基于ChemCAD軟件對(duì)三氯氫硅精餾的模擬

宋安寧

摘 要：ChemCAD是美國(guó)Chemstations公司開(kāi)發(fā)的化工流程模擬軟件，廣泛應(yīng)用于石油化工、工業(yè)安全、清潔生產(chǎn)等領(lǐng)域，為工藝開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。文章針對(duì)三氯氫硅精餾系統(tǒng)進(jìn)行模擬，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)工藝開(kāi)發(fā)、技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：ChemCAD；多晶硅；三氯氫硅；精餾塔；模擬

西門(mén)子法多晶硅生產(chǎn)工藝中，三氯氫硅精餾單元是其核心關(guān)鍵工序之一，精餾產(chǎn)品的性質(zhì)對(duì)整個(gè)多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)能力和消耗定額等方面都有著重大影響，因此精餾單元的穩(wěn)定運(yùn)行和工藝優(yōu)化對(duì)多晶硅生產(chǎn)有著重要意義。通過(guò)化工流程模擬軟件我們可以更科學(xué)更有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)多晶硅精餾系統(tǒng)的工藝開(kāi)發(fā)、流程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造，它不但能提供理論指導(dǎo)，還可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬，提供技術(shù)診斷方案，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)[1]。目前應(yīng)用比較廣泛的化工流程模擬軟件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美國(guó) Chemstations 公司開(kāi)發(fā)的全流程化工流程模擬軟件，它以圖形用戶界面方式輸入， 具有嚴(yán)格的和最新的計(jì)算方法，針對(duì)精餾系統(tǒng)提供的模塊較多，除基本上具備 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ軟件的各種功能，且價(jià)格相對(duì)低廉，因此對(duì)于三氯氫硅精餾系統(tǒng)選擇ChemCAD是比較適合的[2]。

1 全流程模擬的建立

1.1 流程模擬圖

本工藝流程為5塔流程，進(jìn)料組成為：DCS（二氯二氫硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3為主）0.16%、TCS（三氯氫硅）68.3%、MDCS（甲基氯硅烷）1.2%、STC（四氯化硅）27.866%、LEC（高沸物以聚氯硅烷和PCl3為代表）0.68%，進(jìn)料量3645.8kg/h，要求最終TCS和STC純度不低于99.9%，塔的操作壓力均為0.2MPaG，塔頂為全凝器。

1.2 選擇計(jì)算單位

打開(kāi)菜單選項(xiàng) Format →Engineering Units，按照給定的已知條件，選擇SI國(guó)際單位制，壓力選擇MPaG，溫度選擇℃，點(diǎn)擊OK保存。

1.3 添加組分

打開(kāi)菜單選項(xiàng) Thermophysical→Componentlist，得到組分輸入對(duì)話框，添加進(jìn)料組成6種組分至組分列表。

1.4 選擇熱力學(xué)模型

ChemCAD軟件提供了大量最新的熱力學(xué)計(jì)算方法，包含39種K值計(jì)算方法和13種焓計(jì)算方法，在這里根據(jù)三氯氫硅精餾分離物質(zhì)特性和經(jīng)驗(yàn)，打開(kāi)菜單選項(xiàng)Thermophysical→K- values，選擇SRK模型方程，相應(yīng)地焓值也選擇了SRK模型[3]。

1.5 輸入物流數(shù)據(jù)并定義各設(shè)備單元操作參數(shù)

通過(guò)Specification→Feed Streams菜單選項(xiàng)，打開(kāi)進(jìn)料物流對(duì)話框，輸入物流參數(shù)，此時(shí)注意，只需定義組成和溫度、壓力、汽相分率其中的兩個(gè)。

定義各單元操作參數(shù)時(shí)，根據(jù)實(shí)際塔板數(shù)和SITEC的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行，其中對(duì)于泵的設(shè)定參數(shù)以實(shí)際值為主。

1.6 運(yùn)行模擬計(jì)算

打開(kāi) Run →Run all 選項(xiàng)，或者單擊流程圖中的精餾塔圖標(biāo)，點(diǎn)右鍵選擇 Run This Unit Op，運(yùn)行模擬。Chemcad中提供了四種運(yùn)行的方式：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、靈敏度分析、優(yōu)化分析和動(dòng)態(tài)運(yùn)行，其中可以先實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬，然后可以通過(guò)確定模擬目標(biāo)變量，改變模擬參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。[4]

2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)Results→streams Composition→All streams菜單選項(xiàng)，可以查看各流股的組成，表1所列的是TCS和STC提純塔產(chǎn)品物流的模擬結(jié)果。

將模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)比較，包括塔頂溫度和物料組成非常接近，如模擬TCS塔塔釜的TCS物料，組成超過(guò)99.92%，物料溫度為82.21℃，這也與實(shí)際參數(shù)值81.9非常接近。

通過(guò) Plot→Tower Profiles菜單選項(xiàng)，可以查看各個(gè)精餾塔的一些參數(shù)，如各塔板的溫度、壓力、汽液相組成等。如TCS/STC分離塔各塔板溫度曲線如圖2所示。

當(dāng)進(jìn)料組成在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，要保證各塔的分離效果，必須調(diào)整塔頂和塔底的采出量，此時(shí)可以通過(guò)模擬給以指導(dǎo)。如TCS/STC分離塔進(jìn)料組成變化為：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、進(jìn)料量維持不變，要保證塔頂和塔釜組成，相應(yīng)的采出量調(diào)整為：塔頂由2489.06kg/h降為2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加為1267.14kg/h，而此時(shí)的溫度曲線如下圖3所示，這對(duì)操作來(lái)說(shuō)提供了較好的理論指導(dǎo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用 ChemCAD 能夠比較方便地模擬三氯氫硅精餾過(guò)程，通過(guò)模擬，可以得到三氯氫硅精餾塔的各種參數(shù)，對(duì)于進(jìn)行靈敏度分析，確定合適的操作條件，生產(chǎn)工藝技術(shù)改造都有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳聲宗.化工設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用戶使用手冊(cè)[S].2002.

[3]吳俊生，邵惠鶴.精餾設(shè)計(jì)、操作和控制[M].北京：中國(guó)石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程軟件對(duì)蒸餾過(guò)程的研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2006.

摘 要：ChemCAD是美國(guó)Chemstations公司開(kāi)發(fā)的化工流程模擬軟件，廣泛應(yīng)用于石油化工、工業(yè)安全、清潔生產(chǎn)等領(lǐng)域，為工藝開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。文章針對(duì)三氯氫硅精餾系統(tǒng)進(jìn)行模擬，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)工藝開(kāi)發(fā)、技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：ChemCAD；多晶硅；三氯氫硅；精餾塔；模擬

西門(mén)子法多晶硅生產(chǎn)工藝中，三氯氫硅精餾單元是其核心關(guān)鍵工序之一，精餾產(chǎn)品的性質(zhì)對(duì)整個(gè)多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)能力和消耗定額等方面都有著重大影響，因此精餾單元的穩(wěn)定運(yùn)行和工藝優(yōu)化對(duì)多晶硅生產(chǎn)有著重要意義。通過(guò)化工流程模擬軟件我們可以更科學(xué)更有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)多晶硅精餾系統(tǒng)的工藝開(kāi)發(fā)、流程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造，它不但能提供理論指導(dǎo)，還可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬，提供技術(shù)診斷方案，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)[1]。目前應(yīng)用比較廣泛的化工流程模擬軟件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美國(guó) Chemstations 公司開(kāi)發(fā)的全流程化工流程模擬軟件，它以圖形用戶界面方式輸入， 具有嚴(yán)格的和最新的計(jì)算方法，針對(duì)精餾系統(tǒng)提供的模塊較多，除基本上具備 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ軟件的各種功能，且價(jià)格相對(duì)低廉，因此對(duì)于三氯氫硅精餾系統(tǒng)選擇ChemCAD是比較適合的[2]。

1 全流程模擬的建立

1.1 流程模擬圖

本工藝流程為5塔流程，進(jìn)料組成為：DCS（二氯二氫硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3為主）0.16%、TCS（三氯氫硅）68.3%、MDCS（甲基氯硅烷）1.2%、STC（四氯化硅）27.866%、LEC（高沸物以聚氯硅烷和PCl3為代表）0.68%，進(jìn)料量3645.8kg/h，要求最終TCS和STC純度不低于99.9%，塔的操作壓力均為0.2MPaG，塔頂為全凝器。

1.2 選擇計(jì)算單位

打開(kāi)菜單選項(xiàng) Format →Engineering Units，按照給定的已知條件，選擇SI國(guó)際單位制，壓力選擇MPaG，溫度選擇℃，點(diǎn)擊OK保存。

1.3 添加組分

打開(kāi)菜單選項(xiàng) Thermophysical→Componentlist，得到組分輸入對(duì)話框，添加進(jìn)料組成6種組分至組分列表。

1.4 選擇熱力學(xué)模型

ChemCAD軟件提供了大量最新的熱力學(xué)計(jì)算方法，包含39種K值計(jì)算方法和13種焓計(jì)算方法，在這里根據(jù)三氯氫硅精餾分離物質(zhì)特性和經(jīng)驗(yàn)，打開(kāi)菜單選項(xiàng)Thermophysical→K- values，選擇SRK模型方程，相應(yīng)地焓值也選擇了SRK模型[3]。

1.5 輸入物流數(shù)據(jù)并定義各設(shè)備單元操作參數(shù)

通過(guò)Specification→Feed Streams菜單選項(xiàng)，打開(kāi)進(jìn)料物流對(duì)話框，輸入物流參數(shù)，此時(shí)注意，只需定義組成和溫度、壓力、汽相分率其中的兩個(gè)。

定義各單元操作參數(shù)時(shí)，根據(jù)實(shí)際塔板數(shù)和SITEC的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行，其中對(duì)于泵的設(shè)定參數(shù)以實(shí)際值為主。

1.6 運(yùn)行模擬計(jì)算

打開(kāi) Run →Run all 選項(xiàng)，或者單擊流程圖中的精餾塔圖標(biāo)，點(diǎn)右鍵選擇 Run This Unit Op，運(yùn)行模擬。Chemcad中提供了四種運(yùn)行的方式：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、靈敏度分析、優(yōu)化分析和動(dòng)態(tài)運(yùn)行，其中可以先實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬，然后可以通過(guò)確定模擬目標(biāo)變量，改變模擬參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。[4]

2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)Results→streams Composition→All streams菜單選項(xiàng)，可以查看各流股的組成，表1所列的是TCS和STC提純塔產(chǎn)品物流的模擬結(jié)果。

將模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)比較，包括塔頂溫度和物料組成非常接近，如模擬TCS塔塔釜的TCS物料，組成超過(guò)99.92%，物料溫度為82.21℃，這也與實(shí)際參數(shù)值81.9非常接近。

通過(guò) Plot→Tower Profiles菜單選項(xiàng)，可以查看各個(gè)精餾塔的一些參數(shù)，如各塔板的溫度、壓力、汽液相組成等。如TCS/STC分離塔各塔板溫度曲線如圖2所示。

當(dāng)進(jìn)料組成在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，要保證各塔的分離效果，必須調(diào)整塔頂和塔底的采出量，此時(shí)可以通過(guò)模擬給以指導(dǎo)。如TCS/STC分離塔進(jìn)料組成變化為：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、進(jìn)料量維持不變，要保證塔頂和塔釜組成，相應(yīng)的采出量調(diào)整為：塔頂由2489.06kg/h降為2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加為1267.14kg/h，而此時(shí)的溫度曲線如下圖3所示，這對(duì)操作來(lái)說(shuō)提供了較好的理論指導(dǎo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用 ChemCAD 能夠比較方便地模擬三氯氫硅精餾過(guò)程，通過(guò)模擬，可以得到三氯氫硅精餾塔的各種參數(shù)，對(duì)于進(jìn)行靈敏度分析，確定合適的操作條件，生產(chǎn)工藝技術(shù)改造都有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳聲宗.化工設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用戶使用手冊(cè)[S].2002.

[3]吳俊生，邵惠鶴.精餾設(shè)計(jì)、操作和控制[M].北京：中國(guó)石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程軟件對(duì)蒸餾過(guò)程的研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2006.

摘 要：ChemCAD是美國(guó)Chemstations公司開(kāi)發(fā)的化工流程模擬軟件，廣泛應(yīng)用于石油化工、工業(yè)安全、清潔生產(chǎn)等領(lǐng)域，為工藝開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。文章針對(duì)三氯氫硅精餾系統(tǒng)進(jìn)行模擬，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)工藝開(kāi)發(fā)、技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：ChemCAD；多晶硅；三氯氫硅；精餾塔；模擬

西門(mén)子法多晶硅生產(chǎn)工藝中，三氯氫硅精餾單元是其核心關(guān)鍵工序之一，精餾產(chǎn)品的性質(zhì)對(duì)整個(gè)多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)能力和消耗定額等方面都有著重大影響，因此精餾單元的穩(wěn)定運(yùn)行和工藝優(yōu)化對(duì)多晶硅生產(chǎn)有著重要意義。通過(guò)化工流程模擬軟件我們可以更科學(xué)更有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)多晶硅精餾系統(tǒng)的工藝開(kāi)發(fā)、流程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造，它不但能提供理論指導(dǎo)，還可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬，提供技術(shù)診斷方案，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)[1]。目前應(yīng)用比較廣泛的化工流程模擬軟件有As pen Plus、Pro/Ⅱ和ChemCAD等，其中ChemCAD 是美國(guó) Chemstations 公司開(kāi)發(fā)的全流程化工流程模擬軟件，它以圖形用戶界面方式輸入， 具有嚴(yán)格的和最新的計(jì)算方法，針對(duì)精餾系統(tǒng)提供的模塊較多，除基本上具備 Aspen Plus和 Pro/Ⅱ軟件的各種功能，且價(jià)格相對(duì)低廉，因此對(duì)于三氯氫硅精餾系統(tǒng)選擇ChemCAD是比較適合的[2]。

1 全流程模擬的建立

1.1 流程模擬圖

本工藝流程為5塔流程，進(jìn)料組成為：DCS（二氯二氫硅）1.8%、HEC（低沸物以BCl3為主）0.16%、TCS（三氯氫硅）68.3%、MDCS（甲基氯硅烷）1.2%、STC（四氯化硅）27.866%、LEC（高沸物以聚氯硅烷和PCl3為代表）0.68%，進(jìn)料量3645.8kg/h，要求最終TCS和STC純度不低于99.9%，塔的操作壓力均為0.2MPaG，塔頂為全凝器。

1.2 選擇計(jì)算單位

打開(kāi)菜單選項(xiàng) Format →Engineering Units，按照給定的已知條件，選擇SI國(guó)際單位制，壓力選擇MPaG，溫度選擇℃，點(diǎn)擊OK保存。

1.3 添加組分

打開(kāi)菜單選項(xiàng) Thermophysical→Componentlist，得到組分輸入對(duì)話框，添加進(jìn)料組成6種組分至組分列表。

1.4 選擇熱力學(xué)模型

ChemCAD軟件提供了大量最新的熱力學(xué)計(jì)算方法，包含39種K值計(jì)算方法和13種焓計(jì)算方法，在這里根據(jù)三氯氫硅精餾分離物質(zhì)特性和經(jīng)驗(yàn)，打開(kāi)菜單選項(xiàng)Thermophysical→K- values，選擇SRK模型方程，相應(yīng)地焓值也選擇了SRK模型[3]。

1.5 輸入物流數(shù)據(jù)并定義各設(shè)備單元操作參數(shù)

通過(guò)Specification→Feed Streams菜單選項(xiàng)，打開(kāi)進(jìn)料物流對(duì)話框，輸入物流參數(shù)，此時(shí)注意，只需定義組成和溫度、壓力、汽相分率其中的兩個(gè)。

定義各單元操作參數(shù)時(shí)，根據(jù)實(shí)際塔板數(shù)和SITEC的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行，其中對(duì)于泵的設(shè)定參數(shù)以實(shí)際值為主。

1.6 運(yùn)行模擬計(jì)算

打開(kāi) Run →Run all 選項(xiàng)，或者單擊流程圖中的精餾塔圖標(biāo)，點(diǎn)右鍵選擇 Run This Unit Op，運(yùn)行模擬。Chemcad中提供了四種運(yùn)行的方式：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、靈敏度分析、優(yōu)化分析和動(dòng)態(tài)運(yùn)行，其中可以先實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬，然后可以通過(guò)確定模擬目標(biāo)變量，改變模擬參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。[4]

2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)Results→streams Composition→All streams菜單選項(xiàng)，可以查看各流股的組成，表1所列的是TCS和STC提純塔產(chǎn)品物流的模擬結(jié)果。

將模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)比較，包括塔頂溫度和物料組成非常接近，如模擬TCS塔塔釜的TCS物料，組成超過(guò)99.92%，物料溫度為82.21℃，這也與實(shí)際參數(shù)值81.9非常接近。

通過(guò) Plot→Tower Profiles菜單選項(xiàng)，可以查看各個(gè)精餾塔的一些參數(shù)，如各塔板的溫度、壓力、汽液相組成等。如TCS/STC分離塔各塔板溫度曲線如圖2所示。

當(dāng)進(jìn)料組成在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，要保證各塔的分離效果，必須調(diào)整塔頂和塔底的采出量，此時(shí)可以通過(guò)模擬給以指導(dǎo)。如TCS/STC分離塔進(jìn)料組成變化為：DCS3%、TCS63.5%、STC32.38%、進(jìn)料量維持不變，要保證塔頂和塔釜組成，相應(yīng)的采出量調(diào)整為：塔頂由2489.06kg/h降為2065.54kg/h，塔釜由978.2kg/h增加為1267.14kg/h，而此時(shí)的溫度曲線如下圖3所示，這對(duì)操作來(lái)說(shuō)提供了較好的理論指導(dǎo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用 ChemCAD 能夠比較方便地模擬三氯氫硅精餾過(guò)程，通過(guò)模擬，可以得到三氯氫硅精餾塔的各種參數(shù)，對(duì)于進(jìn)行靈敏度分析，確定合適的操作條件，生產(chǎn)工藝技術(shù)改造都有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳聲宗.化工設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出社，2001.

[2]Chemstations公司（美）.ChemCAD5.2用戶使用手冊(cè)[S].2002.

[3]吳俊生，邵惠鶴.精餾設(shè)計(jì)、操作和控制[M].北京：中國(guó)石化出版社，1997.

[4]曹玲.基于Excel、Matlab和ChemCAD工程軟件對(duì)蒸餾過(guò)程的研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2006.