差壓耦合聯(lián)合熱泵精餾在SiHCl3提純過(guò)程中的模擬

肖榮暉　郭樹(shù)虎　萬(wàn)燁　姜利霞　趙雄　章莉

摘要：文章針對(duì)多晶硅生產(chǎn)時(shí)三氯氫硅提純過(guò)程能耗高的特點(diǎn)，運(yùn)用化工模擬軟件Aspen Plus，采用差壓耦合聯(lián)合熱泵精餾技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的三氯氫硅雙塔提純工藝進(jìn)行的節(jié)能模擬分析。計(jì)算結(jié)果表明：在處理量相同的情況下，與傳統(tǒng)精餾提純工藝以及差壓耦合精餾技術(shù)相比，能耗費(fèi)用分別節(jié)約83.9%和68.1%。

關(guān)鍵詞：三氯氫硅；差壓耦合；熱泵精餾；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TQ053 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）15-0057-02

近年來(lái)，太陽(yáng)能作為一種環(huán)境友好型的清潔能源正日益受到人們的青睞，受其影響，全球?qū)Χ嗑Ч璧男枨罅垦杆僭鲩L(zhǎng)。改良西門子法是目前多晶硅的主要生產(chǎn)辦法，能夠兼容電子級(jí)和太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)，其生產(chǎn)過(guò)程廣泛涉及到氯硅烷精餾提純操作。由于多晶硅生產(chǎn)對(duì)原料三氯氫硅純度要求很高（通常需達(dá)到6N以上），因此所需的精餾提純系統(tǒng)具有高回流比和高理論板等特征，是多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中公認(rèn)的高能耗過(guò)程，因此做好該單元的節(jié)能減排工作迫在眉睫。目前多晶硅企業(yè)多采用差壓耦合技術(shù)對(duì)提純單元進(jìn)行節(jié)能降耗，效果顯著。但尚未見(jiàn)采用熱泵精餾技術(shù)乃至熱泵精餾聯(lián)合差壓耦合技術(shù)進(jìn)行節(jié)能降耗的報(bào)道。本文應(yīng)用Aspen Plus軟件模擬了差壓耦合聯(lián)合熱泵精餾的三氯氫硅提純工藝，并與常規(guī)精餾技術(shù)以及差壓耦合精餾技術(shù)相比較，分析了其節(jié)能效果。

1 差壓熱耦合精餾節(jié)能技術(shù)

差壓耦合精餾最早是20世紀(jì)60年代由Petlyuk等提出的，該技術(shù)既節(jié)能又節(jié)省設(shè)備投資，從而引發(fā)了人們的廣泛關(guān)注。以雙塔差壓耦合精餾系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)包括低壓精餾塔、加壓精餾塔、塔釜再沸器、塔頂冷凝器和輔助冷凝器；在兩個(gè)精餾塔之間設(shè)置有冷凝再沸器，加壓精餾塔的氣相物料出口連接到冷凝再沸器加熱介質(zhì)入口，加熱介質(zhì)出口再返回到加壓精餾塔塔頂；低壓精餾塔塔底的液相出口連接到冷凝再沸器受熱介質(zhì)入口，受熱介質(zhì)出口再返回低壓精餾塔塔底。工藝流程圖如圖1所示。三氯氫硅差壓耦合精餾技術(shù)能夠大幅度降低生產(chǎn)成本和能耗，節(jié)能40%左右，從而顯著提高了多晶硅材料的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 熱泵精餾節(jié)能技術(shù)

熱泵精餾技術(shù)的想法最早是20世紀(jì)50年代由Robinson等提出的，并在原油主要依靠進(jìn)口的歐洲以及日本得到了廣泛應(yīng)用。以雙塔熱泵精餾為例，其流程如圖2，以塔頂混合氣體為工質(zhì)，經(jīng)過(guò)壓縮升溫后與塔底液體進(jìn)行換熱，冷凝發(fā)熱使塔釜液體再沸，而自身冷凝為液體，再經(jīng)過(guò)節(jié)流減壓后，一部分采用，另外一部分進(jìn)入塔頂回流。塔頂氣體冷凝為液體后通常溫度仍較高，因此需要設(shè)置輔助冷卻器進(jìn)一步冷卻，從而使得回流液體的溫度滿足塔頂溫度的控制要求。

3 差壓耦合聯(lián)合熱泵精餾節(jié)能技術(shù)的模擬計(jì)算

3.1 流程模擬

以某多晶硅廠三氯氫硅精餾單元為例，進(jìn)料量10m3/h，進(jìn)料溫度45℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的三氯氫硅、1.8%的四氯化硅、0.2%的二氯二氫硅，忽略了微量的含硼、磷化合物雜質(zhì)。本文主要從節(jié)能的角度出發(fā)，分析差壓耦合聯(lián)合熱泵精餾技術(shù)在三氯氫硅精餾塔應(yīng)用中的節(jié)能效果。

運(yùn)用化工過(guò)程模擬軟件Aspen Plus并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求及設(shè)備特性確定節(jié)能技術(shù)方案，如圖3所示：2#塔加壓后與1#塔進(jìn)行熱耦合，1#塔塔頂蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)加壓升溫后與2#塔塔釜液進(jìn)行雙效換熱，從而實(shí)現(xiàn)差壓耦合與熱泵精餾技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用。

熱力學(xué)物性方法的選擇對(duì)模擬結(jié)果的影響很大。通常三氯氫硅精餾系統(tǒng)屬于中低壓環(huán)境，氣相可按照理想體系處理，液相由于含有非極性的四氯化硅，故三氯氫硅精餾體系的熱力學(xué)方法可以選用Aspen Plus中提供的NRTL-RK方程。選用Aspen Plus中的RADFRAC嚴(yán)格精餾模型，分別模擬傳統(tǒng)精餾工藝、差壓耦合精餾工藝以及差壓耦合聯(lián)合熱泵精餾工藝。T1塔、T2塔摩爾回流比分別選取1.2和15。壓縮機(jī)為等熵壓縮，等熵效率0.7。

3.2 模擬結(jié)果的比較與分析

在原料處理量、產(chǎn)品質(zhì)量以及回流比相同的情況下，對(duì)比分析了三氯氫硅傳統(tǒng)提純工藝、差壓耦合節(jié)能工藝以及差壓耦合聯(lián)合熱泵精餾節(jié)能工藝的能耗情況，結(jié)果見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將差壓耦合與熱泵精餾節(jié)能技術(shù)聯(lián)合起來(lái)用于高純?nèi)葰涔鑲鹘y(tǒng)二塔精餾提純流程的節(jié)能優(yōu)化改造中，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行比較與分析。研究結(jié)果表明，改造后的流程節(jié)能效果顯著，與傳統(tǒng)精餾工藝以及單獨(dú)采用差壓耦合精餾工藝相比，能耗下降分別高達(dá)83.9%和68.1%。此外，整個(gè)工藝流程僅通過(guò)增加了一臺(tái)壓縮機(jī)，就能省去大部分的冷凝器和再沸器，即只增加了一臺(tái)壓縮機(jī)的少量電耗，卻節(jié)省了大量的冷量與熱量公用工程，相應(yīng)的設(shè)備投資也會(huì)下降。

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作者簡(jiǎn)介：肖榮暉（1968—），男，湖南衡陽(yáng)人，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司高級(jí)工程師，主研究方向：多晶硅生產(chǎn)技術(shù)與管理。