一种带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器的制作方法

1.本发明属于化工设备技术领域，尤其是一种一种多晶硅生产装置中使用的流化床反应器，具体地说是一种采用冷氢化法将四氯化硅转化为三氯氢硅的流化床反应器。


背景技术：

2.目前国内的多晶硅生产装置多采用改良西门子法生产工艺，生产过程中的副产物四氯化硅通过“冷氢化”工艺转化为三氯氢硅，实现循环利用，发生的反应有：
3.si(s)+2h2(g)+3sicl4(g)
→
4sihcl3()(主反应)
4.si(s)+2h2(g)+sicl4(g)
→
2sih2cl2()(副反应)
5.2sihcl3(g)
→
sicl4()+sih2cl2()(副反应)
6.目前冷氢化工艺主要使用气固流化床反应器，但在实际生产中存在着气体分布不均、喷嘴使用寿命短、分布板冲刷严重、反应区气泡聚并、内置式旋风分离器料腿过长，生产成本高等问题。这些问题制约了冷氢化反应转化率的提高和冷氢化的连续稳定运行。
7.cn204999622u提出了一种冷氢化流化床气体分布板，但是该专利只是从分布板和喷嘴的角度去解决气体分布均匀性的问题，没有考虑到进气装置对气体分布均匀性的影响。同时该结构喷嘴在应用中也存在着喷嘴气流对冲和气流冲刷分布板的问题。
8.cn104860317b、cn209740727u都提出了一种冷氢化流化床反应器设备的整体结构方案，但是这些专利着重于提出冷氢化壳体结构与内构件的种类，没有对提高冷氢化反应转化率提出针对性解决方案。


技术实现要素：

9.本发明的目的针对现有的氢化流化床反应器气体分布不均，四氯化硅转化率低，喷嘴使用寿命短、内置式旋风分离器料腿过长，导致反应器高度过高，生产成本增加等问题，提供一种带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器。
10.本发明的技术解决方案为：
11.一种带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，由顺序连接的进气段、反应段、锥形过渡段与气固分离段组成。其中进气段位于反应器底端，由下封头、进气装置、分布器、下筒体组成，分布器位于进气段与反应段的连接处；反应段由中筒体和破泡格栅组成，中筒体上开设有硅粉进料口和卸料口，设置8-12层的破泡格栅；锥形过渡段位于反应段与气固分离段之间，由反应段向气固分离段渐扩。气固分离段由上封头、旋风分离器和上筒体组成，上封头上开设有气体出口。
12.进一步地，进气装置包括弯头、内伸管，连接管，环形管和进气小管。弯头位于反应器外部，下方开设有排净口。内伸管与环形管通过n个连接管连接(n≥2)，环形管上分布有2m个进气小管(m≥2)，进气小管斜向下方布置，与反应器轴向呈30
°
～50
°
夹角，交错朝反应器中心与外壁方向布置。全部进气小管的截面积为内伸管截面积的0.85-0.95倍。
13.进一步地，分布器由分布板和喷嘴组成。分布板为凹弧形结构，分布板上开有螺纹
孔，喷嘴下端设置有外螺纹，与分布板采用螺纹连接，便于装卸。
14.进一步地，喷嘴下端开口，上端封闭，距离顶端20-40mm处开设单排或多排喷气孔，喷气孔直径设计在φ2mm-φ5mm之间，喷气孔向下倾斜，与反应器轴向呈40
°
～60
°
夹角。该结构可延长出气的气流射程，降低携带硅粉颗粒的混合气对分布板的冲刷。另外也能避免相邻喷气孔出气的对吹，降低喷气孔的冲刷变形率，提高喷嘴使用寿命。
15.进一步地，喷嘴上方设计为锥形风帽结构，以加快硅粉的滑落，减少硅粉的堆积，改善流化质量，提高四氯化硅转化率。
16.进一步地，分布器上放开有卸料口和进料口，卸料口位于分布板上方100～1500mm处，斜向下方布置。进料口安装在卸料口上方200～800mm处，斜向下方布置。
17.进一步地，反应段设置8-12层破泡格栅，每层破泡格栅都由若干区块的导流叶片组成，导流叶片与反应器轴向夹角为35～45
°
，相邻区块的导流叶片朝向交错分布。通过这些导流叶片的扰动，实现破碎气泡和抑制气泡聚并的目的，从而有效地提高流化质量和四氯化硅的转化率。
18.进一步地，气固分离段4与反应段2之间设置有锥形过渡段3，锥形过渡段以上的气固分离段的直径比反应段大0.5-1.5m。通过这种设计使得气固混合物，在气固分离段的上升速度降低，动压减少，静压增大。气固混合物可以以较大的压力进入旋风分离器，进而减少旋风分离器的料腿高度，降低整个流化床反应器的高度，降低制造成本。
19.进一步地，设置至少一个旋风分离器，采取串联或者并联的方式连接，旋风分离器的气体出口与反应器气体出口相连接。
20.进一步地，旋风分离器料腿下方端部设置单向阀门，阀门开口位置设置在最上层破泡格栅上方，以高于最上层破泡格栅400mm-2000mm处为宜。
21.本发明的氢气和四氯化硅混合气体通过进气小管进入反应器，进气小管环形布置，交错的朝向斜下方，有利于气体在分布器下部空间的分散，避免了直喷式气体入口带来的涡流问题。氢气和四氯化硅混合气体通过锥形风帽式喷嘴的喷气孔喷出到分布器上方。喷气孔与反应器轴向呈30
°
夹角，降低对喷嘴喷气孔和分布板的冲刷，提高使用寿命。氢气和四氯化硅混合气体携带硅粉向上流动，进入反应区。通过设置破泡格栅，以不同方向导流叶片的扰动，破碎混合气气泡和抑制气泡聚并，有效提高流化质量和四氯氢硅的转化率。反应后的气固混合物进入旋风分离器，将硅粉分离出来。但是由于旋风分离器的料腿过长，导致反应器的高度增加，极大增加了生产制造成本。通过设置锥形段，增大气固分离段的直径，使得混合气体的静压增大，在旋风分离器料腿底部压力不变的情况下，料腿高度降低，降低生产制造成本。
22.与现有技术相比，本发明的优点在于：
23.1，混合气采用进气小管均布的方式分散到分布器下部空间，避免了直喷式入口带来的涡流问题，有利于提高分布器上方混合气体的分布均匀性。将进气装置与分布板当作一个整体进行优化，相比仅优化分布板，更能强化混合气均布效果。
24.2，进气装置上设有凹弧形分布板，分布板上开有螺纹孔，喷嘴下端设置有外螺纹，与分布板采用螺纹连接，便于装卸。
25.3，分布板上安装锥形风帽式喷嘴，有利于硅粉的滑落，减少硅粉在喷嘴上的堆积。
26.4，锥形风帽式喷嘴开设单排或多排喷气孔，喷气孔与反应器轴向夹角为20
°
～
50
°
，可延长气流射程，降低气流对分布板的冲击力，同时也能避免相邻喷嘴喷气孔气体的对吹，降低喷气孔的冲刷变形率，极大提高分布板与喷嘴的使用寿命。
27.5，设置破泡格栅，以不同方向导流叶片的扰动，破碎混合气气泡和抑制气泡聚并，有效提高流化质量和四氯氢硅的转化率。
28.6，设置锥形过渡段，使得气固分离段的直径大于反应段，增大气体进入旋风分离器的静压，在旋风分离器料腿底部压力不变的情况下，料腿高度降低，降低生产制造成本。
附图说明
29.图1是本发明的冷氢化反应器整体结构示意图；
30.图2和图3是进气装置结构示意图；
31.图4是分布器结构示意图。
32.图5是破泡格栅的结构示意图
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明
34.实施例一。
35.如图1-5所示。
36.一种带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，包括进气段1、反应段2、锥形过渡段3、气固分离段4。如图1所示，其中进气段1位于反应器底端，由下封头11、进气装置12、分布器13、下筒体14组成，分布器位于进气段与反应段的连接处；反应段2由中筒体21和破泡格栅22(其结构与现有技术相同，如图5)组成，中筒体上开设有硅粉进料口、卸料口和测压口，设置2-12层的破泡格栅；气固分离段4由上封头41、旋风分离器42(其结构与现有技术相同)和上筒体43组成，上封头上开设有气体出口、测压口、测温口，上筒体上开设有料腿吹扫口。
37.具体地，进气装置12包括弯头121、内伸管122，连接管123，环形管124和进气小管125，如图2、3所示。弯头位于反应器外部，下方开设有排净口126。内伸管与环形管通过4个连接管连接，环形管上分布有20个进气小管，进气小管斜向下方布置，与反应器轴向呈30
°
夹角，交错朝反应器中心与外壁方向布置。全部进气小管的截面积为内伸管截面积的0.9倍。
38.具体地，分布器13由分布板131和喷嘴132组成，如图4所示。分布板为凹弧形结构，喷嘴下端开口，上端封闭，距离顶端25mm处开设单排或多排喷气孔，喷气孔直径为φ3mm，喷气孔向下倾斜，与反应器轴向夹角为30
°
，喷嘴上方设置为锥形风帽结构
39.具体地，气固分离段4与反应段2之间设置有锥形过渡段3。锥形过渡段高1m，气固分离段的直径比反应段大1.5m，锥形过渡段，从而静压增大，混合气体可以以较大的压力进入旋风分离器，进而减少料腿高度，降低制造成本。
40.其中，增设锥形过渡段降低旋风分离器料腿高度的原理在于：
41.p
v-δps+gh＝ps，其中pv为气固分离段的混合气静压，δps为旋风分离器的压降，h为料腿内物料高度，ps为料腿内底部的压力。
42.因此，增加气固分离段的直径可使混合气体的上升速度降低，动压减少，进而pv增大，料腿高度h减少。
43.设置4个旋风分离器，采取2台串联，2组并联的方式布置，旋风分离器的气体出口与反应器气体出口相连接。旋风分离器42料腿下方端部设置单向阀门，阀门开口位置设置在最上层破泡格栅上方500mm处。
44.实施例二。
45.氢气和四氯化硅混合气体通过进气小管125进入反应器，进气小管125环形布置，交错的朝向斜下方，如图3，有利于气体在分布器下部空间的分散，避免了直喷式气体入口带来的涡流问题。
46.氢气和四氯化硅混合气体通过锥形风帽式喷嘴132的喷气孔喷出到分布器上方，图4。喷嘴顶部设计为锥形风帽结构，有利于硅粉由喷嘴上方滑落，减少硅粉堆积，避免喷嘴喷气孔被硅粉颗粒堵塞。
47.喷气孔与反应器轴向呈30
°
夹角，以延长气流射程，降低携带硅粉颗粒的混合气对分布板的冲刷。另外也能避免相邻喷嘴出气的对吹，降低喷气孔的冲刷变形率，提高喷嘴使用寿命。
48.氢气和四氯化硅混合气体携带硅粉向上流动，进入反应区。反应区为密相流化床，气体以气泡形式存在，如果气泡较大，会降低气-固相间的传质，也易导致硅粉颗粒返混严重，大大降低四氯化硅的转化率和选择性。因此控制较小的平均气泡尺寸是提高流化质量的关键。本发明通过设置破泡格栅，以不同方向导流叶片的扰动，达到破碎混合气气泡和抑制气泡聚并的目的。
49.反应后的气固混合物进入旋风分离器，将硅粉分离出来。但是由于旋风分离器的料腿过长，导致反应器的高度增加，极大增加了生产制造成本。通过设置锥形段，增大气固分离段的直径，使得混合气体的静压增大，在旋风分离器料腿底部压力不变的情况下，料腿高度降低，降低生产制造成本。
50.以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说完全可以根据以上实例进行各种更改和变化，但采取的这些措施仍被认为包括在本发明的范畴之中。
51.本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

技术特征：
1.一种带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：由进气段、反应段、锥形过渡段与气固分离段组成；其中进气段位于反应器底端，由下封头、进气装置、分布器、下筒体组成，安装在下筒体中的分布器位于进气段与反应段的连接处即下筒体上部位置处，进气装置的下部伸出下筒体外与反应气源相连通，进气装置的上部位于下筒体中、分布器的下部；反应段由中筒体和安装在其中的多层破泡格栅组成，中筒体上开设有硅粉进料口和卸料口；锥形过渡段位于反应段与气固分离段之间，由反应段向气固分离段渐扩；气固分离段由上封头上筒体组成，其中安装有旋风分离器，上封头上开设有与旋风分离器共用的气体出口；氢气和四氯化硅混合气体通过进气装置中的进气小管进入反应器，进气小管环形布置，交错的朝向斜下方，有利于气体在分布器下部空间的分散，避免了直喷式气体入口带来的涡流问题；氢气和四氯化硅混合气体通过锥形风帽式喷嘴的喷气孔喷出到分布器上方；喷气孔与反应器轴向呈30
°
夹角，降低对喷嘴喷气孔和分布板的冲刷，提高使用寿命；氢气和四氯化硅混合气体携带硅粉向上流动，进入反应区；通过破泡格栅上不同方向导流叶片的扰动，破碎混合气气泡和抑制气泡聚并，有效提高流化质量和四氯氢硅的转化率；反应后的气固混合物进入旋风分离器，将硅粉分离出来；通过设置锥形段，增大气固分离段的直径，使得混合气体的静压增大，在旋风分离器料腿底部压力不变的情况下，料腿高度降低，降低生产制造成本。2.根据权利要求1所述的带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：所述的破泡格栅的层数为8-12。3.根据权利要求1所述的带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：所述的进气装置包括弯头、内伸管，连接管，环形管和进气小管；弯头伸出下筒体外部，下方开设有排净口；弯头的上部与内伸管相连，内伸管通过n个连接管（n≥2）与环形管相连，环形管上分布有2m个进气小管（m≥2），进气小管斜向下方布置，与反应器轴向呈30
°
~50
°
夹角，交错朝反应器中心与外壁方向布置；全部进气小管的截面积为内伸管截面积的0.85-0.95倍。4.根据权利要求1所述的带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：所述的分布器由分布板和安装在分布板上的喷嘴组成；分布板为凹弧形结构，喷嘴下端开口，上端封闭，距离喷嘴顶端20-40mm处开设单排或多排喷气孔，喷气孔直径设计在φ2mm-φ5mm之间，喷气孔向下倾斜，与反应器轴向夹角为40
°
~60
°
，以减少对分布板和相邻喷气孔的冲刷，延长喷嘴使用寿命。喷嘴上方设置锥形风帽结构，以有利于硅粉的滑落，减少硅粉的堆积，改善流化质量。5.根据权利要求1所述的带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：所述的分布器上方设有硅粉卸料口和硅粉进料口，硅粉卸料口位于分布板上方100~1500mm处，斜向下方布置；硅粉进料口安装在卸料口上方200~800mm处，斜向下方布置。6.根据权利要求1所述的带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：所述的反应段设置有破泡格栅，通过不同方向导流叶片的扰动，实现破碎气泡和抑制气泡聚并的目的，从而有效地提高流化质量。7.根据权利要求1所述的带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：所述的气固分离段与反应段之间设置有锥形过渡段，气固分离段的直径比反应段大0.5-1.5m，锥形过渡段使混合气体的上升速度降低，动压减少，从而静压增大，混合气体以较大的压力进入旋风分离器，进而减少料腿高度。
8.根据权利要求1所述的带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：所述的旋风分离器的数量为一个以上，采取串联或者并联的方式连接，旋风分离器的气体出口与反应器气体出口相连接。9.根据权利要求1所述的带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：所述的旋风分离器料腿下方端部设置单向阀门，阀门开口位置设置在最上层破泡格栅上方，高于最上层破泡格栅400mm-2000mm。

技术总结
一种带高效喷嘴的变径型冷氢化反应器，其特征是：由进气段、反应段、锥形过渡段与气固分离段组成；其中进气段位于反应器底端，由下封头、进气装置、分布器、下筒体组成，安装在下筒体中的分布器位于进气段与反应段的连接处即下筒体上部位置处，进气装置的下部伸出下筒体外与反应气源相连通，进气装置的上部位于下筒体中、分布器的下部；反应段由中筒体和安装在其中的多层破泡格栅组成，中筒体上开设有硅粉进料口和卸料口；锥形过渡段位于反应段与气固分离段之间，由反应段向气固分离段渐扩；气固分离段由上封头上筒体组成，其中安装有旋风分离器，上封头上开设有与旋风分离器共用的气体出口。本发明能明显提高四氯化硅转化率，延长喷嘴使用寿命，降低生产成本。降低生产成本。降低生产成本。


技术研发人员：郭宏新 吕子婷 江郡 何松 金如聪
受保护的技术使用者：江苏中圣压力容器装备制造有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/28