多晶硅生产过程的模拟分析

论文摘要

目前世界上多晶硅的生产主要采用改良西门子法。而我国前几年基本上还是采用传统的西门子法,最近采用我国自己改良的技术与引进俄罗斯的多晶硅生产技术相结合的生产方法。目前国内外多晶硅生产存在两个主要问题:其一,实收率低;其二,副产物多。因此,国内在提高多晶硅实收率与减少副产物等方面正酝酿着重要的技术突破。本文以多晶硅生产中SiHCl3和SiCl4氢化反应及尾气分离为主要研究对象。对于SiHCl3和SiCl4氢化反应,从认识反应过程的热力学特性入手,采用Gibbs自由能最小法,在不同的温度、压力和进料配比下对反应过程进行了模拟分析;对尾气分离过程,本文采用分段设计法对多晶硅生产中尾气的分离工艺进行优化设计,确定尾气分离过程的分离序列、流程方案和操作条件,并以能耗最小为目标,得到最合适的、操作条件温和的尾气分离流程。1、SiHCl3氢化反应系统的热力学分析传统的SiHCl3氢化反应生成多晶硅工艺一般是在温度1373K、压力为常压、H2/SiHCl3比为10/1下进行,实收率低,且有大量副产物生成。以提高实收率和减少副产物为目标,提出了新的SiHCl3氢化工艺。主要创新点如下:（1）传统的SiHCl3氢化反应采用Gibbs自由能最小法对传统的SiHCl3氢化反应进行热力学分析,发现高温、高H2/ SiHCl3比有利于多晶硅的生成。适当提高反应的温度和H2/ SiHCl3比,多晶硅的平衡产率可以达到98%以上,而副产物SiCl4和SiH2Cl2的平衡产率则降至0.5%以下。另外,多晶硅的生产适宜在低压下进行。在10.13KPa压力下多晶硅的平衡产率几乎达到了100%,而副产物SiH2Cl2和SiCl4的平衡产率极小,所以SiHCl3氢化反应可以在低压下操作。（2）无SiCl4生成的SiHCl3氢化反应传统的SiHCl3氢化反应有大量的副产物SiCl4生成,处理不当会对环境造成严重的污染。通过模拟可以发现,在进料中加入一定量的SiCl4,来抑制SiCl4的生成,使反应前后SiCl4的量不变,且提高了反应体系的热效应。无副产物SiCl4生成的SiHCl3氢化反应体系同样也适宜在高温低压下操作。2、SiCl4氢化反应系统的热力学分析（1） SiCl4转化系统根据SiCl4氢化反应的理论基础归纳出氢气直接氢化和以硅做添加剂两种氢化方法,并分别对这两种方法进行了热力学分析。在直接氢化反应体系中SiCl4的转化率和SiHCl3的平衡产率随温度和H2/SiCl4比的升高而升高;在以硅为添加剂氢化反应系统中,SiCl4的转化率和SiHCl3的平衡产率随温度的升高而降低,随压力和H2/SiCl4比的升高逐渐升高。因此SiCl4转化系统要谨慎选择适宜的温度、压力和H2/SiCl4比。（2）超高温下SiCl4氢化反应生产多晶硅传统的SiCl4氢化生产多晶硅的反应一般是在温度为1473K,压力为常压下进行,一次转换率低,能耗高。通过热力学分析得出在超高温、低压、高H2/SiCl4比下,SiCl4的转化率高、供给热量利用效率高、多晶硅的平衡产率可以达到近100%。基于此,我们提出了低压、超高温条件下SiCl4还原生产液态多晶硅的新工艺。3、多晶硅生产中尾气分离系统的优化设计本文针对改良西门子法多晶硅生产中尾气分离工艺操作条件苛刻的缺点,对尾气分离工艺进行改进。采用分段设计方法,将精馏、吸收、吸附等不同分离方法进行组合,确定分离尾气混合物的分离序列,并构建了可行的工艺流程。模拟结果表明:整个流程可在比较温和的操作条件下达到较好的分离效果,且设备简单,易于操作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 国内外多晶硅的发展状况
• 1.1.1 世界多晶硅发展概况
• 1.1.2 我国多晶硅技术的研究状况
• 1.1.3 世界和中国多晶硅技术的比较
• 1.1.4 硅材料生产新工艺
• 1.2 化工过程模拟与优化
• 1.2.1 化工过程模拟
• 1.2.2 化工过程优化
• 1.2.3 化工模拟优化的实际应用
• 1.3 多组分分离过程的设计
• 1.3.1 混合物的种类
• 1.3.2 分离过程及其种类
• 1.3.3 分离过程综合
• 1.4 本文主要研究内容
• 3氢化反应过程的热力学分析'>第二章 SiHCl₃氢化反应过程的热力学分析
• 2.1 引言
• 2.1.1 主要的多晶硅生产技术选择
• 2.1.2 Gibbs 自由能最小法
• 2.1.3 本章研究内容
• 3 氢化反应体系'>2.2 SiHCl₃氢化反应体系
• 3 氢化反应体系'>2.2.1 SiHCl₃氢化反应体系
• 2.2.2 温度和进料比例的影响
• 2.2.3 压力和进料比例的影响
• 4生成的SiHCl₃ 氢化反应的热力学分析'>2.3 无副产物SiCl₄生成的SiHCl₃氢化反应的热力学分析
• 4生成的SiHCl₃ 氢化反应新工艺'>2.3.1 无SiCl₄生成的SiHCl₃氢化反应新工艺
• 4生成的SiHCl₃ 氢化工艺的影响'>2.3.2 温度和进料对无SiCl₄生成的SiHCl₃氢化工艺的影响
• 4生成的SiHCl₃ 氢化工艺的影响'>2.3.3 压力和进料对无SiCl₄生成的SiHCl₃氢化工艺的影响
• 2.4 本章小结
• 4氢化反应过程的热力学分析'>第三章 SiCl₄氢化反应过程的热力学分析
• 3.1 引言
• 4 转化体系'>3.2 SiCl₄转化体系
• 4 氢化反应的理论基础'>3.2.1 SiCl₄氢化反应的理论基础
• 3.2.2 直接氢化反应体系
• 3.2.3 硅做添加剂氢化反应体系
• 3.2.4 两个体系的比较
• 4 氢化生产多晶硅'>3.3 超高温下SiCl₄氢化生产多晶硅
• 3.3.1 温度和进料比例的影响
• 3.3.2 压力和进料比例的影响
• 3.3.3 与文献结果对比
• 3.4 本章小结
• 第四章 多晶硅生产中尾气分离系统的优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 多晶硅生产中尾气分离系统的分段优化设计
• 4.2.1 分段设计方法的概念
• 4.2.2 系统模型
• 4.2.3 优化设计的方法
• 4.2.4 设计结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢