Proces destilace a čištění síry s ultravysokou čistotou 6N s podrobnými parametry

Výroba ultračisté síry o čistotě 6N (≥99,9999 %) vyžaduje vícestupňovou destilaci, hloubkovou adsorpci a ultračistou filtraci, aby se odstranily stopové kovy, organické nečistoty a částice. Níže je uveden proces v průmyslovém měřítku, který integruje vakuovou destilaci, čištění za pomoci mikrovln a technologie přesného následného zpracování.

I. Předúprava surovin a odstranění nečistot

1. Výběr a předúprava surovin

• ‌Požadavky‌: Počáteční čistota síry ≥99,9 % (jakost 3N), celkové kovové nečistoty ≤500 ppm, obsah organického uhlíku ≤0,1 %.
• ‌Tavení s pomocí mikrovln:
  Surová síra se zpracovává v mikrovlnném reaktoru (frekvence 2,45 GHz, výkon 10–15 kW) při teplotě 140–150 °C. Rotace dipólu indukovaná mikrovlnami zajišťuje rychlé tavení a zároveň rozkládá organické nečistoty (např. dehtové sloučeniny). Doba tavení: 30–45 minut; hloubka průniku mikrovln: 10–15 cm
• ‌Promývání deionizovanou vodou:
  Roztavená síra se míchá s deionizovanou vodou (měrný odpor ≥18 MΩ·cm) v hmotnostním poměru 1:0,3 v míchaném reaktoru (120 °C, tlak 2 bary) po dobu 1 hodiny, aby se odstranily ve vodě rozpustné soli (např. síran amonný, chlorid sodný). Vodná fáze se dekantuje a znovu používá po dobu 2–3 cyklů, dokud vodivost nedosáhne ≤5 μS/cm.

2. Vícestupňová adsorpce a filtrace

• ‌Adsorpce křemelinové zeminy/aktivního uhlí:
  Křemelina (0,5–1 %) a aktivní uhlí (0,2–0,5 %) se přidávají do roztavené síry pod ochranou dusíku (130 °C, 2 hodiny míchání) za účelem adsorpce kovových komplexů a zbytkových organických látek.
• ‌Ultra přesná filtrace:
  Dvoustupňová filtrace s použitím titanových sintrovaných filtrů (velikost pórů 0,1 μm) při tlaku systému ≤0,5 MPa. Počet částic po filtraci: ≤10 částic/l (velikost >0,5 μm).

II. Vícestupňový vakuový destilační proces

1. Primární destilace (odstranění kovových nečistot)

• ‌ZařízeníVysoce čistá křemenná destilační kolona s náplní z nerezové oceli 316L (≥15 teoretických pater), vakuum ≤1 kPa.
• ‌Provozní parametry:
• ‌Teplota vstupního proudu250–280 °C (síra varí při 444,6 °C za normálního tlaku; vakuum snižuje bod varu na 260–300 °C).
• ‌Refluxní poměr5:1–8:1; kolísání teploty nahoře kolony ≤±0,5 °C.
• ‌ProduktČistota kondenzované síry ≥99,99 % (jakost 4N), celkové kovové nečistoty (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Sekundární molekulární destilace (odstranění organických nečistot)

• ‌ZařízeníKrátkocenový molekulární destilační přístroj s odpařovací a kondenzační mezerou 10–20 mm, odpařovací teplota 300–320 °C, vakuum ≤0,1 Pa.
• ‌Oddělování nečistot:
  Nízkovroucí organické látky (např. thioethery, thiofen) se odpařují a evakuují, zatímco vysokovroucí nečistoty (např. polyaromatické látky) zůstávají ve zbytcích kvůli rozdílům ve volné dráze molekul.
• ‌ProduktČistota síry ≥99,999 % (jakost 5N), organický uhlík ≤0,001 %, podíl zbytků <0,3 %.

3. Terciární zóna rafinace (dosažení čistoty 6N)

• ‌ZařízeníHorizontální zónová rafinace s vícezónovou regulací teploty (±0,1 °C), rychlost pohybu zóny 1–3 mm/h.
• ‌Segregace:
  S využitím segregačních koeficientů (K=Cpevná látka/CkapalinaK=Cpevná látka /Ckapalina), zóna 20–30 prochází koncentrovanými kovy (As, Sb) na konci ingotu. Zbývajících 10–15 % sirného ingotu se vyhodí.

III. Dodatečná úprava a ultračisté tváření

1. Extrakce ultračistým rozpouštědlem

• ‌Extrakce etherem/tetrachlormethanem:
  Síra se mísí s chromatograficky čistým éterem (objemový poměr 1:0,5) za ultrazvukové asistence (40 kHz, 40 °C) po dobu 30 minut, aby se odstranily stopové množství polárních organických látek.
• ‌Regenerace rozpouštědel:
  Adsorpce molekulárním sítem a vakuová destilace snižují zbytky rozpouštědel na ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltrace a iontová výměna

• ‌Ultrafiltrace z PTFE membrány:
  Roztavená síra se filtruje přes PTFE membrány s velikostí pórů 0,02 μm při teplotě 160–180 °C a tlaku ≤ 0,2 MPa.
• ‌Iontoměničové pryskyřice:
  Chelatační pryskyřice (např. Amberlite IRC-748) odstraňují kovové ionty na úrovni ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) při průtoku 1–2 BV/h.

3. Vytváření ultračistého prostředí

• ‌Atomizace inertním plynem:
  V čisté místnosti třídy 10 se roztavená síra atomizuje dusíkem (tlak 0,8–1,2 MPa) do kulovitých granulí o velikosti 0,5–1 mm (vlhkost <0,001 %).
• ‌Vakuové balení:
  Konečný produkt je vakuově zataven do hliníkové kompozitní fólie pod ultračistým argonem (čistota ≥99,9999 %), aby se zabránilo oxidaci.

IV. Klíčové procesní parametry

V. Kontrola a testování kvality

1. ‌Analýza stopových nečistot:

• ‌GD-MS (hmotnostní spektrometrie s doutnavým výbojem)Detekuje kovy s koncentrací ≤ 0,01 ppb.
• ‌Analyzátor TOCMěří organický uhlík ≤ 0,001 ppm.

1. ‌Řízení velikosti částic:
   Laserová difrakce (Mastersizer 3000) zajišťuje odchylku D50 ≤±0,05 mm.
2. ‌Čistota povrchu:
   XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie) potvrzuje tloušťku povrchového oxidu ≤1 nm.

VI. Bezpečnostní a environmentální design

1. ‌Prevence výbuchu:
   Infračervené detektory plamene a systémy zaplavování dusíkem udržují hladinu kyslíku <3 %
2. ‌Kontrola emisí:

• ‌Kyselé plynyDvoustupňové čištění NaOH (20 % + 10 %) odstraňuje ≥99,9 % H₂S/SO₂.
• ‌VOCZeolitový rotor + RTO (850 °C) redukuje nemetanové uhlovodíky na ≤10 mg/m³.

1. ‌Recyklace odpadu:
   Vysokoteplotní redukce (1200 °C) regeneruje kovy; obsah zbytkové síry <0,1 %.

VII. Technicko-ekonomické ukazatele

• ‌Spotřeba energie800–1200 kWh elektřiny a 2–3 tuny páry na tunu 6N síry.
• ‌Výtěžek‌: Výtěžnost síry ≥85 %, míra zbytků <1,5 %.
• ‌NákladyVýrobní náklady ~120 000–180 000 CNY/tuna; tržní cena 250 000–350 000 CNY/tuna (polovodičová kvalita).

Tento proces produkuje 6N síru pro polovodičové fotorezisty, substráty sloučenin III-V a další pokročilé aplikace. Monitorování v reálném čase (např. elementární analýza LIBS) a kalibrace čistých prostor dle normy ISO třídy 1 zajišťují konzistentní kvalitu.

Poznámky pod čarou

1. Odkaz 2: Průmyslové standardy čištění síry
2. Odkaz 3: Pokročilé filtrační techniky v chemickém inženýrství
3. Odkaz 6: Příručka pro zpracování vysoce čistých materiálů
4. Odkaz 8: Protokoly pro chemickou výrobu polovodičů
5. Odkaz 5: Optimalizace vakuové destilace