變壓吸附在改良西門子法生產多晶硅中的應用

張博+楊紫琪

摘要：近期興起的一種變壓吸附在工業當中運用較多，它是一種氣體分離技術，主要是物理和化學的滲流理論在工業中的應用，變壓吸附的發展日益提升，自從20世紀70年代以后，變壓吸附技術在工業生產中有著舉足輕重的地位，在業界當中受到較多的關注。文章闡述了變壓吸附的原理、變壓吸附在生產多晶硅中的應用及工藝流程。

關鍵詞：變壓吸附；多晶硅；改良西門子法；工業生產；氣體分離技術 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN304 文章編號：1009-2374（2016）32-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.023

1 概述

變壓吸附（PSA）技術是近些年發展起來的新技術，它對原料氣適應性廣，無需復雜的預處理系統，無設備腐蝕問題，它的制作工藝的過程非常簡單，而且自動化的程度也非常高，這種技術有著相對的優勢，所以有著很好的發展前景。變壓吸附通常是一個由吸附工序和減壓再生工序組成的吸附-解吸系統。

1.1 變壓吸附

在同等溫度的情況下，吸附平衡的等溫線的吸附質分壓向上升，吸附劑上面的吸附質的數量加大，同等數量的吸附質分壓下，吸附質的數量減小，因此高壓情況下溫度較低的比較容易被吸附，低壓情況下溫度較高比較容易再生。

1.2 變壓吸附法（PSA）

變壓吸附法是近期興起的新型工藝，初始于19世紀60年代，剛開始是運用于空氣干燥和氫氣純化當中。1970年以后經過研制開始用于制氮或者制氧，隨之1976年被研制用于碳分子篩等，隨著科技的進步，變壓吸附法開始用于醫療當中。

吸附分離技術上的差異是利用吸附劑對特有的吸附氣體進行分離的，經常用的有真空與加壓方法等，是為了加快整個過程的進行。分子篩變壓吸附分離空氣制取氧的機理，一種是用分子篩的吸附的能力比氧的吸附能力強，用來分離氧和氮；另一種是用氧的擴散速度比氮的擴散速度快，利用遠離平衡去分離氧和氮。

變壓吸附法制氧，氮在常溫下進行，其工藝有加壓吸附/常壓解析或常壓吸附/真空解析兩種，通常選用沸石分子篩制氧，碳分子篩制氮。1991年，日本三菱重工制成世界上最大的PSA制氧設備，其氧產量可達8650m3/h。進入20世紀90年代以來，我國的PSA/VPSA制氧設備逐漸系列化，近年來鋰基分子篩因其性能更為穩定、高效，被越來越多地大規模應用，實現裝置大型化生產，單套變壓吸附裝置產量最高可達40700m3/h，氧純度≥90%，產品氧能耗可達0.32～0.37kW·h/m3。

2 變壓吸附（PSA）的工作原理

2.1 吸附劑的再生方法

根據吸附劑的再生方法，一般將吸附解吸過程分為兩種：變溫吸附法和變壓吸附法。

2.1.1 變溫吸附法。在低溫下進行吸附，吸附質通過升高溫度從吸附劑上解吸出來。吸附和解吸是在兩條不同溫度的等溫吸附線之間進行。由于常用吸附劑的熱傳導率較低，加溫和冷卻的時間就比較長，需要配備相應的加熱和冷卻設備。而且吸附劑的壽命由于溫度周期性大幅度變化也會減少，但變溫吸附法仍可適用于許多場合，產品損失率少，回收率較高。

2.1.2 變壓吸附法。變壓吸附法在氣壓低的情況下進行解吸，在氣壓高的情況下進行吸附。循環的周期相對較短，未能及時吸附熱，解吸的時候可以充分利用，所以溫度的變化并不是很大，溫度變動的范圍也就幾攝氏度，這種情況我們可以看作是等溫的過程。常用吸附方法有抽真空、沖洗、降壓、置換，目的都是使吸附劑上被吸附組分的分壓降低，使吸附劑再生。在變壓吸附過程中，一般情況是根據氣體被分離出來的混合物質和產品的要求加上操作的條件以及吸附劑的特殊的性質去選擇采用哪種再生的方法，一般由幾種方法配合操作。無論采用哪一種方法，再生后，吸附床內的吸附質不會完全解吸，即床內吸附劑不可能再生徹底。

2.2 變壓吸附工作基本步驟

由于工業生產一般都是連續進行，為了保證吸附過程的連續，生產中大都采用3個或3個以上的吸附床，使吸附床的吸附解吸循環進行。

變壓吸附工作的基本步驟一般有三個：

2.2.1 高壓下吸附。被分離的氣體混合物在吸附設備最高壓力下通入，吸附劑吸收其中的強吸附組分，吸附床的另一端流出弱吸附組分。

2.2.2 低壓下解吸。根據被吸附組分的性能，選用抽真空、沖洗、降壓、置換中的幾種方法使吸附劑再生。低壓解吸一般先是降壓到大氣壓力，然后再用抽真空、沖洗或置換。

2.2.3 升壓。吸附劑再生完成之后，對吸附床用弱吸附組分充壓到吸附壓力為止。

3 變壓吸附在改良西門子法生產多晶硅中的應用

變壓吸附在生產多晶硅中的主要應用是還原爐尾氣回收裝置中的氫氣凈化單元。還原爐尾氣經過低溫噴淋、壓縮冷凝、吸收和脫吸、活性碳吸附后得到純凈的氫氣供還原爐使用。在生產過程中，每個塔吸附塔的工作步驟是完全一致的，在時間上交替進行，連續生產。以四個碳吸附塔為例，工藝流程如圖1所示：

（1）吸附：含雜質的氫氣（雜質主要為氯硅烷和氯化氫）從碳吸附塔底部進入吸附床層，床層維持在高壓低溫狀態，雜質被活性碳吸附，純凈的氫氣從塔頂送至還原爐進行還原反應；（2）降壓/升溫：吸附結束后，碳吸附塔逐步降至常壓，同時用熱源（蒸汽或者高溫導熱油）對塔體及活性碳床層進行加熱，使吸附塔維持低壓高溫，使吸附的雜質解析出來；（3）反吹：用純凈的反吹氫氣將解析出的雜質帶走，沖洗氫氣可以再回收利用，使活性碳床層的吸附能力再生；（4）升壓：反吹再生完成后，用純凈的氫氣給碳吸附塔充壓，為下一次吸附做準備；（5）降溫：用冷媒（冷卻水或者低溫導熱油）對塔體及活性碳床層進行降溫，結合第4步使碳吸附塔維持低溫高壓狀態，準備下一次吸附；（6）等待：維持低溫高壓狀態等待吸附塔結束后切換至此塔，循環吸附。

4 結語

隨著半導體行業的發展，市場對多晶硅純度的需求越來越高，所以對改良西門子法生產多晶硅中干法回收氫氣的要求也越來越高。隨著變壓吸附理論的不斷進步和仿真工具的出現以及自動控制系統的不斷發展，變壓吸附凈化氣體的技術將會日益成熟。

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基金項目：本文受到《多晶硅提質降耗仿真及關鍵技術研究》項目基金資助。

作者簡介：張博（1989-），男，甘肅人，青海黃河上游水電開發有限責任公司新能源分公司助理工程師，研究方向：多晶硅。

（責任編輯：蔣建華）