阅读说明：本技术 一种氯氢化流化床热能回收工艺 (Heat energy recovery process for chlorohydrination fluidized bed ) 是由 周复礼 王永亮 谢岩 沈峰 胡永吉 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种氯氢化流化床热能回收工艺,包括如下步骤：采用多股流缠绕管式换热器作为流化床热交换器,SiCl<Sub>4</Sub>通过原料泵直接进入流化床热交换器的独立中心筒体汽化,汽化后的SiCl<Sub>4</Sub>进入流化床热交换器壳程进行换热升温,常温H<Sub>2</Sub>进入流化床热交换器壳程换热升温后与升温后的气相SiCl<Sub>4</Sub>混合,然后一起进入电加热器进一步加热,最后SiCl<Sub>4</Sub>和H<Sub>2</Sub>混合气进入FBR反应器中与硅粉发生氯氢化反应生成三氯氢硅。本发明方法整个FBR反应前的工艺流程更加简洁,不需要设计预热器、气化器设备,不需设计单程列管换热器,同时,FBR出口热物流热交换后温度降低,更有利于后冷凝系统,减少冷量投入,FBR出口热物流能量回收量达到16086KW,FBR反应前较原工艺节能1042KW。(The invention discloses a heat recovery process of a chlorohydrination fluidized bed, which comprises the following steps: the multi-strand wound tube heat exchanger is used as a fluidized bed heat exchanger, SiCl 4 Directly enters an independent central cylinder of a fluidized bed heat exchanger through a raw material pump for vaporization, and the vaporized SiCl 4 Entering a shell side of a fluidized bed heat exchanger for heat exchange and temperature rise at normal temperature H 2 Gas phase SiCl entering the shell side of the fluidized bed heat exchanger for heat exchange and heating 4 Mixing, heating in electric heater, and mixing with SiCl 4 And H 2 The mixed gas enters an FBR reactor to perform a chlorine hydrogenation reaction with the silicon powder to generate trichlorosilane. The method has the advantages that the whole process flow before FBR reaction is simpler, a preheater and gasifier equipment do not need to be designed, a one-way tube-in-tube heat exchanger does not need to be designed, and meanwhile, an FBR outlet is providedThe temperature is reduced after the heat exchange of the hot logistics, the post-condensation system is more facilitated, the cold input is reduced, the energy recovery amount of the FBR outlet hot logistics reaches 16086KW, and before the FBR reaction, the energy is saved by 1042KW compared with the original process.)

一种氯氢化流化床热能回收工艺

技术领域

本发明属于一种热能回收工艺，具体涉及一种氯氢化流化床热能回收工艺。

背景技术

氯氢化工艺中，最核心的就是热量回收利用，热量的回收利用除quencher(有称洗涤塔、有称急冷塔)顶物料的热量回收利用之外，最主要的当属流化床反应器(简称FBR)出口热物流的热量回收利用。SiCl4和H₂进料量设计日益增大，FBR出口热物流热量的回收利用也就变的更为关键。

氯氢化工艺是以流化床为主反应器，氢气(H₂)和四氯化硅(STC)气相在流化床中与固相硅粉反应生成三氯氢硅(TCS)，在流化床进口H₂和STC两股物流逐步提高热源品位进行加热至550℃，流化床出口反应后气体包括H₂、STC、TCS等统称为氯硅烷气体，约540℃氯硅烷气体逐级使用冷源进行冷凝分离，使用夹点热力学原理，对流化床出口氯硅烷气体热能分品位充分利用，可实现显著的节能效果。

目前25wt/a装置FBR出口热物流热量回收工艺为：如图1所示，25wt/a装置，SiCl₄的进料量在150t/h，SiCl₄和H₂混合后汽化后进入FBR出口热交换器进行升温，然后进入电加热器最终加热至550℃，SiCl₄和H₂混合气进入FBR反应器中与硅粉发生氯氢化反应生成三氯氢硅(TCS)，换热器采用逆流换热单级形式，使用ASPEN软件进行模拟，FBR出口热物流能量回收15044KW，核算结果如表1所示：

表1

现有的工艺存在如下缺陷：

(1)现工艺FBR出口热物流能量回收量少，现在最大回收热量15044KW，主要受工艺设计及换热设备限制，工艺设计存在冷物流热交换前投用热公用工程进行加热，减少热能回收量；管式换热器受管束长度和应力等制约，温差设计18～25℃，回收热能少；

(2)FBR出口热交换器的温差应力大，增加设备投资及泄漏风险，通常以壳程设置膨胀节来解决，温差应力设计时需要留裕量，比如设置2只甚至3只膨胀节来缓解各种工况下的温差应力，设备成本大幅提升；

(3)现工艺FBR出口热交换器的附属管道温度较高，存在应力问题，一般需要结合专业的应力分析进行配管设计，否则容易导致管道裂纹进而影响装置长周期运行；

(4)FBR出口热物流夹带硅粉，列管换热器管束易被硅粉堵塞，FBR出口热交换器回收热能衰减较多。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的缺陷，本发明针对FBR出口热物流开发设计新的热量回收工艺。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种氯氢化流化床热能回收工艺，包括如下步骤：采用多股流缠绕管式换热器作为流化床热交换器，SiCl₄通过原料泵直接进入流化床热交换器的独立中心筒体汽化，汽化后的SiCl₄进入流化床热交换器壳程进行换热升温，常温H₂进入流化床热交换器壳程换热升温后与升温后的气相SiCl₄混合，然后一起进入电加热器进一步加热，最后SiCl₄和H₂混合气进入流化床反应器中与硅粉发生氯氢化反应生成三氯氢硅。通过采用多股流缠绕管式换热器，借助于换热管的曲线缠绕设计，解决了热力膨胀的难题，同时，通过现将常温H₂升温后再与升温后的STC混合，防止常温H₂与气相STC直接混合，生成液相STC，液相STC在盘管表面直接气化，损伤盘管。

具体地，常温氢气进入流化床热交换器壳程换热升温至140℃～150℃。

SiCl₄通过原料泵增压至38bar～40bar，经管道输送至中心筒体汽化，汽化后温度210℃～230℃。受高温盘管辐射气化，汽化后压力升高，气相STC通过联通管线进入换热器壳程进行换热升温。

具体地，SiCl₄和H₂混合气经电加热升温至550℃～555℃。

其中，SiCl₄和H₂混合的摩尔比为2.5～3:1。

优选地，在流化床热交换器的中心筒底部设计排渣口，定时定量进行排渣操作。

优选地，设置排渣口每10-12小时排一次。假设流化床热交换器的独立中心筒体STC汽化量为125～150t/h,STC中含微量金属杂质(B、P、Fe、Al、Ca等)不断富集，按微量杂质为200PPb进行估算，24h热交换器的中心筒体STC汽化后富集600～720g微量元素，如不及时将富集微量金属杂质排出将会堵塞管道，本发明通过在热交换器的中心筒体底部设计排渣口，定时定量进行排渣操作(每12h排1次，一次排0.2～0.5t)，防止微量金属杂质富集。

进一步优选地，在流化床热交换器管程出口设置温度设定装置，用于控制流化床热交换器管程管程出口温度。该温度是结合产物的物料属性和试验摸索得出一个温度范围。物料中的微量金属杂质形成金属氯化物，其中AlCl₃理论在173℃出现析出，AlCl₃结晶在管线内壁导致换热效率降低甚至堵塞管线，通过试验AlCl₃在氢气氛围内的析出温度降低，降低到多少是流化床热交换器出口温度设定的关键数据。FBR热交换器管程进口温度由主反应温度决定为540℃，管程出口温度由FBR出口介质物性决定，通常工艺包保守设计为180℃，这样即可设计换热器将FBR出口热物流180～540℃区间的热能全部回收。但本发明设计将管程出口温度降低至155℃，因此设置管程出口温度为155℃，热交换器仍可保持正常高效运行，即可将FBR出口热物流155～540℃区间的热能全部回收。

更进一步优选地，对流化床热交换器的出口热物流管程盘管设计，设计盘管流速18～23m/s。盘管曲率使得管内流体惯性力和离心力不平衡，在槽截面发生二次流，增加湍动，传热效率提升同时提升自除垢能力。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明STC进入缠绕换热器进行汽化，同时在热交换器的中心筒体底部设计排渣口，定时定量进行排渣操作防止STC中微量金属杂质富集，堵塞换热器。

(2)本发明FBR热交换器管程出口温度设定，因受FBR出口介质物性影响，温度设定高了，热能回收少，温度设定低了，介质中铝的氯化物出现析出，堵塞盘管；FBR热交换器管程进口温度由主反应温度决定为540℃，管程出口温度FBR出口介质物性决定，通常工艺包保守设计为180℃，这样即可设计换热器将FBR出口热物流180～540℃区间的热能全部回收。但本发明设计将管程出口温度降低至155℃，热交换器仍可保持正常高效运行，即可将FBR出口热物流155～540℃区间的热能全部回收。

(3)本发明中多股流缠绕管式换热器设计，常温STC直接进入换热器汽化、升温，有效回收流化床应器(FBR)出口热物流能量，提高热效率，降低换热面积，解决了热力膨胀的难题，以及工艺优化后管程入口热物流温度与壳程出口冷物流加热后的温差梯度约为110℃，由于流化床热交换器的管程和壳程是一个逆流换热过程，管程的热物流和壳程的冷物流温差越大，设备换热面积越小，设备整体减小。

(4)本发明流化床应器(FBR)出口热物流管程盘管设计，设计盘管流速18～23m/s,盘管曲率使得管内流体惯性力和离心力不平衡，在槽截面发生二次流，增加湍动，传热效率提升同时提升自除垢能力

(5)FBR热交换器与液态STC换热，液态STC汽化潜热约8332KW，因汽化温度与FBR热物流温差大，热交换器设计减小，降低设备投资；

(6)气化后约210℃STC进入壳程，常温H₂进入壳程经换热升温后与STC混合，防止常温H₂与气相STC直接混合，生成液相STC，液相STC在盘管表面直接气化，损伤盘管；

(7)整个FBR反应前的工艺流程更加简洁，不需要设计预热器、气化器设备，不需设计3台单程列管换热器，使用本发明中的FBR出口热物流热交换后温度降低至155℃，较原工艺180℃，更有利于后冷凝系统，减少冷量投入。

附图说明

图1为现有技术中FBR出口热物流热量回收工艺示意图；

图2为现有技术中FBR出口热物流热量回收装置结构示意图；

图3为实施例1氯氢化流化床热能回收工艺设备示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明名做进一步详细说明。给出了详细的实施方式和具体的操作过程，实施例将有助于理解本发明，但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图3所示，本发明提出一种氯氢化流化床热能回收工艺，采用采用多股流缠绕管式换热器作为流化床热交换器，以25wt/a装置为例，SiCl₄的进料量在150t/h，SiCl₄通过原料泵增压至38bar～40bar，经管道输送至FBR热交换器独立中心筒体气化，汽化后温度210℃～230℃，常温H₂进入流化床热交换器壳程换热升温至140℃～150℃，气化升温后的STC和升温后的H₂按照摩尔比2.5～3:1混合后一起进入FBR热交换器壳程继续加热至430℃，然后进入电加热器最终加热至550℃，SiCl₄和H₂混合气进入FBR反应器中与硅粉发生氯氢化反应生成三氯氢硅(TCS)。

在一个优选的实施方式中，在上述工艺过程中，在流化床热交换器的中心筒底部设计排渣口，定时定量进行排渣操作。如STC汽化量为150t/h,STC中含微量金属杂质(B、P、Fe、Al、Ca等)不断富集，按微量杂质为200PPb进行估算，24h热交换器的中心筒体STC汽化后富集600～720g微量元素，如不及时将富集微量金属杂质排出将会堵塞管道，本发明通过在热交换器的中心筒体底部设计排渣口，定时定量进行排渣操作(每12h排1次，一次排0.2～0.5t)，防止微量金属杂质富集。

再另外的一个优选的实施方式中，可以对流化床热交换器的出口热物流管程盘管设计，设计盘管流速18～23m/s。盘管曲率使得管内流体惯性力和离心力不平衡，在槽截面发生二次流，增加湍动，传热效率提升同时提升自除垢能力。

同时，通过对管程出口温度进行设定可以进一步对热能进行回收。FBR热交换器管程进口温度由主反应温度决定为540℃，管程出口温度由FBR出口介质物性决定，通常工艺包保守设计为180℃，这样即可设计换热器将FBR出口热物流180～540℃区间的热能全部回收。本发明设计将管程出口温度降低至155℃，热交换器仍可保持正常高效运行，即可将FBR出口热物流155～540℃区间的热能全部回收。

本发明STC、H₂直接进入FBR热交换器不再进行预热气化，减少预热器和气化器工艺。本发明FBR出口热物流能量回收量达到16086KW，FBR反应前较原工艺节能1042KW，同时冷凝单元同步降低能耗。

本发明提供了一种氯氢化流化床热能回收的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。