多晶硅还原炉气相平衡计算与分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
摘 要
基 于 Ｇｉ ｂ ｂ ｓ自由能最 小原 理 ， 对 多 晶硅 还 原 炉 内气 相 平 衡 进 行 了 计算 ， 系 统地 分 析 了 不 同 温 度、 压力 和氢 摩尔 配 比条件 下 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 的转 化 率 ， 以及还 原尾 气 中 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 、 Ｓ ｉ ｌ Ｃ １ ｚ 、 Ｓ ｉ Ｃ １ 、 Ｈ 和 ＨＣ １ 等组 份 的平衡 情 况 ， 包 括流 量 和组成 浓度 等 。计算 结果 与 实 际情 况 较吻合 ， 可 以为 改 良西 门子工艺 的物 料平 衡模 型 提供依 据 ， 也 可在还 原 炉实 际运 行过 程 ， 通 过尾 气 分 析 检测 数 据 与计 算 数 据对 照 ， 分析 炉 内 的工 艺 条件 状况 ， 及 时做 出调 整和优 化 。
式［ ４ ｌ ：
１ ３ ５ ５ Ｏ ｋ ｇ ／ ｈ ， 其 中约 １ ０ ９ ／ ６ 的 Ｓ ｉ ＨＣ １ ３ 在 反应 器 ＲＳ ｔ ｏ ｉ ｃ 内沉 积成 多 晶硅 。除 特 别 说 明外 ， 硅 沉积 转 化 率 为
第 ４期
多晶硅 还 原 炉 气相 平衡 计 算与 分析
４ １
关 键词 ： 多晶硅 还原尾 气 热 力 学平衡 多 晶硅还 原炉 内的化 学反 应 达 十数 个 ［ １ ］ 。除
Ｓ ｉ Ｈ Ｃ１ ３ ＋ Ｈ２ ＝Ｓ ｉ （ Ｓ ０ Ｉ ｉ ｄ ） ＋３ ＨＣ １
Ｓ ｉ Ｈ Ｃｌ ３ ＋ Ｈ２ 一Ｓ ｉ Ｈ２ Ｃｌ ２ ＋ Ｈ Ｃ１
（ Ｒ１ ）
（ Ｒ２ ）
产 品硅外 ， 还 原 尾 气 中 还 包 含 Ｈ 、 ＨＣ １ 、 Ｓ ｉ ｌ。 Ｃ １ ｚ 、
Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 和Ｓ ｉ Ｃ １ 等 。这些 组份 及组 成情 况 ， 是改 良西
Ｓ ｉ Ｈ Ｃｌ ３ ＋ ＨＣ１ ＝Ｓ ｉ Ｃ１ ４ ＋ Ｈ２
（ Ｒ３ ）
门子法 制 备 多晶硅 工 艺 物 料 平 衡 的 核 心 ， 其 准 确性 对 其他 配套 装 置规 模 、 投 资 费用 及 运 行 成 本 有 重 要 影 响 。 目前 这些 还 原 尾 气 的相关 数 据 ， 基 本 上仍 来 源 于 已建装 置 的尾气 化 验结果 。这些 化验 数据 很少
１ ０ Ａ ｏ， ＲＧｉ ｂ ｂ ｓ 反应 压力 为 ０ ． ６ ＭＰ ａ 。
口一 回 一
一 一 ，
比越大 ， 转化率升高越快。
２ ． ２ 还 原尾 气 中各 组分流 量
２ ． ２ ． １ 还 原尾 气 中 Ｓ ｉ ＨＣ １ ３ 流量
图 ３为 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 的质量 流量 变化 曲线 。
趋 于最小 的原 则 ， 计 算 各 组 份 同时 达 到化 学 平 衡 和 相平衡 时 的情 况 ， 并不 要 求 规 定 具 体 的化 学 反 应 式
和计 量 常数 ， 在多 组份 参 与 的化 学 反 应 系统 达 到 平 衡 时非常适 用 ｌ ８ ］ 。流程示 意如 图 １ 。 还原 炉 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 的 总进料 为 １ ０ ０ ｋ ｍｏ ｌ ／ ｈ ，即
衡反 应 。Ｒ Ｇｉ ｂ ｂ ｓ 反 应 器是 基 于 系统 吉 布 斯 自由能
平衡 提 供方 法 和较 为全 面 的基 础 数据 。
１ 模 型建 立
Ｓ ｉ ＨＣ １ 。 与 Ｈ 按 一定 配 比进入 还原 炉 ， 在炽 热 的
硅棒 表 面 （ ～１ １ ０ ０ ℃） 发生 气 相 沉 积 反 应 （ Ｃ ＶＤ，
理， 分析 了还原 尾气 中各 组份 的平 衡情 况 ， 为研 究 多
晶硅 还 原工 艺 和改 良西 门子法 制 备多 晶硅 全厂 物料
在 流程设 计 时 ， 先选 择 ＲＳ ｔ ｏ ｉ ｃ简化计 算 多 晶硅 表 面 沉 积反 应 ， 再 选 择 ＲＧｉ ｂ ｂ ｓ 反 应 器 模 块 计 算 气 相 平
生 成 ＨＣ １ ， 对 还 原 炉 内气 相 平 衡 浓 度 有 重 要 影 响 。
反应 Ｒ ２和 Ｒ３为 气相 反 应 ， 且 Ｒ ２为 吸 热 反 应 ， Ｒ３ 为 放热 反应 ， 且均 为等 摩尔 反应 。 由于还 原 炉 内温度 较 高 ， 可 以认 为还 原 炉 内气 相处 于化 学平 衡 状 态 ＿ ５ １］ 。反 应 Ｒ１转 化率 即硅 沉
存 在差别 。所 以从理 论 上计算 还 原尾气 组 份就 尤 为
重 要 。本文 根 据热力 学 平衡 和 Ｇｉ ｂБайду номын сангаасｂ ｓ自由能最 小原
积 率受还 原 炉 的结 构 型式 、 硅 棒 高度 与直 径 、 流 场 和
温度 场 的影 响 较 大 ， 目前 普 遍 在 １ ０ ９ ／ ６ ～１ ２ ９ ／ ５ 左右 。
４ ０
四川化 工
第２ ０卷
２ ０ １ ７年 第 ４期
分析与测试
ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ｌ ７
多晶硅 还 原 炉 气相 平衡 计 算 与 分析
杨 楠 姜 福 美。
（ １ ． 新 疆 东方希 望新 能 源有 限公 司 ， 新疆 昌吉 ， ８ ３ １ ７ ９ ９ ； ２ ． 上 海 戊正 工程设 计有 限公 司， 上海 ， ２ ０ ０ １ ２ Ｏ ）
有 公开 报道 ， 较 难有 广 泛 的数 据来 源 ； 而且 这些 多 晶 硅 装置 的还 原 工艺 也 不 尽 相 同 ， 导 致 尾 气 组份 情 况
反 应 Ｒ１为典 型 的 Ｃ ＶＤ反应 ， 其产品硅 Ｓ ｉ （ ） 不 会影 响气 相平衡 浓 度 ， 但 消耗 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 和 Ｈ。 ， 同时
Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｖａ ｐ ｏ ｒ Ｄｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 生 成 多 晶硅 ， 同 时还 伴 随 副反应 ， 生 成 大量 的 Ｓ ｉ Ｃ１ 和 Ｓ ｉ Ｈ Ｃ ｌ 等 。从 宏 观 上分 析 ， 还原 炉 内所 涉 及 的化 学 反 应 可 能如 以下 各
基 于 Ｇｉ ｂ ｂ ｓ自由能最 小原 理 ， 对 多 晶硅 还 原 炉 内气 相 平 衡 进 行 了 计算 ， 系 统地 分 析 了 不 同 温 度、 压力 和氢 摩尔 配 比条件 下 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 的转 化 率 ， 以及还 原尾 气 中 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 、 Ｓ ｉ ｌ Ｃ １ ｚ 、 Ｓ ｉ Ｃ １ 、 Ｈ 和 ＨＣ １ 等组 份 的平衡 情 况 ， 包 括流 量 和组成 浓度 等 。计算 结果 与 实 际情 况 较吻合 ， 可 以为 改 良西 门子工艺 的物 料平 衡模 型 提供依 据 ， 也 可在还 原 炉实 际运 行过 程 ， 通 过尾 气 分 析 检测 数 据 与计 算 数 据对 照 ， 分析 炉 内 的工 艺 条件 状况 ， 及 时做 出调 整和优 化 。
式［ ４ ｌ ：
１ ３ ５ ５ Ｏ ｋ ｇ ／ ｈ ， 其 中约 １ ０ ９ ／ ６ 的 Ｓ ｉ ＨＣ １ ３ 在 反应 器 ＲＳ ｔ ｏ ｉ ｃ 内沉 积成 多 晶硅 。除 特 别 说 明外 ， 硅 沉积 转 化 率 为
第 ４期
多晶硅 还 原 炉 气相 平衡 计 算与 分析
４ １
关 键词 ： 多晶硅 还原尾 气 热 力 学平衡 多 晶硅还 原炉 内的化 学反 应 达 十数 个 ［ １ ］ 。除
Ｓ ｉ Ｈ Ｃ１ ３ ＋ Ｈ２ ＝Ｓ ｉ （ Ｓ ０ Ｉ ｉ ｄ ） ＋３ ＨＣ １
Ｓ ｉ Ｈ Ｃｌ ３ ＋ Ｈ２ 一Ｓ ｉ Ｈ２ Ｃｌ ２ ＋ Ｈ Ｃ１
（ Ｒ１ ）
（ Ｒ２ ）
产 品硅外 ， 还 原 尾 气 中 还 包 含 Ｈ 、 ＨＣ １ 、 Ｓ ｉ ｌ。 Ｃ １ ｚ 、
Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 和Ｓ ｉ Ｃ １ 等 。这些 组份 及组 成情 况 ， 是改 良西
Ｓ ｉ Ｈ Ｃｌ ３ ＋ ＨＣ１ ＝Ｓ ｉ Ｃ１ ４ ＋ Ｈ２
（ Ｒ３ ）
门子法 制 备 多晶硅 工 艺 物 料 平 衡 的 核 心 ， 其 准 确性 对 其他 配套 装 置规 模 、 投 资 费用 及 运 行 成 本 有 重 要 影 响 。 目前 这些 还 原 尾 气 的相关 数 据 ， 基 本 上仍 来 源 于 已建装 置 的尾气 化 验结果 。这些 化验 数据 很少
１ ０ Ａ ｏ， ＲＧｉ ｂ ｂ ｓ 反应 压力 为 ０ ． ６ ＭＰ ａ 。
口一 回 一
一 一 ，
比越大 ， 转化率升高越快。
２ ． ２ 还 原尾 气 中各 组分流 量
２ ． ２ ． １ 还 原尾 气 中 Ｓ ｉ ＨＣ １ ３ 流量
图 ３为 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 的质量 流量 变化 曲线 。
趋 于最小 的原 则 ， 计 算 各 组 份 同时 达 到化 学 平 衡 和 相平衡 时 的情 况 ， 并不 要 求 规 定 具 体 的化 学 反 应 式
和计 量 常数 ， 在多 组份 参 与 的化 学 反 应 系统 达 到 平 衡 时非常适 用 ｌ ８ ］ 。流程示 意如 图 １ 。 还原 炉 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 的 总进料 为 １ ０ ０ ｋ ｍｏ ｌ ／ ｈ ，即
衡反 应 。Ｒ Ｇｉ ｂ ｂ ｓ 反 应 器是 基 于 系统 吉 布 斯 自由能
平衡 提 供方 法 和较 为全 面 的基 础 数据 。
１ 模 型建 立
Ｓ ｉ ＨＣ １ 。 与 Ｈ 按 一定 配 比进入 还原 炉 ， 在炽 热 的
硅棒 表 面 （ ～１ １ ０ ０ ℃） 发生 气 相 沉 积 反 应 （ Ｃ ＶＤ，
理， 分析 了还原 尾气 中各 组份 的平 衡情 况 ， 为研 究 多
晶硅 还 原工 艺 和改 良西 门子法 制 备多 晶硅 全厂 物料
在 流程设 计 时 ， 先选 择 ＲＳ ｔ ｏ ｉ ｃ简化计 算 多 晶硅 表 面 沉 积反 应 ， 再 选 择 ＲＧｉ ｂ ｂ ｓ 反 应 器 模 块 计 算 气 相 平
生 成 ＨＣ １ ， 对 还 原 炉 内气 相 平 衡 浓 度 有 重 要 影 响 。
反应 Ｒ ２和 Ｒ３为 气相 反 应 ， 且 Ｒ ２为 吸 热 反 应 ， Ｒ３ 为 放热 反应 ， 且均 为等 摩尔 反应 。 由于还 原 炉 内温度 较 高 ， 可 以认 为还 原 炉 内气 相处 于化 学平 衡 状 态 ＿ ５ １］ 。反 应 Ｒ１转 化率 即硅 沉
存 在差别 。所 以从理 论 上计算 还 原尾气 组 份就 尤 为
重 要 。本文 根 据热力 学 平衡 和 Ｇｉ ｂБайду номын сангаасｂ ｓ自由能最 小原
积 率受还 原 炉 的结 构 型式 、 硅 棒 高度 与直 径 、 流 场 和
温度 场 的影 响 较 大 ， 目前 普 遍 在 １ ０ ９ ／ ６ ～１ ２ ９ ／ ５ 左右 。
４ ０
四川化 工
第２ ０卷
２ ０ １ ７年 第 ４期
分析与测试
ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ｌ ７
多晶硅 还 原 炉 气相 平衡 计 算 与 分析
杨 楠 姜 福 美。
（ １ ． 新 疆 东方希 望新 能 源有 限公 司 ， 新疆 昌吉 ， ８ ３ １ ７ ９ ９ ； ２ ． 上 海 戊正 工程设 计有 限公 司， 上海 ， ２ ０ ０ １ ２ Ｏ ）
有 公开 报道 ， 较 难有 广 泛 的数 据来 源 ； 而且 这些 多 晶 硅 装置 的还 原 工艺 也 不 尽 相 同 ， 导 致 尾 气 组份 情 况
反 应 Ｒ１为典 型 的 Ｃ ＶＤ反应 ， 其产品硅 Ｓ ｉ （ ） 不 会影 响气 相平衡 浓 度 ， 但 消耗 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 和 Ｈ。 ， 同时
Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｖａ ｐ ｏ ｒ Ｄｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 生 成 多 晶硅 ， 同 时还 伴 随 副反应 ， 生 成 大量 的 Ｓ ｉ Ｃ１ 和 Ｓ ｉ Ｈ Ｃ ｌ 等 。从 宏 观 上分 析 ， 还原 炉 内所 涉 及 的化 学 反 应 可 能如 以下 各