化工学报 ›› 2025, Vol. 76 ›› Issue (2): 707-717.DOI: 10.11949/0438-1157.20240738
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孟祥军1,2(
), 杨林睿1, 彭立培2, 杨献奎2, 花莹曦2, 张人仁1, 郑凯天1, 许春建1(
)
收稿日期:2024-07-01
修回日期:2024-08-16
出版日期:2025-03-25
发布日期:2025-03-10
通讯作者:
许春建
作者简介:孟祥军(1979—),男,博士研究生,研究员,mengxiangjun@pericsg.com
基金资助:
Xiangjun MENG1,2(
), Linrui YANG1, Lipei PENG2, Xiankui YANG2, Yingxi HUA2, Renren ZHANG1, Kaitian ZHENG1, Chunjian XU1(
)
Received:2024-07-01
Revised:2024-08-16
Online:2025-03-25
Published:2025-03-10
Contact:
Chunjian XU
摘要:
三氟化氮在集成电路制造的刻蚀和清洗工艺中起到关键作用,其产品纯度和纯度稳定性要求高,精馏过程能耗大。以三氟化氮精馏过程的节能和可控性为研究对象系统研究了三氟化氮精馏过程的分离序列、热集成和过程控制:在工业现有的顺式分离序列流程基础上提出反式分离序列流程、热集成顺式分离序列流程和热集成反式分离序列流程,模拟计算结果表明热集成反式分离序列流程为较优流程,在年处理量为120000 kmol的情况下与顺式分离序列流程相比年度总成本降低了96.4万元;对顺式分离序列流程和热集成反式分离序列流程进行了动态控制结构研究,结果表明提出的控制结构对进料流量和组成的干扰具有良好的控制性能。研究结果可为工业化的三氟化氮精馏过程的节能和控制提供参考。
中图分类号:
孟祥军, 杨林睿, 彭立培, 杨献奎, 花莹曦, 张人仁, 郑凯天, 许春建. 三氟化氮精馏分离流程的设计与控制[J]. 化工学报, 2025, 76(2): 707-717.
Xiangjun MENG, Linrui YANG, Lipei PENG, Xiankui YANG, Yingxi HUA, Renren ZHANG, Kaitian ZHENG, Chunjian XU. Design and control of nitrogen trifluoride distillation separation process[J]. CIESC Journal, 2025, 76(2): 707-717.
| 参数 | 公式或数据 | 单位 |
|---|---|---|
| 冷凝器 | ||
| 传热系数UC | 0.852 | kW/(m2·K) |
| 换热温差ΔT | T塔顶-T冷冻剂 | K |
| 换热面积A | QC/(UC×ΔT) | m2 |
| 设备费用 | 7296×7.14×A0.65 | CNY |
| 再沸器 | ||
| 传热系数UR | 0.568 | kW/(m2·K) |
| 换热温差ΔT | T冷冻剂-T塔底 | K |
| 换热面积A | QR/(UR×ΔT) | m2 |
| 设备费用 | 7296×7.14×A0.65 | CNY |
| 塔设备 | ||
| 设备费用 | 17640×7.14×D1.066×L0.802 | CNY |
| 塔高L | 1.2×0.609×(理论板数-2) | m |
| 塔径D | 由Aspen的Column internals计算 | m |
| 能耗费用 | ||
| 冷冻剂(-75℃) | 298.5 | CNY/GJ |
| 冷冻剂(-150℃) | 963.9 | CNY/GJ |
| 冷冻剂(-175℃) | 1827.8 | CNY/GJ |
| 年能耗费用 | 8000×3600×QC×10-6×冷冻剂价格 | CNY/a |
表1 计算ΔTAC时使用的公式和参数
Table 1 Formulas and parameters used in calculating ΔTAC
| 参数 | 公式或数据 | 单位 |
|---|---|---|
| 冷凝器 | ||
| 传热系数UC | 0.852 | kW/(m2·K) |
| 换热温差ΔT | T塔顶-T冷冻剂 | K |
| 换热面积A | QC/(UC×ΔT) | m2 |
| 设备费用 | 7296×7.14×A0.65 | CNY |
| 再沸器 | ||
| 传热系数UR | 0.568 | kW/(m2·K) |
| 换热温差ΔT | T冷冻剂-T塔底 | K |
| 换热面积A | QR/(UR×ΔT) | m2 |
| 设备费用 | 7296×7.14×A0.65 | CNY |
| 塔设备 | ||
| 设备费用 | 17640×7.14×D1.066×L0.802 | CNY |
| 塔高L | 1.2×0.609×(理论板数-2) | m |
| 塔径D | 由Aspen的Column internals计算 | m |
| 能耗费用 | ||
| 冷冻剂(-75℃) | 298.5 | CNY/GJ |
| 冷冻剂(-150℃) | 963.9 | CNY/GJ |
| 冷冻剂(-175℃) | 1827.8 | CNY/GJ |
| 年能耗费用 | 8000×3600×QC×10-6×冷冻剂价格 | CNY/a |
| 组分 | 摩尔分数 | 常压沸点/℃ |
|---|---|---|
| H2 | 0.5×10-6 | -252.8 |
| N2 | 0.511995 | -195.8 |
| NF3 | 0.4853528 | -129.1 |
| CF4 | 5×10-6 | -128.1 |
| N2O | 0.002637 | -88.5 |
| CO2 | 3.1×10-6 | -78.5 |
| HF | 0.6×10-6 | 19.5 |
| H2O | 6×10-6 | 100.0 |
表2 流程模拟进料组成和各物质常压沸点
Table 2 Feed composition of simulated processes and normal boiling points of components
| 组分 | 摩尔分数 | 常压沸点/℃ |
|---|---|---|
| H2 | 0.5×10-6 | -252.8 |
| N2 | 0.511995 | -195.8 |
| NF3 | 0.4853528 | -129.1 |
| CF4 | 5×10-6 | -128.1 |
| N2O | 0.002637 | -88.5 |
| CO2 | 3.1×10-6 | -78.5 |
| HF | 0.6×10-6 | 19.5 |
| H2O | 6×10-6 | 100.0 |
| 参数 | 顺式分离序列流程 | 反式分离序列流程 | 热集成顺式分离序列流程 | 热集成反式分离序列流程 |
|---|---|---|---|---|
| 冷凝器总负荷/kW | -44.1 | -43.8 | -31.6 | -26.1 |
| 再沸器总负荷/kW | 27.2 | 5.7 | 26.9 | 9.6 |
| ΔTIC/万元 | 35.0 | 22.8 | 35.7 | 30.0 |
| TOC/(万元/年) | 226.3 | 186.4 | 160.7 | 132.1 |
| ΔTAC/(万元/年) | 238.5 | 194.2 | 172.1 | 142.1 |
表3 各流程比较
Table 3 Comparison of processes
| 参数 | 顺式分离序列流程 | 反式分离序列流程 | 热集成顺式分离序列流程 | 热集成反式分离序列流程 |
|---|---|---|---|---|
| 冷凝器总负荷/kW | -44.1 | -43.8 | -31.6 | -26.1 |
| 再沸器总负荷/kW | 27.2 | 5.7 | 26.9 | 9.6 |
| ΔTIC/万元 | 35.0 | 22.8 | 35.7 | 30.0 |
| TOC/(万元/年) | 226.3 | 186.4 | 160.7 | 132.1 |
| ΔTAC/(万元/年) | 238.5 | 194.2 | 172.1 | 142.1 |
| 流程名称 | 塔名称 | 灵敏板位置 |
|---|---|---|
| 顺式分离序列流程 | 脱轻塔 | 3 |
| 脱重塔 | 16 | |
| 热集成反式分离序列流程 | 脱重塔 | 11,13 |
| 脱轻塔 | 4 |
表4 各塔灵敏板位置
Table 4 Sensitivity stages for columns
| 流程名称 | 塔名称 | 灵敏板位置 |
|---|---|---|
| 顺式分离序列流程 | 脱轻塔 | 3 |
| 脱重塔 | 16 | |
| 热集成反式分离序列流程 | 脱重塔 | 11,13 |
| 脱轻塔 | 4 |
| 控制器 | 增益常数 | 积分时间/min |
|---|---|---|
| 流量控制器 | 0.5 | 0.3 |
| 压力控制器 | 20 | 9999 |
| 液位控制器 | 12 | 20 |
表5 流量、压力和液位控制器参数
Table 5 Parameters of flow, pressure, and liquid level controllers
| 控制器 | 增益常数 | 积分时间/min |
|---|---|---|
| 流量控制器 | 0.5 | 0.3 |
| 压力控制器 | 20 | 9999 |
| 液位控制器 | 12 | 20 |
| 流程 | 控制器 | 增益常数 | 积分时间/min |
|---|---|---|---|
| 顺式分离序列 | TC1 | 82.71 | 7.92 |
| TC2 | 33.33 | 5.28 | |
| 热集成反式分离序列 | TC1 | 137.29 | 9.24 |
| TC2 | 21.29 | 5.28 | |
| TC3 | 2.04 | 9.24 |
表6 温度控制器参数
Table 6 Parameters of temperature controllers
| 流程 | 控制器 | 增益常数 | 积分时间/min |
|---|---|---|---|
| 顺式分离序列 | TC1 | 82.71 | 7.92 |
| TC2 | 33.33 | 5.28 | |
| 热集成反式分离序列 | TC1 | 137.29 | 9.24 |
| TC2 | 21.29 | 5.28 | |
| TC3 | 2.04 | 9.24 |
| 组分 | +10%组分扰动时 摩尔分数 | -10%组分扰动时 摩尔分数 |
|---|---|---|
| H2 | 0.5×10-6 | 0.5×10-6 |
| N2 | 0.4637334 | 0.560284 |
| NF3 | 0.5338881 | 0.4368175 |
| CF4 | 5×10-6 | 5×10-6 |
| N2O | 0.002377 | 0.002897 |
| CO2 | 3.1×10-6 | 3.1×10-6 |
| HF | 0.6×10-6 | 0.6×10-6 |
| H2O | 6×10-6 | 6×10-6 |
表7 添加组分扰动时的进料组成
Table 7 Feed composition with added component distribution
| 组分 | +10%组分扰动时 摩尔分数 | -10%组分扰动时 摩尔分数 |
|---|---|---|
| H2 | 0.5×10-6 | 0.5×10-6 |
| N2 | 0.4637334 | 0.560284 |
| NF3 | 0.5338881 | 0.4368175 |
| CF4 | 5×10-6 | 5×10-6 |
| N2O | 0.002377 | 0.002897 |
| CO2 | 3.1×10-6 | 3.1×10-6 |
| HF | 0.6×10-6 | 0.6×10-6 |
| H2O | 6×10-6 | 6×10-6 |
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