当前全球高度需求清洁能源和高性能半导体品质，因此多晶硅行业发展过程中不仅需要提高生产效率，同时需要融合节能减排发展理念，保障整体产品质量。Aspen Plus属于一种流程模拟软件，可以在多晶硅生产过程中推广利用。利用该软件可以对多晶硅生产中的各类反应进行模拟分析，有利于进一步改进生产工艺，向节能减排方向推动多晶硅生产工作。

一、改良西门子法多晶硅工艺概述

（一）原理

在工业生产中对高纯度多晶硅制备过程中广泛利用改良西门子法，基本化学原理为三氯氢硅和氢气的还原环境。在高温环境中，三氯氢硅和氢气反应之后生成多晶硅。在原材料制备阶段，综合利用硅粉和氯化氢形成三氯氢硅，主要是利用硫化器完成这一工作，有利于高效地完成转化工作^【1】。因为在实际生产过程中存在副产物，因此在尾气处理中可以利用精馏分离技术回收和再利用副产物。

（二）关键生产环节

利用改良西门子法的过程中，精馏提纯工作直接关系到产品的纯度，通过优化塔板数和回流比等参数，可以优化分离效果，但是也面临着高投资问题。此外在精馏阶段需要合理控制能耗，尤其在处理副产四氯化硅的时候，面临着较高的能耗问题。因此在利用改良西门子法的时候，需要对产量和质量以及成本三者的关系合理调整。

二、Aspen Plus在改良西门子法多晶硅工艺中的应用

（一）三氯氢硅精馏过程的模拟和优化

在生产多晶硅的过程中需要对不同的组分进行分离，同时严格要求分离效果，因此在分离过程中需要综合利用精馏和吸收等措施，合理控制分离阶段的能耗，有利于优化多晶硅生产工艺，实现可持续的目的。

1.SiHCl₃提纯过程的模拟

三氯氢硅的纯度关系到多晶硅生产质量，因此需要精准提纯三氯氢硅。当前提纯过程中广泛利用精馏法。在精馏阶段，为了实现纯度提高和能耗降低的目的，需要对整体操作条件合理优化。利用RadFrac模块模拟分析T0301（三组分分离）提纯精馏过程。采用高效固阀塔板改造精馏塔的内筛板塔盘，对相关操作合理优化：精馏1#塔T0301采用隔板塔，理论的塔板数为120块，进料位置第45块板，测采位置在105块板，回流比4.2，其主要功能实现高、中、低三组分分离：顶采TCS、DCS，测采STC，塔釜采出高沸物。通过优化设计测采TCS质量分率含量为4.072e-06，STC质量分数可以达到0.999975，满足测采TCS＜0.5%分离任务；顶采STC含量质量分率0.000783，满足STC＜0.5%的要求。

经过冷氢化工序生产的初TCS其组分如流股1，通过Aspen Plus模拟采用5级精馏如图1，经过经济技术分析设置适当回流比和理论塔板数，设计为5级精馏，最终T0305塔顶采摩尔组分如流股10数据，TCS纯度达到5N级满足电子二级多晶硅生产需求。

图1三氯氢硅精馏工艺流程图

在提纯过程中利用压差耦合和热泵两种工艺，利用Aspen Plus进行对比分析，发现利用塔顶蒸汽压缩型和塔釜闪蒸型热泵可以优化精馏过程的节能水平^【3】。在实际工作中实现T0303、T0304、T0305三塔的串联，上一级塔塔顶的蒸汽可以为下一级塔釜再沸器提供热力，综合利用塔顶热量同时减小冷却水CWS用量，可以发挥双效精馏的目的，在提高精馏质量的同时可以节省能耗。

在三氯氢硅中存在杂质问题，对产品纯度造成影响。为了去除B、P化合物等杂质，可以利用反应精馏除硼工艺，并且利用Aspen Plu对操作参数进行模拟，可以确定控制参数如下

1），T0303塔压0.70MPaG，理论板数120块，回流比为3.7；

2），T0304塔压0.40MPaG，理论板数120块，回流比为54；

3），T0305塔压0.15MPaG，理论板数110块，回流比为3；

可以降低三氯硅烷的B、P、金属杂质、C杂质（主要是甲基二氯硅烷）等含量，并且可以达到70%的节能效果。在多晶硅生产过程中三氯氢硅提出工艺发挥重要的作用，通过对精馏塔的操作参数进行进行优化，同时利用综合利用高效筛板和热泵精馏等节能技术，不仅可以提高产品精度，同时可以节省能源消耗量。

2.SiH₂Cl₂反歧化反应精馏工艺的模拟

利用改良西门子法的多个步骤都会产生二氯二氢硅，在对其处理中可以利用反歧化反应，将其转化为TCS，维持系统运行的稳定性，同时可以节省投资。利用Aspen Plu对DCS反歧化反应精馏工艺进行模拟分析，可以确定综合利用反应器和精馏塔，可以及时将产物移出，同时可以高效完成转化，利用反应中产生的热量节省投资。总之在多晶硅生产中，DCS反歧化法在精馏技术应用中发挥重要的作用，在实际工作中需要对催化剂和工艺参数合理优化，保证整体经济效益。

（二）基于模拟结果的改良西门子法多晶硅工艺优化策略

1.改进工艺流程

结合Aspen Plus的模拟结果，可以合理改进工艺流程。具体的改进方案如下所示：首先将中间再沸器安装在还原反应中，可以高效转换能量。其次对尾气处理系统的物理流向合理调整，减少原料使用量。此外可以对精馏塔进料部位和回流比进行合理调整，可以提高产品的纯度。

2.调整设备运行参数

利用改良西门子法的过程中还原炉和精馏塔等设备发挥重要的作用，结合Aspen Plus模拟结果合理调整运行参数，可以优化整体工艺使用效果。例如针对还原炉，可以合理调整反应温度和物料配比，可以提高生产产量，同时可以降低能耗。此外在进料中添加二氯二氢硅，也可以使整体产率得以提高，优化整体节能效果。

结束语：

当前在生产多晶硅的时候主要利用改良西门子法，为了将其优势充分发挥出来，需要利用Aspen Plus软件模拟分析改良西门子法多晶硅工艺，结合模拟结果对相关工艺参数进行优化，保障多晶硅产品质量，实现节能降耗的发展目标，推动多晶硅行业的可持续发展。

参考文献：

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