基于ChemCAD软件对三氯氢硅精馏的模拟

宋安宁

摘 要：ChemCAD是美国Chemstations公司开发的化工流程模拟软件，广泛应用于石油化工、工业安全、清洁生产等领域，为工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造提供理论指导。文章针对三氯氢硅精馏系统进行模拟，从而对实际生产中的系统运行进行优化，并对工艺开发、技术改造提供理论指导。

关键词：ChemCAD；多晶硅；三氯氢硅；精馏塔；模拟

西门子法多晶硅生产工艺中，三氯氢硅精馏单元是其核心关键工序之一，精馏产品的性质对整个多晶硅产品的质量、产量、生产能力和消耗定额等方面都有着重大影响，因此精馏单元的稳定运行和工艺优化对多晶硅生产有着重要意义。通过化工流程模拟软件我们可以更科学更有效的实现对多晶硅精馏系统的工艺开发、流程设计、优化操作和技术改造，它不但能提供理论指导，还可实现动态模拟，提供技术诊断方案，从而指导实际生产[1]。目前应用比较广泛的化工流程模拟软件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美国 Chemstations 公司开发的全流程化工流程模拟软件，它以图形用户界面方式输入， 具有严格的和最新的计算方法，针对精馏系统提供的模块较多，除基本上具备 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ软件的各种功能，且价格相对低廉，因此对于三氯氢硅精馏系统选择ChemCAD是比较适合的[2]。

1 全流程模拟的建立

1.1 流程模拟图

本工艺流程为5塔流程，进料组成为：DCS（二氯二氢硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3为主）0.16%、TCS（三氯氢硅）68.3%、MDCS（甲基氯硅烷）1.2%、STC（四氯化硅）27.866%、LEC（高沸物以聚氯硅烷和PCl3为代表）0.68%，进料量3645.8kg/h，要求最终TCS和STC纯度不低于99.9%，塔的操作压力均为0.2MPaG，塔顶为全凝器。

1.2 选择计算单位

打开菜单选项 Format →Engineering Units，按照给定的已知条件，选择SI国际单位制，压力选择MPaG，温度选择℃，点击OK保存。

1.3 添加组分

打开菜单选项 Thermophysical→Componentlist，得到组分输入对话框，添加进料组成6种组分至组分列表。

1.4 选择热力学模型

ChemCAD软件提供了大量最新的热力学计算方法，包含39种K值计算方法和13种焓计算方法，在这里根据三氯氢硅精馏分离物质特性和经验，打开菜单选项Thermophysical→K- values，选择SRK模型方程，相应地焓值也选择了SRK模型[3]。

1.5 输入物流数据并定义各设备单元操作参数

通过Specification→Feed Streams菜单选项，打开进料物流对话框，输入物流参数，此时注意，只需定义组成和温度、压力、汽相分率其中的两个。

定义各单元操作参数时，根据实际塔板数和SITEC的技术参数进行，其中对于泵的设定参数以实际值为主。

1.6 运行模拟计算

打开 Run →Run all 选项，或者单击流程图中的精馏塔图标，点右键选择 Run This Unit Op，运行模拟。Chemcad中提供了四种运行的方式：稳态运行、灵敏度分析、优化分析和动态运行，其中可以先实现稳态模拟，然后可以通过确定模拟目标变量，改变模拟参数，实现参数优化。[4]

2 计算结果及分析

通过Results→streams Composition→All streams菜单选项，可以查看各流股的组成，表1所列的是TCS和STC提纯塔产品物流的模拟结果。

将模拟结果与实际运行参数比较，包括塔顶温度和物料组成非常接近，如模拟TCS塔塔釜的TCS物料，组成超过99.92%，物料温度为82.21℃，这也与实际参数值81.9非常接近。

通过 Plot→Tower Profiles菜单选项，可以查看各个精馏塔的一些参数，如各塔板的温度、压力、汽液相组成等。如TCS/STC分离塔各塔板温度曲线如图2所示。

当进料组成在一定范围内变化时，要保证各塔的分离效果，必须调整塔顶和塔底的采出量，此时可以通过模拟给以指导。如TCS/STC分离塔进料组成变化为：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、进料量维持不变，要保证塔顶和塔釜组成，相应的采出量调整为：塔顶由2489.06kg/h降为2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加为1267.14kg/h，而此时的温度曲线如下图3所示，这对操作来说提供了较好的理论指导。

3 结束语

应用 ChemCAD 能够比较方便地模拟三氯氢硅精馏过程，通过模拟，可以得到三氯氢硅精馏塔的各种参数，对于进行灵敏度分析，确定合适的操作条件，生产工艺技术改造都有一定的指导意义。

参考文献

[1]陈声宗.化工设计[M].北京：化学工业出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用户使用手册[S].2002.

[3]吴俊生，邵惠鹤.精馏设计、操作和控制[M].北京：中国石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程软件对蒸馏过程的研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2006.

摘 要：ChemCAD是美国Chemstations公司开发的化工流程模拟软件，广泛应用于石油化工、工业安全、清洁生产等领域，为工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造提供理论指导。文章针对三氯氢硅精馏系统进行模拟，从而对实际生产中的系统运行进行优化，并对工艺开发、技术改造提供理论指导。

关键词：ChemCAD；多晶硅；三氯氢硅；精馏塔；模拟

西门子法多晶硅生产工艺中，三氯氢硅精馏单元是其核心关键工序之一，精馏产品的性质对整个多晶硅产品的质量、产量、生产能力和消耗定额等方面都有着重大影响，因此精馏单元的稳定运行和工艺优化对多晶硅生产有着重要意义。通过化工流程模拟软件我们可以更科学更有效的实现对多晶硅精馏系统的工艺开发、流程设计、优化操作和技术改造，它不但能提供理论指导，还可实现动态模拟，提供技术诊断方案，从而指导实际生产[1]。目前应用比较广泛的化工流程模拟软件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美国 Chemstations 公司开发的全流程化工流程模拟软件，它以图形用户界面方式输入， 具有严格的和最新的计算方法，针对精馏系统提供的模块较多，除基本上具备 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ软件的各种功能，且价格相对低廉，因此对于三氯氢硅精馏系统选择ChemCAD是比较适合的[2]。

1 全流程模拟的建立

1.1 流程模拟图

本工艺流程为5塔流程，进料组成为：DCS（二氯二氢硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3为主）0.16%、TCS（三氯氢硅）68.3%、MDCS（甲基氯硅烷）1.2%、STC（四氯化硅）27.866%、LEC（高沸物以聚氯硅烷和PCl3为代表）0.68%，进料量3645.8kg/h，要求最终TCS和STC纯度不低于99.9%，塔的操作压力均为0.2MPaG，塔顶为全凝器。

1.2 选择计算单位

打开菜单选项 Format →Engineering Units，按照给定的已知条件，选择SI国际单位制，压力选择MPaG，温度选择℃，点击OK保存。

1.3 添加组分

打开菜单选项 Thermophysical→Componentlist，得到组分输入对话框，添加进料组成6种组分至组分列表。

1.4 选择热力学模型

ChemCAD软件提供了大量最新的热力学计算方法，包含39种K值计算方法和13种焓计算方法，在这里根据三氯氢硅精馏分离物质特性和经验，打开菜单选项Thermophysical→K- values，选择SRK模型方程，相应地焓值也选择了SRK模型[3]。

1.5 输入物流数据并定义各设备单元操作参数

通过Specification→Feed Streams菜单选项，打开进料物流对话框，输入物流参数，此时注意，只需定义组成和温度、压力、汽相分率其中的两个。

定义各单元操作参数时，根据实际塔板数和SITEC的技术参数进行，其中对于泵的设定参数以实际值为主。

1.6 运行模拟计算

打开 Run →Run all 选项，或者单击流程图中的精馏塔图标，点右键选择 Run This Unit Op，运行模拟。Chemcad中提供了四种运行的方式：稳态运行、灵敏度分析、优化分析和动态运行，其中可以先实现稳态模拟，然后可以通过确定模拟目标变量，改变模拟参数，实现参数优化。[4]

2 计算结果及分析

通过Results→streams Composition→All streams菜单选项，可以查看各流股的组成，表1所列的是TCS和STC提纯塔产品物流的模拟结果。

将模拟结果与实际运行参数比较，包括塔顶温度和物料组成非常接近，如模拟TCS塔塔釜的TCS物料，组成超过99.92%，物料温度为82.21℃，这也与实际参数值81.9非常接近。

通过 Plot→Tower Profiles菜单选项，可以查看各个精馏塔的一些参数，如各塔板的温度、压力、汽液相组成等。如TCS/STC分离塔各塔板温度曲线如图2所示。

当进料组成在一定范围内变化时，要保证各塔的分离效果，必须调整塔顶和塔底的采出量，此时可以通过模拟给以指导。如TCS/STC分离塔进料组成变化为：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、进料量维持不变，要保证塔顶和塔釜组成，相应的采出量调整为：塔顶由2489.06kg/h降为2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加为1267.14kg/h，而此时的温度曲线如下图3所示，这对操作来说提供了较好的理论指导。

3 结束语

应用 ChemCAD 能够比较方便地模拟三氯氢硅精馏过程，通过模拟，可以得到三氯氢硅精馏塔的各种参数，对于进行灵敏度分析，确定合适的操作条件，生产工艺技术改造都有一定的指导意义。

参考文献

[1]陈声宗.化工设计[M].北京：化学工业出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用户使用手册[S].2002.

[3]吴俊生，邵惠鹤.精馏设计、操作和控制[M].北京：中国石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程软件对蒸馏过程的研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2006.

摘 要：ChemCAD是美国Chemstations公司开发的化工流程模拟软件，广泛应用于石油化工、工业安全、清洁生产等领域，为工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造提供理论指导。文章针对三氯氢硅精馏系统进行模拟，从而对实际生产中的系统运行进行优化，并对工艺开发、技术改造提供理论指导。

关键词：ChemCAD；多晶硅；三氯氢硅；精馏塔；模拟

西门子法多晶硅生产工艺中，三氯氢硅精馏单元是其核心关键工序之一，精馏产品的性质对整个多晶硅产品的质量、产量、生产能力和消耗定额等方面都有着重大影响，因此精馏单元的稳定运行和工艺优化对多晶硅生产有着重要意义。通过化工流程模拟软件我们可以更科学更有效的实现对多晶硅精馏系统的工艺开发、流程设计、优化操作和技术改造，它不但能提供理论指导，还可实现动态模拟，提供技术诊断方案，从而指导实际生产[1]。目前应用比较广泛的化工流程模拟软件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美国 Chemstations 公司开发的全流程化工流程模拟软件，它以图形用户界面方式输入， 具有严格的和最新的计算方法，针对精馏系统提供的模块较多，除基本上具备 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ软件的各种功能，且价格相对低廉，因此对于三氯氢硅精馏系统选择ChemCAD是比较适合的[2]。

1 全流程模拟的建立

1.1 流程模拟图

本工艺流程为5塔流程，进料组成为：DCS（二氯二氢硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3为主）0.16%、TCS（三氯氢硅）68.3%、MDCS（甲基氯硅烷）1.2%、STC（四氯化硅）27.866%、LEC（高沸物以聚氯硅烷和PCl3为代表）0.68%，进料量3645.8kg/h，要求最终TCS和STC纯度不低于99.9%，塔的操作压力均为0.2MPaG，塔顶为全凝器。

1.2 选择计算单位

打开菜单选项 Format →Engineering Units，按照给定的已知条件，选择SI国际单位制，压力选择MPaG，温度选择℃，点击OK保存。

1.3 添加组分

打开菜单选项 Thermophysical→Componentlist，得到组分输入对话框，添加进料组成6种组分至组分列表。

1.4 选择热力学模型

ChemCAD软件提供了大量最新的热力学计算方法，包含39种K值计算方法和13种焓计算方法，在这里根据三氯氢硅精馏分离物质特性和经验，打开菜单选项Thermophysical→K- values，选择SRK模型方程，相应地焓值也选择了SRK模型[3]。

1.5 输入物流数据并定义各设备单元操作参数

通过Specification→Feed Streams菜单选项，打开进料物流对话框，输入物流参数，此时注意，只需定义组成和温度、压力、汽相分率其中的两个。

定义各单元操作参数时，根据实际塔板数和SITEC的技术参数进行，其中对于泵的设定参数以实际值为主。

1.6 运行模拟计算

打开 Run →Run all 选项，或者单击流程图中的精馏塔图标，点右键选择 Run This Unit Op，运行模拟。Chemcad中提供了四种运行的方式：稳态运行、灵敏度分析、优化分析和动态运行，其中可以先实现稳态模拟，然后可以通过确定模拟目标变量，改变模拟参数，实现参数优化。[4]

2 计算结果及分析

通过Results→streams Composition→All streams菜单选项，可以查看各流股的组成，表1所列的是TCS和STC提纯塔产品物流的模拟结果。

将模拟结果与实际运行参数比较，包括塔顶温度和物料组成非常接近，如模拟TCS塔塔釜的TCS物料，组成超过99.92%，物料温度为82.21℃，这也与实际参数值81.9非常接近。

通过 Plot→Tower Profiles菜单选项，可以查看各个精馏塔的一些参数，如各塔板的温度、压力、汽液相组成等。如TCS/STC分离塔各塔板温度曲线如图2所示。

当进料组成在一定范围内变化时，要保证各塔的分离效果，必须调整塔顶和塔底的采出量，此时可以通过模拟给以指导。如TCS/STC分离塔进料组成变化为：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、进料量维持不变，要保证塔顶和塔釜组成，相应的采出量调整为：塔顶由2489.06kg/h降为2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加为1267.14kg/h，而此时的温度曲线如下图3所示，这对操作来说提供了较好的理论指导。

3 结束语

应用 ChemCAD 能够比较方便地模拟三氯氢硅精馏过程，通过模拟，可以得到三氯氢硅精馏塔的各种参数，对于进行灵敏度分析，确定合适的操作条件，生产工艺技术改造都有一定的指导意义。

参考文献

[1]陈声宗.化工设计[M].北京：化学工业出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用户使用手册[S].2002.

[3]吴俊生，邵惠鹤.精馏设计、操作和控制[M].北京：中国石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程软件对蒸馏过程的研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2006.