活性炭吸附塔傳熱模擬及設計優化

姚 心， 郭天宇，2， 肖榮暉， 嚴大洲， 劉 誠

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.中國科學院過程工程研究所， 北京 100190)

0 引言

目前，多晶硅生產主要采用改良西門子法[1]。在改良西門子法生產多晶硅的過程中，三氯氫硅與氫氣在高溫環境下發生反應，沉積生成多晶硅。原料三氯氫硅和氫氣的純度直接決定產品多晶硅的品質[2-4]。國內外多晶硅廠主要是利用活性炭在低溫高壓的條件下去吸附回收氫氣中的雜質，待吸附飽和后，通過高溫低壓的方式使活性炭再生[5]。活性炭再生的徹底性直接關系到了回收氫氣中的硼、磷、碳、氧、氮及其它金屬雜質的去除率，關系到氫氣的純度。

影響吸附劑再生的重要因素是活性炭吸附塔內部結構形式，吸附器內部結構形式直接影響到內部的溫度場及熱傳導效率，進而影響活性炭吸附效果[6-10]。本文利用CFD模擬計算方法，對某活性炭吸附塔進行傳熱模擬計算，完成吸附、脫吸、再生三個不同工作階段下整個塔器的溫度場分析及升降溫變化曲線，根據仿真結果，對吸附塔內套管及外伴管的設計及工藝條件進行理論驗證和優化。通過分析底部封頭氫氣進口的氣體分布效果，及后續塔內氣體擴散情況，對入口設計的合理性進行了驗證。

1 計算模型

1.1 幾何模型

活性炭吸附塔內的傳熱主要是通過高溫、低溫介質實現的，介質液體通過外夾管和內套管對吸附器進行傳熱。活性炭吸附器的吸附(降溫)、脫吸(升溫)過程是一個隨時間變化的過程，而活性炭吸附器內部結構比較復雜，進行瞬態模擬計算量非常大，對此有必要對活性炭吸附器進行合理簡化，以減少計算網格數，縮短計算時間。……