Proceso para eliminar aluminio y otros cloruros de metal de los clorosilanos.
Un proceso para eliminar el cloruro de aluminio y otros cloruros de metal parcialmente solublesprovenientes de clorosilanos líquidos,
comprendiendo las etapas que consisten en:
proporcionar un recipiente de procesamiento con un medio de agitación, introducir un material de germeny una solución impura de clorosilanos líquidos en el recipiente de procesamiento, dicha solución impurade clorosilanos líquidos conteniendo cloruros de aluminio y otros cloruros de metal, mantener el clorurode aluminio, y otros cloruros de metal parcialmente soluble, disuelto o suspendido en la solución declorosilanos líquidos mientras se mezcla el germen y la solución de clorisilanos líquidos para permitir ladeposición de aluminio y capas de cloruros de metal en el germen, transferir la mezcla de germen ysolución de clorosilanos líquidos a un recipiente de eliminación de sólidos donde se producen unaprimera corriente de alto contenido en sólidos y una segunda corriente de una solución líquida con uncontenido en sólidos reducido;
transferir la segunda corriente de solución líquida con un contenido reducido en sólidos a un proceso orecipiente adicional y transferir la primera corriente de líquido con alto contenido en sólidos a unrecipiente de almacenamiento de residuos o a un recipiente adicional de procesamiento.
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2009/002000.
Solicitante: Lord Ltd LP.
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 6050 Santo Road, Suite 240 San Diego, California 92124 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.
Inventor/es: LORD,STEPHEN MICHAEL.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C01B33/107 QUIMICA; METALURGIA. › C01 QUIMICA INORGANICA. › C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 33/00 Silicio; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00 tienen prioridad; persilicatos C01B 15/14; carburos C01B 32/956). › Silanos halogenados.
PDF original: ES-2441219_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Proceso para eliminar aluminio y otros cloruros de metal de los clorosilanos Antecedentes de la invención [0001] Esta invención hace referencia generalmente al campo de producción de clorosilano y más específicamente a un proceso para eliminar cloruros de aluminio y otros metales a partir de clorosilanos. En la mayoría de procesos para producir silicio de alta pureza, con una demanda en aumento para los dispositivos fotovoltaicos, el primer paso consiste en convertir silicio impuro, aproximadamente un 99%, conocido como silicio de grado metalúrgico, MGS, en un clorosilano líquido, utilizando triclorosilano, SiHCl3, que puede purificarse a altos niveles y después convertirse de nuevo en un silicio sólido de alta pureza. En este primer paso, que comúnmente tiene lugar en un reactor de lecho fluidificado, el silicio sólido impuro reacciona con un gas que contiene cloro y se retienen muchas impurezas como sólidos en este reactor o en el equipo de eliminación de polvo como los ciclones. Sin embargo, las propiedades del aluminio, y algunos otros contaminantes, como el antimonio, boro, carbono, indio, galio, fósforo, talio, estaño, titanio, cinc y circonio, son tales que forman compuestos volátiles que se llevan a cabo a partir del reactor con el clorosilano deseado. Por consiguiente, están presentes en el gas efluente desde el reactor que se enfría entonces para formar una mezcla de clorosilano líquido, cuyos ingredientes principales son diclorosilano, SiH2Cl2, triclorosilano, SiHCl3, y tetracloruro de silicio (también conocido como tetraclorosilano) , SiCl4, que puede purificarse mediante medios convencionales, principalmente mediante destilación. El aluminio es particularmente importante ya que está presente en grandes cantidades, 2000-10000 ppma (partes por millón de átomos) en una fuente de alimentación de grado metalúrgico y, como el
boro, actúa como un dopante activo mediante la electricidad en un silicio de alta pureza y por lo tanto debe reducirse a niveles muy bajos; el boro, sin embargo, sólo está presente en la fuente de alimentación del grado metalúrgico aproximadamente en 20-100 ppma. Además, el cloruro de aluminio, AlCl3, tiene propiedades inusuales ya que no forma una fase líquida a una presión atmosférica. Cerca de esta presión atmosférica como se utilizaría típicamente para la destilación, se convierte directamente de sólido a gas; es, sin embargo,
parcialmente soluble en clorosilanos dependiendo de la temperatura. Así, es posible eliminar el cloruro de aluminio mediante la destilación pero resulta muy difícil ya que tiende a formar depósitos sólidos dentro del sistema de destilación y hace imposible generar directamente residuos líquidos con una alta concentración de aluminio, requiriendo así la disposición de más residuos con un alto impacto ambiental y económico. Según se ha explicado anteriormente, existen otros metales que también forman compuestos volátiles y que también son cloruros. De estos cloruros, los que más, el antimonio, indio, galio, talio, estaño, cinc y circonio, se comportan de manera similar al aluminio y por lo tanto tienden a eliminarse con él y sólo uno, el titanio, no lo hace. De los elementos restantes, boro, carbono y fósforo, que forman compuestos volátiles, los compuestos de boro y carbono no se comportan como el aluminio y deben eliminarse de alguna manera. Los compuestos de fósforo tampoco se comportan como el aluminio, pero ciertos compuestos de fósforo, PH3, PH4Cl, PCl5 y POCl3, pueden combinarse con cloruro de aluminio para formar aductos y pueden eliminarse con el aluminio, y uno, PCl3, no puede. Los aductos son mezclas combinadas débilmente de un ácido de Lewis y una base de Lewis y así pueden formarse y disociarse fácilmente. Esta capacidad de los aductos de cloruro/fosfina de aluminio sólido para disociarse es particularmente preocupante ya que los sólidos atrapados en filtros o tanques pueden liberar fosfina gaseosa o disuelta de manera inesperada y provocar un pico en la concentración de fósforo.
La mayoría de las patentes de la técnica anterior en producción de clorosilano no mencionan la eliminación de cloruros de metal ni mencionan la eliminación de fósforos combinándolos con cloruro de aluminio. En la patente estadounidense 4.676.967 de Breneman "High Purity Silane and Silicon Production" la presencia de cloruros de metal se menciona al eliminarlos casualmente como parte de una corriente de residuos cuyo objetivo principal es la eliminación del polvo de silicio metalúrgico restante. Se deja que los sólidos se asienten en el
fondo de la columna y los contenidos líquidos y sólidos del fondo se voltean periódicamente para su disposición. Esta se considera la "única corriente de residuos del proceso global integrado". (página 5 línea 40) .
La patente estadounidense US 2004/0042949 A1 por Block et al. "Method for Removing Aluminum from Chlorosilanes" y en la patente estadounidense 6.887.448 por Block et al "Method of Production of High Purity Silicon ".
Estas invenciones utilizan la destilación a una temperatura mayor a 160ºC y una alta presión (25-40 bar) .
La solicitud de patente estadounidense 2007/0098612 A1 por Lord "A Set of Processes for Removing
Impurities from a Silicon production Facility".
Esta solicitud menciona varios procesos y menciones de la técnica anterior destacando que la diferencia entre procesos basados en clorosilano y en bromosilano consiste en que durante el proceso basado en 55 clorosilano se requiere un paso de filtración adicional para eliminar el cloro de aluminio sólido.
Las deficiencias de la tecnología de separación de la técnica anterior también se analiza en la tecnología de la técnica anterior para procesar los residuos que contienen el aluminio.
En US 5.066.472 por Ruff, página 1 línea 28 "Los clorosilanos se separan común y generalmente de los residuos sólidos mediante destilación, dejando como residuo una suspensión que requiere un procesamiento 5 separado". También declara en la página 1 línea 67 "El problema existe por lo tanto para encontrar un método para procesar la destilación de residuos con la recuperación de clorosilanos..."
Como un primer paso el residuo está concentrado por evaporación en un tornillo secador.
Se toman pasos similares en Breneman US 4.743.344 y en la solicitud de patente de Breneman US 2006/0183958.
Por lo tanto, es evidente que una principal deficiencia de la tecnología anterior consiste en que la corriente de residuos que contiene el aluminio contiene demasiados clorosilanos valiosos y debe emplearse una energía considerable para recuperar este material.
Block, en US 2004/0042949 A1, revela una deficiencia adicional de la técnica anterior de separación por destilación que consiste en que el cloruro de aluminio se expande a través de toda la columna mediante 15 sublimación en la fase de gas provocando un fallo al separar el aluminio y depositar el cloruro de aluminio sólido a través de la columna y finalmente bloquea la columna para limpiarla. Su invención de una destilación a alta temperatura y alta presión (25-40 bar) mantiene el cloruro de aluminio líquido pero también tiene un inconveniente similar por el alto consumo de energía y el alto coste capital debido a la alta presión. Es evidente que el consumo de energía es alto ya que virtualmente todo el efluente desde el reactor se evapora en alto. De manera similar, el coste capital es alto ya que todo el efluente de la planta debe destilarse. Todavía se requiere una mayor destilación para separar el triclorosilano deseado del derivado tetracloruro de silicio.
Lords, en US 200710098612 A1, no identifica ni cómo filtrar el cloruro de aluminio ni, más importante aún, cómo llevar a cabo la formación de sólidos adecuados que puedan filtrarse fácilmente. Un proceso de filtrado también verse afectado al ser un procesamiento por lotes con un alto coste capital.
Las deficiencias adicionales en la tecnología anterior son que no existe mención del hecho que los cloruros de metal son menos solubles en triclorosilano que en tetracloruro de silicio o que los sólidos atrapados que contienen cloruros de aluminio pueden adsorber y liberar fosfina, PH3, u otros compuestos de fósforo posibles PH4Cl, POCI, PCl5, que se combinan con cloruro de aluminio.
Breve Descripción de la Invención [0015] El principal objetivo de la invención consiste en proporcionar una manera mejor de eliminar el cloruro de aluminio de los clorosilanos.
Otro objetivo de la invención consiste en eliminar el aluminio como un sólido con otros contaminantes sólidos.
Otro objetivo de la invención consiste en eliminar otros cloruros de metal volátil comúnmente presentes... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Un proceso para eliminar el cloruro de aluminio y otros cloruros de metal parcialmente solubles provenientes de clorosilanos líquidos, comprendiendo las etapas que consisten en:
proporcionar un recipiente de procesamiento con un medio de agitación, introducir un material de germen y una solución impura de clorosilanos líquidos en el recipiente de procesamiento, dicha solución impura de clorosilanos líquidos conteniendo cloruros de aluminio y otros cloruros de metal, mantener el cloruro de aluminio, y otros cloruros de metal parcialmente soluble, disuelto o suspendido en la solución de clorosilanos líquidos mientras se mezcla el germen y la solución de clorisilanos líquidos para permitir la deposición de aluminio y capas de cloruros de metal en el germen, transferir la mezcla de germen y solución de clorosilanos líquidos a un recipiente de eliminación de sólidos donde se producen una primera corriente de alto contenido en sólidos y una segunda corriente de una solución líquida con un contenido en sólidos reducido; transferir la segunda corriente de solución líquida con un contenido reducido en sólidos a un proceso o recipiente adicional y transferir la primera corriente de líquido con alto contenido en sólidos a un recipiente de almacenamiento de residuos o a un recipiente adicional de procesamiento.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, incluyendo también mezclar inicialmente el vapor de clorosilano que contiene cloruro de aluminio con una fuente de germen antes de condensar el vapor en clorosilanos líquidos para formar la solución impura de clorosilanos líquidos.
5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dicha solución impura de clorosilanos líquidos también contiene uno o más compuestos de fósforo seleccionados de un primer grupo de compuestos que comprende PH3, PH4Cl, POCl y PCl5, dichos compuestos pueden eliminarse sustancialmente combinándolos con el aluminio y otros cloruros sólidos en el proceso.
6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho medio de agitación es un agitador mecánico con un sello hermético.
8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho recipiente de almacenamiento de residuos es un recipiente calentado con al menos un puerto de descarga de vapor y al menos un puerto de descarga de sólidos.
10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, incluyendo también el paso de volver a disolver los sólidos en la segunda corriente de una solución líquida con un contenido reducido en sólidos, aumentando la temperatura de esa corriente.
11. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la solubilidad del cloruro de aluminio, y otros
cloruros de metal parcialmente solubles, disuelto o suspendido en la solución de clorosilanos líquidos se reduce mientras se mezclan el germen y la solución de clorosilanos líquidos para permitir la deposición de capas de cloruro de aluminio y de metal en el germen, reduciendo la temperatura.
12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la solubilidad del cloruro de aluminio, y de otros cloruros de metal parcialmente solubles, disuelto o suspendido en la solución de clorosilanos líquidos se 50 reduce mientras se mezclan el germen y la solución de clorosilanos líquidos para permitir la deposición de capas de cloruro de aluminio y de metal en el germen evaporando los clorosilanos.
Dibujos Número de corriente Sólidos suspendidos (kg/h) Temperatura (ºC) Presión (atm) Total del flujo molar (kmol/h) Nombre Fórmula PM Gases/Líquidos Sólidos
(disuelto) (suspendido)
Tabla 1. Balance de masa del proceso
Cloruro volátil Nombre Aluminio Antimonio Boro Indio Galio Fósforo Talio Estaño Titanio Cinc
Circonio Eliminable por
el proceso Sí Sí No Sí Sí
Sí * Sí Sí No Sí Sí
Típico ppm Mínimo ppm Máximo ppm Base atómica Base atómica Base atómica
El fósforo puede eliminarse porque ciertos compuestos de fósforo pueden combinarse de manera reversible con aluminio y otros cloruros a temperaturas cercanas a la ambiental. Estos pueden estar presentes en el catalizador de cobre que normalmente se añade al silicio de grado metalúrgico, en cuyo caso las concentraciones pueden ser mayores.
Tabla 2. Intervalos de concentración de impureza en la corriente de líquido 120
Fig 1. Esquema del método
10
en en
en Lineal en Lineal en en
en Fig 2. Solubilidad de la fracción molar del AICI3 en TCS y STC
Indicador de la fracción molar de la disolución
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