改良西门子法精馏过程的模拟和优化及其节能工艺研究

发布时间：2017-07-28 18:37

  本文关键词：改良西门子法精馏过程的模拟和优化及其节能工艺研究

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【摘要】：改良西门子法是目前最主流的多晶硅生产工艺。但不足之处是,该法的传统工艺精馏级数多,塔板数众多,操作压力偏高,提纯效果欠佳且能耗偏高。在其能耗构成中,除了还原电耗外,精馏环节的能耗占了相当比例。改良西门子法中的精馏主要包括三个方面：三氯氢硅合成料精馏、四氯化硅氢化料精馏和尾气回收料精馏。在这三个方面,均有先脱除重组分,再脱除轻组分(简称脱重-脱轻)和先脱除轻组分,再脱除重组分(简称脱轻-脱重)两种不同的工艺路线。为了简化改良西门子法精馏工艺的流程,减小精馏级数,减少塔板数,降低操作压力,减小能耗并提高三氯氢硅产品纯度,本文开展了以下研究：建立了三氯氢硅合成料精馏脱重-脱轻工艺的精馏塔模型,与脱轻-脱重的工艺进行比较,两种工艺的模拟值与工业数值都较好吻合,验证了模型的可靠性。针对电子级多晶硅的质量要求,模拟和优化了合成料精馏工艺中的脱重-脱轻和脱轻-脱重两种工艺路线,获得了精馏塔的最佳操作方案,比较了两种工艺路线的年公用工程用量、年运行费用和年综合能耗。计算结果表明,相比于脱轻-脱重工艺,对进1,2,3,脱重-脱轻工艺在冷却水用量分别高出了50%,47.1%和39.8%,在年运行费用方面分别高出16.16%,13.28%和10.2%,在年综合能耗方面分别高出17.6%,14.73%和11.28%。可得出结论,对于三氯氢硅合成料精馏而言,脱轻-脱重工艺是更好的工艺路线。模拟和优化了氢化料精馏工艺中的脱重-脱轻和脱轻-脱重两种工艺路线,获得了精馏塔的最佳操作方案,比较了两种工艺路线的年公用工程用量、年运行费用和年综合能耗。计算结果表明,相比于脱重-脱轻工艺,对进料1,2,3,脱轻-脱重工艺的凝结水用量分别高出了32.2%,29.1%和20.4%,冷冻水用量分别高出了165.1%,88.6%和58.8%,在年运行费用方面分别高出29.1%,26.8%和20%,在年综合能耗方面分别高出25.8%,24%和16.1%。可得出结论,对于四氯化硅氢化料精馏而言,脱重-脱轻工艺是更好的工艺路线。模拟和优化了尾气回收料精馏工艺中的脱重-脱轻和脱轻-脱重两种工艺路线,获得了精馏塔的最佳操作方案,比较了两种工艺路线的年公用工程用量、年运行费用和年综合能耗。计算结果表明,相比于脱轻-脱重工艺,对进料1,2,3,脱重-脱轻工艺的冷却水用量分别高出了17.4%,13.3%和10.5%,在年运行费用方面和年综合能耗方面稍大一点。可得出结论,对于尾气回收料精馏而言,脱轻-脱重工艺是更好的工艺路线。对四氯化硅精馏二级塔应用热泵精馏技术,分别模拟了塔顶气体直接压缩式和塔釜液体闪蒸再沸式热泵精馏。计算结果表明,尽管热泵技术的应用会带来额外的设备投资和运行费用,但由于能源费用的节约显著,两种热泵精馏均比常规精馏能耗低,分别节能21.8%和28.9%。将双塔热集成精馏技术应用于脱重-脱轻的三氯氢硅精馏工艺。采取提高一级塔操作压力,同时降低二级塔操作压力的办法,使得一级塔塔顶与二级塔塔底之间须有足够的温差。计算结果表明,通过热交换的实施,相比于原始工艺,新工艺可节约能耗50%。三氯氢硅回收率高达98.7%。结合企业实际情况,将部分研究结果应用到生产实践中。把精馏塔的优化操作方案用于指导生产,改进了精馏单塔的进料板位置,降低了回流比,调整了塔底采出率；对合成料精馏和尾气回收料精馏工艺,均用能耗更低的脱轻-脱重工艺路线取代原有脱重-脱轻工艺路线,并对不同物料的精馏工艺进行适当组合,提出了新流程。新工艺流程一共需要6个精馏塔,相比于原有工艺流程少用了1个。这不但减少了塔设备的硬件投资,还简化了工艺流程,降低了实际运行中的操作和控制难度,有利于提高产品纯度。
【关键词】：多晶硅 改良西门子法 精馏 模拟和优化 节能降耗
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第一章 绪论17-39
• 1.1 多晶硅生产工艺18-21
• 1.1.1 改良西门子法18-19
• 1.1.2 硅烷法19-20
• 1.1.3 锌还原法20-21
• 1.2 改良西门子法精馏过程研究现状21-26
• 1.2.1 三氯氢硅合成料精馏研究现状21-25
• 1.2.2 氢化料精馏和尾气回收料精馏研究现状25-26
• 1.3 精馏节能方法26-30
• 1.3.1 热泵精馏26-27
• 1.3.2 热偶精馏27-28
• 1.3.3 多效精馏28-29
• 1.3.4 差压热耦合精馏技术29-30
• 1.3.5 内部热集成精馏技术30
• 1.4 流程模拟方法及现状30-35
• 1.4.1 过程建模概述30-32
• 1.4.2 平衡级精馏模型32-33
• 1.4.3 流程模拟概述33-34
• 1.4.4 过程仿真方法34-35
• 1.5 改良西门子法精馏过程研究的不足之处35-36
• 1.6 本论文的研究目的、内容和创新点36-39
• 1.6.1 研究目的和内容37-38
• 1.6.2 创新点38-39
• 第二章 热力学方法及计算过程39-48
• 2.1 热力学计算方法简介39-42
• 2.1.1 状态方程39-41
• 2.1.2 活度系数模型41-42
• 2.2 氯硅烷体系的热力学计算42-45
• 2.2.1 三氯氢硅合成料中的主要组分42-43
• 2.2.2 氯硅烷体系热力学计算43-45
• 2.3 精馏工艺热力学计算过程45-47
• 2.3.1 两种精馏工艺路线45-46
• 2.3.2 精馏工艺计算过程46-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 合成料精馏工艺的模拟研究48-94
• 3.1 模型的可靠性48-49
• 3.2 脱重-脱轻合成料精馏工艺的模拟和优化49-69
• 3.2.1 脱重塔的塔板数和回流比关系49-51
• 3.2.2 脱重塔的进料板位置51-53
• 3.2.3 脱重塔的回流比53-56
• 3.2.4 脱重塔的塔顶采出率56-60
• 3.2.5 脱轻塔的塔板数和回流比关系60
• 3.2.6 脱轻塔的进料板位置60-61
• 3.2.7 脱轻塔的回流比61-65
• 3.2.8 脱轻塔的塔底采出率65-69
• 3.3 脱轻-脱重合成料精馏工艺的模拟和优化69-90
• 3.3.1 脱轻塔的塔板数和回流比关系69-71
• 3.3.2 脱轻塔的进料板位置71-73
• 3.3.3 脱轻塔的回流比73-76
• 3.3.4 脱轻塔的塔底采出率76-79
• 3.3.5 脱重塔的塔板数和回流比关系79
• 3.3.6 脱重塔的进料板位置79-81
• 3.3.7 脱重塔的回流比81-85
• 3.3.8 脱重塔的塔顶采出率85-90
• 3.4 两种合成料精馏工艺的能耗分析90-93
• 3.5 本章小结93-94
• 第四章 氢化料精馏工艺的模拟研究94-133
• 4.1 脱重-脱轻氢化料精馏工艺的模拟和优化94-112
• 4.1.1 脱重塔的塔板数和回流比关系94-96
• 4.1.2 脱重塔的进料板位置96-97
• 4.1.3 脱重塔的回流比97-100
• 4.1.4 脱重塔的塔顶采出率100-103
• 4.1.5 脱轻塔的塔板数和回流比关系103
• 4.1.6 脱轻塔的进料板位置103-105
• 4.1.7 脱轻塔的回流比105-108
• 4.1.8 脱轻塔的塔底采出率108-112
• 4.2 脱轻-脱重氢化料精馏工艺的模拟和优化112-128
• 4.2.1 脱轻塔的塔板数和回流比关系112
• 4.2.2 脱轻塔的进料板位置112-114
• 4.2.3 脱轻塔的回流比114-117
• 4.2.4 脱轻塔的塔底采出率117-119
• 4.2.5 脱重塔的塔板数和回流比关系119-120
• 4.2.6 脱重塔的进料板位置120-122
• 4.2.7 脱重塔的回流比122-125
• 4.2.8 脱重塔的塔顶采出率125-128
• 4.3 两种氢化料精馏工艺的能耗分析128-131
• 4.4 本章小结131-133
• 第五章 尾气回收料精馏工艺的模拟研究133-174
• 5.1 脱重-脱轻尾气回收料精馏工艺的模拟和优化134-153
• 5.1.1 脱重塔的塔板数和回流比关系134-135
• 5.1.2 脱重塔的进料板位置135-137
• 5.1.3 脱重塔的回流比137-141
• 5.1.4 脱重塔的塔顶采出率141-143
• 5.1.5 脱轻塔的塔板数和回流比关系143-144
• 5.1.6 脱轻塔的进料板位置144-146
• 5.1.7 脱轻塔的回流比146-149
• 5.1.8 脱轻塔的塔底采出率149-153
• 5.2 脱轻-脱重尾气回收料精馏工艺的模拟和优化153-170
• 5.2.1 脱轻塔的塔板数和回流比关系153
• 5.2.2 脱轻塔的进料板位置153-155
• 5.2.3 脱轻塔的回流比155-159
• 5.2.4 脱轻塔的塔底采出率159-161
• 5.2.5 脱重塔的塔板数和回流比关系161
• 5.2.6 脱重塔的进料板位置161-163
• 5.2.7 脱重塔的回流比163-167
• 5.2.8 脱重塔的塔顶采出率167-170
• 5.3 两种尾气回收料精馏工艺的能耗分析170-173
• 5.4 本章小结173-174
• 第六章 精馏节能技术研究和结果应用174-191
• 6.1 热泵精馏技术研究174-178
• 6.1.1 热泵精馏技术的研究发展状况174-175
• 6.1.2 热泵精馏在四氯化硅二级塔上的应用研究175-178
• 6.2 双塔热集成技术新工艺的模拟及节能分析178-184
• 6.2.1 双塔热集成技术新工艺的模拟178-184
• 6.2.2 双塔热集成技术新工艺的节能分析184
• 6.3 部分研究结果的应用184-189
• 6.3.1 精馏单塔优化操作方案的应用185
• 6.3.2 改良西门子法精馏过程工艺的改进185-189
• 6.4 本章小结189-191
• 第七章 结论及展望191-194
• 7.1 结论191-193
• 7.2 展望193-194
• 致谢194-195
• 参考文献195-206
• 附录A 就读博士期间撰写及发表的论文206

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：585487