CN211871381U - 一种高纯硫酸生产系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高纯硫酸生产系统，包括发烟硫酸原料槽以及与发烟硫酸原料槽连通的蒸发器，蒸发器的气相出口与纯化塔底端连通，纯化塔的气相出口、纯水源和半成品冷却槽与吸收塔连通，半成品冷却槽与吸收塔之间设置有闭合的硫酸半成品回路；纯化塔中设置有冷却盘管和除雾器，除雾器位于冷却盘管上方。该高纯硫酸生产系统采用冷却盘管凝结三氧化硫气体中含有金属离子或者其他杂质的不凝性气体，纯化三氧化硫气体；高纯硫酸生产系统安全系数高，设备使用寿命长。

Description

一种高纯硫酸生产系统

技术领域

本实用新型涉及高纯硫酸生产技术领域，具体涉及一种高纯硫酸生产系统。

背景技术

高纯硫酸为常用的超净高纯微电子化学实际试剂之一，主要应用于于硅晶片的清洗、光刻、腐蚀、印刷电路板的腐蚀和清洗，可有效除去晶片上杂质颗粒、无机残留物和碳沉积物。半导体和集成电路等加工精度的要求逐渐提高，与之配套的超净高纯硫酸产品质量要求也相应提高。

现有技术中的高纯硫酸生产工艺主要包括三氧化硫吸收法和组合膜法。其中三氧化硫吸收法如CN109336065A所述的，包括以下步骤：第一、发烟硫酸经蒸发器生成三氧化硫；第二、三氧化硫经冷凝形成液态三氧化硫；第三、液态的三氧化硫再次经过蒸发器生成气态三氧化硫；第四，采用水或者稀硫酸循环吸收三氧化硫。上述工艺过程中三氧化硫的冷凝和再次蒸发的作用在于进一步提纯三氧化硫，但是该工艺过程步骤复杂，能耗较大。另外，三氧化硫气体具有极强的渗透性，通常冷凝三氧化硫所用换热介质为水，高温的气态三氧化硫穿透换热器与水发生剧烈的放热反应，会引发严重的安全问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种高纯硫酸生产系统，采用该生产系统制备的硫酸纯度高。

为了实现上述技术效果，本实用新型的技术方案为：一种高纯硫酸生产系统，包括发烟硫酸原料槽以及与所述发烟硫酸原料槽连通的蒸发器，所述蒸发器的气相出口与纯化塔底端连通，所述纯化塔的气相出口、纯水源和半成品冷却槽与吸收塔连通，所述半成品冷却槽与吸收塔之间设置有闭合的硫酸半成品回路；

所述纯化塔中设置有冷却盘管和除雾器，所述除雾器位于所述冷却盘管上方。

优选的技术方案为，还包括与半成品冷却槽的低温硫酸储槽，所述低温硫酸储槽与所述冷却盘管之间设置有闭合的冷却介质回路。

优选的技术方案为，所述低温硫酸储槽的出料口与冷却盘管连通的管路上设置有热交换器，或者所述低温硫酸储槽中设置有加热元件。

优选的技术方案为，还包括第一气提塔和第二气提塔，所述半成品冷却槽与第一气提塔的液相进料口连通，所述第一气提塔的液相出料口与第二气提塔的液相进料口连通，所述第一气提塔和第二气提塔的气相进料口与干燥压缩空气气源连通。

高纯硫酸的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1：发烟硫酸导入蒸发器中加热生成三氧化硫气体；

S2：三氧化硫气体导入除雾器中与纯化塔中的冷却盘管换热除杂，得冷凝液相和气相三氧化硫，气相三氧化硫经过除雾，得纯化的三氧化硫气体；

S3：循环吸收S2所得三氧化硫气体，得硫酸半成品；

S4：以干燥压缩空气为气提介质，气提处理S3所得硫酸半成品，得高纯硫酸成品；

所述S2中进入纯化塔的三氧化硫气体进料温度为90～110℃，冷却盘管中冷却介质的温度为40～45℃，经S2换热和除雾处理后的三氧化硫气体出料温度为44～50℃。

优选的，所述冷却盘管中的冷却介质为S3所得硫酸半成品。

优选的，循环吸收三氧化硫气体的稀硫酸温度为65～70℃。

优选的，所述S4中包括连续的两次气提，一次气提的硫酸进料量与空气进料量之比为(12～17)：1，二次气提的硫酸进料量与空气进料量之比为(3～5)：1。

本实用新型的优点和有益效果在于：

该高纯硫酸生产系统采用冷却盘管凝结三氧化硫气体中含有金属离子或者其他杂质的不凝性气体，纯化三氧化硫气体；

经过冷却处理的三氧化硫气体温度降低，降低三氧化硫气体在纯化和吸收反应容器内壁的渗透速率，同时能降低三氧化硫循环吸收过程中的吸收液温度，提高生产安全系数；

经过冷却和除雾处理的三氧化硫出料流量更趋稳定；

高纯硫酸生产系统安全系数高，设备使用寿命长。

附图说明

图1是实施例1-3高纯硫酸生产系统的工艺路线图；

图中：1、发烟硫酸原料槽；2、蒸发器；31、冷却盘管；32、除雾器；4、吸收塔；5、半成品冷却槽；6、低温硫酸储槽；7、纯水源；8、第一气提塔；9、第二气提塔；10、硫酸回收槽；11、缓冲槽；12、第一热交换器；13、第二热交换器；14、成品槽。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

硫酸半成品作为冷却介质

三氧化硫具有极强的渗透性，温度越高，其渗透能力越强。三氧化硫渗透入冷却介质水中，会发生剧烈的放热反应，导致冷却盘管中的温度出现波动，影响三氧化硫的冷却效果，同时会导致相应的安全问题。采用循环吸收三氧化硫得到的硫酸半成品作为冷却介质，冷却介质中的反应剧烈程度降低。为了进一步确保生产安全，优选的冷却盘管中的硫酸半成品的质量分数(溶质质量与溶液质量之比)为96％以上。

除雾器

除雾器的作用在于去除三氧化硫气体中夹杂的细小液滴。常用的三氧化硫除雾器为丝网除雾器。

气提

气提的作用在于去除硫酸中游离的二氧化硫和三氧化硫。优选的，一次汽提的硫酸进料量与空气进料量之比大于二次汽提的硫酸进料量与空气进料量。二次汽提的硫酸进料温度降低，增加空气进料有助于进一步改善游离二氧化硫和三氧化硫的去除效果。

实施例

实施例1-3以三氧化硫含量为三氧化硫含量大于36％的发烟硫酸作为原料，均基于如图1所示的高纯硫酸生产系统：

发烟硫酸原料槽1的出料口与蒸发器2的液相进料口相通，蒸发器2的顶部气相出口与纯化塔底端连通，纯化塔的气相出口与吸收塔4的侧线进气口相通，纯水源7和半成品冷却槽5均与吸收塔4顶部或侧线顶端的液相进料口连通，吸收塔4的底部出料口与半成品冷却槽5连通，吸收塔4与半成品冷却槽5形成硫酸半成品回路；

纯化塔中设置有冷却盘管31和除雾器32，除雾器32位于冷却盘管31上方，纯化塔的气相进料口位于冷却盘管31下方。

半成品冷却槽5与低温硫酸储槽6的进料口相通，低温硫酸储槽6的出料口与冷却盘管31的进料口相通，冷却盘管31的出料口与低温硫酸储槽6相通，低温硫酸储槽6和冷却盘管31形成闭合的冷却介质回路。

低温硫酸储槽6的出料口与冷却盘管31连通的管路上设置有第一热交换器12。半成品冷却槽5的出料口与吸收塔4连通的管路上设置有第二热交换器13。

半成品冷却槽5与第一气提塔8顶部或者侧线顶端的进料口相通，第一气提塔8还与干燥压缩空气气源连通，第一气提塔8的底端液相出料口与第二气提塔9顶部或者侧线顶端的进料口相通，第二气提塔9的底端液相出料口与缓冲槽11连通，缓冲槽11与成品槽14连通，第一气提塔8和第二气提塔9的塔顶气相出料口与硫酸回收槽10连通，硫酸回收槽10还与蒸发器2的底端液相出料口连通。

蒸发器2中设置有蒸汽换热管，蒸汽换热管与蒸汽源连通。

实施例1高纯硫酸生产工艺采用如下工艺步骤：

S1：将发烟硫酸泵入蒸发器中，控制发烟硫酸的流入速度为15000L/h，蒸发器中饱和蒸汽温度为140～160℃，压力为0.6MPa，蒸发器中发烟硫酸温度为100～110℃，蒸发器出料管路的压力为0.02MPa；

S2：纯化塔中冷却盘管中冷却介质为硫酸半成品，冷却介质的温度为40～43℃，冷却介质流速为1m/s，纯化塔三氧化硫进气温度为90～100℃，除雾器型号为PFA丝网除雾器，纯化塔出料管路的压力为0.02MPa，纯化塔出料管路中三氧化硫的温度为44～47℃；

S3：首先导入纯水吸收三氧化硫，三氧化硫与水反应，吸收液的温度升高，吸收液导入半成品冷却槽中经过冷却后导入低温硫酸储槽中，半成品冷却槽出料的部分硫酸半成品还经过第二热交换器加热，回流至吸收塔中循环吸收三氧化硫；

S4：气提除去硫酸半成品中的二氧化硫和三氧化硫：半成品冷却槽出料的硫酸半成品泵入第一气提塔中，第一气提塔底部通入的干燥压缩空气，空气进料量为260kg/h，硫酸进料量为3700kg/h，第一气提塔底部出料的硫酸半成品泵入第二气提塔中，第二气提塔底部通入的干燥压缩空气，空气进料量为1000kg/h，硫酸进料量为3700kg/h。

S5：第二气提塔的底端液相出料导入缓冲槽中，缓冲槽中的硫酸质量分数达到96％时，导出至成品罐。

实施例2

实施例2基于实施例1，区别在于，纯化塔中冷却盘管中冷却介质为硫酸半成品，冷却介质的温度为43～46℃，冷却介质流速为1m/s，纯化塔三氧化硫进气温度为100～110℃，除雾器型号为PFA丝网除雾器，纯化塔出料管路的压力为0.02MPa，纯化塔出料管路中三氧化硫的温度为47～50℃。

实施例3

实施例3基于实施例1，区别在于，仅进行一次气提，一次气提的空气进料量为260kg/h，硫酸进料量为3700kg/h。

对比例

对比例基于实施例，区别在于，纯化塔中冷却盘管中冷却介质为硫酸半成品，冷却介质的温度为50～56℃，冷却介质流速为1m/s，纯化塔三氧化硫进气温度为90～110℃，除雾器型号为PFA丝网除雾，纯化塔出料管路的压力为0.02MPa，纯化塔出料管路中三氧化硫的温度为56～62℃。

对实施例1-2和对比例所得高纯硫酸中的硫酸含量以及各杂质成分进行检测，结果见表1，其中硫酸含量采用氢氧化钠滴定法分析，金属离子含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)检测，颗粒杂质通过液体颗粒仪(LCP)检测，阴离子含量通过液相离子色谱仪(IC)检测。

对比例中纯化塔三氧化硫进气温度与实施例1相同，冷却介质温度高于实施例1，纯化后的三氧化硫循环吸收，对比例所得六段达到与实施例1相近的三氧化硫含量，对比例硫酸中金属离子杂质的含量较实施例1明显增加，说明冷却介质温度的优选有助于金属离子杂质的去除。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种高纯硫酸生产系统，包括发烟硫酸原料槽以及与所述发烟硫酸原料槽连通的蒸发器，其特征在于，所述蒸发器的气相出口与纯化塔底端连通，所述纯化塔的气相出口、纯水源和半成品冷却槽与吸收塔连通，所述半成品冷却槽与吸收塔之间设置有闭合的硫酸半成品回路；

所述纯化塔中设置有冷却盘管和除雾器，所述除雾器位于所述冷却盘管上方。

2.根据权利要求1所述的高纯硫酸生产系统，其特征在于，还包括与半成品冷却槽的低温硫酸储槽，所述低温硫酸储槽与所述冷却盘管之间设置有闭合的冷却介质回路。

3.根据权利要求2所述的高纯硫酸生产系统，其特征在于，所述低温硫酸储槽的出料口与冷却盘管连通的管路上设置有热交换器，或者所述低温硫酸储槽中设置有加热元件。

4.根据权利要求1或2所述的高纯硫酸生产系统，其特征在于，还包括第一气提塔和第二气提塔，所述半成品冷却槽与第一气提塔的液相进料口连通，所述第一气提塔的液相出料口与第二气提塔的液相进料口连通，所述第一气提塔和第二气提塔的气相进料口与干燥压缩空气气源连通。

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