CN207209962U - 生产氮化硅的流化床反应器及其装置系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生产氮化硅的流化床反应器，包括物料反应区和环绕在物料反应区周围的加热装置，所述加热装置包括两个以上的加热区，所述加热区由下至上温度逐渐升高，物料反应区在所述加热区的作用下由下至上分为至少两个温度区，所述温度区至少包含一个低温区和一个高温区。本实用新型还公开了一种包含所述流化床反应器的生产氮化硅的装置系统。本实用新型通过设置分区加热，对反应器的不同区域的反应温度分别进行独立控制，能够保证不同反应的独立发生，具有产品转化率高，纯度高，生产成本低，可以用于连续化工业生产等优点。

Description

生产氮化硅的流化床反应器及其装置系统

技术领域

本实用新型属于无机非金属粉体制备领域，具体涉及一种生产氮化硅的流化床反应器，还涉及一种包含所述流化床反应器的生产氮化硅的装置系统。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)是制备氮化硅陶瓷的重要原料，它具有耐高温、硬度高、耐磨损、强度高、热膨胀系数小、热震性能好、抗氧化性能好等优良的物理化学性能，广泛应用于冶金、化工、电子和军工等行业。

目前氮化硅的制备有四种基本方法，即直接氮化法、碳热还原法、化学气相法和热分解法，其中以直接氮化法的应用较为广泛。直接氮化法是在一定压力和1000℃以上高温下，将氮气通入放置硅粉的反应装置中进行氧化还原反应而生成氮化硅。由于氮化硅容易粘结成块，后续还需进行研磨、破碎等工序处理后才能作为产品使用。因此，直接氮化法虽然制备工艺简单，但生产效率低、后续工序中还容易引入杂质，不利于大规模生产，且生产成本较高。

流态化技术由于其具有强烈的气固间传热效果，在燃烧、颗粒干燥、气固反应等领域逐渐应用。在流态化下，气体和固体颗粒发生大量的碰撞，传热、传质剧烈，有利地提高了气、固接触和反应速率，且反应温度均匀，使得连续化生产氮化硅易于实现。

日本Shin-Etsu公司在US5817285中报道了利用流化床反应制备氮化硅，然其反应需要先对金属硅在真空、1000-1400℃下进行预热，再进入反应器。北京科技大学王立等在CN1792774中披露了采用稀相气力输送的方式使硅粉快速通过高温流化床，在高温常压下发生燃烧合成反应得到氮化硅粉末，反应过程也需要对硅粉进行预热。浙江大学程乐鸣等在CN1974379中公开了一种流化床直接制取氮化硅的装置和方法，其采用Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂等细小耐高温颗粒作为流化床床料，以提高流态化质量和氮化反应效果。同时在硅粉中加入化学粘结剂以用于烧结。然而这些物质的加入，对氮化硅产品的纯度造成了影响。新特能源股份有限公司潘小龙等在CN205634895中公布了一种在反应腔室设置折流机构的卧式流化床，其折流机构延长了原料在反应腔室内的停留时间，但也易于造成氮化硅粉末在折流机构处的粘连与堵塞。

综上所述，仍旧需要一种新型的制备高纯氮化硅粉体的反应器和制备工艺，克服上述缺陷，既能降低氮化硅的整体制备成本，提高反应器生产能力，实现工业化规模生产，还可以解决生产效率低、产品纯度低、产品质量不均匀等问题。本专利发明人经过多次试验验证，开发出本专利流化床反应器及其装置系统，并将其用于氮化法粉体的制备，进一步研究形成了本专利技术方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种生产氮化硅的流化床反应器，所述流化床反应器能够保证不同反应的独立发生，实现气固反应的均匀稳定进行，避免了副产杂质的生成，极大提高氮化硅产品的纯度，可以获得质量均匀的产品，并且可以适用大直径的大型流化床反应器，提高单台反应器的产能，能够克服生产效率低的问题。

本实用新型的另一个目的是提供一种包含所述流化床反应器的生产氮化硅的装置系统。

为了实现实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种生产氮化硅的流化床反应器，包括物料反应区和环绕在物料反应区周围的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括两个以上的加热区，所述加热区由下至上温度逐渐升高，物料反应区在所述加热区的作用下由下至上分为至少两个温度区，所述温度区至少包含一个低温区和一个高温区。

在低温区中硅粉和氮气以较低的温度进行预反应，一方面能够消除硅粉中的氧含量，另一方面生产部分氮化硅；在高温区，硅粉、氮气、氮化硅进一步反应，得到转化率较高的氮化硅。

在一个优选的实施方案中，所述低温区的温度在1000～1400℃之间，高温区的温度在1400～1600℃之间。

在一个优选的实施方案中，所述加热装置包括2个加热区，所述低温区的温度范围在1000～1400℃之间，所述高温区的温度范围在1400～1600℃之间。

进一步优选的实施方案中，所述加热装置包括3个加热区，所述低温区的温度范围在1000～1200℃之间，所述近高温区的温度范围在1300～1400℃之间，所述高温区的温度范围在1400～1600℃之间。

在一个优选的实施方案中，所述加热装置是电磁感应加热装置，包括感应发热层，以及环绕在所述感应发热层周围的感应线圈层。

在一个优选的实施方案中，所述感应发热层为导电材料层，选自石英或者石墨；所述感应发热层接触物料的一侧喷涂氮化硅或者碳化硅。

在一个优选的实施方案中，所述感应发热层的厚度在10mm～300mm之间。

在一个优选的实施方案中，所述反应器还包括环绕在所述感应发热层周围的保温层，和/或环绕在所述感应线圈层周围的冷却层。

在一个优选的实施方案中，所述保温层选自耐火砖或者硅铝耐火材料；所述冷却层使用冷却水作为冷却介质。

在一个优选的实施方案中，所述流化床反应器从内到外至少包括6层，即物料反应区、感应发热层、保温层、感应线圈层、冷却层和外壳。所述外壳可以是金属外壳。

包含上述流化床反应器的生产氮化硅的装置系统，包括：上述的生产氮化硅的流化床反应器；用于冷却反应尾气的换热器；用于分离氮化硅的过滤器，其中，所述换热器的一端与所述流化床反应器的出料口连接，另一端与过滤器相连。

在一个优选的实施方案中，所述装置系统还包括硅粉计量罐，所述硅粉计量罐的出料口与所述流化床反应器的进料口相连，并通过硅粉计量罐的下料阀来控制硅粉进料。

在一个优选的实施方案中，所述的过滤器选自布袋除尘器或者反吹式过滤器。

利用上述装置系统生产氮化硅的方法，采用流化床反应器，利用分区加热的方式使得物料反应区由下至上分为至少两个温度区，且由下至上温度逐渐升高，所述温度区至少包含一个低温区和一个高温区，在所述低温区中硅粉和氮气进行预反应，在所述高温区，硅粉、氮气、氮化硅进一步反应，将从流化床反应器底部进入的气体和硅粉在流化床反应器中连续分区氮化，尾气经换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到氮化硅。

在一个优选的实施方案中，所述气体为氮气与氢气，或者氮气与氨气，其中所述氢气或氨气的摩尔比例在0～30％之间。

在一个优选的实施方案中，所述的尾气经换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到的氮化硅粉末，氮气回收利用。

有益效果：

根据本实用新型的流化床反应器，通过设置分区加热，对反应器的不同区域如低温区和高温区的反应温度分别进行独立控制，进一步保证了流化床反应器内不同反应的独立发生，实现了气固反应的均匀稳定进行，避免了副产杂质的生成，极大提高了氮化硅产品的纯度，可以获得质量均匀的产品。

根据本实用新型的流化床反应器，由于采用感应加热代替传统的电加热或微波加热，直接由交变电流产生的感生磁场直接加热反应器内部的物料，给床层提供足够的反应热量，可以适用大直径的大型流化床反应器，提高单台反应器的产能，能够克服生产效率低的问题。

根据本实用新型的生产氮化硅的装置系统，气固相界面积很大，能够实现稳定均匀的传热传质反应，生成的氮化硅通过连续出料口排出，保证反应的连续化生产，且生产周期短，整体投资较低，极大降低了生产成本，可以实现氮化硅制备的工业化规模生产。

根据本实用新型的氮化硅生产方法，采用流化床作为主反应器，利用分区加热的方式使得物料反应区由下至上分为至少两个温度区，通过控制不同物料在温度区内发生反应，实现连续分区氮化，能够得到高纯氮化硅产品，产品质量均匀，杂质含量少，产品转化率高，生产成本低，可以用于连续化工业生产。

附图说明

图1是本实用新型的流化床反应器示意图；

图中，1-流化床反应器，2-金属外壳层，3-冷却层，4-感应线圈层，5-保温层，6-感应发热层，7-物料反应区。

图2是本实用新型连续生产氮化硅的装置系统示意图；

图中：8-进出物料换热器，9-过滤器，10-硅粉计量罐，11-硅粉下料阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本实用新型生产氮化硅的流化床反应器，包括物料反应区和环绕在物料反应区周围的加热装置，所述加热装置包括两个以上的加热区，所述加热区由下至上温度逐渐升高，物料反应区在所述加热区的作用下由下至上分为至少两个温度区，所述温度区至少包含一个低温区和一个高温区。

本实用新型的创新点就在于通过对流化床反应器设置分区加热，对反应器的不同区域如低温区和高温区的反应温度分别进行独立控制，进一步保证流化床反应器内不同反应的独立发生，以实现气固反应的均匀稳定进行，避免副产杂质的生成。具体到本实用新型的实施方案中，加热装置包括2个加热区，所述低温区的温度范围在1000～1400℃之间，所述高温区的温度范围在1400～1600℃之间。在低温区中硅粉和氮气以较低的温度进行预反应，一方面能够消除硅粉中的氧含量，另一方面生产部分氮化硅；在高温区，硅粉、氮气、氮化硅进一步反应，得到转化率较高的氮化硅。在进一步优选的实施方案中，加热装置包括3个加热区，所述低温区的温度范围在1000～1200℃之间，所述近高温区的温度范围在1300～1400℃之间，所述高温区的温度范围在1400～1600℃之间。

考虑到常规加热装置对流化床反应器的加热缺陷，本实用新型的加热装置选自电磁感应加热装置，包括感应发热层，以及环绕在所述感应发热层周围的感应线圈层。本实用新型利用感应加热的技术，将反应器由下至上分为两个或两个以上的温度区。感应加热能够非接触提供稳定可调的热场，使反应温度保持恒定。在一个优选的实施方案中，所述感应发热层为导电材料层，选自石英、石墨中的一种或几种；所述感应发热层接触物料的一侧喷涂氮化硅或者碳化硅，以降低产品中杂质的含量，氮化硅的纯度可以达到5个九以上。在一个优选的实施方案中，所述感应发热层的厚度由导电材料的特性、物料所需加热的温度以及工作电流的频率确定，在10mm～300mm之间。在一个优选的实施方案中，所述反应器还包括环绕在所述感应发热层周围的保温层，和/或环绕在所述感应线圈层周围的冷却层。在一个优选的实施方案中，所述保温层一般为耐火材料，选自耐火砖、硅铝耐火材料中的一种或几种；所述冷却层使用冷却水作为冷却介质，用于冷却线圈。

实际操作中，本实用新型流化床反应器从内到外至少包括6层，即物料反应区、感应发热层、保温层、感应线圈层、冷却层和外壳。所述外壳可以是金属外壳。

本实用新型提供的另一技术方案，即包含上述流化床反应器的生产氮化硅的装置系统，包括：上述的生产氮化硅的流化床反应器；用于冷却反应尾气的换热器；用于分离氮化硅的过滤器，其中，所述换热器的一端与所述流化床反应器的出料口连接，另一端与过滤器相连。气体和硅粉在流化床反应器中连续分区氮化，尾气经换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到氮化硅，氮气循环利用。

具体地，所述装置系统还包括硅粉计量罐，所述硅粉计量罐的出料口与所述流化床反应器的进料口相连，并通过硅粉计量罐的下料阀来控制硅粉进料。硅粉进料过快，易造成反应器中硅粉的粘结；进料过慢，则生产效率降低。过滤器选自布袋除尘器或者反吹式过滤器。布袋除尘器要定期更换，因此需要并联操作；反吹式过滤器可以在线进行反吹，不需备用。所述的换热器优选为进出物料换热器。

本实用新型的利用上述装置系统生产氮化硅的方法，采用流化床反应器，利用分区加热的方式使得物料反应区由下至上分为至少两个温度区，且由下至上温度逐渐升高，所述温度区至少包含一个低温区和一个高温区，在所述低温区中硅粉和氮气进行预反应，在所述高温区，硅粉、氮气、氮化硅进一步反应，将从流化床反应器底部进入的气体和硅粉在流化床反应器中连续分区氮化，尾气经换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到氮化硅。

如前所述，本实用新型的分区加热是指电磁感应分区加热，主要是指利用感应加热的技术，将反应器由下至上分为两个或两个以上的温度区。感应加热能够非接触提供稳定可调的热场，使反应温度保持恒定。此外，所述气体为氮气与氢气，或者氮气与氨气，其中所述氢气或氨气的摩尔比例在0～30％之间。氢气、氨气是用作还原气，将硅粉中的氧元素还原，增强硅粉的反应活性。所述氮气为高纯氮气。本实用新型所述的尾气经换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到的氮化硅粉末，氮气可以回收利用。

对比例1

采用如图2所示的氮化硅生产装置来进行氮化硅的制备，只是该流化床反应器不对加热进行分区，即加热装置对整体流化床反应区的加热作用相同，加热温度控制在1400℃。将平均粒径300μm的硅粉通过下料阀以0.5kg/h的速度和10Nm3/h的进料量的氮气一起通入DN80的流化床反应器，控制流化速度，保证反应物料在流化床反应器内部的停留时间为60s，硅粉和氮气物料充分发生反应，尾气经进出物料换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到氮化硅，氮气循环利用，2小时后收集氮化硅产品，并计算转化率。

实施例1

采用如图2所示的氮化硅生产装置来进行氮化硅的制备，该流化床反应器设置的加热分区为2个，包括低温区和高温区，其中，低温区的加热温度控制在1200℃，高温区的加热温度控制在1400℃。将平均粒径300μm的硅粉通过下料阀以0.5kg/h的速度和10Nm³/h的进料量的氮气一起通入DN80的流化床反应器，，控制流化速度，保证反应物料在流化床反应器低温区和高温区的停留时间分别为50s和60s，硅粉和氮气物料充分发生反应，尾气经进出物料换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到氮化硅，氮气循环利用，2小时后收集氮化硅粉，并计算转化率。

实施例2

采用如图2所示的氮化硅生产装置来进行氮化硅的制备，该流化床反应器设置的加热分区为2个，包括低温区和高温区，其中，低温区的加热温度控制在1100℃，高温区的加热温度控制在1500℃。将平均粒径200μm的硅粉通过下料阀以0.4kg/h的速度和5Nm³/h的进料量的氮气一起通入DN80的流化床反应器，控制流化速度，保证反应物料在流化床反应器低温区和高温区的停留时间分别为70s和80s，硅粉和氮气物料充分发生反应，尾气经进出物料换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到氮化硅，氮气循环利用，5小时后收集氮化硅粉，并计算转化率。

实施例3

采用如图2所示的氮化硅生产装置来进行氮化硅的制备，该流化床反应器设置的加热分区为3个，包括低温区、近高温区和高温区，其中，低温区的加热温度控制在1100℃，近高温区的加热温度控制在1300℃，高温区的加热温度控制在1500℃。将平均粒径150μm的硅粉通过下料阀以0.6kg/h的速度和3Nm³/h的进料量的氮气一起通入DN80的流化床反应器，控制流化速度，保证反应物料在流化床反应器低温区和高温区的停留时间分别为50s、70s和50s，硅粉和氮气物料充分发生反应，尾气经进出物料换热器与进料换热后，进入过滤器分离得到氮化硅，氮气循环利用，3小时后收集氮化硅粉，并计算转化率。

转化率列表如下：

从以上产品转化率的列表明显可以看出，与对比例1相比，实施例1、实施例2和实施例3的氮化硅产品的转化率显著增加，而且，从4个例子所制备的氮化硅产品纯度和质量均匀性来看，3个实施例的产品参数均高于对比例的产品参数。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本实用新型的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种生产氮化硅的流化床反应器，包括物料反应区和环绕在物料反应区周围的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括两个以上的加热区，所述加热区由下至上温度逐渐升高，物料反应区在所述加热区的作用下由下至上分为至少两个温度区，所述温度区至少包含一个低温区和一个高温区。

2.根据权利要求1所述的生产氮化硅的流化床反应器，其特征在于，所述低温区的温度在1000～1400℃之间，高温区的温度在1400～1600℃之间。

3.根据权利要求1所述的生产氮化硅的流化床反应器，其特征在于，所述加热装置是电磁感应加热装置，包括感应发热层，以及环绕在所述感应发热层周围的感应线圈层。

4.根据权利要求3所述的生产氮化硅的流化床反应器，其特征在于，所述感应发热层为导电材料层，选自石英或者石墨；所述感应发热层接触物料的一侧喷涂氮化硅或者碳化硅。

5.根据权利要求3所述的生产氮化硅的流化床反应器，其特征在于，所述感应发热层的厚度在10mm～300mm之间。

6.根据权利要求3所述的生产氮化硅的流化床反应器，其特征在于，所述反应器还包括环绕在所述感应发热层周围的保温层，和/或环绕在所述感应线圈层周围的冷却层。

7.根据权利要求6所述的生产氮化硅的流化床反应器，其特征在于，所述保温层选自耐火砖或者硅铝耐火材料；所述冷却层使用冷却水作为冷却介质。

8.包含权利要求1～7任意一项所述的流化床反应器的生产氮化硅的装置系统，其特征在于，包括：

权利要求1～7任意一项所述的生产氮化硅的流化床反应器；

用于冷却反应尾气的换热器；

用于分离氮化硅的过滤器；

所述换热器的一端与所述流化床反应器的出料口连接，另一端与过滤器相连。

9.根据权利要求8所述的生产氮化硅的装置系统，其特征在于，包括硅粉计量罐，所述硅粉计量罐的出料口与所述流化床反应器的进料口相连，并通过硅粉计量罐的下料阀来控制硅粉进料。

10.根据权利要求8所述的生产氮化硅的装置系统，其特征在于，所述的过滤器选自布袋除尘器或者反吹式过滤器。