多晶硅活性炭吸附器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與前景展望

石 濤 汪紹芬 徐雪倩 司文學(xué) 楊永亮

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅干法回收工藝過程中，采用活性炭吸附器對還原尾氣中的氫氣進(jìn)行提純和凈化是目前“改良西門子法”中氫氣回收利用的主流處理方法，活性炭吸附器是該工藝方法的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)備性能和處理能力決定了氫氣回收利用的成本[1-3]。從設(shè)備性能考慮，傳統(tǒng)的活性炭吸附器結(jié)構(gòu)簡單，無法滿足吸附過程中變溫變壓的條件要求，而且吸附塔是疲勞設(shè)備，不能按照常規(guī)壓力容器設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須按照壓力容器分析設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從處理能力角度考慮，在變溫變壓條件下，吸附劑性能、吸附劑用量、吸附脫吸再生周期是影響吸附效率的關(guān)鍵因素。

本文從活性炭吸附器的設(shè)備性能和處理能力兩方面出發(fā)，概述了多晶硅活性炭吸附器的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀，然后介紹了一種新型活性炭吸附器，并對活性炭吸附器的開發(fā)應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

1 吸附器的應(yīng)用現(xiàn)狀

多晶硅還原尾氣干法回收工藝過程中，活性炭的吸附、脫吸和再生是在變溫變壓的條件下實(shí)現(xiàn)的，通過壓力和溫度的控制與調(diào)節(jié)，提高吸附效率，縮短吸附劑再生周期。但相對于壓力控制，吸附劑傳熱的特殊性和設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致對吸附劑溫度的調(diào)節(jié)和控制較難實(shí)現(xiàn)。

1.1 吸附器的應(yīng)用結(jié)構(gòu)

為了解決以上溫度控制的問題，設(shè)計(jì)者們嘗試在活性炭吸附器的內(nèi)部和外部設(shè)置控溫組件。內(nèi)部設(shè)置的換熱組件主要包括換熱管組和各種內(nèi)盤管，外部設(shè)置的控溫組件主要包括夾套和外環(huán)管。各式吸附器簡圖如圖1所示。

1)楊德芝、孫源[4]公開了一種內(nèi)置換熱器的新型吸附塔，吸附床層至少兩層，換熱器設(shè)置在床層的夾層之間，如圖1-a所示。

2)趙振元、姚偉等[5]公開了一種內(nèi)置列管換熱器外部設(shè)置夾套的活性炭吸附器，如圖1-b所示。

3)孫復(fù)斌，曾福英等[6]介紹了一種外部設(shè)置夾套內(nèi)部設(shè)置換熱管組的吸附塔，其換熱管組呈階梯狀、串聯(lián)連接，如圖1-c所示。

4)劉慧穎、李子林等[7]提供了一種可拆式套管結(jié)構(gòu)吸附柱，吸附柱外壁設(shè)置外半管環(huán)管，內(nèi)部采用套管結(jié)構(gòu)的直列管，內(nèi)套管與內(nèi)套管環(huán)管采用法蘭連接，如圖1-d所示。

5)吳鋒、徐玲鋒等[8]提供了一種設(shè)置中空內(nèi)筒、內(nèi)盤管和外盤管加熱的多層吸附塔，如圖1-e所示。

圖1 各式吸附器簡圖

1.2 吸附器存在的問題

以上吸附器設(shè)備中的換熱組件雖然在一定程度上對吸附劑的溫度控制和換熱效率的提高起到了積極作用，但還是有一些問題值得商榷：階梯狀換熱管組串聯(lián)時換熱效率有待于進(jìn)一步提高；盤管制造時減薄及焊接問題，容易在運(yùn)行時泄漏，導(dǎo)致吸附劑失效，甚至吸附塔報廢；內(nèi)套管與內(nèi)套管環(huán)管法蘭連接的缺點(diǎn)是法蘭緊固困難且法蘭密封處泄漏時不易察覺、維修困難，而且內(nèi)套管環(huán)管的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求裙座下部有足夠大的安裝空間。綜上分析，對于活性炭吸附器，從換熱效率和設(shè)備安全穩(wěn)定長期運(yùn)行兩個方面綜合考慮，其換熱組件的設(shè)計(jì)還有待于進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。

2 吸附器的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

活性炭吸附器的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括工藝性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個方面。

2.1 工藝性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

工藝性能方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是通過流體仿真軟件建立活性炭吸附器內(nèi)流動和傳熱兩方面相耦合的非穩(wěn)態(tài)流體仿真模型。根據(jù)吸附脫吸再生周期中吸附器內(nèi)對應(yīng)溫度和壓力等參數(shù)的變化，對活性炭吸附器內(nèi)的流場和溫度場分布情況進(jìn)行仿真計(jì)算；然后再通過仿真結(jié)果的分析和對比，對以下幾個目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化：

1)混合氣進(jìn)氣分布均勻。

2)溫度控制易實(shí)現(xiàn)，吸附劑溫度分布均勻且吸附效率較高。

3)吸附、脫吸和再生周期短。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，活性炭吸附器需要按疲勞設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。活性炭吸附器的工作過程牽涉到溫度和壓力兩個載荷的交替變化，壓力波動幅度和載荷的交變循環(huán)次數(shù)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)[9]疲勞分析免除的條件，因此要對活性炭吸附器進(jìn)行應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核以及疲勞計(jì)算。

1)孟德文、李志軍[10]利用Ansys5.7軟件建立了吸附塔整體結(jié)構(gòu)模型并對不同載荷工況下的應(yīng)力進(jìn)行了模擬計(jì)算和強(qiáng)度校核。

2)吳祥、程四祥[11]利用有限元軟件建立了變壓吸附塔的應(yīng)力分析模型并對吸附塔進(jìn)行疲勞核算和風(fēng)險分析，給出控制建議。

3)錢佳寧[12]采用Ansys14.5程序分別對某裝置中的變壓吸附塔分成子模型Ⅰ、子模型Ⅱ、子模型Ⅲ進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，并選擇結(jié)構(gòu)中操作狀態(tài)相同時應(yīng)力強(qiáng)度最大的子模型Ⅲ進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的評定，最后提出吸附塔從設(shè)計(jì)階段、選材制造、焊接和檢驗(yàn)四個方面的風(fēng)險控制建議。

4)陳紹慶[13]應(yīng)用Ansys軟件對某公司制氫裝置變壓吸附塔分兩個模型分別在兩種工況下對活性炭吸附器進(jìn)行應(yīng)力分析和評定，并對其疲勞造成的累計(jì)損傷系數(shù)進(jìn)行校核。

在滿足工藝性能要求的前提下，制造運(yùn)行成本低、吸附再生周期短、自動化程度高、安裝維修方便且可長期安全穩(wěn)定可靠工作是活性炭吸附器設(shè)計(jì)需要遵循的基本原則。

3 新型活性炭吸附器

本文考慮工藝性能和設(shè)備結(jié)構(gòu)兩方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，結(jié)合非穩(wěn)態(tài)流體仿真模型和應(yīng)力及疲勞計(jì)算結(jié)果，介紹了一種新型內(nèi)置承插式換熱組件的活性炭吸附器。

3.1 新型活性炭吸附器的結(jié)構(gòu)

活性炭吸附器內(nèi)置承插式換熱組件總體采用套管形式，沿筒體軸向布置，呈正方形方式分布。當(dāng)然，具體的換熱管組件分布情況可根據(jù)非穩(wěn)態(tài)流體仿真模型優(yōu)化對比分析的結(jié)果，在滿足溫度控制及相關(guān)工藝性能要求的前提下，采用其他比較理想的分布形式。該活性炭吸附器主體材質(zhì)為16MnDR，殼體介質(zhì)為氯硅烷、氯化氫、氫氣和活性炭，殼體工作壓力范圍在4 MPa以下，工作溫度范圍在150 ℃以內(nèi)。根據(jù)活性炭吸附器的實(shí)際運(yùn)行條件(主要是工作壓力和工作溫度)，選取適宜的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度，并按照主體材質(zhì)材料的情況取腐蝕余量為2～6 mm、取焊接接頭系數(shù)為1.0。承插式換熱管組件中的熱源介質(zhì)進(jìn)口及出口的中間過渡處采用外主管和內(nèi)主管相套合的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)的存在，可以有效降低裙座高度，并且安裝維修方便。內(nèi)置承插式換熱組件的新型活性炭吸附器設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型活性炭吸附器的結(jié)構(gòu)

3.2 新型活性炭吸附器的工藝循環(huán)過程

新型活性炭吸附器筒體外壁設(shè)置螺旋盤管，通過對流方式強(qiáng)化近筒體壁面部分熱源介質(zhì)與吸附劑之間的傳熱；套管、半管內(nèi)按照工藝專業(yè)的要求選取合適的加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)，并在適宜的工況條件下通入承插式換熱管組件內(nèi)配合吸附、脫吸和再生三個工藝過程的進(jìn)行，對活性炭吸附器內(nèi)的吸附劑進(jìn)行加熱或冷卻；工作循環(huán)次數(shù)按365次/年選取，設(shè)備設(shè)計(jì)壽命為10年?；钚蕴课狡鲀?nèi)各工藝循環(huán)過程及冷熱介質(zhì)的通入情況如圖3所示。

圖3 工藝循環(huán)過程(包含兩個完整循環(huán)工藝過程)

3.3 新型活性炭吸附器的優(yōu)勢

與其他連接方式相比，換熱組件內(nèi)套管采用承插方式連接不僅拆裝方便，可有效減少換熱組件內(nèi)套管與外部管道連接的焊縫；與換熱管內(nèi)套管的法蘭連接相比，可以有效地減少換熱管的泄漏；同時，這種連接方式可以有效地吸收換熱管內(nèi)套管受熱膨脹引起的變形，同時減小由于不均勻熱變形所致結(jié)構(gòu)互相限制而引起的內(nèi)應(yīng)力。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)以后的活性炭吸附器，具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

1)傳熱效率較高，吸附劑溫度分布均勻。

2)換熱管不易泄漏。

3)承插結(jié)構(gòu)能吸收熱變形，減小換熱管熱應(yīng)力。

4)結(jié)構(gòu)緊湊，外主管和內(nèi)主管的設(shè)計(jì)可以節(jié)約空間，有效降低裙座的安裝高度。

5)采用應(yīng)力和疲勞分析的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能保證活性炭吸附器長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低設(shè)備一次投資成本。

4 活性炭吸附器的前景展望

變溫變壓吸附理論的日臻完善和計(jì)算機(jī)性能的提高，促使建立變溫變壓吸附模型成為可能，然后再以模型為基礎(chǔ)可以方便地進(jìn)行各種平行或者交叉條件下活性炭吸附性能的仿真計(jì)算，最后把模擬仿真的計(jì)算結(jié)果作為理論依據(jù)，通過對比分析和研究，實(shí)現(xiàn)對活性炭吸附器的最優(yōu)設(shè)計(jì)。未來，新型高性能的活性炭吸附器還將具有以下幾個突出特點(diǎn)：

1)吸附劑性能不斷提升。吸附劑是活性炭吸附器工藝處理的載體，吸附性能好、選擇性強(qiáng)、耐用易再生是開發(fā)新型吸附劑及改良傳統(tǒng)吸附劑的方向，現(xiàn)有的軟件水平及表征手段為研究和開發(fā)這些高性能吸附劑提供了可靠保障[14]。

2)溫度控制方式多樣化。以往的活性炭吸附器中，對吸附劑溫度的控制大多是通過套管式結(jié)構(gòu)，在熱源介質(zhì)與吸附劑非接觸的情況下來實(shí)現(xiàn)。這種傳熱方式除了比較難控制、易泄漏外，吸附器內(nèi)換熱組件的存在也大大降低了有限體積空間內(nèi)吸附劑的容量，限制了吸附效率。未來可考慮移植空調(diào)系統(tǒng)溫度控制的原理，在吸附器內(nèi)部或者外部合適位置加裝高效溫度控制的“空調(diào)系統(tǒng)”，然后在進(jìn)氣混合氣吹掃的情況下，實(shí)現(xiàn)對吸附劑的溫度控制；也可以考慮電磁加熱等其他單一或者組合的溫度控制技術(shù)在活性炭吸附器內(nèi)實(shí)現(xiàn)對吸附劑溫度控制的可行性。當(dāng)然，在考慮加入這些新型且有效可行的溫度控制方法的前提下，還要充分考慮“節(jié)能降耗減排”的要求。

3)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念進(jìn)一步深入。與精餾吸附等傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分離方法不同，變溫變壓條件下的吸附、脫吸及再生過程具有周期性，各種工藝參數(shù)耦合交叉，很難僅憑經(jīng)驗(yàn)或者建立多種實(shí)驗(yàn)裝置來實(shí)現(xiàn)所有參數(shù)的綜合最優(yōu)化。計(jì)算機(jī)技術(shù)及商業(yè)化大型仿真軟件的開發(fā)，允許設(shè)計(jì)者很方便地建立活性炭吸附器工藝過程的各種模型；然后通過仿真模型對活性炭吸附器的工藝性能和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，這樣不僅節(jié)約資源而且可以往縱深方向拓展變溫變壓吸附理論；最后通過具體的、有針對性的實(shí)驗(yàn)對優(yōu)化后的參數(shù)或理論進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而開發(fā)出更高性能更高水平的活性炭吸附器。

4)過程控制自動化和智能化水平提高。過程控制是保證吸附器各工藝過程穩(wěn)定進(jìn)行的必需條件，通過PLC技術(shù)[15]或者引入其他智能控制元件，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行或工藝輸入變更時出現(xiàn)的擾動，實(shí)時并及時自動地調(diào)整和優(yōu)化吸附器關(guān)鍵參數(shù)，保證活性炭吸附器一直在最優(yōu)性能條件下長期高效穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

總之，以仿真模型為載體，大型化和更加智能化的活性炭吸附器將不斷出現(xiàn)，對吸附機(jī)理的相關(guān)研究和理論探索也將越來越深入和寬泛。在不同工業(yè)領(lǐng)域吸附器所具有的優(yōu)點(diǎn)相互吸收、借鑒并應(yīng)用的大背景下，隨著設(shè)計(jì)水平的提高和新設(shè)計(jì)方法的不斷出現(xiàn)，多晶硅活性炭吸附器的制造、維修和運(yùn)行成本將越來越低，性能卻越來越強(qiáng)大、完善和穩(wěn)定。