氯硅烷平流雙效精餾塔模擬

張科，羅永剛，彭冬壽

(新疆東方希望新能源有限公司，新疆 昌吉 837100)

0 引言

目前的主流多晶硅生產(chǎn)主要分為冷氫化流化床工序、精餾工序、還原工序、尾氣回收工序。其中冷氫化工序中合成的氯硅烷混合物需要通過初步提純后，再進(jìn)入后續(xù)的精餾、還原工序生產(chǎn)多晶硅棒。工業(yè)生產(chǎn)中，氯硅烷混合物初步提純的塔系稱作粗分塔，粗分塔的特點(diǎn)是進(jìn)料量大、能耗高。因此，為了降低能耗，設(shè)計(jì)上多采用雙效精餾的方式。雙效精餾塔由兩個(gè)具有一定壓力差、溫度差的塔組成，高壓塔只設(shè)計(jì)再沸器，塔頂蒸汽通過潛熱相變化給低壓塔的雙效換熱器提供熱源；而低壓塔只設(shè)計(jì)冷凝器，以達(dá)到熱量充分利用和節(jié)能的目的。按照進(jìn)料方向與操作壓力梯度方向是否一致，雙效精餾可分為并流型、順流型、逆流型[1]。并流型的兩效之間沒有物料的交換，只有能量的交換，較其他幾種類型的雙效精餾更容易控制，而且節(jié)能效果最好，故在對(duì)設(shè)備沒有特殊要求時(shí)，對(duì)工藝進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)及改造時(shí)，通常采用并流型雙效精餾[2]。并流型雙效精餾節(jié)能率最高，理論上節(jié)能效率可達(dá)50%[3]。

本文以12萬(wàn)噸/年多晶硅項(xiàng)目中的在建冷氫化粗分塔為實(shí)例，采用 Aspen Plus 對(duì)三氯氫硅傳統(tǒng)精餾塔、雙效精餾塔進(jìn)行了模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)了并流型氯硅烷雙效精餾流程，并進(jìn)行了靈敏度分析。一方面可以對(duì)比兩種設(shè)計(jì)方案的能耗區(qū)別，為后續(xù)的新建項(xiàng)目提供節(jié)能依據(jù)；另一方面可以通過模型靈敏度分析對(duì)塔系的操作提供一定的指導(dǎo)。

1 模擬方法及過程

1.1 模擬背景

XX公司新上6萬(wàn)噸/年多晶硅項(xiàng)目，配套冷氫化粗分塔2組，每組2個(gè)塔，原設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)精餾塔進(jìn)料，單獨(dú)運(yùn)行。但在建過程中加入節(jié)能考慮，后技改為2組雙效精餾塔。進(jìn)料量設(shè)計(jì)為每組塔進(jìn)料553100 kg/h，并流進(jìn)料。因本文為改造項(xiàng)目模擬，實(shí)際生產(chǎn)中原塔已知曉塔板為100，模擬的目的是為了探尋改造為耦合塔后的控制參數(shù)及節(jié)能效果。

1.2 模擬條件

用Aspen Plus 軟件模擬；用NRTL物性方法計(jì)算氣液平衡；按實(shí)際建成塔板數(shù)100塊計(jì)算。每組塔基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)為：(1)氯硅烷冷凝料處理能力為553100 kg/h，進(jìn)料組成為四氯化硅(下文簡(jiǎn)稱STC)74.352%、三氯氫硅(下文簡(jiǎn)稱TCS)24.817%、二氯二氫硅0.815%、三氯化硼0.001%、甲基二氯硅烷0.015%；(2)進(jìn)料溫度為50 ℃，壓力為1.1 MPaG；(3)低壓塔的塔板壓降為0.34 kPa，高壓塔的塔板壓降為0.4 kPa；(4)最終產(chǎn)品三氯氫硅含量≥96.7%，塔釜側(cè)線采出四氯化硅含量≥99.5%；(5)塔頂冷卻器為風(fēng)冷，熱源為0.5 MPaG低壓飽和蒸汽。

1.3 模擬思路

通過查詢不同壓力下三氯氫硅-四氯化硅泡點(diǎn)體系圖表，找出高壓塔頂溫和低壓塔釜溫的溫差15 ℃以上的工況條件，在此條件下，根據(jù)塔系公輔系統(tǒng)配置及設(shè)備參數(shù)等，盡可能提高塔系運(yùn)行的溫度差，以此來增大換熱物流推動(dòng)力[2]，減小換熱設(shè)備投資?；诎踩矫婧透脑焱顿Y方面的考慮，最終選擇以下運(yùn)行參數(shù)：

低壓塔塔釜的側(cè)采STC質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照99%考慮，對(duì)應(yīng)運(yùn)行壓力0.235 MPa，運(yùn)行溫度84.8 ℃；高壓塔塔頂?shù)捻敳蒚CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照96%考慮，對(duì)應(yīng)運(yùn)行壓力0.73 MPa，運(yùn)行溫度104.4 ℃。高壓塔頂氣相物料與低壓塔再沸器液相物料溫度差Δt=20 ℃，這樣就有足夠的溫差作為物料推動(dòng)力，以此實(shí)現(xiàn)雙效精餾流程。

1.4 模擬過程

使用DSTWU簡(jiǎn)潔塔模型，假設(shè)兩塔進(jìn)料量相同，先對(duì)低壓塔B1進(jìn)行模擬，進(jìn)料量賦值276550 kg/h，設(shè)定塔板數(shù)100，塔頂輕關(guān)鍵組分三氯氫硅回收率0.999，重關(guān)鍵組分四氯化硅回收率0.0001，冷凝器壓力0.201 MPa，再沸器壓力0.235 MPa。計(jì)算出實(shí)際回流比為2.66，流出物進(jìn)料比為0.304，模擬出進(jìn)料塔板為56塊板。將以上數(shù)據(jù)填入RadFrac模塊中，加入設(shè)計(jì)規(guī)范，規(guī)定塔頂產(chǎn)品流股中TCS的質(zhì)量濃度為96.7%，變化為回流比。經(jīng)過計(jì)算，得到低壓塔TL的計(jì)算回流比為2.789，塔釜再沸器負(fù)荷QR1為17161.5 kW。用同樣的方法，計(jì)算出高壓塔TH的進(jìn)料塔板為57，再沸比為2.467，塔頂冷凝器負(fù)荷QC1為-12336.3 kW。由雙效精餾定義可知，在QR1=QC1的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，可以通過調(diào)整進(jìn)料分配比率的方式來調(diào)整QR1、QC1的數(shù)值，使其一致。

重新建立兩塔合并計(jì)算模型，進(jìn)料量賦值553100 kg/h，加入分流器B4，加入全局設(shè)計(jì)規(guī)范，定義QR1為低壓塔TL再沸器負(fù)荷，QC1為高壓塔TH冷凝器負(fù)荷，目標(biāo)Q=0，誤差為1，填入Fortran語(yǔ)句Q=QR1+ QC1,變化為B4模塊的S8流股流量，選擇范圍100000～400000 kg/h即可。

運(yùn)行后，加入設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果如下：QR1+QC1≈0，高低壓塔熱負(fù)荷匹配。將數(shù)據(jù)核對(duì)至模型，重新運(yùn)行，模型收斂，得到后續(xù)雙效精餾塔模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 RadFrac模塊設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算熱負(fù)荷

重新建立新的雙效精餾模型，高壓塔TH1選為無(wú)冷凝器模型，總塔板99，進(jìn)料塔板56，塔頂?shù)?塊板位置加入液相回流流股S20，壓力設(shè)定與之前一致。低壓塔TL1選為無(wú)再沸器模型，總塔板99，進(jìn)料塔板56，加入塔底100塊板，氣相回流流股S25，壓力設(shè)定與之前一致。再加入HeatX模塊B10和Flash2模塊B11，將TH1塔頂流股S19連入HeatX熱流股進(jìn)，添加分離器B6后，連至熱流股出，分離器B6出口S20流股作為高壓塔回流進(jìn)入TH1第一塊塔板，HeatX模塊設(shè)定熱流股出口氣相分率為0，將TL1塔底流股S23連至HeatX模塊的冷流股進(jìn)，冷流股出S24連至Flash2模塊進(jìn)，然后將Flash2模塊的氣相出S25連至TL1塔底作為再沸蒸汽，液相S26作為高沸采出，F(xiàn)lash2模塊規(guī)定閃蒸溫度為TL塔底溫度85.7 ℃，閃蒸負(fù)荷為0。至此完成整個(gè)流程搭建，如圖1所示。

圖1 雙效精餾模型

搭建完畢后，將模型TL、TH的數(shù)據(jù)填入TL1、TH1中，S17賦值553100 kg/h，B7賦值S18流量310430 kg/h，B6中S20的分流分率由TH塔的餾出物流率、回流速率計(jì)算可得0.745667 3，B10設(shè)置為熱流股出口，氣相分率為0，B11溫度設(shè)置為TL的塔釜溫度85.81 ℃，絕熱閃蒸負(fù)荷為0，然后查看TL模型流股分布、100塊板位置氣相產(chǎn)品流量及組分?jǐn)?shù)據(jù)，給S25流股賦值。重置數(shù)據(jù)后運(yùn)行，模型收斂，控制面板無(wú)警告無(wú)報(bào)錯(cuò)。如不收斂，可使用TH第一塊板參數(shù)給S20賦值，或增大迭代次數(shù)。

檢查流股組分信息如下，滿足設(shè)計(jì)要求，如表2所示。

表2 雙效精餾塔產(chǎn)品成分表

2 模型靈敏度分析結(jié)果

2.1 S-1靈敏度分析

新建靈敏度分析S-1，選擇TL1模型的第一塊板壓力作為自變量，選擇B10模型的計(jì)算換熱面積為自變量，得到以下結(jié)果，如圖2所示。由此可知，低壓塔的頂壓由0.2 MPa降至0.18 MPa時(shí)，雙效精餾的雙效換熱器B10計(jì)算換熱面積可減少16.7%。在塔板壓降不變的情況下，降低低壓塔頂壓時(shí)，對(duì)于雙效精餾換熱器的換熱面積要求明顯降低，對(duì)于原始設(shè)計(jì)中雙效換熱器換熱面積余量不多的情況，可以通過降低低壓塔壓力或者提高高壓塔壓力來優(yōu)化塔的操作難度。

圖2 低壓塔塔壓與雙效換熱器面積關(guān)系表

2.2 S-2靈敏度分析

從模擬結(jié)果中查找B10的數(shù)據(jù)，將B10輸入條件改為熱負(fù)荷13949.8 kW，B7輸入條件改為S18分流分率0.561248，建立靈敏度模型S-2,選擇自變量為B7中S18的分流分率，S16即B10出口熱流股的氣相分率為變量，運(yùn)行計(jì)算得到以下結(jié)果，如圖3所示。

圖3 進(jìn)料分率與產(chǎn)品氣相分率關(guān)系表

由此可知，在塔系總進(jìn)料量不變、滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，高壓塔進(jìn)料比例超過0.561后，比例越大，高壓塔頂采氣相含量越高。在實(shí)際生產(chǎn)中，高壓塔進(jìn)料比例超過此范圍，塔系后端放空管線需要的冷凝器負(fù)荷就越大。

3 投資與節(jié)能分析

原塔系設(shè)計(jì)為兩組0.3 MPa的單塔，每個(gè)塔進(jìn)料276550 kg/h，經(jīng)過模擬對(duì)比得出以下數(shù)據(jù)：傳統(tǒng)單塔冷凝器負(fù)荷為-13311 kW，再沸器負(fù)荷為16280.5 kW，一組塔的總負(fù)荷為59183 kW；改為雙效精餾塔后，低壓塔塔頂冷凝器負(fù)荷為-12282 kW，塔釜再沸器負(fù)荷為20744 kW，總負(fù)荷為33026 kW，節(jié)能率約為44.2%。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)多晶硅冷氫化工序中氯硅烷分離流程存在的能耗高問題，可以通過將單塔改為并流雙效精餾塔的方式進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，技改后，塔的運(yùn)行參數(shù)可通過模型靈敏度分析進(jìn)行優(yōu)化。本文通過模型搭建及分析得出以下結(jié)論：(1)多晶硅氯硅烷分離體系中，同樣進(jìn)料量負(fù)荷下，并流雙效精餾塔相較于單塔進(jìn)料節(jié)能效率可達(dá)44%；(2)在其他參數(shù)不變的情況下，通過降低低壓塔的設(shè)計(jì)塔壓，可明顯降低對(duì)雙效換熱器的換熱面積要求，低壓塔塔壓由0.2 MPa降至0.18 MPa，雙效換熱器換熱面積需求降低16.7%；(3)在保證產(chǎn)品組分達(dá)標(biāo)的情況下，塔系的熱平衡和進(jìn)料比例有密切關(guān)系。由分析表明，高壓塔進(jìn)料比例超過0.561后，頂采采出氣相分率開始大于0，且隨進(jìn)料比例提高而增大。