电子级盐酸的提纯方法(1)

电子级盐酸的提纯方法盐酸，分子式HCl，分子量36.46。化学性质:盐酸是HCl气体的水溶液，纯净的盐酸为无色透明液体。工业品盐酸常因含有杂质而带有黄色，浓盐酸在空气中发烟，有刺激性气味，味酸，有腐蚀性，是一种强酸。它能溶于水，酒精，苯、醚等溶质。质量含量37％的盐酸密度为1.178g/mL。盐酸的密度和氯化氢的百分含量可以按下列公式进行粗略的计算：质量％＝（密度-1）×20.015盐酸是重要的强酸之一，能与很多金属反应，放出氢，生成金属氯化物。工业盐酸之所以显黄色，就是因为其中含有三价铁离子（Fe3）。盐酸与双氧水混合，容易释放出游离氯，也能使盐酸溶液显黄色。提纯方法：盐酸的提纯方法很多，根据实际情况的不同，可以采用不同的提纯技术。目前通常采用的方法有等温扩散法、蒸馏法、、亚沸法、精馏法、离子交换吸附法、气体吸收法等，但在洁净环境中的亚沸（或双亚沸）提纯法效果最好，产品纯度最高。现分别介绍如下：1. 等温扩散法等温扩散法提纯盐酸的特点是设备简单，操作简便，产量小，所得盐酸纯度很高但浓度不高，很适合实验室少量制取低浓度高纯度的盐酸。工艺情况如下：设备可以由硬质玻璃、石英玻璃聚乙烯、PVC等制造，但是最好采用聚乙烯制造，以减小材质中的金属杂质析出取两个相同洁净容器，将其中之一A加入37％盐酸（化学纯），另一洁净容器B加入高纯水。将两容器同时放入另一个较大洁净容器中，分开一定间距，然后将大容器密封。室温环境中放置一周后，打开。容器B中的溶液即为浓度5～10N的高纯盐酸。容器A中浓盐酸的体积与B中高纯水的体积，决定了最终产品的浓度。此方法得到高纯盐酸的纯度主要由B容器本身杂质溶出的程度与高纯水质量所决定。如果对容器杂质溶出、环境的沾污及高纯水质量进行严格控制，可得到纯度极高的盐酸。2.蒸馏法蒸馏法提纯盐酸的特点是设备相对简单，操作简便，产量大，所得盐酸纯度不是很高，浓度也不太高。蒸馏器由石英或者玻璃制造。：工艺情况如下：蒸馏设备必须安装在通风橱内，蒸馏设备包括：蒸馏釜，导气管，冷凝器，原料罐，成品储罐，尾气吸收装置，进料流量计等。将工业盐酸泵入原料储罐内，盐酸羟氨进行处理。也可以在原料罐与蒸馏釜之间串接一个SnCl2（氯化亚锡）柱，主要作用是去除游离氯，另外对As、Fe也有一定的络合作用。另一种方法也可以去除游离氯：用氮气或精制过的HCl或洁净空气吹出游离氯。设备可以由硬质玻璃或石英玻璃制造，但是蒸馏釜最好采用石英玻璃制造，以减小材质中的金属杂质析出。工业盐酸加入塔釜后，加热至沸腾，蒸汽通过导气管进入冷凝器中冷凝，其现象为开始时尾气吸收器中有大量的气泡冒出，这时应调节加热功率与进料速度及冷却水的流量，使尾气吸收器中的气泡缓慢均匀的放出。收集冷凝器中的馏出液进入成品罐。用此方法得到的产品级别为：杂质水平在10-7左右，整个装置的产量是由蒸馏釜体积、加热功率和冷却面积决定的。一般情况下，蒸馏釜体积为15L，加热功率为2kw，冷却面积为0.5m2情况下，产量为2L/h左右。在设备使用的初期阶段，产品中 的Na、Ca2、Mg2、K等杂质的水平会受到冷凝器、成品罐材质杂质的析出影响，随着生产时间的增加，设备材质杂质析出产品质量造成的影响会逐渐降低。如果尾气吸收器采用比较纯的材料，内盛高纯水，也可以在尾气吸收装置中获得高纯盐酸。也有文献记载蒸馏出的HCl气体经过活性炭柱吸附以去除游离氯和其他杂质的报道，但是实际操作中，活性炭必须经过酸洗、浸泡等预处理，否则容易引入新的杂质。即使最干净的活性炭，其中的Fe2离子的浓度也要超过5ppm，所以对游离氯等杂质的去除最好采用预处理的方法，尽量减少流程中的处理以免带来沾污。采用降膜蒸馏法提纯工业盐酸也是一种有效的提纯方法。他的提纯效果高于蒸馏法，与精镏法提纯效果相当。设备相对比较简单，但对设备的安装要求比较严格，操作弹性比较小，但可以大规模生产。降膜塔由原料罐、塔头冷凝器、膜加热管、残液收集器、成品罐、流量计等构成，设备材质为硬质玻璃或石英玻璃。原料的预处理方法与蒸馏法相同。工业盐酸从塔的上端流入，经过成膜器，沿加热列管内壁形成均匀薄厚的液膜，液膜向下流动的过程中逐渐蒸发，在塔头的冷凝器可以得到高纯度的成品盐酸。降膜蒸馏法的工艺特点为：在加热过程中液膜中的HCl和H2O分子剧烈扰动，但汽液相间的界面层的分子受到的束缚力比较小，汽化能量比较低，首先被汽化。这样就能避免因为夹带作用而带来的沾污，因此可以得到纯度很高的盐酸。其产品的金杂水平可以控制在10ppb左右。如果增加膜加热管的长度，降低加热温度，还可以使产品的级别进一步提高，但安装调试难度进一步增大。3.亚沸蒸馏法亚沸蒸馏法是一种进行深度净化的有效提纯方法。亚沸蒸馏法的特点是设备简单、产品质量高（产品中金属杂质的含量一般会低于1ppb甚至更低）、操作简便、产量较大。如果采用双亚沸的方法，可以将绝大多数的金属杂质含量降低到0.1ppb～0.5ppb，如果在对沾污控制非常严格的情况下，可以有望得到金属杂质在0.1ppb以下的产品。双亚沸蒸馏器工艺特点：采用亚沸法制备高纯盐酸，一般都选用石英材料制作亚沸蒸馏器，以免对产品造成沾污。在亚沸蒸馏器中加入试剂级（分析纯或化学纯）盐酸，通过位于液面上方的加热列管中的电炉丝或其他辐射热源，使液面表层产生汽化，可以避免液面内部气泡的产生，从而杜绝了在深度提纯中对产品质量影响极大的雾沫夹带现象的发生。如采用双亚沸蒸馏时，第一个亚沸蒸馏器中的产品通过四氟管道流入第二个亚沸蒸馏器中，经过两次亚沸蒸馏后，可以进一步提高产品质量。亚沸蒸馏初始时，产品浓度较高。如选用32％原料，初始浓度一般可达到36％～38％，随着蒸馏的过程的进行，浓度逐渐降低到恒沸酸的浓度（20.24％）。如果想得到不同浓度的产品，可以在不同的时间段收集不同浓度的馏分。如果设计成连续加料的亚沸蒸馏装置，其馏出浓度由进料速度决定，而塔釜液由溢流管不断排出。亚沸蒸馏装置一般由高位罐、石英亚沸蒸馏器、成品储罐、冷却设备等组成。双亚沸蒸馏器由两个亚沸蒸馏器以及连接的四氟管件组成。4. 精馏法精馏法提纯高纯盐酸是目前的主流技术，其特点是产量大、纯度高、设备相对复杂、操作比较复杂、设备设计加工难度高、但可以制成较大规模设备。如果沾污控制得当，设备设计、加工比较科学合理，其产品金属杂质可以控制在1ppb～0.2ppb以下。盐酸精馏塔主要由原料输入泵、原料储罐、流量计、精馏塔釜、精馏柱、冷凝器、成品储罐，如需控制颗粒，还需要过滤器、超净台及相应管线组成。其中，精馏柱分为提馏段和精馏段。进料方式可以采用连续进料方式或间歇进料式。在换热效率一定的情况下，产品的浓度由进料速度决定。精馏塔的设计、加工水平体现很高的技术含金量。目前，虽然有很多单位采用精馏塔作为盐酸提纯的主要设备，但是一些精馏塔提纯产率很低，也有的精馏塔提纯后盐酸的纯度不高，这些都是由于精馏塔的设计不合理、加工不规范造成的。在高纯盐酸的研制中，我们采用的是填料精馏塔，其主要功能都是为了使上升蒸气与回流液体充分接触，保证气液两相之间能在良好的条件下进行质量与热量的传递。在酸的精馏过程中，液泛、爆沸、雾沫夹带都将导致精馏效率的下降，而使产品质量受到影响，尤其是对SemiC8、SemiC12级产品质量的影响更大。因为在液体精馏过程中产生的液泛、爆沸、雾沫夹带等使可溶性杂质及不容性颗粒附在气泡和液体界面上并在精馏中进入气流中，因此可以预见所有这些杂质及颗粒都将会在气流的夹带下进入产品。在精馏塔中增加了二次加热，为蒸气气液界面平稳进行提供了更高的热交换效率。二次加热可以消除在精馏过程中产生的液泛、爆沸、雾沫夹带等不利因素带来的影响而在塔内提供第二次汽化点，使液泡充分汽化，减少了可溶性杂质及颗粒夹带进入气相中，使产品的质量得到保证。我们的精馏塔的特点是使用了反向环，它与填料结合，使沸点较高的组分通过整流，在精馏塔的中央区域向下运动，因此形成明显的平稳汽化，并且填料柱作为有效的逆流杂质洗涤器，反向连续洗涤上升的气体，并使杂质及颗粒返回塔釜。这一特点确保了平稳有效的汽化，进一步洗涤蒸气和回流液体组分以及重新组合气相在精馏塔中的分布。在平稳对流的过程中，沸点较低的组分从中心区域扩散至内壁液化，然后通过反向环进入中央区域升温汽化，在精馏过程中，内回流作用结合反向环能有效的去除可溶性杂质和不溶性颗粒，进一步提高了精馏塔的提纯效率。我们设计的连续精馏塔的特点：１　生产过程连续化，提高了生产能力。２　工艺操作简单，稳定性好。３　塔中增加了二次汽化点，使液泛、爆沸、雾沫夹带等对产品的影响降至更小。４　在塔中增加了反向环，在精馏中起到了进一步平衡对流作用，以保证产品质量。