TW201618839A - 蒸餾塔的調節法 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種調節蒸餾塔出口處的多組分混合物的濃度的方法，其中測量該蒸餾塔的富集段的溫度T1，以及測量該蒸餾塔的氣提段的溫度T2，溫度差ΔT=T2-T1作為至少一個濃度的替代調節變數，並比較該溫度差ΔT的實際值與預定值。

Description

蒸餾塔的調節法

本發明係關於一種蒸餾塔的調節方法。

蒸餾方法是化學技術中用於有效熱分離具有不同相對揮發度及／或包含可彼此互溶的材料的混合物的常規方法。

在最簡單的情況下，將由低沸餾分和高沸餾分組成的進料混合物分餾成二個餾分，即，低沸頂部餾分和高沸底部餾分。將待分離的混合物引入蒸餾塔的底部和頂部之間。進料點將塔分成富集段（enrichment section）和氣提段（stripping section）。從塔的底部取走高沸餾分。藉由安裝在底部區域的加熱裝置（例如自然對流汽化器）將部分濃縮物汽化。低沸物質作為蒸氣在塔中上升，從塔的頂部被取走並在冷凝器中液化。部分濃縮物返回至塔中，並與上升的蒸氣相反地向下流動（反流（runback））。

將存在液體的篩板、泡罩板或閥板裝入板式塔中。蒸氣透過特定的縫或洞與液體接觸以形成氣泡層。在這些板的每一個上，建立液相和氣相之間依賴於溫度的新平衡。在理想的情況下，一個板對應一個理論板。

舉例而言，用於光伏工業或半導體工業的多晶矽的生產是從原料三氯矽烷（TCS）開始。

TCS主要由以下三種不同的方法來製備。
A)Si + 3 HCl懲SiHCl₃ + H₂ + 副產物
B)Si + 3 SiCl₄ + 2 H₂ 懲4 SiHCl₃ + 副產物
C)SiCl₄ + H₂ 懲SiHCl₃ + HCl + 副產物

在這些方法中，除了其他副產物或雜質之外，還形成相對大量的二氯矽烷（DCS）。所存在的雜質尤其是硼化合物和磷化合物。

副產物和SiCl₄ （STC）通常藉由蒸餾法從三氯矽烷中分離。US 20120193214 A1揭露了這種藉由蒸餾純化氯矽烷的方法。

已知被送入到蒸餾塔的氯矽烷混合物的組成或進料組成通常在運行期間發生變化。塔的參數必須依據這個變數而有所調整。由於濃度測量通常昂貴且維護成本高，因此在實務中，塔中的溫度通常被用作調節的替代變數。按照這種方式，進料的組成變化也可做出反應，從而保持所要的目標產物純度。這一概念通常稱作分離溫度調節（STR）。

在蒸餾塔運行期間，原則上有影響內部質量平衡（回流比）和外部質量平衡（所取走的產物的量）的可能性。在進料組成有變化的情況下，外部質量平衡變得最為重要。

DE 1059 410 B揭露了一種藉由調節塔中的蒸氣負載量以自動進行批次蒸餾的方法，其中當在塔的頂部彼此以一定距離設置的二個溫度計之間出現溫度差時，回流比從低值切換到較高值。

這使得回流比可以調節，即調節塔的內部質量平衡。然而，無法影響外部質量平衡。

DE 35 22 234 A1揭露了一種蒸餾塔的節能運作方法，該蒸餾塔在分區中具有以分隔壁形式配置的縱向分區，用以抑制液體流和蒸氣流的交叉混合，其中在同時位於進料點的上方和側餾分的排料點的上方，或者在二個排料點的情況下處於最高排料點的上方的分段的中間區域中的塔的縱向分割區域中，在進料段和排料段，溫度測量點係成對設置在塔的相同高度處，及／或在同時處於側餾分的排料點的下方，或者在二個排料點的情況下處於最低排料點的下方的分段的中部區域中的塔的縱向分割區域中，在進料段和排料段，溫度測量點係成對設置在塔的相同高度處，該測量點的溫度係藉由自動或手動的溫度差調節來設定，按照這種方式，在較高測量點處的進料段的溫度係低於或至多等於排料段的溫度，而在較低測量點處的進料段的溫度係高於或至少等於排料段的溫度，並且在縱向分區的上端的液體分佈係作為溫度差調節的可控制變數。

上述的液體或蒸氣分佈的調節不會對塔的外部質量平衡有影響。在實際意義上，STR具有保持正確的排料平衡和所需排料濃度的目的（調節外部質量平衡）。

在蒸餾塔的不斷運作期間，由於較高或較低的進料量以及伴隨的較高或較低的氣體輸送量，除了進料組成的變化，還時常發生負載變化。此影響塔中的壓力條件。由於壓力和溫度從根本上與質量傳遞裝置有關，且溫度測量被用於調節外部質量平衡，因此塔中的負載變化可能對調節結果有不利影響。因此，對於STR，需要考慮塔中的壓力波動，或者消除這些因素互相的影響。

US 5368699 A揭露了一種在熱分離裝置例如蒸餾塔的排料口處調節多組分混合物的濃度的方法，其中測量該分離裝置中的溫度T和壓力P，根據這些測量值計算壓力補償溫度T* = f(T，P)，並將其作為至少一個濃度的替代調節變數，其中比較壓力補償溫度T*的實際值與規定的預定值，並且在分離裝置的系統部分中測量對於溫度T的測量點的幾何結構附近的壓力P，從而使壓力P與溫度T在物理上相關聯，其中根據關係T* = T - A1/(A2-log(P))計算壓力補償溫度T*的實際值，其中A1和A2是在調節開始之前依本身已知的方式憑經驗確定的常數。

例如測量蒸餾塔的氣提段或富集段的溫度T。測定此溫度測量點的幾何結構附近的壓力P，從而使其與所測量的溫度T在物理上相關連。

按照常規STR方式的調節作用具有額外優勢，即藉由壓力測量的計算考慮了塔中的壓力降（pressure drop）的波動（氣體通過量變化）。因此，在任意時間點保持塔的外部質量平衡，是保持塔的目標產物所需純度的重要先決條件。塔的預定理論板的溫度是用於該調節的輸入變數。規定該溫度的固定預定值並藉由在頂部的排料變化來保持。

然而，壓力補償分離溫度的額外計算是複雜的，尤其是因為必須先憑經驗進行常數A1和A2的確定。為此，透過實驗測定各個時間點的溫度T1、T2……以及相對應的壓力P1、P2……。通常，為此需要3至10個Ti測量值和Pi測量值。根據這些測量值，藉由回歸法確定常數A1與A2以及T*（預定）。

本發明的目的是考慮到壓力補償以避免此複雜問題。

該目的是藉由調節蒸餾塔的出口處的多組分混合物的濃度的方法來實現，其中係測量蒸餾塔的富集段的溫度T1，以及測量蒸餾塔的氣提段的溫度T2，溫度差ΔT=T2-T1作為至少一個濃度的替代調節變數，並且比較溫度差ΔT的實際值與預定值。

溫度T1的測量較佳係在蒸餾塔的富集段的特定理論板上進行，而溫度T2的測量係在蒸餾塔的氣提段的特定理論板上進行。

不同於先前技術的分離溫度調節，其係測量溫度並由此測定壓力補償溫度（分離溫度），因此進行二個溫度的測量，所產生的溫度差作為調節變數。這個概念稱作微分分離溫度調節（differential separation temperature regulation，DSTR）。

因此，例如在蒸餾塔的富集段中，由前述分離溫度（沒有壓力補償）和參考溫度形成差異。

由於所測量的溫度跟隨壓力波動，因此在溫度差的形成中自動考慮了壓力補償。因此，溫度差作為調節變數自動補償了壓力波動。

調節方法提供為保持恆定的溫度差。因此，在每種情形下自動設置最佳分離溫度。

在具有高壓力降的塔的情況下以及進料的組成和量頻繁變動的情況下，由於在該情況下不再需要追蹤所需的單一溫度調節的預定值，本發明方法是特別有利的。

由於不再僅將敏感的溫度作為調節變數，而是還使用在之前「未被監測的」塔的區域中的溫度，因此可同樣辨識該區域中的分離特性的突然變化。這使得處理程序的穩定性提高。

執行該方法的費用很低且可在現代處理程序的控制系統中的軟體端執行，其中，該方法基本上僅包括提供第二溫度測量點和第二溫度的測量。

不再需要壓力補償分離溫度的複雜計算。

該調節應當對進料組成的變化做出反應，並因此確保在任何時間點均遵循塔的質量平衡。這是確保來自塔的目標產物所需純度的基本前提。該調節方法的輸入變數是由塔的二個預定理論板上所測量的溫度而確定的溫度差。設定用於該溫度差的固定預定值，其係藉由頂部的排料的變化來維持。

較佳係連續地運行蒸餾塔。在本文中，在塔的固定點（入口）處以恆定速度供應（進料）待分離的混合物，該混合物從這裡向下滴流（trickle）通過內部元件到達底部區域。低沸組分上升進入氣相，進行強烈的熱交換並與從底部上升的蒸氣進行質量傳遞。相對高沸組分向下流動並從底部連續地取走。在頂部，低沸組分被液化，且部分被作為反流回流至頂部。連續地取走低沸物質。

待分離的多組分混合物較佳係含有三氯矽烷及四氯化矽的氯矽烷的混合物。

在一個實施態樣中，多組分混合物是含有三氯矽烷、二氯矽烷和四氯化矽的氯矽烷的混合物。

1‧‧‧進料管
2‧‧‧蒸氣
3‧‧‧底部排料
4、5‧‧‧溫度測量點
6‧‧‧調節器
7‧‧‧反流
8‧‧‧頂部排料
9‧‧‧冷凝器
T1、T2‧‧‧溫度
ΔT‧‧‧溫度差
ΔP‧‧‧壓力差

第1圖示出了適合進行本發明方法的裝置。
第2圖示出了根據比較例的測量數據。
第3圖示出了根據實施例的測量數據。

將由低沸餾分和高沸餾分組成的混合物通過進料管1引入蒸餾塔中，並分餾成二個餾分，即低沸頂部餾分和高沸底部餾分。在本文中，將待分離的混合物引入底部排料3和頂部排料8之間的蒸餾塔中。進料管1（入口）將塔分成富集段和氣提段。從塔的底部排料3處取走高沸餾分。藉由安裝在底部區域的加熱裝置汽化部分濃縮物。低沸物質在塔中作為蒸氣2上升，在冷凝器9中液化並在頂部排料8處從塔中取走。部分濃縮物透過反流7返回塔中，並與蒸氣2（上升氣體）形成逆流地向下流動。提供二個溫度測量點4、5。藉由調節器6使用溫度測量點4、5處所測量的溫度之間的差異作為調節變數，以改變頂部排料8。

關於上述本發明的方法的實施態樣中所表示的特徵，可單獨或以組合方式來實施並作為本發明的實施態樣。此外，它們可描述能夠獨立地保護的有利實施態樣。

實施例及比較例

實施例與比較例係關於組分STC和TCS的分離。

比較例

根據比較例，蒸餾塔中沒有壓力補償的溫度調節不會對塔中發生的壓力變化產生反應，尤其是在負載變化的情況下。

此可清楚地從第2圖中看到，其顯示了相應的測量資料。

使用來自用於分離出STC和TCS的蒸餾塔的測量資料來建立所示圖式。

在上圖中，由於較低的輸送量，導致塔中的壓力降降低。溫度T1未受此影響，因為其通過分離溫度調節而保持為恆定值。

另一方面，溫度T2以對應於壓力降過程的方式降低，因為其沒有被明確地調節，而是代表自由度。二個溫度之間的差ΔT當然不是恆定的，並在一定的測量時間後稍微增大。溫度差在比較例中也同樣代表的自由度。

實施例

本實施例顯示經過相似時間段後，除了ΔT差外，比較例測量的變數係作為溫度調節的調節變數。

第3圖示出了相應的測量資料。

在此測量中，塔中的負載增加產生壓力降∆p的增加。根據本發明的調節，現在變數T1和T2的表現是不同的。隨著塔中的壓力增加，二個溫度都升高，而新的調節變數ΔT保持恆定。

現在二個溫度T1和T2代表塔中的自由度，並適應於裝置中的壓力條件。此外，二個溫度之間的差異的調節確定外部質量平衡，使各個目標產物的品質處於理想水準。

上述說明性實施態樣的描述僅是例示。該揭露內容首先使得本領域技術人員可以理解本發明及其相關優勢，其次涵蓋對於本領域技術人員顯而易見的對該方法的變化和修飾。因此所有這些變化與修飾及其等效物應涵蓋於由申請專利範圍所限定的保護範圍內。

無。

無。

1‧‧‧進料管

2‧‧‧蒸氣

3‧‧‧底部排料

4、5‧‧‧溫度測量點

6‧‧‧調節器

7‧‧‧反流

8‧‧‧頂部排料

9‧‧‧冷凝器

Claims (6)

1. 一種在蒸餾塔出口處調節多組分混合物的濃度的方法，其中係測量蒸餾塔的富集段（enrichment section）的溫度T1，以及測量蒸餾塔的氣提段（stripping section）的溫度T2，溫度差ΔT = T2-T1作為至少一個濃度的替代調節變數，並且比較溫度差ΔT的實際值與預定值。
2. 如請求項1的方法，其中該多組分混合物係含有三氯矽烷及四氯化矽的氯矽烷混合物。
3. 如請求項1的方法，其中該多組分混合物係含有三氯矽烷、二氯矽烷及四氯化矽的氯矽烷混合物。
4. 如請求項1至3中任一項的方法，其中溫度T1的測量係在蒸餾塔的富集段的一理論板上進行，而溫度T2的測量係在蒸餾塔的氣提段的一理論板上進行。
5. 如請求項1至3中任一項的方法，其中提供一調節器，該調節器比較所測量的溫度差與預定值，並且在有偏差的情況下改變蒸餾塔的頂部排料。
6. 如請求項1至3中任一項的方法，其中連續地運行蒸餾塔，在蒸餾塔的入口處供應該多組分混合物，並且該多組分混合物的低沸組分在頂部被液化，且部分被作為反流（runback）回流至蒸餾塔的頂部。