氯硅烷平流雙效精餾塔模擬

張科，羅永剛，彭冬壽

(新疆東方希望新能源有限公司，新疆 昌吉 837100)

0 引言

目前的主流多晶硅生產主要分為冷氫化流化床工序、精餾工序、還原工序、尾氣回收工序。其中冷氫化工序中合成的氯硅烷混合物需要通過初步提純后，再進入后續的精餾、還原工序生產多晶硅棒。工業生產中，氯硅烷混合物初步提純的塔系稱作粗分塔，粗分塔的特點是進料量大、能耗高。因此，為了降低能耗，設計上多采用雙效精餾的方式。雙效精餾塔由兩個具有一定壓力差、溫度差的塔組成，高壓塔只設計再沸器，塔頂蒸汽通過潛熱相變化給低壓塔的雙效換熱器提供熱源；而低壓塔只設計冷凝器，以達到熱量充分利用和節能的目的。按照進料方向與操作壓力梯度方向是否一致，雙效精餾可分為并流型、順流型、逆流型[1]。并流型的兩效之間沒有物料的交換，只有能量的交換，較其他幾種類型的雙效精餾更容易控制，而且節能效果最好，故在對設備沒有特殊要求時，對工藝進行節能設計及改造時，通常采用并流型雙效精餾[2]。并流型雙效精餾節能率最高，理論上節能效率可達50%[3]。

本文以12萬噸/年多晶硅項目中的在建冷氫化粗分塔為實例，采用 Aspen Plus 對三氯氫硅傳統精餾塔、雙效精餾塔進行了模擬計算，設計了并流型氯硅烷雙效精餾流程，并進行了靈敏度分析。一方面可以對比兩種設計方案的能耗區別，為后續的新建項目提供節能依據；另一方面可以通過模型靈敏度分析對塔系的操作提供一定的指導。

1 模擬方法及過程

1.1 模擬背景

XX公司新上6萬噸/年多晶硅項目，配套冷氫化粗分塔2組，每組2個塔，原設計為傳統精餾塔進料，單獨運行。但在建過程中加入節能考慮，后技改為2組雙效精餾塔。進料量設計為每組塔進料553100 kg/h，并流進料。因本文為改造項目模擬，實際生產中原塔已知曉塔板為100，模擬的目的是為了探尋改造為耦合塔后的控制參數及節能效果。

1.2 模擬條件

用Aspen Plus 軟件模擬；用NRTL物性方法計算氣液平衡；按實際建成塔板數100塊計算。每組塔基礎生產數據為：(1)氯硅烷冷凝料處理能力為553100 kg/h，進料組成為四氯化硅(下文簡稱STC)74.352%、三氯氫硅(下文簡稱TCS)24.817%、二氯二氫硅0.815%、三氯化硼0.001%、甲基二氯硅烷0.015%；(2)進料溫度為50 ℃，壓力為1.1 MPaG；(3)低壓塔的塔板壓降為0.34 kPa，高壓塔的塔板壓降為0.4 kPa；(4)最終產品三氯氫硅含量≥96.7%，塔釜側線采出四氯化硅含量≥99.5%；(5)塔頂冷卻器為風冷，熱源為0.5 MPaG低壓飽和蒸汽。

1.3 模擬思路

通過查詢不同壓力下三氯氫硅-四氯化硅泡點體系圖表，找出高壓塔頂溫和低壓塔釜溫的溫差15 ℃以上的工況條件，在此條件下，根據塔系公輔系統配置及設備參數等，盡可能提高塔系運行的溫度差，以此來增大換熱物流推動力[2]，減小換熱設備投資。基于安全方面和改造投資方面的考慮，最終選擇以下運行參數：

低壓塔塔釜的側采STC質量分數按照99%考慮，對應運行壓力0.235 MPa，運行溫度84.8 ℃；高壓塔塔頂的頂采TCS質量分數按照96%考慮，對應運行壓力0.73 MPa，運行溫度104.4 ℃。高壓塔頂氣相物料與低壓塔再沸器液相物料溫度差Δt=20 ℃，這樣就有足夠的溫差作為物料推動力，以此實現雙效精餾流程。

1.4 模擬過程

使用DSTWU簡潔塔模型，假設兩塔進料量相同，先對低壓塔B1進行模擬，進料量賦值276550 kg/h，設定塔板數100，塔頂輕關鍵組分三氯氫硅回收率0.999，重關鍵組分四氯化硅回收率0.0001，冷凝器壓力0.201 MPa，再沸器壓力0.235 MPa。計算出實際回流比為2.66，流出物進料比為0.304，模擬出進料塔板為56塊板。將以上數據填入RadFrac模塊中，加入設計規范，規定塔頂產品流股中TCS的質量濃度為96.7%，變化為回流比。經過計算，得到低壓塔TL的計算回流比為2.789，塔釜再沸器負荷QR1為17161.5 kW。用同樣的方法，計算出高壓塔TH的進料塔板為57，再沸比為2.467，塔頂冷凝器負荷QC1為-12336.3 kW。由雙效精餾定義可知，在QR1=QC1的條件下，才能實現，可以通過調整進料分配比率的方式來調整QR1、QC1的數值，使其一致。

重新建立兩塔合并計算模型，進料量賦值553100 kg/h，加入分流器B4，加入全局設計規范，定義QR1為低壓塔TL再沸器負荷，QC1為高壓塔TH冷凝器負荷，目標Q=0，誤差為1，填入Fortran語句Q=QR1+ QC1,變化為B4模塊的S8流股流量，選擇范圍100000～400000 kg/h即可。

運行后，加入設計規范的計算結果如下：QR1+QC1≈0，高低壓塔熱負荷匹配。將數據核對至模型，重新運行，模型收斂，得到后續雙效精餾塔模型的基礎數據，如表1所示。

表1 RadFrac模塊設計規范計算熱負荷

重新建立新的雙效精餾模型，高壓塔TH1選為無冷凝器模型，總塔板99，進料塔板56，塔頂第1塊板位置加入液相回流流股S20，壓力設定與之前一致。低壓塔TL1選為無再沸器模型，總塔板99，進料塔板56，加入塔底100塊板，氣相回流流股S25，壓力設定與之前一致。再加入HeatX模塊B10和Flash2模塊B11，將TH1塔頂流股S19連入HeatX熱流股進，添加分離器B6后，連至熱流股出，分離器B6出口S20流股作為高壓塔回流進入TH1第一塊塔板，HeatX模塊設定熱流股出口氣相分率為0，將TL1塔底流股S23連至HeatX模塊的冷流股進，冷流股出S24連至Flash2模塊進，然后將Flash2模塊的氣相出S25連至TL1塔底作為再沸蒸汽，液相S26作為高沸采出，Flash2模塊規定閃蒸溫度為TL塔底溫度85.7 ℃，閃蒸負荷為0。至此完成整個流程搭建，如圖1所示。

圖1 雙效精餾模型

搭建完畢后，將模型TL、TH的數據填入TL1、TH1中，S17賦值553100 kg/h，B7賦值S18流量310430 kg/h，B6中S20的分流分率由TH塔的餾出物流率、回流速率計算可得0.745667 3，B10設置為熱流股出口，氣相分率為0，B11溫度設置為TL的塔釜溫度85.81 ℃，絕熱閃蒸負荷為0，然后查看TL模型流股分布、100塊板位置氣相產品流量及組分數據，給S25流股賦值。重置數據后運行，模型收斂，控制面板無警告無報錯。如不收斂，可使用TH第一塊板參數給S20賦值，或增大迭代次數。

檢查流股組分信息如下，滿足設計要求，如表2所示。

表2 雙效精餾塔產品成分表

2 模型靈敏度分析結果

2.1 S-1靈敏度分析

新建靈敏度分析S-1，選擇TL1模型的第一塊板壓力作為自變量，選擇B10模型的計算換熱面積為自變量，得到以下結果，如圖2所示。由此可知，低壓塔的頂壓由0.2 MPa降至0.18 MPa時，雙效精餾的雙效換熱器B10計算換熱面積可減少16.7%。在塔板壓降不變的情況下，降低低壓塔頂壓時，對于雙效精餾換熱器的換熱面積要求明顯降低，對于原始設計中雙效換熱器換熱面積余量不多的情況，可以通過降低低壓塔壓力或者提高高壓塔壓力來優化塔的操作難度。

圖2 低壓塔塔壓與雙效換熱器面積關系表

2.2 S-2靈敏度分析

從模擬結果中查找B10的數據，將B10輸入條件改為熱負荷13949.8 kW，B7輸入條件改為S18分流分率0.561248，建立靈敏度模型S-2,選擇自變量為B7中S18的分流分率，S16即B10出口熱流股的氣相分率為變量，運行計算得到以下結果，如圖3所示。

圖3 進料分率與產品氣相分率關系表

由此可知，在塔系總進料量不變、滿負荷運行的情況下，高壓塔進料比例超過0.561后，比例越大，高壓塔頂采氣相含量越高。在實際生產中，高壓塔進料比例超過此范圍，塔系后端放空管線需要的冷凝器負荷就越大。

3 投資與節能分析

原塔系設計為兩組0.3 MPa的單塔，每個塔進料276550 kg/h，經過模擬對比得出以下數據：傳統單塔冷凝器負荷為-13311 kW，再沸器負荷為16280.5 kW，一組塔的總負荷為59183 kW；改為雙效精餾塔后，低壓塔塔頂冷凝器負荷為-12282 kW，塔釜再沸器負荷為20744 kW，總負荷為33026 kW，節能率約為44.2%。

4 結語

針對多晶硅冷氫化工序中氯硅烷分離流程存在的能耗高問題，可以通過將單塔改為并流雙效精餾塔的方式進行節能優化，技改后，塔的運行參數可通過模型靈敏度分析進行優化。本文通過模型搭建及分析得出以下結論：(1)多晶硅氯硅烷分離體系中，同樣進料量負荷下，并流雙效精餾塔相較于單塔進料節能效率可達44%；(2)在其他參數不變的情況下，通過降低低壓塔的設計塔壓，可明顯降低對雙效換熱器的換熱面積要求，低壓塔塔壓由0.2 MPa降至0.18 MPa，雙效換熱器換熱面積需求降低16.7%；(3)在保證產品組分達標的情況下，塔系的熱平衡和進料比例有密切關系。由分析表明，高壓塔進料比例超過0.561后，頂采采出氣相分率開始大于0，且隨進料比例提高而增大。