一种从硫铁矿直接生产电子级硫酸的装置及方法与流程

1.本发明涉及电子化学品生产技术领域，特别涉及一种从硫铁矿直接生产电子级硫酸的装置及方法。


背景技术：

2.硫酸，化学式为h2so4，相对分子质量为98.08，是一种无色无味油状液体，是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。硫酸是基本化学工业中重要产品之一。
3.电子级硫酸目前广泛应用于集成电路制作工艺，用作抗蚀剂剥离，最常用的硫酸的浓度在98wt％左右。残留在基片及相关设备上的有机污染物会对正常生产产生不良的影响，电子级硫酸结合过氧化氢或臭氧可在沉积金属前去除基片表面上的有机污染物。
4.电子级硫酸的制备工艺主要有精馏法等。目前应用比较多的是采用发烟硫酸经过高温精馏后得到98wt％左右的电子级硫酸产品。由于硫酸的沸点很高，98wt％的硫酸在常压下的沸点为338℃，因此必须使用电加热丝对硫酸溶液在玻璃容器中进行加热蒸馏，通过该方法在如此高温下操作，不仅存在一定的安全风险，而且由于浓硫酸的强腐蚀性，高温蒸馏出的硫酸会溶解玻璃设备中的部分不纯物，造成了用此方法生产的硫酸很难达到真正符合集成电路要求的电子级标准。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种生产电子级硫酸的装置及方法。
6.一方面，一种生产电子级硫酸的装置，所述装置包括：
7.焙烧装置：用于焙烧硫铁矿或硫磺，产生二氧化硫炉气；
8.与所述焙烧装置连接的净化装置：用于净化所述二氧化硫炉气，得到纯净的二氧化硫炉气；
9.与所述净化装置连接的干燥装置：用于干燥所述纯净的二氧化硫炉气，得到干燥的二氧化硫炉气；
10.与所述干燥装置连接的二氧化硫转化装置：用于将所述干燥的二氧化硫炉气中的二氧化硫转化为三氧化硫，得到三氧化硫气体；
11.与所述二氧化硫转化装置连接的三氧化硫吸收装置：用于吸收所述三氧化硫气体，得到所述电子级硫酸。
12.进一步地，所述焙烧装置包括：沸腾焙烧炉、空气鼓风机和废热锅炉；所述沸腾焙烧炉顶部出口与所述废热锅炉的进口连接，所述空气鼓风机与所述沸腾焙烧炉底部的空气进口连接；
13.所述净化装置包括：旋风除尘器、文氏管、泡沫塔和电除雾器；所述废热锅炉的出口与所述旋风除尘器的进口连接，所述旋风除尘器的出口与所述文氏管的进口连接，所述文氏管的出口与所述泡沫塔的进口连接，所述泡沫塔的出口与所述电除雾器的进口连接；
14.所述干燥装置包括：二氧化硫鼓风机和干燥塔；所述电除雾器的出口与所述干燥塔的气体进口，所述干燥塔的气体出口与所述二氧化硫鼓风机的进口连接；
15.所述二氧化硫转化装置包括：第一气体换热器、第二气体换热器、转化器、第三气体换热器和第四气体换热器；
16.所述第一气体换热器的进口与所述二氧化硫鼓风机的出口和所述转化器第三层的出口连接，所述第一气体换热器的出口与所述第二气体换热器的进口连接；所述第二气体换热器的进口还与所述转化器第一层的出口连接，所述第二气体换热器的出口分别与所述转化器第一层和第二层的进口连接；所述第三气体换热器的进口分别与所述转化器第二层的出口和所述第四气体换热器的出口连接，所述第三气体换热器的出口分别与所述转化器第三层和第四层的进口连接，所述第四气体换热器的进口与所述转化器第四层的出口连接；
17.所述三氧化硫吸收装置包括：中间吸收塔，所述中间吸收塔的气体进口与所述第一气体换热器的出口连接，所述中间吸收塔的气体出口与所述第四气体换热器的进口连接。
18.进一步地，所述三氧化硫吸收装置还包括：最终吸收塔，所述最终吸收塔的气体进口与所述第四气体换热器的出口连接。
19.进一步地，所述中间吸收塔和所述最终吸收塔的顶部均装有纤维除雾器。
20.进一步地，所述干燥塔上连接有第一硫酸循环系统；
21.所述第一硫酸循环系统包括：第一循环槽和第一酸冷却器；
22.所述第一循环槽内装有硫酸和第一酸泵，所述干燥塔的硫酸出口与所述第一循环槽的进口连接，所述第一酸泵的出口与所述第一酸冷却器的进口连接，所述第一酸冷却器的出口与所述干燥塔的进口连接。
23.进一步地，所述中间吸收塔上连接有第二硫酸循环系统；
24.所述第二硫酸循环系统包括：第二循环槽和第二酸冷却器；
25.所述第二循环槽内装有硫酸和第二酸泵，所述中间吸收塔的硫酸出口与所述第二循环槽的进口连接，所述第二酸泵的出口与所述第二酸冷却器的进口连接，所述第二酸冷却器的出口与所述中间吸收塔的进口连接。
26.进一步地，所述最终吸收塔上连接有第三硫酸循环系统；
27.所述第三硫酸循环系统包括：第三循环槽和第三酸冷却器；
28.所述第三循环槽内装有硫酸和第三酸泵，所述最终吸收塔的硫酸出口与所述第三循环槽的进口连接，所述第三酸泵的出口与所述第三酸冷却器的进口连接，所述第三酸冷却器的出口与所述最终吸收塔的进口连接。
29.另一方面，提供了一种生产电子级硫酸的方法，所述装置包括：所述方法包括：
30.焙烧硫铁矿或硫磺，得到二氧化硫炉气；
31.净化所述二氧化硫炉气，得到所述纯净的二氧化硫炉气；
32.干燥所述纯净的二氧化硫炉气，得到干燥的二氧化硫炉气；
33.对所述干燥的二氧化硫炉气，在催化剂存在的条件下，进行氧化反应，得到三氧化硫气体；
34.用浓度为98wt％的硫酸吸收所述三氧化硫气体，得到所述电子级硫酸。
35.进一步地，所述焙烧硫铁矿或硫磺包括：
36.将所述硫铁矿或硫磺粉碎输送至所述沸腾焙烧炉的沸腾床内，与经所述空气鼓风机送入的空气在850℃～1000℃焙烧，产生第一炉气，将所述第一炉气输送至所述废热锅炉冷却至320℃～370℃，得到所述二氧化硫炉气；
37.所述净化所述二氧化硫炉气包括：将所述二氧化硫炉气输送至所述旋风除尘器除尘，得到第二炉气，将所述第二炉气通过所述文氏管输送至所述泡沫塔，将所述第二炉气中所含的三氧化硫从硫酸蒸汽形态转变成酸雾，并将金属氧化物的固态粒子洗涤除去，得到第三炉气，将所述第三炉气输送至所述电除雾器，在高压静电作用除去残存的金属氧化物的固态粒子和矿尘，得到所述纯净的二氧化硫炉气；
38.所述干燥所述纯净的二氧化硫炉气包括：在40℃以下，将所述纯净的二氧化硫炉气输送至所述干燥塔通过浓度为95wt％的硫酸干燥，得到所述干燥的二氧化硫炉气；
39.通过所述二氧化硫鼓风机将所述干燥的二氧化硫炉气输送至所述第一气体换热器中，被所述转化器第三层的三氧化硫气体加热，然后继续输送至所述第二气体换热器中，被所述转化器第一层的三氧化硫气体加热至400℃～440℃，得到第四炉气，将所述第四炉气通过所述第二气体换热器输送至所述转化器的第一层，在钒催化剂的催化作用下，进行氧化反应，得到第五炉气，将所述第五炉气输送至所述第二气体换热器内进行冷却至430℃～440℃，然后进入所述转化器的第二层，在钒催化剂的催化作用下，进行氧化反应，得到第六炉气，将所述第六炉气输送至所述第三气体换热器冷却至400℃～410℃，然后进入所述转化器的第三层，在钒催化剂的催化作用下，进行氧化反应，得到第七炉气，将所述第七炉气输送至所述第一气体换热器冷却至410℃～420℃，得到所述三氧化硫气体；
40.所述吸收所述三氧化硫气体包括：将所述三氧化硫气体输送至所述中间吸收塔，用浓度为98wt％的硫酸进行吸收，得到所述电子级硫酸和第八炉气。
41.进一步地，将所述第八炉气输送至所述第四气体换热器中，被所述转化器第四层的三氧化硫气体加热，然后再输送至所述第三气体换热器中被所述转化器第二层的三氧化硫气体加热至400℃～410℃，得到第九炉气，将所述第九炉气输送至所述转化器的第四层，在钒催化剂的催化作用下，进行氧化反应，将所述第九炉气中的二氧化硫进行最终转化，得到第十炉气，将所述第十炉气输送至所述第四气体换热器中冷却至60℃～80℃，得到所述三氧化硫气体，将所述三氧化硫气体输送至所述最终吸收塔，用浓度为98wt％的电子级硫酸进行吸收，得到所述电子级硫酸。
42.本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在本发明中，通过生产电子级硫酸的装置将硫铁矿或的硫磺焙烧，得到二氧化硫炉气，然后经过净化得到纯净的二氧化硫炉气，继续经过干燥得到干燥的二氧化硫炉气，继续经过转化得到三氧化硫气体，最后将三氧化硫的吸收得到电子级硫酸，能耗低，安全性高，且制得的电子级硫酸更纯，能够符合电子级标准。另外，通过第一气体换热器、第二气体换热器、转化器、第三气体换热器、第四气体换热器、中间吸收塔和最终吸收塔可以将二氧化硫炉气的二氧化硫最大程度上转化为三氧化硫，制备出电子级硫酸，从而可以最大程度上利用资源，节约成本。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1是本发明提供的一种生产电子级硫酸的装置的连接示意图。
45.附图标记：1-沸腾焙烧炉；2-空气鼓风机；3-废热锅炉；4-旋风除尘器；5-文氏管；6-泡沫塔；7-电除雾器；8-二氧化硫鼓风机；9-干燥塔；10-第一气体换热器；11-第二气体换热器；12-转化器；13-第三气体换热器；14-第四气体换热器；15-中间吸收塔；16-最终吸收塔；17-第一循环槽；18-第一酸冷却器；19-第一酸泵；20-第二循环槽；21-第二酸冷却器；22-第二酸泵；23-第三循环槽；24-第三酸冷却器；25-第三酸泵。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
47.参见图1，一种生产电子级硫酸的装置，包括：焙烧装置、净化装置、干燥装置、二氧化硫转化装置和三氧化硫吸收装置；
48.焙烧装置包括：沸腾焙烧炉1、空气鼓风机2和废热锅炉3，沸腾焙烧炉1顶部出口与废热锅炉3的进口连接，空气鼓风机2与沸腾焙烧炉1底部的空气进口连接，用于焙烧硫铁矿或硫磺，产生二氧化硫炉气。
49.净化装置包括：旋风除尘器4、文氏管5、泡沫塔6和电除雾器7，文氏管5、泡沫塔6和电除雾器7都用石英内衬；废热锅炉3的出口与旋风除尘器4的进口连接，旋风除尘器4的出口与文氏管5的进口连接，文氏管5的出口与泡沫塔6的进口连接，泡沫塔6的出口与电除雾器7的进口连接，用于净化二氧化硫炉气，得到纯净的二氧化硫炉气。
50.干燥装置包括：二氧化硫鼓风机8和干燥塔9；电除雾器7的出口与干燥塔9的气体进口，干燥塔9的气体出口与二氧化硫鼓风机8的进口连接，用于干燥纯净的二氧化硫炉气，得到干燥的二氧化硫炉气。干燥塔9上连接有第一硫酸循环系统；第一硫酸循环系统包括：第一循环槽17和第一酸冷却器18；第一循环槽17内装有硫酸和第一酸泵19，干燥塔9的硫酸出口与第一循环槽17的进口连接，第一酸泵19的出口与第一酸冷却器18的进口连接，第一酸冷却器18的出口与干燥塔9的进口连接。
51.二氧化硫转化装置包括：第一气体换热器10、第二气体换热器11、转化器12、第三气体换热器13和第四气体换热器14，转化器12内用石英内衬，第一气体换热器10的进口与二氧化硫鼓风机8的出口和转化器12第三层的出口连接，第一气体换热器10的出口与第二气体换热器11的进口连接；第二气体换热器11的进口还与转化器12第一层的出口连接，第二气体换热器11的出口分别与转化器12第一层和第二层的进口连接；第三气体换热器13的进口分别与转化器12第二层的出口和第四气体换热器14的出口连接，第三气体换热器13的出口分别与转化器12第三层和第四层的进口连接，第四气体换热器14的进口与转化器12第四层的出口连接；用于将干燥的二氧化硫炉气中的二氧化硫转化为三氧化硫，得到三氧化硫气体。
52.三氧化硫吸收装置包括：中间吸收塔15和最终吸收塔16，中间吸收塔15和最终吸收塔16均内衬聚四氟乙烯，中间吸收塔15和最终吸收塔16的顶部均装有纤维除雾器；中间
吸收塔15上连接有第二硫酸循环系统，第二硫酸循环系统包括：第二循环槽20和第二酸冷却器21，第二循环槽20内装有硫酸和第二酸泵22，中间吸收塔15的硫酸出口与第二循环槽20的进口连接，第二酸泵22的出口与第二酸冷却器21的进口连接，第二酸冷却器21的出口与中间吸收塔15的进口连接。最终吸收塔16上连接有第三硫酸循环系统，第三硫酸循环系统包括：第三循环槽23和第三酸冷却器24，第三循环槽23内装有硫酸和第三酸泵25，最终吸收塔16的硫酸出口与第三循环槽23的进口连接，第三酸泵25的出口与第三酸冷却器24的进口连接，第三酸冷却器24的出口与最终吸收塔16的进口连接。中间吸收塔15的气体进口与第一气体换热器10的出口连接，中间吸收塔15的气体出口与第四气体换热器14的进口连接，最终吸收塔16的气体进口与第四气体换热器14的出口连接，用于吸收三氧化硫气体，得到电子级硫酸。
53.通过该生产电子级硫酸的装置生产电子级硫酸的方法具体包括：
54.步骤(1)：将破碎和筛分的硫铁矿或经过干燥的硫磺输送至沸腾焙烧炉1的沸腾床内，与经空气鼓风机2送入的空气在850℃～1000℃焙烧，产生第一炉气，矿渣则从沸腾床经沸腾焙烧炉1下部的排渣口排除，第一炉气从沸腾炉顶部排出输送至废热锅炉3冷却至320℃～370℃，得到二氧化硫炉气，废热锅炉3用以生产3.82mpa、450摄氏度的过热蒸汽，主要的蒸汽蒸发管束设在废热锅炉3内，装设在沸腾焙烧炉1沸腾床内的冷却管也作为废热锅炉热力系统的一部分，与废热锅炉3的汽包连接，用以回收部分焙烧反应热，节约能耗。
55.步骤(2)：将二氧化硫炉气输送至旋风除尘器4除尘，得到第二炉气，经旋风除尘器4除下的矿尘，与沸腾焙烧炉1排出的矿渣一起送往堆渣场；将第二炉气通过文氏管5输送至泡沫塔6，将第二炉气中所含的微量的三氧化硫从硫酸蒸汽形态转变成酸雾，砷、硒和其他一些金属的氧化物则成为固态粒子，从气相中分离出来，得到第三炉气，它们一部分与第三炉气中残存的微量矿尘一起被洗涤除去，另一部分随第三炉气进入电除雾器7，在高压静电作用下被清除干净，得到纯净的二氧化硫炉气。该步骤中排出的高含尘的稀酸送入污水处理系统，经cn过滤器处理后抽回系统循环使用。控制纯净的二氧化硫炉气温度在40℃以下，以保证干燥时的水平衡。
56.步骤(3)：将纯净的二氧化硫炉气输送至干燥塔9中，被循环淋洒的浓度为95wt％左右的硫酸干燥，得到干燥的二氧化硫炉气，由于纯净的二氧化硫炉气被硫酸干燥的过程中放出大量热量，所以在干燥塔的第一硫酸循环系统中设有第一酸冷却器18，用冷却水把热量移走，为了减少气体夹带硫酸雾沫对设备造成的腐蚀，通常在干燥塔9顶部装设丝网除沫器。
57.步骤(4)：通过二氧化硫鼓风机8提升压力，将干燥的二氧化硫炉气输送至第一气体换热器10中，被转化器12第三层的三氧化硫气体加热，然后继续输送至第二气体换热器11中，被转化器12第一层的三氧化硫气体加热至400℃～440℃，得到第四炉气，将第四炉气通过第二气体换热器11输送至转化器12的第一层，将第四炉气中的部分二氧化硫，在钒催化剂的催化作用下，与气体中的氧进行反应，生成三氧化硫并放出反应热，使反应后的气体温度升高，得到第五炉气，为了使未反应的那部分二氧化硫进一步转化，将第五炉气输送至第二气体换热器11内进行冷却至430℃～440℃，然后进入转化器12的第二层，在钒催化剂的催化作用下，进行氧化反应，继续将第五炉气中的二氧化硫转化为三氧化硫，得到第六炉气，将第六炉气输送至第三气体换热器13冷却至400℃～410℃，然后进入转化器12的第三
层，在钒催化剂的催化作用下，进行氧化反应，继续进行转化，使得绝大部分二氧化硫转化为三氧化硫，得到第七炉气，为了达到更高的最终转化率，将第七炉气输送至第一气体换热器10冷却至410℃～420℃，得到三氧化硫气体。
58.步骤(5)：将三氧化硫气体输送至中间吸收塔15，用浓度为98wt％的硫酸三氧化硫气体中的三氧化硫进行吸收，得到所述电子级硫酸，剩余气体为第八炉气。
59.步骤(6)：从中间吸收塔15出来的第八炉气已基本上不含三氧化硫，只含有少量未转化完全的二氧化硫，为使第八炉气达到催化氧化所需要的温度，将第八炉气输送至第四气体换热器14中，被转化器12第四层的三氧化硫气体加热，然后再输送至第三气体换热器13中被转化器12第二层的三氧化硫气体加热至400℃～410℃，得到第九炉气，将第九炉气输送至转化器12的第四层，在钒催化剂的催化作用下，进行氧化反应，将第九炉气中的二氧化硫进行最终转化，得到第十炉气，将第十炉气输送至第四气体换热器14中冷却至60℃～80℃，得到三氧化硫气体，将三氧化硫气体输送至最终吸收塔16，用浓度为98wt％的电子级硫酸进行吸收，得到电子级硫酸。
60.中间吸收塔15和最终吸收塔16分别设置第二硫酸循环系统和第三硫酸循环系统，并分别在第二硫酸循环系统和第三硫酸循环系统中设置第二酸冷却器21和第三酸冷却器24，用以排除吸收反应热，为了除去气体中夹带的硫酸雾沫，在中间吸收塔15和最终吸收塔16的顶部通常装有纤维除雾器，在第二硫酸循环系统、第三硫酸循环系统与第一硫酸循环系统之间设有串酸管线，不断向第一硫酸循环系统补充从第二硫酸循环系统和第三硫酸循环系统来的浓硫酸，使第一硫酸循环系统中的浓硫酸保持规定的浓度。第一硫酸循环系统多余的浓硫酸，移入第二硫酸循环系统和第三硫酸循环系统，浓硫酸中的水分作为补充水的一部分，用于与三氧化硫反应生成硫酸，为了提供由三氧化硫生成硫酸所需要的水分，须不断向第二硫酸循环系统和第三硫酸循环系统中加电子级的超纯水。
61.步骤(7)：将步骤(5)和步骤(6)得到的电子级硫酸使用内衬聚四氟乙烯过滤器的超滤过滤器过滤，得到的电子级硫酸重金属含量小于10ppb，各种阴离子含量小于100ppb。
62.值得说明的是，在本发明中，通过生产电子级硫酸的装置将硫铁矿或的硫磺焙烧，得到二氧化硫炉气，然后经过净化得到纯净的二氧化硫炉气，继续经过干燥得到干燥的二氧化硫炉气，继续经过转化得到三氧化硫气体，最后将三氧化硫的吸收得到电子级硫酸，能耗低，安全性高，且制得的电子级硫酸更纯，能够符合电子级标准。另外，通过第一气体换热器、第二气体换热器、转化器、第三气体换热器、第四气体换热器、中间吸收塔和最终吸收塔可以将二氧化硫炉气的二氧化硫最大程度上转化为三氧化硫，制备出电子级硫酸，从而可以最大程度上利用资源，节约成本。
63.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
64.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。