6N процес на дестилация и пречистване на сяра с ултрависока чистота и подробни параметри

Производството на 6N (≥99.9999% чистота) сяра с ултрависока чистота изисква многоетапна дестилация, дълбока адсорбция и ултрачиста филтрация за елиминиране на следи от метали, органични примеси и частици. По-долу е показан процес в индустриален мащаб, интегриращ вакуумна дестилация, микровълново пречистване и технологии за прецизна последваща обработка.

I. Предварителна обработка на суровините и отстраняване на примеси

1. Избор на суровини и предварителна обработка

• ‌Изисквания‌: Начална чистота на сярата ≥99,9% (клас 3N), общо метални примеси ≤500 ppm, съдържание на органичен въглерод ≤0,1%.
• ‌Микровълново подпомагано топене:
  Суровата сяра се преработва в микровълнов реактор (честота 2,45 GHz, мощност 10–15 kW) при 140–150°C. Микровълново индуцираното диполно въртене осигурява бързо топене, като същевременно се разлагат органични примеси (напр. катранени съединения). Време на топене: 30–45 минути; дълбочина на проникване на микровълните: 10–15 cm
• ‌Измиване с дейонизирана вода:
  Разтопена сяра се смесва с дейонизирана вода (съпротивление ≥18 MΩ·cm) в масово съотношение 1:0,3 в реактор с разбъркване (120°C, налягане 2 бара) в продължение на 1 час, за да се отстранят водоразтворимите соли (напр. амониев сулфат, натриев хлорид). Водната фаза се декантира и се използва повторно в продължение на 2–3 цикъла, докато проводимостта достигне ≤5 μS/cm.

2. Многоетапна адсорбция и филтрация

• ‌Адсорбция на диатомитна пръст/активен въглен:
  Диатомит (0,5–1%) и активен въглен (0,2–0,5%) се добавят към разтопена сяра под азотна защита (130°C, 2 часа разбъркване), за да адсорбират метални комплекси и остатъчни органични вещества.
• ‌Ултрапрецизна филтрация:
  Двустепенна филтрация с помощта на титаниеви синтеровани филтри (размер на порите 0,1 μm) при системно налягане ≤0,5 MPa. Брой частици след филтрация: ≤10 частици/L (размер >0,5 μm).

II. Многоетапен процес на вакуумна дестилация

1. Първична дестилация (отстраняване на метални примеси)

• ‌Оборудване‌: Дестилационна колона от високочист кварц със структурирана пълнеж от неръждаема стомана 316L (≥15 теоретични плочи), вакуум ≤1 kPa.
• ‌Оперативни параметри:
• ‌Температура на захранването‌: 250–280°C (сярата кипи при 444,6°C под околно налягане; вакуумът понижава точката на кипене до 260–300°C).
• ‌Коефициент на рефлукс5:1–8:1; колебание на температурата на върха на колоната ≤±0,5°C.
• ‌Продукт‌: Чистота на кондензираната сяра ≥99,99% (клас 4N), общо метални примеси (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Вторична молекулярна дестилация (отстраняване на органични примеси)

• ‌ОборудванеМолекулярен дестилатор с къс път с междина за изпаряване-кондензация 10–20 mm, температура на изпаряване 300–320°C, вакуум ≤0,1 Pa.
• ‌Отделяне на примеси:
  Органичните съединения с ниска точка на кипене (напр. тиоетери, тиофен) се изпаряват и евакуират, докато примесите с висока точка на кипене (напр. полиароматни съединения) остават в остатъците поради разликите в свободния пробег на молекулите.
• ‌ПродуктЧистота на сярата ≥99,999% (клас 5N), органичен въглерод ≤0,001%, процент на остатъци <0,3%.

3. Третично рафиниране (постигане на чистота 6N)

• ‌ОборудванеХоризонтален зонен рафинерен агрегат с многозонов температурен контрол (±0,1°C), скорост на движение на зоната 1–3 мм/ч.
• ‌Сегрегация:
  Използвайки коефициенти на сегрегация (K=Cтвърдо/CтечноK=Cтвърдо/Cтечна), зона 20–30 преминава през концентрирани метали (As, Sb) в края на слитъка. Последните 10–15% от сярния слитък се изхвърлят.

III. Допълнителна обработка и ултрачисто формоване

1. Екстракция с ултрачист разтворител

• ‌Екстракция с етер/тетрахлорметан:
  Сярата се смесва с хроматографски етер (обемно съотношение 1:0,5) под ултразвукова помощ (40 kHz, 40°C) в продължение на 30 минути, за да се отстранят следи от полярни органични вещества.
• ‌Възстановяване на разтворители:
  Молекулярно-ситовата адсорбция и вакуумната дестилация намаляват остатъците от разтворители до ≤0,1 ppm.

2. Ултрафилтрация и йонен обмен

• ‌PTFE мембранна ултрафилтрация:
  Разтопената сяра се филтрира през 0,02 μm PTFE мембрани при 160–180°C и налягане ≤0,2 MPa.
• ‌Йонообменни смоли:
  Хелатните смоли (напр. Amberlite IRC-748) премахват метални йони на ниво ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) при дебит 1–2 BV/h.

3. Формиране на ултрачиста среда

• ‌Атомизация с инертен газ:
  В чиста стая от клас 10, разтопената сяра се пулверизира с азот (налягане 0,8–1,2 MPa) в сферични гранули с размер 0,5–1 mm (влага <0,001%).
• ‌Вакуумно опаковане:
  Крайният продукт е вакуумно запечатан в алуминиево композитно фолио под ултрачист аргон (≥99.9999% чистота), за да се предотврати окисляването.

IV. Ключови параметри на процеса

V. Контрол на качеството и тестване

1. ‌Анализ на следи от примеси:

• ‌GD-MS (масспектрометрия с тлеещ разряд)Открива метали при ≤0,01 ppb.
• ‌Анализатор на общия органичен въглерод (TOC)Измерва органичен въглерод ≤0,001 ppm.

1. ‌Контрол на размера на частиците:
   Лазерната дифракция (Mastersizer 3000) осигурява отклонение на D50 ≤±0,05 mm.
2. ‌Чистота на повърхността:
   XPS (рентгенова фотоелектронна спектроскопия) потвърждава дебелина на повърхностния оксид ≤1 nm.

VI. Безопасност и екологичен дизайн

1. ‌Предотвратяване на експлозии:
   Инфрачервените детектори за пламък и системите за наводняване с азот поддържат нива на кислород <3%
2. ‌Контрол на емисиите:

• ‌Киселинни газовеДвустепенното скруберно почистване с NaOH (20% + 10%) премахва ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌ЛОСЗеолитен ротор + RTO (850°C) намалява неметановите въглеводороди до ≤10 mg/m³.

1. ‌Рециклиране на отпадъци:
   Високотемпературното редуциране (1200°C) извлича метали; съдържание на остатъчна сяра <0,1%.

VII. Техно-икономически показатели

• ‌Консумация на енергия800–1200 kWh електроенергия и 2–3 тона пара на тон 6N сяра.
• ‌Доходност‌: Възстановяване на сяра ≥85%, процент на остатъци <1,5%.
• ‌ЦенаПроизводствени разходи ~120 000–180 000 юана/тон; пазарна цена 250 000–350 000 юана/тон (полупроводников клас).

Този процес произвежда 6N сяра за полупроводникови фоторезисти, III-V съединения и други съвременни приложения. Мониторингът в реално време (напр. елементарен анализ на LIBS) и калибрирането за чисти помещения по ISO клас 1 осигуряват постоянно качество.

Бележки под линия

1. Референция 2: Стандарти за пречистване на сяра в промишлеността
2. Референция 3: Усъвършенствани техники за филтриране в химическото инженерство
3. Справка 6: Наръчник за обработка на материали с висока чистота
4. Референция 8: Протоколи за производство на химикали с полупроводников клас
5. Референция 5: Оптимизация на вакуумната дестилация