氫化反應(yīng)器分布板結(jié)構(gòu)形式探討

汪紹芬 姚心(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

氫化反應(yīng)器是多晶硅生產(chǎn)中氫化工序的核心設(shè)備，按介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)的流動狀態(tài)可分為流化床反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器。氫化反應(yīng)器的內(nèi)件設(shè)計，特別是分布板的結(jié)構(gòu)設(shè)計對爐內(nèi)介質(zhì)的流化狀態(tài)和氫化轉(zhuǎn)化率有著重要影響[1]。

固定床反應(yīng)器的操作模式是間歇性操作，即定期從上部進料口進一定量的硅粉，與從分布器風(fēng)帽進入的氣體進行反應(yīng)，硅粉的重量全部由分布板承受；流化床反應(yīng)器的操作模式是連續(xù)式操作，即硅粉均勻地從側(cè)面的進料口進入，邊進入邊反應(yīng)[2]。一方面，從對爐內(nèi)硅粉介質(zhì)流化態(tài)的控制來說，要求分布板對下部進入的氣體混合物進行再分布，能夠滿足爐內(nèi)氣流均布的要求；另一方面，從受力角度看，分布板承受硅粉重力載荷，且固定床反應(yīng)器分布板承受重量載荷更大，其在其操作溫度(500-575oC)下的應(yīng)力強度和位移應(yīng)該在設(shè)計中予以考慮。

目前，國內(nèi)冷氫化反應(yīng)器分布板的結(jié)構(gòu)形式主要有平板式、球冠形封頭式和錐形封頭式[3]。板式分布器是目前行業(yè)的通用的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用較為廣泛。錐形封頭和球冠封頭式的運用較少。由于球冠封頭式的制造和檢修較為困難，從實用性考慮，我們選擇了平板式和錐形封頭式分布板進行了研究分析(圖1)。

圖1 平板式分布板和錐形分布板結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 錐形分布板內(nèi)氣體分布和噴嘴氣速

1 氣體再分布流場分析

利用Fluent 12軟件對下部氣體進入分布板后再分布情況進行模擬。工藝混合氣體進入反應(yīng)器后，在下部的進氣環(huán)管內(nèi)進行初次分布，隨后氣體上升進入分布板進行二次分布。由于平板分布板的分布效果已經(jīng)得到許多工程經(jīng)驗的驗證[4]，這里只分析了錐形封頭式分布板的氣體分布效果。

由圖2可以看出，氣體在進入環(huán)管后，由環(huán)管下部進入爐體，一次分布的效果欠均勻，但在穿過錐形分布板后，計算得到分布板上不同分布圓下的噴嘴出口(r1-r16)平均速度的范圍為2.041-2.145m/s,僅有5%的速度差別，分布效果良好。

2 分布板應(yīng)力強度和位移分析

用應(yīng)力分析軟件ANSYS 12對平板和錐形分布板在操作條件下的應(yīng)力強度和位移進行了計算，如圖3所示。

圖3 平板和錐形分布板應(yīng)力分析結(jié)果

從應(yīng)力分布來看，在反應(yīng)器操作工況下，平板和錐形分布器的整體應(yīng)力都較小，都小于50MPa；從變形情況來看，平板中央部分的變形相對較大，而錐形分布板的整體變形控制較好。原因是錐形分布板的溫差變形可由錐形結(jié)構(gòu)吸收，分布板與筒體直接焊接不會在筒壁處產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，

3 分布板與反應(yīng)器筒體的連接形式

平板式分布板與反應(yīng)器筒體的連接形式比較如下:

3.1 分布板與筒體焊接，優(yōu)點是由于周邊固支，約束力大，中心最大位移較小，分布板變形較?。蝗秉c是分布板在550oC左右的操作溫度下，在與分布板焊接的筒體處形成附加的溫差應(yīng)力，一方面影響焊縫強度，另一方面影響作為主要承壓元件的筒體的安全使用。

3.2 分布板采用螺栓連接或者焊接在支撐圈上，支撐圈與筒體焊接。這樣設(shè)計的優(yōu)點是螺栓連接拆裝方便，可設(shè)計成分塊式分布板，更換方便；但由于支撐圈和分布板是非加工件，難以密封，下部氣體通過支撐圈與分布板的縫隙夾帶硅粉沖向筒壁，造成筒壁的磨蝕，若沒有及時發(fā)現(xiàn)，就會發(fā)生嚴重的安全事故；若分布板焊在支撐圈上，考慮焊接位置和拆裝可能，焊縫高度較小，正常操作時由于溫差應(yīng)力，可能會造成焊縫被剪斷，同樣會出現(xiàn)螺栓連接出現(xiàn)的問題。

4 分布板實際使用情況分析

在我公司洛陽某項目的10臺氫化反應(yīng)器中分別采用了平板式和錐形分布板，從2008年使用至今，已經(jīng)正常運行7年。在2014年大修中，對反應(yīng)器兩種分布板結(jié)構(gòu)的實際情況進行對比如下:

4.1 我公司前期采用的平板式分布板是與筒體直接焊接的，使用幾年后檢修發(fā)現(xiàn)有個別處焊縫裂開。分析其原因，此處的應(yīng)力包括焊接應(yīng)力、載荷應(yīng)力、溫差應(yīng)力，尤其是溫差應(yīng)力，由于是間歇操作，操作溫度從常溫到550oC，溫度應(yīng)力交替作用，是造成焊縫開裂的原因之一。

4.2 錐形分布板結(jié)構(gòu)容易吸收溫差應(yīng)力，使用后整理無明顯變形。在錐形分布板底部設(shè)置的排渣孔可以很容易排出料渣和未反應(yīng)的硅粉；但錐形分布板結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，重量大，很難更換，且由于其錐形結(jié)構(gòu)，中部的硅粉比邊緣處的硅粉料層厚，造成一定的受力不均勻。

5 結(jié)語

本文探討了氫化反應(yīng)器中的分布板采用平板和錐形分布板結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，分析了錐形分布板對工藝氣體的分布效果，并對兩種分布板結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力大小和變形進行比較，探討了分布板與筒體不同的連接方式的影響，最后根據(jù)實際使用情況進行比較，可以為其今后的工業(yè)應(yīng)用提供一定的參考。

[1]鐘曉峰,鄒華,吳勇等,2萬噸級多晶硅冷氫化反應(yīng)器制造.中國化工裝備，2011,13(2):42-48.

[2]宋佳,曹祖賓,韓冬云等.多晶硅的冷氫化工藝.化學(xué)與黏合,2011,33(6),76-79.

[3]盛維武.氣相加氫入口擴散器的試驗研究.石油化工設(shè)備,2014,(4):18-21.

[4]梁雪松，肖勇，吳立群等.流化床反應(yīng)器分布板開孔率計算方法初探.云南化工，2006,33(4):30-32.