裂解反应器的制作方法

1.本技术涉及流化床的技术领域，更具体地说，它涉及一种裂解反应器。


背景技术：

2.多晶硅是极为重要的优良半导体材料，广泛用于制造半导体器件和太阳能电池等产品。由于矿石资源的快速消耗，低碳的环保要求，全球正在加紧开发绿色可再生能源。太阳能具有清洁、安全、资源丰富等特点，在可再生资源中最具发展潜力，硅基太阳能电池是最理想的太阳能电池之一，随着行业的蓬勃发展，市场对高纯多晶硅的需求不断增加。
3.目前，多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法。西门子法通过气相沉积的方式生产柱状多晶硅，硅烷法是将硅烷通入以多晶硅晶种作为流化颗粒的流化床中，使硅烷裂解并在晶种上沉积，从而得到多晶硅。改良西门子法和硅烷法可以生产电子级多晶硅，也可以生产太阳能级多晶硅。
4.硅烷裂解反应器是硅烷法生产多晶硅的核心设备，硅烷或者含硅气体在硅烷裂解反应器内被设置在外侧的加热器进行加热分解，分解产生的硅沉积到流化的籽晶上，进而生长成合格的多晶硅被收获。收获多晶硅可直接用于下游直拉单晶使用，无需破碎和清洗，大幅降低了生产成本。由于多晶硅的易流动性，可助力下游拉晶过程实现全自动控制，进一步提升工作效率。
5.但硅烷裂解反应器属于气固两相反应，颗粒粒径较大，流化气和硅烷或者含硅气体经喷嘴进入反应器后会形成团状的气泡，团状的气泡在反应器中上升的过程中由于内压和气体的共同作用会相互合并，分布器或者喷嘴设置的不合理会导致气泡的不断合并逐渐长大，直至和反应器内壁直径相近，形成反应器内的腾涌现象，影响反应器稳定运行，甚至中断生产。大的气泡会夹带硅颗粒向上快速运动，在反应器顶部破裂，部分硅颗粒会随着尾气进入尾气处理系统，造成尾气管道堵塞和反应器内物料损失，降低产率。


技术实现要素：

6.为了减少腾涌现象的发生，本技术提供一种裂解反应器。
7.本技术提供的一种裂解反应器，采用如下的技术方案：一种裂解反应器，包括反应器壳体，所述反应器壳体包括外壳体和内壳体，所述内壳体内设有内腔；所述内腔包括由上到下依次设置的进料段、扩大段以及反应段；所述进料段设有晶种加料管；所述外壳体和内壳体之间设有用于加热反应段的加热装置，所述反应段的下方设有气体分布装置，所述气体分布装置包括承载主体、以及设置在承载主体上的流化气进料管和反应气进料管，所述承载主体上开设有用于导出多晶硅的多晶硅分选孔；所述扩大段于水平方向上的截面面积朝远离反应段的方向逐渐增大。
8.通过上述技术方案，设置扩大段，实际生产多晶硅的过程中，流化气或反应气产生
的团状气泡，会由下至上运动，到达扩大段时，由于扩大段的截面面积逐渐扩大，进而团状气泡于扩大段向上运动过程中，团状气泡会不断扩大，随着团状气泡扩大，团状气泡的内外压差会越来越大，进而会使得团状气泡破碎，降低扩大段内部的气体流速，减少内腔内的腾涌现象发生。
9.可选的，所述气体分布装置还包括保护气进料管，所述保护气进料管同轴套设于反应气进料管的外圈。
10.通过上述技术方案，设置保护气进料管，通过保护气进料管通入保护气，包裹反应气进料管的外端，防止反应气在反应气进料管内受热分解而形成硅粉，降低硅粉堵塞反应气进料管的可能性，提高整体运转的稳定性。
11.可选的，所述反应气进料管和保护气进料管均呈竖直设置，所述反应气进料管的顶端高度高于保护气进料管的顶端高度。
12.通过上述技术方案，设置反应气进料管的顶端高度高于保护气进料管的顶端高度，可以有效减少反应气进料管产生的团状气泡以及保护气进料管产生的团状气泡在上升过程中合并成大气泡的情况，减少内腔内腾涌现象出现的可能性。
13.可选的，所述流化气进料管和反应气进料管均呈竖直设置，所述流化气进料管的顶端高度和反应气进料管的顶端高度不一致。
14.通过上述技术方案，设置流化气进料管的顶端高度和反应气进料管的顶端高度不一致，减少流化气进料管产生的团状气泡与反应气进料管产生的团状气泡在上升过程中合并成大气泡的情况，减少内腔内腾涌现象出现的可能性。
15.可选的，所述内壳体包括内壳和内衬，所述内衬设置于内壳的内部，所述内腔于内衬的内部开设，所述内衬的材质为耐高温非金属材质，所述内壳的材质为导热金属材质。
16.通过上述技术方案，设置内壳体包括内壳和内衬，且设置内衬为耐高温非金属材质，进而可以减少反应气以及晶种于反应过程中与金属的接触，减少金属杂质的污染。
17.可选的，所述内壳体的顶部设有膨胀节装置，膨胀节装置包括保护壳、第一波纹膨胀节、第二波纹膨胀节、第三波纹膨胀节、第四波纹膨胀节、第一连接件以及第二连接件；所述保护壳固定于进料段的顶部，所述第二波纹膨胀节套设于第一波纹膨胀节的外圈，所述第二波纹膨胀节的上端以及第一波纹膨胀节的上端均分别与保护壳固定连接，所述第二波纹膨胀节的下端以及第一波纹膨胀节的下端均分别连接于第一连接件的上端，第一连接件的下端与内衬的上端连接；所述第三波纹膨胀节设置于第二波纹膨胀节的外圈，所述第四波纹膨胀节套设于第三波纹膨胀节的外圈，所述第三波纹膨胀节的上端以及第四波纹膨胀节的上端均分别与保护壳固定连接，所述第二连接件位于第一连接件的下端，所述第三波纹膨胀节的下端以及第四波纹膨胀节的下端均分别与第二连接件上端连接，所述第二连接件的下端与内壳的上端连接。
18.通过上述技术方案，设置膨胀节装置，内衬以及内壳受热膨胀后，第一波纹膨胀节以及第二波纹膨胀节可以根据内衬的膨胀量进行自由的伸缩，以此来抵消热应力，第三波纹膨胀节以及第四波纹膨胀节可以根据内壳的膨胀量进行自由伸缩，以此来抵消热应力。
19.可选的，所述保护壳上开设有第一冷却气进口、第一冷却气出口、第二冷却气进口以及第二冷却气出口；
所述第一冷却气进口的下端以及第一冷却气出口的下端分别连通于第一波纹膨胀节和第二波纹膨胀节之间的间隙上方；所述第二冷却气进口的下端以及第二冷却气出口的下端分别连通于第三波纹膨胀节和第四波纹膨胀节之间的间隙上方。
20.通过上述技术方案，设置第一冷却气进口、第一冷却气出口、第二冷却气进口以及第二冷却气出口，第一冷却气进口能够通入冷却气，配合第一冷却气出口，使得冷却气能够在第一波纹膨胀节和第二波纹膨胀节之间的缝隙流动，为第一波纹膨胀节以及第二波纹膨胀节提供冷却，提高第一波纹膨胀节以及第二波纹膨胀节于高温状态下的稳定性，减少失效的可能性；第二冷却气进口能够通入冷却气，配合第二冷却气出口，使得冷却气能够在第三波纹膨胀节和第四波纹膨胀节之间的缝隙流动，为第三波纹膨胀节以及第四波纹膨胀节提供冷却，提高第三波纹膨胀节以及第四波纹膨胀节于高温状态下的稳定性，减少失效的可能性。
21.可选的，所述内壳体和外壳体之间设有隔热层。
22.通过上述技术方案，设置隔热层，减少内壳体和外壳体之间的热量传递，使得加热装置提供的热量能够更好的作用于内壳体，提高反应气与晶种的反应效果。
23.可选的，所述流化气进料管的顶部设有流化气喷头，所述反应气进料管的顶部设有反应气喷头，所述保护气进料管的顶部设有保护气喷头。
24.通过上述技术方案，设置流化气喷头、反应气喷头以及保护气喷头，分别对流化气、反应气以及保护气进行喷射，通过喷射的形式，减少反应气受热分解成硅而直接沉积于内腔腔底的可能性，提高内壳体的使用耐久。
25.可选的，所述进料段的顶部设有冷却气进料管，所述冷却气进料管的出气端朝向扩大段设置。
26.通过上述技术方案，设置冷却气进料管，从进料段顶部通入冷却气，对进料段顶部的高温气体进行稀释降温，增加顶部气体流速，快速带出裂解产生的细小粉尘，进一步降低反应器顶部细小微粉的烧结团聚风险，提高内壳体的使用耐久。
27.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：(1)通过设置扩大段，流化气或反应气产生的团状气泡在由下至上运动过程中，当团状气泡到达扩大段时，由于扩大段的截面面积逐渐扩大，团状气泡不断扩大，使得团状气泡的内外压差不一致，进而团状气泡会发生破碎，降低扩大段内部的气体流速，减少内腔内的腾涌现象发生；(2)通过设置隔热层，减少内壳体和外壳体之间的热量传递，使得加热装置提供的热量能够更好的作用于内壳体，提高反应气与晶种的反应效果；(3)通过设置流化气喷头、反应气喷头以及保护气喷头，分别对流化气、反应气以及保护气进行喷射，通过喷射的形式，减少反应气受热分解成硅而直接沉积于内腔腔底的可能性，提高内壳体的使用耐久；(4)通过设置冷却气进料管，冷却气经冷却气进料管进入内腔，对内腔顶部的高温气体进行稀释降温，同时也增加了顶部气体流速，快速带出裂解产生的细小粉尘，进一步降低内腔顶部细小微粉的烧结团聚风险，也避免尾气出料管的堵塞；
(5)通过内壳体以及外壳体的双层结构设计，一方面增强了反应过程的安全性，另一方面也降低了对材料的依赖。
附图说明
28.图1为实施例一的整体结构剖视示意图。
29.图2为实施例一的气体分布装置的结构示意图。
30.图3为实施例一的膨胀节装置的结构示意图。
31.图4为实施例二的整体结构剖视示意图。
32.附图标记：1、反应器壳体；101、内壳体；1011、内壳；1012、内衬；102、外壳体；2、加热装置；3、隔热层；4、内腔；41、进料段；42、扩大段；43、反应段；431、第一反应节；432、第二反应节；5、晶种加料管；6、冷却气进料管；7、尾气出料管；8、流化气进料管；9、反应气进料管；10、多晶硅分选孔；11、多晶硅收获管；12、保护气进料管；13、反应气喷头；14、保护气喷头；15、流化气喷头；16、膨胀节装置；161、保护壳；162、第一波纹膨胀节；163、第二波纹膨胀节；164、第三波纹膨胀节；165、第四波纹膨胀节；166、第一连接件；167、第二连接件；17、第一冷却气进口；18、第一冷却气出口；19、第二冷却气进口；20、第二冷却气出口；21、承载主体；22、环形导料台。
具体实施方式
33.以下结合附图对本技术作进一步详细说明。
34.本技术实施例公开一种裂解反应器。
35.实施例一参照图1，包括反应器壳体1，反应器壳体1包括内壳体101和外壳体102。
36.参照图1，外壳体102和内壳体101之间安装有加热装置2，加热装置2为感应加热。外壳体102和内壳体101之间还设置有隔热层3，隔热层3贴合于外壳体102的内壁设置。隔热层3的材质为岩棉。通过设置隔热层3，减少加热装置2朝外壳体102传递的热量，使得加热装置2产生的热量更加集中于内壳体101，提高对内壳体101的加热效果。
37.可替代的，加热装置2还可以为辐射加热。隔热层3的材质还可以为石棉。
38.参照图1，反应器壳体1的双层结构设计，一方面增强了安全性，另一方面也更方便检修。且实际使用过程中，内壳体101和外壳体102之间的压力通过压力控制阀进行调节，进一步保障反应过程的稳定性与安全性。
39.参照图1，内壳体101包括内壳1011和内衬1012，内衬1012固定于内壳1011的内部。在一个实施例中，内衬1012的材质可以为石墨碳化硅涂层材质。内壳1011的材质可以为合金钢。外壳体102的材质可以为合金钢。
40.在另一个实施例中，内衬1012的材质还可以为碳碳复合硅涂层或碳化硅或氮化硅等材质。内衬1012、内壳1011以及外壳体102的具体材质可以根据实际产生需要进行调整，本实施例不做具体限定。
41.参照图1，内衬1012的内部开设有内腔4。内腔4包括由上到下依次设置的进料段41、扩大段42以及反应段43。进料段41、扩大段42以及反应段43沿水平方向的截面均为圆面。进料段41的直径大于反应段43的直径，扩大段42的直径由反应段43至进料段41逐渐增
大。
42.参照图1，反应段43由第一反应节431和第二反应节432组成，第二反应节432位于扩大段42和第一反应节431之间，加热装置2位于第一反应节431的外圈用于对第一反应节431进行加热。
43.参照图1，进料段41的顶部安装有晶种加料管5、冷却气进料管6以及尾气出料管7。晶种加料管5、冷却气进料管6以及尾气出料管7均呈竖直设置。晶种加料管5的上端为进料口，下端为出料口，晶种加料管5的上端贯穿反应器壳体1伸出至外部，晶种加料管5的下端朝向扩大段42设置，晶种加料管5用于向进料段41内导入晶种。冷却气进料管6的上端为进气端，下端为出气端，冷却气进料管6的上端贯穿反应器壳体1伸出至外部，冷却气进料管6的下端朝向扩大段42设置，冷却气进料管6用于向进料段41导入冷却气。尾气出料管7的上端为排放口，尾气出料管7的上端贯穿反应器壳体1伸出至外部。
44.参照图1和图2，反应段43的下方设置有气体分布装置，气体分布装置包括承载主体21、流化气进料管8、反应气进料管9、多晶硅分选孔10、多晶硅收获管11以及保护气进料管12。流化气进料管8、反应气进料管9以及保护气进料管12均呈竖直设置。
45.参照图1和图2，承载主体21安装于反应段43的内部，承载主体21靠近反应段43的底端设置，流化气进料管8、反应气进料管9、多晶硅收获管11以及保护气进料管12均于承载主体21上安装。
46.参照图1和图2，反应气进料管9的上端为出气口，反应气进料管9的出气口位于承载主体21的上方，反应气进料管9的出气口处安装有反应气喷头13，反应气的下端为进气口，反应气进料管9的下端贯穿外壳体102的底部，反应气进料管9的轴线与反应段43的轴线重合，反应气进料管9用于向反应段43内导入反应气，反应气为硅烷气体。
47.可替代的，反应气还可以为乙硅烷气体或二氯二氢硅气体等含硅气体。
48.参照图1和图2，保护气进料管12的上端为出气口，保护气进料管12的出气口位于承载主体21的上方，保护气进料管12的出气口处安装有保护气喷头14，保护气进料管12的下端为进气口，保护气进料管12的下端贯穿反应器壳体1的底部。保护气进料管12同轴套设于反应气进料管9的外圈，保护气进料管12用于导入保护气，保护气为氢气。保护气进料管12的上端高度低于反应气进料管9的上端高度，保护气进料管12的上端与反应气进料管9的上端之间的高度差为100-300mm。
49.参照图1和图2，流化气进料管8的上端为出气口，流化气进料管8的出气口位于承载主体21的上方，流化气进料管8的出气口处安装有流化气喷头15，流化气进料管8的下端为进气口，流化气进料管8的下端贯穿反应器壳体1的底部。流化气进料管8用于向反应段43导入流化气，流化气为氢气。流化气进料管8设有多根，多根流化气进料管8于保护气进料管12的外周呈周向均匀分布。流化气进料管8的上端高度低于反应气进料管9的上端高度，流化气进料管8的上端与反应气进料管9的高度之间的高度差为100-300mm。
50.参照图1和图2，多晶硅分选孔10设置有多个，多个多晶硅分选孔10于承载主体21上开设，每个多晶硅分选孔10的轴线均沿竖直方向设置，每个多晶硅分选孔10的直径均为30-50mm。多晶硅收获管11设置有多根，多根多晶硅收获管11一一对应连接于多个多晶硅分选孔10的下端，多晶硅收获管11远离多晶硅分选孔10的一端向下贯穿反应器壳体1的底部。
51.参照图1和图2，实际制取多晶硅的过程中，加热装置2加热内腔4，维持内腔4内的
温度保持在400-900℃，内腔4的工作压力维持在0-1.5mpa。通过晶种加料管5不断导入晶种、流化气进料管8不断通入流化气，流化气为晶种的流化提供动力，反应气进料管9不断通入反应气，反应气受热分解产生的硅沉积在晶种上，使得晶种逐渐成长成多晶硅，合格的多晶硅典型的粒径为1-3mm，掉落在多晶硅分选孔10上被多晶硅收获管11获取，未成长至合格的多晶硅则会被多晶硅收获管11内的反向气流反吹至内腔4并继续沉积。反应生成多晶硅的过程中，保护气进料管12通入的保护气可以对反应气进料管9形成包裹，降低反应气于反应气进料管9内受热分解的可能性，减少反应气进料管9管内硅粉堵塞的可能性，提高整体运转的稳定性。由于流化气喷头15、保护气喷头14以及反应气喷头13的存在，将气流不断向上喷涌，减少硅于反应段43底部的沉积。
52.参照图1和图2，由于流化气进料管8的上端高度、保护气进料管12的上端高度均与反应气进料管9的上端高度不一致，进而保护气、流化气产生的团状气泡很少会与反应气产生的团状气泡发生接触，可以减少大的团状气泡的产生。且由于团状气泡上升至扩大段42后，扩大段42的直径不断增大，会使得团状气泡的体积越来越大，导致团状气泡的内外压差越来越大，进而使得团状气泡破裂，使得气体的流速降低，进而有效的减少腾涌现象的发生，有效的降低了晶种、多晶硅等被带出内腔4的风险。
53.参照图1和图2，由于进料段41顶部设置的冷却气进料管6不断往进料段41喷入冷却气，冷却气可以对进料段41顶部的高温气体进行稀释降温，增加顶部气体的相对流速，快速的将裂解产生的细小粉尘带出，降低细小粉尘于进料段41顶部烧结的可能，减少尾气出口堵塞的可能性，提高整体运转的稳定性。
54.参照图1和图2，气体分布装置还包括环形导料台22，环形导料台22固定于承载主体21上端，环形导料台22的内径由上到下逐渐减小，环形导料台22下端的内圈位于多个多晶硅分选孔10的外侧。通过环形导料台22，可以将生成的多晶硅导向多晶硅分选孔10，提高多晶硅的导出效率。
55.参照图1和图3，内壳体101的顶部固定有膨胀节装置16。膨胀节装置16包括保护壳161、第一波纹膨胀节162、第二波纹膨胀节163、第三波纹膨胀节164、第四波纹膨胀节165、第一连接件166以及第二连接件167。
56.参照图1和图3，保护壳161位于内壳体101的顶部，保护壳161的上端与外壳体102内壁的上端固定连接。第一波纹膨胀节162的轴线以及第二波纹膨胀节163的轴线均沿竖直方向设置，第二波纹膨胀节163同轴套设于第一波纹膨胀节162的外圈，第一波纹膨胀节162的上端以及第二波纹膨胀节163的上端均分别与保护壳161固定连接。第一连接件166为连接法兰，第一连接件166位于第一波纹膨胀节162以及第二波纹膨胀节163的下端。第一波纹膨胀节162的下端以及第二波纹膨胀节163的下端均分别与第一连接件166的上端同轴固定。第一连接件166的下端与内衬1012的上端同轴固定。
57.参照图1和图3，第三波纹膨胀节164的轴线以及第四波纹膨胀节165的轴线均沿竖直方向设置，第三波纹膨胀节164同轴设置于第二波纹膨胀节163的外圈，第四波纹膨胀节165同轴套设于第三波纹膨胀节164的外圈。第三波纹膨胀节164的上端以及第四波纹膨胀节165的上端均分别与保护壳161固定连接。第二连接件167为连接法兰，第二连接件167位于第一连接件166的下端。第三波纹膨胀节164的下端以及第四波纹膨胀节165的下端均分别与第二连接件167的上端同轴固定连接。第二连接件167的下端与内壳1011的上端同轴固
定连接。
58.参照图1和图3，保护壳161的上端开设有第一冷却气进口17、第一冷却气出口18、第二冷却气进口19以及第二冷却气出口20，第一冷却气进口17、第一冷却气出口18、第二冷却气进口19以及第二冷却气出口20均沿竖直方向向下贯穿保护壳161的上端。第一冷却气进口17的一端以及第一冷却气出口18的下端均分别连通于第一波纹膨胀节162和第二波纹膨胀节163之间的间隙上方。第二冷却气进口19的下端以及第二冷却气出口20的下端分别连通于第三波纹膨胀节164和第四波纹膨胀节165之间的间隙上方。
59.参照图1和图3，实际使用过程中，内衬1012以及内壳1011会受热膨胀，第一波纹膨胀节162以及第二波纹膨胀节163可以根据内衬1012的膨胀量进行自由的伸缩，以此来抵消内衬1012的热应力，第三波纹膨胀节164以及第四波纹膨胀节165可以根据内壳1011的膨胀量进行自由伸缩，以此来抵消内壳1011的热应力，确保内衬1012以及内壳1011能够长时间运行。且第一冷却气进口17能够通过入冷却气，对第一波纹膨胀节162以及第二波纹膨胀节163进行降温，降低第一波纹膨胀节162以及第二波纹膨胀节163在高温情况下失效的可能性。第二冷却气进口19能够通入冷却气，对第三波纹膨胀节164以及第四波纹膨胀节165进行降温，降低第三波纹膨胀节164以及第四波纹膨胀节165在高温情况下失效的可能性。
60.本实施例的工作原理是：晶种加料管5导入晶种、流化气进料管8通入流化气，流化气使得晶种保持流化状态，反应气进料管9通入反应气与晶种相互反应，在高温状态生成多晶硅；扩大段42的设置，使得团状气泡上升过程逐渐破裂，减少腾涌现象的发生；反应气进料管9、流化气进料管8以及保护气进料管12上端错落有致的设置，也可以减少团状气泡之间的相互合并，进而减少腾涌现象的发生。
61.实施例二与实施例一的区别在于，参照图4，外壳体102的底部开设有安装口，承载主体21于安装口处固定，流化气进料管8的上端、反应气进料管9的上端以及保护气进料管12上端均伸入反应段43内。
62.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。