多晶硅碳塔的设计(附件)
从多晶硅碳塔特殊的工艺操作条件及大型化的发展趋势，从其性能考虑多晶硅碳塔的选材、焊接、热处理及检测，同时从疲劳容器的角度考虑其制造技术及结构设计，对多晶硅碳塔的安全运行具有一定的指导意义。多晶硅是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上，而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。我国多晶硅生产过程中存在产品物料和能量消耗过大的问题，这些问题的解决将会提高我国产品的竞争力。在多晶硅生产过程中，高纯度的氢气是重要的原料之一。本设备通过载热体加热、冷却活性炭，解决吸附剂在吸附和再生初期氢气消耗高的问题。关键词 多晶硅，碳塔，结构设计，焊接，制造技术，检测目 录
1 引言 1
1.1 多晶硅的概述 1
1.1.1 多晶硅产业分析 1
1.1.2 多晶硅生产工艺 2
1.1.3 多晶硅的应用 3
1.2 碳塔的概述 3
1.2.1 碳塔的定义 3
1.2.2 碳塔的种类 3
1.2.3 多晶硅碳塔的核心装置 4
1.2.4 多晶硅碳塔的工作原理 4
1.3 多晶硅碳塔的研究意义 4
2 多晶硅碳塔的方案设计 5
2.1 多晶硅碳塔的工况描述 5
2.1.1 多晶硅碳塔的设计要求 6
2.1.2 多晶硅碳塔的制造要求 6
2.2 多晶硅碳塔的整体方案设计 8
2.2.1 多晶硅碳塔裙座的结构设计 8
2.2.2 多晶硅碳塔塔体的结构设计 10
2.2.3 多晶硅碳塔总体结构设计 11
3 多晶硅碳塔重要零部件的设计 11
3.1 多晶硅碳塔封头的结构设计 11
3.1.1 封头的选取 12
3.1.2 封头厚度的设计 13
3.2 多晶硅碳塔筒体的结构设计 14
3.2.1 筒体壁厚的设计 14
3.2.2 筒体长度的设计 15
3.2.3 筒体强度计算与校核 15< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
塔重要零部件的设计 11
3.1 多晶硅碳塔封头的结构设计 11
3.1.1 封头的选取 12
3.1.2 封头厚度的设计 13
3.2 多晶硅碳塔筒体的结构设计 14
3.2.1 筒体壁厚的设计 14
3.2.2 筒体长度的设计 15
3.2.3 筒体强度计算与校核 15
3.3 多晶硅碳塔中蛇形管的设计 19
3.3.1 蛇形管的选用 19
3.3.2 材料及尺寸的选取 20
3.4 多晶硅碳塔其他部件的设计 21
3.4.1 本设备法兰的选取 21
3.4.2 本设备支座的选取 22
3.4.3 本设备吊耳的设计 23
3.4.4 本设备人孔的设计 24
3.4.5 本设备开孔补强的设计 25
3.4.6 本设备保温圈的结构设计 25
3.5 多晶硅碳塔的压力计算 26
3.5.1 容器内气压测试压力计算 26
3.5.2 夹套气压测试压力计算 27
4 设备制造工艺和检测方法 27
4.1 多晶硅碳塔制造工艺 27
4.1.1 板料成型 28
4.1.2 切割机的选取 28
4.1.3 焊接方式 29
4.1.4 焊接接头和焊缝的坡口形式 29
4.1.5 焊条的选取 32
4.2 本设备的主要检测方法 32
结论 34
致谢 35
参考文献36
1 引言
多晶硅材料是由金属硅作为原料经过一系列的物理化学反应对其进行提纯后从而达到一定纯度的电子材料，它是硅产品产业链中一个非常重要的中间产品，是制造高纯硅制品、太阳能电池及硅抛光片的主要原料，也是半导体、太阳能光伏电池业以及电子信息业最基础的功能性材料。随着以上叙述产业的飞速发展，而市场上多晶硅资源非常紧缺，价格也一路飙升，所以建造大型多晶硅装置成为国内投资者的首选。其中，在多晶硅生产工艺过程中需要使用塔器，塔器作为一条实现多晶硅产业密闭循环的有效途径，开始得到越来越多业内人士的认可。。。
1.1 多晶硅的概述
多晶硅是极为重要的优良半导体材料和光伏材料，多晶硅的需求来自于半导体和太阳能电池。图 1-1 为多晶硅示意图。多晶硅可以按照其纯度分为三类，分别为太阳级硅、冶金级硅、以及电子级硅[2]。
图 1-1 多晶硅示意图
多晶硅一般呈现出不透明，深银灰色，常温下不活泼[3]，具有金属光泽，高温下可与氮、硫、氧等反应，并且在高温熔融状态下，具有较大的化学活泼型，几乎能与任何材料作用。多晶硅具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性[4]。在多晶硅生产工艺过程中需要使用塔器。本课题研究的碳塔是多晶硅生产工艺过程的合理设备。由于碳塔规格的不断扩大，其制造、检测、运输、安装都存在问题。
1.1.1 多晶硅产业分析
一 国内产业现状
整体看，目前我国多晶硅市场需求大，行业投资热，但实际产量仍存在缺口。由于市场需求较大，近年来国内多晶硅行业存在盲目投资、重复建设、无序上马的现象，行业集中度较低，80%的多晶硅厂商规模普遍不超过1000吨。这些小企业盲目追求利润，造成排放超标、能耗巨大，产生的效益远远比不上给环境所带来的损害。同时，由于技术研发能力落后，产品良产率较低，销售渠道不稳定，使得不少企业声称产能很大，但厂房建立数年，却总是无法按量达产。因此，国内多晶硅行业设计产能和实际产量之间缺口较大[5]。
二 国际产业现状
目前，多晶硅是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上,而且在今后很长的时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的产能长期以来都在美、日、德等3个国家手里，形成市场垄断化、技术封锁化的状况。世界生产多晶硅的企业主要有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司等，其年产能大部分在1000吨以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三个公司生产规模最大，年生产能力均在3000－5000吨。
1.1.2 多晶硅生产工艺
多晶硅的传统生产工艺主要有三种：改良西门子法、硅烷法以及冶金法[1]。多晶硅生产工艺流程最主要包括三氯氢硅合成、四氯化硅的热氢化（有的采用氯氢化），精馏，还原，尾气回收，还有一些小的方面，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等[7]。
主要反应包括 Si+HCl---SiHCl3+H2 （三氯氢硅合成）
SiCl4+H2---SiHCl3+HCl （热氢化）
SiHCl3+H2---SiCl4+HCl+Si （还原）
多晶硅的生产方法如下表1-1所示
表1-1 多晶硅的生产方法
多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法[6]。西门子法通过气相沉积的方 式生产柱状多晶硅，为了提高原料利用率和环境友好，在前者的基础上采用了闭环式生产工艺即改良西门子法。该工艺将工业硅粉与HCl反应，
1 引言 1
1.1 多晶硅的概述 1
1.1.1 多晶硅产业分析 1
1.1.2 多晶硅生产工艺 2
1.1.3 多晶硅的应用 3
1.2 碳塔的概述 3
1.2.1 碳塔的定义 3
1.2.2 碳塔的种类 3
1.2.3 多晶硅碳塔的核心装置 4
1.2.4 多晶硅碳塔的工作原理 4
1.3 多晶硅碳塔的研究意义 4
2 多晶硅碳塔的方案设计 5
2.1 多晶硅碳塔的工况描述 5
2.1.1 多晶硅碳塔的设计要求 6
2.1.2 多晶硅碳塔的制造要求 6
2.2 多晶硅碳塔的整体方案设计 8
2.2.1 多晶硅碳塔裙座的结构设计 8
2.2.2 多晶硅碳塔塔体的结构设计 10
2.2.3 多晶硅碳塔总体结构设计 11
3 多晶硅碳塔重要零部件的设计 11
3.1 多晶硅碳塔封头的结构设计 11
3.1.1 封头的选取 12
3.1.2 封头厚度的设计 13
3.2 多晶硅碳塔筒体的结构设计 14
3.2.1 筒体壁厚的设计 14
3.2.2 筒体长度的设计 15
3.2.3 筒体强度计算与校核 15< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
塔重要零部件的设计 11
3.1 多晶硅碳塔封头的结构设计 11
3.1.1 封头的选取 12
3.1.2 封头厚度的设计 13
3.2 多晶硅碳塔筒体的结构设计 14
3.2.1 筒体壁厚的设计 14
3.2.2 筒体长度的设计 15
3.2.3 筒体强度计算与校核 15
3.3 多晶硅碳塔中蛇形管的设计 19
3.3.1 蛇形管的选用 19
3.3.2 材料及尺寸的选取 20
3.4 多晶硅碳塔其他部件的设计 21
3.4.1 本设备法兰的选取 21
3.4.2 本设备支座的选取 22
3.4.3 本设备吊耳的设计 23
3.4.4 本设备人孔的设计 24
3.4.5 本设备开孔补强的设计 25
3.4.6 本设备保温圈的结构设计 25
3.5 多晶硅碳塔的压力计算 26
3.5.1 容器内气压测试压力计算 26
3.5.2 夹套气压测试压力计算 27
4 设备制造工艺和检测方法 27
4.1 多晶硅碳塔制造工艺 27
4.1.1 板料成型 28
4.1.2 切割机的选取 28
4.1.3 焊接方式 29
4.1.4 焊接接头和焊缝的坡口形式 29
4.1.5 焊条的选取 32
4.2 本设备的主要检测方法 32
结论 34
致谢 35
参考文献36
1 引言
多晶硅材料是由金属硅作为原料经过一系列的物理化学反应对其进行提纯后从而达到一定纯度的电子材料，它是硅产品产业链中一个非常重要的中间产品，是制造高纯硅制品、太阳能电池及硅抛光片的主要原料，也是半导体、太阳能光伏电池业以及电子信息业最基础的功能性材料。随着以上叙述产业的飞速发展，而市场上多晶硅资源非常紧缺，价格也一路飙升，所以建造大型多晶硅装置成为国内投资者的首选。其中，在多晶硅生产工艺过程中需要使用塔器，塔器作为一条实现多晶硅产业密闭循环的有效途径，开始得到越来越多业内人士的认可。。。
1.1 多晶硅的概述
多晶硅是极为重要的优良半导体材料和光伏材料，多晶硅的需求来自于半导体和太阳能电池。图 1-1 为多晶硅示意图。多晶硅可以按照其纯度分为三类，分别为太阳级硅、冶金级硅、以及电子级硅[2]。
图 1-1 多晶硅示意图
多晶硅一般呈现出不透明，深银灰色，常温下不活泼[3]，具有金属光泽，高温下可与氮、硫、氧等反应，并且在高温熔融状态下，具有较大的化学活泼型，几乎能与任何材料作用。多晶硅具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性[4]。在多晶硅生产工艺过程中需要使用塔器。本课题研究的碳塔是多晶硅生产工艺过程的合理设备。由于碳塔规格的不断扩大，其制造、检测、运输、安装都存在问题。
1.1.1 多晶硅产业分析
一 国内产业现状
整体看，目前我国多晶硅市场需求大，行业投资热，但实际产量仍存在缺口。由于市场需求较大，近年来国内多晶硅行业存在盲目投资、重复建设、无序上马的现象，行业集中度较低，80%的多晶硅厂商规模普遍不超过1000吨。这些小企业盲目追求利润，造成排放超标、能耗巨大，产生的效益远远比不上给环境所带来的损害。同时，由于技术研发能力落后，产品良产率较低，销售渠道不稳定，使得不少企业声称产能很大，但厂房建立数年，却总是无法按量达产。因此，国内多晶硅行业设计产能和实际产量之间缺口较大[5]。
二 国际产业现状
目前，多晶硅是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上,而且在今后很长的时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的产能长期以来都在美、日、德等3个国家手里，形成市场垄断化、技术封锁化的状况。世界生产多晶硅的企业主要有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司等，其年产能大部分在1000吨以上，其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三个公司生产规模最大，年生产能力均在3000－5000吨。
1.1.2 多晶硅生产工艺
多晶硅的传统生产工艺主要有三种：改良西门子法、硅烷法以及冶金法[1]。多晶硅生产工艺流程最主要包括三氯氢硅合成、四氯化硅的热氢化（有的采用氯氢化），精馏，还原，尾气回收，还有一些小的方面，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等[7]。
主要反应包括 Si+HCl---SiHCl3+H2 （三氯氢硅合成）
SiCl4+H2---SiHCl3+HCl （热氢化）
SiHCl3+H2---SiCl4+HCl+Si （还原）
多晶硅的生产方法如下表1-1所示
表1-1 多晶硅的生产方法
多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法[6]。西门子法通过气相沉积的方 式生产柱状多晶硅，为了提高原料利用率和环境友好，在前者的基础上采用了闭环式生产工艺即改良西门子法。该工艺将工业硅粉与HCl反应，
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