CN102101672A - 一种稳定调节三氯氢硅纯度的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种稳定调节三氯氢硅纯度的控制方法，根据西门子的气相沉积法制造多晶硅，将粗氯硅烷连续送入精馏塔，塔的操作特性与回流量不变，其特征是分别在精馏段和提馏段设置四个温度测量点，通过计算得到两个温差值，再将这两个温差值相减得到双温差值；通过稳定双温差值以及调节塔顶馏出量D与进料量F的比值，起到控制塔底采出液中杂质元素含量的目的，得到高纯的三氯氢硅，并且可以通过调节不同的温差点得到不同纯度的产品。这种控制方法既保证了三氯氢硅的质量要求，又减少了三氯氢硅不必要的损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调节并且稳定控制三氯氢硅纯度方法。
背景技术
单晶硅是制造半导体的材料，工业上一般通过直拉法或悬浮区溶法将多晶硅转化成单晶硅。随着信息技术和太阳能产业的高速发展，全球对于多晶硅的需求增长迅猛。西门子法制备多晶硅是目前最常用的方法之一，主要是将来自精馏工段的高纯三氯氢硅与氢气混合送入还原炉，然后在通电加热的硅棒表面析出多晶硅，其中产品的好坏取决于精馏过程中三氯氢硅的纯度。
在西门子法中，对原料三氯氢硅的纯度要求很高，特别是硼，磷杂质的高低严重影响着后续还原的进行。如何严格的控制杂质的含量显得尤为重要，工业上一般采用多塔串联反复提纯的方式。常规的控制方法是通过保持塔顶压力不变，维持塔内温度，若塔压恒定，则塔盘温度就能反映出产品的质量变化。但是由于多晶硅精馏塔的理论板数较多，各塔盘间的温度差异很小，并且由于原料组成变化而引起塔盘温度的改变往往被淹没在由于微小塔压变化而引起的塔盘温度变化之中，因此采用常规的温度控制方案无法保证三氯氢硅产品高纯度的要求。
对于一个多元多晶硅精馏塔，完成整个过程需要六到八个塔，此精馏过程虽然涉及多元组分，但塔内各板温度与组成情况的关系是大致成立的，在工程上对于单个塔仍可按二元进行处理。三氯氢硅精馏过程属精密精馏，通常三氯氢硅的质量含量不小于99.9％，杂质硼的含量不大于0.2ppb。
一般的控制方法是：在塔顶，塔底，以及进料段分别安装温度指示仪表，通过控制某块塔板的单点温度稳定整个塔温，在塔顶安装压力控制稳定塔压。但这种调节具有滞后性，并不能准确显示压力表以下的塔盘温度。当原料组成发生变化时，通过调节回流量，从塔顶大量切除杂质流股起到保证塔釜产品质量的目的，这样操作造成了很多不必要的浪费。
多晶硅精馏塔中每块塔盘上都是饱和的气液两相，温度与压力一一对应，塔底产品的浓度与温差之间的关系是非单调的，存在一个最大值。即控制作用对于不同的产品浓度可能有相反作用，仅仅通过间接调节回流量很难准确的控制极值点的成分。另外，增减回流量还会引起塔板压降发生变化，这种压力变化对产品成分的影响将随上升蒸汽和液体速率的变化而对精馏塔操作过程引起不利的后果。更重要的是，在调节回流量的同时，需要进行大量多点的取样检测工作以反馈每次调节是否有效，这可能要大幅度采出塔顶物料，造成了大量的浪费，并且影响后续的回收利用。综上所述，这种手动的调节——反馈控制方式给现场操作中带来很大的不便，具有一定的延迟性和干扰性，需要进一步优化改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定调节三氯氢硅纯度的控制方法，简化了操作工序，消除了控制的滞后性，自动化水平更高，控制更为迅速精准，在保证产品质量的同时大大节约了原料量，降低了产品损失。
在多晶硅提纯时，去除杂质硼一直是三氯氢硅精馏中需要解决的重要问题。通过对传统控制方案的研究，发现这种取样检测——调节回流量——再检测反馈的方法具有一定的局限性，尤其是应用在这种精密精馏中，往往要求产品杂质的含量在0.2ppb以下，很难控制杂质浓度的变化所引起的采出量变化。在多元多晶硅精馏中，一旦调节不到纯度要求，将硼等杂质带到下一塔，会干扰下一组分的采出质量。理论上来说，如果进料中杂质含量增加而又无法清除干净，则需要增加塔板数甚至再加一个精馏塔，这样给后续的分离工作造成很大的麻烦。
本发明针对多晶硅精馏塔中提纯杂质硼的常见问题，结合以上的工程经验和模拟操作，采用双温差控制系统，即在精馏段和提馏段各取两块塔板检测温度，将这两个温度差再次相减得到双温差。双温差控制系统对进料组分、塔的上升蒸汽和液体速率、塔的压力和塔板压力降等变化的扰动灵敏度很低，其最大优点是不易发生因扰动引起的错误调节，系统的整体抗干扰能力强。
当精馏塔的塔板数、进料组分、进料板位置确定后，塔顶和塔底组分之间的关系就被固定下来。如果塔顶某组分增加，会引起精馏段温度变化。反之，如果塔底某组分增加，则会引起提馏段温度变化。可将相对温度变化小的塔板作为参照板。如果控制塔顶、塔底两个参照板之间的温度梯度稳定，就能达到控制产品质量的目的，这就是精馏过程中双温差控制系统的设计依据。
本发明的技术方案是：一种稳定调节三氯氢硅纯度的控制方法，根据西门子的气相沉积法制造多晶硅，将粗氯硅烷连续送入精馏塔，塔的操作特性与回流量不变，其特征是分别在精馏段和提馏段设置四个温度测量点，通过计算得到两个温差值，再将这两个温差值相减得到双温差值；通过稳定双温差值以及调节塔顶馏出量D与进料量F的比值，起到控制塔底采出液中杂质元素含量的目的，得到高纯的三氯氢硅，并且可以通过调节不同的温差点得到不同纯度的产品。
发明效果
如上述说明：双温差系统不仅能够消除塔压和塔压降的影响，并且双温差值与产品成分的关系是一一对应，同时排除了进料中杂质含量波动对产品质量的影响。关键是当进料组成发生变化时，不必去现场频繁采样检测，也不用反复调节回流量，只需在集中控制面板上设定双温差，在规定范围内调节塔顶采出量与进料量，保证双温差值恒定在某一数值，这样就能迅速准确的控制采出产品的质量而不受进料杂质浓度的影响。
另一方面与传统控制方案相比，简化了操作工序，消除了控制的滞后性，自动化水平更高，控制更为迅速精准。从整个工程上来看，在保证产品质量的同时大大节约了原料量，降低了产品损失。
附图说明
图1是精馏塔工艺流程示意简图。
图2是D:F随进料杂质含量调节曲线。
图3是精馏塔双温差随进料杂质含量调节曲线。
具体实施方式
在本实施中，根据气相沉积法制造多晶硅，采用的三氯氢硅原料中含有三氯氢硅和杂质硼，此精馏塔5的目的是将轻组分硼完全从塔顶馏出，产品三氯氢硅从塔釜采出。物料由塔中段进入，塔内供给液由塔底部再沸器7加热。富含低沸点的杂质硼变成蒸汽从塔顶经冷凝器6冷凝后排出，另一部分塔顶液回流入塔，塔底得到高纯三氯氢硅。
本实施控制三氯氢硅纯度的方法中精馏塔理论板数至少30～100块，塔顶操作压力50～2000KPa，在精馏段和提馏段之间等距设置双温差控制，由DCS(集中控制系统)集中控制调节温度差。如图1所示精馏塔工艺流程，根据模拟试验结果确定参照板1，2，3，4的位置，选择[2，1]、[4，3]为温差信号测量点。保持塔顶压力不变，温度由下至上依次升高，受原料组成的影响变动。当温度发生变化时对应每块板上的物料组成发生变化，在塔底采出产品的纯度也会发生变化。温度ΔDT是提馏段温差信号点ΔT2与精馏段温差信号测量点ΔT1的差值，为了使采出物料组分含量维持在所定的范围内，需要调节双温差ΔDT值的范围。因为当塔顶温度一定，塔中段温度的变动也会在双温差上表现出来。由于产品质量的设定值与双温差ΔDT之间呈单调关系，所以在不同的操作条件下，只要控制ΔDT值一定就能保证产品质量。当进料中杂质硼量发生改变时，只要双温差值不变，进一步调节塔顶馏出量与进料量比值D/F范围，控制塔顶馏出量，那么在塔底所含的硼杂质就会降低至标准范围内。
图2为双温差调整到设定值时，塔底产品质量达标后，D/F与进料中杂质含量变化的规律，如图所示，整个曲线呈上升趋势，随着进料中杂质含量增加，D/F值增大。这是由于控制方案中主要的操纵变量是塔顶馏出量D，为了保证塔底产品质量合格，需要采出更多的馏出液。
图3为进料中杂质含量的变化对双温差值的影响。在双温差值调整之前，塔的操作工况不变，回流比恒定。从图中曲线2可知双温差值对应于进料中杂质含量的单调性线段，当这个变化波动值恢复到所设定的双温差值时就完成了此阶段的控制任务。曲线1所示的双温差目标值与杂质含量的关系基本呈一条直线，说明随着进料中杂质含量的增加总能找到相对恒定的双温差值。两曲线验证了在相应的D/F下双温差值和产品质量有着一一对应的关系，从而确保了双温差控制得以实现。
表1所示的是随着进料中杂质含量的增加，双温差、D/F及产品质量之间的关系。
表1杂质含量、双温差、D/F与产品质量之间的关系
由表中可以看出，双温差值调整前D/F值恒为0.05，当杂质含量由20ppm增加到450ppm时，双温差值发生波动，产品质量不能稳定保证，这时通过自动调节D/F值，使双温差回归到目标值，才能保证产品质量达到合格。
Claims (1)
1.一种稳定调节三氯氢硅纯度的控制方法，根据西门子的气相沉积法制造多晶硅，将粗氯硅烷连续送入精馏塔，塔的操作特性与回流量不变，其特征是分别在精馏段和提馏段设置四个温度测量点，通过计算得到两个温差值，再将这两个温差值相减得到双温差值；通过稳定双温差值以及调节塔顶馏出量D与进料量F的比值，起到控制塔底采出液中杂质元素含量的目的，得到高纯的三氯氢硅，并且可以通过调节不同的温差点得到不同纯度的产品。
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