基于ChemCAD的三氯氫硅尾氣處理過程模擬及優化

吳 正 勇

（四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646005）

應用技術

基于ChemCAD的三氯氫硅尾氣處理過程模擬及優化

吳 正 勇

（四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646005）

通過ChemCAD流程模擬軟件對實際年產7000 t三氯氫硅的生產流程進行模擬、分析，改進三氯氫硅合成所產生尾氣的處理。原工況為合成氣深冷分離廢氣進入三廢系統，新工況將原工況的深冷后的氣體壓縮后再次深冷分離。使廢氣的排放量減小至原工藝的 8%左右，減少了尾氣排放的污染，產生了良好的經濟和環境效益。

ChemCAD；三氯氫硅；流程模擬；尾氣處理

三氯氫硅是一種用途非常廣泛的有機硅單體，是生產多晶硅的基本原料[1]。在三氯氫硅生產中，HCl的轉化率一般為80%左右，約20%的HCl沒有參加反應，反應后的混合氣在－40 ℃的溫度下，深冷分離，效率約85%，有15%的氣體沒有被冷凝，而是作為尾氣被送入洗滌塔。而這15%的氣體中，包含有大量的三氯氫硅、副產品四氯化硅和二氯氫硅以及沒有反應的HCl氣體等。通過對三氯氫硅合成尾氣的綜合治理，可提高原輔材料的利用率，降低多晶硅生產成本，節約能源，有效地改善環境污染的問題。

為此，利用化工流程模擬技術[2]對三氯氫硅的合成、分離以及尾氣處理的整個生產過程進行穩態模擬，重點對尾氣處理工段進行優化設計。

ChemCAD流程模擬軟件對是一個具有強大功能的化工計算機模擬軟件，是進行化工過程計算機設計、工況分析、優化操作所必不可少的基礎工具，是進行系統分析的強有力的手段[3-7]，廣泛應用于化學和石油工業、煉油、油氣加工等領域的工藝計算。

1 三氯氫硅生產工藝流程

三氯氫硅的生產工藝流程包括合成工段、精餾工段和尾氣回收工段。流程示意圖見圖1。

圖1 三氯氫硅生產工藝流程示意圖

2 熱力學方法確定

化工生產常常在多種相態下進行，這個時候需要進行氣液平衡關系（VLE）的計算，針對不同的物料和狀態，計算所需的熱力學模型也有所不同。常用的模型有[8]：SRK模型、PR模型、SHBWR模型、NRTL模型等。

三氯氫硅生產以及環境是一個高度非理想體系，根據文獻所述，熱力學模型選擇NRTL模型。該模型能準確模擬非理想溶液的VLE和LLE性質。該模型需要二元系數，ChemCAD數據庫包含了許多從文獻上的實驗數據回歸出來的二元系數。

3 尾氣處理工段的模擬與優化

3.1 尾氣處理工段流程

來自合成工段的混合氣，經過風冷，水冷和－40 ℃的鹽水冷凝后[9]，冷凝效率為 85%，約有15%的三氯氫硅氣體未冷凝。由未冷凝的三氯氫硅和四氯化硅氣體、未參加反應的氯化氫、反應副產物氫氣等組成的尾氣，直接送淋洗塔處理，以三廢形式排放。其處理流程圖見圖2。

3.2 尾氣處理工段模擬

尾氣處理所用設備模塊見表1。

來自合成工段的混合氣，依次經過空冷，水冷降低溫度，然后在約－40 ℃的冷媒中冷凝，用閃蒸設備進行氣液分離。閃蒸罐為常用的氣液分離裝置，FLASH單元是一個允許各種閃蒸操作的、通用的閃蒸模塊。通過選擇適當的模型能完成在不同溫度和壓力條件下的恒溫、絕熱、等熵、汽相分離等閃蒸計算。由于此處為簡單的氣液分離，故設置其在進口壓力和溫度下進行模擬計算。

圖2 尾氣處理工段流程圖

表1 尾氣處理工段模擬涉及模塊表

尾氣處理段模擬圖見圖3。

4 三氯氫硅尾氣處理工段的優化

4.1 尾氣處理工段分析

尾氣與產物經氣液分離裝置分離之后，由于其中還含有大量有用的組分，故需進一步回收利用。表2為尾氣的組成。

圖3 尾氣處理段模擬圖

表2 尾氣組成表

圖4 尾氣處理工段改進

將尾氣加壓深冷，使尾氣中的絕大部分三氯氫硅和四氯化硅與HCl和H2分離，后利用變壓吸附分離HCl和H2，并回收。其流程可見圖4。

由于在尾氣進口壓力下，SiHCl3和 SiCl4的分壓較小，欲在此壓力下降其分離出來，需要在極低的溫度下，這將消耗極大的能量，并且增加設備成本[10]，故以提高尾氣壓力的方式提高其含有氣體的分壓，使其在較高的溫度下實現氣液分離。故降尾氣壓縮至0.7 MPa再進行冷凝分離。剩余尾氣中主要含有H2和HCl。其組成可見表3。

4.2 改進所用設備模塊

綜上，尾氣處理工段涉及的ChemCAD模塊和數量主要可見表4。

表3 尾氣處理工段改進后組成表

表4 尾氣處理工段改進模擬涉及模塊表

4.3 尾氣處理段改進后模擬結果

尾氣處理段的改進模擬圖可見圖 5，其改進后排放的尾氣之于改進前的對比可見表5。

可以看出尾氣處理之后，大大減少了排放量。并且增加了H2的回收量。

圖5 尾氣處理段改進后模擬圖

表5 改進前后尾氣排放模擬結果對比

4.4 尾氣處理改進后對于全流程的影響

對尾氣處理工段進行改進后，對于全流程的影響主要有兩個方面：回收的HCl可用于合成工段；尾氣處理得到的SiHCl3和SiCl4可用于精餾工段進一步提純作為產物。

改進前后合成工段的各組分質量流量對比可見表6。

從表6可以看出，改進后反應物Si的反應更加充分，故進料量反而減少；而HCl由于從尾氣中回收了部分用于循環反應，進料量反而更大；從合成工段生成的粗產物的產量也有所增加。

精餾工段的最終產物的生成量有所改變，可見表7。

可以看出，改進后 SiHCl3的產量增加了約50%，而副產品SiCl4的產量也增加了約30%。

5 回收效果

5.1 節能減排

由于尾氣回收效果明顯，每千克三氯氫硅可節約電能1.8千瓦時，按實際年生產能力7000 t計，可節約約1260萬千瓦時。改進后，廢氣的排放量減小至原工藝的8%左右，回收HCl 267 kg/h，SiHCl3150 kg/h以及SiCl413 kg/h，減少了尾氣排放的污染，產生了良好的環境效益。

表6 合成工段改進前后對比

表7 改進前后產物產量比較

表8 改進前后技術經濟指標（以每kg三氯氫硅計）

5.2 經濟核算

此工藝改進后，每噸三氯氫硅生產成本可降低0.17萬元，而年設備投入增加約22.2萬元，具有良好的經濟效益。改進前后的技術經濟指標見表8。

6 結 論

按照工廠的設計數據和圖紙，利用 ChemCAD流程模擬軟件，以NRTL為熱力學模型，進行了三氯氫硅合成與分離的流程模擬。在建立了原工藝的流程模擬的基礎上，利用ChemCAD改進了對三氯氫硅合成所產生尾氣的處理，原工況為合成氣深冷分離廢氣進入三廢系統，新工況將原工況的深冷后的氣體壓縮后再次深冷分離。通過改進，減少了尾氣排放的污染，產生了良好的環境效益；將廢氣中的有用組分回收之后，產品純度為99.9%的SiHCl3的產量由889 kg/h增加到1390 kg/h，增加了約50%，經濟效益顯著。

[1]朱駿業. 三氯氫硅合成尾氣的綜合回收[J]. 世界有色金屬，1995（6）：25-28.

[2]楊友麒. 實用化工系統工程[M]. 北京：化學工業出版社，1989.

[3]姚平經. 化工過程系統工程[M]. 大連：大連理工大學出版社，1992.

[4]莊芹仙，張志擦. 計算機輔助工程（CAE）及其在化工過程模擬優化中的應用[J]. 黑龍江石油化工，1994，4：41-44.

[5]Kenig E Y. Combined processes in multi-component fluid systems simulation and design[J].Computers. Chem. Eng.，1995，19：287-292.

[6]Perry John H. Perry’s Chemical Engineering Handbook [M]. 4 eds.New York：Hcgraw-hill Book Company，1963.

[7]馮權莉. 通用化工流程模擬技術進展與應用[J]. 云南工業大學學報，1996，12（1）：52-57.

[8]宋海平. 精餾模擬[M]. 天津：天津大學出版社，2005：5.

[9]朱駿業. 三氯氫硅合成尾氣的綜合回收[J]. 世界有色金屬，1995，6：25-28.

[10]王小輝，何佳華. 三氯氫硅合成爐尾氣的治理[J]. 中國氯堿，2007，6：39-40.

Simulation and optimization of the exhaust gas treatment process of trichlorosilane by ChemCAD

WU Zhengyong
（Sichuan College of Chemical Technology，Luzhou 646005，Sichuan，China）

Process simulation of synthesis and separation of trichlorosilane is realized by ChemCAD，based on the design data of 7000t/a trichlorosilane. The treatment of the exhaust gas from trichlorosilane synthesis has been improved by simulation result. In original condition，waste gas is separated from synthesis gas cryogenically，and then piped into waste deposal system；while in new condition，cryogenic gas in original condition is further compressed and separated cryogenically. The exhaust gas emission is reduced by about 8%，which make the process more favorite in both environment and economy.

ChemCAD；trichlorosilane；process simulation；exhaust gas treatment

X 701

A

1000–6613（2011）10–2329–04

2011-06-15；修改稿日期2011-07-06。

吳正勇（1975—），男，碩士，講師。E-mail wuzhengyong@163.com。