Спосіб очищення телуру методом вакуумної дистиляції

Спосіб очищення телуру методом вакуумної дистиляції, що включає його завантаження в кварцовий стакан зі звуженою горловиною, через яку відбувається масоперенос парів телуру, розміщення стакана в кварцовій реторті, вакуумування, плавлення при 923-943К в атмосфері водню при тиску 1,2-1,4 атм із дворазовою її заміною, сублімацію при температурі 753±10К, конденсацію на стінках реторти при температурі 600-673К, роз плавлювання конденсату очищеного телуру, стікання його до дна реторти, кристалізацію і виймання придатного продукту з реторти, який відрізняється тим, що реторту розташовують під кутом до горизонталі, який забезпечує площу дзеркала розплавленого вихідного телуру в стакані, рівну потроєній площі внутрішнього поперечного перерізу стакана, стакан розташовують у реторті на відстані від її дна, яка для заданого кута між горизонталлю і віссю реторти забезпечує висоту рівня розплаву очищеного телуру в реторті біля її дна менше половини внутрішнього діаметра реторти, звужену горловину стакана виготовляють у формі вирізу, утвореного перетином поздовжнього осьового розрізу з поперечним на відстані від краю стакана, рівній його радіусу Винахід відноситься до однієї з областей хімічної технології - одержанню особливо чистих речовин і може бути використаний в кольоровій металурги, напівпровідниковій та електронній промисловості для очищення телуру методом вакуумної дистиляції ВІДОМІ способи очищення телуру методом дистиляції [1], що дозволяють одержувати кінцевий продукт визначеної чистоти З відомих аналогів найбільш близьким по технічній сутності є спосіб очищення телуру шляхом вакуумної дистиляції [2] У цьому випадку очищення телуру роблять у такий спосіб Вихідний продукт завантажують у кварцевий стакан зі звуженою горловиною, через яку відбувається масоперенос парів телуру при дистиляції Стакан поміщають у кварцеву реторту Реторту вакуумують, телур розплавляють при 823-843К в атмосфері водню при тиску 1,2-1,4атм із дворазовою и заміною Після переплавлення телуру установку виводять на режим сублімації, причому сублімація ведеться з кварцевого стакана Температура в зоні випаровування телуру 753±10К, а температура в зоні конденсації 600-673К У результаті на стінках реторти осаджується очищений телур, що4 потім розплавляють, нагріваючи зону конденсації до 923-943К при заповненні реторти воднем до тиску 1,2-1,4атм Розплав зливається в реторту, стакан з залишками вихідного телуру спливає нагору Потім реторту нахиляють під кутом, при якому висота рівня розплаву менше половини діаметра реторти Кристалізацію роблять у реторті і потім виймають готовий продукт При збільшенні маси завантаження телуру вище визначеної межі цей спосіб не дозволяє збільшити відсоток виходу придатного продукту, тому що при плавленні великої маси сконденсованого телуру частина його затікає назад у стакан через звужену горловину, що перешкоджає стакану вільно спливати в розплаві Крім того, у міру підвищення рівня розплаву стакан спливає й впирається у верхню частину бічної поверхні реторти, не переміщаючись уздовж її осі від дна Ця обставина часто приводить після кристалізації очищеного телуру до розтріскування стакана і реторти Звуження горловини стакана ускладнює процес завантаження телуру Усе це приводить до неможливості досягнення високої чистоти телуру, знижує продуктивність процесу, збільшує собівартість готового продукту Тому актуальною є задача створення способу очищення телуру методом дистиляції, що дозволяє підвищити чистоту готового продукту при підвищенні продуктивності процесу і зниженні собіва 1 ю ю 59570 ртості готового продуїсгу Зазначена задача вирішується тим, що реторту розташовують під кутом до горизонталі, який забезпечує площу дзеркала розплавленого вихідного телуру в стакані, рівну потроєній площі внутрішнього поперечного переріза стакана, стакан розташовують у реторті на відстані від її дна, яка для заданого кута між горизонталлю і віссю реторти забезпечує висоту рівня розплаву очищеного телуру в реторті біля її дна менше половини внутрішнього діаметра реторти, звужену горловину стакана виготовляють у формі вирізу, утвореного перетином поздовжнього осьового розрізу з поперечним на відстані від краю стакана, рівній його радіусу ВІДПОВІДНІСТЬ критерію „новизна" пропонованого способу забезпечує та обставина, що в існуючому на момент подачі заявки, рівні техніки немає об'єкта, що збігається по сукупності ознак 3 існуючого рівня техніки також не випливає можливість одержання телуру підвищеного ступеня очищення і підвищення продуктивності процесу, а також зниження собівартості готового продукту шляхом розташування реторти під кутом до горизонталі, який забезпечує площу дзеркала розплавленого вихідного телуру в стакані, рівну потроєній площі внутрішнього поперечного переріза стакана, стакан розташовують у реторті на відстані від її дна, яка для заданого кута між горизонталлю і віссю реторти забезпечує висоту рівня розплаву очищеного телуру в реторті біля її дна менше половини внутрішнього діаметра реторти, звужену горловину стакана виготовляють у формі вирізу, утвореного перетином поздовжнього осьового розрізу з поперечним на відстані від краю стакана, рівній його радіусу До такого висновку нас привів результат великого обсягу технологічних і фізико-хімічних досліджень Ця обставина забезпечує запропонованому технічному рішенню ВІДПОВІДНІСТЬ критерію „винахідницький рівень" Промислове використання запропонованого винаходу не вимагає спеціальних технологій і прийомів Його реалізація можлива на існуючих підприємствах кольорової металургії та електронної промисловості На фіг 1,2,3 представлений принцип способу, який заявляється, з необхідним температурним розподілом печі для дистиляції Запропонований спосіб здійснюється на установці для дистиляції телуру, що містить двохсекційну електропіч (8), вакуумну систему (1) для забезпечення вакууму не гірше 10 2мм рт ст , що допускає можливість запуску в систему водню Кварцевий стакан (6) зі звуженою горловиною, виконаною у формі вирізу (5), утвореного перетином поздовжнього осьового розрізу з поперечним, на відстані від краю труби, рівним и радіусу, з вихідним телуром марки Т-А1 (7) поміщають у кварцеву реторту (4) на відстані від її дна, яка для заданого кута між горизонталлю і віссю реторти забезпечує висоту рівня розплаву очищеного телуру в реторті біля и дна менше половини внутрішнього діаметра реторти, звужену горловину стакана виготовляють у формі вирізу, утвореного перетином поздовжнього осьового розрізу з поперечним на відстані від краю стакана, рівній його радіусу Кварцева реторта (4) герметизується за допомогою грибкового вакуумного ущільнення і за допомогою гнучкого вакуумного з'єднання (2) підключається до вакуумної системи (1) ПОСЛІДОВНІСТЬ виконання операцій запропонованого способу полягає в наступному Кварцова реторта (4) з розміщеним у ній кварцовим стаканом (6) з вихідним телуром (7) поміщається в піч для дистиляції При цьому реторта розташовується під кутом до горизонталі, який забезпечує площу дзеркала розплавленого вихідного телуру в стакані, рівну потроєній площі внутрішнього поперечного переріза стакана Для нашого конкретного випадку з використанням для виготовлення стакана кварцевої труби з внутрішнім діаметром 5055мм, цей кут складає 10-15°, як зазначено на фіг 1,2,3,3а допомогою вакуумної системи (1) роблять вакуумування При досягненні тиску не гірше 10 2 мм рт ст включають двохсекційну піч в режимі, який забезпечує розподіл температур (12) уздовж реактора і продовжують вакуумування до встановлення заданої температури уздовж реактора, близької до температури плавлення телуру, 725±10К У процесі нагрівання до цієї температури і беззупинному вакуумуванні відбувається дегазація телуру і часткове очищення від легколетючих домішок і сублімації невеликої КІЛЬКОСТІ телуру (10), що конденсується на стінках холодної частини реторти (4) Після досягнення цієї температури вакуумування припиняється, і реторта заповнюється атмосферою водню до тиску, що на 0,20,4атм перевищує атмосферний Нагріванню печі при цьому продовжується до температури 923943К, при якій проводиться витримка протягом 2030 хвилин із дворазовою заміною атмосфери водню При температурі 923-943К в атмосфері водню відбувається процес відновлення окислів, а дворазова заміна атмосфери водню сприяє видаленню утворених парів води і легколетючих домішок По закінченню витримки роблять охолодження реторти і встановлення за допомогою регуляторів потужності двохсекційної електропечі розподілу температури (13), при якому в зоні випару телуру (7) встановлюється температура 773-783К, а в зоні конденсації - 600-673К Після встановлення цього розподілу температур знову починається вакуумування і при досягненні тиску не гірше 10 2 мм рт ст починається, власне, процес дистиляції, що продовжується біля трьох годин, до моменту, коли в стакані (6) залишиться залишок (14), рівний по масі 5ч-7% від вихідного завантаження Під час процесу дистиляції домішки, пружність пари яких вище пружності пари телуру, конденсуються на стінках холодної частини реторти (10) Основна маса парів телуру конденсується в зоні конденсації (11) з температурою 600-673К Розташування реторти під кутом до горизонталі, який забезпечує площу дзеркала розплавленого телуру в стакані, рівній потроєній площі внутрішнього поперечного переріза стакана, обумовлено наступними міркуваннями При більшому куті площа дзеркала розплаву зменшується, що приводить до зменшення ЩІЛЬНОСТІ потоку парів телуру, що випаровується, і збільшенню часу проведення процесу, тобто до зниження продукти 59570 вності При меншому куті нахилу площа дзеркала збільшується, продуктивність, здавалося б, повинна збільшитися, однак відбувається витікання частини розплаву неочищеного телуру через горловину стакана і стікання його до дна реторти, що знижує чистоту кінцевого продукту Для усунення цього необхідно зменшувати масу завантаження вихідного телуру, але це, у свою чергу, приведе до зниження продуктивності процесу Вибір такого розташування стакана обумовлений наступними міркуваннями У випадку, коли рівень розплаву очищеного телуру вище половини діаметра реторти, витяг злитка закристалізованого очищеного телуру і стакана для вихідного телуру утруднений, що часто приводить до виходу -з ладу стакана і реторти через їх розтріскування, що знижує кратність їхнього використання і приводить до збільшення собівартості очищеного телуру Після одержання залишку телуру, рівним по масі 5-7% від вихідного завантаження, процес дистиляції припиняється заповненням реторти атмосферою водню до тиску, що на 0,2-0,4атм перевищує атмосферний Потім ВІДНОВЛЮЄТЬСЯ розподіл температур (12) у печі, при якому відбувається розплавлювання очищеного телуру (11) і стікання його по СТІНЦІ реторти (4) під стаканом (6) до и дна Після ПОВНОГО сплавлення піч з реактором охолоджується до кімнатної температури при підтримці тиску водню що на 0,2-0,4атм перевищує атмосферний Очищений телур кристалізується у вигляді злитка (15), що має форму усіченого циліндра Звужена горловина стакана (6), виконана у формі вирізу (5), утвореного перетином поздовжнього осьового розрізу з поперечним на відстані від краю труби, рівній її радіусу, полегшує процес завантаження вихідного телуру і перешкоджає затіканню очищеного телуру в стакан при його плавленні У випадку виготовлення поперечного розрізу на відстані від краю стакана меншій його радіуса утрудняється завантаження вихідного телуру у вигляді шматків і сповільнюється масоперенос парів телуру, що знижує продуктивність процесу При виготовленні поперечного розрізу на відстані більшій за її радіус, по-перше, зменшується МІЦНІСТЬ стакана в цьому МІСЦІ, ЩО знижує кратність його використання По-друге, при обраному куті нахилу осі реторти над горизонталлю приходиться зменшувати масу завантаження вихідного телуру для усунення витікання частини розплаву зі стакана, що приводить до зниження продуктивності процесу Приклад По запропонованому способу, із застосуванням вищеописаного пристрою, зображеного на фігурі, робили очищення телуру методом вакуумної дистиляції У кварцевий стакан зі звуженою горловиною, виготовленою у формі вирізу, утвореного перетином поздовжнього осьового розрізу з поперечним на ьідсіані від краю стакана , рівній його радіусу, завантажують 2,3кг вихідного телуру марки Т-А1 із вмістом основного компонента 99,96ваг % Реторту розташовують під кутом до горизонталі, який забезпечує площу дзеркала розплавленого вихідного телуру в стакані, рівну потроєній площі внут рішнього поперечного перерізу стакана У нашому випадку кут складав 10-15° для стаканів із внутрішнім діаметром 50-55мм Кварцевий стакан з вихідним телуром поміщають у кварцеву реторту на відстані від її дна, яка для заданого кута між горизонталлю і віссю реторти забезпечує висоту рівня розплаву очищеного телуру в реторті біля и дна менше половини внутрішнього діаметра реторти Для стакана довжиною 350мм і реторти довжиною 1050мм ця відстань у нашому випадку була рівною довжині стакана Реторта герметизувалася за допомогою грибкового вакуумного ущільнення і приєднувалася до вакуумної системи Реторта поміщалася в двохсекційну електропіч і разом з нею розташовувалася під кутом 10-15° до горизонталі Потім починається вакуумування і, після досягнення вакууму не гірше 10 ммртст включається двохсекційна піч в режимі, що забезпечує однорідний розподіл температури уздовж реторти Після досягнення температури 723±10К вакуумування припиняється і реторта заповнюється атмосферою водню до тиску, що на 0,2-0,4атм перевищує атмосферний Нагрівання печі продовжується до досягнення температури 923-943К, при якій проводиться витримка протягом 20-30 хвилин із дворазовою заміною атмосфери водню Під час витримки розплаву вихідного телуру при цій температурі в атмосфері водню відбувається відновлення окислів, а дворазова заміна атмосфери водню сприяє видаленню парів води, що утворилися, і легколетючих домішок Розташування реторти під кутом 10-15° до горизонталі запобігає витікання розплаву вихідного телуру через горловину стакана в реторту По закінченню витримки піч з ретортою охолоджується і, за допомогою регуляторів потужності двохсекцшної електропечі встановлюється температура 773-783К в зоні випару телуру і 600-673К в зоні конденсації Після встановлення цього розподілу температур, що контролюєтеся термопарами, знову починається вакуумування і при досягненні тиску не гірше 10 2 ммртст починається процес дистиляції, що для даної маси завантаження продовжується біля трьох годин до моменту, коли в стакані залишиться залишок, рівний по масі 5-7% від вихідного завантаження Після ЦЬОГО процесу вакуумної дистиляції припиняється заповнення реторти атмосферою водню до тиску, що на 0,2-0,4атм перевищує атмосферний Потім ВІДНОВЛЮЄТЬСЯ однорідний розподіл температури уздовж реторти на рівні 923-943К При цьому відбувається розплав основної частини конденсату очищеного телуру і стікання його по СТІНЦІ реторти до и дна Після повного сплавлення піч з реактором охолоджується до кімнатної температури при підтримці тиску водню, що на 0,2-0,4 перевищує атмосферний Закристалізований злиток очищеного телуру у формі усіченого циліндра легко витягається з реторти Використання запропонованого способу очищення телуру методом вакуумної дистиляції дозволило підвищити чистоту придатного продукту, продуктивність процесу і знизити собівартість у порівнянні з відомими способами Проведені фізико-хімічні аналізи ступеня чистоти очищеного телуру показали, що його чистота 59570 відповідає змісту основного компонента 99,9995ваг % Використання телуру такого ступеня чистоти для синтезу і вирощування кристалів термоелектричних матеріалів на основі твердих розчинів халькогенідів вісмуту і сурми дозволило одержати їх з максимальною термоефективністю, і знизити їх собівартість 8 Література 1 А А Кудрявцев Химия и технология селена и теллура М Высшая школа, 1961 - 181с 2 Н К Ковбасюк, А И Копыл, С Д Летюченко, Е И Слынько Способ очистки теллура Авторское свидетельство СССР №1623239, кп СЗЙВ23/00, 29/02, 1989г Фіг. З Комп'ютерна верстка О В Кураєв Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна