Працэс дыстыляцыі і ачысткі серы звышвысокай чысціні 6N з падрабязнымі параметрамі

Атрыманне серы звышвысокай чысціні 6N (≥99,9999%) патрабуе шматступенчатай дыстыляцыі, глыбокай адсорбцыі і звышчыстай фільтрацыі для выдалення слядоў металаў, арганічных прымешак і часціц. Ніжэй прадстаўлены прамысловы працэс, які аб'ядноўвае вакуумную дыстыляцыю, мікрахвалевую ачыстку і тэхналогіі дакладнай пасляачысткі.

I. Папярэдняя апрацоўка сыравіны і выдаленне прымешак

1. Выбар і папярэдняя апрацоўка сыравіны

• ‌ПатрабаванніПачатковая чысціня серы ≥99,9% (марка 3N), агульная колькасць металічных прымешак ≤500 праміле, утрыманне арганічнага вугляроду ≤0,1%.
• ‌Мікрахвалевае плаўленне:
  Сырая сера апрацоўваецца ў мікрахвалевым рэактары (частата 2,45 ГГц, магутнасць 10–15 кВт) пры тэмпературы 140–150°C. Дыпольнае кручэнне, выкліканае мікрахвалевым выпраменьваннем, забяспечвае хуткае плаўленне з адначасовай раскладаннем арганічных прымешак (напрыклад, смол). Час плаўлення: 30–45 хвілін; глыбіня пранікнення мікрахвалевага выпраменьвання: 10–15 см.
• ‌Прамыванне дэіянізаванай вадой:
  Расплаўленую серу змешваюць з дэіянізаванай вадой (супраціўленне ≥18 МОм·см) у масавым суадносінах 1:0,3 у рэактары з перамешваннем (120°C, ціск 2 бар) на працягу 1 гадзіны для выдалення водарастваральных соляў (напрыклад, сульфату амонію, хларыду натрыю). Водную фазу дэканціруюць і паўторна выкарыстоўваюць на працягу 2-3 цыклаў, пакуль праводнасць не дасягне ≤5 мкСм/см.

2. Шматступенчатая адсорбцыя і фільтрацыя

• ‌Адсорбцыя дыатамітавай зямлі/актываванага вугалю:
  Дыатамітавая зямля (0,5–1%) і актываваны вугаль (0,2–0,5%) дадаюцца ў расплаўленую серу пад абаронай азоту (130°C, 2 гадзіны перамешвання) для адсарбцыі металічных комплексаў і рэшткавых арганічных рэчываў.
• ‌Ультрадакладная фільтрацыя:
  Двухступеньчатая фільтрацыя з выкарыстаннем тытанавых спечаных фільтраў (памер пор 0,1 мкм) пры ціску ў сістэме ≤0,5 МПа. Колькасць часціц пасля фільтрацыі: ≤10 часціц/л (памер >0,5 мкм).

II. Шматступенчаты працэс вакуумнай дыстыляцыі

1. Першасная дыстыляцыя (выдаленне металічных прымешак)

• ‌Абсталяванне‌: Высокачыстая кварцавая дыстыляцыйная калона са структураванай насадкай з нержавеючай сталі 316L (≥15 тэарэтычных талерак), вакуум ≤1 кПа.
• ‌Эксплуатацыйныя параметры:
• ‌Тэмпература падачы250–280°C (сера кіпіць пры 444,6°C пад навакольным ціскам; вакуум зніжае тэмпературу кіпення да 260–300°C).
• ‌Каэфіцыент рэфлюксу5:1–8:1; ваганні тэмпературы верхняй часткі калоны ≤±0,5°C.
• ‌Прадукт‌: Чысціня кандэнсаванай серы ≥99,99% (марка 4N), агульная колькасць металічных прымешак (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Другасная малекулярная дыстыляцыя (выдаленне арганічных прымешак)

• ‌АбсталяваннеМалекулярны дыстылятар кароткага прабегу з выпарна-кандэнсацыйнай шчылінай 10–20 мм, тэмпература выпарэння 300–320°C, вакуум ≤0,1 Па.
• ‌Аддзяленне прымешак:
  Нізкакіпячыя арганічныя рэчывы (напрыклад, тыаэфіры, тыяфен) выпараюцца і эвакуіруюцца, у той час як высокакіпячыя прымешкі (напрыклад, поліараматычныя злучэнні) застаюцца ў рэштках з-за розніцы ў даўжыні свабоднага прабегу малекул.
• ‌Прадукт‌: Чысціня серы ≥99,999% (марка 5N), арганічны вуглярод ≤0,001%, узровень рэшткаў <0,3%.

3. Трэцічная зона ачысткі (дасягненне чысціні 6N)

• ‌АбсталяваннеГарызантальны зональны рафініруючы апарат з шматзонным кантролем тэмпературы (±0,1°C), хуткасць перамяшчэння зоны 1–3 мм/г.
• ‌Сегрэгацыя:
  Выкарыстоўваючы каэфіцыенты сегрэгацыі (K=Cцвёрдага/CвадкагаK=CцвёрдыCвадкасць), зона 20–30 прапускае канцэнтраваныя металы (As, Sb) на канцы злітка. Астатнія 10–15% сернага злітка адкідваюцца.

III. Пасляапрацоўка і ультрачыстае фармаванне

1. Экстракцыя ультрачыстым растваральнікам

• ‌Экстракцыя эфіру/тэтрахларыду вугляроду:
  Серу змешваюць з храматаграфічным эфірам (у аб'ёмным суадносінах 1:0,5) пад уздзеяннем ультрагуку (40 кГц, 40°C) на працягу 30 хвілін для выдалення слядоў палярных арганічных рэчываў.
• ‌Аднаўленне растваральнікаў:
  Малекулярная адсорбцыя з дапамогай сіт і вакуумная дыстыляцыя зніжаюць рэшткі растваральніка да ≤0,1 праміле.

2. Ультрафільтрацыя і іённы абмен

• ‌Ультрафільтрацыя з ПТФЭ-мембраны:
  Расплаўленую серу фільтруюць праз PTFE-мембраны з памерам 0,02 мкм пры тэмпературы 160–180°C і ціску ≤0,2 МПа.
• ‌Іонаабменныя смалы:
  Хелатныя смалы (напрыклад, Amberlite IRC-748) выдаляюць іёны металаў на ўзроўні ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) пры хуткасці патоку 1–2 BV/г.

3. Фарміраванне ультрачыстага асяроддзя

• ‌Распыленне інэртнага газу:
  У чыстым памяшканні класа 10 расплаўленая сера распыляецца азотам (ціск 0,8–1,2 МПа) у сферычныя гранулы памерам 0,5–1 мм (вільготнасць <0,001%).
• ‌Вакуумная ўпакоўка:
  Канчатковы прадукт вакуумна запячатваецца ў алюмініевую кампазітную плёнку пад ультрачыстым аргонам (чысціня ≥99,9999%) для прадухілення акіслення.

IV. Асноўныя параметры працэсу

V. Кантроль якасці і тэсціраванне

1. ‌Аналіз мікрапрымешак:

• ‌ГД-МС (мас-спектрометрыя тлеючага разраду)Выяўляе металы пры канцэнтрацыі ≤0,01 ppb.
• ‌Аналізатар агульнага арганічнага зместу (TOC)Вымярае арганічны вуглярод ≤0,001 праміле.

1. ‌Кантроль памеру часціц:
   Лазерная дыфракцыя (Mastersizer 3000) забяспечвае адхіленне D50 ≤±0,05 мм.
2. ‌Чысціня паверхні:
   Рэнтгенаўская фотаэлектронная спектраскапія (РФЭС) пацвярджае таўшчыню паверхневага аксіду ≤1 нм.

VI. Бяспека і экалагічнае праектаванне

1. ‌Прадухіленне выбухаў:
   Інфрачырвоныя датчыкі полымя і сістэмы запраўкі азотам падтрымліваюць узровень кіслароду <3%
2. ‌Кантроль выкідаў:

• ‌Кіслыя газыДвухступеньчатая ачыстка NaOH (20% + 10%) выдаляе ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌ЛОС‌: Цэалітавы ротар + RTO (850°C) зніжае ўзровень неметанавых вуглевадародаў да ≤10 мг/м³.

1. ‌Перапрацоўка адходаў:
   Высокатэмпературнае аднаўленне (1200°C) дазваляе аднавіць металы; утрыманне рэшткавай серы <0,1%.

VII. Тэхніка-эканамічныя паказчыкі

• ‌Спажыванне энергіі800–1200 кВт·г электраэнергіі і 2–3 тоны пары на тону 6N серы.
• ‌Прыбытковасць‌: Выманне серы ≥85%, узровень рэшткаў <1,5%.
• ‌КоштКошт вытворчасці ~120 000–180 000 юаняў/тона; рынкавая цана 250 000–350 000 юаняў/тона (паўправадніковы клас).

Гэты працэс дае 6N серу для паўправадніковых фотарэзістаў, падкладак з злучэнняў III-V групы і іншых складаных ужыванняў. Маніторынг у рэжыме рэальнага часу (напрыклад, элементны аналіз LIBS) і каліброўка чыстых памяшканняў па ISO класа 1 забяспечваюць стабільную якасць.

Зноскі

1. Спасылка 2: Прамысловыя стандарты ачысткі серы
2. Спасылка 3: Пашыраныя метады фільтрацыі ў хімічнай інжынерыі
3. Спасылка 6: Даведнік па апрацоўцы высокачыстых матэрыялаў
4. Спасылка 8: Пратаколы вытворчасці хімічных рэчываў паўправадніковага класа
5. Спасылка 5: Аптымізацыя вакуумнай дыстыляцыі