王曉靜，武宸宇，劉雅茜，李元奎

（天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300350）

隨著全球傳統(tǒng)化石燃料的枯竭，作為可再生清潔能源的太陽能的需求日益增強，而光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開多晶硅的生產(chǎn)［1-2］。目前，70%～80%的多晶硅均通過改良西門子法生產(chǎn)，然而在多晶硅的合成、提純等工藝中會產(chǎn)生含有氯硅烷、二氧化硅、氯化物等的固渣漿料［3-4］。已工業(yè)化生產(chǎn)的多晶硅渣漿處理方法主要為干燥水解法。干燥水解法是將多晶硅渣漿加入干燥機，使氯硅烷轉(zhuǎn)化為氣體并冷凝回收，干燥后的固渣通入堿液，在水解槽中進行水解反應(yīng)［5］。提高渣漿中氯硅烷等副產(chǎn)物的回收率是降低多晶硅生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，因此高效的連續(xù)式渣漿干燥機便成為多晶硅生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)。

倪邦慶［6］研究了不同螺距/螺帶直徑條件下，高黏物料在雙螺帶攪拌釜內(nèi)部流場的分布情況。張敏革等［7］對雙螺帶螺桿攪拌槳在高黏氣液兩相流的流場進行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，得到的流場呈大循環(huán)特征。張靖等［8］研究了螺帶-螺桿組合式攪拌器對高黏非牛頓流體的攪拌流場特性，分析了流場、速度場、剪切速率和表觀黏度的分布。

本工作采用自主設(shè)計的一臺連續(xù)式密閉結(jié)構(gòu)的錐套螺帶干燥機，通過Pro/E軟件建立新型干燥機的三維實體模型，然后導(dǎo)入Fluent 14.5軟件中進行數(shù)值模擬，在干燥機非滿流情況下，對它的內(nèi)部流場、粒子軌跡、停留時間進行分析，并結(jié)合冷模實驗驗證了模擬方式的合理性。對新型錐套螺帶多晶硅渣漿干燥機的進一步研究具有較高的參考價值。

1 內(nèi)部流場數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

模型內(nèi)的物料密度隨壓力等參數(shù)變化不大且運動速度較低，可看做不可壓縮流動，流動遵循質(zhì)量守恒與動量守恒，可得到計算模型遵循的基本控制方程［9］。

在錐筒和內(nèi)外螺帶的攪拌作用下，干燥機內(nèi)物料處于湍流運動狀態(tài)，由于RNG k-ε模型對于處理低雷諾數(shù)和近壁面區(qū)域的流動行為的模擬具有較好效果［10］，因此湍流模型采用RNG k-ε模型。

1.2 幾何模型

孫啟蒙［11］對干燥機的設(shè)計思想、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、全滿流流場模擬等進行了詳細的研究，李曉悅［12］對干燥機攪拌系統(tǒng)進行了力學(xué)分析及優(yōu)化。本工作運用Fluent 14.5軟件對連續(xù)式錐套螺帶干燥機內(nèi)部流場以及粒子軌跡進行模擬，幾何模型見圖1。由于此干燥機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以在螺帶與輻桿周圍采用四面體網(wǎng)格，其余采用六面體網(wǎng)格；并采用曲率法對螺帶、輻桿周圍進行局部加密處理，綜合考慮求解精度和計算時間，確定網(wǎng)格總數(shù)為2 811 000，且滿足網(wǎng)格獨立性要求。

圖1 干燥機幾何模型Fig.1 Geometric model of the new dryer.

1.3 模擬方法與邊界條件

對模擬方法進行了一定假設(shè)：將流體視為不可壓縮流體，忽略流體與干燥機壁面的傳熱作用以及流體流動由于黏性耗散產(chǎn)生的熱效應(yīng)?？紤]到該設(shè)備內(nèi)部包含較多旋轉(zhuǎn)和攪拌部件，湍流模型采用RNG k-ε模型，壁面邊界層采用scalable處理，采用SIMPLEC的壓力-速度耦合方法，瞬態(tài)求解，步長為1×10-4s，對于流場分析采用歐拉模型，氣液相界面采用VOF模型，速度等離散格式均采用二階迎風(fēng)格式，界面差值方式為QUICK格式。計算時，氣相密度1.138 kg/m3、黏度0.016 63 mPa·s，渣漿密度1 471 kg/m3、黏度3.4 mPa·s，入口速率0.5 m/s，干燥機轉(zhuǎn)速5～23 r/min，并考慮重力的影響。

采用DPM顆粒模型對粒子軌跡進行跟蹤，并求解物料的停留時間。Fluent軟件中對顆粒-壁面碰撞處理十分簡單，忽略了顆粒與筒壁、螺帶等壁面碰撞時的復(fù)雜機理，導(dǎo)致模擬效果變差［13］。所以通過UDF引入顆粒與壁面和顆粒受力的代碼，邊界條件設(shè)置為：入口段逃出，出口段捕捉，其他壁面全部設(shè)置為反射［14］。 入口處采用速度入口邊界條件，出口處采用壓力出口邊界條件，旋轉(zhuǎn)錐筒、外螺帶及連接二者的輻桿設(shè)置為繞中心軸以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的壁面，其他壁面設(shè)置為無滑移壁面。

2 模擬方法驗證

2.1 實驗方法及流程

為了便于實驗過程中高速攝像機對干燥機內(nèi)部進行拍攝，殼體采用有機玻璃，其他部件均采用45號鋼制造。將示蹤粒子（與鹽水等密度的PET聚酯小球）涂成紅、黑、綠三種顏色，每次實驗放入以上三種粒子，一次實驗可以記錄三條粒子軌跡。測量體系選用田兆君［15］的平面鏡與攝像機相結(jié)合的三維立體恢復(fù)理論，實驗流程見圖2。由圖2可知，電動機經(jīng)變頻器調(diào)速，帶動干燥機內(nèi)的錐筒-外螺帶轉(zhuǎn)動，鹽水（密度為1.021 kg/m3、黏度為1.594 mPa·s）由泵從料槽送至干燥機入口，流經(jīng)中心管、內(nèi)筒、外筒，最終流回料槽。在操作過程中用高速攝像機測量其運動軌跡。實驗中干燥機的轉(zhuǎn)速為14 r/min，入口速度為0.25 m/s，示蹤粒子直徑為8 mm。

圖2 實驗流程Fig.2 Flow chart of the experiment.

2.2 結(jié)果驗證

圖3為內(nèi)外筒示蹤粒子軌跡模擬與實驗對比。

圖3 內(nèi)外筒示蹤粒子軌跡模擬與實驗對比Fig.3 Comparison of simulation and experiments of trajectories of particles in inner and outer cylinders.

由圖3可以看出，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果大體一致，從而驗證了模擬求解設(shè)置的合理性，為研究非滿流條件下新型干燥機內(nèi)的流場奠定了基礎(chǔ)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 流場分析

圖4為z = 0截面的速度矢量圖。

對于“一帶一路”，從狹義層面看，指的是中國將和海上和陸上絲綢之路的沿線國家為加強經(jīng)濟來往所形成的區(qū)域性經(jīng)濟。從廣義層面看，“一帶一路”為中國提供了與亞洲其他國家、非洲和歐洲之間來往的渠道。現(xiàn)如今正是“一帶一路”倡議發(fā)展的關(guān)鍵時刻，面對越來越激烈的競爭和挑戰(zhàn)，要想贏得雙贏的局面只有通過各國之間合作形成區(qū)域型經(jīng)濟發(fā)展，才能逐步解決經(jīng)濟和政治問題。

圖4 z=0截面的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector of surface z=0.

由圖4可知，在攪拌系統(tǒng)的作用下，物料在干燥機內(nèi)存在軸向、徑向和切向流動，切向和徑向運動占主導(dǎo)地位抑制了黏壁效應(yīng)；內(nèi)筒區(qū)域，物料由進料管出口向錐筒大端的運動過程中，在淺層區(qū)域形成多個小的局部環(huán)流，這有利于延長物料的干燥時間；同時流域內(nèi)產(chǎn)生多個漩渦，漩渦沿軸向運動，有助于提高攪拌的均勻性，降低物料受熱不均勻的概率；也可以看出螺帶的右端受到來流沖擊力的影響，壓力較大，產(chǎn)生繞流，因而在背壓區(qū)形成漩渦，產(chǎn)生流固分離，并發(fā)生回流現(xiàn)象。

圖5為液相的周向和軸向速度矢量圖。由圖5可知，周向速度矢量與軸向速度矢量在螺帶附近突然變大，一是因為螺帶和輻桿的攪拌作用帶動物料做徑向運動；二是因為螺帶與攪拌軸具有一定的角度，螺帶斜面的擠壓作用對物料產(chǎn)生軸向推動力。正是螺帶與輻桿對物料的切向與軸向推動力使物料產(chǎn)生漩渦，增加了物料的湍流程度，使得物料與壁面的能量交換更加充分并防止產(chǎn)生黏壁現(xiàn)象。

圖5 液相的周向和軸向速度矢量圖Fig.5 Circumferential and axial velocity vector diagram of liquid phase.

圖6為z=0截面的軸向速度分布云圖。由圖6可知，由于螺帶的攪動，軸向速度在螺帶處波動較大；內(nèi)筒區(qū)域流體的流通面積較小，因而軸向速度較大且變化較快，并隨著流道的加寬，流速逐漸趨于穩(wěn)定；在內(nèi)外筒連接區(qū)域由于流道變窄軸向速度有增大趨勢，外筒區(qū)域流道穩(wěn)定不變，因而軸向速度相對穩(wěn)定。

圖6 z=0截面的軸向速度云圖Fig.6 Distribution of axial velocity of surface z=0.

3.2 接觸面分析

通過接觸面可以更直觀地了解干燥機內(nèi)流體運動行為。圖7a為不同轉(zhuǎn)速下徑向切面上的液相分率。由圖7a可知，錐筒和外螺帶為順時針旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)錐筒帶動其內(nèi)部流體順時針旋轉(zhuǎn)，相當于內(nèi)螺帶逆時針攪拌內(nèi)筒流域，造成外筒區(qū)域氣液相界面左側(cè)較高，內(nèi)筒區(qū)域右側(cè)較高。在內(nèi)外螺帶的攪拌過程中，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)，這種物料低壓區(qū)的反復(fù)出現(xiàn)會產(chǎn)生漩渦，能夠強化傳熱。隨著轉(zhuǎn)速的提高，氣液接觸面也隨之提高，說明提高轉(zhuǎn)速可以將物料揚起更高的高度，隨之提高物料與傳熱面的接觸面積。但也應(yīng)該考慮到轉(zhuǎn)速的提高會縮短物料的干燥時間。

圖7b為不同存液量下的液相分率。由圖7b可知，隨著液位的下降，料液被揚起的高度與原液位高度的比值增大，意味著傳熱效果增強。但隨著液位的下降，干燥機固有傳熱面的利用率也就越低。說明存液量的改變對外筒傳熱面的影響較大，這是由內(nèi)筒物料處于斜面流動且流速較高以及內(nèi)筒安裝位置共同決定的。

圖7 不同轉(zhuǎn)速和不同存液量下的液相分率Fig.7 Liquid volume fractions at different rotary speeds and different liquid storages.

3.3 粒子軌跡分析

圖8為非滿流粒子模擬軌跡。由圖8可知，由于螺帶和輻桿對物料的攪拌作用，導(dǎo)致內(nèi)外筒粒子做螺旋運動；外筒的跡線相比內(nèi)筒要長的多，一是由于外筒流域大于內(nèi)筒流域；二是由于外筒螺帶尺寸較大，對物料的攪拌作用較強。因此，物料粒子在外筒流域碰撞與往復(fù)運動的機率較大，表明外筒流域更有利于物料的質(zhì)量傳遞、熱量傳遞。在實際干燥過程中，可以適當提高外筒傳熱介質(zhì)的溫度以強化傳熱。

3.4 物料軸向速度隨流體進程的分布與停留時間

圖8 非滿流粒子模擬軌跡Fig.8 Trajectory chart of tracked particle under non-full flow conditions.

圖9 軸向速度隨流體進程的分布與停留時間Fig.9 Axial velocity distribution and residence time along with the fluid flow process.

由圖9a和9b可知，在內(nèi)筒流域，軸向速度在1.2 m和2.1 m處有小幅度回落，這是由于螺帶的攪拌作用提高了物料的湍動能，引起物料徑向與切向的運動。左右兩側(cè)速度驟降是因為當物料進入錐筒小端與外筒區(qū)域時流道突然變化。在外筒流域，速度較慢且穩(wěn)定，這是因為外筒直徑較內(nèi)筒大，且無錐角。圖9c為不同入口流速和干燥機轉(zhuǎn)速下物料的停留時間。物料的停留時間是干燥機的重要性能參數(shù)，受入口流速與干燥機的轉(zhuǎn)速影響。由圖9c可知，干燥機的停留時間主要集中于3 235～3 985 s之間。

4 結(jié)論

1）在攪拌系統(tǒng)的作用下，新型干燥機內(nèi)流場產(chǎn)生大量漩渦，并產(chǎn)生局部環(huán)流，提高了攪拌的均勻性。流體被帶到一定高度后，在重力作用下回落，出現(xiàn)流固分離。流體在螺帶背壓區(qū)產(chǎn)生漩渦，在螺帶附近徑向、軸向、切向速度達到最大，防止黏壁現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2）干燥機內(nèi)大部分物料處于低處液相區(qū)域，相比于內(nèi)筒，外筒的軸向速度相對較低、示蹤粒子的跡線較長、粒子往復(fù)移動的機率較高，說明外筒區(qū)域更加有利于質(zhì)量傳遞、熱量傳遞。在實際生產(chǎn)中可以適當提高外筒傳熱介質(zhì)的溫度。

3）對不同存液量和轉(zhuǎn)速條件下氣液接觸面進行分析的結(jié)果表明，在實際生產(chǎn)中設(shè)置轉(zhuǎn)速與加料量時需要綜合考慮兩者的影響，并且得出不同進口速度與轉(zhuǎn)速條件下的停留時間分布，為實際生產(chǎn)過程提供有價值的指導(dǎo)。

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