Процес дистиляції та очищення сірки надвисокої чистоти 6N з детальними параметрами

Виробництво надчистої сірки 6N (≥99,9999%) вимагає багатоступеневої дистиляції, глибокої адсорбції та надчистої фільтрації для видалення слідів металів, органічних домішок та твердих частинок. Нижче наведено процес промислового масштабу, що поєднує вакуумну дистиляцію, очищення за допомогою мікрохвиль та технології прецизійної постобробки.

I. Попередня обробка сировини та видалення домішок

1. Вибір та попередня обробка сировини

• ‌Вимоги‌: Початкова чистота сірки ≥99,9% (марка 3N), загальний вміст металевих домішок ≤500 ppm, вміст органічного вуглецю ≤0,1%.
• ‌Плавлення за допомогою мікрохвильової печі:
  Сиру сірку переробляють у мікрохвильовому реакторі (частота 2,45 ГГц, потужність 10–15 кВт) при температурі 140–150°C. Обертання диполя, індуковане мікрохвильовим випромінюванням, забезпечує швидке плавлення з одночасним розкладанням органічних домішок (наприклад, смолистих сполук). Час плавлення: 30–45 хвилин; глибина проникнення мікрохвиль: 10–15 см.
• ‌Промивання деіонізованою водою:
  Розплавлену сірку змішують з деіонізованою водою (питомий опір ≥18 МОм·см) у масовому співвідношенні 1:0,3 у реакторі з перемішуванням (120°C, тиск 2 бар) протягом 1 години для видалення водорозчинних солей (наприклад, сульфату амонію, хлориду натрію). Водну фазу декантирують та повторно використовують протягом 2–3 циклів, доки провідність не досягне ≤5 мкСм/см.

2. Багатоступенева адсорбція та фільтрація

• ‌Адсорбція діатомової землі/активованого вугілля:
  Діатомітову землю (0,5–1%) та активоване вугілля (0,2–0,5%) додають до розплавленої сірки під захистом азоту (130°C, 2-годинне перемішування) для адсорбції металокомплексів та залишкових органічних речовин.
• ‌Ультраточна фільтрація:
  Двоступенева фільтрація з використанням титанових спечених фільтрів (розмір пор 0,1 мкм) при тиску в системі ≤0,5 МПа. Кількість частинок після фільтрації: ≤10 частинок/л (розмір >0,5 мкм).

II. Багатоступеневий процес вакуумної дистиляції

1. Первинна дистиляція (видалення металевих домішок)

• ‌Обладнання‌: Високочиста кварцова дистиляційна колона зі структурованим наповненням з нержавіючої сталі 316L (≥15 теоретичних тарілок), вакуум ≤1 кПа.
• ‌Експлуатаційні параметри:
• ‌Температура подачі250–280°C (сірка кипить при 444,6°C за атмосферного тиску; вакуум знижує температуру кипіння до 260–300°C).
• ‌Коефіцієнт рефлюксу5:1–8:1; коливання температури верхньої частини колони ≤±0,5°C.
• ‌Продукт‌: Чистота конденсованої сірки ≥99,99% (марка 4N), загальний вміст металевих домішок (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Вторинна молекулярна дистиляція (видалення органічних домішок)

• ‌ОбладнанняКороткопрохідний молекулярний дистилятор із зазором випаровування-конденсації 10–20 мм, температура випаровування 300–320°C, вакуум ≤0,1 Па.
• ‌Відділення домішок:
  Низькокиплячі органічні речовини (наприклад, тіоефіри, тіофен) випаровуються та евакуйовуються, тоді як висококиплячі домішки (наприклад, поліароматичні сполуки) залишаються в залишках через різницю у довжині вільного пробігу молекул.
• ‌ПродуктЧистота сірки ≥99,999% (марка 5N), органічний вуглець ≤0,001%, рівень залишку <0,3%.

3. Третинна зона рафінування (досягнення чистоти 6N)

• ‌Обладнання‌: Горизонтальний зонний рафінер з багатозонним контролем температури (±0,1°C), швидкість переміщення зони 1–3 мм/год.
• ‌Сегрегація:
  Використовуючи коефіцієнти сегрегації (K=Cтверда речовина/Cрідка речовинаK=CтвердийCрідина), зона 20–30 пропускає концентрат металів (As, Sb) на кінці злитка. Останні 10–15% сірчаного злитка викидається.

III. Післяобробка та надчисте формування

1. Екстракція надчистим розчинником

• ‌Екстракція ефіром/тетрахлорметаном:
  Сірку змішують з ефіром хроматографічного класу (співвідношення об'ємів 1:0,5) під дією ультразвуку (40 кГц, 40°C) протягом 30 хвилин для видалення слідів полярних органічних речовин.
• ‌Відновлення розчинника:
  Молекулярно-ситова адсорбція та вакуумна дистиляція зменшують залишки розчинника до ≤0,1 ppm.

2. Ультрафільтрація та іонний обмін

• ‌Ультрафільтрація з PTFE-мембрани:
  Розплавлену сірку фільтрують через PTFE-мембрани з розміром пор 0,02 мкм при температурі 160–180°C та тиску ≤0,2 МПа.
• ‌Іонообмінні смоли:
  Хелатні смоли (наприклад, Amberlite IRC-748) видаляють іони металів на рівні ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) при швидкості потоку 1–2 BV/год.

3. Формування надчистого середовища

• ‌Розпилення інертного газу:
  У чистому приміщенні класу 10 розплавлену сірку розпилюють азотом (тиск 0,8–1,2 МПа) у сферичні гранули розміром 0,5–1 мм (вологість <0,001%).
• ‌Вакуумне пакування:
  Кінцевий продукт вакуумно упаковується в алюмінієву композитну плівку під надчистим аргоном (чистота ≥99,9999%) для запобігання окисленню.

IV. Ключові параметри процесу

V. Контроль якості та тестування

1. ‌Аналіз слідових домішок:

• ‌ГД-МС (мас-спектрометрія тліючого розряду)Виявляє метали з концентрацією ≤0,01 ppb.
• ‌Аналізатор загального вмісту вуглецю (TOC)Вимірює органічний вуглець ≤0,001 ppm.

1. ‌Контроль розміру частинок:
   Лазерна дифракція (Mastersizer 3000) забезпечує відхилення D50 ≤±0,05 мм.
2. ‌Чистота поверхні:
   XPS (рентгенівська фотоелектронна спектроскопія) підтверджує товщину поверхневого оксиду ≤1 нм.

VI. Безпека та екологічний дизайн

1. ‌Запобігання вибухам:
   Інфрачервоні детектори полум'я та системи азотного затоплення підтримують рівень кисню <3%
2. ‌Контроль викидів:

• ‌Кислі газиДвоступеневе очищення NaOH (20% + 10%) видаляє ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌ЛОС‌: Цеолітний ротор + RTO (850°C) зменшує вміст неметанових вуглеводнів до ≤10 мг/м³.

1. ‌Переробка відходів:
   Високотемпературне відновлення (1200°C) дозволяє відновити метали; вміст залишкової сірки <0,1%.

VII. Техніко-економічні показники

• ‌Споживання енергії‌: 800–1200 кВт·год електроенергії та 2–3 тонни пари на тонну 6N сірки.
• ‌Врожайність‌: Вилучення сірки ≥85%, рівень залишку <1,5%.
• ‌Вартість‌: Собівартість виробництва ~120 000–180 000 юанів/тонна; ринкова ціна 250 000–350 000 юанів/тонна (напівпровідниковий клас).

Цей процес виробляє 6N сірку для напівпровідникових фоторезистів, підкладок на основі сполук III-V групи та інших складних застосувань. Моніторинг у режимі реального часу (наприклад, елементний аналіз LIBS) та калібрування чистих приміщень за стандартом ISO класу 1 забезпечують стабільну якість.

Виноски

1. Посилання 2: Промислові стандарти очищення сірки
2. Посилання 3: Передові методи фільтрації в хімічній інженерії
3. Посилання 6: Посібник з обробки високочистих матеріалів
4. Посилання 8: Протоколи виробництва хімічних речовин напівпровідникового класу
5. Посилання 5: Оптимізація вакуумної дистиляції