DE1043636B - Verfahren zur Trennung der Komponenten eines schmelzbaren Materials - Google Patents

Verfahren zur Trennung der Komponenten eines schmelzbaren Materials

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DE1043636B
DE1043636B DEW11356A DEW0011356A DE1043636B DE 1043636 B DE1043636 B DE 1043636B DE W11356 A DEW11356 A DE W11356A DE W0011356 A DEW0011356 A DE W0011356A DE 1043636 B DE1043636 B DE 1043636B
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DEW11356A
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William Gardner Pfann
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AT&T Corp
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Western Electric Co Inc
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting

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Description

  • Verfahren zur Trennung der Komponenten eines schmelzbaren Materials Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Behandlung fester Lösungen zwecks Erzeugung von Stoffen mit bestimmten Konzentrationen an Haupt-und Nebenbestandteilen. Die Verfahren nach der Erfindung machen sich die Löslichkeitsänderungen zunutze, die in aneinandergrenzenden festen und flüssigen Phasen in Metallen und ihren Legierungen, in Salzen und überhaupt in Lösungssystemen auftreten, die zu einem Übergang festflüssig veranlaßt werden können, ohne daß unerwünschte Wechsel der chemischen Eigenschaften des Materials erfolgen, das der Behandlung unterworfen wird. Eine spezielle Ausführungsform nach der Erfindung wird auf die Behandlung elementarer Halbleiterstoffe, wie Silicium und Germanium, zur Steuerung ihrer dielektrischen Eigenschaften angewandt.
  • Die beschriebenen Verfahren können zur Raffination von Halbleitern benutzt werden, so daß sie in Halbleiterverstärkern vom Transistortyp verwendet werden können. Sie können. ferner zur Reinigung eines Hauptbestandteils oder zur Gewinnung eines Nebenbestandteils oder zur Trennung von zwei oder mehr gewünschten Bestandteilen in jedem schmelzbaren System verwendet werden, in dem die Konzentrationen an gelöster Substanz in verschiedenen aneinandergrenzenden Phasen des Materials bei Gleichgewicht verschieden sind.
  • Die Anwendung wandernder Schmelzzonen zur Behandlung schmelzbarer Stoffe ist bereits früher beschrieben worden. Unter den Nutzanwendungen dieses als »Zonenschmelzen« bekannten Verfahrens befindet sich die Reinigung von Hauptbestandteilen, die Konzentrierung von Nebenbestandteilen und allgemein die gesteuerte Wiederverteilung von Nebenbestandteilen in verschiedenen Systemen. Einer der Zwecke vorliegender Erfindung ist die Anwendung an sich bekannter Prinzipien auf bestimmte kontinuierliche oder quasi kontinuierliche Verfahren, die auf technischer Basis ausführbar werden. Außerdem umfaßt die Erfindung neue Prinzipien, die über den Rahmen des chargenweisen Arbeitsvorganges der bekannten Verfahren hinausgehen. Das wichtigste dieser neuen Prinzipien ist das des Gegenstroms. In erster Linie benutzen die Verfahren nach vorliegender Erfindung die Umwandlung festflüssig und das wiederholte Durchlaufen des Materials durch den festen und flüssigen Zustand.
  • Wo immer der Ausdruck »Verunreinigung« oder »bedeutsame Verunreinigung« in der Beschreibung dieser Erfindung verwendet wird, soll hierunter eine gelöste Substanz in dem betrachteten System verstanden werden. Solche »Verunreinigungen« können erwünscht oder unerwünscht sein und können vor der Behandlung des Materials zugegen oder nicht zugegen sein. Der Ausdruck »bedeutsame Verunreinigung« oder »bedeutsame gelöste- Substanz« in Verbindung mit Halbleitern bezieht sich auf gelöste Substanz, die den Leitfähigkeitstyp des jeweiligen Halbleiters beeinflußt. Gelöste Substanzen, die dem System freie Elektronen zuführen und daher N-Typ-Leitfähigkeit bewirken, sind als Donator bekannt und die einen Mangel an freien Elektronen bewirkenden als Akzeptor. Beispiele für Donator und Akzeptor für Halbleiter der IV:. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente nach Mendelejeff, wie beispielsweise Silicium und Germanium, sind die Elemente der V. bzw. III. Gruppe des gleichen Systems. Eine zusammenfassende Diskussion der Halbleitertheorie findet sich in dem Aufsatz »Electrons and Holes in Semiconductors« von W.Shockley,D.vanNostrand, 1950.
  • Zur Vereinfachung der Beschreibung soll die Reinigung einer Substanz, wie Germanium, mit einer Verunreinigung, wie Arsen, die den Schmelzpunkt des Germaniums erniedrigt, besprochen werden. In solchen Systemen ist 1i kleiner als 1.
  • Für die Zwecke dieser Beschreibung soll j7 als Proportionalskonstante betrachtet werden, die gleich dem Konzentrationsverhältnis eines Nebenbestandteiles im erstarrenden Material zu dem im flüssigen Anteil ist, der mit dem festen Anteil in Kontakt ist. Für die Zwecke der Beschreibung ist r7. durch die nachstehende Gleichung bestimmt: wobei Co die mittlere Konzentration im Ausgangsmaterial ist, E den bereits erstarrten Anteil bedeutet und C -die Konzentration des Gelösten im festen Anteil an irgendeinem Punkt 7i ist.
  • Die obige Gleichung ist auf eine Legierung oder anderes Material anwendbar, die dem als »normales Erstarren« bekannten Verfahren unterworfen wird. Die Ableitung dieser Gleichung findet sich in »Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers«, Bd. 135, S. 85 (1939), von A. Heyes und j. Chipman. Nach diesem Verfahren läßt man schmelzbares Material in geschmolzenem Zustand in einer Richtung von einem Ende zum anderen hin mit einer so geringen Geschwindigkeit erstarren, daß der Einschluß flüssiger Substanz vermieden und daß ausreichende Diffusion des Gelösten im flüssigen Anteil gewährleistet ist. Das Ergebnis ist in den meisten Fällen eine Seigerung, die die gelöste Substanz in dem einen oder anderen Ende sich anreichern läßt. Wenn die gelöste Substanz den Schmelzpunkt erniedrigt, d. h. wenn il kleiner als 1 ist, sammelt sich der größere Teil der gelösten Substanz in dem zuletzt erstarrenden Anteil. Wenn 27 größer als 1 ist, reichert sich die gelöste Substanz am Anfangsende an. Damit Gleichung (1) den theoretischen Wert für -r) für das in Rede stehende System ergibt, müssen die folgenden Annahmen erfüllt sein: (a) Die Diffusion im festen Anteil muß vernachlässigbar sein; (b) die Diffusion im flüssigen Anteil muß fast augenblicklich erfolgen; (c) 17 muß im wesentlichen konstant sein (diese Bedingung kommt in Frage, wenn das zu behandelnde Material ein Halbleiter wie Germanium ist, der bedeutsame Verunreinigungen enthält und dessen Reinheit von der Größenordnung der für Halbleitervorrichtungen üblichen ist).
  • In jedem praktischen Verfahren kann sich @ immer dein theoretischen Wert nur nähern, aber ihn niemals erreichen. Die Wirkung von Bedingungen, die von den obigen Voraussetzungen abweichen, veranlaßt eine Annäherung von 17 an den Wert 1. Die nachstehenden Bedingungen haben die jeweils erwähnte Wirkung auf die tatsächlichen Werte von )l: (a) jede Diffusion im festen Zustand oder jegliche Verminderung derselben im flüssigen Zustand veranlaßt eine Annäherung von 17 an den Wert 1.
  • (b) Rühren bewirkt zunehmende Diffusion im flüssigen Zustand und bewirkt darum Annäherung der tatsächlichen zj-Werte des betreffenden Systems an den theoretischen Wert.
  • (c) Bildung von Dendriten in der erstarrenden Substanz bewirkt Abnahme der Diffusion im flüssigen Zustand und veranlaßt daher eine Annäherung der mi-@Verte des betreffenden Systems an 1. Es ist zu beachten, daß demzufolge ein beschleunigtes Vorrücken der Grenzfläche festflüssig eine Zunahme bewirkt, wenn die ;-Werte kleiner als 1 sind, und eine Abnahme, wenn die Werte größer als 1 sind. Einige Faktoren, die die tatsächlichen i7-Werte beeinflussen, sind in der vorerwähnten Veröffentlichung von A. H a y e s und j. C h i p m a n erwähnt.
  • (d) Es ist augenscheinlich, daß, je höher der Temperaturabfall von der flüssigen zur festen Zone ist, um .so höher die wirksame Diffusion im flüssigen Zustand ist. Dies würde daher gleichfalls eine Annäherung der i7-Werte des betreffenden Systems an die theoretischen Werte bedeuten.
  • Für jedes Verfahren, das den Übergang festflüssig als Mittel verwendet, um die Verteilung einer gelösten Substanz in einem System Lösungsmittel-Gelöstes zu ändern, kann die folgende Verallgemeinerung getroffen werden: je größer der absolute Wert von (1 - 77) ist, um so größer ist der Konzentrationsunterschied des Gelösten in aneinandergrenzenden Phasen im Gleichgewicht. Für jegliches System wird die Raffination notwendigerweise um so wirksamer, je größer die Differenz zwischen den tatsächlichen 2i-Werten und 1 ist.
  • In seiner einfachsten Form besteht ein vorbekanntes Verfahren darin, daß man eine Charge von der Konzentration Co an gelöster Substanz kontinuierlich durch einen stationären Ringerhitzer führt, der eine stationäre geschmolzene Zone hervorruft. In einem solchen Verfahren ist die erste Konzentration des die Zone verlassenden (also ausfrierenden) :Materials = 17 - Co. Mit fortschreitendem Verfahren sammelt sich die gelöste Substanz in der geschmolzenen Zone an und hebt ihre Konzentration auf Co/?7, in welchem Augenblick die Konzentrationen für Eintritt und Austritt aus der Zone einander entsprechen und gleich Co werden und keine Raffination mehr erfolgt. Um einen solchen. Reiniger auf quasi kontinuierlicher Basis so zu betreiben, daß eine Konzentration nicht höher als C, erreicht wird, wobei Cf größer als l - Co und kleiner als Co ist, ist es lediglich notwendig, die Konzentration in der geschmolzenen Zone daran zu hindern, einen Wert zu erreichen, der größer ist als Cfl?7. Hierfür existieren verschiedene Mittel: (a) Schnelles Absaugen des gesamten flüssigen Anteils der Zone durch ein geheiztes Rohr, wenn die Konzentration der Flüssigkeit sich auf Cflr7 oder auf einen geschätzten Wert, der geringer als Cflr, ist, erhebt; (b) ein schneller Vorschub der Charge um etwas mehr als eine Zonenlänge, um die geschmolzene Zone zur Erstarrung außerhalb des Erhitzers zu bringen. Diese unreine Zone kann ausgesägt werden oder in anderer Weise aus dem zu raffinierenden Material entfernt werden.
  • Während solche Maßnahmen, wie die vorstehenden (a) und (b), für nur eine geschmolzene Zone (die nur eine Raffinations- oder Trennungssufe darstellt) verhältnismäßig einfach sind, werden sie schwieriger, wenn die Zahl der Zonen oder Stufen steigt.
  • Es ist eines der Ziele vorliegender Erfindung, die Vorteile des Zonenschmelzverfahrens auf kontinuierliche Apparaturen zu übertragen und die Notwendigkeit zu beseitigen, das Verfahren in Abständen zu unterbrechen, um angesammelte gelöste Substanz aus der geschmolzenen Zone zu entfernen. Das vorliegende Verfahren ist kontinuierlich in dem Sinne, daß der feste Anteil stetig aus den Zonen während des ganzen Verfahrens entfernt wird, so daß sich ein stationärer Zustand ergibt, in dem die Zonen und festen Anteile daraus von stufenweise zunehmender Unreinheit durch die ganze Apparatur hindurch sind und in dem sich die schließliche Konzentration des Fertigprodukts nicht ändert.-Dank der Ähnlichkeit der vorliegenden Erfindung mit der kontinuierlichen Destillation soll die Terminologie dieser Technik in weitgehendem Maß übernommen werden. Die Verfahren nach dieser Erfindung benutzen den Rücklauf, d. h. einen Gegenstrom oder »kolonnenabwärts« gerichteten Strom eines Teils des gereinigten Produkts. In den Verfahren, die hier beschrieben werden sollen, tritt dieser Rücklauf im allgemeinen in Form einer flüssigen Phase auf, die rückwärts fließt, während die feste Phase vorwärts fließt.
  • Kurz gesagt werden im Verfahren nach vorliegender Erfindung eine Reihe von Behältern oder Kammern mit geschmolzenem Material in Reihe angeordnet. Feste Substanz tritt in jeden Behälter ein, schmilzt darin, erstarrt dann wieder in reinerem Zustand, taucht wieder auf und rückt zum nächsten Behälter vor, in den es einsinkt, und das Verfahren wird wiederholt. Zu geeigneten Zeitpunkten während einer Phase wird Rohmaterial zugeführt und Endprodukt und Rückstand intermittierend abgezogen. In den meisten Abwandlungen der vorliegenden Erfindung bewirkt das Eintauchen fester Substanz auch ein Fließen des Rücklaufs (der ja flüssig ist) in entgegengesetzter Richtung, wobei das Fließen durch überlaufen dank der Verdrängung von Flüssigkeit durch die eintretende feste Substanz und durch das Überlaufen des Rückflusses aus dem vorhergehenden Behälter erfolgt.
  • Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen besser verständlich, in denen Fig. 1 A, 1 B, 1 C, 1 D und 1 E die Art und Weise des Schmelzens und Erstarrens zeigen sowie eine Schleppvorrichtung zusammen mit dem zu behandelnden Material bzw. den Augenblick, bevor der Schlepper in das geschmolzene :Material einsinkt, danach getaucht, geschmolzen, wieder erstarrt und dann aus der das geschmolzene Material enthaltenden Kammer wieder entfernt wird; Fig. 2 zeigt eine Anordnung der Behälter, in denen das Verfahren nach der Erfindung ausgeführt werden kann; Fig. 3, 3 A, 3 B, 3 C und 3 D zeigen eine Apparatur nach vorliegender Erfindung mit kreisförmiger Anordnung der Behälter; Fig. 4A und 4B sind Querschnitte von Apparaturen, bei denen die Art des Rückflusses nicht von der Schwerkraft abhängig ist; Fig. 5 ist eine Abwandlung der Behälterapparatur, die den Schwerkraftrückfluß verwendet; Fig. 6 ist ein Apparaturtyp, der den Schwerkraftüberlauf benutzt und in der die Schlepper auf einem endlosen Band angeordnet sind; Fig.6A ist eine Ansicht eines Schleppers, der in der Apparatur nach Fig. 6 anwendbar ist, und Fig. 7 ist eine Zusammenstellung, die die Rechenmethode erläutert, nach der bei gegebenem Rücklaufverhältnis und gegebener Zusammensetzung von Rohstoff, Fertigprodukt und Rückstand die notwendige Anzahl von Stufen (Behältern) berechnet werden kann.
  • Fig. 1 A zeigt den Schlepper, gerade bevor er in einen Behälter mit geschmolzenem Material eintaucht. In dieser Figur ist der Schlepper 1, der ein Quantum des zu behandelnden Materials 2 trägt, dabei, in Behälter 3 zu tauchen, der geschmolzenes Material 4 enthält. In Fig. 1 B ist Schlepper 1 in Behälter 3. getaucht. Da dies eine Darstellung gerade des Augenblicks ist, in welchem Schlepper 1 in der geschmolzenen Substanz 4 untergetaucht ist, hat die Schicht 2 noch nicht begonnen zu schmelzen. In Fig. 1 C ist die Ablagerung abgeschmolzen, und das durch den Schlepper eingebrachte Material ist dem geschmolzenen Material in Behälter 3 zugesetzt worden. Die resultierende Schmelze 5 hat eine von der Schmelze 4 abweichende Zusammensetzung, wie weiter unten besprochen wird.
  • In Fig. 1 D wird der Schlepper gekühlt, indem man Kühlmittel in den Gas- oder Flüssigkeitseinlaß 6 einführt, so daß sich eine neue Ablagerung auf dem Träger 1 bildet. Die Zusammensetzung dieser neuen Ablagerung oder Schicht kann aus der oben auseinandergesetzten Gleichung (1) bestimmt werden. Wo zy kleiner als 1 ist, enthält die Ablagerung 7 weniger gelöste Substanz als die Originalablagerung2. Die möglichen Zusammensetzungen des Kühlmittels und andere Mittel zur Bildung einer Ablagerung auf Schlepper 1 werden später besprochen. Fig. 1 E zeigt den Schlepper 1 mit einer neuen Ablagerung 7 aus dem Behälter 3.
  • Da das System so reguliert wird, daß die Menge des Rohmaterials derjenigen entspricht, die als Rückstand und Fertigprodukt entfernt wird, ist der Flüssigkeitsspiegel des geschmolzenen Vorrats 8 identisch mit dem des geschmolzenen Vorrats 4 der Fig. 1A. Die Zusammensetzung in jedem Behälter ist nach Eintauchen des festen Anteils durch (a) die schmelzende feste Substanz und (b) den Rücklauf des flüssigen Anteils geändert. Denn für ein System, in dem der iy-Wert des Gelösten im Lösungsmittel kleiner als 1 ist, ist der Rücklauf des Flüssigen reiner als die Flüssigkeit im Behälter, in den er eintritt.
  • Um den Vorgang, der in den Behältern stattfindet, zu klären, ist es gut, eine Situation zu betrachten, bei der kein Rücklauf erfolgt. In solch einer Situation, wenn wieder der j7-Wert des Gelösten im Lösungsmittel kleiner als 1 ist, würde der feste Anteil, der den Behälter verläßt, reiner sein als der feste Anteil, der in den Behälter eintritt, und würde deshalb eine Anreicherung der gelösten Substanz im Behälter bewirken (gerade wie in der oben besprochenen quasi kontinuierlichen Raffination).
  • Um diesen Vorgang bei den Rücklauf-Umkristallisationsverfahren der vorliegenden Erfindung zu vermeiden, wird eine solche Menge Rücklauf dem Behälter, aus dem der feste Anteil kommt, zugeführt, daß die gewünschte Zusammensetzung im Behälter aufrechterhalten bleibt. Zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts verlangt eine einfache Materialbilanz, daß die eintretende Menge an Gelöstem und Lösungsmittel, die in einen gegebenen Behälter in Form von fester Substanz, die aufwärts läuft, und flüssigem Rücklauf, der die Raffinationsapparatur in Richtung nach abwärts durchläuft, identisch mit der Materialmenge ist, die den Behälter in Form der entnommenen festen Substanz und des flüssigen Rücklaufs verläßt.
  • Fig. 2 ist eine graphische Darstellung einer besonderen Apparatur zwecks Erläuterung eines Verfahrens, das entsprechend vorliegender Erfindung durchgeführt wird. Die Anordnung der Behälter 9, 10, 11, 12, 13 und 14 kann in gerader Linie oder in Kreisform erfolgen. In dieser Figur sind die Gefäße aufeinanderfolgend numeriert, sowie man sich dem »Kopf« der Raffiniereinrichtung nähert. Wenn alle Kühlfinger und der feste Anteil darauf eingetaucht sind, befinden sich die Flüssigkeitsspiegel in Höhe der überlaufniveaus 18 bis 23 in den sechs Behältern. Der Spiegel 25 in Behälter 14 ist hypothetisch, ist aber angezeigt, um die Menge von Rücklauf und Fertigerzeugnis anzudeuten. Die Menge 24-25 der Flüssigkeit ist Rücklauf, der von Behälter 14 zu Behälter 13 fließt und einen rückwärts laufenden Strom aus jedem Behälter verursacht und wobei die Rückstände Behälter 9 als Überlauf verlassen. In diesem Beispiel ist 18 bis 25 die Menge an fester Substanz. die von jedem Kühlfinger gefördert wird. Ventil 15, am Ausgang des Behälters 14, das bis dahin geschlossen war, wird geöffnet und erlaubt die Entfernung der Menge 18 bis 24 als Fertigerzeugnis, das durch Rohr 16 und Auslaß 17 abfließt. Wenn die zu behandelnde Substanz hoch schmilzt, ist es notwendig, das Rohr 16 zu beheizen, um Verstopfung zu vermeiden.
  • krach oder während des gerade beschriebenen Abwärtsströmens schmelzen die festen Anteile auf den Kühlfingern und erstarren dann wieder durch noch zu beschreibende Hilfsmittel. Die Kühlfinger zusammen mit erstarrtem festem Anteil werden dann gleichzeitig herausgezogen find verlassen die Niveaus 2r>, 27, 28, 29, 30 und 31 in Behälter 14 bis 9. (Man beachte, daß das eingetauchte Volumen eines Kühlfingers ohne erstarrten festen Anteil als Einheit 18 bis 26 in Behälter 14 gilt.) \Tachdem das Fertigprodukt abgezogen ist, wird Rohmaterial in irgendeinen gewünschten Behälter eingeführt (in der Zeichnung wird es in Behälter 11 eingeführt). Die Menge an Rohmaterial entspricht der Summe von Rückständen und Fertigprodukt. Diese Menge wird durch die Höhe 29 bis 39 in Behälter 11 angedeutet.
  • Die Kühlfinger werden dann um einen Behälter vorgerückt und wieder eingetaucht. In einer Abwandlung des Verfahrens wird ein leerer Kühlfinger aus Behälter 14 entfernt, so daß dem Behälter 9 kein festes :Material zugeführt wird. So entsteht ein Defizit von zwei Einheiten in Behälter 9 entsprechend der Menge 18 bis 25 in Behälter 14. Dieser wird aufgefüllt durch einen abwärts gerichteten Strom aus Behälter 10, verursacht durch die Rohstoffzufuhr in Behälter 11 und durch den Rücklauf aus Behälter 14. Die Folge der Arbeitsgänge, der Flüssigkeitsfluß und die Bewegung der festen Anteile sind damit vollständig.
  • In dem oben beschriebenen Arbeitsgang rückt ein Schlepper zum letzten Behälter 14 vor, in dem der feste Anteil abschmilzt. Das Einsenken veranlaßt ein Strömen des Rücklaufs und eine Bewegung des Enderzeugnisses, wobei das Zusammenwirken der beiden Ströme rechtzeitig unterbrochen und durch das Ventil 15 am Auslaß des Behälters 14 gesteuert wird. Wenn es vorzuziehen ist, kann Ventil 15 ausgeschaltet werden, indem man nur die Menge an fester Substanz aus Behälter 13. abzieht, die aus 14 als Fertigerzeugnis entfernt wird. Mit einer solchen Abänderung tritt kein Rückfluß von Behälter 14 nach Behälter 13, auf. Die Menge des erstarrten festen Anteils in Behälter 13 kann durch Beschränkung des Zuflusses an Kühlmittel zum entsprechenden Schlepper gesteuert werden. Andere Abwandlungen lassen sich leicht überblicken, z. B. kann in einem umgekehrten System der Schlepper zwischen Behälter 13 und 14 in der Größe kleiner sein als die anderen, oder Behälter 13 und sein Inhalt können abwechselnd auf höherer Temperatur im Vergleich zu dem Inhalt der vorangehenden Behälter gehalten werden. Ähnlich kann das Ventil 15 ausgeschaltet werden, indem gleichzeitig Überlauf und Fertigprodukt und Rücklauf aus Behälter 14 durch zwei Öffnungen vorgesehen werden, deren Ouerschnitte so gewählt werden, daß das gewünschte Rücklauf-Verhältnis erhalten wird.
  • Fig. 3. 3 A, 3 B, 3 C und 3D beziehen sich auf eine ringförmige Anordnung, mit der das Verfahren nach der Erfindung ausgeführt werden kann. Sechs Löcher in einem Graphit- oder Stahlblock 40 bilden Behälter 41, 42. 43, 44, 45 und 46. Ein drehbarer Aufsatz 47, zusammen mit sechs Kühlfingern 48, 49, 50, 51, 52 und 53. ist zentral über dem Block 40 mittels eines Führungsstabes 54 und Führungslöchern 55 angeordnet, und die Kühlfinger 48 bis 53 werden in die Behälter 41 bis 46 gesenkt, die Teile des für die Behandlung bestimmten Materials in geschmolzener Form enthalten.
  • Nachdem der jeweilige feste, auf den Kühlfingern befindliche Teil geschmolzen ist und nachdem neue Anteile des Materials erstarrt sind, werden die Finger entfernt und nach einem- der Verfahren gemäß Erfindung zu einem Behälter in Richtung des Materialflusses (im Uhrzeigersinn) weitergeführt. Da dies sechs Behälter sind, wird dies durch Drehen des Aufsatzes 47 um einen Bogen von 60° im Uhrzeigersinn bewirkt. In der gezeigten Figur wird diese Drehung manuell bewirkt, indem man den Handgriff 56 anhebt und um einen Winkel von 60°° dreht, wobei man den Führungsstift 54 in die nächste Führungsbohrung 55 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn einsetzt und den Aufsatz 47 senkt, bis er auf dem Körper 40 aufsitzt. Natürlich soll die Erfindung nicht auf eine solche Anordnung beschränkt sein, und es versteht sich, daß ein Motorantrieb mit geeigneter mechanischer Vorrichtung zum Anheben und Senken des Schleppers vor und nach dem Drehen eingesetzt werden kann.
  • Um das geschmolzene Material in den Behältern auf den Kühlfingern zu verfestigen, wird ein Kühlmittel wie folgt durch die Einrichtung geleitet: durch Einlaß 57, feststehende Vielfachrohre 58, Führungen im drehbaren Aufsatz 47, Innenrohr 60 im Kühlfinger 48 bis 53, durch den Ringraum 61 zwischen dem inneren Rohr 60 und der Außenwand der Kühlfinger 48 bis 53 und schließlich durch die Ausführungen 62 hinaus. Es ist zu beachten, daß in der besonderen Anordnung nach Fig, 3 bis 3 D kein Vielfachrohr 5.8 mit denn Behälter 46 in Verbindung steht. Da nun beabsichtigt ist, daß das Fertigerzeugnis in geschmolzener Form abgezogen wird, ergibt sich, daß in dieser Apparatur jeder der Kühlfinger 48 bis 53 feste Substanz aus dem Behälter, aus dem er auftaucht, zum folgenden Behälter im Uhrzeigersinn trägt, mit Ausnahme des Kühlfingers, der den Fertigerzeugnisbehälter 46 verläßt. In Fig. 3A trägt dieser Kühlfinger die Nummer 53. Wie später besprochen wird; kann ein Verfahren, das eine hiervon verschiedene Folge von Arbeitsgängen umfaßt, gleichfalls mit der Apparatur nach dieser Figur durchgeführt werden. Nach dieser Alternative wird feste Substanz auf allen Kühlfingern in dieser Stellung ausgefroren und nach einer einzigen Umdrehung geschmolzen, wonach Drehung im entgegengesetzten Sinn erfolgt und jeder Kühlfinger in seinen ursprünglichen Behälter zurückkehrt, wonach wieder feste Substanz auf den Kühlfingern ausgefroren wird.
  • Wie bereits besprochen wurde, sind die hier beschriebenen Verfahren wirklich kontinuierlich durch den Rückfluß des Materials von Behälter zu Behälter in einer Richtung, die der Bewegung des festen Anteils entgegengesetzt ist. In der speziellen Apparatur nach Fig. 3 bis 3 D erfolgt dieser Rückfluß durch Überlauf, der von Behälter 46 ausgeht, dann durch Rinnen 64 in die aufeinanderfolgenden Behälter und schließlich durch den Rückstandsauslaß nach außen fließt. Da der Rückfluß als Überlauf infolge der Schwerkraft erfolgt, ist jede der aufeinanderfolgenden Rinnen von zunehmender Tiefe in einer der Bewegung des Materials entgegengesetzten Richtung. In dieser speziellen Apparatur ist die Richtung zunehmender Rinnentiefe von Behälter 46 aus entgegengesetzt der Uhrzeigerdrehung durch Behälter 41 und nach außen durch Rückstandsauslaß 65.
  • Wenn gewisse Systeme mittels der Apparatur nach Fig. 3 bis 3 D behandelt werden, ist es bisweilen schwierig, ausreichende Mischung zu sichern. Wo diese Schwierigkeit auftritt, kann sie mittels an sich bekannten mechanischen Mischens behoben werden. In der gezeigten Apparatur wurde eine verbesserte Verteilung des flüssigen Rücklaufs durch die Einschaltung von Lenkblechen 70 gesichert, von denen eines in Fig. 3 B deutlich zu sehen ist. Diese Lenkbleche stehen direkt vor den Auslaufenden der Rinnen 64 und erstrecken sich von der Oberkante der Behälter 41 bis 45 kurz vor das untere Ende der Behälter, so daß der flüssige Rücklauf gezwungen ist, den verengten Raum zwischen dem Lenkblech 70 und dem Teil der inneren Wandung des Behälters nächst dein Auslauf der Rückflußrinnen nach unten zu durchstreichen, dann unter dem unteren Ende des Lenkblechs hindurch und in die Hauptmenge, die im Behälter enthalten ist. Wo das zu behandelnde System aus Germanium mit beliebiger Zahl bedeutsamer Verunreinigungen besteht, wurde die Einschaltung solcher Lenkbleche als ausreichend gefunden. und andere Mischungsmittel waren nicht nötig.
  • In einigen Systemen wird, obwohl die Einschaltung von Lenkblechen eine Verteilung des Rückflußinaterials bewirkt, die Zuhilfenahme besonderer Rührer während der Erstarrungsvorgänge nötig. Beispiele für solche Systeme sind organische und viskose Stoffe mit niedrigem Schmelzpunkt.
  • Zum geeigneten Zeitpunkt während jedes Arbeitsspieles, z. B. wenn die Kühlfinger zum nächstfolgenden Behälter vorrücken, wird Rohmaterial dem gewünschten Tank zugeführt. Besondere Mittel für diese Zufuhr sind in der Zeichnung nicht gezeigt. da (las Rohmaterial einfach eingeschöpft werden kann. Die Betrachtungen, die bezüglich des bestgeeigneten Zufuhrbehälters anzustellen sind, sind analog denen zur Bestimmung der Bödenanzahl des Rektifikations-und Abtreiberteils bei der Destillation. Eine entsprechende Diskussion dieses Gegenstandes findet sich bei B a d g e r und M c C a b e in der Ausgabe 1946, S. 323 bis 376, der Zeitschrift »Elements of Chemical Engineering<:.
  • Die Kühlfinger können innerhalb der Behälter bewegt werden, um das Rühren zu unterstützen, wodurch der tatsächliche Wert von 1 dem theoretischen soweit als möglich genähert wird. Die Bewegungsfolge kann die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene sein, so daß sich die Kühlfinger immer in Richtung kolonnenaufwärts bewegen. Eine abweichende Folge, in der die Bewegung der Finger umgekehrt wird und die sowohl für eine kreisförmige Anordnung wie in den hier betrachteten Figuren als auch für eine geradlinige Anordnung, wie beispielsweise in Fig. 2 abgebildet, benutzt werden kann, geht folgendermaßen vor sich.
  • Die Arbeitsfolge ist: Abscheidung fester Substanz, Herausheben des Kühlfingers mit fester Substanz, Vorrücken des Fingers zum nächsten Behälter, Einsenken, Schmelzen der festen Substanz, Herausheben des leeren Kühlfingers, Rückkehr des leeren Kühlfingers, Eintauchen, Erstarrung von frischer fester Substanz. Für eine solche Arbeitsfolge ist ein Behälter mehr als Kühlfinger erforderlich. Der Vorteil ist, daß bei einer solchen Arbeitsfolge alle Kühlfinger gleichzeitig gekühlt werden und daß daher das abgebildete komplizierte System von Vierfachrohren 58, das den Schlepper in Behälter 46 stets in heißem Zustand halten sollte, überflüssig ist. Weiterhin wird der Überlauf des Rückflusses vereinfacht, wo eine große Anzahl von Behältern benötigt wird (d. h. daß eine geradlinige Anordnung benutzt werden kann, die vom Standpunkt des Überlaufs besser ist).
  • Das Kühlmittel kann irgendein geeignetes Medium sein, flüssig oder gasförmig. Es kann auf eine gewünschte Temperatur vorgewärmt oder vorgekühlt werden, so daß die Wachstumsgeschwindigkeit der festen Substanz an den Kühlfingern geregelt werden kann. Es kann allen Kühlfingern »parallel« (aus einer gemeinsamen Quelle auf getrennten Wegen) oder »in Serie« zugeführt werden, wobei dasselbe Kühlmittel nacheinander durch alle Kühlfinger strömt. Das letztere ist wirtschaftlicher und kann angewandt werden, wo das Material langsam wachsen soll (bei Germanium werden Geschwindigkeiten von unter 0,15 mm je Sekunde vorgezogen, um Einschluß von gelöster Substanz zu vermeiden) oder wo das zu behandelnde System eine geringe Schmelzwärme hat.
  • Die Kühlfinger können verschiedenartigste geometrische Querschnitte haben, je nach der besonderen Charakteristik des Systems, das durch die Apparatur geht. In den meisten hier beschriebenen Verfahren sind sie hohl oder enthalten Bohrungen für die Zirkulation des Kühl- oder Heizmittels. Wo der Schmelzpunkt so hoch liegt, daß die Wärmeübertragung ein Problem wird, sind größere Oberflächen zu bevorzugen, wie sie U-Rohre oder Spiralen bieten.
  • Das Kühlmittel kann ein Gas, wie Wasserstoff, Stickstoff, Luft, Helium, oder eine Flüssigkeit, wie Wasser, Quecksilber, oder anderes, geschmolzenes Material sein.
  • Die Atmosphäre, in der die Verfahren dieser Erfindung durchgeführt werden, hängt von gewissen Überlegungen ab, die dem Fachmann ohne weiteres klar sind. Beispielsweise wird bei der Behandlung von Germanium, wo es zweckmäßig ist, eine schützende Atmosphäre verwendet, d. h. eine solche, die eine schädliche. Diffusion unerwünschter Verunreinigungen in das zu raffinierende Material verhütet. Zum Beispiel können verhältnismäßig reiner Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Argon oder deren Mischungen verwendet werden. Unter bestimmten Bedingungen kann es vorteilhaft sein, das Verfahren nach der Erfindung im Vakuum auszuüben. Wo das zu behandelnde Material eine wäßrige Lösung ist oder wo ein sonst flüchtiges Lösungsmittel zugegen ist, kann es wünschenswert sein, :Mittel zur Verhütung des Verdampfens des Lösungsmittels vorzusehen. Für ein solches- Verfahren kann ein Partialdruck an Wasserdampf oder anderem Dampf in der Atmosphäre aufrechterhalten werden, um Verdampfung des Lösungsmittels zu vermeiden.
  • Die Heizmittel, die zur Verwendung in den hier beschriebenen Verfahren ausgewählt werden, hängen von der Natur, speziell vom Schmelzpunkt des zu behandelnden Materials ab. Verschiedene Mittel verstehen sich von selbst: (a) Die ganze Apparatur wird in eine einfache Topfheizung gesetzt; (b) es wird eine Gasheizung verwendet; (c) Heizwicklungen aus Chromnickel oder anderem elektrischem Widerstandsmaterial werden um die Behälter und die verschiedenen Kanäle gewunden, durch die das geschmolzene Material strömen soll; (d) das Heizen erfolgt induktiv durch die Passage von Hochfrequenz durch Windungen um die Behälter; (e) wo das zu behandelnde Material Salze oder organische Stoffe sind, die oberhalb kritischer Temperaturgrenzen der Zersetzung oder anderen chemischen Umwandlungen unferworfen sind, ist es wünschenswert, Wasser- oder Ölbäder zu verwenden. Wo die Reinigungsapparatur einschließlich Behältern, Kühlfingern usw. ganz aus Glas besteht, ist ein Wasser- oder Ölbad wünschens-,v ert, da es die Beobachtung des Esstarrens erleichtert.
  • Wo es wünschenswert ist, das Schmelzen der festen Substanz zu beschleunigen, läßt man heißes Gas oder heiße Flüssigkeit durch die Kühlleitungen zirkulieren.
  • Die Temperaturen in den Behältern können im Wechselspiegel gesteuert werden, derart, daß sie fallen, wenn die Erstarrungen an den Kühlfingern im Gang ist, und daß sie steigen, wenn das Schmelzen im Gang ist. so daß die Zeit für diese Verfahrensstufen abgekürzt wird.
  • Bis jetzt ist der Strom des geschmolzenen Materials von einem Behälter zum anderen als Überlauf infolge der Schwerkraft gezeigt -worden. Fig. 4A und 4B zeigen Abwandlungen dieses Verfahrens. Fig.4A zeigt einen inneren, gleitenden Rücklaufkörper 32, der in den Hauptkörper 33 eng eingepaßt ist und Aussparungen 34 besitzt, die in Verbindung mit den Behältern 35. stehen. Der Körper 32 dreht sich um eine Stufe bei jedem Spiel und trägt Flüssigkeit mit sich fort. Die Drehrichtung ist der Bewegung des festen ?.rlaterials entgegengesetzt. Das Rückflußverhältnis wird vom Volumen der Aussparung und der Menge des abgezogenen Fertigproduktes bestimmt und kann nach den von B a d g e r und M c C a b e in >,Elements of Chemical Engineering«, Ausgabe 1936, entwickelten Prinzipien in dem Abschnitt über Destillation bestimmt werden. Eine abgewandelte Form des Gleitkörpers 36 kann unterhalb des Hauptkörpers 37 angeordnet sein, mit einer korrespondierenden Bohrung 38 für jeden Behälter 38, -wie dies in Fig. 4B gezeigt ist.
  • Fig. 5 ist eine graphische Darstellung einer weitei'en Form, wonach ein schmelzflüssiger Strom zwischen den Behältern 67, 68. 69, 70, 71, 72 mittels dünner Verbindungsrohre 73, 74, 75, 76, 77 fließt. Die Enden der Rohre 73, und 74 (vor dem Zufuhrbehälter) liegen tiefer als die nachfolgenden Rohre, um den zugeführten Rohstoff daran zu hindern, vorwärts zu fließen. Die Rohre 73 bis 77 sind lang und dünn, um den Vorwärtslauf des Rückflusses gering zu halten. Eine weitere Vorsichtsmaßnahme besteht darin, die X iveaus in Behälter 67, 68 und 69 unter die Enden der Rohre 73 und 74 sinken zu lassen, wenn die Kühlfinger gezogen -werden. Alle anderen Einzelteile dieser Apparatur haben identische Funktionen mit denen der Fig. 2, so daß Ventil 78 und Auslaßrohr 79 identisch mit Ventil 15 und Rohr 16 der Fig. 2 sind und Rückstandsrohr 66 dem Überlauf an Niveau 23 des Behälters 9 in Fig. 2 entspricht.
  • Die Niveaus 80, r83., 82, 83 haben dieselbe Bedeutung während verschiedener Verfahrensstufen wie die entsprechenden Niveaus 26, 18,24 und 25 der Fig. 2, wo die Arbeitsfolge dieselbe ist, wie in Verbindung mit der vorhergehenden Abbildung beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, daß die Niveaus 84 identisch sind und in jenem Punkt der Arbeitsfolge auftreten, in denen sich die :'Niveaus der Behälter 9, 10, 11, 12 und 13 der Fig. 2 dementsprechend bei 23, 22, 21, 20 sind 19 befinden.
  • Fig. 6 zeigt ein anderes Verfahren, in dem man die g°-..viinschten Ströme von Rücklauf und Fertigerzeugiiis auftreten lassen kann. Bei dieser Apparatur läßt ein endloses Band 85 die Kühlfinger 86 fortschreitend in die Behälter eintreten und sie verlassen. Der Rückfluß erfolgt als Überlauf durch die Öffnungen 9,2, 93, 94, 95. Abkühlen und Erstarren erfolgen, wenn die Kühlfinger aus der Flüssigkeit auftauchen und in die kühlere Atmosphäre kommen. Wenn eine große Anzahl von Kühlfingern verwendet wird, ist das Verfahren wirklich kontinuierlich. Das Rücklaufverhältnis kann durch die relativen Querschnitte der vorerwähnten Überlauföffnung 92 und des Fertigprodukt-Auslasses 99 geregelt werden (das letztere etwa durch Einregelung des Ventils 98). Rückstand wird durch Auslaß 97 abgezogen. Das Fertigerzeugnis geht durch Ventil 98 und Auslaß 99. Während des Betriebs wird Rohmaterial kontinuierlich einem zwischengelegenen Behälter zugeführt. Fig.6A ist eine Ansicht eines Schleppers 86, der in der Apparatur nach Fig. 6 verwendet und beim Eintauchen in das geschmolzene Material 100 gezeigt wird und erstarrtes Material 101 fortträgt. Dieser Schlepper -wird von der andern Seite gezeigt, so daß er sich frei zwischen den (nicht gezeigten) Rollen oder Schienen bewegt, die Richtung und Bewegung des Bandes 85 bestimmen.
  • Eine Abwandlung der endlosen Bandausführung des in Verbindung mit Fig. 6 beschriebenen Verfahrens verwendet Spiralschlepper, die kontinuierlich in die Behälter eintreten und mit fester Substanz beladen wieder verlassen. Am unteren Ende der Behälter schmilzt die feste Substanz und verfestigt sich wieder aufs neue, wenn sich dieser Teil des Spiralträgers wieder der Oberfläche nähert. Es ist hier vorzuziehen, einen Bandförderer aus Metall zu verwenden, da er eine gute Wärmeleitfähigkeit hat. In der einfachsten Form erfolgt der Rückfluß als Überlauf oder nach einer der beschriebenen oder noch zu beschreibenden Methoden, Rohmaterial, Fertigprodukt und Rückstände fließen gleichzeitg und kontinuierlich.
  • Fig. 7 -wird in Verbindung mit der folgenden Diskussion der Theorie der kontinuierlichen Zonenraffination mit Rückfluß erörtert -werden.
  • Die Berechnung der Anzahl Behälter, der Zusammensetzung und des Flusses von Rohmaterial, Fertigerzeugnis und Rückständen und der Rücklaufverhältnisse kann in ähnlicher Art durchgeführt -werden wie die analogen Berechnungen für kontinuierliche Destillationskolonnen, die die Umwandlung Flüssigkeit-Dampf benutzen, wobei unterstellt -wird, daß ein Behälter im vorliegenden Verfahren einem »Boden<; im Destillationsverfahren entspricht. Die Beschreibung dieser Berechnungen finden sich in »Elements of Chemical Engineering « von B ad g e r und -.x1 c C a b e , McGraw Hill, 2. Ausgabe, 1936. Die darin benutzte Therminologie -wird zum Teil nachfolgend benutzt. Die Beziehungen der Theorie des Zonenschmelzens zur McCabe-Thieleschen Berechnungsmethode in der obigen Literaturstelle wird durch die folgende Analogie klarer werden: In einer Destillationskolonne steigt Dampf auf, der sich mit der flüchtigeren Komponente A anreichert und an der weniger flüchtigen Komponente B verarmt. Der flüssige Rücklauf geht abwärts, wobei der Rücklauf als kondensierter Teil des Dampfes entsteht, der aus dem Kopf der Kolonne nicht entweicht. Rohmaterial, das A und .$ in flüssiger oder Dampfform enthält, tritt am Füllboden ein. Rückstand, der an B reicher ist, fließt am Kolonnenfuß ab. Der Abschnitt oberhalb der Füllplatte heißt Rektifizierteil, und der Abschnitt unterhalb ist der Abtreiberteil.
  • Im Reiniger bewegt sich feste Substanz aufwärts, d. h. in der Richtung nasch vorwärts, und wird hierbei reiner in bezug auf Gelöstes A im normalen System, worin 17 für das System Gelöstes-Lösungsmittel kleiner als 1 ist. Rohmaterial in flüssiger oder fester Form tritt am Füllbehälter ein, und Rückstände, die reicher an Verunreinigung B sind, treten am Fuß aus (erster Behälter). Die Rektifikation erfolgt oberhalb des Füllbodens und das Abtreiben darunter.
  • Wenn die x-y-Kurve des Systems bekannt ist, erlaubt die Mc Cabe-Thiele-Methode die Berechnung der Destillationskolonne. Für die Zwecke einer solchen Berechnung ist x der Molbruchteil von A in der flüssigen Phase und y der Molbruchteil von A in der Dampfphase, die im Gleichgewicht mit der flüssigen Phase steht, die den Molbruch x von A enthält. Die Anzahl der theoretischen Böden im Rektifikations-und Abtreibeabschnitt werden durch ein graphisches Stufenverfahren gewonnen, wobei die Stufenschritte zwischen der x-y-Kurve und der Arbeitslinie für ein gegebenes System gemacht werden. Die Arbeitslinie für den Rektifikationsabschnitt wird durch das Rückflußverhältnis und den Molbruch A im Destillat xD bestimmt. Die Arbeitslinie erstreckt sieh vom Punkt x-xD, y-xD auf der x-y-Kurve bis zu ihrem Schnittpunkt mit der q-Linie. Die q-Linie wird durch die Zusammensetzung xF und den thermischen Zustand des Rohmaterials bestimmt. Die Arbeitslinie für den Abtreiberteil wird durch die Zusammensetzung xw des Rückstandsmaterials und den Schnitt der q-Linie mit der Arbeitslinie für den Rektifikationsabschnitt bestimmt. Weitere Einzelheiten finden sich in der obenerwähnten Literaturstelle.
  • Fig. 7 ist eine bildliche Darstellung einer graphischen Methode, mit deren Hilfe Apparaturen zur Ausführung der Verfahren nach vorliegender Erfindung entworfen werden können. Durch geeignete Anwendung eines Diagramms nach Fig.7 können unter Verwendung der noch zu beschreibenden Methode die Unbekannten im vorliegenden Arbeitsverfahren berechnet werden. Wo beispielsweise die Zusammensetzungen der gewünschten Endprodukte und die Menge des zu behandelnden Materials bekannt sind, ist es möglich, eine Kombination von theoretischen Behältern, Rücklaufverhältnis, Rohmaterialzustand und Anordnung des Füllbehälters zu bestimmen, die die gewünschten Ergebnisse zeitigt. Oder umgekehrt, wenn die Einrichtung, mit der die Raffination vorgenommen werden soll, bereits besteht, so daß die Anzahl der Behälter eine bekannte Zahl ist, so kann die zu beschreibende Methode zur Bestimmung des geeigneten Rücklaufverhältnisses und des Füllbehälters verwendet werden, die die am meisten befriedigenden für die Erzeugung der gewünschten Konzentrationen in den Enderzeugnissen sind. Es gibt eine vielfältige \Terschiedenheit erzielbarer Kalkulationsergebnisse; einige dieser Ergebnisse sind durch Analogie in der bereits erwähnten Veröffentlichung von Badger und Mc Cabe offenbart worden. Andere ergeben sich aus der Entwicklung der praktischen Bedürfnisse. So kann beispielsweise mittels einer dem Fachmann geläufigen Verfahrensweise die graphische Berechnung Anwendung finden, um den Füllbehälter anzuordnen, die Füllbedingungen und die Rückflußgeschwindigkeit festzulegen, einen Minimumgehalt an Gelöstem in einem Endprodukt oder einen Maximumgehalt an Gelöstem in einem anderen Endprodukt an einem gegebenen Einrichtungsteil zu erhalten.
  • Fig. 7 veranschaulicht die Berechnungen, welche sich aus der graphischen Darstellung der --Atome pro ccm Lösungsmittel löslicher Substanz in dem festen Körper gegen die Anzahl der x-Atome pro ccm Lösungsmittel löslicher Substanz im flüssigen Körper ergeben; es besteht dabei das folgende Problem: Ein Behälterverfahren, beispielsweise irgendeines der vorstehend beschriebenen Verfahren, mit einer Zusammensetzung des flüssigen Rohmaterials :rF und bekanntem molarem Wärmeinhalt liefert ein Endprodukt von der Zusammensetzung xp (Konzentration von A im flüssigen Erzeugnis, das aus dem letzten Behälter in Bewegungsrichtung des festen Anteils entnommen ist) und ein Enderzeugnis xw, das aus dem letzten Behälter in entgegengesetzter Richtung entnommen ist (Konzentration von A im flüssigen Produkt, das reicher an gelöster Substanz A in dem System ist, in dem ii kleiner als 1 ist), und arbeitet mit einem Rückflußverhältnis von R Mol je Mol Endprodukt. Die beiden zu bestimmenden Unbekannten, die mit dieser graphischen Berechnung ermittelt werden, sind die Anzahl theoretischer Behälter, die notwendig sind, um Endprodukte von der Zusammensetzung xp und xw zu erzeugen und die optimale Lage des Füllbehälters. Bei der Ausübung der Methode nach Fig. 7 geht man folgendermaßen vor: 1. Die Gleichgewichtskurve 102-103 und die x----Diagonale 104-105 werden in gewohnter Weise gegeneinander aufgetragen. Man beachte, daß die x-z-Kurve in dem hier betrachteten System, d, h. für einen i7-Wert von 0,1 als gerade Linie, parallel zur x----Linie in doppelt logarithmischen Koordinaten erscheint und damit anzeigt, daß der Wert von 1i über den gezeigten Zusammensetzungsbereich konstant ist.
  • 2. Die x-xw-, x-xF- und x-xp-Linien werden verlängert bis zu ihren Schnittpunkten 106, 107, 108 mit der x-z-Diagonale.
  • 3. Die q-Linie 107-109 wird aus dem molaren Wärmeinhalt des Rohmaterials berechnet und wird aufgetragen, indem man eine Gerade durch Punkt 107 legt, deren Neigung nach Methoden bestimmt wird, die den von B a d g e r und Mc C a b e auf S. 350, 351 beschriebenen analog sind. Für die Zwecke der vorliegenden Rechnung werden folgende Anhalte zur Bestimmung der Neigung der q-Linie dargelegt. Wenn das eingeführte Rohmaterial eine Flüssigkeit an ihrem Schmelzpunkt ist, so daß sich keine thermische Störung innerhalb des Flüssigkeitsstromes in der Apparatur ergibt, so erscheint die q-Lin.ie als vertikale Projektion 107-109 in Fig. 7. Wenn das Rohmaterial als feste Substanz beim Schmelzpunkt eingeführt wird, ist die Neigung der q-Linie gleich Null, und sie wird als horizontale Linie auf dem Diagramm dargestellt, die durch Punkt 107 geht. Wenn das Rohmaterial aus Festem und Flüssigem im Gleichgewicht besteht, ist die Neigung der q-Linie aufwärts und nach links. Wenn der thermische Zustand des Rohmaterials so ist, daß der Wärmeinhalt höher ist als der der Flüssigkeit beim Schmelzpunkt, so ist die q-Linie aufwärts und nach rechts geneigt, und wenn der thermische Zustand des Rohmaterials so ist, daß der Wärmeinhalt geringer als der der festen Substanz beim Schmelzpunkt ist, so ist die q-Linie nach unten und links geneigt.
  • 4. Der Wert wird berechnet und auf der --Achse als Punkt 110 aufgetragen. Die Arbeitskurve 110-108, die auf rechtwinkligen Koordinaten als gerade Linie erscheinen würde, wird dann eingetragen. Sie legt Punkt 111 auf der q-Linie fest.
  • 5. Punkt 111 wird mit Punkt 106 verbunden und gibt die Arbeitskurve 106-111, die gleichfalls auf rechtwinkligen Koordinaten als Gerade erscheinen würde.
  • 6. Bei Ausgang von Punkt 108 ziehe man eine Reihe rechtwinkliger Stufen 108, 112, 113, 114, 115 zwischen der Gleichgewichtskurve 102-1U3, und Arbeitslinie 111-108 für den Rektifikationsabschnitt des Verfahrens. Diese Stufen werden fortgesetzt, bis Punkt 111 überschritten ist, was beim Schnitt 116 in Fig. 7 erfolgt. Die vertikale Linie 116-117 wird dann auf die Arbeitslinie 106-111 gefällt, und diese zweite Arbeitslinie, die dem Abtreiberteil des Verfahrens entspricht, wird verwendet, bis die letzte Senkrechte mit Punkt 106 oder einem kleineren Wert zusammenfällt. In der Rechnung nach Fig. 7 entspricht der Schnitt 117-118-119 dem letzten Behälter in dein Abtreibwrieil.
  • Die Gesamtzahl der Stufen ist die Gesamtzahl theoretischer Behälter, und die Stufe, die die q-Linie überquert, ist der Behälter, in den das Rohmaterial eingeführt v,-erden sollte. Demzufolge sind in dem erläuternden Beispiel der Fig. 7 vier theoretische Behälter, und der Rohstoff wird in einem zweiten Behält°4r vom »Boden« aus eingeführt.
  • Bei der Verwendung der 2v1c Cabe-Thieleschen Rechnungsmethode für die Reinigung von Germanium nach dem Rückfluß-Umkristallisations-Verfahren dieser El ndung sind eine Reihe von Abänderungen und Vereinfachungen eingeführt worden: A. Für Verunreinigungen in Germanium, die von Interesse sind, z. B. bedeutsame Verunreinigungen, wie Arsen, Antimon, Gallium, lndium, Aluminium, Zink, und andere Verunreinigungen, wie Nickel und Kupfer, die die Lebensdauer des Trägers beeinflussen, ist das Verhältnis der Konzentrationen an gelöster Substanz im festen und flüssigen Anteil bzw. an der Grenzfläche beim Gleichgewicht annähernd eine Konstante über einen weiten Bereich kleiner Konzentrationen. Für Erstarrungsgeschwindigkeiten von der Größenordnung 0,025 mm je Sekunde sind die angenäherten Werte für r) = 0,1 bei Arsen, Gallium und Aluminium, 0,01 für Antimon und 0,001 für Indium. Daher ist die Kurve, die der x-y-Kurve nach ,4lcCabe-Thiel entspricht, für Germanium, das solch eine gelöste Substanz enthält, eine Gerade. Diese Linie erscheint in Fig. 7 als x-z.
  • B. Numerisch von Interesse sind die Konzentrationen an Verunreinigungen, die für die Zwecke dieser Beschreibung als Anzahl Atome Verunreinigung je Kubikzentimeter Germanium ausgedrückt werden. Diese Konzentration ist für Halbleiter wie Germanium insofern von Interesse, als sie die elektrische Leitfähigkeit beeinflußt, die eine wichtige Eigenschaft des Germaniums bei der Verwendung in Halbleitervorrichtungen wie Transistoren und Gleichrichtern ist. Eine zweite wichtige Wirkung von Verunreinigungen in Germanium und anderen Halbleitern ist die, daß sie die Lebensdauer eingeführter Träger verringern. Andere als die bedeutsamen Verunreinigungen können von diesem Typ sein: Die elektrische Leitfähigkeit von Germanium in dem hier zu betrachtenden Bereich an Verunreinigungen sind der Konzentration an bedeutsamer Verunreinigung direkt proportional. Daher gibt x die Anzahl der Atome Gelöstes je Kubikzentimeter im flüssigen und z die Konzentration des Gelösten im festen Anteil an der Grenzfläche im Gleichgewicht, in der gleichen Einheit ausgedrückt, wieder.
  • C. Da Konzentrationsbereiche von mehreren Zehnerpotenzen von Interesse sind, ist es praktisch, die und das i@IcCabe-Thiele-Diagramm in doppelt logarithmischen Koordinaten aufzutragen. Eire interessierender Konzentrationsbereich für viele Anwendungen von Halbleitern reicht von etwa 1012 bis lO1sAtome bedeutsamer Verunreinigung je Kubikzentimeter Halbleiter. Wie in Fig. 7 für ri = 0,1 gezeigt, ist die x-z-Kurve eine Gerade parallel zur x-,>-oder 45°-Kurve. Die Arbeitslinien, die auf den üblichen arithmetischen Diagrammen Gerade sind, werden auf den doppelt logarithmischen Diagrammen zu Kurven, die rasch aus den Gleichungen obiger Literaturstelle zu bestimmen sind.
  • Bei der Raffination von Germanium ist es wünschenswert, die durch bedeutsame Verunreinigungen bewirkte Leitfähigkeit auf einen Wert herabzusetzen, der sich dem der wahren Leitfähigkeit nähert. Der Wert, bei dem die Leitfähigkeit durch Verunreinigung der wahren Leitfähigkeit von Germanium bei 25° C entspricht, ist etwa 3 - 1013 (Ladungs-)Träger je Kubikzentimeter. Germanium normaler Reinheit handelsüblicher Herkunft kann Trägerkonzentrationen von der Größenordnung 2 - 1015 oder 2 - 101s Atome je Kubikzentimeter haben. Abfallgermanium, das durch Zonenraffination gereinigt werden soll, kann noch höhere Konzentrationen an Leitfähigkeit hervorrufenden Verunreinigungen haben. Es ist zu beachten, das 3 - 101s Atome je Kubikzentimeter Germanium einer Verunreinigung von 7 - 10-s Atomprozenten entsprechen, also eine extrem geringe Konzentration.
  • In der Berechnung nach Fig. 7 wurde eine Fertigproduktkonzentration xD von 1 - 1014 Atomen je Kubikzentimeter, eine Rohstoffkonzentration xr. von 2 - 1016 Atomen je Kubikzentimeter und eine Rückstandskonzentration xw von etwa 1 - 1017 Atomen je Kubikzentimeter angenommen. Das Rücklaufverhältnis wurde zu R = 1 angenommen, wo und wo L der Fluß des Rücklaufs, Reiniger abwärts, D der Fluß des Fertigproduktes, auslaufend am Kopf des Reinigers ist.
  • Bei vertikaler q-Linie (entsprechend der Einführung von flüssigem Rohmaterial mit der Temperatur des flüssigen Anteils im Füllbehälter) stellt man fest, daß drei theoretische Behälter im Rektifikationsteil und zwei im Abtreiberteil notwendig werden. Der Fluß F des Rohmaterials, W des Rückstandes und D des Fertigproduktes sind in relativen Einheiten 10,2 und B.
  • In einem Reiniger, der intermittierend arbeitet, wie beispielsweise die Apparatur nach Fig.2, schwankt die Zusammensetzung des flüssigen Anteils in einem gegebenen Behälter innerhalb gewisser Grenzen, und der feste Anteil, der daraus kristallisiert, ist nicht immer im Gleichgewicht damit. Daher sind die Mc Cabe-Thieleschen Rechnungen hier nur Annäherungen, wenn auch sehr nützliche. Bei Verwendung eines j7-Wertes, der experimentell für Erstarrungsbedingungen ähnlich denen des Zonenreinigers bestimmt wurde, wird bei Aufzeichnung der x-z-Kurve eine recht enge Annäherung an die Rechnung festgestellt.
  • Obgleich, praktisch genommen, die Leistungsfähigkeit jeder der in dieser Beschreibung geschilderten Apparaturen beschränkt ist, und zwar aus praktischen Gründen, wie Abmessungen der Behälter und Oberflächengrößen der Schlepper, soll das Nachstehende als Erläuterung der Produktionsgeschwindigkeit für einen Reiniger wie nach Fig.2 gegeben werden, und zwar für die Raffination eines Materials wie Germanium, um ein Produkt von solcher Größenordnung der Reinheit zu erzeugen, daß es in Halbleitervorrichtungen verwendbar ist. Bei Unterstellung eines Kühlfingers in Form eines Rohres mit 6,35 mm äußerem Durchmesser und einer Länge von 20,32 cm in Verbindung mit Behältern, die einen inneren Durchmesser von 3,175 cm und eine Tiefe von annähernd 27,86 cm besitzen und wobei es erwünscht ist, eine starke Schicht von etwa 6,35 mm auf dem Finger zu bilden, so daß der gesamte Außendurchmesser des festen Körpers etwa 19,05 mm beträgt, was einem Gewicht an festem Germanium von etwa 236 g entspricht, gilt die folgende Annäherung: Wenn die Erstarrung mit einer Geschwindigkeit von 3,17 mm in der Minute erfolgt, so daß die Erstarrungszeit von der Größenordnung 2 Minuten ist, und wenn 5 Minuten für ein vollständiges Arbeitsspiel zugestanden werden, so beträgt die Vorwärtsbewegung des Festen 256 oder 47 g je Minute. Im Falle, daß 500% des Festen als Rücklauf zurückkehren und 50% als Fertigprodukt abgezogen werden, so beträgt die schließliche Erzeugung an Fertigprodukt 23 g je Minute oder etwa 1,38 kg je Stunde.
  • Es ist jedoch augenscheinlich zutreffend, daß -die beschriebene Apparatur ebensogut für eine Ausbeute an Erzeugnis von einigen Gramm je Stunde wie für einige Kilogramm je Stunde verwendet werden kann, so daß die Apparatur für die technische Raffination von Metallen, wie Siliciums Germanium, Aluminium, Blei, Zink, Zinn, Kupfer, Silber, Gold, Titan, Zirkon, Eisen und vielen anderen, benützt werden kann. -In der Tat sind die beschriebenen ! Vrfahren, wie in der Einleitung zu dieser Beschreibung erwähnt wurde, auf die Raffination allen und jeden Materials anwendbar, das thermisch von einer-Phase in die andere übergeführt werden kann ixn&# -bei dem keine chemischen oder anderen schädli#e-heii- Umwandlungen auftreten und bei dem schließliili-die Verunreinigung oder die gelöste Substanz, die kontrolliert werden soll, in zwei im Gleichgewicht koexistierenden Phasen verschiedene.. Konzentrationen hat. Die einzigen Änderungen,- die zur Anpassung der beschriebenen Verfahren an die Raffination oder Steuerung in anderen Systemen notwendig sind, sind mechanische Änderungen, die bei Durchsicht dieser Beschreibung unmittelbar klar werden. Bei der Raffination weniger wertvoller Materialien, wo es notwendig wird, große Mengen zu behandeln, ist es lediglich erforderlich, alle Dimensionen der Einrichtung zu vergrößern, obgleich es notwendig kein kann, gewisse Zugeständnisse für Abwandlungen in den thermischen Wirkungen zu machen, die sich ergeben, wenn die Abmessungen der Einrichtung geändert werden. Solche Abänderungen sind dem projektierenden Ingenieur aus der Arbeit der chemischen Ingenieurtechnik wohlbekannt, wo die gleichen Probleme bewältigt werden müssen, wenn man vom Laboratoriumsmaßstab zur halbtechnischen Anlage und wieder von der halbtechnischen Anlage zu technischen Einheiten übergeht. Wo die Raffination von Stoffen mittels Änderung der Löslichkeit der Verunreinigungen in fester und flüssiger Phase für solche Stoffe zu betrachten ist, die bei Raumtemperatur flüssig sind, wie beispielsweise Quecksilber, ist die kritische Aufgabe mehr eine der Kühlung als der Erhitzung, so daß es notwendig sein kann, Kühlmittel durch die Kühlkammern des Schleppers zu schicken und die Schmelzstufe sich bei Raumtemperatur vollziehen zu lassen. Sinngemäß liegt kein Grund vor, warum die beschriebenen Verfahren nicht auf Stoffe angewandt werden sollten, die sich gewöhnlich in Gasform befinden.
  • In manchen Fällen ist es wünschenswert oder tunlich, feine Kristalle einer reinen Substanz zu erzeugen, z. B. bei der Reinigung von Tafelsalz. In solchen Fällen kann man die Kristallisation in jedem Behälter durch übliche Mittel mit zahlreichen Kristallkeimen einleiten. Bei diesem Gebrauch werden die Kühlfinger, die oben in ihren zahreichen Abwandlungen beschrieben sind, durch Körbe oder feine Siebe ersetzt, die bei der Aufwärtsbewegung alle Kristalle aufsammeln, mitnehmen und in den nächsten Behälter zum Umschmelzen einsenken. Es ist notwendig, in eine solche Apparatur Seiher in die Wege des Rücklaufs einzuschalten, um eine Rückwärtswanderung des festen Anteils zu verhindern.
  • In vielen Systemen ist der Trennfaktor 17 nicht günstig, d. h., sein Wert unterscheidet sich nicht genügend von 1 für eine wirksame Trennung. Bei solchen Trennungen ist es oft vorteilhaft, eine dritte Substanz als Lösungsmittel zu verwenden, wodurch bessere Trennung analog dem als »Aussalzen« bekannten Verfahren in der fraktionierten Kristallisation erreicht wird. Die Verfahren dieser Erfindung sind ideal geeignet, um solche Systeme mit drei Komponenten zu behandeln. In einem derartigen Verfahren besteht der etwa in flüssiger Form vorliegende Rohstoff aus A und B gelöst in C. Wenn z. B. gewünscht wird, B von A zu entfernen, wird das Enderzeugnis beispielsweise A gelöst in C mit sehr wenig B sein, während der Rückstand im gleichen Beispiel A und B gelöst in C mit einem höheren Prozentsatz von B als im Rohmaterial darstellt. Die gewünschte Komponente kann dann von C beispielsweise nach der Beschreibung dieser Erfindung aufbereitet weiden oder, wenn die dritte Substanz verhältnismäßig flüchtig ist, wie Waser, einige organische Lösungsmittel oder einige Metallöser, wie Zink, Cadmium, Quecksilber, durch Verdampfung- entfernt werden.
  • Wenn das zu behandelnde System eine Legierung ist, wird die dritte Komponente ein Metall sein, während-in nichtmetallischen Systemen geeignete dritte Lösungsmittel Wasser, organische Lösungsmittel oder viele andere wohlbekannte Substanzen sein können, die in dieser Weise bei der fraktionierten Kristallisation verwendet werden (s. W e i ß b e r g e r: »Technique of Organic Chemistry«, Bd.3, 1950, Interscience Pub., N. Y.).
  • Bei der Reinigung von Halbleitern, wie Germanium, und anderen Elementen der IV. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente nach Mendelej e f f, die eine Verunreinigung enthalten, die den Schmelzpunkt erhöht (d. h. ein System Lösungsmittel-Gelöstes mit einem 27-Wert größer als 1, wie z. B. Bor oder Silicium in Germanium) kann der Reiniger, wie oben beschrieben, betrieben werden, mit dem Unterschied, daß das reinere Germanium am Boden anfällt und das angereicherte Material am Kopf des Reinigers. Wo zwei oder mehr Verunreinigungen zugegen sind, von denen einige den Schmelzpunkt senken und andere erhöhen, kann es notwendig sein, die ausgebrachten Erzeugnisse noch einmal getrennt eine ähnliche Apparatur durchlaufen zu lassen.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Trennen der Komponenten eines schmelzbaren Materials, welches aus einem Haupt- und einem Nebenbestandteil zusammengesetzt ist, wobei die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials so gewählt ist, daß der Nebenbestandteil in gewissem Ausmaß sowohl in fester als auch in schmelzflüssiger Phase in dem Hauptbestandteil löslich ist und die Gleichgewichtskonzentrationen des Nebenbestandteils in der festen und schmelzflüssigen Phase unterschiedlich sind, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Träger zusammen mit einer darauf haftenden, die gleichen Bestandteile enthaltenden festen Kruste des zu behandelnden Materials in einen Behälter einer Behälterreihe, welcher eine aus den gleichen Bestandteilen bestehende Schmelze enthält, einsetzt, danach die feste Kruste in dem Behälter abschmilzt, einen Teil des geschmolzenen Materials in dem Behälter unter Bildung einer zweiten, den Träger bedeckenden Kruste auf dem Träger erstarren läßt, den Träger zusammen mit der zweiten Kruste entnimmt und in einen zweiten Behälter, welcher ebenfalls eine Schmelze des zu behandelnden Materials enthält, einsetzt, die auf dem Träger befindliche Kruste abschmilzt, einen Teil des geschmolzenen Materials in dem zweiten Behälter zwecks Bildung einer dritten Trägerkruste auf dem Träger erstarren läßt und die dritte Kruste bzw. die entsprechende flüssige Zusammensetzung als erstes Fertigerzeugnis entnimmt, wobei ein Teil der in dem zweiten Behälter befindlichen Schmelze in einer der Wanderung der festen Kruste entgegengesetzten Richtung geleitet und aus dem ersten Behälter ein Teil des geschmolzenen Materials als zweites Fertigerzeugnis entnommen wird, während eine den Fertigerzeugnissen entsprechende Menge des zu behandelnden Ausgangsmaterials zugesetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn'et, daß der Gegenstrom aus geschmolzenem Material durch Überlauf hervorgerufen wird, der seinerseits auf Verdrängung durch Eintauchen des Trägers und der darauf befindlichen erstarrten Kruste beruht, und daß die Überleitung zu dem vorangehenden Behälter unter dem Einfluß der Schwerkraft erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erstarrte Kruste in einer Reihe von Behältern wieder geschmolzen und wieder erstarrt wird, wobei das zweite Fertigerzeugnis aus dem letzten, Behälter der Behälterreihe entfernt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die erstarrte Kruste als erstes Fertigerzeugnis aus den aufeinanderfolgenden Behältern entfernt wird, während ein Strom von geschmo#lzenern Material vorn Behälter zu Behälter in der Richtung unterhalten wird, die der des s,tufenweis@en Transports der ersitarrten Kruste entgegen: gesetzt ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, @daß der Rohstoff als geschnnolzenes Material einem zwischenliegenden Behälter der Reihe zugeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der varangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material als Hauptbestandteil Silicium oder Germanium enthält und als Nebenbesrhandteile Bor, Gallium, Indium, Aluminium, Thallium, Arsen., Wismut oder Phosphor. In Betracht gezogene Druckschriften: C. Schnabel, Handbuch der Metallhüttenkunde, Berlin 1901, 1. Band, 2. Auflage, S. 660/661.
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