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

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。