浅谈多晶硅装置中安全阀泄放量的计算及设置

液反应 ， 壳侧安全阀 Ｐ Ｖ ３ Ｓ － 起作用 。
在 以上 五 种工 况 中 ， 三 种 工况 的泄放 量 是 最 第
大 的 ， 以 Ｐ Ｖ－ 所 Ｓ １的安 全 阀排 量 取 此 数 值 ， 这 种 但 工况 出现 的可能性不 大 ， 确 的操 作 和 Ｄ Ｓ监控 是 正 Ｃ
很重 要 的。
少能承受 ２ ｈ以上 ； 发生火灾时 ， 在高压消防水 冲击
下 ， 温材料不会被冲掉， 保 且结构性能不改变＿。针 ３ ］
第２ 期
２ ２３ 水 冷却 器爆 管 ．．
浅谈 多晶硅装置中安全阀泄放量的计算及设置
３ ９
０ ８ ａ ， 设 蒸 汽 侧 压 力 最 低 到 ０ ５ ａ ， 管 ． ＭＰ ｇ假 ．ＭＰ ｇ 爆
再沸器 水冷却器 管道
～ １ ３ ～４ ７ ．５ ～ ｌ Ｏ
加热蒸发壳程的循 环水 。如壳程 的 Ｐ ｖ ２整 Ｓ－
定压 力设在 ２１ ａ ， 超 压 １ 后 ， 的饱 和 温 ．ＭＰ ｇ 在 Ｏ 水 度 ２２度 ， 化 热 为 ｌ４ｌ ｋ 。所 以根 据 ＡＰ一 ２ 汽 ｓｓ ｄ／ ｇ Ｉ ５ １采用安 全泄 放量 的公 式 为 Ｗ 一２５ ×１ ２， ． ５ Ｏ ×Ｆ
性， 随着装置的大型化 ， 生产过程的连续化 ， 使整个
生产过程对各类设备特别是关键设备的可靠性要求
很高 。因此科 学 的 预 防措 施 ， 源头 上 控 制 住 各类 从
原因造成的设备超压， 采取适 当的安全措施来保护
设备 显 得尤 为重 要 。 在 多 晶硅 生 产 中工艺 介 质 氯 硅烷 ， 主要 是 二氯
３ ８
四川化 工
第１ ５卷
２１ 第 ２ ０ ２年 期
的排量作为设计计算 阀的依据 。
Ｒ２ ２
对 本例 中采用 的为玻 璃 绵毡 ， 最高 允 许 温 度 不超 过 ４０ ０ ℃。所 以根据 ＡＰ一２ ， 用安 全泄 放 量 的公 式 Ｉ １采 ５ 为 ｗ 一２ ５ ×１ ＸＡ 跎 Ｈｌ 器外 壁 修正 系 ． ５ Ｏ ×Ｆ ／ 。容 数 Ｆ ．， 一１０计算 出的泄放 量为 ５４ ３ ｇｈ １７ｋ ／ 。
６ ６ 正常最高液位在切线上 ２４ 左右 ， 在从 ． ｍ， ．ｍ 且 地面起 ７５ ． 米高度 内无塔 盘等 内件 ， 冷凝器和 回流 罐的位置布置得较高 ， 对塔 的火灾工况计算可 以不 考虑。再沸器 和水冷却 器在地面 以上 ７５米高度 ．
内。
护设备及其相关系统。在传统 的泄放量 的计算中，
在 从地 面起 ７５米高 度 内无 塔盘 等 内件 。从 布置上 ． 看 再沸 器 和水冷 却器 均在 ７５ 火 灾范 围 内 。由于 ．ｍ 连 接再 沸器 和水 冷却 器 的管 道 尺寸 较 大 ， 管道 的润
壳 程 操 作 压 力 ０ ８ ａ ， 程 操 作 压 力 ．ＭＰ ｇ 管 １０ ａ ， ．ＭＰ ｇ管程爆 向壳 程 ， 硅烷 与再沸 器蒸 汽冷凝 氯
热 管 破 裂 ，泄 放 的 三 氯 化 硅 和 四 氯 化 硅 约
５ ５ ０ｋ ／ ｒ ＴＣ 约 ２ ０ ｋ ｌｈ ＴＣ 约 １ ２ ９ ０ ｇ ｈ ， Ｓ ９ ｍｏ／ ，Ｓ ３
ｋ ｌｈ ｍｏ／ 。与水冷 却器 爆 管 不 同 的是 ， 沸器 爆 管 的 再 氯 硅烷 与进入 再沸 器 的蒸 汽冷 凝 液 反 应 ， 应 热 又 反
根 据组 分可 以确 定在 泄 放压 力 １７ ａ ， 放 ．ＭＰ ｇ泄
温 度 １ ０ ５ ， 化 热 ｌ ５ ６ｋ ／ ｇ 解 吸塔 釜 和 再 ６． ℃ 汽 １ ． Ｊｋ ，
沸 器有 保温 ， 冷 却器 没 有 保 温 。对有 较 好 的保 温 水 应 理解 为 ， 温材 料 在 火 灾 中有 良好 的耐 热性 和 机 保
—
３
２ １ ３ 失去进料 ， 贫液泵 事故 ．． 如
再沸器的热负荷 与冷凝器的负荷之差 ， 这部分
热 量将 由汽化 的氯 化 氢 和氯 硅 烷 带 出 ， 为三 百 多 量 吨每小时 。在 塔压 力 不 断升 高 到 Ｐ Ｖ－ Ｓ １的整 定 压
Ｔ 解吸塔 Ｅ 一 － １ 塔顶冷凝器 Ｖ卜 塔顶回流罐 Ｅ 一 ２ 再沸器 Ｅ 一 ３ 水冷却
湿面积如果按《 化工厂系统设计》］ ［建议的贮罐表面 。 积 的 ｌ ～２ 计算偏小， Ｏ ０ 实际估算按受火灾影响 的管道 的实际长度。
表 １ 解 吸塔等火灾润湿面积
塔
润 湿 面 积 Ｉ Ｔ １ ｌ ．４ ８ ８
２ ２ Ｐ Ｖ ２的计算 ． Ｓ －
２ ２ １ 外部 火灾 ． ．
压 力升 高 ， 而可 能损坏 设 备 。为 了保 护设 备 ， 以 进 可
提高低压侧的设计压力 ， 使其设计压力大于等于 ２ ／ ３ 倍的高压侧 的设计压 力Ｌ 。但 对高 压侧是 氯硅 ４ ］
烷， 低压 侧是 循环 水或蒸 汽 的换 热器 ， 用这 种传 统 的 方法无法 根本 解决 这一 问题 。氯硅 烷 进人 有水 的低 压 侧 ， 速反 应放 出大 量气 体并蒸 发 出大量 水蒸 气 ， 迅
的计算和分析 ， 提出对塔 、 塔顶冷凝器 、 塔底再沸器和水冷却器整个系统的安全阀设置的计算方法 和思路 。如果再沸器低压侧是蒸汽 ， 建议设计爆管工况的爆破片。
关键词 ： 多晶硅 安 全 阀 泄放 量 计算 再沸器 爆 管
硅 材料 是半 导体 工业 中最 重要 且应 用广 泛 的元 素 半导 体 材料 ， 我 国研 究 和 生 产 已有 五 十 多年 的 在 历 史 。 随着近几 年 来 光 伏 产 业 的发 展 ， 多 晶硅 为 以 基 础材 料 的太 阳 能 电池 的应 用 ， 晶硅 生 产厂 从 数 多
２ １ ２ 塔 顶冷凝 器爆 管 ．．
塔 顶 冷 凝 器 管 程 压 力 １０ ａ ， 程 压 力 ．ＭＰ ｇ 壳
－
００５ ａ 。安 全 阀的整定压 力是 按冷 冻系统 统 ．３ＭＰ ｇ 设 定 的 ， 以在 管程介 质通过 破孔 流 向壳程 时 ， 所 安
一
全阀不一定有动作 。但冷冻系统被 ＨＣ Ｉ污染。
对换热管破裂及破裂后水与工艺介质 的反应及放出 的反应热对介质 的汽化等 ， 都没有做更深入的研究。
２ 泄放量的计算
２ １ Ｐ Ｖ＿ ． Ｓ １的计算 对解 吸塔 通过 以下 五种 工 况 的分 析 ， 择 最 大 选
本文通过一个实例计算 ， 来分析 和研究例如解 吸塔
的安全 阀的设置和泄放量 的确定 ， 出在多晶硅装 提 置 中典型 的塔 的安全阀设置的思路 ， 供读者探讨。
器 Ｐ 泵 －
力后， 泄放 到排放 系统 。
２ １４ 水冷 却器爆 管 ．．
图 １ 解 吸塔 系统工艺流程简图
水 冷 却 器 管 程 的 压 力 １０ ａ ，壳 程 ． ＭＰ ｇ
０４ ａ， ．ＭＰ ｇ 管程爆 向壳 程 ， 硅 烷 与水 反 应 ， 置在 氯 设 壳 程 的安 全 阀 Ｐ ｖ－ 起 作用 。 Ｓ ２
管 程 的 压 力 １０ ａ ， 程 的 正 常 压 力 ．ＭＰ ｇ 壳 ０４ ａ ， ．ＭＰ ｇ 估算 的低 压 侧 最小 压 力 为 ０ ２ ａ 。管 ．ＭＰ ｇ 程 爆 向 壳 程 。换 热 管 内 径 １ｍｍ， 硅 烷 密 度 按 ５ 氯
１１ｋ ／ 。 １ ７ ｇ ｍ３
时管程物料流人壳程， 氯硅烷与水反应 ， 估算两根换
昂为冷 剂 ， 冷 却 器 用 ０ ４ ａ 环 水 冷 却 ， 备 水 ．ＭＰ ｇ循 设 布置在 钢结 构框 架 内 。如 图 １ 。 Ｐ Ｖ １ 置在解 吸塔 中部 ， Ｓ －设 对解 吸塔 、 顶冷凝 塔
量和规模上都得以迅猛的发展。多晶硅生产过程 中 主要物料具有 易燃 易爆或者有毒有 害和腐蚀等特
ＳＯ２ ｓ ＋ ３ ｉ （ ） ＨＣＩ＋ Ｈ２
氯 硅 烷 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水反 应 ：
Ｓ ＨＣｌ＋ ２ Ｏ — ｉ ３ Ｈ２
蒸 发蒸汽 冷凝 液 ， 进人 再 沸 器 的蒸 汽 总量 小 于 反 应
Ａ ＝５５ｋ／ ｌ Ｈ， ９ Ｊｍｏ 放热
ＳＣ ４ ２ Ｏ — ｉｌ＋ Ｈ２ ＳＯ２ｓ ＋ ４ ｉ （） ＨＣＬ
所需水量和蒸发水量的总和 。反应后泄放物及泄放
量 见表 ３ 。
表 ３ 再 沸器爆 管工况泄 放量
△ 一５ １ｋ ／ ｌ Ｈ ６ Ｊ ｍｏ 放热
假 设 壳程 的最 低压 力 在 ０ ２ ａ ， ．ＭＰ ｇ 估计 泄 放 量 采 用 两根 管破 裂来 计算 Ｌ ： ２ ］
Ｗ 一 ［． ｘｄ Ｘ（Ａ ） 。 ×２ ５６ ２ ｐ ｐ ］
３ 结论
（） １通常 在换 热器 的设计 中 ， 当换 热器 的管 子断
为 １ ３６ ｋ 。蒸发的水量可 以用公式估算 ， １ ．Ｍ／ ｇ Ｗ—
Ｑ／ Ｈ Ｈｚ 。估 算 的泄放 物及 泄放 量见表 ２ （ 一 ） 。
表 ２ 水冷却器爆 管工况泄 放量
裂时 ， 高压侧 的流体进入低压侧 ， 从而引起低压侧的
２ １ ５ 再 沸器爆 管 ．．
２ １ １ 外部 火灾 ． ．
润湿面积包括了解吸塔 、 再沸器、 水冷却器和在
火 灾影 响范 围 内的管道 外表 面积 。其 中解 吸塔 的润
湿表面为塔底正常最高液位和 ７５ ．ｍ高度 内塔盘上 液体部分的表面积之和［ ， １ 在本例中塔釜位置较高， ］
×Ａ 。 Ｈ 。计算出的泄放量为 ２０ ｋ ／ 水蒸汽。 ｌ ／ １４ ｇｈ
２ ２ ２ 阀 门误 关 闭 ． ．
械强度 。即要求保 温材料 能承受 ９ ４ ０ ℃高温， 且至
当水侧的进出 口阀门误关闭后 ， 在换热器内的 水在工艺侧加热下 ， 受热膨胀 。这种工况下的泄放
量 一般较小 。
第 ２期
浅谈 多晶硅 装 置 中安 全 阀泄放 量 的计 算及 设 置