專利名稱：超純?nèi)葰涔柚苽涞亩嗉?jí)全熱耦合精餾生產(chǎn)裝置和工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精餾技術(shù)領(lǐng)域，涉及超純?nèi)葰涔韫?jié)能分離技術(shù)與工藝，特別涉及一種三氯氫硅提純的全熱耦合精餾生產(chǎn)裝置和工藝方法。
背景技術(shù)：
多晶硅材料是硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)極其重要的中間產(chǎn)品，它是制造硅拋光片、 太陽能電池及高純硅制品的主要原料，也是發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的重要基石，在發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)方面已被擺到越來越突出的位置?；趯?duì)多晶硅純度的極高要求，傳統(tǒng)多晶硅的制備需要將純度99. 99%的工業(yè)硅提純?yōu)?9. 99999%甚至更高純度的高純硅。目前，改良西門子法是我國現(xiàn)有多晶硅的主要生產(chǎn)方法，它主要包括三氯氫硅合成、三氯氫硅提純、三氯氫硅還原、還原尾氣干法精餾回收、四氯化硅氫化等基本過程。而在該方法中，三氯氫硅作為高純硅制備的重要中間產(chǎn)品， 其純度水平將直接影響多晶硅的純度。因此，將三氯氫硅的提純過程實(shí)現(xiàn)到超純水平，也就是使得三氯氫硅的濃度提純到9個(gè)“9”水平(99. 9999999% )，使其雜質(zhì)組分的含量控制在 PPB數(shù)量級(jí)，將大大提升多晶硅的純度，從而生產(chǎn)出更高純度的多晶硅以進(jìn)一步適應(yīng)市場(chǎng)的需求。當(dāng)然高純度也意味著高能耗，改良西門子法的各個(gè)過程除三氯氫硅還原外，其余均涉及到精餾，因此所需的精餾過程具有高回流比和高理論板的特征，也是公認(rèn)的高能耗、高污染過程。傳統(tǒng)的多組分混合物分離要采用一系列簡(jiǎn)單精餾塔，每一個(gè)塔有明確的分離任務(wù)，而且每個(gè)塔都有一個(gè)冷凝器和再沸器。如果從某個(gè)塔內(nèi)引出一股液相物流直接作為另一塔塔頂液相回流或一股氣相物流直接作為另一塔塔底氣相回流，則在某些塔中，可以避免使用冷凝器或再沸器，而實(shí)現(xiàn)直接的熱量耦合，含有這種結(jié)構(gòu)的精餾即熱耦精餾。目前， 熱耦合精餾在工業(yè)上已有不少應(yīng)用，如BASF AG、MW Kellogg Limited, Sumitomo Heavy Industries Co、Hairston等已建立了相關(guān)的熱耦合精餾系統(tǒng)，根據(jù)報(bào)道，采用全熱耦合精餾的能耗相比傳統(tǒng)精餾序列節(jié)約將近30%，雖然單個(gè)全熱耦合精餾塔的尺寸規(guī)模要相應(yīng)的增加，但通過流股的熱耦合亦替代了相應(yīng)的冷凝器和再沸器，使得設(shè)備投資費(fèi)用也得到一定程度的減少。因此，全熱耦合精餾在精餾過程中有著巨大的節(jié)能降耗的潛力。近些年來，多晶硅在信息和新能源產(chǎn)業(yè)扮演著越來越重要的角色，并逐漸成為國家優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。目前在多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，尚無全熱耦合精餾的應(yīng)用，鑒于全熱耦合精餾在節(jié)能降耗方面顯示出的巨大潛力，在多晶硅生產(chǎn)尤其是三氯氫硅提純過程中采用全熱耦合精餾技術(shù)，對(duì)于降低能耗，提升經(jīng)濟(jì)效益，有著較大的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是提供一種節(jié)能降耗的超純?nèi)葰涔枞珶狁詈暇s分離工藝方法及其設(shè)備；它采用兩個(gè)全熱耦合精餾塔串聯(lián)的方式，與現(xiàn)有三氯氫硅精餾工藝相比，亦大大降低了提純過程中的能耗。本發(fā)明的技術(shù)如下一種超純?nèi)葰涔柚苽涞亩嗉?jí)全熱耦合精餾的生產(chǎn)裝置，在一次全熱耦合精餾塔 1中，所設(shè)置隔板將塔分為預(yù)分餾區(qū)和主塔區(qū)兩部分，其中一次預(yù)分餾區(qū)精餾段4和一次預(yù)分餾區(qū)提餾段5構(gòu)成預(yù)分餾區(qū)，一次主塔區(qū)上塔精餾段3和一次主塔區(qū)上塔提餾段7構(gòu)成主塔區(qū)上塔部分，一次主塔區(qū)下塔精餾段8和一次主塔區(qū)下塔提餾段6構(gòu)成主塔區(qū)下塔部分；同理，在二次全熱耦合精餾塔2中，二次預(yù)分餾區(qū)精餾段12和二次預(yù)分餾區(qū)提餾段13 構(gòu)成該塔預(yù)分餾區(qū)，二次主塔區(qū)上塔精餾段11和二次主塔區(qū)上塔提餾段15構(gòu)成該塔主塔區(qū)上塔部分，二次主塔區(qū)下塔精餾段16和二次主塔區(qū)下塔提餾段14構(gòu)成該塔主塔區(qū)下塔部分。其中，一次預(yù)分餾區(qū)精餾段4的理論板數(shù)為20 30塊；一次預(yù)分餾區(qū)提餾段5的理論板數(shù)為30 40塊；一次主塔區(qū)上塔精餾段3的理論板數(shù)為4 8塊；一次主塔區(qū)上塔提餾段7的理論板數(shù)為25 35塊；一次主塔區(qū)下塔精餾段8的理論板數(shù)為35 45塊； 一次主塔區(qū)下塔提餾段6的理論板數(shù)為3 6塊；二次預(yù)分餾區(qū)精餾段12的理論板數(shù)為 15 25塊；二次預(yù)分餾區(qū)提餾段13的理論板數(shù)為25 35塊；二次主塔區(qū)上塔精餾段11 的理論板數(shù)為4 8塊；二次主塔區(qū)上塔提餾段15的理論板數(shù)為30 40塊；二次主塔區(qū)下塔精餾段16的理論板數(shù)為20 30塊；二次主塔區(qū)下塔提餾段14的理論板數(shù)為3 6 塊。高純度的三氯氫硅進(jìn)料液19進(jìn)入一次全熱耦合精餾塔1，在該塔塔頂冷凝器9冷凝之后塔頂物料采出20主要成分為包括二氯二氫硅在內(nèi)的微量輕雜質(zhì)，在該塔塔釜物料采出22主要成分為四氯化硅在內(nèi)的微量重雜質(zhì)；一次塔中部側(cè)線采出21作為二次全熱耦合精餾塔2的進(jìn)料，二次塔的塔頂采出23和塔釜采出M返回到一次塔，而二次塔中部的側(cè)線采出25即為所要求的超純?nèi)葰涔?，其三氯氫硅的濃度可達(dá)到9個(gè)“9”水平，雜質(zhì)組分含量控制在PPb級(jí)別。本發(fā)明的特征在于對(duì)三氯氫硅提純應(yīng)用了全熱耦合精餾技術(shù)，利用在精餾塔中設(shè)置的隔板，將全塔分為預(yù)分餾區(qū)和主塔區(qū)，并通過預(yù)分餾區(qū)和主塔區(qū)之間氣液流股的耦合， 使得三元組分的分離提純從原來需要至少兩個(gè)塔的精餾序列變成在一個(gè)塔中實(shí)現(xiàn)，不僅使得冷凝器和再沸器的數(shù)量從原來至少各兩個(gè)以上變?yōu)楦饕粋€(gè)，而且將原來需要外部公用工程提供的冷量和熱量改為通過內(nèi)部熱耦合來提供。本發(fā)明的效果和優(yōu)點(diǎn)是，通過內(nèi)部氣液流股的能量熱耦合，使得外部所需提供的能量大大降低，而且相比傳統(tǒng)精餾序列，亦減少了相應(yīng)的冷凝器和再沸器，節(jié)省設(shè)備投資費(fèi)用，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能降耗，較大程度的減少了多晶硅的生產(chǎn)成本。


圖1是本發(fā)明的超純?nèi)葰涔枞珶狁詈暇s(FTCDC)生產(chǎn)裝置和工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的全熱耦合精餾(FTCDC)的三氯氫硅提純裝置和生產(chǎn)工藝，通過兩座全熱耦合精餾塔的串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，工藝流程除兩座全熱耦合精餾塔外，包括分別附屬的冷凝器和再沸器，以及相關(guān)物料管線等。其中一次全熱耦合精餾塔1的特征是，通過塔內(nèi)設(shè)置的隔板將塔分為一次主塔區(qū)上塔精餾段3，一次預(yù)分餾區(qū)精餾段4，一次預(yù)分餾區(qū)提餾段5，一次主塔區(qū)下塔提餾段6，一次主塔區(qū)上塔提餾段7，一次主塔區(qū)下塔精餾段8，其中一次主塔區(qū)上塔精餾段3內(nèi)下降的液相流股將分配到一次預(yù)分餾區(qū)精餾段4和一次主塔區(qū)上塔提餾段7 中，而一次主塔區(qū)下塔提餾段6內(nèi)上升的氣相流股將分配到一次預(yù)分餾區(qū)提餾段5和一次主塔區(qū)下塔精餾段8中，從而實(shí)現(xiàn)精餾過程的全熱耦合；同理，二次全熱耦合精餾塔2，通過塔內(nèi)設(shè)置的隔板將塔分為二次主塔區(qū)上塔精餾段11，二次預(yù)分餾區(qū)精餾段12，二次預(yù)分餾區(qū)提餾段13，二次主塔區(qū)下塔提餾段14，二次主塔區(qū)上塔提餾段15，二次主塔區(qū)下塔精餾段16，其中二次主塔區(qū)上塔精餾段11內(nèi)下降的液相流股將分配到二次預(yù)分餾區(qū)精餾段12 和二次主塔區(qū)上塔提餾段15中，而二次主塔區(qū)下塔提餾段14內(nèi)上升的氣相流股將分配到二次預(yù)分餾區(qū)提餾段13和二次主塔區(qū)下塔精餾段16中，從而使氣液相流股之間形成耦合。如圖1所示，包括一次全熱耦合精餾塔1和二次全熱耦合精餾塔2，在一次全熱耦合精餾塔1中，所設(shè)置隔板將塔分為預(yù)分餾區(qū)和主塔區(qū)兩部分，其中一次預(yù)分餾區(qū)精餾段4 和一次預(yù)分餾區(qū)提餾段5構(gòu)成預(yù)分餾區(qū)，一次主塔區(qū)上塔精餾段3和一次主塔區(qū)上塔提餾段7構(gòu)成主塔區(qū)上塔部分，一次主塔區(qū)下塔精餾段8和一次主塔區(qū)下塔提餾段6構(gòu)成主塔區(qū)下塔部分；同理，在二次全熱耦合精餾塔2中，二次預(yù)分餾區(qū)精餾段12和二次預(yù)分餾區(qū)提餾段13構(gòu)成該塔預(yù)分餾區(qū)，二次主塔區(qū)上塔精餾段11和二次主塔區(qū)上塔提餾段15構(gòu)成該塔主塔區(qū)上塔部分，二次主塔區(qū)下塔精餾段16和二次主塔區(qū)下塔提餾段14構(gòu)成該塔主塔區(qū)下塔部分。一次預(yù)分餾區(qū)精餾段4的理論板數(shù)為20 30塊；一次預(yù)分餾區(qū)提餾段5的理論板數(shù)為30 40塊；一次主塔區(qū)上塔精餾段3的理論板數(shù)為4 8塊；一次主塔區(qū)上塔提餾段7的理論板數(shù)為25 35塊；一次主塔區(qū)下塔精餾段8的理論板數(shù)為35 45塊；一次主塔區(qū)下塔提餾段6的理論板數(shù)為3 6塊；二次預(yù)分餾區(qū)精餾段12的理論板數(shù)為15 25塊；二次預(yù)分餾區(qū)提餾段13的理論板數(shù)為25 35塊；二次主塔區(qū)上塔精餾段11的理論板數(shù)為4 8塊；二次主塔區(qū)上塔提餾段15的理論板數(shù)為30 40塊；二次主塔區(qū)下塔精餾段16的理論板數(shù)為20 30塊；二次主塔區(qū)下塔提餾段14的理論板數(shù)為3 6塊。高純度的三氯氫硅進(jìn)料液19進(jìn)入一次全熱耦合精餾塔1，在該塔塔頂冷凝器9冷凝之后塔頂物料采出20主要成分為包括二氯二氫硅在內(nèi)的微量輕雜質(zhì)，在該塔塔釜物料采出22主要成分為四氯化硅在內(nèi)的微量重雜質(zhì)；一次塔中部側(cè)線采出21作為二次全熱耦合精餾塔2的進(jìn)料，二次塔的塔頂采出23和塔釜采出M返回到一次塔，而二次塔中部的側(cè)線采出25即為所要求的超純?nèi)葰涔瑁淙葰涔璧臐舛瓤蛇_(dá)到9個(gè)“9”水平，雜質(zhì)組分含量控制在PPb級(jí)別。實(shí)施例1 以日處理三氯氫硅原料液10噸為例，要求將濃度為99. 9%的高純?nèi)葰涔柙弦禾峒兊匠兩踔粮邼舛?，產(chǎn)品中的輕重雜質(zhì)組分含量為ppb，甚至PPt級(jí)別， 三氯氫硅的收率在90%以上。生產(chǎn)裝置包括兩座全熱耦合精餾塔，其中一次塔的側(cè)線采出作為二次塔的原料打入二次塔中。一次塔預(yù)分餾區(qū)理論板數(shù)為60，進(jìn)料板位置為第23塊板，主塔區(qū)理論板數(shù)為80，側(cè)線采出位置為第35塊板，全塔回流比為60 ；同樣，二次塔預(yù)分餾區(qū)理論板數(shù)為50，進(jìn)料板位置為第20塊板，主塔區(qū)理論板數(shù)為70，側(cè)線采出位置為第40塊板，全塔回流比為80，經(jīng)Aspen Plus軟件模擬，其產(chǎn)品流股的三氯氫硅濃度在9個(gè)“9”的超純水平(99. 9999999 % )，雜質(zhì)組分含量在ppb級(jí)別甚至更高，而且達(dá)到收率90 %的要求。 此時(shí)兩塔中的冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷如下表所示
權(quán)利要求
1.一種超純?nèi)葰涔柚苽涞亩嗉?jí)全熱耦合精餾的生產(chǎn)裝置，包括一次全熱耦合精餾塔 (1)和二次全熱耦合精餾塔(2)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是在一次全熱耦合精餾塔(1)中，所設(shè)置隔板將塔分為預(yù)分餾區(qū)和主塔區(qū)兩部分，其中一次預(yù)分餾區(qū)精餾段(4)和一次預(yù)分餾區(qū)提餾段(5) 構(gòu)成預(yù)分餾區(qū)，一次主塔區(qū)上塔精餾段C3)和一次主塔區(qū)上塔提餾段(7)構(gòu)成主塔區(qū)上塔部分，一次主塔區(qū)下塔精餾段(8)和一次主塔區(qū)下塔提餾段(6)構(gòu)成主塔區(qū)下塔部分；同理，在二次全熱耦合精餾塔O)中，二次預(yù)分餾區(qū)精餾段(1 和二次預(yù)分餾區(qū)提餾段(13) 構(gòu)成該塔預(yù)分餾區(qū)，二次主塔區(qū)上塔精餾段(11)和二次主塔區(qū)上塔提餾段(1 構(gòu)成該塔主塔區(qū)上塔部分，二次主塔區(qū)下塔精餾段(16)和二次主塔區(qū)下塔提餾段(14)構(gòu)成該塔主塔區(qū)下塔部分。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是一次預(yù)分餾區(qū)精餾段(4)的理論板數(shù)為20 30塊；一次預(yù)分餾區(qū)提餾段(5)的理論板數(shù)為30 40塊；一次主塔區(qū)上塔精餾段(3)的理論板數(shù)為4 8塊；一次主塔區(qū)上塔提餾段(7)的理論板數(shù)為25 35塊；一次主塔區(qū)下塔精餾段(8)的理論板數(shù)為35 45塊；一次主塔區(qū)下塔提餾段(6)的理論板數(shù)為3 6塊；二次預(yù)分餾區(qū)精餾段(1 的理論板數(shù)為15 25塊；二次預(yù)分餾區(qū)提餾段(1 的理論板數(shù)為25 35塊；二次主塔區(qū)上塔精餾段(11)的理論板數(shù)為4 8塊；二次主塔區(qū)上塔提餾段(1 的理論板數(shù)為30 40塊；二次主塔區(qū)下塔精餾段(16)的理論板數(shù)為20 30塊；二次主塔區(qū)下塔提餾段(14)的理論板數(shù)為3 6塊。
4.權(quán)利要求1的一種超純?nèi)葰涔柚苽涞亩嗉?jí)全熱耦合精餾的生產(chǎn)方法，其特征是， 高純度的三氯氫硅進(jìn)料液(19)進(jìn)入一次全熱耦合精餾塔(1)，在該塔塔頂冷凝器(9)冷凝之后塔頂物料采出00)主要成分為包括二氯二氫硅在內(nèi)的微量輕雜質(zhì)，在該塔塔釜物料采出02)主要成分為四氯化硅在內(nèi)的微量重雜質(zhì)；一次塔中部側(cè)線采出作為二次全熱耦合精餾塔( 的進(jìn)料，二次塔的塔頂采出和塔釜采出04)返回到一次塔，而二次塔中部的側(cè)線采出05)即為所要求的超純?nèi)葰涔琛?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及超純?nèi)葰涔璨捎萌珶狁詈暇s的生產(chǎn)裝置和工藝方法。通常對(duì)高純度三氯氫硅原料液的提純需要經(jīng)過多次脫輕塔和脫重塔的處理，將原料液中的輕重雜質(zhì)進(jìn)一步除去，以得到超純?nèi)葰涔?。采用全熱耦合精餾的生產(chǎn)工藝，通過兩個(gè)全熱耦合精餾塔的串聯(lián)，使高純?nèi)葰涔柙弦涸诮?jīng)過兩次全熱耦合之后，在二次塔的側(cè)線實(shí)現(xiàn)三氯氫硅超純濃度的提取，而原料液中的輕重雜質(zhì)組分則分別從兩塔的主塔塔頂和塔釜餾出。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于全熱耦合精餾塔內(nèi)，由一道間壁分為預(yù)分餾區(qū)和主塔區(qū)，兩個(gè)區(qū)之間的氣相與液相流股形成了能量耦合，節(jié)省了對(duì)外部能量的需求，減少了冷凝器和再沸器數(shù)量，大大降低能耗和設(shè)備投資，經(jīng)濟(jì)效益大幅提高。
文檔編號(hào)C01B33/107GK102285658SQ20111015103
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者劉春江, 段長春, 袁希鋼, 龔超 申請(qǐng)人:天津大學(xué)