Proceso de destilación y purificación de azufre de ultraalta pureza 6N con parámetros detallados

La producción de azufre ultrapuro 6N (≥99,9999 %) requiere destilación multietapa, adsorción profunda y filtración ultralimpia para eliminar trazas de metales, impurezas orgánicas y partículas. A continuación, se presenta un proceso a escala industrial que integra tecnologías de destilación al vacío, purificación asistida por microondas y postratamiento de precisión.

I. Pretratamiento de la materia prima y eliminación de impurezas

1. Selección de materia prima y pretratamiento

• ‌Requisitos‌: Pureza inicial de azufre ≥99,9 % (grado 3N), impurezas metálicas totales ≤500 ppm, contenido de carbono orgánico ≤0,1 %.
• ‌Fusión asistida por microondas:
  El azufre crudo se procesa en un reactor de microondas (frecuencia de 2,45 GHz, potencia de 10-15 kW) a 140-150 °C. La rotación dipolar inducida por microondas garantiza una fusión rápida mientras se descomponen las impurezas orgánicas (p. ej., compuestos de alquitrán). Tiempo de fusión: 30-45 minutos; profundidad de penetración de las microondas: 10-15 cm.
• ‌Lavado con agua desionizada:
  El azufre fundido se mezcla con agua desionizada (resistividad ≥18 MΩ·cm) en una proporción másica de 1:0,3 en un reactor agitado (120 °C, 2 bar de presión) durante una hora para eliminar las sales hidrosolubles (p. ej., sulfato de amonio, cloruro de sodio). La fase acuosa se decanta y se reutiliza durante 2 o 3 ciclos hasta alcanzar una conductividad ≤5 μS/cm.

2. Adsorción y filtración multietapa

• ‌Adsorción de tierra de diatomeas/carbón activado:
  Se añaden tierra de diatomeas (0,5-1 %) y carbón activado (0,2-0,5 %) al azufre fundido bajo protección de nitrógeno (130 °C, agitación durante 2 horas) para adsorber complejos metálicos y residuos orgánicos.
• ‌Filtración de ultraprecisión:
  Filtración en dos etapas con filtros de titanio sinterizado (tamaño de poro de 0,1 μm) a una presión del sistema de ≤0,5 MPa. Recuento de partículas tras la filtración: ≤10 partículas/L (tamaño >0,5 μm).

II. Proceso de destilación al vacío multietapa

1. Destilación primaria (eliminación de impurezas metálicas)

• ‌Equipo‌: Columna de destilación de cuarzo de alta pureza con empaque estructurado de acero inoxidable 316L (≥15 platos teóricos), vacío ≤1 kPa.
• ‌Parámetros operativos:
• ‌Temperatura de alimentación‌: 250–280 °C (el azufre hierve a 444,6 °C bajo presión ambiente; el vacío reduce el punto de ebullición a 260–300 °C).
• ‌Relación de reflujo‌: 5:1–8:1; fluctuación de temperatura en la parte superior de la columna ≤±0,5 °C.
• ‌Producto‌: Pureza del azufre condensado ≥99,99 % (grado 4N), impurezas metálicas totales (Fe, Cu, Ni) ≤1 ppm.

2. Destilación molecular secundaria (eliminación de impurezas orgánicas)

• ‌Equipo‌: Destilador molecular de recorrido corto con espacio de evaporación-condensación de 10–20 mm, temperatura de evaporación 300–320 °C, vacío ≤0,1 Pa.
• ‌Separación de impurezas:
  Los compuestos orgánicos de bajo punto de ebullición (por ejemplo, tioéteres, tiofeno) se vaporizan y se evacuan, mientras que las impurezas de alto punto de ebullición (por ejemplo, poliaromáticos) permanecen en los residuos debido a las diferencias en el camino libre molecular.
• ‌Producto‌: Pureza del azufre ≥99,999 % (grado 5N), carbono orgánico ≤0,001 %, tasa de residuos <0,3 %.

3. Refinación de la zona terciaria (logrando una pureza de 6N)

• ‌Equipo‌: Refinador de zona horizontal con control de temperatura multizona (±0,1 °C), velocidad de desplazamiento de la zona 1–3 mm/h.
• ‌Segregación:
  Utilizando coeficientes de segregación (K=Csólido/ClíquidoK=Csólido/CLíquido), 20-30 pasadas de zona concentran los metales (As, Sb) en el extremo del lingote. El 10-15 % restante del lingote de azufre se descarta.

III. Postratamiento y Conformado Ultralimpio

1. Extracción con solventes ultrapuros

• ‌Extracción de éter/tetracloruro de carbono:
  El azufre se mezcla con éter de grado cromatográfico (relación de volumen 1:0,5) con asistencia ultrasónica (40 kHz, 40 °C) durante 30 minutos para eliminar trazas de compuestos orgánicos polares.
• ‌Recuperación de disolventes:
  La adsorción por tamiz molecular y la destilación al vacío reducen los residuos de disolvente a ≤0,1 ppm.

2. Ultrafiltración e intercambio iónico

• ‌Ultrafiltración con membrana de PTFE:
  El azufre fundido se filtra a través de membranas de PTFE de 0,02 μm a 160–180 °C y ≤0,2 MPa de presión.
• ‌Resinas de intercambio iónico:
  Las resinas quelantes (por ejemplo, Amberlite IRC-748) eliminan iones metálicos a nivel de ppb (Cu²⁺, Fe³⁺) a velocidades de flujo de 1 a 2 BV/h.

3. Formación de un entorno ultralimpio

• ‌Atomización de gas inerte:
  En una sala limpia de clase 10, el azufre fundido se atomiza con nitrógeno (presión de 0,8 a 1,2 MPa) en gránulos esféricos de 0,5 a 1 mm (humedad <0,001 %).
• ‌Envasado al vacío:
  El producto final se sella al vacío en una película compuesta de aluminio bajo argón ultrapuro (≥99,9999 % de pureza) para evitar la oxidación.

IV. Parámetros clave del proceso

V. Control de calidad y pruebas

1. ‌Análisis de trazas de impurezas:

• ‌GD-MS (espectrometría de masas de descarga luminiscente)‌: Detecta metales a ≤0,01 ppb.
• ‌Analizador de TOC‌: Mide carbono orgánico ≤0,001 ppm.

1. ‌Control del tamaño de partículas:
   La difracción láser (Mastersizer 3000) garantiza una desviación D50 de ≤±0,05 mm.
2. ‌Limpieza de superficies:
   La XPS (espectroscopia de fotoelectrones de rayos X) confirma que el espesor del óxido de la superficie es ≤1 nm.

VI. Diseño de seguridad y ambiental

1. ‌Prevención de explosiones:
   Los detectores de llama infrarrojos y los sistemas de inundación con nitrógeno mantienen los niveles de oxígeno <3%
2. ‌Control de emisiones:

• ‌Gases ácidos‌: La depuración con NaOH en dos etapas (20 % + 10 %) elimina ≥99,9 % de H₂S/SO₂.
• ‌COV‌: Rotor de zeolita + RTO (850°C) reduce los hidrocarburos no metánicos a ≤10 mg/m³.

1. ‌Reciclaje de residuos:
   La reducción a alta temperatura (1200°C) recupera metales; contenido de azufre del residuo <0,1%.

VII. Métricas tecnoeconómicas

• ‌Consumo de energía‌: 800–1200 kWh de electricidad y 2–3 toneladas de vapor por tonelada de azufre 6N.
• ‌Producir‌: Recuperación de azufre ≥85%, tasa de residuos <1,5%.
• ‌Costo‌: Costo de producción ~120.000–180.000 CNY/tonelada; precio de mercado 250.000–350.000 CNY/tonelada (grado semiconductor).

Este proceso produce azufre 6N para fotorresistencias semiconductoras, sustratos compuestos III-V y otras aplicaciones avanzadas. La monitorización en tiempo real (p. ej., análisis elemental LIBS) y la calibración ISO Clase 1 en salas blancas garantizan una calidad constante.

Notas al pie

1. Referencia 2: Normas de purificación de azufre industrial
2. Referencia 3: Técnicas avanzadas de filtración en ingeniería química
3. Referencia 6: Manual de procesamiento de materiales de alta pureza
4. Referencia 8: Protocolos de producción química de grado semiconductor
5. Referencia 5: Optimización de la destilación al vacío