王曉靜 馬東云 劉雅茜 孫啟蒙 陸曉詠 徐義明 秦鳳祥

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院；2.中建安裝工程有限公司)

新型連續(xù)式多晶硅渣漿干燥機(jī)的開發(fā)及流場(chǎng)模擬

王曉靜1馬東云1劉雅茜1孫啟蒙1陸曉詠2徐義明2秦鳳祥2

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院；2.中建安裝工程有限公司)

根據(jù)多晶硅生產(chǎn)中固渣漿料的處理特點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套連續(xù)密閉的干燥機(jī)，通過(guò)一定簡(jiǎn)化后，建立了干燥機(jī)的三維模型，并應(yīng)用CFD軟件Fluent14.5初步模擬了干燥機(jī)內(nèi)的流體流動(dòng)，計(jì)算中采用RNGκ-ε湍流模型。結(jié)果表明：在輻桿與螺帶和旋轉(zhuǎn)錐筒連接處有大量的漩渦產(chǎn)生，邊界層分離；在旋轉(zhuǎn)錐筒和內(nèi)、外螺帶的攪拌作用下，流體連續(xù)流動(dòng)，形成軸向、徑向與切向流，湍流程度加?。诲F筒外的湍流程度比錐筒內(nèi)的顯著。構(gòu)建了連續(xù)式雙螺旋干燥機(jī)小試裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在全滿流狀態(tài)下，以濃鹽水代替固渣漿料進(jìn)行冷模實(shí)驗(yàn)，研究了軸向、徑向和切向三維分速度的分布特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：錐筒轉(zhuǎn)速和循環(huán)量對(duì)流體軸向速度作用不明顯，在螺帶和錐筒作用下形成的渦流具有二次導(dǎo)流作用，帶動(dòng)流體切向和徑向周期運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與流體仿真結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性，均證明了連續(xù)式密閉嵌套的雙螺帶干燥機(jī)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

干燥機(jī) 多晶硅 設(shè)計(jì)開發(fā) CFD數(shù)值模擬 冷模實(shí)驗(yàn)

符號(hào)說(shuō)明

b——螺帶寬度，mm；

c——錐筒與螺帶間隙，mm；

cp——定壓比熱容，J/(kg·K)；

D1——錐筒大端直徑，mm；

D2——錐筒小端直徑，mm；

d——進(jìn)料管直徑，mm；

g——重力加速度，m/s2；

H——錐筒長(zhǎng)度，mm；

h——螺帶長(zhǎng)度，mm；

S——螺帶間距，mm；

t——溫度，K；

u——速度矢量；

v——平均軸向流速，m/s；

θ——時(shí)間，s；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

μ——粘度，Pa·s；

ρ——密度，kg/m3；

φ——散逸熱速率，J·m3/s。

近年來(lái)，隨著能源價(jià)格和原材料成本的提高，迫切需要開發(fā)新的能源。綠色環(huán)保、安全無(wú)污染的太陽(yáng)能成為研究的重點(diǎn)之一，而多晶硅是發(fā)展太陽(yáng)能電池的必備材料，因此多晶硅的生產(chǎn)和純度的提高成為研究的重點(diǎn)。就目前的多晶硅生產(chǎn)工藝來(lái)看，改良西門子法比較成熟[1～4]。然而在合成、提純等工藝中會(huì)產(chǎn)生含有四氯化硅、三氯氫硅(統(tǒng)稱氯硅烷)與二氧化硅及氯化物等的固渣漿料。這其中所含的二氯二氫硅、三氯氫硅及四氯化硅等是有毒物質(zhì)，而且極易與空氣和水反應(yīng)生成易燃易爆物質(zhì)，因此多晶硅固渣漿料如果不加處理任意排放，勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。目前，較普遍的處理方法是通過(guò)干燥的手段，使氯硅烷轉(zhuǎn)換為氣體分離出來(lái)，而干燥后的渣料送往后續(xù)工藝，減少了水解處理量，同時(shí)分離出來(lái)的氯硅烷氣體可以繼續(xù)輸送到多晶硅還原爐內(nèi)循環(huán)使用。但是，傳統(tǒng)的渣漿干燥機(jī)采用間歇操作，干燥設(shè)備一次投料量大，因此對(duì)設(shè)備的承載量和熱負(fù)荷提出了新的挑戰(zhàn)。

學(xué)者們對(duì)于多晶硅生產(chǎn)中固渣漿料的處理進(jìn)行了很多的研究和嘗試。楊濤詳細(xì)論述了改良西門子法的工藝流程，并提出了工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題[5]。劉剛等則對(duì)改良西門子法中三氯氫硅的精餾工藝進(jìn)行了改進(jìn)，將傳統(tǒng)的三塔精餾工藝改造為四塔精餾，從而降低了三氯氫硅中P、B等雜質(zhì)的含量，可使純度達(dá)到99.999%[6]。李群生和王翔宇對(duì)三氯氫硅粗餾的三塔精餾過(guò)程進(jìn)行了模擬，利用響應(yīng)曲面法分析探究了不同操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品組成的綜合影響，并給出了流程的參數(shù)組合[7]。李國(guó)棟等利用Aspen軟件對(duì)三氯氫硅的還原過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化，提高了生產(chǎn)效率并且降低了能耗[8]。姜利霞等提出了一種冷氫化低能耗精餾提純工藝[9]。

本課題組研發(fā)的干燥機(jī)采用連續(xù)操作，減小了由于間歇操作對(duì)設(shè)備施加的交變載荷的影響，而且采用了新型結(jié)構(gòu)，使得干燥機(jī)單位體積的傳熱面積增加，增大了干燥設(shè)備的熱負(fù)荷，處理能力有所提高。干燥機(jī)的密封結(jié)構(gòu)更加合理，隔離了水和空氣，操作安全。對(duì)于多晶硅的安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗具有重要的意義。通過(guò)一定的簡(jiǎn)化后，建立了該連續(xù)式干燥機(jī)的簡(jiǎn)化模型，并采用CFD軟件Fluent14.5對(duì)干燥機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了初步模擬。同時(shí)構(gòu)建了干燥機(jī)小試裝置，進(jìn)行冷模實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)示蹤粒子的追蹤記錄，獲得其運(yùn)動(dòng)軌跡用以反映流體的運(yùn)動(dòng)情況，求得各個(gè)方向的速度并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以期驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、獲得基礎(chǔ)的流場(chǎng)和速度分布，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型和物理模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)干燥機(jī)內(nèi)流動(dòng)時(shí)各流場(chǎng)參數(shù)是不隨時(shí)間變化的，因此可看做單相穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。干燥機(jī)內(nèi)漿料的運(yùn)動(dòng)速度較低，可視為不可壓縮流體的流動(dòng)。則連續(xù)性方程、Navier-Stokes動(dòng)量方程和能量方程分別如下[10]：

連續(xù)性方程 ▽·u=0

由于固體錐面存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此壁面附近存在高剪切流，并伴隨漩渦的產(chǎn)生，因此湍流模型采用RNGκ-ε模型：

1.2 物理模型

新型連續(xù)式干燥機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a. 新型干燥機(jī)采用嵌套雙錐結(jié)構(gòu)，物料在干燥機(jī)內(nèi)經(jīng)過(guò)錐筒和圓柱筒的兩次換熱。同時(shí)，外螺帶和錐筒均是中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)通蒸汽，增加了單位體積的傳熱面積。

b. 入口管深入到干燥機(jī)的內(nèi)部，加上錐筒的存在將干燥機(jī)內(nèi)的空間分成兩部分，因此物料在干燥機(jī)內(nèi)的行程是兩個(gè)干燥機(jī)的長(zhǎng)度，增加了物料的停留時(shí)間。

c. 出口處設(shè)置多級(jí)星形閥實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)排出，并可保證干燥機(jī)內(nèi)的密閉環(huán)境。

該連續(xù)式干燥機(jī)的工作原理為：物料通過(guò)進(jìn)料管進(jìn)料，在旋轉(zhuǎn)錐筒和內(nèi)螺帶的帶動(dòng)下，向左流動(dòng)并和錐筒進(jìn)行換熱，在最左端進(jìn)入錐筒和外筒壁之間的流道繼續(xù)和錐筒、外筒壁進(jìn)行換熱，最后氯硅烷氣體從C流出，固渣由星形閥D實(shí)現(xiàn)連續(xù)出料。干燥機(jī)簡(jiǎn)圖如圖1所示，具體參數(shù)如下：

錐筒大端直徑D11 300mm

錐筒小端直徑D2280mm

錐筒長(zhǎng)度H2 700mm

螺帶長(zhǎng)度h2 500mm

進(jìn)料管直徑d140mm

螺帶寬度b8mm

螺帶與筒壁間隙c10mm

螺帶間距S1 400mm

圖1 連續(xù)式臥螺錐套回轉(zhuǎn)干燥機(jī)簡(jiǎn)圖

2 數(shù)值模擬和冷模實(shí)驗(yàn)

滿流是干燥機(jī)的一個(gè)極端工作狀態(tài)，也是最危險(xiǎn)的狀態(tài)，此時(shí)對(duì)干燥機(jī)內(nèi)各構(gòu)件的要求也是最高的。因此，文中的流場(chǎng)分析是在干燥機(jī)滿流的狀態(tài)下進(jìn)行的。由于物料在干燥機(jī)內(nèi)的流動(dòng)分為兩階段，即在錐筒內(nèi)和錐筒外流動(dòng)，因此模擬分為兩部分進(jìn)行。模型在Pro E中建立，導(dǎo)入Fluent，模擬工作是在Anasys14.5中完成的。

2.1 工業(yè)裝置模擬

模擬采用RNGk-ε模型，壁溫恒定為408K?？紤]重力作用。模擬渣漿入口溫度344K，渣漿的密度1 470kg/m3，比熱770J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0.099W/(m·K)，粘度3.4～6.2mPa·s。模擬的入口速度范圍0.06～0.14m/s，錐筒旋轉(zhuǎn)速度6～18r/min，干燥機(jī)材料采用304不銹鋼，攪拌系統(tǒng)選用45號(hào)鋼。

2.2 小試裝置模擬

按照工業(yè)裝置的結(jié)構(gòu)，縮比制造完成可視化小試實(shí)驗(yàn)裝置，采用有機(jī)玻璃以便于觀察。采用質(zhì)量體積濃度為21.6g/L、粘度為1.594mPa·s的濃鹽水代替多晶硅渣漿，可視為不可壓縮流體的流動(dòng)。采用與工業(yè)裝置相同的模擬條件，入口設(shè)置為速度入口、出口設(shè)置為壓力出口，并將錐筒內(nèi)外表面設(shè)置為軸向旋轉(zhuǎn)的壁面，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

2.3 冷模實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)田兆君提出的平面鏡與攝像機(jī)合體的三維立體恢復(fù)理論[11]，采用高速攝像機(jī)結(jié)合平面反射鏡的單攝像頭雙影像三維動(dòng)態(tài)粒子示蹤方法，在示蹤粒子記錄中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)平面數(shù)碼影像到空間三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，推導(dǎo)出由平面二維像素坐標(biāo)到空間三維坐標(biāo)的變換公式，從而得出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而計(jì)算得到粒子的速度。由于所配置的濃鹽水與示蹤粒子等密度，故可以用示蹤粒子的速度變化情況推得流體的流動(dòng)趨勢(shì)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a. 了解實(shí)驗(yàn)裝置和干燥工藝流程特點(diǎn)、熟悉循環(huán)泵及高速攝像機(jī)等實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法；

b. 確定高速攝像機(jī)和平面鏡的安裝位置(圖2)，測(cè)量得到實(shí)驗(yàn)需要的關(guān)鍵尺寸d1=337mm，d2=262mm，d3=462mm；

c. 配置質(zhì)量體積濃度為21.6g/L的食鹽溶液40L，將示蹤粒子分3組，分別用自噴漆涂成紅、綠、黑3種顏色備用；

d. 將示蹤粒子隨配置好的食鹽溶液加入到干燥裝置內(nèi)，充滿；

e. 啟動(dòng)電機(jī)，參照數(shù)值模擬設(shè)定值，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小和循環(huán)泵的流量，待裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，開啟高速攝像機(jī)，開始攝像，為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種條件攝像3次；

f. 調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和循環(huán)泵流量，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟；

g. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后整理器材，用清水將小試裝置沖洗干凈；

h. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

圖2 設(shè)備布局圖

3 結(jié)果分析

3.1 工業(yè)裝置模擬結(jié)果分析

對(duì)于螺旋式設(shè)備，軸向速度和切向速度是研究的重點(diǎn)。圖3給出了入口速度為0.12m/s，錐筒轉(zhuǎn)速為15r/min，流體粘度為3.4mPa·s時(shí)，錐筒內(nèi)z=0mm截面的速度矢量分布云圖，由圖3可以看出流體進(jìn)入干燥機(jī)，在旋轉(zhuǎn)錐筒和螺帶的作用下，形成切向流動(dòng)、徑向流動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)。

圖3 z=0mm截面速度矢量分布云圖

如圖4所示，流體流動(dòng)過(guò)程中，迎向流體的螺帶面壓力較高，導(dǎo)致背向流體的一面出現(xiàn)低壓區(qū)，低壓區(qū)的存在使得流體產(chǎn)生漩渦，出現(xiàn)邊界層分離。隨著流動(dòng)的進(jìn)行，接近錐筒大端時(shí)，由于流體流道的擴(kuò)大，流體流動(dòng)劇烈程度降低，漩渦很少或消失。在內(nèi)外流體區(qū)域的過(guò)渡區(qū)，流體的速度較小，在錐筒內(nèi)不斷進(jìn)入的流體的壓力下進(jìn)入錐筒外區(qū)域。在錐筒外區(qū)域，流體在外螺帶和錐筒的帶動(dòng)下向出口處流動(dòng)，由于錐筒外區(qū)域的動(dòng)力部件較多，因此整體的流速和湍動(dòng)要比在錐筒內(nèi)區(qū)域的大。

圖4 截面I處速度矢量分布云圖

圖5給出了z=0mm截面切向速度分布云圖。產(chǎn)生流體切向速度變化的原因有兩個(gè)：一是由于旋轉(zhuǎn)錐筒的帶動(dòng)，二是由于螺帶和輻桿的攪拌作用。因此也可以看出在錐筒附近，切向速度變化較大，切向速度梯度較大。同時(shí)還可看出輻桿對(duì)流體切向速度的影響也較大，在輻桿附近切向速度有較大的變化。

圖5 z=0mm截面切向速度分布云圖

圖6為軸向速度分布云圖。軸向速度在輻桿和錐筒附近較大。由不同軸向截面的速度分布云圖可以看出在流體流通面積較小時(shí)，軸向速度較大，如物料剛進(jìn)入干燥機(jī)時(shí)，流道較為狹窄，此時(shí)軸向速度變化快，速度梯度大，隨著流動(dòng)的進(jìn)行，流體流道的擴(kuò)張，軸向速度變化趨于平緩，只是在螺帶和輻桿的附近有較大的變化，但只是局部效應(yīng)。當(dāng)流體由錐筒內(nèi)向錐筒外流動(dòng)時(shí)，流體的流道變窄，因此流體的軸向速度又有較大的變化，而后趨于平緩直到出口處。

圖6 z=0mm截面軸向速度分布云圖

圖7為不同軸向截面的速度矢量分布云圖，由圖可見由于重力和旋轉(zhuǎn)錐筒的作用，流體在偏離重力方向大約120°時(shí)速度達(dá)到最大，而后出現(xiàn)邊界層分離[12]，流體在重力作用下回落并與上升流體碰撞摻混，產(chǎn)生漩渦。

圖7 不同軸向截面速度矢量分布云圖(錐筒內(nèi))

3.2 小試裝置模擬結(jié)果分析

圖8、9給出了入口速度為0.10m/s，錐筒轉(zhuǎn)速為12r/min時(shí)流體速度分布云圖和速度矢量分布云圖。由圖可知，流體進(jìn)入錐筒后軸向速度整體呈減小趨勢(shì)，隨軸向距離增加，錐筒內(nèi)的空間逐漸增大，因此錐筒內(nèi)側(cè)流體的速度會(huì)越來(lái)越小。在內(nèi)螺帶、輻桿與錐筒連接處和外螺帶、輻桿與外筒連接處，由于螺帶和旋轉(zhuǎn)壁面的作用，流體在流動(dòng)過(guò)程中形成漩渦，流動(dòng)程度加劇，速度邊界層減薄，流場(chǎng)分析結(jié)果與工業(yè)裝置流場(chǎng)分析結(jié)果一致。這表明，連續(xù)式錐套雙螺旋干燥機(jī)攪拌效果明顯，提高傳熱能力，改善了傳熱效果。

圖8 速度分布云圖

圖9 速度矢量分布云圖

3.3 小試裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了便于觀察，本實(shí)驗(yàn)以錐筒外流體運(yùn)動(dòng)為研究重點(diǎn)。根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的空間軌跡，采用速度計(jì)算公式，計(jì)算得到軌跡上各點(diǎn)的速度。圖10、11分別給出了錐筒轉(zhuǎn)速為17r/min，泵的循環(huán)量為2.3L/min時(shí)，示蹤粒子在軸向、徑向和切向各點(diǎn)的速度隨軸向截面的變化。

圖10 軸向速度隨軸向截面的變化

圖11 徑向、切向速度隨軸向截面的變化

由圖10可以看出，錐筒外側(cè)，軸向速度較平緩，在各個(gè)位置處，流體軸向速度隨軸向截面的變化沒(méi)有明顯規(guī)律，在軸向截面為20、130、450mm位置處，軸向速度的波動(dòng)尤其劇烈，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些位置為外螺帶與輻桿連接處，與流場(chǎng)模擬結(jié)果一致。這表明：由于螺帶和輻桿的攪拌作用，流體流動(dòng)加劇，湍動(dòng)能提高。由圖11可以看出，徑向和切向的速度大體上保持一致的變化趨勢(shì)。由于外螺帶攪拌作用和錐筒的旋轉(zhuǎn)作用，帶動(dòng)流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成切向流和徑向流，所以切向和徑向速度有較大的變化。且干燥機(jī)在勻速地旋轉(zhuǎn)，螺帶和錐筒做周期運(yùn)動(dòng)，因此速度也在一定值的上下范圍內(nèi)波動(dòng)。

4 結(jié)論

4.1 相比傳統(tǒng)多晶硅固渣干燥機(jī)，該連續(xù)式干燥機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)密閉操作，其嵌套雙錐結(jié)構(gòu)增大了單位體積傳熱面積，雙螺帶結(jié)構(gòu)加劇流體流動(dòng)。

4.2 在旋轉(zhuǎn)錐筒和螺帶作用下，導(dǎo)致大量漩渦產(chǎn)生；流體隨錐筒旋轉(zhuǎn)到達(dá)一定高度，在重力作用下回落，出現(xiàn)邊界層分離。由于錐筒外區(qū)域的動(dòng)力部件較多，因此流速和湍動(dòng)量要比在錐筒內(nèi)大。

4.3 流體進(jìn)入干燥機(jī)后形成軸向、徑向和切向流，切向和徑向速度隨錐筒的周期性旋轉(zhuǎn)做有規(guī)律的變化，流體的軸向速度隨流體通道的變化而增大或減小。

4.4 冷模實(shí)驗(yàn)與流體仿真結(jié)果均證明了連續(xù)式密閉嵌套的雙螺帶干燥機(jī)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

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DevelopmentandCFDSimulationofNewContinuousDryerforPolysiliconSlurryDisposition

WANG Xiao-jing1, MA Dong-yun1, LIU Ya-qian1, SUN Qi-meng1, LU Xiao-yong2, XU Yi-ming2, QIN Feng-xiang2
(1.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity; 2.ChinaConstructionInstallationEngineeringCo.,Ltd.)

Considering both characteristics and difficulties in producing polysilicon slurry, a continuous airtight dryer was designed and 3D model was established, including making use of CFD Fluent to simulate the fluid flow in the rotating dryer and adopting RNGk-εturbulent model in the calculation. Results show that, a

王曉靜(1963-)，副教授，從事化工機(jī)械設(shè)備、干燥及造粒技術(shù)等研究工作。

聯(lián)系人馬東云(1988-)，碩士研究生，從事動(dòng)力設(shè)備開發(fā)制造、制冷和傳熱工程研究工作，madongyun@tju.edu.cn。

TQ051.8+92

A

0254-6094(2017)02-0184-07

2016-05-26，

2016-12-05)

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