氯硅烷精馏孔板波纹填料塔直径计算

杨 楠

(新疆东方希望新能源有限公司，新疆 昌吉 831799)

氯硅烷精馏孔板波纹填料塔直径计算

杨 楠

(新疆东方希望新能源有限公司，新疆 昌吉 831799)

根据氯硅烷精馏脱轻塔气液相负荷和相关物性参数，采用Bain-Hougen关联式计算了250Y型金属孔板波纹填料在精馏段和提馏段顶、底的液泛气速。在运行工况条件下，获得最小空塔气速所对应的塔径为Φ2500mm，结果采用F.R.I.进行了校核，为氯硅烷精馏填料塔塔径选择提供参考。

氯硅烷；精馏；孔板波纹填料；泛点气速；塔径

在改良西门子法制备多晶硅工艺过程中，SiHCl3的纯度直接影响了多晶硅的品质。目前SiHCl3的分离提纯主要采用精馏方法。填料塔具有通量高，操作弹性大，在氯硅烷精馏中得到广泛应用。但金属丝网填料造价高、忌堵塞和怕腐蚀；同时散堆填料分离效率低。而金属孔板波纹规整填料可以克服前二者的局限性。不锈钢金属孔板波纹填料，保持了丝网波纹填料的几何规则结构特点，薄片加沟纹的结构起到了细分配液体的作用，增强了液体均布和填料润湿的性能，提高了传质效率。孔板波纹填料具有不同的型号，其中250Y型孔板波纹规整填料[1]，是研究最多，工业应用最广的一种。针对250Y型孔板波纹规整填料，需合理选择塔径，避免塔径偏小发生液泛，塔径过大造成气液分布不均和投资浪费等问题。本文分别根据氯硅烷精馏工艺中脱轻塔的精馏段和提馏段顶、底的的气液相负荷和相关物性参数，采用Bain-Hougen关联式，计算了250Y型金属孔板波纹填料塔的液泛气速。在此基础上，获得所对应的塔径塔径。

1 工艺及水力学条件

氯硅烷精馏脱轻塔，总进料流量50,000 kg/h，其中SiHCl3含量97.39%(wt，下同)，SiH2Cl2为1.60%，SICl4为1.00%，BCl3为100 ppm，泡点进料。要求塔釜SiHCl3收率≥99.0%，BCl3≤5 ppb。为避免泵气蚀，回流液过冷至45℃，工艺计算如图1。

经Aspen plus模拟，氯硅烷脱轻塔所需理论塔板数50块，塔顶采出量1200 kg/h，回流比R为125.83，进料位置在第11块理论板。

图2为氯硅烷脱轻塔正常运行工况的气液相负荷。

图2 脱轻塔气液相负荷

由图2可知，脱轻塔精馏段气液相负荷相差不大，而提馏段为液相负荷较大。

表1为精馏段、提馏段的顶、底气液相密度、黏度和表面张力等参数。

表1 气液相物性参数

2 塔径计算结果与分析

2.1 Bain-Hougen关联式塔径计算

在进行填料塔的塔径计算时，通常先计算其液泛气速，再根据经验选择合适的液泛因子(50%～80%)[2]确定空塔气速，从而决定所需填料塔的塔径[3]。液泛气速是填料塔设计的重要参数，只有在液泛气速以下，填料塔能才可能稳定的操作。所以液泛气速是确定塔径的主要依据。目前有多种方法和计算公式计算液泛气速[4-6]，而Bain-Hougen关联式[7]：

uF-泛点气速，m/s；

g-重力加速度，9.81m/s2；

a-填料比表面积，m2/m3；

ε-填料孔隙率；

ρV-气体密度，kg/m3；

ρL-液体密度，kg/m3；

μL-液体黏度，cP；

WL-液体流量，kg/h；

WV-气体流量，kg/h；

A-参数。

计算所得液泛气速结果偏差较小[8-10]，在工程上得以广泛运用。

表2为Bain-Hougen关联式计算所得液泛气速和液泛因子β为0.8时所对应的塔径。

表2 液泛气速与塔径(β=0.8)

Bain-Hougen关联式以早期的Sherwood关联式为基础，通过大量地填料塔液泛气速研究进行数据回归而得到。对于250Y型不锈钢金属板波纹填料，比表面积α为250 m2/m3，空隙率ε为95%，波纹倾角45°，峰高12mm[11]，参数A取为0.291[12]。

从表2可见，脱轻塔提馏段塔径最大。

在相应工况下，塔径D不应小于Φ2500 mm。

2.2 F.R.I水力学校核

F.R.I.(Fractionation ResearchInc. 美国精馏中心)开发了能够核算规整填料的软件F.R.I. Device Rating Progarm，该软件研究了包括Sulzer，Koch和Glitsch等多个制造商所设计的各种不同规整填料。F.R.I.采用不同二元体系，压力从16mmHg到27.6bar，确定了床层高度、汽体分布、体系物性对规整填料性能的影响。根据F.R.I.实验结果开发的规整填料性能模型，可以帮助设计规整填料塔，有合理的可信度[13]。使用该程序的试差法，可以确定满足设计判据的塔结构。

表3为采用F.R.I.对氯硅烷脱轻塔，塔径D为Φ2500 mm时的水力学校核结果。

表3 F.R.I.水力学校核结果

从表3可见，脱轻塔提馏段塔径Φ2500 mm时，经F.R.I.校核，提馏段液泛因子β为0.744。压降ΔP低于0.20Pa/m，等板高度HETP大约500 mm左右。同时对于精馏段，由于塔径较Bain-Hougen关联式结果大，故气相动能因子F和气相负荷因子Cs均小于表2的结果。

另外，根据图3Sulzer Mellapak 250Y型填料性能曲线[14]，表3中气相动能因子F所对应范围内，填料塔的等板高度HETP和压降ΔP均与曲线相吻合，即氯硅烷脱氢塔在工况运行条件下，塔径DΦ2500 mm满足塔的水力学要求。

图3 Sulzer Mellapak 250型填料性能曲线

3 结论

采用Bain-Hougen关联式可以计算采用孔板波纹填料的氯硅烷精馏脱轻塔直径，在运行工况条件下，填料塔直径不应小于Φ2500 mm。结果采用F.R.I校核，与Sulzer Mellapak 250Y型填料性能曲线相符合。为其他氯硅烷精馏250Y型金属孔板波纹填料在塔径计算时提供参考。

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[14] Sulzer,Structured Packings Energy-efficient,innovative and profitable[EB/OL].http://www.sulzer.com/zh/Products-and-Services/Separation-Technology/Structured-Packings.

(本文文献格式：杨 楠.氯硅烷精馏孔板波纹填料塔直径计算[J].山东化工,2017,46(15):105-106,109.)

Calculation of the Diameter of the Corrugated-plate-pack Column for Chlorosilane

YangNan

(Xinjiang East Hope New Energy Co.,Ltd.,Changji 831799,China)

According to the gas-liquid load of the distillation column removing the light impurities from chlorosilane,and related physical parameters,the flooding velocity of the column in which loaded 250Y metal packing is calculated by Bain-Hougen correlations,both at the top and bottom of the rectifying and stripper section separately. Under the operating conditions,the column diameter corresponding the minimum gas velocity is 2500mm. The results are checked by F.R.I..

chlorosilane;distillation;corrugated plate packing;flooding velocity;column diameter

2017-05-26

杨 楠(1977—)，男，四川眉山人，从事改良西门子工艺制备多晶硅的研究。

TQ015

B

1008-021X(2017)15-0105-02