CN109569003B - 一种三甲基铝粗品的提纯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三甲基铝粗品的提纯方法，对传统精馏塔的塔内部结构进行改进，将塔板结构替换成微通道结构的同心柱，上升的气体冷凝后，沿两管螺旋沟槽流下，其结构使得两相接触更充分，通过强化其气液传质、传热过程，使精馏过程具有很高的分离效率，得到高纯度三甲基铝。

Description

一种三甲基铝粗品的提纯方法
技术领域
本发明属于微电子材料技术领域，尤其涉及一种三甲基铝粗品的提纯方法。
背景技术
高纯度三甲基铝属于高纯金属有机化合物，是利用先进的金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺或原子层沉积薄膜技术(ALD)制备化合物半导体薄膜材料的关键支撑原材料，其广泛运用于LED设备、新一代太阳能电池、相变存储器、半导体激光器、红外探测器和超级计算机等领域。
作为微电子材料的原料，氮化铝的前驱体，对三甲基铝的纯度要求相当高99.9999%甚至99.99999%，相对来说杂质多且与其沸点相差小，因此给分离提纯带来很大的困难，这往往是制约产品质量的瓶颈，也是和国外产品性能产生差距的原因。更由于三甲基铝长时间高温受热还会造成多聚和分解，使本已相当难分离提纯的过程更加复杂。目前常用的方法是使用精馏塔提纯，必须满足能提供足够的理论塔板，且塔压降要低，以便降低塔釜的温度。
板式塔由于持液量，压降大，停留时间长等，不适合三甲基铝的高纯度精馏，填料塔的结构简单、阻力小，特别近些年来新型高效填料的研究和开发，使得成为常规提纯方法。为了获得更高的产品纯度，也需对压降和气体的分布均匀性进行优化，而且各种新型高效填料的成本较高且持液量相对较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种三甲基铝粗品的提纯方法，包含以下步骤：
（1) 微通道精馏塔经惰性气体交换，将三甲基铝粗品转移至精馏釜中；
（2）物料转移完后，关闭进料阀，进行精馏，精馏压力：0.02～0.1MPa ，精馏温度：80～128℃。
（3）截取标准大气压下沸点为125～127℃的馏出的物料，用冷阱进行收集，得到高纯度三甲基铝产品。
进一步地，所述的三甲基铝粗品，纯度为99.9%以上。
进一步地，所述的微通道精馏塔结构为：
1）精馏塔内部的蒸馏柱为两同心柱结构，两柱之间设间隙；
2）同心柱的外管内壁和内管外壁上均有螺旋型沟槽；
3）两同心柱间的间隙为精馏塔的微通道，所述微通道的间隙宽度相同。
进一步地，所述的微通道精馏塔内部的两同心柱管体采用的材质为不锈钢、钽合金钢等。
进一步地，所述的微通道精馏塔内部同心柱的外管内壁和内管外壁均有螺旋型沟槽，外管内壁和内管外壁的螺旋型沟槽的螺纹深度、螺旋角、螺纹头数均相同，方向交错。
进一步地，所述螺旋沟槽的螺纹深度100μm-3mm，螺旋角为15-60°，螺纹头数1-5头。
进一步地，所述微通道的间隙宽度为500μm-5mm。
进一步地，所述的得到高纯度三甲基铝产品为7N(99.99999%)以上。
本发明公开的微通道精馏塔的整个同心柱的外管内壁和内管外壁间隙相同，内外管间隙宽500μm-5mm，采用小直径管子和螺旋沟槽的方式扩展表面换热面均可增大换热面积；当液体从冷凝管垂直流向下，在管内流动受螺旋沟槽的引导，使得靠近壁面的流体顺壁面轴向流动，上升的蒸气沿同心柱的外管内壁和内管外壁间隙折线形上升，有利于减薄边界层厚度，使热阻减小。管壁上的螺旋沟槽在传热中显著提高管内外的传热系数，起到双边强化作用。与阻力增加相比，传热能力提高较大。与其它异形管和玻璃管相比，不锈钢、钽合金钢，具有要求良好综合性能耐腐蚀和成型性，制造工艺较简单，加工方便。
为了维持液体的较低的压降和滞留量，外管内壁和内管外壁的螺旋型沟槽的螺距、螺纹深度、螺旋角、螺纹头数均相同，方向交错。
本发明对传统精馏塔的塔内部结构进行改进，将塔板结构替换成微通道结构的同心柱，上升的气体冷凝后，沿两管螺旋沟槽流下，其结构使得两相接触更充分，通过强化其气液传质、传热过程，使精馏过程具有很高的分离效率，使得三甲基铝纯度进一步提高，纯度可以达到7N(99.99999%)以上。
附图说明
图1为本发明所述微通道精馏柱的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例进行详细的说明：
实施例1
一种三甲基铝粗品的提纯方法，包含以下步骤：
（1）微通道精馏塔经惰性气体交换，将三甲基铝粗品(纯度99.93%)转移至精馏釜中；
（2）物料转移完后，关闭进料阀，进行精馏，精馏压力：0.02MPa ，精馏温度：80℃。
（3）截取标准大气压下沸点为125～127℃的馏出的物料，用冷阱进行收集，得到高纯度三甲基铝产品。经ICP-MS和NMR检测，计算本实施例方法获得的三甲基铝的纯度为7.0N(99.99999%)。
所述的微通道精馏塔结构为：精馏塔内部的蒸馏柱为两同心柱结构(内管2和外管3)，两同心柱管体采用的材质为不锈钢制成，两柱之间设间隙；同心柱的外管3内壁和内管2外壁上均有螺旋型沟槽5，外管内壁和内管外壁的螺旋型沟槽的螺纹深度100μm、螺旋角15°、螺纹数单头，方向交错；两同心柱间的间隙为精馏塔的微通道4，微通道4的间隙宽度相同，均为500μm，同心柱管长100cm,
实施例2
一种三甲基铝粗品的提纯方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1) 微通道精馏塔经惰性气体交换，使得塔内保持超低水、氧含量气氛，略带真空将三甲基铝粗品(纯度99.93%)转移至精馏釜中；
（2）物料转移完后，关闭进料阀，进行精馏，精馏压力：0.05MPa精馏温度：100℃。
（3）截取标准大气压下沸点为125～127℃的馏出的物料，用冷阱进行收集，得到高纯度三甲基铝产品。经ICP-MS和NMR检测，计算本实施例方法获得的三甲基铝的纯度为7.3N(99.999993%)。
所述的微通道精馏塔结构为：精馏塔内部的蒸馏柱为两同心柱结构(内管2和外管3)，两同心柱管体采用的材质为钽合金钢材料制成，两柱之间设间隙；同心柱的外管3内壁和内管2外壁上均有螺旋型沟槽5，外管内壁和内管外壁的螺旋型沟槽的螺纹深度1mm、螺旋角45°、螺纹头数2头，方向交错；两同心柱间的间隙为精馏塔的微通道4，微通道4的间隙宽度相同，均为2mm。同心柱管长100cm。
实施例3
一种三甲基铝粗品的提纯方法，包含以下步骤：
（1) 微通道精馏塔经惰性气体交换，使得塔内保持超低水、氧含量气氛，略带真空将三甲基铝粗品(纯度99.93%)转移至精馏釜中；
（2）物料转移完后，关闭进料阀，进行精馏，精馏温度：128℃，精馏压力： 0.1MPa 。
（3）截取标准大气压下沸点为125～127℃的馏出的物料，用冷阱进行收集，得到高纯度三甲基铝产品。经ICP-MS和NMR检测，计算本实施例方法获得的三甲基铝的纯度为7.2N(99.999992%)。
所述的微通道精馏塔结构为：精馏塔内部的蒸馏柱为两同心柱结构，两同心柱管体采用的材质为不锈钢材料制成，两柱之间设间隙；同心柱的外管内壁和内管外壁上均有螺旋型沟槽，外管内壁和内管外壁的螺旋型沟槽的螺纹深度3mm、螺旋角60°、螺纹头数为5，方向交错；两同心柱间的间隙为精馏塔的微通道，微通道的间隙宽度相同，均为5mm。同心柱管长100cm。
对比例1
实验发现，采用本发明所述同心柱双螺旋型沟槽结构比采用单螺旋型沟槽结构所获得的产品三甲基铝的纯度要更高，为此，自制了单层蒸馏柱螺旋型沟槽结构作为对比试验，本对比例所述的微通道精馏塔结构为：精馏塔内部的蒸馏柱为两同心柱结构(内管2和外管3)，两同心柱管体采用的材质为不锈钢材料制成，两柱之间设间隙；同心柱的外管3内壁有螺旋型沟槽5，内管2外壁为光滑结构，外管内壁的螺旋型沟槽的螺纹深度、螺旋角、螺纹头数与实施例2的外管内壁完全相同；两同心柱间的间隙为精馏塔的微通道4，微通道4的间隙宽度相同，均为2mm。同心柱管长100cm。
用本对比例所述微通道精馏塔提纯三甲基铝粗品，方法为：
（1) 微通道精馏塔经惰性气体交换，使得塔内保持超低水、氧含量气氛，略带真空将三甲基铝粗品(纯度99.93%)转移至精馏釜中；
（2）物料转移完后，关闭进料阀，进行精馏，精馏压力：0.05MPa，精馏温度：100℃，。
（3）截取标准大气压下沸点为125～127℃的馏出的物料，用冷阱进行收集，得到高纯度三甲基铝产品。经ICP-MS和NMR检测，计算本实施例方法获得的三甲基铝的纯度为5.4N(99.9994%)。
对比例2
自制无螺旋型沟槽结构的蒸馏柱作为对比试验，本对比例所述的微通道精馏塔结构为：精馏塔内部的蒸馏柱为两同心柱结构(内管2和外管3)，两同心柱管体采用的材质为不锈钢材料制成，两柱之间设间隙；同心柱的外管3内壁和内管2外壁均为光滑结构，两同心柱间的间隙为精馏塔的微通道4，微通道4的间隙宽度相同，均为2mm。同心柱管长100cm。
用本对比例所述微通道精馏塔提纯三甲基铝粗品，方法为：
（1) 微通道精馏塔经惰性气体交换，使得塔内保持超低水、氧含量气氛，略带真空将三甲基铝粗品(纯度99.93%)转移至精馏釜中；
（2）物料转移完后，关闭进料阀，进行精馏，精馏压力：0.05MPa ，精馏温度：100℃。
（3）截取标准大气压下沸点为125～127℃的馏出的物料，用冷阱进行收集，得到高纯度三甲基铝产品。经ICP-MS和NMR检测，计算本实施例方法获得的三甲基铝的纯度为5.8N(99.9998%)。
对比例3
自制单管蒸馏柱作为对比试验，本对比例所述的精馏塔结构为：精馏塔的蒸馏柱为单管结构，蒸馏柱管体采用的材质为不锈钢材料制成，管内壁有螺旋型沟槽，管内壁的螺旋型沟槽的螺纹深度、螺旋角、螺纹头数与实施例2的外管内壁的螺旋型沟槽完全相同。同心柱管长100cm。
用本对比例所述精馏塔提纯三甲基铝粗品，方法为：
（1) 精馏塔经惰性气体交换，使得塔内保持超低水、氧含量气氛，略带真空将三甲基铝粗品(纯度99.93%)转移至精馏釜中；
（2）物料转移完后，关闭进料阀，进行精馏，精馏压力：0.05MPa ，精馏温度：100℃，。
（3）截取标准大气压下沸点为125～127℃的馏出的物料，用冷阱进行收集，得到高纯度三甲基铝产品。经ICP-MS和NMR检测，计算本实施例方法获得的三甲基铝的纯度为4.5N(99.995%)。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种三甲基铝粗品的提纯方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）微通道精馏塔经惰性气体交换，使得塔内保持超低水、氧含量气氛，将三甲基铝粗品转移至精馏釜中；
（2）物料转移完后，关闭进料阀，进行精馏，精馏压力：0 .02～0 .1MPa ，精馏温度：80～128℃；
（3）截取标准大气压下沸点为125～127℃的馏出的物料，用冷阱进行收集，得到高纯度三甲基铝产品；
所述的微通道精馏塔结构为：
1）精馏塔内部的蒸馏柱为两同心柱结构，两柱之间设间隙；
2）同心柱的外管内壁和内管外壁上均有螺旋型沟槽；
3）两同心柱间的间隙为精馏塔的微通道，所述微通道的间隙宽度相同。
2.根据权利要求1所述的一种三甲基铝粗品的提纯方法，其特征在于，所述的三甲基铝粗品，纯度为99 .9%以上。
3.根据权利要求1所述的一种三甲基铝粗品的提纯方法，其特征在于，所述的微通道精馏塔内部的两同心柱管体采用的材质为不锈钢、钽合金钢材料。
4.根据权利要求1所述的一种三甲基铝粗品的提纯方法，其特征在于，所述的微通道精馏塔内部同心柱的外管内壁和内管外壁均有螺旋型沟槽，外管内壁和内管外壁的螺旋型沟槽的螺距、螺纹深度、螺旋角、螺纹头数均相同，方向交错。
5.根据权利要求1所述的一种三甲基铝粗品的提纯方法，其特征在于，所述微通道的间隙宽度为500μm-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种三甲基铝粗品的提纯方法，其特征在于，所述的得到高纯度三甲基铝产品为7N(99 .99999%)以上。
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