CN103130227A

CN103130227A - 三氯氢硅全热耦合集成多效精馏生产装置及生产方法

Info

Publication number: CN103130227A
Application number: CN2013100096419A
Authority: CN
Inventors: 刘春江; 郭凯; 袁希钢; 丁晖殿
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明涉及三氯氢硅全热耦合集成多效精馏生产装置以及工艺方法。通常为了得到高纯度的三氯氢硅，需要经过多塔的分离，耗费大量的能量。而采用全热耦合集成多效精馏生产装置，在操作压力不同的全热耦合精馏塔之间设置冷凝再沸器，不但可以实现轻重杂质的完全脱除，得到超纯的三氯氢硅，并且通过塔内的热耦合以及各个塔之间的热耦合达到降低能耗的目标。本发明的优点在于集合了压差能量耦合技术以及全热耦合精馏塔的优点，在一个***中合理安排全热耦合精馏塔的个数以及相关的操作参数，在得到高纯度三氯氢硅产品的同时大幅度降低能耗。

Description

三氯氢硅全热耦合集成多效精馏生产装置及生产方法

技术领域

本发明属于精馏技术领域，涉及超纯三氯氢硅节能分离技术与工艺，特别涉及一种三氯氢硅提纯的全热耦合集成多效精馏生产装置及生产方法。

背景技术

太阳能作为一种清洁环保的可再生能源，被认为是未来重要的替代能源。目前太阳能的直接利用形式主要是太阳能发电，而其核心器件则是太阳能电池。制作太阳能电池的主要材料就是多晶硅。随着近几年光伏产业的兴起，对多晶硅的需求不断增长。鉴于目前我国已成为世界第二大石油进口国，传统能源压力很大，由此进一步促使光伏产业加速发展。目前国内多晶硅的生产主要以西门子法为主，通过还原三氯氢硅制备多晶硅，因而三氯氢硅的提纯对于最终产品的质量以及成本有决定作用。目前对于三氯氢硅的提纯主要使用精馏法。精馏是化学工业中最主要的分离方法，传统的精馏分离设备及工艺流程存在着能耗大、设备投资大等缺陷。传统的精馏操作，塔釜需要外界热源提供能量，塔顶蒸汽的潜热需要冷却剂进行转移，因此该部分能量得不到充分的利用。对于含有轻重杂质的三氯氢硅原料，往往需要多个精馏塔分别脱除不同的杂质才能得到高纯度的三氯氢硅。

全热耦合集成多效精馏装置结合了全热耦合塔和压差耦合节能精馏技术的优点，在一个塔中的不同位置得到不同的产品，不同压力的两个热耦合精馏塔之间设置有冷凝再沸器，有效利用塔顶蒸汽潜热。针对目前三氯氢硅分离中存在的能耗大，所需分离塔数目多的问题，提出以全热耦合集成多效精馏生产装置作为提纯三氯氢硅的设备，结合三氯氢硅原料的性质，制定合理的工艺参数，得到高纯度的三氯氢硅产品。

目前，天津大学的研究人员在三氯氢硅分离上已经开发出多种设备及流程，在专利CN101249312A、CN101538044A、CN101704524A、CN102153092A和CN101786630A中均有所体现，但尚无全热耦合集成多效精馏生产装置的应用实例。如果将该装置用于三氯氢硅的提纯，对多晶硅产业的发展具有重大意义，推动太阳能电池的普及。

发明内容

本发明的目的，是提出一种全热耦合集成多效精馏生产装置及其相应的工艺方法：该装置集合了全热耦合塔和压差耦合节能精馏技术的特点，结合优化过的操作参数，相比于传统的精馏塔，在得到高纯度三氯氢硅的前提下，大幅降低能耗。

本发明是通过以下技术方案加以实现的：

全热耦合集成多效精馏生产装置的主要特征是，整个***由两个或多个全热耦合精馏塔组成，每一级全热耦合精馏塔在不同的压力下操作，结合三氯氢硅产品的分离特点一级***的可操作性，规定一级塔塔顶压力不高于450kpa，最后一级塔塔顶压力不低于200kpa，在每两个全热耦合精馏塔塔之间设置冷凝再沸器，通过冷凝再沸器充分利用塔顶蒸汽潜热，达到降低整个过程能耗，提高产品分离纯度的目的。

分别以由两个以及三个全热耦合塔组成的***的为例进行说明。首先由两个全热耦合塔组成的***为例，分为一级塔（塔顶压力400kpa以上）和二级塔（塔顶压力200kpa以下）。含有二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅的原料（10）进入到一级全热耦合精馏塔（1）中，在一级进料段精馏段（4）和一级进料段提馏段（5）完成二氯二氢硅和四氯化硅的初步分离，含有二氯二氢硅、三氯化硅和少量四氯化硅的气相流股进入一级塔顶分离段（2）继续分离，含有三氯氢硅、四氯化硅和少量二氯二氢硅的液相流股进入到一级塔底分离段（3）继续分离。一级塔顶气相流股（11）冷凝后一部分作为轻组分杂质采出，另一部分作为一级塔顶回流流股（13）再次进入到一级全热耦合精馏塔（1）中。一级塔釜液相流股（9）中一部分作为一级塔釜采出流股（12）采出，另一部分经过加热后作为再沸流股再次进入到一级全热耦合精馏塔（1）中。一级侧线采出流股（15）作为二级全热耦合精馏塔（24）的进料进入二级塔中，经过二级塔的再次分离，最终在侧线处得到含有高纯度三氯氢硅的二级侧线采出流股（11）。

两塔***的能量利用方式，以含有两塔，各个塔压力逐级递减的***为例。一级全热耦合精馏塔（1）塔顶压力400kpa以上，二级全热耦合精馏塔（24）塔顶压力200kpa以下。因此一级塔顶气相流股（11）温度压力较高，而二级塔釜液相流股（22）温度压力较低，通过设置在两塔之间的一级冷凝再沸器（16）进行换热，换热后气相的二级塔釜再沸流股（33）再次进入到二级塔中；一级塔顶气相流股（11）经过放出潜热后，部分冷凝，而后经过一级辅助换热器（32）后全部冷凝为液体，部分作为一级塔顶采出流股（14）采出，部分经过泵（31）作为一级塔顶回流流股（13）再次进入到一级塔中。经过设置在两塔之间的冷凝再沸器，完成了两塔之间的热量耦合。

再以由三个全热耦合塔组成的***为例进行说明。与两塔***类似，三塔***在不同压力下操作，三个塔的压力逐级递减，一级全热耦合精馏塔（1）塔顶压力390kpa，三级全热耦合精馏塔（34）塔顶压力290kpa。含有二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅的原料（10）进入到一级全热耦合精馏塔（1）中，经过脱重脱轻后，在塔顶和塔釜处分别得到含轻组分杂质较多的一级塔顶气相流股（11）和含重组分杂质较多的一级塔釜液相流股（9），在侧线处得到的经过一次分离后的一级侧线采出流股（15）进入二级全热耦合精馏塔（24）中进行分离；同样经过二级全热耦合精馏塔（24）的分离后在塔顶塔釜处分别得到含轻组分杂质较多的二级塔顶气相流股（21）和含重组分杂质较多的二级塔釜液相流股（22），在侧线处得到的经过两次分离后的二级侧线采出流股（35）作为进料流股进入到三级全热耦合精馏塔（34）中继续分离，在三级全热耦合精馏塔（34）中完成分离后，侧线处得到三级侧线采出流股（39）作为产品，塔顶处的三级塔顶气相流股（36）在冷凝器（20）中冷凝后，采出部分作为原料再次进入到一级全热耦合精馏塔（1）中，同样塔釜处液相流股一部分作为三级塔釜采出流股（40）也作为原料再次进入到一级全热耦合精馏塔（1）中。

三塔***的能量利用方式，与两塔***类似，三塔在不同压力下操作，压力逐级递减，一级全热耦合精馏塔（1）塔顶压力390kpa，二级全热耦合精馏塔（24）塔顶压力350kpa，三级全热耦合精馏塔（34）塔顶压力290kpa。来自一级全热耦合精馏塔（1）塔顶处的一级塔顶气相流股（11）具有较高的温度压力，与来自二级全热耦合精馏塔（24）塔釜处的二级塔釜液相流股（22）具有一定的温差，因此在一级冷凝再沸器（16）中进行换热。换热后，一级塔顶气相流股（11）部分冷凝，而后在经过一级辅助换热器（32）的冷却完全冷凝，一部分作为一级塔顶回流流股（13）进入一级全热耦合精馏塔（1）中，另一部分采出；二级塔釜液相流股（22）经过换热后一部分作为二级塔釜再沸汽进入到二级全热耦合精馏塔（24）的塔釜中，一部分作为重组分杂质采出；同理，二级全热耦合精馏塔（24）塔顶蒸汽和三级全热耦合精馏塔（34）塔釜液体在二级冷凝换热器（38）中完成换热，二级塔顶气相流股（21）经过换热后，继续在二级辅助换热器（37）冷凝，最终完全冷凝；三级全热耦合精馏塔（34）塔顶处的三级塔顶气相流股（36）在冷凝器（20）中冷凝。通过热量的耦合，将三个塔的塔顶塔釜处需要由外界提供的热量和冷量，减小到只需要一个热量和一个冷量，其余大部分的能量通过***自身耦合完成，在满足分离要求的前提下，大大降低了能耗。

本发明的特征在于提出一种新的全热耦合集成多效精馏生产装置一起工艺方法，利用各个塔之间的压差，通过冷凝换热器完成热量的耦合，经过多塔的逐级分离，最终得到高纯度三氯氢硅产品，并且将原来需要外部公用工程提供的绝大部分冷量和热量改为通过内部热耦合和塔之间的热耦合来实现。

本发明的效果和优点，通过塔内的热量耦合和多塔之间的热量耦合，减少需要由外部热源提供的能量，又经过多塔逐级分离，最后完全脱除轻重杂质，得到高纯度的三氯氢硅，相比于传统的精馏序列，大大降低了能耗，并且提高了三氯氢硅产品的纯度。

附图说明

图1为多塔的三氯氢硅全热耦合集成多效精馏生产装置及工艺流程图。

图2为三塔的三氯氢硅全热耦合集成多效精馏生产装置及工艺流程图。

其中，1-一级全热耦合精馏塔，2-一级塔顶分离段，3-一级塔底分离段，4- 一级进料段精馏段，5-一级进料段提馏段，6-一级侧线采出精馏段，7-一级侧线采出提馏段，8-再沸器，9-一级塔釜液相流股，10-一级进料流股，11-一级塔顶气相流股，12-一级塔釜采出流股，13-一级塔顶回流流股，14-一级塔顶采出流股，15-一级侧线采出流股，16-一级冷凝再沸器，17-二级塔釜采出流股，18-二级塔顶采出流股，19-二级塔顶回流流股，20-冷凝器，21-二级塔顶气相流股，22-二级塔釜液相流股，23-二级侧线采出流股，24-二级全热耦合精馏塔，25-二级塔底分离段，26-二级塔顶分离段，27-二级进料段精馏段，28-二级侧线采出精馏段，29-二级进料段提馏段，30-二级侧线采出提馏段，31-泵，32-一级辅助换热器，33-二级塔釜再沸流股，34-三级全热耦合精馏塔，35-二级侧线采出流股，36-三级塔顶气相流股，37-二级辅助换热器，38-二级冷凝换热器，39-三级侧线采出流股，40-三级塔釜采出流股，41-三级塔顶采出流股。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步阐述，但并不对本发明产生任何限制。

本发明提出的三氯氢硅全热耦合集成多效精馏生产装置，是由多个全热耦合精馏塔和多个冷凝再沸器组成，此外还包括泵、辅助换热器、相应的物料管线以及控制阀门。以含有两座操作压力不同的全热耦合精馏塔构成的***为例，对含有二氯二氢硅、四氯化硅杂质的三氯氢硅原料，采用如附图1中双塔流程中的装置以及操作方法对其提纯，其操作流程如下：原料进入一级全热耦合精馏塔（1）中，来自一级塔的高压高温的一级塔顶气相流股（11）与来自二级塔的低压低温的二级塔釜液相流股（22）通过两塔之间的一级冷凝再沸器（16）进行换热。换热后，二级塔釜液相流股（22）气化作为二级塔釜再沸流股（33）再次进入到二级全热耦合精馏塔（24）的塔釜；一级塔顶气相流股（11）经过换热后，在经过一级辅助换热器（32）换热后完全冷凝，经过泵（31）一部分作为一级塔顶采出流股（14）采出，另一部分作为一级塔顶回流流股（13）重新回到一级全热耦合精馏塔（1）的塔顶。二级全热耦合精馏塔（24）中塔顶处的二级塔顶采出流股（18）和塔釜处的二级塔釜采出流股（17）作为原料重新进入到全热耦合精馏塔（1）中。原料经过两座全热耦合精馏塔的分离后，最终脱除轻重组分杂质，得到高纯的三氯氢硅产品。

实施例1：以日处理三氯氢硅原料液10吨为例，要求将浓度为99.9%的高纯三氯氢硅原料液提纯到超纯甚至更高浓度，产品中的轻重杂质组分含量为ppb，甚至ppt级别，三氯氢硅的收率在90%以上。生产装置包括两座全热耦合精馏塔，其中一级塔的侧线采出作为二级塔的原料。一级塔塔顶压力400kPa，一级塔预分离塔理论板数为60，进料板位置为第23块板，主塔理论板数为80，侧线采出位置为主塔的第35块板，全塔回流比为60；同样，二级塔塔顶压力200kPa，二级塔预分离塔理论板数为50，进料板位置为第20块板，主塔理论板数为70，侧线采出位置为第40块板，全塔回流比为80，分离后产品流股的三氯氢硅浓度在9个“9”的超纯水平（99.9999999%），杂质组分含量在ppb级别甚至更高，而且达到收率90%的要求。此时两塔***中的冷凝器和再沸器的热负荷如下表所示：

与传统采用双脱氢和双脱重四塔串联的序列相比较：

冷凝器和再沸器的热负荷总量均减少在45%以上，而且采用全热耦合集成多效精馏亦将减少冷凝器和再沸器的数量以及管线等设备投资费用。

实施例2：以日处理三氯氢硅原料液10吨为例，要求将浓度为99.9%的高纯三氯氢硅原料液提纯到超纯甚至更高浓度，产品中的轻重杂质组分含量为ppb，甚至ppt级别，三氯氢硅的收率在90%以上。生产装置包括两座全热耦合精馏塔，其中一级塔的侧线采出作为二级塔的原料。一级塔塔顶压力430kPa，一级塔预分离塔理论板数为80，进料板位置为第43块板，主塔理论板数为100，侧线采出位置为主塔的第45块板，全塔回流比为75；同样，二级塔塔顶压力170kPa，二级塔预分离塔理论板数为60，进料板位置为第25块板，主塔理论板数为90，侧线采出位置为第30块板，全塔回流比为90，分离后产品流股的三氯氢硅浓度在10个“9”的超纯水平（99.99999999%），杂质组分含量在ppb级别甚至更高，而且达到收率90%的要求。此时两塔***中的冷凝器和再沸器的热负荷如下表所示：

与传统采用双脱氢和双脱重四塔串联的序列相比较：

冷凝器和再沸器的热负荷总量均减少在38%以上，而且采用全热耦合集成多效精馏亦将减少冷凝器和再沸器的数量以及管线等设备投资费用。

实施例3：以日处理三氯氢硅原料液10吨为例，要求将浓度为99.9%的高纯三氯氢硅原料液提纯到超纯甚至更高浓度，产品中的轻重杂质组分含量为ppb，甚至ppt级别，三氯氢硅的收率在90%以上。生产装置包括三座全热耦合精馏塔，其中一级塔的侧线采出作为二级塔的原料，二级塔的侧线采出作为三级塔的原料，三级塔的侧线采出作为产品采出。一级塔塔顶压力390kPa，一级塔预分离塔理论板数为73，进料板位置为第31块板，主塔理论板数为85，侧线采出位置为主塔的第38块板，全塔回流比为65；同样，二级塔塔顶压力350kPa，二级塔预分离塔理论板数为69，进料板位置为第38块板，主塔理论板数为73，侧线采出位置为第41块板，全塔回流比为55；三级塔塔顶压力290kpa，三级塔预分离塔理论板数为65，进料位置为第37块板，主塔理论板数为79，侧线采出位置为主塔的第35块板，全塔回流比为67；分离后产品流股的三氯氢硅浓度在11个“9”的超纯水平（99.999999999%），杂质组分含量在ppb级别甚至更高，而且达到收率90%的要求。此时三塔***中的冷凝器和再沸器的热负荷如下表所示：

与传统采用双脱氢和双脱重四塔串联的序列相比较：

Claims

1.三氯氢硅全热耦合集成多效精馏生产装置，包括多座全热耦合精馏塔，其特征是，在两座全热耦合精馏塔之间设置冷凝再沸器和辅助再沸器，第一个塔塔釜设置塔釜再沸器，最后一个塔塔顶设置冷凝器；每一座全热耦合塔由预分离塔和主塔组成，预分离塔的理论板数在50~80块，进料位置在预分离塔的第20~45块理论板，一级塔的操作压力不高于450kpa，最后一级塔的操作压力不低于200kpa。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是：采用两座全热耦合精馏塔，将两座全热耦合精馏塔串联连接，两座塔在不同的压力下操作；分为一级塔，塔顶压力400kpa以上；二级塔，塔顶压力在200kpa以下；一级塔塔釜设有塔釜再沸器，二级塔塔顶设有塔顶冷凝器；在两塔之间设置有冷凝再沸器和辅助换热器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是：采用三座全热耦合精馏塔，三座全热耦合精馏塔串联连接，三座塔在不同的压力下操作；分为一级塔，塔顶压力390kpa、二级塔，塔顶压力350kpa；三级塔，塔顶压力290kpa；一级塔塔釜设有塔釜再沸器，三级塔塔顶设有塔顶冷凝器；在一级塔和二级塔之间设置冷凝再沸器和辅助换热器，在二级塔和三级塔之间设置冷凝再沸器和辅助换热器。

4.权利要求1所述的生产装置的操作方法，其特征是，原料首先进入到一级塔中进行分离，经过分离后，在一级塔侧线处得到一级分离产品；一级分离产品再次进入到二级塔中进行分离，经过分离后，在二级塔侧线处得到二级分离产品；而后依次经过***中的多座全热耦合精馏塔，在最后一级塔的侧线处得到最终产品，最后一级塔塔顶处的塔顶蒸汽冷凝后和塔釜液体作为原料进入到一级塔中。

5.如权利要求2所述的方法，其特征是：对于有两座全热耦合精馏塔组成的***，原料首先进入到一级塔中进行分离，经过分离后在侧线处得到一级分离产品，而后进入到二级塔中进行分离，在二级塔的侧线处得到二级分离产品，二级塔塔顶蒸汽冷凝后和塔釜液相产品作为原料再次进入到一级塔中继续分离；过程的能量耦合通过在两座全热耦合精馏塔之间的冷凝再沸器实现。

6.如权利要求3所述的方法，其特征是：对于有三座全热耦合精馏塔组成的***，原料首先进入到一级塔中进行分离，经过分离后在侧线处得到一级分离产品，而后进入到二级塔中进行分离，在二级塔的侧线处得到二级分离产品，二级分离产品再继续进入到三级塔中进行分离，经过分离后在侧线处得到最终产品，三级塔塔顶蒸汽完全冷凝后和塔釜液相产品作为原料再次进入到一级塔中继续分离；过程的能量耦合通过在一级全热耦合精馏塔和二级全热耦合精馏塔之间的一级冷凝再沸器以及二级全热耦合精馏塔和三级全热耦合精馏塔之间的二级冷凝再沸器实现。