四氯化硅冷氢化工艺中热量优化利用的分析

四氯化硅冷氢化工艺中热量优化利用的分析

发表时间：2019-12-31T12:15:54.133Z 来源：《防护工程》2019年17期作者：保妍艳1 李彦能2

[导读] 目前，多晶硅生产企业基本采取将四氯化硅转化为原料三氯氢硅或以四氯化硅为原料制备白炭黑的方式实现闭环生产与综合利用，从而提高企业的经济效益并解决环保问题。

1.曲靖阳光能源硅材料有限公司云南曲靖 655000；

2.云南驰宏锌锗股份有限公司会泽矿业分公司云南曲靖 654212

摘要：高纯多晶硅是电子信息产业和太阳能光伏产业的基础原料，工业规模化生产多晶硅主要方法为改良西门子法和流化床法，分别以三氯氢硅和硅烷为主要原料，在以三氯氢硅和基于三氯氢硅歧化法制备硅烷的多晶硅生产工艺中都有大量的副产物四氯化硅产生，目前，多晶硅生产企业基本采取将四氯化硅转化为原料三氯氢硅或以四氯化硅为原料制备白炭黑的方式实现闭环生产与综合利用，从而提高企业的经济效益并解决环保问题。

关键词：四氯化硅冷氢化工艺；热量优化；利用

一、四氯化硅冷氢化反应机理

四氯化硅冷氢化是在流化床反应器或者固定床反应器中进行，在压力1.2-4.0MPa、温度673-873K、氢气与四氯化硅摩尔比1∶1-5∶1的条件下，将四氯化硅和氢气通过硅粉床层，将四氯化硅转化为三氯氢硅。总的反应方程式为：

紧接着是活性的Si…Cl、Cu…Cl、Cu…Si和Si…Si键被H2还原生成SiHCl3和HCl，这是一个慢反应，随后中间产物HCl和Si在催化活性位置Cu…Si上快速反应生成三氯氢硅，Si被反应生成SiHCl3，位置被来自下部的Si原子迁移补充，产生新的活性位Cu…Si，完成催化循环。

目前，除铜基、镍基、铁基、钴基等金属或金属化合物催化剂之外，其他的催化剂体系也有研究开发，例如Lee等[7]使用碳基催化剂研究四氯化硅氢化成三氯硅烷反应，发现掺杂了硅的金属-碳复合催化剂比催化剂和硅粉简单物理混合的催化剂具有更高的催化活性，可以获得更高的SiHCl3收率。

二、四氯化硅冷氢化工艺中热量优化利用的方法

1、换热网络优化

1.1坚持外部损失最小原则

在实际生产时，由于化工行业产生能量或多或少都会出现损失，譬如跑、冒、滴、漏等现象出现、生产三废排放、又或者是保温效果降低等都会导致能量损失。虽说从相关研究来看，化工行业生产所损失的这些能量能量级较低，但由于其均是由系统内部高能量级的能量转换而来的，并且这些损失的能量属于不可逆的。所以，为了尽可能避免能量损失，换热网设计中就必须严格遵循外部损失最小原则将生产中所有环节能量充分利用起来，并对沿线可能存在的泄漏点进行优化，从而降低不必要的能量损失，这样一来有助于实现较为理想的热量优化利用效果。

1.2确定传热最优推动力

结合实践来看，能量在转化与传递这两个过程中都需要具备着诸如温度差、电位差、化学位差不同的热力学势差推动作用下方可以实现，同时它们推动力与速率二者构成正比关系。另外因为热力学势差具有不可逆转性，因而这就意味着能量转化与传递这两个过程势必会出现能量地损失。面对这种情况，四氯化硅冷氢化工艺中换热网络优化设计中应当遵循传热最优推动力原则。简单点说就是换热网优化设计上首要任务要将最优推动力找出来，为此我们需要充分考虑好四氯化硅生产外部条件情况，并通过相关实验将最优推动力确定出来，从而最终实现提高能量的有效利用率目的。

1.3实现能源最优利用

化工实际生产时，不少生产线上原料与产品运输、存储是处于常温常压状况中完成的，但是其反应和分离提纯这两个环节绝大部分则是要求一定温度和压力才可以完成。这是由于化工原料与产品通过多次升压（降压）、升温（降温）单元操作时所需的能量除了需要利用公用工程提之外，还能够借助于这些操作较好地利用其该过程中各种物料的能力，这样一来有利于实现能量的最优化利用。

1.4确定最小换热面积

最小换热面积是其需要遵循的最后一个原则。实践工作中，换热网络优化设计是由于种种因素地影响我们无法将其换热面积准确的计算出来。在这种情况下出于提升换热效果之目的，我们可以假设按理想状态下进行传热时，即所有物流都是纯逆流垂直换热，此时便可以得出最小换热面积。

2、确定最优夹点温差

运用夹点技术能够有效衔接起工艺过程和公用工程系统，从而将整体过程能量消耗减小。相较于普通方式而言，夹点技术优势显著，具体表现如下：第一，降低能源消耗。通过有效匹配与衔接改经过程系统和公用工程系统，能够互相利用区域中的热量，并能够将系统中的废料与余料所产生的热量有效利用起来。第二，提升生产能力，优化质量控制。将过程工艺中系统能量使用的瓶颈消除，无需对主要动力设备以及加热器进行改动，便可以实现产量扩大的效果。第三，减少投资费用。在运用夹点技术过程中，夹点温差越小，那么实际能够回收的余热也就越多，回收能量的效率也不断加大，所以要想实现热量优化利用则需要将最优夹点温差确定下来。第一，将设备投资额、系统用能成本和回收年限等情况进行综合考虑，并结合具体生产经验予以明确。第二，运用数个夹点温差获得相应换热网络，并经过计算来选择投资费用最小的换热网络所对应的夹点温差。第三，基于冷、热物流复合温焓图，运用数学优化法估算来将最优加点温差确定下来。

结束语

多晶硅生产副产物四氯化硅的综合利用对国内多晶硅生产企业形成闭路循环起着重要作用，也是降低多晶硅制备成本的重要措施。在各种四氯化硅氢化方法中，四氯化硅冷氢化以单套装置处理量大、反应温度相对较低、工艺成熟、能量可综合利用的优点成为目前最广泛采用的方法。研究进一步提供四氯化硅冷氢化技术水平，降低副产物四氯化硅冷氢化成本，有利于进一步提高多晶硅生产企业的经济效益和市场竞争能力，进一步提升建设资源节约型社会水平。

参考文献：

[1]宋佳,曹祖宾,李会鹏,等.四氯化硅固定床冷氢化工艺的研究[J].化学工业与工程,2011,28(3):20-24.

[2]姚又省,刘继三,陈维平.冷氢化工艺中四氯化硅汽化方式的比较[J].化学工程,2012,40(12):75-78.

[3]宋佳，曹祖宾，李会鹏，等.四氯化硅固定床冷氢化工艺的研究.化学工业与工程，2011，28（03）：20-24.

[4]刘艳峰.四氯化硅氢化工艺中催化剂的制备与研究[D].天津大学，2017.