Neste estudo de caso, exploramos o uso do equipamento de redução de tamanho de partícula de precisão da MPE para moer grânulos de silício em sementes para Reatores de Leito Fluidizado (FBRs). Este processo é fundamental para produzir um silício extremamente puro com uma fração da energia quando comparado a outros métodos de refino.
Um Gran-U-Lizer projetado pela MPE com rolos cerâmicos especiais e superfícies de contato com produtos não ferrosos usados para o processo de redução de tamanho do silício se destaca em seu uso por dois motivos:
- Ele dimensiona os grânulos de silício em distribuições estreitas de tamanho de partícula (com uma faixa de 200-450 μm) ideal para sementes de silício; esta é uma das variáveis importantes para manter o processo contínuo de FBR.
- Mantém a pureza do fluxo do produto. A tecnologia de redução de tamanho normal transmitiria níveis inaceitáveis de contaminantes ferrosos e/ou outros elementos não silício. Os Gran-U-Lizers da MPE transmitem significativamente menos contaminantes do que qualquer outra tecnologia de redução de tamanho. Essa diferença se traduz em silício de maior pureza, o que resulta em mais lucratividade para o fabricante.
Fluxo do processo de conversão de sílica em produtos finais e onde o MPE se encaixa nele
A sílica não refinada (quartzo normalmente) é processada primeiro em silício de grau metalúrgico (MG-Si). Em seguida, o MG-Si é processado em gás silano. Em seguida, os reatores de leito fluidizado (FBRs), com a ajuda de granuladores MPE, combinam gás silano, semente de silício e hidrogênio para produzir peças de silício ultrapuro. Os pedaços de silício são então fundidos em lingotes e cortados em wafers. Esses chips acabam em muitos produtos, como células solares, sensores de câmera e chips de computador.
O que são FBRs?
Os FBRs são uma tecnologia de refinamento relativamente mais nova que transforma o gás Silano (SiH4) e a semente de silício (Si) em grânulos de silício 99,9999% puro (ou maior). Os produtores então fundiram os grânulos de silício lançados do processo FBR em lingotes. Os fabricantes de chips de computador, CPUs, sensores de imagem e células fotovoltaicas cortam esses lingotes em wafers para criar seus produtos.
Os FBRs são uma alternativa promissora ao método Siemens (também conhecido como processo Siemens), uma tecnologia de fabricação muito mais comum para a produção de silício refinado para fazer lingotes. O método Siemens é uma tecnologia relativamente madura, enquanto os FBRs só recentemente estão sendo usados em larga escala.
Um fator-chave que diferencia essas duas tecnologias é o uso de energia. O método Siemens consome enormes quantidades de energia e, portanto, esses tipos de instalações só são lucrativos onde a eletricidade é abundante e barata. Os FBRs, por outro lado, usam 90% menos energia para produzir a mesma quantidade de silício em comparação com o método da Siemens. O menor consumo de eletricidade significa que os FBRs podem ser operados de forma lucrativa em muitos países e regiões que, de outra forma, não seriam lucrativos para operar. Além disso, os FBRs também trazem muitos benefícios ambientais.
Por que os produtores escolheriam o método Siemens em vez de FBRs?
Os FBRs são difíceis de escalar e operar. Os engenheiros de fábrica só recentemente começaram a superar os desafios de dimensionar FBRs, que dependem da dinâmica de fluidos que acontece em um processo contínuo – não em um processo em lote como no método Siemens. Como a tecnologia FBR está pronta para o mercado apenas recentemente e requer um enorme investimento inicial, no momento da publicação deste artigo, os FBRs representam apenas 5% da produção de silício.
O mercado de silício e a importância da pureza
Parte do sucesso (ou seja, lucratividade) das refinarias é sua capacidade de produzir altas purezas de silício, se não simplesmente a mais alta pureza possível. O silício de maior pureza, por exemplo, pode ser usado para células solares com maior eficiência, gerando maior produção elétrica e vida útil do produto.
Os usos comuns do silício refinado com base na pureza são:
- O silício policristalino é geralmente um mínimo de pureza “6N” (um termo da indústria por causa dos seis dígitos: 99,9999%). Isso é comumente usado em células fotovoltaicas e, portanto, também pode ser chamado de silício de grau solar (SiSG).
- O silício monocristalino (também conhecido como silício monocristalino) requer faixas de 9N a 11N. Isso também é comumente usado em células fotovoltaicas (que têm maior eficiência [ou seja, saída elétrica] e que geralmente duram mais). Os graus mais altos, como 11N, também são usados para fazer semicondutores.
Os FBRs são capazes de produzir até 11N de silício puro. No entanto, quanto mais puro for o silício resultante, mais importante será a contaminação mínima (por exemplo, partes baixas por bilhão) durante o processamento da semente de silício. A redução precisa do tamanho das partículas, da qual a MPE é a líder mundial proeminente, é de vital importância para a dinâmica dos fluidos dentro dos FBRs. Uma maneira de imaginar o interior de um FBR é criar um ambiente onde um sólido (semente de silício) e gases (hidrogênio e silano) se movem juntos como um líquido. Portanto, a redução precisa do tamanho das partículas da semente de silício deve ser feita com precisão, com o mínimo de contaminação possível e a uma taxa em escala industrial para operar um FBR com sucesso.
Como funcionam os FBRs e a importância do MPE por trás dos FBRs
Os FBRs funcionam bombeando gás silano e hidrogênio para uma câmara junto com um pequeno material de semente de silício altamente purificado. Dentro do FBR, o silano se decompõe, os átomos de silício se depositam na semente e o resultado são grânulos maiores de silício altamente puro (até 11N).
Os grânulos de silício maiores saem do FBR na parte inferior. A maioria desses grânulos é levada para um processo de fundição. No entanto, uma pequena quantidade de grânulos de silício é desviada do fluxo do produto para se tornar novamente sementes de silício com a utilização de um MPE Gran-U-Lizer. O processo é muito mais eficiente em termos de energia em comparação com outros métodos de refino, como o método Siemens. Os benefícios dos FBRs são percebidos de várias maneiras; Mais regiões do mundo são capazes de operar plantas de refino de silício, reduzindo o custo de produtos de usuário final baseados em silício, como células solares e semicondutores, e menos externalidades ambientais.
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