新型連續式多晶硅渣漿干燥機的開發及流場模擬

王曉靜 馬東云 劉雅茜 孫啟蒙 陸曉詠 徐義明 秦鳳祥

(1.天津大學化工學院；2.中建安裝工程有限公司)

新型連續式多晶硅渣漿干燥機的開發及流場模擬

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.天津大學化工學院；2.中建安裝工程有限公司)

根據多晶硅生產中固渣漿料的處理特點和難點，設計開發了一套連續密閉的干燥機，通過一定簡化后，建立了干燥機的三維模型，并應用CFD軟件Fluent14.5初步模擬了干燥機內的流體流動，計算中采用RNGκ-ε湍流模型。結果表明：在輻桿與螺帶和旋轉錐筒連接處有大量的漩渦產生，邊界層分離；在旋轉錐筒和內、外螺帶的攪拌作用下，流體連續流動，形成軸向、徑向與切向流，湍流程度加劇；錐筒外的湍流程度比錐筒內的顯著。構建了連續式雙螺旋干燥機小試裝置實驗系統，在全滿流狀態下，以濃鹽水代替固渣漿料進行冷模實驗，研究了軸向、徑向和切向三維分速度的分布特征。實驗結果表明：錐筒轉速和循環量對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流作用，帶動流體切向和徑向周期運動。實驗結果與流體仿真結果表現出良好的一致性，均證明了連續式密閉嵌套的雙螺帶干燥機設計的合理性和有效性。

干燥機 多晶硅 設計開發 CFD數值模擬 冷模實驗

符號說明

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——進料管直徑，mm；

g——重力加速度，m/s2；

H——錐筒長度，mm；

h——螺帶長度，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——時間，s；

λ——導熱系數，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，隨著能源價格和原材料成本的提高，迫切需要開發新的能源。綠色環保、安全無污染的太陽能成為研究的重點之一，而多晶硅是發展太陽能電池的必備材料，因此多晶硅的生產和純度的提高成為研究的重點。就目前的多晶硅生產工藝來看，改良西門子法比較成熟[1～4]。然而在合成、提純等工藝中會產生含有四氯化硅、三氯氫硅(統稱氯硅烷)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，而且極易與空氣和水反應生成易燃易爆物質，因此多晶硅固渣漿料如果不加處理任意排放，勢必會對環境產生污染。目前，較普遍的處理方法是通過干燥的手段，使氯硅烷轉換為氣體分離出來，而干燥后的渣料送往后續工藝，減少了水解處理量，同時分離出來的氯硅烷氣體可以繼續輸送到多晶硅還原爐內循環使用。但是，傳統的渣漿干燥機采用間歇操作，干燥設備一次投料量大，因此對設備的承載量和熱負荷提出了新的挑戰。

學者們對于多晶硅生產中固渣漿料的處理進行了很多的研究和嘗試。楊濤詳細論述了改良西門子法的工藝流程，并提出了工藝設計中應該注意的問題[5]。劉剛等則對改良西門子法中三氯氫硅的精餾工藝進行了改進，將傳統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等雜質的含量，可使純度達到99.999%[6]。李群生和王翔宇對三氯氫硅粗餾的三塔精餾過程進行了模擬，利用響應曲面法分析探究了不同操作參數和結構參數對產品組成的綜合影響，并給出了流程的參數組合[7]。李國棟等利用Aspen軟件對三氯氫硅的還原過程進行了模擬，通過對工藝參數的優化，提高了生產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]。

本課題組研發的干燥機采用連續操作，減小了由于間歇操作對設備施加的交變載荷的影響，而且采用了新型結構，使得干燥機單位體積的傳熱面積增加，增大了干燥設備的熱負荷，處理能力有所提高。干燥機的密封結構更加合理，隔離了水和空氣，操作安全。對于多晶硅的安全生產、節能降耗具有重要的意義。通過一定的簡化后，建立了該連續式干燥機的簡化模型，并采用CFD軟件Fluent14.5對干燥機內的流場進行了初步模擬。同時構建了干燥機小試裝置，進行冷模實驗，通過對示蹤粒子的追蹤記錄，獲得其運動軌跡用以反映流體的運動情況，求得各個方向的速度并與模擬結果進行對比，以期驗證結構設計的合理性、獲得基礎的流場和速度分布，為工程實踐提供指導。

1 數學模型和物理模型

1.1 數學模型

假設干燥機內流動時各流場參數是不隨時間變化的，因此可看做單相穩態流動。干燥機內漿料的運動速度較低，可視為不可壓縮流體的流動。則連續性方程、Navier-Stokes動量方程和能量方程分別如下[10]：

連續性方程 ▽·u=0

由于固體錐面存在旋轉運動，因此壁面附近存在高剪切流，并伴隨漩渦的產生，因此湍流模型采用RNGκ-ε模型：

1.2 物理模型

新型連續式干燥機具有以下優點：

a. 新型干燥機采用嵌套雙錐結構，物料在干燥機內經過錐筒和圓柱筒的兩次換熱。同時，外螺帶和錐筒均是中空結構，內通蒸汽，增加了單位體積的傳熱面積。

b. 入口管深入到干燥機的內部，加上錐筒的存在將干燥機內的空間分成兩部分，因此物料在干燥機內的行程是兩個干燥機的長度，增加了物料的停留時間。

c. 出口處設置多級星形閥實現物料的連續排出，并可保證干燥機內的密閉環境。

該連續式干燥機的工作原理為：物料通過進料管進料，在旋轉錐筒和內螺帶的帶動下，向左流動并和錐筒進行換熱，在最左端進入錐筒和外筒壁之間的流道繼續和錐筒、外筒壁進行換熱，最后氯硅烷氣體從C流出，固渣由星形閥D實現連續出料。干燥機簡圖如圖1所示，具體參數如下：

錐筒大端直徑D11 300mm

錐筒小端直徑D2280mm

錐筒長度H2 700mm

螺帶長度h2 500mm

進料管直徑d140mm

螺帶寬度b8mm

螺帶與筒壁間隙c10mm

螺帶間距S1 400mm

圖1 連續式臥螺錐套回轉干燥機簡圖

2 數值模擬和冷模實驗

滿流是干燥機的一個極端工作狀態，也是最危險的狀態，此時對干燥機內各構件的要求也是最高的。因此，文中的流場分析是在干燥機滿流的狀態下進行的。由于物料在干燥機內的流動分為兩階段，即在錐筒內和錐筒外流動，因此模擬分為兩部分進行。模型在Pro E中建立，導入Fluent，模擬工作是在Anasys14.5中完成的。

2.1 工業裝置模擬

模擬采用RNGk-ε模型，壁溫恒定為408K。考慮重力作用。模擬渣漿入口溫度344K，渣漿的密度1 470kg/m3，比熱770J/(kg·K)，導熱系數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，錐筒旋轉速度6～18r/min，干燥機材料采用304不銹鋼，攪拌系統選用45號鋼。

2.2 小試裝置模擬

按照工業裝置的結構，縮比制造完成可視化小試實驗裝置，采用有機玻璃以便于觀察。采用質量體積濃度為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。采用與工業裝置相同的模擬條件，入口設置為速度入口、出口設置為壓力出口，并將錐筒內外表面設置為軸向旋轉的壁面，對流場進行模擬。

2.3 冷模實驗

2.3.1 實驗原理

根據田兆君提出的平面鏡與攝像機合體的三維立體恢復理論[11]，采用高速攝像機結合平面反射鏡的單攝像頭雙影像三維動態粒子示蹤方法，在示蹤粒子記錄中，實現瞬時平面數碼影像到空間三維坐標的轉換，推導出由平面二維像素坐標到空間三維坐標的變換公式，從而得出粒子的運動軌跡，進而計算得到粒子的速度。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趨勢。

2.3.2 實驗步驟

實驗步驟如下：

a. 了解實驗裝置和干燥工藝流程特點、熟悉循環泵及高速攝像機等實驗裝置的使用方法；

b. 確定高速攝像機和平面鏡的安裝位置(圖2)，測量得到實驗需要的關鍵尺寸d1=337mm，d2=262mm，d3=462mm；

c. 配置質量體積濃度為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，充滿；

e. 啟動電機，參照數值模擬設定值，調節電機轉速大小和循環泵的流量，待裝置運行穩定后，開啟高速攝像機，開始攝像，為提高實驗的準確性，每種條件攝像3次；

f. 調節電機轉速和循環泵流量，重復上述試驗步驟；

g. 實驗結束后整理器材，用清水將小試裝置沖洗干凈；

h. 實驗數據處理。

圖2 設備布局圖

3 結果分析

3.1 工業裝置模擬結果分析

對于螺旋式設備，軸向速度和切向速度是研究的重點。圖3給出了入口速度為0.12m/s，錐筒轉速為15r/min，流體粘度為3.4mPa·s時，錐筒內z=0mm截面的速度矢量分布云圖，由圖3可以看出流體進入干燥機，在旋轉錐筒和螺帶的作用下，形成切向流動、徑向流動和軸向運動。

圖3 z=0mm截面速度矢量分布云圖

如圖4所示，流體流動過程中，迎向流體的螺帶面壓力較高，導致背向流體的一面出現低壓區，低壓區的存在使得流體產生漩渦，出現邊界層分離。隨著流動的進行，接近錐筒大端時，由于流體流道的擴大，流體流動劇烈程度降低，漩渦很少或消失。在內外流體區域的過渡區，流體的速度較小，在錐筒內不斷進入的流體的壓力下進入錐筒外區域。在錐筒外區域，流體在外螺帶和錐筒的帶動下向出口處流動，由于錐筒外區域的動力部件較多，因此整體的流速和湍動要比在錐筒內區域的大。

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。產生流體切向速度變化的原因有兩個：一是由于旋轉錐筒的帶動，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。同時還可看出輻桿對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，軸向速度較大，如物料剛進入干燥機時，流道較為狹窄，此時軸向速度變化快，速度梯度大，隨著流動的進行，流體流道的擴張，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。當流體由錐筒內向錐筒外流動時，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錐筒的作用，流體在偏離重力方向大約120°時速度達到最大，而后出現邊界層分離[12]，流體在重力作用下回落并與上升流體碰撞摻混，產生漩渦。

圖7 不同軸向截面速度矢量分布云圖(錐筒內)

3.2 小試裝置模擬結果分析

圖8、9給出了入口速度為0.10m/s，錐筒轉速為12r/min時流體速度分布云圖和速度矢量分布云圖。由圖可知，流體進入錐筒后軸向速度整體呈減小趨勢，隨軸向距離增加，錐筒內的空間逐漸增大，因此錐筒內側流體的速度會越來越小。在內螺帶、輻桿與錐筒連接處和外螺帶、輻桿與外筒連接處，由于螺帶和旋轉壁面的作用，流體在流動過程中形成漩渦，流動程度加劇，速度邊界層減薄，流場分析結果與工業裝置流場分析結果一致。這表明，連續式錐套雙螺旋干燥機攪拌效果明顯，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 小試裝置實驗結果分析

為了便于觀察，本實驗以錐筒外流體運動為研究重點。根據流體運動的空間軌跡，采用速度計算公式，計算得到軌跡上各點的速度。圖10、11分別給出了錐筒轉速為17r/min，泵的循環量為2.3L/min時，示蹤粒子在軸向、徑向和切向各點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，軸向速度較平緩，在各個位置處，流體軸向速度隨軸向截面的變化沒有明顯規律，在軸向截面為20、130、450mm位置處，軸向速度的波動尤其劇烈，經分析發現，這些位置為外螺帶與輻桿連接處，與流場模擬結果一致。這表明：由于螺帶和輻桿的攪拌作用，流體流動加劇，湍動能提高。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。由于外螺帶攪拌作用和錐筒的旋轉作用，帶動流體旋轉運動，形成切向流和徑向流，所以切向和徑向速度有較大的變化。且干燥機在勻速地旋轉，螺帶和錐筒做周期運動，因此速度也在一定值的上下范圍內波動。

4 結論

4.1 相比傳統多晶硅固渣干燥機，該連續式干燥機可以實現連續密閉操作，其嵌套雙錐結構增大了單位體積傳熱面積，雙螺帶結構加劇流體流動。

4.2 在旋轉錐筒和螺帶作用下，導致大量漩渦產生；流體隨錐筒旋轉到達一定高度，在重力作用下回落，出現邊界層分離。由于錐筒外區域的動力部件較多，因此流速和湍動量要比在錐筒內大。

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

4.4 冷模實驗與流體仿真結果均證明了連續式密閉嵌套的雙螺帶干燥機設計的合理性和有效性。

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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，從事化工機械設備、干燥及造粒技術等研究工作。

聯系人馬東云(1988-)，碩士研究生，從事動力設備開發制造、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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