Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРИХЛОРИДА ГАЛЛИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ

Группа изобретений относится к неорганической химии, в частности к химии синтеза хлоридов металлов высокой чистоты, для использования их в квантовой электронике и для синтеза высокочистых металлорганических соединений, а также в качестве катализатора синтеза оксида алюминия квалификации осч, используемого в радиоэлектронной промышленности.

Известен способ получения трихлорида галлия из простых веществ действием сухого газообразного хлористого водорода на металлический галлий при нагревании 200-400°C или 800°C с последующей отгонкой GaCl₃ от низших хлоридов галлия в токе углекислоты [Шекл И.Л. и др. Галлий. Киев: Госуд. изд. технической литературы УССР, 1963, с.74].

Однако данный способ неудобен в связи с применением высоких температур и получением помимо запланированного готового продукта - трихлорида моно- и дихлорида галлия, которые необходимо отделять с помощью углекислоты.

Известны также способы получения трихлорида галлия из простых веществ [Сластенова Н.М. и др. Получение чистых безводных хлоридов алюминия, галлия и цинка. - Прикладная химия, 1975, т.48, №8, с.1653, 1654]:

- взаимодействием смеси четыреххлористого углерода и хлора с окисью галлия при 800°C; данный способ неудобен из-за использования высоких температур, труднодоступности окиси галлия и дополнительного использования четыреххлористого углерода;

- нагреванием оксида галлия с SOCl₂ при 200°C в запаянной толстостенной трубке в течение нескольких часов; способ неудобен из-за использования повышенного давления, труднодоступности оксида галлия и получения побочного SO₂ и SO₃);

- действием металлического галлия на безводные хлориды серебра, свинца, меди и ртути.

Однако указанные в данном абзаце способы неудобны из-за труднодоступности компонентов - хлористой ртути, серебра, и получения в реакции побочно соответствующих металлов.

Известен также способ получения трихлорида галлия в результате реакции расплава металлического галлия и газообразного хлороводорода [патент CN на изобретение №1778683]. Данный способ включает следующие операции: подготовку газообразного хлороводорода, реакции хлорирования, кристаллизацию конденсата и упаковку готового продукта. Эту технологию осуществляют с помощью устройства, включающего блок очистки, нагреватель, два последовательных осушителя, буфер в виде кварцевых тиглей с крышкой, помещенных в электрический кожух, и размещенную над ними инфракрасную лампу, блок кристаллизации конденсата и всасывающий насос.

Известны также способ и устройство для изготовления трихлорида галлия, описанные в патенте ЕР на изобретение №0335147. Хлорид галлия получают при взаимодействии галлийсодержащих соединений с хлором с последующей ректификационной перегонкой полученного продукта. Устройство представляет собой резервуар, соединенный с насадочной дистилляционной колонной. Резервуар имеет двойную оболочку. Наверху он снабжен подводом для газообразного хлора, снаружи - подводами и отводами для находящегося в кожухе средства теплообмена, поддерживающего температуру от 80 до 210°C, внизу - проницаемым для жидкого хлорида галлия диском, причем диск связывает внутреннее пространство резервуара с пространством между двойной оболочкой.

Известен также способ получения трихлорида галлия [патент KR на изобретение №100680881]. Расплав галлия начинает взаимодействовать с газообразным хлором при температуре 35°C. Хлор подают через подающую трубку, расположенную в нижней части реактора. После синтеза трихлорида галлия при температуре 201-300°C он поступает в колонну для очистки и последующей конденсации.

Данный способ осуществляют в устройстве, состоящим из реактора, изготовленного из стекла марки пирекс, колонны очистки, заполненной стеклянными шариками, и теплообменника для конденсации пара.

Наиболее близкими к заявляемому устройству и заявляемому способу являются технические решения, описанные в патенте RU на изобретение №2036150.

Способ основан на взаимодействии сухого хлора с расплавом металлического галлия при плавном повышении температуры от 60 до 200°C. Процесс хлорирования проводят в устройстве, включающем стеклянный реактор в виде цилиндрического стеклянного аппарата (из материала пирекс, молибденовое стекло, кварцевое стекло) с опущенным на дно сифоном для подачи хлора в расплав. Реактор для хлорирования соединен с обогреваемой колонной очистки насадочного типа, головкой выгрузки расплава трихлорида галлия и головкой фасовки трихлорида галлия в ампулы в среде инертного газа. Реактор снабжен электрообогревом, позволяющим задавать нужную температуру и регулировать необходимую температуру куба для отгонки получаемого трихлорида галлия. В предлагаемых условиях возможно проведение совмещенного процесса синтеза трихлорида галлия и его ректификации. Весь процесс синтеза трихлорида галлия, включая его фасовку в ампулы, ведут с его жидким расплавом, что обеспечивает высокую производительность установки. Отбор фракции трихлорида галлия осуществляют при температуре конденсации паров 195-201°C, температуре теплоносителя в кубе реактора 260-300°C.

Синтез возможен в двух режимах: непрерывном и периодическом. Непрерывный режим осуществляют при подаче порций расплавленного галлия в линию хлора по сифону в реактор. Производительность установки в непрерывном режиме ограничивается только мощностью установки, в периодическом - мощностью установки и количеством разовых загрузок металлического галлия.

В связи с тем, что для расплавления металлического галлия нужно минимум 60°C, эта температура - начало процесса хлорирования. Высокая чистота получаемого продукта достигается при плавном повышении температуры хлорирования от 60 до 200°C.

В данном решении присутствуют названные традиционные конструктивные узлы, которые активно участвуют в способе для возможности осуществления процесса.

Однако названные выше недостатки присущи и наиболее близким аналогам: как устройству, так и способу по патенту RU на изобретение №2036150.

Задачей заявляемого способа является ускорение процесса при повышении производительности, безопасности и надежности процесса, а также увеличении выхода продукта за счет сведения потерь к минимуму.

Сущность заявляемой группы изобретений. Сущность заявляемого устройства получения трихлорида галлия высокой чистоты заключается в том, что в устройстве, включающем реактор снабженный рубашкой обогрева с вводом и выводом для теплоносителя, имеющий вводы с кранами и сифонами для подачи металлического галлия и подводимого газообразного хлора в среде инертного газа; ректификационную колонну с рубашкой обогрева, узел «инертного дыхания», пост выгрузки и фасовки готового продукта, реактор снабжен портом подвода вакуума, соединенным с каналом подвода вакуума, снабженным кранами и расположенным с внешней стороны реактора за его пределами, при этом канал подвода вакуума соединен каналом перемычкой, имеющим кран-клапан, с каналом подачи инертного газа в средней части их протяженности на их участках между кранами. Кроме того, заявляется устройство, в котором, наряду с вышеописанными признаками, пост выгрузки и фасовки готового продукта снабжен обогреваемым герметичным стеклянным краном.

Заявляется также устройство, которое с учетом вышеописанного, имеет узел флегмы.

Кроме того, заявляется устройство, в котором для рубашек обогрева использовано средство с теплоносителем жидкостного типа, преимущественно масляный агент.

Кроме того, заявляется устройство, в котором, наряду с вышеописанными признаками, в качестве инертного газа использован аргон.

Сущность заявляемого способа получения трихлорида галлия высокой чистоты заключается в том, что в способе, включающем взаимодействие газообразного хлора с расплавом металлического галлия, ректификацию полученной реакционной массы при обогреве зоны ректификации, выгрузку и фасовку готового продукта, до введения металлического галлия в зону реакции осуществляют его нагрев до температуры порядка 210°C, затем нагретый металлический галлий вводят в зону реакции под воздействием вакуума, а зону ректификации обогревают в процессе способа, стабильно поддерживая температуру от 95 до 110°C, и осуществляют орошение путем возврата части готового продукта при данном режиме.

Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в том, что в заявляемом виде с используемыми конструктивными усовершенствованиями и измененными режимами операций способа, получение готового продукта ведется в значительно ускоренном периоде времени при более безопасном режиме, исключившим электрический подогрев теплоносителя, при котором не могло исключаться искрение и следующие за этим нежелательные аварийные последствия.

Кроме того, технический результат заключатся в более бережном накоплении готового продукта в процессе синтеза. Заявляемый быстрый способ исключает его перегрев и даже пережог, возможный в результате накопления в зоне реакции. Этим обеспечивается и большее количество нарабатываемого продукта.

Заявляемая группа изобретений иллюстрируется с помощью чертеже, на которой представлено изображение заявляемого устройства, где позициями 1-24 обозначены:

1 - реактор

2 - ввод галлия

3 - сифон для подачи галлия

4 - ввод хлора

5 - сифон для подачи хлора

6 - рубашка обогрева реактора

7 - ввод теплоносителя в реактор

8 - вывод теплоносителя из реактора

9 - канал с кранами для ввода инертного газа

10 - порт подвода вакуума

11 - канал подвода вакуума

12 - канал-перемычка

13 - кран-клапан

14 - ректификационная колонна

15 - кольца Рашига

16 - индикатор температуры

17 - узел «инертного дыхания»

18 - узел флегмы

19 - обогреваемый герметичный стеклянный кран

20 - пост выгрузки и фасовки готового продукта

21 - рубашка обогрева ректификационной колонны, узла флегмы и поста выгрузки и фасовки готового продукта

22 - ввод теплоносителя для ректификационной колонны, узла флегмы и поста выгрузки и фасовки готового продукта

23 - вывод теплоносителя для ректификационной колонны, узла флегмы и поста выгрузки и фасовки готового продукта

24 - ампула для готового продукта.

Заявляемое устройство получения трихлорида галлия высокой чистоты включает реактор 1 с вводом галлия 2 и с соответствующим краном, соединенным с ним сифоном 3 для подачи галлия и вводом хлора 4 с соответствующим краном, соединенным с ним сифоном 5 для подачи хлора. Реактор 1 имеет рубашку обогрева 6 с вводом 7 теплоносителя с краном и выводом 8 теплоносителя с краном. В нижней своей части реактор 1 снабжен каналом с краном для ввода 9 инертного газа и портом 10 подвода вакуума с каналом 11 подвода вакуума и краном, которые соединены каналом-перемычкой 12 с краном-клапаном 13. Реактор 1 верхней своей частью присоединен к ректификационной колонне 14, с размещенными в ней кольцами Рашига 15 и имеющей индикатор температуры 16, выполненный в виде стеклянного термометра. Ректификационная колонна 14 соединена с узлом «инертного дыхания» 17 и узлом флегмы 18. Последний содержит линию частичного возврата ректификата с обогреваемым герметичным стеклянным краном 19. Завершает устройство на последних позициях пост выгрузки и фасовки готового продукта 20, имеющий единую рубашку обогрева 21 с ректификационной колонной 14 и узлом флегмы 18. Рубашка обогрева 21 имеет ввод 22 и вывод 23 с кранами для прохода теплоносителя.

Способ получения трихлорида галлия заявляемым устройством осуществляют следующим образом.

Перед началом синтеза в рубашку обогрева 6 реактора 1, а также в рубашку обогрева 21 ректификационной колонны 14, узла флегмы 18, поста выгрузки и фасовки готового продукта 20 подают теплоноситель через вводы 7 и 22. Теплоноситель в виде масляного агента (например, глицерина) в рубашку обогрева 6 реактора 1 подают нагретым до температуры 250-300°C, а в рубашку обогрева 21 ректификационной колонны 14, узла флегмы 18, поста выгрузки и фасовки готового продукта 20 подают нагретым до температуры 95-110°C. Через канал 9 с его кранами все устройство прокачивают инертным газом (например, аргоном) для полного удаления воздуха. Параллельно с этим металлический галлий нагревают до температуры 210°C за пределами реактора 1. Затем после полного удаления воздуха из аппаратуры в реактор 1 через порт подвода 10 подается вакуум. Канал с краном для ввода инертного газа 9 соединен, кроме того, с портом подвода вакуума 10 с каналом 11 подвода вакуума и краном каналом-перемычкой 12 с краном-клапаном 13. В этом также новизна заявляемого устройства. В реактор 1 через ввод галлия 2 с краном, соединенным с сифоном 3, под действием вакуума теперь осуществляют загрузку предварительно нагретого до температуры 210°C металлического галлия. Затем в реактор 1 подают газообразный хлор с помощью соответствующего ему ввода хлора 4 в реактор 1 с краном, соединенным с сифоном 5. Образующиеся в реакторе 1 пары трихлорида галлия проходят стремительно в ректификационную колонну 14, наполненную кольцами Рашига 15, и конденсируются в узле флегмы 18. Образовавшийся конденсат трихлорида галлия на этапе вывода колонны 14 на рабочий режим полностью возвращается в колонну 14 по линии возврата ректификата с обогреваемым герметичным стеклянным краном 19 под действием «инертного» дыхания в виде флегмы. После выхода колонны 14 на рабочий режим, при достижении температуры конденсации паров 201°C верхней части колонны 14, регистрируемой индикатором температуры 16, приблизительно треть трихлорида галлия возвращают в виде флегмы на орошение колонны 14, а остальное количество - порядка двух третей подают на пост выгрузки и фасовки 20 ампул 24 с готовым продуктом - трихлоридом галлия. Ампулы 24 наполняют готовым продуктом. До этого ампулы 24 проходят предварительную подготовку в виде наполнения их аргоном.

Пример.

В экспериментальных условиях лаборатории описанная выше заявляемая технология апробируется, режимы оптимизируются. Конструктивное оснащение измененного в сравнении с наиболее близким аналогом - способом завершено и выразилось в дополнении ряда узлов в устройстве, в частности в снабжении ее портом подвода вакуума в реактор, обогреваемых герметичных стеклянных кранов, а также соединением канала ввода инертного газа с каналом подвода вакуума каналом-перемычкой с краном-клапаном.