6N ultrahögren svaveldestillations- och reningsprocess med detaljerade parametrar

Produktionen av 6N (≥99,9999 % renhet) ultraren svavel kräver flerstegsdestillation, djup adsorption och ultraren filtrering för att eliminera spårmetaller, organiska föroreningar och partiklar. Nedan följer en process i industriell skala som integrerar vakuumdestillation, mikrovågsassisterad rening och precisionsefterbehandlingstekniker.

I. Förbehandling av råmaterial och borttagning av föroreningar

1. Val av råmaterial och förbehandling

• ‌Krav‌: Initial svavelrenhet ≥99,9 % (3N-kvalitet), totala metallföroreningar ≤500 ppm, organiskt kolinnehåll ≤0,1 %.
• ‌Mikrovågsassisterad smältning‌:
  Råsvavel bearbetas i en mikrovågsreaktor (2,45 GHz frekvens, 10–15 kW effekt) vid 140–150 °C. Mikrovågsinducerad dipolrotation säkerställer snabb smältning samtidigt som organiska föroreningar (t.ex. tjärföreningar) sönderdelas. Smälttid: 30–45 minuter; mikrovågspenetrationsdjup: 10–15 cm
• ‌Avjoniserat vattentvätt‌:
  Smält svavel blandas med avjoniserat vatten (resistivitet ≥18 MΩ·cm) vid ett massförhållande på 1:0,3 i en omrörd reaktor (120 °C, 2 bar tryck) i 1 timme för att avlägsna vattenlösliga salter (t.ex. ammoniumsulfat, natriumklorid). Vattenfasen dekanteras och återanvänds i 2–3 cykler tills konduktiviteten är ≤5 μS/cm.

2. Flerstegsadsorption och filtrering

• ‌Adsorption av kiselgur/aktivt kol‌:
  Kiselgur (0,5–1 %) och aktivt kol (0,2–0,5 %) tillsätts till smält svavel under kväveskydd (130 °C, 2 timmars omrörning) för att adsorbera metallkomplex och resterande organiska ämnen.
• ‌Ultraprecisionsfiltrering‌:
  Tvåstegsfiltrering med titansintrade filter (0,1 μm porstorlek) vid ≤0,5 MPa systemtryck. Partikelantal efter filtrering: ≤10 partiklar/L (storlek >0,5 μm).

II. Flerstegs vakuumdestillationsprocess

1. Primär destillation (borttagning av metallföroreningar)

• ‌Utrustning‌: Destillationskolonn av hög renhet kvarts med strukturerad packning i 316L rostfritt stål (≥15 teoretiska plattor), vakuum ≤1 kPa.
• ‌Driftsparametrar‌:
• ‌Matningstemperatur‌: 250–280 °C (svavel kokar vid 444,6 °C under omgivningstryck; vakuum sänker kokpunkten till 260–300 °C).
• ‌Återflödesförhållande5:1–8:1; temperaturfluktuation vid kolonnens topp ≤±0,5 °C.
• ‌ProduktKondenserad svavelrenhet ≥99,99 % (4N-kvalitet), totala metallföroreningar (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Sekundär molekylär destillation (borttagning av organiska föroreningar)

• ‌UtrustningKortvägsmolekylär destillator med 10–20 mm avdunstnings-kondensationsgap, avdunstningstemperatur 300–320 °C, vakuum ≤0,1 Pa.
• ‌Föroreningsseparation‌:
  Lågkokande organiska ämnen (t.ex. tioetrar, tiofen) förångas och evakueras, medan högkokande föroreningar (t.ex. polyaromater) finns kvar i rester på grund av skillnader i molekylär fri väg.
• ‌ProduktSvavelrenhet ≥99,999 % (5N-kvalitet), organiskt kol ≤0,001 %, resthalt <0,3 %.

3. Tertiärzonraffinering (uppnående 6N renhet)

• ‌Utrustning‌: Horisontell zonraffinör med temperaturkontroll i flera zoner (±0,1 °C), zonhastighet 1–3 mm/h.
• ‌Segregation‌:
  Användning av segregationskoefficienter (K ​​= Cfast/CflytandeK=Cfast​/Cvätska), 20–30-zonen passerar koncentrerade metaller (As, Sb) vid götänden. De sista 10–15 % av svavelgötet kasseras.

III. Efterbehandling och ultraren formning

1. Extraktion med ultrarent lösningsmedel

• ‌Eter/koltetraklorid-extraktion‌:
  Svavel blandas med eter av kromatografisk kvalitet (volymförhållande 1:0,5) under ultraljudshjälp (40 kHz, 40 °C) i 30 minuter för att avlägsna spår av polära organiska ämnen.
• ‌Återvinning av lösningsmedel‌:
  Molekylsiktadsorption och vakuumdestillation reducerar lösningsmedelsrester till ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltrering och jonbyte

• ‌PTFE-membran ultrafiltrering‌:
  Smält svavel filtreras genom 0,02 μm PTFE-membran vid 160–180 °C och ≤0,2 MPa tryck.
• ‌Jonbytarhartser‌:
  Kelaterande hartser (t.ex. Amberlite IRC-748) avlägsnar metalljoner på ppb-nivå (Cu²⁺, Fe³⁺) vid flödeshastigheter på 1–2 BV/h.

3. Bildning av ultraren miljö

• ‌Inertgasatomisering‌:
  I ett renrum av klass 10 finfördelas smält svavel med kväve (0,8–1,2 MPa tryck) till 0,5–1 mm sfäriska granuler (fukt <0,001 %).
• ‌Vakuumförpackning‌:
  Slutprodukten vakuumförseglas i aluminiumkompositfilm under ultraren argon (≥99,9999 % renhet) för att förhindra oxidation.

IV. Viktiga processparametrar

V. Kvalitetskontroll och testning

1. ‌Analys av spårföroreningar‌:

• ‌GD-MS (Glödurladdningsmasspektrometri)Detekterar metaller vid ≤0,01 ppb.
• ‌TOC-analysatorMäter organiskt kol ≤0,001 ppm.

1. ‌Partikelstorlekskontroll‌:
   Laserdiffraktion (Mastersizer 3000) säkerställer en D50-avvikelse ≤±0,05 mm.
2. ‌Ytlig renlighet‌:
   XPS (röntgenfotoelektronspektroskopi) bekräftar en ytoxidtjocklek ≤1 nm.

VI. Säkerhets- och miljödesign

1. ‌Explosionsförebyggande‌:
   Infraröda flamdetektorer och kväveöversvämningssystem upprätthåller syrenivåer <3%
2. ‌Utsläppskontroll‌:

• ‌Sura gaserTvåstegs NaOH-skrubning (20 % + 10 %) avlägsnar ≥99,9 % H₂S/SO₂.
• ‌VOC:erZeolitrotor + RTO (850 °C) reducerar icke-metanhaltiga kolväten till ≤10 mg/m³.

1. ‌Avfallsåtervinning‌:
   Högtemperaturreduktion (1200 °C) återvinner metaller; restsvavelhalten <0,1 %.

VII. Teknoekonomiska mätvärden

• ‌Energiförbrukning800–1200 kWh el och 2–3 ton ånga per ton 6N svavel.
• ‌AvkastningSvavelutvinning ≥85 %, resthalt <1,5 %.
• ‌KostaProduktionskostnad ~120 000–180 000 CNY/ton; marknadspris 250 000–350 000 CNY/ton (halvledarkvalitet).

Denna process producerar 6N svavel för halvledarfotoresister, III-V-substrat och andra avancerade tillämpningar. Realtidsövervakning (t.ex. LIBS-elementanalys) och ISO klass 1-renrumskalibrering säkerställer jämn kvalitet.

Fotnoter

1. Referens 2: Industriella svavelreningsstandarder
2. Referens 3: Avancerade filtreringstekniker inom kemiteknik
3. Referens 6: Handbok för bearbetning av högrena material
4. Referens 8: Protokoll för produktion av kemiska produkter av halvledarkvalitet
5. Referens 5: Optimering av vakuumdestillation