CN220126178U - 一种冷氢化流化床反应器及冷氢化流化床反应系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种冷氢化流化床反应器及冷氢化流化床反应系统,涉及多晶硅制备装置技术领域。冷氢化流化床反应器包括反应壳体、旋风分离器以及换热管,旋风分离器和换热管均设置在反应壳体内,且旋风分离器用于分离反应壳体内的气相和固相,并将气相从反应壳体排出。反应壳体上设置有冷却介质进口和冷却介质出口,换热管的两端分别与冷却介质进口和冷却介质出口连通,且反应壳体的床层形成于换热管下侧,如此换热介质在换热管内流动,气相和固相位于换热管外,通过换热管壁与换热介质进行热交换,进而降低气相和固相的温度,固相无需进入换热管,进而也就不会造成堵塞换热管、造成损伤、影响使用寿命的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及多晶硅制备装置技术领域,具体而言,涉及一种冷氢化流化床反应器及冷氢化流化床反应系统。
背景技术
在采用改良西门子法制备多晶硅的过程中,会生成大量副产物四氯化硅(SiCl4,简称STC),大约制备1吨多晶硅会生成14-22吨左右的STC。冷氢化技术是转化这部分STC的方法之一,通过采用冷氢化技术将STC重新生成有用的SiHCl3原料,冷氢化技术的化学反应方程式为:
Si+2H2+3SiCl4=4SiHCl3
上述化学反应在冷氢化流化床反应器中进行,该反应为微放热或微吸热反应,同时反应温度为550℃左右,反应压力为3.0MpaG左右。图1示出了目前冷氢化技术回收STC所涉及的反应系统,由于反应完成后从流化床反应器1顶部排出的气相中仍存在大量的硅粉,因此需设置硅粉过滤器3对硅粉进行过滤,然而由于流化床反应器1中温度在550℃左右,为了便于硅粉过滤器3对硅粉的过滤,降低对硅粉过滤器3中滤芯的要求,设置了高温换热器2,排出化流化床反应器1的气相通过高温换热器2降温,使得温度从550℃左右降低至300℃左右甚至更低,随后进入硅粉过滤器3过滤。
目前常用的高温换热器为列管式换热器,由于进入高温换热器的气相中存在大量硅粉,该夹杂有大量硅粉的气相在通过高温换热器进行降温时,以导致高温换热器堵塞,一方面造成换热效率低,另一方面造成换热器压差大,对换热器造成损伤。
实用新型内容
本实用新型的目的在于,提供了一种冷氢化流化床反应器,其能够改善现有技术中存在的高温换热器易堵塞,造成损伤、影响使用寿命的技术问题。
本实用新型的目的还在于,提供了一种冷氢化流化床反应系统,其能够改善现有技术中存在的高温换热器易堵塞,造成损伤、影响使用寿命的技术问题。
本实用新型的实施例可以通过以下方式实现:
一种冷氢化流化床反应器,其包括反应壳体以及旋风分离器,所述旋风分离器设置在所述反应壳体内,且所述旋风分离器用于分离所述反应壳体内的气相和固相,并将所述气相从所述反应壳体排出;
所述冷氢化流化床反应器还包括设置在所述反应壳体内的换热管,所述反应壳体上设置有冷却介质进口和冷却介质出口,所述换热管的两端分别与所述冷却介质进口和所述冷却介质出口连通,且所述反应壳体的床层形成于所述换热管下侧。
可选地,所述换热管呈绕所述反应壳体的轴向螺旋分布的螺旋型。
可选地,所述换热管包括多个直管段以及多个弯管段,相邻两个所述直管段之间通过所述弯管段连通。
可选地,多个所述直管段沿所述反应壳体的周向间隔分布。
可选地,所述换热管包括相互连通的内圈部和外圈部,所述外圈部呈环形,所述内圈部位于所述外圈部内周。
可选地,所述换热管包括第一盘管、第二盘管以及管束,所述第一盘管与所述第二盘管沿上下方向间隔分布,且所述第一盘管与所述冷却介质进口连通,所述第二盘管与所述冷却介质出口连通;所述管束设置在所述第一盘管与所述第二盘管之间,且所述第一盘管与所述第二盘管通过所述管束连通。
可选地,所述冷氢化流化床反应器还包括固定安装在所述反应壳体内的支撑架,所述支撑架与所述换热管固定连接,以将所述换热管支撑在所述反应壳体内。
可选地,所述旋风分离器包括分离主体以及料腿,所述分离主体用于分离所述反应壳体内的气相和固相,并将所述气相从所述反应壳体顶部排出;所述料腿用于将分离处出的固相向所述反应壳体的下部输送;所述换热管的高度高于所述料腿下端的高度。
可选地,所述冷氢化流化床反应器还包括破泡器以及分布板,所述破泡器和所述分布板均设置在所述反应壳体内,且所述破泡器位于所述分布板上侧,所述换热管位于所述破泡器上侧。
一种冷氢化流化床反应系统,所述冷氢化流化床反应系统包括加热装置、硅粉过滤器以及上述的冷氢化流化床反应器;所述冷氢化流化床反应器下端设置有氢气供给口,所述加热装置与所述氢气供给口连通,且所述加热装置用于对供入所述冷氢化流化床反应器的氢气进行加热;所述硅粉过滤器与所述旋风分离器连通,用于过滤所述旋风分离器排出的气相中包含的硅粉。
本实用新型的实施例提供的冷氢化流化床反应器及冷氢化流化床反应系统的有益效果包括:
本实用新型的实施例提供了一种冷氢化流化床反应器,其包括反应壳体、旋风分离器以及换热管,旋风分离器和换热管均设置在反应壳体内,且旋风分离器用于分离反应壳体内的气相和固相,并将气相从反应壳体排出。反应壳体上设置有冷却介质进口和冷却介质出口,换热管的两端分别与冷却介质进口和冷却介质出口连通,且反应壳体的床层形成于换热管下侧,如此换热介质在换热管内流动,气相和固相位于换热管外,通过换热管壁与换热介质进行热交换,进而降低气相和固相的温度,固相无需进入换热管,进而也就不会造成堵塞换热管、造成损伤、影响使用寿命的技术问题。
本实用新型的实施例还提供了一种冷氢化流化床反应系统,其包括上述的冷氢化流化床反应器。由于该冷氢化流化床反应系统包括上述的冷氢化流化床反应器,因此也就有不会造成堵塞换热管、造成损伤、影响使用寿命的技术问题的有益效果。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后,能够更好地理解本实用新型的上述特征和优点。在附图中,各组件不一定是按比例绘制,并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了现有技术中冷氢化流化床反应系统的结构示意图;
图2示出了根据本实用新型的一方面提供的冷氢化流化床反应系统的结构示意图;
图3示出了根据本实用新型的一方面提供的冷氢化流化床反应器的结构示意图;
图4示出了根据本实用新型的一方面提供的换热管的结构示意图;
图5示出了根据本实用新型的另一方面提供的换热管的结构示意图;
图6示出了根据本实用新型的又一方面提供的换热管的结构示意图;
图7示出了图6所示换热管的俯视结构示意图。
附图标记:
1-流化床反应器;2-高温换热器;3-硅粉过滤器;
10-冷氢化流化床反应系统;100-冷氢化流化床反应器;111-反应壳体;112-分布板;113-破泡器;114-氢气供给口;115-冷却介质进口;116-冷却介质出口;120-旋风分离器;121-分离主体;122-气相出口;123-料腿;130-换热管;131-内圈部;132-外圈部;133-直管段;134-弯管段;135-第一盘管;136-第二盘管;137-管束;140-支撑架;141-立柱;142-支撑环;143-支撑柱;144-支撑耳;211-加热装置;212-硅粉过滤器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作详细描述。注意,以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的,而不应被理解为对本实用新型的保护范围进行任何限制。
在本实用新型的描述中,需要说明的是,若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”、“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。
同时,需要说明的是,若出现术语“第一”、“第二”等仅用于进行区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定或限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如可以是固定连接,可以是一体地连接,或可拆卸地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接连接,或两个元件内部的连通等。对于本领域的普通技术人员而言,可以视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
图2示出了本实施例提供的冷氢化流化床反应系统10的结构示意图,图3示出了本实施例提供的冷氢化流化床反应器100的结构示意图。请结合参照图2和图3,本实施例提供了一种冷氢化流化床反应器100,同时还提供了一种冷氢化流化床反应系统10。
冷氢化流化床反应系统10包括冷氢化流化床反应器100,同时还包括加热装置211和硅粉过滤器212。冷氢化流化床反应器100设置有氢气供给口114,加热装置211与氢气供给口114连通,从而通过加热装置211对供入冷氢化流化床反应器100的氢气进行加热,以使冷氢化流化床反应器100内的温度能够达到反应温度。硅粉过滤器212用于对排出冷氢化流化床反应器100的气相中夹杂的硅粉进行过滤。
冷氢化流化床反应器100包括反应壳体111、旋风分离器120以及换热管130,旋风分离器120和换热管130均设置在反应壳体111内,且旋风分离器120用于分离反应壳体111内的气相和固相,并将气相从反应壳体111排出。反应壳体111上设置有冷却介质进口115和冷却介质出口116,换热管130的两端分别与冷却介质进口115和冷却介质出口116连通,且反应壳体111的床层形成于换热管130下侧,如此换热介质在换热管130内流动,气相和固相位于换热管130外,通过换热管130壁与换热介质进行热交换,进而降低气相和固相的温度,换热管130为盘管式换热管130。而且换热管130位于反应壳体111的床层上侧,即换热管130位于反应壳体111内发生化学反应的部分上侧,换热管130的设置不会影响反应的进行,反应完成后且在气相排出反应壳体111之前,通过换热管130进行降温,以降低进入硅粉过滤器212中的携带硅粉的气相的温度。可选地,换热介质可以是水、导热油或者需要加热的工艺物料等。
具体地,反应壳体111为长条圆筒状结构,其轴向沿上下方向延伸。可选地,反应壳体111的公称直径一般在DN3000以上,直筒段高度在10m以上。反应壳体111的底部设置有氢气供给口114,用于向反应壳体111内供入氢气,加热装置211设置在氢气供给管上,从而在氢气进入反应壳体111内之前对氢气进行加热,满足反应温度需求。进一步的在反应壳体111的侧壁上还设置有原料进入口(图未示出),硅粉等固态原料通过原料进入口进入反应壳体111中。
旋风分离器120包括分离主体121以及料腿123,分离主体121上侧具有气相出口122,待分离的气相和固相进入分离主体121后,在分离主体121的作用下,气相从气相出口122排出反应壳体111,料腿123安装在分离主体121下侧,且向反应壳体111下部延伸,被分离主体121分离出的固相沿料腿123向分离主体121下侧输送,继续参与化学反应。换热管130的高度高于料腿123下端的高度,即通过料腿123可将固相输送至换热管130的下侧,换热管130的设置利用了料腿123四周的空间,不仅有助于避免换热管130对反应过程的影响,而且无需额外增加反应壳体111的高度尺寸,避免了额外的费用,有助于降低成本。
可选地,换热管130的公称直径优选地大于DN150。可选地,换热管130的材质可以选择任何耐HCl、H2、SiCl4等腐蚀的金属,同时还需要能够满足至少550℃的工作温度需求。
图4示出了本实施例提供的一种换热管130的结构示意图。请结合参照图2-图4,换热管130为盘管,在本实施例中,换热管130呈绕反应壳体111的轴向螺旋分布的螺旋型。通过换热管130中换热介质的螺旋流动可实现反应壳体111轴向一定范围内,周向各处的冷却。可以理解的,在其他实施例中,也可以根据需求具体设置换热管130的结构形式。
作为示例性地,图5示出了本实施例提供的另一种换热管130的结构示意图,如图5所示,换热管130包括多个直管段133和多个弯管段134,相邻两个直管段133之间通过弯管段134连通。可选地,直管段133的轴线与反应壳体111的轴线平行,即直管段133沿上下方向竖直设置,可以理解的,在其他一些实施例中,直管段133也可以水平设置。进一步地,多个直管段133沿反应壳体111的周向间隔分布,从而围成环形结构。
作为示例性地,图6示出了本实施例提供的又一种换热管130的结构示意图,图7示出了图6所示换热管130的俯视结构示意图。如图6和图7所示,换热管130包括第一盘管135、第二盘管136以及管束137,第一盘管135与第二盘管136沿上下方向间隔分布,且第一盘管135与冷切介质进口连通,第二盘管136与冷却介质出口116连通。管束137设置在第一盘管135与第二盘管136之间,从而通过管束137将第一盘管135与第二盘管136连通。使用过程中,冷却介质从冷却介质进口115进入第一盘管135,从第一盘管135进入管束137中,然后沿管束137流动至第二盘管136,最后从冷却介质出口116流出。管束137为多个直管构成的组件,第一盘管135和第二盘管136呈圆环状,且第一盘管135和第二盘管136上均设置有多个开孔,管束137中一直管的一端与第一盘管135上的开孔连通,另一端与第二盘管136上的开孔连通。
请再次结合参照图2-图4,在本实施例中,换热管130包括相互连通的内圈部131和外圈部132,外圈部132层环形,内圈部131位于外圈部132内周,从而对反应壳体111内径向各处进行冷却,提升换热效果。具体地,如图4所示,内圈部131和外圈部132全部均为螺旋状。可以理解的,其他结构的换热管130也可以设置为多层,例如图5所示的换热管130中,多个直管段133也可以围成多个同轴分布的环形结构。
为了保证换热管130在反应壳体111内的安装稳定性,可选地,冷氢化流化床反应器100还包括固定安装在反应壳体111内的支撑架140,支撑架140与换热管130固定连接,从而将换热管130支撑在反应壳体111内。
图6示例性地示出了一种支撑架140的结构,如图6所示,支撑架140包括立柱141以及支撑环142,立柱141的上下两端分别通过支撑柱143固定安装在反应壳体111内部,支撑环142的边缘与立柱141固定连接,同时支撑环142与管束137固定连接,从而对管束137进行支撑。可选地,支撑环142的数量可根据管束137的长度设置为多个,多个支撑环142沿上下方向间隔均匀分布。进一步地,支撑架140还包括支撑耳144,支撑耳144与反应壳体111固定连接,并用于支撑支撑柱143。
请参照图2,在本实施例中,冷氢化流化床反应器100还包括破泡器113以及分布板112,破泡器113和分布板112均设置在反应壳体111内,且破泡器113位于分布板112上侧,,分布板112具有喷嘴换热管130位于破泡器113上侧。
本实用新型的实施例提供的冷氢化流化床反应器100及冷氢化流化床反应系统10使用时,氢气在通过加热装置211加热后从反应壳体111下方的氢气供给口114进入反应壳体111中,与反应壳体111中的硅粉(部分从料腿123回落至反应壳体111下部,部分从原料进入口添加至反应壳体111中)以及STC发生反应生成SiHCl3。反应后的气相以及其中夹杂的固相向反应壳体111上部运动,通过换热管130降低其温度,然后进入旋风分离器120中对气相和固相进行分离,气相排出反应壳体111,固相沿着料腿123向反应壳体111下部输送,继续参与反应。由于旋风分离器120分离的最小粒径为5um,所以5um粒径以下的颗粒无法去除,排出反应壳体111的气相中仍夹杂有小颗粒的硅粉,最后通过硅粉过滤器212将硅粉过滤。
该冷氢化流化床反应器100及冷氢化流化床反应系统10,通过采用盘式换热管130并将换热管130设置在反应壳体111内,换热管130内流动换热介质,被冷却的物质位于换热管130外,因此有效避免了固相堆积堵塞换热管130所带来的问题,而且由于换热管130结构设置使得换热管130具有一定的变形空间,因此可以承受较大的热变形,改善在热应力影响下换热管130被拉裂的问题,使得冷氢化工业运行的稳定性和安全性大大提升,同时也降低了换热管130受损造成的装置停车导致的损失。
以上所述,仅为本实用新型的具体实施方式,但是本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域技术的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种冷氢化流化床反应器,所述冷氢化流化床反应器包括反应壳体以及旋风分离器,所述旋风分离器设置在所述反应壳体内,且所述旋风分离器用于分离所述反应壳体内的气相和固相,并将所述气相从所述反应壳体排出;其特征在于:
所述冷氢化流化床反应器还包括设置在所述反应壳体内的换热管,所述反应壳体上设置有冷却介质进口和冷却介质出口,所述换热管的两端分别与所述冷却介质进口和所述冷却介质出口连通,且所述反应壳体的床层形成于所述换热管下侧。
2.根据权利要求1所述的冷氢化流化床反应器,其特征在于:
所述换热管呈绕所述反应壳体的轴向螺旋分布的螺旋型。
3.根据权利要求1所述的冷氢化流化床反应器,其特征在于:
所述换热管包括多个直管段以及多个弯管段,相邻两个所述直管段之间通过所述弯管段连通。
4.根据权利要求3所述的冷氢化流化床反应器,其特征在于:
多个所述直管段沿所述反应壳体的周向间隔分布。
5.根据权利要求1所述的冷氢化流化床反应器,其特征在于:
所述换热管包括相互连通的内圈部和外圈部,所述外圈部呈环形,所述内圈部位于所述外圈部内周。
6.根据权利要求1所述的冷氢化流化床反应器,其特征在于:
所述换热管包括第一盘管、第二盘管以及管束,所述第一盘管与所述第二盘管沿上下方向间隔分布,且所述第一盘管与所述冷却介质进口连通,所述第二盘管与所述冷却介质出口连通;所述管束设置在所述第一盘管与所述第二盘管之间,且所述第一盘管与所述第二盘管通过所述管束连通。
7.根据权利要求1所述的冷氢化流化床反应器,其特征在于:
所述冷氢化流化床反应器还包括固定安装在所述反应壳体内的支撑架,所述支撑架与所述换热管固定连接,以将所述换热管支撑在所述反应壳体内。
8.根据权利要求1所述的冷氢化流化床反应器,其特征在于:
所述旋风分离器包括分离主体以及料腿,所述分离主体用于分离所述反应壳体内的气相和固相,并将所述气相从所述反应壳体顶部排出;所述料腿用于将分离处出的固相向所述反应壳体的下部输送;所述换热管的高度高于所述料腿下端的高度。
9.根据权利要求1所述的冷氢化流化床反应器,其特征在于:
所述冷氢化流化床反应器还包括破泡器以及分布板,所述破泡器和所述分布板均设置在所述反应壳体内,且所述破泡器位于所述分布板上侧,所述换热管位于所述破泡器上侧。
10.一种冷氢化流化床反应系统,其特征在于:
所述冷氢化流化床反应系统包括加热装置、硅粉过滤器以及权利要求1-9任一项所述的冷氢化流化床反应器;所述冷氢化流化床反应器下端设置有氢气供给口,所述加热装置与所述氢气供给口连通,且所述加热装置用于对供入所述冷氢化流化床反应器的氢气进行加热;所述硅粉过滤器与所述旋风分离器连通,用于过滤所述旋风分离器排出的气相中包含的硅粉。
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