Методы получения особо чистых неорганических веществ - Степин Б.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Для систем очищаемое вещество — микропримесь с достаточно высоким коэффициентом разделения требуется, как показал опыт, небольшое количество теоретических тарелок.
Действительно, на примере очистки трихлорсилана — основного продукта для получения полупроводникового кремния от микропримеси РС13 (а»4,5) (снижение содержания РС13 от Ю-4 до 10~8 мол. доли) необходимо около 7 теоретических тарелок. С учетом разумного значения к. п. д. тарелки эта величина может быть по крайней мере удвоена.
Если очищаемое вещество образует с одной из микропримесей систему с коэффициентом разделения, близким к единице, то необходимое для глубокой очистки количество ступеней сильно возрастает. Так, для системы CH3SiCl3—РС13, имеющей коэффициент разделения 1,14, потребуется при к. п. д., равному 100% около 70 теоретических тарелок. При этом следует учесть сильное снижение к. п. д. периодического процесса в отборном режиме. Это обстоятельство наиболее наглядно показано в работах [38, 39, 41].
Уравнения для расчета степени разделения получены ими интегрированием дифференциального выражения для изменения материального баланса во времени Коэна [93] при условии, что скорость массообмена между фазами определяется разностью текущей и равновесной концентраций.
Для безотборного режима получено уравнение
^(^Рехр[|1(а-.)] (VI.51)
а для отборного режима
264
где N — мольная доля концентрируемого компонента в жидкой фазе; ? — скорость потока жидкости, моль/(см2 • мин); к — константа скорости массообмена; Р — доля отбираемого потока;
9 = -
1
Граничными условиями являются:
Ы = Ма при 2=0
И
М=\гр при г —г (в отборном режиме)
Показано, что до некоторой величины скорость отбора дис-тиллата не влияет на степень разделения, однако при высоких скоростях это влияние сильно возрастает (рис. 42). При больших скоростях движения пара в колонне и ощутимом отборе наблюдается сильное снижение к. п. д., а стало быть возрастание ВЕП и ВЭТС. Следует однако отметить, что проведение непрерывного ректификационного процесса при соответствующей его организации позволяет в значительной мере снизить влияние отбора на разделительную способность колонны. Для предельно разбавленных растворов относительная летучесть равновесного процесса не зависит от концентрации, так как коэффициент активности постоянен:
¦ = const
Рис. 42. Влияние скорости отбора продукта на степень разделения при различном давлении пара (в мм рт. ст.):
/ — 10; 2 -25; 3- 100.
Р2 ^2)0
Кроме того, <ха = х2/у2- Переписав последнее выражение для Х\ и уи получим
1 — «і
1-у,
' с40
или
У\
+ —-xi
(VI. 53)
Линейная зависимость равновесных значений у\ от хи представленная графически на рис. 43, сохраняется в области Генри (заштрихованная область, изображенная для наглядности без соблюдения масштаба).
255
Если исходить из общего уравнения а—УхХ^учХх, то зависимость равновесных у\ от Х\ представится в виде дробнолинейной функции *
*1
1/а + (1 — 1/а) х,
(VI. 54)
реально существующей в области изменения концентраций 0<лг1<1. Нетрудно заметить, что полученное нами ранее уравнение для предельного разбавления является линейным участком равновесной кривой у=1(х) при Х1->-1, совпадающим с касательной в точке *1 = 1; производная дробно-линейной функции получает значение:
--^ (VI. 55)
При непрерывной компенсации отбора дистиллата подаваемым в ректификационную колонну исходным продуктом процесс глубокой очистки должен совершаться по прямой, близкой к равновесной **. Импульсное проведение непрерывного процесса искажает прямую, превращая ее в зигзагообразную линию. Из уравнения для линий рабочих концентраций укрепляющей части ректификационной колонны [3] следует, что тангенс угла наклона равновесной прямой связан с величиной минимального флегмового числа зависимостью:
Рис. 43. Линия рабочих концен траций для предельного разба вления.
1ц у.
\ І/МИН
В нашем случае можно принять
+ 1
1ё<( = ~ (см- Рнс- 43) и (0„ ¦}
(VI. 56)
(VI. 57)
Как видно из формулы (VI. 57), значение минимального флегмового числа значительно возрастает лишь при приближении ао к единице. Так, для а0=1,2 оно равно еще 5.
Величина ВЭТС и ВЕП, как и в общем случае, зависит от скорости установления равновесия, т. е. от массообменных характеристик колонны. Хотя вопрос этот, применительно к мик-
* Здесь а также зависит от состава смеси. ** Без учета других искажающих факторов.
256
роконцентрации примеси до сих пор до конца не изучен, однако выводы из экспериментального материала, накопленного с применением радиоактивных изотопов, для насадочных колонн довольно обстоятельно излагаются в работах [8, 11, 36].
Так показано, например, наличие оптимальных значений скорости пара (Ие/Ие'^ОД где Ие'— критическое значение числа Рейнольдса, соответствующее турбулизации потока) и давления для очистки ряда неорганических продуктов методом ректификации. Большое внимание уделено подбору эффективной насадки, характеристики которой зависят от материала и формы.
На примере ректификационной очистки БіНСІз от примесей РС1з и ЭгСЬ на 30 мм насадочной колонне не рекомендуются оптимальные характеристики насадки и величины ВЭТС и ВЕП. Установлено, что близкие к приведенным ниже значениям, получены и для очистки ряда других продуктов от различных микро-
