6N поступак дестилације и пречишћавања сумпора ултра високе чистоће са детаљним параметрима

Производња 6N (≥99,9999% чистоће) ултра-високог чистог сумпора захтева вишестепену дестилацију, дубоку адсорпцију и ултра-чисту филтрацију како би се елиминисали трагови метала, органске нечистоће и честице. У наставку је приказан процес индустријских размера који интегрише вакуумску дестилацију, пречишћавање уз помоћ микроталаса и технологије прецизне накнадне обраде.

I. Претходна обрада сировина и уклањање нечистоћа

1. Избор сировина и претходна обрада

• ‌ЗахтевиПочетна чистоћа сумпора ≥99,9% (3N степен), укупне металне нечистоће ≤500 ppm, садржај органског угљеника ≤0,1%.
• ‌Топљење уз помоћ микроталаса:
  Сирови сумпор се обрађује у микроталасном реактору (фреквенција 2,45 GHz, снага 10–15 kW) на 140–150°C. Ротација дипола индукована микроталасима обезбеђује брзо топљење уз разлагање органских нечистоћа (нпр. једињења катрана). Време топљења: 30–45 минута; дубина продирања микроталаса: 10–15 cm
• ‌Прање дејонизованом водом:
  Растопљени сумпор се меша са дејонизованом водом (отпорност ≥18 MΩ·cm) у масеном односу 1:0,3 у реактору са мешањем (120°C, притисак од 2 бара) током 1 сата да би се уклониле соли растворљиве у води (нпр. амонијум сулфат, натријум хлорид). Водена фаза се декантира и поново користи током 2–3 циклуса док проводљивост не достигне ≤5 μS/cm.

2. Вишестепена адсорпција и филтрација

• ‌Адсорпција дијатомејске земље/активног угља:
  Дијатомејска земља (0,5–1%) и активни угаљ (0,2–0,5%) се додају растопљеном сумпору под заштитом азота (130°C, 2 сата мешања) да би се адсорбовали метални комплекси и преостали органски састојци.
• ‌Ултра-прецизна филтрација:
  Двостепена филтрација коришћењем синтерованих титанијумских филтера (величина пора 0,1 μm) при системском притиску ≤0,5 MPa. Број честица након филтрације: ≤10 честица/L (величина >0,5 μm).

II. Вишестепени процес вакуумске дестилације

1. Примарна дестилација (уклањање металних нечистоћа)

• ‌Опрема‌: Колона за дестилацију од кварца високе чистоће са структурираним паковањем од нерђајућег челика 316L (≥15 теоријских плоча), вакуум ≤1 kPa.
• ‌Оперативни параметри:
• ‌Температура довода250–280°C (сумпор кључа на 444,6°C под собним притиском; вакуум смањује тачку кључања на 260–300°C).
• ‌Однос рефлукса5:1–8:1; флуктуација температуре врха колоне ≤±0,5°C.
• ‌ПроизводЧистоћа кондензованог сумпора ≥99,99% (4N степен), укупне металне нечистоће (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Секундарна молекуларна дестилација (уклањање органских нечистоћа)

• ‌ОпремаМолекуларни дестилатор кратког пута са размаком испаравања-кондензације од 10–20 mm, температура испаравања 300–320°C, вакуум ≤0,1 Pa.
• ‌Одвајање нечистоћа:
  Органске супстанце са ниском тачком кључања (нпр. тиоетри, тиофен) испаравају и евакуишу се, док нечистоће са високом тачком кључања (нпр. полиароматична једињења) остају у остацима због разлика у молекуларном слободном путу.
• ‌ПроизводЧистоћа сумпора ≥99,999% (5N степен), органски угљеник ≤0,001%, стопа остатака <0,3%.

3. Рафинација терцијарне зоне (постизање чистоће од 6N)

• ‌ОпремаХоризонтални зонски рафинер са вишезонском контролом температуре (±0,1°C), брзина зонског кретања 1–3 mm/h.
• ‌Сегрегација:
  Користећи коефицијенте сегрегације (K=Cчврсто/CтечноK=Cчврсто /Cтечна), зона од 20–30 пролази кроз концентрат метала (As, Sb) на крају ингота. Преосталих 10–15% сумпорног ингота се одбацује.

III. Накнадна обрада и ултрачисто обликовање

1. Екстракција ултрачистим растварачем

• ‌Екстракција етра/угљен-тетрахлорида:
  Сумпор се меша са хроматографским етром (однос запремине 1:0,5) под ултразвучном помоћи (40 kHz, 40°C) током 30 минута да би се уклонили трагови поларних органских материја.
• ‌Регенерација растварача:
  Молекуларно сито адсорпција и вакуумска дестилација смањују остатке растварача на ≤0,1 ppm.

2. Ултрафилтрација и јонска измена

• ‌Ултрафилтрација ПТФЕ мембране:
  Растопљени сумпор се филтрира кроз PTFE мембране од 0,02 μm на температури од 160–180°C и притиску ≤0,2 MPa.
• ‌Јонске измењивачке смоле:
  Хелатне смоле (нпр. Amberlite IRC-748) уклањају металне јоне на нивоу ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) при брзини протока од 1–2 BV/h.

3. Формирање ултрачисте средине

• ‌Атомизација инертним гасом:
  У чистој просторији класе 10, растопљени сумпор се атомизира азотом (притисак 0,8–1,2 MPa) у сферне грануле величине 0,5–1 mm (влага <0,001%).
• ‌Вакуумско паковање:
  Коначни производ је вакуумски запечаћен у алуминијумској композитној фолији под ултрачистим аргоном (чистоћа ≥99,9999%) како би се спречила оксидација.

IV. Кључни параметри процеса

V. Контрола квалитета и тестирање

1. ‌Анализа трагова нечистоћа:

• ‌GD-MS (Масена спектрометрија са сијајућим пражњењем)Детекција метала на ≤0,01 ppb.
• ‌Анализатор укупног органског угљеника (TOC)Мери органски угљеник ≤0,001 ppm.

1. ‌Контрола величине честица:
   Ласерска дифракција (Mastersizer 3000) обезбеђује одступање D50 ≤±0,05 mm.
2. ‌Чистоћа површине:
   XPS (рендгенска фотоелектронска спектроскопија) потврђује дебљину површинског оксида ≤1 nm.

VI. Безбедност и еколошки дизајн

1. ‌Спречавање експлозије:
   Инфрацрвени детектори пламена и системи за наводњавање азотом одржавају ниво кисеоника <3%
2. ‌Контрола емисије:

• ‌Кисели гасовиДвостепено пречишћавање са NaOH (20% + 10%) уклања ≥99,9% H₂S/SO₂.
• ‌Испарљива органска једињењаЗеолитни ротор + RTO (850°C) смањује неметанске угљоводонике на ≤10 мг/м³.

1. ‌Рециклажа отпада:
   Редукција на високој температури (1200°C) враћа метале; садржај сумпора у остатку <0,1%.

VII. Техно-економске метрике

• ‌Потрошња енергије800–1200 kWh електричне енергије и 2–3 тоне паре по тони 6N сумпора.
• ‌ПриносИскоришћење сумпора ≥85%, стопа остатака <1,5%.
• ‌ЦенаТрошкови производње ~120.000–180.000 јуана/тона; тржишна цена 250.000–350.000 јуана/тона (полупроводнички квалитет).

Овај процес производи 6N сумпор за полупроводничке фоторезисте, III-V једињења и друге напредне примене. Праћење у реалном времену (нпр. LIBS елементарна анализа) и калибрација чисте собе по ISO класи 1 обезбеђују конзистентан квалитет.

Фусноте

1. Референца 2: Индустријски стандарди за пречишћавање сумпора
2. Референца 3: Напредне технике филтрације у хемијском инжењерству
3. Референца 6: Приручник за обраду материјала високе чистоће
4. Референца 8: Протоколи за производњу хемикалија полупроводничког квалитета
5. Референца 5: Оптимизација вакуумске дестилације