CN102153092A - 一种热泵精馏与多效精馏集成的三氯氢硅提纯装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种热泵精馏与多效精馏集成的三氯氢硅提纯装置及工艺，利用高压塔即脱重塔的塔顶蒸汽来加热低压塔即脱轻塔的塔釜液体，而脱重塔塔顶蒸汽被冷凝，此过程为多效精馏过程；同时又将脱轻塔的塔顶蒸汽经过压缩机升压升温后去加热脱重塔的塔釜液体，而脱轻塔塔顶蒸汽被冷凝，此过程为热泵精馏过程；整个过程实现了热泵精馏与多效精馏的集成。整个工艺流程增加了一台压缩机以及利用两台换热器实现精馏系统内部的热量交换过程，同时省去了所有冷凝器和再沸器，亦即过程中只是增加了一台压缩机的少量电耗，却节省了大量的冷量与热量公用工程，从而使得整个三氯氢硅的精馏提纯过程能耗大大降低。
Description
技术领域
本发明属于精馏技术领域，涉及热泵精馏与多效精馏的装置及工艺，特别涉及一种应用于三氯氢硅提纯的热泵精馏与多效精馏集成装置及工艺。
背景技术
目前多晶硅生产企业主要采用改良西门子法。该方法包括五个主要环节：三氯氢硅的合成、三氯氢硅的精馏提纯、三氯氢硅的氢还原、尾气的回收和四氯化硅的氢化分离。其中，三氯氢硅的提纯、尾气回收分离等环节涉及精馏过程，所需的精馏系统具有高回流比和高理论板特征，要求B、P等杂质含量在PPT数量级，是公认的高能耗、高污染过程。
热泵精馏与多效精馏作为两种能有效提高精馏过程热效率的节能技术，已广泛用于各种化工生产中。常规的精馏塔都是从塔顶冷凝器取走热量，同时向塔釜再沸器供给热量，通常塔顶冷凝器取走的热量是塔釜再沸器加入热量的90％左右，能量利用很不合理。利用热泵精馏则实现了将塔顶冷凝器取走的热量传递给塔釜再沸器，大幅度地降低了能耗。通常热泵的成绩系数为3～4左右，也就是说，热泵能够将自身所需能量的3至4倍的热能从低温物体传送到高温物体，而性能较高的热泵成绩系数能达到6～8。多效精馏是将精馏塔分成能位不同的多塔，能位较高塔的顶蒸汽向能位较低塔的再沸器供热，同时它自己被冷凝。这样，在多效精馏中只是第一个塔的塔釜需要加入热量，最后一个塔的塔顶蒸汽用冷却介质进行冷凝，而其余各塔则不再需要有外界进行供热和冷却，所以它具有非常明显的节能效果。理论上讲，与单塔相比，由双塔组成的双效精馏的节能效果为50％，三效精馏的节能效果为67％。
近几年，随着多晶硅逐渐成为国家优先发展的战略产业，改进多晶硅生产工艺中的三氯氢硅精馏提纯技术使其节能降耗的任务日趋重要与紧迫。目前，该领域对热泵精馏和多效精馏技术的引进非常短缺，而将热泵精馏与多效精馏集成的技术则更是空白。
发明内容
本发明的一种热泵精馏与多效精馏集成的三氯氢硅提纯装置与工艺，目的在于克服现有设备与技术的上述缺点，提供一种用于三氯氢硅提纯的热泵精馏与多效精馏集成的装置及工艺，采用该工艺可大大降低三氯氢硅精馏提纯过程中的能耗。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种热泵精馏与多效精馏集成的三氯氢硅提纯装置及工艺，分别将热泵精馏(如图1所示)与多效精馏(如图2所示)应用于三氯氢硅精馏过程，并且将二者结合起来(如图3所示)加以利用，进一步达到节能降耗的效果。该工艺流程包括两个或三个精馏塔，一台压缩机，两台或三台换热器以及若干条物料管线等。将高压塔的塔顶蒸汽与低压塔的塔釜液体换热，同时将低压塔的塔顶蒸汽通过热泵装置升压升温后与高压塔的塔釜液体换热，这样各塔塔釜液体被加热的同时，塔顶蒸汽也被冷凝。整个工艺流程只是增加了一台压缩机以及利用两至三台换热器实现精馏系统内部的热量交换过程，但省去了所有冷凝器和再沸器，即过程中只是增加了一台压缩机的少量电耗，而却节约了大量的冷量与热量公用工程，从而使得整个三氯氢硅的精馏提纯过程大大降低了能耗。
本发明的一种热泵精馏与多效精馏集成的三氯氢硅提纯装置，包括脱轻塔、脱重塔、压缩机、换热器及物料管线；其特征在于热泵精馏与双效精馏或三效精馏的集成装置。
热泵精馏与双效精馏的集成工艺，将脱重塔2的塔顶蒸汽与脱轻塔1的塔釜液体换热，同时将脱轻塔1的塔顶蒸汽通过热泵装置7升压升温后与脱重塔2的塔釜液体换热。
如图3所示，脱轻塔1中部设进料口，塔底出料管线一条通过换热器I 4升温后返回脱轻塔1内底部，另一条管经与脱重塔2的中部连接作为脱重塔的进料；脱轻塔1塔顶出料管线先经压缩机7升压升温后再经过换热器II 5与脱重塔2塔底出料管线换热，之后一条管线返回脱轻塔1内顶部回流，另一条管线踩出；脱重塔2以脱轻塔1塔釜采出液作为进料，脱重塔2塔底出料管线与经压缩机7升压升温后的脱轻塔1塔顶蒸汽在换热器II 5换热后一条管线返回脱重塔2塔釜，另一条管线踩出；脱重塔2塔顶蒸汽经换热器I 4与脱轻塔1塔釜液体换热后一条管线返回脱重塔2塔顶回流，另一条管线踩出高纯三氯氢硅。
热泵精馏与三效精馏的集成工艺，将脱重塔2的塔顶蒸汽与脱轻塔1的塔釜液体换热，二次脱轻塔3的塔顶蒸汽与脱重塔2的塔釜液体换热，同时将脱轻塔1的塔顶蒸汽通过热泵装置7升压升温后与二次脱轻塔3的塔釜液体换热。
如图4所示，脱轻塔1中部设进料口，塔顶蒸汽经压缩机7升压升温后通过换热器III6加热二次脱轻塔3塔釜流出的液体，同时脱轻塔1塔顶蒸汽被冷凝后，一条管线返回脱轻塔顶部回流，另一条管线采出；脱轻塔1塔釜流出的液体一条管线被脱重塔2的塔顶蒸汽加热后返回脱轻塔1底部，另一条管线连接到脱重塔2中部作为脱重塔2的进料；脱重塔2的塔顶蒸汽与脱轻塔1的塔釜液体换热后被冷凝，一条管线返回脱重塔2的顶部回流，另一条连接到二次脱轻塔3的中部作为二次脱轻塔3塔的进料，脱重塔2塔釜流出的液体一条管线被二次脱轻塔3的塔顶蒸汽在换热器II 5中加热后返回脱重塔2底部，另一条采出；二次脱轻塔3的塔顶蒸汽在换热器II 5中被脱重塔2塔釜流出的液体冷凝后一条管线返回塔顶入回流，另一条管线连接到脱轻塔1的进料管线上继续进行精馏过程，二次脱轻塔3塔釜流出的液体一条管线被经过压缩机7升压升温的脱轻塔1的塔顶蒸汽加热后返回二次脱轻塔3底部，另一条管线则采出高纯三氯氢硅；脱重塔2的塔顶蒸汽加热脱轻塔1的塔釜液体，同时脱重塔2的塔顶蒸汽被冷却，二次脱轻塔3的塔顶蒸汽加热脱重塔2的塔釜液体，同时二次脱轻塔3的塔顶蒸汽被冷却。
本发明的特征在于对三氯氢硅的提纯应用了热泵精馏与多效精馏集成的装置及工艺，利用高压塔即脱重塔的塔顶蒸汽来加热低压塔即脱轻塔的塔釜液体，而脱重塔塔顶蒸汽被冷凝，此过程为多效精馏过程；同时又将脱轻塔的塔顶蒸汽经过压缩机升压升温后去加热脱重塔的塔釜液体，而脱轻塔塔顶蒸汽被冷凝，此过程为热泵精馏过程；整个过程实现了热泵精馏与多效精馏的集成，而整个工艺流程只是增加了一台压缩机以及利用两台换热器实现精馏系统内部的热量交换过程，但省去了所有冷凝器和再沸器。
本发明的效果和优点是，利用热泵精馏与多效精馏集成的装置及工艺提纯精馏三氯氢硅的过程不需要冷凝器与再沸器，节省了大量的冷量与热量公用工程；过程中只是增加了一台压缩机的少量电耗，从而使得整个三氯氢硅的精馏提纯过程大大降低了能耗。
附图说明
图1为热泵精馏装置及工艺示意图；
图2为多效精馏装置及工艺示意图；
图3为本发明的热泵精馏与双效精馏集成的三氯氢硅提纯精馏装置及工艺示意图；
图4为本发明的热泵精馏与三效精馏集成的三氯氢硅提纯精馏装置及工艺示意图；
图5为现有的三氯氢硅提纯精馏装置及工艺示意图；
其中，1-脱轻塔，2-脱重塔，3-二次脱轻塔，4-换热器I，5-换热器II，6-换热器III，7-压缩机，8-再沸器I，9-再沸器II，10-冷凝器I，11-冷凝器II。
具体实施方式
下面根据附图对本发明作进一步的详细说明：
本发明的热泵精馏与多效精馏集成的三氯氢硅提纯装置与工艺，分别将热泵精馏(如图1所示)与多效精馏(如图2所示)应用于三氯氢硅精馏过程，并且将二者结合起来(如图3所示)加以利用，进一步达到节能降耗的效果。该工艺流程包括两座或三座精馏塔，一台压缩机，两台或三台换热器以及若干条物料管线等。该精馏过程中，利用高压塔即脱重塔的塔顶蒸汽来加热低压塔即脱轻塔的塔釜液体，而高压塔即脱重塔塔顶蒸汽被冷凝，实现多效精馏过程；同时又将脱轻塔的塔顶蒸汽经过压缩机升压升温后去加热脱重塔的塔釜液体，而脱轻塔塔顶蒸汽被冷凝，实现热泵精馏过程，整个过程实现了热泵精馏与多效精馏的集成。利用热泵精馏与多效精馏集成的工艺提纯精馏三氯氢硅的工艺，与现有的精馏系统相比，工艺流程只是增加了一个压缩机以及利用两至三台换热器实现精馏系统内部的热量交换过程，但整个过程不需要冷凝器与再沸器，即只是增加了少量电耗，但却节省了大量的冷量与热量公用工程从而使得三氯氢硅的精馏提纯过程能耗大大降低。
实施例1：如图3所示，热泵精馏与双效精馏集成来提纯三氯氢硅的生产装置及其工艺流程，包括脱轻塔1、脱重塔2、压缩机7、换热器I 4、换热器II 5以及若干物料管线等。脱轻塔1中部设进料口，塔底出料管线一条通过换热器I 4升温后返回脱轻塔1内底部，另一条管经与脱重塔2的中部连接作为脱重塔的进料；脱轻塔1塔顶出料管线先经压缩机7升压升温后再经过换热器II 5与脱重塔2塔底出料管线换热，之后一条管线返回脱轻塔1内顶部回流，另一条管线踩出，该过程即为热泵精馏过程；脱重塔2以脱轻塔1塔釜采出液作为进料，脱重塔2塔底出料管线与经压缩机7升压升温后的脱轻塔1塔顶蒸汽在换热器II 5换热后一条管线返回脱重塔2塔釜，另一条管线踩出；脱重塔2塔顶蒸汽经换热器I 4与脱轻塔1塔釜液体换热后一条管线返回脱重塔2塔顶回流，另一条管线踩出高纯三氯氢硅，该过程即为双效精馏过程，整个过程实现了热泵精馏与多效精馏的集成。与图5所示的传统工艺流程相比，热泵精馏与多效精馏集成的工艺省去了两个再沸器8、9和两个冷凝器10、11，节省了大量的热量和冷量公用工程，而只是增加了压缩机的少量电耗。通常热泵的成绩系数为3～4左右，也就是说，热泵系统能够将自身所需能量的3至4倍的热能从低温物体传送到高温物体，而性能较高的热泵成绩系数能达到6～8。同时，双效精馏也比单塔精馏理论值节能50％，可见利用本发明的热泵精馏与多效精馏集成提纯三氯氢硅的工艺比传统的三氯氢硅精馏工艺大大降低了能耗。
现有的三氯氢硅的提纯装置与工艺，脱轻塔、脱重塔均安装有各自的冷凝器和再沸器，即共设有两个冷凝器和两个再沸器，冷凝器和再沸器的公用工程能耗为1000KW，则三氯氢硅精馏系统总能耗为4000KW；而相同工艺条件下，热泵精馏与双效精馏集成的三氯氢硅提纯装置与工艺中，只是一台压缩机能耗300KW。可见利用本发明的热泵精馏与多效精馏集成提纯三氯氢硅的工艺比传统的三氯氢硅精馏工艺大大降低了能耗。
实施例2：如图4所示，热泵精馏与三效精馏集成来提纯三氯氢硅的工艺及其生产装置，包括脱轻塔1、脱重塔2、二次脱轻塔3、压缩机7、换热器I 4、换热器II 5、换热器III 6以及若干物料管线。其中三塔压力水平，二次脱轻塔3最高，脱重塔2次之，脱轻塔1最低。脱轻塔1中部设进料口，塔顶蒸汽经压缩机7升压升温后通过换热器III 6加热二次脱轻塔3塔釜流出的液体，同时脱轻塔1塔顶蒸汽被冷凝后，一条管线返回脱轻塔顶部回流，另一条管线采出，该过程实现了热泵精馏过程；脱轻塔1塔釜流出的液体一条管线被脱重塔2的塔顶蒸汽加热后返回脱轻塔1底部，另一条管线连接到脱重塔2中部作为脱重塔2的进料；脱重塔2的塔顶蒸汽与脱轻塔1的塔釜液体换热后被冷凝，一条管线返回脱重塔2的顶部回流，另一条连接到二次脱轻塔3的中部作为二次脱轻塔3塔的进料，脱重塔2塔釜流出的液体一条管线被二次脱轻塔3的塔顶蒸汽在换热器II 5中加热后返回脱重塔2底部，另一条采出；二次脱轻塔3的塔顶蒸汽在换热器II 5中被脱重塔2塔釜流出的液体冷凝后一条管线返回二次脱轻塔3的顶部回流，另一条管线连接到脱轻塔1的进料管线上继续进行精馏过程，二次脱轻塔3塔釜流出的液体一条管线被经过压缩机7升压升温的脱轻塔1的塔顶蒸汽加热后返回二次脱轻塔3底部，另一条管线则采出高纯三氯氢硅；脱重塔2的塔顶蒸汽加热脱轻塔1的塔釜液体，同时脱重塔2的塔顶蒸汽被冷却，二次脱轻塔3的塔顶蒸汽加热脱重塔2的塔釜液体，同时二次脱轻塔3的塔顶蒸汽被冷却，实现了三效精馏过程，整个过程实现了热泵精馏与多效精馏的集成。
与现有的三氯氢硅提纯装置及工艺相比，脱轻塔、脱重塔、二次脱轻塔三塔均安装有各自的冷凝器和再沸器，即共设有三个冷凝器和三个再沸器，冷凝器和再沸器的公用工程能耗为1000KW，则三氯氢硅精馏系统总能耗为6000KW；而相同工艺条件下，热泵精馏与三效精馏集成的三氯氢硅提纯装置与工艺中，只是一台压缩机能耗300KW，约为原能耗的1/20。可见利用本发明的热泵精馏与多效精馏集成提纯三氯氢硅的工艺比传统的三氯氢硅精馏工艺大大降低了能耗。
热泵精馏与多效精馏集成的装置工艺不仅可以用于三氯氢硅的精馏提纯过程，还可以用在多晶硅生产过程的尾气回收分离等精馏过程。采用该工艺，可大大降低三氯氢硅精馏提纯工程中的能耗，从而降低了多晶硅生产过程的能耗。
Claims (5)
1.一种热泵精馏与多效精馏集成的三氯氢硅提纯装置，包括脱轻塔、脱重塔、压缩机、换热器及物料管线等；其特征在于热泵精馏与双效精馏或三效精馏的集成装置。
2.权利要求1所述提纯装置的热泵精馏与双效精馏集成工艺，其特征是将脱重塔(2)的塔顶蒸汽与脱轻塔(1)的塔釜液体换热，同时将脱轻塔(1)的塔顶蒸汽通过热泵装置(7)升压升温后与脱重塔(2)的塔釜液体换热。
3.如权利要求2所述的工艺，其特征是脱轻塔(1)中部设进料口，塔底出料管线一条通过换热器I(4)升温后返回脱轻塔(1)底部，另一条与脱重塔(2)的中部连接作为脱重塔(2)的进料；脱轻塔(1)塔顶出料管线先经压缩机(7)升压升温后再经过换热器II(5)与脱重塔(2)塔底出料管线换热，之后一条管线返回脱轻塔(1)顶部回流，另一条管线踩出；脱重塔(2)以脱轻塔(1)塔釜采出液作为进料，脱重塔(2)塔底出料管线与经压缩机(7)升压升温后的脱轻塔(1)塔顶蒸汽在换热器II(5)换热后一条管线返回脱重塔(2)塔釜，另一条管线踩出；脱重塔(2)塔顶蒸汽经换热器I(4)与脱轻塔(1)塔釜液体换热后一条管线返回脱重塔(2)塔顶回流，另一条管线踩出高纯三氯氢硅。
4.权利要求1所述提纯装置的热泵精馏与三效精馏集成工艺，其特征是将脱重塔(2)的塔顶蒸汽与脱轻塔(1)的塔釜液体换热，二次脱轻塔(3)的塔顶蒸汽与脱重塔(2)的塔釜液体换热，同时将脱轻塔(1)的塔顶蒸汽通过热泵装置(7)升压升温后与二次脱轻塔(3)的塔釜液体换热。
5.如权利要求4所述的工艺，其特征是脱轻塔(1)中部设进料口，塔顶蒸汽经压缩机(7)升压升温后通过换热器III(6)加热二次脱轻塔(3)塔釜流出的液体，同时脱轻塔(1)塔顶蒸汽被冷凝后，一条管线返回脱轻塔顶部回流，另一条管线采出；脱轻塔(1)塔釜流出的液体一条管线被脱重塔(2)的塔顶蒸汽加热后返回脱轻塔(1)底部，另一条管线连接到脱重塔(2)中部作为脱重塔(2)的进料；脱重塔(2)的塔顶蒸汽与脱轻塔(1)的塔釜液体换热后被冷凝，一条管线返回脱重塔(2)的顶部回流，另一条连接到二次脱轻塔(3)的中部作为二次脱轻塔(3)塔的进料，脱重塔(2)塔釜流出的液体一条管线被二次脱轻塔(3)的塔顶蒸汽在换热器II(5)中加热后返回脱重塔(2)底部，另一条管线采出；二次脱轻塔(3)的塔顶蒸汽在换热器II(5)中被脱重塔(2)塔釜流出的液体冷凝后一条管线返回塔顶回流，另一条管线连接到脱轻塔(1)的进料管线上继续进行精馏过程，二次脱轻塔(3)塔釜流出的液体一条管线被经过压缩机(7)升压升温的脱轻塔(1)的塔顶蒸汽加热后返回二次脱轻塔(3)底部，另一条管线则采出高纯三氯氢硅。
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