способ получения трихлорида галлия высокой чистоты

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРИХЛОРИДА ГАЛЛИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ взаимодействием газообразного хлора с расплавом металлического галлия, отличающийся тем, что газообразный хлор пропускают через слой расплавленного галлия при плавном повышении температуры от 60 до 200^oС и процесс проводят в цилиндрическом стеклянном реакторе, соединенном с ректификационной колонной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение 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 до 200-400^оС или 800^оС с последующей отгонкой GaCl₃ от низших хлоридов галлия в токе углекислоты [1]

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

Известны также способы получения трихлорида галлия из простых веществ [2]

а) взаимодействием смеси четыреххлористого углерода и хлора с окисью галлия при 800^оС (способ неудобен из-за использования высоких температур, труднодоступности окиси галлия и дополнительного использования четыреххлористого углерода);

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

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

Однако указанные способы неудобны из-за труднодоступности галлия металлического и солей (хлористой ртути, серебра) и получения в реакции побочно соответствующих металлов.

Наиболее близким к предлагаемому способу получения трихлорида галлия из простых веществ галлия и хлора является способ [3] основной особенностью которого является использование в качестве газа-носителя газообразного хлора. Это позволило одновременно с процессом хлорирования осуществлять перенос образующегося GaCl₃ в охлаждаемую зону.

Недостатками данного способа являются большой расход газа-носителя хлора, попадание его вместе с трихлоридом галлия в приемник (в ампулы), частичное растворение хлора в расплаве GaCl₃ при расплавлении GaCl₃ в ампулах, а также низкая производительность (за 1 ч получается 20 г GaCl₃).

Во всех известных способах не указаны выход и чистота получаемого трихлорида галлия.

Целью изобретения является разработка технологически удобного способа получения трихлорида галлия, позволяющего проводить процесс в периодическом и непрерывном режимах и получать трихлорид галлия высокой чистоты практически с количественным выходом.

Предлагаемый способ получения трихлорида галлия основан на взаимодействии сухого хлора с расплавом металлического галлия при плавном повышении температуры от 60 до 200^оС. Процесс хлорирования проводят в цилиндрическом стеклянном аппарате (материал: пирекс, молибденовое стекло, кварцевое стекло) с опущенным на дно сифоном для подачи хлора в расплав. Реактор для хлорирования совмещен с колонкой очистки насадочного типа (обогреваемой), головкой выгрузки расплава трихлорида галлия и головкой фасовки трихлорида галлия в ампулы в среде инертного газа. Реакторный узел снабжен электрообогревом, позволяющим не только задавать нужную температуру, но и регулировать необходимую температуру куба для отгонки (ректификации) 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 с ДН не менее 99,99% осуществляется при температуре конденсации паров 195-201^оС, температуре теплоносителя в кубе реактора 260-300^оС.

Синтез возможно проводить в двух режимах: непрерывном и периодическом. Непрерывный режим осуществляется при подаче порций расплавленного галлия в линию хлора по сифону в реакторный узел. 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^оС, эта температура стала началом процесса хлорирования. Нагревание реакционной массы выше 201^оС невозможно, так как эта температура является началом кипения трихлорида галлия. Высокая чистота получаемого продукта достигается при плавном повышении температуры хлорирования от 60 до 200^оС.

П р и м е р 1. Хлорирование проводят в реакторе, снабженном сифоном для подачи хлора и загрузки расплавленного галлия и термокарманом для определения температуры реакционной массы. Верхняя часть цилиндрического реактора соединена с насадочной колонкой, заполненной кварцевыми кольцами Рашига. Колонка снабжена электрообогревом и термометром вверху колонки для отделения температуры конденсации паров. Головка разгрузки колонки дистилляции снабжена промежуточным сборником готового продукта и устройством фасовки дистиллята в ампулы в среде инертного газа. Верх колонки снабжен обратным холодильником дистиллятом для охлаждения паров трихлорида галлия и сбора дистиллята в сборник. К верху колонки подсоединена система "инертного дыхания". Перед загрузкой галлия вся система продувается сухим инертным газом. В реактор загружают 500 г расплавленного галлия и подают хлор с такой скоростью, чтобы шло его полное поглощение. Температуру реакционной массы при этом плавно повышают от 60 до 200^оС. Окончанием процесса хлорирования служит свободный проскок хлора через слой расплавленного галлия, что фиксируется изменением давления "инертного дыхания". После этого подачу хлора в реактор прекращают и включают дополнительно обогрев куба реактора, доводя температуру теплоносителя до 200-300^оС. При достижении такой температуры начинают процесс ректификации трихлорида галлия. Отбор основной фракции производят при 195-200^оС в парах. Выход 1263 г (100%).

Выход колеблется от 80 до 100% в зависимости от качества исходного сырья.

Примеры 2-5 проведения процесса в аналогичных условиях приведены в таблице.

Анализы содержания основного вещества получены рентгеноструктурным анализом пяти образцов.

Таким образом, использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет:

получать трихлорид галлия с действующим началом не менее 99,99% за счет прохождения газообразного хлора через высокий слой жидкого галлия и продуктов его первичного хлорирования моно- и дипроизводных, а также за счет плавного повышения температуры от 60 до 200^оС;

проводить синтез трихлорида галлия в двух режимах периодическом и непрерывном;

увеличить площадь соприкосновения газообразного хлора в цилиндрическом реакторе, вследствие чего происходит полная конверсия моно- и дихлоридов галлия до трихлорида галлия;

получать трихлорид галлия с высоким выходом (до 100%). Высокий выход 100% гарантирован по этому способу при условии чистоты исходных галлия и хлора и отсутствия в зоне реакции кислорода и воды.