章 莉 楊永亮 張升學(xué) 姜利霞

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅作為信息產(chǎn)業(yè)和太陽(yáng)能光伏的重要基礎(chǔ)材料，是國(guó)家戰(zhàn)略性材料[1]。西門(mén)子法生產(chǎn)多晶硅流程中，精餾提純工藝是提高三氯氫硅純度的關(guān)鍵，直接影響多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中三氯氫硅精餾提純工藝綜合能耗約占總能耗的16%，主要為塔底再沸器蒸汽消耗，多晶硅生產(chǎn)中要求精餾產(chǎn)品純度高、精餾能源消耗少、精餾產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、系統(tǒng)操作彈性大。為降低精餾提純工藝能耗，使用差壓熱耦合精餾技術(shù)，減少蒸汽消耗和塔頂循環(huán)水消耗[3]。

傳統(tǒng)的應(yīng)用熱力學(xué)第一定律分析問(wèn)題的方法具有一定的局限性，只反映了能量在“量”上的關(guān)系，并沒(méi)有體現(xiàn)出能量在“質(zhì)”上的差異。分析方法的理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律的平衡方法和第二定律的概念[4]。本文以西門(mén)子法生產(chǎn)多晶硅流程中精餾提純工藝的常規(guī)精餾塔和耦合精餾塔為研究對(duì)象，運(yùn)用Aspen Plus模擬軟件對(duì)其進(jìn)行模擬，得到相關(guān)的物流信息，計(jì)算得到各部分的損分布，對(duì)常規(guī)精餾塔和耦合精餾塔進(jìn)行全面分析。

2 三氯氫硅精餾提純塔流程

三氯氫硅精餾提純塔主要是分離三氯氫硅、四氯化硅和二氯二氫硅，為實(shí)現(xiàn)三種物質(zhì)的分離，一般采用兩組精餾塔串聯(lián)操作。1塔塔頂主要分離出二氯二氫硅，2塔塔底主要分離出四氯化硅，高純?nèi)葰涔鑿?塔塔頂采出。為回收塔頂高溫產(chǎn)品中熱量和可用能，設(shè)計(jì)了進(jìn)料物料與2塔塔頂采出物料進(jìn)行熱量交換的換熱器，傳統(tǒng)精餾塔和耦合精餾塔流程圖如圖1和圖2所示。

圖1 三氯氫硅常規(guī)精餾塔提純流程圖

圖2 三氯氫硅耦合精餾塔提純流程圖

Ex電=E電

(1)

(2)

式中：Q——熱量，kW。

Ex=Exphy+Exche

(3)

Exphy=H-H0-T0(S-S0)

(4)

式中：H——實(shí)際狀態(tài)下物流焓值，kW；

S——實(shí)際狀態(tài)下物流熵值,kJ/(K·s)；

H0——標(biāo)準(zhǔn)焓,kW；

S0——標(biāo)準(zhǔn)熵,kJ/(K·s)。

(4)精餾塔從塔底再沸器獲得高品位能，同時(shí)通過(guò)循環(huán)水從塔頂移出低品位能，由于過(guò)程的不可逆性，能量不斷減少且降質(zhì)，損Exloss計(jì)算公式如下：

Exloss=∑Exin-∑Exout

(5)

式中：Exin——輸入, kW；

Exout——輸出, kW。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 黑箱模型分析結(jié)果

本文基于工業(yè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Aspen Plus模擬軟件進(jìn)行流程模擬，計(jì)算得到各物流、熱量和電能。使用能量分析方法和分析方法分別對(duì)圖1和圖2所示的傳統(tǒng)精餾塔和耦合精餾塔進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

對(duì)比1和表2的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用能量分析方法，傳統(tǒng)精餾塔和耦合精餾塔的能量守恒；使用黑箱模型分析方法，常規(guī)精餾塔和耦合精餾塔均存在損失，傳統(tǒng)精餾塔的損比耦合精餾塔的大。在精餾提純過(guò)程中由于傳熱、傳質(zhì)、流動(dòng)等因素的不可逆性，造成可用能的損失。

表1 能量分析方法計(jì)算結(jié)果 單位：kW

表2 黑箱模型分析方法計(jì)算結(jié)果 單位：kW

表2 黑箱模型分析方法計(jì)算結(jié)果 單位：kW

輸入輸出1塔再沸器2塔再沸器泵1塔冷凝器2塔冷凝器Exout-Exin輸入-輸出常規(guī)精餾塔4494621707410758耦合精餾塔046217010383

4.2 灰箱模型結(jié)果分析

表3 灰箱模型分析方法計(jì)算結(jié)果

表3 灰箱模型分析方法計(jì)算結(jié)果

常規(guī)精餾塔耦合精餾塔損/kW損占比/%損/kW損占比/%1塔再沸器(耦合)248.032.790.023.52塔再沸器128.016.9128.033.41塔冷凝器58.07.758.015.12塔冷凝器217.028.60.00.0泵1.00.11.00.3預(yù)熱器6.00.86.01.61塔內(nèi)部67.08.867.017.52塔內(nèi)部33.04.433.08.6

4.3 減少損的方法

5 結(jié)論

(1)三氯氫硅精餾提純過(guò)程采用耦合精餾塔的方式可以降低過(guò)程能耗和損，提高能量利用率。

圖3 不同蒸汽溫度下的1塔再沸器損