基于ChemCAD的三氯氢硅尾气处理过程模拟及优化

吴 正 勇

（四川化工职业技术学院，四川 泸州 646005）

应用技术

基于ChemCAD的三氯氢硅尾气处理过程模拟及优化

吴 正 勇

（四川化工职业技术学院，四川 泸州 646005）

通过ChemCAD流程模拟软件对实际年产7000 t三氯氢硅的生产流程进行模拟、分析，改进三氯氢硅合成所产生尾气的处理。原工况为合成气深冷分离废气进入三废系统，新工况将原工况的深冷后的气体压缩后再次深冷分离。使废气的排放量减小至原工艺的 8%左右，减少了尾气排放的污染，产生了良好的经济和环境效益。

ChemCAD；三氯氢硅；流程模拟；尾气处理

三氯氢硅是一种用途非常广泛的有机硅单体，是生产多晶硅的基本原料[1]。在三氯氢硅生产中，HCl的转化率一般为80%左右，约20%的HCl没有参加反应，反应后的混合气在－40 ℃的温度下，深冷分离，效率约85%，有15%的气体没有被冷凝，而是作为尾气被送入洗涤塔。而这15%的气体中，包含有大量的三氯氢硅、副产品四氯化硅和二氯氢硅以及没有反应的HCl气体等。通过对三氯氢硅合成尾气的综合治理，可提高原辅材料的利用率，降低多晶硅生产成本，节约能源，有效地改善环境污染的问题。

为此，利用化工流程模拟技术[2]对三氯氢硅的合成、分离以及尾气处理的整个生产过程进行稳态模拟，重点对尾气处理工段进行优化设计。

ChemCAD流程模拟软件对是一个具有强大功能的化工计算机模拟软件，是进行化工过程计算机设计、工况分析、优化操作所必不可少的基础工具，是进行系统分析的强有力的手段[3-7]，广泛应用于化学和石油工业、炼油、油气加工等领域的工艺计算。

1 三氯氢硅生产工艺流程

三氯氢硅的生产工艺流程包括合成工段、精馏工段和尾气回收工段。流程示意图见图1。

图1 三氯氢硅生产工艺流程示意图

2 热力学方法确定

化工生产常常在多种相态下进行，这个时候需要进行气液平衡关系（VLE）的计算，针对不同的物料和状态，计算所需的热力学模型也有所不同。常用的模型有[8]：SRK模型、PR模型、SHBWR模型、NRTL模型等。

三氯氢硅生产以及环境是一个高度非理想体系，根据文献所述，热力学模型选择NRTL模型。该模型能准确模拟非理想溶液的VLE和LLE性质。该模型需要二元系数，ChemCAD数据库包含了许多从文献上的实验数据回归出来的二元系数。

3 尾气处理工段的模拟与优化

3.1 尾气处理工段流程

来自合成工段的混合气，经过风冷，水冷和－40 ℃的盐水冷凝后[9]，冷凝效率为 85%，约有15%的三氯氢硅气体未冷凝。由未冷凝的三氯氢硅和四氯化硅气体、未参加反应的氯化氢、反应副产物氢气等组成的尾气，直接送淋洗塔处理，以三废形式排放。其处理流程图见图2。

3.2 尾气处理工段模拟

尾气处理所用设备模块见表1。

来自合成工段的混合气，依次经过空冷，水冷降低温度，然后在约－40 ℃的冷媒中冷凝，用闪蒸设备进行气液分离。闪蒸罐为常用的气液分离装置，FLASH单元是一个允许各种闪蒸操作的、通用的闪蒸模块。通过选择适当的模型能完成在不同温度和压力条件下的恒温、绝热、等熵、汽相分离等闪蒸计算。由于此处为简单的气液分离，故设置其在进口压力和温度下进行模拟计算。

图2 尾气处理工段流程图

表1 尾气处理工段模拟涉及模块表

尾气处理段模拟图见图3。

4 三氯氢硅尾气处理工段的优化

4.1 尾气处理工段分析

尾气与产物经气液分离装置分离之后，由于其中还含有大量有用的组分，故需进一步回收利用。表2为尾气的组成。

图3 尾气处理段模拟图

表2 尾气组成表

图4 尾气处理工段改进

将尾气加压深冷，使尾气中的绝大部分三氯氢硅和四氯化硅与HCl和H2分离，后利用变压吸附分离HCl和H2，并回收。其流程可见图4。

由于在尾气进口压力下，SiHCl3和 SiCl4的分压较小，欲在此压力下降其分离出来，需要在极低的温度下，这将消耗极大的能量，并且增加设备成本[10]，故以提高尾气压力的方式提高其含有气体的分压，使其在较高的温度下实现气液分离。故降尾气压缩至0.7 MPa再进行冷凝分离。剩余尾气中主要含有H2和HCl。其组成可见表3。

4.2 改进所用设备模块

综上，尾气处理工段涉及的ChemCAD模块和数量主要可见表4。

表3 尾气处理工段改进后组成表

表4 尾气处理工段改进模拟涉及模块表

4.3 尾气处理段改进后模拟结果

尾气处理段的改进模拟图可见图 5，其改进后排放的尾气之于改进前的对比可见表5。

可以看出尾气处理之后，大大减少了排放量。并且增加了H2的回收量。

图5 尾气处理段改进后模拟图

表5 改进前后尾气排放模拟结果对比

4.4 尾气处理改进后对于全流程的影响

对尾气处理工段进行改进后，对于全流程的影响主要有两个方面：回收的HCl可用于合成工段；尾气处理得到的SiHCl3和SiCl4可用于精馏工段进一步提纯作为产物。

改进前后合成工段的各组分质量流量对比可见表6。

从表6可以看出，改进后反应物Si的反应更加充分，故进料量反而减少；而HCl由于从尾气中回收了部分用于循环反应，进料量反而更大；从合成工段生成的粗产物的产量也有所增加。

精馏工段的最终产物的生成量有所改变，可见表7。

可以看出，改进后 SiHCl3的产量增加了约50%，而副产品SiCl4的产量也增加了约30%。

5 回收效果

5.1 节能减排

由于尾气回收效果明显，每千克三氯氢硅可节约电能1.8千瓦时，按实际年生产能力7000 t计，可节约约1260万千瓦时。改进后，废气的排放量减小至原工艺的8%左右，回收HCl 267 kg/h，SiHCl3150 kg/h以及SiCl413 kg/h，减少了尾气排放的污染，产生了良好的环境效益。

表6 合成工段改进前后对比

表7 改进前后产物产量比较

表8 改进前后技术经济指标（以每kg三氯氢硅计）

5.2 经济核算

此工艺改进后，每吨三氯氢硅生产成本可降低0.17万元，而年设备投入增加约22.2万元，具有良好的经济效益。改进前后的技术经济指标见表8。

6 结 论

按照工厂的设计数据和图纸，利用 ChemCAD流程模拟软件，以NRTL为热力学模型，进行了三氯氢硅合成与分离的流程模拟。在建立了原工艺的流程模拟的基础上，利用ChemCAD改进了对三氯氢硅合成所产生尾气的处理，原工况为合成气深冷分离废气进入三废系统，新工况将原工况的深冷后的气体压缩后再次深冷分离。通过改进，减少了尾气排放的污染，产生了良好的环境效益；将废气中的有用组分回收之后，产品纯度为99.9%的SiHCl3的产量由889 kg/h增加到1390 kg/h，增加了约50%，经济效益显著。

[1]朱骏业. 三氯氢硅合成尾气的综合回收[J]. 世界有色金属，1995（6）：25-28.

[2]杨友麒. 实用化工系统工程[M]. 北京：化学工业出版社，1989.

[3]姚平经. 化工过程系统工程[M]. 大连：大连理工大学出版社，1992.

[4]庄芹仙，张志擦. 计算机辅助工程（CAE）及其在化工过程模拟优化中的应用[J]. 黑龙江石油化工，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]冯权莉. 通用化工流程模拟技术进展与应用[J]. 云南工业大学学报，1996，12（1）：52-57.

[8]宋海平. 精馏模拟[M]. 天津：天津大学出版社，2005：5.

[9]朱骏业. 三氯氢硅合成尾气的综合回收[J]. 世界有色金属，1995，6：25-28.

[10]王小辉，何佳华. 三氯氢硅合成炉尾气的治理[J]. 中国氯碱，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。

吴正勇（1975—），男，硕士，讲师。E-mail wuzhengyong@163.com。