本文關(guān)鍵詞：改良西門子法精餾過程的模擬和優(yōu)化及其節(jié)能工藝研究

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【摘要】：改良西門子法是目前最主流的多晶硅生產(chǎn)工藝。但不足之處是,該法的傳統(tǒng)工藝精餾級(jí)數(shù)多,塔板數(shù)眾多,操作壓力偏高,提純效果欠佳且能耗偏高。在其能耗構(gòu)成中,除了還原電耗外,精餾環(huán)節(jié)的能耗占了相當(dāng)比例。改良西門子法中的精餾主要包括三個(gè)方面：三氯氫硅合成料精餾、四氯化硅氫化料精餾和尾氣回收料精餾。在這三個(gè)方面,均有先脫除重組分,再脫除輕組分(簡(jiǎn)稱脫重-脫輕)和先脫除輕組分,再脫除重組分(簡(jiǎn)稱脫輕-脫重)兩種不同的工藝路線。為了簡(jiǎn)化改良西門子法精餾工藝的流程,減小精餾級(jí)數(shù),減少塔板數(shù),降低操作壓力,減小能耗并提高三氯氫硅產(chǎn)品純度,本文開展了以下研究：建立了三氯氫硅合成料精餾脫重-脫輕工藝的精餾塔模型,與脫輕-脫重的工藝進(jìn)行比較,兩種工藝的模擬值與工業(yè)數(shù)值都較好吻合,驗(yàn)證了模型的可靠性。針對(duì)電子級(jí)多晶硅的質(zhì)量要求,模擬和優(yōu)化了合成料精餾工藝中的脫重-脫輕和脫輕-脫重兩種工藝路線,獲得了精餾塔的最佳操作方案,比較了兩種工藝路線的年公用工程用量、年運(yùn)行費(fèi)用和年綜合能耗。計(jì)算結(jié)果表明,相比于脫輕-脫重工藝,對(duì)進(jìn)1,2,3,脫重-脫輕工藝在冷卻水用量分別高出了50%,47.1%和39.8%,在年運(yùn)行費(fèi)用方面分別高出16.16%,13.28%和10.2%,在年綜合能耗方面分別高出17.6%,14.73%和11.28%�？傻贸鼋Y(jié)論,對(duì)于三氯氫硅合成料精餾而言,脫輕-脫重工藝是更好的工藝路線。模擬和優(yōu)化了氫化料精餾工藝中的脫重-脫輕和脫輕-脫重兩種工藝路線,獲得了精餾塔的最佳操作方案,比較了兩種工藝路線的年公用工程用量、年運(yùn)行費(fèi)用和年綜合能耗。計(jì)算結(jié)果表明,相比于脫重-脫輕工藝,對(duì)進(jìn)料1,2,3,脫輕-脫重工藝的凝結(jié)水用量分別高出了32.2%,29.1%和20.4%,冷凍水用量分別高出了165.1%,88.6%和58.8%,在年運(yùn)行費(fèi)用方面分別高出29.1%,26.8%和20%,在年綜合能耗方面分別高出25.8%,24%和16.1%�？傻贸鼋Y(jié)論,對(duì)于四氯化硅氫化料精餾而言,脫重-脫輕工藝是更好的工藝路線。模擬和優(yōu)化了尾氣回收料精餾工藝中的脫重-脫輕和脫輕-脫重兩種工藝路線,獲得了精餾塔的最佳操作方案,比較了兩種工藝路線的年公用工程用量、年運(yùn)行費(fèi)用和年綜合能耗。計(jì)算結(jié)果表明,相比于脫輕-脫重工藝,對(duì)進(jìn)料1,2,3,脫重-脫輕工藝的冷卻水用量分別高出了17.4%,13.3%和10.5%,在年運(yùn)行費(fèi)用方面和年綜合能耗方面稍大一點(diǎn)�？傻贸鼋Y(jié)論,對(duì)于尾氣回收料精餾而言,脫輕-脫重工藝是更好的工藝路線。對(duì)四氯化硅精餾二級(jí)塔應(yīng)用熱泵精餾技術(shù),分別模擬了塔頂氣體直接壓縮式和塔釜液體閃蒸再沸式熱泵精餾。計(jì)算結(jié)果表明,盡管熱泵技術(shù)的應(yīng)用會(huì)帶來額外的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用,但由于能源費(fèi)用的節(jié)約顯著,兩種熱泵精餾均比常規(guī)精餾能耗低,分別節(jié)能21.8%和28.9%。將雙塔熱集成精餾技術(shù)應(yīng)用于脫重-脫輕的三氯氫硅精餾工藝。采取提高一級(jí)塔操作壓力,同時(shí)降低二級(jí)塔操作壓力的辦法,使得一級(jí)塔塔頂與二級(jí)塔塔底之間須有足夠的溫差。計(jì)算結(jié)果表明,通過熱交換的實(shí)施,相比于原始工藝,新工藝可節(jié)約能耗50%。三氯氫硅回收率高達(dá)98.7%。結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況,將部分研究結(jié)果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。把精餾塔的優(yōu)化操作方案用于指導(dǎo)生產(chǎn),改進(jìn)了精餾單塔的進(jìn)料板位置,降低了回流比,調(diào)整了塔底采出率；對(duì)合成料精餾和尾氣回收料精餾工藝,均用能耗更低的脫輕-脫重工藝路線取代原有脫重-脫輕工藝路線,并對(duì)不同物料的精餾工藝進(jìn)行適當(dāng)組合,提出了新流程。新工藝流程一共需要6個(gè)精餾塔,相比于原有工藝流程少用了1個(gè)。這不但減少了塔設(shè)備的硬件投資,還簡(jiǎn)化了工藝流程,降低了實(shí)際運(yùn)行中的操作和控制難度,有利于提高產(chǎn)品純度。
【關(guān)鍵詞】：多晶硅 改良西門子法 精餾 模擬和優(yōu)化 節(jié)能降耗
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ127.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第一章 緒論17-39
• 1.1 多晶硅生產(chǎn)工藝18-21
• 1.1.1 改良西門子法18-19
• 1.1.2 硅烷法19-20
• 1.1.3 鋅還原法20-21
• 1.2 改良西門子法精餾過程研究現(xiàn)狀21-26
• 1.2.1 三氯氫硅合成料精餾研究現(xiàn)狀21-25
• 1.2.2 氫化料精餾和尾氣回收料精餾研究現(xiàn)狀25-26
• 1.3 精餾節(jié)能方法26-30
• 1.3.1 熱泵精餾26-27
• 1.3.2 熱偶精餾27-28
• 1.3.3 多效精餾28-29
• 1.3.4 差壓熱耦合精餾技術(shù)29-30
• 1.3.5 內(nèi)部熱集成精餾技術(shù)30
• 1.4 流程模擬方法及現(xiàn)狀30-35
• 1.4.1 過程建模概述30-32
• 1.4.2 平衡級(jí)精餾模型32-33
• 1.4.3 流程模擬概述33-34
• 1.4.4 過程仿真方法34-35
• 1.5 改良西門子法精餾過程研究的不足之處35-36
• 1.6 本論文的研究目的、內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)36-39
• 1.6.1 研究目的和內(nèi)容37-38
• 1.6.2 創(chuàng)新點(diǎn)38-39
• 第二章 熱力學(xué)方法及計(jì)算過程39-48
• 2.1 熱力學(xué)計(jì)算方法簡(jiǎn)介39-42
• 2.1.1 狀態(tài)方程39-41
• 2.1.2 活度系數(shù)模型41-42
• 2.2 氯硅烷體系的熱力學(xué)計(jì)算42-45
• 2.2.1 三氯氫硅合成料中的主要組分42-43
• 2.2.2 氯硅烷體系熱力學(xué)計(jì)算43-45
• 2.3 精餾工藝熱力學(xué)計(jì)算過程45-47
• 2.3.1 兩種精餾工藝路線45-46
• 2.3.2 精餾工藝計(jì)算過程46-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第三章 合成料精餾工藝的模擬研究48-94
• 3.1 模型的可靠性48-49
• 3.2 脫重-脫輕合成料精餾工藝的模擬和優(yōu)化49-69
• 3.2.1 脫重塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系49-51
• 3.2.2 脫重塔的進(jìn)料板位置51-53
• 3.2.3 脫重塔的回流比53-56
• 3.2.4 脫重塔的塔頂采出率56-60
• 3.2.5 脫輕塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系60
• 3.2.6 脫輕塔的進(jìn)料板位置60-61
• 3.2.7 脫輕塔的回流比61-65
• 3.2.8 脫輕塔的塔底采出率65-69
• 3.3 脫輕-脫重合成料精餾工藝的模擬和優(yōu)化69-90
• 3.3.1 脫輕塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系69-71
• 3.3.2 脫輕塔的進(jìn)料板位置71-73
• 3.3.3 脫輕塔的回流比73-76
• 3.3.4 脫輕塔的塔底采出率76-79
• 3.3.5 脫重塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系79
• 3.3.6 脫重塔的進(jìn)料板位置79-81
• 3.3.7 脫重塔的回流比81-85
• 3.3.8 脫重塔的塔頂采出率85-90
• 3.4 兩種合成料精餾工藝的能耗分析90-93
• 3.5 本章小結(jié)93-94
• 第四章 氫化料精餾工藝的模擬研究94-133
• 4.1 脫重-脫輕氫化料精餾工藝的模擬和優(yōu)化94-112
• 4.1.1 脫重塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系94-96
• 4.1.2 脫重塔的進(jìn)料板位置96-97
• 4.1.3 脫重塔的回流比97-100
• 4.1.4 脫重塔的塔頂采出率100-103
• 4.1.5 脫輕塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系103
• 4.1.6 脫輕塔的進(jìn)料板位置103-105
• 4.1.7 脫輕塔的回流比105-108
• 4.1.8 脫輕塔的塔底采出率108-112
• 4.2 脫輕-脫重氫化料精餾工藝的模擬和優(yōu)化112-128
• 4.2.1 脫輕塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系112
• 4.2.2 脫輕塔的進(jìn)料板位置112-114
• 4.2.3 脫輕塔的回流比114-117
• 4.2.4 脫輕塔的塔底采出率117-119
• 4.2.5 脫重塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系119-120
• 4.2.6 脫重塔的進(jìn)料板位置120-122
• 4.2.7 脫重塔的回流比122-125
• 4.2.8 脫重塔的塔頂采出率125-128
• 4.3 兩種氫化料精餾工藝的能耗分析128-131
• 4.4 本章小結(jié)131-133
• 第五章 尾氣回收料精餾工藝的模擬研究133-174
• 5.1 脫重-脫輕尾氣回收料精餾工藝的模擬和優(yōu)化134-153
• 5.1.1 脫重塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系134-135
• 5.1.2 脫重塔的進(jìn)料板位置135-137
• 5.1.3 脫重塔的回流比137-141
• 5.1.4 脫重塔的塔頂采出率141-143
• 5.1.5 脫輕塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系143-144
• 5.1.6 脫輕塔的進(jìn)料板位置144-146
• 5.1.7 脫輕塔的回流比146-149
• 5.1.8 脫輕塔的塔底采出率149-153
• 5.2 脫輕-脫重尾氣回收料精餾工藝的模擬和優(yōu)化153-170
• 5.2.1 脫輕塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系153
• 5.2.2 脫輕塔的進(jìn)料板位置153-155
• 5.2.3 脫輕塔的回流比155-159
• 5.2.4 脫輕塔的塔底采出率159-161
• 5.2.5 脫重塔的塔板數(shù)和回流比關(guān)系161
• 5.2.6 脫重塔的進(jìn)料板位置161-163
• 5.2.7 脫重塔的回流比163-167
• 5.2.8 脫重塔的塔頂采出率167-170
• 5.3 兩種尾氣回收料精餾工藝的能耗分析170-173
• 5.4 本章小結(jié)173-174
• 第六章 精餾節(jié)能技術(shù)研究和結(jié)果應(yīng)用174-191
• 6.1 熱泵精餾技術(shù)研究174-178
• 6.1.1 熱泵精餾技術(shù)的研究發(fā)展?fàn)顩r174-175
• 6.1.2 熱泵精餾在四氯化硅二級(jí)塔上的應(yīng)用研究175-178
• 6.2 雙塔熱集成技術(shù)新工藝的模擬及節(jié)能分析178-184
• 6.2.1 雙塔熱集成技術(shù)新工藝的模擬178-184
• 6.2.2 雙塔熱集成技術(shù)新工藝的節(jié)能分析184
• 6.3 部分研究結(jié)果的應(yīng)用184-189
• 6.3.1 精餾單塔優(yōu)化操作方案的應(yīng)用185
• 6.3.2 改良西門子法精餾過程工藝的改進(jìn)185-189
• 6.4 本章小結(jié)189-191
• 第七章 結(jié)論及展望191-194
• 7.1 結(jié)論191-193
• 7.2 展望193-194
• 致謝194-195
• 參考文獻(xiàn)195-206
• 附錄A 就讀博士期間撰寫及發(fā)表的論文206

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：585487