Procés de destil·lació i purificació de sofre d'ultraalta puresa 6N amb paràmetres detallats

La producció de sofre d'ultraalta puresa 6N (≥99,9999% de puresa) requereix una destil·lació multietapa, una adsorció profunda i una filtració ultraneta per eliminar metalls traça, impureses orgàniques i partícules. A continuació es mostra un procés a escala industrial que integra destil·lació al buit, purificació assistida per microones i tecnologies de posttractament de precisió.

I. Pretractament de matèries primeres i eliminació d'impureses

1. Selecció i pretractament de matèries primeres

• ‌RequisitsPuresa inicial del sofre ≥99,9% (grau 3N), impureses metàl·liques totals ≤500 ppm, contingut de carboni orgànic ≤0,1%.
• ‌Fusió assistida per microones:
  El sofre cru es processa en un reactor de microones (freqüència de 2,45 GHz, potència de 10-15 kW) a 140-150 °C. La rotació dipolar induïda per microones garanteix una fusió ràpida mentre descompon les impureses orgàniques (per exemple, compostos de quitrà). Temps de fusió: 30-45 minuts; profunditat de penetració de microones: 10-15 cm
• ‌Rentat amb aigua desionitzada:
  El sofre fos es barreja amb aigua desionitzada (resistivitat ≥18 MΩ·cm) en una proporció de massa d'1:0,3 en un reactor amb agitació (120 °C, pressió de 2 bar) durant 1 hora per eliminar les sals solubles en aigua (per exemple, sulfat d'amoni, clorur de sodi). La fase aquosa es decanta i es reutilitza durant 2-3 cicles fins que la conductivitat sigui ≤5 μS/cm.

2. Adsorció i filtració multietapa

• ‌Adsorció de terra de diatomees/carbó activat:
  S'afegeix terra de diatomees (0,5–1%) i carbó activat (0,2–0,5%) al sofre fos sota protecció de nitrogen (130 °C, agitació durant 2 hores) per adsorbir complexos metàl·lics i residus orgànics.
• ‌Filtració d'ultraprecisió:
  Filtració en dues etapes amb filtres sinteritzats de titani (mida de porus de 0,1 μm) a una pressió del sistema ≤0,5 MPa. Recompte de partícules postfiltració: ≤10 partícules/L (mida >0,5 μm).

II. Procés de destil·lació al buit en diverses etapes

1. Destil·lació primària (eliminació d'impureses metàl·liques)

• ‌EquipamentColumna de destil·lació de quars d'alta puresa amb farciment estructurat d'acer inoxidable 316L (≥15 plats teòrics), buit ≤1 kPa.
• ‌Paràmetres operacionals:
• ‌Temperatura d'alimentació‌: 250–280 °C (el sofre bull a 444,6 °C a pressió ambient; el buit redueix el punt d'ebullició a 260–300 °C).
• ‌Ràtio de reflux‌: 5:1–8:1; fluctuació de la temperatura superior de la columna ≤±0,5 °C.
• ‌ProductePuresa del sofre condensat ≥99,99% (grau 4N), impureses metàl·liques totals (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Destil·lació molecular secundària (eliminació d'impureses orgàniques)

• ‌EquipamentDestil·lador molecular de recorregut curt amb un espai d'evaporació-condensació de 10–20 mm, temperatura d'evaporació de 300–320 °C, buit ≤0,1 Pa.
• ‌Separació d'impureses:
  Els compostos orgànics de baix punt d'ebullició (per exemple, tioèters, tiofè) es vaporitzen i s'evacuan, mentre que les impureses d'alt punt d'ebullició (per exemple, poliaromàtics) romanen en els residus a causa de les diferències en el recorregut lliure molecular.
• ‌ProductePuresa del sofre ≥99,999% (grau 5N), carboni orgànic ≤0,001%, taxa de residus <0,3%.

3. Refinació de la zona terciària (assolint la puresa 6N)

• ‌EquipamentRefinador de zona horitzontal amb control de temperatura multizona (±0,1 °C), velocitat de desplaçament de zona d'1 a 3 mm/h.
• ‌Segregació:
  Utilitzant coeficients de segregació (K=Csòlid/ClíquidK=Csòlid/Clíquid​), la zona 20–30 passa metalls concentrats (As, Sb) a l'extrem del lingot. El 10–15% final del lingot de sofre es descarta.

III. Posttractament i conformat ultranet

1. Extracció amb dissolvents ultrapurs

• ‌Extracció d'èter/tetraclorur de carboni:
  El sofre es barreja amb èter de grau cromatogràfic (relació volumètrica 1:0,5) amb assistència ultrasònica (40 kHz, 40 °C) durant 30 minuts per eliminar traces de compostos orgànics polars.
• ‌Recuperació de dissolvents:
  L'adsorció amb tamís molecular i la destil·lació al buit redueixen els residus de dissolvent a ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltració i intercanvi iònic

• ‌Ultrafiltració de membrana de PTFE:
  El sofre fos es filtra a través de membranes de PTFE de 0,02 μm a 160–180 °C i una pressió ≤0,2 MPa.
• ‌Resines d'intercanvi iònic:
  Les resines quelants (per exemple, Amberlite IRC-748) eliminen ions metàl·lics a nivell de ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) a cabals d'1–2 BV/h.

3. Formació d'un entorn ultranet

• ‌Atomització de gas inert:
  En una sala blanca de classe 10, el sofre fos s'atomitza amb nitrogen (pressió de 0,8–1,2 MPa) en grànuls esfèrics de 0,5–1 mm (humitat <0,001%).
• ‌Envasat al buit:
  El producte final es segella al buit en una pel·lícula composta d'alumini sota argó ultrapur (≥99,9999% de puresa) per evitar l'oxidació.

IV. Paràmetres clau del procés

V. Control de qualitat i proves

1. ‌Anàlisi de traces d'impureses:

• ‌GD-MS (Espectrometria de Masses de Descàrrega Luminosa)Detecta metalls a ≤0,01 ppb.
• ‌Analitzador de TOCMesura carboni orgànic ≤0,001 ppm.

1. ‌Control de la mida de les partícules:
   La difracció làser (Mastersizer 3000) garanteix una desviació D50 ≤±0,05 mm.
2. ‌Neteja de la superfície:
   L'XPS (espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X) confirma un gruix d'òxid superficial ≤1 nm.

VI. Seguretat i disseny ambiental

1. ‌Prevenció d'explosions:
   Els detectors de flama infrarojos i els sistemes d'inundació de nitrogen mantenen els nivells d'oxigen <3%
2. ‌Control d'emissions:

• ‌Gasos àcidsEl rentat de NaOH en dues etapes (20% + 10%) elimina ≥99,9% de H₂S/SO₂.
• ‌COVEl rotor de zeolita + RTO (850 °C) redueix els hidrocarburs no metànics a ≤10 mg/m³.

1. ‌Reciclatge de residus:
   La reducció a alta temperatura (1200 °C) recupera metalls; contingut de sofre residual <0,1%.

VII. Mètriques tecnoeconòmiques

• ‌Consum d'energia800–1200 kWh d'electricitat i 2–3 tones de vapor per tona de sofre 6N.
• ‌RendimentRecuperació de sofre ≥85%, taxa de residus <1,5%.
• ‌CostCost de producció ~120.000–180.000 CNY/tona; preu de mercat 250.000–350.000 CNY/tona (grau semiconductor).

Aquest procés produeix sofre 6N per a fotoresistències semiconductores, substrats compostos III-V i altres aplicacions avançades. La monitorització en temps real (per exemple, anàlisi elemental LIBS) i la calibració de sala blanca de classe ISO 1 garanteixen una qualitat constant.

Notes a peu de pàgina

1. Referència 2: Estàndards industrials de purificació de sofre
2. Referència 3: Tècniques avançades de filtració en enginyeria química
3. Referència 6: Manual de processament de materials d'alta puresa
4. Referència 8: Protocols de producció química de grau semiconductor
5. Referència 5: Optimització de la destil·lació al buit