改良西门子法生产多晶硅中三氯氢硅精馏工艺的开发模拟研究
三氯氢硅混合体系精馏工艺作为太阳能级多晶硅生产过程中关键的操作环节，影响着最终多晶硅产品的品质。多晶硅生产合成工段的反应液经过深冷后进入三塔串联精馏系统，三个塔依次命名为预分离塔、三氯氢硅塔与四氯化硅塔。预分离塔脱除氯化硼、二氯二氢硅、氯化氢及氢气等轻组分，塔釜采出三氯氢硅、四氯化硅及高沸物杂质作为三塔进料，于三氯氢硅塔塔顶得到高纯度99.93％的三氯氢硅产品，塔釜采出四氯化硅及高沸物杂质作为四塔进料，四塔脱除三氯氧磷、氯化锌及氯化铜等重组分，塔顶采出混有少量三氯氢硅的四氯化硅，返回原料罐，塔釜采出高沸物杂质，提馏段侧线采出高纯度99.85％的四氯化硅产品。本课题针对新型三塔精馏工序，使用化工模拟软件Aspen Plus对三个塔适宜的操作条件、能源消耗进行模拟分析，根据塔器能耗特点提出了两种新型的节能改造方案。 本课题首先针对系统组成物性进行分析，通过查阅文献获取三氯氢硅-四氯化硅体系的汽液相平衡数据，选择PENG-ROB热力学模型对热力学数据进行拟合回归，得到二元交互作用参数。利用软件中的灵敏度分析及设计规定功能确定了各个塔器的最优操作参数，优化后预塔的最优操作条件为:操作压力0.150 MPag，理论板数20块，进料位置在第6块板，回流比27.0，塔顶采出量435kg/h，塔釜氯化硼杂质含量1.92×10-8，小于20ppb，满足工艺指标要求。优化后三塔的最优操作条件为:操作压力0.150MPag，理论板数25块，进料位置在第11块板，回流比3.0，塔顶馏出量4785 kg/h。优化后四塔的操作条件为:理论板数18块，操作压力0.250 MPag，四氯化硅产品侧线采出在第12～14块理论板，侧采量894 kg/h，塔顶三氯氧磷杂质含量2.45×10-6，氯化磷杂质含量6.13×10-6，实现了分离任务书要求。 将三塔串联精馏与传统双塔以及三塔并联工艺模拟数据进行比较。由于传统双塔工艺中轻组分脱除不完全，且最终产品中硼杂质含量超标，不能满足生产要求。三塔并联精馏工艺可满足工艺任务要求，但总回流量大，且各个塔的塔釜再沸器热负荷总量与三塔串联工艺相比高出38.45％，不利于节能降耗。对三塔串联各精馏塔能耗与塔顶、塔釜温度进行分析，将三塔塔顶蒸汽作为预塔塔釜再沸器的热源，完成预分离塔、三氯氢硅塔之间的双效精馏模拟，在有效利用低品位热源的同时降低了冷却设备成本。通过可行性分析，设计了三氯氢硅塔开放式A型热泵精馏工艺，计算确定了热泵压缩机最佳压缩比以及适宜的压缩机出口压力，改造后的工艺与原工艺相比，节省了205.26万元/年的公用工程费用，节约能源达81.41％，具有可观的经济效益与环境效益。
多晶硅生产;精馏分离;三氯氢硅;节能改造
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
李群生
2015
中文
TQ028.31;TQ127.2
117
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）