三氯氢硅精馏过程的模拟与优化

张世斌

摘 要： 随着社会经济和科学技术不断发展，我国光伏产业发展迅速，带动我国社会经济进一步快速发展的同时，对于多晶硅原料提出了更大的需求。就现代光伏产业而言，多晶硅是其重要的基础材料，而三氯氢硅提纯是多晶硅生产的关键环节，并且这一环节的提纯效果直接影响着多晶硅产品最终的产品质量。同时，由于多方面因素的干扰和影响，目前三氯氢硅精馏生产流程仍存在着能耗偏高、三氯氢硅损失量较高等问题，制约着光伏产业的进一步健康发展。笔者即从三氯氢硅精馏入手，通过化工流程模拟软件，针对目前主流的三氯氢硅精馏双塔工艺流程进行了模拟计算，并相应提出了几点优化建议，以供相关人员参考。

关键词： 三氯氢硅；精馏；过程模拟；优化

近几年，我国社会经济发展迅速，带动我国光伏产业快速发展的同时，相应提高了对于多晶硅原料的供应需求和质量要求。从多晶硅原料生产的角度分析，三氯氢硅提纯是目前主流多晶硅生产工艺改良西门子法的关键环节，如三氯氢硅的纯度不足或在提纯过程中存在其他工艺问题，就会直接降低多晶硅产品的产品质量，进而影响光伏产业的健康发展。目前，工业三氯氢硅的提纯主要依靠精馏工艺实现，其中双塔精馏工艺是当前工业领域应用最为广泛的工艺技术。但由于多方面因素影响，目前双塔精馏工艺在应用过程中，仍存在着能耗偏高、三氯氢硅损失量高等问题，不利于工艺成本和产品质量的控制。本文通过专业化工流程模拟软件，對工业三氯氢硅双塔精馏流程进行了模拟和计算，并以此为基础，就双塔精馏工艺流程相关参数进行了优化，具体内容如下：

一、三氯氢硅精馏工艺流程概述

目前，工业上多采用双塔精馏工艺进行三氯氢硅的提纯，一般工艺流程如图一所示。由图一可知，三氯氢硅精馏提纯过程中，合成反应液率先进入预塔，即预分离塔，并在与分离塔完成初步的轻组分、重组分脱出。此时，二氯二氢硅、三氯化硼等轻组分杂质由塔顶直接脱出，重组分也就是釜液经由进料泵输送至三塔，即三氯氢硅塔。经过三氯氢硅塔的进一步提纯处理，在塔顶就可以得到纯度相对较高的三氯氢硅产品。

一般来说，三氯氢硅双塔精馏工艺要求三塔塔顶最终的三氯氢硅产品的质量分数必要超过99.9%，同时三氯化硼的质量分数不得超过2.0×10-8，三氯化磷的质量分数不得超过5.0×10-9。此外，塔釜三氯氢硅的质量分数不得超过5.0×10-4。

二、双塔精馏工艺过程的初步设计与计算分析

从三氯氢硅精馏过程模拟的角度分析，模拟计算结构的准确度与物性方法的选择间有着直接且紧密的联系，考虑到整个工艺过程中的物系中同时含有极性物质和非极性物质，故而选用NRTL物性方法进行相应的模拟计算，以确保实现对非理想溶液VLE性质的准确描述。

同时，为进一步减少三氯氢硅双塔精馏过程中，塔顶制冷系统的能量损耗，将深冷水改为常温循环冷却水，同时进行了相应的加压精馏调整。鉴于预分离塔和三氯氢硅塔塔顶轻组分的三氯氢硅的含量都很高，并且塔顶的温度与三氯氢硅的饱和蒸汽压下的温度相接近，故而双塔的操作压力均设计为0.15MPa。另外，在0.15MPa塔顶压力条件下，塔顶温度设置在55.0～60.0℃区间内。

预分离塔与三氯氢硅塔对应的NT（理论塔板数）和R（回流比）间的关系，由DSTWU简洁法计算得到。根据计算结果，随着塔板数的持续增加，回流比开始逐渐降低，并且初始的降低幅度明显，达到一定标准逐渐变慢、减小。塔板数和回流比间的关系，客观地反映出精馏过程中的能耗及设备费用等信息，从整体角度考虑，应在合理控制设备成本的基础上，加强对能耗的科学控制，故而最优化的塔板数和回流比选择为，预分离塔分别是92和15；三氯氢硅塔分别是80和14.

在简洁法计算结果基础上，将理论塔板数、回流比、进料位置等基础信息带入RadFrac模型，进行相应的严格法计算，并使用Aspen Plus相关灵敏度分析工具，在产品质量合格基础上进行科学的灵敏度分析，即可对设计变量对于关键操作变量的具体影响进行确定，从而实现对整个工艺流程的优化设计。

三、双塔精馏工艺中各塔参数的优化分析

（一）预分离塔参数优化分析

就三氯氢硅双塔精馏工艺而言，三氯化硼是合成反应液中最不容易脱除的轻组分，同时如若使用硼含量超标或较高的三氯氢硅参与后续的还原反应，还将造成多晶硅产品的光电转化能力急剧下降等问题。因此，在实际精馏工艺处理过程中，就需要最大限度地对三氯化硼进行清除，从而保障三氯氢硅塔塔顶产品的三氯化硼含量达到质量分数不超过2.0×10-8的标准要求。

通过进料板位置的灵敏度测试可以发现，控制进料板位置不断下移，预分离塔塔釜的三氯化硼含量出现先减少后增加的变化趋势，并且进料位置处于第72块塔板位置时，塔釜的三氯化硼质量分数最小。另外，保持塔板数和进料位置固定，控制增大回流比，也可以达到一定的增强预分离塔分离效果的目的，但控制增大回流比，也必然会造成塔釜再沸器和塔顶冷凝器热负荷的增加，故而需谨慎进行调节和应用。

（二）三氯氢硅塔参数优化分析

就三氯氢硅塔而言，其参数优化应以塔釜及塔顶的三氯氢硅质量分数作为基本的衡量标准，同时对比进料位置设置、回流比设置等参数调节，对于塔釜和塔顶三氯氢硅质量分数变化的干扰和影响。

首先，就进料板位置设置与塔顶三氯氢硅质量分数变化间的关系来看，随着进料板位置的持续下移，塔顶三氯氢硅的质量分数逐渐增大，同时进料板位置处于26～34块塔板时，塔顶三氯氢硅的质量分数变化不明显，随后快速降低。因此，三氯氢硅塔的进料板应设置在30块板处为宜；其次，从回流比变化控制的角度分析，随着回流比的持续增大，塔顶三氯氢硅的质量分数先出现大幅度的增加，随后进入平稳状态。综合对比各项指标要求后，三氯氢硅塔的回流比应控制在9左右。

结语：

综上所述，随着我国光伏产业不断发展，相关企业和人员需全面提高对三氯氢硅精馏的重视和关注，从三氯氢硅精馏基本工艺流程入手，结合科学的模拟计算分析，合理进行相应的工艺调整，综合降低能耗，提高产品质量，从而促进我国光伏产业的进一步发展。

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