楊 楠

(新疆東方希望新能源有限公司，新疆 昌吉 831799)

氯硅烷精餾孔板波紋填料塔直徑計算

楊 楠

(新疆東方希望新能源有限公司，新疆 昌吉 831799)

根據(jù)氯硅烷精餾脫輕塔氣液相負(fù)荷和相關(guān)物性參數(shù)，采用Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式計算了250Y型金屬孔板波紋填料在精餾段和提餾段頂、底的液泛氣速。在運行工況條件下，獲得最小空塔氣速所對應(yīng)的塔徑為Φ2500mm，結(jié)果采用F.R.I.進(jìn)行了校核，為氯硅烷精餾填料塔塔徑選擇提供參考。

氯硅烷；精餾；孔板波紋填料；泛點氣速；塔徑

在改良西門子法制備多晶硅工藝過程中，SiHCl3的純度直接影響了多晶硅的品質(zhì)。目前SiHCl3的分離提純主要采用精餾方法。填料塔具有通量高，操作彈性大，在氯硅烷精餾中得到廣泛應(yīng)用。但金屬絲網(wǎng)填料造價高、忌堵塞和怕腐蝕；同時散堆填料分離效率低。而金屬孔板波紋規(guī)整填料可以克服前二者的局限性。不銹鋼金屬孔板波紋填料，保持了絲網(wǎng)波紋填料的幾何規(guī)則結(jié)構(gòu)特點，薄片加溝紋的結(jié)構(gòu)起到了細(xì)分配液體的作用，增強了液體均布和填料潤濕的性能，提高了傳質(zhì)效率?？装宀y填料具有不同的型號，其中250Y型孔板波紋規(guī)整填料[1]，是研究最多，工業(yè)應(yīng)用最廣的一種。針對250Y型孔板波紋規(guī)整填料，需合理選擇塔徑，避免塔徑偏小發(fā)生液泛，塔徑過大造成氣液分布不均和投資浪費等問題。本文分別根據(jù)氯硅烷精餾工藝中脫輕塔的精餾段和提餾段頂、底的的氣液相負(fù)荷和相關(guān)物性參數(shù)，采用Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式，計算了250Y型金屬孔板波紋填料塔的液泛氣速。在此基礎(chǔ)上，獲得所對應(yīng)的塔徑塔徑。

1 工藝及水力學(xué)條件

氯硅烷精餾脫輕塔，總進(jìn)料流量50,000 kg/h，其中SiHCl3含量97.39%(wt，下同)，SiH2Cl2為1.60%，SICl4為1.00%，BCl3為100 ppm，泡點進(jìn)料。要求塔釜SiHCl3收率≥99.0%，BCl3≤5 ppb。為避免泵氣蝕，回流液過冷至45℃，工藝計算如圖1。

經(jīng)Aspen plus模擬，氯硅烷脫輕塔所需理論塔板數(shù)50塊，塔頂采出量1200 kg/h，回流比R為125.83，進(jìn)料位置在第11塊理論板。

圖2為氯硅烷脫輕塔正常運行工況的氣液相負(fù)荷。

圖2 脫輕塔氣液相負(fù)荷

由圖2可知，脫輕塔精餾段氣液相負(fù)荷相差不大，而提餾段為液相負(fù)荷較大。

表1為精餾段、提餾段的頂、底氣液相密度、黏度和表面張力等參數(shù)。

表1 氣液相物性參數(shù)

2 塔徑計算結(jié)果與分析

2.1 Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式塔徑計算

在進(jìn)行填料塔的塔徑計算時，通常先計算其液泛氣速，再根據(jù)經(jīng)驗選擇合適的液泛因子(50%～80%)[2]確定空塔氣速，從而決定所需填料塔的塔徑[3]。液泛氣速是填料塔設(shè)計的重要參數(shù)，只有在液泛氣速以下，填料塔能才可能穩(wěn)定的操作。所以液泛氣速是確定塔徑的主要依據(jù)。目前有多種方法和計算公式計算液泛氣速[4-6]，而Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式[7]：

uF-泛點氣速，m/s；

g-重力加速度，9.81m/s2；

a-填料比表面積，m2/m3；

ε-填料孔隙率；

ρV-氣體密度，kg/m3；

ρL-液體密度，kg/m3；

μL-液體黏度，cP；

WL-液體流量，kg/h；

WV-氣體流量，kg/h；

A-參數(shù)。

計算所得液泛氣速結(jié)果偏差較小[8-10]，在工程上得以廣泛運用。

表2為Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式計算所得液泛氣速和液泛因子β為0.8時所對應(yīng)的塔徑。

表2 液泛氣速與塔徑(β=0.8)

Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式以早期的Sherwood關(guān)聯(lián)式為基礎(chǔ)，通過大量地填料塔液泛氣速研究進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸而得到。對于250Y型不銹鋼金屬板波紋填料，比表面積α為250 m2/m3，空隙率ε為95%，波紋傾角45°，峰高12mm[11]，參數(shù)A取為0.291[12]。

從表2可見，脫輕塔提餾段塔徑最大。

在相應(yīng)工況下，塔徑D不應(yīng)小于Φ2500 mm。

2.2 F.R.I水力學(xué)校核

F.R.I.(Fractionation ResearchInc. 美國精餾中心)開發(fā)了能夠核算規(guī)整填料的軟件F.R.I. Device Rating Progarm，該軟件研究了包括Sulzer，Koch和Glitsch等多個制造商所設(shè)計的各種不同規(guī)整填料。F.R.I.采用不同二元體系，壓力從16mmHg到27.6bar，確定了床層高度、汽體分布、體系物性對規(guī)整填料性能的影響。根據(jù)F.R.I.實驗結(jié)果開發(fā)的規(guī)整填料性能模型，可以幫助設(shè)計規(guī)整填料塔，有合理的可信度[13]。使用該程序的試差法，可以確定滿足設(shè)計判據(jù)的塔結(jié)構(gòu)。

表3為采用F.R.I.對氯硅烷脫輕塔，塔徑D為Φ2500 mm時的水力學(xué)校核結(jié)果。

表3 F.R.I.水力學(xué)校核結(jié)果

從表3可見，脫輕塔提餾段塔徑Φ2500 mm時，經(jīng)F.R.I.校核，提餾段液泛因子β為0.744。壓降ΔP低于0.20Pa/m，等板高度HETP大約500 mm左右。同時對于精餾段，由于塔徑較Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式結(jié)果大，故氣相動能因子F和氣相負(fù)荷因子Cs均小于表2的結(jié)果。

另外，根據(jù)圖3Sulzer Mellapak 250Y型填料性能曲線[14]，表3中氣相動能因子F所對應(yīng)范圍內(nèi)，填料塔的等板高度HETP和壓降ΔP均與曲線相吻合，即氯硅烷脫氫塔在工況運行條件下，塔徑DΦ2500 mm滿足塔的水力學(xué)要求。

圖3 Sulzer Mellapak 250型填料性能曲線

3 結(jié)論

采用Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式可以計算采用孔板波紋填料的氯硅烷精餾脫輕塔直徑，在運行工況條件下，填料塔直徑不應(yīng)小于Φ2500 mm。結(jié)果采用F.R.I校核，與Sulzer Mellapak 250Y型填料性能曲線相符合。為其他氯硅烷精餾250Y型金屬孔板波紋填料在塔徑計算時提供參考。

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[14] Sulzer,Structured Packings Energy-efficient,innovative and profitable[EB/OL].http://www.sulzer.com/zh/Products-and-Services/Separation-Technology/Structured-Packings.

(本文文獻(xiàn)格式：楊 楠.氯硅烷精餾孔板波紋填料塔直徑計算[J].山東化工,2017,46(15):105-106,109.)

Calculation of the Diameter of the Corrugated-plate-pack Column for Chlorosilane

YangNan

(Xinjiang East Hope New Energy Co.,Ltd.,Changji 831799,China)

According to the gas-liquid load of the distillation column removing the light impurities from chlorosilane,and related physical parameters,the flooding velocity of the column in which loaded 250Y metal packing is calculated by Bain-Hougen correlations,both at the top and bottom of the rectifying and stripper section separately. Under the operating conditions,the column diameter corresponding the minimum gas velocity is 2500mm. The results are checked by F.R.I..

chlorosilane;distillation;corrugated plate packing;flooding velocity;column diameter

2017-05-26

楊 楠(1977—)，男，四川眉山人，從事改良西門子工藝制備多晶硅的研究。

TQ015

B

1008-021X(2017)15-0105-02