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    文丘里氣液旋風(fēng)除塵在冷氫化工藝中應(yīng)用

    2021-01-10 03:00:46馮曉春
    山西化工 2020年6期
    關(guān)鍵詞:喉管文丘里混合氣體

    馮曉春

    (新疆協(xié)鑫新能源材料科技有限公司,新疆 昌吉 830000)

    引 言

    在我國多晶硅生產(chǎn)工藝主要采用的是改良西門子法,該法會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物四氯化硅,為降低成本,把四氯化硅轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)多晶硅的原料三氯氫硅。各公司都加大了冷氫化工藝的研發(fā),其中冷氫化流化床反應(yīng)器(FBR)發(fā)生氣固反應(yīng)后混合氣體中固體粉塵如何有效分離一直是制約系統(tǒng)長時間平穩(wěn)運行的難題。當(dāng)流化床反應(yīng)器(FBR)出口粉塵顆粒分離效果變差時會直接使后續(xù)工序運行情況急速變差,嚴(yán)重時需要緊急停車處理。目前國內(nèi)主要采用干法除塵和濕法除塵結(jié)合技術(shù)。干法除塵主要采用旋風(fēng)分離器,高效旋風(fēng)分離器可將大粒徑顆粒進行分離,分離后的氣體顆粒粒度在5 μm以下的仍占總比例的80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)以上。為了達到更好的除塵效果,還需要采用濕法除塵即文丘里氣液旋風(fēng)除塵,文丘里除塵對顆粒粒度5 μm以下的除塵效率達95%以上,被廣泛應(yīng)用在冷氫化除塵工藝中。本文以某化工廠冷氫化裝置為例,闡述文丘里洗滌器工藝設(shè)計及相關(guān)實際應(yīng)用操作。

    1 冷氫化生產(chǎn)工藝

    冷氫化以SiCl4、H2、硅粉為原料,以氯化亞銅、銅合金等為催化劑,在一定的溫度、壓力、物料配比條件下,在流化床反應(yīng)器(FBR)中發(fā)生氣-固相反應(yīng)生成SiHCl3。從流化床反應(yīng)器(FBR)出口出來的混合氣體,經(jīng)除塵、洗滌、冷凝等相關(guān)操作后,冷凝物料送往提純工序,同時氫氣經(jīng)壓縮機升壓后,返回系統(tǒng)繼續(xù)反應(yīng)。因此,該工藝顯著的特點是流程簡單、連續(xù)生產(chǎn)、物料閉路循環(huán)、對環(huán)境無污染。

    主要發(fā)生如式(1)~式(3)反應(yīng)[1]。

    主反應(yīng):

    3SiCl4+H2+Si=4SiHCl3

    (1)

    副反應(yīng):

    SiCl4+2H2+Si=2SiH2Cl2

    (2)

    2SiHCl3=SiCl4+SiH2Cl2

    (3)

    2 文丘里旋風(fēng)除塵工藝流程

    2.1 冷氫化工藝中文丘里系統(tǒng)相關(guān)流程

    冷氫化工藝中文丘里除塵主要包括文丘里洗滌除塵器、氣液旋風(fēng)分離器、循環(huán)泵、急冷塔等組成。流化床反應(yīng)器(FBR)發(fā)生氣固反應(yīng),反應(yīng)后混合氣體經(jīng)過旋風(fēng)分離器將大粒徑顆粒粉塵進行分離,然后再與流化床反應(yīng)器(FBR)進口氣體通過換熱器進行換熱降溫,降溫后的混合氣體經(jīng)過文丘里洗滌器進行高效除塵洗滌后,再進入氣液分離器。分離的液體通過氣液分離器底部連續(xù)排渣,確保氣液分離器內(nèi)液體的固含量在5%以下,氣液分離器中的氣體進入急冷塔再進行洗滌,凈化后的混合氣體進入后系統(tǒng)再進行深冷、分離,這樣就把流化床反應(yīng)器(FBR)反應(yīng)后生成的混合物中硅粉顆粒、氫氣和氯硅烷進行有效的分離,從而進行循環(huán)利用。

    2.2 主要參數(shù)

    文丘里操作溫度:180 ℃~250 ℃;

    文丘里操作壓力:2.2 MPa~2.5 MPa;

    混合氣循環(huán)量(標(biāo)準(zhǔn)狀況計):30 000 m3/h。

    混合氣體組成見表1,粉塵的組成和分布見表2、表3。

    表1 混合氣體組成(濕基)

    表2 粉塵的組成

    表3 粉塵粒徑分布

    3 文丘里旋風(fēng)除塵相關(guān)設(shè)計

    3.1 文丘里工作原理

    流化床反應(yīng)器(FBR)發(fā)生氣固反應(yīng)(反應(yīng)溫度為525 ℃~540 ℃),反應(yīng)后混合氣體經(jīng)過旋風(fēng)分離器將大粒徑顆粒粉塵進行分離,然后再與流化床反應(yīng)器(FBR)進口氣體通過換熱器進行換熱降溫,這時溫度控制在180 ℃~250 ℃,降溫后的混合氣體在文丘里喉管中氣速加快,液相同時霧化成更小的液滴狀態(tài),混合氣中的微小塵粒與霧化的液滴碰撞凝聚在一起成為較大顆粒,然后依靠重力含塵液滴與氣相分離。文丘里洗滌工藝流程中高溫(180 ℃~250 ℃)混合氣進入文丘里洗滌器,為保證液相霧化后不被汽化,液相分上下兩路進入文丘里,上路液相噴淋先將高溫混合氣冷凝成飽和混合氣,下部液相噴淋在喉管上部,喉管中與飽和混合氣中的微顆粒碰撞結(jié)合,然后進入氣液分離罐進行氣液分離,含塵液相由分離罐底排出系統(tǒng),進行下一個提濃處理工序,凈化后氣相進入洗滌塔進行二次除塵處理。

    3.2 文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)[2]

    該項目文丘里主要由急冷罐(即收縮段)、溢流罐(即擴散段)、氣液分離罐、噴嘴、喉管等組成。

    3.2.1 收縮段

    收縮段為變徑圓筒性結(jié)構(gòu),采用Q345R材質(zhì)內(nèi)壁燒結(jié)碳化鎢硬化處理,具有良好的耐磨損性能,其中部設(shè)有循環(huán)噴頭,直接與工藝管線相連。

    收縮段截面積計算見式(1)。

    A1=Qt1/u1

    (1)

    式中:A1為收縮段進行短截面積,m2;Qt1為在溫度t1下的進口氣體流量,m3/s;u1為收縮段進氣端氣體流速,m/s。

    收縮段長度計算見式(2)。

    L1=0.5(d1-d2)/tan(α1/2)

    (2)

    式中:L1為收縮段長度,m;d1為收縮段進氣端截面直徑,m;d2為喉管截面直徑,m;α1為收縮角,(°)。

    3.2.2 喉管

    喉管為圓筒性結(jié)構(gòu),采用Q345R材質(zhì)內(nèi)壁燒結(jié)碳化鎢硬化處理,具有良好的耐磨損性能。

    喉管截面積計算見式(3)。

    A0=Qt1/u0

    (3)

    式中:A0為喉管截面積,m2;Qt1為在溫度t1下的進口氣體流量,m3/s;u0為喉管進氣端氣體流速,m/s。

    喉管長度計算見式(4)。

    L2=(0.15~3.0)d2

    (4)

    式中:L2為喉管長度,m;d2為喉管直徑,m。

    3.2.3 擴散段

    擴散段為變徑圓筒性結(jié)構(gòu),采用Q345R材質(zhì)內(nèi)壁燒結(jié)碳化鎢硬化處理,具有良好的耐磨損性能。

    擴散段出口截面積計算見式(5)。

    A2=Qt2/u2

    (5)

    式中:A1為收縮段進行短截面積,m2;Qt2為出口溫度在t1下的氣體流量,m3/s;u2為收縮段進氣端氣體流速,m/s。

    擴散段長度計算見式(6)。

    L3=0.5(d3-d2)/tan(α2/2)

    (6)

    式中:L3為擴散段長度,m;D3為擴散段出口截面積,m2;α2為擴張角,取6°~7°。

    3.2.4 循環(huán)管噴嘴

    循環(huán)液通過噴嘴霧化然后充滿喉管,這些液滴不僅起到降溫的作用,而且有效地捕捉混合氣體中的顆粒粉塵。循環(huán)液噴管由進液管和噴嘴組成,進料管和噴嘴用螺紋連接,進料管和噴嘴表面用燒結(jié)碳化鎢硬化處理。噴嘴管用插入式,方便檢修時拆卸檢查。

    3.2.5 氣液比

    氣液比[3]對文丘里除塵有重要作用,不僅能有效提高除塵效率,還可以避免動力能耗的浪費,是影響文丘里除塵壓降的重要參數(shù)。氣液比可以根據(jù)以往經(jīng)驗值或通過計算公式得出。

    根據(jù)工程設(shè)計操作要求:

    氣液比:0.3 L/m3;壓力降:60 kPa;喉管長度:20 cm;收縮管長度:0.8 m;收縮角:25°;擴大管長度:1.2 m;擴張角:8°;循環(huán)液噴淋量:45 t/h(噴嘴形式為螺旋噴頭);除塵效率:≥95%。

    3.3 氣液旋風(fēng)分離器工作原理

    混合氣中的塵粒在喉管中與液滴碰撞凝聚在一起,在文丘里擴大段由于液滴表面張力作用小液滴繼續(xù)凝聚成較大液滴,將液體分離出來較容易實現(xiàn),但處理液體分離過程中的霧沫夾帶、液膜損失是氣液分離的重點。文丘里擴大段后與氣液旋風(fēng)分離器連接,入口管位置設(shè)置在距分離器上邊沿1/3處,液滴在離心力作用下被甩向分離器壁面,就會與壁面的液膜聚結(jié)在一起,由于液膜質(zhì)量變大,液滴不太可能離開壁面重新夾帶進入氣相中,消除霧沫夾帶;氣液旋風(fēng)分離器設(shè)置頂部撇液筒、防蠕動邊裙結(jié)構(gòu),可有效避免液膜損失;旋風(fēng)漩渦會帶動液面旋轉(zhuǎn),液體中固相顆粒因離心力作用,在液體中聚集在錐部漩渦,可根據(jù)工藝要求,將液相旋風(fēng)錐部固含量溶液通過汽液旋風(fēng)底部由壓力輸送至下一步工序。

    3.4 氣液旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

    氣液旋風(fēng)分離器為變徑圓筒結(jié)構(gòu),材質(zhì)采用Q345R材質(zhì)內(nèi)壁燒結(jié)碳化鎢硬化處理,具有良好的耐磨損性能。

    4 現(xiàn)場操作中注意事項

    4.1 文丘里入口溫度控制

    文丘里內(nèi)部噴淋過程,金屬雜質(zhì)氯化物易結(jié)晶堵塞喉管,導(dǎo)致文丘里壓降增加,從而增加系統(tǒng)循環(huán)能耗。冷氫化流化床反應(yīng)器(FBR)工藝中氫氣和氯硅烷比值為2∶1,文丘里混合氣中金屬鋁雜質(zhì)氯化物在低于155 ℃時容易結(jié)晶,堵塞文丘里喉管,所以在實際操作中要嚴(yán)格控制文丘里入口溫度。

    4.2 文丘里喉管氣速控制

    在冷氫化系統(tǒng)中循環(huán)量和循環(huán)泵噴淋量的波動將影響文丘里喉管氣速,氣速過低時霧化不完全,氣速高時顆粒粉塵捕集難度增加,除塵效果變差,因此喉管的氣速控制在30 m/s~60 m/s比較合適。

    4.3 排渣控制

    文丘里旋風(fēng)洗滌器液位由循環(huán)噴淋量和排渣量來控制,當(dāng)排渣量過大時造成后續(xù)負(fù)荷增大,排渣量過小時除塵消耗變差,現(xiàn)場操作時要嚴(yán)格控制排渣量保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行,因排渣溶液中存在固體顆粒容易造成管線、閥門磨損,所以閥門和管線要考慮采用耐磨損材質(zhì)。

    5 結(jié)語

    文丘里旋風(fēng)洗滌器具有高效的除塵效果,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,技術(shù)成熟可靠,可以大幅度降低后續(xù)工序中粉塵含量,除塵效率在95%以上,阻力壓低壓為60 kPa。文丘里和氣液旋風(fēng)分離器結(jié)合設(shè)計,有效避免高氣速和液氣比下出現(xiàn)的霧沫夾帶和液膜損失,可將已分離出的液相中的固體進一步凝聚,降低系統(tǒng)運行成本。

    冷氫化系統(tǒng)循環(huán)量在正常操作的10%上下波動時除塵效率在95%以上,當(dāng)循環(huán)量超出范圍時工作效率會明顯下降。

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