CN202499718U - 超纯三氯氢硅分离的热泵精馏间壁塔装置 - Google Patents

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郭凯
袁希钢
丁晖殿
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Abstract

本实用新型涉及超纯三氯氢硅分离的热泵精馏间壁塔装置。通常为了得到高纯度的三氯氢硅，需要经过多塔的分离才能将原料中的轻重杂质除去，并且耗费大量的能量。而采用热泵精馏间壁塔装置，在一个间壁塔内就可以实现多种轻重杂质的完全脱除，得到超纯的三氯氢硅，并且通过热泵达到降低能耗的目标。间壁塔内的隔板将塔分为进料段、塔顶段、塔底段以及侧线产品段，在合适的控制参数下，在侧线段的合适位置能得到超高纯度的三氯氢硅产品。本实用新型的优点在于集合了热泵精馏以及间壁塔的特点，在一塔内完成不同杂质的脱除，在得到超纯三氯氢硅产品的同时大幅度降低能耗，减少设备投资。

Description

超纯三氯氢硅分离的热泵精馏间壁塔装置
技术领域
本实用新型属于精馏技术领域，涉及超纯三氯氢硅提纯的新型节能分离装置，特别涉及一种分离超纯三氯氢硅的热泵精馏间壁塔的设备装置。
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。
热泵精馏间壁塔装置结合了热泵精馏和间壁塔的优点，在一个塔中的不同位置得到不同的产品，使用塔顶蒸汽流股与塔釜液体流股进行换热，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，提出使用热泵精馏间壁塔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，包括理论塔板数、回流比、塔顶压力、塔顶液体分配比(进料段的液体回流量与塔顶总回流量之比)以及塔釜气体分配比(进料段气体上升量与塔釜总上升气量之比)等，得到高纯度的三氯氢硅产品，并且降低分离过程的能耗，具有占地小，投资费用低，可操作性强等优点。
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，但都为多塔流程，在此领域尚无热泵精馏间壁塔装置的应用实例。如果将热泵精馏间壁塔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，降低耗能，降低产品成本，推动太阳能电池的普及。
发明内容
本实用新型的目的，是提出一种全新的超纯三氯氢硅(产品纯度在99.999％以上)的分离装置：该装置集合了热泵精馏和间壁塔的特点，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，降低了能耗及设备投资。
本实用新型是通过以下技术方案加以实现的：
一种超纯三氯氢硅分离的热泵精馏间壁塔装置，包括间壁塔(1)、冷凝再沸器(15)；在间壁塔(1)中，隔板将塔分为预分离塔和主塔两部分，预分离塔由进料段精馏段(4)和进料段提馏段(5)组成，主塔部分由侧线产品段精馏段(6)和侧线产品段提馏段(7)组成；预分离塔的理论板数在160～320块，进料位置在60～110块理论板，主塔的理论板数在150～230块，侧线采出的位置在60～80块理论板。
含有轻重杂质的进料流股(10)进入间壁塔(1)的进料段，在进料段精馏段(4)和进料段提馏段(5)完成轻重组分的分离；含有轻组分杂质和三氯氢硅的流股进入到塔顶分离段(2)、侧线产品段精馏段(6)和侧线产品段提馏段(7)进一步分离，最终在侧线处得到超纯三氯氢硅。
热泵精馏间壁塔的回流比在10～30，塔顶压力为80kpa～320kpa，塔顶的液体分配比在25％～40％，塔釜的气体分配比在40％～55％，压缩机能耗在300kw～650kw，换热器所需冷量在150kw～650kw。
能量利用方面，在塔底分离段(3)处的塔釜流股(12)含有较多的四氯化硅，塔顶气相流股(9)含有较多的二氯二氢硅，塔顶气相流股(9)通过压缩机(8)提高压力温度后进入到冷凝再沸器(15)中与塔釜流股(12)进行换热。经过换热，塔釜流股(12)液体受热部分汽化，而后塔釜流股(12)进入到分离罐(21)中，分离罐中的气体作为塔釜再沸流股(14)重新进入间壁塔(1)中，液体作为塔釜液相流股(13)采出；同样经过换热，塔顶气相流股(9)中气体部分液化，而后依次经过减压阀(20)和换热器(18)后全部冷凝为液体，液化后的塔顶气相流股(9)通过泵(16)一部分作为塔顶回流流股(17)重新进入间壁塔(1)中，余下的部分作为塔顶采出流股(19)，整个过程通过冷凝再沸器(15)完成了热量的耦合。
本实用新型利用在普通精馏塔中设置挡板，将塔分为塔顶分离段(2)、塔底分离段(3)、进料段(包括进料段精馏段(4)和进料段提馏段(5))以及侧线产品段(包括侧线产品段精馏段(6)和侧线产品段提馏段(7))，并且通过冷凝再沸器实现塔顶和塔底之间的气液流股间的热耦合，在侧线处得到超纯度的三氯氢硅产品，将原来需要两塔甚至更多塔分别进行脱轻脱重操作的提纯方法改为在一个塔中进行，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来实现。
本实用新型的效果和优点，通过塔内气液流股的能量耦合，充分利用塔顶气体的潜热，减少外部热源提供的能量，最终完全脱除轻重杂质，得到高纯度的三氯氢硅，相比于传统的精馏序列，将冷凝器和再沸器集成为一个冷凝再沸器而且减少了精馏塔的数量，显著降低了设备投资费用。
附图说明
图1为本实用新型的超纯三氯氢硅分离的热泵精馏间壁塔装置结构和工艺流程。
其中，1-间壁塔，2-塔顶分离段，3-塔底分离段，4-进料段精馏段，5-进料段提馏段，6-侧线产品段精馏段，7-侧线产品段提馏段，8-压缩机，9-塔顶气相流股，10-进料流股，11-侧线产品(三氯氢硅)流股，12-塔釜流股，13-塔釜液相流股，14-塔釜再沸流股，15-冷凝再沸器，16-泵，17-塔顶回流流股，18-换热器，19-塔顶采出流股，20-降压阀，21-分离罐。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步阐述，但并不对本实用新型产生任何限制。
本实用新型提出的超纯三氯氢硅分离的热泵精馏间壁塔精馏装置，是由一座间壁塔和一个冷凝再沸器组成，此外还包括压缩机、泵、相应的物料管线以及控制阀门。针对含有二氯二氢硅、四氯化硅杂质的三氯氢硅原料，采用如附图1所示的装置，在间壁塔(1)中，隔板将塔分为预分离塔和主塔两部分，预分离塔由进料段精馏段(4)和进料段提馏段(5)组成，主塔部分由侧线产品段精馏段(6)和侧线产品段提馏段(7)组成；预分离塔的理论板数在160～320块，进料位置在60～110块理论板，主塔的理论板数在150～230块，侧线采出的位置在60～80块理论板。
含有三氯氢硅的进料流股(10)进入间壁塔(1)中，在塔顶引出塔顶气相流股(9)经过压缩机(8)提高温度和压力后进入到冷凝再沸器(15)中，与来自塔釜的塔釜流股(12)进行换热。塔顶气相流股(9)中的气体部分液化，在依次经过降压阀(20)和换热器(18)后全部液化，液化后的塔顶气相流股(12)经过泵(16)一部分作为塔顶采出流股(19)，另一部分作为塔顶回流流股(17)再次进入到间壁塔(1)中；塔釜流股(12)在冷凝再沸器(15)中受热，部分液体汽化后进入到分离罐(21)中，其中的气体作为塔釜再沸流股(14)再次进入到间壁塔(1)中，液体作为塔釜液相流股(13)采出。通过塔顶分离段(2)，进料段(包括进料段精馏段(4)和进料段提馏段(5))，采出段(侧线产品段精馏段(6)和侧线产品段提馏段(7))以及塔底分离段(3)的分离，在侧线的合适位置引出侧线流股，最终得到超纯的三氯氢硅产品。
实施例1：以含有二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅成分的原料为例，饱和液体以10000kg/hr流量进入隔板塔，物系组成(二氯二氢硅10％、三氯氢硅80％以及四氯化硅10％)。隔板塔主塔理论板数210块，预分离塔理论板数300块，进料位置为预分离塔的第85块理论板，回流比为14.5，侧线采出位置在主塔的第72块理论板，塔顶压力为100kpa，塔顶液体分配比28.9％，塔釜气体分配比51.9％。得到三氯氢硅流股的纯度为99.999943％，收率达到91.25％，压缩机能耗为501.25kw，换热器所需冷量为-471.00kw。
实施例2：以含有二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅成分的原料为例，饱和液体以10000kg/hr流量进入隔板塔，物系组成(二氯二氢硅10％、三氯氢硅80％以及四氯化硅10％)。隔板塔主塔理论板数160块，预分离塔理论板数200块，进料位置为预分离塔的第70块理论板，回流比为14，侧线采出位置在主塔的第68块理论板，塔顶压力为280kpa，塔顶液体分配比39.4％，塔釜气体分配比43.5％。得到三氯氢硅流股的纯度为99.999171％％，收率达到90.62％，压缩机能耗为331.97kw，换热器所需冷量为-227.31kw。
实施例3：以含有二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅成分的原料为例，饱和液体以10000kg/hr流量进入隔板塔，物系组成(二氯二氢硅10％、三氯氢硅80％以及四氯化硅10％)。隔板塔主塔理论板数150块，预分离塔理论板数180块，进料位置为预分离塔的第70块理论板，回流比为12.5，侧线采出位置在主塔的第70块理论板，塔顶压力为300kpa，塔顶液体分配比35.4％，塔釜气体分配比41.4％。得到三氯氢硅流股的纯度为99.999334％，收率达到89.99％，压缩机能耗为313.22kw，换热器所需冷量为-204.64kw。
实施例4：以含有二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅成分的原料为例，饱和液体以10000kg/hr流量进入隔板塔，物系组成(二氯二氢硅4％、三氯氢硅92％以及四氯化硅4％)。隔板塔主塔理论板数150块，预分离塔理论板数180块，进料位置为预分离塔的第100块理论板，回流比为25.4，侧线采出位置在主塔的第60块理论板，塔顶压力为100kpa，塔顶液体分配比31.0％，塔釜气体分配比47.5％。得到三氯氢硅流股的纯度为99.999997％，收率达到89.51％，压缩机能耗为512.71kw，换热器所需冷量为-488.15kw。

Claims (1)

1.超纯三氯氢硅分离的热泵精馏间壁塔装置，包括间壁塔(1)、冷凝再沸器(15)；其特征是在塔(1)中，隔板将塔分为预分离塔和主塔两部分，预分离塔由进料段精馏段(4)和提馏段(5)组成，主塔部分由侧线产品段精馏段(6)和提馏段(7)组成；预分离塔的理论板数在160～320块，进料位置在60～110块理论板，主塔的理论板数在150～230块，侧线采出的位置在60～80块理论板。
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