带多喷嘴分布器的高效冷氢化反应器的制作方法

1.本发明属于多晶硅生产设备技术领域，尤其是一种冷氢化反应器，具体地说是一种带多喷嘴气体分布器的高效冷氢化反应器。


背景技术：

2.在现有多晶硅的生产技术中，改良西门子工艺占据着主导地位。其工艺主要过程为工业硅、氢气及氯化氢反应生成原料气（三氯氢硅及副产物氯化硅），原料气又通过除尘和精馏过程，对三氯氢硅进行提纯，高纯的三氯氢硅与氢气再发生还原反应生成多晶硅产品。
3.在改良西门子工艺中，冷氢化反应器是重要的原料气发生装置。工业硅固相颗粒由冷氢化反应器筒体侧向入口进入冷氢化反应器内部；氢气等气相介质则由冷氢化反应器底部封头接管处进入冷氢化反应器，之后由反应器的气体分布器进行再分配，气相介质通过气体分布器上的喷嘴形成高速流体进入反应器内部并将工业硅固相颗粒吹起形成流化态的混合介质。气相介质与硅颗粒充分接触反应生成原料气（氯化硅与三氯氢硅）。在实际生产过程中，因气相介质流动不均匀或者流速波动等原因容易在喷嘴处形成返流现象，细微的固相颗粒会随返流的气相介质进入喷嘴内部并沉积附着在喷嘴内壁面，长时间的硅粉沉积会造成硅结块，从而使得喷嘴发生堵塞失效。
4.当较多数量喷嘴发生堵塞失效时，冷氢化反应器内部的流场均匀性就会被打破，引起反应器内部流场发生偏流，造成反应器内局部的气固流动加剧，最终发生反应器筒体冲蚀、设备破坏失效。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有冷氢化反应器的喷嘴易出现细微的固相颗粒会随返流的气相介质进入喷嘴内部并沉积附着在喷嘴内壁面，长时间的硅粉沉积会造成硅结块，从而使得喷嘴发生堵塞失效，进而使冷氢化反应器内部的流场均匀性打破，引起反应器内部流场发生偏流，造成反应器内局部的气固流动加剧，最终发生反应器筒体冲蚀、设备破坏失效的问题，设计一种带多喷嘴分布器的高效冷氢化反应器，以解决因气相介质返流而造成的喷嘴堵塞问题，延长设备运行操作周期，并且可以提升反应效率2%以上。
6.本发明的技术方案是：一种带多喷嘴分布器的高效冷氢化反应器，包括反应器本体、气体分布器、喷嘴、气相介质入口、硅粉入口、原料气出口、回流介质入口；气体分布器设置于反应器本体内部，与反应器内壁焊接连接；气相介质入口设置在反应器本体中心底部；硅粉入口设置在反应器本体侧面，并位于气体分布器上方；原料气出口设置在反应器本体中心顶部；回流介质入口设置在反应器本体的侧面，并位于气体分布器上方、与硅粉入口相对，其特征在于，气体分布器设置有多个喷嘴，所述喷嘴包括喷嘴入口端板、一级导流块、二级导流块、喷嘴壳体、帽罩、螺母；喷嘴壳体上部设置安装外螺纹，喷嘴壳体中部内设置有中心通道，中心通道延
伸至喷嘴壳体顶端，喷嘴壳体顶端设有与中心通道连接的径向通孔，帽罩通过螺母安装在喷嘴壳体的上部并罩住径向通孔；喷嘴壳体下部由中空的圆锥段和圆柱段组成，圆柱段设置有安装内螺纹；喷嘴入口端板设置有安装外螺纹，中心开有中心通孔；二级导流块、一级导流块、喷嘴入口端板依次安装在喷嘴壳体下部中空的圆柱段内，二级导流块叠加在一级导流块之上，通过最下端的喷嘴入口端板将一级导流块和二级导流块紧固在喷嘴壳体内部，各部件同轴布置安装。
7.所述一级导流块由一级筒节、环形导流片和一级支撑组成，环形导流片通过一级支撑连接于一级筒节中部；其中一级筒节为圆环形，上端面设置和二级导流块相匹配的倒角；环形导流片是截面为喇叭口形的金属圆环，其内沿高于外沿，所述一级支撑周向均布，一级支撑的数量为2~6。
8.所述二级导流块由二级筒节、倒锥导流片和二级支撑组成，倒锥导流片通过二级支撑连接于二级筒节中部；其中二级筒节内壁为斜锥面，倾斜角α为45
°
~80
°
，二级筒节上端面为平面并设置与喷嘴壳体内中空圆锥段配合的倒角；倒锥导流片为倒圆锥形，锥角β为90
°
~120
°
，所述二级支撑周向均布，二级支撑的数量为2~6。
9.所述喷嘴壳体，其中心通孔顶部设置数个通孔，通孔轴线与喷嘴外壳轴线呈75~90度夹角，通孔周向均布，通孔数量3-8个。
10.所述帽罩其沿轴向截面为u型，在其顶部中心开有通孔用于和喷嘴壳体配合安装。
11.所有组件以一体形式由3d打印增材加工方式制造。
12.所述帽罩与喷嘴壳体以焊接形式连接固定。
13.所述喷嘴入口端板与喷嘴壳体以焊接形式连接固定。
14.所述一级导流块中环形导流片截面为等腰梯形形式。
15.本发明的有益效果是：本发明带多喷嘴分布器的高效冷氢化反应器，其气体分布器设置多个喷嘴，喷嘴中布置特定的环形导流片及倒锥导流片，使得在相同压力差条件下，气体介质发生返流时的流动阻力高于其顺流时的流动阻力，从而提高气体介质在喷嘴结构处发生返流的难度，进一步的，减少气相介质返流时夹带的固相颗粒、减少固相颗粒在喷嘴内部的沉积、堵塞，最终保证冷氢化反应器运行的可靠性、安全性，延长设备运行操作周期，提升反应效率2%以上。
附图说明
16.图1是本发明高效冷氢化反应器的结构示意图；图2是本发明反应器的气体分布器喷嘴的剖面示意图；图3是气体分布器喷嘴的一级导流块结构示意图；图4是气体分布器喷嘴的二级导流块结构示意图；图5是气体分布器喷嘴一级导流块截面示意图；图6是气体分布器喷嘴内气相介质顺流路径示意图；图7是气体分布器喷嘴内气相介质返流路径示意图；图8是直通式喷嘴结构剖面示意图；图中，1-气体分布器、2-喷嘴、3-反应器本体、4-气相介质入口、5-硅粉入口、6-原
料气出口、7-回流介质入口、10-喷嘴入口端板、20-一级导流块、21-一级筒节、22-环形导流片、23-一级支撑、30-二级导流块、31-二级筒节、32-倒锥导流片、33-二级支撑、40-喷嘴壳体、41-中心通道、42-通孔、50-帽罩、60-螺母。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
18.如图1所示。
19.一种带多喷嘴分布器的高效冷氢化反应器，包括反应器本体3、气体分布器1、喷嘴2、气相介质入口4、硅粉入口5、原料气出口6、回流介质入口7；气体分布器1设置于反应器本体3内部，与反应器内壁焊接连接；气相介质入口4设置在反应器本体中心底部；硅粉入口5设置在反应器本体侧面，并位于气体分布器1上方；原料气出口6设置在反应器本体中心顶部；回流介质入口7设置在反应器本体的侧面，并位于气体分布器1上方、与硅粉入口5相对。
20.如图2所示，所述气体分布器1上设置多个喷嘴2，所述喷嘴2包含喷嘴入口端板10、一级导流块20、二级导流块30、喷嘴壳体40、帽罩50、螺母60；喷嘴壳体上部设置安装外螺纹，喷嘴壳体中部内设置有中心通道41，中心通道41延伸至喷嘴壳体顶端并在顶端处设有径向出气通孔42，喷嘴壳体下部由中空的圆锥段和圆柱段组成，圆柱段设置有安装内螺纹；喷嘴入口端板10设置有安装外螺纹，中心开有中心通孔。帽罩50安装在喷嘴壳体40的上部，通过螺母60安装紧固；二级导流块30、一级导流块20、喷嘴入口端板10依次安装在喷嘴壳体下部中空的圆柱段内，二级导流块30叠加在一级导流块20之上；通过最下端的喷嘴入口端板10与喷嘴壳体40的螺纹连接，将一级导流块20和二级导流块30紧固在喷嘴壳体40内部，各部件同轴布置安装。喷嘴壳体内中心通道41上部设置有径向通孔42，径向通孔42的数量可为3-8个。
21.如图3，一级导流块20由一级筒节21、环形导流片22及一级支撑23组成，环形导流片22通过一级支撑23连接于一级筒节21中部，其中一级筒节为圆环形，上端面设置和二级导流块相匹配的倒角，环形导流片22是截面为喇叭口形或者等腰梯形的金属圆环，其内沿高于外沿，所述一级支撑周向均布，一级支撑的数量为2~6。具体实施时时环形导流片还可采用图5所示的结构。
22.如图4所示，二级导流块30由二级筒节31、倒锥导流片32及二级支撑33组成，倒锥导流片通过二级支撑连接于二级筒节上；其中二级筒节31内壁为斜锥面，倾斜角α为45
°
~80
°
，二级筒节上端面为平面并设置与喷嘴壳体内中空圆锥段配合的倒角；倒锥导流片32为倒圆锥形，锥角β为90
°
~120
°
，所述二级支撑33为周向均布，二级支撑的数量为2~6。
23.一级筒节21上端锥面与二级筒节31下端锥面形成配对保证同心，二级筒节31上端锥面与喷嘴壳体40内锥面形成配对保证同心。
24.本发明带多喷嘴分布器的高效冷氢化反应器的工作原理为：气相介质由底部气相介质入口4进入冷氢化反应器内，顺流上升至气体分布器1，气相介质由喷嘴入口端板10中心开孔进入喷嘴2，由于介质的惯性作用，主流介质形成中心汇集的射流直冲至二级导流块30中部锥面，后沿锥面绕过倒锥导流片32进入喷嘴壳体40中心通道41，再经中心通道41上部的通孔42进入帽罩50与喷嘴壳体40形成环型流道，最终进入冷氢化反应器内部与硅颗粒混合反应。气相介质顺流路径示意如图6所示。
25.在冷氢化反应器停车或紧急卸载情况下，气相介质发生返流。气相介质由帽罩50与喷嘴壳体40形成环型流道至下而上进入喷嘴，通过通孔42进入喷嘴壳体40内部，介质在惯性作用下直冲至二级导流块30倒锥导流片32处，后沿倒锥导流片32的凹面流动，通过筒节31与倒锥导流片32之间的环型流道进入一级导流块20。受惯性作用，气相介质主流部分会直接流至一级导流块20环形导流片22的内凹面上。同时一级导流块20内部空间因环形导流片22的切割形成2条流道，即环形导流片22与一级筒节21形成外流道，环形导流片22自身的包围形成内流道。气相介质流至环形导流片22处时会因环形导流片22的向下倾斜设置，以及一级导流块20内外流道面积的差异使得介质主流部分沿环形导流片22内凹面向外流道流动，后沿喷嘴入口端板10中心通孔内壁面流动排出喷嘴。气相介质返流路径示意如图7所示。
26.目前传统的冷氢化反应器，其分布器喷嘴为直通式结构，如图8所示，气相介质在顺流和返流时的流动阻力一致。而本发明高效冷氢化反应器的喷嘴结构，气相介质顺流时可以保证气相介质高速通过，当气相介质发生返流时，其流动距离比顺流长，且流道形式更为复杂，从而返流时的流动阻力更大。因此在相同压力差条件下，使用本发明所述喷嘴的冷氢化反应器，其气相返流流量小于传统的冷氢化反应器；同时，由于气相介质在帽罩50与喷嘴壳体40形成的环型流道中是至下而上流动，当介质流速减小时，气相介质中夹带的硅颗粒会发生沉降，进一步避免硅颗粒随介质返流进入喷嘴，解决了硅粉颗粒沉积造成的喷嘴堵塞问题，延长设备运行操作周期，提高反应效率2%以上。
27.本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以解决。