三氯氫硅精餾過程的模擬與優化

張世斌

摘 要： 隨著社會經濟和科學技術不斷發展，我國光伏產業發展迅速，帶動我國社會經濟進一步快速發展的同時，對于多晶硅原料提出了更大的需求。就現代光伏產業而言，多晶硅是其重要的基礎材料，而三氯氫硅提純是多晶硅生產的關鍵環節，并且這一環節的提純效果直接影響著多晶硅產品最終的產品質量。同時，由于多方面因素的干擾和影響，目前三氯氫硅精餾生產流程仍存在著能耗偏高、三氯氫硅損失量較高等問題，制約著光伏產業的進一步健康發展。筆者即從三氯氫硅精餾入手，通過化工流程模擬軟件，針對目前主流的三氯氫硅精餾雙塔工藝流程進行了模擬計算，并相應提出了幾點優化建議，以供相關人員參考。

關鍵詞： 三氯氫硅；精餾；過程模擬；優化

近幾年，我國社會經濟發展迅速，帶動我國光伏產業快速發展的同時，相應提高了對于多晶硅原料的供應需求和質量要求。從多晶硅原料生產的角度分析，三氯氫硅提純是目前主流多晶硅生產工藝改良西門子法的關鍵環節，如三氯氫硅的純度不足或在提純過程中存在其他工藝問題，就會直接降低多晶硅產品的產品質量，進而影響光伏產業的健康發展。目前，工業三氯氫硅的提純主要依靠精餾工藝實現，其中雙塔精餾工藝是當前工業領域應用最為廣泛的工藝技術。但由于多方面因素影響，目前雙塔精餾工藝在應用過程中，仍存在著能耗偏高、三氯氫硅損失量高等問題，不利于工藝成本和產品質量的控制。本文通過專業化工流程模擬軟件，對工業三氯氫硅雙塔精餾流程進行了模擬和計算，并以此為基礎，就雙塔精餾工藝流程相關參數進行了優化，具體內容如下：

一、三氯氫硅精餾工藝流程概述

目前，工業上多采用雙塔精餾工藝進行三氯氫硅的提純，一般工藝流程如圖一所示。由圖一可知，三氯氫硅精餾提純過程中，合成反應液率先進入預塔，即預分離塔，并在與分離塔完成初步的輕組分、重組分脫出。此時，二氯二氫硅、三氯化硼等輕組分雜質由塔頂直接脫出，重組分也就是釜液經由進料泵輸送至三塔，即三氯氫硅塔。經過三氯氫硅塔的進一步提純處理，在塔頂就可以得到純度相對較高的三氯氫硅產品。

一般來說，三氯氫硅雙塔精餾工藝要求三塔塔頂最終的三氯氫硅產品的質量分數必要超過99.9%，同時三氯化硼的質量分數不得超過2.0×10-8，三氯化磷的質量分數不得超過5.0×10-9。此外，塔釜三氯氫硅的質量分數不得超過5.0×10-4。

二、雙塔精餾工藝過程的初步設計與計算分析

從三氯氫硅精餾過程模擬的角度分析，模擬計算結構的準確度與物性方法的選擇間有著直接且緊密的聯系，考慮到整個工藝過程中的物系中同時含有極性物質和非極性物質，故而選用NRTL物性方法進行相應的模擬計算，以確保實現對非理想溶液VLE性質的準確描述。

同時，為進一步減少三氯氫硅雙塔精餾過程中，塔頂制冷系統的能量損耗，將深冷水改為常溫循環冷卻水，同時進行了相應的加壓精餾調整。鑒于預分離塔和三氯氫硅塔塔頂輕組分的三氯氫硅的含量都很高，并且塔頂的溫度與三氯氫硅的飽和蒸汽壓下的溫度相接近，故而雙塔的操作壓力均設計為0.15MPa。另外，在0.15MPa塔頂壓力條件下，塔頂溫度設置在55.0～60.0℃區間內。

預分離塔與三氯氫硅塔對應的NT（理論塔板數）和R（回流比）間的關系，由DSTWU簡潔法計算得到。根據計算結果，隨著塔板數的持續增加，回流比開始逐漸降低，并且初始的降低幅度明顯，達到一定標準逐漸變慢、減小。塔板數和回流比間的關系，客觀地反映出精餾過程中的能耗及設備費用等信息，從整體角度考慮，應在合理控制設備成本的基礎上，加強對能耗的科學控制，故而最優化的塔板數和回流比選擇為，預分離塔分別是92和15；三氯氫硅塔分別是80和14.

在簡潔法計算結果基礎上，將理論塔板數、回流比、進料位置等基礎信息帶入RadFrac模型，進行相應的嚴格法計算，并使用Aspen Plus相關靈敏度分析工具，在產品質量合格基礎上進行科學的靈敏度分析，即可對設計變量對于關鍵操作變量的具體影響進行確定，從而實現對整個工藝流程的優化設計。

三、雙塔精餾工藝中各塔參數的優化分析

（一）預分離塔參數優化分析

就三氯氫硅雙塔精餾工藝而言，三氯化硼是合成反應液中最不容易脫除的輕組分，同時如若使用硼含量超標或較高的三氯氫硅參與后續的還原反應，還將造成多晶硅產品的光電轉化能力急劇下降等問題。因此，在實際精餾工藝處理過程中，就需要最大限度地對三氯化硼進行清除，從而保障三氯氫硅塔塔頂產品的三氯化硼含量達到質量分數不超過2.0×10-8的標準要求。

通過進料板位置的靈敏度測試可以發現，控制進料板位置不斷下移，預分離塔塔釜的三氯化硼含量出現先減少后增加的變化趨勢，并且進料位置處于第72塊塔板位置時，塔釜的三氯化硼質量分數最小。另外，保持塔板數和進料位置固定，控制增大回流比，也可以達到一定的增強預分離塔分離效果的目的，但控制增大回流比，也必然會造成塔釜再沸器和塔頂冷凝器熱負荷的增加，故而需謹慎進行調節和應用。

（二）三氯氫硅塔參數優化分析

就三氯氫硅塔而言，其參數優化應以塔釜及塔頂的三氯氫硅質量分數作為基本的衡量標準，同時對比進料位置設置、回流比設置等參數調節，對于塔釜和塔頂三氯氫硅質量分數變化的干擾和影響。

首先，就進料板位置設置與塔頂三氯氫硅質量分數變化間的關系來看，隨著進料板位置的持續下移，塔頂三氯氫硅的質量分數逐漸增大，同時進料板位置處于26～34塊塔板時，塔頂三氯氫硅的質量分數變化不明顯，隨后快速降低。因此，三氯氫硅塔的進料板應設置在30塊板處為宜；其次，從回流比變化控制的角度分析，隨著回流比的持續增大，塔頂三氯氫硅的質量分數先出現大幅度的增加，隨后進入平穩狀態。綜合對比各項指標要求后，三氯氫硅塔的回流比應控制在9左右。

結語：

綜上所述，隨著我國光伏產業不斷發展，相關企業和人員需全面提高對三氯氫硅精餾的重視和關注，從三氯氫硅精餾基本工藝流程入手，結合科學的模擬計算分析，合理進行相應的工藝調整，綜合降低能耗，提高產品質量，從而促進我國光伏產業的進一步發展。

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