多晶硅生產(chǎn)中雙管板四氯化硅汽化器的設(shè)計

趙 鵬

（浙江省天正設(shè)計工程有限公司 杭州 310012）

多晶硅生產(chǎn)中雙管板四氯化硅汽化器的設(shè)計

趙 鵬

（浙江省天正設(shè)計工程有限公司 杭州 310012）

本文介紹了四氯化硅汽化器的功能和結(jié)構(gòu)特點。從雙管板、積液程、換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)和氫氣分布器結(jié)構(gòu)等方面對四氯化硅汽化器進行了設(shè)計闡述。給出了汽化器的壓力試驗順序和無損檢測方法。四氯化硅汽化器運行狀況良好，說明了該汽化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，為雙管板換熱器的設(shè)計提供了可供借鑒的經(jīng)驗。

四氯化硅汽化器 雙管板 換熱器 設(shè)計

隨著能源危機和環(huán)保壓力的日益加劇，國內(nèi)外在努力發(fā)展可再生、清潔能源。太陽能作為取之不竭、用之不盡的清潔能源得到了廣泛關(guān)注［1］，因此作為太陽能電池核心材料的多晶硅的價格隨之水漲船高［2］。多晶硅生產(chǎn)工藝的合成、還原預(yù)熱、尾氣處理等工序大量使用了換熱器設(shè)備。雙管板換熱器作為換熱器中的一種特殊結(jié)構(gòu)型式，廣泛應(yīng)用于管殼程介質(zhì)一旦發(fā)生接觸便會發(fā)生嚴重或災(zāi)難性事故的苛刻操作工況。由于多晶硅生產(chǎn)工藝中介質(zhì)的特殊性，遇水反應(yīng)產(chǎn)生大量HCl，為了避免引起嚴重事故，多晶硅項目中接觸工藝介質(zhì)的換熱器均采用雙管板結(jié)構(gòu)。隨著多晶硅生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，雙管板換熱器的用量也在逐年增加［3］。

目前在雙管板換熱器設(shè)計方面還沒有相關(guān)的標準，因此管程、殼程和積液程的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算方面還存在很多需要改進和探討的地方。本文對某公司多晶硅生產(chǎn)工藝中的雙管板四氯化硅汽化器進行設(shè)計闡述。

1 四氯化硅汽化器功能簡介

多晶硅生產(chǎn)過程中，經(jīng)氯硅烷分離提純工序精制的四氯化硅，送入四氯化硅汽化器，被蒸汽加熱汽化。從氫氣制備與凈化工序送來的氫氣和從還原尾氣干法分離工序送來的多余氫氣在氫氣緩沖罐混合后，也通入汽化器內(nèi)，與四氯化硅蒸汽形成一定比例的混合氣體。從四氯化硅汽化器來的四氯化硅與氫氣的混合氣體，送入氫化爐。在氫化爐內(nèi)通電的熾熱電極表面附近，發(fā)生四氯化硅的氫化反應(yīng)，生成三氯氫硅，同時生成氯化氫［4］。

H2+SiCl4=HSiCl3+HCl

出氫化爐的含有三氯氫硅、氯化氫和未反應(yīng)的四氯化硅、氫氣的混合氣體，繼續(xù)送往氫化氣干法分離工序。

2 汽化器結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)

2.1 汽化器結(jié)構(gòu)特點

四氯化硅汽化器是耳式支座支撐的立式圓筒形固定管板換熱器，直徑為DN1400mm，上、下管箱均采用標準橢圓封頭。汽化器殼程介質(zhì)為水蒸汽，管程介質(zhì)為四氯化硅，兩種介質(zhì)相接觸產(chǎn)生強腐蝕性的鹽酸，會使設(shè)備及與之相連的工藝裝置快速腐蝕失效，甚至發(fā)生更嚴重的災(zāi)難性事故。最有可能發(fā)生泄漏的位置是管板與換熱管的焊接接頭處，為了防止產(chǎn)生泄漏及腐蝕，所以采用雙管板結(jié)構(gòu)，來保證裝置的安全運行［5］。為了減少水蒸汽的不均勻分布和對換熱管的沖蝕，殼程蒸汽入口內(nèi)側(cè)設(shè)置了防沖板。為了使氫氣分布均勻進而與汽化得到的四氯化硅氣體充分混合，管箱中設(shè)置了氫氣分布器。管殼程接管開口補強結(jié)構(gòu)均采用厚壁管型式以保證汽化器結(jié)構(gòu)緊湊。

考慮到介質(zhì)特性及用戶要求，管、殼程筒體和封頭材質(zhì)均為Q345R，管板材質(zhì)為S30408Ⅲ，容器法蘭材質(zhì)為16MnⅢ，換熱管（φ19mm×2mm×3900mm）材質(zhì)為S30408，接管材質(zhì)為20#，管法蘭和厚壁接管材質(zhì)為16MnⅡ。

2.2 汽化器設(shè)計參數(shù)

四氯化硅汽化器的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 四氯化硅汽化器設(shè)計參數(shù)

（續(xù)表）

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算

本文主要闡述雙管板、積液程、換熱管與雙管板連接和氫氣分布器等方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算，其他部件的設(shè)計與普通的固定管板式換熱器相同，這里不再贅述。

3.1 雙管板設(shè)計

3.1.1 雙管板結(jié)構(gòu)設(shè)計

外側(cè)管板的延長部門兼做法蘭，與管箱法蘭采用螺柱、螺母和墊片結(jié)構(gòu)相連接，并連同管箱、換熱管組成管程。外側(cè)管板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外側(cè)管板結(jié)構(gòu)示意

內(nèi)側(cè)管板不帶法蘭，與殼體采用焊接連接結(jié)構(gòu)組成殼程。內(nèi)側(cè)管板與外側(cè)管板之間的腔體即為積液程?？紤]到汽化器的設(shè)計工況，為避免內(nèi)側(cè)管板計算厚度過大，內(nèi)側(cè)管板邊緣采用與筒體對接焊接的結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)側(cè)管板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1.2 雙管板強度設(shè)計

外側(cè)管板強度計算：設(shè)計壓力和設(shè)計溫度分別按照管程和積液程工況確定，殼程金屬壁溫按殼程選取，管程金屬壁溫按管程設(shè)計條件確定，換熱管的有效長度為外側(cè)管板內(nèi)側(cè)間的距離。計算后取外側(cè)管板厚度為150mm。

內(nèi)側(cè)管板強度計算：設(shè)計壓力和設(shè)計溫度分別按照殼程和積液程工況確定，殼程金屬壁溫按殼程選取，管程金屬壁溫按管程設(shè)計條件確定，換熱管的有效長度為內(nèi)側(cè)管板內(nèi)側(cè)間的距離。計算后取內(nèi)側(cè)管板厚度為150mm。

3.2 積液程設(shè)計

3.2.1 積液程結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

積液程為內(nèi)側(cè)管板與外側(cè)管板之間的封閉腔體，其設(shè)計工況應(yīng)按照管程和殼程中較為苛刻者選取，進行殼體壁厚的計算，因此積液程筒體壁厚與殼程筒體壁厚取值相同。

積液程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸為外側(cè)管板和內(nèi)側(cè)管板之間的凈間距?？刂苾蓧K管板的最小距離是為了避免由于兩塊管板的熱膨脹差引起換熱管的超載，即當(dāng)換熱管出現(xiàn)偏移的情況下，保證換熱管的強度及換熱管與管板連接的密封性。

根據(jù)相關(guān)文獻［6］，外側(cè)管板和內(nèi)側(cè)管板間的凈間距G應(yīng)不小于式（1）計算值：

式中：

do——兩塊管板之間換熱管的外徑，mm；

ET——平均金屬溫度下?lián)Q熱管的彈性模量，kPa；

YT——最大金屬溫度下?lián)Q熱管的屈服極限，kPa；

△r——在相鄰兩塊管板間的徑向膨脹差，mm；

式中：

DTL——最外圈換熱管的外切圓直徑，mm；

△T1——殼程管板的平均金屬溫度與環(huán)境溫度之差，℃；

△T2——管程管板的平均金屬溫度與環(huán)境溫度之差，℃；

α1——平均金屬溫度下殼程管板的線膨脹系數(shù)，1/℃；

α2——平均金屬溫度下殼程管板的線膨脹系數(shù)，1/℃。

根據(jù)汽化器設(shè)計參數(shù)，查得換熱管和管板材料在相應(yīng)工況下的物理性能和力學(xué)性能數(shù)據(jù)，按上述公式計算得到凈間距G為185.9mm，工程上為安全起見，常在此基礎(chǔ)上增加10%～15%，因此最后確定外側(cè)管板與內(nèi)側(cè)管板的凈間距為200mm。

3.2.2 積液程泄漏檢測設(shè)計

積液程為封閉腔體，起到隔離管殼程介質(zhì)的作用。管殼程介質(zhì)一旦泄露需要積液程進行收集并統(tǒng)一排放到安全處，因此積液程上需設(shè)置放空和排凈裝置，供日常定期檢查預(yù)防事故。放空口在積液程上方便于收集泄漏的氣體，排凈口在積液程的下方便于收集泄漏的液體。考慮到汽化器設(shè)計工況，積液程泄漏檢測結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 積液程泄漏檢測結(jié)構(gòu)示意

3.3 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 換熱管與外側(cè)管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于管程中的介質(zhì)嚴禁泄漏，換熱管與外側(cè)管板之間的連接方式應(yīng)采用強度焊+強度脹，以保證換熱管與管板連接的密封性能和抗拉脫強度。換熱管與外側(cè)管板連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 換熱管與外側(cè)管板連接結(jié)構(gòu)示意

3.3.2 換熱管與內(nèi)側(cè)管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

殼程介質(zhì)為水蒸汽，特性相對溫和，為了保證換熱管與內(nèi)側(cè)管板之間的密封性能，兩者之間連接方式可采用強度脹，但考慮到內(nèi)側(cè)管板厚度尺寸較大，為了進一步消除換熱管與內(nèi)側(cè)管板管孔之間的縫隙，兩者之間采用強度脹+貼脹的連接方式。換熱管與內(nèi)側(cè)管板連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 換熱管與內(nèi)側(cè)管板連接結(jié)構(gòu)示意

3.4 氫氣分布器設(shè)計

從氫氣制備與凈化工序送來的氫氣和從還原尾氣干法分離工序來的多余氫氣在氫氣緩沖罐混合后，也通入汽化器內(nèi)，與四氯化硅蒸氣形成一定比例的混合氣體。為了使氫氣與四氯化硅蒸氣充分混合均勻，汽化器內(nèi)部設(shè)置了氫氣分布器。由于氫氣進口設(shè)置在下管箱筒體上，因此氫氣分布器環(huán)管下部均勻開孔，使氫氣向下噴射，以達到氫氣和四氯化硅蒸氣的最佳混合效果。開孔總面積應(yīng)滿足氫氣進口管截面通量要求。汽化器的氫氣分布器環(huán)管結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 氫氣分布器結(jié)構(gòu)示意

4 壓力試驗及無損檢測

4.1 壓力試驗

雙管板換熱器的壓力試驗順序與單管板換熱器有著較大的區(qū)別［7］。

汽化器的壓力試驗順序如下：

1）換熱管與內(nèi)側(cè)管板強度脹+貼脹連接后，對殼程以2.14MPa的壓力進行水壓試驗，水壓試驗合格后進行換熱管與外側(cè)管板的連接。

2）換熱管與外側(cè)管板強度焊+強度脹連接組裝后，對焊接接頭進行滲透檢測，合格后進行積液程筒體的組裝焊接。

3）積液程以5.28MPa的壓力進行水壓試驗，試驗合格后，以4.0MPa的壓力進行氣密性試驗。

4）組裝管箱，對管程以5.28MPa的壓力進行水壓試驗，試驗合格后，再以4.0MPa的壓力進行氣密性試驗。

4.2 無損檢測

對殼程筒體的A、B類焊接接頭進行20%射線檢測，技術(shù)等級為AB級，按照JB/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無損檢測》進行，Ⅲ級合格。

對積液程筒體、管程筒體、封頭、管箱筒體與法蘭的A、B類焊接接頭進行100%射線檢測，技術(shù)等級為AB級，按照JB/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無損檢測》進行，Ⅱ級合格。

對筒體與管板、換熱管與管板的焊接接頭進行100%滲透檢測，按照JB/T 4730.5—2005《承壓設(shè)備無損檢測》進行，Ⅰ級合格。

3.3 疏堵結(jié)合

第一，地方政府及監(jiān)管、檢驗機構(gòu)要加大宣傳力度，指導(dǎo)企業(yè)主動申報檢驗。第二，檢驗機構(gòu)要創(chuàng)造便利條件，方便企業(yè)獲得清晰、準確的報檢信息，在法律框架內(nèi)盡量減少企業(yè)負擔(dān)。第三，監(jiān)管部門要對未及時申報檢驗、超期未檢繼續(xù)投入使用、檢驗不合格繼續(xù)投入使用等違法行為加大查處力度，形成典型案例。

3.4 注重培訓(xùn)。

申報特種設(shè)備檢驗的職責(zé)一般都落實在各企業(yè)的特種設(shè)備安全管理員崗位上，加強對特種設(shè)備安全管理員的培訓(xùn)就顯得尤為重要?？荚嚈C構(gòu)可以結(jié)合本地特種設(shè)備安全監(jiān)管部門的要求，在管理員培訓(xùn)考試中，增加一部分與日常特種設(shè)備實際管理密切相關(guān)的內(nèi)容，如申報檢驗、辦理使用登記及變更等，幫助企業(yè)更加切實有效的提升特種設(shè)備安全管理水平。

4 結(jié)語

本文分析闡述了申報檢驗環(huán)節(jié)在特種設(shè)備使用單位落實安全主體責(zé)任中的重要性，以及當(dāng)前企業(yè)落實安全主體責(zé)任中存在的不足之處。結(jié)合實際情況，著重提出了以政府引導(dǎo)為主的處置措施，通過抓好申報檢驗環(huán)節(jié)，指導(dǎo)企業(yè)逐步規(guī)范落實特種設(shè)備安全主體責(zé)任。

［1］ 闞珂，蒲長城，劉平均，等.中華人民共和國特種設(shè)備安全法釋義［M］.北京：中國法制出版社，2013.

Design of Silicon Tetrachloride Vaporizer with Double Tube-sheets in Polysilicon Production

Zhao Peng
（Zhejiang Titan Design & Engineering Co.， Ltd. Hangzhou 310012）

The function and structure feature of silicon tetrachloride vaporizer are introduced. The design of double tube-sheets， effusion pass， connecting structure between heat exchange tube and tube-sheets， hydrogen distributor are expounded. The pressure test sequence and nondestructive detection method are given. The operation status of tetrachloride silicon vaporizer is good， which indicates that the structure design of vaporizer is reasonable and it provides reference for the design of double tube-sheets heat exchanger.

Tetrachloride silicon vaporizer Double tube-sheets Heat exchanger Design

X933.4

B

1673-257X（2015）04-22-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.006

趙鵬（1984～），男，碩士，工程師，注冊安全工程師，主要從事化工機械與設(shè)備設(shè)計工作。

2014-07-31）