Proces de distilare și purificare a sulfului de ultra-puritate 6N cu parametri detaliați

Producția de sulf 6N (puritate ≥99,9999%) de puritate ultra-înaltă necesită distilare în mai multe etape, adsorbție profundă și filtrare ultra-curată pentru a elimina urmele de metale, impuritățile organice și particulele. Mai jos este prezentat un proces la scară industrială care integrează distilarea în vid, purificarea asistată de microunde și tehnologiile de post-tratare de precizie.

I. Pretratarea materiilor prime și îndepărtarea impurităților

1. Selecția și pretratarea materiilor prime

• ‌CerințePuritate inițială a sulfului ≥99,9% (grad 3N), impurități metalice totale ≤500 ppm, conținut de carbon organic ≤0,1%.
• ‌Topire asistată de microunde‌:
  Sulful brut este procesat într-un reactor cu microunde (frecvență de 2,45 GHz, putere de 10–15 kW) la 140–150°C. Rotația dipolului indusă de microunde asigură topirea rapidă, descompunând în același timp impuritățile organice (de exemplu, compușii gudronului). Timp de topire: 30–45 minute; adâncimea de penetrare a microundelor: 10–15 cm
• ‌Spălare cu apă deionizată‌:
  Sulful topit este amestecat cu apă deionizată (rezistivitate ≥18 MΩ·cm) într-un raport de masă de 1:0,3 într-un reactor cu agitare (120°C, presiune de 2 bar) timp de 1 oră pentru a îndepărta sărurile solubile în apă (de exemplu, sulfat de amoniu, clorură de sodiu). Faza apoasă este decantată și reutilizată timp de 2-3 cicluri până când conductivitatea ≤5 μS/cm.

2. Adsorbție și filtrare în mai multe etape

• ‌Adsorbție pe pământ de diatomee/cărbune activ‌:
  Pământul de diatomee (0,5–1%) și cărbunele activ (0,2–0,5%) sunt adăugate la sulful topit sub protecție de azot (130°C, agitare timp de 2 ore) pentru a adsorbi complexele metalice și substanțele organice reziduale.
• ‌Filtrare ultra-precizie‌:
  Filtrare în două etape folosind filtre sinterizate din titan (dimensiunea porilor de 0,1 μm) la o presiune a sistemului ≤0,5 MPa. Număr de particule post-filtrare: ≤106 particule/L (dimensiune >0,5 μm).

II. Proces de distilare în vid în mai multe etape

1. Distilarea primară (îndepărtarea impurităților metalice)

• ‌EchipamentColoană de distilare din cuarț de înaltă puritate cu umplutură structurată din oțel inoxidabil 316L (≥15 talere teoretice), vid ≤1 kPa.
• ‌Parametri operaționali‌:
• ‌Temperatura de alimentare‌: 250–280°C (sulfurul fierbe la 444,6°C la presiune ambiantă; vidul reduce punctul de fierbere la 260–300°C).
• ‌Raportul de reflux5:1–8:1; fluctuația temperaturii la vârful coloanei ≤±0,5°C.
• ‌ProdusPuritatea sulfului condensat ≥99,99% (grad 4N), impurități metalice totale (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Distilarea moleculară secundară (îndepărtarea impurităților organice)

• ‌EchipamentDistilator molecular cu traseu scurt, cu spațiu de evaporare-condensare de 10–20 mm, temperatură de evaporare 300–320°C, vid ≤0,1 Pa.
• ‌Separarea impurităților‌:
  Substanțele organice cu punct de fierbere scăzut (de exemplu, tioeterii, tiofenul) sunt vaporizate și evacuate, în timp ce impuritățile cu punct de fierbere ridicat (de exemplu, poliaromaticele) rămân în reziduuri din cauza diferențelor de cale liberă moleculară.
• ‌ProdusPuritatea sulfului ≥99,999% (grad 5N), carbon organic ≤0,001%, rată de reziduuri <0,3%.

3. Rafinarea zonei terțiare (obținerea purității 6N)

• ‌EchipamentRafinator cu zonă orizontală cu control al temperaturii în mai multe zone (±0,1°C), viteză de deplasare a zonei 1–3 mm/h.
• ‌Segregare‌:
  Utilizând coeficienții de segregare (K=Csolid/ClichidK=Csolid/C(lichid), zona 20–30 trece prin metale concentrate (As, Sb) la capătul lingoului. Ultimele 10–15% din lingoul de sulf este aruncat.

III. Post-tratare și formare ultra-curată

1. Extracție cu solvent ultrapur

• ‌Extracția cu eter/tetraclorură de carbon‌:
  Sulful este amestecat cu eter de calitate cromatografică (raport volumetric 1:0,5) sub asistență ultrasonică (40 kHz, 40°C) timp de 30 de minute pentru a îndepărta urmele de substanțe organice polare.
• ‌Recuperarea solventului‌:
  Adsorbția pe sită moleculară și distilarea în vid reduc reziduurile de solvent la ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltrare și schimb ionic

• ‌Ultrafiltrare cu membrană PTFE‌:
  Sulful topit este filtrat prin membrane PTFE de 0,02 μm la 160–180°C și o presiune ≤0,2 MPa.
• ‌Rășini schimbătoare de ioni‌:
  Rășinile chelante (de exemplu, Amberlite IRC-748) îndepărtează ionii metalici la nivel de ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) la debite de 1–2 BV/h.

3. Formarea unui mediu ultra-curat

• ‌Atomizarea gazului inert‌:
  Într-o cameră curată de clasa 10, sulful topit este atomizat cu azot (presiune 0,8–1,2 MPa) în granule sferice de 0,5–1 mm (umiditate <0,001%).
• ‌Ambalare în vid‌:
  Produsul final este sigilat în vid într-o folie compozită de aluminiu sub argon ultrapur (puritate ≥99,9999%) pentru a preveni oxidarea.

IV. Parametri cheie ai procesului

V. Controlul calității și testarea

1. ‌Analiza impurităților urme‌:

• ‌GD-MS (Spectrometrie de masă cu descărcare luminiscentă)Detectează metale la ≤0,01 ppb.
• ‌Analizor TOCMăsoară carbonul organic ≤0,001 ppm.

1. ‌Controlul dimensiunii particulelor‌:
   Difracția laser (Mastersizer 3000) asigură o abatere D50 ≤±0,05 mm.
2. ‌Curățenia suprafeței‌:
   XPS (spectroscopia fotoelectronică cu raze X) confirmă grosimea oxidului de suprafață ≤1 nm.

VI. Proiectare de siguranță și mediu

1. ‌Prevenirea exploziilor‌:
   Detectoarele de flacără cu infraroșu și sistemele de inundare cu azot mențin nivelurile de oxigen <3%
2. ‌Controlul emisiilor‌:

• ‌Gaze acideSpălarea cu NaOH în două etape (20% + 10%) elimină ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌COV-uriRotorul cu zeolit ​​+ RTO (850°C) reduce hidrocarburile nemetanice la ≤10 mg/m³.

1. ‌Reciclarea deșeurilor‌:
   Reducerea la temperatură înaltă (1200°C) recuperează metalele; conținut rezidual de sulf <0,1%.

VII. Indicatori tehno-economici

• ‌Consum de energie800–1200 kWh de energie electrică și 2–3 tone de abur per tonă de sulf 6N.
• ‌RandamentRecuperare sulf ≥85%, rată reziduală <1,5%.
• ‌CostCost de producție ~120.000–180.000 CNY/tonă; preț de piață 250.000–350.000 CNY/tonă (grad semiconductor).

Acest proces produce sulf 6N pentru fotorezistențe semiconductoare, substraturi compuse III-V și alte aplicații avansate. Monitorizarea în timp real (de exemplu, analiza elementară LIBS) și calibrarea camerei curate conform ISO Clasa 1 asigură o calitate constantă.

Note de subsol

1. Referința 2: Standarde industriale de purificare a sulfului
2. Referința 3: Tehnici avansate de filtrare în ingineria chimică
3. Referința 6: Manual de prelucrare a materialelor de înaltă puritate
4. Referința 8: Protocoale de producție chimică de calitate semiconductoare
5. Referința 5: Optimizarea distilării în vid