Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Для мелких частиц (или большой вязкости псевдоожижающего газа) отношение UKp1/Urp2 достигает 80, а для крупных частиц (или малой вязкости) Ukpi/(Окр2 < 8.
Для определения Uicpi существует много зависимостей [110]. Наиболее приемлемой является формула Тодеса [111]:
Квкр -
Ar
150-
1-е,
еэ
кр
-к?
1,75
Kp
Ar)
,0.5
где Reicp = UicpiJ3/Vc - критерий Рейнольдса (d3 - эквивалентный диаметр частиц, м; Vc - кинематический коэффициент вязкости среды, м2/с); Ar = (d3(pm - Pck)/(vcPc) - критерий Архимеда (рт, рс - плотность частиц и среды, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2); екр - порозность слоя в момент начала псевдоожижения.
Порозность неподвижного слоя г определяется, как отношение объема, не занятого частицами, к полному объему слоя; она находится опытным путем и, как правило, составляет (для неподвижного слоя) 0,2- 0,8. В расчетах принимают є = 0,4.
Значение екр выше на ~ 10 %, чем е; так как частицы несколько раздвинуты и взрыхлены, между ними имеется прослойка газа, формирующего кипящий слой.
Расчетные значения начальной скорости псевдоожижения для случая гидрохлорирования кремния в кипящем слое следующие:
167
wKpl ‘ ^®"г> m^c uKp2* m^c
d3, мкм..............
d3, мкм.
20 50 80 100 200 300 400
0,03 0,18 0,46 0,65 2,52 5,43 8,94
0,02 0,13 0,27 0,43 1,24 2,11 2,73
500 600 700 800 900 1000
* 10 м/с мкр2, “/с------
12,87 17,34 21,72 26,31 31,21 35,43
3,31 3,86 4,34 4,89 5,19 5,58
Растворимость частиц кремния при небольшом изменении диаметра частиц (~ 10-20 %) можно оценить по формуле
где dz - диаметр частиц кремния после травления хлористым водородом, м; d3 - начальный эквивалентный диаметр частиц кремния перед травлением, м; Pm - плотность кремния, кг/м3; т - длительность гидрохлорирования, с; W - удельная скорость гидрохлорирования кремния, кг/(м2 • с) [по результатам экспериментов колеблется в пределах 10-4- IO-5 кг/(м2 • с) в температурном интервале 573-633 К].
Среднее время пребывания частиц кремния в аппарате гидрохлорирования Tcp определяют в зависимости от количества твердой фазы в слое и ее расхода: Tcp = McJL; здесь Mcn - количество твердого,материала (кремния) в слое, кг; L - расход кремния, кг/ч.
Условия работы реактора кипящего слоя зависят от линейной скорости псевдоожижающего агента, которая должна поддерживаться в пределах 18-24 см/с.
На практике о линейной скорости судят по расходу хлористого водорода при фиксированных значениях в месте подачи хлористого водорода в реактор, по перепаду давления на входе и выходе из реактора и температуре процесса. На рис. 72 приведены номограммы для определения расхода хлористого водорода (реактор диам. 800 мм) при перепаде давления P= 68 кПа и средней температуре в реакторе 583 К.
Теплообмен во взвешенном слое может происходить между частицами твердого материала и газовым потоком, между слоем и теплообменной поверхностью, расположенной в слое или вне аппарата, а также на стенках аппарата.
Для ориентировочных расчетов в условиях взвешенного слоя (с запасом поверхности теплообмена) пригодна формула: a = QHAtcJF4), где a = 0,00125 (Xc/d3)(uad3/vc) - коэффициент теплоотдачи [Вт/(м • град)] при теплообмене между твердыми частицами и газом [Xc - коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м2 • К); ыд = ы/е - действительная скорость газа в слое, м/с; и - скорость газа, рассчитанная на полное сечение аппарата, м/с; - кинематический коэффициент вязкости газа, м2/с]; Q - количество теплоты, определяемое как разность энтальпий газового потока на входе и выходе из слоя, Дж; Afcp - средняя разность
168
dz = d3-(2W/Pm) T
р,мпа
Рис. 72. Номограмма для определения расхода хлористого водорода Vjjci и давления V на входе в реактор синтеза трихлорсилана:
1 — и = 18 см/с; 2 — 20; 3 — 22; 4 — со= 24 см/с
температур между газом и твердыми частицами, град; Fq - суммарная поверхность частиц, м2.
Коэффициент теплоотдачи а между взвешенным слоем и поверхностью теплообмена изменяется в зависимости от скорости газа. Практически его величина составляет 370-650 Вт/(м2 • К).
Взвешенный слой имеет следующие преимущества перед стационарным слоем; обеспечивается интенсивный теплообмен между твердыми частицами и газовым потоком, а также между слоем и поверхностью теплообмена; достигается максимальный контакт между газовой фазой и частицами слоя; характеристики слоя однородны по объему слоя; легко организовать непрерывные процессы; возможна переработка тонкоизмельченных материалов (без гранулирования и брикетирования); при значительном интервале расходов псевдоожижающего агента перепад давлений в слое остается практически постоянным; для проведения процессов во взвешенном слое используется сравнительно простое оборудование; легко осуществить автоматизацию процессов.
В то же время проведение процессов во взвешенном слое имеет некоторые недостатки, например возникает необходимость тщательной очистки газового потока, выходящего из реактора; происходит абразивный износ аппаратуры; при переработке полидисперсных материалов возникают условия для проскока через аппарат частиц малых размеров, которые практически не принимают участия в процессе. Эти недостатки в большинстве случаев могут быть практически устранены с помощью соответствующего конструктивного оформления процесса.
