氯硅烷平流双效精馏塔模拟

张科，罗永刚，彭冬寿

(新疆东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产主要分为冷氢化流化床工序、精馏工序、还原工序、尾气回收工序。其中冷氢化工序中合成的氯硅烷混合物需要通过初步提纯后，再进入后续的精馏、还原工序生产多晶硅棒。工业生产中，氯硅烷混合物初步提纯的塔系称作粗分塔，粗分塔的特点是进料量大、能耗高。因此，为了降低能耗，设计上多采用双效精馏的方式。双效精馏塔由两个具有一定压力差、温度差的塔组成，高压塔只设计再沸器，塔顶蒸汽通过潜热相变化给低压塔的双效换热器提供热源；而低压塔只设计冷凝器，以达到热量充分利用和节能的目的。按照进料方向与操作压力梯度方向是否一致，双效精馏可分为并流型、顺流型、逆流型[1]。并流型的两效之间没有物料的交换，只有能量的交换，较其他几种类型的双效精馏更容易控制，而且节能效果最好，故在对设备没有特殊要求时，对工艺进行节能设计及改造时，通常采用并流型双效精馏[2]。并流型双效精馏节能率最高，理论上节能效率可达50%[3]。

本文以12万吨/年多晶硅项目中的在建冷氢化粗分塔为实例，采用 Aspen Plus 对三氯氢硅传统精馏塔、双效精馏塔进行了模拟计算，设计了并流型氯硅烷双效精馏流程，并进行了灵敏度分析。一方面可以对比两种设计方案的能耗区别，为后续的新建项目提供节能依据；另一方面可以通过模型灵敏度分析对塔系的操作提供一定的指导。

1 模拟方法及过程

1.1 模拟背景

XX公司新上6万吨/年多晶硅项目，配套冷氢化粗分塔2组，每组2个塔，原设计为传统精馏塔进料，单独运行。但在建过程中加入节能考虑，后技改为2组双效精馏塔。进料量设计为每组塔进料553100 kg/h，并流进料。因本文为改造项目模拟，实际生产中原塔已知晓塔板为100，模拟的目的是为了探寻改造为耦合塔后的控制参数及节能效果。

1.2 模拟条件

用Aspen Plus 软件模拟；用NRTL物性方法计算气液平衡；按实际建成塔板数100块计算。每组塔基础生产数据为：(1)氯硅烷冷凝料处理能力为553100 kg/h，进料组成为四氯化硅(下文简称STC)74.352%、三氯氢硅(下文简称TCS)24.817%、二氯二氢硅0.815%、三氯化硼0.001%、甲基二氯硅烷0.015%；(2)进料温度为50 ℃，压力为1.1 MPaG；(3)低压塔的塔板压降为0.34 kPa，高压塔的塔板压降为0.4 kPa；(4)最终产品三氯氢硅含量≥96.7%，塔釜侧线采出四氯化硅含量≥99.5%；(5)塔顶冷却器为风冷，热源为0.5 MPaG低压饱和蒸汽。

1.3 模拟思路

通过查询不同压力下三氯氢硅-四氯化硅泡点体系图表，找出高压塔顶温和低压塔釜温的温差15 ℃以上的工况条件，在此条件下，根据塔系公辅系统配置及设备参数等，尽可能提高塔系运行的温度差，以此来增大换热物流推动力[2]，减小换热设备投资。基于安全方面和改造投资方面的考虑，最终选择以下运行参数：

低压塔塔釜的侧采STC质量分数按照99%考虑，对应运行压力0.235 MPa，运行温度84.8 ℃；高压塔塔顶的顶采TCS质量分数按照96%考虑，对应运行压力0.73 MPa，运行温度104.4 ℃。高压塔顶气相物料与低压塔再沸器液相物料温度差Δt=20 ℃，这样就有足够的温差作为物料推动力，以此实现双效精馏流程。

1.4 模拟过程

使用DSTWU简洁塔模型，假设两塔进料量相同，先对低压塔B1进行模拟，进料量赋值276550 kg/h，设定塔板数100，塔顶轻关键组分三氯氢硅回收率0.999，重关键组分四氯化硅回收率0.0001，冷凝器压力0.201 MPa，再沸器压力0.235 MPa。计算出实际回流比为2.66，流出物进料比为0.304，模拟出进料塔板为56块板。将以上数据填入RadFrac模块中，加入设计规范，规定塔顶产品流股中TCS的质量浓度为96.7%，变化为回流比。经过计算，得到低压塔TL的计算回流比为2.789，塔釜再沸器负荷QR1为17161.5 kW。用同样的方法，计算出高压塔TH的进料塔板为57，再沸比为2.467，塔顶冷凝器负荷QC1为-12336.3 kW。由双效精馏定义可知，在QR1=QC1的条件下，才能实现，可以通过调整进料分配比率的方式来调整QR1、QC1的数值，使其一致。

重新建立两塔合并计算模型，进料量赋值553100 kg/h，加入分流器B4，加入全局设计规范，定义QR1为低压塔TL再沸器负荷，QC1为高压塔TH冷凝器负荷，目标Q=0，误差为1，填入Fortran语句Q=QR1+ QC1,变化为B4模块的S8流股流量，选择范围100000～400000 kg/h即可。

运行后，加入设计规范的计算结果如下：QR1+QC1≈0，高低压塔热负荷匹配。将数据核对至模型，重新运行，模型收敛，得到后续双效精馏塔模型的基础数据，如表1所示。

表1 RadFrac模块设计规范计算热负荷

重新建立新的双效精馏模型，高压塔TH1选为无冷凝器模型，总塔板99，进料塔板56，塔顶第1块板位置加入液相回流流股S20，压力设定与之前一致。低压塔TL1选为无再沸器模型，总塔板99，进料塔板56，加入塔底100块板，气相回流流股S25，压力设定与之前一致。再加入HeatX模块B10和Flash2模块B11，将TH1塔顶流股S19连入HeatX热流股进，添加分离器B6后，连至热流股出，分离器B6出口S20流股作为高压塔回流进入TH1第一块塔板，HeatX模块设定热流股出口气相分率为0，将TL1塔底流股S23连至HeatX模块的冷流股进，冷流股出S24连至Flash2模块进，然后将Flash2模块的气相出S25连至TL1塔底作为再沸蒸汽，液相S26作为高沸采出，Flash2模块规定闪蒸温度为TL塔底温度85.7 ℃，闪蒸负荷为0。至此完成整个流程搭建，如图1所示。

图1 双效精馏模型

搭建完毕后，将模型TL、TH的数据填入TL1、TH1中，S17赋值553100 kg/h，B7赋值S18流量310430 kg/h，B6中S20的分流分率由TH塔的馏出物流率、回流速率计算可得0.745667 3，B10设置为热流股出口，气相分率为0，B11温度设置为TL的塔釜温度85.81 ℃，绝热闪蒸负荷为0，然后查看TL模型流股分布、100块板位置气相产品流量及组分数据，给S25流股赋值。重置数据后运行，模型收敛，控制面板无警告无报错。如不收敛，可使用TH第一块板参数给S20赋值，或增大迭代次数。

检查流股组分信息如下，满足设计要求，如表2所示。

表2 双效精馏塔产品成分表

2 模型灵敏度分析结果

2.1 S-1灵敏度分析

新建灵敏度分析S-1，选择TL1模型的第一块板压力作为自变量，选择B10模型的计算换热面积为自变量，得到以下结果，如图2所示。由此可知，低压塔的顶压由0.2 MPa降至0.18 MPa时，双效精馏的双效换热器B10计算换热面积可减少16.7%。在塔板压降不变的情况下，降低低压塔顶压时，对于双效精馏换热器的换热面积要求明显降低，对于原始设计中双效换热器换热面积余量不多的情况，可以通过降低低压塔压力或者提高高压塔压力来优化塔的操作难度。

图2 低压塔塔压与双效换热器面积关系表

2.2 S-2灵敏度分析

从模拟结果中查找B10的数据，将B10输入条件改为热负荷13949.8 kW，B7输入条件改为S18分流分率0.561248，建立灵敏度模型S-2,选择自变量为B7中S18的分流分率，S16即B10出口热流股的气相分率为变量，运行计算得到以下结果，如图3所示。

图3 进料分率与产品气相分率关系表

由此可知，在塔系总进料量不变、满负荷运行的情况下，高压塔进料比例超过0.561后，比例越大，高压塔顶采气相含量越高。在实际生产中，高压塔进料比例超过此范围，塔系后端放空管线需要的冷凝器负荷就越大。

3 投资与节能分析

原塔系设计为两组0.3 MPa的单塔，每个塔进料276550 kg/h，经过模拟对比得出以下数据：传统单塔冷凝器负荷为-13311 kW，再沸器负荷为16280.5 kW，一组塔的总负荷为59183 kW；改为双效精馏塔后，低压塔塔顶冷凝器负荷为-12282 kW，塔釜再沸器负荷为20744 kW，总负荷为33026 kW，节能率约为44.2%。

4 结语

针对多晶硅冷氢化工序中氯硅烷分离流程存在的能耗高问题，可以通过将单塔改为并流双效精馏塔的方式进行节能优化，技改后，塔的运行参数可通过模型灵敏度分析进行优化。本文通过模型搭建及分析得出以下结论：(1)多晶硅氯硅烷分离体系中，同样进料量负荷下，并流双效精馏塔相较于单塔进料节能效率可达44%；(2)在其他参数不变的情况下，通过降低低压塔的设计塔压，可明显降低对双效换热器的换热面积要求，低压塔塔压由0.2 MPa降至0.18 MPa，双效换热器换热面积需求降低16.7%；(3)在保证产品组分达标的情况下，塔系的热平衡和进料比例有密切关系。由分析表明，高压塔进料比例超过0.561后，顶采采出气相分率开始大于0，且随进料比例提高而增大。