Лекция процессы сорбации. ЛК6, ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ. 2 основы процессов переработки, разделения и очистки сырьевых материалов
 Скачать 330.93 Kb.
|
|
2 ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ, РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 2.1 Процессы измельчения и рассеивания твердых тел Скорость технологического процесса прямо пропорциональна площади поверхности контакта реагентов и избытку их свободной энергии. Поэтому для увеличения интенсивности многих технологических процессов получения полупроводников и диэлектриков из твердых сырьевых веществ уменьшают размер кусков исходных материалов. Эта операция позволяет увеличивать как реакционную поверхность, так и избыток свободной энергии твердых реагентов за счет увеличения свободной поверхностной энергии и создания нарушений в кристаллической структуре в процессе получения зерен. Процесс уменьшения размеров кусков твердых материалов называют дроблением или измельчением. Часто под дроблением понимают уменьшение только крупных кусков. Процесс измельчения мелких называют размолом. Измельчение бывает сухое и мокрое; в последнем случае к исходному материалу добавляют определенное количество воды или других жидких поверхностно-активных веществ. Отношение поперечного размера d 1 наиболее крупных кусков до измельчения к поперечному размеру d 2 наиболее крупных кусков после измельчения называют степенью измельчения: n=d 1 /d 2 . Степень измельчения за один прием обработки составляет: для крупных кусков (значения d 1 свыше 250 мм) — 2–6; для средних (50–250 мм) — 5–10; для мелких (20–50 мм) — 10–50; для самых мелких (тонких d 1 <3 мм) — 50 и выше. Необходимую степень измельчения обычно получают в несколько приемов. Существует несколько способов измельчения: раздавливанием, ударом, истираниеми раскалыванием.В реальных процессах в большинстве случаев происходит комбинированное воздействие измельчающих усилий, например раздавливания с истиранием, удара с раздавливанием и истиранием. Иногда наряду с главными усилиями действуют и побочные — изгибающие и разрывающие. Тот или иной способ измельчения в технологическом процессе выбирают, главным образом, с учетом физических свойств измельчаемого материала: твердости, характера излома и др. Материалы с большой твердостью более эффективно измельчать ударом и раздавливанием, вязкие материалы — предпочтительнее истиранием, хрупкие — раскалыванием. Измельчение исходного сырья до получения необходимого гранулометрического состава в соответствии с требованиями технологического процесса осуществляют в машинах грубого, среднего и тонкого измельчения. Для грубого измельчения материала применяют щековые и конусные дробилки. В щековых дробильных машинах материал измельчается периодическим раздавливанием между подвижной и неподвижной массивными щеками. Измельчаемый материал выпадает из машины во время обратного хода подвижной щеки. В конусных дробилках куски материала раздавливаются в результате непрерывного нажатия внутреннего вертикального усеченного конуса, который эксцентрично вращается в другом, внешнем конусе. Для среднего и мелкого измельчения используют дробильные валки, бегуны и ударно-центро- бежные мельницы. Дробильные валки с гладкой поверхностью применяют для измельчения твердых материалов, а зубчатые валки используют для дробления пластических материалов. Бегуны состоят из чаши и жерновов, совершающих сложное движение вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Жернова катятся по чаше и измельчают материал раздавливанием и истиранием. Тонкое измельчение материалов проводят в мельницах, в которых измельчение происходит путем истирания материала или одновременного воздействия ударных и истирающих усилий. Наибольшее распространение имеют шаровые, центробежные и кольцевые мельницы. Для разделения (рассева) измельченных материалов на фракции с зернами приблизительно равной величины используют грохочение, или ситовую классификацию. Грохочение производят с помощью сит, или грохотов, — аппаратов, главной частью которых являются плоские, цилиндрические или конические сита. При грохочении мелкие куски, размеры которых меньше размеров отверстий сита, проходят через него, а крупные куски остаются на сите и, таким образом, отделяются от мелких. Как правило, тонкое измельчение объединяют с операцией рассева в схему измельчения, которая может осуществляться по открытому или закрытому циклу (рис. 2.1). При работе по открытому циклу верхний продукт рассева идет на переработку в шаровую мельницу, откуда полностью вместе с нижним продуктом рассева поступают в следующую стадию технологического процесса. По закрытому циклу в дальнейшую стадию переработки поступает материал только заданного гранулометрического состава, а более крупные зерна снова возвращаются в помольный агрегат для дальнейшего измельчения. Для равномерной подачи определенных количеств измельченных материалов в различные технологические реакторы применяют специальные механизмы, называемые питателями или дозаторами, которые работают либо по принципу весового, либо объемного дозирования. Машина для измельчения Сито Шаровая мельница Верхний продукт Готовый продукт Нижний продукт Машина для измельчения Сито Шаровая мельница Верхний продукт Готовый продукт Нижний продукт б а Рис. 2.1 — Схемы измельчения материалов: а — открытый цикл; б — закрытый цикл 2.2 Общая характеристика чистоты вещества Понятие химической чистоты материалов, а также способы ее выражения различны и зависят от области применения материалов. Вещество считается достаточно чистым, если содержание примесей в нем меньше того количества, которое мешает использовать это вещество для заданной цели. Для чистых веществ, использующихся в отечественной химической и металлургической практике, в зависимости от степени очистки установлены следующие классификации: «чистый» (марка Ч, содержание примесей от 2·10 –5 до 1,0%), «чистый для анализа» (марка ЧДА, содержание примесей от 1·10 –5 до 0,4%), «химически чистый» (марка ХЧ, содержание примесей от 5·10 –6 до 0,5%) и «особо чистый» (марка ОСЧ, содержание примесей не более 0,05%). Высокочистым веществам в зависимости от количества и суммарной концентрации контролируемых примесей присваивают марки двух категорий: ВЭЧ («вещества эталонной чистоты») и ОСЧ («особо чистые вещества»). В веществах марки ВЭЧ лимитируется как общее содержание примесей, так и на более низком уровне содержание некоторых нежелательных примесей. Перед обозначением ВЭЧ пишут число, соответствующее общему содержанию примесей, а после — два числа через тире: первое показывает количество лимитируемых нежелательных примесей; второе — отрицательный показатель степени суммы содержаний этих примесей. Например, маркировка 003 ВЭЧ 4–5 означает, что содержание основного вещества составляет ≥ 99,997%, лимитируется содержание четырех примесей и сумма их составляет п·10 –5 %. В веществах марки ОСЧ на очень низком уровне лимитируется содержание большого числа нежелательных примесей. В обозначении марки после букв ОСЧ приводятся два числа через тире: первое показывает, сколько примесей лимитируется в данном особо чистом веществе, второе — отрицательный показатель степени суммы содержания этих примесей. Например, для особо чистого SiO 2 нормируется десять примесей (А1, В, Fe, Ca, Mg, Na, P, Ti, Sn, Pb), причем общее содержание их не превышает 1·10 –5 % (по массе). Марку такого вещества обозначают ОСЧ 10–5. В зарубежной литературе принято квалифицировать вещества по чистоте числом (n) атомов (молекул) примесей, приходящихся на: 1) 1000 атомов (молекул) основного вещества, что обозначает п 0/00 (п promille); 2) 10 6 атомов (молекул) основного вещества, п ррт (п parts per million); 3) 10 9 атомов (молекул) основного вещества, п ppb (n parts per billion). Так, материал с концентрацией примеси 1 ррт содержит 1 атом примеси на 10 6 атомов основного компонента, что составляет концентрацию 10 –6 атомной доли или 10 –4 ат.%. Кроме такой квалификации для обозначения веществ высокой степени чистоты используют символ N и различают вещества по качеству цифровыми индексами. Цифра, стоящая перед N, означает полное количество «девяток» в числе, выражающем концентрацию основного компонента в процентах (обычно по массе), а цифра, стоящая после N, является последней цифрой в данном числе. Обозначение степени чистоты знаком 5N8 соответствует содержанию основного вещества 99,9998%; 2N5 — 99,5%; 3N3 — 99,93% и т.д. Если при получении особо чистого вещества использовался метод зонной плавки, то к обозначению степени чистоты этого вещества добавляют букву Z. Например, символ 6N (Z) соответствует чистоте продукта 99,9999%. Более определенным и точным является указание содержания каждой контролируемой примеси. Так говорят о материалах, содержащих 1·10 –2 , 2·10 –5 % (обычно по массе) и т.д. той или иной примеси, либо указывают число атомов примеси, содержащихся в одном кубическом метре (или сантиметре) материала, например 10 17 , 10 24 атомов/м 3 и т.д. В настоящее время понятие чистоты вещества стало значительно шире. В частности, в электронной технике при использовании полупроводников и диэлектриков в виде монокристаллов важна не только химическая, но и физическая чистота. Под физической чистотой понимают отсутствие структурных дефектов кристаллической решетки. Эти дефекты, так же как и химические примеси, могут оказывать сильное влияние на свойства полупроводников и диэлектриков. 2.3 Общая характеристика процессов разделения и очистки В основе всех способов глубокой очистки диэлектрическихи полупроводниковых материалов и их компонентов лежит различие в химических, физических и физико-химических свойствах разделяемых компонентов. Отсюда следует, что при существенном различии в свойствах компонентов разделение может осуществляться относительно легко. И наоборот, проблема очистки становится сложной в том случае, если очищаемый материал и примесь очень близки по своим физико-химическим характеристикам. К настоящему времени разработано значительное количество процессов разделения и очистки веществ, в том числе полупроводниковых и диэлектрических материалов и их компонентов, однако еще нет единой и четкой классификации этих процессов, что затрудняет выбор оптимального процесса в каждом конкретном случае. Наибольшее распространение получила классификация процессов разделения и очистки, основанная на подразделении их по способам воздействия на очищаемое вещество. Принята следующая классификация основных процессов разделения и очистки материалов, полупроводниковых и диэлектрических фаз: 1) процессы, основанные на сорбции (включают в себя адсорбционные процессы, процессы ионного обмена и хроматографии); 2) процессы, связанные с экстракцией, в основном жидкостной; 3) кристаллизационные процессы; 4) процессы, связанные с перегонкой через газовую фазу (включают в себя процессы сублимации, дистилляции, ректификации, а также процессы химического транспорта); 5) процессы, основанные на электролизе; 6) процессы, основанные на различии коэффициентов диффузии; 7) процессы избирательного осаждения, оксидирования и восстановления. Выбор наиболее эффективного метода (или сочетания методов) для очистки каждого индивидуального материала производят, исходя из конкретных физико- химических свойств этого материала и его соединений. Так, если очищаемый материал (например, кремний) при приемлемых температурах очистки имеет недостаточно высокое давление паров, чтобы можно было эффективно осуществить дистилляционный процесс, то материал переводят в его легко-летучие соединения (например, SiCl 4 ), которые после осуществления дистилляционной очистки восстанавливают обратно до исходного материала (кремния). В общем случае очистку полупроводниковых и диэлектрических материалов и их компонентов обычно проводят в две стадии. На первой стадии компоненты этих материалов переводят в промежуточные химические соединения и производят их очистку, используя практически все процессы, представленные в классификации. На второй стадии производят восстановление компонентов из промежуточных соединений с последующей их очисткой. Применяют способы, основанные на тех же процессах, эффективность которых в отдельных случаях резко возрастает при работе с более чистыми компонентами. Способ, естественно, выбирают, исходя из физико-химических свойств компонента, качества получаемого материала и производительности процесса. Часто, особенно при разделении и очистке компонентов с близкими физико-химическими свойствами (например, редкоземельные металлы), использование одного из методов как на первой, так и на второй стадиях оказывается недостаточным, и процесс разделения и очистки производят на основе сочетания различных методов. Необходимо отметить, что процессы разделения и очистки веществ нельзя рассматривать в отрыве от экономических факторов. Повышение степени чистоты веществ требует значительных затрат энергии и средств на очистку, которые переносятся на стоимость конечного продукта. Эти факторы могут накладывать ограничения на выбор метода и предел очистки данного вещества. |