差压耦合联合热泵精馏在SiHCl3提纯过程中的模拟

肖荣晖　郭树虎　万烨　姜利霞　赵雄　章莉

摘要：文章针对多晶硅生产时三氯氢硅提纯过程能耗高的特点，运用化工模拟软件Aspen Plus，采用差压耦合联合热泵精馏技术对传统的三氯氢硅双塔提纯工艺进行的节能模拟分析。计算结果表明：在处理量相同的情况下，与传统精馏提纯工艺以及差压耦合精馏技术相比，能耗费用分别节约83.9%和68.1%。

关键词：三氯氢硅；差压耦合；热泵精馏；节能

中图分类号：TQ053 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）15-0057-02

近年来，太阳能作为一种环境友好型的清洁能源正日益受到人们的青睐，受其影响，全球对多晶硅的需求量迅速增长。改良西门子法是目前多晶硅的主要生产办法，能够兼容电子级和太阳能级多晶硅的生产，其生产过程广泛涉及到氯硅烷精馏提纯操作。由于多晶硅生产对原料三氯氢硅纯度要求很高（通常需达到6N以上），因此所需的精馏提纯系统具有高回流比和高理论板等特征，是多晶硅生产过程中公认的高能耗过程，因此做好该单元的节能减排工作迫在眉睫。目前多晶硅企业多采用差压耦合技术对提纯单元进行节能降耗，效果显著。但尚未见采用热泵精馏技术乃至热泵精馏联合差压耦合技术进行节能降耗的报道。本文应用Aspen Plus软件模拟了差压耦合联合热泵精馏的三氯氢硅提纯工艺，并与常规精馏技术以及差压耦合精馏技术相比较，分析了其节能效果。

1 差压热耦合精馏节能技术

差压耦合精馏最早是20世纪60年代由Petlyuk等提出的，该技术既节能又节省设备投资，从而引发了人们的广泛关注。以双塔差压耦合精馏系统为例，该系统包括低压精馏塔、加压精馏塔、塔釜再沸器、塔顶冷凝器和辅助冷凝器；在两个精馏塔之间设置有冷凝再沸器，加压精馏塔的气相物料出口连接到冷凝再沸器加热介质入口，加热介质出口再返回到加压精馏塔塔顶；低压精馏塔塔底的液相出口连接到冷凝再沸器受热介质入口，受热介质出口再返回低压精馏塔塔底。工艺流程图如图1所示。三氯氢硅差压耦合精馏技术能够大幅度降低生产成本和能耗，节能40%左右，从而显著提高了多晶硅材料的市场竞争力。

2 热泵精馏节能技术

热泵精馏技术的想法最早是20世纪50年代由Robinson等提出的，并在原油主要依靠进口的欧洲以及日本得到了广泛应用。以双塔热泵精馏为例，其流程如图2，以塔顶混合气体为工质，经过压缩升温后与塔底液体进行换热，冷凝发热使塔釜液体再沸，而自身冷凝为液体，再经过节流减压后，一部分采用，另外一部分进入塔顶回流。塔顶气体冷凝为液体后通常温度仍较高，因此需要设置辅助冷却器进一步冷却，从而使得回流液体的温度满足塔顶温度的控制要求。

3 差压耦合联合热泵精馏节能技术的模拟计算

3.1 流程模拟

以某多晶硅厂三氯氢硅精馏单元为例，进料量10m3/h，进料温度45℃，质量分数为98%的三氯氢硅、1.8%的四氯化硅、0.2%的二氯二氢硅，忽略了微量的含硼、磷化合物杂质。本文主要从节能的角度出发，分析差压耦合联合热泵精馏技术在三氯氢硅精馏塔应用中的节能效果。

运用化工过程模拟软件Aspen Plus并结合实际生产经验，根据产品质量要求及设备特性确定节能技术方案，如图3所示：2#塔加压后与1#塔进行热耦合，1#塔塔顶蒸汽经压缩机加压升温后与2#塔塔釜液进行双效换热，从而实现差压耦合与热泵精馏技术的联合运用。

热力学物性方法的选择对模拟结果的影响很大。通常三氯氢硅精馏系统属于中低压环境，气相可按照理想体系处理，液相由于含有非极性的四氯化硅，故三氯氢硅精馏体系的热力学方法可以选用Aspen Plus中提供的NRTL-RK方程。选用Aspen Plus中的RADFRAC严格精馏模型，分别模拟传统精馏工艺、差压耦合精馏工艺以及差压耦合联合热泵精馏工艺。T1塔、T2塔摩尔回流比分别选取1.2和15。压缩机为等熵压缩，等熵效率0.7。

3.2 模拟结果的比较与分析

在原料处理量、产品质量以及回流比相同的情况下，对比分析了三氯氢硅传统提纯工艺、差压耦合节能工艺以及差压耦合联合热泵精馏节能工艺的能耗情况，结果见表1。

4 结语

本文将差压耦合与热泵精馏节能技术联合起来用于高纯三氯氢硅传统二塔精馏提纯流程的节能优化改造中，并对模拟结果进行比较与分析。研究结果表明，改造后的流程节能效果显著，与传统精馏工艺以及单独采用差压耦合精馏工艺相比，能耗下降分别高达83.9%和68.1%。此外，整个工艺流程仅通过增加了一台压缩机，就能省去大部分的冷凝器和再沸器，即只增加了一台压缩机的少量电耗，却节省了大量的冷量与热量公用工程，相应的设备投资也会下降。

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作者简介：肖荣晖（1968—），男，湖南衡阳人，中国恩菲工程技术有限公司高级工程师，主研究方向：多晶硅生产技术与管理。