 0,1 м, исходной концентрация кислорода 5 об.% и линейной скорости газа в адсорбере 0,8 м/мин получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

960 0, 994 0, 1035 0, 1094 0, 1131 0, 1155 1, 1176 2, 1186 2, 1200 3, 1217 3, 1231 4, 1269 5, Определить ширину фронта адсорбции, фактор симметричности и динамическую активность слоя, если содержание примеси в аргоне необходимо снизить в 100 раз.

Задание 4. Вариант 3.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 0,35 м, диаметре адсорбера 0,05 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

240 0, 274 0, 315 0, 374 0, 411 0, 435 1, 446 2, 456 3, 466 4, 480 4, 497 4, 511 4, 548 5, Определить время потери защитного действия и динамическую активность адсорбента при скорости газа 0,8 м/ мин, при условии, что содержание примеси в аргоне необходимо снизить в 100 раз.

Задание 4. Вариант 4.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 0,35 м, диаметре адсорбера 0,05 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

240 0, 274 0, 315 0, 374 0, 411 0, 435 1, 446 2, 456 2, 466 2, 480 3, 497 3, 511 4, 548 5, Определить какую часть от полного количества вещества, поглощаемого из смеси в динамических условиях составляет динамическая активность слоя при условии, что при скорости газа 0,8 м/ мин содержание примеси в аргоне необходимо снизить в 100 раз.

Задание 4. Вариант 5.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 1,46 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

1080 0, 1114 0, 1155 0, 1214 0, 1251 0, 1275 1, 1286 2, 1296 3, 1306 4, 1320 4, 1337 4, 1351 4, 1388 5, Определить значение кинетического коэффициента внешней диффузии (коэффициента массоотдачи в газовой фазе) и высоту неработающего слоя при скорости газа в адсорбере 0,8 м/мин и необходимом снижении содержания кислорода в аргоне за слоем адсорбента в 100 раз.

Задание 4. Вариант 6.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 1,46 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

1080 0, 1114 0, 1155 0, 1214 0, 1251 0, 1275 1, 1296 1, 1306 2, 1320 2, 1337 3, 1351 4, 1388 5, Определить минимальную концентрацию кислорода в аргоне, которая может быть получена на слое адсорбента указанной высоты и динамическую активность этого слоя при условии, что очистку аргона необходимо проводить до уровня 0,025 об.%.

Задание 4. Вариант 7.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 1,3 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

240 0, 274 0, 315 0, 374 0, 411 0, 435 1, 446 2, 456 3, 466 4, 480 4, 497 4, 511 4, 548 5, Определить время потери защитного действия, при условии, что содержание примеси в аргоне необходимо снизить в 100 раз.

Определить динамическую активность адсорбента при скорости газа 3,2 м/ мин.

Задание 4. Вариант 8.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 1,3 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

240 0, 274 0, 315 0, 374 0, 411 0, 435 1, 446 2, 456 2, 466 2, 480 3, 497 3, 511 4, 548 5, Определить динамическую активность слоя при условии, что при скорости газа 3,2 м/ мин содержание примеси в аргоне необходимо снизить в 100 раз.

Задание 4. Вариант 9.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 1,3 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

1080 0, 1114 0, 1155 0, 1214 0, 1251 0, 1275 1, 1286 2, 1296 3, 1306 4, 1320 4, 1337 4, 1351 4, 1388 5, Определить значение кинетического коэффициента внешней диффузии (коэффициента массоотдачи в газовой фазе) и высоту неработающего слоя при скорости газа в адсорбере 0,9 м/мин и необходимом снижении содержания кислорода в аргоне за слоем адсорбента в 100 раз.

Задание 4. Вариант 10.

При адсорбционной экспериментальной очистке аргона от кислорода использован цеолит NaA. При высоте адсорбционного слоя 1,46 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

1080 0, 1114 0, 1155 0, 1214 0, 1251 0, 1275 1, 1296 1, 1306 2, 1320 2, 1337 3, 1351 4, 1388 5, Определить минимальную концентрацию кислорода в аргоне, которая может быть получена на слое адсорбента указанной высоты и динамическую активность этого слоя при условии, что очистку аргона необходимо проводить до уровня 0,025 об.% при скорости газа в адсорбере 0,9 м/мин.

Задание 4. Вариант 11.

При адсорбционной низкотемпературной очистке аргона от кислорода под атмосферным давлением (0,1 МПа) использован цеолит NaA, равновесная адсорбция которого в статических условиях описывается уравнением lg a = lg (Wa /*) – {0,435B(T2/a)[ lg (ps/p)]2}, где 0,205 см3/г Wa * 30,3 см3/моль 0,0000049 град- B a 0, 140 кПа ps (T=96K) При высоте адсорбционного слоя 1,46 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

1080 0, 1114 0, 1155 0, 1214 0, 1251 0, 1275 1, 1296 1, 1306 2, 1320 2, 1337 3, 1351 4, 1388 5, Определить степень использования слоя адсорбента слоя при условии, что очистку аргона необходимо проводить до уровня 0,025 об.% при скорости газа в адсорбере 0, м/мин.

Задание 4. Вариант 12.

При адсорбционной низкотемпературной очистке аргона от кислорода под атмосферным давлением (0,1 МПа) использован цеолит NaA, равновесная адсорбция которого в статических условиях описывается уравнением lg a = lg (Wa /*) – {0,435B(T2/a)[ lg (ps/p)]2}, где см3/г 0, Wa * см3/моль 30, град- 0, B a 0, кПа ps (T=96K) При высоте адсорбционного слоя 1,46 м, диаметре адсорбера 0,1 м и исходной концентрация кислорода 5 об.% получены следующие результаты измерения концентрации примеси во времени на выходе из адсорбера:

, мин. C, об.%.

1080 0, 1114 0, 1155 0, 1214 0, 1251 0, 1275 1, 1296 1, 1306 2, 1320 2, 1337 3, 1351 4, 1388 5, Определить«проскоковую» адсорбционную емкость слоя адсорбента при условии, что очистку аргона необходимо проводить до уровня 0,03 об.% при скорости газа в адсорбере 0,9 м/мин.

Цеолит NaA был загружен в адсорбер при комнатной температуре. Адсорбция цеолита по воде при комнатной температуре – 20 масс.%. Насыпная масса гидратированного цеолита – 800 кг/м3.

Комплект контрольных вопросов, предназначенных для самостоятельного изучения курса «Современные процессы глубокой очистки веществ».

Понятие микропримеси. Классификация ОСЧ веществ (индекс 1.

чистоты N lg x i 2 ;

отечественные классификации 1959 и 1965 годов).

Влияние внешних загрязнений на процесс глубокой очистки веществ.

Источники внешних загрязнений. Понятие и способы выражения скорости коррозии. Уровень скорости коррозии конструкционных материалов. Связь чистоты химических элементов с их расположением в таблице Д.И.Менделеева.

Общая характеристика химических методов очистки ОСЧ веществ:

2.

преимущества и недостатки. Оценка предельных возможностей химических методов очистки.

Химические транспортные реакции (ХТР): определение, особенности и выбор 3.

транспортных реакций для глубокой очитки веществ;

принципиальная схема и основные соотношения при химическом транспорте потоком газа носителя, при химическом транспорте молекулярной диффузией, при химическом транспорте конвекцией;

основные требования к транспортному агенту. Основные принципы очистки веществ с помощью ХТР. Иодидная технология.

Карбонильная технология получения высокочистого никеля (метод Монда).

Принципиальная схема получения особо чистых веществ по гидридной, и 4.

галогенидной технологиям. Принципиальные требования к гидридам и галогенидам. Примеры гидридов и галогенидов, которые используются при получении особо чистых веществ. Способы получения основных легколетучих гидридов. Принципиальная схема получения особо чистых веществ через металлоорганические соединения (МОС). Основные способы получения МОС.

Требования, предъявляемые к МОС. Преимущества и недостатки метода.

Относительная летучесть (коэффициент разделения при дистилляции) в 5.

условиях разбавленных растворов. Экспериментальные методы определения коэффициента разделения.

Поведение взвешенных частиц при перегонке. График зависимости 6.

эффективного коэффициента разделения от скорости испарения (гомогенная смесь, система со взвешенными частицами). Схема и принцип работы термодистилляционной колонны.

Молекулярная дистилляция: общие принципы, технологические схемы, 7.

основные расчетные соотношения. Аппарат Мельпольдера. Промышленные установки молекулярной дистилляции.

Ректификация: основные типы колонн;

фактор разделения;

зависимость 8.

фактора разделения колонны от скорости потока жидкости;

степень отбора;

влияние скорости отбора продукта на фактор разделения;

распределение примесей по высоте колонны и зависимость фактора разделения от степени отбора при наличии загрязняющего действия аппаратуры;

понятие предельного значения концентрации примесей. Общая схема решения задачи глубокой очистки методом ректификации. Схемы глубокой очистки вещества периодической ректификацией. Глубокая очистка легколетучих гидридов.

Установки низкотемпературной ректификации.

Общая характеристика адсорбционных методов в технологии получения ОСЧ 9.

веществ. Основные типы адсорбентов (активированный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты), структура, специфика их приготовления и использования в технологии ОСЧ веществ. Изотерма адсорбции в области микроконцентраций.

Вывод уравнения изотермы адсорбции Лэнгмюра. Статическая адсорбция и динамическая активность адсорбента. Понятие выходной кривой (изопланы) и высоты неработающего («мертвого») слоя адсорбента. Динамика адсорбции микропримесей. Понятие полюса адсорбции. Расчет предельного снижения концентрации слоем адсорбента по экспериментальным данным динамики адсорбции. Методы десорбции: преимущества и недостатки. Основные принципы выбора адсорбента для поглощения микропримесей на основании данных по равновесной адсорбции чистого компонента: учет влияния основного компонента, неполноты десорбции и динамического характера адсорбции. Типовая технологическая схема модуля адсорбционной очистки.

Адсорбционная очистка хлоридов. Адсорбционная очистка гидридов, ЭОС, газов.

Элементарная термодинамика ионного обмена. Давление набухания.

9.

Коэффициент разделения. Изотерма ионного обмена. Получение особо чистой воды.

Физико-химические основы разделения веществ кристаллизационными 10.

методами. Диаграмма плавкости для системы образующей непрерывный ряд твердых растворов. Метод нормальной направленной кристаллизации:

принципиальные схемы осуществления процесса, основные соотношения.

Расчет равновесного значения коэффициента направленной кристаллизации по экспериментальным данным. Зонная плавка: физико-химические основы метода;

распределение примеси по длине слитка после одного прохода расплавленной зоны при значении коэффициента разделения меньше и больше 1;

распределение примеси по длине слитка вблизи зоны плавления в зависимости от числа проходов. Способы зонной плавки: контейнерная, бестигельная. Влияние конструкции установки на эффективность очистки:

геометрические характеристики контейнера, скорость кристаллизации, способ создания расплавленной зоны, способ передвижения расплавленной зоны, способ перемешивания расплавленной зоны. Максимальная высота расплавленной зоны при бестигельной зонной плавке.

Сырье для получения кремния высокой чистоты: хлорсиланы, моносилан.

11.

Схемы установок очистки трихлорсилана, тетрахлорсилана, моносилана.

Получение кремния: основные химические реакции, устройство реакторов разложения летучих соединений кремния. Глубокая очистка кремния зонной перекристаллизацией: принципиальная схема организации процесса.

Лимитирующие примеси.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1. В образце натрия квалификации ОСЧ установлена концентрация пяти примесей:

Si – 2,0*10-3 масс.%;

Fe - 8,0*10-5 масс.%;

Ag - 2,0*10-6 масс.%;

Mg - 2,0*10- масс.%;

Cu - 1,0*10-5 масс.%.

Кроме указанных элементов обнаружено еще 8 примесей, содержание которых оказалось ниже пределов детектирования.

Обозначить марку натрия в соответствии с системой классификации стандарта СССР 1965 г.

Сделать предположение о качественном составе примесей, которые невозможно определить количественно.

2. Изобразить схему разделения смеси Cu+Cu2O при помощи следующих химических транспортных реакций:

H0 = 18,9 кДж 3Cu + 3HCl = Cu3Cl3 (г) + 1,5H2,;

H0 = - 92,2 кДж.

1,5Сu2O + 3HCl = Cu3Cl3 (г) + 1,5H2O;

Вещества транспортируются под действием перепада температур.

3. Относительная летучесть (коэффициент разделения при дистилляции) в условиях разбавленных растворов.

4. Физико-химические основы метода зонной плавки.

5. Влияние основного компонента на эффективность очистки от примеси адсорбционным методом.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № Образец калия квалификации ОСЧ проанализирован на содержание 11 примесей, 1.

причем количественно установлено содержание шести из них:

Fe - 1,0*10-4 масс.%;

Bi – менее 2,0*10-7 масс.%;

Ni – 3,0*10-5 масс.%;

Pb - 5,0*10-5 масс.%;

Mn - 9,0*10-6 масс.%;

Cu -2,0*10-5 масс.%;

Zn – менее 1,0*10-4 масс.%;

Ag - 6,0*10-6 масс.%;

Sb – менее 3,0*10-5 масс.%;

Cd - менее 4,0*10-5 масс.%;

In - менее 3,0*10-7 масс.%.

Обозначить марку калия в соответствии с системой классификации стандарта СССР 1965 г.

Соответствует ли данный образец бериллия квалификации 6N?

2. Очистку металлов можно осуществить с помощью химической транспортной реакции через субсоединение с галогенидами. Вероятность образования субгалогенида определяется значением потенциала ионизации элемента. Значения потенциалов ионизации (кДж/моль) представлены в таблице.

Элемент Потенциал ионизации, кДж/моль Mg 730, Al 572, Si 777, Ti 653, Определить, какой из элементов может быть лучше всего очищен от других (представленных в таблице) с учетом того, что все они могут образовывать субгалогениды.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.