一种利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的方法及生产系统与流程

1.本发明涉及电子化学试剂生产领域，具体而言，涉及一种利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的方法及生产系统。


背景技术：

2.随着半导体技术的迅速发展，对超净高纯试剂的要求越来越高。在集成电路 (ic)的加工过程中，超净高纯试剂主要用于芯片及硅圆片表面的清洗和刻蚀，其纯度和洁净度对集成电路的成品率、电性能及可靠性有着十分重大的影响。超净试剂盐酸作为一种重要的微电子化学品已经广泛用于半导体、大规模集成电路加工过程中的清洗、干燥等方面。
3.目前电子化学品试剂盐酸的生产主要采用的生产技术为精馏法。如现有技术中公开号为cn103213947b的专利公开了一种利用精馏法生产试剂盐酸的工艺，该工艺包括选料，选浓度为36～38％的盐酸溶液为原料；稀释，用去离子水将原料稀释至35％；精馏，将稀释后的原料添加到内热式的精馏设备中，并向盐酸吸收器内通入冷却水，同时启动内热装置开始对原料加热；吸收，当原料被加热蒸发生成气态盐酸与水蒸气后，气态盐酸与水蒸气通过管路在盐酸吸收器内重新形成盐酸溶液，此时再持续向精馏设备中添加原料，同时打开排渣阀；拼配，再将盐酸溶液抽到混合罐中，在混合罐内进行拼配处理，控制在37％左右；过滤分装，将拼配后的盐酸溶液通过过滤器过滤成成品盐酸溶液，然后进行分装。该方法虽然能够制得较高纯度的盐酸，但是该方法还存在以下缺点：一是在加热时采用电阻丝列管式加热，能耗很大，列管内部由于长时间受热内表面产生垢状物影响热传导效率，而且极易产生危险；二是产出率低，粗品盐酸在塔釜内受热在112℃时形成18％左右(氯化氢和水比例恒定)的共沸物，在连续生产中原料连续加入塔内，而残液也连续排出，排出的残液中氯化氢的含量近20％，产出率仅60％左右，排出的残液造成环境污染，也给环保设施带来极大的负担。
4.随着环保问题日益突出，化工生产领域节能减排的呼声越来越高，现有技术中公开号为cn110127615a的专利公开了一种利用曼海姆炉生产硫酸钾过程中产生的盐酸在线纯化方法，从曼海姆炉出来的气体经冷却器冷却，然后依次进入一级洗涤塔、二级洗涤塔、三级降膜吸收塔及四级洗涤塔后排空；去离子水对环保尾气进行洗涤吸收后得到的洗涤液依次进入二级洗涤塔和一级洗涤塔进行洗涤，最后得到盐酸b，盐酸b进入蒸馏塔进行蒸馏，蒸馏出来的馏分经冷却得到食品级盐酸，去离子水对四级洗涤塔内的氯化氢气体进行洗涤，进入三级降膜吸收塔吸收氯化氢气体，以及蒸馏塔蒸馏出来的气体进入三级降膜吸收塔吸收得到盐酸a；蒸馏塔所需热量由为曼海姆炉提供热量的燃烧室产生的尾气提供。该现有技术虽然将曼海姆炉排出的尾气有效利用了起来，但是经过洗涤塔后得到的盐酸仍旧需要进入蒸馏塔进行蒸馏，对设备材料即供热方式要求较高，调查研究显示大部分企业在利用该方法生产盐酸时，均采用小设备多套生产，操作人员配制又少，存在较大的安全隐患。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的方法及生产系统，以解决现有技术中生产试剂盐酸时能耗高、产出率低、生产规模小的问题。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的方法，包括如下步骤：曼海姆炉排出的尾气进入硫酸洗涤塔，用浓硫酸吸收杂质气体，硫酸洗涤塔排出的气体经过依次经过一级洗涤塔、一级过滤器、二级洗涤塔、三级洗涤塔、二级过滤器，且所述三级洗涤塔的下部通过液相管道与二次洗涤塔连通，使得三级洗涤塔通过管道向二级洗涤塔中补液，同时所述二级洗涤塔外部的循环通道上加装有换热器，换热器与冷冻机连通，冷冻机将换热器的循环水降温至低于5℃。在低温下，在二级洗涤塔中的循环水能够一直循环吸收氯化氢气体，使得最后的盐酸浓度能达到接近36%，提高对氯化氢气体的吸收能力，进而提高最终得到的试剂盐酸的浓度。
7.进一步的，所述一级过滤器内部前端放置玻璃纤维，后端放置活性炭过滤，用于滤除有机物及金属离子。
8.进一步的，所述二级过滤器采用树脂罐，用于过滤金属离子。
9.进一步的，所述一级过滤器内部放置玻璃纤维和膨胀石墨。膨胀石墨对金属离子有具有良好的吸附去除能力，有效降低最终得到的试剂盐酸中铁铜等金属离子的含量。
10.进一步的，所述膨胀石墨表面负载壳聚糖。
11.进一步的，所述膨胀石墨的制备方法为：将备用膨胀石墨放入32%的盐酸溶液中搅拌后过滤、洗涤，在105℃的条件下干燥，再用水缓慢溶解壳聚糖，配置成壳聚糖溶液，将干燥后的膨胀石墨缓慢加入到壳聚糖溶液中，搅拌使之充分混合均匀，110℃下干燥6h后得壳聚糖/膨胀石墨吸附剂。
12.进一步的，所述壳聚糖与膨胀石墨的质量比为1:20。
13.进一步的，所述一级洗涤塔、二级洗涤塔和三级洗涤塔均采用纯水洗涤。
14.进一步的，所述硫酸洗涤塔内利用p105循环泵将浓硫酸打到塔顶附近的喷淋头内，形成一个塔内循环。
15.本发明还提供了一种利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的生产系统，包括上述所述的方法，所述生产系统包括曼海姆炉、硫酸洗涤塔、一级洗涤塔、一级过滤器、二级洗涤塔、三级洗涤塔和二级过滤器，硫酸洗涤塔的输入端与曼海姆炉连接，硫酸洗涤塔的输出端与一级洗涤塔连接，一级洗涤塔的输出端与一级过滤器连接，在一级过滤器之后依次设置有二级洗涤塔、三级洗涤塔和二级过滤器。
16.相对于现有技术，本发明所述的利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的方法，具有以下优势：本发明增加一级过滤器和二级过滤器对试剂盐酸生产过程中的气相或盐酸溶液盐酸进行多次过滤，不需要蒸馏即可得到高纯试剂盐酸，克服了精馏法生产试剂盐酸中各种弱点，实现了连续规模化生产。
17.本发明能耗低，产出率高，可大规模生产，大部分副产物可以作为其他生产工艺的工业原料使用，并实现了气体吸收法生产高纯、高浓度(36～38％)盐酸，克服了传统气体吸收法只能生产31～32％的盐酸。
18.采用的原料是曼海姆炉生产硫酸钾工艺的副产物的副产物，便宜量大，通过两次吸收以及过滤大量生产出38%左右的试剂盐酸，降低了生产成本，并且副产物都作为其他生产工艺的原料，降低了能耗。
附图说明
19.图1为本发明实施例所述的生产试剂盐酸的生产系统；图2为本发明实施例所述的生产试剂盐酸工艺中一级洗涤和一级过滤工艺；图3为本发明实施例所述的生产试剂盐酸工艺中二级洗涤工艺；图4为本发明实施例所述的生产试剂盐酸工艺中三级洗涤工艺；图5为本发明实施例所述的生产试剂盐酸工艺中二级过滤工艺。
20.附图标记说明：曼海姆炉1，硫酸洗涤塔2，第四气体入口21，第四体出口22，一级洗涤塔3，第一气体入口31，第一气体出口32，第一循环泵33，第一液相出口34，第二循环泵35，一级过滤器4，二级洗涤塔5，第二气体入口51，第二气体出口52，第二液相出口53，第三循环泵54，换热器55，冷冻机56，三级洗涤塔6，第三气体入口61，第三气体出口62，第四循环泵63，第三液相出口64，二级过滤器7，尾气处理塔8。
具体实施方式
21.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
22.一种利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的方法，包括如下步骤：曼海姆炉排出的尾气进入硫酸洗涤塔，用浓硫酸吸收杂质气体，硫酸洗涤塔排出的气体经过依次经过一级洗涤塔、一级过滤器、二级洗涤塔、三级洗涤塔、二级过滤器，且所述三级洗涤塔的下部通过液相管道与二次洗涤塔连通，使得三级洗涤塔通过管道向二级洗涤塔中补液，同时所述二级洗涤塔外部的循环通道上加装有换热器，换热器与冷冻机连通，冷冻机将换热器的循环水降温至低于5℃。
23.进一步的，所述一级过滤器内部前端放置玻璃纤维，后端放置活性炭过滤，用于滤除有机物及金属离子。
24.进一步的，所述二级过滤器采用树脂罐，用于过滤金属离子。
25.进一步的，所述一级过滤器内部放置玻璃纤维和膨胀石墨。
26.进一步的，所述膨胀石墨表面负载壳聚糖。
27.进一步的，所述膨胀石墨的制备方法为：将备用膨胀石墨放入32%的盐酸溶液中搅拌后过滤、洗涤，在105℃的条件下干燥，再用水缓慢溶解壳聚糖，配置成壳聚糖溶液，将干燥后的膨胀石墨缓慢加入到壳聚糖溶液中，搅拌使之充分混合均匀，110℃下干燥6h后得壳聚糖/膨胀石墨吸附剂。
28.进一步的，所述壳聚糖与膨胀石墨的质量比为1:20。
29.进一步的，所述一级洗涤塔、二级洗涤塔和三级洗涤塔均采用纯水洗涤。
30.进一步的，所述硫酸洗涤塔内利用p105循环泵将浓硫酸打到塔顶附近的喷淋头内，形成一个塔内循环。
31.实施例1如图1~5所示，本实施例提供了一种利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的方法，具体包括如下过程：（1）m101曼海姆炉尾气处理：用浓硫酸吸收杂质气体曼海姆炉内进行氯化钾 浓硫酸
→
硫酸钾 氯化氢气体反应后，其气体杂质中含有氮氧化物、金属盐、硫化物、铁离子、有机物voc、碳氧化物，溴离子等，氯化氢气体占其中的32%~42%左右，以该尾气作为生产试剂盐酸的原料，尾气被p106引导入硫酸洗涤塔t104后，由硫酸洗涤塔t104的下部进入硫酸洗涤塔t104内，该塔内利用p105循环泵将浓硫酸打到塔顶附近的喷淋头内，形成一个塔内循环，用浓硫酸吸收杂质气体。
32.（2）一级洗涤接着用风机p101将气体通入一级洗涤塔t101，该塔内预先通入一定量的纯水，以循环泵p102让纯水从塔内上方经过喷淋头淋下，将能溶于水的杂质气体与一定的氯化氢气体吸收，其余气体通过塔顶排出，而在一级洗涤塔t101塔内的液体，当盐酸浓度超过31%时，通过泵采出可以作为解析塔解析盐酸的原料。
33.（3）一级过滤排出后的气体经过一级过滤器g101，内部前端放置玻璃纤维，后端放置活性炭过滤，将气体中的有机物以及部分金属离子过滤。
34.（4）二级洗涤在二级洗涤塔t102内，以0.25t/h的流量预通入电导率<2.0us/cm的纯水，并用循环泵p103打到塔顶的喷淋头，进行氯化氢吸收作业，并在循环通道上加装换热器e101，并用冷冻机e102将循环水降温到接近5℃左右，通入e101中冷却二级洗涤塔t102的循环物料；经实验证明，在低温下，在二级洗涤塔t102中一直循环吸收氯化氢气体，最后的盐酸浓度能达到接近36%；剩余没有吸收的气体通过塔顶进入三级洗涤塔t103内进行三级洗涤；（5）三级洗涤在三级洗涤塔t103中，也是采用循环泵p104将纯水达到塔顶部，通过喷淋头喷淋纯水，进行吸收多余的氯化氢气体，并且，纯水机制的纯水通过其循环泵进入三级洗涤塔t103内，并将三级洗涤塔t103与二级洗涤塔t102使用管道联通，这样便于给二级洗涤塔t102塔补液。同时，t103排出的气体进入尾气吸收塔中；（6）二级过滤经测验，t102塔的指标浓度达到要求，用循环泵p103将其达到s101树脂罐内，其树脂罐的作用是过滤金属离子。
35.最后得到高纯试剂盐酸，并将其存放入成品罐中。
36.实施例2本实施例生产试剂盐酸的方法与实施例1相同，区别在于：（3）一级过滤中的第一过滤器g101内部放置玻璃纤维和改性膨胀石墨填充，所述膨胀石墨的制备方法为：将备用膨胀石墨放入32%的盐酸溶液中搅拌后过滤、洗涤，在105℃的条件下干燥，再用水缓慢溶解壳聚糖，配置成壳聚糖溶液。将干燥后的膨胀石墨缓慢加入到壳聚糖溶液中，搅拌使之充分混合均匀，110℃下干燥6h后得壳聚糖/膨胀石墨吸附剂。其中壳聚糖与膨胀石墨的质量比为1:20。
37.实施例3本实施例生产试剂盐酸的方法与实施例2相同，区别在于：（6）中二级过滤器的s101树脂罐内采用吸附树脂填充，吸附树脂表面负载β
‑
环糊精，所述吸附树脂是将β
‑
环糊精与多元醇、异氰酸酯和发泡剂在催化剂的作用下，通过聚合反应使得β
‑
环糊精负载在聚氨酯交联网络中，对有机物及金属离子具有很好的吸附效果。
38.具体的，所述改性吸附树脂的制备方法为：先将2.0g β
‑
环糊精溶于水中；再将50g聚丙二醇、100g二苯基甲烷二异氰酸酯、0.25g引发剂、用去离子水溶解，得到预聚体体系；其中聚丙二醇、二苯基甲烷二异氰酸酯的质量比为1:2，引发剂采用辛酸亚锡。室温下将β
‑
环糊精水溶液与预聚体体系混合，加入反应器中反应发泡，发泡结束后于真空烘箱中熟化处理2小时。
39.对比例1（1）m101曼海姆炉尾气处理：用浓硫酸吸收杂质气体曼海姆炉内进行氯化钾 浓硫酸
→
硫酸钾 氯化氢气体反应后，其气体杂质中含有氮氧化物、金属盐、硫化物、铁离子、有机物voc、碳氧化物，溴离子等，氯化氢气体占其中的32%~42%左右，以该尾气作为生产试剂盐酸的原料，尾气被p106引导入硫酸洗涤塔t104后，由硫酸洗涤塔t104的下部进入硫酸洗涤塔t104内，该塔内利用p105循环泵将浓硫酸打到塔顶附近的喷淋头内，形成一个塔内循环，用浓硫酸吸收杂质气体。
40.（2）一级洗涤接着用风机p101将气体通入一级洗涤塔t101，该塔内预先通入一定量的纯水，以循环泵p102让纯水从塔内上方经过喷淋头淋下，将能溶于水的杂质气体与一定的氯化氢气体吸收，其余气体通过塔顶排出，而在一级洗涤塔t101塔内的液体，当盐酸浓度超过31%时，通过泵采出可以作为解析塔解析盐酸的原料。
41.（3）二级洗涤经过一级洗涤塔t101塔顶排出的气体通入二级洗涤塔t102内，在二级洗涤塔t102内，以0.25t/h的流量预通入电导率<2.0us/cm的纯水，并用循环泵p103打到塔顶的喷淋头，进行氯化氢吸收作业，并在循环通道上加装换热器e101，并用冷冻机e102将循环水降温到接近5℃左右，通入e101中冷却二级洗涤塔t102的循环物料；经实验证明，在低温下，在二级洗涤塔t102中一直循环吸收氯化氢气体，最后的盐酸浓度能达到接近36%；剩余没有吸收的气体通过塔顶进入三级洗涤塔t103内进行三级洗涤；（4）三级洗涤在三级洗涤塔t103中，也是采用循环泵p104将纯水达到塔顶部，通过喷淋头喷淋纯水，进行吸收多余的氯化氢气体，并且，纯水机制的纯水通过其循环泵进入三级洗涤塔t103内，并将三级洗涤塔t103与二级洗涤塔t102使用管道联通，这样便于给二级洗涤塔t102塔补液。同时，t103排出的气体进入尾气吸收塔中；最后得到高纯试剂盐酸，并将其存放入成品罐中。
42.对比例2该对比例生产试剂盐酸的方法与实施例1相比，区别在于：在三级洗涤塔与二级洗涤塔之间无液相连通管道，即在三级洗涤塔t103中，也是采用循环泵p104将纯水达到塔顶部，通过喷淋头喷淋纯水，进行吸收多余的氯化氢气体，并且，纯水机制的纯水通过其循环
泵进入三级洗涤塔t103内，同时三级洗涤塔t103排出的气体进入尾气吸收塔中，三级洗涤塔t103洗涤后的液相进入二级过滤器内部进行过滤。
43.试验例对实施例1至实施例3以及对比例1、对比例2得到的盐酸进行质量检测，测定其中盐酸、金属离子以及有机物的百分含量，具体如下表： hcl(％)fe
3
(％)cu
2
(％)硫酸盐(so
42
‑
,％)有机物(％)实施例135.40.00110.00080.0130.17实施例237.20.00070.00030.0080.10实施例337.50.00040.00030.0060.05对比例132.10.00230.00170.0180.19对比例231.30.00120.00080.0140.13通过实施例1与对比例1的对比可以发现，通过在一级洗涤塔与二级洗涤塔之间增加过滤器、在三级洗涤塔之后增加过滤器能够过滤盐酸中的金属离子以及不挥发有机物杂质，提高盐酸浓度。
44.通过实施例1与实施例2的对比可以发现，在一级过滤器中用负载壳聚糖的膨胀石墨代替活性炭作为吸附剂时，由于壳聚糖与铜离子之间的作用，使得盐酸中铜离子的含量明显降低，同时膨胀石墨与活性炭相比对有机物的吸附能力更强。
45.通过实施例2与实施例3的对比可以发现，在二级过滤器中填充β
‑
环糊精负载的聚氨酯，在异氰酸酯基将与聚丙二醇发生聚合反应，生成聚氨酯交联网络状结构的过程中，同时β
‑
环糊精中的羟基也与异氰酸酯基发生化学反应，使得β
‑
环糊精被固定在聚氨酯交联网络中。β
‑
环糊精对有机物具有很好的吸收作用，同时聚氨酯交联网络形成二级过滤器中的填充骨架，使得盐酸溶液通过二级过滤器时能与β
‑
环糊精和聚氨酯充分接触，大大提高了对其中有机物和金属离子的吸附能力。
46.通过实施例1与对比例2的对比可以发现，当盐酸经过三级洗涤塔洗涤后排出的液相返回至二级洗涤塔，起到向二级洗涤塔补液的同时，在二级洗涤塔中盐酸对一次洗涤塔排出的气体又进行了二次循环吸收氯化氢气体，大幅度提高了盐酸的浓度。
47.实施例4本实施例提供了一种利用曼海姆炉尾气生产试剂盐酸的生产系统，包括曼海姆炉1、硫酸洗涤塔2、一级洗涤塔3、一级过滤器4、二级洗涤塔5、三级洗涤塔6和二级过滤器7，硫酸洗涤塔2的输入端与曼海姆炉1连接，硫酸洗涤塔2的输出端与一级洗涤塔3连接，一级洗涤塔3的输出端与一级过滤器4连接，在一级过滤器4之后依次设置有二级洗涤塔5、三级洗涤塔6和二级过滤器7。
48.在本实施例中，在一级洗涤塔3上设置有第一气体入口31和第一气体出口32，第一气体入口31设置在一级洗涤塔3靠近下部的位置，第一气体出口32设置在一级洗涤塔3的顶部，第一气体入口31通过第一循环泵33与硫酸洗涤塔2连通，第一出气口32与一级过滤器4连通。
49.进一步的，在一级洗涤塔3的下部还设置有第一液相出口34和第一纯水入口，纯水经第一纯水入口进入一级洗涤塔塔底部，且经第一液相出口34后通过第二循环泵35将纯水从一级洗涤塔塔内上方经过喷淋头淋下。
50.在本实施例中，在二级洗涤塔5上设置有第二气体入口51和第二气体出口52，第一气体入口51设置在二级洗涤塔5靠近下部的位置，第二气体出口52设置在二级洗涤塔5的顶部。在二级洗涤塔5内预通入纯水，同时在二级洗涤塔5的下部还设置有第二液相出口53和第二液相入口，第二液相入口与三级洗涤塔6连接，第二液相出口53通过第三循环泵54和循环通道将纯水和来自三级洗涤塔6的液相经二级洗涤塔5上部的喷淋头淋下。
51.进一步的，在二级洗涤塔5的循环通道上设置换热器55，换热器55与冷冻机56连接，冷冻机56用于将换热器55内的循环水降温。
52.更进一步的，循环通道还与二级过滤器7连通，将二级洗涤塔5内部循环吸收氯化氢气体后的液相通入二级过滤器7内部进行过滤，最终得到试剂盐酸。
53.在本实施例中，在三级洗涤塔6上设置有第三气体入口61和第三气体出口62，第三气体入口61设置在三级洗涤塔6靠近下部的位置，第三气体出口62设置在三级洗涤塔6的顶部。纯水通过第四循环泵63将三级洗涤塔6上部的喷淋头淋下。
54.进一步的，在三级洗涤塔6的下方还设置有第三液相出口64，第三液相出口64与二级洗涤塔5的第二液相入口连通。
55.在本实施例中，本发明所述的生产系统还包括尾气处理塔8，三级洗涤塔6顶部的第三气体出口62与生产系统的尾气处理塔8连通。
56.在实施例中，硫酸洗涤塔2上设置有第四气体入口21和第四体出口22，第四气体入口21与曼海姆炉1连通，第四体出口22与一级洗涤塔3连通。
57.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。