卧螺锥套回转干燥机流场模拟优化及传热计算

摘要

多晶硅固渣浆料是氯硅烷和二氧化硅等固体物质的混合物。固渣浆料的处理一般采用水解中和法，但是直接进行水解中和无法回收固渣中的氯硅烷，造成原材料的浪费。因此，一般先利用干燥的手段在密闭的干燥机内对浆料进行干燥处理，使氯硅烷等轻组分蒸发气化与固渣分离。本课题研究开发了一种连续操作的多晶硅固渣处理设备，对于实现四氯化硅、三氯氢硅回收，保证生产安全连续进行具有重要的意义。
　　对干燥机内的流场进行了三维模拟并对内外螺带参数、搅拌转速、物料黏度、入口速度等主要参数进行了优化。结果表明：外螺带对流体的搅拌作用较为明显，速度在锥筒内部较锥筒外部小，在螺带和辐杆的背压处出现漩涡和边界层分离；对内螺带参数进行了优化，选取了螺距螺径比ξ2为0.9，1.0，1.2，1.33的四种内螺带，发现随着ξ2的增加，流场的分布越来越均匀，但是当ξ2增加到1.33，螺带的搅拌作用大大降低。综合考虑后，推荐ξ2为1.0的内螺带；对外螺带参数进行了优化，选取了螺距螺径比ξ1为0.9，1.0，1.13的外螺带，发现ξ1增加，流体的湍动程度增加，但是搅拌功率和扭矩也大大增加，从功率消耗和流场综合分析，推荐ξ1为0.9或者1.0的外螺带。
　　分别计算搅拌桨转速为5r/min~30r/min，流体粘度为0.0034Pa·s~34Pa·s和入口速度为0.1m/s~0.3m/s时的三维流场，结果表明转速在10~15r/min下操作较为合适，流体粘度越大所需扭矩越大，随着粘度的增大，扭矩的增大速度也逐渐提高；入口速度对干燥机内的流场分布影响不是很大。
　　推导出了连续式干燥设备传热计算的一般方法，并且给出了具体的算法。引入摊平系数的概念，表征干燥机工作状态相比静止状态传热面积的变化；通过颗粒追踪法得到干燥机的停留时间分布曲线，进而得到停留时间和速度分布；通过计算得到传热系数K在干燥机内分布规律和连续干燥机内物料的干燥曲线，并拟合了经验公式，为该干燥机的工程应用奠定了理论基础。

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第一章 文献综述

1.1 课题背景

1.2 多晶硅产业发展概况

1.3 搅拌干燥技术和设备概述

1.4 计算流体力学在搅拌干燥设备中的应用

1.5 研究目的及主要内容

第二章 多晶硅固渣连续干燥机的开发

2.1 干燥器结构选型

2.2 干燥机结构特点

2.3 干燥机的工艺条件

2.4 本章小结

第三章 计算流体力学数值模型及模拟方法

3.1 CFD原理及软件简介

3.2 基本控制微分方程组的建立

3.3 湍流模型的选择

3.4 近壁区的处理

3.5 本章小结

第四章 连续式螺旋干燥机流场模拟

4.1 连续干燥机三维模型的建立

4.2 ANSYS workbench 14.5中网格的划分

4.3 FLUENT求解器设置

4.4 干燥机流场分析

4.5 干燥机结构优化

4.6 本章小结

第五章 连续干燥机内传热计算

5.1 干燥机传热计算基本理论

5.2 物料在干燥机内的停留时间

5.3 干燥机传热能力计算

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要工作与结论

6.2 工作展望

参考文献

附录

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致谢