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Verfahren zur Reinigung einer Flüssigkeit durch Destillation Es liegt
vielfach die Aufgabe vor, eine Flüssigkeit durch Destillation zu reinigen, bei der
die abzutrennende Verunreinigung in der reinen Flüssigkeit löslich ist. In einem
solchen Fall leitete man bisher die in der geheizten Destillationsblase erzeugte
gasförmige Phase des Destillats in eine gekühlte Kolonne, die mit neutralen Körpern,
beispielsweise Glasperlen, Glasringen oder feinmaschigen Drahtsieben, gefüllt ist.
An diesen Füllkörpern kondensiert sich ein Teil des Destillats; aus dem restlichen
gasförmigen Destillat, das an den kondensierten Tropfen vorbeistreicht, wird die
gut lösliche Verunreinigung zu einem mehr oder weniger großen Teil ausgewaschen.
Das mit der Verunreinigung angereicherte Kondensat läuft in die Destillationsblase
zurück und wird dort von neuem verdampft.
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Dieses Verfahren hat den Mangel, daß die Zwischenräume zwischen den
neutralen Füllkörpern durch die kondensierte Flüssigkeit weitgehend verschlossen
werden, so daß die Kondensationskolonne einen hohen Strömungswiderstand darstellt.
Ferner ist der Wirkungsgrad der Kolonne hinsichtlich des Auswaschens der Verunreinigungen
verhältnismäßig gering, da die Oberfläche des Kondensats insgesamt klein ist. Es
sind aus diesem Grunde verhältnismäßig lange Kolonnen erforderlich, wodurch der
Strömungswiderstand weiter vergrößert wird. Aus dem gleichen Grunde ist bei dem
bisherigen Verfahren eine langsame Destillation mit großem Rücklaufverhältnis, d.
h. mit kleiner Ausbeute an gereinigtem Stoff, bezogen auf das insgesamt verdampfte
Destillat, notwendig.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reinigung
einer Flüssigkeit durch Destillation, wobei die abzutrennende Verunreinigung in
der reinen Flüssigkeit löslich ist. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin,
daß der Dampf der zu destillierenden Flüssigkeit durch eine Düse in eine Kolonne
mit gegenüber dem Druck in der Destillationsblase verringertem Druck getrieben wird,
so daß er infolge seiner Expansion einen Nebel bildet. Durch die Erfindung wird
erreicht, daß das gasförmige Destillat nicht an festen Körpern, sondern in Form
eines Nebels kondensiert, so daß die Oberfläche des Kondensats infolge der Kleinheit
der einzelnen Nebeltropfen insgesamt außerordentlich groß ist. Der Auswaschvorgang,
bei dem die in der gasförmigen Phase noch enthaltene Verunreinigung durch Lösung
in die Tropfen des Kondensats eintritt, verläuft daher wesentlich intensiver und
schneller als bei dem bisher üblichen Verfahren. Ferner kommt der Strömungswiderstand,
der durch die bisher verwendeten neutralen Füllkörper gebildet wurde, in
Fortfall.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist lediglich zu beachten, daß die Strömungsgeschwindigkeit
in der Vernebelungskolonne kleiner gewählt werden muß als die Sinkgeschwindigkeit
der Nebeltropfen.
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Die Wände der Kolonne werden mit Vorteil auf eine Temperatur gekühlt,
die nur wenige Grad Celsius unter dem Siedepunkt des Destillats, d. h. im wesentlichen
der reinen Flüssigkeit, liegt. Das Verfahren hat besondere Bedeutung zur Reinigung
solcher Flüssigkeiten, bei denen der Siedepunkt der Verunreinigung und der Siedepunkt
der reinen Flüssigkeit nahezu übereinstimmen, wobei es im wesentlichen gleichgültig
ist, welcher Siedepunkt höher liegt.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
wird vorzugsweise so ausgebildet, daß für den Rücklauf der in der Kolonne angesammelten
Flüssigkeit eine Rücklaufleitung vorgesehen ist, die von unten in die Destillationsblase
eintritt.
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Dadurch wird erreicht, daß die mit der Verunreinigung angereicherte
Flüssigkeit zuletzt verdampft wird. Man kann die Rücklaufleitung um die geheizte
Destillationsblase herumfuhren oder so anlegen, daß sie durch die zu destillierende
Flüssigkeit hindurchläuft. In letzterem Falle ist es angebracht, oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche
ein Sperrknie vorzusehen, das einen Durchtritt von Dampf durch die Rücklaufleitung
verhindert.
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Mit besonderem Vorteil kann unterhalb der geheizten Destillationsblase
eine mit deren Unterseite verbundene, nicht geheizte Vorratsblase angeordnet sein,
in die die Rücklaufleitung mündet. Man erreicht hiermit, daß, falls der Inhalt der
geheizten Destillationsblase
vollständig verdampft, ein mit der
Verunreinigung hoch angereicherter Rest des Kondensats nicht mit verdampft wird,
sondern in jedem Fall zurückbleibt.
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In der Kolonne können zwecks Durchmischung der Dampfphase mit dem
Nebel Metallplatten bzw. Metallsiebe angeordnet sein, deren Abstand von den Kolonnenwänden
so groß ist, daß er nicht durch Absetzen von Flüssigkeit ausgefüllt werden kann.
Falls für diesen Zweck Siebe verwendet werden, ist es vorteilhaft, die Maschengröße
so zu wählen, daß das Sieb selbst durch Absetzen von Flüssigkeit weitgehend verschlossen
wird, also einen scheibenförmigen Körper bildet, der den Dampfstrom zwingt, an den
gekühlten Wänden der Kolonne entlangzuströmen.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist vor allem von Bedeutung für
die Reinigung von Silanen, insbesondere Silico-Chloroform und Silizium-Tetrachlorid,
wie sie als Ausgangsprodukte für die Herstellung von Reinstsilizum für Halbleiteranordnungen
(Dioden, Transistoren u. dgl.) verwendet werden. Mit besonderem Erfolg wird durch
das vorgeschlagene Verfahren die Aufgabe gelöst, Bortrichlorid aus Silico-Chloroform
abzuscheiden. Durch die Erfindung ist es gelungen, den Durchsatz einer Destillationseinrichtung
für diese Abtrennung bei wesentlich geringerem apparativem Aufwand (kürzere Kondensationskolonne)
und bei gleichen Anforderungen an die Reinheit des Endproduktes um ein Mehrfaches
zu erhöhen.
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Das Verfahren nach der Erfindung sei an Hand der Zeichnung erläutert,
die gleichzeitig ein Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens darstellt.
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In der Zeichnung ist mit 1 eine Destillationsblase bezeichnet, die
durch eine Heizwicklung 2 geheizt ist.
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Die Destillationsblase 1 ist zum Teil mit Silico-Chloroform (Si H
Cl3) gefüllt, das Bortriochlorid (B C13) enthält und von dieser Verunreinigung befreit
werden soll. Die zu destillierende Flüssigkeit ist mit 3 bezeichnet.
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Oberhalb der Destillationsblase 1 ist eine Kolonne 4 angeordnet.
Das Gefäß 1 ist mit der Kolonne 4 durch eine Düse 5 verbunden. Die Flüssigkeit im
Gefäß 1 befindet sich auf einer Temperatur von etwa 350 C, während die Kolonne 4
durch einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom, der bei 6 in einen Kühlmantel 8 eintritt
und bei 7 austritt, auf eine etwas niedrigere Temperatur, etwa 30 bis 320 C, gekühlt
ist. Infolge der unterschiedlichen Temperaturen besteht zwischen der Destillationsblase
1 und der Kolonne 4 ein Druckunterschied von etwa 5 bis 10 cm Wassersäule. Infolge
dieses Druckunterschiedes bildet der Dampf des Destillats 3 bei seinem Austritt
aus der Düse 5 bei seiner Expansion einen Nebel. In der Kolonne sind eine Anzahl
von Silberblechen oder Silberdrahtsieben 10 mit größeren Abständen angeordnet; diese
Einsätze sorgen dafür, daß der gebildete Nebel mit dem gasförmig gebliebenen Anteil
des Destillats gut durchmischt wird. Ferner zwingen sie das Gemisch aus Gas und
Nebel, durch die Zwischenräume zwischen den Teilen 10 und den gekühlten Wänden der
Kolonne 4 durchzuströmen. Bei diesem Vorgang wird das als Verunreinigung in dem
gasförmigen Anteil enthaltene Bortrichlorid sehr wirksam durch die feinen Nebeltropfen,
in denen es gut löslich ist, ausgewaschen. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Kolonne
4 ist so gewählt, daß sie kleiner als die
mittlere Sinkgeschwindigkeit der Nebeltropfen
ist.
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Der Nebel setzt sich im wesentlichen an den Blechen bzw. Sieben 10
ab und tropft von dort nach unten.
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Das gereinigte Gas wird in einer Kühlschlange 11, deren Mantel 12
von einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom geeigneter Temperatur (etwa 100 C) durchflossen
ist, kondensiert. Das flüssige Endprodukt wird in einer Flasche 13 aufgefangen.
Zur Abtrennung der ersten Fraktion bei Betriebsbeginn ist in üblicher Weise eine
weitere Auffangflasche 14 vorgesehen.
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Das in der Kolonne 4 gebildete, mit der Verunreinigung angereicherte
Kondensat tropft, wie oben bereits bemerkt, nach unten auf den Boden 9 der Kolonne
und fließt von dort über eine Rücklaufleitung 15 in eine kleinere Vorratsblase 16,
die mit dem Boden der geheizten Destillationsblase 1 in Verbindung steht. Der Innenraum
der Kolonne 4 ist durch ein Sperrknie 17, in dem sich Kondensat sammelt, für den
Eintritt von Dämpfen aus der Rücklaufleitung gesperrt.
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Aus der vorstehend beschriebenen Wirkungsweise der Destillationseinrichtung
ergibt sich, daß sich in der Vorratsblase 16 ein mit Bortrichlorid angereichertes
Silico-Chloroform ansammelt. In dem Maße, wie durch die Rücklaufleitung 15 weiteres
Kondensat hinzukommt, tritt der Inhalt der Blase 16 von unten her in den Flüssigkeitsraum
der Destillationsblase 1 ein.
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Bei der beschriebenen Anordnung ist also vermieden, daß das verunreinigte
Kondensat, wie es bisher üblich ist, auf die Oberfläche der zu destillierenden Flüssigkeit
tropft und von dort sofort wieder verdampft wird. Das hochverunreinigte Rücklaufkondensat
tritt vielmehr mit niedriger Temperatur von unten in die Destillationsblase ein;
es kann also nicht sofort wieder verdampfen, sondern erst nach Wiedererwärmung auf
den Siedepunkt. Dadurch, daß demzufolge stets die am wenigsten verunreinigte Flüssigkeit
verdampft, wird der Wirkungsgrad der Einrichtung ganz erheblich erhöht. Durch die
Verwendung einer ungeheizten Vorratsblase 16 wird außerdem erreicht, daß, falls
die Destillationsblase 1 nicht nachgefüllt und die Heizung der Wicklung 2 nicht
abgestellt wird, nach vollständiger Verdampfung der Flüssigkeit 3 die Hauptmenge
der Verunreinigung in der Vorratsblase 16 zurückbleibt, also nicht verdampft wird.
Es kann also nicht etwa durch einen Bedienungsfehler vorkommen, daß das bereits
gereinigte Endprodukt in der Flasche 13 am Schluß des Verdampfungsvorganges wieder
durch Nachdampfen der Verunreinigung verdorben wird.
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Gleichzeitig mit dem Bortrichlorid werden auch weitere Verunreinigungen,
soweit sie in dem zu reinigenden Silan löslich sind, abgetrennt.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist an der Destillationsblase 1
ein Trichter 20 vorgesehen, durch den das Ausgangsprodukt 3 nachgefüllt werden kann.
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Ebenso kann die mit der Verunreinigung angereicherte Flüssigkeit bei
21 aus der Vorratsblase 16 von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Auf diese Weise ist
ein kontinuierlicher Betrieb der Einrichtung möglich.