一种多相换热系统及方法与流程

本发明涉及多晶硅生产技术领域，更具体地说，涉及一种多相换热系统及方法。

背景技术：

在多晶硅的生产工艺中，从反应器出来的气体需要进行液相洗涤，以除去少量的硅粉和金属杂质，反应器出口气体温度约为550℃。就大量的低温热源而言，单纯使用冷却水和制冷剂进行冷却分离需要消耗巨大的能量，同时如何对洗涤后的气体进行再利用亦成为困难。

对反应器出口气体进行降温的方式主要有两种：一种是工艺换热，即与界区内的物料进行热交换；另一种是工质换热，即利用溴化锂机组或有机介质循环压缩，以达到将该部分热能转变为0-10℃的冷源使用。其中，工质换热存在利用率低、冷却水消耗大、投资大的问题，且投资收益回报周期长。

就现有技术而言，最先进的界区内工艺换热系统工作如下：反应器的出口气体先与分别流经蒸汽换热器的四氯化硅和氢气的混合气体进行换热，而后进入洗涤塔,然后洗涤塔顶气和常温四氯化硅换热，再和氢气进行换热，此时温度下降至120-130℃，气体重量下降至70-90t/h，最后用循环水冷却至40℃。但是，氢气的换热系数较低，上述换热系统会消耗较大的投资和能量，冷却效率较低。请参见图2。

因此，如何提高反应器出口气体的冷却效率，是现阶段该领域亟待解决的难题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多相换热系统，该多相换热系统能够提高反应器出口气体的冷却效率，解决了现阶段该领域的难题。本发明还提供了一种多相换热方法，该方法应用于上述的多相换热系统，因此，能够提高反应器出口气体的冷却效率。

一种多相换热系统，包括：

洗涤塔，所述洗涤塔用于去除反应器的出口气体中的杂质，并得到洗涤塔顶气；

第一换热器，所述第一换热器与所述洗涤塔相连通，用于使混合后的常温的氢气和常温的四氯化硅与所述洗涤塔顶气进行换热；

蒸汽换热器，所述蒸汽换热器与所述第一换热器相连通，用于加热所述第一换热器流出的所述氢气和所述四氯化硅，以使所述氢气和所述四氯化硅气化；

第二换热器，所述第二换热器的一端与所述蒸汽换热器相连通，另一端与所述反应器的出口相连通，用于使气化后的所述氢气和所述四氯化硅与所述出口气体进行换热，以使所述出口气体完成第一次降温；

且所述第二换热器与所述洗涤塔相连通，用于对完成第一次降温的所述出口气体进行洗涤，并得到所述洗涤塔顶气；所述洗涤塔顶气在所述第一换热器与混合后的常温的氢气和常温的四氯化硅完成第二次降温。

优选的，所述的多相换热系统，还包括：

常温四氯化硅换热器，所述常温四氯化硅换热器与所述第一换热器相连通，用于对完成第二次降温后的所述出口气体进行第三次降温；

循环水换热器，所述循环水换热器的入口与所述常温四氯化硅换热器相连通，用于将完成第三次降温后的所述出口气体降温至40℃。

优选的，所述的多相换热系统，还包括：

循环氢气换热器，所述循环氢气换热器与所述循环水换热器的出口相连通，并通过压缩机将常温的所述氢气与源自所述常温四氯化硅换热器的常温的所述四氯化硅混合后输送至所述第一换热器。

优选的，所述的多相换热系统，还包括氟利昂换热器，所述氟利昂换热器与所述循环氢气换热器相连通，用于对所述循环氢气换热器中的氢气介质进行循环降温。

优选的，所述的多相换热系统，所述循环水换热器、所述循环氢气换热器和所述氟利昂换热器分别与所述洗涤塔相连通，以将四氯化硅和氯氢硅的混合液输送至所述洗涤塔。

优选的，所述的多相换热系统，还包括电加热器，所述电加热器与所述第二换热器相连通，用于对在所述第二换热器完成换热后的所述氢气和所述四氯化硅的混合气体进行加热，并将所述混合气体输送至所述反应器。

优选的，所述的多相换热系统，所述蒸汽换热器为首尾相接的两个，分别为与所述第一换热器相连通的第一蒸汽换热器和与所述第二换热器相连通的第二蒸汽换热器；

所述第一蒸汽换热器用于将常温的所述氢气和常温液态的所述四氯化硅加热为气态；

所述第二蒸汽换热器用于将气态的所述氢气和气态的所述四氯化硅加热为过热态。

优选的，所述的多相换热系统，完成第一次降温后的所述出口气体的温度在250-280℃之间；

完成第二次降温后的所述出口气体的温度在120-130℃之间，重量在70-90t/h。

优选的，所述的多相换热系统，完成第三次降温后的所述出口气体的温度在100-110℃之间，重量在50-70t/h。

一种多相换热方法，包括步骤：

步骤一，将氢气和常温的四氯化硅混合后通入第一换热器并与洗涤塔顶气进行换热，使液态的四氯化硅部分气化；

步骤二，将完成换热后的混合的氢气和四氯化硅通过蒸汽换热器进行热量交换；而后将完全气化的氢气和四氯化硅通入第二换热器与反应器出来的出口气体进行热量交换，进而实现对出口气体的第一次降温；

步骤三，将完成第一次降温的出口气体进入洗涤塔进行洗涤，并得到洗涤塔顶气，而后洗涤塔顶气进入第一换热器与混合后的常温氢气和常温液态的四氯化硅进行换热，即出口气体在第一换热器中完成了第二次降温；

步骤四，使出口气体与常温的四氯化硅进行热量交换，以对完成第二次降温后的出口气体进行第三次降温；

步骤五，使出口气体与循环水进行热量交换，以将完成第三次降温后的出口气体降温至40℃，进而实现了对出口气体的一个循环的降温过程。

本发明提出的多相换热系统及方法，系统包括：洗涤塔，第一换热器，蒸汽换热器，第二换热器；洗涤塔用于去除反应器的出口气体中的杂质，得到洗涤塔顶气；第一换热器与洗涤塔相连通，用于使混合后的常温的氢气和常温的四氯化硅与洗涤塔顶气进行换热；蒸汽换热器与第一换热器相连通，用于加热第一换热器流出的氢气和四氯化硅，以使氢气和四氯化硅气化；第二换热器的一端与蒸汽换热器相连通，另一端与反应器的出口相连通，用于实现气化后的氢气和四氯化硅与出口气体的换热，以使出口气体完成第一次降温；且第二换热器与洗涤塔相连通，用于对完成第一次降温的出口气体进行洗涤，得到洗涤塔顶气；洗涤塔顶气在第一换热器与混合后的常温的氢气和常温的四氯化硅完成第二次降温。上述多相换热系统运行时，先将氢气和常温的四氯化硅混合后与洗涤塔顶气进行换热，再将混合后的氢气和四氯化硅气化并与反应器的出口气体进行换热。该系统利用氢气和四氯化硅混合后在洗涤塔顶气作为热源的情况下可以部分气化的原理，且混合能够产生相变汽化焓，相同的温度上升区间可以吸收大得多的热量；常温的四氯化硅为液态，而液体的传热系数远高于气体，且混合相的传热系数大于单一的液相传热系数；并能够利用氢气来推动四氯化硅的流速，加强了扰动提高了热对流的作用。相较于现有技术中分别对氢气和四氯化硅进行加热再混合的方式而言，大大提高了换热效果和能源利用率。因此，本发明提出的多相换热系统，能够提高反应器出口气体的冷却效率，解决了现阶段该领域的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中多相流系统的示意图；

图2为本发明背景技术中换热系统的示意图。

具体实施方式

本具体实施方式的核心在于提供一种多相换热系统，该多相换热系统能够提高反应器出口气体的冷却效率，解决了现阶段该领域的难题。

以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

本具体实施方式提供的多相换热系统，包括：洗涤塔，第一换热器，蒸汽换热器，第二换热器；洗涤塔用于去除反应器的出口气体中的杂质，得到洗涤塔顶气；第一换热器与洗涤塔相连通，用于使混合后的常温的氢气和常温的四氯化硅与洗涤塔顶气进行换热；蒸汽换热器与第一换热器相连通，用于加热第一换热器流出的氢气和四氯化硅，以使氢气和四氯化硅气化；第二换热器的一端与蒸汽换热器相连通，另一端与反应器的出口相连通，用于实现气化后的氢气和四氯化硅与出口气体的换热，以使出口气体完成第一次降温；且第二换热器与洗涤塔相连通，用于对完成第一次降温的出口气体进行洗涤，得到洗涤塔顶气；洗涤塔顶气在第一换热器与混合后的常温的氢气和常温的四氯化硅完成第二次降温。

上述多相换热系统运行时，先将氢气和常温的四氯化硅混合后通入第一换热器并与洗涤塔出口的洗涤塔顶气进行换热，进而完成一次热量交换并使液态的四氯化硅部分气化；再将完成换热后的混合的氢气和四氯化硅通过蒸汽换热器进行进一步的热量交换，以使氢气和四氯化硅得到完全的气化；而后将完全气化的氢气和四氯化硅通入第二换热器与反应器出来的出口气体进行热量交换，进而实现对出口气体的第一次降温。

而后，完成第一次降温的出口气体进入洗涤塔进行洗涤，以去除气体中的杂质，并得到洗涤塔顶气，而后洗涤塔顶气进入第一换热器与混合后的常温氢气和常温液态的四氯化硅进行换热，即出口气体在第一换热器中完成了第二次降温。

需要说明的是，洗涤塔顶气即是被通入洗涤塔洗涤，并自洗涤塔顶部排出的被洗涤后的出口气体。

上述多相流系统氢气和四氯化硅混合后再与洗涤塔顶气换热，利用了在洗涤塔顶气作为热源的情况下可以使液态的四氯化硅部分气化的原理；且氢气和四氯化硅混合的过程能够产生相变汽化焓，即在相同的温度上升区间可以吸收大得多的热量；常温的四氯化硅为液态，而液体的传热系数远高于气体，且混合相的传热系数大于单一的液相传热系数；并能够利用氢气来推动四氯化硅的流速，加强了扰动提高了热对流的作用。相较于现有技术中分别对氢气和四氯化硅进行加热再混合的方式而言，大大提高了换热效果和能源利用率。因此，本发明提出的多相换热系统，能够提高反应器出口气体的冷却效率，解决了现阶段该领域的难题。具体请参见图1。

需要说明的是，在图1-2中示意的换热器中标出的为换热器中的介质，不同的介质对应不同种类的换热器。

本具体实施方式提供的多相换热系统，还可以包括常温四氯化硅换热器和循环水换热器。

其中，常温四氯化硅换热器与第一换热器相连通，使出口气体与常温的四氯化硅进行热量交换，用于对完成第二次降温后的出口气体进行第三次降温。

循环水换热器的入口与常温四氯化硅换热器相连通，使出口气体进一步与循环水进行热量交换，用于将完成第三次降温后的出口气体降温至40℃，进而实现了对出口气体的一个循环的降温过程。

本具体实施方式提供的多相换热系统，还可以包括循环氢气换热器；循环氢气换热器与循环水换热器的出口相连通，并通过压缩机将常温的氢气与源自常温四氯化硅换热器的常温的四氯化硅混合后输送至第一换热器，进而使混合后的常温的氢气与常温的四氯化硅与洗涤塔出来的洗涤塔顶气进行换热。

本具体实施方式提供的多相换热系统，还可以包括氟利昂换热器，氟利昂换热器与循环氢气换热器相连通，用于对循环氢气换热器中的氢气介质进行循环降温，以连续不断的获得常温的氢气。

上述多相换热系统的循环水换热器、循环氢气换热器和氟利昂换热器均分别与洗涤塔相连通，以将完成一次循环换热得到的四氯化硅和氯氢硅的混合液输送至洗涤塔，同时可以获得所需产品的混合液。

本具体实施方式提供的多相换热系统，还可以包括电加热器，电加热器与第二换热器相连通，用于将在第二换热器完成换热后的氢气和四氯化硅的混合气体加热至550℃，并将550℃的混合气体输送至反应器。

进一步，上述多相换热系统，蒸汽换热器可以为首尾相接的两个，分别为与第一换热器相连通的第一蒸汽换热器和与第二换热器相连通的第二蒸汽换热器；其中，第一蒸汽换热器用于将常温的氢气和常温液态的四氯化硅加热为气态；第二蒸汽换热器用于将气态的氢气和气态的四氯化硅加热为过热态，使气态的氢气和四氯化硅具备一定的过热度。

详细的，对多相换热系统中各参数阐述如下：在第一换热器内完成热交换后的氢气和四氯化硅的温度在170-200℃之间；反应器的出口气体的温度约为550℃，与氢气和四氯化硅在第二换热器内完成热交换的出口气体的温度在250-280℃之间，即完成第一次降温后的出口气体的温度在250-280℃之间。而后出口气体进入洗涤塔完成洗涤后，洗涤塔顶部出来的出口气体的重量在100-120t/h。而后在第一换热器内完成换热的出口气体的温度在120-130℃之间，即完成第二次降温后的出口气体的温度在120-130℃之间，重量在70-90t/h。而后，在常温四氯化硅换热器内完成换热出来的出口气体的温度在100-110℃之间，即完成第三次降温后的出口气体的温度在100-110℃之间，重量在50-70t/h。最后，出口气体进入循环水换热器并降温至40℃。

本具体实施方式提供的多相换热系统，氢气和四氯化硅混合后再与洗涤塔顶气换热，利用了在洗涤塔顶气作为热源的情况下可以使液态的四氯化硅部分气化的原理，在没有提高对热源的温度要求的条件下，交换了更多的热量。且因被加热物从相同起始温度到相同终点温度的过程，混合可以产生相变汽化焓，即同样的温度上升区间可以吸收大得多的热量。并且，因气体的传热系数远低于液体的传热系数，故氢气和四氯化硅混合物传热系数大，且混合相的传热系数比单一的液相传热系数更大；而且氢气推动了管程或壳程的四氯化硅液体的流速，进一步加强了扰动提高了热对流的作用。

本发明还提供一种多相换热方法，包括如下步骤：

步骤一，将氢气和常温的四氯化硅混合后通入第一换热器并与洗涤塔顶气进行换热，使液态的四氯化硅部分气化；

步骤二，将完成换热后的混合的氢气和四氯化硅通过蒸汽换热器进行热量交换；而后将完全气化的氢气和四氯化硅通入第二换热器与反应器出来的出口气体进行热量交换，进而实现对出口气体的第一次降温；

步骤三，将完成第一次降温的出口气体进入洗涤塔进行洗涤，并得到洗涤塔顶气，而后洗涤塔顶气进入第一换热器与混合后的常温氢气和常温液态的四氯化硅进行换热，即出口气体在第一换热器中完成了第二次降温；

步骤四，使出口气体与常温的四氯化硅进行热量交换，以对完成第二次降温后的出口气体进行第三次降温；

步骤五，使出口气体与循环水进行热量交换，以将完成第三次降温后的出口气体降温至40℃，进而实现了对出口气体的一个循环的降温过程。

上述五个步骤组成对出口气体的降温的一个循环，进而更好的提高反应器出口气体的冷却效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。