一种颗粒硅流化床的制作方法

本发明涉及颗粒硅生产，具体涉及一种颗粒硅流化床。

背景技术：

1、颗粒硅的生产原理是利用硅烷气分解温度低的特点，将“加热后的氢气”和“加热后的氢气、硅烷气混合气”通入反应器，同时从反应器上部送入微米级籽晶，硅烷气热分解在籽晶表面，在流化状态中逐步长大为毫米级颗粒的过程。因热分解温度低、氢气和硅烷气分子量及比热低、籽晶比表面积大等特点，颗粒硅生产具备电耗低的优势，而颗粒硅生产的关键在于其核心设备流化床反应器。

2、现有技术中常用的流化床反应器的结构包括底部的冷却出料段和顶部的加热反应段，而加热反应段的结构往往决定出料产品的品质和产能，通常以rec silicon inc公司为代表的三层式反应段结构和以memc电子材料有限公司为代表的两层式结构，其中recsilicon inc公司的公开号为cn102713001b，名称为流化床反应器的中国专利公开了加热段分为三层结构，最内部的为内衬层，中部的为金属炉壁，最外部的为反应器壳体层，在金属炉壁与反应器壳体层之间设置插入式加热棒用于给金属炉壁加热，氢气通过从反应器底部伸上去的多根直管喷嘴吹入反应器，硅烷气和氢气以夹套管形式自反应器中心内插管形式吹入反应器，最终在内衬层中进行流态化反应生成颗粒硅产品。颗粒硅产品落入反应器底部后，将受到反应器底部鼓入的气体的冷却，随后冷却后的产品从反应器底部排出，该种结构虽然稳定可靠，但缺点在于：1、多层结构过于复杂，热量通过两次辐射才传导入内衬内部的反应物料上，热传导效率低，对加热器件的要求过高，易损坏，且因为热传导效率低，一定程度上限值了其设备产量；2、复杂的结构导致了安装和检修更加复杂，不利于快速工业化生产和检维修；3、产品在反应器内部冷却，容易导致籽晶和细颗粒进入底部而未能在上部的加热段进行充分的流化反应，影响产品质量；4、该设计方案因内部较多的喷嘴构件，即使做涂层处理，也易磨损后使得产品接触金属，进而不利于产品质量。memc公司在公开号为cn103842070b，名称为通过使硅烷在流化床反应器中热分解而制备多晶硅的中国专利中公开了加热段分为最内部的衬里层和最外部的外壳层以及位于两层之间的加热器；该两层结构简化了设备，提升了传热效率，具备更大的产量，但缺点是衬里层容易在长期使用时发生泄漏，泄漏的物料接触加热器，影响使用周期。

3、因此，如何在简化结构的同时生产高纯度、大产量且保证设备能长周期稳定运行的颗粒硅流化床是目前急需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种颗粒硅流化床，以解决现有设备结构复杂，产品纯度低、设备无法长周期稳定运行的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种颗粒硅流化床，包括反应段、位于所述反应段上方的上段、和位于所述反应段下方的下段；

4、所述反应段为筒体，包括筒壁、位于所述筒壁内侧的内衬和位于所述筒壁外侧的加热装置；

5、所述上段设置有籽晶进料口和废气出口，所述下段设置有进气口和出料口，所述进气口和所述出料口通过管路与所述反应段连通。

6、作为优选的技术方案：

7、可选地，所述加热装置包括加热器和保温层，固定安装在所述筒体外侧，所述筒壁为金属筒壁，金属筒壁有利于热量的传导。

8、可选地，所述加热器为电加热器，包括若干电加热棒，与所述筒壁贴合且固定安装，所述保温层包裹于所述电加热器外。本发明将电加热棒与筒壁表面直接接触，相比于现有技术两者间隔设置的方式，大大提升了传热效率。

9、可选地，所述加热器为感应加热器，设置在所述保温层的外部，所述保温层包裹于所述筒壁外。保温层设置在靠近筒壁的位置处，其外再设置感应加热器，感应加热器设置在设备外侧，目的是将热量限制在保温层内侧，防止热量将加热器损坏，快速加热金属筒壁而自身不受影响。感应加热器外部是否设置保护层则视实际使用需求调整，不在本发明的描述中。

10、可选地，在所述上段的内部和/或外部还设置有冷却装置，所述冷却装置的冷却方式为气体冷却、夹套冷却或伴管冷却。

11、可选地，所述下段为扩大段，所述扩大段的内径大于所述反应段的内径。扩大段的内径大于反应段的内径的目的是实现进料的气体通过接管与分布器连接，尽可能少的与金属器壁接触，进而提升产品质量；同时有助于分布器的整体安装、吊装检修，更有利于分布器本身的洁净化，进而提升产品质量。

12、可选地，所述上段为内部中空的腔体，其内径大于所述反应段的内径且小于所述扩大段的内径。反应段为直筒状，上段和下段任意位置处的内径均比反应段的大。

13、可选地，所述扩大段为内部中空的腔体，其内设置有分布器，所述分布器与所述反应段的底端连接，所述进气口和所述出料口与所述反应段连通的管路连接在所述分布器上。

14、可选地，所述进气口的管路和所述出料口的管路与所述分布器的连接方式为软管连接或膨胀节连接。本发明连接方式不限于此，其他能够实现相同目的的方式均在本发明保护范围内。

15、可选地，所述筒壁的内壁面与所述内衬的外表面之间留有间隙且在其内设置凸起，所述凸起与所述筒壁的内壁面或所述内衬的外表面固定连接或一体成型。凸起设置一方面，有助于增大传导至金属筒壁上的热量的面积，传热效率液越高。

16、可选地，所述凸起有若干条，沿所述筒壁的内壁面轴向分布并焊接连接或一体成型，所述凸起与所述内衬接触，相邻所述凸起之间的部分与所述内衬不接触；凸起的材质为金属，可以为若个干间隔设置的与内壁面焊接的滑槽，也可以是筒壁的内壁面为凹凸面即与筒壁一体成型，凸起与内衬形成半接触式，也即形成局部接触传热，进一步提高了传热效率。凸起截面呈直角状还是圆角状还是锥状，只要起到突出于筒壁内壁面的形式，均在本发明的保护范围内。凸起与内衬也可以不接触，只是传热相比接触时效率低，但不影响整体传热效率值。

17、或者，所述凸起沿所述筒壁的内壁面周向分布并焊接连接或一体成型，所述凸起与所述内衬接触，相邻所述凸起之间的部分与所述内衬不接触；凸起沿内壁面周向分布时，可以为螺旋状，也可以为若干间隔分布的方式，只要起到突出于筒壁内壁面的形式，均在本发明的保护范围内。

18、或者，所述凸起有若干条，沿所述内衬的外表面轴向或周向分布并一体成型，所述凸起与所述筒壁的内壁面接触，相邻所述凸起之间的部分与所述筒体不接触。本发明内衬与金属筒壁之间设置凸起是以一体成型的方式在内衬外表面形成凹凸面，凹陷和凸起沿轴向或周向方向延伸，凸起与筒壁的内壁面也可以不接触，只是传热相比接触时效率低，但不影响整体传热效率值。

19、所述筒壁的内壁面与所述内衬的外表面之间的间隙为5~150mm，间隙的大小取决于凸起（滑槽）的厚度。本发明通过在筒体内壁面设置若干间隔的凸起，将内衬与凸起以半接触的方式进行连接，有利于保证内衬与筒壁达到最小间隙，从而有利于将加热器的加热温度更好的传递至反应段内部，以进一步提高产品的质量以及设备的产能。

20、可选地，所述筒壁的内壁面与所述内衬的外表面之间的间隙为8~20mm，间隙越小则热量传输效率越高。

21、可选地，所述上段、所述反应段和所述下段采用法兰连接或焊接连接。本发明三者之间的连接方式不限于此，其他的能够将三者连接起来且保证连接处无泄漏的连接方式均在本发明的保护范围内。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、本发明的颗粒硅流化床通过将加热段的加热装置由现有技术的安装在壳体的内部，设置为安装在壳体外侧，一方面，该种结构简单、实用且能够快速生产和检维修；另一方面，避免了原有结构将其设置在衬里层与外壳层之间所带来的非金属材料的衬里层既要承受更高的压力，又要具备较好密封能力的技术缺陷，使得物料不会泄漏至衬里层外部，大幅提高了衬里层的使用可靠性。

24、本发明的颗粒硅流化床通过采用直接接触式电加热器或感应加热器直接作用于反应段的金属筒壁上，提升传热效率，进而提升加热器的使用周期，同时提升设备气体通量和颗粒硅产量；加热器置于反应器的外部，不受炉内气氛的影响，也易于检维修；

25、本发明的颗粒硅流化床，通过在反应段下部新增扩大段，可用于反应段内件的安装以及产品出料管、进料气体管路的安装，扩大段内设置分布器，分布器与反应段外部的接管在扩大段内衔接，进料气体及产品出口与扩大段内壁无接触，提升了产品的纯度，同时扩大段不设置产品冷却用的吹扫管口等，本发明扩大段的设置相比于反应段，温度较低，不会产生大的热膨胀，有利于下部的管道的安装和运行。

26、本发明的颗粒硅流化床，通过在筒壁内侧面与内衬之间的间隙内设置若干轴向或轴向方向的凸起，内衬与筒壁采用半接触式传热的方式，满足内衬加热膨胀需求的同时将内衬与金属筒壁之间的距离控制到最小，有利于传热效率的大幅提升，进而提升产品质量和产量。

27、本发明的颗粒硅流化床，反应段内的内衬采用非金属材料，且一层层叠放，每层之间由密封胶连接起来，一方面保证金属筒壁与内衬之间的最小距离，另一方面在长期连续运行时即使出现泄漏或密封问题，因有设备外壳的保护，反应不会受到影响，提升连续生产周期。

技术特征：

1.一种颗粒硅流化床，其特征在于：包括反应段、位于所述反应段上方的上段、和位于所述反应段下方的下段；

2.根据权利要求1所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述加热装置包括加热器和保温层，固定安装在所述筒体外侧，所述筒壁为金属筒壁。

3.根据权利要求2所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述加热器为电加热器，包括若干电加热棒，与所述筒壁贴合且固定安装，所述保温层包裹于所述电加热器外。

4.根据权利要求2所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述加热器为感应加热器，设置在所述保温层的外层，所述保温层包裹于所述筒壁外。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：在所述上段的内部和/或外部还设置有冷却装置，所述冷却装置的冷却方式为气体冷却、夹套冷却或伴管冷却。

6.根据权利要求1所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述下段为扩大段，所述扩大段的内径大于所述反应段的内径。

7.根据权利要求6所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述上段为内部中空的腔体，其内径大于所述反应段的内径且小于所述扩大段的内径。

8.根据权利要求6所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述扩大段为内部中空的腔体，其内设置有分布器，所述分布器与所述反应段的底端连接，所述进气口和所述出料口与所述反应段连通的管路连接在所述分布器上。

9.根据权利要求8所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述进气口的管路和所述出料口的管路与所述分布器的连接方式为软管连接或膨胀节连接。

10.根据权利要求1所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述筒壁的内壁面与所述内衬的外表面之间留有间隙且在其内设置凸起，所述凸起与所述筒壁的内壁面或所述内衬的外表面固定连接或一体成型。

11.根据权利要求10所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述凸起有若干条，沿所述筒壁的内壁面轴向分布并焊接连接或一体成型，所述凸起与所述内衬接触，相邻所述凸起之间的部分与所述内衬不接触；

12.根据权利要求10所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述筒壁的内壁面与所述内衬的外表面之间的间隙为5~150mm。

13.根据权利要求10所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述筒壁的内壁面与所述内衬的外表面之间的的间隙为6~20mm。

14.根据权利要求1所述的一种颗粒硅流化床，其特征在于：所述上段、所述反应段和所述下段采用法兰连接或焊接连接。

技术总结
本发明提供了一种颗粒硅流化床，目的是解决现有装置结构复杂、传热效率差、产品质量低以及设备无法长期稳定运行的技术问题。该颗粒硅流化床，包括反应段、位于所述反应段上方的上段、和位于所述反应段下方的下段；所述反应段为筒体，包括筒壁、位于所述筒壁内侧的内衬和位于所述筒壁外侧的加热装置；所述上段设置有籽晶进料口和废气出口，所述下段设置有进气口和出料口，所述进气口和所述出料口通过管路与所述反应段连通。本发明的颗粒硅流化床结构简单，通过将反应段的加热装置设置在筒壁的外侧，筒壁与内衬半接触式传热，以及在反应段的下端设置扩大段，大大提升了传热效率同时提高了产品的质量和产能，延长了设备的使用周期和稳定性。

技术研发人员：贾琳蔚,陈绍林,宋垒,程茂林,甘居富
受保护的技术使用者：四川永祥能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5