張春雨

(內(nèi)蒙古京能錫林煤化有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 錫林浩特 026300)

四氯化硅流化床選用與DCS溫度控制因素的討論

張春雨

(內(nèi)蒙古京能錫林煤化有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 錫林浩特 026300)

四氯化硅流化床的串聯(lián)設(shè)計(jì)以及對(duì)工藝的DCS的優(yōu)化，使流化床反應(yīng)器的直徑和高度都有所降低，設(shè)備的費(fèi)用也相應(yīng)的降低，工藝操作條件更加容易控制，這樣不僅提高四氯化硅的轉(zhuǎn)化率，降低四氯化硅循環(huán)次數(shù)，同時(shí)還減低能耗，節(jié)約了多晶硅的生產(chǎn)成本。

四氯化硅;三氯氫硅;流化床;溫度

1 多晶硅副產(chǎn)物現(xiàn)狀分析

隨著綠色能源太陽(yáng)能的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，光伏電池原料多晶硅的用量越來(lái)越大，用途越來(lái)越廣泛，近幾年我國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)。四氯化硅是多晶硅生產(chǎn)中產(chǎn)生量最大的副產(chǎn)物，未經(jīng)處理回收的四氯化硅是一種具有強(qiáng)腐蝕性的有毒有害液體，伴隨著多晶硅產(chǎn)量的擴(kuò)大，副產(chǎn)物回收處理也要跟上，大規(guī)模生產(chǎn)將對(duì)安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)極大的隱患。

2 多晶硅生產(chǎn)方法

方法一：在流化床內(nèi)高溫高壓下利用氫氣還原四氯化硅成為多晶硅的主要原料三氯氫硅，國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)化率一般在25.4%左右。方法二：利用四氯化硅生產(chǎn)高附加值的氣相法白炭黑，既生產(chǎn)多晶硅又生產(chǎn)白炭黑，把氣相法白炭黑和多晶硅生產(chǎn)緊密結(jié)合，形成一個(gè)資源互補(bǔ)，共同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈。

3 流化床反應(yīng)器的作用

利用流動(dòng)流體的作用，將大量固體顆粒懸浮于流體中并使之呈現(xiàn)出類(lèi)似于流體的某些表現(xiàn)特性，這就是固體流態(tài)化。借這種固體顆粒的流化狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)某些生產(chǎn)過(guò)程的操作，稱(chēng)為流態(tài)化技術(shù)。

流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)有兩種形式：形式一：無(wú)固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固體顆粒性狀在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生明顯變化的反應(yīng)過(guò)程。形式二：有固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固相加工過(guò)程或催化劑迅速失活的流體相加工過(guò)程。

4 流化床的選型

(1)聚式流化 對(duì)于密度差較大的氣－固流化系統(tǒng)，一般趨向于形成聚式流化，在氣－固系統(tǒng)的流化床中，超過(guò)流化所需最小氣量的那部分氣體以氣泡形式通過(guò)顆粒層，上升至床層上界面時(shí)破裂，這些氣泡內(nèi)可能夾帶有少量固體顆粒。此時(shí)床層內(nèi)分為兩相，一相是空隙小而固體濃度大的氣固均勻混合物構(gòu)成的連續(xù)相，稱(chēng)為乳化相；另一相則是夾帶有少量固體顆粒而以氣泡形式通過(guò)床層的不連續(xù)相，稱(chēng)為氣泡相。由于氣泡在床層中上升時(shí)逐漸長(zhǎng)大、合并，至床層上界面處破裂，因此，床層極不穩(wěn)定，上界面亦以某種頻率上下波動(dòng)，床層壓降也隨之相應(yīng)波動(dòng)。

(2)散式流化 通過(guò)床層的流體稱(chēng)為流化介質(zhì)。散式流化的特點(diǎn)是固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，接近于理想流化床，故亦稱(chēng)均勻流化。隨流速增大，床層逐漸膨脹而沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，顆粒間的距離均勻增大，床層高度上升，并保持穩(wěn)定的上界面。通常，兩相密度差小的系統(tǒng)趨向于散式流化，故大多數(shù)液－固流化屬于“散式流化”。

兩種流化態(tài)的判斷計(jì)算：顆粒與流體之間的密度差是散失流化床和聚式流化床之間的主要區(qū)別。一般認(rèn)為液固流化為散式流化，而氣固流化為聚式流化。但對(duì)于壓降較高的氣固系統(tǒng)或者用較輕的液體流化較重的顆粒，如水-鉛流化系統(tǒng)，這種區(qū)別不明顯，所以有必要對(duì)兩種流化的定量判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論用弗魯?shù)聰?shù)來(lái)區(qū)分這種流化態(tài)，弗魯?shù)聰?shù)用Fr表示

研究表明：Frmf＜0.13為散式流化態(tài)；Frmf＞1.3為聚式流化態(tài)。

5 影響流化反應(yīng)的溫度控制討論

反應(yīng)溫度是四氯化硅還原三氯氫硅的一個(gè)重要的參數(shù)，反應(yīng)器R201工作的好壞，可以明顯地在反應(yīng)溫度上表現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)反應(yīng)狀況良好時(shí)，反應(yīng)溫度易于控制。

反應(yīng)溫度對(duì)四氯化硅在流化床轉(zhuǎn)化率的影響

如圖所示反應(yīng)溫度高，三氯氫硅的收率越高，副反應(yīng)少，反應(yīng)溫度越高，合成物易深度氧化，發(fā)生副產(chǎn)物SiCl4和SiH2Cl2較多，溫度越高越不好控制。另外若持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的高溫，還會(huì)縮短催化劑的壽命，生產(chǎn)中溫度控制在450℃左右，為了控制該反應(yīng)的溫度，工藝上和自控上采取化床反應(yīng)溫度的粗調(diào)和細(xì)調(diào)的措施。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)流化床串聯(lián)設(shè)計(jì)以及對(duì)工藝的DCS的優(yōu)化，既降低設(shè)備制造費(fèi)用，減少了四氯化硅循環(huán)次數(shù)，還優(yōu)化了工藝控制，提高了四氯化硅的轉(zhuǎn)化率，提高了多晶硅的利潤(rùn)。

[1]趙春江.鋅還原法生產(chǎn)多晶硅[J].新材料產(chǎn)業(yè),2009,(05).

[2]陳涵斌,李育亮,印永祥.四氯化硅轉(zhuǎn)化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].氯堿工業(yè),2009,(04).