三氯氫硅精餾過程模擬及塔的優(yōu)化

三氯氫硅精餾過程模擬及塔的優(yōu)化

氯氫硅精餾過程模擬計(jì)算缺乏對(duì)相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的分析隨著伏夏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其需求也在不斷增加。三氯氫硅的提純是改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的關(guān)鍵環(huán)節(jié),三氯氫硅的純度直接影響多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量。工業(yè)上多采用精餾的方法對(duì)三氯氫硅進(jìn)行提純,三氯氫硅精餾的雙塔流程目前在工業(yè)上應(yīng)用較多,但是在生產(chǎn)中存在著產(chǎn)品質(zhì)量偏低,三氯氫硅損失量大,能耗偏高等問題。前人主要從物料和熱量平衡的整體角度對(duì)三氯氫硅精餾過程進(jìn)行模擬計(jì)算,缺乏對(duì)某些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)精餾系統(tǒng)各塔影響的分析。本文采用化工流程模擬軟件AspenPlus對(duì)三氯氫硅精餾的雙塔流程進(jìn)行模擬計(jì)算,對(duì)影響精餾系統(tǒng)的重要參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析,以提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低能耗和原料損失,并將模擬結(jié)果與工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。1氯氫硅塔我國(guó)塔某廠年產(chǎn)2萬t三氯氫硅精餾系統(tǒng),進(jìn)料的組成如表1所示。采用雙塔工藝分離,如圖1,合成反應(yīng)液先進(jìn)入預(yù)分離塔(簡(jiǎn)稱預(yù)塔),三氯化硼、二氯二氫硅等輕組分雜質(zhì)在塔頂脫除,釜液由進(jìn)料泵送入三氯氫硅塔(簡(jiǎn)稱三塔),塔頂?shù)玫郊兌群芨叩娜葰涔?塔釜得到純度較高的四氯化硅。分離要求為三塔塔頂三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.999,三氯化硼和三氯化磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別小于2.0×10-8和5.0×10-9,塔釜三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5.0×10-4。2結(jié)果與討論2.1塔板數(shù)和回流比物性方法的選擇直接影響模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度,由于物系中既含有非極性物質(zhì),又含有極性物質(zhì),選用NRTL物性方法進(jìn)行計(jì)算,該方法能夠很準(zhǔn)確的描述非理想溶液的VLE性質(zhì)。為了減少三氯氫硅精餾過程中塔頂制冷的能耗,采用常溫循環(huán)冷卻水代替深冷水進(jìn)行冷凝,因此采用加壓精餾。由于預(yù)塔和三塔塔頂三氯氫硅含量很高,塔頂溫度應(yīng)接近三氯氫硅沸點(diǎn),設(shè)計(jì)雙塔操作壓力均為0.15MPa,此壓力下雙塔塔頂溫度應(yīng)在55~60℃之間。通過DSTWU簡(jiǎn)捷法計(jì)算分別得到預(yù)塔和三塔的理論塔板數(shù)(NT)和回流比(R)之間的關(guān)系,如圖2。對(duì)于預(yù)塔,隨著塔板數(shù)的增加,回流比開始顯著降低,降低到一定程度后緩慢減小。塔板數(shù)和回流比分別反映了精餾過程的設(shè)備費(fèi)用和能耗,在確保塔設(shè)備造價(jià)不致過高的情況下,應(yīng)盡量降低能耗,因此選取適宜的塔板數(shù)和回流比為23和15。三塔塔板數(shù)和回流比的選取與預(yù)塔相似為25和2.3。將簡(jiǎn)捷法計(jì)算得到的理論板數(shù)、回流比和進(jìn)料位置作為初值,代入RadFrac模型進(jìn)行嚴(yán)格法計(jì)算,在產(chǎn)品質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上采用AspenPlus中的靈敏度分析工具,對(duì)不同的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析,確定設(shè)計(jì)變量對(duì)關(guān)鍵操作變量的影響,進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。2.2在精濾過程中，不同塔的參數(shù)的優(yōu)化分析中2.2.1進(jìn)料板及回流比合成反應(yīng)液中的三氯化硼是最難脫除的輕組分,用硼含量高的三氯氫硅進(jìn)行后續(xù)的還原反應(yīng),會(huì)使得生產(chǎn)的多晶硅的光電轉(zhuǎn)化能力急劇下降。因此,應(yīng)使合成反應(yīng)液中的三氯化硼在預(yù)塔中盡量完全脫除,控制三塔塔頂三氯氫硅產(chǎn)品中三氯化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低至2.0×10-8。以預(yù)塔塔釜三氯化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)表征其輕組分脫除效果,對(duì)進(jìn)料板位置(NF)進(jìn)行靈敏度分析,如圖3所示。隨著進(jìn)料板位置的下移,預(yù)塔塔釜三氯化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)先減少后增加,當(dāng)進(jìn)料位置在第6塊塔板時(shí),三氯化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最小值。為使塔頂輕組分脫除盡量完全,選擇第6塊塔板進(jìn)料。在塔板數(shù)和進(jìn)料位置不變的情況下,增大回流比,會(huì)使預(yù)塔的分離效果提高,但是,增大回流比,會(huì)增大塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱負(fù)荷(Q)。因此,選定第6塊板進(jìn)料,分析預(yù)塔回流比對(duì)塔釜三氯化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)及冷凝器和再沸器熱負(fù)荷的影響,如圖4。隨著回流比的增大,塔釜三氯化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先急劇減小,當(dāng)回流比大于16時(shí),塔釜三氯化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨回流比增大而減小的十分緩慢;冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷隨回流比的增大線性增大。在塔釜三氯化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的情況下,選擇較小回流比可降低能量消耗,適宜的回流比為18。塔頂采出量(D)對(duì)塔的分離效果有很大的影響,選擇適宜的塔頂采出量,不僅能夠提高分離效果,也能減少物料損耗。選定進(jìn)料板為第6塊塔板、回流比18,考察預(yù)塔塔頂采出量與三塔塔頂三氯氫硅和三氯化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系,如圖5所示。隨著預(yù)塔塔頂采出量的增加,三塔塔頂三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)先基本保持不變后減少,三氯化硼減少。當(dāng)采出量為250kg/h時(shí),三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9994,三氯化硼為1.86×10-8均達(dá)到工藝要求。預(yù)塔塔頂采出量過大或過小均會(huì)造成三塔塔頂產(chǎn)品不合格,采出量過大也會(huì)增大三氯氫硅的損失,綜合考慮以上因素,選擇塔頂采出量為250kg/h。2.2.2進(jìn)料板及塔第三板三塔的回流比對(duì)三塔塔計(jì)算結(jié)果的影響對(duì)精餾三塔的優(yōu)化應(yīng)以塔頂和塔釜三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),考察進(jìn)料板位置、回流比和塔頂采出量對(duì)塔頂和塔釜三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。對(duì)進(jìn)料板位置進(jìn)行靈敏度分析,圖6給出了三塔進(jìn)料板位置與塔頂三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系。隨進(jìn)料板位置的下移,塔頂三氯氫硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大,在9~16塊塔板進(jìn)料時(shí)基本不變,而后迅速減小。為保證塔頂三氯氫硅的純度,選取第12塊板為進(jìn)料板。三塔塔頂三氯氫硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及熱負(fù)荷隨回流比的變化如圖7所示。隨著回流比的增大,塔頂三氯氫硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先急劇增大,當(dāng)回流比大于4后,增加十分緩慢;冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷基本相等,且隨回流比增大線性增大?；亓鞅葹?時(shí),塔頂和塔釜三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到分離要求為0.9995和4.28×10-4。在此基礎(chǔ)上考慮能量的消耗,得到適宜的回流比為5。三塔的塔頂采出量對(duì)塔頂和塔釜三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖8所示。隨著塔頂采出量的增大,塔頂和塔釜三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均減少,塔頂采出量的選取原則為:在保證達(dá)到分離要求的前提下,盡量多的采出三氯氫硅產(chǎn)品。因此選擇塔頂采出量為2453kg/h,此時(shí)塔頂三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9995,塔釜三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.29×10-4,二者均滿足工藝要求。2.2.3進(jìn)料溫度的tf對(duì)塔第三段吸熱劑的影響進(jìn)入精餾工段的是經(jīng)過深冷后的合成反應(yīng)液,溫度在0℃左右,由于溫度較低,會(huì)增大塔釜再沸器的熱負(fù)荷,因此合成反應(yīng)液進(jìn)入預(yù)塔前應(yīng)預(yù)熱。預(yù)塔的進(jìn)料溫度(tF)對(duì)塔釜再沸器的熱負(fù)荷和塔釜三氯化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有一定影響,如圖9所示。隨著進(jìn)料溫度的上升,塔釜再沸器熱負(fù)荷減小,釜液中三氯化硼含量增多?？紤]降低塔釜熱負(fù)荷的同時(shí)保證預(yù)塔的脫輕組分效果,選擇適宜的進(jìn)料溫度為25~35℃,預(yù)塔再沸器的熱負(fù)荷可降低25.71~37.09kW,擬采用塔釜再沸器出口的高溫冷凝水進(jìn)行預(yù)熱,溫度約為140℃。經(jīng)模擬優(yōu)化計(jì)算的各出口物流組成如表2所示。2.3工業(yè)數(shù)值對(duì)三氯氫硅純度的影響將優(yōu)化后的參數(shù)應(yīng)用于預(yù)塔和三塔的實(shí)際設(shè)計(jì)中,預(yù)塔和三塔投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定,三塔塔頂采出的產(chǎn)品中,各組分含量的模擬數(shù)值與工業(yè)數(shù)值對(duì)比如表3所示。實(shí)際生產(chǎn)中三氯氫硅的純度大于0.999,硼和磷的含量均控制在痕量水平,達(dá)到了工業(yè)級(jí)三氯氫硅的純度要求。表3中給出的各組分含量的模擬數(shù)值與工業(yè)數(shù)值基本吻合,表明模擬數(shù)據(jù)對(duì)三氯氫硅精餾過程具有指導(dǎo)性。3進(jìn)料板位置、回流比、塔(1)通過對(duì)三氯氫硅雙塔精餾系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算和靈敏度分析,得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)。對(duì)于預(yù)塔,最適宜的進(jìn)料板位置、回流比、