6N ultramagas tisztaságú kéndesztillációs és tisztítási eljárás részletes paraméterekkel

A 6N (≥99,9999%-os tisztaságú) ultranagy tisztaságú kén előállításához többlépcsős desztillációra, mély adszorpcióra és ultratiszta szűrésre van szükség a nyomokban jelenlévő fémek, szerves szennyeződések és részecskék eltávolítása érdekében. Az alábbiakban egy ipari méretű folyamatot mutatunk be, amely vákuumdesztillációt, mikrohullámú tisztítást és precíziós utókezelési technológiákat ötvöz.

I. Nyersanyag-előkezelés és szennyeződések eltávolítása

‌1. Nyersanyag-kiválasztás és előkezelés‌

• ‌Követelmények‌: Kezdeti kénmentesség ≥99,9% (3N minőségű), összes fémszennyeződés ≤500 ppm, szerves széntartalom ≤0,1%.
• ‌Mikrohullámú sütővel segített olvasztás‌:
  A nyers ként mikrohullámú reaktorban (2,45 GHz frekvencia, 10–15 kW teljesítmény) dolgozzák fel 140–150 °C-on. A mikrohullámú sütő által kiváltott dipólusforgatás gyors olvadást biztosít, miközben a szerves szennyeződések (pl. kátrányvegyületek) lebomlanak. Olvadási idő: 30–45 perc; mikrohullámú behatolási mélység: 10–15 cm.
• ‌Ioncserélt vizes mosás‌:
  Az olvadt ként ioncserélt vízzel (ellenállás ≥18 MΩ·cm) 1:0,3 tömegarányban kevertetik egy keverős reaktorban (120°C, 2 bar nyomás) 1 órán át, hogy eltávolítsák a vízben oldódó sókat (pl. ammónium-szulfát, nátrium-klorid). A vizes fázist dekantálják, és 2-3 ciklusban újra felhasználják, amíg a vezetőképesség ≤5 μS/cm nem lesz.

2. Többlépcsős adszorpció és szűrés

• ‌Kovaföld/aktív szén adszorpció‌:
  Nitrogénvédelem alatt (130°C, 2 órás keverés) kovaföldet (0,5–1%) és aktív szenet (0,2–0,5%) adnak az olvadt kénhez a fémkomplexek és a maradék szerves anyagok adszorbeálására.
• ‌Ultraprecíziós szűrés‌:
  Kétlépcsős szűrés titán szinterezett szűrőkkel (0,1 μm pórusméretű) ≤0,5 MPa rendszernyomáson. Szűrés utáni részecskeszám: ≤10 részecske/l (méret >0,5 μm).

II. Többlépcsős vákuumdesztillációs eljárás

‌1. Elsődleges desztilláció (fémszennyeződések eltávolítása)‌

• ‌Felszerelés‌: Nagy tisztaságú kvarc desztillációs oszlop 316L rozsdamentes acél töltettel (≥15 elméleti tányérnyomás), vákuum ≤1 kPa.
• ‌Működési paraméterek‌:
• ‌Betáplálási hőmérséklet‌: 250–280 °C (a kén forráspontja 444,6 °C környezeti nyomáson; vákuumban a forráspont 260–300 °C-ra csökken).
• ‌Reflux arány‌: 5:1–8:1; az oszlop tetejének hőmérséklet-ingadozása ≤±0,5°C.
• ‌Termék‌: Kondenzált kén tisztasága ≥99,99% (4N minőségű), összes fémszennyeződés (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Másodlagos molekuláris desztilláció (szerves szennyeződések eltávolítása)

• ‌FelszerelésRövidutas molekuláris desztilláló 10–20 mm-es párolgási-kondenzációs réssel, párolgási hőmérséklet 300–320 °C, vákuum ≤0,1 Pa.
• ‌Szennyeződések elválasztása‌:
  Az alacsony forráspontú szerves anyagok (pl. tioéterek, tiofén) elpárolognak és evakuálódnak, míg a magas forráspontú szennyeződések (pl. poliaromás vegyületek) a molekuláris szabad út különbségei miatt a maradékokban maradnak.
• ‌Termék‌: Kén tisztasága ≥99,999% (5N minőségű), szerves szén ≤0,001%, maradványtartalom <0,3%.

‌3. Harmadlagos zóna finomítása (6N tisztaság elérése)‌

• ‌Felszerelés‌: Vízszintes zónás finomító többzónás hőmérséklet-szabályozással (±0,1°C), zóna haladási sebessége 1–3 mm/h.
• ‌Elkülönítés‌:
  Szegregációs együtthatók (K=Cszilárd/CfolyékonyK=Cszilárd​/Cfolyékony), a 20–30 zóna tömény fémeket (As, Sb) vezet át a tuskó végén. A kén tuskó fennmaradó 10–15%-át eldobják.

III. Utókezelés és ultratiszta formázás

‌1. Ultratiszta oldószeres extrakció‌

• ‌Éter/szén-tetraklorid extrakció‌:
  A ként kromatográfiás minőségű éterrel (1:0,5 térfogatarány) keverik ultrahangos rásegítéssel (40 kHz, 40 °C) 30 percig a poláris szerves anyagok nyomainak eltávolítása érdekében.
• ‌Oldószer-visszanyerés‌:
  A molekulaszita adszorpció és a vákuumdesztilláció ≤0,1 ppm-re csökkenti az oldószer-maradványokat.

2. Ultrafiltráció és ioncsere

• ‌PTFE membrán ultraszűrés‌:
  Az olvadt ként 0,02 μm-es PTFE membránokon szűrjük 160–180 °C-on és ≤0,2 MPa nyomáson.
• ‌Ioncserélő gyanták‌:
  A kelátképző gyanták (pl. Amberlite IRC-748) 1–2 BV/h áramlási sebességgel távolítják el a ppb-szintű fémionokat (Cu²⁺, Fe³⁺).

‌3. Ultratiszta környezet kialakítása‌

• ‌Inert gáz porlasztás‌:
  Egy 10-es osztályú tisztatérben az olvadt ként nitrogénnel (0,8–1,2 MPa nyomás) 0,5–1 mm-es gömb alakú granulátumokká porlasztják (nedvességtartalom <0,001%).
• ‌Vákuumcsomagolás‌:
  A végterméket ultratiszta argon (≥99,9999%-os tisztaság) alatt, alumínium kompozit fóliába vákuumzárással zárják az oxidáció megakadályozása érdekében.

IV. Kulcsfontosságú folyamatparaméterek

V. Minőségellenőrzés és tesztelés

1. ‌Nyomokban előforduló szennyeződések elemzése‌:

• ‌GD-MS (fénykisüléses tömegspektrometria)‌: ≤0,01 ppb koncentrációjú fémeket érzékel.
• ‌TOC analizátor‌: Szerves szén mérése ≤0,001 ppm.

1. ‌Részecskeméret-szabályozás‌:
   A lézerdiffrakció (Mastersizer 3000) biztosítja a ≤±0,05 mm D50 eltérést.
2. ‌Felületi tisztaság‌:
   Az XPS (röntgen-fotoelektron-spektroszkópia) igazolja a felületi oxid vastagságát ≤1 nm.

VI. Biztonsági és környezetbarát tervezés

1. ‌Robbanásmegelőzés‌:
   Az infravörös lángérzékelők és a nitrogénes elárasztó rendszerek <3%-os oxigénszintet biztosítanak
2. ‌Kibocsátásszabályozás‌:

• ‌Savas gázok‌: A kétlépcsős NaOH-os mosás (20% + 10%) eltávolítja a ≥99,9%-os H₂S/SO₂-t.
• ‌VOC-k‌: A zeolit ​​rotor + RTO (850°C) ≤10 mg/m³ értékre csökkenti a nem metán szénhidrogének mennyiségét.

1. ‌Hulladék újrahasznosítás‌:
   Magas hőmérsékletű redukció (1200 °C) fémeket nyer vissza; a maradék kéntartalom <0,1%.

VII. Technoökonómiai mutatók

• ‌Energiafogyasztás‌: 800–1200 kWh villamos energia és 2–3 tonna gőz tonna 6N kénhez képest.
• ‌Hozam‌: Kénkitermelés ≥85%, maradékanyag-arány <1,5%.
• ‌Költség‌: Termelési költség ~120 000–180 000 CNY/tonna; piaci ár 250 000–350 000 CNY/tonna (félvezető minőségű).

Ez az eljárás 6N ként állít elő félvezető fotorezisztekhez, III-V vegyület szubsztrátokhoz és más fejlett alkalmazásokhoz. A valós idejű monitorozás (pl. LIBS elemanalízis) és az ISO 1. osztályú tisztatéri kalibrálás biztosítja az állandó minőséget.

Lábjegyzetek

1. 2. hivatkozás: Ipari kéntisztítási szabványok
2. 3. hivatkozás: Fejlett szűrési technikák a vegyészmérnöki tudományokban
3. 6. hivatkozás: Nagy tisztaságú anyagok feldolgozásának kézikönyve
4. 8. hivatkozás: Félvezető minőségű vegyipari gyártási protokollok
5. 5. hivatkozás: Vákuumdesztilláció optimalizálása