工业工程毕业设计（论文）-四氯化硅转化为三氯氢硅的生产设备内部构件气体分布板改进.doc

摘 要太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一 爆炸式发展的行业。本文从运用改良西门子工艺生产光伏材料多晶硅的过程中四氯化硅转化为三氯氢硅的环节对生产设备内部构件气体分布板进行改进，从而减小气体通过气体分布板时的压降，增加其进入反应器的速度，以实现提高其转化率和转化效率，节约公司成本，提高产品竞争力目标。本篇论文首先介绍了研究课题的背景、研究的意义及目前的研究状况，然后简述了改良西门子生产工艺及氢化工艺在整个工艺流程中的作用，之后介绍了氢化车间的主要设备流化床反应器的主要工作原理及其主要内部构件，并为对四氯化硅转化为三氯氢硅的转化率和转化效率影响比较大的构件气体分布板提出三个改进方案，并分别进行计算，通过对比选出最佳方案。最后将改进后的气体分布板与改进前进行对比，对改进后的经济效益做出评估。关键词： 流化床反应器 气体分布板 转化率 转化效率AbstractSolar energy is the most clean, safe and reliable energy of future，The developed countries are making long-term plan about the development and utilization of solar energy， which are the main contents of energy revolution . Pv industry is increasingly becoming international another explosive development industry since IT, microelectronic industry.This paper from the angle of using the Improved Siemens Craft of producting photovoltaic material to improve the internals gas distributing plates of the production equipment which was used for into four hydrogen chloride to silicon link trichloramine. Thus reduce pressure drop of gas through a gas distributing plates ,increase the speed of gas into reactor . In order to achieve the target of improve their efficiency of conversion conversion , to save the company cost and ehance the competitiveness of their products .This paper firstly introduces the background of the topic ，the implications of the research and the current research status , then briefly introduce the Improved Siemens Craft production process and the role that hydrogenated process be in the whole process . then introduce the main equipment of hydrogenated workshop ，The fluidized bed reactor and its main principle and the main internal components . Then puting forward the improvement plan for the gas distribution board, as it has more influence in conversion and efficiency of conversion of four chlorinated silicon into hydrogen silicone. To assess the economic benefit after improving.Keywords: Fluidized Bed Reactor Gas Distributing Plates Conversion Efficiency of conversion目 录第一章 绪论11.1课题研究背景11.2课题研究的意义21.3关于气体分布板的研究现状21.4本课题研究方法介绍21.5课题的研究内容及基本思路3第二章 改良西门子工艺及冷氢化工艺42.1 改良西门子法42.1.1改良西门子法简介42.1.2改良西门子法相对于传统西门子法的优点52.2冷氢化工艺62.2.1冷氢化工艺简介62.2.2冷氢化工艺相比于其他氢化工艺的优缺点6第三章 流化床反应器73.1流化床反应器简介73.2流化床反应器的分类83.3典型流化床反应器结构介绍83.4流化床内部构件气体分布板93.4.1气体分布板需满足的基本要求93.4.2气体分布板的作用93.4.3气体分布板的分类9第四章 分布板的设计改进114.1原气体分布板装置的情况114.1.1气体分布板的结构114.1.2原工艺条件134.1.3原分布板在上述工艺条件下的阻力降计算134.1.4气体通过分布板时速度的计算134.1.5气速和压力降的计算结果134.2根据原工艺条件计算流化速度144.2.1流化速度的计算144.2.2由于气体流速可能引起的非正常流化现象164.3临界开孔率164.4改进方案设计16第五章 改进方案评价及改进后经济效益评估225.1改进方案评价225.2改进后经济效益评估23第六章 总结276.1收获276.2问题27谢 辞28参考文献29大连交通大学2011届本科生毕业设计（论文） 第一章 绪 论1.1课题研究背景太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一 爆炸式发展的行业。我国76%的国土光照充沛，光能资源分布较为均匀；与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠；除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存，太阳能蓄能 几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。但是我国光伏发电领域的技术和应用只是处于世界的下游水平。其中的主要原因是国内还没有掌握太阳能光伏电池所需要的多晶硅提纯技术，该技术目前被国外的大企业所垄断，因而国内生产太阳能光伏电池的成本很高。其中很大一部分原因就是多晶硅提纯的还原反应中产生的副产物四氯化硅的处理不当，造成污染和浪费。现在，国内外处理还原产生的四氯化硅的工艺有许多，比如用四氯化硅生产气相法白炭黑，用四氯化硅生产有机硅产品，用四氯化硅生产光纤，以及用四氯化硅转化产生三氯氢硅。那么如果能采用最后一种方法处理四氯化硅，相比于其他处理方法来说，既省去了向外运输的费用，又可以转化为本场需要的原料，可以说是一举两得，无疑是最好的方法了。而现在国际上比较主流的四氯化硅转化方法有热氢化工艺、冷氢化工艺和等离子体氢化工艺。而国内用的最多的是热氢化和冷氢化工艺。相比较来说，热氢化有以下优点：气相连续反应，不需要催化剂；易操作和控制；维修量小；反应无硼磷杂质带入，后续的精馏更简单；蒸汽耗量低，工艺成熟，有可靠的技术来源。但是其缺点是反应是电氢化还原反应，电耗高；STC转化率低（1520%）。而冷氢化工艺则是在有硅粉加入的情况下反应，电耗低；STC转化率高（22%25%）,国外运行的时间长，是未来多晶硅的发展方向。但冷氢化也有其缺点，那就是它是气固反应，间断操作；操作压力高，对硬件的要求高。国内运行时间较短，工艺成熟性有待提高1。本课题所研究的A厂采用的是冷氢化工艺，其反应装置是流化床，故欲提高四氯化硅的转化率，需从其工艺和反应装置上入手，本片论文就是从反应装置的角度去研究四氯化硅的转化率的提高方法的。1.2课题研究的意义 四氯化硅是多晶硅生产中产生的高毒物质，极易与水反应生成硅酸和氯化氢，直接排放严重污染环境，而且会造成资源的极大浪费，增加了硅的生产成本。因此如何安全处理四氯化硅已成为制约多晶硅发展的瓶颈，现在已经有将四氯化硅在流化床反应制成三氯氢硅的工艺，即冷氢化工艺2。从上面我们知道现在采用冷氢化工艺处理四氯化硅的一次转化率只有25%左右，即使是国外运用的比较成熟的技术四氯化硅的一次转化率也不过是30%左右，由此我们看出通过工艺改进或设备改进来提升其转化率的的空间非常大。本文通过设计改进四氯化硅的反应装置流化床反应器的内部的气体分布板，从而来提高四氯化硅的转化率和转化效率，通过减少催化剂在气体分布板上的黏着来减少反应设备的检修，从而来减少维修时间，增加生产工时，降低生产成本，提高产品的市场竞争力。1.3关于气体分布板的研究现状气体分布板是流化床设备的重要部件之一。它的工作状况直接影响流化床的操作效果。目前为了评价流化床的气体分布板皆以筛板上气流分布的均匀性作为基准。如果改变不同流速测定沸腾层中气体分布板中心与边缘的风速差,可以发现：当操作气流速度较小时,风速差较大；随着速度的增加,风速差逐渐减小；当流速达一定值后，风速差即保持不变3。1.4本课题研究方法介绍（1）调查法 调查法是科学研究中最常用的方法之一。它是有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法。调查方法是科学研究中常用的基本研究方法，它综合运用历史法、观察法等方法以及谈话、问卷、个案研究、测验等科学方式，对调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳，从而为人们提供规律性的知识。 本课题的一些运算数据和设备实际运行经验就是通过调查得出。（2）文献研究法 文献研究法是根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题的一种方法。文献研究法被子广泛用于各种学科研究中。其作用有：能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。能得到现实资料的比较资料。有助于了解事物的全貌。 （3）定量分析法 在科学研究中，通过定量分析法可以使人们对研究对象的认识进一步精确化，以便更加科学地揭示规律，把握本质，理清关系，预测事物的发展趋势。本课题就是通过将调查得到的数据进行定量分析，设计出可以提高反应效率的反应器构件。 （4）跨学科研究法 运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行综合研究的方法，也称“交叉研究法”。科学发展运动的规律表明，科学在高度分化中又高度综合，形成一个统一的整体。由于本课题涉及到化工和机械方面的知识，所以进行跨学科研究在所难免4。1.5课题的研究内容及基本思路 本文从提高四氯化硅的转化率的目的出发，通过对四氯化硅的转化设备流化床反应器的内部构件气体分布板研究改进来实现目标。论文首先介绍了课题研究的背景和研究的意义，然后运用调查法了解了本课题现在的研究现状，然后综合运用调查法和文献研究法介绍了本厂生产多晶硅采用的改良西门子工艺的主要流程，然后介绍氢化车间的流化床反应器及其内部构件，重点介绍气体分布板及其作用原理。之后运用定量分析法为气体分布板提出改进方案，并对改进结果进行经济效益评估。改进的过程虽然只是一个设备部件的改进，但是涉及到许多化工生产方面的研究，所以属于跨学科研究。30第二章 改良西门子工艺及冷氢化工艺2.1 改良西门子法 2.1.1改良西门子法简介多晶硅生产的西门子工艺，其原理就是在1100左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。改良西门子工艺是在传统西门子工艺的基础上，同时具备节能、降耗、回收利用生产过程中伴随产生的大量H2、HCI、SiCI4等副产物以及大量副产热能的配套工艺。目前世界上绝大部分厂家均采用改良西门子法生产多晶硅。工艺流程如图2-1所示。 图2-1 改良西门子法工艺流程简图这种方法的优点是节能降耗显著、成本低、质量好、采用综合利用技术，对环境不产生污染，具有明显的竞争优势。改良西门子工艺法生产多晶硅所用设备主要有：氯化氢合成炉，三氯氢硅沸腾床加压合成炉，三氯氢硅水解凝胶处理系统，三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统，硅芯炉，节电还原炉，磷检炉，硅棒切断机，腐蚀、清洗、干燥、包装系统装置，还原尾气干法回收装置；其他包括分析、检测仪器，控制仪表，热能转换站，压缩空气站，循环水站，变配电站，净化厂房等。该工艺主要生产环节及反应方程式如下（1）石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅， 其化学反应SiO2+CSi+CO2 （2）净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。 其化学反应SiHCl3+H2Si+HCl。 （3）完成还原反应的尾气（包括H2、HCL、SiHCL3、SiCL4、SiH2CL2等）到CDI车间进行分离，分离后的H2和HCL气体继续可用，氯硅烷经过精馏车间分离后，高纯SiHCL3继续返回到还原车间进行还原反应，剩下的大部分为SiCL4，返回到氢化车间。（4）还原反应产生的四氯化硅在氢化车间发生反应：3SiCL4+2H2+Si（粉）4SiHCL3反应条件是温度500，压强1.5Mpa.多晶硅的反应容器为密封的，用电加热硅池硅棒（直径5-10毫米，长度1.5-2米，数量80根），在1050-1100度在棒上生长多晶硅，直径可达到150-200毫米。 这样大约三分之一的三氯氢硅发生反应，并生成多晶硅。剩余部分同H2,HCL,SiHCL3,SiCl4从反应容器中分离。这些混合物进行低温分离，或再利用，或返回到整个反应中。气态混合物的分离是复杂的、耗能量大的，从某种程度上决定了多晶硅的成本和该工艺的竞争力。2.1.2改良西门子法相对于传统西门子法的优点 （1）节能：由于改良西门子法采用多对棒、大直径还原炉，可有效降低还原炉消耗的电能； （2）降低物耗：改良西门子法对还原尾气进行了有效的回收。 所谓还原尾气：是指从还原炉中排放出来的，经反应后的混合气体。 改良西门子法将尾气中的各种组分全部进行回收利用，这样就可以大大低降低原料的消耗。 （3）减少污染：由于改良西门子法是一个闭路循环系统，多晶硅生产中的各种物料得到充分的利用，排出的废料极少，相对传统西门子法而言，污染得到了控制，保护了环境】。2.2冷氢化工艺2.2.1冷氢化工艺简介改良西门子法相比于以前的西门子法，改良之处就在于增加了还原尾气回收分离和四氯化硅氢化工序，从而减小了污染，降低了成本。现代四氯化硅氢化的工艺有热氢化、冷氢化和等离子体氢化。下面着重介绍一下冷氢化工艺：冷氢化方法是处理四氯化硅的一种极其有效的方法，以四氯化硅、硅粉、氢气为原料辅以氯化氢，以氯化亚铜或镍为催化剂，在流化床反应器中进行气固相反应，主要的反应为：3SIC14+2H2+Si4SiHCl3沈祖祥等 将粉末状镍触媒与硅粉按一定比例均匀混合后，在氢气气氛下由20至420C连续变化的温度条件下活化处理；按一定配比的氢气、四氯化硅混合气体通过活化处理后的催化剂与硅粉料层实现四氯化硅的冷氢化反应。粉末状镍触媒与硅粉的质量比为1 10 ；四氯化硅和氢气的摩尔比为1：11：10；反应温度为400 一500 ，反应压力为1215MPa(g)，接触反应时间为10lOOs，三氯氢硅的一次性转化率可达到30 。2.2.2冷氢化工艺相比于其他氢化工艺的优缺点冷氢化工艺的优点是在有硅粉加入的情况下反应，电耗低；STC转化率高（国内可达22%25%）,但冷氢化也有其缺点，那就是它是气固反应，间断操作；操作压力高，对硬件的要求高。国内运行时间较短，工艺成熟性有待提高。综合来考虑，冷氢化以其能耗低、四氯化硅转化率更高的特点将成为未来多晶硅生产所运用技术的主流。第三章 流化床反应器3.1流化床反应器简介流化床反应器是化工领域的一种相对较新的工具，第一台流化床气体发生器是由德国的弗里温克尔于二十世纪二十年代发明的5。当流体流过填充有固体（催化剂）颗粒的床层，如其流体流过床层的阻力大于床层颗粒的重量时，床层中的颗粒就会像流体一样流动起来，这种床成为流化床5。流化床反应器是工业上应用较广泛的一类反应器，使用于催化或非催化的气固、液固等反应系统。目前，化学工业广泛使用固体流态化技术进行固体的物理加工、颗粒输送、催化和非催化化学加工，使用流化床反应器进行硫铁矿沸腾焙烧、石油催化裂化等生产过程。一、流化床反应器的优点：1、由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，液固相界面积大（可高达328016400/），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。2、由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热器表面间的传热系数很200400W/(K)，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。3、流体与颗粒之间传热、传质速率也较其他接触方式为高。4、流化床的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中引入、移出，并可以实现在两个流化床之间大量循环，这使得一些反应-再生、吸热-放热、正反应-逆反应等反应耦合过程和反应-分离耦合过程得以实现，使得易失活催化剂能够在工程中使用。5、由于流-固体系中空隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，这样在很宽范围内均能形成较浓密的床层。所以流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。二、流化床反应器的缺点：1、气体流动状态与平推流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差，加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气-固接触不良，使反应的转化率低，因此流化床一般达不到固定床的转化率。2、催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的破碎，增加了催化剂的损失和除尘的困难。同时由于固体颗粒的磨蚀作用，导致管子和容器的磨损严重。所以流化床反应器比较适用于下列过程：热效应很大的放热或吸热过程；要求有均一的催化剂温度和需要精确控制温度的反应；催化剂寿命比较短，操作较短时间就需要更换（或活化）的反应；有爆炸危险的反应，某些能够比较安全地在高浓度下操作的氧化反应，可以提高能力，减少分离和精制的的负担。另外，流化床反应器一般不适于如下情况：要求高转化率的反应；要求催化剂层有温度分布的反应6。3.2流化床反应器的分类流化床根据结构形式的不同可以分为以下几种：一、按照固体颗粒是否在系统内循环分类分为：非循环操作的流化床（单器）和循环操作的流化床（双器）；二、按照床层外形分类分为：圆筒形流化床和圆锥形流化床；三、按照反应器层数分类可分为：单层和多层流化床；四、按照床层中是否设置内部构件分类分为：自由床和限制床；五、按照是否催化反应分类分为：气固催化流化床反应器和气固非催化流化床反应器；3.3典型流化床反应器结构介绍尽管流化床反应器有分多种看，但是一般都是由壳体、气体分布器、内部构件（比如挡板、挡网等）、内换热器、气固分离装置和固体颗粒加入和卸出装置所组成。各部件功能介绍如下：1、壳体 壳体的作用主要是保证流化过程局限在一定的范围内进行，对 于存在强烈的吸热和放热的反应过程，保证热量不散失或少散失，一 般壳体由三层组成，由内向外，内层为耐火层，通常由耐火砖构成；中间层为保温层，由耐火纤维和矿渣棉等材料构成；最外层为钢壳，有的在钢壳外还设有保温层。耐火层和保温层材料的选择和厚度要根据机构设计和传热计算确定，对于常温过程，一般只有一层钢壳即可。2、气体分布装置 包括气体预分布器和气体分布板两部分。预分布器由外壳和导向板组成（或其他），是连接鼓风设备和分布板的部件。预分布器作用是使气体的压力均匀，使气体均匀进入分布板，从而减少气体分布板在均匀分布气体方面的负荷，与分布板相比，预分布器仅仅居于次要地位。常用气体预分布器的结构形式如：3、内部构件 内部构件有水平构件和垂直构件之分，有不同结构形式，挡板和挡网是最常用的形式，主要用来破碎气泡，改善气固接触，减少返混，从而提高反应速率和反应转化率。大多数反应器设置内部构件，对于自由床（流化床燃烧器）则不设内部构件，床内只有换热管（或称为水冷壁）和管束。4、换热装置 流化床反应器的换热装置可以装在床层内即床内换热器， 也可以使用夹套换热器，作用是及时移走或供给热量。5、气固分离器 流化床在运行过程中，由于固体颗粒强烈的扰动，一些细小的颗粒总要随气体溢出流化床外，气固分离装置的作用就是回收这部分细小颗粒使其返回床层，常用的气固分离装置有旋风分离器和内过滤器两种。3.4流化床内部构件气体分布板3.4.1气体分布板需满足的基本要求流化床的气体分布板的气体分布板是保证流化床具有良好而稳定流态化的至关重要的构件，它应该满足下列基本要求。1、具有均匀分布气流的作用，同时其压降要小。这可以通过正确选取分布板的开孔率或分布板压降与床层压降之比，以及选取适当的预分布手段来达到。2、能使流化床有一个良好的起始流态化状态，避免形成“死角”。这可以从气体流出分布板的一瞬间的流型和湍动程度，从结构和操作参数上予以保证。3、操作过程中不易被堵塞和磨蚀7。3.4.2气体分布板的作用气体分布板的作用有三：一是支撑床层上的催化剂或其他固体颗粒；二是分流，使气体均匀分布在床层的整个床面上，造成良好的起始流化条件；三是导向，可抑制气固系统恶性的聚式流态化，有利于保证床层稳定。分布板对整个流化床的直接作用范围仅0.20.3m，然而它对整个床层的流态化状态却具有决定性的影响。在生产过程中常会由于分布板设计不合理，气体分布不均匀，造成沟流和死区等异常现象7。3.4.3气体分布板的分类工业生产中使用的气体分布板的型式很多，主要有：密孔板、直流式、侧流式和填充式分布板，旋流式喷嘴和分支式分布器（多管式气流分布器）等，而每一种型式又有多种不同的结构。下面分别加以介绍。密孔板又成烧结板，被认为是气体分布均匀、初生气泡细小、流态化质量最好的一种分布板。但因其易被堵塞，并且堵塞后不易排出，加上造价较高，所以在工业中较少使用。直流式分布板结构简单，易于设计制造。但气流方向正对床层，易使床层形成沟流，小孔易于堵塞，停车时由易于漏料。所以除特殊情况外，一般不使用直流式分布板。填充式分布板是在多孔板（或栅板）和金属丝网上间隔地铺上卵石、石英砂、卵石，再用金属丝网压紧，其结构简单，制造容易，并能达到均匀布气的要求，流态化质量较好。但在操作过程中，固体颗粒一旦进入填充层就很难被吹出，容易造成烧结。另外经过长期使用后，填充层常有松动，造成移位，降低了布气的均匀程度。侧流式分布板实在分布板孔中装有锥形风帽，气流从锥帽底部的侧缝或锥帽四周的侧孔流出，是应用最广，效果较好的一种分布板。其中侧缝式锥帽因其不会在顶部形成小的死区，气体紧贴分布板板面吹出，适当气速下也可以消除板面上的死区，从而大大改善床层的流态化质量，避免发生烧结和分布板磨蚀现象，因此应用更广。短管式分布板则是在整个分布板上均匀设置了若干根短管，每根短管下部有一个气体流入的小孔，孔径为910mm，约为管径的1/31/4，开孔率约0.2%.。短管长度约为200mm。短管及其下部的小孔可以防止气体涡流，有利于均匀布气，使流化床操作稳定。多管式气流分布器是近年来发展起来的一种新型分布器。由一个主管和若干带喷射管的支管组成。由于气体向下射出，可消除床层死区，也不存在固体泄漏问题，并且可以根据工艺要求设计成均匀布气或非均匀布气的结构。另外分布器本身不同时支撑床层质量，可做成薄型结构8。第四章 分布板的设计改进由上文我们知道,流化床常用气体分布装置有多孔板、风帽型分布板和多管式气体分布器等9。本篇论文仅对本厂使用的多孔板分布器装置，从本厂生产实际的角度进行理论计算，设计出使本单位氢化车间的流化床设备转化率和转化效率更高、成本更低的气体分布装置。4.1原气体分布板装置的情况4.1.1气体分布板的结构A公司所用的气体分布板为多孔板分布器，第一、二层分布板如图4-1、4-2：图4-1 第一层分布板结构图图4-2 第二层分布板结构图反应器分布板的开孔率分布情况如表4-1。表4-1 原分布板的尺寸参数及开孔率层次孔径孔数(ram)开孔率( )板厚(ram)1m26 48+ m19 5043722m19 92+ m24 4O45723m19 39208O524m8 2384194625m7 25291580626m6 51002341827m3 275003156928m3 172001974493分布板共有八层，各层开孔率不同，第12层开孔率在O5以下，是分布板阻力损失的关键部分，是使气体均匀分布的部位。第38层，开孔率为1519 %，是气体的整理层，在第67层间加二层5目的不锈钢丝网，78层之间加了一层10目的不锈钢丝网，作用是防止催化剂颗粒漏进分布板之中。4.1.2原工艺条件(1)投料量氢气通入量：336.35kgh；四氯化硅等原料通入量：15080kgh；(2)反应器分布板的气体温度500；(3)分布板下的压力：1.5MPa；4.1.3原分布板在上述工艺条件下的阻力降计算(1)多孔板分布板的阻力计算公式如下： P= 0.0512u21-2C29.8 （4.1）C=0.835db-0.136 （4.2）式中，u：气体通过孔的气速ms； ：气体的密度kgm3；：分布板的开孔率；d: 孔径m；b:板厚m；4.1.4.气体通过分布板时速度的计算 在计算气体通过分布板速度时，可近似采用下面的伯努力方程： （4.3）式中，P为单位体积流体压力能； 为单位体积流体动能； 为体积流体动力势能；C为常数；4.1.5气速和压力降的计算结果 在温度500、压力1.5MPa时，由生产经验知气体体积约为气体标准摩尔体积的1.1倍，故：生产中通入氢气量为：3346.848m3/h通入四氯化硅等原料气体2762.672m3/h所以温度500、压力1.5MPa时，通过气体分布板的总体积为：3346.848+2762.672=6109.52m3/h气体密度为：336.35+15080/6109.52=2.523kg/m3计算结果如表4-2：表4-2 根据工艺参数计算气速和压力降结果层次开孔率（%）C(kgm3)v（m3/h）u(m/s)P(Pa)10.4370.59062.5236109.5236.43481720.4570.61622.5236109.5235.66461531.8050.61622.5236109.529.2130841.9460.69252.5236109.528.5626651.58060.70512.5236109.5210.5440362.34180.91992.5236109.527.1318473.15690.79052.5236109.525.29101819.74490.8352.5236109.520.852.6合计10696.64.2根据原工艺条件计算流化速度4.2.1流化速度的计算上面介绍了原始工艺参数，下面介绍一下在进行方案设计时将要用到的临界流化速度和操作速度。流化床的操作速度在理论上应该是处于临界速度和带出速度之间，因此，应首先确定临界流化速度和带出速度，然后再选取操作速度10。1、临界流化速度临界流化速度，也称起始流化速度、最低流化速度。是指颗粒层由固定床转为流化床时流体的表观速度，用mf表示。实际操作速度常取临界流化速度的倍数（又称流化数）来表示。临界流化速度对流化床的研究，计算与操作都是一个重要参数，确定其大小是很有必要的。确定临界流化速度最好是用实验测定，也可用公式计算。 临界流化速度计算公式如下： umf=sdp2150p-ffgmf31-mf （4.4） 式中；mf临界流化速度（以空塔计），m/ss形状系数（球形度）； dp颗粒的平均直径，m； f流体粘度，Pas； f流体密度，kg/m3；p固体催化剂颗粒密度，kg/m3； mf床层开始流化时的孔隙率。那么用上式求A公司的临界流化速度。已知A公司的工艺参数如下：床层空隙律：mf=0.55；流化气体为混合气体，f为1.3 kg/m3，f=1810-5）Pas；固体催化颗粒dp=160m，s=0.67，p=2600 kg/m3，则流化速度可用上面公式计算为： mf=16010-622600-1.31501810-60.5530.6731-0.55=0.36（m/s） 由计算结果可以知道，气体发生流态化的临界速度是0.36m/s. 2、颗粒带出速度 颗粒带出速度ut是流化床中流体速度的上限，也就是气体增大到此值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，粒子将被气流带走。此带出速度，或称终端速度，其计算公式如下： ut=3.1dpp-fgf （4.5）式中，CD为曳力系数，与粒子直径有关。那么用该公式求A公司的带出速度。已知A公司固体催化颗粒dp=160m，固体催化剂颗粒密度p为2600 kg/m3，流体密度f为1.3 kg/m3，则计算如下： ut=3.1dpp-fgf=3.11.610-42600-1.39.81.3=1.21（m/s）由计算结果可以知道，该工艺条件下,气体的带出速度为1.21m/s。3、操作速度u0的选择如上所述，求出了临界流化速度和带出速度，原则上确定了流化床操作速度的范围，其范围较宽，要最终操作速度，还必须考虑许多其他因素，加以综合分析比较，才能得出适当的选择。实际生产中，操作起诉是根据具体情况确定的。流化数u/umf一般在1.510的范围内，也有高达及时甚至几百的，如石油的催化裂化就是如此。另外也有按u/ut=0.10.4左右来取的。通常采用气速在0.150.5m/s.我国的流化床反应器，通常操作速度u0约为0.21.0m/s.4.2.2由于气体流速可能引起的非正常流化现象 当颗粒粒度较细、密度大且气速很低时；气体通过床层时会形成短路，气体通过床层时，其气速超过了临界流化速度，但床层并不流化，而是大量的气体短路通过床层，床层内形成一条狭窄的通道，此时大部分床层则处于静止状态。沟流有两种情况，沟流仅发生在局部时，称为局部沟流；如果沟流贯穿整个床层，则称为贯穿沟流。沟流现象发生时，大部分气体没有与固体颗粒很好接触就通过了床层，这在催化剂反应时引起催化反应的转化率降低。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿命和效率。要消除沟流，可适当增大气速，另外分布板的合理设计也是十分重要的。4.3临界开孔率 在有气体预分布器的情况下，可使得临界开孔率由1%提高到1.6%，而在无气体预分布器时，研究者发现，气体径向速度分布与气体流速无关而仅与分布板的开孔率有关。当开孔率1%时，径向速度分布趋于均匀，因此可以看出，在气体无预分布器的情况下，进气管径与床径比在1/41/5之间、分布板下面进气箱锥角大约为90度，气流直冲的情况下，分布板的临界开孔率为1%左右。4.4改进方案设计改进方案设计思路：通过上面的计算结果表不难看出气体分布板给气体造成了很大的压降，通过气体分布板的混合气体进入反应器的初始速度（0.85m/s）距离气体的带出速度(1.28m/s)较远，故可以试验在气体满足进入反应器的除速度的前提下通过扩大气体分布板上的孔，减小混合气体通过气体分布板的压降，从而适当增大气体通过气体分布板的速度，在外部压力保持不变的情况下，内部压力也必然会增大，这样就会增大转化率，而气体进入反应器速度增大后，反应速率也必然增大，且硅粉不易粘于气体分布板上，也起到了减少设备维修次数的目的。由上面的计算结果表还可以发现：（1）流化床反应器主要压降发生在气体通过第一、二层气体分布板，其压降占到了总压降的88.2%；（2）反应器原气体分布板的开孔率（第一层、第二层）为：0.437、0.457，远小于第一、二层的理论临界开孔率（在气流直冲的情况下，临界开孔率为1%左右）； 那么可以主要对第一、二层分布板进行改进就行，具体取0.437%和0.457%到1%递进地取三个开孔率，在满足气速要求（气体进入反应器的速度小于1.21m/s）的前提下取使气体压降最小的方案。根据以上思路，在保持原工艺条件不变的情况下，设计改进方案如下：1、方案一气体分布板的半径为1.4米，则面积为为6.15 ；将第一层分布板上的孔扩为48个直径为30mm的孔和5个直径为24mm的孔，此时的开孔率为0.5881%。第一层气体分布板按照方案一扩孔后如图4-3：图4-3 按照方案一改进后的第一层气体分布板将第二层分布板上的孔扩为92个直径为22的孔和4个直径为24mm的孔，此时第二层分布板的开孔率为0.5994%，第二层气体分布板按照方案二扩孔后如图4-4：图4-4 按照方案一改进后的第二层气体分布板计算此时的气速和压降如表4-3：表4-3 按照方案一计算气速和压力降结果层次开孔率（%）C(kgm3)V（m3/h）u(m/s)P(Pa)10.5880.58042.5236109.5231.78248320.5990.60262.5236109.5231.06207631.8050.61622.5236109.5214.3040041.9460.69252.5236109.5210.0830651.58060.70512.5236109.5211.5840862.34180.91992.5236109.527.5611073.15690.79052.5236109.525.2182819.74490.8352.5236109.520.942合计5867方案二：方案二将第一层分布板上的孔扩为48个直径为34mm的孔和5个直径为25mm的孔，此时的开孔率为0.7476%，按照方案二扩孔后的分布板如图4-5：图4-5 按照方案二改进后的气体分布板将第二层分布板上的孔扩为93个直径为25mm和4个24mm的孔，此时第二层分布板的开孔率为0.7708%，按照方案二改进后的气体分布板如图4-6：图4-6 按照方案二改进后的第二层气体分布板计算此时的气速和压降如表4-4：表4-4 按照方案二计算气速和压力降结果表 层次开孔率（%）C(kgm3)v（m3/h）u(m/s)P(Pa)10.74760.56962.5236109.5225.82114720.77080.59382.5236109.5225.3693731.8050.61622.5236109.5210.9540041.9460.69252.5236109.5210.7730651.58060.70512.5236109.5212.6640862.34180.91992.5236109.528.5611073.15690.79052.5236109.526.3682819.74490.8352.5236109.521.022合计3392方案三：方案三将第一层分布板上的孔扩为48个直径为37mm的孔和5个直径为30mm的孔，此时的开孔率为0.8956%，按照方案三改进后的气体分布板如图4-7：图4-7 按照方案三改进后的第一层气体分布板将第二层分布板上的孔扩为97个直径为27mm的孔，此时第二层分布板的开孔率为0.9020%，按照方案三改进后的气体分布板如表4-8：图4-8 按照方案三改进后的第一层气体分布板计算此时的气速和压降如表4-5：表4-5 按照方案三计算气速和压力降结果表层次开孔率（%）C(kgm3)v（m3/h）u(m/s)10.89560.56362.5236109.5219.8420.90200.59662.5236109.5218.6831.8050.61622.5236109.528.7241.9460.69252.5236109.528.3651.58060.70512.5236109.529.2262.34180.91992.5236109.527.8273.15690.79052.5236109.525.67819.74490.8352.5236109.521.76第五章 改进方案评价及改进后经济效益评估5.1改进方案评价 改进的目的是提高四氯化硅的转化率、转化效率，减少设备维修次数，降低产品生产。那么我们就是要通过评价改进方案，选出在满足操作要求和生产要求的前提下相对于改进前的生产状况综合效益更大的方案。通过计算，可以从上表中看出：改进方案一，气体分布板经过扩孔后，混合气体最终进入反应器的初始速度为u=0.94m/s,大于临界气速0.36m/s，小于带出气速1.21m/s，其总压降为5867Pa，小于原气体分布板的压降10696.6Pa；改进方案二，气体分布板经过改进最终进入反应器的速度u=1.09m/s，大于临界气速0.36m/s，小于带出气速1.21m/s，其总压降为3392Pa小于原气体分布板和方案一的压降；方案三中，气体最终进入反应器的速度u=1.28m/s(大于带出气速1.21m/s)，因此方案三不可取。方案一、二与原开孔率和压力降相比，见表4-6：表4-6 改进前和改进后压力降对比表名称开孔率（%）压力降项目改进前方案一方案二改进前方案一方案二10.4370.5880.747648172483114720.4570.5990.77084615207693731.8051.8051.80530840040041.9461.9461.94626630630651.58061.58061.580640340840862.34182.34182.341818411011073.15693.15693.15691018282819.744919.744919.74492.622合计10696.658673392由上表很显然可以看出，方案三中混合气体进入反应器的初速度大于生产中的带出速度，故方案三不可采用。采用改进方案二气体通过分布板的压力降小于采用改进方案一的压力降，而且其进入反应器的气速大于临界气速，小于带出速度，故选用改进方案二。5.2改进后经济效益评估相比于气体分布板改进前，流化床反应器的转化率和转化效率将更高，设备的检修次数将大幅减少。想比于改进前的气体分布板，改进后的气体反应设备成本更低。一般地，成本是社会或组织为生产商品或提供劳务等所耗费物化劳动和劳动中的必要劳动价值的货币衡量。成本是一个经济范畴。不同的经济环境，不同的行业特点，对成本的内涵有不同的理解。但是成本的经济内容归纳起来有两点是共同的：一是成本的形成是以某种目标为对象的。目标可以是有形的产品或无形的产品，所谓产品是广义的，一般包括硬件（如机器、计算机硬件）、流程性材料（如水泥、燃料）、软件（