基于ChemCAD軟件對三氯氫硅精餾的模擬

宋安寧

摘 要：ChemCAD是美國Chemstations公司開發的化工流程模擬軟件，廣泛應用于石油化工、工業安全、清潔生產等領域，為工藝開發、工程設計、優化操作和技術改造提供理論指導。文章針對三氯氫硅精餾系統進行模擬，從而對實際生產中的系統運行進行優化，并對工藝開發、技術改造提供理論指導。

關鍵詞：ChemCAD；多晶硅；三氯氫硅；精餾塔；模擬

西門子法多晶硅生產工藝中，三氯氫硅精餾單元是其核心關鍵工序之一，精餾產品的性質對整個多晶硅產品的質量、產量、生產能力和消耗定額等方面都有著重大影響，因此精餾單元的穩定運行和工藝優化對多晶硅生產有著重要意義。通過化工流程模擬軟件我們可以更科學更有效的實現對多晶硅精餾系統的工藝開發、流程設計、優化操作和技術改造，它不但能提供理論指導，還可實現動態模擬，提供技術診斷方案，從而指導實際生產[1]。目前應用比較廣泛的化工流程模擬軟件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美國 Chemstations 公司開發的全流程化工流程模擬軟件，它以圖形用戶界面方式輸入， 具有嚴格的和最新的計算方法，針對精餾系統提供的模塊較多，除基本上具備 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ軟件的各種功能，且價格相對低廉，因此對于三氯氫硅精餾系統選擇ChemCAD是比較適合的[2]。

1 全流程模擬的建立

1.1 流程模擬圖

本工藝流程為5塔流程，進料組成為：DCS（二氯二氫硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3為主）0.16%、TCS（三氯氫硅）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為代表）0.68%，進料量3645.8kg/h，要求最終TCS和STC純度不低于99.9%，塔的操作壓力均為0.2MPaG，塔頂為全凝器。

1.2 選擇計算單位

打開菜單選項 Format →Engineering Units，按照給定的已知條件，選擇SI國際單位制，壓力選擇MPaG，溫度選擇℃，點擊OK保存。

1.3 添加組分

打開菜單選項 Thermophysical→Componentlist，得到組分輸入對話框，添加進料組成6種組分至組分列表。

1.4 選擇熱力學模型

ChemCAD軟件提供了大量最新的熱力學計算方法，包含39種K值計算方法和13種焓計算方法，在這里根據三氯氫硅精餾分離物質特性和經驗，打開菜單選項Thermophysical→K- values，選擇SRK模型方程，相應地焓值也選擇了SRK模型[3]。

1.5 輸入物流數據并定義各設備單元操作參數

通過Specification→Feed Streams菜單選項，打開進料物流對話框，輸入物流參數，此時注意，只需定義組成和溫度、壓力、汽相分率其中的兩個。

定義各單元操作參數時，根據實際塔板數和SITEC的技術參數進行，其中對于泵的設定參數以實際值為主。

1.6 運行模擬計算

打開 Run →Run all 選項，或者單擊流程圖中的精餾塔圖標，點右鍵選擇 Run This Unit Op，運行模擬。Chemcad中提供了四種運行的方式：穩態運行、靈敏度分析、優化分析和動態運行，其中可以先實現穩態模擬，然后可以通過確定模擬目標變量，改變模擬參數，實現參數優化。[4]

2 計算結果及分析

通過Results→streams Composition→All streams菜單選項，可以查看各流股的組成，表1所列的是TCS和STC提純塔產品物流的模擬結果。

將模擬結果與實際運行參數比較，包括塔頂溫度和物料組成非常接近，如模擬TCS塔塔釜的TCS物料，組成超過99.92%，物料溫度為82.21℃，這也與實際參數值81.9非常接近。

通過 Plot→Tower Profiles菜單選項，可以查看各個精餾塔的一些參數，如各塔板的溫度、壓力、汽液相組成等。如TCS/STC分離塔各塔板溫度曲線如圖2所示。

當進料組成在一定范圍內變化時，要保證各塔的分離效果，必須調整塔頂和塔底的采出量，此時可以通過模擬給以指導。如TCS/STC分離塔進料組成變化為：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、進料量維持不變，要保證塔頂和塔釜組成，相應的采出量調整為：塔頂由2489.06kg/h降為2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加為1267.14kg/h，而此時的溫度曲線如下圖3所示，這對操作來說提供了較好的理論指導。

3 結束語

應用 ChemCAD 能夠比較方便地模擬三氯氫硅精餾過程，通過模擬，可以得到三氯氫硅精餾塔的各種參數，對于進行靈敏度分析，確定合適的操作條件，生產工藝技術改造都有一定的指導意義。

參考文獻

[1]陳聲宗.化工設計[M].北京：化學工業出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用戶使用手冊[S].2002.

[3]吳俊生，邵惠鶴.精餾設計、操作和控制[M].北京：中國石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程軟件對蒸餾過程的研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2006.

摘 要：ChemCAD是美國Chemstations公司開發的化工流程模擬軟件，廣泛應用于石油化工、工業安全、清潔生產等領域，為工藝開發、工程設計、優化操作和技術改造提供理論指導。文章針對三氯氫硅精餾系統進行模擬，從而對實際生產中的系統運行進行優化，并對工藝開發、技術改造提供理論指導。

關鍵詞：ChemCAD；多晶硅；三氯氫硅；精餾塔；模擬

西門子法多晶硅生產工藝中，三氯氫硅精餾單元是其核心關鍵工序之一，精餾產品的性質對整個多晶硅產品的質量、產量、生產能力和消耗定額等方面都有著重大影響，因此精餾單元的穩定運行和工藝優化對多晶硅生產有著重要意義。通過化工流程模擬軟件我們可以更科學更有效的實現對多晶硅精餾系統的工藝開發、流程設計、優化操作和技術改造，它不但能提供理論指導，還可實現動態模擬，提供技術診斷方案，從而指導實際生產[1]。目前應用比較廣泛的化工流程模擬軟件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美國 Chemstations 公司開發的全流程化工流程模擬軟件，它以圖形用戶界面方式輸入， 具有嚴格的和最新的計算方法，針對精餾系統提供的模塊較多，除基本上具備 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ軟件的各種功能，且價格相對低廉，因此對于三氯氫硅精餾系統選擇ChemCAD是比較適合的[2]。

1 全流程模擬的建立

1.1 流程模擬圖

本工藝流程為5塔流程，進料組成為：DCS（二氯二氫硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3為主）0.16%、TCS（三氯氫硅）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為代表）0.68%，進料量3645.8kg/h，要求最終TCS和STC純度不低于99.9%，塔的操作壓力均為0.2MPaG，塔頂為全凝器。

1.2 選擇計算單位

打開菜單選項 Format →Engineering Units，按照給定的已知條件，選擇SI國際單位制，壓力選擇MPaG，溫度選擇℃，點擊OK保存。

1.3 添加組分

打開菜單選項 Thermophysical→Componentlist，得到組分輸入對話框，添加進料組成6種組分至組分列表。

1.4 選擇熱力學模型

ChemCAD軟件提供了大量最新的熱力學計算方法，包含39種K值計算方法和13種焓計算方法，在這里根據三氯氫硅精餾分離物質特性和經驗，打開菜單選項Thermophysical→K- values，選擇SRK模型方程，相應地焓值也選擇了SRK模型[3]。

1.5 輸入物流數據并定義各設備單元操作參數

通過Specification→Feed Streams菜單選項，打開進料物流對話框，輸入物流參數，此時注意，只需定義組成和溫度、壓力、汽相分率其中的兩個。

定義各單元操作參數時，根據實際塔板數和SITEC的技術參數進行，其中對于泵的設定參數以實際值為主。

1.6 運行模擬計算

打開 Run →Run all 選項，或者單擊流程圖中的精餾塔圖標，點右鍵選擇 Run This Unit Op，運行模擬。Chemcad中提供了四種運行的方式：穩態運行、靈敏度分析、優化分析和動態運行，其中可以先實現穩態模擬，然后可以通過確定模擬目標變量，改變模擬參數，實現參數優化。[4]

2 計算結果及分析

通過Results→streams Composition→All streams菜單選項，可以查看各流股的組成，表1所列的是TCS和STC提純塔產品物流的模擬結果。

將模擬結果與實際運行參數比較，包括塔頂溫度和物料組成非常接近，如模擬TCS塔塔釜的TCS物料，組成超過99.92%，物料溫度為82.21℃，這也與實際參數值81.9非常接近。

通過 Plot→Tower Profiles菜單選項，可以查看各個精餾塔的一些參數，如各塔板的溫度、壓力、汽液相組成等。如TCS/STC分離塔各塔板溫度曲線如圖2所示。

當進料組成在一定范圍內變化時，要保證各塔的分離效果，必須調整塔頂和塔底的采出量，此時可以通過模擬給以指導。如TCS/STC分離塔進料組成變化為：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、進料量維持不變，要保證塔頂和塔釜組成，相應的采出量調整為：塔頂由2489.06kg/h降為2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加為1267.14kg/h，而此時的溫度曲線如下圖3所示，這對操作來說提供了較好的理論指導。

3 結束語

應用 ChemCAD 能夠比較方便地模擬三氯氫硅精餾過程，通過模擬，可以得到三氯氫硅精餾塔的各種參數，對于進行靈敏度分析，確定合適的操作條件，生產工藝技術改造都有一定的指導意義。

參考文獻

[1]陳聲宗.化工設計[M].北京：化學工業出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用戶使用手冊[S].2002.

[3]吳俊生，邵惠鶴.精餾設計、操作和控制[M].北京：中國石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程軟件對蒸餾過程的研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2006.

摘 要：ChemCAD是美國Chemstations公司開發的化工流程模擬軟件，廣泛應用于石油化工、工業安全、清潔生產等領域，為工藝開發、工程設計、優化操作和技術改造提供理論指導。文章針對三氯氫硅精餾系統進行模擬，從而對實際生產中的系統運行進行優化，并對工藝開發、技術改造提供理論指導。

關鍵詞：ChemCAD；多晶硅；三氯氫硅；精餾塔；模擬

西門子法多晶硅生產工藝中，三氯氫硅精餾單元是其核心關鍵工序之一，精餾產品的性質對整個多晶硅產品的質量、產量、生產能力和消耗定額等方面都有著重大影響，因此精餾單元的穩定運行和工藝優化對多晶硅生產有著重要意義。通過化工流程模擬軟件我們可以更科學更有效的實現對多晶硅精餾系統的工藝開發、流程設計、優化操作和技術改造，它不但能提供理論指導，還可實現動態模擬，提供技術診斷方案，從而指導實際生產[1]。目前應用比較廣泛的化工流程模擬軟件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美國 Chemstations 公司開發的全流程化工流程模擬軟件，它以圖形用戶界面方式輸入， 具有嚴格的和最新的計算方法，針對精餾系統提供的模塊較多，除基本上具備 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ軟件的各種功能，且價格相對低廉，因此對于三氯氫硅精餾系統選擇ChemCAD是比較適合的[2]。

1 全流程模擬的建立

1.1 流程模擬圖

本工藝流程為5塔流程，進料組成為：DCS（二氯二氫硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3為主）0.16%、TCS（三氯氫硅）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為代表）0.68%，進料量3645.8kg/h，要求最終TCS和STC純度不低于99.9%，塔的操作壓力均為0.2MPaG，塔頂為全凝器。

1.2 選擇計算單位

打開菜單選項 Format →Engineering Units，按照給定的已知條件，選擇SI國際單位制，壓力選擇MPaG，溫度選擇℃，點擊OK保存。

1.3 添加組分

打開菜單選項 Thermophysical→Componentlist，得到組分輸入對話框，添加進料組成6種組分至組分列表。

1.4 選擇熱力學模型

ChemCAD軟件提供了大量最新的熱力學計算方法，包含39種K值計算方法和13種焓計算方法，在這里根據三氯氫硅精餾分離物質特性和經驗，打開菜單選項Thermophysical→K- values，選擇SRK模型方程，相應地焓值也選擇了SRK模型[3]。

1.5 輸入物流數據并定義各設備單元操作參數

通過Specification→Feed Streams菜單選項，打開進料物流對話框，輸入物流參數，此時注意，只需定義組成和溫度、壓力、汽相分率其中的兩個。

定義各單元操作參數時，根據實際塔板數和SITEC的技術參數進行，其中對于泵的設定參數以實際值為主。

1.6 運行模擬計算

打開 Run →Run all 選項，或者單擊流程圖中的精餾塔圖標，點右鍵選擇 Run This Unit Op，運行模擬。Chemcad中提供了四種運行的方式：穩態運行、靈敏度分析、優化分析和動態運行，其中可以先實現穩態模擬，然后可以通過確定模擬目標變量，改變模擬參數，實現參數優化。[4]

2 計算結果及分析

通過Results→streams Composition→All streams菜單選項，可以查看各流股的組成，表1所列的是TCS和STC提純塔產品物流的模擬結果。

將模擬結果與實際運行參數比較，包括塔頂溫度和物料組成非常接近，如模擬TCS塔塔釜的TCS物料，組成超過99.92%，物料溫度為82.21℃，這也與實際參數值81.9非常接近。

通過 Plot→Tower Profiles菜單選項，可以查看各個精餾塔的一些參數，如各塔板的溫度、壓力、汽液相組成等。如TCS/STC分離塔各塔板溫度曲線如圖2所示。

當進料組成在一定范圍內變化時，要保證各塔的分離效果，必須調整塔頂和塔底的采出量，此時可以通過模擬給以指導。如TCS/STC分離塔進料組成變化為：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、進料量維持不變，要保證塔頂和塔釜組成，相應的采出量調整為：塔頂由2489.06kg/h降為2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加為1267.14kg/h，而此時的溫度曲線如下圖3所示，這對操作來說提供了較好的理論指導。

3 結束語

應用 ChemCAD 能夠比較方便地模擬三氯氫硅精餾過程，通過模擬，可以得到三氯氫硅精餾塔的各種參數，對于進行靈敏度分析，確定合適的操作條件，生產工藝技術改造都有一定的指導意義。

參考文獻

[1]陳聲宗.化工設計[M].北京：化學工業出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用戶使用手冊[S].2002.

[3]吳俊生，邵惠鶴.精餾設計、操作和控制[M].北京：中國石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程軟件對蒸餾過程的研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2006.