基于ASPEN PLUS的六氟化硫提纯工艺研究

孙强，杨典，王芳，张晓伟，付强，张明亮

（洛阳中硅高科技有限公司，河南 洛阳 471000）

纯净的SF6气体是一种无色、无味、化学性质极其稳定的物质，主要用于大型发电厂的介电绝缘物质。SF6具有绝缘强度高、无毒且稳定性高、热交换能力强、耐污染、耐潮湿等优点，在电力行业应用广泛。电工用SF6气体，纯度要求在99.5%以上［1-2］。

高纯SF6（纯度在99.999%以上）也是一种半导体气体。高纯SF6是一种理想的电子蚀刻剂，被大量应用于微电子技术领域。目前我国电子行业使用的高纯SF6主要还是以进口为主。电子级SF6对杂质成 分 包 含CO2、C2F6、C3F8、SO2F2、S2OF2，S2OF10的体积分数要求小于15×10-6，纯度在99.999%以上；而工业级SF6中C2F6、C3F8常常达到 （300～400） ×10-6，是无法满足电子级SF6的使用要求的。因此工业级SF6必须经过进一步提纯净化才能达到半导体用的要求［3-6］。

SF6的纯化工艺主要有吸附法和精馏法，主要在电力行业工业级SF6进行研究，对高纯SF6的提纯工艺研究仍然较少［7-10］。本文以某SF6生产厂商为例，介绍了一种提纯SF6的提纯工艺，可以处理50kg／h的SF6粗料，得到纯度为99.999%的高纯SF6，为高纯SF6的生产提供一定指导意义。

1 工艺流程的建立和分析

1.1 物料的组成

工业级的SF6气体纯度只有99.5%，同时含有Air、CF4、C2F6、C3F8杂质，其中C2F6和SF6的沸点比较接近。在常温常压下，C2F6的沸点是-78℃，C3F8的沸点是-37℃，SF6的沸点是-63℃。在高压低温状态下，C2F6液化温度比SF6低6℃，C3F8液化温度比SF6高5℃，是比较难分离的物质。某工厂工业级SF6气体组成如表1所示。

表1 工业级SF6原料组成Table1 Composition of industrial grade SF6 raw material

1.2 工艺流程

精馏是利用混合物中不同组分的泡点和露点的不同，经过不断的气化和冷凝，达到气液分离的效果。精馏操作工艺发展至今，已经广泛的应用在化工生产的各个领域，成为化工分离操作的基本解决途径。它具有操作简单、工艺成熟、自控性高、生产能力强等特点。在精馏操作中，互成平衡的气液两相浓度差别越大，组分越易分离［11］。

工艺流程如图1所示。系统由洁净提纯塔T1、T2组成，SF6气体粗料以50kg／h的流速进入压缩机和过冷器进行加压冷凝成1MPa，-20℃的液体，然后再进入脱轻塔T1和脱重塔T2，组分在提纯塔中经过充分的气液交换后脱去轻组分和重组分，从T2塔顶分离出纯度大于99.999%的SF6气体。

图1 SF6提纯工艺流程图Fig.1 Purification process flow chart of SF6

2 流程模拟与分析

使用ASPEN PLUS流程模拟软件进行工艺流程模拟与优化，工艺中各精馏塔采用软件中RADFRAC严格分馏模块，初步核算采用DESTWU模块，热力学方法选择PR-BM法。在采用DESTWU模块初步核算后，考虑成本最优条件下，各塔的理论级数设定为：T1塔60块理论板，T2塔40块理论板，均使用低温冷凝剂作为冷却介质。T1塔操作压力设定为0.8MPa，T2塔操作压力设定为0.7MPa。使用灵敏度分析模块考察了进料温度、回流比、进料位置等影响精馏塔分离效能的主要工艺参数，并对这些参数进行优化。

2.1 低沸物分离塔

脱轻塔采用60块理论板 （再沸器和冷凝器各相当于一块理论版），操作压力0.8MPa，脱轻塔的主要作用是脱出Air、CF4、C2F6、C3F8，其中C2F6的彻底分离是关键因素。

运用灵敏度分析功能采用控制变量法分别研究了回流比，进料位置，塔顶采出量对分离效果的影响，如图2～图4所示。从图2看到当塔顶采出量达到3.9kg／h时，T1塔能有一个较好的分离效果，轻组分物质能彻底的从T1塔顶得到脱出，产品中SF6纯度达到99.9995%，T1塔塔釜C2F6体积分数只有4.49×10-6，然而再增加低沸采出，对产品质量的提升却并不明显，反而会带出大量的SF6导致产品物料流失。因此，T1塔顶采出量为3.9kg／h即可。回流比的大小对提纯塔的分离效率至关重要，只有回流比到合适的范围值，提纯塔的分离效率才会达到要求。然而过大的回流比同时会带来较大的能耗，因此，提纯塔必须选择合适的回流比［12］。从图3看到，当回流比达到37时，产品中SF6纯度达到99.9995%，T1对C2F6才有一个较好的分离，T1塔塔釜C2F6体积分数只有6.49×10-6。然而，再继续增加回流比，产品质量并没有显著的提升。因此，可将回流比设定在37即可。塔进料的热状态和塔内物料流动情况会影响进料板位置的选择，进料板位置对塔的分离效果和能耗同样会有较大影响［13］。从图4可以看到进料板位置在13块板时，产品纯度最高，SF6含量达到99.9995%。

因此，T1的塔顶采出量设定为3.9kg／h，质量回流比设定为37，进料板在13块板。

图2 T1塔顶采出量对分离效率的影响Fig.2：The influence of T1 tower top rate on separation efficiency.

图3 质量回流比对T1分离效率的影响Fig.3 The influence of T1tower mass reflux ratio on separation efficiency

图4 T1塔进料板对分离效率的影响Fig.4 The influence of T1 tower feed stage on separation efficiency

2.2 高沸物分离塔

脱重塔采用40块理论板 （再沸器和冷凝器各相当于一块理论版），操作压力0.7MPa，T2的目的是脱出重组分C3F8，在塔顶得到纯净的SF6。T2塔的回流比，进料位置，塔釜采出量对提纯塔分离效果的影响，如图5～图7所示。

从图5回流比在1.5时，产品纯度已经达到了质量要求，T2塔分离效率较好；再增加回流比，产品纯度提升幅度非常渺小。塔釜采出量对产品质量有重要影响，从根本上决定产品纯度的等级。高沸点的C3F8从塔釜采出，塔釜采出对产品质量的影响如图6所示。可以发现，当塔釜采出达到0.5kg／h时，产品中SF6纯度能达到99.999%；再增加塔釜采出，产品纯度没有明显提升，反而会减小SF6的收率。进料板位置对产品质量的影响如图7所示，可以发现，当进料板在10～40块板产品纯度能在99.999%，可将进料板设定在20块板，实际上将进料板设计在中间板也是工程设计时经常考虑的一般设计经验［14］。

因此，T2的塔釜采出量设定为0.5kg／h，质量回流比设定为1.5，进料板在20块板。

图5 T2回流比对产品质量的影响Fig.5 Effect of T2 mass reflux ratio on product quality

图6 T2不同塔底采出量对产品质量的影响Fig.6 Effect of T2 bottom rate on product quality.

图7 T2不同进料板对产品质量的影响关系图Fig.7 Effect of T2 feed stage on product quality

2.3 水力学核算

相对于板式塔，填料塔因具备较高的分离能力，在实际应用中受到了广泛研究。高效的分离填料是填料塔设计的关键因素，θ环填料是一种小型高效的精密填料，由金属丝网按照特殊的工艺制成，非常适合小批量、高纯度产品的分离过程，这是因为θ环填料具备低的压降和非常高的分离能力。θ环填料的滞料量比同类的实体填料大，其表面润湿情况也比一般瓷环完全，成膜率高，因而效率也更高［15］，见图8。

图8 不同塔液泛因子随塔板数的变化分布图Fig.8 The distribution diagram of flooding factor with plate number in different columns.

使用ASPEN PLUS塔内件设计校核模块设计并验证了T1、T2的填料选择。T1，T2塔径均选择100mm，填料选择6mm的θ环。液泛因子的变化如图8所示。可以看到，随着塔内物流的变化，液体发泡因子整体均不超过一般规定值0.8。说明塔径100mm，填料选择6mm的θ环是合理的。

3 结语

提出了一种提纯净化工业级SF6的工艺，工艺处理 量50kg／h， 可 以 把SF6由99.5%提 升 到99.999%以上，达到电子级使用要求。

采用ASPEN PLUS模拟软件对双塔低温精馏提纯SF6进行了模拟计算，使用灵敏度分析考察了回流比、进料位置、高低沸采出量等对分离效果的影响，确定了最优工艺操作参数，如表2所示。工艺操作简单，稳定性好，适用性好，对SF6的提纯净化有一定指导意义。

C2F6与SF6沸点非常接近，是制备高纯度SF6的关键影响因素，双塔精馏模式需要脱轻塔有较高的回流比才能分离彻底，同时，也可以采用三塔精馏的方式对原料气分别进行脱轻-C2F6分离-脱重处理，以减小能耗，但这会增加固定设备投资。

表2 提纯塔工艺参数Table 2 process parameters of Purification tower