吸收塔理論板的空間體積和持液量對低濃度雜質吸收效果的影響

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

0 前言

近兩年來，多晶硅產品品質開始由太陽能級向電子級轉變，對氫氣中的雜質含量要求也越來越嚴格，接近電子氣的質量要求。在氫氣的凈化過程中，通常采用吸收的方法回收氫氣中的氯化氫，以及分離氫氣中其他微量且難以被活性炭吸附的輕組分物質。

在以往設計吸收塔時，一般使用穩態流程模擬軟件，如Aspen、Hysys、PROII、ChamCAD 等，先計算理論板數，再計算吸收塔直徑和塔內件水力學。但是，這些穩態流程模擬軟件沒有考慮理論板的幾何尺寸和持液量對吸收效果的影響，以致于設計人員完成塔內件設計后無法校核穩態流程模擬軟件的計算結果，因而設計結果會出現偏差。對于這種情況，通常的做法是適量增加塔高或者適當放大吸收液流量。如果對產品純度要求不高，這種處理方法一般不會出現大問題，但對于電子氣(雜質含量要求小于10-6，個別品種甚至小于10-9)的吸收凈化過程，可能會出現較大的偏差。

本文借助計算機，通過采用動態模擬的方法對電子氣中雜質的吸收過程進行模擬計算，研究了理論板的空間體積、持液量對吸收效果的影響。

1 吸收動態模擬

1.1 吸收動態模擬基本原理

吸收模擬的核心是每級理論板的氣液相平衡的計算。要進行完整的相平衡計算，需解一組完整的平衡級分離過程的數學模型，即MESH 方程組[1-5]，包括質量平衡方程(M 方程)、相平衡方程(E 方程)、組分分率歸一化方程(S 方程)、熱平衡方程(H方程)。

1.1.1 質量平衡方程

組分i的質量平衡方程如下:

式中:dFi——系統內組分i的累積量，kmol；

dt——時間步長，h；

Fi，out、Fi，in——組分i的流出量、流入量，kmol/h。

1.1.2 相平衡方程

根據熱力學原理，氣液相平衡可以用下式表示[6]:

本文中使用P-R 狀態方程表示每種組分的逸度系數[4]，如下所示:

其中p、T、V之間的關系式表達為:

其中:

p——系統壓力，kPa；

pc——臨界壓力，kPa；

TC——臨界溫度，K；

yi、xi——組 分i在 氣 相、液相 中的摩 爾含量，%；

φ——逸度系數；

ni、nj——組分i、j的摩爾數；

R——普適氣體常數；

Z——壓縮因子；

V——體積，m3；

T——溫度，K；

ω——偏心因子。

1.1.3 組分分率歸一化方程

在各相中，各種組分的摩爾含量之和為1。

式中:C——組分數；

xi——組分i的摩爾含量。

1.1.4 熱平衡方程

本文利用焓的變化計算系統狀態變化前后的能量變化。

焓的計算如下所示，其中p、T、V之間的關系用P-R 方程求解:

式中:E——系統能量變化，kJ/h；

Hin、Hout——進入系統、流出系統的焓，kJ/h；

H0——理想氣體焓，kJ/kmol；

R、Z、p、V、T的意義參見式(2)～(4)。

1.2 吸收塔模型

為了便于計算，吸收塔模型中的每級理論板的外形均設置為立式圓柱體，如圖1 所示。吸收塔共設31 級理論板，模型如圖2 所示。

圖1 吸收塔的理論板模型

在圖1 中，Vn，in表示進入第n級理論板的氣體；Ln，in表示進入第n級理論板的吸收液；Vn，out表示流出第n級理論板的氣體；Ln，out表示流出第n級理論板的吸收液。因此，在圖2 中，V31，in是從外界進入吸收塔底部的氣體，V1，out是從吸收塔塔頂流出的氣體，L1，in是從外界流入吸收塔塔頂的吸收液，L31，out是從吸收塔塔底流出的飽和液。其余則是吸收塔內部不同理論板之間的連接物流。

本文使用D/H/L表示不同的理論板模型，如D0.5/H0.5/L0.1 中D0.5 表示理論板圓柱體直徑為0.5 m，H0.5 表示理論板圓柱體高度為0.5 m，L0.1 表示持液量——液相高度h與理論板高H的比值為0.1。

圖2 吸收塔模型

模擬吸收塔時，整體上采用序貫模塊法[2]，從上到下逐級、循環地進行等溫計算(令dt=0.5 s)。模擬開始前，每層理論板中均不含任何物質。模擬開始后，L1，in開始不斷進入理論板1 中，同時V31，in也不斷進入理論板31 中。隨著時間的增加，理論板1 中產生的液體累積到一定量后進入理論板2 中，理論板31 中產生的氣體累積到一定量后進入理論板30中，如此按照順序不斷循環模擬吸收塔實際生產中的運行狀態，直到V1，out和L31，out的狀態變化幅度均滿足要求時，認為吸收塔的狀態達到平衡，然后讀取V1，out中氯化氫的體積分率作為計算結果。接著分別改變理論板直徑D、高度H和持液量L，依次研究各個參數對吸收效果的影響。

1.3 模擬計算的條件

吸收塔的進料條件見表1。

表1 吸收塔的進料條件

對于本文所研究的低濃度雜質吸收過程，由于氣液相之間的物質交換很少，整個吸收塔的溫度變化也很小，如圖3 所示，因此本文采用等溫(223.65 K)的方式對全塔氣液相平衡進行計算。

另外，吸收塔的塔頂壓力為1 500 kPa，全塔壓降為20 kPa。

2 吸收效果影響因素分析

在本文中，D0.0001/H0.0001/L0 表示體積非常小的幾何空間模型，用該模型近似代替既沒有幾何空間也不含持液量的理論板模型。常用的穩態流程模擬軟件都是采用沒有幾何空間的理論板模型。

圖3 吸收塔的溫度分布

2.1 理論板空間體積的影響

2.1.1 持液量為0 時空間體積的影響

當理論板的持液量為0 時，不同的理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響如圖4 所示。

圖4 無持液量時理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響

在圖4 中，D0.0001/H0.0001/L0、D0.1/H0.1/L0、D0.2/H0.2/L0、D0.5/H0.5/L0 的曲線重合。因此，當理論板持液量為0 時，理論板的空間體積對氣相中氯化氫的體積分率幾乎沒有影響，V1，out中氯化氫體積分率相同。這表明，不考慮持液量時，采用常規的穩態流程軟件模擬計算的結果與考慮幾何空間體積的動態流程模擬法的計算結果幾乎相同。

2.1.2 持液量為0.05 時空間體積的影響

當理論板的持液量為0.05 時，不同的理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響如圖5 所示。

在圖5 中，D0.0001/H0.0001/L0、D0.1/H0.1/L0.05、D0.2/H0.2/L0.05 的曲線重合；隨著理論板空間體積的增大，吸收塔中部氣相中的氯化氫體積分率逐漸增大，但V1，out中氯化氫的體積分率變化不大。

2.1.3 當持液量為0.1 時空間體積的影響

當理論板的持液量為0.1 時，不同的理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響如圖6所示。

圖5 持液量為0.05 時理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響

圖6 持液量為0.1 時理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響

在圖6 中，D0.0001/H0.0001/L0、D0.1/H0.1/L0.1、D0.2/H0.2/L0.1 的曲線重合；隨著理論板空間體積的增大，氣相中氯化氫的體積分率逐漸增大，而且V1，out中的氯化氫體積分率已經發生明顯變化。

2.1.4 持液量為0.2 時空間體積的影響

當理論板的持液量為0.2 時，不同的理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響如圖7 所示。

圖7 持液量為0.2 時理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響

在圖7 中，D0.0001/H0.0001/L0、D0.1/H0.1/L0.2、D0.2/H0.2/L0.2 的曲線重合；隨著理論板空間體積的增大，吸收塔上部氣相中氯化氫的體積分率逐漸增大；當吸收塔直徑大于0.2 m 時，塔中各級理論板氣相中氯化氫的體積分率已經顯著升高，而且V1，out中的氯化氫體積分率已經發生明顯變化。

2.1.5 持液量為0.5 時空間體積的影響

當理論板的持液量為0.5 時，不同的理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響如圖8 所示。

圖8 持液量為0.5 時理論板空間體積對氣相中氯化氫體積分率的影響

在 圖8 中，D0.0001/H0.0001/L0 與D0.1/H0.1/L0.5 的曲線重合。隨著理論板空間體積的增大，塔上部氣相中氯化氫的體積分率逐漸增大；當吸收塔直徑為0.1 m 時，塔內氣相空間中的氯化氫體積分率幾乎沒有變化；當吸收塔直徑大于0.2 m 時，塔中各級理論板氣相中氯化氫的體積分率已經顯著升高，而且V1，out中的氯化氫體積分率已經發生明顯變化。

2.2 持液量的影響

按照常規塔直徑的計算，該吸收塔的塔直徑應為0.5 m，因此研究了塔直徑為0.5 m 時不同持液量對氣相中氯化氫體積分率的影響，結果如圖9 和表2 所示。

圖9 塔徑為0.5 m 時不同持液量對氣相中氯化氫體積分率的影響

從圖9 可知，當持料量為0 時，吸收塔氣相中氯化氫的體積分率最小；隨著理論板持液量的不斷增加，V1，out中氯化氫的體積分率不斷增加，塔中各級理論板氣相中氯化氫的體積分率也不斷升高。

表2 不同持液量對應的出氣中氯化氫的體積分率

由表2 可知，對比持液量為0 時和持料量為0.05 時的V1，out中氯化氫的體積分率，后者約為前者的1.7 倍；對比持液量為0 時和持液量為0.1 時的V1，out中氯化氫的體積分率，后者約為前者的3.4 倍。因此，對于氣體中低濃度雜質的吸收，應盡量使用持液量小的塔內件或者填料。

經過計算，當理論板總數增加到41 時或者將L1，in增大到106 kmol/h 時，V1，out中氯化氫的體積分率與持液量為0 時V1，out中氯化氫的體積分率相等，這與實際中通過增加塔高或者加大吸收液流量保證吸收效果的方法相一致。

由此可以推斷出，對于雜質含量要求小于10-9的吸收過程，若采用常規的設計方法，吸收塔的運行效果將會有較大偏差。此外，對于高純度氯硅烷精餾塔，理論板持液量會對精餾效果產生不利的影響。

3 結論

本文分析了理論板的空間體積、持液量對氯化氫吸收效果的影響，對于進一步細化吸收塔工藝和裝備設計以及吸收塔填料的選擇具有很好的指導意義。

通過采用動態模擬方法，建立具有幾何空間和持液量的吸收塔模型，在模擬吸收塔時取得了良好的效果，得到以下結論:

1)若理論板中沒有持液量，理論板的空間體積增大對吸收效果沒有明顯的影響；若理論板中的持液量保持不變，理論板空間體積越大，則吸收效果偏差越大。

2)若理論板的空間體積保持不變，持液量越大，則吸收效果偏差越大。

3)通過模擬可知，按照常規方法設計低濃度雜質吸收塔時，選擇持液量低的塔內件或者填料對吸收比較有利。當雜質含量要求小于10-6，甚至更低濃度時，應該將持液量作為一個重要的影響因素加以考慮，否則可能會出現吸收效果不理想的情況。