變壓吸附在改良西門子法生產(chǎn)多晶硅中的應(yīng)用

張博+楊紫琪

摘要：近期興起的一種變壓吸附在工業(yè)當(dāng)中運用較多，它是一種氣體分離技術(shù)，主要是物理和化學(xué)的滲流理論在工業(yè)中的應(yīng)用，變壓吸附的發(fā)展日益提升，自從20世紀(jì)70年代以后，變壓吸附技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位，在業(yè)界當(dāng)中受到較多的關(guān)注。文章闡述了變壓吸附的原理、變壓吸附在生產(chǎn)多晶硅中的應(yīng)用及工藝流程。

關(guān)鍵詞：變壓吸附；多晶硅；改良西門子法；工業(yè)生產(chǎn)；氣體分離技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TN304 文章編號：1009-2374（2016）32-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.023

1 概述

變壓吸附（PSA）技術(shù)是近些年發(fā)展起來的新技術(shù)，它對原料氣適應(yīng)性廣，無需復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)，無設(shè)備腐蝕問題，它的制作工藝的過程非常簡單，而且自動化的程度也非常高，這種技術(shù)有著相對的優(yōu)勢，所以有著很好的發(fā)展前景。變壓吸附通常是一個由吸附工序和減壓再生工序組成的吸附-解吸系統(tǒng)。

1.1 變壓吸附

在同等溫度的情況下，吸附平衡的等溫線的吸附質(zhì)分壓向上升，吸附劑上面的吸附質(zhì)的數(shù)量加大，同等數(shù)量的吸附質(zhì)分壓下，吸附質(zhì)的數(shù)量減小，因此高壓情況下溫度較低的比較容易被吸附，低壓情況下溫度較高比較容易再生。

1.2 變壓吸附法（PSA）

變壓吸附法是近期興起的新型工藝，初始于19世紀(jì)60年代，剛開始是運用于空氣干燥和氫氣純化當(dāng)中。1970年以后經(jīng)過研制開始用于制氮或者制氧，隨之1976年被研制用于碳分子篩等，隨著科技的進(jìn)步，變壓吸附法開始用于醫(yī)療當(dāng)中。

吸附分離技術(shù)上的差異是利用吸附劑對特有的吸附氣體進(jìn)行分離的，經(jīng)常用的有真空與加壓方法等，是為了加快整個過程的進(jìn)行。分子篩變壓吸附分離空氣制取氧的機(jī)理，一種是用分子篩的吸附的能力比氧的吸附能力強(qiáng)，用來分離氧和氮；另一種是用氧的擴(kuò)散速度比氮的擴(kuò)散速度快，利用遠(yuǎn)離平衡去分離氧和氮。

變壓吸附法制氧，氮在常溫下進(jìn)行，其工藝有加壓吸附/常壓解析或常壓吸附/真空解析兩種，通常選用沸石分子篩制氧，碳分子篩制氮。1991年，日本三菱重工制成世界上最大的PSA制氧設(shè)備，其氧產(chǎn)量可達(dá)8650m3/h。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，我國的PSA/VPSA制氧設(shè)備逐漸系列化，近年來鋰基分子篩因其性能更為穩(wěn)定、高效，被越來越多地大規(guī)模應(yīng)用，實現(xiàn)裝置大型化生產(chǎn)，單套變壓吸附裝置產(chǎn)量最高可達(dá)40700m3/h，氧純度≥90%，產(chǎn)品氧能耗可達(dá)0.32～0.37kW·h/m3。

2 變壓吸附（PSA）的工作原理

2.1 吸附劑的再生方法

根據(jù)吸附劑的再生方法，一般將吸附解吸過程分為兩種：變溫吸附法和變壓吸附法。

2.1.1 變溫吸附法。在低溫下進(jìn)行吸附，吸附質(zhì)通過升高溫度從吸附劑上解吸出來。吸附和解吸是在兩條不同溫度的等溫吸附線之間進(jìn)行。由于常用吸附劑的熱傳導(dǎo)率較低，加溫和冷卻的時間就比較長，需要配備相應(yīng)的加熱和冷卻設(shè)備。而且吸附劑的壽命由于溫度周期性大幅度變化也會減少，但變溫吸附法仍可適用于許多場合，產(chǎn)品損失率少，回收率較高。

2.1.2 變壓吸附法。變壓吸附法在氣壓低的情況下進(jìn)行解吸，在氣壓高的情況下進(jìn)行吸附。循環(huán)的周期相對較短，未能及時吸附熱，解吸的時候可以充分利用，所以溫度的變化并不是很大，溫度變動的范圍也就幾攝氏度，這種情況我們可以看作是等溫的過程。常用吸附方法有抽真空、沖洗、降壓、置換，目的都是使吸附劑上被吸附組分的分壓降低，使吸附劑再生。在變壓吸附過程中，一般情況是根據(jù)氣體被分離出來的混合物質(zhì)和產(chǎn)品的要求加上操作的條件以及吸附劑的特殊的性質(zhì)去選擇采用哪種再生的方法，一般由幾種方法配合操作。無論采用哪一種方法，再生后，吸附床內(nèi)的吸附質(zhì)不會完全解吸，即床內(nèi)吸附劑不可能再生徹底。

2.2 變壓吸附工作基本步驟

由于工業(yè)生產(chǎn)一般都是連續(xù)進(jìn)行，為了保證吸附過程的連續(xù)，生產(chǎn)中大都采用3個或3個以上的吸附床，使吸附床的吸附解吸循環(huán)進(jìn)行。

變壓吸附工作的基本步驟一般有三個：

2.2.1 高壓下吸附。被分離的氣體混合物在吸附設(shè)備最高壓力下通入，吸附劑吸收其中的強(qiáng)吸附組分，吸附床的另一端流出弱吸附組分。

2.2.2 低壓下解吸。根據(jù)被吸附組分的性能，選用抽真空、沖洗、降壓、置換中的幾種方法使吸附劑再生。低壓解吸一般先是降壓到大氣壓力，然后再用抽真空、沖洗或置換。

2.2.3 升壓。吸附劑再生完成之后，對吸附床用弱吸附組分充壓到吸附壓力為止。

3 變壓吸附在改良西門子法生產(chǎn)多晶硅中的應(yīng)用

變壓吸附在生產(chǎn)多晶硅中的主要應(yīng)用是還原爐尾氣回收裝置中的氫氣凈化單元。還原爐尾氣經(jīng)過低溫噴淋、壓縮冷凝、吸收和脫吸、活性碳吸附后得到純凈的氫氣供還原爐使用。在生產(chǎn)過程中，每個塔吸附塔的工作步驟是完全一致的，在時間上交替進(jìn)行，連續(xù)生產(chǎn)。以四個碳吸附塔為例，工藝流程如圖1所示：

（1）吸附：含雜質(zhì)的氫氣（雜質(zhì)主要為氯硅烷和氯化氫）從碳吸附塔底部進(jìn)入吸附床層，床層維持在高壓低溫狀態(tài)，雜質(zhì)被活性碳吸附，純凈的氫氣從塔頂送至還原爐進(jìn)行還原反應(yīng)；（2）降壓/升溫：吸附結(jié)束后，碳吸附塔逐步降至常壓，同時用熱源（蒸汽或者高溫導(dǎo)熱油）對塔體及活性碳床層進(jìn)行加熱，使吸附塔維持低壓高溫，使吸附的雜質(zhì)解析出來；（3）反吹：用純凈的反吹氫氣將解析出的雜質(zhì)帶走，沖洗氫氣可以再回收利用，使活性碳床層的吸附能力再生；（4）升壓：反吹再生完成后，用純凈的氫氣給碳吸附塔充壓，為下一次吸附做準(zhǔn)備；（5）降溫：用冷媒（冷卻水或者低溫導(dǎo)熱油）對塔體及活性碳床層進(jìn)行降溫，結(jié)合第4步使碳吸附塔維持低溫高壓狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次吸附；（6）等待：維持低溫高壓狀態(tài)等待吸附塔結(jié)束后切換至此塔，循環(huán)吸附。

4 結(jié)語

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，市場對多晶硅純度的需求越來越高，所以對改良西門子法生產(chǎn)多晶硅中干法回收氫氣的要求也越來越高。隨著變壓吸附理論的不斷進(jìn)步和仿真工具的出現(xiàn)以及自動控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變壓吸附凈化氣體的技術(shù)將會日益成熟。

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基金項目：本文受到《多晶硅提質(zhì)降耗仿真及關(guān)鍵技術(shù)研究》項目基金資助。

作者簡介：張博（1989-），男，甘肅人，青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司新能源分公司助理工程師，研究方向：多晶硅。

（責(zé)任編輯：蔣建華）