变压吸附在改良西门子法生产多晶硅中的应用

2016-12-27张博杨紫琪

中国高新技术企业 2016年32期

张博+杨紫琪

摘要：近期兴起的一种变压吸附在工业当中运用较多，它是一种气体分离技术，主要是物理和化学的渗流理论在工业中的应用，变压吸附的发展日益提升，自从20世纪70年代以后，变压吸附技术在工业生产中有着举足轻重的地位，在业界当中受到较多的关注。文章阐述了变压吸附的原理、变压吸附在生产多晶硅中的应用及工艺流程。

关键词：变压吸附；多晶硅；改良西门子法；工业生产；气体分离技术文献标识码：A

中图分类号：TN304 文章编号：1009-2374（2016）32-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.023

1 概述

变压吸附（PSA）技术是近些年发展起来的新技术，它对原料气适应性广，无需复杂的预处理系统，无设备腐蚀问题，它的制作工艺的过程非常简单，而且自动化的程度也非常高，这种技术有着相对的优势，所以有着很好的发展前景。变压吸附通常是一个由吸附工序和减压再生工序组成的吸附-解吸系统。

1.1 变压吸附

在同等温度的情况下，吸附平衡的等温线的吸附质分压向上升，吸附剂上面的吸附质的数量加大，同等数量的吸附质分压下，吸附质的数量减小，因此高压情况下温度较低的比较容易被吸附，低压情况下温度较高比较容易再生。

1.2 变压吸附法（PSA）

变压吸附法是近期兴起的新型工艺，初始于19世纪60年代，刚开始是运用于空气干燥和氢气纯化当中。1970年以后经过研制开始用于制氮或者制氧，随之1976年被研制用于碳分子筛等，随着科技的进步，变压吸附法开始用于医疗当中。

吸附分离技术上的差异是利用吸附剂对特有的吸附气体进行分离的，经常用的有真空与加压方法等，是为了加快整个过程的进行。分子筛变压吸附分离空气制取氧的机理，一种是用分子筛的吸附的能力比氧的吸附能力强，用来分离氧和氮；另一种是用氧的扩散速度比氮的扩散速度快，利用远离平衡去分离氧和氮。

变压吸附法制氧，氮在常温下进行，其工艺有加压吸附/常压解析或常压吸附/真空解析两种，通常选用沸石分子筛制氧，碳分子筛制氮。1991年，日本三菱重工制成世界上最大的PSA制氧设备，其氧产量可达8650m3/h。进入20世纪90年代以来，我国的PSA/VPSA制氧设备逐渐系列化，近年来锂基分子筛因其性能更为稳定、高效，被越来越多地大规模应用，实现装置大型化生产，单套变压吸附装置产量最高可达40700m3/h，氧纯度≥90%，产品氧能耗可达0.32～0.37kW·h/m3。

2 变压吸附（PSA）的工作原理

2.1 吸附剂的再生方法

根据吸附剂的再生方法，一般将吸附解吸过程分为两种：变温吸附法和变压吸附法。

2.1.1 变温吸附法。在低温下进行吸附，吸附质通过升高温度从吸附剂上解吸出来。吸附和解吸是在两条不同温度的等温吸附线之间进行。由于常用吸附剂的热传导率较低，加温和冷却的时间就比较长，需要配备相应的加热和冷却设备。而且吸附剂的寿命由于温度周期性大幅度变化也会减少，但变温吸附法仍可适用于许多场合，产品损失率少，回收率较高。

2.1.2 变压吸附法。变压吸附法在气压低的情况下进行解吸，在气压高的情况下进行吸附。循环的周期相对较短，未能及时吸附热，解吸的时候可以充分利用，所以温度的变化并不是很大，温度变动的范围也就几摄氏度，这种情况我们可以看作是等温的过程。常用吸附方法有抽真空、冲洗、降压、置换，目的都是使吸附剂上被吸附组分的分压降低，使吸附剂再生。在变压吸附过程中，一般情况是根据气体被分离出来的混合物质和产品的要求加上操作的条件以及吸附剂的特殊的性质去选择采用哪种再生的方法，一般由几种方法配合操作。无论采用哪一种方法，再生后，吸附床内的吸附质不会完全解吸，即床内吸附剂不可能再生彻底。

2.2 变压吸附工作基本步骤

由于工业生产一般都是连续进行，为了保证吸附过程的连续，生产中大都采用3个或3个以上的吸附床，使吸附床的吸附解吸循环进行。

变压吸附工作的基本步骤一般有三个：

2.2.1 高压下吸附。被分离的气体混合物在吸附设备最高压力下通入，吸附剂吸收其中的强吸附组分，吸附床的另一端流出弱吸附组分。

2.2.2 低压下解吸。根据被吸附组分的性能，选用抽真空、冲洗、降压、置换中的几种方法使吸附剂再生。低压解吸一般先是降压到大气压力，然后再用抽真空、冲洗或置换。

2.2.3 升压。吸附剂再生完成之后，对吸附床用弱吸附组分充压到吸附压力为止。

3 变压吸附在改良西门子法生产多晶硅中的应用

变压吸附在生产多晶硅中的主要应用是还原炉尾气回收装置中的氢气净化单元。还原炉尾气经过低温喷淋、压缩冷凝、吸收和脱吸、活性碳吸附后得到纯净的氢气供还原炉使用。在生产过程中，每个塔吸附塔的工作步骤是完全一致的，在时间上交替进行，连续生产。以四个碳吸附塔为例，工艺流程如图1所示：

（1）吸附：含杂质的氢气（杂质主要为氯硅烷和氯化氢）从碳吸附塔底部进入吸附床层，床层维持在高压低温状态，杂质被活性碳吸附，纯净的氢气从塔顶送至还原炉进行还原反应；（2）降压/升温：吸附结束后，碳吸附塔逐步降至常压，同时用热源（蒸汽或者高温导热油）对塔体及活性碳床层进行加热，使吸附塔维持低压高温，使吸附的杂质解析出来；（3）反吹：用纯净的反吹氢气将解析出的杂质带走，冲洗氢气可以再回收利用，使活性碳床层的吸附能力再生；（4）升压：反吹再生完成后，用纯净的氢气给碳吸附塔充压，为下一次吸附做准备；（5）降温：用冷媒（冷却水或者低温导热油）对塔体及活性碳床层进行降温，结合第4步使碳吸附塔维持低温高压状态，准备下一次吸附；（6）等待：维持低温高压状态等待吸附塔结束后切换至此塔，循环吸附。

4 结语

随着半导体行业的发展，市场对多晶硅纯度的需求越来越高，所以对改良西门子法生产多晶硅中干法回收氢气的要求也越来越高。随着变压吸附理论的不断进步和仿真工具的出现以及自动控制系统的不断发展，变压吸附净化气体的技术将会日益成熟。

参考文献

[1] 姜贺.变压吸附制氧技术的发展[J].中国有色冶金，2014，（2）.

[2] 杨炎，佘林源.变压吸附脱碳装置开车总结[J].化学工程与装备，2014，（6）.

[3] 丁慧，李进辉，黄文升，刘娜，张秀霞.变压吸附技术的应用及其发展简述[J].油气田环境保护，2012，（2）.

[4] 黄丽平，李广学.变压吸附技术在工业上的应用与发展[J].广东化工，2011，（3）.

[5] 姜贺.变压吸附制氧技术的发展[J].中国有色冶金，2014，（2）.

[6] 杨炎，佘林源.变压吸附脱碳装置开车总结[J].化学工程与装备，2014，（6）.

[7] 丁慧，李进辉，黄文升，刘娜，张秀霞.变压吸附技术的应用及其发展简述[J].油气田环境保护，2012，（2）.

[8] 黄丽平，李广学.变压吸附技术在工业上的应用与发展[J].广东化工，2011，（3）.

[9] 变压吸附网三届三次全网大会暨技术交流会在成都召开[J].深冷技术，2011，（5）.