三氯氢硅精馏过程模拟及塔的优化

三氯氢硅精馏过程模拟及塔的优化

氯氢硅精馏过程模拟计算缺乏对相关关键参数的分析随着伏夏产业的快速发展，其需求也在不断增加。三氯氢硅的提纯是改良西门子法生产多晶硅的关键环节,三氯氢硅的纯度直接影响多晶硅产品的质量。工业上多采用精馏的方法对三氯氢硅进行提纯,三氯氢硅精馏的双塔流程目前在工业上应用较多,但是在生产中存在着产品质量偏低,三氯氢硅损失量大,能耗偏高等问题。前人主要从物料和热量平衡的整体角度对三氯氢硅精馏过程进行模拟计算,缺乏对某些关键参数对精馏系统各塔影响的分析。本文采用化工流程模拟软件AspenPlus对三氯氢硅精馏的双塔流程进行模拟计算,对影响精馏系统的重要参数进行灵敏度分析,以提高产品质量,降低能耗和原料损失,并将模拟结果与工业数据进行了对比分析。1氯氢硅塔我国塔某厂年产2万t三氯氢硅精馏系统,进料的组成如表1所示。采用双塔工艺分离,如图1,合成反应液先进入预分离塔(简称预塔),三氯化硼、二氯二氢硅等轻组分杂质在塔顶脱除,釜液由进料泵送入三氯氢硅塔(简称三塔),塔顶得到纯度很高的三氯氢硅,塔釜得到纯度较高的四氯化硅。分离要求为三塔塔顶三氯氢硅质量分数大于0.999,三氯化硼和三氯化磷质量分数分别小于2.0×10-8和5.0×10-9,塔釜三氯氢硅质量分数小于5.0×10-4。2结果与讨论2.1塔板数和回流比物性方法的选择直接影响模拟计算结果的准确度,由于物系中既含有非极性物质,又含有极性物质,选用NRTL物性方法进行计算,该方法能够很准确的描述非理想溶液的VLE性质。为了减少三氯氢硅精馏过程中塔顶制冷的能耗,采用常温循环冷却水代替深冷水进行冷凝,因此采用加压精馏。由于预塔和三塔塔顶三氯氢硅含量很高,塔顶温度应接近三氯氢硅沸点,设计双塔操作压力均为0.15MPa,此压力下双塔塔顶温度应在55~60℃之间。通过DSTWU简捷法计算分别得到预塔和三塔的理论塔板数(NT)和回流比(R)之间的关系,如图2。对于预塔,随着塔板数的增加,回流比开始显著降低,降低到一定程度后缓慢减小。塔板数和回流比分别反映了精馏过程的设备费用和能耗,在确保塔设备造价不致过高的情况下,应尽量降低能耗,因此选取适宜的塔板数和回流比为23和15。三塔塔板数和回流比的选取与预塔相似为25和2.3。将简捷法计算得到的理论板数、回流比和进料位置作为初值,代入RadFrac模型进行严格法计算,在产品质量合格的基础上采用AspenPlus中的灵敏度分析工具,对不同的设计参数进行灵敏度分析,确定设计变量对关键操作变量的影响,进而优化设计参数。2.2在精滤过程中，不同塔的参数的优化分析中2.2.1进料板及回流比合成反应液中的三氯化硼是最难脱除的轻组分,用硼含量高的三氯氢硅进行后续的还原反应,会使得生产的多晶硅的光电转化能力急剧下降。因此,应使合成反应液中的三氯化硼在预塔中尽量完全脱除,控制三塔塔顶三氯氢硅产品中三氯化硼的质量分数低至2.0×10-8。以预塔塔釜三氯化硼质量分数表征其轻组分脱除效果,对进料板位置(NF)进行灵敏度分析,如图3所示。随着进料板位置的下移,预塔塔釜三氯化硼质量分数先减少后增加,当进料位置在第6块塔板时,三氯化硼质量分数达到最小值。为使塔顶轻组分脱除尽量完全,选择第6块塔板进料。在塔板数和进料位置不变的情况下,增大回流比,会使预塔的分离效果提高,但是,增大回流比,会增大塔顶冷凝器和塔釜再沸器的热负荷(Q)。因此,选定第6块板进料,分析预塔回流比对塔釜三氯化硼质量分数及冷凝器和再沸器热负荷的影响,如图4。随着回流比的增大,塔釜三氯化硼的质量分数先急剧减小,当回流比大于16时,塔釜三氯化硼的质量分数随回流比增大而减小的十分缓慢;冷凝器和再沸器的热负荷随回流比的增大线性增大。在塔釜三氯化硼质量分数较低的情况下,选择较小回流比可降低能量消耗,适宜的回流比为18。塔顶采出量(D)对塔的分离效果有很大的影响,选择适宜的塔顶采出量,不仅能够提高分离效果,也能减少物料损耗。选定进料板为第6块塔板、回流比18,考察预塔塔顶采出量与三塔塔顶三氯氢硅和三氯化硼质量分数的关系,如图5所示。随着预塔塔顶采出量的增加,三塔塔顶三氯氢硅质量分数先基本保持不变后减少,三氯化硼减少。当采出量为250kg/h时,三氯氢硅质量分数为0.9994,三氯化硼为1.86×10-8均达到工艺要求。预塔塔顶采出量过大或过小均会造成三塔塔顶产品不合格,采出量过大也会增大三氯氢硅的损失,综合考虑以上因素,选择塔顶采出量为250kg/h。2.2.2进料板及塔第三板三塔的回流比对三塔塔计算结果的影响对精馏三塔的优化应以塔顶和塔釜三氯氢硅质量分数作为衡量标准,考察进料板位置、回流比和塔顶采出量对塔顶和塔釜三氯氢硅质量分数的影响。对进料板位置进行灵敏度分析,图6给出了三塔进料板位置与塔顶三氯氢硅质量分数的关系。随进料板位置的下移,塔顶三氯氢硅的质量分数先增大,在9~16块塔板进料时基本不变,而后迅速减小。为保证塔顶三氯氢硅的纯度,选取第12块板为进料板。三塔塔顶三氯氢硅的质量分数及热负荷随回流比的变化如图7所示。随着回流比的增大,塔顶三氯氢硅的质量分数先急剧增大,当回流比大于4后,增加十分缓慢;冷凝器和再沸器的热负荷基本相等,且随回流比增大线性增大。回流比为5时,塔顶和塔釜三氯氢硅质量分数均达到分离要求为0.9995和4.28×10-4。在此基础上考虑能量的消耗,得到适宜的回流比为5。三塔的塔顶采出量对塔顶和塔釜三氯氢硅质量分数的影响如图8所示。随着塔顶采出量的增大,塔顶和塔釜三氯氢硅质量分数均减少,塔顶采出量的选取原则为:在保证达到分离要求的前提下,尽量多的采出三氯氢硅产品。因此选择塔顶采出量为2453kg/h,此时塔顶三氯氢硅质量分数为0.9995,塔釜三氯氢硅质量分数为4.29×10-4,二者均满足工艺要求。2.2.3进料温度的tf对塔第三段吸热剂的影响进入精馏工段的是经过深冷后的合成反应液,温度在0℃左右,由于温度较低,会增大塔釜再沸器的热负荷,因此合成反应液进入预塔前应预热。预塔的进料温度(tF)对塔釜再沸器的热负荷和塔釜三氯化硼质量分数均有一定影响,如图9所示。随着进料温度的上升,塔釜再沸器热负荷减小,釜液中三氯化硼含量增多。考虑降低塔釜热负荷的同时保证预塔的脱轻组分效果,选择适宜的进料温度为25~35℃,预塔再沸器的热负荷可降低25.71~37.09kW,拟采用塔釜再沸器出口的高温冷凝水进行预热,温度约为140℃。经模拟优化计算的各出口物流组成如表2所示。2.3工业数值对三氯氢硅纯度的影响将优化后的参数应用于预塔和三塔的实际设计中,预塔和三塔投入使用后运行稳定,三塔塔顶采出的产品中,各组分含量的模拟数值与工业数值对比如表3所示。实际生产中三氯氢硅的纯度大于0.999,硼和磷的含量均控制在痕量水平,达到了工业级三氯氢硅的纯度要求。表3中给出的各组分含量的模拟数值与工业数值基本吻合,表明模拟数据对三氯氢硅精馏过程具有指导性。3进料板位置、回流比、塔(1)通过对三氯氢硅双塔精馏系统进行模拟计算和灵敏度分析,得到了优化的工艺参数。对于预塔,最适宜的进料板位置、回流比、