CN115007066A - 一种冷氢化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷氢化反应器，属于多晶硅生产设备领域，包括进行冷氢化反应的内筒，还包括罩设于所述内筒之外的承压外壳，在所述承压外壳与所述内筒之间为充入平衡气以平衡所述内筒的内外承压的环腔；还包括贯穿所述承压外壳的底部并插设进所述内筒的底部的气体物料入口，以及贯穿所述承压外壳的顶部并插设进所述内筒的顶部的物料出口，所述物料出口位于所述内筒内的端部连通设置旋风分离器；还包括用于向所述内筒补充硅粉的硅粉入口，所述硅粉入口贯穿所述承压外壳的下部并插设进所述内筒的下部。本发明降低了对冷氢化反应器材质的要求，使冷氢化反应器的材质采用普通合金钢即可满足要求，且厚度也有所降低，大大降低设备的成本和加工难度。

Description

一种冷氢化反应器
技术领域
本发明涉及一种多晶硅生产设备，尤其涉及一种冷氢化反应器。
背景技术
随着全球变暖问题的日益突出，环境保护已经成为世界各国必须面对和解决的问题，我国也提出碳中和、碳达峰政策等国策。
太阳能发电凭借其环保特性，将成为未来世界各国电力供应的主要支柱。多晶硅作为太阳能发电的核心材料，未来的需求会越来越大。
目前，国内的多晶硅工艺多数采用冷氢化技术。冷氢化技术的原理是：氢气、硅粉、四氯化硅（STC）等原料在催化剂及高温高压条件下生产三氯氢硅（TCS）。
冷氢化反应器是冷氢化技术的核心设备，由于高温高压临氢的原因，冷氢化反应器外壳采用耐高温和抗氢蚀的镍基合金。随着装置的大型化，冷氢化反应器的直径和厚度也越来越大，成本和加工难度也越来越高。
现有技术中使用的冷氢化反应器为单层容器，容器壳体同时承受高温、高压和临氢环境的作用，致使容器外壳必须采用厚壁的耐高温镍基合金钢板，设备的直径越大，板材的厚度就越厚，这样的板材不仅成本高、制造加工难度较大，而且采购周期长，严重影响氢化反应器的大型化。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种冷氢化反应器。
本发明所述的冷氢化反应器，包括进行冷氢化反应的内筒，还包括罩设于所述内筒之外的承压外壳，在所述承压外壳与所述内筒之间为充入平衡气以平衡所述内筒的内外承压的环腔。
还包括贯穿所述承压外壳的底部并插设进所述内筒的底部的气体物料入口，以及贯穿所述承压外壳的顶部并插设进所述内筒的顶部的物料出口，所述物料出口位于所述内筒内的端部连通设置旋风分离器。
还包括用于向所述内筒补充硅粉的硅粉入口，所述硅粉入口贯穿所述承压外壳的下部并插设进所述内筒的下部。
本发明所述的冷氢化反应器中，所述承压外壳的一端连通设置用于向所述环腔充入平衡气的平衡气入口。
所述承压外壳的另一端连通设置用于排出所述环腔内的平衡气的平衡气出口。
本发明所述的冷氢化反应器中，所述承压外壳内的底部设置有用于支撑住所述内筒的支撑件。
本发明所述的冷氢化反应器中，所述内筒在气体物料行进方向上依次设置有气体分布器和分布板组。
本发明所述的冷氢化反应器中，所述内筒由金属内壳复合隔热层制成。
本发明所述的冷氢化反应器中，所述隔热层内附于所述金属内壳之内或者外覆于所述金属内壳之外。
本发明所述的冷氢化反应器中，所述硅粉入口包括硅粉入口外筒补强管、硅粉通道管、和硅粉入口柔性连接件。
其中，所述硅粉入口外筒补强管的端部焊接于所述承压外壳上开设的硅粉入口孔处。
所述硅粉通道管的端部自所述硅粉入口外筒补强管的中心穿设而过，并焊接于所述内筒的筒壁开设的硅粉入口通孔处。
所述硅粉通道管的另一端与所述硅粉入口外筒补强管的另一端通过所述硅粉入口柔性连接件进行连接。
本发明所述的冷氢化反应器中，所述物料出口包括物料出口补强管、物料出口通道管、柔性连接件、和物料出口外管。
其中，所述物料出口补强管的前端穿设过所述承压外壳上开设的物料出口孔，且该物料出口补强管的管外壁焊接于所述物料出口孔处。
所述物料出口外管的前端焊接于所述内筒开设的物料出口外管孔，该物料出口外管的后端通过所述柔性连接件连接于所述物料出口补强管的所述前端。
所述物料出口通道管外覆隔热层，且其前端依次贯穿经过所述物料出口补强管、所述柔性连接件、以及所述物料出口外管后，再与所述旋风分离器连接。
本发明所述的冷氢化反应器中，所述平衡气为***内加热前的冷氢气。
本发明所述的冷氢化反应器中，采用了双层夹套式结构，将冷氢化反应器的高温高压工况进行分离，令发生氢化反应的内筒承受高温工况，承压外壳仅承受压力，这样就降低了对冷氢化反应器材质的要求，使冷氢化反应器的材质采用普通合金钢即可满足要求，且厚度也有所降低，大大降低设备的成本和加工难度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，将根据以下附图进一步说明和描述本申请的实施方式，这些附图仅用于更方便和具体地描述本申请的实施方式而不是对本申请的限制。
图1为本发明所述冷氢化反应器的结构示意图。
图2为本发明所述冷氢化反应器中A处结构的放大示意图。
图3为本发明所述冷氢化反应器中B处结构的放大示意图。
图4为本发明所述冷氢化反应器中C处结构的放大示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4所示，本发明所述的冷氢化反应器，包括进行冷氢化反应的内筒4，还包括罩设于所述内筒4之外的承压外壳2。
所述内筒4为反应器的高温反应区，承受高温和氢气腐蚀，是由不锈钢或其它耐高温的合金材质卷焊而成的金属内壳，该金属内壳上还复合有隔热层19。所述隔热层19既可内附于所述金属内壳之内，也可外覆于所述金属内壳之外。所述隔热层19可采用气凝胶或是其它隔热材料。所述隔热层19可确保进入到所述金属内壳中的高温气体携带的热量不外泄。
为了稳定设置所述内筒4，还可在所述承压外壳2内部的底部设置用于支撑住所述内筒4的支撑件12，如耳座、支腿等。这样可保证内筒4的热膨胀方向是由下而上的，对于冷氢化反应器下部的硅粉进料也有益处。
所述内筒4还在气体物料的行进方向上依次设置气体分布器3和分布板组5。即进入内筒4的气体物料先通过气体分布器3混合均匀，而后再与硅粉一起流经分布板组5而进行反应，待反应后再排出。所述分布板组5可由多片按预定间隔平行设置的分布板构成，本实施例中，采用了三片分布板构成分布板组5。
在所述承压外壳2与所述内筒4之间为充入平衡气以平衡所述内筒4的内外承压的环腔6。所述承压外壳2是冷氢化反应器的承压部件，其仅承受高压，是由普通碳素钢或低合金钢之类的金属材质卷焊成的一个密闭的容器。在所述承压外壳2的一端连通设置用于向所述环腔6充入平衡气的平衡气入口11，在所述承压外壳2的另一端连通设置用于排出所述环腔6内的平衡气的平衡气出口9，所述平衡气可采用***内加热前的冷氢气或者其他气体。
也就是说，对于内筒4而言，其仅需承受高温工作环境而无需承受高压。于是，在环腔6中通入平衡气，该平衡气对内筒4的外壁的压力与内筒4的内壁承受的压力相抵消，从而达到内筒4内部与外部的压力平衡，实现内筒4不必承受高压工作环境的效果。对于承压外壳2而言，环腔6中平衡气对承压外壳2的内壁的压力远大于外部环境对承压外壳2的外壁的压力，同时，因内筒4的隔热作用使得承压外壳2不必承受高温的工作环境，故承压外壳2仅需承受高压即可。
本发明所述的冷氢化反应器采用双层夹套式结构，将冷氢化反应器的高温高压工况进行分离，令发生氢化反应的内筒4承受高温工况，承压外壳2仅承受压力，这样就降低了对冷氢化反应器材质的要求，使冷氢化反应器的材质由普通合金钢即可满足要求，且厚度也有所降低，大大降低设备的成本和加工难度。
本发明所述的冷氢化反应器中，还包括贯穿所述承压外壳2的底部并插设进所述内筒4的底部的气体物料入口1，以及贯穿所述承压外壳2的顶部并插设进所述内筒4的顶部的物料出口8，所述物料出口8位于所述内筒4内的端部连通设置旋风分离器7，内筒4内反应后的气体物料经过所述旋风分离器7而分离出大部分固体硅粉和催化剂后，再排出冷氢化反应器。在具体制造中，所述物料出口8可对称设置多个。如图3、图4所示，所述物料出口8包括物料出口补强管801、物料出口通道管804、柔性连接件802、和物料出口外管803。其中，所述物料出口补强管801的前端穿设过所述承压外壳2上开设的物料出口孔202，且该物料出口补强管801的管外壁焊接于所述物料出口孔202处。所述物料出口外管803的前端焊接于所述内筒4开设的物料出口外管孔412，该物料出口外管803的后端通过所述柔性连接件802连接于所述物料出口补强管801的所述前端。所述物料出口通道管804外覆隔热层805，以防止外部结构件超温，且其前端依次贯穿经过所述物料出口补强管801、所述柔性连接件802、以及所述物料出口外管803后，再与所述旋风分离器7连接。
这里设置的柔性连接件802可吸收内筒4与承压外壳2之间的热膨胀差，并且，由于所述物料出口通道管804仅通过后端与所述物料出口补强管801固定，其前端并不与所述内筒4焊接固定，因此，所述柔性连接件802可自由膨胀。
本发明所述的冷氢化反应器中，还包括用于向所述内筒4补充硅粉的硅粉入口10。如图2所示，所述硅粉入口10贯穿所述承压外壳2的下部并插设进所述内筒4的下部。具体而言，所述硅粉入口10包括硅粉入口外筒补强管113、硅粉通道管112、和硅粉入口柔性连接件111。其中，所述硅粉入口外筒补强管113的端部焊接于所述承压外壳2上开设的硅粉入口孔201处。所述硅粉通道管112的端部自所述硅粉入口外筒补强管113的中心穿设而过，并焊接于所述内筒4的筒壁开设的硅粉入口通孔411处。所述硅粉通道管112的另一端与所述硅粉入口外筒补强管113的另一端通过所述硅粉入口柔性连接件111进行连接。考虑到硅粉的磨损，实际应用中，所述硅粉通道管112一般采用光滑耐磨的光管形式，这里的硅粉入口柔性连接件111主要解决所述硅粉入口外筒补强管113与所述硅粉通道管112之间的热应力问题。
应当注意的是，在本申请的上下文中，各连接杆的“左端”和“右端”指的是相对位置，仅为便于描述本申请而定义，而不应认为是对本申请的限制。当相对位置改变时，可以将原来的“左端”认为是“右端”，同时将原来的“右端”认为是“左端”。
在本文所提供的实施方式中提供了大量具体示例，应当理解这些示例仅是为了对本申请的实施方式进行详细的阐述而并非对本申请的限制。本申请中的实施方式可以在没有这些具体示例的情况下实践。在一些实施方式中并未详细示出本领域技术人员所公知的结构和/或技术，以便不模糊对本申请的理解。
尽管本文中已经示出并描述了本申请的优选实施方式，但对于本领域技术人员容易理解的是，这些实施方式仅以示例的方式提供。本领域技术人员在不脱离本申请的情况下现将会想到多种变化、改变和替代。应当理解，本文中描述的本申请实施方式的各种替代方式任选地用于实施本申请。旨在通过权利要求限定本申请的范围，并由此涵盖这些权利要求范围内的结构及其等同物。

Claims (9)

1.一种冷氢化反应器，包括进行冷氢化反应的内筒，其特征在于，还包括罩设于所述内筒之外的承压外壳，在所述承压外壳与所述内筒之间为充入平衡气以平衡所述内筒的内外承压的环腔；
还包括贯穿所述承压外壳的底部并插设进所述内筒的底部的气体物料入口，以及贯穿所述承压外壳的顶部并插设进所述内筒的顶部的物料出口，所述物料出口位于所述内筒内的端部连通设置旋风分离器；
还包括用于向所述内筒补充硅粉的硅粉入口，所述硅粉入口贯穿所述承压外壳的下部并插设进所述内筒的下部。
2.如权利要求1所述的冷氢化反应器，其特征在于，所述承压外壳的一端连通设置用于向所述环腔充入平衡气的平衡气入口；
所述承压外壳的另一端连通设置用于排出所述环腔内的平衡气的平衡气出口。
3.如权利要求1所述的冷氢化反应器，其特征在于，所述承压外壳内的底部设置有用于支撑住所述内筒的支撑件。
4.如权利要求1所述的冷氢化反应器，其特征在于，所述内筒在气体物料行进方向上依次设置有气体分布器和分布板组。
5.如权利要求1所述的冷氢化反应器，其特征在于，所述内筒由金属内壳复合隔热层制成。
6.如权利要求5所述的冷氢化反应器，其特征在于，所述隔热层内附于所述金属内壳之内或者外覆于所述金属内壳之外。
7.如权利要求1所述的冷氢化反应器，其特征在于，所述硅粉入口包括硅粉入口外筒补强管、硅粉通道管、和硅粉入口柔性连接件；
其中，所述硅粉入口外筒补强管的端部焊接于所述承压外壳上开设的硅粉入口孔处；
所述硅粉通道管的端部自所述硅粉入口外筒补强管的中心穿设而过，并焊接于所述内筒的筒壁开设的硅粉入口通孔处；
所述硅粉通道管的另一端与所述硅粉入口外筒补强管的另一端通过所述硅粉入口柔性连接件进行连接。
8.如权利要求1所述的冷氢化反应器，其特征在于，所述物料出口包括物料出口补强管、物料出口通道管、柔性连接件、和物料出口外管；
其中，所述物料出口补强管的前端穿设过所述承压外壳上开设的物料出口孔，且该物料出口补强管的管外壁焊接于所述物料出口孔处；
所述物料出口外管的前端焊接于所述内筒开设的物料出口外管孔，该物料出口外管的后端通过所述柔性连接件连接于所述物料出口补强管的所述前端；
所述物料出口通道管外覆隔热层，且其前端依次贯穿经过所述物料出口补强管、所述柔性连接件、以及所述物料出口外管后，再与所述旋风分离器连接。
9.如权利要求1所述的冷氢化反应器，其特征在于，所述平衡气为***内加热前的冷氢气。
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