CN214538131U - 一种氢化炉床层料位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氢化炉床层料位测量装置，属于多晶硅生产中冷氢化设备技术领域。包括氢化炉反应器、氢气罐、进氢管Ⅰ、进氢管Ⅱ和进氢管Ⅲ，进氢管Ⅰ、进氢管Ⅱ和进氢管Ⅲ均与氢气罐连通；进氢管Ⅰ设置在氢化炉反应器上部，进氢管Ⅰ上设置有流量计Ⅰ和测压表Ⅰ；进氢管Ⅱ设置在氢化炉反应器中部，进氢管Ⅱ上设置有流量计Ⅱ和测压表Ⅱ；进氢管Ⅲ设置在氢化炉反应器下部，进氢管Ⅲ上设置有流量计Ⅲ和测压表Ⅲ。利用差压原理进行床层料位的测量，有效防止管口堵塞问题，同时，保证床层料位测量的稳定性和准确性，提高冷氢化工序质量和效率，保证多晶硅生产的稳定性。

Description

一种氢化炉床层料位测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种氢化炉床层料位测量装置，属于多晶硅生产中冷氢化设备技术领域。

背景技术

在多晶硅生产过程的冷氢化工序中，氢化炉是关键的反应设备。在氢化炉中，氢气、硅烷及硅粉等发生流化床反应，其中，床层料位的控制直接关系到产品质量和转化效率，而床层料位测量是床层料位有效控制的必要手段之一。

目前，对于床层料位测量，主要采用如下方式：

一、采用差压料位计。由于氢化炉内含硅粉，且反应副产物含高沸物，高沸物温度降低后将粘附管口，导致管口堵塞，即易造成所使用的差压液位计堵塞，而导致测量失效；

二、采用核辐射料位计。但其投资成本高，对核辐射源的管控、维护难度大，且后期维护成本也高。

于2020年07月14日公开了一种公开号为CN111412961A，名称为“一种多段压差式反应器床层料位测量装置及测量方法”的专利文献，其中，具体公开：测量装置包括m组压差计，m≥3；从下往上数，各组压差计的序号为n，n＝1～m；第n+1组压差计的第一取压管的安装高度大于第n组压差计的第一取压管的安装高度，并且小于或等于第n组压差计的第二取压管的安装高度；第n+1组压差计的第二取压管的安装高度大于第n组压差计的第二取压管的安装高度；位于最下层的第1组压差计的第一取压管的安装高度低于反应器正常操作时的最低催化剂流化高度，位于最上层的第m组压差计的第二取压管的安装高度高于反应器正常操作时的最高催化剂流化高度；反应器为流化床或浆态床。即该测量装置及测量方法主要匹配于一般的流化床或浆态床的料位，而对于复杂的氢气、硅烷及硅粉等发生流化床反应，需要一种适用于氢化炉工况下的床层料位测量的测量装置。

发明内容

本实用新型旨在解决现有技术问题，而提出了一种氢化炉床层料位测量装置。在本技术方案中，通过氢气罐、各进氢管、各流量计以及各测压表等设置，利用差压原理进行床层料位的测量，有效防止管口堵塞问题，同时，保证床层料位测量的稳定性和准确性，提高冷氢化工序质量和效率，保证多晶硅生产的稳定性。

为了实现上述技术目的，提出如下的技术方案：

一种氢化炉床层料位测量装置，包括氢化炉反应器、氢气罐以及设置在氢化炉反应器上的进氢管Ⅰ、进氢管Ⅱ和进氢管Ⅲ，进氢管Ⅰ、进氢管Ⅱ和进氢管Ⅲ均与氢气罐连通；

进氢管Ⅰ设置在氢化炉反应器上部，进氢管Ⅰ上设置有流量计Ⅰ和测压表Ⅰ，氢气罐及进氢管Ⅰ形成向氢化炉反应器上部进氢气的通路，流量计Ⅰ检测其中的氢气的流量，测压表Ⅰ检测其中的压力；

进氢管Ⅱ设置在氢化炉反应器中部，进氢管Ⅱ上设置有流量计Ⅱ和测压表Ⅱ，氢气罐及进氢管Ⅱ形成向氢化炉反应器中部进氢气的通路，流量计Ⅱ检测其中的氢气的流量，测压表Ⅱ检测其中的压力；

进氢管Ⅲ设置在氢化炉反应器下部，进氢管Ⅲ上设置有流量计Ⅲ和测压表Ⅲ，氢气罐及进氢管Ⅲ形成向氢化炉反应器下部进氢气的通路，流量计Ⅲ检测其中的氢气的流量，测压表Ⅲ检测其中的压力。

进一步的，所述氢化炉反应器底部连接有氢气与四氯化硅混合气进料管，氢化炉反应器下部连接硅粉进料管，氢化炉反应器顶部连接有工艺气体出料管。

进一步的，所述氢气与四氯化硅混合气进料管上设置有测压表Ⅳ。

进一步的，所述氢化炉反应器顶部设置有测压表Ⅴ。

进一步的，所述进氢管Ⅰ、进氢管Ⅱ和进氢管Ⅲ上均设置有换热器。

进一步的，所述进氢管Ⅰ、进氢管Ⅱ和进氢管Ⅲ均为DN50-DN65，该规格的设置，有效控制管路压损，保证测量值准确性。

进一步的，所述进氢管Ⅰ、进氢管Ⅱ和进氢管Ⅲ与氢化炉反应器的连接端均呈斜向下设置，避免炉内大量硅粉的长期沉积造成管口堵塞。

进一步的，所述进氢管Ⅰ、进氢管Ⅱ和进氢管Ⅲ与氢化炉反应器的连接端与氢化炉反应器之间的夹角为30-50°。

进一步的，所述测压表Ⅰ于进氢管Ⅰ上形成的测压点与氢化炉之间的距离为0.7-1.0m，该距离的设置，避免氢化炉反应器内高温对测压表Ⅰ的损坏，保证测压表Ⅰ长期稳定的运行，同时又保证测量的准确性。

进一步的，所述测压表Ⅱ于进氢管Ⅱ上形成的测压点与氢化炉之间的距离为0.7-1.0m，该距离的设置，避免氢化炉反应器内高温对测压表Ⅱ的损坏，保证测压表Ⅱ长期稳定的运行，同时又保证测量的准确性。

进一步的，所述测压表Ⅲ于进氢管Ⅲ上形成的测压点与氢化炉之间的距离为0.7-1.0m，该距离的设置，避免氢化炉反应器内高温对测压表Ⅲ的损坏，保证测压表Ⅲ长期稳定的运行，同时又保证测量的准确性。

在本技术方案中，涉及的工作原理包括：

对于氢化炉反应器，高温高压的氢气与四氯化硅混合气从氢化炉反应器底部通入，与下部输入氢化炉反应器的硅粉发生反应，产生包括有三氯氢硅、四氯氢硅、高沸物、硅粉的混合气体，混合气体从氢化炉反应器顶部的工艺气体出料管输出。其中，控制氢化炉反应器内工艺介质料位，对于把四氯化硅转化为三氯氢硅的转化率提升有极其重要的作用。

对于氢化炉床层料位测量装置，通过在氢化炉反应器上部、中部、下部分别设置三个压力监控点，通过测量值之差（差压）换算，得到炉内料位（床层中的物料配比不一样，造成密度不同，从而带来压力变化）。

向氢化炉反应器内通入高温高压氢气进行吹扫，保证压力测量管口不堵塞；在反吹氢气管路中分别设置流量计，可精确控制反吹氢气的通入量，以保证管口不堵塞的前提下，减小该引入氢气对压力测量值的影响，同时保证氢化炉反应器上部、中部、下部的压力影响值一致，从而保证压力差值的准确性。

在本技术方案中，根据实际需求，在各管线上设置控制阀，提高测量过程中的可控性。

本技术方案中，涉及 “上部”、“中部”、“下部”、“底部”、及“顶部”等位置关系，是根据实际使用状态下的情况而定义的，为本技术领域内的常规用语，也是本领域术人员在实际使用过程中的常规用语。

采用本技术方案，带来的有益技术效果为：

1）在本实用新型中，通过氢气罐、各进氢管、各流量计以及各测压表等设置，利用差压原理进行床层料位的测量，有效防止管口堵塞问题，同时，保证床层料位测量的稳定性和准确性，提高冷氢化工序质量和效率，保证多晶硅生产的稳定性；

2）在本实用新型中，使用普通的压力测量仪表，通过设置高温氢气反吹，精确控制反吹气量，结合引压管路的规格、氢化炉反应器连接端角度以及测压点与氢化炉之间的距离的特殊设计，有效解决了氢化炉内含硅粉、高沸物等这一特殊工况下的管口易堵问题，保证低投入、高可靠性的精准测量，从而实现氢化炉内的料位监控；

3）在本实用新型中，该测量装置能实现两年以上稳定的运行，可有效取代核辐射料位计，使生产装置安全、环保性提高，并保证多晶硅生产的稳定性和高效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图中：1、氢化炉反应器，2、氢气罐，3、进氢管Ⅰ，31、流量计Ⅰ，32、测压表Ⅰ，4、进氢管Ⅱ，41、流量计Ⅱ，42、测压表Ⅱ，5、进氢管Ⅲ，51、流量计Ⅲ，52、测压表Ⅲ，6、氢气与四氯化硅混合气进料管，61、测压表Ⅳ，7、硅粉进料管，8、工艺气体出料管，9、测压表Ⅴ，10、换热器。

具体实施方式

下面通过对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示：一种氢化炉床层料位测量装置，包括氢化炉反应器1、氢气罐2以及设置在氢化炉反应器1上的进氢管Ⅰ3、进氢管Ⅱ4和进氢管Ⅲ5，进氢管Ⅰ3、进氢管Ⅱ4和进氢管Ⅲ5均与氢气罐2连通；

进氢管Ⅰ3设置在氢化炉反应器1上部，进氢管Ⅰ3上设置有流量计Ⅰ31和测压表Ⅰ32，氢气罐2及进氢管Ⅰ3形成向氢化炉反应器1上部进氢气的通路，流量计Ⅰ31检测其中的氢气的流量，测压表Ⅰ32检测其中的压力；进氢管Ⅱ4设置在氢化炉反应器1中部，进氢管Ⅱ4上设置有流量计Ⅱ41和测压表Ⅱ42，氢气罐2及进氢管Ⅱ4形成向氢化炉反应器1中部进氢气的通路，流量计Ⅱ41检测其中的氢气的流量，测压表Ⅱ42检测其中的压力；进氢管Ⅲ5设置在氢化炉反应器1下部，进氢管Ⅲ5上设置有流量计Ⅲ51和测压表Ⅲ52，氢气罐2及进氢管Ⅲ5形成向氢化炉反应器1下部进氢气的通路，流量计Ⅲ51检测其中的氢气的流量，测压表Ⅲ52检测其中的压力。

对于氢化炉反应器1，高温高压的氢气与四氯化硅混合气从氢化炉反应器1底部通入，与下部输入氢化炉反应器1的硅粉发生反应，产生包括有三氯氢硅、四氯氢硅、高沸物、硅粉的混合气体，混合气体从氢化炉反应器1顶部的工艺气体出料管8输出。其中，控制氢化炉反应器1内工艺介质料位，对于把四氯化硅转化为三氯氢硅的转化率提升有极其重要的作用。

对于流量计的设置，氢化炉反应器1内有氯硅烷、氢气和硅粉，吹入的氢气（为原料气）不会造成影响，但其吹入量不能太大，过大可能造成炉内物料配比问题，因此，用流量计加以监控；

对于氢化炉床层料位测量装置，通过在氢化炉反应器1上部、中部、下部分别设置三个压力监控点（PT-0204、PT-0203、PT-0202），通过测量值之差（差压）换算，得到炉内料位（床层中的物料配比不一样，造成密度不同，从而带来压力变化）；

向氢化炉反应器1内通入高温高压氢气进行吹扫，保证压力测量管口不堵塞；在反吹氢气管路中分别设置流量计（FG-0203、FG-0202、FG-0201），可精确控制反吹氢气的通入量，以保证管口不堵塞的前提下，减小该引入氢气对压力测量值的影响，同时保证氢化炉反应器1上部、中部、下部的压力影响值一致，从而保证压力差值的准确性。

实施例2

基于实施例1，本实施例更进一步的，

氢化炉反应器1底部连接有氢气与四氯化硅混合气进料管6，氢化炉反应器1下部连接硅粉进料管7，氢化炉反应器1顶部连接有工艺气体出料管8。

氢气与四氯化硅混合气进料管6上设置有测压表Ⅳ61。

氢化炉反应器1顶部设置有测压表Ⅴ9。

实施例3

基于实施例1-2，本实施例更进一步的，

进氢管Ⅰ3、进氢管Ⅱ4和进氢管Ⅲ5上均设置有换热器10。对于换热器10的设置，若吹入的氢气温度低于炉内反应温度，则易导致炉内温度降低，反应不佳；同时，由于炉内反应会产生高沸物，高沸物遇冷后会造成堵塞管道；此外，炉内有硅粉，高沸物与硅粉的结合更易堵塞管道，因此，换热器10保证氢气的温度。

进氢管Ⅰ3、进氢管Ⅱ4和进氢管Ⅲ5均为DN50，该规格的设置，有效控制管路压损，保证测量值准确性。

进氢管Ⅰ3、进氢管Ⅱ4和进氢管Ⅲ5与氢化炉反应器1的连接端均呈斜向下设置，避免炉内大量硅粉的长期沉积造成管口堵塞；其中，进氢管Ⅰ3、进氢管Ⅱ4和进氢管Ⅲ5与氢化炉反应器1的连接端与氢化炉反应器1之间的夹角为45°。

测压表Ⅰ32、测压表Ⅱ42及测压表Ⅲ52分别于进氢管Ⅰ3、进氢管Ⅱ4和进氢管Ⅲ5上形成的测压点与氢化炉之间的距离为0.8m，该距离的设置，避免氢化炉反应器1内高温对对应测压表的损坏，保证对应测压表长期稳定的运行，同时又保证测量的准确性。

在本技术方案中，根据实际需求，在各管线上设置控制阀，提高测量过程中的可控性。

实施例4

在本测量装置中，向氢化炉内通入温度为565℃、压力为2.8MPa的氢气与四氯化硅混合气（两者配比为2：1），向氢化炉内通入1.5T/h硅粉量；

通过进氢管Ⅰ3、进氢管Ⅱ4和进氢管Ⅲ5分别向氢化炉内通入温度为160℃的氢气，氢气进料流量为300Nm³/h；

通过在氢化炉反应器1上部、中部、下部分别设置三个压力监控点（PT-0204、PT-0203、PT-0202），测量值分别为2.566MPa、2.616MPa、2.630MPa，氢化炉反应器1顶部压力监控点为测量值2.566MPa（测压表Ⅴ9），计算床层压差（2.630-2.566=0.064Mpa=64Kpa）64Kpa，换算为床层料位高度为7.22m（高度=压差/重力加速度*密度，其中，密度为904kg/m³）。

通过此测量装置，冷氢化工艺操作能准确掌握床层料位，从而可保证氢化炉转化率稳定保持在25%以上。

Claims (8)

1.一种氢化炉床层料位测量装置，其特征在于：包括氢化炉反应器（1）、氢气罐（2）以及设置在氢化炉反应器（1）上的进氢管Ⅰ（3）、进氢管Ⅱ（4）和进氢管Ⅲ（5），进氢管Ⅰ（3）、进氢管Ⅱ（4）和进氢管Ⅲ（5）均与氢气罐（2）连通；

进氢管Ⅰ（3）设置在氢化炉反应器（1）上部，进氢管Ⅰ（3）上设置有流量计Ⅰ（31）和测压表Ⅰ（32），氢气罐（2）及进氢管Ⅰ（3）形成向氢化炉反应器（1）上部进氢气的通路；

进氢管Ⅱ（4）设置在氢化炉反应器（1）中部，进氢管Ⅱ（4）上设置有流量计Ⅱ（41）和测压表Ⅱ（42），氢气罐（2）及进氢管Ⅱ（4）形成向氢化炉反应器（1）中部进氢气的通路；

进氢管Ⅲ（5）设置在氢化炉反应器（1）下部，进氢管Ⅲ（5）上设置有流量计Ⅲ（51）和测压表Ⅲ（52），氢气罐（2）及进氢管Ⅲ（5）形成向氢化炉反应器（1）下部进氢气的通路。

2.根据权利要求1所述的氢化炉床层料位测量装置，其特征在于：所述氢化炉反应器（1）底部连接有氢气与四氯化硅混合气进料管（6），氢化炉反应器（1）下部连接硅粉进料管（7），氢化炉反应器（1）顶部连接有工艺气体出料管（8）。

3.根据权利要求2所述的氢化炉床层料位测量装置，其特征在于：所述氢气与四氯化硅混合气进料管（6）上设置有测压表Ⅳ（61），氢化炉反应器（1）顶部设置有测压表Ⅴ（9）。

4.根据权利要求1所述的氢化炉床层料位测量装置，其特征在于：所述进氢管Ⅰ（3）、进氢管Ⅱ（4）和进氢管Ⅲ（5）上均设置有换热器（10）。

5.根据权利要求1所述的氢化炉床层料位测量装置，其特征在于：所述进氢管Ⅰ（3）、进氢管Ⅱ（4）和进氢管Ⅲ（5）的管径相等，均为DN50-DN65。

6.根据权利要求1所述的氢化炉床层料位测量装置，其特征在于：所述进氢管Ⅰ（3）、进氢管Ⅱ（4）和进氢管Ⅲ（5）与氢化炉反应器（1）的连接端均呈斜向下设置。

7.根据权利要求6所述的氢化炉床层料位测量装置，其特征在于：所述进氢管Ⅰ（3）、进氢管Ⅱ（4）和进氢管Ⅲ（5）与氢化炉反应器（1）的连接端与氢化炉反应器（1）之间的夹角为30°-50°。

8.根据权利要求1所述的氢化炉床层料位测量装置，其特征在于：所述测压表Ⅰ（32）于进氢管Ⅰ（3）上形成的测压点与氢化炉之间的距离、测压表Ⅱ（42）于进氢管Ⅱ（4）上形成的测压点与氢化炉之间的距离及测压表Ⅲ（52）于进氢管Ⅲ（5）上形成的测压点与氢化炉之间的距离相等，均为0.7-1.0m。

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