三氯氫硅精餾提純塔的?分析

章 莉 楊永亮 張升學(xué) 姜利霞

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅作為信息產(chǎn)業(yè)和太陽能光伏的重要基礎(chǔ)材料，是國家戰(zhàn)略性材料[1]。西門子法生產(chǎn)多晶硅流程中，精餾提純工藝是提高三氯氫硅純度的關(guān)鍵，直接影響多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。多晶硅生產(chǎn)過程中三氯氫硅精餾提純工藝綜合能耗約占總能耗的16%，主要為塔底再沸器蒸汽消耗，多晶硅生產(chǎn)中要求精餾產(chǎn)品純度高、精餾能源消耗少、精餾產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、系統(tǒng)操作彈性大。為降低精餾提純工藝能耗，使用差壓熱耦合精餾技術(shù)，減少蒸汽消耗和塔頂循環(huán)水消耗[3]。

傳統(tǒng)的應(yīng)用熱力學(xué)第一定律分析問題的方法具有一定的局限性，只反映了能量在“量”上的關(guān)系，并沒有體現(xiàn)出能量在“質(zhì)”上的差異。分析方法的理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律的平衡方法和第二定律的概念[4]。本文以西門子法生產(chǎn)多晶硅流程中精餾提純工藝的常規(guī)精餾塔和耦合精餾塔為研究對象，運(yùn)用Aspen Plus模擬軟件對其進(jìn)行模擬，得到相關(guān)的物流信息，計算得到各部分的損分布，對常規(guī)精餾塔和耦合精餾塔進(jìn)行全面分析。

2 三氯氫硅精餾提純塔流程

三氯氫硅精餾提純塔主要是分離三氯氫硅、四氯化硅和二氯二氫硅，為實現(xiàn)三種物質(zhì)的分離，一般采用兩組精餾塔串聯(lián)操作。1塔塔頂主要分離出二氯二氫硅，2塔塔底主要分離出四氯化硅，高純?nèi)葰涔鑿?塔塔頂采出。為回收塔頂高溫產(chǎn)品中熱量和可用能，設(shè)計了進(jìn)料物料與2塔塔頂采出物料進(jìn)行熱量交換的換熱器，傳統(tǒng)精餾塔和耦合精餾塔流程圖如圖1和圖2所示。

圖1 三氯氫硅常規(guī)精餾塔提純流程圖

圖2 三氯氫硅耦合精餾塔提純流程圖

Ex電=E電

(1)

(2)

式中：Q——熱量，kW。

Ex=Exphy+Exche

(3)

Exphy=H-H0-T0(S-S0)

(4)

式中：H——實際狀態(tài)下物流焓值，kW；

S——實際狀態(tài)下物流熵值,kJ/(K·s)；

H0——標(biāo)準(zhǔn)焓,kW；

S0——標(biāo)準(zhǔn)熵,kJ/(K·s)。

(4)精餾塔從塔底再沸器獲得高品位能，同時通過循環(huán)水從塔頂移出低品位能，由于過程的不可逆性，能量不斷減少且降質(zhì)，損Exloss計算公式如下：

Exloss=∑Exin-∑Exout

(5)

式中：Exin——輸入, kW；

Exout——輸出, kW。

4 計算結(jié)果分析

4.1 黑箱模型分析結(jié)果

本文基于工業(yè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Aspen Plus模擬軟件進(jìn)行流程模擬，計算得到各物流、熱量和電能。使用能量分析方法和分析方法分別對圖1和圖2所示的傳統(tǒng)精餾塔和耦合精餾塔進(jìn)行分析，計算結(jié)果見表1和表2。

對比1和表2的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用能量分析方法，傳統(tǒng)精餾塔和耦合精餾塔的能量守恒；使用黑箱模型分析方法，常規(guī)精餾塔和耦合精餾塔均存在損失，傳統(tǒng)精餾塔的損比耦合精餾塔的大。在精餾提純過程中由于傳熱、傳質(zhì)、流動等因素的不可逆性，造成可用能的損失。

表1 能量分析方法計算結(jié)果 單位：kW

表2 黑箱模型分析方法計算結(jié)果 單位：kW

表2 黑箱模型分析方法計算結(jié)果 單位：kW

輸入輸出1塔再沸器2塔再沸器泵1塔冷凝器2塔冷凝器Exout-Exin輸入-輸出常規(guī)精餾塔4494621707410758耦合精餾塔046217010383

4.2 灰箱模型結(jié)果分析

表3 灰箱模型分析方法計算結(jié)果

表3 灰箱模型分析方法計算結(jié)果

常規(guī)精餾塔耦合精餾塔損/kW損占比/%損/kW損占比/%1塔再沸器(耦合)248.032.790.023.52塔再沸器128.016.9128.033.41塔冷凝器58.07.758.015.12塔冷凝器217.028.60.00.0泵1.00.11.00.3預(yù)熱器6.00.86.01.61塔內(nèi)部67.08.867.017.52塔內(nèi)部33.04.433.08.6

4.3 減少損的方法

5 結(jié)論

(1)三氯氫硅精餾提純過程采用耦合精餾塔的方式可以降低過程能耗和損，提高能量利用率。

圖3 不同蒸汽溫度下的1塔再沸器損