CN113652553B - 一种高纯镓的生产装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高纯镓的生产装置，包括壳体以及壳体顶端的进料口、壳体底端的出料口、缠绕于壳体外壁的热交换管，还包括活动浮板和通气管，所述活动浮板吻合壳体内壁置于壳体内部，所述活动浮板上设有贯穿表面和顶面的通孔；所述通气管由壳体外部延伸至壳体内部的底端面上，且所述通气管处于壳体外侧的外部段连接气源，处于壳体内侧的内部段上设有气孔；所述进料口上设有进料开关阀，所述壳体顶端还设有排气口。本发明可以实现连续化、分级提纯生产高纯镓；通过活动浮板以及通气管的配合，惰性气体在结晶时由下而上，避免冷凝结晶过程中的附聚现象，分散镓液中的杂质保证杂质相流动性，并向未结晶的液相进行富集，提高结晶的速度和纯度。

Description

一种高纯镓的生产装置及方法

技术领域

本发明涉及高纯镓的制备技术领域，更具体地说是涉及一种高纯镓的生产装置及方法。

背景技术

由于镓在地壳中的浓度很低.在地壳中占重量的0.0015％，它的分布很广泛，但不以纯金属状态存在，而以硫镓铜矿(CuGaS₂)形式存在，不过很稀少。镓化合物，尤其是砷化镓在电子工业已经引起了越来越多的注意，大部分应用领域中如半导体领域要求必须采用6N(99.9999％)以上的高纯度镓，有些领域甚至要求8N级，因此，金属镓的提纯便具有十分重要的意义。现有技术中镓的提纯方法通常有萃取法、电解法、减压蒸馏法、结晶法等，其中，结晶法由于环保、周期短而备受研究人员重视。但是，现有技术中的结晶提纯技术，有些难以获得高纯度，而有些则需要多次重复提纯操作才能获得高纯度，而且几乎没有适用于连续化、持续提纯的技术出现，而且现有技术耗能耗时，不利于规模化生产。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种高纯镓的生产装置及方法，可以实现连续化、分级提纯生产高纯镓，通过活动浮板以及通气管的配合，惰性气体在结晶时由下而上，避免冷凝结晶过程中的附聚现象，分散镓液中的杂质保证杂质相流动性，并向未结晶的液相进行富集，提高结晶的速度和纯度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高纯镓的生产装置，包括壳体101以及壳体101顶端的进料口103、壳体101底端的出料口106、缠绕于壳体101外壁的热交换管102，还包括活动浮板107和通气管105，所述活动浮板107吻合壳体101内壁置于壳体101内部，所述活动浮板107上设有贯穿表面和顶面的通孔1071；所述通气管105由壳体外部延伸至壳体101内部的底端面上，且所述通气管105处于壳体101外侧的外部段1051连接气源，处于壳体101内侧的内部段1052上设有气孔1053；所述进料口103上设有进料开关阀1031，所述壳体101顶端还设有排气口104。

优选地，所述热交换管102由上端进水、下端出水，且处于壳体101上由上至下热交换管102的间隔密度由小变大。

优选地，所述壳体101的底面设有开槽，所述通气管105的内部段1052吻合置于所述开槽内。

优选地，所述出料口106设置三通阀，三通阀的第一阀口连接生产装置的出料口106且第一阀口上设置第一开关阀1061，第二阀口、第三阀口上分别设置第二开关阀1062和第三开关阀1063。

优选地，所述生产装置至少为两个连续由上至下依次设置，相邻的上、下两个生产装置形成上层生产装置10和下层生产装置20，三通阀的第一阀口连接上层生产装置10的出料口，第二阀口连接储料罐，第三阀口连接下层生产装置20的进料口。

优选地，所述上层生产装置10的热交换管排水端连接至下层生产装置20的热交换管进水端，所述上层生产装置10的排气口连接至下层生产装置20的通气管的进气端。

一种高纯镓的生产方法，包括以下步骤：

S1，将熔融的原料镓液从进料口103倒入到壳体101内部，关闭出料口106上的第一开关阀1061和进料口103上的进料开关阀1031，通气管105缓慢通入惰性气体，热交换管102中持续通入冷介质；

S2，镓液部分结晶，打开第一开关阀1061和第二开关阀1062，未结晶的镓液全部流入到下层生产装置20的内；

S3，关闭第一开关阀1061和第二开关阀1062，在热交换管102中持续通入热介质，待镓液全部熔融；

S4，重复步骤S1～S3的操作N次，N为大于或等于1的整数，打开第一开关阀1061和第三开关阀1063，得到高纯镓液；

优选地，所述原料镓液的温度为30～50℃，所述冷介质的温度为15～25℃，热介质的温度为30～60℃。

优选地，所述原料镓液的纯度为4N。

优选地，所述高纯镓液的纯度为6～8N。

本发明产生的有益效果为：

(1)本发明中通过设计活动浮板和通气管，活动浮板设有通孔，通气管设有气孔，在镓液冷却结晶的过程中，惰性气体由下而上进入到镓液中，进而从活动浮板的通孔排出。申请人发现：相比于现有技术的方案，搅拌或者完全静止结晶而言，由于结晶相的镓的密度小于镓液的密度，因此现有技术搅拌时虽然能够提高结晶的均匀度，但是很容易在搅拌的前提下在结晶体间掺和挟带母液，影响纯度；而完全静止的情况下结晶，很容易造成局部过度成核，各位置的结晶环境发生细微变化，容易造成形成的晶体粒度大小不一，造成纯度影响。

而本发明中通过缓慢的通入惰性气体，由于镓在结晶的过程中，其密度小于液态镓，最终会富集于活动浮板下方，而惰性气体由下至上运动，使得镓液中时刻保证轻微的流向性，可以让杂质时刻富集于下层镓液中，同时还可以给予结晶镓一个向顶端附聚的力利于结晶状的镓富集。

同时由于热交换管处于壳体外壁，适当的流动性利于壳体中部镓液与侧部镓液的流动，提高热交换的均匀度，保证整体同一层面结晶的均一程度，提高结晶粒度的均一性，进而提高产品的纯度。

(2)本发明中热交换管呈上密下疏的布置结构，适应于镓液的结晶，上部会优先结晶并集聚晶体，而且在通入冷介质时，上层温度较下层温度略低，富集纯度较高的晶体富集形成籽晶的原理，利于加快结晶的速度，同时配合惰性气体的情况下，杂质不会逐渐在未结晶镓液中富集，在提高结晶效率的前提下保证结晶的纯度。

(3)本发明中的惰性气体的持续通入，由于气体是从下至上，在上部附聚的晶体镓后，气体从壳体底部通入时温度较晶体附聚区的温度略高，此时，根据镓本身结晶的特性，在惰性气体上升的过程中可以，在结晶层中上升经过时，微略的提高结晶处的温度，可促进晶体的迅速生长，而且这种情况下更容易形成粗大规则的晶体镓，相比于细小、针状、羽毛状的晶体而言更不易挟带液体，因而得到的产品纯度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明多个上下安装时的示意图。

图3为本发明的剖面结构示意图。

图4为本发明的活动浮板的结构示意图。

图5为本发明的通气管的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示一种高纯镓的生产装置，包括壳体101以及壳体101顶端的进料口103、壳体101底端的出料口106、缠绕于壳体101外壁的热交换管102，还包括活动浮板107和通气管105，所述活动浮板107吻合壳体101内壁置于壳体101内部，所述活动浮板107上设有贯穿表面和顶面的通孔1071；所述通气管105由壳体外部延伸至壳体101内部的底端面上，且所述通气管105处于壳体101外侧的外部段1051连接气源，处于壳体101内侧的内部段1052上设有气孔1053；所述进料口103上设有进料开关阀1031，所述壳体101顶端还设有排气口104。

本实施例中，热交换管102由上端进水、下端出水，且处于壳体101上由上至下热交换管102的间隔密度由小变大。

本实施例中，壳体101的底面设有开槽，所述通气管105的内部段1052吻合置于所述开槽内。

本实施例中，出料口106设置三通阀，三通阀的第一阀口连接生产装置的出料口106且第一阀口上设置第一开关阀1061，第二阀口、第三阀口上分别设置第二开关阀1062和第三开关阀1063。生产装置至少为两个连续由上至下依次设置，相邻的上、下两个生产装置形成上层生产装置10和下层生产装置20，三通阀的第一阀口连接上层生产装置10的出料口，第二阀口连接储料罐，第三阀口连接下层生产装置20的进料口；所述上层生产装置10的热交换管排水端连接至下层生产装置20的热交换管进水端，所述上层生产装置10的排气口连接至下层生产装置20的通气管的进气端。

高纯镓的生产方法，包括以下步骤：

S1，将熔融纯度为4N的原料镓液，温度为30～50℃从料口103倒入到壳体101内部，关闭出料口106上的第一开关阀1061和进料口103上的进料开关阀1031，通气管105缓慢通入惰性气体，热交换管102中持续通入温度为30～50℃的冷介质；

S2，镓液部分结晶，打开第一开关阀1061和第二开关阀1062，未结晶的镓液全部流入到下层生产装置20的内；

S3，关闭第一开关阀1061和第二开关阀1062，在热交换管102中持续通入温度为30～60℃的介质，待镓液全部熔融；

S4，重复步骤S1～S3的操作N次，N为大于或等于1的整数，打开第一开关阀1061和第三开关阀1063，得到高纯镓液的纯度为6～8N。

采用单一的生产装置时，循环上述步骤若干次，即流入到下层生产装置20的内为高杂质含量的废液，即下层生产装置20可以直接为废液储存器，最终从步骤S4中的镓液为高纯度。

采用多个上、选层装置连装时，可以缩短每次结晶凝结的时间，保留足够多未结晶的镓液(比单一的生产装置时未结晶的镓液大幅增加)，避免未结晶的镓液中杂质富集较多时，在相同的条件下，后期从镓液中结晶时挟带的杂质逐渐提高影响产品的质量。而采用多个装置，可以减少这种概率，通过前期镓液杂质含量少的时候结晶，还未来的及结晶的镓液可以流入到下层生产装置中继续结晶，而上层结晶镓熔融储存后可以添加新的原料镓，如此循环后期下层生产装置中可以多次得到略低于上层生产装置中的高纯度镓。这样，如此，上层得到的镓纯度为8N，下层可以得到4～8N不等的镓，首先可以得到高纯度的镓，其次，还可以分级结晶实现获得不同纯的产品。整个装置温度、时间可控的前提下，不同批次的产品可以最大限度的形成纯度一致，而且相比现有技术而言可以实现连续化操作，提高同条件原料制得镓产品的纯度。

如图3-5所示，本发明制备镓产品的过程中，单一的生产装置中，通入的惰性气体一般为不与镓反应的气体，如氮气等，惰性气体从通气管105上的气孔1053进入。通气管105包括但不限于为盘状、回形状、迂回曲折等状态均布于壳体101的底部，保证气流可以均匀从下至上截面上均匀上升，提升整体流通的均匀程度。

由于镓在结晶的过程中，固态结晶镓2密度小于液态镓1，最终会富集于活动浮板107下方，而惰性气体由下至上运动，使得镓液中时刻保证轻微的流向性，可以让杂质时刻富集于下层镓液中，同时还可以给予结晶镓一个向顶端附聚的力利于结晶状的镓富集。同时由于热交换管处于壳体外壁，适当的流动性利于壳体中部镓液与侧部镓液之间的流动，提高热交换的均匀度，保证整体同一层面结晶的均一程度，提高结晶粒度的均一性，进而提高产品的纯度。

相比于现有技术的方案，搅拌或者完全静止结晶而言，由于结晶相的镓的密度小于镓液的密度，因此现有技术搅拌时虽然能够提高结晶的均匀度，但是很容易在搅拌的前提下在结晶体间掺和挟带母液，影响纯度；而完全静止的情况下结晶，很容易造成局部过度成核，各位置的结晶环境发生细微变化，容易造成形成的晶体粒度大小不一，造成纯度影响。

热交换管102呈上密下疏的布置结构，适应于本申请镓液的结晶，上部会优先结晶并集聚晶体，而且在通入冷介质时，上层温度较下层温度略低，活动浮板107富集纯度较高的晶体富集形成籽晶的原理，利于加快结晶的速度，同时配合惰性气体的情况下，杂质不会逐渐在未结晶镓液中富集，在提高结晶效率的前提下保证结晶的纯度。

惰性气体的持续通入，其通入的量根据实际情况调节快慢，由于气体是从下至上，在上部附聚的晶体镓后，常温气体从壳体底部通入时温度较晶体附聚区的温度略高，此时，根据镓本身结晶的特性：(在惰性气体上升的过程中可以，在结晶层中上升经过时)，微略的提高结晶处的温度，可促进晶体的迅速生长，而且这种情况下更容易形成粗大而规则的晶体镓，相比于细小、针状、羽毛状的晶体而言更不易挟带液体，因而得到的产品纯度更高。因此，基于惰性气体流通转移杂质相的同时还可以改变结晶成型的机理，最终形成的产品纯度更高。

同时活动浮板107除了通气、富集结晶镓的功能之外，还可以在结晶到适当的程度后，在排出未结晶的镓液之后，给予结晶镓1一个压实的作用力，充分挤压结实，保证尽可能在结晶层中不含残余的富含杂质的镓液。同时，在高纯镓熔融排出储存之后，一旦新加入原料后，由于原料镓液重新从活动浮板107通孔1071中流下去，活动浮板107慢慢浮起，保证浮板107始终处于镓液的顶端，进而在活动浮板107底端富集结晶镓后，形成籽晶的效果，提高结晶的速度。

因此，基于上述结构设计，从多方面因素可以提高结晶镓的纯度以外，还能相互协调配合，提高结晶的效率，在同等条件实现得到的产品纯度更高、时间更短。而且，基于多个装置上下安装后，可以实现对不同纯度镓的分别结晶提纯，进而实现4～8N甚至更高纯度镓的提取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高纯镓的生产装置，包括壳体(101)以及壳体(101)顶端的进料口(103)、壳体(101)底端的出料口(106)、缠绕于壳体(101)外壁的热交换管(102)，其特征在于，还包括活动浮板(107)和通气管(105)，所述活动浮板(107)吻合壳体(101)内壁置于壳体(101)内部，所述活动浮板(107)上设有贯穿表面和顶面的通孔(1071)；所述通气管(105)由壳体外部延伸至壳体(101)内部的底端面上，且所述通气管(105)处于壳体(101)外侧的外部段(1051)连接气源，处于壳体(101)内侧的内部段(1052)上设有气孔(1053)；所述进料口(103)上设有进料开关阀(1031)，所述壳体(101)顶端还设有排气口(104)。

2.如权利要求1所述的一种高纯镓的生产装置，其特征在于，所述热交换管(102)由上端进水、下端出水，且处于壳体(101)上由上至下热交换管(102)的间隔密度由小变大。

3.如权利要求1所述的一种高纯镓的生产装置，其特征在于，所述壳体(101)的底面设有开槽，所述通气管(105)的内部段(1052)吻合置于所述开槽内。

4.如权利要求1所述的一种高纯镓的生产装置，其特征在于，所述出料口(106)设置三通阀，三通阀的第一阀口连接生产装置的出料口(106)且第一阀口上设置第一开关阀(1061)，第二阀口、第三阀口上分别设置第二开关阀(1062)和第三开关阀(1063)。

5.如权利要求4所述的一种高纯镓的生产装置，其特征在于，所述生产装置至少为两个连续由上至下依次设置，相邻的上、下两个生产装置形成上层生产装置(10)和下层生产装置(20)，三通阀的第一阀口连接上层生产装置(10)的出料口，第二阀口连接储料罐，第三阀口连接下层生产装置(20)的进料口。

6.如权利要求5所述的一种高纯镓的生产装置，其特征在于，所述上层生产装置(10)的热交换管排水端连接至下层生产装置(20)的热交换管进水端；所述上层生产装置(10)的排气口连接至下层生产装置(20)的通气管的进气端。

7.如权利要求6所述的生产装置的高纯镓的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将熔融的原料镓液从进料口(103)倒入到壳体(101)内部，关闭出料口(106)上的第一开关阀(1061)和进料口(103)上的进料开关阀(1031)，通气管(105)缓慢通入惰性气体，热交换管(102)中持续通入冷介质；

S2，镓液部分结晶，打开第一开关阀(1061)和第二开关阀(1062)，未结晶的镓液全部流入到下层生产装置(20)的内；

S3，关闭第一开关阀(1061)和第二开关阀(1062)，在热交换管(102)中持续通入热介质，待镓液全部熔融；

S4，重复步骤S1～S3的操作N次，N为大于或等于1的整数，打开第一开关阀(1061)和第三开关阀(1063)，得到高纯镓液；

8.如权利要求7所述的高纯镓的生产方法，其特征在于，所述原料镓液的温度为30～50℃，所述冷介质的温度为15～25℃，热介质的温度为30～60℃。

9.如权利要求7所述的高纯镓的生产方法，其特征在于，所述原料镓液的纯度为4N。

10.如权利要求9所述的高纯镓的生产方法，其特征在于，所述高纯镓液的纯度为6～8N。

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