氫化反應器分布板結構形式探討

汪紹芬 姚心(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

氫化反應器是多晶硅生產中氫化工序的核心設備，按介質在設備內的流動狀態可分為流化床反應器和固定床反應器。氫化反應器的內件設計，特別是分布板的結構設計對爐內介質的流化狀態和氫化轉化率有著重要影響[1]。

固定床反應器的操作模式是間歇性操作，即定期從上部進料口進一定量的硅粉，與從分布器風帽進入的氣體進行反應，硅粉的重量全部由分布板承受；流化床反應器的操作模式是連續式操作，即硅粉均勻地從側面的進料口進入，邊進入邊反應[2]。一方面，從對爐內硅粉介質流化態的控制來說，要求分布板對下部進入的氣體混合物進行再分布，能夠滿足爐內氣流均布的要求；另一方面，從受力角度看，分布板承受硅粉重力載荷，且固定床反應器分布板承受重量載荷更大，其在其操作溫度(500-575oC)下的應力強度和位移應該在設計中予以考慮。

目前，國內冷氫化反應器分布板的結構形式主要有平板式、球冠形封頭式和錐形封頭式[3]。板式分布器是目前行業的通用的結構，應用較為廣泛。錐形封頭和球冠封頭式的運用較少。由于球冠封頭式的制造和檢修較為困難，從實用性考慮，我們選擇了平板式和錐形封頭式分布板進行了研究分析(圖1)。

圖1 平板式分布板和錐形分布板結構簡圖

圖2 錐形分布板內氣體分布和噴嘴氣速

1 氣體再分布流場分析

利用Fluent 12軟件對下部氣體進入分布板后再分布情況進行模擬。工藝混合氣體進入反應器后，在下部的進氣環管內進行初次分布，隨后氣體上升進入分布板進行二次分布。由于平板分布板的分布效果已經得到許多工程經驗的驗證[4]，這里只分析了錐形封頭式分布板的氣體分布效果。

由圖2可以看出，氣體在進入環管后，由環管下部進入爐體，一次分布的效果欠均勻，但在穿過錐形分布板后，計算得到分布板上不同分布圓下的噴嘴出口(r1-r16)平均速度的范圍為2.041-2.145m/s,僅有5%的速度差別，分布效果良好。

2 分布板應力強度和位移分析

用應力分析軟件ANSYS 12對平板和錐形分布板在操作條件下的應力強度和位移進行了計算，如圖3所示。

圖3 平板和錐形分布板應力分析結果

從應力分布來看，在反應器操作工況下，平板和錐形分布器的整體應力都較小，都小于50MPa；從變形情況來看，平板中央部分的變形相對較大，而錐形分布板的整體變形控制較好。原因是錐形分布板的溫差變形可由錐形結構吸收，分布板與筒體直接焊接不會在筒壁處產生很大的溫差應力，

3 分布板與反應器筒體的連接形式

平板式分布板與反應器筒體的連接形式比較如下:

3.1 分布板與筒體焊接，優點是由于周邊固支，約束力大，中心最大位移較小，分布板變形較小；缺點是分布板在550oC左右的操作溫度下，在與分布板焊接的筒體處形成附加的溫差應力，一方面影響焊縫強度，另一方面影響作為主要承壓元件的筒體的安全使用。

3.2 分布板采用螺栓連接或者焊接在支撐圈上，支撐圈與筒體焊接。這樣設計的優點是螺栓連接拆裝方便，可設計成分塊式分布板，更換方便；但由于支撐圈和分布板是非加工件，難以密封，下部氣體通過支撐圈與分布板的縫隙夾帶硅粉沖向筒壁，造成筒壁的磨蝕，若沒有及時發現，就會發生嚴重的安全事故；若分布板焊在支撐圈上，考慮焊接位置和拆裝可能，焊縫高度較小，正常操作時由于溫差應力，可能會造成焊縫被剪斷，同樣會出現螺栓連接出現的問題。

4 分布板實際使用情況分析

在我公司洛陽某項目的10臺氫化反應器中分別采用了平板式和錐形分布板，從2008年使用至今，已經正常運行7年。在2014年大修中，對反應器兩種分布板結構的實際情況進行對比如下:

4.1 我公司前期采用的平板式分布板是與筒體直接焊接的，使用幾年后檢修發現有個別處焊縫裂開。分析其原因，此處的應力包括焊接應力、載荷應力、溫差應力，尤其是溫差應力，由于是間歇操作，操作溫度從常溫到550oC，溫度應力交替作用，是造成焊縫開裂的原因之一。

4.2 錐形分布板結構容易吸收溫差應力，使用后整理無明顯變形。在錐形分布板底部設置的排渣孔可以很容易排出料渣和未反應的硅粉；但錐形分布板結構相對復雜，重量大，很難更換，且由于其錐形結構，中部的硅粉比邊緣處的硅粉料層厚，造成一定的受力不均勻。

5 結語

本文探討了氫化反應器中的分布板采用平板和錐形分布板結構的優缺點，分析了錐形分布板對工藝氣體的分布效果，并對兩種分布板結構下的應力大小和變形進行比較，探討了分布板與筒體不同的連接方式的影響，最后根據實際使用情況進行比較，可以為其今后的工業應用提供一定的參考。

[1]鐘曉峰,鄒華,吳勇等,2萬噸級多晶硅冷氫化反應器制造.中國化工裝備，2011,13(2):42-48.

[2]宋佳,曹祖賓,韓冬云等.多晶硅的冷氫化工藝.化學與黏合,2011,33(6),76-79.

[3]盛維武.氣相加氫入口擴散器的試驗研究.石油化工設備,2014,(4):18-21.

[4]梁雪松，肖勇，吳立群等.流化床反應器分布板開孔率計算方法初探.云南化工，2006,33(4):30-32.