6N (≥99,9999 % tīrības pakāpes) īpaši augstas tīrības pakāpes sēra ražošanai nepieciešama daudzpakāpju destilācija, dziļa adsorbcija un īpaši tīra filtrācija, lai likvidētu metālu pēdas, organiskos piemaisījumus un daļiņas. Zemāk ir parādīts rūpnieciska mēroga process, kurā apvienota vakuuma destilācija, attīrīšana ar mikroviļņu palīdzību un precīzas pēcapstrādes tehnoloģijas.
I. Izejvielu pirmapstrāde un piemaisījumu noņemšana
1. Izejvielu izvēle un pirmapstrāde
- PrasībasSākotnējā sēra tīrība ≥99,9% (3N pakāpe), kopējie metālu piemaisījumi ≤500 ppm, organiskā oglekļa saturs ≤0,1%.
- Mikroviļņu krāsns kausēšana:
Neapstrādāts sērs tiek apstrādāts mikroviļņu reaktorā (2,45 GHz frekvence, 10–15 kW jauda) 140–150 °C temperatūrā. Mikroviļņu izraisīta dipola rotācija nodrošina ātru kušanu, vienlaikus sadalot organiskos piemaisījumus (piemēram, darvas savienojumus). Kušanas laiks: 30–45 minūtes; mikroviļņu iespiešanās dziļums: 10–15 cm - Dejonizēta ūdens mazgāšana:
Izkausētu sēru sajauc ar dejonizētu ūdeni (pretestība ≥18 MΩ·cm) masas attiecībā 1:0,3 maisāmā reaktorā (120°C, 2 bar spiediens) 1 stundu, lai atdalītu ūdenī šķīstošos sāļus (piemēram, amonija sulfātu, nātrija hlorīdu). Ūdens fāzi dekantē un atkārtoti izmanto 2–3 ciklus, līdz vadītspēja ir ≤5 μS/cm.
2. Daudzpakāpju adsorbcija un filtrācija
- Diatomīta zeme/aktivētās ogles adsorbcija:
Izkausētam sēram slāpekļa aizsardzībā (130 °C, 2 stundu maisīšana) pievieno diatomītu (0,5–1 %) un aktivēto ogli (0,2–0,5 %), lai adsorbētu metālu kompleksus un atlikušās organiskās vielas. - Īpaši precīza filtrēšana:
Divpakāpju filtrēšana, izmantojot titāna saķepinātus filtrus (poru izmērs 0,1 μm) pie ≤0,5 MPa sistēmas spiediena. Daļiņu skaits pēc filtrācijas: ≤10 daļiņas/l (izmērs >0,5 μm).
II. Daudzpakāpju vakuuma destilācijas process
1. Primārā destilācija (metālu piemaisījumu atdalīšana)
- AprīkojumsAugstas tīrības pakāpes kvarca destilācijas kolonna ar 316L nerūsējošā tērauda strukturētu pildījumu (≥15 teorētiskās šķīvji), vakuums ≤1 kPa.
- Darbības parametri:
- Padeves temperatūra250–280 °C (sērs vārās 444,6 °C temperatūrā apkārtējā spiedienā; vakuumā vārīšanās temperatūra samazinās līdz 260–300 °C).
- Atplūdes koeficients: 5:1–8:1; kolonnas augšdaļas temperatūras svārstības ≤±0,5 °C.
- ProduktsKondensētā sēra tīrība ≥99,99% (4N pakāpe), kopējie metālu piemaisījumi (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.
2. Sekundārā molekulārā destilācija (organisko piemaisījumu atdalīšana)
- AprīkojumsĪsceļa molekulārais destilētājs ar 10–20 mm iztvaikošanas-kondensācijas atstarpi, iztvaikošanas temperatūra 300–320 °C, vakuums ≤0,1 Pa.
- Piemaisījumu atdalīšana:
Zemā viršanas temperatūrā esošās organiskās vielas (piemēram, tioēteri, tiofēns) tiek iztvaicētas un evakuētas, savukārt piemaisījumi ar augstu viršanas temperatūru (piemēram, poliaromātiskie savienojumi) paliek atlikumos molekulārā brīvā ceļa atšķirību dēļ. - ProduktsSēra tīrība ≥99,999% (5N pakāpe), organiskais ogleklis ≤0,001%, atlieku daudzums <0,3%.
3. Terciārās zonas rafinēšana (6N tīrības sasniegšana)
- AprīkojumsHorizontālās zonas rafinētājs ar daudzzonu temperatūras kontroli (±0,1 °C), zonas kustības ātrums 1–3 mm/h.
- Segregācija:
Izmantojot segregācijas koeficientus (K=C cietviela/C šķidrumsK=Cciets/Cšķidrums), 20–30 zona izlaiž koncentrētus metālus (As, Sb) lietņa galā. Atlikušie 10–15 % sēra lietņa tiek izmesti.
III. Pēcapstrāde un īpaši tīra formēšana
1. Īpaši tīra šķīdinātāja ekstrakcija
- Ētera/oglekļa tetrahlorīda ekstrakcija:
Sēru 30 minūtes sajauc ar hromatogrāfijas kvalitātes ēteri (tilpuma attiecība 1:0,5) ultraskaņas pavadījumā (40 kHz, 40 °C), lai atdalītu polāro organisko vielu pēdas. - Šķīdinātāju atgūšana:
Molekulārā sieta adsorbcija un vakuuma destilācija samazina šķīdinātāja atlikumus līdz ≤0,1 ppm.
2. Ultrafiltrācija un jonu apmaiņa
- PTFE membrānas ultrafiltrācija:
Izkausēto sēru filtrē caur 0,02 μm PTFE membrānām 160–180 °C temperatūrā un ≤0,2 MPa spiedienā. - Jonu apmaiņas sveķi:
Helātus veidojošie sveķi (piemēram, Amberlite IRC-748) noņem ppb līmeņa metāla jonus (Cu²⁺, Fe³⁺) ar plūsmas ātrumu 1–2 BV/h.
3. Īpaši tīras vides veidošana
- Inertās gāzes atomizācija:
10. klases tīrtelpā izkausēts sērs tiek atomizēts ar slāpekli (0,8–1,2 MPa spiediens) 0,5–1 mm sfēriskās granulās (mitrums <0,001%). - Vakuuma iepakojums:
Galaprodukts tiek vakuumā iepakots alumīnija kompozītmateriāla plēvē īpaši tīra argona atmosfērā (≥99,9999% tīrība), lai novērstu oksidēšanos.
IV. Galvenie procesa parametri
| Procesa posms | Temperatūra (°C) | Spiediens | Laiks/Ātrums | Pamataprīkojums |
| Mikroviļņu kausēšana | 140–150 | Apkārtējā vide | 30–45 minūtes | Mikroviļņu reaktors |
| Dejonizēta ūdens mazgāšana | 120 | 2 bāri | 1 stunda/cikls | Maisītais reaktors |
| Molekulārā destilācija | 300–320 | ≤0,1 Pa | Nepārtraukts | Īsceļa molekulārais destilētājs |
| Zonas rafinēšana | 115–120 | Apkārtējā vide | 1–3 mm/h | Horizontālās zonas rafinētājs |
| PTFE ultrafiltrācija | 160–180 | ≤0,2 MPa | 1–2 m³/h plūsma | Augstas temperatūras filtrs |
| Slāpekļa atomizācija | 160–180 | 0,8–1,2 MPa | 0,5–1 mm granulas | Atomizācijas tornis |
V. Kvalitātes kontrole un testēšana
- Piemaisījumu pēdu analīze:
- GD-MS (kvēlojošās izlādes masas spektrometrija)Nosaka metālus ≤0,01 ppb.
- TOC analizators: Mēra organisko oglekli ≤0,001 ppm.
- Daļiņu izmēra kontrole:
Lāzera difrakcija (Mastersizer 3000) nodrošina D50 novirzi ≤±0,05 mm. - Virsmas tīrība:
XPS (rentgena fotoelektronu spektroskopija) apstiprina virsmas oksīda biezumu ≤1 nm.
VI. Drošība un vides dizains
- Sprādzienu novēršana:
Infrasarkanie liesmas detektori un slāpekļa plūdu sistēmas uztur skābekļa līmeni <3% - Emisiju kontrole:
- Skābes gāzesDivpakāpju NaOH attīrīšana (20% + 10%) noņem ≥99,9% H₂S/SO₂.
- GOSCeolīta rotors + RTO (850 °C) samazina nemetāna ogļūdeņražu daudzumu līdz ≤10 mg/m³.
- Atkritumu pārstrāde:
Augstas temperatūras reducēšana (1200 °C) atgūst metālus; atlikušā sēra saturs <0,1%.
VII. Tehnoekonomiskie rādītāji
- Enerģijas patēriņš800–1200 kWh elektroenerģijas un 2–3 tonnas tvaika uz tonnu 6N sēra.
- IenesīgumsSēra atgūšana ≥85%, atlikumu daudzums <1,5%.
- IzmaksasRažošanas izmaksas: ~120 000–180 000 CNY/tonna; tirgus cena 250 000–350 000 CNY/tonna (pusvadītāju klase).
Šis process ražo 6N sēru pusvadītāju fotorezistu, III-V savienojumu substrātu un citu progresīvu pielietojumu ražošanai. Reāllaika uzraudzība (piemēram, LIBS elementu analīze) un ISO 1. klases tīrtelpas kalibrēšana nodrošina nemainīgu kvalitāti.
Zemsvītras piezīmes
- 2. atsauce: Rūpnieciskās sēra attīrīšanas standarti
- 3. atsauce: Uzlabotas filtrācijas metodes ķīmijas inženierijā
- 6. atsauce: Augstas tīrības pakāpes materiālu apstrādes rokasgrāmata
- 8. atsauce: pusvadītāju klases ķīmisko vielu ražošanas protokoli
- 5. atsauce: Vakuuma destilācijas optimizācija
Publicēšanas laiks: 2025. gada 2. aprīlis