CN117109835B - 多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，包括：进气支路、监测支路以及抽吸支路；进气支路的第一端连接到水冷却器的出气口，进气支路的第二端连接到监测支路的第一端；监测支路的第二端连接到抽吸支路，其中监测支路具有过滤器和流量计；抽吸支路包括抽吸泵，抽吸泵的第一进气端连接监测支路的第二端，抽吸泵的第二进气端用于抽吸辅助气体，抽吸泵的混合出气端连接到多晶硅制备系统的尾气回收装置。本发明装置能够及时发现水冷却器泄漏，避免水份进入多晶硅尾气回收工序，造成更大的腐蚀和损失。
Description
技术领域
本发明主要涉及多晶硅制备技术领域，尤其涉及一种多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置。
背景技术
在多晶硅的制备工艺流程中，常采用水冷却器对多晶硅还原工序产生的尾气进行降温，由于尾气温度较高，水冷却器在开停车过程中，其温度变化较大，进而导致换热管产生较大的热胀冷缩现象。换热管与壳体的热变形程度不一致，常使水冷却器内部的换热管与固定管板出现“拉脱”现象，即水冷却器内部泄漏，导致水冷却器双程的物料接触。而反应尾气中含有H2、HCl、Si2HCl2、SiHCl3和SiCl4等，HCl与冷却水接触，产生大量的Cl离子，Cl离子对水冷却器的金属材料有强烈的腐蚀性，进一步加深了泄漏处的腐蚀，带来更大的泄漏。此外，水份被尾气带到下游多晶硅尾气回收工序中，也造成其他设备的腐蚀。
目前，鉴于固定管板式水冷却器容易泄漏的情况，有些厂商采用了夹套管式水冷却器，即采用了双层夹套管道，其内管内的介质为高温反应尾气，内管与外管之间的夹套层介质为冷却水。但此种结构的冷却器，由于水冷却器的换热面积大，导致大管径的尾气套管的长度较长，占用了较大的安装空间，而还原厂房本身安装空间已经偏紧，采用大体积的夹套管式水冷却器无疑压缩了检修与巡检空间和通道，更何况这种两层夹套，弯头较多，在弯头处的焊缝也容易泄漏。
可见，当前并没有较好的办法及时检测水冷却器泄漏，泄漏产生的Cl离子会对水冷却器的金属材料产生强烈的腐蚀，另外，水份被尾气带到下游多晶硅尾气回收工序中，也造成其他设备的腐蚀。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，能够及时发现水冷却器泄漏，避免腐蚀水冷却器，也避免水份进入多晶硅尾气回收工序中，造成更大的腐蚀和损失。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，包括：进气支路、监测支路以及抽吸支路；所述进气支路的第一端连接到所述水冷却器的出气口，所述进气支路的第二端连接到所述监测支路的第一端；所述监测支路的第二端连接到所述抽吸支路；其中所述监测支路具有过滤器和流量计；所述抽吸支路包括抽吸泵，所述抽吸泵的第一进气端连接所述监测支路的第二端，所述抽吸泵的第二进气端用于抽吸辅助气体，所述抽吸泵的混合出气端连接到所述多晶硅制备系统的尾气回收装置。
可选地，所述进气支路上设置有流量控制阀。
可选地，所述监测支路上设置有流量控制阀和/或止回阀。
可选地，所述抽吸泵的第二进气端设置有流量控制阀和/或止回阀。
可选地，所述抽吸泵的混合出气端设置有流量控制阀。
可选地，还包括充气支路，所述充气支路的第一端用于吸入置换气体，所述充气支路的第二端连所述监测支路的第一端。
可选地，所述充气支路设置有流量控制阀和/或止回阀。
可选地，所述抽吸泵的混合出气端还连接至气体回收支路。
可选地，所述气体回收支路设置有流量控制阀。
可选地，所述过滤器采用Y型过滤器，所述抽吸泵采用文丘里混合器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：设置有进气支路、监测支路以及抽吸支路；其中，进气支路的第一端连接到水冷却器的出气口，进气支路的第二端连接到监测支路的第一端；监测支路的第二端连接到抽吸支路，监测支路具有过滤器和流量计；抽吸支路包括抽吸泵，抽吸泵的第一进气端连接监测支路的第二端，抽吸泵的第二进气端用于抽吸辅助气体，抽吸泵的混合出气端连接到多晶硅制备系统的尾气回收装置，进而能够及时发现水冷却器泄漏，避免腐蚀水冷却器，也避免水份进入多晶硅尾气回收工序中，造成更大的腐蚀和损失。
附图说明
包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本申请原理的作用。附图中：
图1是一种多晶硅制备工艺流程示意图；
图2是多晶硅制备系统中水冷却器结构示意图；
图3是本发明一实施例多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置的结构示意图；
图4是本发明一实施例中抽吸泵结构示意图。
图中各标号分别表示为：
10-水冷却器；
101-反应尾气进口、102-冷却水出口、103-固定管板、104-反应尾气出口、105-冷却水进口、106-换热管；
20-监测装置；
210-进气支路、220-监测支路、230-抽吸支路、240-充气支路、250-气体回收支路；
301-流量控制阀、302-止回阀、303-流量计、304-过滤器、305-抽吸泵；
3051-第一进气端、3052-第二进气端、3053-混合出气端。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。
图1是一种多晶硅制备工艺流程示意图，参考图1，水冷却器10是多晶硅制备系统中重要的冷却组件。在改良西门子法制备多晶硅工艺过程中，多晶硅还原工序产生的反应尾气，其温度大约有500℃-600℃左右。在反应尾气进入下道工序即多晶硅尾气回收工序之前，需要将尾气温度降至100℃-200℃左右。目前，通常的方法是在多晶硅还原工序与多晶硅尾气回收工序的反应尾气管线系统上设置水冷却器10。
图2是多晶硅制备系统中水冷却器结构示意图，参考图2，水冷却器10一般采用固定管板式换热器，换热管106两端固定在固定管板103上，固定管板103固定在水冷却器10的壳体上，水冷却器10的一侧设置有反应尾气进口101和冷却水出口102，在另一侧设置有反应尾气出口104和冷却水进口105。反应尾气从反应尾气进口101进气，从反应尾气出口104流出，而冷却水从冷却水进口105流入，从冷却水出口102流出，在这个过程中，温度高的反应尾气将热量传递给温度低的冷却水，进而可以降低反应尾气的温度。此外，冷却水的水流方向与反应尾气的排出方向相反，进而更利于反应尾气的降温。由于尾气温度较高，水冷却器10在开停车过程中，其温度变化较大，进而导致换热管106产生较大的热胀冷缩现象。换热管106与壳体的热变形程度不一致，常使水冷却器10内部的换热管106与固定管板103出现“拉脱”现象，即水冷却器10内部泄漏。只有及时地发现泄漏情况，才能有效避免设备损坏的发生，才能提高生产效率和保障生产安全。
本发明一实施例采用的方式是增加一套监测水冷却器10的装置，此监测装置并联于水冷却器10的反应尾气管道上，一旦发生泄漏，水会进入到反应尾气系统中，则水与反应尾气发生反应生成SiO2，产生的SiO2会立即将监测系统中过滤部件堵塞掉，通过观察监测装置中反应尾气流量的变化，进而可以及时发现水冷却器10是否存在泄漏情况。
图3是本发明一实施例多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置的结构示意图，参考图3，所示监测装置20的结构主要包括进气支路210、监测支路220以及抽吸支路230；进气支路210的第一端连接到水冷却器10的出气口，进气支路210的第二端连接到监测支路220的第一端；监测支路220的第二端连接到抽吸支路230；其中监测支路220具有过滤器304和流量计303；抽吸支路230包括抽吸泵305，抽吸泵305的第一进气端连接监测支路220的第二端，抽吸泵305的第二进气端用于抽吸辅助气体，抽吸泵305的出气端连接到多晶硅制备系统的尾气回收装置。
在本实施例中，监测装置20的进气支路210连接在水冷却器10的出气口，或者说连接在还原尾气（反应尾气）经水冷却器10后的管道系统上，因此，冷却后的还原尾气会存在一小部分进入到进气支路210中，进而流入本实施例所示的监测装置20。在水冷却器10正常工作，即未发生泄漏的情况下，进入监测装置20的还原尾气会依次通过监测支路220和抽吸支路230，再回到多晶硅的制备工艺中，因此，监测装置20并不会对多晶硅的生产过程产生不利影响。在水冷却器10发生泄漏的情况下，则冷却水与反应尾气中的Si2HCl2、SiHCl3和SiCl4等组份相接触发生反应，生成大量的SiO2固体，其中一部分SiO2固体会进入到监测装置20。而进入到监测装置20的SiO2固体立即将过滤器304堵塞掉，流量计303监测到监测支路220的流量大幅度降低、甚至为零，就能及时发现水冷却器10发生了泄漏，以便后续采取维修或其他补救措施，防止泄漏情况进一步恶化。
在本实施例中，抽吸泵305可以采用文丘里混合器。文丘里混合器是利用液化气（辅助气体，例如回收的氢气）自身的压力，通过超音速喷嘴高速喷出，在吸气室内形成负压，引射进外界空气，并在文丘里管中与反应尾气混合后输出。
图4是本发明一实施例中抽吸泵结构示意图，参考图4，抽吸泵305的第一进气端3051进入的气体是监测支路220流出的气体（反应尾气），抽吸泵305的第二进气端3052流入的气体是辅助气体（例如回收的氢气），当然，也可以是多晶硅制备过程中回收的其他气体，氢气进入抽吸泵305，高速的氢气在抽吸泵305缩颈处形成一定的负压，使反应尾气克服监测装置20的管道阻力后可以持续地输出。
在本实施例中，过滤器304可以采用Y型过滤器。Y型过滤器具有结构先进、阻力小、排污方便等特点。当水冷却器10发生泄漏时，一部分反应生成的SiO2固体会进入到监测装置20，进入到监测装置20的SiO2固体则会立即将过滤器304堵塞掉，进而能够知道此时水冷却器10发生了泄漏。
在一示例中，进气支路210上设置有流量控制阀301，流量控制阀301可以包括以下阀门之一：球阀、闸阀、蝶阀或截止阀。
通过设置流量控制阀301，可以控制进入监测装置20中的还原尾气大小，使本实施例监测装置循环的气体流量在可控范围之内。例如，若需要对监测装置进行检修或其他情况需要停止监测装置20工作，则相对简便的方式是将进气支路210上的流量控制阀301关闭即可。另一方面，为了提高监测的准确性和及时性，可以多开或全开进气支路210 上的流量控制阀301，使进入到监测装置20中的还原尾气尽可能的多，则当水冷却器10出现泄漏时，流入监测装置20的SiO2固体更多，监测支路220中过滤器304可以很快堵塞，能够第一时间获取到水冷却器10泄漏的信息，进而可以及时维修水冷却器10，避免造成更过大的损失。
在本实施例中，流量控制阀301可以采用球阀。球阀是一种启闭件（球体）由阀杆带动，并绕球阀轴线作旋转运动的阀门。球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。因此本实施例可以采用球阀作为流量控制阀301，结构简单、操作方便、效果明显。
在本实施例中，流量控制阀301可以采用闸阀。闸阀关闭时，密封面可以只依靠介质压力来密封，即只依靠介质压力将闸板的密封面压向另一侧的阀座来保证密封面的密封。闸阀的闸板随阀杆一起作直线运动的，闸阀具有一个启闭件闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀只能作全开和全关。在本实施例中，不需要对还原尾气有更多控制的情况下，仅开闭阀门即可，因此采用闸阀作为流量控制阀301是一种较佳的选择。
在本实施例中，流量控制阀301可以采用蝶阀。蝶阀又叫翻板阀，其是一种结构简单的调节阀，可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动，在管道上主要起切断和节流作用。蝶阀的启闭件是一个圆盘形的蝶板，在阀体内绕其自身的轴线旋转，从而达到启闭或调节的目的。
在本实施例中，流量控制阀301还可以采用截止阀。截止阀也叫截门，其是使用较为广泛的一种阀门，开闭过程中密封面之间摩擦力小，比较耐用，开启高度不大，制造容易，维修方便，不仅适用于中低压，而且适用于高压。截止阀的闭合原理是依靠阀杠压力，使阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合，阻止介质流通。
可以理解的是，本实施例中采用的流量控制阀301不仅可以采用上述提及的几种阀门，还可以采用其他能够实现开闭和/或流量大小控制的其他阀门，在此不再一一列举。
在一示例中，监测支路220上设置有流量控制阀301和/或止回阀302，其中流量控制阀301包括以下阀门之一：球阀、闸阀、蝶阀或截止阀。监测支路220具有流量控制阀301的目的在于控制进入监测支路220中的还原尾气大小，使监测支路220的气体流量在可控范围之内。为避免重复，关于采用的各个阀门的主要优势在此不再赘述。
在本实施例中，监测支路220上还设置有止回阀302。止回阀302是指启闭件为圆形阀瓣并靠自身重量及介质压力产生动作来阻断介质倒流的一种阀门。止回阀302这种类型的阀门的作用是只允许介质向一个方向流动，而且阻止反方向流动。通常这种阀门是自动工作的，在一个方向流动的流体压力作用下，阀瓣打开；流体反方向流动时，由流体压力和阀瓣的自重合阀瓣作用于阀座，从而切断流动。因此，监测支路220中的止回阀302能够保证还原尾气只能从监测支路220的第一端（图3中左端）流向第二端（图3中右端）。
在一示例中，抽吸泵305的第二进气端3052设置有流量控制阀301和/或止回阀302，其中流量控制阀301包括以下阀门之一：球阀、闸阀、蝶阀或截止阀。
在一示例中，抽吸泵305的混合出气端3053设置有流量控制阀301，流量控制阀301包括以下阀门之一：球阀、闸阀、蝶阀或截止阀。
关于抽吸支路230设置流量控制阀301和/或止回阀302的功能可以参考进气支路210和/或监测支路220中流量控制阀301和/或止回阀302的功能，在此不再赘述。
在一示例中，监测装置20还可以包括充气支路240，充气支路240的第一端用于吸入置换气体，充气支路240的第二端连监测支路220的第一端。
在水冷却器10发生泄漏时，可以对监测装置20中气体进行置换，将其中的可燃氢气和腐蚀性气体进行置换，以便过滤器304的维修或替换。示例性的，替换气体可以是氮气，例如0.4Mpa的氮气。
在一示例中，充气支路240设置有流量控制阀301和/或止回阀302，其中流量控制阀301包括以下阀门之一：球阀、闸阀、蝶阀或截止阀。为避免重复，关于采用的各个阀门的功能和主要优势可以参考进气支路210和/或监测支路220等描述，在此不再赘述。
在一示例中，抽吸泵305的混合出气端3053还连接至气体回收支路250。示例性的，在水冷却器10发生泄漏时，可以对监测装置20进行气体置换，将可燃氢气和腐蚀性气体置换到VG管线系统进行集中处理。
在一示例中，气体回收支路250设置有流量控制阀301，流量控制阀301可以包括以下阀门之一：球阀、闸阀、蝶阀或截止阀。为避免重复，关于采用的各个阀门的功能和主要优势可以参考进气支路210和/或监测支路220等描述，在此不再赘述。
本实施例提供的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其设置有进气支路210、监测支路220以及抽吸支路230；进气支路210的第一端连接到水冷却器10的出气口，进气支路210的第二端连接到监测支路220的第一端；监测支路220的第二端连接到抽吸支路230，其中监测支路220具有过滤器304和流量计303；抽吸支路230包括抽吸泵305，抽吸泵305的第一进气端3051连接监测支路220的第二端，抽吸泵305的第二进气端3052用于抽吸辅助气体，抽吸泵305的混合出气端3053连接到多晶硅制备系统的尾气回收装置，进而能够及时发现水冷却器10泄漏，避免腐蚀水冷却器10，也避免水份进入多晶硅尾气回收工序中，造成更大的腐蚀和损失。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20%的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，包括：进气支路、监测支路以及抽吸支路；
所述进气支路的第一端连接到所述水冷却器的出气口，所述进气支路的第二端连接到所述监测支路的第一端；
所述监测支路的第二端连接到所述抽吸支路；其中所述监测支路具有过滤器和流量计，所述过滤器用于沉积所述水冷却器泄漏的冷却水与反应尾气产生的固体物质，所述流量计用于测量所述监测支路的气体流量；
所述抽吸支路包括抽吸泵，所述抽吸泵的第一进气端连接所述监测支路的第二端，所述抽吸泵的第二进气端用于抽吸辅助气体，所述抽吸泵的混合出气端连接到所述多晶硅制备系统的尾气回收装置。
2.如权利要求1所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，所述进气支路上设置有流量控制阀。
3.如权利要求1所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，所述监测支路上设置有流量控制阀和/或止回阀。
4.如权利要求1所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，所述抽吸泵的第二进气端设置有流量控制阀和/或止回阀。
5.如权利要求1所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，所述抽吸泵的混合出气端设置有流量控制阀。
6.如权利要求1所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，还包括充气支路，所述充气支路的第一端用于吸入置换气体，所述充气支路的第二端连所述监测支路的第一端。
7.如权利要求6所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，所述充气支路设置有流量控制阀和/或止回阀。
8.如权利要求1所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，所述抽吸泵的混合出气端还连接至气体回收支路。
9.如权利要求8所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，所述气体回收支路设置有流量控制阀。
10.如权利要求1所述的多晶硅制备系统中水冷却器的监测装置，其特征在于，所述过滤器采用Y型过滤器，所述抽吸泵采用文丘里混合器。
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