三氯氫硅精餾過程的模擬與優(yōu)化

張世斌

摘 要： 隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，帶動我國社會經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步快速發(fā)展的同時，對于多晶硅原料提出了更大的需求。就現(xiàn)代光伏產(chǎn)業(yè)而言，多晶硅是其重要的基礎(chǔ)材料，而三氯氫硅提純是多晶硅生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且這一環(huán)節(jié)的提純效果直接影響著多晶硅產(chǎn)品最終的產(chǎn)品質(zhì)量。同時，由于多方面因素的干擾和影響，目前三氯氫硅精餾生產(chǎn)流程仍存在著能耗偏高、三氯氫硅損失量較高等問題，制約著光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步健康發(fā)展。筆者即從三氯氫硅精餾入手，通過化工流程模擬軟件，針對目前主流的三氯氫硅精餾雙塔工藝流程進(jìn)行了模擬計(jì)算，并相應(yīng)提出了幾點(diǎn)優(yōu)化建議，以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞： 三氯氫硅；精餾；過程模擬；優(yōu)化

近幾年，我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，帶動我國光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時，相應(yīng)提高了對于多晶硅原料的供應(yīng)需求和質(zhì)量要求。從多晶硅原料生產(chǎn)的角度分析，三氯氫硅提純是目前主流多晶硅生產(chǎn)工藝改良西門子法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如三氯氫硅的純度不足或在提純過程中存在其他工藝問題，就會直接降低多晶硅產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而影響光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。目前，工業(yè)三氯氫硅的提純主要依靠精餾工藝實(shí)現(xiàn)，其中雙塔精餾工藝是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的工藝技術(shù)。但由于多方面因素影響，目前雙塔精餾工藝在應(yīng)用過程中，仍存在著能耗偏高、三氯氫硅損失量高等問題，不利于工藝成本和產(chǎn)品質(zhì)量的控制。本文通過專業(yè)化工流程模擬軟件，對工業(yè)三氯氫硅雙塔精餾流程進(jìn)行了模擬和計(jì)算，并以此為基礎(chǔ)，就雙塔精餾工藝流程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，具體內(nèi)容如下：

一、三氯氫硅精餾工藝流程概述

目前，工業(yè)上多采用雙塔精餾工藝進(jìn)行三氯氫硅的提純，一般工藝流程如圖一所示。由圖一可知，三氯氫硅精餾提純過程中，合成反應(yīng)液率先進(jìn)入預(yù)塔，即預(yù)分離塔，并在與分離塔完成初步的輕組分、重組分脫出。此時，二氯二氫硅、三氯化硼等輕組分雜質(zhì)由塔頂直接脫出，重組分也就是釜液經(jīng)由進(jìn)料泵輸送至三塔，即三氯氫硅塔。經(jīng)過三氯氫硅塔的進(jìn)一步提純處理，在塔頂就可以得到純度相對較高的三氯氫硅產(chǎn)品。

一般來說，三氯氫硅雙塔精餾工藝要求三塔塔頂最終的三氯氫硅產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必要超過99.9%，同時三氯化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得超過2.0×10-8，三氯化磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得超過5.0×10-9。此外，塔釜三氯氫硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得超過5.0×10-4。

二、雙塔精餾工藝過程的初步設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

從三氯氫硅精餾過程模擬的角度分析，模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度與物性方法的選擇間有著直接且緊密的聯(lián)系，考慮到整個工藝過程中的物系中同時含有極性物質(zhì)和非極性物質(zhì)，故而選用NRTL物性方法進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算，以確保實(shí)現(xiàn)對非理想溶液VLE性質(zhì)的準(zhǔn)確描述。

同時，為進(jìn)一步減少三氯氫硅雙塔精餾過程中，塔頂制冷系統(tǒng)的能量損耗，將深冷水改為常溫循環(huán)冷卻水，同時進(jìn)行了相應(yīng)的加壓精餾調(diào)整。鑒于預(yù)分離塔和三氯氫硅塔塔頂輕組分的三氯氫硅的含量都很高，并且塔頂?shù)臏囟扰c三氯氫硅的飽和蒸汽壓下的溫度相接近，故而雙塔的操作壓力均設(shè)計(jì)為0.15MPa。另外，在0.15MPa塔頂壓力條件下，塔頂溫度設(shè)置在55.0～60.0℃區(qū)間內(nèi)。

預(yù)分離塔與三氯氫硅塔對應(yīng)的NT（理論塔板數(shù)）和R（回流比）間的關(guān)系，由DSTWU簡潔法計(jì)算得到。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隨著塔板數(shù)的持續(xù)增加，回流比開始逐漸降低，并且初始的降低幅度明顯，達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)逐漸變慢、減小。塔板數(shù)和回流比間的關(guān)系，客觀地反映出精餾過程中的能耗及設(shè)備費(fèi)用等信息，從整體角度考慮，應(yīng)在合理控制設(shè)備成本的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對能耗的科學(xué)控制，故而最優(yōu)化的塔板數(shù)和回流比選擇為，預(yù)分離塔分別是92和15；三氯氫硅塔分別是80和14.

在簡潔法計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，將理論塔板數(shù)、回流比、進(jìn)料位置等基礎(chǔ)信息帶入RadFrac模型，進(jìn)行相應(yīng)的嚴(yán)格法計(jì)算，并使用Aspen Plus相關(guān)靈敏度分析工具，在產(chǎn)品質(zhì)量合格基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)的靈敏度分析，即可對設(shè)計(jì)變量對于關(guān)鍵操作變量的具體影響進(jìn)行確定，從而實(shí)現(xiàn)對整個工藝流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

三、雙塔精餾工藝中各塔參數(shù)的優(yōu)化分析

（一）預(yù)分離塔參數(shù)優(yōu)化分析

就三氯氫硅雙塔精餾工藝而言，三氯化硼是合成反應(yīng)液中最不容易脫除的輕組分，同時如若使用硼含量超標(biāo)或較高的三氯氫硅參與后續(xù)的還原反應(yīng)，還將造成多晶硅產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)化能力急劇下降等問題。因此，在實(shí)際精餾工藝處理過程中，就需要最大限度地對三氯化硼進(jìn)行清除，從而保障三氯氫硅塔塔頂產(chǎn)品的三氯化硼含量達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過2.0×10-8的標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過進(jìn)料板位置的靈敏度測試可以發(fā)現(xiàn)，控制進(jìn)料板位置不斷下移，預(yù)分離塔塔釜的三氯化硼含量出現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢，并且進(jìn)料位置處于第72塊塔板位置時，塔釜的三氯化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。另外，保持塔板數(shù)和進(jìn)料位置固定，控制增大回流比，也可以達(dá)到一定的增強(qiáng)預(yù)分離塔分離效果的目的，但控制增大回流比，也必然會造成塔釜再沸器和塔頂冷凝器熱負(fù)荷的增加，故而需謹(jǐn)慎進(jìn)行調(diào)節(jié)和應(yīng)用。

（二）三氯氫硅塔參數(shù)優(yōu)化分析

就三氯氫硅塔而言，其參數(shù)優(yōu)化應(yīng)以塔釜及塔頂?shù)娜葰涔栀|(zhì)量分?jǐn)?shù)作為基本的衡量標(biāo)準(zhǔn)，同時對比進(jìn)料位置設(shè)置、回流比設(shè)置等參數(shù)調(diào)節(jié)，對于塔釜和塔頂三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的干擾和影響。

首先，就進(jìn)料板位置設(shè)置與塔頂三氯氫硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化間的關(guān)系來看，隨著進(jìn)料板位置的持續(xù)下移，塔頂三氯氫硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，同時進(jìn)料板位置處于26～34塊塔板時，塔頂三氯氫硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯，隨后快速降低。因此，三氯氫硅塔的進(jìn)料板應(yīng)設(shè)置在30塊板處為宜；其次，從回流比變化控制的角度分析，隨著回流比的持續(xù)增大，塔頂三氯氫硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先出現(xiàn)大幅度的增加，隨后進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。綜合對比各項(xiàng)指標(biāo)要求后，三氯氫硅塔的回流比應(yīng)控制在9左右。

結(jié)語：

綜上所述，隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，相關(guān)企業(yè)和人員需全面提高對三氯氫硅精餾的重視和關(guān)注，從三氯氫硅精餾基本工藝流程入手，結(jié)合科學(xué)的模擬計(jì)算分析，合理進(jìn)行相應(yīng)的工藝調(diào)整，綜合降低能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而促進(jìn)我國光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]黃國強(qiáng)， 趙虎勇， 孫帥帥.熱泵精餾在三氯氫硅提純過程中的模擬[J].化工進(jìn)展，2013（06）.

[2]胡雨奇，方靜，李春利.用于分離三氯氫硅合成過程中主副產(chǎn)品的隔壁塔模擬[J].化工進(jìn)展，2015（05）.

[3]李聞笛，廉景燕，叢山等.高純?nèi)葰涔杈s節(jié)能工藝的模擬分析[J].現(xiàn)代化工，2012（09）.

[4]馬永飛，趙建章.三氯氫硅精餾提純模擬和優(yōu)化[J].科技視界，2016（22）.

[5]李群生，白潔， 郭增昌， 等.三氯氫硅精餾過程的模擬與優(yōu)化[J].北京化工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（01）.