«РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СИНТЕЗА ТРИХЛОРСИЛАНА ...»

Стационарные состояния реактора (или особые точки системы) определяются как точки пересечения концентрационной изоклины F (, ) и тепловой изоклины G(, ) 0. Другими словами, стационарные состояния (координаты стационарных состояний) реактора определяются решениями уравнений:

получим систему (2.76) в виде:

Из первого уравнения системы (2.77) получаем:

Подставив выражение 1 из (2.78) во второе уравнение системы (77), получим уравнение стационарности в виде:

Выражение (2.79) является уравнением для определения стационарных состояний системы.

Динамическое поведение реактора вблизи стационарного состояния определяется характером устойчивости этого состояния [112, 114, 116, 119], которая зависит от корней характеристического уравнения системы (2.75):

где и находятся с помощью элементов матрицы Якоби:

Элементы матрицы Якоби в данном случае вычисляются аналитически:

Исследования проводили с помощью программ, написанных в системе в MATLAB [121-123]. Программа PROG 2 позволяет решать уравнение параметрах (Приложение А).

Уравнение стационарности (2.79) является нелинейным, и его решение находится с помощью двух функций: ZBRAK и RTBIS. Первая функция ZBRAK позволяет найти интервалы, где функция меняет знак, вторая функция RTBIS решает уравнение (2.79) относительно методом деления отрезка пополам, а затем по выражению (2.78) определяем. Наборы значений (, ) и есть стационарные точки системы. Характер и количество стационарных состояний определяется параметрами системы. В программе PROG 2 есть блок проверки и вычисления корней характеристического уравнения.

В результате решения уравнения (2.79) получаем два стационарных В первом случае, при температуре T 564,27 K 0, получаем оба вещественных отрицательное): 1 256,45, 1 257,00. Это означает, что при данных исходных параметрах системы фазовым портретом является неустойчивое седло.

Во втором случае, при температуре T 847,56K 0, получаем комплексные 2 58,55 452,58 i. Вещественные части обоих корней характеристического уравнения отрицательны. Это означает, что при данных исходных параметрах фазовым портретом является устойчивый фокус.

результатами, представленными в работе [82], в которой отмечено, что для данного процесса характерны два таких же по типу стационарных состояния.

дифференциальные уравнения и строить фазовые портреты для системы (2.76, 2.75) (при начальных условиях: (0) 1, (0) Т С ). Результаты работы данной программы представлены тремя графиками (рис. 2.2-2.3). На рис. 2. показана динамика образования целевого продукта во времени.

Рис. 2.2. Зависимость концентрации трихлорсилана от времени при температуре процесса синтеза Т=3000 С На рис. 2.3 показана динамика температуры процесса синтеза целевого продукта во времени.

Рис. 2.3. Изменение температуры процесса синтеза трихлорсилана от времени На следующем рис. 2.4 представлен фазовый портрет системы.

Рис. 2.4. Фазовый портрет системы Численное интегрирование исходной динамической системы (2.75) позволяет получить временные зависимости температуры и концентрации при разных начальных условиях и варьировании параметров.

Параметрические зависимости безразмерные параметры Da, Se,, K, входящие в уравнение стационарности выразить через параметр.

выражения:

При выполнении данных преобразований считаем, что все остальные являются заданными и постоянными.

Аналитическое выражение для параметра получить невозможно, поскольку в уравнение стационарности входит экспонента, и сами перемножаются. Это трансцендентное уравнение.

стационарная температура зависит от параметра.

Программа PROG 22 позволяет построить разные параметрические зависимости. Алгоритм работы программы следующий. Сначала определяется интервал для изменения параметра (например, (0 10) ) и выбирается из этого интервала значение для параметра. Затем вычисляется и все остальные параметры: Da, Se,, K, как функции. Определяется, где устанавливается состояние равновесие. Для любой точки кривой решается характеристическое уравнение, и находятся характеристические числа 1 и 2.

По значениям характеристических чисел определяем тип устойчивости системы. Далее программа строит параметрические зависимости (графики неявных функций: Se( ), Da( ), K ( ), ( ) ).

На рис. 2.5 представлена зависимость стационарной температуры от параметра Se. Устойчивы только точки на хвосте, дальний хвост (сплошная кривая). Для любой точки кривой рассчитывается характеристическое уравнение, и находим характеристические числа 1 и 2. На сплошной кривой графика вещественные части характеристических чисел отрицательны и там область устойчивости.

Рис. 2.5. Зависимость стационарной температуры от параметра Se при Da 4,24 10 4 : штрихованная линия – неустойчивые стационарные состояния На рис. 2.6 представлена зависимость стационарной температуры от параметра K. Здесь тоже область устойчивости расположена на хвосте параметрической кривой.

Рис. 2.6. Зависимость стационарной температуры от параметра K при 4,9 10 2 : штрихованная линия – неустойчивые стационарные состояния Зависимость стационарной температуры от параметра показана на рис. 2.7 Она представляет собой сплошную линию.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0. Рис. 2.7. Зависимость стационарной температуры от параметра при Se 3.5 10 2 : сплошная линия – устойчивые стационарные состояния На рис. 2.8 показана зависимость стационарной температуры от параметра Da. Все точки устойчивы, сплошная кривая.

Рис. 2.8. Зависимость стационарной температуры от параметра Da при Se 3.5 10 2 : сплошная линия – устойчивые стационарные состояния Таким образом, с помощью разработанной программы PROG 22 можно строить разные параметрические зависимости для данной системы.

Кривые кратности и нейтральности.

Кривая кратности L ( 0) является границей, разделяющей область параметров на области с одним и тремя стационарными состояниями. Это параметрические зависимости ( Da, Se) на плоскости.

Выделяется, например, плоскость параметров ( Da, Se) и выписывается уравнение для кривой кратности L. В общем, для этого необходимо решать систему уравнений:

Система (2.84) с учетом (2.79) приводится к следующей системе из двух уравнений:

Если подставить явное выражение Se(, Da) во второе уравнение системы (2.85), получим уравнение границы области множественности стационарных состояний в плоскости параметров ( Da, Se). Аналогичным образом записывается кривая кратности для плоскости (Se, ).

В рассматриваемом случае аналитическое выражение для кривых кратности в каких-либо плоскостях параметров получить затруднительно.

Поэтому для построения кривых кратности и нейтральности используется численная процедура.

Процедура состоит в построении серии параметрических зависимостей.

Строится серия параметрических зависимостей по одному из параметров при варьировании второго параметра. Такие зависимости можно построить для всех параметров системы.

Интервал множественности стационарных состояний находится между точками поворота параметрической кривой (максимальными и минимальными значениями кривых). При варьировании второго параметра границы этого интервала определяют область множественности стационарных состояний на соответствующей плоскости.

Поясним эту процедуру, например, в случае для двух параметра и Se.

Сначала фиксируем значение Se и строим зависимость, как функцию от параметра. Определяется минимальное и максимальное значение параметра. На кривой кратности в плоскости параметров (Se, ) откладываем две точки (два значения - минимальное и максимальное) и по ним определяем значение Se и т.д. Программа PROG 25 позволяет строить кривые кратности и нейтральности на плоскости ( Da, Se). Пример программной реализации описанной процедуры представлен на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Кривая кратности (синий цвет) и нейтральности (зеленый цвет) в плоскости параметров ( Da, Se) при 4,9 стационарных состояний. Чтобы построить кривую нейтральности L необходимо решить следующую систему уравнений:

Как и для кривых кратности, аналитические выражения для кривых нейтральности в явном виде получить затруднительно и так же применяется вышеописанная процедура графического построения L. Аналогично строятся серии параметрических зависимостей по одному из параметров при варьировании второго параметра. На параметрическую плоскость наносятся точки, отвечающие смене знака. В данном случае при фиксированном значении параметра Se строится зависимость параметра от параметра.

Анализируется вид кривой при данном Se и определяются точки, где меняет знак.

нейтральности на плоскости параметров (Se, ). На рис. 2.10 представлены кривая нейтральности и кривая кратности в плоскости параметров (Se, ) при варьировании третьего параметра.

Рис. 2.10. Кривая кратности (синий цвет) и нейтральности (зеленый цвет) на плоскости Se, при Da 4,24 Взаимное расположение кривых кратности L и нейтральности L задает параметрический портрет системы. Параметрический портрет системы определяет различные области параметров, отличающиеся числом и типом устойчивости стационарных состояний. На рисунках 2.9 и 2.10 видны три области. В каждой из областей осуществляется физически разное поведение системы.

Области технологически безопасных режимов работы реактора.

В результате проведенных исследований данной системы определено два стационарных состояния: при T 564,27 K 0 - тип неустойчивое седло и устойчивый фокус при T 847,56K 0. Анализ временных зависимостей и фазовых портретов позволяет сделать вывод о том, что для устойчивого необходимо синтезировать специальную систему управления тепловым режимом процесса.

Свободное движение системы в области оптимальных температур процесса синтеза приводят к неустойчивой работе реактора и прекращению процесса (неустойчивое седло), либо к разогреву реактора (устойчивый узел).

На параметрическом портрете область технологически безопасных режимов – это средняя область на рис. 2.10. Заметим, что она существенно зависит от начальных данных и других параметров системы.

1. В результате проведенного анализа кинетических закономерностей процесса прямого синтеза трихлорсилана разработана математическая кинетическая модель процесса.

2. На основе сравнения результатов компьютерного моделирования и экспериментальных данных установлено, что разработанная математическая модель описывает процесс с погрешностью менее 10%. Определены предэкспонентные множители констант скоростей реакций данного процесса при рабочих температурах: k 01 3,54 109 1 сек ; k 02 3,39 1014 1 сек, значения которых согласуются с известными данными.

3. Представлены результаты параметрического анализа динамической модели химического реактора прямого синтеза трихлорсилана, в котором протекают две параллельные экзотермические реакции. Построены параметрические зависимости стационарных состояний от безразмерных параметров, кривые кратности и кривые нейтральности стационарных состояний, параметрические и фазовые портреты системы.

4. Численно исследовано влияние особенностей кинетики процесса на множественность стационарных состояний системы с физическими параметрами.

неустойчивое седло и устойчивый фокус при T 847,56K 0. Отмечено, что для устойчивого ведения процесса синтеза трихлорсилана в области оптимальных температур 290 320 0 С необходимо синтезировать специальную систему управления тепловым режимом процесса.

нейтральности для случаев, когда соответствующие аналитические выражения получить не удается. Процедура базируется на анализе точек параметрических зависимостей при варьировании второго параметра.

параметрического анализа модели двух параллельных экзотермических реакций, осуществляемых в реакторе непрерывного действия, необходимый для практики инженерных расчетов и построения параметрических портретов системы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТРИХЛОРСИЛАНА ПРЯМЫМ СИНТЕЗОМ

трихлорсилана [124] состоит из 6 основных блоков: синтеза трихлорсилана;

сухой пылеочистки; мокрой пылеочистки; конденсации низкого давлении;

низкотемпературной конденсации, компримирования и разделения парогазовой смеси; стабилизации трихлорсилана – конденсата.

Синтез трихлорсилана заключается в гидрировании порошкообразного кремния хлористым водородом. Проведение процесса гидрохлорирования порошковообразного кремния в реакторе с кипящем слоем позволяет интенсифицировать контакт фаз и увеличить степень конверсии реагентов и выход продукта [2, 3, 72, 82, 125-127].

В данном разделе представлены основные результаты расчета реактора синтеза трихлорсилана в псевдоожиженном слое и краткое описание разработанной принципиальной технологической схемы получения трихлорсилана.

3.1 Расчет реактора синтеза трихлорсилана в псевдоожиженном слое Полный расчет реактора включает последовательные этапы определения технологических и конструктивных параметров, а так же показателей экономической эффективности его применения.

Конструктивные расчеты предусматривают определение основных размеров реактора в целом и его элементов, при которых достигается наибольшая эффективность проведения процесса. Подобные расчеты выполняются как на завершающей стадии технологических исследований, так и на различных этапах промышленного проектирования.

катализатора, не позволяет разработать единую методику их расчета. Однако принципы расчета или выбор основных параметров являются общими для достаточно широкого круга каталитических процессов [128-134].

Исходные данные для расчета реактора обычно включают его производительность, состав исходной смеси и концентрации выходных компонентов газовой смеси. Все прочие параметры могут быть рассчитаны на основе соответствующих уравнений, либо принимаются, исходя из имеющихся экспериментальных данных.

В целом расчет реактора направлен на определение выполнимых технически оптимальных параметров процесса получения трихлорсилана прямым синтезом, а именно: дисперсность кремния, расходная скорость парообразного хлористого водорода, температуры вводимых в реакторе компонентов синтеза, давление в реакторе, конверсия реагентов, расходные нормы реагентов; габаритные размеры реактора, масса слоя в реакторе, количество и размещение теплообменных поверхностей в реакторе, параметры устройства для создания оптимальной аэродинамической структуры слоя контактной массы; параметры теплоносителя: температуры входа и выхода из реактора, расход в циркуляционной системе; температурные напряжения конструкции реактора, динамические нагрузки на конструкцию реактора;

количества вводимых в реактор твердой и парообразной фаз, количество и состав уносимых из реактора фракций [2, 3, 127-135].

Для расчета процесса синтеза трихлорсилана (ТХС), как отмечалось ранее, используется реактор с псевдоожиженным слоем: кремний (порошкообразное кремнийсодержащее сырье) реагирует с хлороводородом в псевдоожиженном слое. Блок-схема алгоритма расчета представлена в следующей главе работы, в которой рассмотрено построение технологической схемы производства трихлорсилана с помощью программного комплекса Aspen ONE.

Расчет реактора кипящего слоя выполнен на основании выбранных и обоснованных термодинамических параметров процесса. Порядок расчета реактора синтеза ТХС следующий [3, 128]:

1. Задание производительности реактора и крупности измельченного технического кремния;

2. Определение основных гидродинамических параметров проведения процесса (начальная линейная скорость псевдоожижения, линейная скорость парогазовой смеси в рабочих условиях, максимальный размер частиц кремния, уносимых из реактора);

3. Выбор внутреннего диаметра цилиндрической части реактора и определенных гидродинамических параметров и анализе литературных данных об оптимальной структуре псевдоожиженного слоя);

4. Определение высоты псевдоожиженного слоя и высоты сепарационного пространства над слоем;

5. Определение высоты цилиндрической части реактора;

6. Определение необходимой поверхности теплообмена;

промышленного реактора синтеза трихлорсилана, основаны на практике действующих производств трихлорсилана [3, 2, 72-124, 125, 128, 135, 136]:

(соответствующая производительность реактора по хлористому водороду QHCl 1448 м 3 ч при нормальных условиях), массовый расход парогазовой системы (ПГС) в реакторе – GПГС 3025 кг ч.

2. Размер частиц измельченного технического кремния – 90 300 мкм.

3. Плотность частиц кремния – 2330 кг м 3.

4. Конверсия хлористого водорода – K 0,9.

5. Насыпной вес слоя измельченного технического кремния – 1440 кг м (это соответствует порозности неподвижного слоя измельченного технического кремния 0 0,40 ). Данные о насыпном весе технического кремния определены на основе практики действующих производств трихлорсилана [3, 124, 137].

6. Рабочее давление в реакторе – 0,3 0,5 МПа.

7. Температура рабочая в реакционной зоне реактора Т РАБ 533 5930 К.

Состав парогазовой смеси приведен в таблице 3.1.

Усредненный состав парогазовой смеси на выходе из реактора синтеза ТХС Наименование вещества Температурный интервал (280-3200С) и выбор давления (2-5 МПа) проведения процесса определен на основе рекомендаций, приведенных в работах [3, 72, 82, 124].

Физико-химические параметры парогазовой смеси Определение физико-химических параметров парогазовой смеси (плотность, теплоемкость, вязкость) выполнено для усредненных значений рабочей температуры и рабочего давления и основных компонентов процесса:

HCl, HSiCl 2, SiCl 4.

Плотность парогазовой смеси при рабочих условиях Определение плотности основных компонентов процесса для рабочих условий выполнено в соответствии с работой [138-140].

четыреххлористого кремния определены на основе следующих выражений:

HSiCl 1651 P 0,82 P 11376650 T 2 T, HSiCl 8,64 кг м 3 ;

где 0,T0 - значения параметров при стандартных условиях.

соотношения:

где HSiCl, HCl, SCl - мольные доли трихлорсилана, хлористого водорода, четыреххлористого кремния соответственно.

Теплоемкость парогазовой смеси при рабочих условиях определялись на основе общего соотношения [138, 139, 141], в которое для каждого компонента выбираются свои параметры:

C HSiCl3 21,87 кал ( моль К 0 ) ; C HCl 7,05 кал ( моль К 0 ) ; C SiCl4 24,39 кал ( моль К 0 ).

Теплоемкость парогазовой смеси определена по выражению [139, 141]:

компонентов смеси соответственно.

Динамическая и кинематическая вязкости парогазовой смеси при Динамическая вязкость газообразных компонентов данного процесса была определена в соответствии с рекомендациями, изложенными в работах [3, 124, 137, 139], на основе аналитических выражений с определенными параметрами для каждого компонента:

Динамическая вязкость тетрахлорида кремния была определена на основе двух аналитических выражений (первое – общее уравнение, второе – уравнение Арнольда), представленных в работе [139] и затем найдено среднее значение, как рекомендовано в работе [3]:

SiCl 0,11 0,0375T 0,000014 T 2 10 6, SiCl 1,70 10 5 кг с м ;

SiCl 3,52 10 5 T 1,5 24,53T 11916,67, SiCl 1,85 10 5 кг с м.

Усредненное значение динамической вязкости тетрахлорида кремния имеет вид:

SiCl 1,78 кг с м.

Динамическая вязкость хлористого водорода [124, 137]:

Динамическая вязкость парогазовой смеси была определена на основе зависимостей Уилку для определения вязкости многокомпонентной газовой смеси [141]:

где приняты следующие обозначения: HCl, SiCl, HSiCl, SiCl, HCl, HSiCl – динамическая вязкость и мольные доли компонентов газовой смеси соответственно; ij, ij 1,3 – зависимости Уилку (индексы 1, 2, 3 – соответствуют HCl, SiCl 4, HSiCl 2 ); M HCl, M SiCl, M HSiCl – молекулярные массы компонентов газовой смеси:

Кинематическая вязкость парогазовой смеси имеет вид:

Эквивалентный диаметр находится по формуле:

где - d Э - эквивалентный диаметр, мм ; g i, d i - массовая доля частиц и диаметр частиц соответственно.

использовалась исходная информация таблицы 3.2 [128, 142] Эквивалентный диаметр частиц кремния равен:

Коэффициент формы частиц принят равным 1,17 (по песку речному).

Порозность, соответствующая началу псевдоожижения, определяется по эмпирической зависимости:

где f - коэффициент формы, характеризующий отличие формы частиц от сферической; - порозность твердого слоя в момент начала псевдоожижения.

Эквивалентный диаметр частиц кремния можно определить и на основе работы [142]:

где d Э - эквивалентный диаметр частиц кремния, мм ; r - гидравлический радиус каналов в свободном объеме слоя частиц кремния, мм. Согласно [142] гидравлический радиус каналов можно определить по выражению:

максимальный диаметр частиц кремния, мм.

Таким образом, значения эквивалентного диаметра частиц кремния d Э, полученные по выражениям (3.2) и (3.4) согласуются между собой.

Определение критических скоростей псевдоожижения Начальная скорость псевдоожижения определяется на основе 3-х критериальных уравнений (критерия Архимеда, критерия Рейнольдса для режима начала псевдоожижения, критерия Рейнольдса для режима уноса частиц) и значения эквивалентного диаметра частиц кремния [128Критерий Архимеда определяется следующим образом:

где g - ускорение свободного падения, м сек 2 ; d Э - эквивалентный диаметр частиц кремния, м ; KP - плотность кремния, кг м 3 ; CM - плотность парогазовой смеси при рабочих условиях, кг м 3 ; - кинематическая вязкость парогазовой смеси при рабочих условиях, м 2 с.

Критерий Рейнольдса различается для режима начала псевдоожижения и режима уноса и рассчитывается по формулам Тодеса (3.7):

Решив систему критериальных уравнений (3.6) и (3.7) получаем выражение для определения скорости начала псевдоожижения и уноса, соответственно:

В реакционной системе присутствуют частицы технического кремния размером – 90 300 мкм. Важно знать скорости уноса минимальных частиц кремния. В соответствии с вышеизложенным получаем:

Определение рабочей скорости псевдоожижения в реакторе синтеза Рабочая скорость псевдоожижения – это скорость существования кипящего слоя. Значение рабочей скорости не может выбираться произвольно.

Значение рабочей скорости [131, 134, 136] выбирают на основе значения скоростей от начала псевдоожижения до уноса. Оно должно удовлетворять условию: wKP wP wУ и согласно [129, 131, 134, 136, 145] рабочая скорость должна находиться в интервале [ wKP ; 0,5 wУ ]. Рабочая скорость зависит от предельного числа псевдоожижения:

если K ПР 40 50, то рабочее число псевдоожижения K w wРАБ wКР, рекомендуется выбирать в интервале 3 7. Если K ПР 20 30, то K w можно выбирать в интервале,5 3. В данном случае K ПР 41, следовательно Соответственно, в данном случае wРАБ 0,014; 0,289. Как отмечено, в работах [128-131] надежные результаты расчета оптимальной скорости коэффициент теплоотдачи от слоя к стенке теплообменной поверхности, дает выражение:

На основе критерия Рейнольдса (3.10) рассчитывается величина оптимальной скорости псевдоожижения:

Рабочая скорость [132, 133, 136] псевдоожижения в данном случае имеет вид:

Рабочая скорость меньше, чем скорость уноса частиц наименьшего размера (3.9), поэтому расчет заканчивается [129-136]. Для определения псевдоожижение, если его значение находится в интервале 3-7, то работа реактора устойчива при данных параметрах [129-131]:

Значение рабочего числа псевдоожижения и рабочей скорости находятся в указанных выше интервалах.

Диаметр аппарата рассчитывается исходя из производительности по целевому продукту (трихлорсилану), степени конверсии основного реагента (хлористого водорода), скорости движения газа, селективности (таблица 3.3).

Расход хлористого водорода с учетом селективности, конверсии и стехиометрии целевой реакции получения трихлорсилана:

где GТХС - массовое количество трихлорсилана - производительность реактора, кг час ; ФТХС - селективность целевой реакции; НСl - степень конверсии по хлористому водороду.

В соответствии с [128-134] диаметр цилиндрической части реактора определяется по выражению:

где wРАБ - рабочая скорость газа в реакторе (скорость псевдоожижения), рассчитанная по формуле (3.11); HCl - плотность хлористого водорода в рабочих условиях.

Определение характеристик кипящего слоя (высота кипящего слоя) Определение характеристик кипящего слоя выполним на основе модели с полным перемешиванием в плотной части слоя и потоком газа через пузыри [128, 133, 146-148]. В соответствии с этой моделью для расчета характеристик кипящего слоя примем, что весь газ проходит слой в виде пузырей постоянного размера, химическая реакция протекает не в пузыре, а в плотной части твердого слоя.

Предположим, что в аппарат со скоростью w поступает газ с концентрацией реагирующего компонента (хлористого водорода) С0 (в мольных долях). В плотной части слоя протекает химическая реакция со степенью превращения K. В пузырях за счет обмена газом с плотной частью слоя степень превращения возрастает от нуля до некоторого значения на высоте h. Зависимость степени превращения в пузырях от текущей высоты выражается соотношением [128]:

где q – поток газа через пузырь; K – коэффициент массообмена между пузырем и плотной частью слоя, отнесенный к поверхности пузыря; f – поверхность пузыря; – объем пузыря, wП – скорость подъема пузыря.

В плотной части слоя принимается режим полного перемешивания.

Материальный баланс для нее составляется в интегральной форме и складывается из следующих пяти составляющих [128]:

1. Приток реагента в плотную часть слоя на входе в реактор, равный, w0 C0 S, где S – площадь поперечного сечения слоя;

2. Приток реагента из пузырей в плотную часть слоя:

где n – количество пузырей в единице объема слоя. Используя уравнение (12), после интегрирования получаем:

газонаполнению. Уравнение неразрывности потока имеет вид:

где – доля объема, занимаемая пузырями в объеме слоя, или газонаполнения; – скорость подъема пузыря; w0 – скорость начала псевдоожижения; w – скорость движения газа (рабочая). С учетом данного уравнения, выражение (15) можно записать:

3. Расход реагента вследствие перетока из плотной части слоя в пузыри:

4. Расход реагента из плотной части слоя с выходящим газовым потоком:

1. Расход реагента на химическую реакцию в плотной части слоя:

где u – скорость химической реакции, отнесенная к единице объема плотной части слоя. Предполагается [128], что порозность плотной части слоя постоянна и не зависит от рабочей скорости газа.

Уравнение материального баланса имеет вид Общая степень превращения z K на выходе из реактора определяется конечными значениями K и K для плотной части слоя и пузырей с учетом вклада двух потоков газа при смешении:

Для расчета потока газа через сферический пузырь и коэффициента уравнение [133]:

где d П – диаметр пузыря; D – коэффициент молекулярной диффузии основного реагента.

Наличие пузырей приводит к расширению слоя от начальной высоты H при скорости начала псевдоожижения w0 до рабочей высоты H при некоторой рабочей скорости w, и справедливости следующего выражения (уравнение газонаполнения) [128]:

Уравнение, связывающее диаметр пузыря d П с расширением слоя имеет вид:

Скорость подъема пузыря можно определить на основе совместного газонаполнения (3.25):

Таким образом, для пузыря сферической формы уравнения модели с полным перемешиванием в плотной части слоя и потоком газа через пузыри для определения характеристик кипящего слоя имеют вид:

кипящего слоя. Для расчета по этой модели необходимо дополнительно определить зависимость рабочей высоты слоя H от скорости газа w и диаметра частиц d П и по уравнению (3.26) рассчитать средний диаметр пузыря в слое. При использовании частиц со средним размером более 1 мм второе слагаемое в уравнении (3.24), как правило, значительно меньше, чем первое слагаемое и им можно пренебречь.

По первому уравнению системы (3.28) можно рассчитать изменение степени превращения основного реагента в пузырях по высоте слоя. Конечное равном H.

Поскольку степень превращения обычно задана (в частности, для реакции гидрохлорирования кремния K 0,9 ). Сначала найдем начальную высоту слоя Н0 по уравнению 2 в системе уравнений (3.28), после чего найдем степень превращения в пузыре K по уравнению 1 системы уравнений (3.28).

Значение скорости химической реакции было определено на основе анализа работы [3, 74 77, 81, 149, 150,] и составило: u 8,5 10 4 1 с.

Для определения рабочей высоты слоя была использована эмпирическая зависимость вида [128, 134, 136, 151]:

В результате проведенных вычислений получили:

Значение порозности неподвижного слоя частиц кремния и в условиях псевдоожижения [128, 142] принято соответственно: 0 0,40, кр 0,43.

С учетом этого можно также определить значение рабочей высоты слоя [128, 142, 136, 151] и получить значение, согласующееся с полученным ранее по выражению (27):

Определение высоты цилиндрической части реактора Общая высота реактора синтеза определяется на основе значений рабочей высоты слоя и высоты сепарационного пространства реактора.

Высота сепарационного пространства над псевдоожиженным слоем H СП, как отмечено в работе [142], немного больше, чем высота сепарационного пространства H К, при которой эпюра скоростей в сечении аппарата над разрушаются на поверхности псевдоожиженного слоя, то есть:

выражению:

Следует отметить, что высота реактора определена до выхода парогазовой смеси из реактора.

Определение величины суммарной поверхности теплообмена хлористого водорода весь тепловой поток эффекта экзотермической реакции должен быть отведен от активного центра на поверхности частицы кремния.

Процесс прямого синтеза трихлорсилана имеет свои особенности, в частности:

теплоносителей для обеспечения температурной устойчивости процесса;

тепловые условия синтеза определяют возможные размеры застойных зон контактной массы, которые определяются физико-химическими параметрами.

Для процесса синтеза трихлорсилана требования к теплоносителям довольно жестки, так как температурный диапазон устойчивости лежит в пределах 30 40 0С.

Величина теплообменной поверхности в реакторе может быть оценена по выражению [14, 15, 17, 23, 25, 27, 31, 32]:

где H тепловой эффект реакции прямого синтеза, Дж моль ; G Si масса слоя твердой фазы, кг ; d удельная производительность реактора кг кг ч ; Т 0 средняя разность температур между поверхностью кремния и коэффициента теплоотдачи от псевдоожиженного слоя к теплообменной псевдоожиженным слоем в промышленности на установках крупного масштаба показывает, что значение коэффициента теплоотдачи от слоя к 300 ккал м 2 ч0 К.

представленных в [3, 77, 81, 124].

Полученное значение суммарной поверхности теплообмена является минимально необходимым и должно быть обеспечено определенными параметрами теплоносителя.

Результаты технологического расчета процесса прямого синтеза ТХС в процедурами в вышеизложенной последовательности, сводятся в общую таблицу и выдаются в качестве исходных данных для конструирования реактора синтеза и проектирования стадии синтеза производства ТХС.

3.2. Разработка принципиальной технологической схемы получения трихлорсилана Первым этапом работ при проектировании производства является разработка принципиальной технологической схемы [130, 131, 144, 152-159].

Принципиальная технологическая схема разрабатывается на основе эскизной схемы и выбранного оборудования. При этом разрабатываются способы доставки сырья в цех и отгрузки готовой продукции, обезвреживания и удаления отходов производства, вопросы обеспечения экологической безопасности и охраны труда, автоматизации производства.

Технологическая схема составляется одновременно с материальным и тепловым балансом проектируемого процесса. В ходе ее составления использованы вышеприведенные технологические расчеты. После выявления всех операций, необходимых для ведения технологического процесса, осуществляется выбор соответствующего оборудования. Основным критерием при выборе оборудования являются его показатели надежности, такие, как готовность, ремонтопригодность, коэффициент использования для обеспечения заданной производительности и бесперебойной работы в течение установленного срока. В условиях поточного (непрерывного) процесса таким сроком считается принятая продолжительность одного рабочего цикла.

Принципиальная технологическая схема получения трихлорсилана ФГУП «ГНИИХТЭОС», для проекта «Реконструкция существующего производства трихлорсилана в корпусе № 94 ООО «Усолье-Сибирский Силикон» с увеличением мощности до 25000 тонн в год по трихлорсилану очищенному полупроводникового качества» [124]. Необходимо создать производство получения трихлорсилана мощностью 20 000 тонн смеси хлорсиланов в одной технологической нитке в год при круглосуточной работе в течение 7620 часов в году.

3.2.1 Общие сведения о технологии получения трихлорсилана В процессе производства трихлорсилана основными видами сырья являются хлористый водород и молотый кремний [124]. Молотый кремний гранулометрического состава, оптимального для процесса синтеза трихлорсилана.

Технологический процесс синтеза трихлорсилана заключается во взаимодействии кремния, разогретого до температуры 250-300°С с хлористым водородом. Степень конверсии хлористого водорода, селективность процесса зависит от качества кремния, гранулометрического состава молотого кремния, условий взаимодействия реагентов, влажности хлористого водорода.

В технологической схеме предусмотрена установка одного реактора, который имеет систему непрерывной загрузки кремния и систем у разогрева и охлаждения реакционной зоны.

Тепло, которое выделяется при синтезе трихлорсила, отводится с помощью высокотемпературного теплоносителя (ВОТ) и затем используется в процессе для получения пара.

возможность снижения расходного коэффициента по кремнию на основе возврата в реактор отработанной контактной массы и части пыли.

Мокрая очистка хлорсиланов от пыли и большей части летучих неорганических солей, проводится в аппарате колонного типа. В этом же аппарате происходит выделение высококипящих продуктов процесса, что уменьшает их содержание в конденсате хлорсиланов, поступающем на стадию ректификации. Таким образом, снижаются энергетические затраты на стадии ректификации. На данной стадии производится обработка паров хлорсиланов микропримесей в хлорсиланах, поступающих на конденсацию и затем на ректификацию.

Не сконденсировавшиеся на стадии конденсации абгазы (хлорсиланы, хлористый водород, водород) в дальнейшем компримируются и направляются на систему разделения. Хлористый водород направляется на стадию синтеза хлорсиланов, водород используется для получения хлористого водорода, хлорсиланы направляются на ректификацию.

На технологических стадиях предусмотрена санитарная очистка, которая необходима для нейтрализации возможных аварийных выбросов хлорсиланов, хлористого водорода и для очистки азота.

Все твердые и жидкие отходы (отработанная контактная масса, кубовые остатки, вода со стадии санитарной очистки и т.д.) направляются на узел нейтрализации.

Продолжительность одной операции процесса синтеза трихлорсилана принята на уровне 762 часа (7620 часов работы в год), время на остановку, разгрузку отработанной контактной массы проверку реактора, загрузку, подогрев и запуск реактора – на уровне 72 часов [124]. На ежегодную профилактику реактора синтеза трихлорсилана и всей технологической системы в целом отводится 420 часов. Эти данные необходимы для расчета материального баланса.

3.2.2 Описание технологического процесса и принципиальной схемы синтеза трихлорсилана Синтез трихлорсилана осуществляется в псевдоожиженном слое измельченного металлургического кремния фракции 50450 мкм (основная фракция до 90% составляет 90300 мкм, фракция до 50 мкм составляет 5% и более 5% составляет фракция 450 мкм) [124].

Данные по составу исходных реагентов:

контактная масса (кремний – 98,8%, алюминий – 0,3%, железо – 0,4%, кальций – 0,4%, титан – 0,05%, фосфор – 0,05%);

хлористый водород (хлористый водород – 99,6385%, хлористый водрод – 0,3516%, вода – 0,0099%);

парогазовая смесь (водород – 1,69%, хлористый водород – 7,59%, дихлорсилан – 0,27%, трихлорсилан – 8,10%, четыреххлористый кремний – 7,31%, гексахлордисилоксан – 0,27%, гексахлордисилан – 0,14%, октахлотрисилан – 0,04%, пыль – 1,6).

используются вертикальные цилиндрические реакторы, оборудованные рубашками для съема тепла и разогрева реактора в пусковой период. В верхней части реактора расположена сепарационная камера.

сепаратора, коллекторной части с внутренними теплообменными элементами, цилиндрической части с рубашкой и нижней конической части.

Сепаратор – с приварочной эллиптической крышкой и приварным коническим отбортованным днищем. В сепараторе происходит отделение мелкодисперсных твердых частиц, выделяемых из парогазовой смеси.

полуколлекторов и внутренних теплообменных элементов, предназначенных для поддержания заданного температурного режима. В нижней части теплообменные элементы защищены съемными кожухами для компенсации эрозийного износа.

Нижняя часть реактора состоит из конической отбортованной обечайки с фланцами разъема и распределительной решетки с распределительными колпачками. Через распределительные колпачки в цилиндрическую часть реактора подается хлористый водород. С помощью хлористого водорода создается и поддерживается псевдоожиженный слой. Продукты реакции удаляются из реактора. Парогазовая смесь удаляется через штуцер отвода парогазовой смеси из сепаратора, а отработанная контактная масса выводится периодически из нижней части реактора.

Технология получения трихлорсилана включает следующие основные 8 стадий: 1) дробление и помол кремния; 2) синтез трихлорсила; 3) сухая и мокрая пылеочистка; 4) конденсация продуктов реакции; 5) компримирование и разделение абгазов; 6) нейтрализация шламов мокрой очистки и кубовых остатков; 7) переработка и нейтрализация пыли и отработанной контактной массы; 8) санитарная очистка абгазов.

порошкообразного кремния и газообразного хлористого водорода – это гетерогенная каталитическая топохимическая реакция, которая протекает при повышенных температурах с выделением тепла. Данный процесс описывается следующими основными реакциями [124]:

Высокомолекулярными продуктами реакции являются в основном гексахлордисиланом. В качестве катализатора процесса прямого синтеза Применение меди способствует повышению скорости реакции и снижает продолжительность пускового периода [80, 81].

Оптимальная температура процесса синтеза трихлорсилана составляет С. Давление процесса синтеза трихлорсилана поддерживается на уровне 0,20,4 МПа. При отклонении условий проведения процесса синтеза от оптимальных условий ведёт к уменьшению производительности реактора и увеличению в парогазовой смеси содержания побочных продуктов реакции.

трихлорсилана 85-95%масс составляет ~ 390 ккал/кг ХС [124].

Принципиальная технологическая схема процесса представлена на рис. 3.1. Процесс синтеза трихлорсилана осуществляется в реакторе прямого синтеза в непрерывном режиме. Время работы реактора в год составляет 7620 часов.

Реактор синтеза трихлорсилана представляет собой аппарат колонного типа для проведения гидрохлорирования кремния в псевдоожиженном слое.

Реактор снабжен сепаратором и системой отвода тепла. В режиме синтеза трихлорсилана мощность реактора составляет ~ 1 МВт. В период подготовки реактора к процессу синтеза трихлорсилана, реактор предварительно прогревается до температуры не менее 260°С. Для сокращения времени пускового процесса, а также потерь хлористого водорода температура должна быть на уровне 300-320°С.

Для обогрева реактора Р-1 и снятия реакционного тепла при его работе используется высокотемпературный органический теплоноситель (ВОТ).

В режиме разогрева реактора Р-1 теплоноситель поступает в рубашку реактора и после достижения в реакторе Р-1 температуры 280-290°С поток теплоносителя переводится с режима электрообогрева на систему охлаждения реактора постоянной температурой 200°С. Когда процесс синтеза трихлорсилана завершается и в реактор Р-1 подается азот, парогенератор Е- переводится в режим интенсивного охлаждения. Температура теплоносителя на приборе контроля температуры TRC-42 задается на уровне 120-130°С.

Если реактор охладился до температуры менее 150°С, то подача теплоносителя насосом Н-1/1,2 прекращается и теплоноситель под давлением азота 0,7 МПа сливается в рабочую ёмкость Е-7 из системы теплового обеспечения реактора Р-1.

Подача хлористого водорода в реактор производится в нижней части аппарата через газораспределительную решетку, на которой обеспечивается равномерное распределение потока хлористого водорода на входе в зону реакции и тем самым повышается эффективность протекания реакционных процессов.

Молотый кремний в режиме синтеза трихлорсилана подается в среднюю часть реактора поз. Р-1 из бункера поз. Е-3. Заполнение бункера поз. Е- производится через подпиточные бункера поз. Е-2/1,2. Вес загружаемого в реактор Р-1 кремния в бункере поз. Е-3 контролируется и составляет тонн.

При значительном снижении уровня псевдоожиженного слоя в реакторе (ниже 8 м) проводится дополнительно загрузка кремния из бункера Е-2/1,2.

При превышении уровня псевдоожиженного слоя выше 9,5 м загрузка кремния дополнительно из бункеров Е-3 и Е-2/1,2 не осуществляется.

Хлористый водород со стадии компримирования хлористого водорода поступает в реактор в количестве 1550-1600 нм3/час (FQRCA-12) и давлением не менее 0,45 МПа. Давление синтеза в нижней части реактора составляет 0,35-0,37 МПа.

Контроль температуры в реакторе Р-1 осуществляется на трех уровнях реактора (в нижней, в средней, и в верхней части). Для регулирования температуры используются четыре контрольные точки, расположенные равномерно по радиусу реактора.

Давление в реакторе контролируется в четырех точках, разнесенных по высоте реактора. В нижней части реактора давление регулируется путем изменения расхода абгазов, поступающих в ресивер. Давление в средней части реактора используется для аналитического определения уровня псевдоожиженного слоя в реакторе Р-1. Если давление превышает допустимое, срабатывает предохранительный клапан и газовая смесь из реактора сбрасывается на санитарную очистку.

Показаниями для окончания процесса являются падение селективности по трихлорсилану, устойчивое снижение конверсии хлористого водорода до значения ниже 80% и т.д. В реактор Р-1 прекращают загружать кремний из бункера Е-3.

Затем давление в нижней части реактора сбрасывают до 0,2 МПа.

Подача хлористого водорода поддерживается постоянной на уровне 840- нм3/час при 0,2 МПа.

При достижении давления 0,2 МПа подача хлористого водорода прекращается и в реактор подается азот в количестве 750-800 нм3/час. Выдача продуктов реакции из циклона С-2 на систему конденсации прекращается и абгазы направляются непосредственно на санитарную очистку.

Узел теплового обеспечения переводится в режим интенсивного охлаждения. Кремний из реактора Р-1 выгружают в бункер Е-6, если температура псевдоожиженного слоя становится, ниже 150-160°С.

Из бункера Е-6 кремний в режиме пневмотранспорта направляется в бункер Е-2/1,2 и используется при следующем пуске процесса синтеза трихлорсилана.

3.2.3 Годовой материальный баланс материального баланса в зависимости от качества сырья, селективности процесса по трихлорсилану и производительности реактора.

среднегодового значения без снижения годовых расходных норм по сырью и отходам производства.

Текущий материальный баланс синтеза трихлорсилана зависит от производственной стадии и может не полной мере соответствовать среднегодовым показателям. Отличие представленных в балансе данных составляет ± 0,01 кг/час.

Содержание трихлорсилана в выходящем из реактора пылегазовом потоке изменяется от 0% при пуске реактора до 80% и более в установившемся режиме синтеза.

7620 часов в год [124]. Технологическими решениями предусмотрена возможность возврата части пыли (циклон С-1 –> бункер Е-4–> реактор Р-1) в процесс получения трихлорсилана.

Возвращение пыли на повторную переработку осуществляется при удовлетворительном составе пыли, если пыль содержит повышенное содержание солей и примесей, то пыль, улавливаемая в циклонах С-1 и С-2, рассматривается как отход и отправляется на дезактивацию. Возвращение пыли позволяет уменьшить расходный коэффициент по кремнию.

расходных коэффициентов предусмотрен вариант, когда возврат пыли в реактор Р-1 не производится.

«Нормативный» материальный баланс. Материальный баланс для режима максимальной производительности предусмотрен технологией и приведен как справочный для выбора оборудования. В таблицах 3.4 и 3.5 приведены данные для нормального и максимального режимов соответственно.

Материальный баланс процесса синтеза трихлорсилана. Нормальный режим

ПРИХОД РАСХОД

Хлористый водород 16134,23 2117,35 69,99 Парогазовая смесь 23051,70 3025,16 100, Материальный баланс процесса синтеза трихлорсилана. Максимальный режим

ПРИХОД РАСХОД

Хлористый водород 19591,85 2571,11 79,21 Парогазовая смесь 25817,43 3388,11 100, процесса: трихлорсилана, четыреххлористого кремния, хлористый водород, кремний. Материальные балансы производства трихлорсилана приведёны в обосновывающими расходные нормы по сырью и отходам производства.

3.2.4 Конструкционные материалы конструкционным материалам.

В процессе синтеза ТХС технологические среды содержат следующие исходные компоненты: газообразный хлористый водород, контактную массу в виде металлического порошкообразного кремния в присутствии солей (продуктов хлорирования примесей в кремнии – алюминия, железа, кальция) высококипящие силоксаны и полисиланы [124].

протекание гидролиза, имеют низкую коррозионную активность в отношении низколегированной 09Г2С и нержавеющей марки 12Х18Н10Т.

Скорость коррозии углеродистой стали при температуре 15500С для сухих хлорсиланах составляет не более 0,01 мм/год. Скорость коррозии углеродистой стали в среде синтеза трихлорсилана при температуре ~ 350°С в отсутствии эрозионного воздействия кипящего слоя составляет ~ 0,4 мм/год.

В зоне кипящего слоя и в месте ввода хлористого водорода наблюдается коррозионно-эрозионный износ металла максимально до 1,5 мм/год.

Так как в процессе синтеза присутствуют примеси хлоридов алюминия, железа, кальция и др., то это приводит к ускорению общей коррозии и разрушению стали при совокупном влиянии сварочных, температурных и термоциклических напряжений.

Средняя скорость коррозии стали марки 12Х18Н10Т в нижней, наиболее опасной зоне реактора, при испытаниях составила 23 мм/год при рабочей температуре ~ 330°С. Скорость коррозии для конического днища реактора может достигать ~ 5 мм/год. Известно, что реакторы, изготовленные из стали марки 12Х18Н10Т, имеют срок службы не более трех лет.

Удовлетворительные показатели по коррозионной устойчивости в условиях синтеза ТХС имеет низколегированная сталь марки 09Г2С.

Практический опыт работы оборудования, изготовленного из стали марки 09Г2С показывает, что срок эксплуатации оборудования составляет от 5 до 10 лет.

Сталь марки 09Г2С может быть рекомендована для изготовления реактора синтеза трихлорсилана и стальные листы должны отвечать техническим требованиям категории 17 ГОСТ 5520-70.

Для трубопроводов материал рекомендуется выбирать в соответствии с материалом основного оборудования. Трубы теплообменника должны быть бесшовные и термически обработанные. При проектировании крепления труб в реакторе нужно выполнять расчет на прочность.

1. Представлены результаты расчета основных параметров реактора синтеза трихлорсилана: эквивалентный размер частиц кремния – 134 мкм; удельная производительность реактора синтеза – 403 г/кг ч по трихлорсилану; рабочая скорость хлористого водорода в реакторе – 0,093 м/с; количество загружаемой контактной массы в реактор – 7500 кг; конверсия хлористого водорода – 0,9; габаритные размеры реактора – диаметр – 2 м; высота рабочей зоны реактора – 10 м; высота цилиндрической части реактора – 14 м;

.площадь теплообменной поверхности – 104 м.

2. Дано описание технологического процесса синтеза трихлорсилана, включающее 8 основных стадий: 1) дробление и помол кремния; 2) синтез трихлорсила; 3) сухая и мокрая пылеочистка; 4) конденсация продуктов реакции; 5) компримирование и разделение абгазов; 6) нейтрализация шламов мокрой очистки и кубовых остатков; 7) переработка и нейтрализация пыли и отработанной контактной массы; 8) санитарная очистка абгазов.

3. Представлены материальные балансы для основных компонентов процесса:

трихлорсилана, четыреххлористого кремния, хлористый водород, кремний.

Материальные балансы производства трихлорсилана приведёны в размерности тонн/год и являются среднегодовыми балансами, обосновывающими расходные нормы по сырью и отходам производства.

Материальный баланс синтеза трихлорсилана зависит от производственной стадии и может отличаться от среднегодовых показателей на ± 0,01 кг/час.

4. Даны рекомендации по конструкционным материалам. Отмечено, что удовлетворительные показатели по коррозионной устойчивости в условиях синтеза трихлорсилана имеет низколегированная сталь марки 09Г2С. Срок эксплуатации оборудования из данной стали составляет от 5 до 10 лет. Сталь марки 09Г2С может быть рекомендована для изготовления реактора синтеза трихлорсилана.

5. Разработана принципиальная технологическая схема получения трихлорсилана. Разработанная технологическая схема процесса прямого синтеза трихлорсилана позволяет вести технологический процесс при технологических параметрах, обеспечивающих максимальный выход трихлорсилана – 85-95 %.

Основные технологические разработки, заложенные в данную технологическую схему получения трихлорсилана, нашли отражение и вошли в проектные решения по реконструкции существующего производства трихлорсилана в корпусе № 94 ООО «Усолье-Сибирский Силикон» с увеличением мощности до 25000 т в год по трихлорсилану очищенному полупроводникового качества.

6. На проектную документацию «Реконструкция существующего производства трихлорсилана в корпусе № 94 ООО «Усолье-Сибирский Силикон» с увеличением мощности до 25000 тонн в год по трихлорсилану очищенному полупроводникового качества» получено положительное заключение государственной экспертизы № 027-10/ГТЭ-6530/02 от 20 января 2010 г.

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЦЕССА

ПРОИЗВОДСТВА ТРИХЛОРСИЛАНА С ПОМОЩЬЮ

КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В первой главе работы были рассмотрены различные программные комплексы, которые можно использовать на этапе проектирования современных промышленных производственных объектов газонефтехимического профиля, включающих сложные технологические системы.

Было отмечено, что Aspen ONE является уникальным по своим возможностям программным продуктом, который предоставляет средства для моделирования химико-технологических процессов в рассматриваемой предметной области [63].

С помощью модуля Aspen Custom Modeler этот программный комплекс позволяет моделировать отдельные технологические аппараты (единицы оборудования), которые изначально не предусмотрены в его стандартных библиотеках [63, 69, 70].

В данной главе описаны особенности применения программного комплекса Aspen ONE на этапе проектных исследований по реконструкции существующего производства трихлорсилана в г. Усолье-Сибирское Иркутской областиb и возможности трехмерного проектирования.

4.1 Краткое описание процесса построения технологической схемы производства трихлорсилана в программном комплексе Aspen ONE Технологическая схема процесса производства трихлорсилана, разработанная в главе 3, была исследована с помощью программного комплекса Aspen ONE.

В среде Aspen ONE, разработана компьютерная моделирующая система для процесса синтеза трихлорсилана, позволяющая моделировать процесс при разных условиях и находить оптимальные режимы процесса.

технологические схемы производственных процессов непосредственно на экране компьютера, выбирая элементы из списка и соединяя их в определенном порядке [63, 69, 70]. На рис. 4.1 представлено изображение графического интерфейса моделирующей программы Aspen ONE.

Рис. 4.1. Графический интерфейс моделирующей программы Aspen ONE С помощью графического интерфейса моделирующей программы Aspen ONE блоки математических моделей аппаратов выбираются пользователем из стандартной библиотеки моделей программного комплекса.

Технологическая схема процесса производства трихлорсилана, построенная средствами Aspen ONE представлена на рис. 4.2.

Модель технологического процесса производства трихлорсилана состоит из технологических блоков (выделены на рис. 4.2 прямоугольниками), которые отвечают основным стадиям процесса:

- синтеза трихлорсилана;

- сухой пылеочистки;

- мокрой пылеочистки;

- конденсации низкого давлении;

- низкотемпературной конденсации, компримирования и разделения парогазовой смеси;

- стабилизации трихлорсилана - конденсата.

Для каждого технологического блока из стандартной библиотеки моделей программного комплекса были выбраны модели аппаратов, наиболее полно описывающие протекающие в блоке процессы, определены условия протекания процесса для каждой модели аппарата, заданы входящие в них материальные и тепловые потоки.

Рис. 4.2. Технологическая схема процесса получения трихлорсилана Для моделирования процесса синтеза трихлорсилана, с которого начинается технологическая схема и заключающегося во взаимодействии молотого кремния с хлористым водородом в реакторе колонного типа использовали модель стехиометрического реактора RStoic (R-1) из стандартной библиотеки программного комплекса.

Для объединения двух материальных потоков перед вводом в реактор используется модель смесителя потоков Mixer (B3). Определение условий протекания процесса, задание стехиометрии протекающих реакций и вся необходимая информация задаётся при определении моделей аппаратов в табличной форме (рис. 4.3).

Следующая далее стадия сухой пылеочистки парогазовой смеси от реактора синтеза заключается в последовательном прохождении потока через два циклона-пылеуловителя.

Рис. 4.3. Форма задания стехиометрии для реактора Для моделирования процесса сухой пылеочистки используется типовая модель SSplit (делитель потока твёрдых веществ) (С1, С2), с заданием степени очистки по каждому циклону. Выходящий из второго циклона С парогазовый поток направляется в следующий по схеме блок мокрой пылеочистки.

Узел мокрой пылеочистки парогазовой смеси (рис. 4.4) представлен следующими основными аппаратами:

- куб мокрой очистки;

- колонна мокрой очистки.

В кубе мокрой очистки происходит предварительная очистка парогазовой смеси от пыли, испарение низкокипящих продуктов реакции из шлама, заполняющего куб, за счёт высокой температуры газового потока, поступающего в куб, и улавливание солей металлов. Ввод газовой смеси осуществляется через барботёр. Куб обогревается паром.

При создании модели процесс, происходящий в кубе мокрой очистки, рассматривали как процесс абсорбции, протекающий в колонном аппарате с одной тарелкой при заданном отборе из куба. На этом основании при создании технологический схемы в моделирующей программе использовали типовую модель колонного аппарата RadFrac с ребойлером (К1).

В колонне мокрой очистки производится окончательная очистка парогазовой смеси от пыли кремния и солей металлов и частичная ректификация высококипящих продуктов реакции.

Для моделирования процесса используется типовая модель колонного аппарата RadFrac без ребойлера и без дефлегматора (К2) из библиотеки стандартных программ Aspen ONE. Для объединения потоков 6 и N2 перед подачей их в колонну К1 в технологическую схему включена модель смесителя потоков Mixer (B6).

Рис. 4.4. Узел мокрой пылеочистки парогазовой смеси Очищенный от пыли и большей части летучих неорганических солей и высококипящих продуктов парогазовый поток, для конденсации из него трихлорсилана (ТХС), поступает далее последовательно на водяной и рассольный теплообменники блока конденсации низкого давления.

технологических блоков, при этом из стандартной библиотеки моделей Aspen ONE выбираются модели аппаратов, наиболее полно описывающие протекающие в блоке технологические процессы. Даётся табличное определение условий протекания процесса для каждой модели аппарата, задаются входящие материальные и тепловые потоки для каждого аппарата схемы и дальнейшее направление выходящих потоков.

Построенная таким образом технологическая схема в среде Aspen ONE в целом достаточно подробно моделирует процесс производства трихлорсилана и позволяет, меняя расходы входящих потоков, получать производительность.

Составы и параметры всех внешних потоков технологической схемы (исходные реагенты) задаются в табличной форме (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Форма задания параметров материального потока Составы и параметры всех рассчитываемых потоков (продукты процесса) можно получить после расчёта технологической схемы в той же табличной форме (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Табличная форма представления параметров рассчитанных потоков технологической схемы Технологическая схема, построенная с помощью Aspen ONE, как отмечалось выше, в целом достаточно подробно моделирует процесс производства трихлорсилана.

Однако при использовании программного комплекса возникали определенные трудности при описании стадии очистки абгазов и моделировании процесса гидрохлорирования кремния в реакторе.

Для описания стадии очистки абгазов, таблично задавали полный перечень веществ, участвующих в этом процессе. Форма задания полного перечня веществ, участвующих в процессе представлена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Табличная форма представления перечня веществ для стадии очистки абгазов Для описания процесса очистки абгазов и использовали модель RadFrac – адсорбер, с указанием материальных потоков, характеризующих процесс на входе и выходе из аппарата очистки [160, 161]. При задании характеристик таких потоков на входе указываются температура потока, давление, расход и состав. На рис. 4.8 представлена технологическая схема стадии очистки абгазов.

Рис. 4.8. Технологическая схема стадии очистки абгазов В соответствии с исходными данными процесса материальные потоки (температура потока, давление, расход и состав) в адсорбер описывались на вкладке StreamsAbgIn и StreamsAbsorbent (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Изображение рабочего окна задания исходных данных, необходимых для расчета и моделирования адсорбера Описание самого аппарата выполнялось на вкладке BlocksABS.

Задавали 8 теоретических ступеней разделения (так как колонна содержит тарелок, к.п.д. тарелки принимали равным 0,60-0,65). На вкладке SetupStreams (рис. 4.10) писывались условия питания: поток абгазов подается снизу (на 8 тарелку), поток воды – сверху (на 1тарелку).

Соответственно, сверху отводятся очищенные абгазы, а снизу – отработанный сорбент.

Рис. 4.10. Изображение рабочего окна задания потока абгазов и потока воды в адсорбер На вкладке SetupPressure задавали атмосферное давление по высоте колонны (0,001 МПа). Для используемой в процессе проектирования модели абсорбера на вкладке BlocksABSConvergence обозначается алгоритм расчета и модель аппарата (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Изображение рабочего окна задания алгоритма расчета и модели аппарата На вкладке Blocks ABS Reactions указывается возможность протекания реакции в аппарате (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Изображение рабочего окна задания химических реакций в Описание химических реакций, протекающих в аппарате, отражается на вкладке ReactionsReactionsR-1 (рис. 4.13).

Рис. 4.13 Изображение рабочего окна для описания химических реакций в аппарате Сложность при дальнейшем описании состояла в том, что необходимо выбрать тип реакции, а именно - Equilibrium, Conversion или Kinetic. При задании типа реакции Equilibrium, несмотря на то, что в ходе реакции образуется газообразное вещество (водород) и осадок (гелеобразная кремниевая кислота), в программе данная реакция рассматривается как обратимая. Более того, обратная реакция оказывается термодинамически выгодной.

При задании типа реакции Conversion – требуется описание уравнения конверсии по одному из реагентов. Такая информация отсутствует в исходных данных на процесс и ее крайне мало в литературных источниках.

При задании типа реакции Kinetic – требуется описать систему кинетических уравнений. Информация по кинетике реакции на стадии очистки абгазов также отсутствует. После анализа всех имеющихся данных был выбран тип реакции Conversion.

соответствующей литературы и по соображениям инженерно-эвристического характера с учетом выхода целевого продукта. После того, как вся исходная информация была определена и введена в систему, выполнялся расчет.

Результаты расчета отображаются на вкладке BlocksABSStream Result.

стандартных моделей аппаратов (реакторов), имеющихся в пакете Aspen ONE, псевдоожиженным слоем.

Такие модели реакторов колонного типа RStoic (РИС-Н, РИС-П, РИВ) псевдоожижения [128, 134, 146, 162-164].

Использование в качестве модели реактора той, которая предлагается псевдоожиженном слое (сушка влажного твердого материала в токе воздуха), также к должному результату не привело.

Анализ особенностей протекания процесса в этих условиях показал, что данная модель не может быть использована для описания реактора с псевдоожиженным слоем, так как она не учитывает химических реакций, протекающих в процессе синтеза трихлорсилана (ТХС).

Таким образом, для моделирования процесса синтеза трихлорсилана в псевдоожиженном слое необходимо было разработать новую модель реактора с помощью модуля Aspen Custom Modeler программного комплекса Aspen ONE [63, 69, 70].

псевдоожиженном слое Как отмечалось выше программный комплекс Aspen ONE предоставляет возможность пользователю моделировать технологические процессы, протекающие в аппаратах (оборудовании) не только с использованием определенного набора моделей аппаратов (оборудования) из стандартной базы данных программного комплекса, но и с помощью программного модуля Aspen Custom Modeler моделировать отдельные технологические аппараты (единицы оборудования), которых нет в стандартных библиотеках программного комплекса. Разработка программного блока включает разработку алгоритма процесса гидрохлорирования кремния в реакторе с псевдоожиженным слоем и разработку соответствующей программы для моделирования процесса синтеза трихлорсилана.

4.2.1 Разработка алгоритма процесса гидрохлорирования кремния в реакторе с псевдоожиженным слоем Для расчета процесса синтеза трихлорсилана используется реактор с псевдоожиженным слоем: кремний (порошкообразное кремнийсодержащее сырье) реагирует с хлористым водородом в псевдоожиженном слое [128, 134, 143, 146, 151, 162-164]. Расчет процесса синтеза трихлорсилана в реакторе с псевдоожиженным слоем кремния направлен на определение выполнимых технически параметров процесса получения трихлорсилана прямым синтезом.

Блок-схема алгоритма расчета реактора кипящего слоя представлена на рис. 4.14. Основными блоками алгоритма являются блоки, включающие определение:

характеристики кремния и хлористого водорода;

граничных условий псевдоожижения (скоростей начала псевдоожижения и уноса, скорости движения газа);

выбор рабочей скорости псевдоожижения;

степень конверсии хлористого водорода;

определение требуемого расхода хлористого водорода по требуемой мощности производства;

определение диаметра аппарата по расходу хлористого водорода и скорости псевдоожижения;

расчет материального баланса процесса синтеза трихлорсилана;

оценка производительности процесса по трихлорсилану;

определение высоты слоя твердого слоя и кипящего и т.д.

Исходные данные:

характеристики твердого слоя и газа (псевдоожижения) Рис. 4.14. Блок-схема алгоритма расчета реактора кипящего слоя Более подробно последовательность расчета реактора кипящего слоя в соответствии с приведенным выше алгоритмом дана на схеме (рис. 4.15).

Основными блоками данной схематической последовательности расчета реактора кипящего слоя являются следующие:

выбор дисперсности кремния;

определения эквивалентного диаметра частиц кремния;

определение гидродинамических характеристик (скорости начала псевдоожижения, порозности);

определение характеристик кипящего слоя.

степень конверсии;

производительность по трихлорсилану;

расчет материального баланса процесса;

диаметр аппарата.

(расчетная) не станет равным хК (требуемая) Подбирать значение Н0 до тех пор, пока хК Рис. 4.15. Схематическая последовательность расчета реактора кипящего слоя помощью программного модуля Aspen Custom Modeler была создана программа для моделирования реактора с псевдоожиженным слоем, которая описана ниже [165-169].

4.2.2 Разработка программы для моделирования процесса синтеза трихлорсилана в реакторе с псевдоожиженным слоем Как отмечалось ранее, пакет программ Aspen ONE имеет приложение – модуль Aspen Custom Modeler, позволяющий на основе результатов физикохимических, кинетических и технологических исследований проектируемых процессов разрабатывать пользовательские математические модели технологических блоков (единиц оборудования), отсутствующие в стандартной базе данных программного комплекса Aspen ONE.

Исходными данными для программного модуля Aspen Custom Modeler являются расчетные зависимости для моделируемого оборудования, написанные на различных языках программирования, в частности, Intel Fortran 9.0 или 9.1, Microsoft Visual C++, Microsoft Visual Basic 6 (Aspen Custom Modeler Language) [170-174].

При работе Aspen Custom Modeler автоматически появляется текстовое окно. В это окно записывается вся последовательность расчета на используемом языке программирования (Fortran) [170, 173].

Таблица спецификации, куда вносятся исходные данные (выделены жирным шрифтом) и где отображаются результаты расчета, показана на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Таблица исходных данных и результатов расчетов:

"free" – расчетный параметр (результат расчета);

"fixed" – фиксированный параметр (исходные данные, константы).

программы Aspen Custom Modeler.

Окно ввода данных и вывода Рис. 4.17. Изображение рабочего пространства программы Aspen Custom Modeler Далее на рис. 4.18 представлены отдельные фрагменты выполнения расчетов по разработанной программе для моделирования реактора с псевдоожиженным слоем.

1). Определение эквивалентного диаметра:

Model FLUID_REACT // Parameters d as realvariable; Задание типов данных. Ключевые типы: model (модель), stream (поток), d1 as realvariable;

d2 as realvariable;

d3 as realvariable; d1d4 – диаметры частиц № 1- d4 as realvariable; g1g4 – массовые доли частиц диаметрами d1d4 в твердом материале g1 as realvariable; d – эквивалентный диаметр g2 as realvariable;

g3 as realvariable;

g4 as realvariable;

d1: fixed; "fixed" – значение является исходным, фиксированным. Т.е. при задании d2: fixed; исходных величин в таблице спецификации модели данные параметры будут //equivalent diameter d = 1/(g1/d1+g2/d2+g3/d3+g4/d4);

2). Определение критической порозности песка:

form as realvariable; На данном этапе зададим коэффициент формы как известный параметр.

form: fixed; Позже планируется создать "выборку" коэффициента формы в //porouness of sound зависимости от формы частиц твердого материала.

e as realvariable;

e = (form/14)^(1/3);

3). Определение критерия Архимеда:

//density of solid material – задание плотности твердого материала Pm as realvariable;

//kinematic viscosity – задание кинематической вязкости газа vk as realvariable;

//acceleration of gravity – задание ускорения свободного падения g as realparameter;

//density of gas – задание плотности газа (обозначение – "Pg") Pg as realvariable;

Ar as realvariable;

//Archimedean criterion Ar = g*d^3*(Pm - Pg)/(vk*vk*Pg);

4). Определение критерия Рейнольдса для режимов начала псевдоожижения и //Reynolds criterion of boiling для режима начала псевдоожижения Re0 as realvariable;

Re0 = Ar/((150*(1-e)/e^3)+(1.75*Ar/e^3)^0.5);

//Reynolds criterion of ablation Reu as realvariable;

Reu = Ar/(18+0.61*sqrt(Ar));

//velocity (for boiling and ablation) wu as realvariable;

wu = Reu*vk/d; Определение рабочей скорости движения газа (с помощью коэффициента w as realvariable;

kboil as realvariable;

kboil: fixed;

5). Определение диаметра аппарата:

//diameter of reactor Ftxsmole as realvariable;

Seltxs as realvariable; Задание селективности целевой реакции Seltxs: fixed;

Famolesel as realvariable; Обозначение мольного расхода реагента на целевую Famass as realvariable; реакцию; с учетом селективности; общего массового Famole as realvariable; расхода реагента с учетом степени конверсии Mrtxs as realparameter;

Mrh2 as realparameter;

Mrtxs: 135.4519;

Mrh2: 2.01588;

Mrsi: 28.085;

Mrhcl: 36.4609;

Da as realvariable;

Ftxsmole = Ftxsmass/Mrtx – расчет мольной производительности продукта Famole = 3*Ftxsmole; – расчет мольного расхода реагента на целевую Famolesel = Famole/Seltxs; – расчет мольного расхода реагента на все Famass = Famolesel*Mrhcl/Xa; – расчет общего массового расхода реагента Da = round(10*sqrt(4*Famass/(w*3.14*Pg)))/10;

Следует отметить, что программа Aspen Custom Modeler не позволяет наибольшего значения от 1,211,29 до 1,30). Среди операторов программы доступны оператор округления до целого числа "round" (1,20 до 1,00; 1,60 до 2,00) и оператор "отсечки" цифр после запятой "truncate" (1,20 до 1,00; 1, до 1,00).

6). Определение высоты слоя твердого материала Н0:

//the features of fluidized reactor Xar as realvariable; – расчетное значение степени конверсии u: 0.031104;

C0 as realvariable; – значение концентрации реагента в газовой смеси H0 as realvariable; – начальная высота слоя твердого материала Diff as realvariable; – значение коэффициента диффузии while (abs(Xar-Xa)>1e-6) do H=H0*(1+0.9*(w-w0));

dp=H0*(W-W0)/(0.711*g^0.5*(H-H0));

Diff=(1/60)*sqrt(g*Da^3);

Xar=H0*u/(w0*C0)/(1-(w-w0)/w0*EXP(-((6*HH0)*(3*w0/(4*dp)+0.975*(Diff^0.5)*(g^0.25)/(dp^1.25)))/(w-w0)));

endwhile;

моделирования реактора с псевдоожиженым слоем В результате проведенных расчетов получены значения начальной высоты псевдоожиженного слоя (Н0=10,4 м) и достигнута степень конверсии математическая модель для моделирования реактора с псевдоожиженным слоем была реализована программно и добавлена в библиотеку комплекса Aspen Plus.

Сравнение результатов расчёта материального баланса полученных на реконструкцию существующего производства трихлорсилана в г. УсольеСибирское Иркутской области, показывает, что расхождение в значениях не значительны. Расхождения наблюдаются в основном в доле паровой фракции после конденсатора. При моделировании процесса в Aspen ONE доля жидкой фракции немного выше, при этом доля растворённых газов чуть выше, а доля дихлорсилана и трихлорсилана в жидкой фазе немного ниже. Эти расхождения не превышают 5%. Такое расхождение (не более 5%) возможно и при использовании одних и тех же компьютерных комплексов для термодинамические данные [63, 169, 174, 175]. Поэтому результаты моделирования с использованием программного комплекса Aspen ONE можно считать достаточно хорошо согласующимися с данными, представленными в материалах на реконструкцию производства.

На основании проведённых исследований и расчётов можно сделать вывод о том, что программный комплекс Aspen ONE можно использовать для проектных исследований при моделировании химико-технологических процессов.

Практический опыт проектирования производства трихлорсилана показал, что программный комплекс Aspen Plus обеспечивает согласованность данных для моделирования химических и нефтехимических процессов и их инженерных расчётов. Он способствуют сокращению времени на реализацию проекта, делает процесс проектирования более удобным и может быть рекомендован к использованию на практике [63, 69, 70].

4.3 Компьютерные технологии трехмерного проектирования Пакет программ Aspen ONE имеет интерфейс обмена данными с программной системой трехмерного проектирования AVEVA PDMS [176, 177].

Для моделирования современных производств, отвечающих всем требованиям и нормам, используются новые технологии проектирования система трехмерного проектирования AVEVA PDMS. Применение системы трехмерного проектирования сегодня часто является требованием заказчика проектных работ [178].

Использование систем трехмерного проектирования позволяет получить модель проектируемого объекта в трехмерном пространстве, что важно при дальнейшей эксплуатации объекта [61].

Система AVEVA PDMS была использована для выполнения проектных работ по реконструкции существующего производства трихлорсилана в г. Усолье-Сибирское Иркутской области.

AVEVA PDMS является новой технологией, позволяющей управлять всеми проектными работами и далее до строительства и пуска объекта в эксплуатацию. Данная система предоставляет для проектировщика простую в использовании трехмерную среду. Ядро системы AVEVA PDMS включает проектные данные, а все чертежи и проектная документация формируются на основе системы [176, 178].

Следует отметить, что AVEVA PDMS имеет возможность использовать данные из ранее выполненных проектных решений. Эта возможность системы, позволяет стандартизировать и упростить процесс проектирования.

AVEVA PDMS с помощью встроенного языка программирования PML позволяет пользователю расширить набор функций каждого приложения, а также создавать собственные приложения в соответствии со стандартами предприятия. Интегрированная база данных создает единую среду для пользователей при проектировании.

Современные персональные компьютеры позволяют создавать виртуальные макеты промышленных установок в трехмерном пространстве (3D модели) с высокой степенью детализации [61].

Компьютерные системы трехмерного проектирования, как правило, не содержат расчетных программ, но они обеспечивают возможность передачи данных из модели в программы расчета технологических систем.

Основными принципами трехмерного проектирования являются следующие принципы [178]:

- проектирование производств на основе моделирования;

- моделирование с использованием интеллектуальных объектов;

- организация сквозного потока информации.

проектирования проектировщик строит компьютерные модели, из которых потом система автоматически создает нужные выходные текстовые и графические документы.

В AVEVA PDMS работа ведется путем создания и редактирования интегрированной трехмерной модели технологического блока (установки), который включает все части проекта – оборудование, трубопроводы, строительные конструкции, оборудование систем контроля и автоматики, электроснабжения, трубопроводы систем отопления и вентиляции и т.д.

В системе AVEVA PDMS имеется специальное программное обеспечение, которое проверяет на пересечения и соблюдение допустимых расстояний между объектами [176-178].

Работа с интеллектуальными объектами означает, что при построении моделей проектировщик оперирует с объектами, изображающими элементы технологической установки - оборудование, трубы, детали трубопроводов, арматуру, детали строительных конструкций и т.д.

Программа понимает, чем является каждый объект и как его нужно отобразить. Кроме того, программа подсказывает проектировщику, как именно следует его размещать. Таким образом, строятся интеллектуальные модели.

Интеграция данных и графического представления объектов позволяет обеспечить правильность изображения объекта на чертеже и точное соответствие данных объекта на чертеже и в текстовых документах.

Так как AVEVA PDMS оперирует объектами на основе данных, то появляется возможность передачи данных между чертежами и моделями, с которыми оперируют расчетные программы. Это сокращает время на ввод исходных данных при подготовке расчетных моделей.

Организация сквозного потока информации означает, что информация в процессе проектирования вводиться в интегрированную 3D модель один раз.

Она сохраняется, является доступной всем участникам процесса проектирования и может быть использована на последующих этапах жизненного цикла производства.

программирования и программные интерфейсы для организации взаимодействия между системой и программами пользователя. Система может быть дополнена возможностями экспорта и импорта в другие программы, модулями расчетов и другими дополнительными функциями [178].

Накопление информации, ее передача без искажений и потерь между разными программами, используемыми при проектировании, строительстве и эксплуатации производственных объектов имеет большое значение.

международного стандарта ISO15926 [179], в котором описана структура и формы представления информации о технологических установках и их элементах.

4.3.1 Работа в системе AVEVA PDMS Вход в систему 3D - проектирования осуществляется через ярлык запуска PDMS и последующий ввод/выбор необходимых данных в появившемся окне регистрации (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Окно регистрации и входа в PDMS После входа в систему на локальном компьютере пользователя происходит автозагрузка системных переменных, специализированных форм и меню, а также настроек и данных по разрабатываемой 3D-модели с централизованного сервера. После чего откроется соответствующий модуль проектирования PDMS.

В том случае, если в поле Module выбрана настройка Design, на экране пользователя откроется модуль разработки виртуальной 3D-модели Design PDMS, обеспечивающий программную среду, интерфейс и технологии создания и разработки элементов этой модели [61].

Работа в модуле Design Интерфейсное окно модуля Design с основными элементами приведено на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Основные элементы интерфейса модуля Design Система меню – обеспечивает взаимодействие пользователя со средой разработки модели и элементами модели. Содержит пункты вызова системных команд, панелей инструментов, формы графических видов, а также различных проводников и командные строки. Панели инструментов – обеспечивают взаимодействие пользователя со средой разработки модели и элементами модели. Содержат кнопки и списки настроек.

Design Explorer – проводник по элементам модели, отображающий составные части модели в виде дерева с иерархической структурой и наследованием свойств от вышестоящего элемента к нижестоящему.

Фактически, дерево элементов отображает иерархическую комбинацию объектов из баз DESI, хранящихся на сервере централизованно и подключенных к выбранной MDB (Multiple Database – комбинация баз данных и прав доступа на редактирование). Базы данных, входящие в MDB, имеют типы DESI (модель), PADD (чертежи), CATA (каталоги компонентов), PROP (физические свойства) и базы административного типа.

Graphical View (3D View) – графический вид (3D – вид), отображающий на локальном компьютере элементы из дерева Design Explorer, предварительно выбранные пользователем для визуализации. Графический вид отображает объекты базы данных DESI (элементов 3D – модели) в соответствии со значениями атрибутов объектов, задаваемых при создании или модификации элементов модели, а также настройками цветов, прозрачности и значений системных переменных, проведенными пользователем на своей локальной машине. Если такие настройки пользователем не проведены, то при визуализации используются значения по умолчанию, централизованно заданные администратором на сервере.

Формы – объединенные комбинации меню, таблиц, списков и переключателей, автоматизирующие процесс пользовательской обработки и создания элементов 3D – модели или облегчающие настройки графического вида (3D – вида), а также навигацию, поиск, визуализацию и получение статистических отчетов (спецификаций) по элементам как с использованием 3D – вида, так и проводника элементов Design Explorer.

Строка состояния – строка, отображающая состояние системы и текст, содержащий подсказку по вариантам действий пользователя при работе с некоторыми меню и формами.

Перед работой в модуле Design PDMS проектировщику необходимо выбрать в соответствии со своей специализацией подмодуль, определяющий состав меню, панели инструментов и системные настройки. Подмодуль проектирования выбирается в меню Design (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Выбор подмодуля в Design PDMS Основными из 8 подмодулей являются следующие подмодули:

- General – основной подмодуль проектирования Design, содержащий общие для всех специальностей команды и панели инструментов.

- Equipment – подмодуль проектирования элементов оборудования.

Подмодуль предназначен для разработки модели технологического оборудования, оборудования КИП и др., а также для компоновки модели.

- Pipework – подмодуль проектирования элементов трубопроводов.

- Structures – подмодуль проектирования строительных конструкций.

В проводнике Design Explorer отображается объектное дерево элементов. Состав дерева элементов определяется содержимым и сочетанием баз DESI (3D – модели), в текущей MDB, которую пользователь выбрал при входе в систему (рис. 4.19). Объектное дерево служит пользователю для определения логических связей между элементами модели и навигации в текущем проекте PDMS (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Объектное дерево элементов с примером атрибутов Каждый элемент в дереве имеет свой тип, уникальное имя, набор иерархической структуре определяет зависимость значений атрибутов нижестоящего элемента от вышестоящего атрибута.

Таким образом, практика показывает, что использование при создании производственных объектов современных программных комплексов и систем трехмерного проектирования обеспечивает согласованность данных, позволяет проектировать надежные и экономичные производственные проектирования более удобным [178-180].

1. Представлено краткое описание процесса построения технологической схемы производства трихлорсилана с помощью программного комплекса Aspen ONE, включающее формы представления данных и результатов, задания технологических потоков, представления аппаратов. Отмечено, что пакет программ Aspen ONE имеет интерфейс обмена данными с программной системой трехмерного проектирования PDMS.

2. Для разных технологических блоков процесса производства трихлорсилана из стандартной библиотеки моделей программного комплекса выбраны и исследованы модели аппаратов, наиболее полно описывающие протекающие в блоке процессы: SSplit Mixer; RStoic; RadFrac.

3. Рассмотрены разные типы химических реакций, представленных в Aspen ONE: Equilibrium, Conversion или Kinetic. Определено описание и вид исходных данных, которые необходимы для описания химических реакций, протекающих в разных химико-технологических аппаратах.

4. Определено, что модели реакторов и модель процесса сушки в псевдоожиженном слое, представленные в стандартной библиотеке программного комплекса Aspen ONE, не учитывают особенностей протекания процесса в условиях псевдоожижения.

5. На основе приложения Aspen ONE (модуль Aspen Custom Modeler) для моделирования процесса синтеза трихлорсилана в реакторе с псевдоожиженным слоем разработана соответствующая математическая модель и алгоритм, программная реализация которых добавлена в библиотеку программ комплекса Aspen Plus. На основе разработанной программы получены значения начальной высоты псевдоожиженного слоя (Н0=9,3 м) и достигнута степень конверсии (Х=95% по кремнию), соответствующая заданной.

6. Проведено сравнение результатов расчёта материального баланса, полученных на основе Aspen ONE, с данными, представленными в материалах на реконструкцию существующего производства трихлорсилана в г. УсольеСибирское Иркутской области, которое показывает, что расхождения в значениях не превышают 5% и позволяет рекомендовать Aspen ONE использовать для проектных исследований при моделировании химикотехнологических процессов.

7. Рассмотрены компьютерные технологии трехмерного проектирования.

Отмечено, что модуль разработки виртуальной 3D-модели Design PDMS, обеспечивает программную среду, интерфейс, технологии создания и разработки элементов трехмерной модели. Подмодуль Equipment позволяет разрабатывать модели технологического оборудования. Современные программные комплексы и системы трехмерного проектирования обеспечивают согласованность данных, сокращают время на реализацию проекта, позволяют проектировать надежные и экономичные производственные объекты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена важная научная задача, имеющая существенное значение в области создания новых современных химико-технологических производств, состоящая в разработке промышленной технологической схемы получения трихлорсилана прямым синтезом на основе проектных исследований.

1. Проведен анализ отечественного и зарубежного опыта по разработке технологических решений для создания производств поликристаллического кремния. Показано, что технология получения поликристаллического кремния из трихлорсилана является основной в производстве кремния для солнечных батарей. Предложено для проведения проектных исследований использовать программный комплекс Aspen ONE, имеющий отдельный блок для моделирования оборудования, которое не может быть описано стандартными математическими моделями, представленными в библиотеках программного комплекса.

2. Разработана математическая кинетическая модель процесса прямого синтеза трихлорсилана. Установлено, что разработанная математическая модель описывает процесс с погрешностью менее 10%. Определены предэкспонентные множители констант скоростей реакций данного процесса при рабочих температурах: k 01 3,54 109 1 сек ; k 02 3,39 1014 1 сек, значения которых согласуются с известными данными.

3. Впервые выполнен параметрический анализ динамической модели химического реактора прямого синтеза трихлорсилана, в котором протекают две параллельные экзотермические реакции. Построены параметрические зависимости стационарных состояний от безразмерных параметров, кривые параметрические и фазовые портреты системы. Численно исследовано влияние особенностей кинетики процесса на множественность стационарных состояний системы с физическими параметрами.

4. Определено два стационарных состояния для данного процесса: при T 564,27 K 0 - тип неустойчивое седло и устойчивый фокус при T 847,56K 0 .

Отмечено, что для устойчивого ведения процесса синтеза трихлорсилана в области оптимальных температур 290 320 0 С необходимо синтезировать специальную систему управления тепловым режимом процесса.

параметрического анализа динамической модели химического реактора прямого синтеза трихлорсилана, включающий процедуру построения кривых кратности и кривых нейтральности для случаев, когда соответствующие аналитические выражения получить невозможно.

6. Определены основные параметры реактора синтеза трихлорсилана:

производительность реактора синтеза – 403 г/кг ч по трихлорсилану; рабочая скорость хлористого водорода в реакторе – 0,093 м/с; количество загружаемой контактной массы в реактор – 7500 кг; конверсия хлористого водорода – 0,9; габаритные размеры реактора – диаметр – 2 м; высота рабочей зоны реактора – 10 м; высота цилиндрической части реактора – 14 м;

.площадь теплообменной поверхности – 104 м.

7. Разработана принципиальная технологическая схема получения трихлорсилана, которая позволяет вести процесс при технологических параметрах, обеспечивающих максимальный выход трихлорсилана на уровне технологическую схему, включены в проектные решения по реконструкции существующего производства трихлорсилана в корпусе № 94 ООО «УсольеСибирский Силикон».

8. Проектные решения содержат технологические схемы производства трихлорсилана, построенные с помощью программного комплекса Aspen ONE, который имеет интерфейс обмена данными с программной системой трехмерного проектирования PDMS.

9. На основе приложения Aspen ONE (модуль Aspen Custom Modeler) для псевдоожиженным слоем разработана соответствующая математическая модель и алгоритм, программная реализация которых добавлена в библиотеку программ комплекса Aspen Plus. На основе разработанной программы получены значения начальной высоты псевдоожиженного слоя (Н0=9,3 м) и достигнута степень конверсии (Х=95% по кремнию), соответствующая заданной.

10. На проектную документацию «Реконструкция существующего производства трихлорсилана в корпусе № 94 ООО «Усолье-Сибирский Силикон» с увеличением мощности до 25000 тонн в год по трихлорсилану очищенному полупроводникового качества» получено положительное заключение государственной экспертизы № 027-10/ГТЭ-6530/02 от 20 января 2010 г.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Яркин В.Н., Кисарин О.А., Реков Ю.В., Червоный И.Ф. Кремний для солнечной энергетики: конкуренция технологий, влияние рынка, проблемы развития. // Теория и практика металлургии.- 2010.- №1.- С. 114-125.

2. Лапидус И.И., Нильсон Л.А. Тетрахлорсилан и трихлорсилан. М.:Химия, 1970. - 126 с.

3. Аркадьев А.А. Разработка способов синтеза трихлорсилана при повышенном давлении давлении [Электронный ресурс] / Полный текст :

http://diss.rsl.ru/diss/05/0776/050776033.pdf / дисс. … канд. техн. наук: 05.17- / Назаров Ю.Н. – М.: РГБ. 2005 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки). – 139 с. – Библиогр. : С. 115-123.

4. http://www.russianelectronics.ru.

5. Ulmann’s Enzyklopadie der tecnnlcnen Chemie. 8d.21 Verlag Chemie.

Weinheim, 1982. - s. 417-543.

6. D. Sollman. Metallurgical silicon could become a rate commodity - just how quickly that happens depends to a certain extent on the current financial crisisPhoton international February 2009 (http://www.photon-magazine.com).

7. Zahl der Siliziumhersteller steigt rasant. http://www.presstext.de/pte.nc/pte =080411027.

8. www.solarvalue.com.

9. D. Dietl, Helmreich, E. Sirtl. Solar Silicon In: Silicon / Ed. J.Grabmaier. Springer Verlag. Berlin. Heidelberg. NewYork, 1981. - p. 43-107.

10. Verfahren zur Abtrennung von Verunreinigungen aus Silizium, Pat. BDR N 3727647, C01b 33/02 von.19.08.87.

11. E. Sirtl. Future trends in solar silicon production, Solar Cells (19839 № 10.

p.101-108).

12. A. Luque, S. Megedes. Handbook of photovoltaic science and engineering. San Francisco. John Wiley & Sohn, 2003. - 1138 p.

http://www.sagenconceptsonline.com/docs/report 2.pdf.

15. M. Fuhs. Solarzellenexperten suchen Wege gegen den Siliziummangel.

(http://www.dradio.de/dif/gend ungen/forschaU8/2922).

http://www.seekingal pha.com/article/107102 togh-year-ahead-for-umh sil. 20.11.2008.

http://www.steelguru.com/news/index/2009704/28/OTESODU%3D/Pro Power_starts, 28.04.2009.

18. Nuyting Huang, Adam Hwang: SAS, Lite-On and Actron to jointly set up UMG silicon plant in Russia. http://www.Digitimes.com/ поликристаллический кремний. // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 1997. С. 20-26.

20. K. Hesse: 4 Advance Solar-Grade Si Material in: Vesselinka Petrova-Koch, R.

Hezel, A. Goetzberg: High-efficiency low-cost.

21. Гадалова О., Котенко А., Кравченко А., Миркурбанов Х., Одиноков В.

Cоздание производства поликристаллического кремния электронного качества из моносилана. // Наноиндустрия. - 2010. - № 1. - С. 4-8.

22. J. Campillo, S. Foster: Global solar photovoltaic industry analysis with focus on the Chinese market. The Departamed of Public Technology Mеlardolen University Vеsteras. Sweden.14.05.2008.

23. U. Patzold, A. Reisbeck, M. Surner:Verfahren und Vorrichtung zur Hydrierung von Chlorsilanen. EP Nr. 1 775263, kl. C01b 33/107 от 18.04.2007.

24. Яркин В.Н., Петрик А.Г., Фалькевич Э.С. Выбор метода промышленного получения дихлорсилана. // Цветные металлы. - 1988. - №6. - С. 70-73.

25. Wiliam C. O’Mara, R.B. Herring, L.P. Hunt. Handbook of semiconductor silicon technology. Noyes Publication, 1990. - 795 p.