Η παραγωγή θείου εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας 6N (καθαρότητα ≥99,9999%) απαιτεί πολυσταδιακή απόσταξη, βαθιά προσρόφηση και εξαιρετικά καθαρή διήθηση για την απομάκρυνση ιχνοστοιχείων μετάλλων, οργανικών ακαθαρσιών και σωματιδίων. Παρακάτω παρουσιάζεται μια διαδικασία βιομηχανικής κλίμακας που ενσωματώνει τεχνολογίες απόσταξης κενού, καθαρισμού με τη βοήθεια μικροκυμάτων και ακριβούς μετεπεξεργασίας.
I. Προεπεξεργασία πρώτων υλών και αφαίρεση ακαθαρσιών
1. Επιλογή και προεπεξεργασία πρώτων υλών
- Απαιτήσεις: Αρχική καθαρότητα θείου ≥99,9% (βαθμός 3N), συνολικές μεταλλικές ακαθαρσίες ≤500 ppm, περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα ≤0,1%.
- Τήξη με τη βοήθεια μικροκυμάτων:
Το ακατέργαστο θείο υποβάλλεται σε επεξεργασία σε αντιδραστήρα μικροκυμάτων (συχνότητα 2,45 GHz, ισχύς 10–15 kW) στους 140–150°C. Η περιστροφή διπόλου που προκαλείται από τα μικροκύματα εξασφαλίζει ταχεία τήξη, ενώ παράλληλα αποσυνθέτει οργανικές ακαθαρσίες (π.χ., ενώσεις πίσσας). Χρόνος τήξης: 30–45 λεπτά· βάθος διείσδυσης μικροκυμάτων: 10–15 cm - Πλύσιμο με απιονισμένο νερό:
Το τηγμένο θείο αναμειγνύεται με απιονισμένο νερό (ειδική αντίσταση ≥18 MΩ·cm) σε αναλογία μάζας 1:0,3 σε αναδευόμενο αντιδραστήρα (120°C, πίεση 2 bar) για 1 ώρα για την απομάκρυνση υδατοδιαλυτών αλάτων (π.χ. θειικό αμμώνιο, χλωριούχο νάτριο). Η υδατική φάση αποχύνεται και επαναχρησιμοποιείται για 2-3 κύκλους μέχρι η αγωγιμότητα να είναι ≤5 μS/cm.
2. Πολυβάθμια προσρόφηση και διήθηση
- Προσρόφηση Γης Διατόμων/Ενεργού Άνθρακα:
Γη διατόμων (0,5–1%) και ενεργός άνθρακας (0,2–0,5%) προστίθενται σε τηγμένο θείο υπό προστασία από άζωτο (130°C, ανάδευση 2 ωρών) για την προσρόφηση μεταλλικών συμπλόκων και υπολειμματικών οργανικών ουσιών. - Φιλτράρισμα εξαιρετικά ακριβείας:
Διήθηση δύο σταδίων με χρήση φίλτρων από τιτάνιο (μέγεθος πόρων 0,1 μm) σε πίεση συστήματος ≤0,5 MPa. Αριθμός σωματιδίων μετά τη διήθηση: ≤10 σωματίδια/L (μέγεθος >0,5 μm).
II. Διαδικασία πολυβάθμιας απόσταξης κενού
1. Πρωτογενής απόσταξη (αφαίρεση μεταλλικών ακαθαρσιών)
- Εξοπλισμός: Στήλη απόσταξης χαλαζία υψηλής καθαρότητας με δομημένο παρέμβυσμα από ανοξείδωτο χάλυβα 316L (≥15 θεωρητικές πλάκες), κενό ≤1 kPa.
- Λειτουργικές παράμετροι:
- Θερμοκρασία τροφοδοσίας: 250–280°C (το θείο βράζει στους 444,6°C υπό πίεση περιβάλλοντος· το κενό μειώνει το σημείο βρασμού στους 260–300°C).
- Αναλογία παλινδρόμησης : 5:1–8:1; διακύμανση θερμοκρασίας άνω μέρους της στήλης ≤±0,5°C.
- Προϊόν: Καθαρότητα συμπυκνωμένου θείου ≥99,99% (βαθμού 4N), συνολικές μεταλλικές ακαθαρσίες (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.
2. Δευτερογενής Μοριακή Απόσταξη (Αφαίρεση Οργανικών Ακαθαρσιών)
- Εξοπλισμός: Μοριακός αποστακτήρας βραχείας διαδρομής με διάκενο εξάτμισης-συμπύκνωσης 10–20 mm, θερμοκρασία εξάτμισης 300–320°C, κενό ≤0,1 Pa.
- Διαχωρισμός ακαθαρσιών:
Οι οργανικές ουσίες χαμηλού σημείου βρασμού (π.χ., θειοαιθέρες, θειοφαίνιο) εξατμίζονται και εκκενώνονται, ενώ οι ακαθαρσίες υψηλού σημείου βρασμού (π.χ., πολυαρωματικές ενώσεις) παραμένουν στα υπολείμματα λόγω διαφορών στην ελεύθερη μοριακή διαδρομή. - Προϊόν: Καθαρότητα θείου ≥99,999% (βαθμός 5N), οργανικός άνθρακας ≤0,001%, ποσοστό υπολειμμάτων <0,3%.
3. Διύλιση Τριτογενούς Ζώνης (Επίτευξη Καθαρότητας 6N)
- Εξοπλισμός: Οριζόντιας ζώνης ραφινάρισμα με έλεγχο θερμοκρασίας πολλαπλών ζωνών (±0,1°C), ταχύτητα ζώνης 1–3 mm/h.
- Χωρισμός:
Χρησιμοποιώντας συντελεστές διαχωρισμού (K=Cστερεό/CυγρόK=CστερεόCυγρό), η ζώνη 20–30 διέρχεται από συμπυκνωμένα μέταλλα (As, Sb) στο άκρο του πλινθώματος. Το τελευταίο 10–15% του πλινθώματος θείου απορρίπτεται.
III. Μετα-επεξεργασία και εξαιρετικά καθαρή διαμόρφωση
1. Εξαιρετικά καθαρή εκχύλιση με διαλύτη
- Εκχύλιση με αιθέρα/τετραχλωράνθρακα:
Το θείο αναμειγνύεται με αιθέρα χρωματογραφικής καθαρότητας (αναλογία όγκου 1:0,5) υπό υπερηχητική βοήθεια (40 kHz, 40°C) για 30 λεπτά για την απομάκρυνση ιχνών πολικών οργανικών ουσιών. - Ανάκτηση Διαλύτη:
Η προσρόφηση με μοριακό κόσκινο και η απόσταξη κενού μειώνουν τα υπολείμματα διαλύτη σε ≤0,1 ppm.
2. Υπερδιήθηση και ανταλλαγή ιόντων
- Υπερδιήθηση μεμβράνης PTFE:
Το τηγμένο θείο διηθείται μέσω μεμβρανών PTFE 0,02 μm στους 160–180°C και πίεση ≤0,2 MPa. - Ρητίνες ανταλλαγής ιόντων:
Οι χηλικές ρητίνες (π.χ., Amberlite IRC-748) απομακρύνουν μεταλλικά ιόντα (Cu²⁺, Fe³⁺) σε επίπεδο ppb με ρυθμούς ροής 1–2 BV/h.
3. Δημιουργία εξαιρετικά καθαρού περιβάλλοντος
- Ατομοποίηση αδρανούς αερίου:
Σε ένα καθαρό δωμάτιο Κλάσης 10, το τηγμένο θείο ψεκάζεται με άζωτο (πίεση 0,8–1,2 MPa) σε σφαιρικούς κόκκους 0,5–1 mm (υγρασία <0,001%). - Συσκευασία κενού αέρος:
Το τελικό προϊόν σφραγίζεται υπό κενό σε σύνθετη μεμβράνη αλουμινίου υπό υπερκαθαρό αργόν (καθαρότητα ≥99,9999%) για την αποφυγή οξείδωσης.
IV. Βασικές παράμετροι διαδικασίας
| Στάδιο Διαδικασίας | Θερμοκρασία (°C) | πίεση | Χρόνος/Ταχύτητα | Βασικός Εξοπλισμός |
| Τήξη σε φούρνο μικροκυμάτων | 140–150 | Περιβάλλων | 30–45 λεπτά | Αντιδραστήρας μικροκυμάτων |
| Πλύσιμο με απιονισμένο νερό | 120 | 2 μπαρ | 1 ώρα/κύκλος | Αναδευόμενος αντιδραστήρας |
| Μοριακή Απόσταξη | 300–320 | ≤0,1 Pa | Συνεχής | Μοριακός Αποστακτήρας Βραχείας Διαδρομής |
| Ζωνική Διύλιση | 115–120 | Περιβάλλων | 1–3 mm/ώρα | Οριζόντιας Ζώνης Καθαριστής |
| Υπερδιήθηση PTFE | 160–180 | ≤0,2 MPa | Ροή 1–2 m³/ώρα | Φίλτρο υψηλής θερμοκρασίας |
| Ατομοποίηση αζώτου | 160–180 | 0,8–1,2 MPa | Κόκκοι 0,5–1 mm | Πύργος Ατομοποίησης |
V. Έλεγχος Ποιότητας και Δοκιμές
- Ανάλυση ιχνών προσμίξεων:
- GD-MS (Φασματομετρία Μάζας Εκκένωσης Λαμπερής Ακτίνας): Ανιχνεύει μέταλλα σε συγκέντρωση ≤0,01 ppb.
- Αναλυτής TOC: Μετρά οργανικό άνθρακα ≤0,001 ppm.
- Έλεγχος μεγέθους σωματιδίων:
Η περίθλαση λέιζερ (Mastersizer 3000) εξασφαλίζει απόκλιση D50 ≤±0,05 mm. - Καθαριότητα επιφάνειας:
Η XPS (Φωτοηλεκτρονική Φασματοσκοπία Ακτίνων Χ) επιβεβαιώνει πάχος οξειδίου στην επιφάνεια ≤1 nm.
VI. Σχεδιασμός Ασφάλειας και Περιβάλλοντος
- Πρόληψη εκρήξεων:
Ανιχνευτές φλόγας υπερύθρων και συστήματα πλημμύρας αζώτου διατηρούν τα επίπεδα οξυγόνου <3% - Έλεγχος εκπομπών:
- Όξινα αέρια: Ο καθαρισμός με NaOH σε δύο στάδια (20% + 10%) απομακρύνει ≥99,9% H₂S/SO₂.
- ΠΟΕ: Ο ρότορας ζεόλιθου + RTO (850°C) μειώνει τους υδρογονάνθρακες εκτός μεθανίου σε ≤10 mg/m³.
- Ανακύκλωση Αποβλήτων:
Η αναγωγή σε υψηλή θερμοκρασία (1200°C) ανακτά μέταλλα· περιεκτικότητα σε θείο υπολειμμάτων <0,1%.
VII. Τεχνοοικονομικά Μετρήματα
- Κατανάλωση ενέργειας: 800–1200 kWh ηλεκτρικής ενέργειας και 2–3 τόνοι ατμού ανά τόνο θείου 6N.
- Απόδοση παραγωγής: Ανάκτηση θείου ≥85%, ποσοστό υπολειμμάτων <1,5%.
- ΚόστοςΚόστος παραγωγής ~120.000–180.000 CNY/τόνο· τιμή αγοράς 250.000–350.000 CNY/τόνο (βαθμός ημιαγωγών).
Αυτή η διαδικασία παράγει θείο 6N για φωτοανθεκτικά ημιαγωγών, υποστρώματα ενώσεων III-V και άλλες προηγμένες εφαρμογές. Η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο (π.χ. στοιχειακή ανάλυση LIBS) και η βαθμονόμηση καθαρού χώρου ISO Κλάσης 1 διασφαλίζουν σταθερή ποιότητα.
Υποσημειώσεις
- Αναφορά 2: Βιομηχανικά πρότυπα καθαρισμού θείου
- Αναφορά 3: Προηγμένες Τεχνικές Διήθησης στη Χημική Μηχανική
- Αναφορά 6: Εγχειρίδιο Επεξεργασίας Υλικών Υψηλής Καθαρότητας
- Αναφορά 8: Πρωτόκολλα παραγωγής χημικών προϊόντων ημιαγωγικής ποιότητας
- Αναφορά 5: Βελτιστοποίηση απόσταξης κενού
Ώρα δημοσίευσης: 02 Απριλίου 2025